冷“芯”时代——基于低温连接的散热基板

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高铁、新能源汽车、清洁能源等领域的飞速发展推动着电力电子技术不断地进步,这意味着电力电子器件将有更高的功率和集成度,但器件运行过程中产生的热量难以有效疏导的问题也随之产生。若散热不及时,热量将积聚在器件内部形成热应力,相关报道表明,电子器件温度每上升2℃,其可靠性便下降10%。因此,解决大功率器件散热不良的问题刻不容缓。 大功率器件运行产生的热量主要通过陶瓷覆铜散热基板导出,提高器件散热基板的导热性能是提高散热效率的有效方式。但陶瓷覆铜采用的高温活性钎焊技术带来的陶瓷/Cu界面脆性化合物以及构件残余热应力大的问题,仍然限制了陶瓷覆铜基板性能的进一步提升。 为此,我们设计并制备了一种新型陶瓷覆铜基板,此基板依托于陶瓷表面离子轰击活化-磁控溅射镀膜辅助低温连接技术实现陶瓷与铜的界面结合:在自行研制的多腔室一体化设备中分别对陶瓷表面进行低能氩离子轰击清洗及磁控溅射沉积钛/铜复合薄膜,再将铜表面进行低能氩离子轰击清洗,在加热、加压的条件下成功实现了Si3N4陶瓷与铜的可靠连接。这种连接方法得到的基板不仅未在连接界面形成脆性化合物,还摆脱了Si3N4陶瓷使用活性金属钎焊、固相扩散连接时需要800℃以上的高温的限制,成功将连接温度降低78%。在200°C,保温时间为30min,压力为20MPa的条件下,制备了性能优异的Si3N4陶瓷覆铜基板,界面结合强度超过6MPa,散热性能较传统钎焊基板提升10%,完全满足实际使用需求。此外,由于连接温度大幅降低,工作效率提高57%,生产能耗降低61%,使得产品具有了明显的成本优势。基于产品的性能和成本优势,产品广泛应用在新能源汽车、航空航天、军队军舰、石化设备、医疗器械等多领域,取得了极大的社会效益。