DEVELOPING A CERAMIC COMPOSITE FOR APPLICATIONS IN POWER ELECTRONIC SUBSTRATES. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

Preview

PDF Thesis,_Lemboye_Kareem.pdf Download (6MB) | Preview

Arabic Abstract

معظم مكونات الاجهزة الالكترونية تولد الكثير من الحرارة التي يجب تُبدّد عبر القواعد الإلكترونية بشكل فعال للبيئة المحيطة في غضون فترة قصيرة من الزمن. العمل الحالي معني بتصميم، تصنيع، و إختبار مادة جديدة مركبة من السيراميك لتحل محل قواعد الألومينا في الأجهزة الإلكترونية. يجب أن تمتلك هذه المادة الجديدة موصلية حرارية عالية و معامل تمدد حراري منخفض مقارنة بمادة الألومينا, كما يجب ان تحافظ هذه المادة الجديدة على الفوائد البيئية والاقتصادية للألومينا. للتحصل علي ذلك، تم تصميم المادة علي ان تكون مركب يحتوي علي الألومينا نفسها مع إضافة أي من كربيد السيليكون ‘ الكروم أوالماس. تم إستخدام نماذج تحليلية للتنبوء بالخواص الفعالة للمواد المركبة لتحديد الحجم الجزئي المناسب للمواد المضافة و أيضا لتحديد أحجام الجسيمات التي يتكون منها المضاف (الفصل 3). بإضافة 20٪ حجم جزئي من جسيمات كربيد السيليكون ذات حجم 31 ميكرون، تم إستخدام عملية التلبيد عن طريق البلازما لتلبيد المركب الجديد. أظهر هذا المركب المكون من الألومينا وكربيد السيليكون موصلية حرارية أعلى (من 33 إلى 38 واط\متر مربع لكل درجه حرارة مئوية) و معامل تمدد حراري أقل (من 5.58 إلى 4.7 مايكروميتر\متر لكل درجه حرارة مئوية) مقارنة مع الألومينا النقي (الفصل 4). أيضا، أظهر أداء هذا المركب الجديد من السيراميك على العمر التشغيلي لقاعدة النحاس الإلكترونية مباشرة الالتصاق(DBC) عندما تكون معرضة لإحمال دورية حرارية-هيكلية، أنه يمتلك قوة تحمل أعلي للأحمال الحرارية-الميكانيكية‘ كما أن العمر التشغيلي للقاعدة الإلكترونية عندما تكون معرضة لأحمال دورية يتحسن مع استخدام المركب الجديد (٪100) مقارنة مع مع مركب الألومينا النقي (الفصل 5).

English Abstract

The performance of components in power electronics depends on the effective dissipation of the heat generated within them to the environment in a short period of time. In this present work a new ceramic material to replace alumina in power electronic substrate is to be designed, developed and tested. The new ceramic material must possess higher thermal conductivity and lower coefficient of thermal expansion values to alumina, but should retain the environmental and economic benefits of alumina. In order to achieve these, the material was designed to be an alumina composite with either of silicon carbide, chromium or diamond as fillers. Analytical models for predicting composite’s effective properties were used to select the appropriate filler volume fraction and particle sizes (chapter 3). With a volume fraction of 20%SiC and particle size of 31µm, spark plasma sintering (SPS) was used for consolidating the composite. The newly developed composite exhibited higher thermal conductivity (from 33 to 38W/m2 K) and lower CTE (from 5.6 to 4.7µm/m-°C) values as compared to pure alumina (chapter 4). Furthermore, the performance of this newly developed material on the thermal-structural and fatigue life of the direct bonded copper (DBC) substrate revealed that, the newly proposed ceramic (alumina composite) has better thermal-mechanical performance and enhanced fatigue life (about 100% higher) as compared to an alumina DBC substrate (chapter 5).

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor:	Akhtar, Syed Sohail
Committee Members:	Arif, Abul Fazal M. and Laoui, Tahar
Depositing User:	LEMBOYE KAREEM (g201404840)
Date Deposited:	01 Jun 2016 05:26
Last Modified:	01 Nov 2019 16:34
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/140001