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燒結銀在核聚變的三大應用場景
燒結銀在核聚變領域的應用,主要圍繞其高導熱性、高可靠性、低溫燒結適應性等核心特性,聚焦于功率半導體模塊封裝、熱沉材料、極端環境部件連接等關鍵環節,為核聚變裝置如托卡馬克的穩定運行提供關鍵材料支撐。
一、核心應用場景1:功率半導體模塊的芯片連接與封裝
核聚變裝置如托卡馬克的運行依賴大量功率半導體器件,這些器件需在高電壓、大電流、高溫環境下工作,其芯片與基板的連接材料需具備極高的導熱性和可靠性。燒結銀膏是此類場景的理想選擇,具體應用包括:
1芯片與基板的連接:燒結銀膏AS9335通過150℃低溫燒結形成致密的銀連接層,其熱導率可達200W/m.K,是傳統錫焊料的4倍,能有效導出SiC/GaN等寬禁帶半導體芯片產生的熱量,降低芯片結溫,如從150℃降至100℃以下,提高模塊的工作效率和壽命。例如,善仁新材的AS9385系列有壓燒結銀膏,通過納米銀顆粒的固態擴散機制,形成孔隙率<5%的致密結構,剪切強度可達80 MPa以上,適用于核聚變裝置中功率模塊的高可靠性連接。
2晶圓級連接:對于核聚變裝置中的小型化、集成化功率芯片,燒結銀膜,如GVF9500系列可實現晶圓級的高精度連接,避免傳統封裝中的切割、貼片等工序,提高生產效率。燒結銀膜的厚度可控制在50微米以內,確保芯片與基板的一致性,減少熱應力導致的芯片開裂。
二、核心應用場景2:熱沉材料的界面連接
1核聚變裝置中的熱沉,如銅或鋁制散熱器需快速導出功率器件產生的熱量,其表面與芯片的連接材料需具備高導熱性和良好的界面兼容性。燒結銀膏作為熱界面材料(TIM),可填充熱沉與芯片之間的微小空隙,降低接觸熱阻,提高散熱效率。例如:
2模塊與散熱器的連接:燒結銀膏(如AS9356)可用于核聚變裝置中功率模塊與鋁/銅散熱器的連接,其熱導率可達200 W/m·K以上,能有效將模塊熱量傳遞至散熱器,再通過冷卻系統(如水冷)散出。與傳統導熱硅脂相比,燒結銀膏的導熱性能更穩定,不會因長期高溫而失效。
三、核心應用場景3:極端環境部件的連接,如第一壁、偏濾器
1核聚變裝置中的第一壁和偏濾器需承受高熱負荷10 MW/m以上、高粒子轟擊和中子輻照,其結構材料的連接需具備高熔點、低膨脹系數和抗輻照性能。燒結銀膏的高熔點(銀的熔點為961℃)和可設計性使其適用于此類極端環境:
2第一壁的熱管理:第一壁的材料如鎢基合金需與熱沉連接,燒結銀膏可作為中間層,填充鎢與銅之間的空隙,降低界面熱阻,提高熱傳遞效率。此外,燒結銀膏的抗熱循環性能能有效應對第一壁的熱脹冷縮問題。
四、技術優勢:為何選擇燒結銀膏?
燒結銀膏在核聚變領域的應用,核心優勢在于其性能匹配極端環境需求:
1高導熱性:銀的自然屬性使其導熱性能遠優于傳統焊料,能有效解決核聚變裝置中功率器件的高熱密度問題。
2高可靠性:燒結銀膏的致密結構和>40MPa高剪切強度,使其能承受核聚變裝置中的熱循環如等離子體脈沖導致的熱沖擊、振動和機械應力,不會因長期運行而失效。
3低溫燒結適應性:部分燒結銀膏如AS9338可在130℃下低溫燒結,避免了對SiC/GaN等寬禁帶半導體的熱損傷,適用于核聚變裝置中精密器件的封裝。
五、實際價值:推動核聚變裝置的商業化進程
燒結銀膏的應用,直接解決了核聚變裝置中功率器件散熱和可靠性兩大關鍵問題,為核聚變的商業化提供了重要支撐:
1提高裝置運行效率:通過高效散熱,功率器件的工作效率可提高10%-20%,減少能量損耗,提升核聚變裝置的輸出功率。
2延長器件壽命:高可靠性的連接材料能將功率器件的壽命從傳統的10,000小時延長至50,000小時以上,降低核聚變裝置的維護成本。
3支持小型化設計:燒結銀膏的高導熱性和致密結構,使功率模塊的體積可縮小30%-50%,有利于核聚變裝置的小型化和緊湊化,如全高溫超導托卡馬克裝置。
總結:燒結銀膏在核聚變領域的應用,聚焦于功率半導體模塊封裝、熱沉材料連接、極端環境部件連接等關鍵環節,其高導熱性、高可靠性、低溫燒結適應性等特性,完美匹配了核聚變裝置的極端環境需求。
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