今天咱们来聊聊什么是爬电距离和电气间隙哈。先说说电气间隙，简单讲就是两个导电的部件之间，或者导电部件和设备用来防护的那个界面之间，能测量出来的最短的空间距离。这个距离很关键哦，它是在能保证电气性能又稳定又安全的前提下，靠空气来实现绝缘的最短距离。也就是说，有了这个距离，电在空气里跑的时候才不会出乱子，不会随便跑到不该去的地方，保证我们用电安全和设备正常工作。 再来说说爬电距离，它呢，是沿着绝缘材料的表面去测量的，是两个导电部件之间或者导电部件与设备防护界面之间的最短路径。为啥叫 “爬电” 距离呢？就是在不同的使用情况下呀，导体周围的绝缘材料会被电极化，这就会让绝缘材料好像带上了电一样，形成一个带电的区域，这个带电区域的半径就是我们说的爬电距离啦。 好啦，现在大家知道了什么是爬电距离和电气间隙，那它们到底是怎么计算的呢？下面我就来给大家详细讲讲。 一般来说，爬电距离要求的数值比电气间隙要求的数值要大，布线时须同时满足这两者的要求（即要考虑表面的距离，还要考虑空间的距离），开槽（槽宽应大于1mm）只能增加表面距离即爬电距离而不能增加电气间隙。 所以当电气间隙不够时，开槽是不能解决这个问题的，开槽时要注意槽的位置、长短是否合适，以满足爬电距离的要求。 元件及PCB 的电气隔离距离 （电气隔离距离指电气间隙和爬电距离的综合考虑）对于Ⅰ类设备的开关电源 ● 一类设备：采用基本绝缘和保护接地来进行防电击保护的设备。（外壳接地的开关电源属于此类设备）； ● 二类设备：采用不仅仅依靠基本绝缘的其它方式（如采用双重绝缘或加强绝缘）来进行防电击保护的设备； ● 三类设备：不会产生电击的危险的设备）,在元件及PCB 板上的隔离距离如下：（下列数值未包括裕量）。 a、对于AC—DC 电源（以不含有PFC 电路及输入额定电压范围为100-240V～为例） b、对于AC—DC 电源（以含有PFC 电路及输入额定电压范围为100-240V～为例） c、对于DC—DC 电源（以输入额定电压范围为36-76V 为例） 一、变压器内部的电气隔离距离 变压器内部的电气隔离距离是指变压器两边的挡墙宽度的总和，如果变压器挡墙的宽度为3mm，那么变压器的电气隔离距离值为6mm（两边的挡墙宽度相同）。 如果变压器没有挡墙，那么变压器的隔离距离就等于所用胶纸的厚度。另外，对于AC-DC 电源，变压器初、次间绕组应用三层胶纸隔离，DC-DC 电源，可只用二层胶纸隔离。 下列数值未包括裕量： 注：变压器的引脚如果没有套上绝缘套管，那么在引脚处的隔离距离可能也仅为胶纸加挡墙的厚度，所以变压器的引脚需要套上绝缘套管且套管要穿过挡墙。 空间距离(Creepage distance)：在两个导电组件之间或是导电组件与物体界面之间经由空气分离测得最短直线距离; 沿面距离(clearance)：沿绝缘表面测得两个导电组件之间或是导电组件与物体界面之间的最短距离. 沿面距离(clearance)不满足标准要求距离时：PCB 板上可采取两个导电组件之间开槽的方法，导电组件与外壳、可触及部分之间距离不够，则可将导电组件用绝缘材料包住。 将导电组件用绝缘材料包住既解决了空间距离(Creepage distance)也解决了沿面距离(clearance)问题，此方法一般用在电源板上变压器和周边组件之间距离不够时，将变压器包住。 另外可在不影响产品功能的情况下适当降低两导体之间的电压差。 二、电气间隙的决定 根据测量的工作电压及绝缘等级，即可决定距离 一次侧线路之电气间隙尺寸要求，见表3 及表4 二次侧线路之电气间隙尺寸要求通常：一次侧交流部分：保险丝前L—N≥2.5mm，L.N PE（大地）≥2.5mm，保险丝装置之后可不做要求，但尽可能保持一定距离以避免发生短路损坏电源。 一次侧交流对直流部分≥2.0mm 一次侧直流地对大地≥2.5mm （一次侧浮接地对大地） 一次侧部分对二次侧部分≥4.0mm，跨接于一二次侧之间之元器件 二次侧部分之电隙间隙≥0.5mm 即可 二次侧地对大地≥1.0mm 即可 附注：决定是否符合要求前，内部零件应先施于10N 力，外壳施以30N 力，以减少其距离，使确认为最糟情况下，空间距离仍符合规定。 三、爬电距离的决定 通常： （1）一次侧交流部分：保险丝前L—N≥2.5mm，L.N 大地≥2.5mm，保险丝之后可不做要求，但尽量保持一定距离以避免短路损坏电源。 （2）一次侧交流对直流部分≥2.0mm （3）一次侧直流地对地≥4.0mm 如一次侧地对大地 （4）一次侧对二次侧≥6.4mm，如光耦、Y 电容等元器零件脚间距≤6.4mm 要开槽。 （5）二次侧部分之间≥0.5mm 即可 （6）二次侧地对大地≥2.0mm 以上 （7）变压器两级间≥8.0mm 以上 四、绝缘穿透距离 应根据工作电压和绝缘应用场合符合下列规定： ——对工作电压不超过50V（71V 交流峰值或直流值），无厚度要求； ——附加绝缘最小厚度应为0.4mm； ——当加强绝缘不承受在正常温度下可能会导致该绝缘材料变形或性能降低的任何机械应力时的，则该加强绝缘的最小厚度应为0.4mm。 如果所提供的绝缘是用在设备保护外壳内，而且在操作人员维护时不会受到磕碰或擦伤，并且属于如下任一种情况，则上述要求不适用于不论其厚度如何的薄层绝缘材料； ——对附加绝缘，至少使用两层材料，其中的每一层材料能通过对附加绝缘的抗电强度试验； ——由三层材料构成的附加绝缘，其中任意两层材料的组合都能通过附加绝缘的抗电强度试验； ——对加强绝缘，至少使用两层材料，其中的每一层材料能通过对加强绝缘的抗电强度试验； ——由三层绝缘材料构成的加强绝缘，其中任意两层材料的组合都能通过加强绝缘的抗电强度试验。 五、有关于布线工艺注意点 如电容等平贴元件，必须平贴，不用点胶如两导体在施以10N 力可使距离缩短，小于安规距离要求时，可点胶固定此零件，保证其电气间隙。 有的外壳设备内铺PVC 胶片时，应注意保证安规距离（注意加工工艺）零件点胶固定注意不可使PCB 板上有胶丝等异物。 在加工零件时，应不引起绝缘破坏。 六、有关于防燃材料要求 热缩套管V—1 或VTM—2 以上；PVC 套管V—1 或VTM—2 以上 铁氟龙套管V—1 或VTM—2 以上；塑胶材质如硅胶片，绝缘胶带V—1 或VTM—2 以上 PCB 板94V—1 以上 七、有关于绝缘等级 （1）工作绝缘：设备正常工作所需的绝缘 （2）基本绝缘：对防电击提供基本保护的绝缘 （3）附加绝缘：除基本绝缘以外另施加的独*立绝缘，用以保护在基本绝缘一旦失效时仍能防止电击 （4）双重绝缘：由基本绝缘加上附加绝缘构成的绝缘 （5）加强绝缘：一种单一的绝缘结构，在本标准规定的条件下，其所提供的防电击的保护等级相当于双重绝缘 八、爬电距离的确定 首先需要确定绝缘的种类： 基本绝缘：一次电路与保护地 工作绝缘① ：一次电路内部；二次电路内部 工作绝缘② ：输入部分（输入继电器之前）内部，二次电路与保护地 加强绝缘：一次电路与二次电路；输入部分与一次电路；充电板输出与内部线路再查看线路，确定线路之间的电压差 表一：爬电距离 最后，从下表中查出对应的爬电距离 表二爬电距离（适用于基本绝缘、工作绝缘② 、加强绝缘） 九、电气间隙的确定 首先需要确定绝缘的种类： 基本绝缘：一次电路与保护地 工作绝缘① ：一次电路内部；二次电路内部 工作绝缘② ：输入部分（输入继电器之前）内部，二次电路与保护地 加强绝缘：一次电路与二次电路；输入部分对一次电路；充电板输出与内部电路再查看线路，确定线路之间的电压差 最后，从下表中查出对应的电气间隙 表三电气间隙（适用于一次电路与二次电路间、一次电路内、输入电路、输入电路与其他电路） 十、设定爬电距离及电气间隙的基本步骤 1、确定电气间隙步骤 确定工作电压峰值和有效值； 确定设备的供电电压和供电设施类别； 根据过电压类别来确定进入设备的瞬态过电压大小；' 确定设备的污染等级（一般设备为污染等级2）； 确定电气间隙跨接的绝缘类型（功能绝缘、基本绝缘、附加绝缘、加强绝缘）。 2、确定爬电距离步骤 确定工作电压的有效值或直流值； 确定材料组别（根据相比漏电起痕指数，其划分为：Ⅰ组材料，Ⅱ组材料，Ⅲa组材料, Ⅲb 组材料。注：如不知道材料组别，假定材料为Ⅲb 组）； 确定污染等级； 确定绝缘类型（功能绝缘、基本绝缘、附加绝缘、加强绝缘）。 3、确定电气间隙要求值 根据测量的工作电压及绝缘等级，查表（ 4943：2H 和2J 和2K，60065-2001表：表8 和表9 和表10） 检索所需的电气间隙即可决定距离；作为电气间隙替代的方法，4943 使用附录G 替换，60065-2001 使用附录J 替换。 GB 8898-2001：电器间隙考虑的主要因素是工作电压，查图9 来确定。（对和电压有效值在220-250V 范围内的电网电源导电连接的零部件，这些数值等于354V峰值电压所对应的那些数值：基本绝缘3.0mm ,加强绝缘6.0mm） 4、确定爬电距离要求值 根据工作电压、绝缘等级及材料组别，查表(GB 4943 为表2L，65-2001 中为表11）确定爬电距离数值，如工作电压数值在表两个电压范围之间时，需要使用内差法计算其爬电距离。 GB 8898-2001 其判定数值等于电气间隙，如满足下列三个条件，电气间隙和爬电距离加强绝缘可减少2mm,基本绝缘可减少1mm： 1）这些爬电距离和电气间隙会受外力而减小，但它们不处在外壳的可触及导电零部件与危险带电零部件之间； 2）它们靠刚性结构保持不变； 3）它们的绝缘特性不会因设备内部产生的灰尘而受到严重影响。 *注意：但直接与电网电源连接的不同极性的零部件间的绝缘，爬电距离和电气间隙不允许减小。基本绝缘和附加绝缘即使不满足爬电距离和电气间隙的要求，只要短路该绝缘，设备仍满足标准要求，则是可以接受的（ 8898 中4.3.1 条）。 *GB 4943 中只有功能绝缘的电气间隙和爬电距离可以减小，但必须满足标准5.3.4 规定的高压或短路试验。 5、确定爬电距离和电气间隙注意 可动零部件应使其处在最不利的位置； 爬电距离值不能小于电气间隙值； 承受了机械应力试验。
1．零序电流保护的各段保护范围是如何划分的？ 零序电流I段躲过本线路末端接地短路流经保护的最大零序电流整定；不能保护线路的全长，但不应小于被保护线路全长的15%～20%；零序II段一般保护线路的全长，并延伸到相邻线路的I段范围内，并与之配合。零序III段是I、II段的后备段，并与相邻线路配合。 2．电动机运行中出现不正常声响原因是什么？ 答：电气方面：（1）绕组接地或相间短路：（2）绕组匝间短路；（3）绕组或部分线圈的极性接错；（4）缺相运行。机械方面：（1）风扇叶片触碰端罩；（2）轴承严重磨损或滚珠损坏；（3）轴承内环与轴接触不牢；（4）扫膛。 3．接通电源后三相异步电动机不能起动怎么办？ 答：（1）用试电笔检查湘电源是否有电；（2）检查电源开关是否良好；（3）检查电动机熔断器；（4）检查电动机接线板上接头；（5）检查电动机是否断路；（6）检查定转子绕组有无短路故障。 4．电动机不能采用直接起动方式起动怎么办？ 答：（1）星一三角起动器；（2）自藕变压器起动器；（3）电阻、电抗降压起动。 5．哪些电气设备必须进行接地或接零保护？ 答：1）发电机变压器、高低压电器；2）电力设备传动装置；3）互感器二次线圈；4）配电盘和控制盘的框架 6．什么叫接地短路电流？什么叫对地电压？ 答：电气设备发生某相接地时，其接地部分与大电位等于零处的电位差；当发生接地短路时，通过接入点流入地中的短路电流。 7．错误操作隔离开关后应如何处理？ （1）错拉隔离开关时，刀闸刚离开静触头便发生电弧，这时立即合上，就可以消弧，避免事故，若刀闸已全部拉开，则不许将误拉的刀闸再合上； （2）错拉隔离开关时，即使合错，甚至在合闸时发生电弧，也不准再拉开，因为带负荷刀闸会造成三相弧光短路。 8．倒顺开关的用途是什么？ 答：主要是用来控制小容量电动机做正反转全压起动 9．重复接地的作用是什么？ 答：1）降低漏电设备外壳的对地电压；2）减轻零线断线时的危险 10．变压器差动保护在变压器空载投入时民营检查哪些内容？ 变压器的差动保护，在新安装时必须将变压器在额定电压下做5次空载试验。在作空载投入之前，应对二次接线进行检查，并确保正确无误。空载投入试验应在变压器的大电源侧和低压侧进行，这是因为系统阻抗及变压器饿漏抗能起限制励磁涌流的作用，而大电源侧系统阻抗小，且一般变压器低压绕组绕在里面，漏抗较小，故在大电源和低压侧投入时涌流较大。在试验中，保护装置一次也不应动作，否则应增大继电器的动作电流。 11．电气设备过热有哪几种情况？ 答：主要是电流产生的热量造成的包括以下几种：（1）短路；（2）过载；（3）接触不良；（4）铁芯发热；（5）散热不良。 12．什么叫负荷率？怎样提高负荷率？ 答：负荷率是一定时间内的平均有功负荷与最高有功负荷之比的百分数，用以衡量平均负荷与最高负荷之间的差异程度，要提高负荷率，主要是压低高峰负荷和提高平均负荷。 13．什么是保护接地？什么叫重复接地？ 答：把变压器的低压侧中性点接地的配电系统中，将零线上一处或多处通过接地的配电系统中，将零线的一处或多处通过接地装置与大地紧密联接；是将平时不带电的电器设备的金属外壳通过接地体与大地紧密连接。 14．什么叫R、L、C并联谐振？ 电阻、电感和电容相并联的电路，在一定频率的正弦电源作用下，出现电路端电压和总电流同相，整个电路呈阻性的特殊状态，这个状态叫并联谐振。 15．什么叫接地短路？ 答：运行中的电气设备和电力线路，如果由于绝缘损坏而使带电部分碰触接地的金属构件或直接与大地发生连接时称接地短路。 16．什么叫变压器的利用率？ 答：运行变压器的实际输出功率与其额定输出功率的比值。 17. 怎样判别电气设备四种基本状态？ 1）“运行中”状态，断路器和隔离开关已合闸，电源与设备接通。 2）“热备用”状态、断路器已断开，电源中断，设备停运，但断路器两边的隔离开关仍接通。 3）“冷备用”状态，设备断路器和隔离开关已断开。 4）“检修中”状态，设备断路器和隔离开关断开，并已悬挂标识牌，没有遮栏，同时接好地线。 18．怎样提高功率因数？ 采用自然调整： （1）尽量减少变压器和电动机的浮装容量； （2）提高设备利用率减少空载运行； （3）三角形接线电动机改为星形接线，人工调整，安装电容器是最经济、最有效的方法。 19．怎样选择电容器组的接线方式？ 应根据电容器的电压，保护方式和容量来选择。当电容器的额定电压与网络额定电压一致时，采用三角形接线；当电容器的额定电压低于网络额定电压时，采用星形接线 20．什么是过流保护？ 当线路上发生短路时，其重要特征是线路中电流急剧增大，当电流超过某一预定数值时，反应于电流开关而动作的保护装置。 21．二次回路包括哪些部分？ 一、按电源性质分： （1）交流电流回路由电流互感器二次侧供电全部回路 （2）交流电压回路，由电压互感器二次侧及三相五柱电压、互感器开口三角供电的全部回路 （3）直流回路，直流系统的全部回路； 二、按回路用途来分： （1）测量回路 （2）继电保护回路 22．什么是电容器？ 电容器也称容电器，是一种静止的电器设备，可容纳电荷，当电荷向外释放时便形成电流是一种储能装置 23．什么是电量、电流、电压、电阻、电路、电功率？ 电量---物体所带电荷的数量称电量，单位为库伦。电流---电荷在导体中定向移动就形成了电流，单位称安培，简称安。在1秒钟内通过导体截面积的电是为1库伦，其电流强度就是1安培。电压---电路中某两点的电位差叫电压，单位为伏特。电阻---电流在导体中的阻碍作用叫电阻。单位为欧姆。 电路---电流所通过的路径叫电路。电路由电压、电器、开关和连接导线四个基本部分组成。 电源是产生电能的装置； 电器有电灯泡、电风扇等；连接导线用连接电源、电器和开关，并必须接成循环通路电功率---表示单位时间内电做了多少功，简称功率，单位为瓦特。1小时消耗1千瓦的电能叫“1度电” 24．什么是电动机？ 电动机是把电能转换成机械能，并输出机械能的电气设备。常用的是三相交流异步电动机。各类棉纺机械都广泛应用电动机来驱动。 25．什么是接触器？接触器的作用是什么？ 接触器是一种自动的电磁式开关，它通过电磁力的作用使触头闭合和断开，导致电流接通和断开。不仅如此，接触器还具有低压释放的功能，适用于频繁操作和运行距离控制。 26．什么是保险丝？ 保险丝又叫熔断器或熔丝，它是一种有效的电器保护装置，可避免短路的损坏 27．什么是热继电器？ 热继电器使利用电流效应，制成过载保护的电器 28．计算机构成保护与原有继电保护有何区别？ 主要区别在于原有的保护输入是电流、电压信号，直接在模拟量之间进行比较处理，使模拟量与装置中给定阻力矩进行比较7处理。而计算机只能作数字运算或逻辑运算。因此，首先要求将输入的模拟量电流、电压的瞬间值变换位离散的数字量，然后才能送计算机的中央处理器，按规定算法和程序进行运算，且将运算结果随时与给定的数字进行比较，最后作出是否跳闸的判断。 29．什么是重合闸的后加速？ 当线路发生故障时，保护按整定值动作，线路开关断开，重合闸马上动作。若是瞬时性故障，在线路开关断开后，故障消失，重合成功，线路恢复供电；若是永久性故障，重合后，保护时间元件被退出，使其变为0秒跳闸，这便是重合闸动作后故障未消失加速跳闸，跳闸切除故障点。 30．什么叫接地线？ 为防止电器绝缘损坏而遭触电，一般常用导线和大地连接起来，这根导线叫保护地线。 31．安全用电的措施是什么？ 火线必须进开关，使开关处于分断状态，电器不带电。 32．什么是低压触电保护器？ 它是一种行之有效的防止低压触电的保护设备，如果在低压网络中发生触电事故或绝缘损坏漏电、它会立即发出警报信号或指令切断电源，人或设备得到保护。 33．什么是气间距？ 为防止人体接近带电体或防止车辆等物体碰撞过分接近带电体，防止电气短路事故和因此而引起火灾，在带电体与地面之间，带电体与带电体，设备之间均需保持一定的安全距离。 34．什么叫安全电压？ 人体与电接触时，对人体各部组织不会造成任何损害的电压为安全电压。 35．三相用电不平衡的危害？ 由于三相电压不平衡在感应电动机的定子上将产生一个逆序旋转磁场，此时感应电动机在正逆两个磁场的作用下运行，因正序转磁场比逆转磁场大的多，故电动机的旋转方向按正序方向旋转但转子逆序阻很小，所以逆序电流较大，因有逆序电流和磁场的存在而产生较大的制动力距，将使功率减少。 36．什么是三电？ 三电指计划用电、节约用电、安全用电。 37．星一三角形（Y-△）降压起动？ 对于额定电压380V时运行时为三角形接法的电动机在起动时，可先把定子绕组成星形，待启动结合后再接成三角形，这种方法称为星形一三角形降压起动。 38．什么叫大地？ 当电气设备发生接地故障时，接地电流就通过接地线和接地体流入地下，并向在地做半球形疏散。在靠近接地体的地方，半球面较小，电阻大，接地电流通过此处的电压降也大，其电位就高；在距离接地体较远的地方，半球面较大，电阻小，电压降也小，其电位也就低。以接地体为圆心，球形的半径约20m，其电位实际趋近于零，一般称为大地或地。 39．什么叫接地体？ 与大地土壤直接接触的金属导体或金属导体组，叫做接地体或接地组。 40．什么叫接地线和接地装置？ 连接电气设备接地部分与接地体的金属导体，称为接地线。接地体和接地线的总称叫接地装置。 41．什么叫保护接零？ 把是电气设备不带电的金属部分与电图电网的零线连接起来。 42．保护接零有何作用？ 变压器或发电机接地的中性点叫做零点，与零点连接的导线叫做零线。保护接零线就是将电气设备在正常情况下不带电的金属外壳与零线连接。而在1000V以下中性点直接接地的供电系统中，一般不采用保护接地而采用保护接零。 43．接零的要点是什么？ 接零时应满足以下要求 （1）在同一系统中，严禁把一部分电气设备接地，而把另一部分电气设备接零，这是极不安全的。 （2）在三相四线制的零线上，不允许装设开关和熔断器。 （3）注意零线敷设质量，为防备出现零线断线故障，应装设足够的重复接地装置，重复接地的接地电阻，应不大于10欧姆。 （4）所有的电气设备接零线，应以并联方式联结，在接零碎于线或支线上。（5）零线的截面积应不小于相线截面积的1/2。 44．什么是漏电保护器？ 电气线路或电气设备发生单相接地短路故障时会产生剩余电流，利用这种剩余电流来切断故障线路或设备电源的保护电器称之为剩余电流动作保护器，即统称为漏电保护器。 45．漏电保护常采用的三级保护方式是什么？ 过流，接地，短路。 46．漏电是有什么原因引起的？漏电造成后果是什么？ 原因：绝缘损坏（包括老化，环境，机械，有毒气体）。后果：引发杂散电流，造成损耗，线损增大。 47．照明线路漏电的原因及检查漏电方法、步骤有哪些？ 照明线路漏电有两条途径：一是火线与零线间的绝缘电阻受损，而产生的火线与零线间漏电。二是火线与地之间的绝缘受损而形成火线与地间漏电。 检查步骤可按下述进行： （1）首先判断是否漏电。用摇表测绝缘电阻值的大小，或在被检查建筑物的总闸刀上接一电流表，取下所有灯泡，接通全部电灯开关，若电流表指针摆动，则说明有漏电。 （2）判断火线与零线间的漏电，还是火线与大地之间漏电或两者兼有。心接入电流表检查为例：切断零线，观察电流的变化，电流表指示不变，是火线与大地之间漏电。电流表指示为零，是火线与零线之间漏电。电流表指示变小，但不为零，则表明火线为零线，火线与大地之间均有漏电。 （3）确定漏电范围。取下分路短路器或拉开刀闸，电流表指示不变则表明是总线漏电，电流表指示变小但不为零，则表明总线与分路均有漏电。 （4）找出漏电点，按分支路线，拉开关，逐一排查，查找漏电点并排除。 48．漏电保护方式有哪些？ 全网总保护，是指在低压电网电源处装设保护器；对于移动式电力设备，临时用电设备和用电的家庭，应安装末级保护；较大低压电网的多级保护。以上三种保护方式，漏电保护器动作后均自动切断供电电源。 49．电器安全用具包括什么？具体内容是什么？ 电气安全用具按功能分：操作用具和防护用具。操作用具包括：验电器、绝缘杆、绝缘夹钳。防护用具包括：绝缘手套、绝缘靴、绝缘垫、绝缘台、遮栏、登高作业安全用具。 50．静电的危害有几种？ 爆炸和火灾，电击，妨碍生产。 51．在拆动二次线时，应采取哪些措施？ 拆动二次线时，必须做好记录；恢复时。应记在记录本上注销。二次线改动较多时，应在每个线头上栓牌。拆动或敷设二次电缆时，应还在电缆的首末端及其沿线的转弯处和交叉元件处栓牌。 52．什么叫短路？短路会造成什么后果？ 两根电源线不经过负载而直接接触或碰触，这一现象叫做短路。短路会造成电气设备的过热，甚至烧毁电气设备引起火灾，同时短路电流会产生很大的电动力，造成电气设备损坏。严重的短路事故，会破坏系统稳定以及浪费电能。 53．对安全电压值如何规定？ 我国根据具体环境条件的不同，安全电压值规定为：在无高度触电危险的建筑中为65伏；再有高度触电危险的建筑物中为36伏；再有特别触电危险的建筑物中为12伏。 54．接地接零的安全要求有哪些？ （1）导电的连续性； （2）连接可靠； （3）有足够的机械强度； （4）足够的导电性能和热稳定性能； （5）零线要重复接地； （6）防止腐蚀； （7）防机械损伤； （8）地下安装距离要符合有关要求； （9）接地和接零线不能串联。 55．保证变压器正常运行包括哪些内容？ 包括观察电流.电压.功率因数.油量.油色.温度指示.接点状态等是否正常，观察设备和线路有无破损，是否严重脏污，以及观察门窗.围栏等辅助设施是否完好，听声音是否正常，注意有无放电声响，闻有无焦糊味及其它异常气味。 56．什么是屏护？ 屏护是采用屏护装置控制不安全因素，即采用遮拦.护罩.护盖.箱闸等把带电体同外界隔绝开来。 57．变压器油的主要作用是什么？自动空气断路器的作用是什么？ 变压器油的主要作用是冷却和绝缘；自动空气断路器又叫自动开关，是低压配电网路中重要的通断电路的装置，具有过流时限保护，短路瞬时保护和失压保护作用。 58．距离保护的起动元件采用负序、零序增量元件有何有点? （1）灵敏度高；（2）可见做振荡闭锁装置的起动元件；（3）在电压二次回路断线时不会误动；（4）对称分量的出现于故障的相别无关，故起动元件可采用单个继电器，因此比较简单。 59．高压电器设备主要包括哪些？ 高压电器设备主要包括高压熔断器.高压隔离开关.高压负荷开关.高压断路器.高压开关柜和电力变压器。 60．电路是有什么组成的？ 电路是电流所流经的路径，它由电源、负载、控制电器和保护电器、导线组成。 61．什么是欧姆定律？什么是交流电？ 通过电阻元件的电流与电阻两端的电压成正比，而与电阻成反比即I=U/R；交流电是指大小和方向都随时间作周期性的变化的电动势。 62．保护装置符合哪些条件可评定位一类设备？ 一类设备的所有保护装置，其技术状况良好，性能完全满足系统安全运行要求，并符合以下主要条件： （1）保护屏、继电器、元件、附属设备及二次回路无缺陷。（2）装置的原理、接线及定值正确，符合有关规定、条例的规定及反事故措施求。（3）图纸资料齐全，符合实际。（4）运行条件良好。 63．异步电动机的运转原理是什么？ 异步电动机是得用磁场来工作的当电动机的定子绕组通入三相交流电时，随着定子绕组中的三相电流不断的变化，它所产生的磁场也就在空间不断的旋转，因转子导线在磁场旋转过程中切割了磁力线，由于所有转子导线的两端分别被两个铜环连在一起，因而互相构成了闭合回路，因此，产生了转子电流，该电流在旋转磁场中受到电磁力，便对轴形成了电磁转矩，使转子顺着旋转磁场方向而转动。 64．常用的无纲绝缘材料有哪些？常用的有机绝缘材料有哪些？ 云母、瓷器、石棉、大理石、玻璃等。橡胶、树脂、石英砂、蚕丝等。 65．对控制开关的检查项目及其内容有哪些？ （1）外壳清洁无油垢，完整无损。（2）安装应牢固，操作时不活动。（3）密封盖密封良好。（4）各接线头联接应牢固，不松动，不锈蚀。（5）转动灵活，位置正确，接触良好。（6）打开密封盖，用手电筒照着检查，内部应清洁，润滑油脂不干燥，接触点无烧损。用绝缘棍试压触片，压力应良好。 66．火线进开关的重要性是什么？ 安装照明线路时，灯的开关必须控制火线，这样能保证在开关断开时，电灯的灯头不带电，更换灯泡或检修灯头时就不会触电。 67．电动机发热严重的原因是什么？ （1）电源电网电压过低或过高，拖动机械卡住或润滑不良；（2）电动机通风不好，风罩被花衣杂物塞住；（3）转子断条；（4）正反转频繁或启动次数过多； （5）定转子相擦；（6）定子绕组有小范围短路或定子绕组有局部接地。 68．常用的绝缘工具有哪些？ 有绝缘棒、绝缘钳、橡皮绝缘手套和绝缘靴、橡皮毯和绝缘站台。 69．二极管的特性是什么？ 二极管的特性是单向导通。 70．常见的防雷装置有哪些？ 避雷针、避雷线、避雷网、避雷带、避雷器。 71．电动机绝缘等级分哪几种？其温度各为多少？ 绝缘等级分：A级、E级、B级、F级、H级。其中A级允许极限温度105℃，温升为60℃E级允许极限温度120℃，温升为75℃B级允许极限温度130℃，温升为80℃F级允许极限温度155℃，温升为100℃H级允许极限温度180℃，温升为125℃ 72．手持电动工具有什么组成？ 由驱动部分、传动部分、绝缘和机械防护部分。 73．照明方式一般分几种？ （1）一般照明；（2）局部照明；（3）混合照明。 74．照明开关的安装要求？ （1）扳把开关距地高度为1.2—1.4m，距门柜150—200mm；（2）拉线开关为2.2—2.8m，距门柜150—200mm；（3）暗装开关装牢在开关盒内，开关盒应有完整的盖板。 75．白炽灯、日光灯吊线截面不应小于多少？ 不应小于0.75mm2。 76．三相异步电动机的制动？ （1）机械制动；（2）反接制动；（3）能耗制动。 77．电动机轴承的加油要求？ 对3000转/分的电动机，加油以2/3弱少为宜；对1500转/分的电动机，加油以2/3为宜；对1500转/分以上的电动机，一般加钙纳基脂高速黄油；对1000转/分以下低速电动机，通常加钙纳基脂黄油。 78．直流电和交流电有何区别？ 直流电简称直流，指方向不随时间变化的电流。在恒定电阻的电路中，加上电压恒定的电源，便产生大小和方向都不变的电流。交流电简称交流，指大小和方向随时间作周期性变化的电流。 79．常见电路的保护装置有哪些？ 欠压保护，短路保护，限位保护，过载保护，连锁保护。 80．拉线有哪几种形式？ （1）普通拉线（2）四方拉线（3）两侧拉线（4）过道拉线；（5）共同拉线；（6）V形拉线；（7）弓形拉线。 81．什么情况需要定相？ （1）新投入的设备；（2）两路或两路以上的进线电缆线路；（3）两路以上的架空线路；（4）两路的其中一路检修后； （5）变压器检修后与另外的变压器进行并列运行时 82．怎样区分运行中的线路与停用线路？ （1）开关状态；（2）有无电压指示；（3）信号灯显示情况；（4）验电器直接观察。 83．设备和线路常见的故障种类？ （1）短路；（2）断路；（3）错误接线；（4）错误操作。 84．选择导线有哪些基本要求？ （1）按允许载流量；（2）按允许电压降选择；（3）按机械强度选择。 85．接地方式有几种？有何作用？ 方式：保护接地、工作接地、防震接地、接零和重复接地等。作用：是保护人身和设备的安全，所以电器设备需要采取接地措施。 86．触电方式有哪几种？ 分为单相触电，两相触电和跨步电压触电。 87．什么叫相间触电？ 就是在人体与大地绝缘的时候同时接触两根不同的相线或人体同时接触电气设备不同相的两个带电部分，这时电流由一根相线经过人体到另一个相线。 88．什么是安全色？ 安全色是表达安全信息含义的颜色，表达禁止、警告、指令、提示等。国家规定的安全色有红、蓝、黄、绿四种颜色。红色表示禁止、停止；蓝色表示指令、必须遵守的规定；黄色表示警告、注意；绿色表示指示、安全状态、通行。 89．线路间距是多少？ 电力线路在通信线路上方，高压线路在低压线路上方。通讯线路与低压线路之间的距离不得小于1.5米；低压线路之间不得小于0.6米；低压线路与10KV高压线路之间不得小于1.2米；10KV高压线路与10KV高压线路之间不得小于0.8米。10KV接户线对地距离不小于4.0米；低压接户线对地距离不应小于2.5米；低压接户线跨越通车街道时，对地距离不应小于6米；跨越通车困难的街道或人行道时，不应小于3.5米。直接埋地电缆埋设深度不应小于0.7米。 90．消除静电危害的措施有几种？ 接地法、泄露法、中和法和工艺控制法。
1.概述4开关降压升压双向DC-DC电源转换器在很多应用中都有使用。作为一个同步降压或同步升压转换器，其中只有两个开关切换，开关损耗减少到一半。
变频器是在工业自动化和机械自动化中经常都会用到的设备，随着工业科技的发展，变频器的使用越来越频繁，不仅能够达到相同的控制目的，更加能够安全，节能，高效的运行，相对应的，变频器的发展对电力技术人员的维护要求也越来越高，因此了解和熟悉变频器的基本组成，性能和控制方式是非常有必要的！今天我们就重点看看变频器的基本构成，各部分的作用以及常见的控制方式：
电压等级的基础认知 什么是电压等级 1.电压等级（voltage classes）是电力系统和电力设备所采用的一系列额定电压级别。额定电压则是电力系统和电力设备规定的正常电压，也就是与其运行特性相关的标称电压。简单来说，电压等级指示了电力系统和电力设备适用的工作电压范围，它是整个电力领域的关键概念。 2. 就像我们日常使用的电器都有适配的电压，过高或过低都可能导致设备无法正常运行甚至损坏，电力系统中的各类设备同样需要在合适的电压等级下工作。例如，常见的家用冰箱、电视等电器，额定电压一般为220V，如果接入其他电压，很可能出现故障。 电压等级划分的重要性 1.促进标准化：统一的电压等级让电力设备的设计、生产和维护有了标准依据。不同厂家生产的设备只要符合相同电压等级标准，就能在电网中协同工作，极大提高了设备的通用性和互换性，也方便了后续的维护和管理。 2. 提高效率：合理划分电压等级能有效降低输电过程中的能量损耗。在输送相同功率的情况下，较高的电压等级可以减少电流，从而降低线路电阻产生的热量损耗，提高输电效率，让电力更高效地从发电厂传输到用户端。 3. 保障安全：明确的电压等级划分有助于电力系统的安全稳定运行。不同电压等级的设备有相应的绝缘要求和防护措施，这能避免因电压不匹配导致设备过载、短路等故障，保障人员和设备安全。 4. 支持发展：随着社会的发展，电力需求不断增长，新的用电场景和技术不断涌现。合理的电压等级划分可以适应这种变化，为新能源接入、智能电网建设等提供支撑，推动电力行业持续发展。 常见电压等级分类 1.安全电压（≤36V） 广泛应用于手持电动工具（如电钻24V）、矿井照明（12V）、医疗设备（6V内窥镜电源）等对人身安全要求极高的领域。特殊环境如游泳池采用12V供电，儿童玩具要求≤6V。 防护设计标准：需符合GB/T 3805-2008标准，采用安全隔离变压器或蓄电池供电，并配置双重绝缘结构。应急照明系统还需满足72小时持续供电要求。 2.低压（220V/380V） 220V（相电压）和380V（线电压）构成三相四线制低压配电网，电压允许偏差±7%（GB/T 12325）。欧洲采用230V/400V标准，日本独有100V/200V体系。 安全防护体系：必须配置剩余电流保护器（30mA动作阈值）、过载短路保护（微型断路器分断能力≥6kA）。TN-S系统要求PE线全程绝缘，接地电阻≤4Ω。 3.中压（10kV-35kV） 10kV为国内主流（电缆载流量300A/km），35kV用于郊区/工业园区。IEEE 1547规定分布式电源并网电压≤35kV，光伏电站需配置±10%电压调节能力。 4.高压（110kV-220kV） 110kV线路经济输送容量50-100MW（导线LGJ-240），220kV提升至200-500MW。变电站主变容量典型配置180MVA（220kV），短路阻抗12%-14%。 5.超高压与特高压（330kV及以上） 500kV交流线路自然功率1000MW，±800kV直流输送功率8000MW（导线6×720mm²）。1000kV特高压交流线路损耗＜0.8‰/km。 电压等级划分的依据 1.国家标准：我国电压等级划分主要依据《GB/T156 - 2017标准电压》和《GB/T156 - 2007标准电压》等国家标准。这些标准充分参考国际标准（如IEC60038），并紧密结合我国电网发展的实际情况，制定出适用于50Hz交流电的标准电压系列，确保我国电压等级划分既与国际接轨，又符合国内电网建设和运行需求。 2.输电距离：不同电压等级适用于不同的输电距离。一般来说，电压等级越高，输电距离越远。例如，0.4kV的低压主要用于0.6公里以下的短距离配电，像小区内部的电力分配；而1000kV特高压交流输电则适用于800 - 1500公里的超远距离输电，实现跨区域的能源调配。 3. 输电功率：电压等级与输电功率也密切相关。导线截面相同时，220kV线路输送功率是110kV的4倍，1000kV线路自然功率（约5000MW）是500kV的5倍。随着电力需求增长，需要更高电压等级来实现大功率输电，满足大规模用电需求。 4. 技术实现难度：提升电压等级面临诸多技术挑战，如绝缘、散热等问题。特高压设备需要采用特殊的绝缘材料和先进的散热技术，以确保在高电压下设备安全稳定运行，技术的不断突破推动了电压等级的发展和应用。 电压等级与输电距离和功率的关系 1.0.4kV：送电距离在0.6公里以下，送电功率100kW以下，主要用于近距离的居民小区、小型商业场所的配电，满足小范围低功率的用电需求。 2. 6.6kV：送电距离4 - 15公里，送电功率100 - 1200kW，常用于小型城镇或工厂内部相对短距离的供电，为一些小型工业设备和周边居民供电。 3. 10kV：送电距离6 - 20公里，送电功率200 - 2000kW，在城市配电网中较为常见，为城市中的中小型企业、商业设施和部分居民区域供电。 4. 35kV：送电距离20 - 70公里，送电功率1000 - 10000kW，适用于城市周边或农村地区相对较长距离的输电，连接城市与周边城镇或较大规模的工厂。 5. 66kV：送电距离30 - 100公里，送电功率3500 - 30000kW，在部分地区用于区域内的电力传输，为中等规模的工业区域和较大的城镇供电。 6. 110kV：送电距离50 - 150公里，送电功率10 - 50MW，常用于城市与城市之间、区域电网之间的输电，承担区域内较大规模的电力传输任务。 7. 220kV：送电距离100 - 300公里，送电功率100 - 500MW，是区域电网中的重要输电等级，连接不同城市和大型变电站，为大型工业企业和城市集中供电。 8. 330kV：送电距离200 - 600公里（主要在西北），送电功率200 - 800MW，在西北地区承担着长距离、大功率的输电任务，满足区域内大规模的电力调配需求。 9. 500kV：送电距离150 - 850公里，送电功率1000 - 1500MW，是我国电网骨干网架的重要组成部分，实现跨区域的电力输送，保障区域间的电力平衡。 10. 750kV：送电距离500公里以上，送电功率2000 - 2500MW，主要用于西北等地区的远距离、大容量输电，加强区域电网之间的联系和电力交换。 11. 1100kV：送电距离1000 - 1500公里，送电功率3000MW以上，特高压输电的更高等级，用于超远距离、超大容量的电力输送，对实现全国范围内的能源优化配置具有重要意义。 主要设备对应额定电压的情况 1.发电机 发电机的额定电压规定比同级电网电压高 5%。 主要原因：抵消输电线路电压损耗，确保负荷端电压稳定；配合变压器分接头，实现系统电压灵活调节；适应发电机自身调压范围，保障安全与经济运行； 2.变压器 一次绕组：当变压器接于电网末端时，性质上等同于电网上的一个负荷，其额定电压与电网一致；当变压器接于发电机引出端时，则其额定电压应与发电机额定电压相同。 二次绕组：额定电压是指空载电压，考虑到变压器承载时自身电压损失（按 5% 计），变压器二次绕组额定电压应比电网额定电压高 5%。当二次侧输电距离较长时，还应考虑到线路电压损失（按 5% 计），此时，二次绕组额定电压应比电网额定电压高 10%。但在 3kV、6kV、10kV 电压时，如采用短路电压小于 7.5% 的配电变压器，由于变压器的电压降落较小，则变压器二次绕组的额定电压只需高出线路额定电压 5%；如果配电线路较短，线路的电压降落可忽略不计，变压器二次绕组的额定电压也仅高出线路额定电压 5% 即可。
随着大功率器件朝着高压、高电流以及小型化的方向发展，这对于器件的散热要求变得更为严格。陶瓷基板因其卓越的热导率和机械性能，被广泛应用于大功率器件的封装工艺中。本文首先综合评述了高导热 Al2O3、SiC、AlN 和 Si3N4 陶瓷的制备方法、性能特点以及研究进展，并探讨了不同成分和工艺与陶瓷热导率的关系。接着，文章详细介绍了直接沉积铜、直接键合铜、活性金属焊接、激光活性金属化和厚印刷铜等金属化技术的工艺流程及研究现状，同时指出了这些金属化技术的热点问题和存在的不足。最后，对各类陶瓷基板及其金属化工艺的未来发展进行展望。 电子元器件在电路中发挥滤波、整理、信号处理和信号控制等作用，被广泛应用于各种电气设备中[1,2]。电子元器件通常对温度极为敏感，超过 55 %的电子元器件故障源于热失效[3]。因此，为电子元器件提供良好的散热环境至关重要。随着集成电路的发展，大功率器件正朝着高电压、大电流、大功率密度及小型化的方向发展，这导致大功率器件会在更高的温度下工作。例如 SiC 功率器件可以实现超过 1000 W/cm2 的功率密度，可能在高达 500 °C 的极端环境中工作[4]，而其他功率半导体器件的工作温度也可能超过 250 °C[5]，这使热管理成为电子封装领域的一大挑战。器件产生的热量需先传递至基板，再由基板散发出去，这对基板的机械可靠性和热导率提出了较高要求。 目前，常见基板的性能特性如表 1 所示。环氧玻璃布层压板(FR-4)和覆金属基板是电子设备中常见的基板。然而，它们较低的热导率和较高的热膨胀系数(Coefficient of Thermal Expansion，CTE)限制了它们在恶劣环境中的应用。相比之下，陶瓷基板虽然材料和工艺成本更高，但其热导率可达到200 W/m·K，CTE 与硅接近，并且具有更高的可靠性，因此广泛应用于微电子封装、传感器和无源元件等领域[1]。电子封装中使用的陶瓷基板制备流程和应用领域如图 1 所示。陶瓷粉末与添加剂混合并成型，经烧结得到致密的陶瓷基板。由于陶瓷基板为绝缘体，需进行金属化处理，形成导电金属层以供器件安装和电气连接。最后将器件安装在金属化陶瓷基板上应用。这种工艺广泛应用于发光二极管(Light-Emitting Diode，LED)、绝缘栅双极晶体管(Insulate-Gate Bipolar Transistor，IGBT)、SiC 器件和大功率激光器件等领域。随着人工智能、汽车电气化与智能化、航空航天、军工等行业的蓬勃发展，对高导热基板的需求不断增长。据 QYresearch 报道[6]，2022年全球金属化陶瓷基板市场规模达到 11.3 亿美元，预计到2029 年将增至 41.5 亿美元，年复合增长率为18.23 %，显示出陶瓷基板广阔的市场前景，其技术与要求也将不断进步与发展。 为进一步推动陶瓷基板领域的发展，本文首先概述了当前电子封装中所使用的陶瓷基板的制备工艺。其次综述了 Al2O3、SiC、AlN 和 Si3N4 在热导率和力学性能方面的研究进展。接着，探讨了直接沉积铜(Direct Plating Copper，DPC)、直接键合铜(Direct Bonded Copper，DBC)、活性金属焊接(Active Metal Brazing，AMB)、激光活性金属化(Laser Activated Metallization，LAM)和厚印刷铜(Thick Printed Copper，TPC)等多种平面陶瓷基板金属化工艺的流程和研究现状。最后，基于综述内容，总结相关进展并展望未来发展方向。 2 电子封装的高导热陶瓷基板 2.1 高导热陶瓷基板的制造工艺 大功率器件所使用的陶瓷基板多为平面状，平面陶瓷基板的制造工艺可分为成型与烧结两步。报道中常见的成型工艺及特点如表 2 所示。其中干压成型和流延成型广泛用于陶瓷基板的工业化生 产。干压成型的工艺流程如图 2a 所示，施加压力和保压时间是干压过程中最重要的参数。流延成型被认为是制造大尺寸平面陶瓷基板的一种经济、连续和自动化的工艺[9]，其工艺如图 2b 所示。流延成型在制备多层材料及器件方面具有低成本和高效率的特性[10]，广泛用于制造诸如低温共烧陶瓷基板、电容器和微波介电陶瓷器件。 陶瓷的烧结是将陶瓷粉末在高温下形成致密陶瓷块体的过程。高导热的 SiC、AlN 和 Si3N4 等陶瓷因其具有特别强的共价键而难以使用纯的陶瓷粉末烧结成致密的陶瓷块体。通常通过掺入低熔点的添加剂并混合成型再一起烧结，以提高烧结体致密度。烧结按烧结过程是否形成液相分为固相烧结和液相烧结，两者的驱动力都是总表面能的减少。固相烧结是一种无需液相参与的陶瓷致密化方法，该过程主要通过三种机制实现：蒸气传输、表面-晶格-晶界扩散以及由位错迁移驱动的塑性变形，这些机制共同促进陶瓷内部颗粒间有效的致密连接[11]。液相烧结是添加剂在高温下转变成液态，形成固体颗粒和液相处于化学平衡的系统[12]，并且随着烧结的进行，陶瓷的晶粒生长和致密化同时发生的一种烧结工艺。若按照工艺区分，烧结工艺还可以分为无压烧结(Pressureless Sintering，PLS)[13]、气压烧结(Gas Pressure Sintering，GPS)[14]、(Hot Press Sintering，HPS)[15]、热等静压烧结(Hot Isostatic Pressure Sintering，HIPS)[16]、放电等离子烧结(Spark Plasma Sintering，SPS)[17]等。其中 SPS、HPS 和HIPS 由于条件要求高或工艺复杂，不适合大规模生产陶瓷基板。 2.2 高导热陶瓷基板的研究现状 电子封装过程需要将模块封装在陶瓷基板上，所以要在陶瓷基板上形成一定厚度的金属层，以便于模块的焊接和电气连接，这需要满足多个指标。首先，陶瓷基板有两个主要功能：为功率模块提供结构支撑，需要高绝缘性和良好的力学性能；为功率模块散热，需要高导热性[2]。其次，陶瓷基板在某些电路中用作共模电容器，需要考虑其介电常数[26]。通常情况下，信号传播延迟与介电常数值的平方根成正比；因此，介电常数越低，信号传输速度越快，这就要求陶瓷基板具有较低的介电常数[27]。此外，许多陶瓷材料的热导率和击穿电阻随着环境温度的升高而降低，因此需要确保陶瓷在高温条件下仍能保持良好的性能。 在 1999 年出版的《先进电子封装》一书中，Ulrich 等人[28]讨论了各种陶瓷材料的性能，如表 3常见的陶瓷材料的性能[33]所示。Al2O3具有较低的强度和导热性，因此很难应用于大功率器件。BeO具有极高的热导率，但由于毒性问题，其工业应用受到严格限制[29]。BN 具有很高的热导率，但其抗弯强度低、介电损耗系数高，因而受到限制。SiC 具有优良的导热性能和适中的机械强度，但其相对较高的介电常数可能限制其在电子封装领域的应用。AlN 陶瓷具有较高的热导率、适中的抗弯强度和出色的电气性能，因此被广泛应用。Si3N4的突出特点是强度非常高，CTE 接近硅，但实际的热导率远低于本征热导率(450 W/m·K)。目前商用的高导热陶瓷基板主要包括 Al2O3、SiC、AlN 和 Si3N4基板。对于大功率器件而言，陶瓷基板的热导率是一个至关重要的性能指标，下面，本文将分别探讨这些陶瓷在该方面的研究进展。 2.2.1 Al2O3 基板 Al2O3 有多种晶体形式，如α-Al2O3、β-Al2O3、γ-Al2O3、η-Al2O3、δ-Al2O3 和θ-Al2O3[30]。其中，最稳定的为α-Al2O3，即刚玉。其它形态的 Al2O3 在 950 oC~1700 oC 时会转变成稳定的α-Al2O3[31]。α-Al2O3 是一种重要的材料，由于其硬度高、熔点高、电导率低，在电子、光学、生物医学和机械工程中有许多技术应用[32]。不同纯度的 Al2O3 的性能如表 4 所示。随着纯度的增加，Al2O3 的热导率、抗弯强度和 CTE 都有明显的增加。Al2O3 的热导率远低于 AlN，所以其在导热方面的研究报道较少。但由于 Al2O3 的制备工艺简单、成本低廉以及其它优异性能，仍可以在低功率场景应用以降低成本。《GB/T39863-2021 覆铜板用 Al2O3 陶瓷基片》对 Al2O3 基板的性能标准进行规范[33]，其部分指标为：纯度≥96 %、室温热导率≥24 W/m·K 和抗弯强度≥300 MPa。 2.2.2 SiC 基板 SiC 有立方结构、六方结构和正交结构等多种晶体结构[34]。其中，立方结构是指 β-SiC，其余结构统称为 α-SiC。在低温环境下，β-SiC 更为稳定，当温度超过 2000 °C 时，会发生 β-SiC到 α-SiC 的相变。即便如此，在不纯的 SiC 体系中，当温度超过 1600 °C 时，也可能发生 β 相向 α 相的转变[35]。SiC 由于其高强度、高刚度和优异的耐腐蚀性、抗氧化性和辐照性，是恶劣环境中的重要结构材料[36]。SiC 的本征热导率为 490 W/m·K[37]，但本文调研的 SiC 热导率的最大值(270 W/m·K)仅达到本征热导率的55.1 %，仍有非常大的提升空间。这是由于晶粒内晶格缺陷、晶界和残余晶间相引起的声子散射效应阻碍热传导。特别是，SiC 晶格中溶解的氧被认为是降低热导率的主要因素之一。氧气的溶解会导致硅空位的形成(如式 1 所示)，从而降低声子传播效率[38]。通常，SiC 中的晶格氧来源于起始粉末中的固有晶格氧和表面的 SiO2 钝化层[39]。因此，制备高热导率的 SiC 关键在于在保证陶瓷致密的条件下，通过原料和工艺来减少晶格氧的形成。 SiC 是一种具有强大共价键的化合物，SiC粉末在高温高压的条件下才能形成致密的块体。Nadeau 等人[39]在极端的烧结条件下(2500 °C 和 5000 MPa)成功制备了纯 SiC，这凸显了其制备的困难。为了克服高温烧结的挑战，研究者常在陶瓷粉末中掺入低熔点添加剂，采取固态或液相烧结技术制备 SiC。在固态烧结过程中，适量的硼和碳已被证实能够促进 SiC 的致密化[40]。对于液相烧结，因其可以促进晶粒生长以及具有良好的缺陷修复能力，而被认为更适合制备高密度的 SiC [41]。此外，SiC 陶瓷还可以使用硅、碳和 SiC 粉末等原料反应烧结形成。反应烧结涉及多孔碳预制件的制作、液态硅的渗透以及高温下与碳的化学反应。该过程通过毛细管作用使液态硅渗透多孔预制件(由碳和 α-SiC 制成)，随后液态硅与碳反应形成 β-SiC，最终与 α-SiC 结合形成致密的陶瓷。尽管反应烧结产生的陶瓷可能含有较多的残余硅和碳，导致热导率和强度较低，但其制备周期短、温度低、成型精度高，使其在工业中存在一定的应用[42]。 SiC 的热导率和力学性能与其化学组成和烧结工艺密切相关。根据文献报道，添加 BeO 作为添加剂的 SiC 可获得目前最高的实测热导率(270 W/m·K)[43]。表 5 不同成分的 SiC 的性能进一步详细展示了不同组分及烧结方法对 SiC 性能的具体影响。其中，采用 SPS 工艺制备的 SiC-0.85Y2O3-0.26Sc2O3(wt.%)陶瓷的热导率达到 262 W/m·K)，高于采用 HPS制备的 SiC-0.85Y2O3-0.52Sc2O3(wt.%)陶瓷(234 W/m·K)。尽管这两种SiC 的成分相似，但由于烧结方式的差异，其热导率相差显著，表明SiC 的热导率对工艺或微小的成分变化非常敏感。 在所调研的文献中，通过固态烧结法制备的 SiC 的最高热导率仅为 192 W/m·K，远低于液相烧结制备的 SiC 的最大热导率。这是因为在液相烧结过程中，添加剂能够净化晶格，而固态烧结则无此效果。考虑到反应烧结法制备的 SiC 热导率更低，所以液相烧结更适合制备高热导率 SiC，但需搭配合适的添加剂。例如，掺入稀土氧化物可净化晶格提高热导率；而 Al2O3 添加剂则可能形成 Si 空位[38]，从而降低热导率。还有文献[44,45]提供的证据表明，在保证致密度的前提下，添加剂的含量越低，SiC 热导率越高。 除了化学组分和烧结方法外，影响 SiC 热导率的其他关键因素还包括原料的晶体结构[39]和粉末粒径[46]、晶粒尺寸[47]、烧结温度[39]、烧结时长[48]、和烧结气氛[38]等，这些因素在表 6 影响 SiC 热导率的因素中有更详细的概述。 图 3 按照热导率递减的顺序(a 至 f)系统地展示了不同文献报道的 SiC 的扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope，SEM)图像。对比图 3a[17]与图 3b[49]可知，图3a 所示样品中的小尺寸晶粒数量相对较少，因此具有更高的热导率。然而，图 3c 的晶粒尺寸看似比图 3d 的小，且第二相更粗大，其热导率却高于图 3d[48]，这需要进一步分析。根据图 4 所示的高分辨率透射电子显微镜(High Resolution Transmission Electron Microscope，HRTEM)图像，SiC 内部存在清洁晶界(图 4a)和附着有非晶膜的晶界(图 4b)两种类型[17]。当无明显连续的第二相阻断晶粒时，陶瓷的热导率主要取决于晶格缺陷的数量和晶界的纯净度。所以尽管图 3c 的晶粒尺寸较图 3d 更小，但其晶界却更干净，因此其热导率更高。这说明烧结气氛也会对 SiC 的组织造成影响。图 3e[36]展示了典型固态烧结 SiC组织，具有较多缺陷和杂质，以小晶粒为主，导致热导率不高，但其优势是制备时间短。图3f[47]展示了含 Al 的 SiC 组织，与其它添加剂明显不同，晶粒尺寸小、缺陷多、晶界宽，且晶粒内存在许多杂质，导致热导率非常低。 通过深入分析 SiC 的化学组成、烧结工艺以及微观组织特性，可获得实现高热导率 SiC 的制备要求：首先应使用合适的添加剂和烧结工艺确保 SiC 达到高致密度，同时在维持致密度的前提下，尽量降低添加剂用量；其次，为减少晶格内的氧缺陷，选用既不溶于 SiC 晶格又能有效净化晶格的添加剂；再者，在保证 SiC 的强度满足要求的情况下通过优化烧结工艺尽可能增大晶粒尺寸；最后，结合添加剂与烧结气氛间的潜在反应性，精心选择适宜的烧结气氛条件。 2.2.3 AlN 基板 AlN 凭借其出色的物理化学性能，包括高达 319 W/m·K 的本征热导率、低介电常数、高电阻率、6.2 eV 的室温宽禁带宽度、稳定的化学性质以及与硅类似的 CTE，被广泛应用在多种场景中[54]。 然而，现有研究中所记录到的 AlN 最高热导率仅为 248 W/m·K，相当于其本征值的77.4 %，表明 AlN 的热导率仍有提升空间[55]。决定 AlN 热导率的关键因素是晶格缺陷结构，其中，晶格氧缺陷尤为突出。Slack 等人[54]指出，氧以 Al2O3 形态替代氮原子进入 AlN 晶格时，每个三元氧组合会生成一个铝空位(V'')，这一现象可以通过特定公式量化描述： 式中 x 为 AlN 中氧杂质数量密度和氮数量密度的比值；V''为铝空位。显而易见，AlN 晶格的氧含量对其热导率的影响至关重要[56]。 AlN 陶瓷的制备通常需要掺入低熔点氧化物作为添加剂，以降低烧结温度并优化烧结质量。不同添加剂在改善 AlN 性能方面表现出不同的效果和最优添加比例。其中，亲氧添加剂因其净化晶格的能力而被广泛应用，可有效提升 AlN 的热导率[57,58]。 表 7 列举了几种常见的 AlN 烧结添加剂及其可能发生的反应。其中，Y2O3、YF3、YbF3、Yb2O3、CaF2 和 Li2CO3 等添加剂能与 AlN 表面的 Al2O3 发生反应，实现 AlN 晶格的净化，提高热导率，以Y2O3 的效果最佳[59]。添加剂用量不足可能导致陶瓷致密度不足或晶格净化不彻底，而过量添加则易形成粗大的第二相，两者都会显著降低 AlN 的热导率[60]。为加快制备高热导率 AlN 的进程，可先测定 AlN 粉末的表面含氧量，再根据反应方程式计算所需添加剂的最佳剂量[59]。 除亲氧性外，部分添加剂还具备其它特性。例如，Li2CO3 高温分解生成的 Li2O 不仅能净化晶格，还会在高于 1600 °C 时升华，进一步净化晶界，增强 AlN 的热导率[61]。CaC2 转化成CaO-Al2O3 复合物及 CO 或 CO2 气体，有效减少陶瓷中的晶格氧、孔隙和缺陷，增强晶粒的均匀性的同时提高陶瓷的热导率[62]。相比之下，添加 Al2O3 可能溶入 AlN 晶粒内部产生缺陷，从而降低热导率[63]。 烧结方法的选择也影响添加剂的效果。Ishizaki 等人[64]研究表明，使用 1 mol% Y2O3 作为添加剂，通过 PLS 制备 AlN 时，随烧结温度升高，晶格中氧含量逐步减少，热导率也随之提高；而在 HIPS条件下，AlN 的氧含量变化不大，热导率较低。这主要因为在 PLS 过程中，Y2O3 易与Al2O3 反应并排出含氧气体，而在 HIPS 高压状态下，这种反应受限。 表 8 展示了不同成分和工艺的 AlN的性能对比。本文调研的 AlN 最高热导率为 248 W/m·K，仅使用 Y2O3 作为添加剂，采用无压烧结工艺[55]。许多采用单一稀土氧化物添加剂制备的 AlN 显示出较高的热导率，而多组分添加剂制备的 AlN 不仅热导率略逊一筹，其力学性能也并未体现出显著优势。就烧结工艺而言，PLS 和 HPS 制备的 AlN 通常具有更高的热导率，因为较高的烧结温度、更长的烧结时间和更缓慢的冷却速率有利于提高 AlN 的热导率[59]，而这两种工艺非常容易实现这些条件。然而，鉴于 SPS 工艺烧结时间较短，故并不适合用于制造高导热的 AlN。 表中数据还表明，尽管高热导率的 AlN 在热传导性能上表现出色，但其力学性能常常不尽人意，这限制了其应用范围。特别是晶粒尺寸对 AlN 的整体性能有着重要的影响—较大的晶粒尺寸虽然有助于提升热导率，却可能降低其强度。因此，研究者们尝试采用多步热处理工艺以优化 AlN 的综合性能[68]，即先通过较短的高温阶段促使 AlN 迅速致密化，然后在经长时间低温退火继续提高致密度，同时防止晶粒过度长大，从而同时提升 AlN 的热导率和强度。尽管如此，表中使用两步烧结制备的AlN-3Yb2O3-2YbF3(wt.%)陶瓷仍未满足《GB/T 39975-2021-氮化铝陶瓷散热基片》的性能指标。 图 5 显示了不同 AlN 样品的 SEM 组织。通过对比图 5a[68]和图 5b[68]可以发现，两步烧结法制备的 AlN 晶粒尺寸更小，这有助于提高其强度。此外，传统无压烧结法制备的 AlN 中第二相连续分布，阻断了整个 AlN 晶粒，不利于热传递。而两步烧结法制备的 AlN 中第二相弥散分布于晶粒交界处，对热传递的阻碍较小，因此具有更高的热导率。图5c[74]为 SPS 工艺制备的 AlN 的 SEM 组织，由于烧结时间较短，样品中仍存在较多空隙和粗大的第二相，导致热导率下降。同时，短时间的烧结导致添加剂难以有效净化晶格，晶粒也未充分长大，这些因素均不利于热导率的提高。相比之下，图5d[71]展示的 AlN 样品经过复杂的热处理工艺制备，尽管存在粗大的第二相，但其表现出的热导率可超过 200 W/m·K。这一显著结果可以归因于采用的预烧工艺，在此过程中，通过将生胚置于石墨坩埚中预烧，有效降低了粉末表面的氧含量，从而使得最终制备的陶瓷材料具有更低的晶格氧含量。因此，降低晶格含氧量对于提升 AlN 的热导率最为关键。此外，晶粒尺寸和第二相的尺寸及分布对热导率也存在一定的影响。 2.2.4 Si3N4 基板 Si3N4 存在 α-Si3N4、β-Si3N4 和 γ-Si3N4 三种晶体结构，其中 α-Si3N4 和 β-Si3N4 为六方结构，γ-Si3N4为立方晶尖石结构。商用 Si3N4 粉末主要为 α 相和 β 相。β-Si3N4 是热力学稳定相，因为 α→β 转变不可逆。纯的 α-Si3N4 在 2200 oC 以下不发生相变，但掺入添加剂后可在 2150 oC 以下触发 α→β 转变，机理是高温下添加剂与 Si3N4 表面相互作用形成液相，促进 β 相的形核与长大[76]。 Hirosaki 等人[77]通过分子动力学模拟发现，α-Si3N4 单晶沿 a 轴和 c 轴的理论热导率分别为 105W/m·K 和 225 W/m·K，而 β-Si3N4 相应轴向的热导率则为 170 W/m·K 和 450 W/m·K。说明 β 晶型更利于提高 Si3N4 陶瓷热导率。本调研的 Si3N4 的最高热导率为 177 W/m·K，仅为理论最大值的 39.3 %，提升潜力巨大。 Si3N4 的热导率受晶格缺陷引起的声子散射效应限制，特别是氧原子替代氮原子会形成硅空位，导致 Si3N4 的热导率下降，通常通过掺入添加剂以及优化烧结工艺来控制晶格含氧量[78]。MgO 和稀土氧化物等低熔点添加剂常用于 Si3N4 共烧。其中亲氧型添加剂能够净化晶格，有助于提升 Si3N4 的热导率[78]。但含Al 的添加剂易形成固溶体从而降低热导率[79]，Fe 杂质也有类似的负面影响[80]。制备高热导率 Si3N4 的烧结工艺应采用高温高压、长时间高温退火及缓慢冷却等策略，最大限度减少晶格氧含量并促进晶粒生长[16,81]。 由于 Si3N4 不同晶粒取向热导率差异大，还可通过掺入微量 β-Si3N4 晶种，结合磁场辅助滑动铸造[82]、热压技术[83]或流延技术[16]等技术，可制备高度各向异性的 Si3N4。制备的陶瓷在某一方向(高度c 轴取向)的热导率非常高，但垂直于该方向的热导率相对较低。 此外，还能够以硅粉为原料，通过反应烧结法(Reaction-Bonded Sintering，RBS)制备高热导率Si3N4。该工艺流程涉及硅粉与添加剂的混合及成型、硅粉的氮化以及高温烧结。反应烧结 Si3N4 因原材料成本低、氮化过程中坯体尺寸稳定且烧结后无需二次加工而被广泛应用[84]。理论上，采用高纯硅粉制备的 Si3N4 的晶格含氧量更低，因硅粉的含氧量低于商业高纯 Si3N4 粉末的含氧量[81]。而且，由于氧气在β-Si3N4 中的溶解度远小于α-Si3N4 中的溶解度，所以可以通过调控氮化温度[85]、延长氮化时间[86]和优化氮化气氛及升温速率[81]增加氮化产物中 β-Si3N4 的比例，从而降低晶格氧含量，提高整体热导率。 表 9 展示了不同 Si3N4 样品的性能数据。热导率最高的 Si3N4 由反应烧结法制备，成分为Si3N4-5.62Yb2O3-1.44MgO(wt.%)，热导率为 177 W/m·K。其次为具有高度各项异性的(Si3N4-2.89MgSiN2-3.25Y2O3)(wt.%)+5 mol% β-Si3N4 陶瓷。值得注意的是，即使具有高度 c轴取向的 Si3N4，其热导率也只达到理论极限的 39.11 %，凸显了制备高热导率 Si3N4 的难度和潜力。除添加剂和烧结工艺外，原料的含氧量和晶体类型也是影响 Si3N4 热导率的重要因素。例如，Lee 等人[87]的研究表明，市售的Si3N4 粉末在氮气下退火一定时长后，含氧量从 1.27 wt.%降至 0.96 wt.%；使用退火后的粉末制备的Si3N4 与使用未退火粉末制备的 Si3N4 相比，其热导率提升了 18.32 %。Hayashi 等人[88]的报告则证明，采用 β-Si3N4 作为原料相较于 α-Si3N4 能获得更高热导率的 Si3N4。 目前制备的 Si3N4 的综合性能较差。表中高强度的 Si3N4 的热导率徘徊在 100 W/m·K 左右，而热导率最高纪录对应的抗弯强度也仅为 460 MPa，未能满足团体标准《T/SCS 000024—2023-高导热氮化硅陶瓷基片》的要求。未来研究亟待解决的问题是在大幅提升热导率的同时保持较高的强度和韧性，以避免在市场竞争中失去优势地位。 通过分析图 6 所示不同工艺和成分的Si3N4 的 SEM 图像，可深入了解其微观结构特征与热导率的关系。图 6a[81]展示的优化 RBS 工艺制备的 Si3N4 呈现出显著的晶粒尺寸不均一性，但部分晶粒硕大且孔隙稀少，加上较薄的晶界和非常低的晶格氧，共同支撑其优越的热导性能。相比之下，具有 c轴择优取向的 Si3N4（参见图6b[82]）存在非均匀的晶粒和明显的晶界，导致其热导率与理论值存在显著差距。为解决此问题，可通过优化添加剂和工艺以增大晶粒尺寸、减少第二相尺寸以及提高干净晶界的占比，有望提升其热导率。观察图 6c[95]所示的传统烧结法制备的高热导率 Si3N4 样品，尽管存在较多大尺寸晶粒和相对干净的晶界，但仍可见部分被第二相包围的小晶粒，这可能是导致其热导率低的原因。最后，图 6d[86]展示的低热导率 Si3N4 的组织中，存在大量小晶粒，且晶粒间存在明显的第二相或非常厚的晶界，因此热导率非常低。结合 SEM 分析可知，制备高热导率 Si3N4 的关键在于，在确保低晶格含氧量的同时，通过调控添加剂和优化工艺流程，使 Si3N4 的组织具有高度 c轴取向、大尺寸晶粒、干净的晶界和弥散分布的第二相。 2.3 高导热陶瓷的设计 通过整合上述观点，可以提炼出制备高热导率非氧化物陶瓷的核心设计要求(机理如图 7 所示)：首先要选择合适的添加剂和烧结工艺获取致密化的陶瓷；其次添加剂还应具有净化晶格的作用，能减少陶瓷的晶格缺陷；再次，陶瓷组织内无粗大连续的第二相，且陶瓷的晶界无非晶层；还有，在保证一定的强度下，陶瓷的晶粒尺寸越大越好；最后，对于热导率在晶型和晶向上存在高度各向异性的陶瓷(如 Si3N4)，制备的陶瓷组织应主要为最优晶型以及最优取向。 尽管现有大量的研究报道不同的成分、工艺参数与陶瓷性能之间的关系，但陶瓷性能与诸多因素(如粉末杂质含量、粒径、成分、烧结方式、烧结温度和烧结时间等)存在复杂联系，所以难以建立准确的预测模型。然而，随着人工智能的发展，利用大规模可靠数据训练人工智能模型对陶瓷性能进行预测已成为可能。例如，日本学者 Furushima 等人[96]利用支持向量回归机器学习算法预测 RBS制备的 Si3N4 的热导率，并取得了满意结果。通过人工智能辅助设计，不仅可以大幅节省时间和成本，而且是未来高热导率陶瓷材料设计的重要发展趋势。 3 陶瓷基板的金属化工艺 在成功制备高热导平面陶瓷基板之后，需要通过金属化处理在基板表面形成金属线路，从而实现器件的焊接和电气连接。当前工业广泛应用的成熟金属化工艺主要包括 DPC、DBC 以及 AMB，此外，学术文献中还报道了一些新兴的金属化技术，如 LAM 和 TPC。在众多工艺中，AMB和 DBC陶瓷基板以其卓越的高电压、高功率承载能力脱颖而出，广泛适用于大型电机驱动器、高压变换器、SiC 器件等大功率应用场景；而其他金属化工艺则更适合于低功率需求领域，如 GaN 功率半导体、移动电源设备和汽车控制器等。 目前市场应用及学术研究中，平面陶瓷基板金属化层多采用铜材料，对其性能评估的核心指标主要集中在金属层与陶瓷基板的结合力和金属层的电阻率。此外，针对不同的应用场景，铜层的厚度、线宽、线间距以及可靠性都有特定要求。尤为重要的是，由于铜与陶瓷基板之间显著的 CTE 差异，在器件服役过程中，温度变化和 CTE 不匹配可能导致陶瓷基板产生应力裂纹，从而影响器件的整体稳定性和可靠性[97]。因此，金属化陶瓷基板的热应力翘曲性能和温度循环稳定性也是关键的技术指标。下面各章节将对各类金属化工艺进行更深入的解析。 3.1 DPC 工艺 DPC 工艺流程如图 8 所示[8]。首先，基板经过激光冲孔并彻底清洁，然后在清洁干燥的陶瓷基板上沉积种子层，接着覆盖干膜并进行显影曝光，继而进行电镀操作，以生成所需的金属线路。此后，移除多余干膜和种子层，并在铜表面覆盖一层非活性金属来保护铜层，以便于后续的钎焊过程。 DPC 具有较高的线路精度、良好的金属层结合强度和线路电阻较低等特点。由于 DPC 工艺中铜层是通过光刻与电镀相结合的方式形成，因此其金属线宽可低于 50 μm[98]。在电阻和结合强度方面，Hao 等人[99]报道的溅射铜层的抗拉强度和方阻分别为 3.0 MPa 和 0.101 Ω.cm/□，沉积铜层的方阻为0.334 Ω.cm/□。由于 Ti 与陶瓷基板的结合强度更高[100]，因此，在陶瓷基板上预先溅射一层薄的 Ti 层后再溅射铜层，可显著提高结合强度，此时抗拉强度可提升至 11.8 MPa[101]。 尽管 DPC 陶瓷基板具有高导热性、高线路精度以及可通过通孔连接减少封装体积等优点，但受限于电镀工艺，其铜层厚度通常不超过 150 μm。目前 DPC 技术主要应用于大功率 LED 的封装。在高亮度 LED 和深紫外 LED 在高发热的应用场景中，不仅需要背面配备高导热基板散热，正面封装材料也需考虑热稳定性和可靠性。传统的树脂封装材料在紫外线和高温作用下易老化失效，因此目前的研究还倾向于采用高岭土、金属镍、金属铜等无机或金属材料在 DPC 基板上形成坝体结构，再搭配透明石英进行封装，以提高器件的可靠性[102]。 尽管 DPC 工艺已被广泛应用，但仍面临效率低、通孔填充不良和镀液通用性差等问题[103]。其中，通孔填充不良会影响器件的性能、稳定性和可靠性。其形成原因是电镀过程中，铜更易在通孔表面填充，导致在内部未充实的情况下使通孔闭合，最终在通孔内部形成孔洞。电镀通孔填充质量受电镀电流和添加剂配方的影响，通过优化电镀液配方及辅助工艺参数可改善通孔填充质量[103]。Wang 等人[104]通过改进电镀液配方和搅拌速率实现了高纵横比及无缺陷的镀铜通孔。其机制是通过抑制剂选择性抑制通孔表面沉积，同时使用加速剂选择性加速通孔内部沉积，当工艺参数适宜时，可形成无缺陷的镀铜通孔。 此外，DPC 陶瓷基板在电镀过程中可能存需要过长的的电镀时间、镀层厚度不均匀以及镀层内部存在宏观残余应力等问题[105]。其中，过高的残余应力可能引发镀层开裂或弯曲，且残余应力在铜层内部积累可能影响陶瓷基板的热稳定性[106]。为缓解这些问题，可以通过优化镀液配方和工艺减小基板的残余应力，如Thomas 等人[107]通过改进电镀液配方减少电镀铜对基板通孔附近区域的残余应力。 根据 QYresearch 的数据[6]，全球 DPC 陶瓷基板市场规模在 2022 年已达到 2.40 亿美元，预计至2029 年将以 4.43 %的复合年增长率增长至 3.27 亿美元。尽管 DPC 陶瓷基板具有较好的市场前景，但由于环境污染问题许多城市限制电镀生产，间接影响DPC 工业的发展。此外，DPC 工艺中使用的精密溅射镀膜设备的高昂的价格也提高了整体成本。因此，迫切需要研发新的技术，提高 DPC 陶瓷基板的线厚并降低成本，从而增强其在市场竞争中的优势。 3.2 DBC 工艺 DBC 技术最早由 Burgess 等人于 1973 年开创性地提出[108]，其基本原理在于利用铜箔表面氧化层在高温下形成 Cu-O 共晶熔体，该熔体具备卓越的润湿性能，在 1065 °C 共晶温度下能够有效联结陶瓷基板与未反应的铜箔，在冷却凝 固 后 确 保 两 者 间 的 强 韧 结合， 这 一 工 艺 流 程 的 可 参 见 图9[8]。 在 1065 °C 附近，Cu-O 形成的共 晶 相 ， 鉴 于 纯 铜 熔 点 为1083 °C，故共晶键合需在 1065 °C至 1083 °C 的温度范围内进行，实际操 作 多 集 中 在 1070 °C 至1075 °C[108]。降温过程中，Cu-O 共晶中的过饱和氧会以 Cu2O 沉淀形式析出；在 Al2O3 或 AlN 陶瓷中，还可能出现 CuAlO2 和 CuAl2O4 等附加反应产物[108]。共晶液的形成及其氧含量对于键合效果至关重要，鉴于氧气在铜熔体中的扩散率极低(10-5 cm2/s)，难以在键合过程中引入足量氧，故通常通过预氧化铜箔在铜箔表面形成Cu2O 以促进共晶液生成。铜中氧含量还对键合界面的强度有显著影响，因此对其精准调控是确保键合性能的核心环节[109]。 DBC 工艺需要搭配特定的基板使用。纯铜熔融体对 Al2O3、AlN 和 Si3N4 的润湿性较差，润湿角超过 130 °[108]。通过增加键合过程的氧分压和铜熔体的氧含量，可大幅度减少其在 Al2O3 表面的润湿角[110]。虽然 AlN 也可通过增加键合过程的氧分压、在真空环境下键合或延长键合时间以改善润湿性，但效果非常有限[111,112]。因此一般是对 AlN 进行预氧化处理，以在表面生成一层 Al2O3，再通过上述方法进行键合。但这些方法都难以改善铜熔体与 Si3N4 的润湿性，所以很少对 Si3N4 使用 DBC 工艺。 DBC 结构中铜层的厚度范围在 120μm 至 700 μm，湿法刻蚀技术使得铜层线路宽度达到 200μm[98]，且良好的 DBC 基板中铜层与基板之间的结合强度高于 65 N/cm[113]。但如此大的线宽限制了DBC 陶瓷基板在精密电子器件的应用[114]。 此外，DBC 陶瓷基板还面临键合界面存在孔隙及温度循环可靠性差的双重挑战。孔隙现象如图10a[108]所示，其确切原因尚未明确，推测可能与高温下 Cu2O 还原为 Cu 时释放氧气以及陶瓷基板的气体释放有关[111,108]。关于 DBC 陶瓷基板的热循环可靠性差的问题，是由于陶瓷与铜层的巨大 CTE差异，在温度循环测试中，这种差异导致基板内部应力累积，最终引发疲劳断裂[115]。Pietranico 等人指出 DBC 陶瓷基板在温度循环中失效的主要机理[116]：一是在 DBC 基板上，疲劳裂纹起始于铜层内的敏感几何位置或接近铜/陶瓷界面，并在达到特定阈值后扩展并分支穿入陶瓷层；二是由于陶瓷层本征缺陷引发的脆性断裂，裂纹沿最大主应力方向垂直穿过界面。图 10 还展示了几例典型的 DBC陶瓷基板失效案例，超声波扫描结果显示铜层边缘存在白色特征区域，指示此处已出现裂纹(参阅图10b[117])，而图10c[118]的破裂样品横截面清晰揭示裂纹存在于陶瓷基板内部而非铜层与陶瓷界面。针对此难题，通过优化铜层设计[119]、铝箔代替铜箔[120]，以及增加基板强度和韧性等手段[113]，能够显著提高 DBC 陶瓷基板的温度循环可靠性。 DBC 技术的市场潜力得益于其相对简单的设备和工艺。据 QYResearch 报告[6]，2022年全球 DBC陶瓷基板市场的销售额为 4.4 亿美元，预计到 2029 年将增长至 8.24 亿美元，年复合增长率为 7.75 %。同样。尽管 DBC 陶瓷基板的销售额增长显著，但其市场份额较低，主要原因是基板适配性以及其温度循环可靠性较差导致无法在大功率器件中应用。此外，DBC 陶瓷基板在湿法刻蚀工艺中面临的线路精度限制，也影响了其在小体积封装市场的应用。因此，提升 DBC 陶瓷基板在温度循环可靠性、陶瓷基板的适配性和线路精度，是扩大其市场份额的关键。 3.3 AMB 工艺 在新能源汽车行业中，SiC 模块备受重视，但当 SiC 功率器件的结温升高至 250 °C 时，由于 DBC陶瓷基板在高温条件下的温度循环可靠性很差，导致其应用受限[121]。因此，为解决这一问题，研究者开发了 AMB 陶瓷基板。AMB 工艺流程(参见图 11[8])如下：首先，在洁净的陶瓷基板上涂覆一层薄薄的焊料，随后将铜箔贴合在焊料上并放置在 800 oC 至 950 oC 的真空环境下使焊料熔化，待焊料冷却后即可形成稳固的连接。接下来，通过湿法刻蚀技术制作金属图案以满足大功率器件的电气连接需求。 鉴于常规金属与陶瓷基板间的润湿性较差，通常使用活性金属焊料改善润湿性以提高接头强度。活性金属焊料是指至少含有一种活性金属元素的焊料，当前主要活性元素为 Ti 及镧系元素[122,123]。AMB工艺中常用的活性焊料主要包括 Sn-Ag-Ti[124]和Ag-Cu-Ti[125]体系，其中 Ti 作为活性金属增强焊料与陶瓷间的润湿性，Sn 和 Ag 则起到降低熔点以及提高接头的导热性能的作用。 然而，AMB 工艺必须在高真空或保护气氛下实施，这限制了其工艺的适用性。为克服此局限性，研究者开发出可在大气环境中进行的反应空气钎焊(Reactive Air Brazing，RAB)技术。RAB 技术采用的钎焊填充金属主要由贵金属(如 Ag、Ag-Pd 合金[126])和金属氧化物(如 CuO[127]、V2O5[128]、Nb2O5[129]、SiO2[130]和 Al2TiO5[131])构成，从而赋予接头良好的抗氧化性能。在 RAB 过程中，金属氧化物能够附着于陶瓷基底表面并与之反应，通过熔融填充金属与界面的协同作用增强陶瓷基底的润湿性。同时，贵金属的优良延展性有助于缓解接头内部热应力，而金属氧化物的加入则有助于减少接头与陶瓷基体间由 CTE 差异引发的残余应力[132]。 高温钎焊工艺中，由于铜箔、焊料与陶瓷基板间 CTE 的不匹配，导致金属化基板内部积累残余应力，且该应力的大小与铜层、焊料及其反应层的厚度直接相关，通常随着厚度增加，残余应力相应增大[125,133]。为缓解这一问题，研究者采取了若干策略，如在焊料中添加改性粒子以调和CTE 的匹配性，或采用激光在陶瓷表面预置沟槽后再进行钎焊，这些方法都能在降低残余应力的同时增强接头强度[134,135]。同时，CTE 不匹配还会显著削弱 AMB 陶瓷基板的温度循环可靠性[116,136]，可通过优化焊料配方进行改善[125]。此外，陶瓷材料的韧性在温度循环可靠性中起着关键作用。Miyazaki 等人[97]通过对不同性能的陶瓷制备的 AMB 陶瓷基板进行温度循环(-40 °C 至 250 °C)可靠性实验，结果如表 10 所示。其中抗弯强度为 600 MPa、韧性为 8.0 MPa·m1/2 的Si3N4 基板金属化后循环 1000 次依然保持完好，而抗弯强度虽然为 980 MPa 但韧性降为 5.5 MPa·m1/2 的 Si3N4 基板金属化后经50 次温度循环就发生失效，以及韧性更低的 AlN 基板金属化后仅经 7 次循环就失效。由此得出结论，在评估温度循环可靠性时，陶瓷材料的韧性相较于抗弯强度更为敏感，因此，在满足强度的同时选用高韧性的陶瓷基板更契合 AMB 工艺的需求。 伴随新能源汽车技术向 800 V 电压平台的转型升级，主驱逆变器功率模块正逐步由硅基模块转向 SiC 模块，与此相适应，其支撑基板也由 DBC 陶瓷基板转为 AMB-Si3N4 基板，由此推动了 AMB-Si3N4 基板市场需求的持续增长。参考 2022 年 QYresearch 的研究报告[6]，当年全球 AMB 陶瓷基板市场的销售额已达到 4.33 亿美元，预计至 2029 年市场规模将跃升至 28.72 亿美元，对应年复合增长率为 26.0 %，凸显出 AMB 陶瓷基板在市场上的强劲增长趋势。 AMB 工艺具有设备、工艺简单、高可靠性、不受陶瓷基板限制等优点，是在大功率器件的应用中最具发展潜力的金属化工艺。然而，鉴于大功率电子器件行业的快速发展，对 AMB 的力学性能和长期运行可靠性提出了更高的标准，因此需要对其进行持续优化和提升。同时，AMB 陶瓷基板与DBC 陶瓷基板一样面临线路精度不足的技术瓶颈，若能开发新技术使其线路精度与 DPC 工艺相媲美，AMB 陶瓷基板将有望在未来替代其他同类基板，展现出巨大的应用潜力。 3.4 LAM 工艺 LAM 工艺通过激光束对含铝陶瓷基板进行选择性照射，被照射的陶瓷材料还原成活化的金属原子，随后将其浸入含 Cu2+的化学镀液中，活化原子促使 Cu2+还原并沉积在被照射的区域，形成金属线路图案[137]。 化学镀是一种无需外加电流的自催化氧化还原过程，通过溶液中的化学还原剂将金属离子还原为固体金属[138]，而这一还原过程的能量驱动来自于溶液中的化学还原剂[139]。通常镀液中的金属难以自发还原，通常需要催化剂作为中间媒介，以降低金属成核的活化能[140]。一旦催化剂颗粒成功沉积在基底表面，即可触发大范围的金属沉积。 LAM 工艺常用含铝基板进行加工，因为激光照射后可以形成活化的 Al 原子。但 Al 原子的催化性能并不理想，需要其它的催化剂来提高沉积效率。Bindra 等人[141]的研究表明，Pd和 Pt 在碱性介质中具有优异的催化性能。尽管 Pd 基催化剂在选择性活化方面存在局限性[142]，但 Pd 因其出色的催化活性而被 LAM 工艺优先选用[143]。因此，通常先在陶瓷基板上涂覆一层 PdCl2，激光照射后，PdCl2会分解成 PdO 和单质 Pd，二者均可作为化学镀铜的有效催化剂[144]。 当前，LAM 工艺在学术研究中主要关注提高线路精度和增强可靠性两个核心问题。激光照射产生的热效应会形成热影响区，热影响区也会形成少量的活化金属，导致线路增宽。为此，相较于纳秒激光，采用皮秒激光可以更精确地聚焦能量，形成狭窄而深入的活化区域，从而同步提高线路精度和金属层的结合强度[145]。此外，Lv 等人[144]在激光照射后利用王水(硫酸与硝酸体积比为 3:1 的混合溶液)选择性溶解热影响区内的活化原子后，再进行化学镀，有效减小了线路宽度。关于可靠性方面，DeSilva[137]等人发现，沉积铜层在 500 oC 退火处理后，其附着力可从初始的约 15 MPa 显著提升至 48 MPa。 LAM 工艺设计对激光参数、陶瓷基板特性和电镀工艺参数具有高度敏感性，尽管该技术结合了电镀铜的成本优势和 LAM 工艺的高线路精度的特点，但高昂的激光设备成本和化学镀带来的环境污染问题仍然是限制其进一步普及的重要原因。尽管面临这些挑战，LAM 技术仍在不断发展中，其在未来的应用前景仍值得期待。 3.5 TPC 工艺 TPC 技术利用丝网印刷工艺，在洁净陶瓷基板上涂覆粘性浆料，经历干燥后叠加印刷铜浆，并经再次干燥和烧结处理，可形成厚度介于 5 至 50 μm 的金属膜层[8,98]。对于需要更厚铜层的应用场合，须重复进行多次印刷、干燥及烧结。TPC 工艺通过消除湿法刻蚀过程，能够直接在陶瓷基板上印刷金属线路，有效降低了金属浆料的消耗。此外，通过对丝网印刷参数的精细化调控，TPC 工艺能够实现不同厚度的金属图案[146]。 TPC 工艺中，金属层与陶瓷基板的结合强度与烧结温度紧密相关。当烧结温度超过 925 oC 时，金属层与基板间的附着力低于 10 N/mm2，而在适宜的烧结条件下，附着力可提升至 30 N/mm2[147]。值得一提的是，与 DBC 陶瓷基板相比，TPC 陶瓷基板在温度循环可靠性方面展现出显著优势，其循环次数远超 DBC 陶瓷基板，且不依赖于特定的基板类型[114]。然而，印刷的金属层内部存在的孔隙和杂质问题导致金属层电阻增大，这是 TPC 技术有待解决的关键问题之一。 尽管面临电阻增加与烧结工艺优化的挑战，鉴于 TPC 陶瓷基板在基板可靠性方面的突出优势，其在众多领域中仍展现出广泛的潜在应用前景。为进一步推进 TPC 技术的应用，有必要继续探索和解决其电阻过高和烧结工艺繁琐等相关问题。 4 结论与展望 本文综合评析了电子封装中的平面陶瓷基板及其金属化技术的研究进展与特性。结果显示，Al2O3基板因热导率和强度局限，适用于低功耗场合；SiC 基板尽管热导率优越，但强度低、介电常数高，尚存改进空间；AlN 基板热导率高，但力学性能有待提升；Si3N4 基板热导率潜力大，尽管尝试多种办法制备，但实际热导率偏低。后三者的热导率提升的关键在于控制晶格氧缺陷、第二相含量、晶粒尺寸等要素，可采取亲氧添加剂、高温烧结、延长烧结或热处理时间以及采用多步烧结等方式优化。 关于金属化工艺，DPC 工艺实现了高精度线路，但受限于线路薄、高昂的设备成本及环境污染；DBC 工艺简易，但面临温度循环可靠性性差和孔隙问题；AMB 工艺展现出优秀的温度循环可靠性，应用前景广泛，当前核心在于开发新焊料、强化接头强度与可靠性；LAM 工艺也具有高线路精度的优势，但设备成本较高且也存在环境污染的风险；TPC 工艺虽简单可靠，但受限于高电阻和厚铜层制备过程繁琐。 未来发展趋势上，建议首先运用人工智能优化高热导陶瓷的成分设计与工艺流程，提升效率；其次，针对现有高热导陶瓷高温烧结难题，开发适于工业化规模生产的低温快速烧结技术。上述的基板中，Si3N4 基板具备最大的发展潜力，需攻关提升其实测热导率至 60 %理论最大值以上，同时保持高强度和韧性。此外，DPC 和 LAM 工艺需研发技术以增加线路厚度，探讨化学替代法降低成本；DBC 和 AMB 工艺需研发更高精度的刻蚀技术；TPC 工艺则需革新材料和工艺以降低电阻及简化工艺流程。 总之，期望未来能研制出具备高导热、高强度、高韧性、低 CTE 以及低介电常数的陶瓷基板，结合厚线路的 DPC 工艺或高线路精度的 AMB 工艺，有效满足大功率器件的各种封装需求。
扫码关注面包板社区
