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陶瓷基板——半导体制冷的关键部件

来源：世展网分类：粉体工业行业资讯 2023-05-06 16:04 阅读：10178

现如今，电子通讯设备及信息产业飞速发展，电子元器件的轻量化、小体积、高功耗和高集成特性成为产品发展的主要趋势。对高性能芯片而言，表面热流密度约为20~50W/cm²，局部最高处热流密度甚至可达100W/cm²，对于特定用途的半导体芯片甚至高达1000W/cm²，这种发展趋势必将导致散热更困难。设备大量的热积聚不但会造成产品性能大幅度降低，产品体验感差，更严重时，甚至会造成设备无法工作、烧毁和爆炸等，给用户带来严重的财产损失和人身安全问题，解决电子设备的散热问题迫在眉睫。近年来，半导体制冷技术因为具有独特的优势引起学者广泛关注。 不同散热方式优缺点总结

什么是半导体制冷

半导体制冷即上表中的热电制冷技术（TEC），是一种基于帕尔帖效应原理的制冷技术，即利用当电流通过两种特定材料时会吸收和放出热量的原理进行制冷。因其主要部件多为热电能量转换效率高的半导体材料，所以又被称为半导体制冷（该名字并非是因为它适用于半导体芯片散热，而是因为该技术需采用半导体材料完成能量转换而散热）。其具有以下特点：

热电制冷片样品，来源：程浩等.电子封装陶瓷基板（1）体积小，质量轻。普通单级的TEC厚度仅有3~5mm，总体积不超过9cm³，质量为20g左右，微型TEC可以做到1W以下的功率，质量和体积甚至更小（<50mm³，<1g）；（2）TEC器件较稳定，易于维护，寿命相对较长，目前运用在航天设备中特制的TEC寿命可高达250000h以上；（3）结构简单，TEC由p-n节、铜连接片、陶瓷基板及导线构成，无运动部件，所以不会产生噪音；（4）温度响应快，仅需改变输入电流方向便能够更换冷热端；（5）无需流动介质，不会造成泄露，环境友好；（6）能够准确调控冷却温度，而效率几乎保持不变，在一些疫苗保存恒温箱中精度甚至可达0.01℃等。

TEC结构示意图

半导体制冷技术的广泛应用

TEC技术具有如此多优点，在学界广受赞誉。美国能源部前国务卿Majumdar A博士在《Nature》杂志中曾发文表示，热电制冷不失为半导体芯片散热的最优方式之一。BellLE在《Science》杂志中称，热电制冷技术必会在现有的散热方式中占据重要地位。

目前，TEC已在各个领域得到了应用。在消费电子领域，用于电子设备的散热、柔性可穿戴电子设备散热与发电、高清摄像头温控、工业除湿机和半导体芯片加工过程热管理等；在汽车领域，用于电动汽车电池的热管理、汽车座舱散热、汽车座椅散热、车载冰箱、汽车冷杯及汽车传感器热管理等；在医疗器械领域，如生物医药温控箱、医疗设备热管理、聚合酶链式反应仪、恒温培养箱和医疗美容减肥仪等；航天和军工领域，用于星载红外探测器的散热、导航和末端制导所用传感器温度控制，以提升精度等；在家电领域，已被用于热电空调和热电冰箱的设计；此外，TEC与光伏发电结合应用于建筑散热、TEC与热电发电（TEG）结合在实际工程中的应用和其他领域的应用。应用领域的逐渐拓宽也必然使TEC技术焕发出新的生机。

陶瓷基板——半导体制冷的关键部件

上面我们提到了一个半导体制冷技术的关键部件：陶瓷基板。半导体制冷器的导热绝缘层由陶瓷基板构成，陶瓷基板材料及厚度对半导体制冷器制冷效率有显著的影响。基板材料方面，目前常用的封装基板材料主要包括氧化铝陶瓷、氮化铝陶瓷等，其中氧化铝陶瓷因性价比较高应用最为广泛。氮化铝陶瓷基板由于其具有以下优点，被广泛地用于微型制冷片的制备中：（a）热导率高：氮化铝陶瓷具有较高的热导率，可以更有效地散热，从而提高微型制冷片的制冷效率。（b）热膨胀系数低：氮化铝陶瓷的热膨胀系数比氧化铝低，因此更适合与制冷芯片进行配合，可以有效减小由于热膨胀系数不匹配导致的热应力和热裂纹的问题。（c）化学稳定性好：氮化铝陶瓷具有良好的化学稳定性，可以耐受多种酸、碱和有机溶剂等化学介质的腐蚀，从而延长微型制冷片的使用寿命。

DPC陶瓷基板封装方式方面，由于热电制冷效率与半导体粒子数量呈正相关，单位面积粒子数量越多，热电制冷效率越高。DPC陶瓷基板图形精度高，可提高粒子布置密度，从而有效提高热电制冷效率。参考来源：[1]程浩等.电子封装陶瓷基板[2]高俊.半导体制冷器工艺设计对制冷性能的影响[3]马自钰.热电制冷器性能分析与改进方法研究[4]氮化铝陶瓷基板用于精密半导体制冷片封装的优势.富力天晟

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第二届半导体行业用陶瓷材料技术研讨会

在半导体芯片设备中，精密陶瓷零部件的成本约占10％左右，当前市场基本被美国、日本等发达国家垄断。如何实现光刻机等半导体设备中先进陶瓷部件的国产化，解决当前芯片行业“卡脖子”问题的重要一环，也是国内先进陶瓷企业面临的巨大机遇与挑战。同时，随着新能源汽车、5G、人工智能、物联网等行业的蓬勃发展，以碳化硅、氮化镓为代表的第三代宽禁带半导体材料产业规模不断扩大，先进陶瓷在半导体行业将迎来更大的应用市场。在此背景下，第二届半导体行业用陶瓷材料技术研讨会将在江苏苏州举办，旨在为半导体和先进陶瓷行业搭建沟通平台，交流先进技术，互通行业信息，促进产业链合作，推动国产替代进程。会议热诚欢迎行业专家、学者、技术人员、企业界代表出席，同时欢迎公司、企事业单位展示技术成果，洽谈产、学、研合作。

会务组

联系人：任海鑫

电话：18660985530（同微信）