En el sistema de propulsión eléctrica (controlador de motor/inversor) de los vehículos de nueva energía, el módulo de potencia IGBT o módulo semiconductor de potencia es el componente principal. Estos módulos son responsables de convertir la corriente continua (CC) de la batería en corriente alterna (CA) para alimentar el motor, soportando además altas corrientes, altos voltajes y frecuentes ciclos térmicos. Los sustratos cerámicos de nitruro de silicio (Si3N4), gracias a su alta estabilidad térmica, alta resistencia mecánica y excelentes propiedades de aislamiento eléctrico, se han convertido en un material básico indispensable para estos módulos de potencia.
Se utiliza habitualmente como sustrato interno de soporte y disipación de calor dentro del módulo, soportando directamente los chips IGBT o diodos, y combinándose con los terminales de cobre o las capas de metalización en el encapsulado del módulo para formar una estructura central «aislada y altamente conductora», garantizando así el funcionamiento estable del sistema de accionamiento eléctrico bajo alta densidad de potencia y entornos exigentes.
Función y rol:
(1) Disipación de calor
Cuando el módulo de potencia está en funcionamiento, genera una gran cantidad de calor. El sustrato de nitruro de silicio conduce el calor rápidamente al disipador o sistema de refrigeración gracias a su alta conductividad térmica, evitando el sobrecalentamiento del chip y mejorando la estabilidad del módulo.
Si bien la conductividad térmica del nitruro de silicio (80-90 W/(m·K)) no es la más alta, su combinación única de alta conductividad térmica y alta resistencia mecánica lo convierte en una solución ideal para soportar las intensas variaciones de temperatura y las fuertes vibraciones propias de los sistemas de accionamiento eléctrico.
(2) Aislamiento eléctrico
Los chips IGBT dentro del módulo de potencia deben estar aislados eléctricamente de la estructura metálica externa, garantizando al mismo tiempo la conducción del calor. El sustrato de nitruro de silicio posee altas propiedades de aislamiento eléctrico y una conductividad térmica moderada, cumpliendo así con el requisito de «aislamiento termoconductivo» de este diseño.
Este es el valor fundamental de los sustratos cerámicos (incluidos el nitruro de silicio, el óxido de aluminio y el nitruro de aluminio).
Forman la estructura de aislamiento eléctrico del módulo de potencia, asegurando que la tensión de funcionamiento, de hasta varios cientos o incluso miles de voltios, se mantenga firmemente confinada dentro del módulo, aislada de la carcasa conectada a tierra y del sistema de refrigeración, garantizando así la seguridad básica del sistema.
(3) Soporte estructural
Los chips internos, las almohadillas y las capas metálicas del módulo de potencia requieren un soporte estable. El sustrato de nitruro de silicio proporciona una alta resistencia mecánica y a la tensión térmica, evitando que el módulo se deforme o agriete durante los ciclos térmicos a alta temperatura.
Este es el factor clave que distingue al nitruro de silicio de otros materiales cerámicos. Su resistencia a la flexión y tenacidad a la fractura son más del doble que las del nitruro de aluminio. Durante las intensas fluctuaciones de temperatura causadas por la frecuente aceleración y desaceleración del vehículo, los diferentes materiales (chips, soldadura, sustrato, capa de cobre) dentro del módulo experimentan repetidamente expansión y contracción térmica. La excelente resistencia estructural del nitruro de silicio le permite soportar dicha tensión, evitando su propia fractura o el fallo de la interfaz de conexión y garantizando la estabilidad a largo plazo de la estructura física.
(4) Mayor fiabilidad
Los vehículos eléctricos se someten a frecuentes arranques y frenadas, por lo que el módulo de potencia debe soportar un gran número de ciclos térmicos. Los sustratos de nitruro de silicio presentan una excelente estabilidad ante choques térmicos, lo que puede aumentar significativamente la vida útil del módulo y la fiabilidad general del vehículo.
La «estabilidad ante choques térmicos» es la máxima expresión de los efectos combinados de las tres ventajas anteriores. Gracias a su buena conductividad térmica, la temperatura cambia rápidamente, con una pequeña diferencia de temperatura interna; debido a su alta resistencia, puede soportar la enorme tensión generada. Los datos del sector muestran que los módulos de potencia que utilizan sustratos de nitruro de silicio pueden alcanzar una vida útil ante ciclos térmicos aproximadamente diez veces mayor que la de los sustratos tradicionales de alúmina o nitruro de aluminio, logrando así una mayor durabilidad y fiabilidad. Esto determina directamente el periodo de garantía y la durabilidad del sistema de propulsión eléctrica, así como del vehículo en su conjunto.
Formularios de aplicación:
·Sustrato de Si₃N₄ metalizado
La superficie del sustrato de nitruro de silicio requiere un tratamiento de metalización (como el método tradicional de Mo/Mn o la tecnología actual de soldadura fuerte con metal activo/AMB) para formar circuitos metálicos.que se puede utilizar para soldadura y conexión eléctrica. Esta estructura permite soportar directamente chips de potencia SiC o IGBT y formar el núcleo de la interconexión eléctrica dentro del módulo de potencia. Entre ellas, la tecnología AMB, con su mayor resistencia de unión de la capa de cobre y excelente conductividad térmica, se ha convertido en la solución preferida para cumplir con los estrictos requisitos de los módulos de potencia de grado automotriz en cuanto a alta densidad de potencia, larga vida útil y alta fiabilidad.
Sustrato de Si₃N₄ tras soldadura con metal activo (AMB)
· Integración directa en módulos de potencia para vehículos eléctricos
En el sistema de propulsión eléctrica de los vehículos de nueva energía, el sustrato de nitruro de silicio, que actúa como núcleo aislante, disipador de calor y soporte estructural en una solución integral, se encapsula directamente dentro del módulo de potencia del inversor principal. Fija el chip de potencia verticalmente y se acopla estrechamente con el sistema de refrigeración líquida del módulo mediante materiales termoconductores, logrando una eficiente conducción térmica del chip. Este diseño garantiza que el sistema de propulsión eléctrica mantenga una potencia de salida estable y un rendimiento fiable a largo plazo, incluso durante los intensos ciclos térmicos provocados por las frecuentes aceleraciones y frenadas.
Innovacera ofrece una gama completa de sustratos de nitruro de silicio (Si₃N₄), desde productos estándar hasta soluciones totalmente personalizadas. Para consultas, póngase en contacto con sales@innovacera.com.
enquiry