Keramik trifft auf Metallisierungstechnologie: Eine neue Verbesserung der Wärmeableitung für Fahrzeuge mit neuer Energie

Angetrieben durch den Trend der „neuen vier Modernisierungen“ nimmt die Funktionsdichte elektronischer Systeme in New-Energy-Fahrzeugen stetig zu, was zu einem entsprechenden Anstieg des Stromverbrauchs von Halbleiterchips führt. Leichtbau und hohe Integration werden zu den Hauptthemen der industriellen Entwicklung, während die Wärmeableitung nach und nach zu einem der größten Engpässe wird, die sich auf die Stabilität und Lebensdauer elektronischer Geräte auswirken.

Vor diesem Hintergrund rücken keramische Materialien mit ihrer hohen Wärmeleitfähigkeit, Isolierung und hohen Zuverlässigkeit allmählich in den Vordergrund und integrieren sich tief in die keramische Metallisierungstechnologie, wodurch sie zu einem wichtigen Grundmaterial für Wärmemanagementlösungen für Fahrzeuge mit neuer Energie werden.

Keramik ist aufgrund ihrer Kombination aus hoher Wärmeleitfähigkeit, geringem dielektrischem Verlust, guter Isolierung, hoher Hitzebeständigkeit und einem Wärmeausdehnungskoeffizienten, der dem Chip sehr nahe kommt, zu einem wichtigen Verpackungsmaterial für Leistungsgeräte geworden. Diese Eigenschaften machen metallisierte Keramik, metallisiertes Aluminiumoxid und metallisierte Aluminiumoxidkeramik zu wichtigen Strukturmaterialien für aktuelle elektronische Hochleistungsgeräte.

Unter ihnen werden Aluminiumoxid-Keramikkomponenten wie AlN und Al₂O₃ aufgrund ihrer stabilen physikalischen Eigenschaften häufig in Leistungsmodulen, LED-Gehäusen, Relais und Leistungsmodulen von Fahrzeugen mit neuer Energie verwendet. Mit der kontinuierlichen Verbesserung der Grenzflächenleistung zwischen Keramik- und Metallschichten steigt die Durchdringungsrate metallisierter Keramik bei der Wärmeableitung von Elektrofahrzeugen weiter an.

Obwohl Keramik hervorragende Isolier- und Wärmeeigenschaften besitzt, ist sie nicht leitfähig. Um die Funktionalität der Schaltung zu erreichen, ist eine keramische Metallisierung erforderlich. Die Metallisierungsschicht muss nicht nur eine gute Leitfähigkeit aufweisen, sondern auch fest mit der Keramik verbunden sein und komplexen Bedingungen wie Temperaturwechsel, mechanischer Beanspruchung und langfristigem Ladungstransport standhalten.

Der Hauptgrund dafür, dass es schwierig ist, Keramiken und Metalle direkt zu verbinden, ist der erhebliche Unterschied in ihren chemischen Eigenschaften, Wärmeausdehnungskoeffizienten und Benetzbarkeit. Daher erfordert der Keramik---zu---Umwandlungsprozess typischerweise den Aufbau einer stabilen Grenzflächenstruktur durch metallurgische Reaktionen, Grenzflächenmodulation oder Metallisierung dünner Filme.

Derzeit lässt sich die keramische Metallisierung hauptsächlich in zwei Hauptkategorien einteilen:

1. Festkörper-Bonding-Metallisierungstechnologien

Dazu gehören Direct Copper Bonding (DBC), Direct Aluminium Bonding und Dickschichtverfahren. Mit diesen Methoden wird versucht, eine direkte Festkörperbindung zwischen Keramik und Metallen zu erreichen. Die Arten von Metallen, die direkt mit Keramik reagieren können, sind jedoch begrenzt und erfordern typischerweise raue Bedingungen wie hohe Temperaturen und Vakuum. In der tatsächlichen Produktion werden oft zusätzliche Materialien zur Grenzflächenkonditionierung benötigt, um eine stabile Verbindung zu erreichen.

2. Dünnfilm-Metallisierungsübergangsschichten

Durch Sputtern, Verdampfen und stromloses Plattieren werden metallisierte Dünnfilme auf der Keramikoberfläche gebildet, um die Benetzbarkeit und Grenzflächenstruktur zu verbessern und die anschließende Metallschichtabscheidung und das Schweißen vorzubereiten. Diese Art von Methode wird häufig bei metallisierten Keramikkomponenten, metallisierten Aluminiumoxidkeramiken und Keramikverpackungen verwendet und eignet sich besonders für elektronische Module mit hoher -Zuverlässigkeit und Präzision.

1. Dickschichtmetallisierung (TPC)

Bei der Dickfilmtechnologie werden leitfähige Pasten im Siebdruckverfahren gedruckt und bei hoher Temperatur gesintert, um einen Film zu bilden. Das Verfahren ist einfach und auf eine Vielzahl metallisierter Keramikmaterialien anwendbar. Der Drahtpfad ist jedoch durch die Präzision des Drahtgeflechts begrenzt, sodass es für große Geräte mit mittlerem Leistungsbedarf geeignet ist, sich jedoch weniger an hochpräzise Keramikverpackungen oder feine Aluminiumoxidkeramikbearbeitung anpassen lässt.

2. Dünnschichtmetallisierung (TFC)

Mithilfe von Aufdampftechniken wie Vakuumsputtern und Verdampfen wird auf der Keramikoberfläche ein hochdichter Metallfilm gebildet. Es zeichnet sich durch eine starke Haftung und gute Deckkraft aus und kann zum Auftragen von Filmen aus verschiedenen Metallmaterialien verwendet werden. Die Dünnschichtmetallisierung eignet sich besonders für integrierte Schaltkreise mit hoher Dichte, Präzisionsleiterstrukturen und hochzuverlässige metallisierte Keramiken, ist jedoch teuer und erfordert anschließende Feinprozesse wie Fotolithographie und Ätzen.

3. Direkte Kupferlaminierung (DBC)

Bei DBC wird Kupferfolie mit Keramik bei hohen Temperaturen reagiert, um eine starke Verbindung zu bilden und eine Metallschicht mit hoher Wärmeleitfähigkeit und starker Haftung zu erzeugen. Zu seinen Vorteilen gehören eine gute Wärmeleitfähigkeit, eine starke Isolierung und hervorragende mechanische Eigenschaften, weshalb es häufig in Leistungsmodulen und Antriebssystemen für Elektrofahrzeuge eingesetzt wird. Allerdings schränkt die relativ dicke Kupferfolie die Präzision des anschließenden chemischen Ätzens ein und schränkt die Herstellung ultrafeiner Schaltkreise ein.

4. Aktives Metalllöten (AMB)

AMB erreicht eine hochfeste Verbindung zwischen der Metallschicht und der Keramik, indem ein Lot, das aktive Elemente enthält, mit der Keramik reagiert, um eine benetzbare Grenzfläche zu bilden. Diese Technologie bewältigt hohe{2}Temperaturbelastungen effektiv und ist eine der gängigen Metallisierungsmethoden für Leistungsmodule mittlerer{3}} bis -hoher-Endklasse, besonders geeignet für Keramiken mit hoher Wärmeleitfähigkeit wie metallisierte AlN-Strukturen.

5. Mitfeuerung (HTCC/LTCC)

HTCC und LTCC bilden eine integrierte Struktur durch das gemeinsame Brennen mehrerer Keramikschichten mit interner Verdrahtung, was sie zu wichtigen Technologien für mehrschichtige Keramikverpackungen macht. HTCC-Anwendungen sind aufgrund seiner hohen Temperatur reduziert, während LTCC aufgrund seines geringen dielektrischen Verlusts und der Fähigkeit, mehrschichtige Verkabelungen zu erreichen, häufig in Hochfrequenz-, Hochgeschwindigkeitskommunikations- und Automobilelektronikmodulen eingesetzt wird.

6. Chemische Metallisierung

Durch chemisches Plattieren wird eine Metallschicht durch einen chemischen Reduktionsprozess ohne angelegten Strom abgeschieden. Dies macht es effektiv für komplex geformte metallisierte Aluminium- und unregelmäßige Aluminiumkeramik-Bearbeitungsstrukturen. Seine Haftfestigkeit hängt von der Oberflächenrauheit ab und eignet sich daher für lokale Metallisierungs- oder Verpackungsanforderungen mit hoher -Dichte.

7. Lasermetallisierung

Die Lasererwärmung führt zu einer thermischen Zersetzung der AlN-Oberfläche und bildet direkt eine leitfähige Metallschicht. Dieses Verfahren zeichnet sich durch seinen einfachen Prozess, seine geringen Kosten und seine hohe Effizienz aus und eignet sich daher für die schnelle Metallisierungsproduktion einiger Leistungsbauelemente.

1. Hoch-Gleichstromrelais

Vakuumrelais mit metallisierter Keramik ermöglichen durch eine keramische Isolationsstruktur ein lichtbogenfreies Schalten unter Hochspannung und verbessern so die Zuverlässigkeit und Sicherheit erheblich. Sie spielen eine entscheidende Rolle bei der Verhinderung eines durch Lichtbögen verursachten thermischen Durchgehens. Die Keramikgehäusestruktur ist unersetzlich, wenn es darum geht, die Isolierung aufrechtzuerhalten, Lichtbögen zu kontrollieren und Stromschlägen standzuhalten.

2. IGBT- und SiC-MOSFET-Leistungsmodule

Keramikkupfer-beschichtete Substrate (DBC/AMB) gelten aufgrund ihrer hohen Isolierung, hohen Wärmeableitung, starken mechanischen Eigenschaften und hervorragenden Wärmeausdehnungsanpassung als Kernmaterial für die Hauptantriebswechselrichter von Fahrzeugen mit neuer Energie. AMB zeichnet sich insbesondere durch die Verbindungsstärke und Zuverlässigkeit der Metallschicht und der Keramikschnittstelle aus und ist zum Mainstream-Ansatz für viele Hochleistungs-Leistungsmodule geworden.

3. LED-Verpackung und Automobilbeleuchtung

Der größte Teil der Energie in LED-Chips wird in Wärme umgewandelt, was Keramiksubstrate mit hoher Wärmeleitfähigkeit wie AlN zu idealen Wärmeableitungsmaterialien für LEDs mit hoher -Helligkeit und ultraviolettem Licht macht. Mit der kontinuierlichen Steigerung der Leistung von Automobilbeleuchtungssystemen dringen metallisierte Keramiken schnell in Hochleistungs-LED-Module ein.

Obwohl es verschiedene Metallisierungsmethoden gibt, bestehen zwischen den verschiedenen Verfahren weiterhin Unterschiede hinsichtlich der Kosten, der Verbindungsstärke, der Produktionsstabilität und der Möglichkeiten zur Herstellung im großen Maßstab. Die Frage, wie man eine starke und robuste Metallschicht auf Keramik mit hoher Wärmeleitfähigkeit aufbauen und eine langfristige Zuverlässigkeit bei Hoch- und Tieftemperaturzyklen gewährleisten kann, ist eine Schlüsselrichtung für die künftige eingehende Forschung im Bereich der keramischen Metallisierungstechnologie.

Hohe Leistungsdichte, Computerplattformen für autonomes Fahren und kontinuierliche Upgrades elektrischer Antriebssysteme werden allesamt Antrieb seinmetallisierte Keramik, metallisierte Aluminiumoxidkeramik, Keramikverpackungen und Präzisionsbearbeitung von Aluminiumoxidkeramik für ein breiteres Anwendungsspektrum.