קרמיקה פגשו את טכנולוגיית המתכות: שדרוג חדש בפיזור חום עבור רכבי אנרגיה חדשים

מונעת על ידי מגמת "ארבעת המודרניזציות החדשות", הצפיפות התפקודית של מערכות אלקטרוניות ברכבי אנרגיה חדשים עולה כל הזמן, מה שמוביל לעלייה מקבילה בצריכת החשמל של שבבי מוליכים למחצה. קל משקל ואינטגרציה גבוהה הופכים לנושאים העיקריים של פיתוח תעשייתי, בעוד פיזור חום הופך בהדרגה לאחד מצווארי הבקבוק המרכזיים המשפיעים על היציבות ותוחלת החיים של מכשירים אלקטרוניים.

על רקע זה, חומרים קרמיים, עם המוליכות התרמית הגבוהה, הבידוד והאמינות הגבוהה שלהם, מגיעים בהדרגה לקדמת הבמה ומשתלבים עמוקות עם טכנולוגיית המתכת הקרמית, והופכים לחומר בסיסי חשוב בפתרונות הניהול התרמי עבור רכבי אנרגיה חדשים.

קרמיקה הפכה לחומר אריזה חשוב עבור מכשירי חשמל בשל השילוב שלהם בין מוליכות תרמית גבוהה, הפסד דיאלקטרי נמוך, בידוד טוב, עמידות גבוהה בחום ומקדם התפשטות תרמית התואם באופן הדוק לשבב. מאפיינים אלה הופכים קרמיקה מתכתית, אלומינה מתכתית וקרמיקה מאלומינה מתכתית לחומרי מבנה חשובים עבור מכשירים אלקטרוניים-בהספקים נוכחיים.

ביניהם, רכיבים קרמיים מאלומינה כגון AlN ו- Al₂O₃, בשל תכונותיהם הפיזיקליות היציבות, נמצאים בשימוש נרחב במודולי כוח, אריזות LED, ממסרים ומודולי כוח של רכבי אנרגיה חדשים. עם השיפור המתמיד של ביצועי הממשק בין שכבות קרמיקה ומתכת, קצב החדירה של קרמיקה מתכתית בפיזור חום של רכב חשמלי ממשיך לעלות.

בעוד שלקרמיקה יש בידוד ותכונות תרמיות מצוינות, הן אינן מוליכות. כדי להשיג פונקציונליות של מעגלים, יש צורך במתכת קרמית. שכבת המתכת חייבת לא רק להיות בעלת מוליכות טובה, אלא גם להיות מחוברת היטב לקרמיקה, לעמוד בתנאים מורכבים כגון מחזורי טמפרטורה, מתח מכני ונשיאת מטען לטווח ארוך-.

הסיבה הבסיסית לכך שקשה לקשר קרמיקה ומתכות באופן ישיר היא ההבדל המשמעותי בתכונות הכימיות שלהם, במקדמי ההתפשטות התרמית והרטיבות שלהם. לכן, תהליך ההמרה מקרמיקה-ל-מתכת דורש בדרך כלל בנייה של מבנה ממשק יציב באמצעות תגובות מתכות, אפנון ממשק או מתכת של סרטים דקים.

נכון לעכשיו, מתכת קרמיקה מתחלקת בעיקר לשתי קטגוריות עיקריות:

1. טכנולוגיות מתכת-מצב מוצק

אלה כוללים הדבקת נחושת ישירה (DBC), הדבקה ישירה של אלומיניום ושיטות-עבה. שיטות אלו מנסות להשיג קשר ישיר במצב מוצק- בין קרמיקה למתכות, אך סוגי המתכות שיכולות להגיב ישירות עם קרמיקה מוגבלים, והן דורשות בדרך כלל תנאים קשים כגון טמפרטורה גבוהה ואקום. בייצור בפועל, לעתים קרובות יש צורך בחומרי מיזוג נוספים בממשק כדי להשיג הדבקה יציבה.

2. שכבות מעבר של מתכת סרטים-דקים

באמצעות קיצוץ, אידוי וציפוי ללא חשמל, נוצרים סרטים דקים מתכתיים על פני השטח הקרמיים כדי לשפר את הרטיבות ומבנה הממשק, תוך הכנה להנחת שכבת מתכת ולריתוך הבאים. סוג זה של שיטה נמצא בשימוש נרחב ברכיבים קרמיים מתכתיים, קרמיקה מאלומינה מתכתית ואריזות קרמיות, והיא מתאימה במיוחד לאמינות גבוהה ודיוק של מודולים אלקטרוניים.

1. מתכת סרטים-עבים (TPC)

טכנולוגיית הסרט עבה- משתמשת בהדפסת מסך של משחה מוליכה וסינטר-בטמפרטורה גבוהה כדי ליצור סרט. התהליך פשוט וישים למגוון חומרים קרמיים מתכתיים. עם זאת, נתיב התיל מוגבל על ידי הדיוק של רשת התיל, מה שהופך אותו למתאים למכשירים גדולים בגודל- עם דרישות הספק בינוני, אך פחות מתאים לאריזה קרמית דיוק גבוהה- או עיבוד עיבוד קרמי אלומינה עדין.

2. מתכת סרט דק (TFC)

תוך ניצול טכניקות של שקיעת אדים כגון התזת ואקום ואידוי, נוצר סרט מתכת בצפיפות- גבוהה על פני השטח הקרמיים. הוא מתהדר בהדבקה חזקה, כיסוי טוב וניתן להשתמש בו להנחת סרטים מחומרי מתכת שונים. מתכת סרט דק מתאים במיוחד למעגלים משולבים בצפיפות- גבוהה, למבני עופרת מדויקים ולקרמיקה מתכתית-באמינות גבוהה, אך העלות שלו גבוהה, ומצריכה תהליכים עדינים לאחר מכן כגון פוטוליתוגרפיה ותחריט.

3. למינציה ישירה של נחושת (DBC)

DBC כולל תגובה של רדיד נחושת עם קרמיקה בטמפרטורות גבוהות ליצירת קשר חזק, יצירת שכבת מתכת עם מוליכות תרמית גבוהה והדבקה חזקה. היתרונות שלו כוללים מוליכות תרמית טובה, בידוד חזק ותכונות מכניות מעולות, מה שהופך אותו לשימוש נרחב במודולי כוח ומערכות הנעה של רכב חשמלי. עם זאת, רדיד הנחושת העבה יחסית מגביל את הדיוק של תחריט כימי שלאחר מכן, ומגביל את ייצור מעגלים עדינים במיוחד.-

4. הלחמת מתכת פעילה (AMB)

AMB משיגה קשר חוזק- גבוה בין שכבת המתכת והקרמיקה על ידי תגובה של הלחמה המכילה אלמנטים פעילים עם הקרמיקה ליצירת ממשק שניתן להרטב. טכנולוגיה זו מטפלת ביעילות בלחץ-בטמפרטורה גבוהה והיא אחת משיטות המתכת המיינסטרים עבור מודולי הספק בינוני-עד-גבוהים-, מתאימה במיוחד לקרמיקה עם מוליכות תרמית גבוהה כגון מבני AlN מתכתיים.

5. ירי-משותף (HTCC/LTCC)

HTCC ו-LTCC יוצרות מבנה משולב על ידי-שריפה משותפת של שכבות קרמיקה מרובות עם חיווט פנימי, מה שהופך אותן לטכנולוגיות חשובות עבור אריזות קרמיקה מרובות-שכבות. יישומי HTCC מופחתים בשל הטמפרטורה הגבוהה שלו, בעוד ש-LTCC נמצא בשימוש נרחב בתקשורת-תדר גבוהה,-גבוהה ובמודולים אלקטרוניים לרכב, בשל ההפסד הדיאלקטרי הנמוך שלו והיכולת להשיג חיווט רב-שכבתי.

6. מתכת ציפוי כימי

ציפוי כימי מפקיד שכבת מתכת באמצעות תהליך הפחתה כימי ללא זרם מופעל, מה שהופך אותו ליעיל עבור אלומיניום מתכת מורכב בצורת-מבני עיבוד קרמי אלומיניום לא סדיר. חוזק הקשר שלו תלוי בחספוס פני השטח, מה שהופך אותו למתאים לדרישות אריזה מתכת מקומית או- בצפיפות גבוהה.

7. מתכת לייזר

חימום בלייזר גורם לפירוק תרמי של משטח AlN, ויוצר ישירות שכבת מתכת מוליכה. שיטה זו מאופיינת בתהליך הפשוט שלה, בעלות נמוכה וביעילות גבוהה, מה שהופך אותה למתאימה לייצור מתכת מהיר של חלק מהתקני החשמל.

1. ממסרי DC גבוהים-

ממסרי ואקום המשתמשים בקרמיקה מתכתית משיגים מיתוג -ללא קשת תחת מתח גבוה באמצעות מבנה בידוד קרמי, מה שמשפר משמעותית את האמינות והבטיחות. הם ממלאים תפקיד מכריע במניעת בריחת תרמית הנגרמת על ידי קשתות חשמליות. למבנה הקרמיקה אין תחליף בשמירה על בידוד, שליטה בקשתות חשמליות ועמידה בפני זעזועים חשמליים.

2. מודולי כוח IGBT ו-SiC MOSFET

מצעי נחושת-קרמיים (DBC/AMB) נחשבים לחומר ליבה עבור ממירי ההנעה הראשיים של רכבי אנרגיה חדשים, בשל הבידוד הגבוה שלהם, פיזור החום הגבוה, התכונות המכניות החזקות והתאמת ההתפשטות התרמית המצוינת שלהם. AMB, בפרט, מצטיינת בחוזק החיבור ובאמינות של שכבת המתכת והממשק הקרמי, והפכה לגישה המרכזית עבור מודולי כוח רבים-בעלי ביצועים גבוהים.

3. אריזות LED ותאורת רכב

רוב האנרגיה שבשבבי LED מומרת לחום, מה שהופך מצע קרמי עם מוליכות תרמית גבוהה, כגון AlN, חומרים אידיאליים לפיזור חום עבור בהירות- גבוהה ונוריות LED אולטרה סגולות. עם הגידול המתמשך בעוצמתן של מערכות תאורה לרכב, קרמיקה מתכתית חודרת במהירות למודולי LED עם הספק גבוה-.

למרות שקיימות שיטות מתכת שונות, נותרו הבדלים בין תהליכים שונים מבחינת עלות, חוזק מליטה, יציבות ייצור ויכולות ייצור בקנה מידה גדול-. כיצד לבנות שכבת מתכת חזקה וקשוחה על קרמיקה עם מוליכות תרמית גבוהה ולהבטיח אמינות-לטווח ארוך במהלך רכיבה על אופניים בטמפרטורה גבוהה ונמוכה היא כיוון מפתח למחקר מעמיק-עתידי בטכנולוגיית מתכת קרמית.

צפיפות הספק גבוהה, פלטפורמות מחשוב לנהיגה אוטונומית ושדרוגים מתמשכים למערכות הנעה חשמליות יניעו כולםקרמיקה מתכתית, קרמיקה אלומינה מתכתית, אריזות קרמיקה ועיבוד קרמי אלומינה מדויק למגוון רחב יותר של יישומים.