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高热导电绝缘氮化铝陶瓷在宇航器件中的应用
日期:2022-11-25    浏览次数:
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中国航天事业的快速发展促使航天器用超大规模集成电路及电子器件向高密度、高频、高功率、高可靠性、微型化、多功能化方向发展。器件的热流密度随之增加,散热问题逐渐凸显,散热材料是影响器件传热性能和可靠性的关键。因此,高导热电绝缘材料成为电子系统高度集成化和小型化的突破口,其中,电子陶瓷成为解决散热问题的重要方向。

高热导电绝缘氮化铝陶瓷在宇航器件中的应用

AlN陶瓷具有优异的综合性能,尤其是其出色的导热性能,因而被广泛用于电子电气系统;作为结构功能一体化的陶瓷材料,其介电性能也逐渐获得足够的重视,用于高功率微波管的输能窗等;良好的良好的电绝缘性能,可以用作半导体表面钝化、半导体基板材料和电子元器件的陶瓷封装材料;此外,AlN陶瓷也可用于光学陶瓷材料。

AlN陶瓷在宇航器件中的应用

由于AlN陶瓷具有优异的综合性能而被广泛应用于航天电子的各个领域。基于其材料功能特性,AlN陶瓷材料可用作覆铜基板材料、电子封装材料、超高温器件封装材料、高功率器件平台材料、高频器件材料、传感器薄膜材料、光学电子器件材料、涂层及功能增强材料等。

1.覆铜基板材料

在航天器的电源控制器设计中,采用了大量表面贴装方式组装,常用的基板材料为FR-4材料。然而,FR-4的线膨胀系数较高(一般大于10×10–6/℃),焊装器件时,具有热失配风险,造成开裂失效,可靠性下降。目前,先进的封装工艺中采用了高性能氮化铝陶瓷板作为导热基板,在氮化铝上面直接键合铜,进一步设计电路,表面贴装晶体管、功率二极管。

氮化铝覆铜板具有氮化铝的导热性能和机械强度,同时兼具铜的导热性能和导电性能,因而在宇航领域应用潜力很大。此外,“铜–氮化铝–铜”夹层结构在电子系统的模块化和集成化中可起到关键作用,它作为电源模块的机械支撑、电气隔离和散热路径。值得注意的是,氮化铝覆铜板在应用当中,AlN与Cu之间的界面结合至关重要,界面物相决定了陶瓷与金属铜层间的结合力。氮化铝覆铜板的常规制备工艺包括热压法和直接覆铜法(DBC)。

AlN覆铜基板

AlN覆铜基板

2.封装材料/增强填料

电子元器件的集成度越来越高,热源增多导致热密度越来越大,因而选用封装体要求具有优异导热性能。高导热AlN作为封装体材料,需要考虑其力学性能和加工工艺;对于共烧基片,需要考虑导体浆料与陶瓷流延片之间热配性。锂离子电池管理系统中,采用氮化铝导热基片来承载金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOS管)、二极管、变压器等功率器件,取代导热硅胶片,可大大提升系统的散热能力。

高热导电绝缘氮化铝陶瓷在宇航器件中的应用

AlN多层封装基板

另外,也可采用AlN作为金属或者聚合物的增强体制备出封装材料。对于AlN纳米颗粒,用作结构材料的弥散增强相,能有效改善基体材料的热学性能和机械性能。如金属基AlN材料在复合温度下,由于氮化铝的惰性允许复合反应时间延长,从而实现界面的有效调控。AlN填料还可用来调控聚合物的导热率和刚度,降低其热膨胀系数,被看作是取代Al2O3和SiO2用作塑封材料最有前景的填料。

3.超高温封装材料

目前市场上的封装技术大多是为硅基微电子器件开发的,然而,硅基器件仅适用于150℃以下工作,功率密度限制在200 W/cm2以下,一旦面临高温环境,传统的封装材料会失效或降解,此外,热膨胀不匹配导致的高热应力会导致永久的结构层面的机械故障。AlN的熔点高达2500℃,可用作高温耐热材料,同时热膨胀系数相对较低,接近于Si及SiC,能够提供更好的热可靠性。

用AlN陶瓷可制备超高温氮化铝封装微电子器件,未来这些器件能有效解决航空航天发动机控制器和长期金星探测器(超高温星表环境)的应用需求。一些商用氮化铝材料在高温下表现出高介电常数和高介电损耗,从而导致氮化铝封装的高寄生参数(电阻寄生、电容寄生、电感寄生),降低电路速度,改变频率响应。在氮化铝表面设计涂上玻璃涂层,然后再进行厚膜金属化的方法,可在高达 500℃的温度下显著降低氮化铝封装的寄生效应。

4.高功率器件平台材料

航天器太阳电池翼会产生几十千瓦以上的电功率传输至舱体内部,根据机构选用材料的要求,功率传输的绝缘材料需具备一定的电绝缘性能及较高的热传导性能,还需要具有优异的机械承载能力,因而材料设计方向必须是结构功能一体化材料。

无线收发系统中,收发组件(T/R组件)的固态放大电路已经采用输出功率更高的宽禁带半导体功率器件,发热密度向上千W/cm2迈进,因而需要选用高导热材料将内部逐渐累积的热量传导至散热器,避免组件内部温度过高。因此,对于高功率射频平台来说,有效地将热量从有源区域的通道中传导出去意义重大。在高导热宽禁带的氮化物半导体材料中,AlN的导热系数为320 W/(m·K),高于单晶GaN的230 W/(m·K),在热传导方面,氮化铝比氮化镓更具有传热优势。

高功率器件中半导体材料的性能对比

高功率器件中半导体材料的性能对比

5.高频器件材料

氮化铝成为替代微波管中传统高纯氧化铝陶瓷和有毒氧化铍陶瓷的有力材料,可以用作微波管的集电极、夹极和能量传输窗口。微波窗口用来传输高频能量,因此其介电损耗必须尽可能小,而氮化铝的介电损耗可低至 1×10–4,当窗口热量过高时,氮化铝窗口首先将器件内部振荡的电磁能量输出到波导系统,有效保证器件的安全性。

星载加速度计、陀螺仪、振荡器、滤波器可设计使用氮化铝谐振器。氮化铝作为器件的结构层可耐高温,具有高电阻率、高击穿电压强度和低介电损耗,并且可以得到高品质因数、高频机电耦合系数。

晶体谐振器

晶体谐振器

6.薄膜材料

AlN薄膜材料是一种性能良好的压电材料,具有C轴结晶取向,在高温下有良好的热稳定性和压电性,能在接近1200℃的高温环境下工作,以满足在高温恶劣环境下工作的要求。AlN薄膜可在微模块、传感器、集成电路和有源元件、MEMS 中获得应用。基于氮化铝薄膜高温压力传感器应用在航天器的飞行控制中。

关于AlN薄膜材料的应用可以详细阅读以下文章:

强大的新兴功能材料:氮化铝薄膜

7.光电器件材料

以往,硅基集成光子学能够为功能器件提供有效解决方案,并且其制造工艺与成熟的互补式金属氧化物半导体(CMOS)制造技术兼容。然而,硅基材料存在诸多限制:仅1.1 eV的间接带隙、大于1.1μm的透明波长,以及不显著的二阶非线性光学特性。氮化铝作为CMOS兼容材料,可以克服这些限制。它具有6.2 eV的宽带隙、从紫外到中红外宽的透明波长,以及显著的二阶非线性光学效应。此外,它还表现出压电和热电效应,这使得它在光学机械设备和热电光电探测器中具有广阔的应用潜力。

总结

宇航器件对电子功能陶瓷选用的高要求,促使研究人员不断关注材料结构成分的调控,不断开展结构细晶化、功能一体化、高频低损耗化的氮化铝陶瓷攻关。尤其是,随着宇航器件对承载、导热、电绝缘等结构功能一体化需求的提升,兼具力、热、电性能的AlN陶瓷将成为新型应用材料,有望成为新一代空间大功率器件基板、高温封装体、高密度半导体平台和高温高频高功率电子器件的潜力材料。但是宇航器件所选用的材料及其所面临的飞行环境都是独特的,所用材料除必须满足任务的基本性能要求外,还必须具备耐受空间环境考验的性能稳定性。探索 AlN陶瓷在宇航器件中的应用潜力,还需要全面考核AlN的空间环境适应性,更待进一步加强对氮化铝材料和工艺与宇航器件的贯通性、结合性、兼容性的系统研究。随着对AlN陶瓷更加深入的探讨,有助于实现高性能AlN材料在航天领域的广泛应用。


参考来源:

1.高热导电绝缘氮化铝陶瓷在宇航器件中的应用:概述、挑战和展望,何端鹏、黄雪吟、任刚、汪洋、于翔天、李岩、邢焰、高鸿(硅酸盐学报);

2.高导热氮化铝基板在航空工业的应用研究,严光能、邓先友、林金堵(印制电路信息)。


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