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SiC碳化硅器件赋能下,导热散热绝缘材料的升级需求解析

  • 2026-01-16

碳化硅(SiC)作为第三代宽禁带半导体核心材料,凭借宽禁带、高导热、高击穿场强、高电子饱和漂移速度四大优势,在高频、高温、高功率、高压场景中展现出硅基(Si)材料不可替代的性能潜力,已广泛应用于新能源汽车、储能、航空航天等领域。相较于硅基IGBT单管,SiC IGBT模组具备更高结温上限、功率密度与开关频率,这对其与散热器间的导热散热绝缘材料提出了颠覆性要求,核心差异集中在耐高温稳定性、高频介损控制、导热效率阈值及机械应力适配四大维度。



一、耐高温稳定性:适配宽温工作区间

SiC IGBT模组结温上限可达175~225℃,长期工作温度维持在150~175℃,远超硅基IGBT的125~150℃,倒逼材料突破耐温瓶颈。材料需满足长期耐温≥200℃,可在该温度下连续工作10000小时以上无热老化,传统硅基常用的环氧树脂垫片在150℃以上易快速劣化,需选用有机硅改性聚酰亚胺或BN/Al₂O₃陶瓷基复合材料,其耐温可达200~250℃。同时,SiC器件过载能力强,短时峰值温度可达250~300℃,材料需在此温度下无碳化、熔融等结构破坏,耐受标准远高于硅基材料的200℃以下要求。

二、高频介损控制:匹配高频开关特性

SiC IGBT开关频率可达100kHz~1MHz,是硅基器件的2~5倍,高频下绝缘材料介电损耗会转化为额外热量,加剧热负荷。因此材料需将高频介损(tanδ)控制在≤0.003@1MHz,远低于硅基场景的0.008标准,避免结温额外升高5~10℃。氮化硼填充陶瓷涂层在1MHz下tanδ低至0.001~0.002,性能优于硅基常用的氧化铝填充材料。此外,介电常数在-40~200℃区间变化率需≤5%,防止电场分布不均引发局部绝缘击穿,适配SiC高压应用场景。

三、导热效率阈值:应对高功率密度散热

SiC IGBT模组功率密度达30~50 W/cm²,是硅基的1.5~2倍,热量生成速率大幅提升。材料导热系数需≥5 W/(m・K),新能源汽车主逆变器等高热流场景更需8~15 W/(m・K)的高导热材料,如纳米BN填充有机硅垫片、AlN陶瓷基板,确保接触热阻≤0.1 K・cm²/W。同时,在175~200℃下5000小时测试中,导热系数衰减需≤5%,避免有机粘结剂热分解断裂导热通路,这一稳定性要求高于硅基材料150℃下≤10%的衰减标准。

四、机械应力适配与绝缘可靠性

SiC芯片与铝散热器热膨胀系数差异更大,且工作温区宽(-40~200℃),热循环应力剧烈。材料需具备肖氏硬度≤Shore 00 40、压缩永久变形≤10%的特性,吸收热胀冷缩位移,避免界面剥离损伤脆质陶瓷基板。同时需通过-55℃~200℃冷热循环测试≥2000次,测试后性能衰减可控。适配800V~1500V高压平台,材料在200℃下击穿强度需≥25 kV/mm、体积电阻率≥10¹⁵ Ω・cm,满足车载15年/30万公里的长期可靠性需求。
关键词:东莞市台罡科技有限公司
综上,SiC器件的性能升级推动导热散热绝缘材料向耐高温、低介损、高导热、强应力适配方向迭代,材料的性能优劣直接决定SiC器件优势的充分发挥,是高端SiC模组产业化的核心支撑之一。

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