Tras el rápido movimiento de los vehículos eléctricos, el funcionamiento de las centrales fotovoltaicas y el control preciso de las líneas de producción industrial, existe un componente de potencia fundamental: el módulo IGBT (transistor bipolar de puerta aislada). Este convierte la corriente continua en corriente alterna, regula con precisión la velocidad y el par del motor, controla eficientemente los interruptores de potencia y completa la conversión y regulación de la energía eléctrica. Es el «corazón» de los dispositivos electrónicos de potencia.
A medida que la industria mejora continuamente el rendimiento y la eficiencia de los sistemas, los módulos IGBT evolucionan hacia una mayor densidad de potencia, un tamaño más pequeño y una mayor fiabilidad para satisfacer las demandas de aligeramiento de los vehículos eléctricos, alta potencia de salida, funcionamiento eficiente de los nuevos inversores de energía, así como una larga vida útil y alta fiabilidad de los equipos industriales de conversión de frecuencia. En aplicaciones con alta potencia y alta carga térmica, la descarga segura y eficiente del calor generado por el chip se ha convertido en un reto importante en el diseño de módulos.
Esta respuesta se esconde en gran medida en un componente aparentemente insignificante del módulo: la placa base. No se trata de una placa metálica común, sino de un componente preciso fabricado con una estructura compuesta de cobre, cerámica y cobre. El sustrato de los módulos IGBT se ha fabricado tradicionalmente con materiales cerámicos. Para módulos de baja potencia, se suele utilizar óxido de aluminio, que es rentable y cuenta con procesos de fabricación avanzados. Sin embargo, en aplicaciones de alta potencia y alta fiabilidad, el nitruro de aluminio se ha convertido en el material clave para los sustratos IGBT modernos gracias a su alta conductividad térmica y excelentes propiedades de aislamiento.
¿Por qué nitruro de aluminio?
El nitruro de aluminio es una cerámica funcional avanzada. Se utiliza en módulos IGBT de alto rendimiento gracias a sus excelentes propiedades físicas:
(1) Excelente conductividad térmica: Su conductividad térmica alcanza los 170-230 W/mK, de 6 a 8 veces la de la alúmina tradicional, lo que permite una rápida transferencia del calor generado por el chip a la placa base, previniendo así el sobrecalentamiento y las fallas.
(2) Aislamiento fiable: A la vez que logra una conducción térmica eficiente, el AlN mantiene una alta resistividad volumétrica y rigidez dieléctrica, lo que permite construir una barrera de aislamiento eléctrico estable a la tensión de funcionamiento típica de los módulos IGBT, garantizando así la seguridad operativa.
(3) Expansión térmica equivalente: Su coeficiente de expansión térmica (~4,5×10-6/K) es similar al de los chips de silicio. Durante los ciclos térmicos, reduce eficazmente la tensión térmica y previene el agrietamiento de la capa de soldadura, mejorando así la fiabilidad a largo plazo.
Sin embargo, la simple cerámica de alto rendimiento no es suficiente para construir un módulo completo. Es necesario combinarla con metales para conducir la corriente y disipar el calor.
Tecnología DBC: De la cerámica a los sustratos multifuncionales
Para aprovechar al máximo las ventajas del AlN, los módulos IGBT modernos suelen emplear la tecnología de cobre unido directamente (DBC). Este proceso logra la unión firme de la lámina de cobre de alta pureza a ambas caras de la lámina cerámica de AlN mediante una reacción eutéctica de alta temperatura, formando una estructura tipo sándwich de cobre-cerámica-cobre. Cada capa tiene una función clara y coordinada:
– Capa superior de cobre: Como capa de circuito, se utiliza para soldar chips IGBT y conducir la corriente principal.
– Capa intermedia de cerámica de AlN: Es el núcleo funcional, logrando un aislamiento eficiente y una rápida conducción del calor.
– Capa inferior de cobre: Como capa de transferencia de calor, transmite el calor a la placa base metálica y al sistema de refrigeración externo.
Gracias a esta estructura, el sustrato de AlN-DBC deja de ser una cerámica aislada para convertirse en un portador integrado multifuncional que integra conductividad, aislamiento, conducción de calor y soporte mecánico, sentando una base física sólida para la alta densidad de potencia y el funcionamiento fiable de los módulos IGBT.
La misión principal del AlN-DBC
En el módulo IGBT, el AlN-DBC determina el límite de rendimiento del módulo:
(1) Gestión térmica
La alta conductividad térmica permite que el calor generado por el chip se disipe rápidamente, lo que garantiza el funcionamiento estable del módulo en condiciones de alta corriente y alta densidad de potencia, logrando así la miniaturización y una alta eficiencia.
(2) Aislamiento eléctrico
Proporciona un aislamiento fiable entre los chips de alto voltaje y el disipador de calor de conexión a tierra para garantizar el funcionamiento seguro del sistema de alto voltaje (como la plataforma automotriz de 800 V).
(3) Estabilidad mecánica
La adaptación a la expansión térmicaReduce la tensión de los ciclos térmicos, garantizando la fiabilidad de la interfaz del módulo durante frecuentes arranques y paradas, aceleraciones y ciclos de alta potencia, prolongando significativamente su vida útil.
Por esta razón, el AlN-DBC se ha convertido en la solución preferida para aplicaciones avanzadas como inversores de accionamiento principal de vehículos eléctricos, cargadores de a bordo (OBC), convertidores fotovoltaicos/de almacenamiento de alta potencia, estaciones de carga ultrarrápida y servoaccionamientos industriales de alta gama. Proporciona una base material sólida para avances de rendimiento en estos campos.
Con el desarrollo de la tecnología de la electrónica de potencia, los módulos IGBT están evolucionando hacia una mayor potencia, un menor tamaño y una mayor fiabilidad. El sustrato AlN-DBC proporciona un apoyo crucial a esta tendencia y sienta las bases para futuras aplicaciones de alta temperatura de dispositivos semiconductores de banda prohibida amplia. Innovacera ofrece soluciones personalizadas para sustratos de nitruro de aluminio (AlN), lo que ayuda a los clientes a crear módulos de potencia de última generación, fiables y de alto rendimiento. No dude en contactarnos.
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