Ceramic Meet Metallization Technology: Ново подобрение в разсейването на топлината за нови енергийни превозни средства

Водени от тенденцията „нови четири модернизации“, функционалната плътност на електронните системи в новите енергийни превозни средства непрекъснато се увеличава, което води до съответно увеличение на консумацията на енергия от полупроводникови чипове. Олекотяването и високата интеграция се превръщат в основните теми на индустриалното развитие, докато разсейването на топлината постепенно се превръща в едно от ключовите пречки, засягащи стабилността и продължителността на живота на електронните устройства.

На този фон керамичните материали, с тяхната висока топлопроводимост, изолация и висока надеждност, постепенно излизат на преден план и дълбоко се интегрират с технологията за керамична метализация, превръщайки се във важен основен материал в решенията за управление на топлината за нови енергийни превозни средства.

Керамиката се е превърнала във важен опаковъчен материал за захранващи устройства поради комбинацията си от висока топлопроводимост, ниски диелектрични загуби, добра изолация, висока топлоустойчивост и коефициент на топлинно разширение, който съответства много на чипа. Тези свойства правят метализираната керамика, метализирания алуминиев оксид и метализираната алуминиева керамика важни структурни материали за настоящите високо{1}}мощни електронни устройства.

Сред тях керамичните компоненти от алуминиев оксид като AlN и Al2O3, поради техните стабилни физически свойства, се използват широко в захранващи модули, LED опаковки, релета и захранващи модули на нови енергийни превозни средства. С непрекъснатото подобряване на производителността на интерфейса между керамичните и металните слоеве, степента на проникване на метализираната керамика в разсейването на топлината от електрически превозни средства продължава да се увеличава.

Докато керамиката притежава отлични изолационни и термични свойства, тя не е проводима. За да се постигне функционалност на веригата, е необходима керамична метализация. Метализиращият слой трябва не само да има добра проводимост, но също така да бъде здраво свързан с керамиката, издържайки на сложни условия като температурни цикли, механично напрежение и дългосрочно-пренасяне на заряд.

Основната причина, поради която керамиката и металите са трудни за директно свързване, е значителната разлика в техните химични свойства, коефициенти на топлинно разширение и омокряемост. Следователно, процесът на преобразуване на керамика-в-метал обикновено изисква изграждането на стабилна интерфейсна структура чрез металургични реакции, интерфейсна модулация или метализиране на тънки филми.

Понастоящем керамичната метализация основно попада в две основни категории:

1. Технологии за метализиране на свързване в твърдо{1}} състояние

Те включват методи за директно свързване на мед (DBC), директно свързване на алуминий и дебел-слой. Тези методи се опитват да постигнат директно свързване в твърдо- състояние между керамика и метали, но видовете метали, които могат директно да реагират с керамиката, са ограничени и обикновено изискват тежки условия, като висока температура и вакуум. В действителното производство често са необходими допълнителни материали за кондициониране на интерфейса, за да се постигне стабилно свързване.

2. Тънкослойни метализиращи преходни слоеве

Чрез разпръскване, изпаряване и безелектрическо покритие се формират метализирани тънки филми върху керамичната повърхност за подобряване на омокряемостта и интерфейсната структура, подготвяйки се за последващо отлагане на метален слой и заваряване. Този тип метод се използва широко в метализирани керамични компоненти, метализирана алуминиева керамика и керамични опаковки и е особено подходящ за високо-надеждни и прецизни електронни модули.

1. Метализация с дебел-слой (TPC)

Технологията за дебел{0}}слой използва ситопечат на проводима паста и синтероване при висока-температура за образуване на филм. Процесът е прост и приложим за различни метализирани керамични материали. Пътят на телта обаче е ограничен от прецизността на телената мрежа, което я прави подходяща за големи-размерни устройства със средни изисквания за мощност, но по-малко адаптивна към високо-прецизно керамично опаковане или фина механична обработка на алуминиев оксид.

2. Метализиране на тънък филм (TFC)

Използвайки техники за отлагане на пари, като вакуумно разпръскване и изпаряване, върху керамичната повърхност се формира метален филм с висока-плътност. Може да се похвали със силна адхезия, добро покритие и може да се използва за отлагане на филми от различни метални материали. Тънкослойната метализация е особено подходяща за интегрални схеми с висока-плътност, прецизни оловни структури и високо-надеждна метализирана керамика, но цената й е висока и изисква последващи фини процеси като фотолитография и ецване.

3. Директно медно ламиниране (DBC)

DBC включва взаимодействие на медно фолио с керамика при високи температури, за да се образува силна връзка, създавайки метален слой с висока топлопроводимост и силна адхезия. Неговите предимства включват добра топлопроводимост, силна изолация и превъзходни механични свойства, което го прави широко използван в захранващи модули и системи за задвижване на електрически превозни средства. Относително дебелото медно фолио обаче ограничава прецизността на последващото химическо ецване, ограничавайки производството на ултра-фини вериги.

4. Активно спояване на метал (AMB)

AMB постига -силна връзка между металния слой и керамиката, като реагира на спойка, съдържаща активни елементи, с керамиката, за да образува омокряема повърхност. Тази технология ефективно се справя с високи-температурни натоварвания и е един от основните методи за метализация за среден-до-висок-енергийни модули, особено подходящ за керамика с висока топлопроводимост, като например метализирани AlN структури.

5. С-запалване (HTCC/LTCC)

HTCC и LTCC образуват интегрирана структура чрез съвместно-изпичане на множество слоеве керамика с вътрешно окабеляване, което ги прави важни технологии за много-слойни керамични опаковки. Приложенията на HTCC са намалени поради високата му температура, докато LTCC се използва широко във високо-честотни, високо-скоростни комуникационни и автомобилни електронни модули поради ниските си диелектрични загуби и възможността за постигане на много-слойно окабеляване.

6. Химическо метализиране

Химическото покритие отлага метален слой чрез процес на химическа редукция без прилагане на ток, което го прави ефективно за метализиран алуминий със сложна{0}}форма и неправилни алуминиеви керамични структури за обработка. Неговата сила на свързване зависи от грапавостта на повърхността, което го прави подходящ за локализирана метализация или изисквания за опаковане с висока-плътност.

7. Лазерна метализация

Лазерното нагряване причинява термично разлагане на повърхността на AlN, образувайки директно проводим метален слой. Този метод се характеризира с прост процес, ниска цена и висока ефективност, което го прави подходящ за бързо производство на метализация на някои енергийни устройства.

1. DC релета за високо-напрежение

Вакуумните релета, използващи метализирана керамика, постигат превключване без{0}}дъга при високо напрежение чрез керамична изолационна структура, което значително подобрява надеждността и безопасността. Те играят решаваща роля за предотвратяване на топлинно изтичане, причинено от електрически дъги. Керамичната структура на корпуса е незаменима за поддържане на изолацията, контролиране на електрически дъги и устойчивост на електрически удари.

2. IGBT и SiC MOSFET захранващи модули

Керамичните медни -субстрати (DBC/AMB) се считат за основен материал за главните задвижващи инвертори на нови енергийни превозни средства поради тяхната висока изолация, високо разсейване на топлината, силни механични свойства и отлично съответствие на топлинното разширение. AMB, по-специално, превъзхожда силата на свързване и надеждността на металния слой и керамичния интерфейс и се превърна в основен подход за много високо-модули за захранване.

3. LED опаковки и автомобилно осветление

По-голямата част от енергията в светодиодните чипове се преобразува в топлина, което прави керамичния субстрат с висока топлопроводимост, като например AlN, идеални материали за разсейване на топлината за светодиоди с висока -яркост и ултравиолетови лъчи. С непрекъснатото нарастване на мощността на автомобилните осветителни системи, метализираната керамика бързо навлиза в високо-мощните LED модули.

Въпреки че има различни методи за метализиране, остават разлики между различните процеси по отношение на разходите, силата на свързване, стабилността на производството и-възможностите за широкомащабно производство. Как да се изгради здрав и здрав метален слой върху керамика с висока топлопроводимост и да се осигури дългосрочна-надеждност по време на цикъл на висока и ниска температура е ключова посока за бъдещи-задълбочени изследвания на технологията за керамична метализация.

Висока плътност на мощността, изчислителни платформи за автономно шофиране и непрекъснати надстройки на системи за електрическо задвижване ще задвижватметализирана керамика, метализирана алуминиева керамика, керамични опаковки и прецизна обработка на алуминиева керамика в по-широк спектър от приложения.