Применение алюмооксидных керамических подложек в теплопроводящих материалах (ТИМ) и конструкционных изоляционных слоях

В мощных электронных системах и светодиодных системах освещения управление теплом при обеспечении электроизоляции имеет решающее значение для надежности. Тепловые интерфейсные материалы (ТИМ) заполняют воздушные зазоры между источниками тепла и радиаторами, усиливая тепловой поток, а структурные изоляционные слои обеспечивают надежную электрическую изоляцию и механическую поддержку. Керамические подложки из оксида алюминия уникальным образом выполняют обе функции диэлектрического теплового интерфейса: они эффективно проводят тепло как ТИМ и обеспечивают электрическую изоляцию как специализированный изолятор. Такого сочетания высокой теплопроводности и высокой диэлектрической прочности трудно достичь с помощью обычных материалов, что делает керамику из оксида алюминия (Эл₂O₃) все более важной в приложениях от светодиодных драйверов до высоковольтных силовых модулей. Инженеры в области светодиодного освещения, силовой электроники, медицинских источников питания и корпусирования полупроводников обращаются к керамическим подложкам из оксида алюминия для улучшения рассеивания тепла и долговременной надежности.

Керамические подложки из оксида алюминия ценятся за баланс термических, электрических и механических характеристик:

Высокая теплопроводность

96% оксид алюминия обеспечивает теплопроводность около ≥24 Вт/м·К, что значительно выше, чем у типичных полимерных изоляторов (у которых теплопроводность часто <5 Вт/м·К). Это означает, что оксид алюминия эффективно отводит тепло от горячих компонентов к радиаторам. Он может работать при высоких температурах (температура плавления оксида алюминия составляет ~2050 °C), значительно превышающих возможности полимерных материалов, что делает его пригодным для устройств, работающих в условиях высоких температур или агрессивных сред.

Отличная электроизоляция

Оксид алюминия — электроизолятор с электрической прочностью, часто превышающей 17 кВ/мм. На практике тонкая подложка из оксида алюминия может выдерживать напряжение в тысячи вольт без пробоя. Её объёмное удельное сопротивление составляет ≥10^14 Ом·см, что обеспечивает минимальный ток утечки. Кроме того, диэлектрические потери оксида алюминия очень низки, что важно в высокочастотных и радиочастотных цепях. Благодаря своим высоким диэлектрическим свойствам подложки из оксида алюминия могут использоваться для высоковольтной изоляции в силовых модулях и источниках питания.

Высокая механическая прочность и стабильность

Керамика на основе оксида алюминия отличается высокой прочностью. Подложка из 96% оксида алюминия обычно имеет прочность на изгиб ≥350 МПа, что означает, что она может выдерживать механические нагрузки и монтажное давление без растрескивания (при условии надлежащей поддержки). Она износостойка, химически инертна и практически не поглощает воду, поэтому не разбухает и не разрушается во влажной среде. Коэффициент теплового расширения оксида алюминия ниже, чем у металлов, что способствует снижению термических напряжений в корпусах. В отличие от слюды или пластиковых пленок, подложки из оксида алюминия не стареют и не деформируются со временем, а также выдерживают циклические перепады температур без потери целостности.

Устойчивость к высоким температурам и окружающей среде

Оксид алюминия сохраняет стабильность при температурах значительно выше 300 °C, в то время как многие полимерные изоляторы (например, полиимид или силикон) начинают разрушаться при температуре выше 150–200 °C. Он негорюч и часто соответствует стандарту УЛ 94V-0 без добавок. Оксид алюминия также устойчив к коррозии: он не реагирует с большинством химикатов и влагой. Это делает его пригодным для использования в суровых условиях и в высоконадежных системах (например, в моторных отсеках автомобилей или промышленной силовой электронике), где стандартные материалы печатных плат или силиконовые прокладки могут выйти из строя.

Экономически выгодно для керамики

Хотя оксид алюминия дороже плит FR-4 или простых слюдяных листов, он значительно доступнее экзотической керамики, такой как нитрид алюминия (AlN). Он обеспечивает хорошее соотношение цены и качества: значительно лучшие тепловые характеристики и надёжность по сравнению с полимерами при разумной цене для высокопроизводительных приложений. Благодаря этому балансу оксид алюминия становится практичным выбором, когда применение материалов с чистыми характеристиками (таких как AlN или BeO) не оправдано.

 Подводя итог, можно сказать, что алюмооксидные керамические подложки сочетают в себе хорошую теплопроводность, превосходную электроизоляцию, механическую прочность и термическую стабильность. Эти свойства определяют их роль как в качестве термоэлектрических материалов (ТИМ), так и в качестве изолирующих структурных слоёв в электронных сборках.

Как керамические подложки из оксида алюминия работают в приложениях ТИМ

Керамическая подложка из оксида алюминия может выполнять функцию термоинтерфейса, а также служить структурным изолирующим слоем в устройстве. Вот как это работает:

Механизм теплопроводности

При использовании в качестве термоэлектрического интермодуляционного материала (например, в качестве прокладки или подложки между силовым устройством и радиатором) высокая теплопроводность оксида алюминия обеспечивает быстрый отвод тепла через него. Керамическая подложка заменяет или дополняет более мягкие термоэлектрические интермодуляционные материалы (ТИМ), обеспечивая прямой путь теплопередачи с меньшим тепловым сопротивлением, чем толстые прокладки или воздушные зазоры. Тонкая прокладка из оксида алюминия, даже толщиной 0,5–1 мм, эффективно отводит тепло от основания транзистора или светодиодного модуля к радиатору.

Электроизоляция и диэлектрическая изоляция

Подложки из оксида алюминия одновременно действуют как диэлектрический изолятор. В типичном случае слой оксида алюминия располагается между высоковольтным компонентом и заземлённым радиатором или шасси. Он надёжно изолирует их, выдерживая высокие напряжения (порядка киловольт) без пробоя. Эта двойная функция – передача тепла и блокировка электричества – делает оксид алюминия «диэлектрическим тепловым интерфейсом». Например, в силовых модулях керамическая подложка может отводить тепло от кристаллов БТИЗ, изолируя их от металлического основания. Таким образом, слой оксида алюминия служит структурным изолирующим слоем в стеке, заменяя такие материалы, как слюда, эпоксидная смола или полиимидные плёнки, которые традиционно использовались исключительно для электроизоляции.

Структурная поддержка

В отличие от пастообразных или гелевых термоэлектродных преобразователей (ТИМ), керамическая подложка представляет собой жёсткий конструкционный материал. Она обеспечивает механическую стабильность: компоненты можно монтировать непосредственно на алюминиевую подложку (припаивать или закреплять зажимами), а подложку можно прикручивать или зажимать к радиатору или корпусу. Алюминиевые подложки часто служат физическим носителем схемы – например, в гибридной толстоплёночной схеме или силовом модуле алюминиевая подложка одновременно служит и печатной платой, и теплораспределителем. Даже в качестве отдельной изолирующей прокладки (например, под транзистором) керамическая подложка обеспечивает прочную основу, не деформирующуюся под давлением. Это может повысить однородность сборки (не нужно беспокоиться о сжатии или вытекании электролита). Однако жёсткость означает, что поверхности должны быть плоскими и параллельными; равномерное давление важно для предотвращения растрескивания керамики или устройства. При правильном монтаже (с использованием винтов с шайбами ​​или пружинных зажимов) алюминиевые изолирующие прокладки довольно прочны и «не ломаются» при нормальном использовании. Они сохраняют свою форму и производительность даже при высоком усилии зажима и циклическом изменении температуры, в отличие от слюды, которая может треснуть, или силиконовых прокладок, которые могут ползти.

Характеристики интерфейса

Керамические термоизоляционные материалы (ТИМ) из оксида алюминия обычно поставляются в полированной или глазурованной форме для минимизации шероховатости поверхности. Такая отделка поверхности способствует достижению хорошего теплового контакта. В некоторых конструкциях подложка из оксида алюминия может иметь металлизированные дорожки или контактные площадки для пайки (например, непосредственное соединение меди с оксидом алюминия в силовых модулях), поэтому она служит и схемой, и ТИМ. В других случаях это пустая керамическая деталь, используемая исключительно в качестве изолятора — например, керамические термоизоляционные прокладки для стандартных корпусов транзисторов (К-220, К-247 и т. д.) вырезаются по форме для монтажных отверстий и просто вставляются между транзистором и радиатором. Керамические термоизоляционные прокладки из оксида алюминия (белые) для силовых транзисторов обеспечивают высокотеплопроводный, электроизолирующий интерфейс. Эти жесткие керамические термоизоляционные прокладки заменяют слюду и смазку, обеспечивая более чистое и долговечное решение для ТИМ. Такие прокладки из оксида алюминия позволяют теплу отводиться к радиатору, сохраняя при этом изоляцию, эффективно выполняя ту же функцию, что и силиконовая прокладка или слюдяная смазка, но с цельным, прочным элементом. Результатом часто является снижение температуры перехода и улучшение высокочастотных характеристик устройства, поскольку керамика имеет меньшее тепловое сопротивление и вносит меньшую емкостную связь, чем гибкие полимерные изоляторы.

 Керамические подложки из оксида алюминия выполняют многофункциональную функцию термоэлектрического инжекторного решения: они проводят тепло как специальная термопрокладка, изолируют как диэлектрический слой и обеспечивают механическую стабильность, обеспечивая прочное монтажное основание. Это уникальное сочетание оптимизирует теплоотвод и обеспечивает изоляцию в одном компоненте.

Типичное применение

Керамические подложки из оксида алюминия находят применение во многих отраслях промышленности, где требуется сочетание эффективного охлаждения и электроизоляции. Ниже приведены некоторые типичные области применения и причины выбора оксида алюминия:

 Модули светодиодных драйверов и освещения

Светодиоды высокой яркости и их драйверные схемы генерируют значительное количество тепла в компактных сборках. Алюминиевые подложки часто используются либо в качестве монтажных плат светодиодов, либо в качестве изоляции для электронных драйверов. Например, в светодиодных сборках КОБ (Чип-На-Доска) в качестве материала платы часто используется оксид алюминия или аналогичная керамика, которая одновременно рассеивает тепло и изолирует светодиоды от металлического корпуса. Аналогично, в модулях драйверов питания светодиодов (преобразователи переменного тока в постоянный для освещения) используются изоляционные пластины из оксида алюминия для изоляции высоковольтных секций от радиаторов. Высокая теплопроводность керамики увеличивает срок службы светодиодов, сохраняя холодными переходы, а ее изоляция позволяет безопасно крепить светодиодные модули к металлическим корпусам. Схема драйвера светодиодов, построенная на круглой алюмокерамической подложке, обеспечивает эффективное рассеивание тепла и высоковольтную изоляцию. В светодиодном освещении использование изоляционных слоев из алюмокерамики может снизить потребность в дополнительных радиаторах или вентиляторах, что позволяет создавать компактные конструкции ламп. Надежность керамики (отсутствие высыхания и старения) особенно ценится в светодиодных системах, которые должны работать десятки тысяч часов.

Силовые полупроводниковые модули (БТИЗ/МОП-транзистор и силовые модули OEM)

Возможно, наиболее распространённое применение подложек из оксида алюминия находит в силовых модулях, например, в модулях инверторов БТИЗ, мостовых модулях МОП-транзистор и автомобильных блоках управления питанием. В этих модулях часто используются конструкции с прямым медным покрытием (ДБК) или аналогичные, где слой алюмооксидной керамики расположен между медными платами и металлическим основанием. Оксид алюминия служит диэлектрическим тепловым интерфейсом: он переносит тепло от полупроводниковых приборов к основанию или радиатору, выдерживая при этом высокие напряжения шины постоянного тока (600 В, 1200 В и более в инверторах электромобилей). В таких модулях подложки из алюмооксидной керамики обеспечивают электрическую изоляцию каждого силового кристалла от радиатора без необходимости использования отдельных слюдяных или контактных изоляторов. Они также обладают низкой паразитной ёмкостью, что благоприятно для высокочастотной коммутации (снижение электромагнитных помех). Инженеры-производители силовых модулей OEM предпочитают оксид алюминия за его проверенную историю – 96% оксид алюминия экономически эффективен и обладает достаточными теплозащитными характеристиками для многих конструкций. Для ещё большей плотности мощности некоторые используют керамику на основе нитрида алюминия (AlN), но оксид алюминия остаётся популярным материалом для многих промышленных и автомобильных модулей благодаря своей высокой надёжности и механической прочности при циклических нагрузках. Кроме того, коэффициент теплового расширения (КТР) оксида алюминия ближе к полупроводниковым материалам, чем у металлов, что снижает термическую нагрузку на паяные соединения в этих модулях.

Источники питания и высоковольтная электроника

Источники питания переменного/постоянного тока (в том числе для медицинских приборов и промышленного оборудования) часто требуют изоляции между высоковольтными компонентами и шасси или радиаторами. Изолирующие пластины из оксида алюминия используются для крепления силовых транзисторов, выпрямителей или регуляторов напряжения на радиаторах в импульсных источниках питания (SMPS). Они обеспечивают необходимую диэлектрическую изоляцию (соответствуя стандартам по путям утечки и зазорам) и эффективно отводят тепло от таких устройств, как МОП-транзисторы или диоды, к охлаждающему корпусу. В высоковольтных/мощных источниках питания использование керамического изолирующего слоя вместо нескольких слоев термопрокладки и изолятора может упростить сборку и улучшить теплопроводность. Медицинские источники питания особенно выигрывают от керамических термоизоляционных материалов благодаря их долговременной стабильности и отсутствию газовыделения, что важно для соответствия строгим стандартам надежности и защиты от загрязнений в медицинских условиях. Инженеры, разрабатывающие модули питания для медицинского оборудования, учитывают, что подложки из оксида алюминия не содержат силиконовых масел (которые могут мигрировать или выделяться) и выдерживают температуру стерилизации или интенсивную эксплуатацию без ухудшения характеристик. Результатом является более холодный, безопасный и долговечный силовой агрегат.

 Платы для корпусирования полупроводников и СВЧ-устройств

Керамические подложки из оксида алюминия широко используются в качестве подложек для корпусов силовых полупроводников и СВЧ/РЧ-компонентов. Например, мощные СВЧ-транзисторы и корпуса лазерных диодов могут использовать основание из оксида алюминия, которое монтируется на радиатор. Основание из оксида алюминия не только рассеивает тепло, но и обеспечивает стабильную герметичную платформу, которая согласует тепловое расширение с кристаллом. В СВЧ-приложениях диэлектрические свойства оксида алюминия (умеренная диэлектрическая проницаемость 9,5 и низкие потери) делают его пригодным для построения схем с контролируемым импедансом непосредственно на подложке, если это необходимо. В этих сценариях подложка из оксида алюминия по сути является структурным изолирующим слоем корпуса устройства — она изолирует электрически находящуюся под напряжением схему от металлического корпуса, одновременно проводя тепло к этому корпусу. По сравнению с традиционными печатными платами с металлической основой или пластиковыми корпусами, керамические корпуса обеспечивают более высокую рассеиваемую мощность и надежно работают при высоких температурах. Кроме того, в датчиках или медицинских имплантируемых устройствах, которые генерируют тепло, биосовместимость и стабильность оксида алюминия могут быть преимуществом (например, оксид алюминия иногда используется в подложках имплантируемых устройств из-за его изоляции и биоинертности).

 Во всех этих областях применения – от светодиодных модулей до инверторов БТИЗ – подложки из оксида алюминия позволяют создавать конструкции, которые работают с меньшим тепловыделением и более безопасны. Они позволяют инженерам повышать плотность мощности за счет более эффективного отвода тепла, сохраняя при этом изоляцию в условиях высокого напряжения. Результатом часто является повышение производительности и долговечности конечного продукта.

Сравнение с традиционными материалами 

Как теплоизоляционные материалы/изоляторы на основе оксида алюминия соотносятся с более традиционными теплоизоляционными материалами и материалами для теплоизоляции? Ниже представлено сравнение основных альтернатив:

Силиконовая смазка (термопаста)

Термопаста — распространённый термоизоляционный материал (ТИМ), используемый для заполнения микроскопических зазоров между устройством и радиатором. Высококачественные смазки могут иметь теплопроводность около 3–10 Вт/м·К и хорошо смачивать поверхности, обеспечивая низкое контактное сопротивление. Однако смазка не обеспечивает структурной поддержки или электроизоляции. Фактически, многие смазки не являются электроизоляционными (те, которые обычно содержат наполнители на основе оксида алюминия или оксида цинка). Смазка также страдает от перекачивания и высыхания со временем — она может мигрировать, притягивать пыль и требует аккуратного повторного нанесения при замене компонента. При сборке смазка пачкается и может усложнить производство (её нанесение занимает много времени, и её необходимо избегать на поверхностях пайки или разъёмов). Керамические прокладки из оксида алюминия устраняют эти проблемы: они представляют собой чистые, многоразовые изоляторы, которые после установки не требуют обслуживания. Хотя смазка может изначально обеспечивать немного меньшее сопротивление интерфейса на сверхплоских поверхностях, разница невелика, если керамическая прокладка тонкая и используется с небольшим количеством смазки. Для большинства высокомощных приложений надежность и чистота оксида алюминия перевешивают небольшое преимущество смазки в тепловых характеристиках. Вот почему производители разработали силиконовые прокладочные материалы как «альтернативу без смазки» десятилетия назад - и алюмооксидная керамика является продолжением этой философии, обеспечивая тепловые характеристики, подобные смазке, но без беспорядка. Листы слюдяного изолятора: слюда (природный минерал) много лет используется в качестве электроизоляционной шайбы, особенно при монтаже транзисторов. Слюда обладает превосходными электрическими свойствами (диэлектрическая прочность часто составляет 5 кВ/мм) и поставляется в виде тонких листов (~0,05–0,1 мм). Однако теплопроводность слюды плохая (порядка 0,3–0,5 Вт/м·К), а открытый слюдяной изолятор имеет высокое тепловое сопротивление. По этой причине слюду необходимо использовать вместе с термопастой на обеих сторонах, чтобы получить хорошую теплопередачу. Это усложняет сборку (смазка с двух сторон), и если слюда треснет (что легко возможно из-за хрупкости), тепловые характеристики и изоляция могут пострадать. В отличие от этого, изолятор из алюмооксидной керамики обладает гораздо более высокой теплопроводностью (не менее 20 Вт/м·К) и часто может использоваться большей толщины (0,5–1 мм), при этом превосходя по теплопроводности комбинацию слюда+смазка. Оксид алюминия также более прочен в обращении; хотя это керамика и может расколоться, хорошо обожженная подложка из оксида алюминия обычно прочнее тонкой слюды, которая расслаивается. Недостатком является стоимость: слюда очень дешева, тогда как алюмооксидная керамика дороже в расчете на единицу продукции. Но для высоконадежных и энергоемких конструкций стоимость оправдывается повышением производительности и надежности (не требуется обслуживание смазки, нет неожиданных отказов слюды). Подводя итог, можно сказать, что алюмооксидные керамические прокладки представляют собой современный вариант изоляторов из слюды, обеспечивая лучшую теплопроводность и механическую прочность.

 Полиимидные пленки (например, Каптон)

Полиимидная пленка — еще один изоляционный материал, используемый в некоторых стеках ТИМ. Она обладает высокой диэлектрической прочностью и может быть очень тонкой (25–125 мкм), что помогает снизить тепловое сопротивление при использовании с термопастой. Сам по себе полиимид имеет чрезвычайно низкую теплопроводность (около 0,1 Вт/м·К), поэтому его обычно комбинируют с воском, смазкой или клеем для формирования изоляционной ленты или прокладки. Например, некоторые изоляционные прокладки используют полиимидную подложку с теплопроводящим покрытием. Полиимид ценится за свою прочность и гибкость — он не трескается, как слюда, и может выдерживать высокие температуры (до ~200 °C) без плавления. Однако в условиях высокой мощности тонкая пленка может по-прежнему быть узким местом для теплового потока, а ее тонкость может быть недостатком при высоком напряжении (для очень высокого напряжения требуется несколько слоев). Керамические подложки из оксида алюминия, напротив, ещё лучше выдерживают высокие температуры и могут обеспечить высокую диэлектрическую изоляцию в одном слое благодаря толщине материала и значительно более высокой теплопроводности. Полиимидные изоляторы широко распространены в электронике средней мощности, но при экстремальных тепловых нагрузках керамические изолирующие слои превосходят их, обеспечивая изоляцию при значительно более низком тепловом импедансе. Полиимид можно использовать в недорогих или маломощных корпусах, но при высокой плотности мощности или когда предпочтительна жёсткая изолирующая структура, следует перейти на алюмооксидную керамику.

Прокладки из силиконовой резины (прокладки для зазоров/теплопроводящие прокладки)

Эластомерные прокладки на основе силикона (часто с наполнителем из керамических частиц) являются популярным решением для термопластичного инжекторного ... Если поверхности достаточно плоские, то прокладка из оксида алюминия (возможно, с тонким слоем смазки) обычно превосходит силиконовую прокладку большей толщины. С механической точки зрения жесткость оксида алюминия может быть недостатком, если поверхности шероховатые или неровные — в этих случаях мягкая прокладка может обеспечить лучший контакт. Но при условии хорошего сопряжения поверхностей отсутствие сжимаемости керамики не является проблемой, а ее более высокая проводимость дает о себе знать. Фактически, в высокочастотных или быстропереключающихся схемах использование керамического изолятора может улучшить характеристики, поскольку оно снижает паразитную емкость и не вносит затухания, которое могла бы вносить мягкая прокладка. Производители отмечают улучшение стабильности на высоких частотах при замене силиконовых изоляторов керамическими. Суть: силиконовые прокладки удобны и достаточны для многих применений, но для наилучших тепловых и диэлектрических характеристик прокладки из оксида алюминия имеют преимущество (с оговоркой о тщательном монтаже).

Другие современные материалы

Оксид алюминия — не единственная керамика в городе. Нитрид алюминия (AlN) — это керамика с очень высокой теплопроводностью (более 170 Вт/м·К) и хорошей изоляцией, что делает его привлекательной, но более дорогой альтернативой. BeO (оксид бериллия) обеспечивает ещё более высокую теплопроводность (~200–300 Вт/м·К), но токсичен в обращении (пыль бериллия опасна) и поэтому потерял популярность. В некоторых специализированных ТИМ для повышения теплопроводности используются гексагональный нитрид бора или другие керамические волокна в композите. По сравнению с ними оксид алюминия находится в золотой середине между доступной ценой, простотой производства и адекватными характеристиками. Он может иметь более низкую теплопроводность, чем AlN, но подложки из оксида алюминия гораздо более распространены и стоят, возможно, втрое или меньше при эквивалентном размере. В большинстве приложений (светодиоды, силовые модули и т. д.) можно обеспечить свои тепловые требования с помощью оксида алюминия, регулируя толщину или используя металлические оболочки, не прибегая к более дорогому AlN. Тем не менее, если для конкретного применения абсолютно необходима максимальная теплопроводность и позволяет бюджет, можно использовать керамические изоляционные слои на основе нитрида алюминия (и многие поставщики предлагают как оксид алюминия, так и нитрид алюминия). На практике в большинстве керамических теплоизоляционных материалов для достижения баланса используется оксид алюминия, а нитрид алюминия используется только для удовлетворения самых современных потребностей.

Традиционные материалы для термопластичных интермедиатов и изоляторов имеют свои ниши, но алюмооксидные керамические подложки сочетают в себе многие из их лучших качеств (теплопроводность смазок, изоляционные свойства слюды, стабильность полиимида и возможность повторного использования контактных площадок), минимизируя при этом недостатки (отсутствие загрязнения, отсутствие значительного ухудшения характеристик). Это делает алюмооксидную керамику привлекательным выбором при проектировании устройств с высокой плотностью мощности и надёжностью.