コンバータと計算機
SAM、パワーエレクトロニクスの熱管理用高純度六方晶窒化ホウ素を展示
はじめに
スタンフォード・アドバンスト・マテリアルズ社（SAM）は、高電圧電子システムにおける熱管理の課題を解決する高純度六方晶窒化ホウ素（h-BN）の成功が拡大していることを紹介します。この材料は、電気自動車、半導体デバイス、パワーモジュールなどの要求の厳しいアプリケーションのための信頼性の高いソリューションとして注目を集めています。
SAM社の最高材料責任者であるサミュエル・R・マシューズ博士は、次のように説明している、
「六方晶窒化ホウ素は、熱伝導性と電気絶縁性を併せ持つ希少な材料であり、次世代のパワーエレクトロニクスに最適です。最近の事例では、あるグローバルクライアントが当社のBNシートを統合した後、放熱効率を40％向上させました。これは、まさにSAMが提供するパフォーマンスと持続可能性の利点です。"
ケーススタディ六方晶窒化ホウ素によるパワーエレクトロニクスの熱管理
--熱管理の課題
炭化ケイ素（SiC）パワーモジュールの世界的なメーカーが、SAM社に重大な問題を持ちかけました。電気自動車のインバーターや産業用モータードライブ用に設計されたモジュールは、常時300℃以上で動作していました。このような条件下で、顧客は次のようなことを確認していました：
- 熱インターフェース材料の急速な劣化
- 3,000Vを超える電圧での絶縁不良
- セラミック基板スタックの剥離と反り
- 熱放散効率の低下による局所的な過熱
同社のエンジニアリング・チームは、高い熱伝導性と電気絶縁性の両方を備え、空気中で少なくとも900℃まで安定した性能を発揮する材料を求めていました。また、この材料は50mm×50mm×1mmのシートで入手でき、寸法公差が厳しく、カスタム・モジュール設計のための機械加工が可能である必要があった。
[1]
--SAMのソリューション：グレードA六方晶窒化ホウ素
アプリケーションの要件を検討した結果、スタンフォード・アドバンスト・マテリアルズ社は、極端な熱的・電気的条件に対応するように設計された高純度セラミックであるグレードA六方晶窒化ホウ素シートを推奨した。従来のインターフェイス材料とは異なり、h-BNは熱伝導性と電気抵抗率の珍しい組み合わせを提供し、高電圧アプリケーションに最適です。
以下は製品仕様です：
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特性 |
仕様 |
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純度 |
99.5% |
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熱伝導率 |
~35 W/m・K（面内） |
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電気抵抗率 |
>10¹³ Ω・cm |
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絶縁耐力 |
>3.5 kV/mm |
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動作温度 |
空気中900 °C、不活性ガス中1800 °C |
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密度 |
~2.1 g/cm³ |
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寸法 |
50 mm × 50 mm × 1.0 mm |
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加工性 |
優れている（CNCに適している） |
SAMはまた、カスタム加工サポートと、輸送と保管中の材料の完全性を確保するための真空密封パッケージングを提供した。
--実装とその結果
このメーカーは、h-BNシートをSiCチップと銅ヒートスプレッダの間の熱インターフェース層として使用し、パワーモジュールのアセンブリに組み込みました。実装後のテストとフィールド・データは、即座に改善を実証した：
- 従来のインターフェイス材料と比較して放熱効率が40%向上
- 全負荷時のホットスポットのピーク温度を20℃低減
- 25℃～300℃の熱サイクル1,000回後の絶縁破壊がゼロ
- シートの平坦度が±0.02 mm以内と安定しており、接合時の機械的ストレスがない。
- 優れた機械加工性による統合時間の短縮
これらの結果を受けて、このクライアントは、高電圧SiCモジュールの全製品をSAMのh-BNソリューションに移行し、他の熱的に重要なコンポーネントのh-BNコーティングの材料評価の第二段階を開始しました。
六方晶窒化ホウ素とは？
六方晶窒化ホウ素（h-BN）は、グラファイトに似た構造を持つ合成セラミック化合物である。しかし、導電性である黒鉛とは異なり、六方晶窒化ホウ素は優れた電気絶縁体である。この基本的な違いが、h-BNにユニークなプロフィールを与えている。h-BNは、高い熱伝導性と電気抵抗率を兼ね備えており、この2つの特性が1つの材料で同時に見られることはめったにない。
その高純度形状、特にBN含有量が99%を超えるものは、ハイテク製造、エレクトロニクス、航空宇宙、エネルギー分野で特に高く評価されている。高純度六方晶窒化ホウ素の主な物理的特性は以下の通り：
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特徴 |
値 |
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熱伝導率 |
~30～50 W/m・K（面内） |
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電気抵抗率 |
>10¹²-10¹³ Ω・cm |
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絶縁耐力 |
>3.5 kV/mm |
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動作温度 |
大気中最高1000 °C、不活性雰囲気中最高1800 °C |
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低摩擦係数 |
~0.15 |
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密度 |
~2.1 g/cm³ |
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被削性 |
ソフトメタルに匹敵する優れた加工性 |
六方晶窒化ホウ素の用途
六方晶窒化ホウ素のユニークな熱的・電気的特性により、さまざまな産業で利用されています。窒化ホウ素は、粉末、シート、コーティング、複合材料など、さまざまな形態で提供されており、それぞれが特定のニーズに適しています。
- h-BNは、SiC/GaNパワーモジュール、LED、高周波PCBなどの熱インターフェース材料として使用されています。電気的に絶縁しながら放熱を助け、EMIシールドやヒートスプレッダーにも使用されています。
- h-BNは、その安定性により、金属加工用のるつぼに使用され、真空または不活性環境では1700℃を超える温度に対応します。
- ドライ潤滑剤として、h-BNは圧力や熱の下でも優れた性能を発揮し、航空宇宙や真空システムに理想的です。
- スキンケアやメーキャップでは、h-BNは滑らかな感触を与え、油分をコントロールし、肌に優しい。
- h-BNは複合材料の強度、耐熱性、熱伝導性を高め、航空宇宙や防衛の3Dプリンティング用途をサポートする。
結論
六方晶窒化ホウ素は、パワーエレクトロニクスにおける高度な熱的・電気的課題を解決します。スタンフォード・アドバンスト・マテリアルズは、セラミック材料の豊富な在庫と用途に特化したサポートにより、性能と信頼性の限界に挑むエンジニアの信頼できるパートナーとしての役割を果たし続けます。
参考文献
[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.
Chin Trento
