CC BY
113
Физика твёрдого тела Е!естник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2011, № 3 (1), с. 56-59
УДК 538.911
СВОЙСТВА И ПРИМЕНЕНИЕ ВЫСОКОНАПОЛНЕННОГО МЕТАЛЛОМАТРИЧНОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА Al-SiC
© 2011 г. Е.Н. Каблов 1, Б.В. Щетанов 1, А.А. Шавнёв2, А.Н. Няфкин 1,
В.В. Чибиркин 2, В.В. Елисеев 2, В.А. Мартыненко 2, В.Г. Мускатиньев 2,
Л.А. Эмих 2, С.М. Вдовин 3, К.Н. Нищев 3
1 Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов, Москва 2 Открытое акционерное общество «Электровыпрямитель», Саранск 3 Мордовский госуниверситет им. Н.П. Огарева, Саранск
Поступила в редакцию 24.03.2011
Исследованы основные теплофизические и механические свойства металломатричного композиционного материала А1^С. Проведены натурные испытания материала в составе силовых транзисторных модулей, обоснован его выбор для применения в теплоотводящих изделиях силовой электроники и преобразовательной техники.
Ключевые слова: композиционный материал, изделия для силовой электроники, силовые транзисторные модули.
Введение
В настоящее время силовая электроника средних и больших мощностей переживает период бурного развития. Широкое использование новых полупроводниковых приборов в энергетике, станкостроении, железнодорожном транспорте, авиации, судостроении, военной технике позволяет создавать изделия с ранее недостижимыми потребительскими свойствами. Для силовой электроники насущной проблемой является отвод тепла. Полупроводниковые кристаллические материалы, как правило, обладают низким коэффициентом теплового расширения. Многократные циклические расширения и сжатия приводят к разрушению полупроводниковых элементов в результате тепловых напряжений. Это необходимо учитывать при создании элементов конструкции, в которой должны быть собраны электронные модули. Высокая тепловая нагрузка, присущая современным полупроводниковым приборам, ставит перед материаловедами задачу по разработке новых высокоэффективных, не содержащих дефицитных и дорогих компонентов, материалов с низким коэффициентом теплового расширения, высокой теплопроводностью и другими теплофизическими характеристиками, совместимыми с полупроводниковыми материалами.
В настоящее время ведущими зарубежными фирмами (Ceramic Process Systems (CPS), Thermal Transfer Composites LLC (TTC) и др.) разра-
ботаны и освоены в промышленном производстве технологии изготовления теплоотводящих оснований для силовой электроники и преобразовательной техники из металломатричного композиционного материала (МКМ) А1^С [13]. В России производство теплоотводящих изделий из данного материала отсутствует.
Целью настоящих исследований является изучение основных теплофизических и механических свойств металломатричного композиционного материала на основе А1^С и сопоставление полученных результатов с требованиями к теплоотводящим основаниям из А1^С, а также проведение испытаний полученного материала в устройствах силовой электроники.
Методики исследований и испытаний
В настоящей работе определение теплопроводности и теплоемкости композиционного материала на основе А1^С выполнено с использованием импульсного метода - метода лазерной «вспышки». Измерения выполнялись на установке ТС-3000Н^ ^ШКи-ЫКО, Япония) с погрешностью измерения теплопроводности 8%, теплоемкости - 3%. Измерения коэффициента теплового расширения (КТР) проводились по ГОСТ 8.018 на дилатометре DIL 402С (NETZSCH, Германия), обеспечивающем диапазон измерений от -180 до 1500°С с погрешностью 3%.
Испытания образцов на растяжение с определением модуля упругости проводились по
Масштаб 1:35 Рис. 1. Макроструктура МКМ А1-8ІС
и
5
/
/
-150 -100 -50 0 50
Температура, °С
Рис. 2. Диаграмма изменения КТР в зависимости от температуры
0.9
Рис. 3. Диаграмма изменения теплопроводности в зависимости от температуры
о 2 07 с «
" гг
5 £_ 0-6
0.5
о и
я!
= а
Л
0 4
0.3
-150 -100 -50 0 20 50 100
Температуря, °С
Рис. 4. Диаграмма изменения удельной теплоемкости в зависимости от температуры
ГОСТ 25.601-80, на изгиб - по ГОСТ 25.604-82. Образцы испытывали на универсальной испытательной машине 1ш1:гоп-1195 с постоянной скоростью нагружения активного захвата 2 мм/мин. Измерение нагрузки осуществлялось с погрешностью не более 1% от измеряемой величины.
Структура поверхности образцов контролировали на оптическом микроскопе NEOPHOT-21.
Результаты и их обсуждение
Для определения теплофизических и механических свойств были изготовлены образцы МКМ А1-8Ю с высоким (70%) объемным содержанием 8Ю путем изготовления пористой заготовки с последующей пропиткой матрич-
ным материалом на основе алюминия. На рис. 1 представлена макроструктура полученного МКМ АІ^іС. Видно, что частицы SiC расположены в матрице равномерно, без образования конгломератов. Основной размер частиц SiC в МКМ составляет 125-100 мкм.
Исследование коэффициента теплового расширения (КТР) проводили в интервале температур от -150 до 100°С. На рис. 2 представлены данные изменения КТР в зависимости от температуры. Видно, что в исследуемом диапазоне температур значение КТР не превышает 7 • 10-6 1/К. Зависимость изменения КТР от температуры имеет нелинейный характер, что, по-видимому, связано с наличием внутренних напряжений в материале.
Таблица 1
Теплофизические характеристики отечественного МКМ Al-SiC
Іемпературньїй диапазон, C Образец (70 об. % SiC) Іребования к МКМ Al-SiC
КІР^10-6,1/К
-150 - 20 4.97 5.0-7.0
-100 - 20 5.14
- 50 - 20 5.32
20 - 50 5.97
20 - 100 6.31
Удельная теплоемкость, кДж/(кгтрад)
-150 - 20 0.48 0.75±0.05, при +20°С
-100 - 20 0.65
- 50 - 20 0.70
20 0.75
20 - 50 0.77
20 - 100 0.78
Іеплопроводность, Вт/(м-град)
-150 - 20 158 180-200, при +20°С
-100 - 20 162
- 50 - 20 161
20 156
20 - 50 154
20 - 100 150
20 - 150 149
Таблица 2
Механические свойства МКМ Al-SiC
Технические характеристики Іребования к МКМ Al-SiC Отечественный образец (70 об. % SiC)
Модуль упругости, ГПа 220 245
Прочность при растяжении, МПа 125-235 130
Прочность при изгибе, МПа 300-370 341
Теплопроводность МКМ АІ-БіС была изучена в интервале температур -150 до 150°С. На рис. 3 представлены данные по изменению теплопроводности в зависимости от температуры. Из приведенной диаграммы видно, что теплопроводность полученного МКМ во всем диапазоне температур не превышает значения 170 Вт/(м-К).
Удельная теплоемкость образцов АІ-БіС была исследована в интервале температур от -150 до 100°С. На рис. 4 представлены данные изменения теплоемкости в зависимости от температуры.
В табл. 1 представлены результаты проведенных испытаний МКМ АІ-БіС. Видно, что полученный МКМ АІ-БіС по удельной теплоемкости и КТР полностью соответствует требованиям к материалу, однако значение по теплопроводности при температуре +20°С не превышает 160 Вт/(м-К), что не соответствует предъявляемым требованиям. По-видимому, это связано с тем, что по границе раздела матрица -наполнитель не полностью прошла диффузия с
образованием прочной связи, т.е. присутствует слабый контакт между фазами, а также возможно наличие оксидов, которые присутствовали в исходных компонентах и образовались в процессе пропитки.
В табл. 2 приведены результаты определения механических характеристик МКМ Al-SiC. Проведенными испытаниями установлено, что уровень механических свойств полученного МКМ полностью соответствует предъявляемым требованиям.
Для проверки работоспособности образцов теплоотводящих оснований из МКМ Al-SiC (рис. 5 а) были проведены их натурные испытания на транзисторных модулях М2ІКИ-300-17КІ (рис. 5б) в ОАО «Электровыпрямитель». Для сравнения также были испытаны теплоотводящие основания из МКМ Al-SiC производства CPS, которые в настоящее время используются в силовых полупроводниковых приборах.
В таблице 3 представлены результаты проведенных испытаний по измерению теплового
а) б)
Рис. 5. Внешний вид теплоотводящего основания из МКМ Al-SiC (а) и транзисторный модуль М2ТКИ-300-17КТ (б)
Таблица 3
Характеристика теплового сопротивления на модулях М2ТКИ-300-17КТ
Модуль № ключа jc pR RthjcD Максимально допустимое значение
jc d RthjcD
Отечественный образец 1 0.060 0.098 < 0.075 <0.11
2 0.051 0.0882
Зарубежный аналог 3 0.0625 0.088
4 0.069 0.086
сопротивления МКМ Al-SiC в сравнении с зарубежным аналогом фирмы Ceramic Process Systems (CPS).
Исходя из приведенных данных (табл.3) можно сделать следующие выводы:
- среднее значение теплового сопротивления транзисторного ключа модуля с основанием Al-SiC отечественного изготовления на 18% ниже, чем у зарубежного аналога;
- среднее значение теплового сопротивления диодного ключа на 7% выше.
Таким образом, в результате проведенных исследований установлено, что отечественный материал Al-SiC может быть рекомендован для
использования в качестве теплоотводящих оснований в приборах силовой электроники.
Список литературы
1. Gilleo K. MEMS/MOEMS Packaging Concepts, Designs, Materials, and Processes. McGraw-Hill NanoScience and Technology Series, United States of America, 0-07-158909-0. 2005. P. 84-93.
2. Occhionero M.A., Adams R.W., Saums D. AlSiC for Optoelectronic Thermal Management and Packaging Designs. Ceramics Process Systems, chartley MA 027120338. 2001. P. 1-5.
3. Occhionero M.A., Fennessy K.P., Adams R.W. and Sundberg G.J. AlSiC Baseplates for Power IGBT Modules: Design, Performance and Reliability. Ceramics Process Systems, chartley MA 02712-0338. 2003. P. 21-27.
PPROPERTIES AND APPLICATION OF HIGHLY FILLED Al-SiC METAL MATRIX COMPOSITES
E.N. Kablov, B. V. Shchetanov, A.A. Shavnev, A.N. Nyafkin, V. V. Chibirkin, V. V. Eliseev,
V.A. Martynenko, V.G. Muskatinyev, L.A. Emikh, S.M. Vdovin, K.N. Nishchev
Main physical and mechanical properties of Al-SiC metal matrix composite (MMC) material have been studied. Full-scale tests of the material in power transistor modules have been carried out. The choice of Al-SiC metal matrix composite material for the application in thermally conductive products of power electronics and converting equipment has been justified.
Keywords: composite material, power electronics products, power transistor modules.
