氮化鋁覆銅板在空間熱場下熱學(xué)性能的模擬仿真及實驗驗證

何端鵬, 高鴻, 張靜靜, 吳杰, 劉泊天, 王向軻

氮化鋁覆銅板在空間熱場下熱學(xué)性能的模擬仿真及實驗驗證

何端鵬1, 高鴻1, 張靜靜1, 吳杰2, 劉泊天1, 王向軻1

(1. 中國空間技術(shù)研究院 材料可靠性中心, 北京 100094; 2. 山東航天電子技術(shù)研究所, 煙臺 264670)

氮化鋁(AlN)陶瓷具有高導(dǎo)熱、高電阻率、良好的尺寸穩(wěn)定性以及優(yōu)異的力學(xué)性能等特性, 被認(rèn)為是新一代高性能陶瓷基板和封裝的首選材料。本研究探討了高性能陶瓷在空間電子系統(tǒng)的應(yīng)用潛力, 對AlN材料的基礎(chǔ)性能進(jìn)行了分析, 重點(diǎn)分析了AlN陶瓷材料及其覆銅板的熱傳導(dǎo)性能, 從理論上分析了AlN材料及覆銅板的熱特性, 并通過仿真模擬對理論值進(jìn)行了分析驗證, 最后探討了AlN陶瓷覆銅板在空間熱循環(huán)模擬環(huán)境下的熱傳導(dǎo)性能。結(jié)果表明AlN陶瓷的導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)174.1 W×m–1×K–1, 覆銅板比純氮化鋁陶瓷具有更高的熱擴(kuò)散系數(shù), 而熱特性的仿真結(jié)果與理論計算一致。最后空間環(huán)境模擬試驗表明, AlN材料在溫度循環(huán)環(huán)境下的熱傳導(dǎo)性能非常穩(wěn)定。

空間; 氮化鋁; 覆銅板; 熱導(dǎo)率; 理論計算; 仿真

為響應(yīng)我國航天器發(fā)展的新趨勢, 型號衛(wèi)星的電源控制器也朝著高頻、高密度、高功率、高可靠性、微型化、多功能化方向發(fā)展。然而, 系統(tǒng)的密度及功率的增加則會凸顯散熱問題: 結(jié)構(gòu)損壞、性能惡化、甚至燒毀等。而器件的散熱性能依賴于散熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計、散熱材料(散熱基板)的選用及封裝的工藝等。其中, 基板材料的選用是關(guān)鍵環(huán)節(jié), 不僅影響器件的成本, 而且影響器件的性能及可靠性。電源控制器起到調(diào)控能量在太陽能電池陣、分流器、電池充電調(diào)節(jié)器、電池放電調(diào)節(jié)器以及蓄電池之間進(jìn)行適當(dāng)分配的作用, 從而使主母線上的電壓穩(wěn)定在一個恒定的水平, 并為星上設(shè)備提供能量。

航天器的電源控制器為了節(jié)省空間, 不斷提升元器件的安裝密度, 功率晶體管、功率二極管都采用表面貼裝(SMD)的方式組裝, 而且功耗大于1 W的所有表面貼裝的功率晶體管、功率二極管都采用高性能陶瓷板作為導(dǎo)熱基板。選用高性能陶瓷板的原因包括: 1) 不能直接將SMD封裝器件安裝在機(jī)殼上散熱, 只能將其焊裝在高導(dǎo)熱載體上, 再將載體安裝在機(jī)殼上。2) 常用的印制板材料FR-4的線膨脹系數(shù)較高(一般大于10–5/K), 與SMD器件材料的線膨脹系數(shù)(一般為(4~7)×10–6/K)不匹配, 若在FR-4材料的印制板上直接焊裝器件, 有造成焊點(diǎn)開裂或器件本體開裂的風(fēng)險, 降低產(chǎn)品的可靠性。因此設(shè)計電源控制器產(chǎn)品時, 使用導(dǎo)熱性能優(yōu)良、尺寸穩(wěn)定的陶瓷基板可解決與SMD封裝器件的散熱以及線膨脹系數(shù)匹配性的問題。

傳統(tǒng)的陶瓷基板材料有氧化鋁(Al2O3)陶瓷和氧化鈹(BeO)陶瓷, 但是Al2O3陶瓷基板導(dǎo)熱率很低(~30W/(m×K)), 而且線膨脹系數(shù)與Si不相匹配。純度大于99%、致密度99%以上的BeO陶瓷, 其室溫下的導(dǎo)熱率可達(dá)310W/(m×K), 但是生產(chǎn)成本高且具有毒性, 導(dǎo)致它的推廣和應(yīng)用受到限制[1]。氮化鋁(AlN)陶瓷具有導(dǎo)熱率高、熱膨脹小、電阻率高、優(yōu)異的耐熱震性及良好的力學(xué)性能等特性, 被認(rèn)為是新一代“高性能”、“性能一體化”的理想導(dǎo)熱基板材料[2]。在國外, 19世紀(jì)70年代首次制備合成了AlN粉體, 直到20世紀(jì)50年代,才首次制得AlN陶瓷。由于當(dāng)時粉體制備方法及燒結(jié)技術(shù)的限制, 材料的致密度較低, 機(jī)械強(qiáng)度也不高。但隨著人們對非氧化物陶瓷研究的重視, AlN逐漸開始得到廣泛的發(fā)展。空間電源控制器可優(yōu)選高性能AlN陶瓷導(dǎo)熱基板。導(dǎo)熱基板由AlN基材板上下分別覆上等厚度的銅層組成, 如圖1(a)紅色虛線框所示, 氮化鋁陶瓷基板實物如圖1(b)所示。本研究探討了高性能陶瓷在空間電子系統(tǒng)的應(yīng)用潛力, 選取氮化鋁及其覆銅板作為研究對象, 對AlN材料的基礎(chǔ)性能進(jìn)行了分析, 重點(diǎn)分析了AlN陶瓷材料及其覆銅板的熱傳導(dǎo)性能, 從理論上分析了AlN材料對體系熱傳導(dǎo)的影響, 并通過仿真模擬對理論計算進(jìn)行了驗證, 最后探討了AlN陶瓷覆銅板在空間熱交變環(huán)境中導(dǎo)熱性能的穩(wěn)定性。

圖1 氮化鋁陶瓷覆銅板(a)示意圖及(b)實物圖

1 實驗方法

1.1 實驗材料

實驗材料為韓國KIC公司生產(chǎn)的氮化鋁(成分: 97%AlN+3%Y2O3)及其覆銅板。

1.2 性能測試

用場發(fā)射掃描電鏡(MEILIN 6169, Zeiss)對氮化鋁陶瓷進(jìn)行微觀形貌觀察。采用X射線衍射儀(X-ray diffraction, Rigaku)對試樣進(jìn)行相結(jié)構(gòu)分析, 掃描范圍2=10°~80°, 掃描速率5(°)/min。用MTS6104型電子萬能試驗機(jī)測定樣品的彎曲強(qiáng)度及彈性模量。基于阿基米德原理采用排水法測定氮化鋁陶瓷的密度(), 用差示掃描量熱儀(DSC 200 F3 NETZSCH)測試氮化鋁陶瓷的比熱容(p), 采用激光閃射儀(LFA 467, NETZSCH) 測試氮化鋁陶瓷的熱擴(kuò)散系數(shù)(), 并通過如下公式(1)計算得到導(dǎo)熱系數(shù)。

=×p×(1)

1.3 仿真模擬分析

溫度場仿真模擬分析采用有限元分析軟件。為了更好地分析電源控制器中使用到陶瓷覆銅板的溫度場, 避免不必要因素的影響, 減少計算量, 對體系進(jìn)行了以下簡化與假設(shè): ①電源控制器由于工作發(fā)熱傳輸?shù)臒崃恳詼囟刃问骄鶆虻貍鲗?dǎo); ②假設(shè)陶瓷材料的熱導(dǎo)率是完美的各向同性。

1.4 空間環(huán)境模擬試驗

主要模擬了空間溫度循環(huán)環(huán)境。試驗過程為: 將溫度傳感器貼于試件表面, 并對試件進(jìn)行了預(yù)烘去潮處理, 溫度70 ℃, 1 h。設(shè)置試驗條件: (1)溫度范圍是–55~+100 ℃; (2)循環(huán)次數(shù)500次; (3)熱循環(huán)溫度梯度不超過10 ℃/min; (4)高低溫極限溫度停留時間15 min。

2 結(jié)果與討論

2.1 氮化鋁陶瓷性能

采用X射線對試樣進(jìn)行晶體結(jié)構(gòu)分析, 本實驗對二組試樣分別進(jìn)行了檢測。圖2為檢測結(jié)果, 兩組試樣分別標(biāo)識為XRD-1及XRD-2, 兩組試樣的圖譜基本一致, 說明材料均勻性較好, 各組次一致。通過X射線標(biāo)準(zhǔn)圖譜比對可看出, 探測到的特征峰與AlN標(biāo)準(zhǔn)卡片(JCPDS NO 25-1133)特征峰一致。除此之外, 從XRD衍射峰中也能識別出YAG相(3Y2O3/5Al2O3)的存在[3-5], 與制備工藝中助劑的添加吻合。值得注意的是, 為了提升AlN陶瓷的致密度, 降低燒結(jié)溫度, 一般通過加入燒結(jié)助劑, 促進(jìn)形成晶界相, 可有效降低燒結(jié)溫度。

圖3(a)為AlN陶瓷斷面掃描電鏡照片, 從照片可以看出, 氮化鋁形貌呈現(xiàn)出完善的多面體顆粒狀晶粒, 晶粒之間面面緊密接觸, 致密程度較高, 晶界棱邊清晰。研究證明, AlN是比較穩(wěn)定的, 但AlN與氧具有較強(qiáng)的化學(xué)親和性, 因此AlN容易被氧化, 氧化速率取決于AlN本體材料的活性及其表面狀態(tài), AlN中氧的存在會導(dǎo)致本體材料性能的退化[6-7]。見圖3(b)示意圖, 從結(jié)構(gòu)決定性能的角度分析, 示意圖揭示了晶界狀態(tài)對導(dǎo)熱系數(shù)的影響機(jī)理: 制備工藝中不加助劑, 晶界形成大量包含殘余氧的固溶體及尖晶石層, 導(dǎo)熱系數(shù)最小(=80~100 W×m–1×K–1); 制備工藝中添加助劑, 晶界只形成包含殘余氧的石榴石窄帶, 導(dǎo)熱系數(shù)較大(=150~200 W×m–1×K–1); 制備工藝中添加助劑以及還原氣氛, 去除晶界殘余氧, 導(dǎo)熱系數(shù)最大(=240~270 W×m–1×K–1)[8-9]。從氮化鋁的晶界狀態(tài)可看出屬于后兩種類型的形貌, 氮化鋁具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)。

圖2 AlN陶瓷的XRD圖譜

氮化鋁陶瓷基材的力學(xué)性能檢測結(jié)果顯示, 室溫彎曲強(qiáng)度及彈性模量的平均值和離散系數(shù)分別為: 446 MPa/4.3%、317 GPa/1.1%, 說明氮化鋁材料的力學(xué)性能優(yōu)異, 而且檢測數(shù)據(jù)離散度很小, 證實氮化鋁陶瓷的均勻性較好。

2.2 導(dǎo)熱性能

由AlN陶瓷體積密度(檢測結(jié)果平均值為3.296 g/cm3, 離散系數(shù)為0.015%)、比熱容p及熱擴(kuò)散系數(shù)計算得到材料的導(dǎo)熱系數(shù), 導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的變化曲線如圖4, AlN陶瓷在–55~100 ℃下的導(dǎo)熱系數(shù)在低溫和高溫時具有較大的差異, 呈現(xiàn)出溫度升高, 其導(dǎo)熱系數(shù)逐漸減小的規(guī)律。常溫下, AlN陶瓷的導(dǎo)熱系數(shù)為174.1 W×m–1×K–1, 檢測結(jié)果證實了上述掃描電鏡微觀形貌觀察中的結(jié)構(gòu)決定性能的分析。

圖5(a)為氮化鋁陶瓷及其覆銅板的實物照片, 從外觀上觀察基板表面無裂紋、污點(diǎn)、刮傷等表面缺陷。覆銅板為氮化鋁陶瓷雙面覆銅而成, 銅層與氮化鋁陶瓷結(jié)合牢固, 不存在裂縫。進(jìn)一步采用激光閃射儀檢測得到了覆銅板熱擴(kuò)散系數(shù)。同時將覆銅板與純氮化鋁的熱擴(kuò)散系數(shù)進(jìn)行對比分析, 見圖5(b), 說明覆銅板與純氮化鋁的熱擴(kuò)散系數(shù)都隨著溫度的升高而降低。但在檢測的溫度范圍內(nèi), 覆銅板相比氮化鋁具有更優(yōu)的熱擴(kuò)散性能, 這是由于銅在室溫及高溫具有比氮化鋁更高的熱擴(kuò)散系數(shù)(Cu: ~110 mm2/s, AlN: 50~80 mm2/s)[10], 因此, 氮化鋁經(jīng)過表面覆銅, 比氮化鋁陶瓷具有更高的熱擴(kuò)散系數(shù)。

圖3 (a)AlN的微觀晶粒形貌及(b)晶界對導(dǎo)熱系數(shù)的影響機(jī)理示意圖

圖4 不同溫度下AlN陶瓷的導(dǎo)熱系數(shù), 插圖為比熱容及熱擴(kuò)散的檢測數(shù)據(jù)

圖5 氮化鋁陶瓷及其覆銅板的(a)實物照片和(b)熱擴(kuò)散系數(shù)

2.3 氮化鋁陶瓷及覆銅板熱特性理論分析

圖6為陶瓷覆銅板安裝于機(jī)箱的三維模型, 其中, 黑色為電子元器件, 白色為氮化鋁覆銅板, 黃色為鋁基碳化硅襯底, 藍(lán)色為機(jī)箱外殼。該體系的傳熱路徑為: 熱量通過元器件引線導(dǎo)熱及元器件與印制電路板之間的接觸傳熱傳到氮化鋁陶瓷覆銅板, 通過覆銅板再傳到襯底, 最終傳到機(jī)箱。陶瓷覆銅板安裝于機(jī)箱中不同位置, 考慮最惡劣工況, 各陶瓷覆銅板熱耗k分別為: 16.3、28.7 W。陶瓷板1的尺寸為: 37.7 mm×27.2 mm, 面積為1=1025.44 mm2, AlN厚度及銅層厚度分別為AlN=0.635 mm、Cu= 0.3 mm+0.3 mm=0.6 mm; 陶瓷板2的尺寸為: 54.4 mm×27.2 mm, 面積為2=1479.68 mm2, AlN厚度及銅層厚度分別為AlN=0.635 mm、Cu=0.3 mm+ 0.3 mm=0.6 mm。襯底厚度為2.5 mm, 殼體厚度5 mm。

根據(jù)航天器熱設(shè)計公式(2)、(3)[11]:

圖6 陶瓷覆銅板三維模型

因此, 電源控制器工作時, 以陶瓷覆銅板 1 作為傳熱通道, 工作器件與襯底的最大溫差為:

以陶瓷覆銅板 2 作為傳熱通道, 工作器件與襯底的最大溫差為:

通過上述理論計算發(fā)現(xiàn), 考慮在最極端最惡劣工況下, 由于氮化鋁陶瓷出色的導(dǎo)熱性能, 工作器件與襯底最大的溫差僅為0.10~0.15 ℃, 說明器件工作產(chǎn)生的熱量能夠快速通過該氮化鋁覆銅板傳導(dǎo)至襯底。

針對模塊的等效熱阻網(wǎng)絡(luò)如圖7, 系統(tǒng)的總熱阻為:

因此, 系統(tǒng)工作時, 器件與外殼之間最大的溫差為:

當(dāng)外殼溫度(環(huán)境溫度)為0時, 通過上述理論分析可知, 內(nèi)部器件溫度比外殼溫度高4.63 ℃。

2.4 熱仿真分析

基于2.3中的理論分析, 進(jìn)一步通過仿真模擬分析系統(tǒng)的熱特性。設(shè)置機(jī)箱外殼(環(huán)境溫度)溫度為60 ℃, 仿真過程忽略螺釘、引線等的影響。仿真運(yùn)算獲得控制器工作時的熱場分布如圖8(a)所示, 從結(jié)果看出, 在器件工作熱耗為28.7 W的條件下, 當(dāng)機(jī)箱外殼溫度為60 ℃時, 器件的溫度為60.33~ 65.27 ℃, 比外殼溫度高5 ℃左右, 與理論計算結(jié)果較為吻合。

圖7 模塊的等效熱阻網(wǎng)絡(luò)

表1 各部件的熱物理參數(shù)

氮化鋁陶瓷及覆銅板經(jīng)歷500次“–55 ℃→+100 ℃→–55 ℃”空間溫度循環(huán)模擬試驗, 根據(jù)氮化鋁陶瓷熱循環(huán)試驗后材料屬性的變化, 同時假設(shè)其他各部件材料的物性參數(shù)穩(wěn)定, 不隨溫度變化而變化, 進(jìn)一步仿真模擬分析了系統(tǒng)在經(jīng)歷500次熱循環(huán)后的熱場分布。同樣設(shè)置模型環(huán)境溫度為60 ℃, 由圖8(b)可看出, 器件的溫度分布在60.32~65.30 ℃之間, 各處溫度分布比較均勻, 比外殼溫度依然只高5 ℃左右, 說明經(jīng)歷熱循環(huán)500次后, 系統(tǒng)依然保持與熱循環(huán)前近似的溫升, 熱傳導(dǎo)性能穩(wěn)定。

2.5 空間溫度循環(huán)環(huán)境耐受性驗證

材料性能的變化除了與材料的原始組織的變異和測試誤差有一定關(guān)系外, 也與可能產(chǎn)生的環(huán)境效應(yīng)有關(guān)。因此, 本研究進(jìn)一步探討了溫度循環(huán)環(huán)境對氮化鋁材料性能的影響。對經(jīng)歷500次溫度循環(huán)試驗后的AlN陶瓷材料的熱傳導(dǎo)性能進(jìn)行了分析。圖9顯示溫度循環(huán)前后AlN材料的熱擴(kuò)散系數(shù)及導(dǎo)熱系數(shù)基本沒有大的變化, 說明AlN材料在空間溫度循環(huán)環(huán)境下熱傳導(dǎo)性能非常穩(wěn)定, 幾乎不受影響。

圖8 控制器熱場分布仿真圖

圖9 空間溫度循環(huán)模擬試驗對(a)氮化鋁陶瓷材料熱擴(kuò)散和(b)熱傳導(dǎo)性能的影響

圖10 溫度循環(huán)試驗(a)前(b)后AlN陶瓷材料的掃描電鏡照片

Fig. 10 Scanning electron microscope photographs of AlN ceramics (a) before and (b) after temperature cycle test

同樣從結(jié)構(gòu)性能關(guān)系的角度探討了AlN陶瓷材料在溫度循環(huán)試驗前后的微觀組織結(jié)構(gòu)的變化。圖10(a~b)分別為溫度循環(huán)試驗前后的AlN陶瓷材料的顯微組織照片, 呈現(xiàn)出完善的多面體顆粒狀晶粒, 致密程度較高, 晶界棱邊清晰, 并且晶粒大小接近, 晶界狀態(tài)基本一致, 說明溫度循環(huán)試驗前后AlN陶瓷材料的微觀組織無明顯變化。根據(jù)前文分析, 可從微觀組織結(jié)構(gòu)上說明AlN材料在溫度循環(huán)環(huán)境下熱擴(kuò)散系數(shù)及導(dǎo)熱系數(shù)保持穩(wěn)定的緣由。

3 結(jié)論

1)探討了高性能氮化鋁陶瓷在空間電子系統(tǒng)的應(yīng)用潛力。通過XRD分析、掃描電鏡觀察及導(dǎo)熱性能檢測表明, 材料主成分為AlN, 有YAG相的存在, 陶瓷致密度高, 晶粒晶界棱邊清晰, 電鏡觀察到的晶界狀態(tài)可推測材料具有較優(yōu)異的導(dǎo)熱性能, 實測導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)174.1 W×m–1×K–1, 而且氮化鋁覆銅板比純氮化鋁陶瓷具有更高的熱擴(kuò)散系數(shù)。

2) 氮化鋁陶瓷覆銅板應(yīng)用于器件時的熱特性仿真結(jié)果與理論計算吻合。

3) 空間環(huán)境模擬試驗表明, AlN材料在溫度循環(huán)環(huán)境下熱傳導(dǎo)性能保持穩(wěn)定。

[1] CHENG HAO, CHEN MING-XIANG, HAO ZI-LIANG,. Progress of technologies and applications of ceramic substrate for the packaging of power electronics., 2016, 35(1): 7–11.

[2] HE DUAN-PENG, GAO HONG, WANG XIANG-KE,. High thermal conductive and electric isolative aluminum nitrides and their application for space electronics., 2017, 4(3): 186–192.

[3] LIU YE, QIN MING-LI, ZHANG LIN,. Solution combustion synthesis of Ni?Y2O3nanocomposite powder., 2015, 25(1): 129?136.

[4] KUME S, YASUOKA M, LEE S K,. Dielectric and thermal properties of AlN ceramics., 2007, 27(8/9): 2967–2971.

[5] HUANG LIN-YUN, LI CHEN-HUI, KE WEN-MING,. Effect of rare earth oxides on electrical properties of spark plasma sintered AlN ceramics., 2015, 30(3): 267–271.

[6] HUANG M R S, ERNI R, LIU C P. Influence of surface oxidation on the valence electron energy-loss spectrum of wurtzite aluminum nitride., 2013, 102(6): 061902.

[7] JARRIGE J, LECOMPTE J P, MULLOT J,. Effect of oxygen on the thermal conductivity of aluminium nitride ceramics., 1997, 17: 1891–1895.

[8] FUMIO MIYASHIRO, NOBUO IWASE, AKIHIKO TSUGE,. High thermal conductivity aluminum nitride ceramic substrates and packages., 1990, 13(2): 313–319.

[9] XUE JIAN-FENG, LI JUN, ZHOU GUO-HONG,. Fabrication of aluminum nitride by electrophoretic deposition., 2009, 24(6): 1151–1154.

[10] 劉光啟, 馬連湘, 劉杰. 化學(xué)化工物性數(shù)據(jù)手冊, 無機(jī)卷, 2002.

[11] Thermal Design Handbook for Reliability of Electronic Equipment: GJB 27–92.

Simulation and Experimental Verification of Thermal Property for Aluminum Nitrides and Copper Clad Laminates under Space Thermal Environment

HE Duan-Peng1, GAO Hong1, ZHANG Jing-Jing1,WU Jie2, LIU Bo-Tian1,WANG Xiang-Ke1

(1. Material Reliability Center, China Academy of Space Technology, Beijing 100094, China; 2. Shandong Institute of Space Electronic Technology, Yantai 264670, China)

Aluminum nitrides (AlN), which possess high thermal conductivity, high electrical resistivity, good dimensional stability and excellent mechanical property, have been considered the preferred materials as a new generation of high-performance ceramic substrate and packaging materials. In this paper, the application potential of ceramics in space electronic systems is discussed. And the basic capabilities of AlN were analyzed. Heat transfer property of AlN and its copper clad laminate were of selective and theoretical analysis, which were further verified by simulation. Finally, the thermal conductive performance of AlN in the simulated space thermal cycle environment was discussed. The results show that the thermal conductivity is up to 174.1 W×m–1×K–1and the thermal diffusivity of copper clad laminates is higher than that of pure aluminum nitrides. The simulation results of thermal characteristics are in agreement with the theoretical calculation. The final space environment simulation tests indicate that the thermal conductive capabilities of aluminum nitrides remain extremely stable.

aerospace; aluminum nitride; copper clad laminate; thermal conductivity; theoretical calculation; simulation

TQ174

A

1000-324X(2019)09-0947-06

10.15541/jim20180559

2018-11-29;

2019-1-22

中國空間技術(shù)研究院宇航物資保障事業(yè)部自主研發(fā)項目(ZY-WZB-2018-05)

Independent Research and Development of China Aerospace Components Engineering Center (ZY-WZB-2018-05)

何端鵬(1990–), 男, 碩士, 工程師. E-mail: hedp09@163.com

高鴻, 高級工程師. E-mail: gaohong_cast@sina.com