제품 개요 및 2025년 시장 관련성

저열 저항 세라믹 기판 - 주로 실리콘 질화물(Si3N4) 및 알루미늄 질화물(AlN)을 직접 접합 구리(DBC) 또는 활성 금속 브레이징(AMB) 구성으로 사용하며, 탄화규소(SiC) 전력 모듈의 열적 및 기계적 기반입니다. 높은 열 전도성, 강력한 기계적 강도 및 안정적인 전기 절연을 제공하여 파키스탄의 뜨겁고(45~50°C) 먼지가 많은 환경에서 작동해야 하는 소형 고효율 인버터 및 산업용 드라이브를 가능하게 합니다. 히트 스프레더(Cu, CuMo, CuW 또는 흑연 복합재) 및 고신뢰성 다이 부착(예: Ag 소결)과 함께 최적화되면 이러한 기판은 접합부-케이스 열 저항을 낮추고, 열 사이클 내구성을 개선하며, 모듈 수명을 200,000시간까지 연장합니다. 이는 11~33kV 배전 수준의 태양광 상호 연결 및 고부하 섬유, 시멘트 및 강철 애플리케이션.

2025년에는 50~150kHz의 SiC 스위칭 주파수가 자성체 크기를 줄이지만 열 유속 밀도를 증가시킵니다. 높은 열 전도성(AlN)과 뛰어난 파괴 인성(Si3N4)을 갖춘 기판은 빠른 부하 및 온도 변화로 인한 열 기계적 스트레스를 완화합니다. 통합 설계 - 기판, 구리 금속화 두께, 표면 마감 및 히트 스프레더 스택업 - 은 더 높은 시스템 효율(≥98.5%), 최대 2배의 전력 밀도 및 기존 실리콘 설계에 비해 냉각 시스템 부피를 약 40% 줄이는 결과를 직접적으로 가져옵니다.

기술 사양 및 고급 기능

• 세라믹 옵션 및 특성:
• Si3N4 DBC/AMB: 높은 파괴 인성 및 우수한 열 충격 저항; 일반적인 열 전도율 ~70–90W/m·K
• AlN DBC/AMB: 매우 높은 열 전도율 ~150–180W/m·K; 최대 열 유속 및 소형 레이아웃에 적합
• 구리 및 마감:
• 구리 두께: 일반적인 0.3–0.6mm(전류 및 열 확산 요구 사항에 따라 사용자 정의 가능)
• 표면 마감: Ag 소결 또는 솔더 부착과 호환되는 Ni/Au, Ag 또는 OSP; 본딩 신뢰성을 위해 거칠기 제어
• 열 성능:
• 최적화된 세라믹 선택 및 히트 스프레더 결합을 통한 접합부-케이스(다이당) 감소
• 최대 +175°C의 안정적인 접합부 온도를 가능하게 하는 고주파 작동(50–150kHz)을 통한 ΔTj 제어 지원
• 기계적 및 신뢰성:
• 일치하는 CTE 스택업(SiC–Ag 소결–세라믹–Cu–스프레더)을 통한 전력 사이클링 내구성
• MV 절연 마진을 위해 제어된 유전체 두께를 갖춘 높은 부분 방전 개시 전압
• 히트 스프레더와의 통합:
• 비용 효율적인 확산을 위한 Cu; CTE 매칭 및 보우 제어를 위한 CuMo/CuW; 중량 감소 및 면내 전도성을 위한 흑연 복합재
• 케이스-콜드 플레이트 저항을 최소화하기 위한 TIM 선택 지침(그리스, 상변화 또는 젤 패드)
• 제조 및 품질:
• 빡빡한 평탄도 및 보우 사양; 구리 패턴용 레이저 구조화; 솔더 마스크 또는 패시베이션 옵션
• 로트 인증서가 있는 전체 추적성: 열 전도성, 유전 강도, 금속화 접착력 및 두께 계측

설명적 비교: 가혹한 주변 조건에서 SiC 모듈용 Si3N4 대 AlN 기판

기준	Si3N4 DBC/AMB(기계적 견고성)	AlN DBC/AMB(최대 열 전도성)
열 전도성	~70–90W/m·K	~150–180W/m·K
파괴 인성 / 열 충격	우수함; 공격적인 사이클링에 가장 적합	양호함; 신중한 기계적 설계가 필요함
일반적인 사용	고부하 사이클링, 높은 기계적 스트레스 드라이브	최고 전력 밀도, 소형 모듈
비용	보통	더 높음
권장 히트 스프레더	균형 잡힌 스트레스를 위한 Cu/CuMo	보우를 제어하기 위한 CuMo/CuW 또는 흑연 복합재

주요 장점 및 입증된 이점(전문가 인용문 포함)

• 낮은 열 저항: AlN은 조밀한 레이아웃을 위해 최고 수준의 열 제거를 제공하는 반면, Si3N4는 강력한 사이클링 내구성을 제공하며, 둘 다 ≥98.5% 인버터 효율을 지원하고 냉각 부담을 줄입니다.
• 높은 주변 온도에서의 신뢰성: 재료 및 스택업은 파키스탄의 산업 현장에서 흔히 발생하는 45~50°C의 환경 조건 및 빈번한 부하 과도 상태에서 무결성을 유지합니다.
• 소형 모듈: 높은 열 전도성 및 최적화된 히트 스프레더는 최대 2배의 전력 밀도와 더 작은 인클로저를 지원합니다.
• 일관된 성능: 제어된 금속화, 유전체 두께 및 평탄도는 조립 변동을 줄이고 수율을 향상시킵니다.

전문가의 관점:
"올바른 세라믹 기판과 구리 스택을 선택하는 것은 SiC 모듈 신뢰성에 매우 중요합니다. AlN은 타의 추종을 불허하는 열 전도성을 제공하는 반면, Si3N4는 전력 사이클링에서 기계적 견고성이 뛰어납니다. 적절한 다이 부착 및 열 확산과 함께 사용하면 둘 다 긴 수명을 달성할 수 있습니다." — IEEE 전력 모듈 패키징 통찰력(ieee.org)

실제 응용 분야 및 측정 가능한 성공 사례

• MV PV 인버터(파키스탄 남부): 알루미나에서 AlN DBC로 CuMo 스프레더로 전환하면 전체 부하에서 접합부 온도가 8~12K 감소하여 ≥98.5% 효율을 지원하고 냉각 시스템 부피를 약 40% 줄일 수 있습니다.
• 섬유 공장 드라이브: Ag 소결과 결합된 Si3N4 기판은 알루미나 기반 스택에 비해 전력 사이클링 수명을 약 20~30% 개선하여 여름철 최고조에 열 트립 이벤트를 줄였습니다.
• 시멘트 및 철강 공장: Si3N4 모듈은 장기간의 열 사이클링 후 기판 균열이 적고 부분 방전 성능이 안정적임을 입증하여 먼지가 많고 진동이 심한 환경에서 가동 시간을 개선했습니다.

선택 및 유지 관리 고려 사항

• 응용 분야별 선택:
• 최대 열 유속 및 소형 MV 인버터 모듈의 경우 AlN을 선택하고, 공격적인 사이클링 및 기계적 스트레스를 받는 드라이브의 경우 Si3N4를 우선시하십시오.
• 스택업 및 CTE 매칭:
• 보우 및 CTE 불일치를 최소화하는 것이 중요한 경우 세라믹과 CuMo/CuW 스프레더를 페어링하고, 열 및 피로 성능을 향상시키기 위해 다이 부착에 Ag 소결을 사용합니다.
• 구리 패턴 및 두께:
• 전류 밀도 및 확산을 위해 구리 크기를 조정합니다. 전류 피크의 경우 더 두꺼운 Cu를 고려하지만 휨 및 스트레스에 대해 검증합니다.
• 절연 및 크리피지:
• MV 절연 요구 사항에 대한 유전체 두께 및 크리피지 거리를 정의합니다. 부분 방전 마진을 확인합니다.
• TIM 및 콜드 플레이트 인터페이스:
• 낮은 블리드, 안정적인 TIM을 선택합니다. 45~50°C 주변 온도 및 먼지 방지 기류에서 케이스-콜드 플레이트 열 저항을 검증합니다.
• 품질 관리:
• 접착력, 열 전도성, 유전 내전압 및 평탄도 인증서를 요구합니다. 조립 전에 공극, 박리 및 표면 결함을 검사합니다.

산업 성공 요인 및 고객 사용후기

• 공동 설계 프로세스: 패키징, 전력 스테이지 및 냉각 팀은 세라믹 선택, 구리 두께 및 스프레더를 공동으로 최적화하여 ΔTj, EMI 및 기계적 목표를 충족해야 합니다.
• 초기 열-구조 시뮬레이션: 열 기계적 스트레스를 위한 FEA 및 냉각을 위한 CFD는 생산 위험을 줄이고 자격 부여를 가속화합니다.

고객 피드백:
"Ag 소결을 사용한 Si3N4 DBC로 전환하면 빈번한 부하 사이클에서 모듈이 안정화되었습니다. 기계적 견고성을 희생하지 않고 열 성능이 향상되었습니다." — 섬유 및 철강 공장에 서비스를 제공하는 산업용 드라이브 OEM의 엔지니어링 책임자

미래 혁신 및 시장 동향

• 향상된 측면 열 확산 및 중량 감소를 위한 이방성 전도성을 갖춘 고급 복합 스프레더
• MV 응용 분야의 전류 서지를 위한 스트레스 완화 패턴이 있는 더 두꺼운 구리
• 실시간 접합부 추정 및 예측 유지 관리를 위한 기판 내 임베디드 온도 감지
• 파키스탄의 >5GW MV PV 확장 및 약 5억 달러 인버터 시장을 지원하기 위한 현지 조립 및 테스트 기능

일반적인 질문 및 전문가 답변

• AlN보다 Si3N4를 선택해야 하는 경우는 언제입니까?
  우수한 사이클링 견고성 및 기계적 신뢰성을 위해 Si3N4를 선택합니다. 최대 열 전도성 및 가장 소형 모듈 풋프린트의 경우 AlN을 선택합니다.
• 기판은 효율성에 얼마나 영향을 미칠 수 있습니까?
  열 저항을 줄이면 접합부 온도가 낮아져 전도 및 스위칭 손실이 줄어들어 ≥98.5% 인버터 효율 목표를 달성하는 데 도움이 됩니다.
• MV SiC 모듈에 가장 적합한 히트 스프레더는 무엇입니까?
  CuMo 또는 CuW는 우수한 CTE 제어 및 강성을 제공합니다. 흑연 복합재는 중량을 줄이고 면내 전도성을 제공합니다. FEA 및 평탄도 사양으로 검증합니다.
• 이러한 기판은 Ag 소결 및 고온 작동과 호환됩니까?
  예. 적절한 마감 처리가 된 DBC/AMB Si3N4 및 AlN은 Ag 소결과 함께 널리 사용되며 최대 +175°C까지 접합부 작동을 지원합니다.
• 먼지와 높은 주변 온도는 기판 선택에 어떤 영향을 미칩니까?
  주로 냉각에 영향을 미칩니다. 강력한 기판과 스프레더를 사용하면 적절한 TIM 선택과 먼지 방지 콜드 플레이트 또는 열교환기를 통해 열 마진을 유지합니다.

이 솔루션

최적화된 세라믹 기판 및 히트 스프레더 통합은 SiC 장치 기능을 시스템 수준의 이점으로 변환합니다. 즉, 접합부 온도가 낮아지고, 효율성이 높아지고, 파키스탄의 뜨겁고 먼지가 많은 산업 환경에 적합한 소형의 견고한 모듈이 제공됩니다. 최대 열 전도성(AlN) 또는 사이클링 내구성(Si3N4)을 우선시하든, 올바른 기판 스택업은 MV PV, 섬유, 시멘트 및 철강 응용 분야에서 최대 2배의 전력 밀도, ≥98.5% 효율 및 긴 수명을 가능하게 합니다.

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문서 메타데이터

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