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浸没式液冷：贴片二极管的材料兼容性与长期可靠性
文章出处：平尚科技
责任编辑：平尚科技
发表时间：2025-12-31
浸没式液冷：贴片二极管的材料兼容性与长期可靠性随着浸没式液冷技术在高性能计算与AI领域的广泛应用，电子元器件正经历从“空气环境”到“液体环境”的根本性转变。这一转变带来的核心挑战之一，是确保所有浸没部件与冷却介质之间的长期材料兼容性。对于在电源保护、整流及信号处理等电路中不可或缺的贴片二极管而言，这并非简单的防水问题，而是一场对其封装材料、内部结构乃至芯片钝化层在化学与物理层面的综合考验。平尚科技基于工业级液冷应用的实践，深入探究了贴片二极管在这一特殊工况下的可靠性核心，并形成了一套务实的材料兼容性评估与选型策略。
在浸没式液冷系统中，无论是单相还是相变浸没，冷却液（如工程化氟化液、矿物油或合成油）均与元器件进行全表面、长期的直接接触。对于贴片二极管，这意味着其整个封装体——包括外部的环氧树脂或塑封料、内部的引线框架、芯片表面的钝化层以及外部的电镀端子——都将持续暴露于冷却液的化学环境中。兼容性问题首先表现在物理与化学渗透上。某些冷却液的小分子可能缓慢渗透进非完全致密的封装材料，长期作用下可能导致材料溶胀、塑性下降或内部键合界面退化。其次，更为关键的是电化学腐蚀。如果冷却液中含有微量水分或离子性杂质，它便可能成为电解质，在二极管的不同金属部件（如阳极和阴极的镀层）之间形成微电池，引发缓慢但不可逆的电化学腐蚀，最终导致电极侵蚀、接触电阻增大甚至开路失效。
为确保长期可靠性，必须对贴片二极管各材料界面进行系统性审视。- 封装体材料：常规的环氧模塑料（EMC）并非为长期液体浸泡设计。平尚科技在工业级选型中，会优先评估或选用具有低吸湿率、高玻璃化转变温度（Tg） 以及与目标冷却液化学兼容性更佳的增强型封装材料。例如，某些特种塑封料通过优化填料和树脂体系，能显著降低冷却液渗透速率，在85℃的氟化液中浸泡1000小时后，其绝缘电阻仍能保持在10^9欧姆以上，为内部芯片提供了稳定的保护。
- 外部端子电镀层：端子的镀层是抵御腐蚀的第一道防线。常用的锡镀层在特定冷却液和电偏压下可能产生“晶须”或腐蚀。平尚科技的方案倾向于采用更稳定的镀层组合，例如在镍阻挡层上施以薄金或高品质的哑光锡镀层。这种组合能有效阻挡底层铜的扩散，并提供优良的耐腐蚀性和可焊性。通过盐雾试验和高温高湿浸泡测试的模拟验证，可确保镀层在模拟液冷环境下数百小时内无明显腐蚀现象。
- 内部芯片钝化与键合：二极管芯片表面的钝化层（如二氧化硅、氮化硅）是保护半导体结的关键。必须确保其在冷却液环境中性质稳定，不发生水解或其他反应。同时，连接芯片与引线框架的键合线或焊料也需要评估其抗腐蚀性。采用金线键合或高铅焊料通常具有更好的稳定性，但成本较高。平尚科技会根据可靠性目标进行权衡，确保内部连接界面在热循环和化学环境共同作用下保持牢固。
可靠性的量化评估与实践路径
材料兼容性的最终目标是保障电气性能的长期稳定。平尚科技的评估聚焦于几个可量化的参数在加速老化测试前后的变化：- 正向压降（VF）的稳定性：VF的异常增大可能暗示电极或键合界面的接触电阻因腐蚀而增加。
- 反向漏电流（IR）：IR的显著升高，可能意味着冷却液渗透影响了芯片钝化层或造成了污染。
- 热阻（RθJA）的变化：封装材料若因溶胀或退化导致与芯片的热耦合变差，会体现在热阻的升高上，影响二极管在高负载下的散热能力。
国内领先的工业级制造与封测能力，已经能够为浸没式液冷应用提供经过针对性验证的贴片二极管。例如，通过筛选兼容材料、优化封装工艺，平尚科技能够提供在105℃目标冷却液中，预期使用寿命超过6万小时（约7年）的整流与保护二极管解决方案。其产品在完成相当于多年寿命的加速浸泡与热循环测试后，关键电参数（VF, IR）的变化率可控制在5%以内，完全满足多数工业级浸没式设备对长期可靠运行的要求。浸没式液冷技术开启了散热效能的新篇章，也对电子元器件的可靠性提出了更深层次的材料科学命题。对于贴片二极管，其长期可靠性已不再仅由芯片本身的电气规格决定，更取决于从外部封装到内部界面的整个材料体系与冷却介质的和谐共存。平尚科技通过对材料兼容性的系统性研究与严谨测试，将这一潜在风险转化为可管理、可验证的设计要素，为国产液冷计算设备在追求极致能效的道路上，提供了稳定可靠的半导体基石。
