SAM stellt hochreines hexagonales Bornitrid für das Wärmemanagement in der Leistungselektronik vor

Einführung

Stanford Advanced Materials (SAM), ein renommierter Anbieter von Hochleistungskeramik und technischen Materialien, freut sich, den wachsenden Erfolg seines hochreinen hexagonalen Bornitrids (h-BN) bei der Lösung von Problemen des Wärmemanagements in elektronischen Hochspannungssystemen hervorzuheben. Das Material gewinnt zunehmend an Aufmerksamkeit als zuverlässige Lösung für anspruchsvolle Anwendungen in Elektrofahrzeugen, Halbleitergeräten und Leistungsmodulen.

Dr. Samuel R. Matthews, Chief Materials Officer bei SAM, erklärt,
"Hexagonales Bornitrid bietet eine seltene Kombination aus thermischer Leitfähigkeit und elektrischer Isolierung, was es ideal für die Leistungselektronik der nächsten Generation macht. In einem aktuellen Fall konnte ein weltweit tätiger Kunde nach der Integration unserer BN-Platten die Effizienz der Wärmeableitung um 40 % steigern. Dies ist genau die Art von Leistungs- und Nachhaltigkeitsvorteil, für die sich SAM einsetzt."

Fallstudie: Wärmemanagement in der Leistungselektronik mit hexagonalem Bornitrid

-Herausforderung Wärmemanagement

Ein globaler Hersteller von Leistungsmodulen aus Siliziumkarbid (SiC) wandte sich mit einem kritischen Problem an SAM: Die vorhandenen Materialien für die thermische Schnittstelle versagten bei Hochtemperaturanwendungen. Die Module, die für Wechselrichter für Elektrofahrzeuge und industrielle Motorantriebe entwickelt wurden, wurden regelmäßig bei Temperaturen über 300 °C betrieben. Unter diesen Bedingungen beobachtete der Kunde:

• Schnelle Degradation der thermischen Schnittstellenmaterialien
• Unzureichende dielektrische Isolierung bei Spannungen über 3.000 V
• Delaminierung und Verformung von Keramiksubstratstapeln
• Verminderte Wärmeableitungseffizienz, die zu lokaler Überhitzung führt

Das Ingenieurteam suchte nach einem Material, das sowohl eine hohe Wärmeleitfähigkeit als auch eine elektrische Isolierung bietet und bis zu mindestens 900 °C an der Luft stabil ist. Das Material musste außerdem in 50 mm × 50 mm × 1 mm großen Platten erhältlich sein, die eine enge Maßtoleranz aufweisen und sich für kundenspezifische Moduldesigns bearbeiten lassen.

[1]

--SAMs Lösung: Hexagonales Bornitrid der Güteklasse A

Nach Prüfung der Anwendungsanforderungen empfahl Stanford Advanced Materials seine Platten aus hexagonalem Bornitrid Grad A, einer hochreinen Keramik, die für extreme thermische und elektrische Bedingungen entwickelt wurde. Im Gegensatz zu herkömmlichen Grenzflächenmaterialien bietet h-BN eine seltene Kombination aus thermischer Leitfähigkeit und elektrischem Widerstand, wodurch es sich ideal für Hochspannungsanwendungen eignet.

Hier sind die Produktspezifikationen:

SAM bot außerdem Unterstützung bei der kundenspezifischen Bearbeitung und eine vakuumversiegelte Verpackung, um die Unversehrtheit des Materials während des Versands und der Lagerung zu gewährleisten.

-Implementierung und die Ergebnisse

Der Hersteller integrierte die h-BN-Platten in seine Leistungsmodulbaugruppe und verwendete sie als thermische Grenzschicht zwischen den SiC-Chips und den Kupfer-Wärmespreizern. Nach der Implementierung durchgeführte Tests und Felddaten zeigten sofortige Verbesserungen:

• Eine 40-prozentige Steigerung der Wärmeableitungseffizienz im Vergleich zum vorherigen Schnittstellenmaterial
• Eine Reduzierung der Hotspot-Spitzentemperaturen um 20 °C bei voller Belastung
• Kein dielektrischer Durchschlag nach 1.000 thermischen Zyklen zwischen 25 °C und 300 °C
• Konsistente Ebenheit des Blechs innerhalb von ±0,02 mm, wodurch mechanische Spannungen während des Verbindens vermieden werden
• Kürzere Integrationszeit durch hervorragende Bearbeitbarkeit

Im Anschluss an diese Ergebnisse stellte der Kunde sein gesamtes Sortiment an Hochspannungs-SiC-Modulen auf die h-BN-Lösung von SAMum und leitete eine zweite Phase der Materialbewertung für h-BN-Beschichtungen in anderen thermisch kritischen Komponenten ein.

Was ist hexagonales Bornitrid?

Hexagonales Bornitrid (h-BN) ist eine synthetische keramische Verbindung mit einer Struktur ähnlich der von Graphit. Im Gegensatz zu Graphit, der elektrisch leitfähig ist, ist hexagonales Bornitrid jedoch ein ausgezeichneter elektrischer Isolator. Dieser grundlegende Unterschied verleiht h-BN ein einzigartiges Profil: Es verbindet eine hohe Wärmeleitfähigkeit mit einem hohen elektrischen Widerstand - zwei Eigenschaften, die nur selten in einem einzigen Material zu finden sind.

Seine hochreinen Formen, insbesondere die mit einem BN-Gehalt von über 99 %, werden in der High-Tech-Fertigung, der Elektronik, der Luft- und Raumfahrt und im Energiesektor besonders geschätzt. Zu den wichtigsten physikalischen Eigenschaften von hochreinem hexagonalem Bornitrid gehören:

Anwendungen von hexagonalem Bornitrid

Die einzigartigen thermischen und elektrischen Eigenschaften von hexagonalem Bornitrid machen es in zahlreichen Branchen wertvoll. Es ist in verschiedenen Formen erhältlich - Pulver, Bleche, Beschichtungen und Verbundwerkstoffe -, die jeweils für bestimmte Anforderungen geeignet sind.

• h-BN wird als thermisches Grenzflächenmaterial in SiC/GaN-Leistungsmodulen, LEDs und Hochfrequenz-Leiterplatten verwendet. Es trägt zur Wärmeableitung bei und isoliert gleichzeitig elektrisch, und es wird auch zur EMI-Abschirmung und als Wärmespreizer verwendet.
• Dank seiner Stabilität kleidet h-BN Tiegel für die Metallverarbeitung aus und hält Temperaturen von über 1700 °C im Vakuum oder in inerten Umgebungen aus.
• Als Trockenschmiermittel hält h-BN Druck und Hitze gut stand und ist daher ideal für die Luft- und Raumfahrt sowie für Vakuumsysteme.
• In der Hautpflege und im Make-up verleiht h-BN ein geschmeidiges Gefühl, kontrolliert Öl und ist sanft zur Haut.
• Es erhöht die Festigkeit, Hitzebeständigkeit und Wärmeleitfähigkeit von Verbundwerkstoffen und unterstützt 3D-Druckanwendungen in der Luft- und Raumfahrt sowie im Verteidigungsbereich.

Fazit

Hexagonales Bornitrid löst fortschrittliche thermische und elektrische Herausforderungen in der Leistungselektronik. Mit einem umfangreichen Bestand an keramischen Werkstoffen und anwendungsspezifischer Unterstützung ist Stanford Advanced Materials auch weiterhin ein zuverlässiger Partner für Ingenieure, die an die Grenzen der Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit gehen.

Referenz:

[1] Wang, Zhengfang & Wu, Zijian & Weng, Ling & Ge, Shengbo & Jiang, Dawei & Huang, Mina & Mulvihill, Daniel & Chen, Qingguo & Guo, Zhanhu & Jazzar, Abdullatif & He, Ximin & Zhang, Xuehua & Xu, Ben. (2023). A Roadmap Review of Thermally Conductive Polymer Composites: Critical Factors, Progress, and Prospects. Advanced Functional Materials. 33. 10.1002/adfm.202301549.