陶瓷基板概述

陶瓷基板是指銅箔在高溫下直接鍵合到氧化鋁（Al2O3）或氮化鋁（AlN）陶瓷基片表面（單面或雙面）上的特殊工藝板。所制成的超薄復(fù)合基板具有優(yōu)良電絕緣性能，高導(dǎo)熱特性，優(yōu)異的軟釬焊性和高的附著強(qiáng)度，并可像PCB板一樣能刻蝕出各種圖形，具有很大的載流能力。因此，陶瓷基板已成為大功率電力電子電路結(jié)構(gòu)技術(shù)和互連技術(shù)的基礎(chǔ)材料。

陶瓷基板的用途

◆大功率電力半導(dǎo)體模塊；半導(dǎo)體致冷器、電子加熱器；功率控制電路，功率混合電路。

◆智能功率組件；高頻開關(guān)電源，固態(tài)繼電器。

◆汽車電子，航天航空及軍用電子組件。

◆太陽能電池板組件；電訊專用交換機(jī)，接收系統(tǒng)；激光等工業(yè)電子。

陶瓷基板的優(yōu)越性

◆陶瓷基板的熱膨脹系數(shù)接近硅芯片，可節(jié)省過渡層Mo片，省工、節(jié)材、降低成本；

◆減少焊層，降低熱阻，減少空洞，提高成品率；

◆在相同載流量下0.3mm厚的銅箔線寬僅為普通印刷電路板的10%；

◆優(yōu)良的導(dǎo)熱性，使芯片的封裝非常緊湊，從而使功率密度大大提高，改善系統(tǒng)和裝置的可靠性；

◆超薄型（0.25mm）陶瓷基板可替代BeO，無環(huán)保毒性問題；

◆載流量大，100A電流連續(xù)通過1mm寬0.3mm厚銅體，溫升約17℃；100A電流連續(xù)通過2mm寬0.3mm厚銅體，溫升僅5℃左右；

◆熱阻低，10×10mm陶瓷基板的熱阻0.63mm厚度陶瓷基片的熱阻為0.31K/W，0.38mm厚度陶瓷基片的熱阻為0.19K/W，0.25mm厚度陶瓷基片的熱阻為0.14K/W。

◆絕緣耐壓高，保障人身安全和設(shè)備的防護(hù)能力。

◆可以實(shí)現(xiàn)新的封裝和組裝方法，使產(chǎn)品高度集成，體積縮小。

陶瓷基板應(yīng)用于半導(dǎo)體制冷器

半導(dǎo)體制冷片，也叫熱電制冷片，它是利用半導(dǎo)體材料的Peltier效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)制冷或者制熱的產(chǎn)品。由帕爾貼效應(yīng)可知，通過在半導(dǎo)體致冷器的兩端加載一個(gè)適當(dāng)?shù)闹绷麟妷?，熱量就會從元件的一端流到另一端。此時(shí)，制冷器的一端溫度就會降低，而另一端的溫度就會同時(shí)上升。值得注意的是，只要改變電流方向，就可以改變熱流的方向，將熱量輸送到另一端。所以，在一個(gè)熱電制冷器上就可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)制冷和加熱兩種功能。

如圖所示的是一個(gè)最簡單、最基本的溫差電器件，由N、P兩種類型的半導(dǎo)體溫差電材料經(jīng)電導(dǎo)率較高的導(dǎo)流片串聯(lián)構(gòu)成。當(dāng)電流流過回路時(shí)，將在接頭A處發(fā)生吸熱，而在接頭B處放熱，使得T2>T1，因而在A、B兩端建立溫差ΔT=T2-T1。

根據(jù)帕爾貼效應(yīng)建立在冷端A處的熱平衡方程，可獲得該接頭處單位時(shí)間從外界進(jìn)入的熱量（制冷量）Qc為：

其中R為N、P電偶臂的電阻，αNP為N、P電偶臂的溫差電動勢總和，與制冷器的電偶臂對數(shù)有關(guān)；

I為通過回路的電流，

k為電偶臂的熱阻總和。

其中最重要的是陶瓷基板的應(yīng)用，只有陶瓷基板能夠耐高溫并且能夠快速散發(fā)熱量。

半導(dǎo)體致冷器的主要特點(diǎn)

半導(dǎo)體制冷器是一個(gè)小電壓，電流的特性，在一些中小功率熱量傳輸，但是需要復(fù)雜控溫的熱控過程中，可以提供很大的幫助。半導(dǎo)體致冷器并不能應(yīng)用在所有的領(lǐng)域，但在一些特定的情況下它是唯一的選擇。與其他制冷設(shè)備相比，熱電制冷器具有很多優(yōu)勢。其中包括：

●可以降溫到環(huán)境溫度以下：傳統(tǒng)的散熱器需要將溫度升高到環(huán)境溫度以上才可以使用，與其不同的是熱電制冷器具有將物體溫度降低到環(huán)境溫度以下的能力。

●同一器件可以滿足升溫和降溫的要求：熱電制冷器可以通過調(diào)整加載的直流電流的方向，調(diào)整制冷或者加熱模式。應(yīng)用這一特點(diǎn)就不必在給定體系內(nèi)加入另外獨(dú)立的加熱或者制冷功能元件。

●精確的溫度控制：由于熱電制冷器具有一個(gè)閉路溫度控制循環(huán)，它可以在±0.1℃范圍內(nèi)精確地控制溫度。

●高可靠性：由于全部為固態(tài)基構(gòu)造，熱電制冷器具有很高的可靠性。盡管某種程度上與應(yīng)用條件有關(guān)，但是典型熱電制冷器的壽命一般可以達(dá)到200，000小時(shí)以上。

●電子靜音：與傳統(tǒng)的機(jī)械式制冷器件不同，熱電制冷器在工作過程中基本上不會產(chǎn)生任何電子干擾信號，它可以與敏感的電子感應(yīng)器相連接，并不會干擾其工作。另外，它在運(yùn)行過程中也不會產(chǎn)生任何噪音。

●可以在任意角度下工作：熱電制冷器可以在任意角度和零重力狀態(tài)下工作。

●簡單方便的能源供給：熱電制冷器能夠直接使用直流電源，并且加載電源的電壓和電流能夠在很大范圍內(nèi)變化。在許多條件下，還可以使用脈沖寬度調(diào)制。

半導(dǎo)體制冷機(jī)工作原理

用導(dǎo)體連接兩塊不同的金屬，接通直流電，則一個(gè)接點(diǎn)處溫度降低，另一個(gè)接點(diǎn)處溫度升高。若將電源反接，則接點(diǎn)處的溫度相反變化。這一現(xiàn)象稱為珀耳帖效應(yīng)，又稱熱-電效應(yīng)。純金屬的熱-電效應(yīng)很小，若用一個(gè)N型半導(dǎo)體和一個(gè)P型半導(dǎo)體代替金屬，效應(yīng)就大得多。接通電源后，上接點(diǎn)附近產(chǎn)生電子-空穴對，內(nèi)能減小，溫度降低，向外界吸熱，稱為冷端。另一端因電子-空穴對復(fù)合，內(nèi)能增加，溫度升高，并向環(huán)境放熱，稱為熱端。一對半導(dǎo)體熱電元件所產(chǎn)生的溫差和冷量都很小，實(shí)用的半導(dǎo)體制冷器是由很多對熱電元件經(jīng)并聯(lián)、串聯(lián)組合而成，也稱熱電堆。單級熱電堆可得到大約60℃的溫差，即冷端溫度可達(dá)-10～-20℃。增加熱電堆級數(shù)即可使兩端的溫差加大。但級數(shù)不宜過多，一般為2～3級。