Céramiques de nitrure de silicium dans le domaine des véhicules à énergies nouvelles
Nitrure de siliciumpossède d'excellentes propriétés telles qu'une résistance à la flexion élevée, une ténacité élevée à la rupture,bonne résistance au fluage, haute dureté et haute résistance à l'usure. Il est considéré comme le meilleur-
matériau performant parmi la famille des céramiques structurales. En tant qu'industrie émergente stratégique à croissance rapide avec une innovation technologique continue, la demande de composants céramiques dans le domaine des véhicules à énergie nouvelle augmente et le nitrure de silicium joue plusieurs rôles importants.
Premièrement,roulements en nitrure de siliciumsont des composants critiques connus sous le nom de"puces"de l'industrie mécanique. Ils sont principalement utilisés pour supporter des machines tournantes et réduire les coefficients de frottement, garantissant des performances de rotation précises.Nitrure de siliciuma une densité d'environ 42% d'acier à roulement, un module élastique élevé de 320 GPa, une résistance à la traction de 1600 MPa et une résistance à la compression allant jusqu'à 3600 MPa. De plus, ses propriétés mécaniques restent quasiment inchangées en dessous de 900°C, ce qui en fait un matériau idéal pour les éléments roulants des paliers à roulement. Actuellement, les roulements qui utilisentbilles de nitrure de siliciumcar les éléments roulants sont devenus les roulements céramiques avancés les plus populaires, les plus performants et les plus largement utilisés dans le monde. Dans le domaine des véhicules à énergies nouvelles, l'adoption deroulements en nitrure de siliciumest principalement motivé par les raisons suivantes :
1. Les roulements de moteur électrique nécessitent des matériaux à faible densité et une résistance à l'usure plus élevée pour s'adapter à
des vitesses plus élevées.
2. Le courant alternatif généré par le moteur provoque des changements dans le champ électromagnétique environnant, nécessitant de bonnes performances d'isolation pour réduire la corrosion induite par la décharge des roulements.
3. Les billes de roulement doivent avoir une surface lisse et une usure minimale. Les billes en céramique, en raison de leur faible densité, de leur dureté élevée et de leur excellente résistance à l'usure, conviennent parfaitement aux conditions de rotation à grande vitesse. Ils sont particulièrement irremplaçables dans les environnements à haute température, à fort magnétisme et à vide poussé. Dans le domaine des véhicules à énergies nouvelles, les roulements en céramique ont progressivement remplacé les roulements à billes en acier.
Deuxièmement,substrats en céramique de nitrure de siliciumsont des plaques de céramique fabriquées par frittagenitrure de siliciumpoudre
avec une petite quantité d'oxyde et de terres rares. Ces substrats présentent d'excellentes performances et fiabilité globales, notamment une conductivité thermique élevée, une résistance mécanique élevée, un faible coefficient de dilatation thermique, une résistance à l'oxydation, une résistance à la corrosion thermique, une faible perte diélectrique et un faible coefficient de frottement. Les céramiques de nitrure de silicium ont une conductivité thermique théorique extrêmement élevée (environ 400 W/(m·K)) et un faible coefficient de dilatation thermique (environ 3,0x10-6℃), les rendant compatibles avec des matériaux tels que Si, SiC et GaAs. Par conséquent, la haute résistance et la conductivité thermique élevée desubstrats de nitrure de siliciumrépondre aux exigences de température élevée, de puissance élevée, de dissipation thermique élevée et de fiabilité élevée pour l'emballage de module de dispositif de puissance électronique automobile. Certaines personnes pensent que les substrats en céramique de nitrure de silicium sont des produits améliorés par rapport aux substrats en céramique d'alumine et aux substrats en céramique de nitrure d'aluminium. Actuellement, les substrats de nitrure de silicium sont principalement utilisés pour le conditionnement des IGBT Si et MOSFET SiC, avec des applications spécifiques comme suit :
1. Pour l'IGBT de qualité automobile, l'efficacité de dissipation thermique est bien supérieure à celle de la qualité industrielle. La température interne de l'onduleur est extrêmement élevée et de fortes vibrations doivent également être prises en compte. Les exigences de performance des IGBT de qualité automobile dépassent de loin celles des IGBT de qualité industrielle. Les substrats en nitrure de silicium sont bien adaptés aux emballages IGBT de qualité automobile, capables de s'adapter aux environnements de travail à haute température et haute pression, dissipant efficacement la chaleur élevée générée dans le système d'alimentation, protégeant le fonctionnement normal de la puce et prolongeant le service durée de vie des appareils électroniques.
2. Pour le SiC MOSFET, l'adoption de dispositifs SiC MOSFET dans le moteur de base des véhicules à énergie nouvelle peut augmenter la portée de 5 % à 10 % par rapport à l'IGBT Si traditionnel. Les puces SiC MOSFET ont une petite surface et des exigences élevées en matière de dissipation thermique. Les substrats en céramique de nitrure de silicium possèdent une excellente capacité de dissipation thermique et une grande fiabilité, ce qui en fait un choix presque obligatoire pour l'application principale du SiC MOSFET dans le domaine des véhicules à énergie nouvelle. Par exemple, le Tesla Model 3 utilise largement des substrats en céramique de nitrure de silicium pour résoudre les problèmes de dissipation thermique des dispositifs SiC MOSFET.
En résumé, les deux principales directions d'application des céramiques en nitrure de silicium dans le domaine des véhicules à énergie nouvelle sont les paliers en nitrure de silicium et les substrats en nitrure de silicium à conductivité thermique élevée. Les roulements en nitrure de silicium présentent d'excellentes propriétés mécaniques et une résistance à l'usure, ce qui les rend adaptés à une rotation à grande vitesse et à des conditions de fonctionnement difficiles, et ils ont été largement utilisés dans les systèmes moteurs des véhicules à énergie nouvelle. Les substrats en céramique de nitrure de silicium possèdent une conductivité thermique et une résistance mécanique élevées, répondant aux exigences de température élevée, de puissance élevée, de dissipation thermique élevée et de fiabilité élevée pour les modules de dispositifs de puissance électroniques automobiles, et ils sont largement utilisés dans l'emballage de Si IGBT et SiC MOSFET . Ces applications contribuent au développement de véhicules à énergies nouvelles,
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