تقنية تعدين السيراميك: ترقية جديدة في تبديد الحرارة لمركبات الطاقة الجديدة

مدفوعة باتجاه "التحديثات الأربعة الجديدة"، تتزايد الكثافة الوظيفية للأنظمة الإلكترونية في مركبات الطاقة الجديدة باستمرار، مما يؤدي إلى زيادة مقابلة في استهلاك الطاقة لرقائق أشباه الموصلات. أصبح الوزن الخفيف والتكامل العالي الموضوعين الرئيسيين للتنمية الصناعية، في حين أصبح تبديد الحرارة تدريجيًا أحد الاختناقات الرئيسية التي تؤثر على استقرار الأجهزة الإلكترونية وعمرها الافتراضي.

على هذه الخلفية، فإن المواد الخزفية، ذات الموصلية الحرارية العالية والعزل والموثوقية العالية، تأتي تدريجيًا إلى المقدمة وتتكامل بعمق مع تكنولوجيا تعدين السيراميك، لتصبح مادة أساسية مهمة في حلول الإدارة الحرارية لمركبات الطاقة الجديدة.

أصبح السيراميك مادة تعبئة مهمة لأجهزة الطاقة بسبب مزيجه من الموصلية الحرارية العالية، وفقدان العزل الكهربائي المنخفض، والعزل الجيد، والمقاومة العالية للحرارة، ومعامل التمدد الحراري الذي يتطابق بشكل وثيق مع الشريحة. هذه الخصائص تجعل السيراميك المعدني، والألومينا المعدنية، وسيراميك الألومينا المعدنية مواد هيكلية مهمة للأجهزة الإلكترونية الحالية عالية الطاقة-.

من بينها، تستخدم مكونات سيراميك الألومينا مثل AlN وAl₂O₃، نظرًا لخصائصها الفيزيائية المستقرة، على نطاق واسع في وحدات الطاقة، وتغليف LED، والمرحلات، ووحدات الطاقة لمركبات الطاقة الجديدة. مع التحسين المستمر لأداء الواجهة بين طبقات السيراميك والمعدن، يستمر معدل تغلغل السيراميك المعدني في تبديد حرارة السيارة الكهربائية في الزيادة.

على الرغم من أن السيراميك يتمتع بخصائص عزل وحرارة ممتازة، إلا أنه غير موصل للكهرباء. لتحقيق وظيفة الدائرة، من الضروري تعدين السيراميك. لا يجب أن تتمتع طبقة المعدنة بموصلية جيدة فحسب، بل يجب أيضًا أن تكون مرتبطة بقوة بالسيراميك، وتتحمل الظروف المعقدة مثل دورة درجة الحرارة، والضغط الميكانيكي، وحمل الشحنة على المدى الطويل-.

السبب الأساسي وراء صعوبة ربط السيراميك والمعادن بشكل مباشر هو الاختلاف الكبير في خواصها الكيميائية، ومعاملات التمدد الحراري، وقابلية التبلل. لذلك، تتطلب عملية تحويل السيراميك-إلى-معدن عادةً إنشاء بنية واجهة مستقرة من خلال التفاعلات المعدنية، أو تعديل الواجهة، أو تعدين الأغشية الرقيقة.

حاليًا، تنقسم تعدين السيراميك بشكل أساسي إلى فئتين رئيسيتين:

1. تقنيات تعدين الحالة الصلبة-المعدنة

وتشمل هذه طرق الربط المباشر بالنحاس (DBC)، والربط المباشر بالألمنيوم، وطرق الأغشية السميكة. تحاول هذه الطرق تحقيق رابطة مباشرة صلبة- بين السيراميك والمعادن، ولكن أنواع المعادن التي يمكن أن تتفاعل بشكل مباشر مع السيراميك محدودة، وتتطلب عادةً ظروفًا قاسية مثل درجة الحرارة العالية والفراغ. في الإنتاج الفعلي، غالبًا ما تكون هناك حاجة إلى مواد تكييف واجهة إضافية لتحقيق ترابط مستقر.

2. -طبقات انتقالية رقيقة من معدنة الأغشية

من خلال الرش والتبخر والطلاء اللاكهربائي، يتم تشكيل أغشية رقيقة معدنية على سطح السيراميك لتحسين قابلية البلل وبنية الواجهة، والتحضير لترسيب الطبقة المعدنية اللاحقة واللحام. يُستخدم هذا النوع من الأساليب على نطاق واسع في مكونات السيراميك الممعدنة، وسيراميك الألومينا الممعدنة، والتغليف الخزفي، وهو مناسب بشكل خاص للوحدات الإلكترونية ذات الموثوقية العالية والدقة.

1. تعدين الأغشية السميكة - (TPC)

تستخدم تقنية الأغشية السميكة- طباعة الشاشة لمعجون موصل وتلبد بدرجة حرارة عالية-لتكوين فيلم. العملية بسيطة وقابلة للتطبيق على مجموعة متنوعة من المواد الخزفية المعدنية. ومع ذلك، فإن مسار السلك محدود بدقة الشبكة السلكية، مما يجعلها مناسبة للأجهزة الكبيرة الحجم- ذات متطلبات الطاقة المتوسطة، ولكنها أقل قابلية للتكيف مع التغليف الخزفي عالي الدقة- أو الآلات الدقيقة لسيراميك الألومينا.

2. تعدين الأغشية الرقيقة (TFC)

باستخدام تقنيات ترسيب البخار مثل الرش الفراغي والتبخر، يتم تشكيل طبقة معدنية عالية الكثافة- على سطح السيراميك. إنه يتميز بالالتصاق القوي، التغطية الجيدة، ويمكن استخدامه لترسيب الأفلام من المواد المعدنية المختلفة. تعتبر تعدين الأغشية الرقيقة مناسبة بشكل خاص للدوائر المتكاملة عالية الكثافة-، وهياكل الرصاص الدقيقة، والسيراميك المعدني عالي الموثوقية-، إلا أن تكلفتها مرتفعة، وتتطلب عمليات دقيقة لاحقة مثل الطباعة الحجرية الضوئية والحفر.

3. التصفيح المباشر للنحاس (DBC)

يتضمن DBC تفاعل رقائق النحاس مع السيراميك عند درجات حرارة عالية لتكوين رابطة قوية، وإنشاء طبقة معدنية ذات موصلية حرارية عالية والتصاق قوي. وتشمل مزاياه التوصيل الحراري الجيد، والعزل القوي، والخصائص الميكانيكية الفائقة، مما يجعله مستخدمًا على نطاق واسع في وحدات الطاقة وأنظمة قيادة المركبات الكهربائية. ومع ذلك، فإن رقائق النحاس السميكة نسبيًا تحد من دقة الحفر الكيميائي اللاحق، مما يحد من تصنيع دوائر - فائقة الدقة.

4. اللحام المعدني النشط (AMB)

تحقق AMB رابطة قوية- بين الطبقة المعدنية والسيراميك من خلال تفاعل لحام يحتوي على عناصر نشطة مع السيراميك لتكوين واجهة قابلة للبلل. تتعامل هذه التقنية بشكل فعال مع الضغط الناتج عن درجات الحرارة العالية-وهي إحدى طرق المعدنة السائدة لوحدات الطاقة المتوسطة-إلى-المرتفعة-، وهي مناسبة بشكل خاص للسيراميك عالي التوصيل الحراري مثل هياكل AlN المعدنية.

5. إطلاق النار المشترك (HTCC/LTCC)

تشكل كل من HTCC وLTCC بنية متكاملة من خلال -حرق طبقات متعددة من السيراميك مع الأسلاك الداخلية، مما يجعلها تقنيات مهمة للتغليف الخزفي متعدد الطبقات-. يتم تقليل تطبيقات HTCC بسبب ارتفاع درجة حرارتها، بينما يتم استخدام LTCC على نطاق واسع في الترددات العالية-والاتصالات عالية السرعة-والوحدات الإلكترونية للسيارات نظرًا لفقدان العزل الكهربائي المنخفض وقدرته على تحقيق أسلاك متعددة-طبقات.

6. تعدين الطلاء الكيميائي

يعمل الطلاء الكيميائي على ترسيب طبقة معدنية من خلال عملية اختزال كيميائي بدون تيار مطبق، مما يجعله فعالاً في -هياكل تصنيع الألومنيوم المعدني المعقدة وهياكل تصنيع سيراميك الألومنيوم غير المنتظمة. تعتمد قوة الرابطة على خشونة السطح، مما يجعلها مناسبة للتعدين الموضعي أو متطلبات التعبئة والتغليف ذات الكثافة العالية-.

7. تعدين الليزر

يؤدي التسخين بالليزر إلى التحلل الحراري لسطح AlN، مما يشكل مباشرة طبقة معدنية موصلة. وتتميز هذه الطريقة بعمليتها البسيطة، وتكلفتها المنخفضة، وكفاءتها العالية، مما يجعلها مناسبة لإنتاج المعدنة السريعة لبعض أجهزة الطاقة.

1. مرحلات -الجهد العالي للتيار المستمر

تعمل مرحلات الفراغ التي تستخدم السيراميك المعدني على تحقيق التبديل الحر للقوس الكهربائي-في ظل الجهد العالي من خلال هيكل عازل من السيراميك، مما يؤدي إلى تحسين الموثوقية والسلامة بشكل كبير. إنها تلعب دورًا حاسمًا في منع الهروب الحراري الناتج عن الأقواس الكهربائية. هيكل السكن الخزفي لا يمكن الاستغناء عنه في الحفاظ على العزل والتحكم في الأقواس الكهربائية وتحمل الصدمات الكهربائية.

2. وحدات الطاقة IGBT وSiC MOSFET

تعتبر الركائز المغطاة بالنحاس الخزفي (DBC/AMB) مادة أساسية لمحولات التشغيل الرئيسية لمركبات الطاقة الجديدة نظرًا لعزلها العالي، وتبديد الحرارة العالي، وخصائصها الميكانيكية القوية، ومطابقة التمدد الحراري الممتازة. تتفوق شركة AMB، على وجه الخصوص، في قوة الترابط والموثوقية للطبقة المعدنية والواجهة الخزفية، وقد أصبحت النهج السائد للعديد من وحدات الطاقة-عالية الأداء.

3. التعبئة والتغليف LED وإضاءة السيارات

يتم تحويل معظم الطاقة الموجودة في شرائح LED إلى حرارة، مما يجعل الركيزة الخزفية ذات الموصلية الحرارية العالية، مثل AlN ، مواد مثالية لتبديد الحرارة -لمصابيح LED عالية السطوع والأشعة فوق البنفسجية. مع الزيادة المستمرة في قوة أنظمة إضاءة السيارات، يخترق السيراميك المعدني وحدات LED عالية الطاقة- بسرعة.

على الرغم من وجود طرق تعدين مختلفة، تظل هناك اختلافات بين العمليات المختلفة من حيث التكلفة، وقوة الترابط، واستقرار الإنتاج، وإمكانات التصنيع على نطاق واسع-. تعد كيفية إنشاء طبقة معدنية قوية وصلبة على سيراميك عالي التوصيل للحرارة وضمان الموثوقية على المدى الطويل- أثناء دورات درجات الحرارة العالية والمنخفضة، اتجاهًا رئيسيًا للأبحاث المستقبلية المتعمقة-في تكنولوجيا تعدين السيراميك.

كثافة الطاقة العالية، ومنصات حوسبة القيادة الذاتية، والترقيات المستمرة لأنظمة القيادة الكهربائية كلها ستقود السيارةالسيراميك المعدنيوسيراميك الألومينا المعدني، والتغليف الخزفي، وتصنيع سيراميك الألومينا الدقيق في نطاق أوسع من التطبيقات.