Analiza puteva tehnologije metalizacije za keramičke podloge od aluminijum nitrida: od keramičkih supstrata do visoko-pouzdanih elektronskih aplikacija za pakovanje

U-područjima primjene velike snage-kao što su nova energetska vozila, energetski poluvodiči, sistemi za pohranu energije i energetska elektronika-performanse odvođenja topline i pouzdanost strukture su kritični faktori za dugoročan-stabilan rad elektronskih uređaja. Zahvaljujući svojoj visokoj toplotnoj provodljivosti, niskom dielektričnom gubitku, odličnim izolacionim svojstvima i dobroj termičkoj stabilnosti, keramika od aluminijum nitrida (AlN) sve više postaje ključni materijal supstrata za elektronska ambalaža velike{5}}e snage.

 

Međutim, kako je aluminij nitrid inherentno izolacijski materijal, on ne može direktno olakšati električne veze ili provođenje signala. Shodno tome, prije nego što se može koristiti u energetskim modulima, poluvodičkim ambalažama ili električnim komponentama visokog{1}}napona, tehnologija površinske metalizacije mora se primijeniti kako bi se keramičkoj podlozi pružila električna provodljivost i osigurala pouzdana veza između keramike i metala.

 

Osnovni izazov u metalizaciji keramike leži u fundamentalnim razlikama između materijala: aluminijum nitrid je jedinjenje koje karakterišu jake kovalentne veze, dok metali obično imaju metalnu vezu. Ovaj disparitet dovodi do problema kao što su slaba kvašenje i neusklađenost u koeficijentima toplinske ekspanzije (CTE). U radnim okruženjima na visokim{2}}temperaturama, nedovoljna čvrstoća veze između metalnog sloja i keramike može dovesti do kvarova kao što je međufazna delaminacija ili pucanje uzrokovano termičkim stresom. Stoga je razvoj visoko pouzdanih procesa metalizacije keramike ključan za unapređenje industrijske primjene keramičkih podloga.

 

Trenutno se koriste različite tehnike metalizacije za keramičke podloge od aluminij nitrida, uključujući mehaničko povezivanje, tehnologiju debelog{0}}filma, aktivno lemljenje metala (AMB), ko-pečenje, procese tankih{2}}filmova, direktno vezani bakar (DBC) i bakar sa direktnim plastificiranjem (DPC).

 

 

 

Mehaničko spajanje je jedna od najranijih metoda spajanja keramike i metala. Oslanja se na konstrukcijski dizajn i mehaničko naprezanje-kao što je skupljanje-pričvršćivanje ili pričvršćivanje vijcima-kako bi se učvrstila keramička podloga za metalnu komponentu.

 

Ova metoda uključuje relativno jednostavan proces, zahtijeva minimalnu opremu i nudi značajnu fleksibilnost proizvodnje. Međutim, budući da se veza na interfejsu prvenstveno oslanja na vanjsku mehaničku silu, može doći do značajnog mehaničkog naprezanja tokom dugotrajnog termičkog ciklusa ili vibracija na visokim{2}}ima; shodno tome, nije pogodan za aplikacije koje zahtijevaju visoku pouzdanost ili rad na visokim{3}}temperaturama.

 

Tehnologija lijepljenja, s druge strane, uključuje uvođenje organskog ljepljivog materijala između keramike i metala kako bi se formirala vezana struktura kroz proces očvršćavanja. Ovaj pristup omogućava spajanje sistema različitih materijala-na primjer, kombinovanjem keramičke izolacijske strukture sa provodljivom metalnom komponentom kako bi se stvorio integrirani sklop.

 

Međutim, zbog ograničene temperaturne otpornosti organskih veznih materijala, njihova pouzdanost je ograničena u zahtjevnim okruženjima kao što su elektronski uređaji velike{0}}nane snage i HVDC (High-High Voltage Direct Current) sistemi. Shodno tome, trenutno se prvenstveno koriste za strukturno fiksiranje u okruženjima niskih-temperatura i niskih-napona.

 

 

Tehnologija debelog filma je dobro-uhodani proces za metalizaciju keramičke površine. Ova tehnika obično koristi sito štampu za nanošenje provodljive paste-koja sadrži metalni prah- na površinu keramike od aluminijum nitrida (AlN). Naknadno sušenje i koraci sinteriranja na visokim{5}}temperaturama osiguravaju da se metalni sloj čvrsto vezuje za keramičku podlogu.

 

Konduktivne paste se uglavnom sastoje od metalnog praha, veziva za staklo i organskog nosača; metalni prah određuje konačnu električnu provodljivost i mehaničku čvrstoću. Obično korišteni metali uključuju srebro, bakar i nikal.

 

Ovaj proces nudi prednosti kao što su visoka proizvodna efikasnost, niska cijena i tehnička zrelost, što ga čini pogodnim za masovnu proizvodnju elektronskih keramičkih podloga. Nadalje, optimizacija formulacije paste omogućava odlične električne performanse i pouzdanost termičkog ciklusa.

 

Međutim, zbog ograničenja rezolucije sito štampe, dimenzije kola proizvedene postupkom debelog-filmskog procesa su relativno velike, što otežava ispunjavanje zahtjeva za kola velike-gustine i finog-kola. Stoga se uglavnom primjenjuje u pakiranju energetske elektronike gdje su zahtjevi za preciznost kola manje strogi.

 

 

 

Aktivno lemljenje metala (AMB) je ključna tehnologija za postizanje visoko pouzdanih keramičkih-na-veza. Ovaj proces uključuje dodavanje aktivnih elemenata-kao što su titan (Ti), cirkonijum (Zr), aluminijum (Al) ili niobijum (Nb)- tradicionalnim metalima za lemljenje. Ovi elementi hemijski reaguju sa površinom keramike od aluminijum nitrida i formiraju stabilan reakcijski prelazni sloj.

 

Ovaj prijelazni sloj poboljšava kvašenje između metala i keramike, omogućavajući rastopljenoj leguri lemljenja da formira metaluršku vezu s keramikom, čime se povećava čvrstoća spoja.

 

AMB tehnologija je posebno -prikladna za aplikacije na visokim-temperaturama, velike-prilike, kao što je proizvodnja energetskih poluvodičkih modula, visoko-električne opreme i metaliziranih keramičkih kućišta za energetske poluvodiče. Pošto reaktivni elementi lako reaguju sa kiseonikom na visokim temperaturama, ovaj proces obično zahteva vakuum ili zaštitnu atmosferu; shodno tome, postavlja visoke zahtjeve za opremu i proizvodno okruženje, što rezultira relativno visokim troškovima proizvodnje.

 

 

Tehnologija zajedničkog pečenja uključuje štampanje paste od metala visoke-tačke-tačke-kao što su volfram ili molibden-na površinu zelenih keramičkih limova od aluminijum nitrida, nakon čega slijedi ko-sinterovanje sa keramičkim kompostiranim materijalom i stvaranje provodnog sloja za stvaranje provodnog sloja.

 

Na osnovu temperature sinteriranja, tehnologija zajedničkog pečenja je prvenstveno kategorizirana na niskotemperaturnu ko-kopečenu keramiku (LTCC) i visokotemperaturnu ko-pečenu keramiku (HTCC).

 

HTCC se obično sinteruje na temperaturama većim od 1600 stepeni. Nudi odličnu mehaničku čvrstoću, otpornost na toplinu i hermetičnost, što ga čini posebno pogodnim za-elektronske uređaje velike snage, svemirske elektronske sisteme i aplikacije za pakovanje visoke{3}}pouzdanosti.

 

Primarna prednost ko{0}}tehnologije je njena sposobnost realizacije višeslojnih dizajna kola, što rezultira kompaktnijim strukturama kola; nadalje, budući da se provodnici i keramika formiraju istovremeno, ukupna strukturna stabilnost je poboljšana.

 

U visokonaponskim DC (HVDC) aplikacijama-kao što su kritične izolacijske strukture kao što su keramička kućišta za HVDC kontaktore-su-pečeni keramički materijali ispunjavaju zahtjeve za pouzdan rad u uslovima dugotrajnih visokih temperatura i napona.

 

 

Tehnologija tankoslojne metalizacije prvenstveno koristi fizičko taloženje parom (PVD) za nanošenje tankog metalnog sloja na površinu keramičke podloge, nakon čega slijede procesi proizvodnje poluvodiča-kao što su fotolitografija i jetkanje-za formiranje preciznih kola.

 

U poređenju s procesima debelog-filma, tehnologija tankog-tehnologije je subtraktivna proizvodna metoda koja može postići finije širine linija i veće gustine kola, što je čini širokom primjenom u visoko-frekventnim, visoko{3}}preciznim elektronskim uređajima.

 

Ova metoda omogućava proizvodnju preciznih metaliziranih aluminijskih keramičkih komponenti, nudeći jasne prednosti u mikroelektronskom pakovanju, RF uređajima i energetskim modulima visokih{0}}performansi.

 

Međutim, zbog minimalne debljine metalnog sloja, trenutni-nosivost je ograničena u primjenama jake{1}}trenutne struje. Dodatno, razlika u koeficijentu termičke ekspanzije (CTE) između keramike i metala može stvoriti naprezanje tokom termičkog ciklusa; stoga se višeslojne metalne strukture često koriste za povećanje pouzdanosti vezivanja.

 

 

Direktno vezani bakar (DBC) je široko korištena tehnologija keramičkog{0}}bakarnog povezivanja. Njegov osnovni princip uključuje uvođenje kiseonika na granicu između sloja bakra i keramike; Visoko{2}}obradom na visokoj temperaturi stvara se bakar-kiseonik eutektička tečna faza, omogućavajući direktno povezivanje između bakarnog materijala i keramičke površine.

 

DBC tehnologiju karakteriziraju debeli slojevi bakra, visok kapacitet struje-i odlične performanse odvođenja topline. Shodno tome, široko se koristi u elektronskoj opremi velike{2}}nane snage kao što su invertori za nova energetska vozila, energetski moduli i pretvarači za pohranu energije.

 

Zbog teškoća vezivanja bakra sa keramikom od aluminijum nitrida (AlN), keramička površina obično zahteva pre-oksidacioni tretman da bi se formirao stabilan prelazni sloj na interfejsu, čime se povećava pouzdanost veze.

 

 

Direct Plated Copper (DPC) je nova tehnologija metalizacije keramike koja uključuje procese proizvodnje poluvodiča.

 

Ova metoda počinje formiranjem sloja bakrenog sjemena na površini keramike korištenjem tehnika fizičkog taloženja parom (PVD), kao što je magnetronsko raspršivanje ili vakuumsko isparavanje. Nakon toga, procesi uključujući izlaganje, razvijanje i galvanizaciju se koriste za povećanje debljine sloja bakra i postizanje visoke{1}}precizne izrade kola.

 

DPC tehnologija karakteriše niske proizvodne temperature, visoka preciznost kola i fleksibilan strukturalni dizajn. Pogodan je za aplikacije kao što su-elektronske interkonektivne strukture visoke gustine i metalizirana keramika za električne komponente.

 

U poređenju sa tradicionalnim tehnikama visoko{0}temperaturnog sinterovanja, DPC minimizira uticaj termičke obrade na svojstva materijala; međutim, proces galvanizacije podrazumijeva stroge zahtjeve zaštite okoliša, a debljina sloja bakra je ograničena mogućnostima procesa.

 

 

S brzim razvojem novih energetskih vozila, pametnih mreža, sistema za pohranu energije i industrije poluvodiča treće{0}}generacije, potražnja za elektronskim materijalima za pakovanje koji nude visoku disipaciju topline i visoku pouzdanost i dalje raste.

 

U budućnosti, tehnologija metalizacije keramike od aluminijum nitrida će evoluirati prema većoj pouzdanosti, većoj preciznosti i multifunkcionalnoj integraciji. Optimizacijom struktura interfejsa, poboljšanjem dizajna metalnih prelaznih slojeva i poboljšanjem kontrole proizvodnog procesa, čvrstoća veze između keramike i metala može se dodatno poboljšati.

 

Napredne keramičke metalizacione strukture-kao što su precizna metalizirana keramika, metalizirane keramičke komponente visoke-komponente i visoke{2}}precizni napredni keramički dijelovi za metalizaciju od glinice-sve više služe kao kritične temeljne komponente u{{4} elektronskim sistemima za pohranu energije, elektronskim sistemima za pohranu energije{4}} vozila nove energije.

 

Razvijajući se od tradicionalnih tehnika-debelog filma i ko-tehnike ka naprednim procesnim rutama kao što su AMB, DBC i DPC, tehnologija metalizacije keramike kontinuirano pomiče granice materijala, pružajući pouzdanije i efikasnije upravljanje toplotom i rješenja za električno međusobno povezivanje za elektronske uređaje velike{2}}e snage.