SAM présente le nitrure de bore hexagonal de haute pureté pour la gestion thermique dans l'électronique de puissance

Introduction

Stanford Advanced Materials (SAM), un nom de confiance dans le domaine des céramiques avancées et des matériaux d'ingénierie, a le plaisir de souligner le succès croissant de son nitrure de bore hexagonal de haute pureté (h-BN) dans la résolution des problèmes de gestion thermique dans les systèmes électroniques à haute tension. Ce matériau est de plus en plus considéré comme une solution fiable pour les applications exigeantes dans les véhicules électriques, les dispositifs à semi-conducteurs et les modules de puissance.

Samuel R. Matthews, responsable en chef des matériaux chez SAM, explique,
"Le nitrure de bore hexagonal offre une combinaison rare de conductivité thermique et d'isolation électrique, ce qui le rend idéal pour l'électronique de puissance de la prochaine génération. Dans un cas récent, un client international a obtenu une augmentation de 40 % de l'efficacité de la dissipation thermique après avoir intégré nos feuilles de BN. C'est exactement le type d'avantage en termes de performance et de durabilité que SAM s'engage à fournir.

Étude de cas : Gestion thermique dans l'électronique de puissance avec le nitrure de bore hexagonal

--Le défi de la gestion thermique

Un fabricant mondial de modules de puissance en carbure de silicium (SiC) a approché SAM avec un problème critique : ses matériaux d'interface thermique existants échouaient dans les applications à haute température. Les modules, conçus pour les onduleurs de véhicules électriques et les entraînements de moteurs industriels, fonctionnaient régulièrement à plus de 300 °C. Dans ces conditions, le client a observé

• une dégradation rapide des matériaux d'interface thermique
• une isolation diélectrique inadéquate à des tensions supérieures à 3 000 V
• un décollement et un gauchissement des empilements de substrats céramiques
• une réduction de l'efficacité de la dissipation thermique, entraînant une surchauffe locale.

L'équipe d'ingénieurs recherchait un matériau capable d'assurer à la fois une conductivité thermique et une isolation électrique élevées, avec des performances stables jusqu'à au moins 900 °C dans l'air. Le matériau devait également être disponible en feuilles de 50 mm × 50 mm × 1 mm, avec une tolérance dimensionnelle et une usinabilité étroites pour la conception de modules personnalisés.

[1]

--La solution de SAM : Nitrure de bore hexagonal de grade A

Après avoir examiné les exigences de l'application, Stanford Advanced Materials a recommandé sa feuille de nitrure de bore hexagonal de grade A, une céramique de haute pureté conçue pour des conditions thermiques et électriques extrêmes. Contrairement aux matériaux d'interface traditionnels, le h-BN offre une combinaison rare de conductivité thermique et de résistivité électrique, ce qui le rend idéal pour les applications à haute tension.

Voici les spécifications du produit :

SAM a également fourni un support d'usinage personnalisé et un emballage sous vide pour garantir l'intégrité du matériau pendant l'expédition et le stockage.

--Mise en œuvre et résultats

Le fabricant a intégré les feuilles de h-BN dans l'assemblage de son module de puissance, les utilisant comme couches d'interface thermique entre les puces SiC et les répartiteurs de chaleur en cuivre. Les essais effectués après la mise en œuvre et les données recueillies sur le terrain ont permis de constater des améliorations immédiates :

• une augmentation de 40 % de l'efficacité de la dissipation thermique par rapport au matériau d'interface précédent
• une réduction de 20 °C des températures maximales des points chauds à pleine charge
• Aucune rupture diélectrique après 1 000 cycles thermiques entre 25 °C et 300 °C
• Planéité constante de la tôle à ±0,02 mm, ce qui élimine les contraintes mécaniques pendant le collage.
• Temps d'intégration plus court grâce à une excellente usinabilité.

À la suite de ces résultats, le client a fait passer toute sa gamme de modules SiC haute tension à la solution h-BN de SAM et a entamé une deuxième phase d'évaluation des matériaux pour les revêtements h-BN dans d'autres composants critiques sur le plan thermique.

Qu'est-ce que le nitrure de bore hexagonal ?

Le nitrure de bore hexagonal (h-BN) est un composé céramique synthétique dont la structure est similaire à celle du graphite. Toutefois, contrairement au graphite, qui est conducteur d'électricité, le nitrure de bore hexagonal est un excellent isolant électrique. Cette différence fondamentale confère au h-BN un profil unique : il combine une conductivité thermique élevée et une résistivité électrique, deux caractéristiques rarement réunies dans un même matériau.

Ses formes de haute pureté, en particulier celles dont la teneur en BN est supérieure à 99 %, sont particulièrement appréciées dans les secteurs de la fabrication de haute technologie, de l'électronique, de l'aérospatiale et de l'énergie. Les principales propriétés physiques du nitrure de bore hexagonal de haute pureté sont les suivantes :

Applications du nitrure de bore hexagonal

Les propriétés thermiques et électriques uniques du nitrure de bore hexagonal en font un matériau précieux pour de nombreuses industries. Il est disponible sous diverses formes - poudres, feuilles, revêtements et composites - chacune adaptée à des besoins spécifiques.

• Le h-BN est utilisé comme matériau d'interface thermique dans les modules de puissance SiC/GaN, les DEL et les circuits imprimés à haute fréquence. Il aide à dissiper la chaleur tout en assurant l'isolation électrique, et il est également utilisé dans le blindage EMI et les répartiteurs de chaleur.
• Grâce à sa stabilité, le h-BN tapisse les creusets pour le traitement des métaux et supporte des températures supérieures à 1700 °C dans des environnements sous vide ou inertes.
• En tant que lubrifiant sec, le h-BN se comporte bien sous la pression et la chaleur, ce qui le rend idéal pour l'aérospatiale et les systèmes sous vide.
• Dans les produits de soin et de maquillage, le h-BN apporte une sensation de douceur, contrôle l'huile et est doux pour la peau.
• Il renforce la solidité, la résistance à la chaleur et la conductivité thermique des composites, ce qui favorise les applications d'impression 3D dans les domaines de l'aérospatiale et de la défense.

Conclusion

Le nitrure de bore hexagonal permet de relever des défis thermiques et électriques avancés dans le domaine de l'électronique de puissance. Grâce à un vaste inventaire de matériaux céramiques et à un soutien spécifique aux applications, Stanford Advanced Materials continue d'être un partenaire de confiance pour les ingénieurs qui repoussent les limites de la performance et de la fiabilité.

Référence :

[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). Examen de la feuille de route des composites polymères thermoconducteurs : Facteurs critiques, progrès et perspectives. Advanced Functional Materials. 33. 10.1002/adfm.202301549.