隨著電力電子環境的演變,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應用中,傳統的熱界面材料在熱性能和高應力條件下的穩定性方面不佳,因此需要先進的材料和技術,例如使用焊料預制件作為包接熱接口解決方案,以提高熱性能和可靠性。

　　電力電子產品包裝介紹

　　在電力電子技術中,包裝連接過程是確保有效熱管理和持續可靠性的關鍵。隨著動力模塊變得更加緊湊和先進,材料和技術的創新對于滿足性能和耐久性要求至關重要。這一點在電動車的應用中尤為明顯,在這些應用中,尺寸、重量和性能的權衡平衡,以實現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揮著關鍵作用,而散熱器是維持最佳運行溫度和防止故障的關鍵過程。傳統的熱界面材料在熱性能和穩定性方面都有缺陷。 電動汽車應用中的高壓條件.這就需要先進的材料和技術,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。

　　傳統熱界面材料

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

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

　　焊接為熱界面材料

　　在這些應用中,焊接正在成為傳統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。利用焊料預制件,模塊熱沉器與冷卻器之間的接口可以達到優越的導熱性和機械穩定性。

　　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-連接的應用,傳統的焊接合金,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中常用的碳化硅動力模組包裝中環氧樹脂的玻璃過渡溫度(TG),導致分層和增加熱機械應力,并需要開發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

　　SAK-IN合金是焊錫預制工藝的突破。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氧化合物TG的風險,從而防止分層和確保包裝的機械完整性。

　　SAK-IN合金有幾個主要優點:

　　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械強度和耐久性。

　　導熱性: 提供高效散熱,對高性能功率模塊至關重要。

　　成本效益: 與高性能燒結溶液相比,提供了一種經濟的選擇。

　　實驗方法和結果

　　為了驗證SAK-IN合金的性能,研究人員進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行評價的,該總成與DBC襯底和NiCU基板相結合,目的是模擬該應用中通常使用的材料。實驗裝置包括使用真空/甲酸間歇回流系統進行焊接試驗樣品,然后進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合金表現出強勁的性能,可與行業標準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行了成像。該薩金合金表現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一步證實了聲學顯微鏡的發現,揭示了在SAS-IN樣品中保持良好的焊料鍵和結構完整性。

　　實際影響和今后的工作

　　SAK-IN合金技術的引入對電力電子工業具有深遠的意義。通過降低加工溫度,該合金降低了包件分層的風險,提高了整體可靠性。這一進展特別關系到汽車和電子移動應用,在這些應用中,有效的熱管理和長期耐久性是至關重要的。此外,SAK-IN合金便于使用現有的焊接技術和設備,為制造商提供了成本效益高的過渡。初步測試的結果令人鼓舞,為更廣泛的采用和進一步的探索鋪平了道路。

　　未來的研究計劃是將SAK-IN合金的評價擴展到不同的組裝金屬化裝置和再流環境,包括熔體協助甲酸和傳統的再流過程。此外,在一個有代表性的動力循環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用潛力。

　　總結

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

　　它不僅提高了導熱性,降低了分層風險,而且為制造商提供了成本效益高的替代品。隨著進一步的研究和開發的繼續,SAK-IN合金將在電力電子的未來中發揮關鍵作用,特別是在汽車和電子移動系統等高應力環境中。這些見解和結論強調了在這一關鍵領域繼續探索和創新的重要性,為更高效和更可靠的電子系統鋪平了道路。

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