隨著電力電子環(huán)境的演變,能夠采取電氣化舉措,有效的熱管理和可靠的長期性能變得越來越重要。在EV應(yīng)用中,傳統(tǒng)的熱界面材料在熱性能和高應(yīng)力條件下的穩(wěn)定性方面不佳,因此需要先進(jìn)的材料和技術(shù),例如使用焊料預(yù)制件作為包接熱接口解決方案,以提高熱性能和可靠性。

　　電力電子產(chǎn)品包裝介紹

　　在電力電子技術(shù)中,包裝連接過程是確保有效熱管理和持續(xù)可靠性的關(guān)鍵。隨著動力模塊變得更加緊湊和先進(jìn),材料和技術(shù)的創(chuàng)新對于滿足性能和耐久性要求至關(guān)重要。這一點在電動車的應(yīng)用中尤為明顯,在這些應(yīng)用中,尺寸、重量和性能的權(quán)衡平衡,以實現(xiàn)更大的范圍和更長的使用壽命。 熱界面材料 (tim)在將動力模塊的熱量耗散到散熱器方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用,而散熱器是維持最佳運行溫度和防止故障的關(guān)鍵過程。傳統(tǒng)的熱界面材料在熱性能和穩(wěn)定性方面都有缺陷。 電動汽車應(yīng)用中的高壓條件.這就需要先進(jìn)的材料和技術(shù),例如使用焊料作為包附熱接口解決方案,以提高熱性能和可靠性。

　　傳統(tǒng)熱界面材料

　　像有機(jī)化合物、硅樹脂和碳基材料等傳統(tǒng)的TIM廣泛應(yīng)用于電力電子學(xué)。然而,這些材料經(jīng)常顯示出局限性,妨礙了它們在高需求應(yīng)用程序中的性能。例如,有機(jī)和有機(jī)硅TIMM常常與低導(dǎo)熱性作斗爭,特別是在z軸上。碳基TIMM雖然在熱性能上有所改善,但在電力電子環(huán)境的典型惡劣條件下,卻面臨長期穩(wěn)定性問題。

　　這些缺陷可能會導(dǎo)致散熱效果不佳,增加熱電阻,并最終降低逆變系統(tǒng)的可靠性和壽命。此外,傳統(tǒng)TIM所需的機(jī)械緊固會帶來制造過程中的復(fù)雜性和效率低下。

　　焊接為熱界面材料

　　在這些應(yīng)用中,焊接正在成為傳統(tǒng)TIMM的一個引人注目的替代品,提供了從電源模塊到散熱器的更直接、更高效的熱路徑。利用焊料預(yù)制件,模塊熱沉器與冷卻器之間的接口可以達(dá)到優(yōu)越的導(dǎo)熱性和機(jī)械穩(wěn)定性。

　　焊接作為一個蒂姆是一個行之有效的方法。然而,考慮到電源模塊包裝-冷卻-連接的應(yīng)用,傳統(tǒng)的焊接合金,如SINSB(錫-鈾礦),需要高峰值焊接溫度,通常超過240℃。這種高溫會超過工業(yè)中常用的碳化硅動力模組包裝中環(huán)氧樹脂的玻璃過渡溫度(TG),導(dǎo)致分層和增加熱機(jī)械應(yīng)力,并需要開發(fā)能夠在不損害包件完整性的情況下保持性能的低溫焊接溶液。

　　SAK-in合金技術(shù)

　　SAK-IN合金是焊錫預(yù)制工藝的突破。這種無多溴二苯醚的合金(SAC代表SN-AG-銅),主要由錫、銀和鋅組成,熔化范圍在190℃至205℃之間。這種顯著降低的峰值溫度降低了超過霉菌環(huán)氧化合物TG的風(fēng)險,從而防止分層和確保包裝的機(jī)械完整性。

　　SAK-IN合金有幾個主要優(yōu)點:

　　可焊性: 它能很好地附著于各種表面表面。

　　可靠性: 展示在熱沖擊條件下高機(jī)械強(qiáng)度和耐久性。

　　導(dǎo)熱性: 提供高效散熱,對高性能功率模塊至關(guān)重要。

　　成本效益: 與高性能燒結(jié)溶液相比,提供了一種經(jīng)濟(jì)的選擇。

　　實驗方法和結(jié)果

　　為了驗證SAK-IN合金的性能,研究人員進(jìn)行了可靠性測試和故障分析,包括 熱沖擊試驗 .該材料是在一個具有代表性的包裝連接總成中進(jìn)行評價的,該總成與DBC襯底和NiCU基板相結(jié)合,目的是模擬該應(yīng)用中通常使用的材料。實驗裝置包括使用真空/甲酸間歇回流系統(tǒng)進(jìn)行焊接試驗樣品,然后進(jìn)行檢查以評價焊料界面的完整性(圖2)。

　　熱沖擊試驗

　　這一試驗的周期為1,000多個,從-40℃到+125℃不等,目的是模擬極端的操作條件和評估合金的耐久性(圖3)。該SAK-IN合金表現(xiàn)出強(qiáng)勁的性能,可與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SAK305和SRSB合金相比,沒有明顯的降解或分層。

　　聲顯微鏡和橫截面成像

　　研究人員利用掃描聲顯微鏡,在熱沖擊試驗前后對焊料接頭進(jìn)行了成像。該薩金合金表現(xiàn)出最小的排尿和無分層,與在斯納金接頭觀察到的顯著裂紋形成了鮮明的對比。測試后的橫截面成像進(jìn)一步證實了聲學(xué)顯微鏡的發(fā)現(xiàn),揭示了在SAS-IN樣品中保持良好的焊料鍵和結(jié)構(gòu)完整性。

　　實際影響和今后的工作

　　SAK-IN合金技術(shù)的引入對電力電子工業(yè)具有深遠(yuǎn)的意義。通過降低加工溫度,該合金降低了包件分層的風(fēng)險,提高了整體可靠性。這一進(jìn)展特別關(guān)系到汽車和電子移動應(yīng)用,在這些應(yīng)用中,有效的熱管理和長期耐久性是至關(guān)重要的。此外,SAK-IN合金便于使用現(xiàn)有的焊接技術(shù)和設(shè)備,為制造商提供了成本效益高的過渡。初步測試的結(jié)果令人鼓舞,為更廣泛的采用和進(jìn)一步的探索鋪平了道路。

　　未來的研究計劃是將SAK-IN合金的評價擴(kuò)展到不同的組裝金屬化裝置和再流環(huán)境,包括熔體協(xié)助甲酸和傳統(tǒng)的再流過程。此外,在一個有代表性的動力循環(huán)用例中描述合金的性能,將使人們更深入地了解其長期的可靠性和應(yīng)用潛力。

　　總結(jié)

　　新型SAK-IN焊接合金技術(shù)是電力電子領(lǐng)域的重大進(jìn)步,為解決熱管理和機(jī)械可靠性的挑戰(zhàn)提供了切實有效的方法。通過解決傳統(tǒng)TIM和高溫焊接合金的局限性,SAK-IN合金在高要求的應(yīng)用中提高了性能和耐久性。

　　它不僅提高了導(dǎo)熱性,降低了分層風(fēng)險,而且為制造商提供了成本效益高的替代品。隨著進(jìn)一步的研究和開發(fā)的繼續(xù),SAK-IN合金將在電力電子的未來中發(fā)揮關(guān)鍵作用,特別是在汽車和電子移動系統(tǒng)等高應(yīng)力環(huán)境中。這些見解和結(jié)論強(qiáng)調(diào)了在這一關(guān)鍵領(lǐng)域繼續(xù)探索和創(chuàng)新的重要性,為更高效和更可靠的電子系統(tǒng)鋪平了道路。

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