特种陶瓷制品在电力电子元器件中的性能优化研究

引言

电力电子元器件在高功率密度和高温环境下运行，对散热能力、机械强度及界面稳定性要求极高。特种陶瓷因其优异的绝缘性、热导率及力学性能，成为关键材料。然而，陶瓷自身存在热膨胀不匹配和脆性问题，亟需通过材料改性、微结构调控及界面优化策略提升整体性能。

一、特种陶瓷性能优化技术研究

（一）材料改性与复合设计

对材料进行改性处理是增强特种陶瓷综合性能的关键方法，通过掺入诸如 Y、Ce、La 的稀土元素，能够调节陶瓷的晶格缺陷以及晶粒的取向，进而减小热膨胀系数，提升热稳定性与韧性，添加碳化硅、氮化硼这类高导热的微小颗粒，可以搭建起高效的晶格热导通道，大幅提升热导率，提升散热能力。复合陶瓷的设计是把多种陶瓷材料按照一定比例搭配起来，借助各自的长处达成性能上的互补， Al₂O₃/Si₃N₄ 复合陶瓷既具备优良的绝缘特性，还可维持较高的热传导率，微纳米结构陶瓷的制造依靠界面工程以及对晶粒尺寸的精准把控，让材料的力学强度、断裂韧性以及热管理能力一同提升，进而满足电力电子器件在高温、高功率环境下的使用要求。

（二）烧结工艺优化

烧结工艺会直接对陶瓷的致密化程度以及微观组织结构造成影响，从而对力学性能和热导效率造成影响，虽然传统高温固相烧结可以达成致密化目的，然而晶粒很容易出现过度生长的情况，造成韧性降低以及热导率受限制，先进的烧结方法，像热压烧结、放电等离子体烧结（SPS）以及微波烧结，能够在低温条件下迅速实现致密化，遏制晶粒的粗大化，提高材料的热传导能力和机械强度，通过合理调整升温的速率、保温的时间以及冷却的曲线，能够显著降低内部应力，降低微裂纹出现的几率，严密掌控烧结工艺，既保障了陶瓷微观结构的均匀度，还增强了高温循环的稳定性，为功率器件长时间运行的可靠性提供了关键支撑。

（三）表面改性与功能化处理

表面改性与功能化的处理工作，重点聚焦于陶瓷和环境、金属界面的适配状况，等离子体处理可消除表面的杂质并添加活性官能团，提升与金属或者聚合物的黏合能力，化学镀和喷涂导热涂层能够在陶瓷表面构建起连续的导热层，提升热传导的效率，同时强化其抗氧化和抗腐蚀的性能。功能化处理还能够借助微结构或者薄膜设计，达成导热定向效果或增强绝缘性能，在陶瓷表面打造垂直导热通道可以优化热流的分布，降低局部出现过热的情形，这些表面改性办法不仅可以提高陶瓷在电力电子器件中的界面可靠程度，还可优化总体性能，为高功率密度的器件营造稳定的运行环境。

二、特种陶瓷在电力电子元器件中的性能优化策略

（一）高热导率陶瓷基体优化策略

在电力电子功率元件里，过大的热负荷是引发器件效率下滑和寿命减短的主要缘由，故而增强陶瓷基体的热管理能力极为关键，借助对陶瓷材料组成和晶体结构的优化，可在保证电绝缘性的情况下，实现高热导率和低热膨胀的良好匹配，在陶瓷材料里添加碳化硅（SiC）或者氮化硼（BN）微颗粒，可在陶瓷晶格中打造出高效的热传导途径，大幅提升散热性能。热导效果会受到材料的掺杂比例、颗粒大小、分布情况以及与基体陶瓷的界面结合状态的影响，故而需要借助精确规划和工艺调控来实现最佳的性能，通过对晶体取向和微结构加以调控，能够显著降低热膨胀系数，改善陶瓷和金属或者其他封装材料之间热膨胀不匹配的状况，减少热应力的聚集和裂纹的形成，进而增强功率器件在高温、高功率密度工作环境下的可靠性，该策略为高性能功率模块的正常运行筑牢了基础，同时实现了热性能与绝缘性能之间的平衡。

（二）微结构调控与晶界强化策略

陶瓷的微观构造对热传导率、机械强度和柔韧性起着关键作用，对陶瓷的晶粒大小、晶界构造以及孔隙分布加以调控，能够达成性能的全面优化，纳米晶增强技术可使晶粒细化，增多晶界数目，进而在裂纹萌生之际形成阻挡的通道，阻止裂纹进一步延伸，增强断裂韧性和抵抗热冲击的能力。通过对晶界玻璃相进行优化，可提升晶界结合的紧密程度，降低微裂纹与界面缺陷的产生，切实提高高温循环的可靠性，通过对孔隙的形态和分布进行调节控制，使热流的走向更加均匀，提高散热效能，并且减轻局部应力集中的现象，这种微结构调节不但增强了陶瓷本身的性能，而且还能增加器件的使用寿命，特别是在高功率密度和高温的工作环境下，能够让器件长时间稳定地运作，属于使陶瓷材料在电力电子器件中实现性能优

化的核心技术范畴。

（三）陶瓷- 金属界面工程策略

在功率模块进行封装时，陶瓷和金属热膨胀不一致是造成界面应力聚集、出现裂纹以及降低器件可靠性的主要原因，界面工程借助搭建过渡层或者制作功能化涂层，能够显著减轻这一难题，采用金属化工艺，在陶瓷表面覆盖一层可导热的金属层，这样既能强化界面的结合力，又能降低热的阻力，提高热量传导的效率；陶瓷涂覆的功能化过渡层可以打造热膨胀梯度地带，让界面应力得到分散，抑制裂纹出现和延伸。功能化涂层能够提升界面的抗氧化和耐腐蚀能力，同时在高频、高温状况下保障模块热管理的稳定性，全面应用界面工程策略，不仅增强了散热效率与器件的稳定性，而且明显延长了高功率电子元器件的使用寿命，为电力电子模块的可靠封装设计给予了技术支撑。

结语

通过材料改性、复合设计、先进烧结及界面工程，可系统提升特种陶瓷在电力电子元器件中的热导、力学及界面性能。优化策略的综合应用不仅改善散热与韧性，还延长器件使用寿命，为高功率电子模块的可靠设计提供了有效技术途径。

参考文献：

[1] 刘志国 . 特种陶瓷烧结技术 [J]. 佛山陶瓷 ,2002,(09):37-38.

[2] 刘玮炜 , 李树安 , 唐建伟 . 硬脂酸胍的合成及其在特种陶瓷制备中的应用 [J]. 化学工程师 ,1998,(01):49-50.

作者简介：赵鹏（1987.7—），性别：男，籍贯：辽宁省营口市，民族：汉族，学历：硕士研究生，职称：中级工程师，研究方向：粉末冶金。