Technologie de métallisation Ceramic Meet : une nouvelle amélioration en matière de dissipation thermique pour les véhicules à énergie nouvelle

Poussée par la tendance des « quatre nouvelles modernisations », la densité fonctionnelle des systèmes électroniques des véhicules à énergie nouvelle augmente constamment, entraînant une augmentation correspondante de la consommation électrique des puces semi-conductrices. La légèreté et la forte intégration deviennent les thèmes principaux du développement industriel, tandis que la dissipation thermique devient progressivement l'un des principaux goulots d'étranglement affectant la stabilité et la durée de vie des appareils électroniques.

Dans ce contexte, les matériaux céramiques, avec leur conductivité thermique élevée, leur isolation et leur grande fiabilité, deviennent progressivement au premier plan et s'intègrent profondément à la technologie de métallisation céramique, devenant ainsi un matériau de base important dans les solutions de gestion thermique pour les véhicules à énergies nouvelles.

La céramique est devenue un matériau d'emballage important pour les appareils électriques en raison de sa combinaison de conductivité thermique élevée, de faibles pertes diélectriques, d'une bonne isolation, d'une résistance thermique élevée et d'un coefficient de dilatation thermique qui correspond étroitement à celui de la puce. Ces propriétés font des céramiques métallisées, de l'alumine métallisée et des céramiques d'alumine métallisées d'importants matériaux structurels pour les appareils électroniques -haute puissance actuels.

Parmi eux, les composants en céramique d'alumine tels que AlN et Al₂O₃, en raison de leurs propriétés physiques stables, sont largement utilisés dans les modules de puissance, les emballages LED, les relais et les modules de puissance des véhicules à énergie nouvelle. Avec l'amélioration continue des performances d'interface entre les couches céramiques et métalliques, le taux de pénétration des céramiques métallisées dans la dissipation thermique des véhicules électriques continue d'augmenter.

Si les céramiques possèdent d’excellentes propriétés isolantes et thermiques, elles ne sont pas conductrices. Pour obtenir la fonctionnalité du circuit, une métallisation céramique est nécessaire. La couche de métallisation doit non seulement avoir une bonne conductivité, mais également être fermement liée à la céramique, résistant à des conditions complexes telles que les cycles de température, les contraintes mécaniques et le transport de charges à long terme.

La raison fondamentale pour laquelle les céramiques et les métaux sont difficiles à lier directement est la différence significative entre leurs propriétés chimiques, leurs coefficients de dilatation thermique et leur mouillabilité. Par conséquent, le processus de conversion de la céramique-en-métal nécessite généralement la construction d'une structure d'interface stable par le biais de réactions métallurgiques, de modulation d'interface ou de métallisation de films minces.

Actuellement, la métallisation céramique se divise principalement en deux grandes catégories :

1. Technologies de métallisation par liaison à l'état solide-

Il s'agit notamment des méthodes de liaison directe au cuivre (DBC), de liaison directe à l'aluminium et de -film épais. Ces méthodes tentent d'obtenir une liaison directe à l'état solide-entre la céramique et les métaux, mais les types de métaux pouvant réagir directement avec la céramique sont limités et nécessitent généralement des conditions difficiles telles qu'une température élevée et un vide. Dans la production réelle, des matériaux de conditionnement d'interface supplémentaires sont souvent nécessaires pour obtenir une liaison stable.

2. Couches de transition de métallisation en couche mince-

Grâce à la pulvérisation cathodique, à l'évaporation et au placage autocatalytique, des films minces métallisés sont formés sur la surface céramique pour améliorer la mouillabilité et la structure de l'interface, préparant ainsi le dépôt et le soudage ultérieurs de la couche métallique. Ce type de méthode est largement utilisé dans les composants en céramique métallisée, les céramiques d'alumine métallisées et les emballages en céramique, et est particulièrement adapté aux modules électroniques de haute -fiabilité et précision.

1. Métallisation en film-épais (TPC)

La technologie des films-épais utilise la sérigraphie d'une pâte conductrice et le frittage-à haute température pour former un film. Le procédé est simple et applicable à une variété de matériaux céramiques métallisés. Cependant, le chemin du fil est limité par la précision du treillis métallique, ce qui le rend adapté aux appareils de grande taille-avec des besoins de puissance moyens, mais moins adaptable aux emballages en céramique de haute-précision ou à l'usinage fin de céramique d'alumine.

2. Métallisation en couche mince (TFC)

Grâce à des techniques de dépôt en phase vapeur telles que la pulvérisation sous vide et l'évaporation, un film métallique à haute densité-est formé sur la surface céramique. Il présente une forte adhérence, un bon pouvoir couvrant et peut être utilisé pour déposer des films de divers matériaux métalliques. La métallisation en couches minces est particulièrement adaptée aux circuits intégrés à haute-densité, aux structures de plomb de précision et aux céramiques métallisées à haute-fiabilité, mais son coût est élevé, nécessitant des processus ultérieurs fins tels que la photolithographie et la gravure.

3. Stratification directe du cuivre (DBC)

Le DBC consiste à faire réagir une feuille de cuivre avec de la céramique à haute température pour former une liaison solide, créant ainsi une couche métallique à haute conductivité thermique et forte adhérence. Ses avantages incluent une bonne conductivité thermique, une forte isolation et des propriétés mécaniques supérieures, ce qui le rend largement utilisé dans les modules de puissance et les systèmes d'entraînement des véhicules électriques. Cependant, la feuille de cuivre relativement épaisse limite la précision de la gravure chimique ultérieure, limitant ainsi la fabrication de circuits ultrafins.

4. Brasage actif des métaux (AMB)

L'AMB obtient une liaison à haute résistance entre la couche métallique et la céramique en faisant réagir une soudure contenant des éléments actifs avec la céramique pour former une interface mouillable. Cette technologie gère efficacement les contraintes thermiques-et constitue l'une des méthodes de métallisation les plus courantes pour les modules de puissance de milieu-à-haut de gamme-, particulièrement adaptée aux céramiques à haute conductivité thermique telles que les structures AlN métallisées.

5. Co-cuisson (HTCC/LTCC)

HTCC et LTCC forment une structure intégrée en cocuisant-plusieurs couches de céramique avec un câblage interne, ce qui en fait des technologies importantes pour les emballages en céramique multi-couches. Les applications HTCC sont réduites en raison de sa température élevée, tandis que LTCC est largement utilisé dans les modules de communication à haute -fréquence et haute-électronique automobile en raison de sa faible perte diélectrique et de sa capacité à réaliser un câblage multicouche-.

6. Métallisation par placage chimique

Le placage chimique dépose une couche de métal via un processus de réduction chimique sans courant appliqué, ce qui le rend efficace pour les structures d'usinage en aluminium métallisé de forme complexe-et en céramique d'aluminium irrégulière. Sa force d'adhérence dépend de la rugosité de la surface, ce qui le rend adapté aux métallisations localisées ou aux exigences d'emballage à haute densité.

7. Métallisation laser

Le chauffage laser provoque une décomposition thermique de la surface de l’AlN, formant directement une couche métallique conductrice. Ce procédé se caractérise par son processus simple, son faible coût et son rendement élevé, ce qui le rend adapté à la production rapide de métallisation de certains dispositifs électriques.

1. Relais CC haute-tension

Les relais à vide utilisant de la céramique métallisée permettent une commutation sans arc-sous haute tension grâce à une structure d'isolation en céramique, améliorant ainsi considérablement la fiabilité et la sécurité. Ils jouent un rôle crucial dans la prévention de l’emballement thermique provoqué par les arcs électriques. La structure du boîtier en céramique est irremplaçable pour maintenir l’isolation, contrôler les arcs électriques et résister aux chocs électriques.

2. Modules de puissance IGBT et SiC MOSFET

Les substrats recouverts de cuivre-céramique (DBC/AMB) sont considérés comme un matériau de base pour les principaux onduleurs d'entraînement des véhicules à énergie nouvelle en raison de leur isolation élevée, de leur dissipation thermique élevée, de leurs propriétés mécaniques élevées et de leur excellente adaptation à la dilatation thermique. L'AMB, en particulier, excelle dans la force de liaison et la fiabilité de la couche métallique et de l'interface céramique, et est devenu l'approche dominante pour de nombreux modules d'alimentation hautes-performances.

3. Emballage LED et éclairage automobile

La majeure partie de l'énergie contenue dans les puces LED est convertie en chaleur, ce qui fait des substrats céramiques à haute conductivité thermique, tels que l'AlN, des matériaux de dissipation thermique idéaux pour les LED à haute-luminosité et ultraviolettes. Avec l'augmentation continue de la puissance des systèmes d'éclairage automobile, les céramiques métallisées pénètrent rapidement dans les modules LED haute-puissance.

Bien qu'il existe différentes méthodes de métallisation, des différences subsistent entre les différents processus en termes de coût, de force de liaison, de stabilité de production et de-capacités de fabrication à grande échelle. Comment construire une couche métallique solide et résistante sur des céramiques à haute conductivité thermique et garantir une fiabilité à long terme-pendant des cycles à haute et basse température est une direction clé pour la future recherche approfondie-sur la technologie de métallisation des céramiques.

Une densité de puissance élevée, des plates-formes informatiques de conduite autonome et des mises à niveau continues vers les systèmes de propulsion électrique seront tous des moteurscéramique métallisée, les céramiques d'alumine métallisées, les emballages en céramique et l'usinage de précision de la céramique d'alumine dans une gamme d'applications plus large.