Анализа путева технологије метализације за керамичке подлоге од алуминијум нитрида: од керамичких супстрата до високо-поузданих електронских апликација за паковање

У-областима примене велике снаге-као што су нова енергетска возила, енергетски полупроводници, системи за складиштење енергије и енергетска електроника-перформансе одвођења топлоте и поузданост структуре су критични фактори за дугорочан-стабилан рад електронских уређаја. Захваљујући високој топлотној проводљивости, ниском диелектричном губитку, одличним изолационим својствима и доброј термичкој стабилности, керамика од алуминијум нитрида (АлН) све више постаје кључни материјал супстрата за електронску амбалажу велике{5}}е снаге.

 

Међутим, пошто је алуминијум нитрид инхерентно изолациони материјал, он не може директно да олакша електричне везе или проводљивост сигнала. Сходно томе, пре него што се може користити у енергетским модулима, полупроводничким амбалажама или електричним компонентама високог{1}}напона, мора се применити технологија површинске метализације да би се керамичкој подлози обезбедила електрична проводљивост и обезбедила поуздана веза између керамике и метала.

 

Основни изазов у ​​метализацији керамике лежи у фундаменталним разликама између материјала: алуминијум нитрид је једињење које карактеришу јаке ковалентне везе, док метали обично имају металну везу. Овај диспаритет доводи до проблема као што су слаба квашење и неусклађеност коефицијената термичког ширења (ЦТЕ). У радним окружењима са високом{2}}температуром, недовољна чврстоћа везе између металног слоја и керамике може да доведе до кварова као што је међуфазна деламинација или пуцање изазвано термичким стресом. Стога је развој високо поузданих процеса метализације керамике кључан за унапређење индустријске примене керамичких подлога.

 

Тренутно се за керамичке подлоге од алуминијум нитрида користе различите технике метализације, укључујући механичко повезивање, технологију дебелог{0}}филма, активно лемљење метала (АМБ), ко{1}}печење, процесе танког-филма, директно везани бакар (ДБЦ) и бакар са директном плочом (ДПЦ).

 

 

 

Механичка веза је једна од најранијих метода за спајање керамике и метала. Ослања се на конструкцијски дизајн и механичко напрезање-као што је скупљање-причвршћивање или причвршћивање вијцима-како би се учврстила керамичка подлога за металну компоненту.

 

Ова метода укључује релативно једноставан процес, захтева минималну опрему и нуди значајну флексибилност производње. Међутим, пошто се веза на интерфејсу првенствено ослања на спољашњу механичку силу, може доћи до значајног механичког напрезања током-трајних термичких циклуса или високо{2}}вибрација на високим температурама; сходно томе, није погодан за апликације које захтевају високу поузданост или рад на високим{3}}температурама.

 

Технологија лепљења, са друге стране, укључује увођење органског лепљивог материјала између керамике и метала да би се формирала везана структура кроз процес очвршћавања. Овај приступ омогућава спајање система различитих материјала-на пример, комбиновање керамичке изолационе структуре са проводљивом металном компонентом како би се створио интегрисани склоп.

 

Међутим, због ограничене температурне отпорности органских материјала за везивање, њихова поузданост је ограничена у захтевним окружењима као што су електронски уређаји велике-нане снаге и ХВДЦ (Хигх-високонапонски једносмерни системи). Сходно томе, тренутно се првенствено користе за структурно причвршћивање у окружењима са ниским-температурама и ниским-напоном.

 

 

Технологија дебелог филма је добро{0}}уходан процес за метализацију керамичке површине. Ова техника обично користи сито штампу за наношење проводљиве пасте-која садржи метални прах- на површину керамике од алуминијум нитрида (АлН). Накнадно сушење и кораци -синтеровања на високој температури осигуравају да се метални слој чврсто везује за керамичку подлогу.

 

Кондуктивне пасте се углавном састоје од металног праха, везива за стакло и органског носача; метални прах одређује коначну електричну проводљивост и механичку чврстоћу. Обично коришћени метали укључују сребро, бакар и никл.

 

Овај процес нуди предности као што су висока ефикасност производње, ниска цена и техничка зрелост, што га чини погодним за масовну производњу електронских керамичких подлога. Штавише, оптимизација формулације пасте омогућава одличне електричне перформансе и поузданост термичког циклуса.

 

Међутим, због ограничења резолуције сито штампе, димензије кола произведене поступком дебелог-филма су релативно велике, што отежава испуњавање захтева за кола велике-густине и финог{2}}кола. Стога се углавном примењује у амбалажи енергетске електронике где су захтеви за прецизност кола мање строги.

 

 

 

Активно лемљење метала (АМБ) је кључна технологија за постизање високо поузданих спојева између керамике{0}}на-метал. Овај процес укључује додавање активних елемената-као што су титан (Ти), цирконијум (Зр), алуминијум (Ал) или ниобијум (Нб)- традиционалним додацима за лемљење. Ови елементи хемијски реагују са површином керамике од алуминијум нитрида и формирају стабилан реакциони прелазни слој.

 

Овај прелазни слој побољшава квашење између метала и керамике, омогућавајући растопљеној легури лемљења да формира металуршку везу са керамиком, чиме се повећава чврстоћа споја.

 

АМБ технологија је посебно{0}}погодна за апликације високе-температуре, велике{2}}снаге, као што је производња енергетских полупроводничких модула, високо-електричне опреме и метализованих керамичких кућишта за енергетске полупроводнике. Пошто реактивни елементи лако реагују са кисеоником на високим температурама, овај процес обично захтева вакуум или заштитну атмосферу; сходно томе, поставља високе захтеве за опрему и производно окружење, што резултира релативно високим трошковима производње.

 

 

Технологија заједничког печења укључује штампање паста од метала високе-тачке{2}}тачке-као што су волфрам или молибден-на површину зелених керамичких лимова од алуминијум нитрида, праћено ко-синтеровањем са керамичким компостним материјалом и стварањем проводног слоја са слојем керамичког материјала.

 

На основу температуре синтеровања, технологија заједничког печења се{0}}првенствено категорише на нискотемпературну ко-керамику са печењем на ниским температурама (ЛТЦЦ) и високотемпературну са{4}}печену керамику (ХТЦЦ).

 

ХТЦЦ се обично синтерује на температурама већим од 1600 степени. Нуди одличну механичку чврстоћу, отпорност на топлоту и херметичност, што га чини посебно погодним за-електронске уређаје велике снаге, ваздушне електронске системе и апликације за паковање високе{3}}поузданости.

 

Примарна предност технологије ко{0}}запаљивања је њена способност да реализује вишеслојне дизајне кола, што резултира компактнијим структурама кола; штавише, пошто се проводници и керамика формирају истовремено, укупна структурна стабилност је побољшана.

 

У високонапонским ДЦ (ХВДЦ) апликацијама-као што су критичне изолационе структуре као што су керамичка кућишта за ХВДЦ контакторе-ко-сагоревани керамички материјали испуњавају захтеве за поуздан рад у условима дуготрајних високих температура и напона.

 

 

Технологија танкослојне метализације првенствено користи физичко таложење паре (ПВД) за наношење танког металног слоја на површину керамичке подлоге, након чега следе процеси производње полупроводника-као што су фотолитографија и гравирање-да би се формирала прецизна кола.

 

У поређењу са процесима са дебелим{0}}филмом, технологија танких-филмова је субтрактивна производна метода која може да постигне финије ширине линија и већу густину кола, што је чини широко примењеном у високо-фреквентним и високо{3}}прецизним електронским уређајима.

 

Ова метода омогућава производњу прецизних метализованих алуминијумских керамичких компоненти, нудећи јасне предности у микроелектронском паковању, РФ уређајима и енергетским модулима високих{0}}перформанси.

 

Међутим, због минималне дебљине металног слоја, тренутни-носиви капацитет је ограничен у-применама јаке струје. Додатно, разлика у коефицијенту топлотног ширења (ЦТЕ) између керамике и метала може створити напрезање током термичког циклуса; стога се вишеслојне металне структуре често користе за повећање поузданости везивања.

 

 

Директно везани бакар (ДБЦ) је широко распрострањена технологија керамичког{0}}везивања бакра. Његов основни принцип укључује увођење кисеоника на границу између слоја бакра и керамике; Високотемпературна обрада ствара бакар-кисеоник еутектичку течну фазу, омогућавајући директно спајање између бакарног материјала и керамичке површине.

 

ДБЦ технологију карактеришу дебели слојеви бакра, висок капацитет струје-и одличне перформансе одвођења топлоте. Сходно томе, широко се користи у-електронској опреми велике снаге као што су инвертори за нова возила са енергијом, енергетски модули и претварачи за складиштење енергије.

 

Због тешкоћа везивања бакра са керамиком од алуминијум нитрида (АлН), керамичка површина обично захтева пре-оксидациони третман да би се формирао стабилан прелазни слој на интерфејсу, чиме се повећава поузданост везе.

 

 

Дирецт Платед Цоппер (ДПЦ) је нова технологија метализације керамике која укључује процесе производње полупроводника.

 

Ова метода почиње формирањем слоја семена бакра на површини керамике коришћењем техника физичког таложења паре (ПВД), као што је распршивање магнетроном или вакуумско испаравање. Након тога, процеси укључујући излагање, развијање и галванизацију се користе да би се повећала дебљина слоја бакра и постигла -прецизна производња кола.

 

ДПЦ технологија карактерише ниске производне температуре, висока прецизност кола и флексибилан структурални дизајн. Погодан је за апликације као што су-електронске интерконективне структуре велике густине и метализована керамика за електричне компоненте.

 

У поређењу са традиционалним техникама високо{0}температурног синтеровања, ДПЦ минимизира утицај термичке обраде на својства материјала; међутим, процес галванизације подразумева строге захтеве заштите животне средине, а дебљина слоја бакра је ограничена могућностима процеса.

 

 

Са брзим развојем нових енергетских возила, паметних мрежа, система за складиштење енергије и индустрије полупроводника треће{0}}генерације, потражња за електронским материјалима за паковање који нуде високо расипање топлоте и високу поузданост наставља да расте.

 

У будућности ће технологија метализације керамике алуминијум нитрида еволуирати ка већој поузданости, већој прецизности и мултифункционалној интеграцији. Оптимизацијом структура интерфејса, побољшањем дизајна металних прелазних слојева и побољшањем контроле производног процеса, снага везе између керамике и метала може се додатно побољшати.

 

Напредне керамичке метализационе структуре-као што су прецизна метализована керамика, метализоване керамичке компоненте високе{1}}врсте и високо{2}}прецизни напредни керамички делови за метализацију глинице-све више служе као критичне темељне компоненте у{{4} електронским системима за складиштење енергије, електронским системима за складиштење енергије{4}}, возила нове енергије.

 

Еволуирајући од традиционалних техника-дебелог филма и ко-технике ка напредним процесима као што су АМБ, ДБЦ и ДПЦ, технологија метализације керамике непрестано помера границе материјала, пружајући поузданије и ефикасније управљање топлотом и решења за електрично повезивање за електронске уређаје велике{2}}е снаге.