La cerámica se encuentra con la tecnología de metalización: una nueva mejora en la disipación de calor para vehículos de nueva energía

Impulsada por la tendencia de las "cuatro nuevas modernizaciones", la densidad funcional de los sistemas electrónicos en los vehículos de nueva energía aumenta constantemente, lo que lleva a un aumento correspondiente en el consumo de energía de los chips semiconductores. El aligeramiento y la alta integración se están convirtiendo en los temas principales del desarrollo industrial, mientras que la disipación de calor se está convirtiendo gradualmente en uno de los principales obstáculos que afectan la estabilidad y la vida útil de los dispositivos electrónicos.

En este contexto, los materiales cerámicos, con su alta conductividad térmica, aislamiento y alta confiabilidad, están pasando gradualmente a la vanguardia y integrándose profundamente con la tecnología de metalización cerámica, convirtiéndose en un material básico importante en las soluciones de gestión térmica para vehículos de nueva energía.

La cerámica se ha convertido en un material de embalaje importante para dispositivos de potencia debido a su combinación de alta conductividad térmica, baja pérdida dieléctrica, buen aislamiento, alta resistencia al calor y un coeficiente de expansión térmica que se asemeja mucho al chip. Estas propiedades hacen que las cerámicas metalizadas, la alúmina metalizada y las cerámicas de alúmina metalizada sean materiales estructurales importantes para los dispositivos electrónicos actuales de alta-potencia.

Entre ellos, los componentes cerámicos de alúmina como AlN y Al₂O₃, debido a sus propiedades físicas estables, se utilizan ampliamente en módulos de potencia, empaques de LED, relés y módulos de potencia de vehículos de nueva energía. Con la mejora continua del rendimiento de la interfaz entre las capas cerámica y metálica, la tasa de penetración de la cerámica metalizada en la disipación de calor de los vehículos eléctricos sigue aumentando.

Si bien las cerámicas poseen excelentes propiedades térmicas y de aislamiento, no son conductoras. Para lograr la funcionalidad del circuito, es necesaria la metalización cerámica. La capa de metalización no solo debe tener buena conductividad sino también estar firmemente unida a la cerámica, soportando condiciones complejas como ciclos de temperatura, estrés mecánico y transporte de carga a largo plazo.

La razón fundamental por la que las cerámicas y los metales son difíciles de unir directamente es la diferencia significativa en sus propiedades químicas, coeficientes de expansión térmica y humectabilidad. Por lo tanto, el proceso de conversión de cerámica-a-metal generalmente requiere la construcción de una estructura de interfaz estable mediante reacciones metalúrgicas, modulación de la interfaz o metalización de películas delgadas.

Actualmente, la metalización cerámica se divide principalmente en dos grandes categorías:

1. Tecnologías de metalización por enlace de estado sólido-

Estos incluyen la unión directa de cobre (DBC), la unión directa de aluminio y los métodos de película gruesa-. Estos métodos intentan lograr una unión directa-en estado sólido entre cerámicas y metales, pero los tipos de metales que pueden reaccionar directamente con las cerámicas son limitados y, por lo general, requieren condiciones duras, como altas temperaturas y vacío. En la producción real, a menudo se necesitan materiales acondicionadores de interfaz adicionales para lograr una unión estable.

2. Capas de transición de metalización de película delgada-

Mediante pulverización catódica, evaporación y revestimiento no electrolítico, se forman películas delgadas metalizadas sobre la superficie cerámica para mejorar la humectabilidad y la estructura de la interfaz, preparándose para la posterior deposición y soldadura de la capa metálica. Este tipo de método se usa ampliamente en componentes cerámicos metalizados, cerámicas de alúmina metalizada y empaques cerámicos, y es particularmente adecuado para módulos electrónicos de alta-confiabilidad y precisión.

1. Metalización de película-gruesa (TPC)

La tecnología de película-gruesa utiliza serigrafía de pasta conductora y sinterización a alta-temperatura para formar una película. El proceso es simple y aplicable a una variedad de materiales cerámicos metalizados. Sin embargo, la trayectoria del cable está limitada por la precisión de la malla de alambre, lo que la hace adecuada para dispositivos-de gran tamaño con requisitos de potencia media, pero menos adaptable a empaques cerámicos de alta-precisión o al mecanizado de cerámica de alúmina fina.

2. Metalización de película fina (TFC)

Utilizando técnicas de deposición de vapor, como la pulverización catódica al vacío y la evaporación, se forma una película metálica de alta-densidad sobre la superficie cerámica. Cuenta con una fuerte adhesión, buena cobertura y puede usarse para depositar películas de diversos materiales metálicos. La metalización de película delgada es particularmente adecuada para circuitos integrados de alta-densidad, estructuras de cables de precisión y cerámicas metalizadas de alta-confiabilidad, pero su costo es alto y requiere procesos finos posteriores, como fotolitografía y grabado.

3. Laminación Directa de Cobre (DBC)

DBC implica hacer reaccionar una lámina de cobre con cerámica a altas temperaturas para formar una unión fuerte, creando una capa de metal con alta conductividad térmica y fuerte adhesión. Sus ventajas incluyen buena conductividad térmica, fuerte aislamiento y propiedades mecánicas superiores, lo que lo hace ampliamente utilizado en módulos de potencia y sistemas de propulsión de vehículos eléctricos. Sin embargo, la lámina de cobre relativamente gruesa limita la precisión del grabado químico posterior, lo que restringe la fabricación de circuitos ultra-finos.

4. Soldadura activa de metales (AMB)

AMB logra una unión de alta-resistencia entre la capa metálica y la cerámica al hacer reaccionar una soldadura que contiene elementos activos con la cerámica para formar una interfaz humectable. Esta tecnología maneja eficazmente el estrés de alta-temperatura y es uno de los principales métodos de metalización para módulos de potencia de gama media-a-alta-, particularmente adecuado para cerámicas de alta conductividad térmica, como estructuras de AlN metalizadas.

5. Co-disparo (HTCC/LTCC)

HTCC y LTCC forman una estructura integrada mediante la co-cocción de múltiples capas de cerámica con cableado interno, lo que las convierte en tecnologías importantes para envases cerámicos-multicapa. Las aplicaciones HTCC se reducen debido a su alta temperatura, mientras que LTCC se usa ampliamente en módulos electrónicos automotrices y de comunicación de alta-frecuencia y alta-velocidad debido a su baja pérdida dieléctrica y su capacidad para lograr cableado multi-capa.

6. Metalización de revestimiento químico

El revestimiento químico deposita una capa de metal a través de un proceso de reducción química sin aplicación de corriente, lo que lo hace efectivo para estructuras de mecanizado de aluminio metalizado de formas complejas-y de cerámica de aluminio irregular. Su fuerza de unión depende de la rugosidad de la superficie, lo que lo hace adecuado para metalización localizada o requisitos de embalaje de alta-densidad.

7. Metalización láser

El calentamiento por láser provoca la descomposición térmica de la superficie de AlN, formando directamente una capa de metal conductor. Este método se caracteriza por su proceso simple, bajo costo y alta eficiencia, lo que lo hace adecuado para la producción de metalización rápida de algunos dispositivos de energía.

1. Relés de CC de alto-voltaje

Los relés de vacío que utilizan cerámica metalizada logran una conmutación sin arco-bajo alto voltaje a través de una estructura de aislamiento cerámico, lo que mejora significativamente la confiabilidad y la seguridad. Desempeñan un papel crucial en la prevención de la fuga térmica causada por arcos eléctricos. La estructura cerámica de la carcasa es insustituible para mantener el aislamiento, controlar los arcos eléctricos y resistir descargas eléctricas.

2. Módulos de potencia MOSFET IGBT y SiC

Los sustratos revestidos de cobre cerámico- (DBC/AMB) se consideran un material central para los principales inversores de vehículos de nueva energía debido a su alto aislamiento, alta disipación de calor, fuertes propiedades mecánicas y excelente adaptación a la expansión térmica. AMB, en particular, sobresale en la fuerza de unión y la confiabilidad de la capa metálica y la interfaz cerámica, y se ha convertido en el enfoque principal para muchos módulos de potencia de alto-rendimiento.

3. Embalaje LED e iluminación automotriz

La mayor parte de la energía de los chips LED se convierte en calor, lo que convierte a los sustratos cerámicos de alta conductividad térmica, como el AlN, en materiales de disipación de calor ideales para LED de alto-brillo y ultravioleta. Con el aumento continuo de la potencia de los sistemas de iluminación de automóviles, las cerámicas metalizadas están penetrando rápidamente en los módulos LED de alta-potencia.

Aunque existen varios métodos de metalización, persisten diferencias entre los diferentes procesos en términos de costo, fuerza de unión, estabilidad de producción y capacidades de fabricación a gran-escala. Cómo construir una capa metálica fuerte y resistente sobre cerámicas de alta conductividad térmica y garantizar la confiabilidad a largo plazo-durante los ciclos de alta y baja temperatura es una dirección clave para futuras investigaciones-en profundidad sobre la tecnología de metalización cerámica.

La alta densidad de potencia, las plataformas informáticas de conducción autónoma y las actualizaciones continuas de los sistemas de propulsión eléctrica impulsaráncerámica metalizada, cerámicas de alúmina metalizada, envases cerámicos y mecanizado de precisión de cerámica de alúmina en una gama más amplia de aplicaciones.