Aplicación de sustratos cerámicos en el módulo de potencia de vehículos eléctricos

Los sustratos cerámicos son placas fabricadas con materiales cerámicos. Mediante un proceso especial, se adhieren capas de cobre a la superficie de la cerámica, formando patrones de circuitos. Gracias a sus propiedades térmicas, mecánicas y eléctricas únicas, se ha convertido en un material ideal para aplicaciones electrónicas exigentes, desempeñando un papel crucial, sobre todo, en los módulos de potencia.

Las principales ventajas son las siguientes:

1. Rendimiento térmico:

Su conductividad térmica es amplia. Por ejemplo, el AlN puede alcanzar hasta 170 W/m·K, mucho mayor que la de los sustratos tradicionales, lo que evita el sobrecalentamiento y, por consiguiente, los fallos.

2. Bajo coeficiente de dilatación térmica (CTE): Generalmente inferior a 8 ppm/K, coincide con el CTE de los chips semiconductores, lo que reduce el estrés térmico y mejora la fiabilidad y la vida útil.

3. Resistencia a altas temperaturas: Puede funcionar de forma estable en entornos de alta temperatura (como por encima de 600 °C), siendo adecuado para condiciones climáticas extremas, como en la industria automotriz y aeroespacial.

Propiedades mecánicas:

1. Alta resistencia y dureza. Posee buena resistencia mecánica y al desgaste, capaz de soportar vibraciones, impactos y desgaste mecánico.

2. Estabilidad de forma: Estabilidad dimensional precisa para evitar la deformación o fractura del circuito.

3. Resistencia a la corrosión: Resistente a ácidos, álcalis, oxidación y radiación.

4. Propiedades eléctricas:

· Alto aislamiento: Ofrece aislamiento de alto voltaje, previniendo fugas de corriente y cortocircuitos.

· Baja pérdida dieléctrica: Funciona para la transmisión de señales de alta frecuencia (como la comunicación 5G), reduciendo la atenuación de la señal.

• Excelente conductividad: La capa de cobre permite una alta transmisión de corriente, mejorando la eficiencia del circuito y la densidad de potencia.

Aplicación principal:

Los sustratos cerámicos se utilizan ampliamente en módulos de potencia, especialmente en vehículos eléctricos e híbridos:

1. Módulos de potencia para vehículos eléctricos: como inversores, sistemas de gestión de baterías y módulos de control de accionamiento, que permiten la conversión de alta tensión y alta potencia para garantizar la disipación de calor y el aislamiento, mejorando así la eficiencia y la fiabilidad generales del vehículo.

2. Otros: energía industrial, energías renovables, componentes aeroespaciales y equipos de comunicación, que cumplen con los requisitos de alta densidad de potencia, alta frecuencia y entornos de alta temperatura.

Proceso de fabricación y comparación de materiales

El sustrato cerámico combina cobre y cerámica mediante procesos como DBC, AMB y DPV, logrando una alta resistencia de unión y precisión del circuito.

Materiales cerámicos:

1. Sustrato de Al₂O₃: Alta rentabilidad, rendimiento equilibrado y baja conductividad térmica (aproximadamente 20-30 W/m·K).

Ventajas: Bajo costo, amplio uso.

Desventajas: Conductividad térmica limitada, no apto para entornos de temperaturas extremadamente altas.

2. Sustrato de AlN: Alta conductividad térmica (170 W/m·K), coeficiente de dilatación térmica (CTE) altamente compatible con chips de silicio.

Ventajas de su alta resistencia a la flexión: excelente disipación de calor y alta fiabilidad.

Desventajas: Alto costo, estrictos requisitos de proceso.

3. Sustrato de nitruro de silicio. Ventajas:

– Excelente resistencia a la flexión y tenacidad a la fractura.

– Buena conductividad térmica.

– Alta resistencia al choque térmico: adecuado para entornos de alta tensión. – Desventajas: Alto costo, procesamiento complejo.

Resumen: Con el rápido desarrollo de los vehículos eléctricos, las nuevas tecnologías energéticas

y las tecnologías 5G, las placas cerámicas desempeñan un papel indispensable en la mejora de la fiabilidad de los circuitos, la densidad de potencia y la eficiencia energética.