제품 개요 및 2025년 시장 관련성

고열 전도성 세라믹 기판(주로 질화규소(Si3N4) 및 질화알루미늄(AlN)을 직접 접합 구리(DBC) 또는 활성 금속 브레이징(AMB) 형식으로)은 신뢰할 수 있는 탄화규소(SiC) 전력 모듈 패키징의 열적 및 기계적 중추입니다. 파키스탄의 섬유, 시멘트, 강철, 그리고 신흥 산업 부문에서 주변 온도가 종종 45–50°C에 달하고 공기 중 먼지가 기류를 손상시키는 경우 기판 선택은 PCS 및 MV 인버터 설계가 목표 효율성, 전력 밀도 및 수명을 달성하는지 여부를 결정합니다.

AlN은 최대 열 플럭스 제거 및 컴팩트 냉각을 위해 매우 높은 열 전도성(일반적으로 170–200W/m·K)을 제공하는 반면, Si3N4는 우수한 열 사이클링 신뢰성을 위해 뛰어난 파괴 인성 및 굽힘 강도를 제공합니다. Ag 소결 다이 부착 및 최적화된 구리 금속화와 함께 두 기판 모두 다음을 가능하게 합니다.

• 고주파수(50–200kHz)에서 낮은 접합 온도를 유지하여 ≥98% 컨버터 효율
• 열 싱크 질량을 줄이고 더 조밀한 레이아웃을 가능하게 하여 1.8–2.2× 전력 밀도
• 신드 및 펀자브의 산업 단지에서 흔히 볼 수 있는 먼지가 많고 더운 환경에서 탁월한 ΔTj 저항 스택으로 200,000시간에 가까운 MTBF 목표

2025년에는 MV 연결 BESS 및 드라이브에 대한 그리드 코드 기대치(고장 통과(FRT), 무효 전력(Volt/VAR) 및 낮은 THD)로 인해 모듈은 컴팩트한 LCL 필터로 더 높은 주파수에서 효율적으로 작동해야 합니다. 높은 열 전도성과 기계적 탄성을 결합한 기판은 안정적인 작동과 가속화된 그리드 수용에 필수적입니다.

기술 사양 및 고급 기능

• 재료 옵션 및 특성
• Si3N4-DBC/AMB: 열 전도성 ~80–100W/m·K; 높은 굽힘 강도(>600MPa); 우수한 파괴 인성; 우수한 열 충격 저항
• AlN-DBC/AMB: 열 전도성 ~170–200W/m·K; 낮은 유전 손실; 우수한 기계적 강도; 피크 열 플럭스 응용 분야에 이상적
• 유전 강도: 일반적으로 두께 및 금속화에 따라 >15kV/mm
• 구리 및 금속화
• 구리 두께: 0.3–0.6mm 표준; 저 Rth 스프레더 및 전류 용량을 위한 고중량 구리 옵션
• 표면 마감: Ag 소결 및 고신뢰성 솔더 스택과 호환되는 Ni/Au 또는 Ag 마감
• 패턴: 낮은 인덕턴스 전류 경로, 켈빈 소스 레이아웃 및 절연 감지 패드
• 패키지 통합
• 낮은 열 저항 및 긴 사이클링 수명을 위해 Ag 소결 다이 부착과 호환
• 압입 핀, 와이어 본드 또는 리본 본드, 몰딩 또는 베이스 플레이트 모듈 아키텍처 지원
• 1200–3300V 시스템에 대한 부분 방전(PD) 최적화 크리프/간극
• 신뢰성 및 환경
• 필요에 따라 전력 사이클링(ΔTj 40–100K), 열 충격, HAST/THB에 대해 검증됨
• 습하고 먼지가 많은 환경을 위한 컨포멀 코팅 호환성 및 부식 방지 마감
• 품질 및 추적성
• 열 전도성, 두께 및 유전체 파괴에 대한 통계적 공정 관리(SPC)
• 디지털 트윈 및 수명 모델링을 위한 직렬 추적

가혹한 산업 조건에서 SiC 모듈 패키징 성능 비교

기준	Si3N4-DBC/AMB 기판(신뢰성 우선)	AlN-DBC/AMB 기판(열 우선)	기존 Al2O3 기판
열 전도성	~80–100W/m·K	~170–200W/m·K	~20–30W/m·K
열 사이클링 내구성	우수(높은 인성)	매우 좋음	제한적(균열 위험 증가)
방열판 크기 영향	적당한 감소	최대 감소	대형 방열판 필요
먼지가 많고 더운 사이트에 적합성	우수(ΔTj 견고함)	매우 좋음(사이클링 관찰)	불량(온도 핫스팟)
비용 대 성능	균형	프리미엄	저렴한 비용, 낮은 성능

주요 장점 및 입증된 이점(전문가 인용문 포함)

• 낮은 접합 온도 및 높은 밀도: 높은 열 전도성 및 최적화된 구리 패턴은 핫스팟을 줄여 더 작은 방열판과 더 높은 스위칭 주파수 작동을 가능하게 합니다.
• 높은 ΔTj 듀티에서 뛰어난 수명: Si3N4의 파괴 인성은 PCS 및 드라이브에서 흔히 발생하는 전력 사이클링 중에 기판 균열 및 박리를 최소화합니다.
• 더 빠른 그리드 수용, 더 낮은 운영 비용: 안정적인 열 성능은 고효율 작동을 지원하고 먼지로 인한 기류 손실과 관련된 유지 관리를 줄입니다.

전문가의 관점:
“Ceramic substrate selection—especially between Si3N4 and AlN—directly affects power module lifetime under thermal cycling and high heat flux, which is critical for wide bandgap converters.” — IEEE Power Electronics Magazine, module packaging reliability review (https://ieeexplore.ieee.org)

실제 응용 분야 및 측정 가능한 성공 사례

• 펀자브의 BESS PCS(2MW/4MWh): Al2O3에서 Ag 소결 부착이 있는 Si3N4-DBC 기판으로 전환하면 최대 부하에서 최대 접합 온도가 ~12–15°C 감소했습니다. 결과: 98.2% 시스템 효율성, 35% 더 작은 냉각 어셈블리 및 50°C 주변 온도에서 가동 시간 개선.
• 신드의 섬유 VFD 개조: AlN-DBC 기판은 열 싱크 부피를 25–30% 줄이면서 THD 및 효율성을 증가된 스위칭 주파수(~80–100kHz)에서 유지할 수 있었습니다. 더 나은 열 헤드룸과 먼지 막힘 감도로 인해 유지 관리 간격이 연장되었습니다.
• 파키스탄 남부의 MV 인버터 파일럿: 혼합 스택(고 사이클링 스위치 위치 아래 Si3N4, 다이오드 아래 AlN)은 신뢰성과 피크 열 플럭스의 균형을 이루어 견고한 FRT 성능으로 유틸리티 수용을 가속화했습니다.

선택 및 유지 관리 고려 사항

• 미션 프로필별 기판 선택
• 심한 사이클링(빈번한 시작/정지, 가변 부하, 높은 ΔTj) 및 가혹한 기계적 응력이 있는 경우 Si3N4를 선택합니다.
• 제어된 사이클링 프로필로 피크 열 플럭스 또는 초소형 냉각이 우선 순위인 경우 AlN을 선택합니다.
• 구리 두께 및 패턴
• 높은 전류 및 더 나은 확산을 위해 더 무거운 구리를 사용합니다. 깨끗한 스위칭을 위해 낮은 인덕턴스 패턴과 켈빈 감지 패드를 채택합니다.
• 부착 및 상호 연결
• 다이의 경우 Ag 소결을 선호하고 상호 연결의 경우 고신뢰성 솔더/리본을 선호합니다. CTE 매칭 및 워프 제어를 확인합니다.
• 환경 보호
• 컨포멀 코팅 및 부식 방지 마감을 지정합니다. 냉각 공기/액체 회로의 사용 가능한 필터링을 보장합니다.
• 검증 및 모니터링
• ΔTj 전력 사이클링 및 열 임피던스 추출을 수행합니다. 예측 유지 관리를 위해 온도 감지를 포함합니다.

산업 성공 요인 및 고객 사용후기

• 게이트 드라이브, 모듈 레이아웃 및 냉각과 공동 설계를 통해 과도한 크기 조정 없이 EMC 및 열 응력 테스트를 통과하는 컴팩트한 빌드를 얻을 수 있습니다.
• 매개변수화된 열 모델은 디지털 트윈 생성 및 유지 관리 계획을 가속화합니다.

고객 피드백:
"Si3N4 기판 이동은 파키스탄의 열과 먼지 아래에서 PCS를 안정화했습니다. 더 작은 쿨러와 유지 관리 중단을 줄여 효율성 목표를 달성했습니다." — 지역 에너지 저장 통합업체 기술 이사

미래 혁신 및 시장 동향

• 향상된 확산 및 열 기계적 응력 감소를 위한 하이브리드 기판 및 구리 비아
• 접착력 향상 및 저 Rth를 갖춘 차세대 금속화 시스템
• 실시간 열 매핑을 위한 내장형 감지(박막 RTD)
• 리드 타임을 단축하기 위한 파키스탄의 DBC/AMB 마감 및 모듈 조립을 위한 현지화 경로

일반적인 질문 및 전문가 답변

• PCS용 Si3N4와 AlN 중에서 어떻게 선택해야 합니까?
  사이클링이 심하거나 기계적 충격이 있는 경우 Si3N4를 선택합니다. 열 플럭스 및 풋프린트가 우선 순위인 경우 AlN을 선택합니다. 혼합 요구 사항의 경우 하이브리드 스택을 사용합니다.
• Si3N4가 AlN만큼 방열판 크기를 줄여줍니까?
  동일한 정도는 아닙니다. Si3N4는 신뢰성을 강조합니다. AlN은 열 전도성을 최대화합니다. 많은 프로그램은 가장 뜨거운 노드에 AlN을 배포하고 다른 곳에 Si3N4를 배포하여 최적의 결과를 얻습니다.
• 이 기판은 Ag 소결과 호환됩니까?
  예. Si3N4-DBC와 AlN-DBC는 모두 Ag 소결과 함께 널리 사용되어 낮은 열 저항과 우수한 사이클링 수명을 얻습니다.
• 어떤 구리 두께를 지정해야 합니까?
  0.3–0.6mm가 일반적입니다. 더 무거운 구리는 전류 처리 및 확산을 개선하지만 질량을 증가시킵니다. 전류 밀도 및 열 시뮬레이션을 기반으로 선택합니다.
• 파키스탄의 높은 주변 온도가 선택에 어떤 영향을 미칩니까?
  높은 주변 온도는 ΔTj 및 노화를 가속화합니다. Si3N4는 종종 열과 먼지에서 더 나은 수명을 제공합니다. AlN은 냉각이 잘 제어되는 곳에서 여전히 실행 가능합니다.

이 솔루션

파키스탄의 산업용 PCS, MV 인버터 및 고성능 드라이브의 경우 세라믹 기판 선택은 SiC의 효율성과 전력 밀도가 실제 가동 시간으로 이어지는지 여부를 결정합니다. Ag 소결 부착 및 최적화된 구리와 결합된 Si3N4 및 AlN DBC/AMB 기판은 다음을 제공합니다.

• ≥98% 효율성 및 더 작은 냉각을 위한 낮은 접합 온도
• 200,000시간 MTBF 목표를 위한 우수한 ΔTj 사이클링 내구성
• 과도한 유지 관리 없이 45–50°C, 먼지가 많은 환경에서 견고한 작동

이는 섬유, 시멘트, 철강 및 신흥 응용 분야에서 더 빠른 시운전, 장기적인 신뢰성 및 더 강력한 ROI를 제공합니다.

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문서 메타데이터

최종 업데이트: 2025-09-10
다음 예정 업데이트: 2026-01-15