什么是热击穿和电击穿？

导语：5G时代巨大数据流量对于通讯终端的芯片、天线等部件提出了更高的要求，器件功耗大幅提升的同时，引起了这些部位发热量的急剧增加。BN氮化硼散热膜是当前5G射频芯片、毫米波天线、无线充电、无线传输、IGBT、印刷线路板、AI、物联网等领域最为有效的散热材料，具有不可替代性。

本产品是国内首创自主研发的高质量二维氮化硼纳米片，成功制备了大面积、厚度可控的二维氮化硼散热膜，具有透电磁波、高导热、高柔性、低介电系数、低介电损耗等多种优异特性,解决了当前我国电子封装及热管理领域面临的“卡脖子”问题，拥有国际先进的热管理TIM解决方案及相关材料生产技术，是国内低维材料技术领域顶尖的创新型高科技产品。

什么是5G?

一

定义

“5G”一词通常用于指代第5代移动网络。5G是继之前的标准（1G、2G、3G、4G 网络）之后的最新全球无线标准，并为数据密集型应用提供更高的带宽。除其他好处外，5G有助于建立一个新的、更强大的网络，该网络能够支持通常被称为 IoT 或“物联网”的设备爆炸式增长的连接——该网络不仅可以连接人们通常使用的端点，还可以连接一系列新设备，包括各种家用物品和机器。

公认的5G优势是：

•具有更高可用性和容量的更可靠的网络

•更高的峰值数据速度（多Gbps）

•超低延迟

与前几代网络不同，5G网络利用在26GHz 至40GHz范围内运行的高频波长（通常称为毫米波）。由于干扰建筑物、树木甚至雨等物体，在这些高频下会遇到传输损耗，因此需要更高功率和更高效的电源。

5G部署最初可能会以增强型移动宽带应用为中心，满足以人为中心的多媒体内容、服务和数据接入需求。增强型移动宽带用例将包括全新的应用领域、性能提升的需求和日益无缝的用户体验，超越现有移动宽带应用所支持的水平。

二

毫米波是关键技术

毫米波通信是未来无线移动通信重要发展方向之一，目前已经在大规模天线技术、低比特量化ADC、低复杂度信道估计技术、功放非线性失真等关键技术上有了明显研究进展。但是随着新一代无线通信对无线宽带通信网络提出新的长距离、高移动、更大传输速率的军用、民用特殊应用场景的需求，针对毫米波无线通信的理论研究与系统设计面临重大挑战，开展面向长距离、高移动毫米波无线宽带系统的基础理论和关键技术研究，已经成为新一代宽带移动通信最具潜力的研究方向之一。

毫米波的优势：毫米波由于其频率高、波长短，具有如下特点：

频谱宽，配合各种多址复用技术的使用可以极大提升信道容量，适用于高速多媒体传输业务；可靠性高，较高的频率使其受干扰很少，能较好抵抗雨水天气的影响，提供稳定的传输信道；方向性好，毫米波受空气中各种悬浮颗粒物的吸收较大，使得传输波束较窄，增大了窃听难度，适合短距离点对点通信；波长极短，所需的天线尺寸很小，易于在较小的空间内集成大规模天线阵。

毫米波的缺点：毫米波也有一个主要缺点，那就是不容易穿过建筑物或者障碍物，并且可以被叶子和雨水吸收，对材料非常敏感。这也是为什么5G网络将会采用小基站的方式来加强传统的蜂窝塔。

什么是TIM热管理?

一

定义

热管理？顾名思义，就是对“热“进行管理，英文是：Thermal Management。热管理系统广泛应用于国民经济以及国防等各个领域，控制着系统中热的分散、存储与转换。先进的热管理材料构成了热管理系统的物质基础，而热传导率则是所有热管理材料的核心技术指标。

导热率，又称导热系数，反映物质的热传导能力，按傅立叶定律，其定义为单位温度梯度（在1m长度内温度降低1K）在单位时间内经单位导热面所传递的热量。热导率大，表示物体是优良的热导体；而热导率小的是热的不良导体或为热绝缘体。

5G手机以及硬件终端产品的小型化、集成化和多功能化，毫米波穿透力差，电子设备和许多其他高功率系统的性能和可靠性受到散热问题的严重威胁。要解决这个问题，散热材料必须在导热性、厚度、灵活性和坚固性方面获得更好的性能，以匹配散热系统的复杂性和高度集成性。

什么是热击穿?

一

定义

热击穿为固体电介质击穿的一种形式。击穿电压随温度和电压作用时间的延长而迅速下降，这时的击穿过程与电介质中的热过程有关，称为热击穿。

热击穿的本质是处于电场中的介质，由于其中的介质损耗而产生热量，就是电势能转换为热量，当外加电压足够高时，就可能从散热与发热的热平衡状态转入不平衡状态，若发出的热量比散去的多，介质温度将愈来愈高，直至出现永久性损坏，这就是热击穿。

二

电介质的特性

电介质在电场作用下，由于漏电流、电损耗或孔隙局部气体电离放电产生放热，材料温度逐步升高，随着时间延续，积热增多，当达到一定温度时，材料即行开裂、玻璃化或熔化，绝缘性能被破坏而导致击穿的现象。这是介质材料常见的破坏原因之一。

热击穿与介质的导致系数、强度、内部缺陷、掺杂物（杂质）、气孔、形状及散热条件等多种因素有关。固体电介质的击穿有电击穿、热击穿、电化学击穿、放电击穿等形式。绝缘结构发生击穿，往往是电、热、放电、电化学等多种形式同时存在，很难截然分开。一般来说，在采用tanδ值大、耐热性差的电介质的低压电气设备，在工作温度高、散热条件差时，热击穿较为多见。而在高压电气设备中，放电击穿的概率就大些。脉冲电压下的击穿一般属于电击穿。当电压作用时间达数十小时乃至数年时，大多数属于电化学击穿。

三

形成

电极间介质在一定外加电压作用下，其中不大的电导最初引起较小的电流。电流的焦耳热使样品温度升高。但电介质的电导会随温度迅速变大而使电流及焦耳热增加。若样品及周围环境的散热条件不好，则上述过程循环往复，互相促进，最后使样品内部的温度不断升高而引起损坏。

在电介质的薄弱处热击穿产生线状击穿沟道。击穿电压与温度有指数关系，与样品厚度成正比；但对于薄的样品，击穿电压比例于厚度的平方根。热击穿还与介质电导的非线性有关，当电场增加时电阻下降，热击穿一般出现于较高环境温度。在低温下出现的是另一种类型的电击穿。

四

影响

当固体绝缘材料在外加电压作用下，产生的泄漏电流过大，使绝缘材料温度升高而造成的击穿。热击穿的击穿电压比较低，但电压作用时间比较长，电气设备发生热击穿，将导致设备损坏，影响安全供电。

与其他固体电介质击穿的区别

电击穿是高压造成的击穿，热击穿是大电流造成的击穿。高压击穿如果能限制电流的话还能恢复。热击穿一般不可恢复。

静电热击穿

静电火花放电或刷形放电一般都是在ns或μs量级完成的，因此，通常可以将静电放电过程看作是一种绝热过程。空气中发生的静电放电，可以在瞬时使空气电离、击穿、通过数安培的大电流，并伴随着发光、发热过程，形成局部的高温热源。这种局部的热源可以引起易燃、易爆气体燃烧、爆炸。静电放电过程产生的瞬时大电流也可以使火炸药、电雷管、电引信等各种电发火装置意外发火、引起爆炸事故。

在微电子领域，静电放电过程是静电能量在十分之一微秒时间内通过器件电阻释放的，其平均功率可达几千瓦。如此大功率的脉冲电流作用于器件上，足以在绝热情况下，使硅片上微区溶化，电流集中处使铝互连局部区域发生球化，甚至烧毁PN结和金属互连线，形成破环的“热电击穿”，导致电路损坏失效。

什么是电击穿?

一

定义

电击穿是指固体介质在强电场的作用下，内部少量可自由移动的载流子剧烈运动，与晶格上的原子发生碰撞使之游离，并迅速扩展而导致击穿。固体电介质的纯粹电破坏过程称为电击穿。电击穿是因为固体电介质中的自由电子在强电场中作加速运动，累积较大的动能，这些动能足以破坏介质的分子结构，发生碰撞游离的连锁反应时，会在电介质中产生贯穿的导电通道，而使固体介质丧失绝缘性能，导致电击穿。

特点是：电压作用时间短，击穿电压高，与电场均匀度密切相关，但与环境温度及电压作用时间几乎无关。

二

击穿形式

固体电介质的击穿过程及其击穿电压的大小不但取决于电介质的性能，而且还与电场分布、周同温度、散热条件、周同介质的性质有关、加压速度和电压作用的持续性等有关。固体电介质根据其击穿发展的过程小同，可分为电击穿、热击穿和电化学击穿二种形式。发生哪种击穿形式，取决于介质的性能和工作条件。

三

击穿机制

在强电场下，固体导带中可能因冷发射或热发射存在一些电子。这些电子一方面在外电场作用下被加速，获得动能；另一方面与晶格振动相互作用，把电场能量传递给晶格。当两个过程在一定的温度和场强下平衡，固体介质有稳定的电导：当电子从电场中得到的能量大于传递给品格振动的能量时，电子的动能就越来越大，至电子能量大到一定值时，电子与晶格振动的相互作用导致电离产生新电子，使自由电子数迅速增加，电导进入不稳定阶段，击穿发生。

本征电击穿机制

实验上，本征电击穿表现的击穿主要是由所加电场决定的，在所使用的电场条件下，使电子温度达到击穿的临界水平。观察发现，本征击穿发生在室温或室温以下。发生的时间间隔很短，在微秒或微秒以下。本征击穿所以称之为“本征”，是因为这种击穿机制与样品或电极几何形状无关，或者与所加电场的波形无关。因此在给定温度下，产生本征击穿的电场值仅与材料有关。

这种击穿与介质中的自由电子有关。介质中自由电子的来源为杂质或缺陷能级、价带。

雪崩式电击穿机制

热击穿机制对于许多陶瓷材料是适用的。如果材料尺寸可看成是薄膜时，则雪崩式击穿机制更为有效。

雪崩式电击穿机制是把本征电击穿机制和热击穿机制结合起来。因为当电子的分布不稳定时，必然产生热的结果。因此，这种理论是用本征电击穿理论描述电子行为，而击穿的判据采用的是热击穿性质。

雪崩式理论认为：电荷是逐渐或者相继积聚，而不是电导率的突然改变，尽管电荷集聚在很短时间内发生。

雪崩式电击穿最初的机制是场发射或离子碰撞。场发射假设由隧道效应来自价带的电子进入缺陷能级或进入导带，导致传导电子密度增加。

局部放电击穿

局部放电就是在电场作用下，在电介质局部区域中所发生的放电现象，这种放电没有电极之间形成贯穿的通道，整个试样并没有被击穿。例如气体的电晕放电、液体中的气泡放电都是局部放电。对于固体电介质来说，电极与介质之间常常存在着一层环境媒质：气隙或油膜。就固体电介质本身来说，实际上也是不均匀的，往往存在着气泡、液珠或其他杂质和不均匀的组分等。例如陶瓷就是一种多孔性的不均匀材料。由于气体和液体介电常数较小，因此承受的电场强度较高。同时气体和液体的击穿电场强度又比较低，于是当外施电压达到一定数值时，在这薄弱的区域，就发生局部放电。

局部放电是脉冲性的，其过程与电晕放电相同。放电结果产生大量的正、负离子，形成空间电荷，建立反电场，使气隙中的总电场强度下降，放电熄灭。这样的放电持续时间很短，为10-8～10-9s。在直流电压作用时，放电熄灭后直到空间电荷通过表面泄漏，使反电场削弱到一定程度，才能开始第二次放电。因此在直流电压作用下，放电次数甚少。在交流电压作用时，情况就有所不同。由于电压的大小与方向是变动的，放电将反复出现，以上表明局部放电是脉冲性的。

工程介质，从材料本身来说，其本征击穿电场强度一般较高，但由于介质的不均匀性和各种影响，实际击穿强度往往并不很高，有时甚至要降低一、二个数量级，其中重要原因之一就是局部放电。

四

影响因素

(1)电压的高低。电压越高越容易击穿。

(2)电压作用时间的长短。时间越长越容易击穿。

(3)电压作用的次数。次数越多电击穿越容易发生。

(4)绝缘体存在内部缺陷，绝缘体强度降低。

(5)绝缘体内部场强过高。

(6)与绝缘的温度有关。