什么是熱擊穿和電擊穿？

本產(chǎn)品是國內(nèi)首創(chuàng)自主研發(fā)的高質(zhì)量二維氮化硼納米片，成功制備了大面積、厚度可控的二維氮化硼散熱膜，具有透電磁波、高導(dǎo)熱、高柔性、低介電系數(shù)、低介電損耗等多種優(yōu)異特性,解決了當(dāng)前我國電子封裝及熱管理領(lǐng)域面臨的“卡脖子”問題，擁有國際先進(jìn)的熱管理TIM解決方案及相關(guān)材料生產(chǎn)技術(shù)，是國內(nèi)低維材料技術(shù)領(lǐng)域頂尖的創(chuàng)新型高科技產(chǎn)品。

什么是5G?

一

定義

“5G”一詞通常用于指代第5代移動網(wǎng)絡(luò)。5G是繼之前的標(biāo)準(zhǔn)（1G、2G、3G、4G 網(wǎng)絡(luò)）之后的最新全球無線標(biāo)準(zhǔn)，并為數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用提供更高的帶寬。除其他好處外，5G有助于建立一個新的、更強大的網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)能夠支持通常被稱為 IoT 或“物聯(lián)網(wǎng)”的設(shè)備爆炸式增長的連接——該網(wǎng)絡(luò)不僅可以連接人們通常使用的端點，還可以連接一系列新設(shè)備，包括各種家用物品和機(jī)器。

公認(rèn)的5G優(yōu)勢是：

?具有更高可用性和容量的更可靠的網(wǎng)絡(luò)

?更高的峰值數(shù)據(jù)速度（多Gbps）

?超低延遲

與前幾代網(wǎng)絡(luò)不同，5G網(wǎng)絡(luò)利用在26GHz 至40GHz范圍內(nèi)運行的高頻波長（通常稱為毫米波）。由于干擾建筑物、樹木甚至雨等物體，在這些高頻下會遇到傳輸損耗，因此需要更高功率和更高效的電源。

5G部署最初可能會以增強型移動寬帶應(yīng)用為中心，滿足以人為中心的多媒體內(nèi)容、服務(wù)和數(shù)據(jù)接入需求。增強型移動寬帶用例將包括全新的應(yīng)用領(lǐng)域、性能提升的需求和日益無縫的用戶體驗，超越現(xiàn)有移動寬帶應(yīng)用所支持的水平。

二

毫米波是關(guān)鍵技術(shù)

毫米波通信是未來無線移動通信重要發(fā)展方向之一，目前已經(jīng)在大規(guī)模天線技術(shù)、低比特量化ADC、低復(fù)雜度信道估計技術(shù)、功放非線性失真等關(guān)鍵技術(shù)上有了明顯研究進(jìn)展。但是隨著新一代無線通信對無線寬帶通信網(wǎng)絡(luò)提出新的長距離、高移動、更大傳輸速率的軍用、民用特殊應(yīng)用場景的需求，針對毫米波無線通信的理論研究與系統(tǒng)設(shè)計面臨重大挑戰(zhàn)，開展面向長距離、高移動毫米波無線寬帶系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)研究，已經(jīng)成為新一代寬帶移動通信最具潛力的研究方向之一。

毫米波的優(yōu)勢：毫米波由于其頻率高、波長短，具有如下特點：

頻譜寬，配合各種多址復(fù)用技術(shù)的使用可以極大提升信道容量，適用于高速多媒體傳輸業(yè)務(wù)；可靠性高，較高的頻率使其受干擾很少，能較好抵抗雨水天氣的影響，提供穩(wěn)定的傳輸信道；方向性好，毫米波受空氣中各種懸浮顆粒物的吸收較大，使得傳輸波束較窄，增大了竊聽難度，適合短距離點對點通信；波長極短，所需的天線尺寸很小，易于在較小的空間內(nèi)集成大規(guī)模天線陣。

毫米波的缺點：毫米波也有一個主要缺點，那就是不容易穿過建筑物或者障礙物，并且可以被葉子和雨水吸收，對材料非常敏感。這也是為什么5G網(wǎng)絡(luò)將會采用小基站的方式來加強傳統(tǒng)的蜂窩塔。

什么是TIM熱管理?

一

定義

熱管理？顧名思義，就是對“熱“進(jìn)行管理，英文是：Thermal Management。熱管理系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)以及國防等各個領(lǐng)域，控制著系統(tǒng)中熱的分散、存儲與轉(zhuǎn)換。先進(jìn)的熱管理材料構(gòu)成了熱管理系統(tǒng)的物質(zhì)基礎(chǔ)，而熱傳導(dǎo)率則是所有熱管理材料的核心技術(shù)指標(biāo)。

導(dǎo)熱率，又稱導(dǎo)熱系數(shù)，反映物質(zhì)的熱傳導(dǎo)能力，按傅立葉定律，其定義為單位溫度梯度（在1m長度內(nèi)溫度降低1K）在單位時間內(nèi)經(jīng)單位導(dǎo)熱面所傳遞的熱量。熱導(dǎo)率大，表示物體是優(yōu)良的熱導(dǎo)體；而熱導(dǎo)率小的是熱的不良導(dǎo)體或為熱絕緣體。

5G手機(jī)以及硬件終端產(chǎn)品的小型化、集成化和多功能化，毫米波穿透力差，電子設(shè)備和許多其他高功率系統(tǒng)的性能和可靠性受到散熱問題的嚴(yán)重威脅。要解決這個問題，散熱材料必須在導(dǎo)熱性、厚度、靈活性和堅固性方面獲得更好的性能，以匹配散熱系統(tǒng)的復(fù)雜性和高度集成性。

什么是熱擊穿?

一

定義

熱擊穿為固體電介質(zhì)擊穿的一種形式。擊穿電壓隨溫度和電壓作用時間的延長而迅速下降，這時的擊穿過程與電介質(zhì)中的熱過程有關(guān)，稱為熱擊穿。

熱擊穿的本質(zhì)是處于電場中的介質(zhì)，由于其中的介質(zhì)損耗而產(chǎn)生熱量，就是電勢能轉(zhuǎn)換為熱量，當(dāng)外加電壓足夠高時，就可能從散熱與發(fā)熱的熱平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)入不平衡狀態(tài)，若發(fā)出的熱量比散去的多，介質(zhì)溫度將愈來愈高，直至出現(xiàn)永久性損壞，這就是熱擊穿。

二

電介質(zhì)的特性

電介質(zhì)在電場作用下，由于漏電流、電損耗或孔隙局部氣體電離放電產(chǎn)生放熱，材料溫度逐步升高，隨著時間延續(xù)，積熱增多，當(dāng)達(dá)到一定溫度時，材料即行開裂、玻璃化或熔化，絕緣性能被破壞而導(dǎo)致?lián)舸┑默F(xiàn)象。這是介質(zhì)材料常見的破壞原因之一。

熱擊穿與介質(zhì)的導(dǎo)致系數(shù)、強度、內(nèi)部缺陷、摻雜物（雜質(zhì)）、氣孔、形狀及散熱條件等多種因素有關(guān)。固體電介質(zhì)的擊穿有電擊穿、熱擊穿、電化學(xué)擊穿、放電擊穿等形式。絕緣結(jié)構(gòu)發(fā)生擊穿，往往是電、熱、放電、電化學(xué)等多種形式同時存在，很難截然分開。一般來說，在采用tanδ值大、耐熱性差的電介質(zhì)的低壓電氣設(shè)備，在工作溫度高、散熱條件差時，熱擊穿較為多見。而在高壓電氣設(shè)備中，放電擊穿的概率就大些。脈沖電壓下的擊穿一般屬于電擊穿。當(dāng)電壓作用時間達(dá)數(shù)十小時乃至數(shù)年時，大多數(shù)屬于電化學(xué)擊穿。

三

形成

電極間介質(zhì)在一定外加電壓作用下，其中不大的電導(dǎo)最初引起較小的電流。電流的焦耳熱使樣品溫度升高。但電介質(zhì)的電導(dǎo)會隨溫度迅速變大而使電流及焦耳熱增加。若樣品及周圍環(huán)境的散熱條件不好，則上述過程循環(huán)往復(fù)，互相促進(jìn)，最后使樣品內(nèi)部的溫度不斷升高而引起損壞。

在電介質(zhì)的薄弱處熱擊穿產(chǎn)生線狀擊穿溝道。擊穿電壓與溫度有指數(shù)關(guān)系，與樣品厚度成正比；但對于薄的樣品，擊穿電壓比例于厚度的平方根。熱擊穿還與介質(zhì)電導(dǎo)的非線性有關(guān)，當(dāng)電場增加時電阻下降，熱擊穿一般出現(xiàn)于較高環(huán)境溫度。在低溫下出現(xiàn)的是另一種類型的電擊穿。

四

影響

當(dāng)固體絕緣材料在外加電壓作用下，產(chǎn)生的泄漏電流過大，使絕緣材料溫度升高而造成的擊穿。熱擊穿的擊穿電壓比較低，但電壓作用時間比較長，電氣設(shè)備發(fā)生熱擊穿，將導(dǎo)致設(shè)備損壞，影響安全供電。

與其他固體電介質(zhì)擊穿的區(qū)別

電擊穿是高壓造成的擊穿，熱擊穿是大電流造成的擊穿。高壓擊穿如果能限制電流的話還能恢復(fù)。熱擊穿一般不可恢復(fù)。

靜電熱擊穿

靜電火花放電或刷形放電一般都是在ns或μs量級完成的，因此，通?？梢詫㈧o電放電過程看作是一種絕熱過程?？諝庵邪l(fā)生的靜電放電，可以在瞬時使空氣電離、擊穿、通過數(shù)安培的大電流，并伴隨著發(fā)光、發(fā)熱過程，形成局部的高溫?zé)嵩?。這種局部的熱源可以引起易燃、易爆氣體燃燒、爆炸。靜電放電過程產(chǎn)生的瞬時大電流也可以使火炸藥、電雷管、電引信等各種電發(fā)火裝置意外發(fā)火、引起爆炸事故。

在微電子領(lǐng)域，靜電放電過程是靜電能量在十分之一微秒時間內(nèi)通過器件電阻釋放的，其平均功率可達(dá)幾千瓦。如此大功率的脈沖電流作用于器件上，足以在絕熱情況下，使硅片上微區(qū)溶化，電流集中處使鋁互連局部區(qū)域發(fā)生球化，甚至燒毀PN結(jié)和金屬互連線，形成破環(huán)的“熱電擊穿”，導(dǎo)致電路損壞失效。

什么是電擊穿?

一

定義

電擊穿是指固體介質(zhì)在強電場的作用下，內(nèi)部少量可自由移動的載流子劇烈運動，與晶格上的原子發(fā)生碰撞使之游離，并迅速擴(kuò)展而導(dǎo)致?lián)舸?/span>固體電介質(zhì)的純粹電破壞過程稱為電擊穿。電擊穿是因為固體電介質(zhì)中的自由電子在強電場中作加速運動，累積較大的動能，這些動能足以破壞介質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)，發(fā)生碰撞游離的連鎖反應(yīng)時，會在電介質(zhì)中產(chǎn)生貫穿的導(dǎo)電通道，而使固體介質(zhì)喪失絕緣性能，導(dǎo)致電擊穿。

特點是：電壓作用時間短，擊穿電壓高，與電場均勻度密切相關(guān)，但與環(huán)境溫度及電壓作用時間幾乎無關(guān)。

二

擊穿形式

固體電介質(zhì)的擊穿過程及其擊穿電壓的大小不但取決于電介質(zhì)的性能，而且還與電場分布、周同溫度、散熱條件、周同介質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)、加壓速度和電壓作用的持續(xù)性等有關(guān)。固體電介質(zhì)根據(jù)其擊穿發(fā)展的過程小同，可分為電擊穿、熱擊穿和電化學(xué)擊穿二種形式。發(fā)生哪種擊穿形式，取決于介質(zhì)的性能和工作條件。

三

擊穿機(jī)制

在強電場下，固體導(dǎo)帶中可能因冷發(fā)射或熱發(fā)射存在一些電子。這些電子一方面在外電場作用下被加速，獲得動能；另一方面與晶格振動相互作用，把電場能量傳遞給晶格。當(dāng)兩個過程在一定的溫度和場強下平衡，固體介質(zhì)有穩(wěn)定的電導(dǎo)：當(dāng)電子從電場中得到的能量大于傳遞給品格振動的能量時，電子的動能就越來越大，至電子能量大到一定值時，電子與晶格振動的相互作用導(dǎo)致電離產(chǎn)生新電子，使自由電子數(shù)迅速增加，電導(dǎo)進(jìn)入不穩(wěn)定階段，擊穿發(fā)生。

本征電擊穿機(jī)制

實驗上，本征電擊穿表現(xiàn)的擊穿主要是由所加電場決定的，在所使用的電場條件下，使電子溫度達(dá)到擊穿的臨界水平。觀察發(fā)現(xiàn)，本征擊穿發(fā)生在室溫或室溫以下。發(fā)生的時間間隔很短，在微秒或微秒以下。本征擊穿所以稱之為“本征”，是因為這種擊穿機(jī)制與樣品或電極幾何形狀無關(guān)，或者與所加電場的波形無關(guān)。因此在給定溫度下，產(chǎn)生本征擊穿的電場值僅與材料有關(guān)。

這種擊穿與介質(zhì)中的自由電子有關(guān)。介質(zhì)中自由電子的來源為雜質(zhì)或缺陷能級、價帶。

雪崩式電擊穿機(jī)制

熱擊穿機(jī)制對于許多陶瓷材料是適用的。如果材料尺寸可看成是薄膜時，則雪崩式擊穿機(jī)制更為有效。

雪崩式電擊穿機(jī)制是把本征電擊穿機(jī)制和熱擊穿機(jī)制結(jié)合起來。因為當(dāng)電子的分布不穩(wěn)定時，必然產(chǎn)生熱的結(jié)果。因此，這種理論是用本征電擊穿理論描述電子行為，而擊穿的判據(jù)采用的是熱擊穿性質(zhì)。

雪崩式理論認(rèn)為：電荷是逐漸或者相繼積聚，而不是電導(dǎo)率的突然改變，盡管電荷集聚在很短時間內(nèi)發(fā)生。

雪崩式電擊穿最初的機(jī)制是場發(fā)射或離子碰撞。場發(fā)射假設(shè)由隧道效應(yīng)來自價帶的電子進(jìn)入缺陷能級或進(jìn)入導(dǎo)帶，導(dǎo)致傳導(dǎo)電子密度增加。

局部放電擊穿

局部放電就是在電場作用下，在電介質(zhì)局部區(qū)域中所發(fā)生的放電現(xiàn)象，這種放電沒有電極之間形成貫穿的通道，整個試樣并沒有被擊穿。例如氣體的電暈放電、液體中的氣泡放電都是局部放電。對于固體電介質(zhì)來說，電極與介質(zhì)之間常常存在著一層環(huán)境媒質(zhì)：氣隙或油膜。就固體電介質(zhì)本身來說，實際上也是不均勻的，往往存在著氣泡、液珠或其他雜質(zhì)和不均勻的組分等。例如陶瓷就是一種多孔性的不均勻材料。由于氣體和液體介電常數(shù)較小，因此承受的電場強度較高。同時氣體和液體的擊穿電場強度又比較低，于是當(dāng)外施電壓達(dá)到一定數(shù)值時，在這薄弱的區(qū)域，就發(fā)生局部放電。

局部放電是脈沖性的，其過程與電暈放電相同。放電結(jié)果產(chǎn)生大量的正、負(fù)離子，形成空間電荷，建立反電場，使氣隙中的總電場強度下降，放電熄滅。這樣的放電持續(xù)時間很短，為10-8～10-9s。在直流電壓作用時，放電熄滅后直到空間電荷通過表面泄漏，使反電場削弱到一定程度，才能開始第二次放電。因此在直流電壓作用下，放電次數(shù)甚少。在交流電壓作用時，情況就有所不同。由于電壓的大小與方向是變動的，放電將反復(fù)出現(xiàn)，以上表明局部放電是脈沖性的。

工程介質(zhì)，從材料本身來說，其本征擊穿電場強度一般較高，但由于介質(zhì)的不均勻性和各種影響，實際擊穿強度往往并不很高，有時甚至要降低一、二個數(shù)量級，其中重要原因之一就是局部放電。

四

影響因素

(1)電壓的高低。電壓越高越容易擊穿。

(2)電壓作用時間的長短。時間越長越容易擊穿。

(3)電壓作用的次數(shù)。次數(shù)越多電擊穿越容易發(fā)生。

(4)絕緣體存在內(nèi)部缺陷，絕緣體強度降低。

(5)絕緣體內(nèi)部場強過高。

(6)與絕緣的溫度有關(guān)。