Sustrato de cerámica de nitruro de silicio

Cerámica de nitruro de silicioEl sustrato es un sustrato cerámico de alto rendimiento hecho de nitruro de silicio (Si₃n₄) como material central. Sus componentes principales son los elementos de silicio (Si) y nitrógeno (N), que están unidos químicamente para formar Si₃n₄. Durante el proceso de fabricación, una pequeña cantidad de ayudas de sinterización, como el óxido de aluminio (al₂o₃) o el óxido de ytrio (y₂o₃), generalmente se agregan para ayudar al material a formar una microestructura densa y uniforme a altas temperaturas.

La estructura cristalina interna de los sustratos de cerámica de nitruro de silicio es principalmente fase β, con granos entrelazados que forman una red de panal estable. Esta disposición única imparte alta resistencia mecánica y una excelente resistencia al choque térmico al material. La estructura densa, lograda a través de la sinterización de alta temperatura, da como resultado una excelente conductividad térmica, resistencia, resistencia al calor y resistencia a la corrosión. Se usa ampliamente en electrónica, equipos de energía y aeroespacial, que generalmente sirve como plataforma de disipación de calor o componente de soporte aislante para componentes electrónicos.

Nitruro de siliciose confía en un sustrato cerámico porque satisface las crecientes demandas de control térmico y confiabilidad estructural en dispositivos electrónicos compactos de alta potencia. A medida que aumenta la densidad del dispositivo, los sustratos tradicionales luchan por hacer frente al estrés térmico y las cargas mecánicas.

Los sustratos de nitruro de silicio mantienen la estabilidad mecánica incluso bajo el rápido ciclo térmico. Esto los hace ideales para IGBT, módulos de potencia y circuitos de inversor automotriz, donde la disipación de potencia es alta y la falla es inaceptable.

También se favorece en las aplicaciones de RF, donde los sustratos deben soportar circuitos de línea fina y mantener una constante dieléctrica estable, un equilibrio de propiedades eléctricas y térmicas difíciles de encontrar en los materiales tradicionales.

Propiedades del sustrato de nitruro de silicio

1. Conductividad térmica

Con una conductividad térmica de aproximadamente 80-90 w/(m · k), los sustratos de nitruro de silicio superan a la cerámica de alúmina en la disipación de calor. Por ejemplo, en los módulos de energía de los vehículos eléctricos, los sustratos de nitruro de silicio pueden reducir las temperaturas de las chips en más del 30%, mejorando así la eficiencia y la confiabilidad.

2. Resistencia mecánica

Su resistencia a la flexión de tres puntos puede exceder los 800 MPa, aproximadamente tres veces mayor que la de la cerámica de alúmina. Las pruebas han demostrado que un sustrato de 0.32 mm de espesor puede soportar una presión de 400 N sin grietas.

3. Estabilidad térmica

Su rango de operación estable es de -50 ° C a 800 ° C, y su coeficiente de expansión térmica es tan bajo como 3.2 × 10⁻⁶/° C, lo que lo hace bien combinado con materiales semiconductores. Por ejemplo, en un inversor de tracción de trenes de alta velocidad, el cambio a un sustrato de nitruro de silicio redujo la tasa de falla debido a cambios rápidos de temperatura en un 67%.

4. Rendimiento de aislamiento

A temperatura ambiente, su resistividad de volumen es mayor que 10¹⁴ Ω · cm, y su resistencia de descomposición dieléctrica es de 20 kV/mm, cumpliendo completamente los requisitos de aislamiento de los módulos IGBT de alto voltaje.

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