Công nghệ kim loại hóa gặp gỡ gốm: Nâng cấp mới về tản nhiệt cho phương tiện sử dụng năng lượng mới

Được thúc đẩy bởi xu hướng “bốn hiện đại hóa mới”, mật độ chức năng của hệ thống điện tử trên các phương tiện sử dụng năng lượng mới không ngừng tăng lên, dẫn đến mức tiêu thụ điện năng của chip bán dẫn cũng tăng tương ứng. Trọng lượng nhẹ và khả năng tích hợp cao đang trở thành chủ đề chính của phát triển công nghiệp, trong khi tản nhiệt đang dần trở thành một trong những nút thắt chính ảnh hưởng đến độ ổn định và tuổi thọ của các thiết bị điện tử.

Trong bối cảnh đó, vật liệu gốm với tính dẫn nhiệt, cách nhiệt và độ tin cậy cao đang dần đi đầu và tích hợp sâu với công nghệ kim loại hóa gốm, trở thành vật liệu cơ bản quan trọng trong các giải pháp quản lý nhiệt cho phương tiện sử dụng năng lượng mới.

Gốm sứ đã trở thành vật liệu đóng gói quan trọng cho các thiết bị điện nhờ sự kết hợp giữa tính dẫn nhiệt cao, tổn thất điện môi thấp, cách nhiệt tốt, khả năng chịu nhiệt cao và hệ số giãn nở nhiệt rất phù hợp với chip. Những đặc tính này làm cho gốm kim loại, alumin kim loại và gốm alumin kim loại trở thành vật liệu cấu trúc quan trọng cho các thiết bị điện tử công suất cao-hiện nay.

Trong số đó, các thành phần gốm alumina như AlN và Al₂O₃, do tính chất vật lý ổn định nên được sử dụng rộng rãi trong các mô-đun điện, bao bì đèn LED, rơle và mô-đun điện của phương tiện năng lượng mới. Với sự cải tiến liên tục về hiệu suất giao diện giữa các lớp gốm và kim loại, tốc độ thâm nhập của gốm kim loại vào khả năng tản nhiệt của xe điện tiếp tục tăng.

Mặc dù gốm sứ có đặc tính cách nhiệt và cách nhiệt tuyệt vời nhưng chúng không dẫn điện. Để đạt được chức năng của mạch, việc kim loại hóa gốm là cần thiết. Lớp kim loại hóa không chỉ phải có độ dẫn điện tốt mà còn phải được liên kết chắc chắn với gốm, chịu được các điều kiện phức tạp như chu kỳ nhiệt độ, ứng suất cơ học và mang điện tích lâu dài.

Lý do cơ bản khiến gốm và kim loại khó liên kết trực tiếp là sự khác biệt đáng kể về tính chất hóa học, hệ số giãn nở nhiệt và khả năng thấm ướt của chúng. Do đó, quá trình chuyển đổi gốm-thành-kim loại thường yêu cầu xây dựng cấu trúc bề mặt ổn định thông qua các phản ứng luyện kim, điều chế bề mặt hoặc kim loại hóa các màng mỏng.

Hiện nay, kim loại hóa gốm chủ yếu rơi vào hai loại chính:

1. Công nghệ kim loại hóa liên kết trạng thái rắn-

Chúng bao gồm liên kết đồng trực tiếp (DBC), liên kết nhôm trực tiếp và phương pháp màng dày. Các phương pháp này cố gắng đạt được liên kết trạng thái rắn-trực tiếp giữa gốm sứ và kim loại, nhưng loại kim loại có thể phản ứng trực tiếp với gốm sứ còn hạn chế và chúng thường yêu cầu các điều kiện khắc nghiệt như nhiệt độ cao và chân không. Trong sản xuất thực tế, thường cần thêm vật liệu điều hòa giao diện để đạt được liên kết ổn định.

2. Lớp chuyển tiếp kim loại hóa màng-mỏng

Thông qua quá trình phún xạ, bay hơi và mạ điện phân, các màng mỏng kim loại hóa được hình thành trên bề mặt gốm để cải thiện khả năng thấm ướt và cấu trúc giao diện, chuẩn bị cho quá trình lắng đọng và hàn lớp kim loại tiếp theo. Loại phương pháp này được sử dụng rộng rãi trong các thành phần gốm kim loại, gốm alumina kim loại và bao bì bằng gốm, đồng thời đặc biệt phù hợp với các mô-đun điện tử có độ chính xác và độ tin cậy cao.

1. Kim loại hóa màng dày (TPC)

Công nghệ màng-dày sử dụng phương pháp in lụa bằng chất dán dẫn điện và nung kết ở nhiệt độ-cao để tạo thành màng. Quá trình này đơn giản và có thể áp dụng cho nhiều loại vật liệu gốm kim loại. Tuy nhiên, đường dẫn dây bị giới hạn bởi độ chính xác của lưới thép, khiến nó phù hợp với các thiết bị có kích thước lớn{4}}với yêu cầu công suất trung bình nhưng ít thích ứng hơn với bao bì gốm sứ có độ chính xác cao hoặc gia công gốm alumina tinh xảo.

2. Kim loại hóa màng mỏng (TFC)

Bằng cách sử dụng các kỹ thuật lắng đọng hơi như phún xạ chân không và bay hơi, một màng kim loại có mật độ-cao sẽ được hình thành trên bề mặt gốm. Nó có độ bám dính cao, độ che phủ tốt và có thể được sử dụng để dán các màng bằng vật liệu kim loại khác nhau. Quá trình kim loại hóa màng mỏng đặc biệt thích hợp cho các mạch tích hợp mật độ-cao, cấu trúc chì chính xác và gốm kim loại có độ tin cậy-cao, nhưng chi phí cao, đòi hỏi các quy trình phức tạp tiếp theo như quang khắc và khắc.

3. Cán đồng trực tiếp (DBC)

DBC liên quan đến phản ứng của lá đồng với gốm ở nhiệt độ cao để tạo thành liên kết bền, tạo ra lớp kim loại có tính dẫn nhiệt cao và độ bám dính mạnh. Ưu điểm của nó bao gồm tính dẫn nhiệt tốt, cách nhiệt mạnh và tính chất cơ học vượt trội, khiến nó được sử dụng rộng rãi trong các mô-đun điện và hệ thống truyền động xe điện. Tuy nhiên, lá đồng tương đối dày sẽ hạn chế độ chính xác của quá trình ăn mòn hóa học tiếp theo, hạn chế việc chế tạo các mạch điện siêu mịn.

4. Hàn kim loại hoạt động (AMB)

AMB đạt được liên kết cường độ-cao giữa lớp kim loại và gốm bằng cách cho chất hàn có chứa các phần tử hoạt tính phản ứng với gốm để tạo thành bề mặt có thể thấm ướt. Công nghệ này xử lý hiệu quả ứng suất nhiệt độ-cao và là một trong những phương pháp kim loại hóa chủ đạo dành cho các mô-đun nguồn từ trung-đến{4}}cao cấp{5}}, đặc biệt phù hợp với gốm có tính dẫn nhiệt cao như cấu trúc AlN kim ​​loại hóa.

5. Đồng{1}}kích hoạt (HTCC/LTCC)

HTCC và LTCC tạo thành một cấu trúc tích hợp bằng cách-nung nhiều lớp gốm với hệ thống dây điện bên trong, biến chúng thành những công nghệ quan trọng cho bao bì gốm nhiều{1}}lớp. Các ứng dụng của HTCC bị giảm bớt do nhiệt độ cao, trong khi LTCC được sử dụng rộng rãi trong các mô-đun điện tử ô tô và-tần số cao,{4}}giao tiếp tốc độ cao{4}} do tổn thất điện môi thấp và khả năng đi dây nhiều{5}}lớp.

6. Mạ kim loại hóa học

Mạ hóa học tạo ra lớp kim loại thông qua quy trình khử hóa học mà không cần dòng điện tác dụng, mang lại hiệu quả cho các cấu trúc gia công nhôm kim loại có hình dạng phức tạp và nhôm gốm không đều. Độ bền liên kết của nó phụ thuộc vào độ nhám bề mặt, khiến nó phù hợp với yêu cầu đóng gói mật độ-mật độ cao hoặc kim loại hóa cục bộ.

7. Kim loại hóa bằng laser

Gia nhiệt bằng laser gây ra sự phân hủy nhiệt của bề mặt AlN, trực tiếp tạo thành lớp kim loại dẫn điện. Phương pháp này được đặc trưng bởi quy trình đơn giản, chi phí thấp và hiệu quả cao, khiến nó phù hợp cho việc sản xuất kim loại hóa nhanh chóng của một số thiết bị điện.

1. Rơ-le DC điện áp cao-

Rơle chân không sử dụng gốm kim loại có khả năng chuyển mạch không có hồ quang-dưới điện áp cao thông qua cấu trúc cách điện bằng gốm, cải thiện đáng kể độ tin cậy và an toàn. Chúng đóng vai trò quan trọng trong việc ngăn chặn sự thoát nhiệt do hồ quang điện gây ra. Cấu trúc vỏ gốm không thể thay thế trong việc duy trì khả năng cách nhiệt, kiểm soát hồ quang điện và chống lại các cú sốc điện.

2. Mô-đun nguồn IGBT và SiC MOSFET

Chất nền phủ gốm đồng- (DBC/AMB) được coi là vật liệu cốt lõi cho bộ biến tần truyền động chính của phương tiện sử dụng năng lượng mới do có khả năng cách nhiệt cao, khả năng tản nhiệt cao, đặc tính cơ học mạnh mẽ và khả năng kết hợp giãn nở nhiệt tuyệt vời. Đặc biệt, AMB vượt trội về độ bền liên kết và độ tin cậy của lớp kim loại và bề mặt gốm, đồng thời đã trở thành phương pháp tiếp cận phổ biến cho nhiều mô-đun nguồn hiệu suất cao.

3. Bao bì LED và chiếu sáng ô tô

Hầu hết năng lượng trong chip LED được chuyển đổi thành nhiệt, tạo ra chất nền gốm có tính dẫn nhiệt cao, chẳng hạn như AlN, vật liệu tản nhiệt lý tưởng cho đèn LED có độ sáng cao và tia cực tím. Với sự gia tăng liên tục về công suất của hệ thống chiếu sáng ô tô, gốm kim loại đang nhanh chóng thâm nhập vào các mô-đun đèn LED công suất cao-.

Mặc dù có nhiều phương pháp kim loại hóa khác nhau, nhưng giữa các quy trình khác nhau vẫn có sự khác biệt về chi phí, độ bền liên kết, độ ổn định trong sản xuất và-khả năng sản xuất quy mô lớn. Cách tạo ra lớp kim loại bền và chắc trên gốm có tính dẫn nhiệt cao cũng như đảm bảo độ tin cậy lâu dài-trong quá trình đạp xe ở nhiệt độ cao và thấp là hướng đi chính cho nghiên cứu chuyên sâu trong tương lai về-công nghệ kim loại hóa gốm.

Mật độ năng lượng cao, nền tảng điện toán lái xe tự động và nâng cấp liên tục cho hệ thống truyền động điện sẽ thúc đẩygốm kim loại, gốm alumina kim loại hóa, bao bì gốm sứ và gia công gốm alumina chính xác vào nhiều ứng dụng hơn.