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特种陶瓷覆铜基板:身披“黄铜甲”的特种兵
2020年03月26日 发布 分类:粉体应用技术 点击量:61
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现代化战争中,特种部队作为各国军事力量中最神秘、最精锐的组成部分,在战场上发挥着越来越重要的作用,有时候甚至能兵出诡道,反败为胜。特种部队中,既有单兵作战能力极其彪悍的“全能型”特种兵,也有执行某一类型特殊任务的特种兵,如爆破兵、空降兵、破译兵等。在特种陶瓷部队中,就有一批专注于大功率、大电流任务的“特种兵”——特种陶瓷覆铜基板。

 

特种兵

作为军用功率器件和民用电力电子器件(如高铁“核芯”IGBT等)封装领域的特种兵,特种陶瓷覆铜基板满身尽披“黄铜甲”,一心只载大电流。“黄铜甲”——铜箔具有极高的载流能力和散热能力,适合用作大功率器件封装基板的导体。而特种陶瓷由于耐高压能力强,被用作封装基板的载体。氧化铝陶瓷、氮化铝陶瓷、氮化硅陶瓷是特种陶瓷覆铜基板中最常见的三类“特种兵”。

 

特种陶瓷覆铜基板

1 “特种兵”身体素质大比武

特种部队中,每位特种兵虽然已是精英中的精英,但身体素质仍存在差别。对于特种陶瓷而言,亦是如此。氧化铝陶瓷的强度和韧性属中等水平,但热导率太低,导致氧化铝陶瓷覆铜基板散热能力差;氮化铝陶瓷的热导率属一流水平,奈何其强度和韧性过低,致使氮化铝陶瓷覆铜基板可靠性偏低;氮化硅陶瓷的强度和韧性水平绝佳,热导率适中,大有“勇冠三军”之势。

特种陶瓷性能对比

特种陶瓷

氧化铝

氮化铝

氮化硅

强度MPa

400

350

800

断裂韧性MPa·m1/2

3.3

2.7

6.5

热导率W(m·K)-1

20

170

85

热膨胀系数ppm·K-1

7.6

4.7

2.6

 

2 “黄铜甲”穿戴方式大比拼

氧化铝、氮化铝和氮化硅三类特种兵之所以能在大功率、大电流的恶劣环境中畅行无阻,全依赖于身披“黄铜甲”——铜箔。“黄铜甲”穿戴方式的好坏,直接决定特种陶瓷覆铜基板的可靠性。这里介绍两种陶瓷覆铜方式——DBC工艺和AMB工艺。

DBC与AMB覆铜工艺对比

覆铜工艺

DBC工艺

AMB工艺

机理

利用氧降低铜熔点,使铜的含氧共晶液融化沾湿陶瓷

利用焊料中的活性成分与陶瓷反应生成界面反应层

特点

多用于氧化物陶瓷;氮化物陶瓷应用时,表面需形成氧化层

陶瓷与铜之间存在焊料层

对比

与DBC相比,AMB的焊料层增加了热阻,但具有更的热稳定性和可靠性

 

3 特种陶瓷覆铜基板的应用

特种陶瓷覆铜基板已经在高铁、汽车电子、工业电子、通讯、军事、航空航天等领域得到广泛应用。

高铁的IGBT器件是功率变流装置的核芯,在电力电子行业里的地位举足轻重,功率大、耗能高;而特种陶瓷覆铜基板具备优异的载流能力、耐压能力和散热能力,完全可以满足其应用需求。

 

IGBT用陶瓷覆铜基板(图片来源:金瑞欣)

航空航天用热电制冷器是利用Peltier效应来制冷的,速度快且无污染。其结构如图所示:在上、下两个对立的陶瓷覆铜板中间,多个p-n结通过刻蚀的铜箔导体串联在一起,在电流作用下将热流从覆铜板的一侧抽离到另一侧,达到制冷效果。

 

粉体圈 作者王京


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