في ظل التطور السريع الذي تشهده اليوم إلكترونيات الطاقة والاتصالات عالية التردد وتكنولوجيا أشباه الموصلات، أدى ارتفاع كثافة الطاقة ومستوى تكامل المكونات الإلكترونية إلى إدارة الحرارة عامل أساسي يحدد أداء المنتج وموثوقيته وعمره الافتراضي. تعاني ركائز PCB العضوية التقليدية (مثل FR-4)، مع موصلية حرارية منخفضة (عادةً <0.5 W/m·K)، من صعوبة في تلبية متطلبات تبديد الحرارة في سيناريوهات الطاقة العالية. في هذا السياق، ركائز خزفية عالية التوصيل الحراري ظهرت كحل مثالي للتبريد الإلكتروني المتقدم، بفضل خصائصها الشاملة الاستثنائية.
الركائز الخزفية ليست مادة واحدة بل فئة من ركائز الدوائر الكهربائية التي تستخدم مواد غير معدنية غير عضوية مثل الألومينا (Al₂O₃) ونتريد الألومنيوم (AlN) ونتريد السيليكون (Si₃N₄) كطبقة عازلة. وتتميز هذه الركائز بمزايا أساسية مقارنة بالركائز التقليدية:
- خصائص حرارية ممتازة:
- موصلية حرارية عالية: نطاق واسع (24 ~ 200+ واط/م·كلفن)، مما يتيح نقل الحرارة بسرعة من الرقائق إلى المبددات الحرارية، ويخفض درجة حرارة الوصلة بشكل كبير، ويحسن كفاءة الجهاز وعمره الافتراضي.
- معامل تمدد حراري منخفض ومتوافق (CTE): إن معامل التمدد الحراري للسيراميك قريب جدًا من معامل التمدد الحراري لرقائق أشباه الموصلات (مثل Si و SiC و GaN)، مما يقلل بشكل كبير من الإجهاد الناتج عن الدورات الحرارية، ويمنع تشقق الرقائق وإجهاد وصلات اللحام.
- خصائص كهربائية وميكانيكية فائقة:
- قوة عزل عالية: يتحمل انهيار الجهد العالي، مما يضمن السلامة في التطبيقات عالية الجهد.
- قوة ميكانيكية عالية: قوة انحناء عالية، قوة ضغط ≥500 ميجا باسكال، ثبات هيكلي.
- استقرار كيميائي جيد: مقاومة للتآكل والرطوبة، ومناسبة للبيئات القاسية.
- قدرات الدوائر المتقدمة:
- ربط قوي لطبقة النحاس: يحقق الترابط القوي بين طبقة النحاس والسيراميك (>20 نيوتن/مم) من خلال عمليات خاصة.
- دقة عالية في الدوائر الكهربائية: يدعم الدوائر على مستوى الميكرون (يمكن أن يصل الحد الأدنى لعرض/تباعد الخطوط إلى 0.05 مم)، مما يلبي متطلبات التكامل عالي الكثافة.
2. مقارنة بين المواد الأساسية المستخدمة في صناعة السيراميك
تتميز المواد الخزفية المختلفة بخصائصها الخاصة لتلبية احتياجات التطبيقات المتنوعة. وفيما يلي مقارنة بين المواد الثلاثة الرئيسية:
| الخاصية/المعلمة | 96٪ ألومينا (Al₂O₃) | نيتريد الألومنيوم (AlN) | نتريد السيليكون (Si₃N₄) | ملاحظات/اتجاه التطبيق |
|---|
| الموصلية الحرارية (واط/م·كلفن) | 24 – 30 | 170 – 220 | 80 – 90 | AlN هو الخيار المفضل للقدرة الحرارية الفائقة؛ بينما يوفر Si₃N₄ أداءً متوازناً. |
| CTE (×10⁻⁶/℃) | 6.5 – 8.0 | 4.5 – 5.5 | 2.5 – 3.5 | Si₃N₄ CTE يتطابق بشكل أفضل مع رقائق Si. |
| القوة الميكانيكية | عالية | مرتفع نسبياً | مرتفع للغاية (قوة انحناء ممتازة) | Si₃N₄ يوفر أفضل مقاومة للصدمات الحرارية، وهو مثالي للتقلبات الشديدة في درجات الحرارة. |
| عامل التكلفة | فعالة من حيث التكلفة | أعلى | عالية | Al₂O₃ هو الخيار الأكثر استخدامًا ونضجًا واقتصادية. |
| التطبيقات النموذجية | وحدات طاقة للأغراض العامة، إضاءة LED | IGBT عالية الطاقة، صمامات ليزر (LD)، مضخمات طاقة RF 5G | محركات سيارات تعمل بالطاقة الجديدة، ووحدات طاقة للبيئات القاسية | الاختيار بناءً على احتياجات تبديد الحرارة, متطلبات الموثوقيةو ميزانية التكاليف. |
3. العمليات التصنيعية الرئيسية
هذه العملية أساسية لتحقيق الترابط المثالي بين السيراميك والمعدن. تحدد العمليات الثلاث الرئيسية الحد الأقصى للأداء النهائي للركيزة.
- عملية DBC (النحاس الملحوم مباشرة)
- العملية: يخضع رقائق النحاس والسطح الخزفي للذوبان السهل عند درجة حرارة عالية (1065~1085 درجة مئوية) في جو نيتروجين يحتوي على الأكسجين، مما يؤدي إلى تكوين روابط كيميائية قوية بين النحاس والأكسجين.
- الخصائص:
- المزايا: طبقة نحاسية سميكة (عادةً ما بين 100 ميكرومتر و600 ميكرومتر)، قدرة عالية على حمل التيار، موصلية حرارية ممتازة.
- التحديات: يتطلب تحكمًا صارمًا في درجة الحرارة والغلاف الجوي؛ دقة دوائر أقل نسبيًا (عرض الخط/المسافة بين الخطوط عادةً >100 ميكرومتر).
- التطبيقات: وحدات طاقة عالية التيار وعالية التبديد الحراري (مثل محولات السيارات الكهربائية).
- عملية DPC (النحاس المطلي مباشرة)
- العملية: يستخدم عمليات أشباه الموصلات: أولاً، رش طبقة معدنية أساسية على الركيزة الخزفية، ثم تشكيل الدوائر من خلال الطباعة الضوئية والطلاء الكهربائي والحفر.
- الخصائص:
- المزايا: دقة عالية جدًا للدوائر (يمكن أن تصل إلى مستوى الميكرون)، استواء سطحي عالي، مناسب للأسلاك المعقدة والدقيقة.
- التحديات: طبقة النحاس المطلية رقيقة نسبيًا (عادةً ما تتراوح بين 10 ميكرومتر و100 ميكرومتر)، وهي أضعف قليلاً بالنسبة للتيارات العالية جدًا، وتكلفتها أعلى.
- التطبيقات: المجالات التي تتطلب دقة عالية، مثل التغليف بالليزر، الترددات اللاسلكية/الموجات الدقيقة، أجهزة الاستشعار.
- عملية AMB (اللحام بالمعدن النشط)
- العملية: تحسين قائم على DBC، باستخدام معجون لحام يحتوي على عناصر نشطة (مثل Ti، Zr) لربط النحاس والسيراميك في فراغ أو جو خامل.
- الخصائص:
- المزايا: قوة الرابطة يتجاوز بكثير DBC، موثوقية أعلى، مناسب بشكل خاص لـ نتريد الألومنيوم (AlN) الركائز. مقاومة ممتازة للإجهاد الحراري.
- التحديات: العملية الأكثر تعقيدًا، والتكلفة الأعلى.
- التطبيقات: المجالات التي تتطلب موثوقية فائقة، مثل الفضاء الجوي والقطارات عالية السرعة ومحولات الدفع الرئيسية للمركبات التي تعمل بالطاقة الجديدة (خاصة بالنسبة لوحدات الطاقة SiC).
4. مرجع اختيار المعلمات الفنية
باستخدام Jingci Precision Tech كمثال
| البند | القدرة القياسية | نطاق قابل للتخصيص | شرح |
|---|
| مادة الركيزة | 96٪ ألومينا، نيتريد الألومنيوم | نتريد السيليكون، الزركونيا، كربيد السيليكون، إلخ. | اختر بناءً على الاحتياجات الحرارية والقوة والتكلفة. |
| سُمك اللوح | 1.0 مم | 0.25 مم ~ 3.0 مم | الألواح الرقيقة تساعد على تخفيف الوزن؛ الألواح السميكة تعزز القوة الميكانيكية. |
| سمك الطبقة الخارجية من النحاس | 100 ميكرومتر (حوالي 3 أونصات) | 5 ميكرومتر ~ 400 ميكرومتر | DBC/AMB عادةً ما يكون ≥100μm؛ يمكن أن يكون DPC أرق. |
| الحد الأدنى. عرض الخط/التباعد بين الخطوط | 0.05 مم (عملية DPC) | يعتمد على العملية | تحقق عملية DPC أعلى دقة. |
| تشطيب السطح | ENIG (ذهب مغمور بالنيكل عديم النيكل الكهربائي) | الفضة الغاطسة، القصدير الغاطس، ENEPIG، إلخ. | يوفر ENIG قابلية لحام ممتازة ومقاومة للأكسدة. |
| عملية الثقب/الفتحة | – | ثقوب معدنية، ثقوب مطلية ومملوءة، طلاء الحواف | يتيح التوصيل البيني ثلاثي الأبعاد والتصميمات الهيكلية الخاصة. |
5. مجالات تطبيق واسعة
تعد الركائز الخزفية عالية التوصيل الحراري أساسًا للعديد من الصناعات عالية التقنية:
- أشباه الموصلات وتغليف الدوائر المتكاملة: يوفر بيئة تشغيل مستقرة ومنخفضة الحرارة لوحدات المعالجة المركزية (CPU) ووحدات معالجة الرسومات (GPU) ووحدات FPGA وشرائح الذاكرة.
- إلكترونيات الطاقة وأجهزة SiC/GaN: يستخدم في المحولات والمحولات UPS؛ "ناقل" مثالي لأشباه الموصلات ذات الفجوة العريضة مثل SiC/GaN.
- إلكترونيات السيارات: مكون أساسي لتبديد الحرارة في وحدات التحكم الإلكترونية (ECU) ووحدات التحكم في المحركات ووحدات الشحن المتنقلة (OBC) وأجهزة LiDAR.
- اتصالات الجيل الخامس 5G: تتطلب مضخمات الطاقة اللاسلكية للمحطات الأساسية ووحدات الهوائيات ركائز خزفية لتبريدها بكفاءة من أجل الحفاظ على استقرار الإشارة.
- الليزر والإلكترونيات الضوئية: تغليف لمصابيح LED عالية الطاقة، صمامات ليزر (LD)، أجهزة كشف ضوئية.
- الفضاء الجوي والفضاء؛ الدفاع: أنظمة إلكترونية تتطلب أقصى درجات الموثوقية والمقاومة للبيئات القاسية.
6.اتجاهات التنمية في المستقبل
- الابتكار في المواد: تطوير مواد جديدة ذات موصلية حرارية أعلى (مثل السيراميك المركب بالماس) ومطابقة أفضل لمعامل التمدد الحراري.
- دمج العمليات وصقلها: الجمع بين مزايا العمليات المختلفة (مثل DPC+AMB) لزيادة تحسين دقة الدوائر وموثوقيتها.
- التكامل والتقسيم إلى وحدات: الانتقال إلى المكونات المدمجة والتعبئة ثلاثية الأبعاد (3D-IPAC) لتقليل حجم النظام وتحسين الأداء.
- تحسين التكلفة: خفض تكلفة الركائز الخزفية عالية الأداء من خلال الإنتاج الضخم وتحسين العمليات، وتوسيع نطاق تطبيقاتها في السوق.
الخاتمة
أصبحت الركائز الخزفية عالية التوصيل الحراري مكونات لا غنى عنها في إدارة الحرارة في التطبيقات عالية الطاقة وعالية التردد. إن الفهم الصحيح لخصائص المواد والتغيرات في العمليات، واختيار النوع المناسب، هو خطوة حاسمة للمهندسين لتصميم منتجات عالية الأداء وموثوقة للغاية.