本文摘要:作者简介:付耀耀,博士,中国科学院宁波质料所智库中心主管,江厦智库《中国新基建与5G智慧都会》课题组专家。本文预计阅读20分钟▼新型轻量化金属基复合质料及其航天应用(一)概述新型轻量化金属基复合质料为实现电子封装质料的规模工业化,满足半导体芯片集成度沿摩尔定律提高导致芯片发烧量急剧升高、使用寿命下降以及电子封装的“轻薄微小”的生长需求。

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作者简介:付耀耀,博士,中国科学院宁波质料所智库中心主管,江厦智库《中国新基建与5G智慧都会》课题组专家。本文预计阅读20分钟▼新型轻量化金属基复合质料及其航天应用(一)概述新型轻量化金属基复合质料为实现电子封装质料的规模工业化,满足半导体芯片集成度沿摩尔定律提高导致芯片发烧量急剧升高、使用寿命下降以及电子封装的“轻薄微小”的生长需求。尤其在航空航天、微波集成电路、功率模块、军用射频系统芯片等封装方面作用极为凸现,成为航天电子产物封装质料应用开发的重要趋势,同时是为航天电子产物轻量化的重要生长之一。(二)新型轻量化金属基复合质料的分类新型轻量化金属基复合质料大致可分为以下五种:(1)PMC(polymer matrix composites):聚合矩阵复合质料。

(2)MMC(metal matrix composites):包罗种种金刚是粉末增强金属基复合质料等。SiC粉末增强铝质料(Al/SiC)是使用得最广的电子产物封装质料。

其中Al/SiC微波封装,以及作为固体或流的印制板电路热沉被广泛应用于种种各样航天航行器系统中;(3)CCC(carbon/carbon composites):陶瓷矩阵复合质料,强度硬度都较好,且不像单晶碳质料易脆,有些具有很高的导热率。这种质料现在应用于热处置惩罚领域还比力有限。(4)CMC(ceramic matrix composites):陶瓷矩阵复合质料。

金刚石粉末强化碳化硅质料散热器现在被使用于IBM条记本电脑。(5)MCM(monolithic carbonaceous materials):单晶碳质料。包罗CVD金刚石膜,高导向热解石墨等,是极富有生长潜力的电子封装质料。

(三)金属基复合质料的航天应用1. CVD金刚石膜接纳金刚石热沉(散热片)的大功率半导体激光器已经用于光通信。有人把天然Ⅱa型金刚石单晶热沉用于解决微波和激光二极管器件的散热问题,所用金刚石单晶热沉片的尺寸在1mm2左右,只能用于单个激光二极管器件。

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大面积高热导CVD金刚石膜的泛起使其在高功率激光二极管阵列(LDA)和其它微电子和光电子器件的热治理应用成为可能。典型的激光二极管阵列是由200m宽600m长,距离200m的交织点,在10mm幅度上漫衍的激光二极管器件。需要长度为10mm的金刚石膜作导热片,这对于CVD金刚石膜技术来说是毫无问题的。

高热导率金刚石膜制备方面,最高热导率水平已经到达18.5w/m.k,具备了制备大面积高热导率金刚石膜热沉晶片的能力。金刚石热沉的另一越发诱人的应用前景是用于正在生长之中的多芯片组装技术(MCM- Multi Chip Modules),这一技术的目的是把许多超大规模集成电路芯片以三维的方式精密排列联合成为超小型的超高性能器件,而这些芯片的散热则是该技术的关键,显然金刚石膜是解决这一技术难题最理想的质料。金刚石膜作为微电子器件的封装质料的优越性是显而易见的,这是因为金刚石的高热导率,高电阻率和与硅器件质料在热膨胀系数上的良好匹配性。

任何一种现有的封装质料都无法和金刚石膜封装质料比美。2.石墨铝Alltek Company USA Inc引进两种先进的石墨铝复合封装质料,Algraph7和Algraph4。

该产物应用与波音公司用它来加工Spaceway卫星通讯系统中K波段T/R模块的管壳。石墨铝复合质料具有轻质低密度、热膨胀系数同砷化镓和氧化铝LTC相匹配、热传导性能高、加工和电镀利便。

另外,具有其他多种类似应用:军用无线通讯系统、IGBT底座和其他功率半导体器件应用。和传统的碳硅铝合金质料相比,Algraph7更轻、热传导性能更高、生产成本更低。而且,由于是从库存板材直接加工而来且无需夹具成本,所以样品制作快捷、自制。

Algraph是由带石墨纤维的铸铝加工而来,这些石墨纤维被排列在XY平面上已获得稳定的应力结构和基板相匹配的热膨胀系数。通过控制在铝中的石墨含量辈分比,Algraph的热膨胀系数可被定制成实际需要的值。现同传统的封装质料相比,Algraph有特殊的质料特性。

Algraph有2.46g/cm3的低密度,它远比其他所有传统的封装质料要轻,甚至碳硅铝质料。可是,Algraph的热传导性却要比除了纯铜外的其他大多数质料要好。同时,我们可以设定热膨胀系数和基板匹配,来淘汰热烈化。

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Algraph质料的使用能大大降低整体器件的重量和体积,同时带来可靠的性能和低结点温度。3. 其他超高导热质料碳-碳质料也是一种高导热质料,其密度为铜的1/4、高导热率(石墨单晶的理论导热系数可到达2400W/m.k)、热膨胀系数低、性能稳定(耐辐照、导热性能随外界情况的变化很小),是以后高导热质料的主要生长偏向之一。

现在外洋已研制出导热系数凌驾1000W/m.k的碳-碳导热质料。针对高功率电子器件所需的高效散热器质料和导热填充质料,开展了以掺杂再结晶石墨、高定向石墨、柔性石墨、中间镶嵌沥青泡沫石墨、碳-碳复合质料为代表的高导热碳基复合质料的研制事情。深入、系统的考察了易石墨化的有机物前驱体(如中间相沥青、聚酰亚胺薄膜)的热转化行为及微晶结构演变历程和排列方式,为展现高导热碳质料所以来的物理结构基础奠基学科基础。

通过接纳热压工艺和催化石墨化技术,研制出多种类型的高导热碳质料,其中双组元(Ti Si)再结晶石墨的热导率达494W/(m.k),柔性石墨箔质料的热导率达610-650W/m.k,双向拉伸聚酰亚胺薄膜所制高定向石墨热导率到达823-975W/m.k。(如需转载,请注明泉源)。


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专家看法|新质料及其在航天的应用——新型轻量化金属基复合质料

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