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銀銅鈦 (AgCuTi) 為何在IGBT上應(yīng)用

24 2024-03-11
IGBT

隨著我國新能源汽車、高鐵、城市軌道交通以及智能電網(wǎng)的高速發(fā)展,對高壓大功率IGBT模塊的需求日益增長。相較于其他應(yīng)用領(lǐng)域,車規(guī)級 IGBT模塊對產(chǎn)品安全、可靠性提出耐高溫、散熱性優(yōu)、工作溫度范圍廣、使用壽命長等更高要求。據(jù)報道,約70%的IGBT模塊失效歸因于散熱不良引起的鍵合線剝離或熔斷。芯片的散熱主要通過IGBT模塊中的陶瓷基板來實(shí)現(xiàn),其作用是吸收芯片的產(chǎn)熱并傳導(dǎo)至熱沉上,從而實(shí)現(xiàn)芯片與外界之間的熱交換。閱讀本文前,歡迎識別二維碼加入艾邦IGBT/SiC產(chǎn)業(yè)鏈交流群。


覆銅陶瓷基板具有與芯片相匹配的熱膨脹系數(shù),兼具出色的導(dǎo)電性能、絕緣性能、以及較高的機(jī)械強(qiáng)度。活性金屬釬焊(Active Metal Brazing,AMB)工藝是陶瓷覆銅板金屬化的重要生產(chǎn)工藝之一,主要是通過含有活性元素 Ti、Zr 的活性焊料,與陶瓷反應(yīng)生成能被液態(tài)釬焊料潤濕的反應(yīng)層,實(shí)現(xiàn)氮化硅等陶瓷與金屬銅之間焊接結(jié)合。AMB陶瓷基板具有良好的銅層結(jié)合能力、低熱阻、高導(dǎo)熱率和高可靠性,適用于高壓、高電流等大功率半導(dǎo)體的封裝,特別是新能源車中高壓架構(gòu)和快充模式的場景。

目前,高可靠 AMB 陶瓷覆銅基板仍舊依賴國外進(jìn)口,且多數(shù)都是整體(即氮化硅陶瓷板),氧銅板以活性釬料焊接好后的 AMB 陶瓷覆銅基板)直接進(jìn)口,國內(nèi)部分廠家已實(shí)現(xiàn)自主焊接。AMB 陶瓷基板的覆銅工藝存在較大的難度,主要體現(xiàn)在大多數(shù)釬料在陶瓷表面難以產(chǎn)生潤濕,因此釬焊材料是關(guān)鍵。

銀銅鈦(AgCuTi)活性釬料主要系含活性金屬鈦(Ti)的釬料,是常用的AMB活性焊料之一。AgCuTi 具有良好的潤濕性,能潤濕氧化物、碳化物、氮化物和碳基體。其熔點(diǎn)通常在780-800℃之間,具體取決于確切成分。

Ti 含量的控制是制備銀銅鈦(AgCuTi)活性釬料的關(guān)鍵因素之一,主要因?yàn)?Ti 含量的增加能夠帶來釬料活性的增加,但同時會帶來更多脆性金屬間化合物的生成從而使釬焊效果下降,且鈦是一種在高溫下非?;顫姷慕饘?,極容易氧化,制備成分均勻的銀銅鈦合金鑄錠及粒度超細(xì)的合金粉存在較大技術(shù)難度。

通過掌握的核心技術(shù)和工藝,將 Ti 含量控制在較好的水平,可制備均勻、一致的銀銅鈦合金鑄錠,通過非接觸真空氣霧化工藝可制備各種要求的粒度超細(xì)的金屬合金粉,實(shí)現(xiàn)在綜合考慮釬焊工藝和效果以及生產(chǎn)成本的基礎(chǔ)上最大化活性釬料的活度的目的,能在一定程度上有效解決 IGBT 大功率半導(dǎo)體器件的散熱問題。

當(dāng)前,用于 AMB 陶瓷基板生產(chǎn)的關(guān)鍵材料銀銅鈦(AgCuTi)半導(dǎo)體活性釬料因制備技術(shù)限制一直被國外壟斷,主要供應(yīng)商系東京焊接公司(Tokyo  Braze),國內(nèi)目前有浙江亞通新材料股份有限公司等。不過,近年來,我國針對新材料行業(yè)頒布了一系列法律法規(guī)和行業(yè)政策,持續(xù)支持新材料行業(yè)的研發(fā)升級和產(chǎn)業(yè)化,大力發(fā)展釬焊材料、貴金屬催化劑、高性能金屬合金粉等先進(jìn)材料行業(yè)。我國將有望進(jìn)一步解決IGBT用銀銅鈦(AgCuTi)等先進(jìn)材料卡脖子問題。

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