Rosnące zapotrzebowanie na opakowania elektroniczne-o dużej mocy powoduje ciągłe udoskonalanie podłoży ceramicznych i technologii metalizacji.

Kierując się szybkim rozwojem sektorów, takich jak nowe pojazdy energetyczne, inteligentne sieci, zasilacze przemysłowe, serwery AI i lotnictwo, urządzenia półprzewodnikowe mocy ewoluują w kierunku wyższych napięć i prądów, wyższych gęstości mocy i miniaturyzacji. Znaczna ilość ciepła wytwarzana podczas pracy urządzenia stawia rygorystyczne wymagania dotyczące możliwości rozpraszania ciepła, niezawodności konstrukcyjnej i długoterminowej-stabilności materiałów opakowaniowych.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Jako podstawowe materiały łączące chipy, obwody i systemy zarządzania ciepłem, podłoża ceramiczne do opakowań elektronicznych okazały się kluczowym rozwiązaniem w dziedzinie opakowań urządzeń elektronicznych dużej-mocy, dzięki ich wysokiej przewodności cieplnej, doskonałym właściwościom izolacyjnym i solidnej stabilności mechanicznej.

 

Chociaż tradycyjne podłoża z włókna szklanego-4-epoksydowego-FR i podłoża na bazie metalu- oferują korzyści finansowe, ich ograniczona przewodność cieplna i stosunkowo wysokie współczynniki rozszerzalności cieplnej (CTE) sprawiają, że nie nadają się one do zastosowań w wysokich-temperaturach i wymagających dużej mocy. Natomiast materiały ceramiczne mają współczynnik CTE ściśle dopasowany do materiałów półprzewodnikowych i utrzymują stabilną wydajność w złożonych środowiskach; w związku z tym są szeroko stosowane w modułach mocy, diodach LED, tranzystorach IGBT, urządzeniach SiC i elektrycznych układach napędowych pojazdów nowych źródeł energii.

 

Obecnie popularne materiały na podłoża ceramiczne o wysokiej-cieplnej-przewodności podłoża obejmują tlenek glinu (Al₂O₃), węglik krzemu (SiC), azotek glinu (AlN) i azotek krzemu (Si₃N₄). Wśród nich ceramika z tlenku glinu-charakteryzująca się dojrzałymi procesami produkcyjnymi i niskimi kosztami-wyróżnia się jako jeden z najczęściej stosowanych materiałów podstawowych w opakowaniach elektronicznych. Ceramika z metalizowanego tlenku glinu, wytwarzana za pomocą zaawansowanych technik przetwarzania, zapewnia lepszą łączność przewodzącą, spełniając w ten sposób wymagania dotyczące montażu elementów elektronicznych i transmisji sygnału w obwodzie.

 

W miarę ciągłego zwiększania wydajności urządzeń zasilających przetwarzanie-materiałów z tlenku glinu o wysokiej czystości zmierza w stronę większej precyzji. Precyzyjnie-metalizowane komponenty ceramiczne z tlenku glinu o wysokiej czystości-wytwarzane poprzez precyzyjne formowanie, spiekanie i metalizację powierzchniową-umożliwiają projektowanie struktur zapewniających doskonałą izolację i niezawodność, co czyni je idealnymi do wymagających komponentów elektronicznych i zastosowań przemysłowych.

 

W dziedzinie-wysokowydajnych modułów mocy, ceramika z azotku glinu (AlN) cieszy się dużym zainteresowaniem ze względu na ich wysoką przewodność cieplną, niską stałą dielektryczną i doskonałe właściwości elektryczne. Na ich przewodność cieplną wpływają przede wszystkim takie czynniki, jak defekty sieci, zawartość tlenu i proces spiekania.

 

Optymalizując skład materiałów i przebieg procesów produkcyjnych, można zminimalizować defekty wewnętrzne i zwiększyć wydajność zarządzania ciepłem, dzięki czemu materiały te stają się coraz bardziej odpowiednie do zastosowań w opakowaniach elektronicznych o dużej-mocy. Ceramika z węglika krzemu (SiC) wykazuje znaczny potencjał w ekstremalnych warunkach pracy ze względu na ich wysoką wytrzymałość, wysoką odporność na ciepło i doskonałą przewodność cieplną. Jednakże ich złożona struktura sieci krystalicznej nakłada rygorystyczne wymagania dotyczące czystości materiału, warunków spiekania i kontroli mikrostruktury. Przyszłe postępy,-w szczególności optymalizacja struktury ziaren i redukcja-defektów związanych z zanieczyszczeniami-obiecują dalszą poprawę ogólnej wydajności podłoży ceramicznych SiC.

 

W ostatnich latach ceramika z azotku krzemu (Si₃N₄) stała się kluczowym obszarem rozwoju modułów mocy-o wysokiej niezawodności. W porównaniu z tradycyjnymi materiałami ceramicznymi zapewniają one doskonałą wytrzymałość mechaniczną i odporność na pękanie, skutecznie łagodząc naprężenia spowodowane niedopasowaniem rozszerzalności cieplnej podczas cykli termicznych. W związku z tym-metalizowane komponenty ceramiczne o wysokiej wytrzymałości są coraz częściej wykorzystywane w falownikach w pojazdach nowej generacji, modułach mocy-wysokonapięciowego i-systemach elektronicznych o wysokiej niezawodności.

 

Materiały ceramiczne są z natury izolujące; dlatego też, aby ułatwić połączenia elektryczne i montaż komponentów, należy utworzyć metalową warstwę obwodu w drodze obróbki powierzchni-w procesie znanym jako metalizacja ceramiczna. Tworząc stabilną, dobrze-połączoną warstwę metalu na powierzchni ceramiki, technologia metalizacji zapewnia niezawodne połączenie między ceramiką a metalem, co czyni ją krytycznym procesem w produkcji opakowań elektronicznych.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Obecnie dojrzałe procesy metalizacji ceramiki w branży obejmują miedź platerowana bezpośrednio (DPC), miedź wiązana bezpośrednio (DBC), lutowanie aktywne metalem (AMB), metalizację aktywowaną laserem (LAM) i miedź drukowaną grubowarstwową (TPC).

 

Proces DPC wykorzystuje rozpylanie katodowe, galwanizację i fotolitografię w celu utworzenia drobnych obwodów metalowych; charakteryzuje się wysoką precyzją obwodów i doskonałą wydajnością łączenia, dzięki czemu nadaje się do-opakowań elektronicznych o dużej gęstości. Jednak ze względu na wysokie koszty inwestycji w sprzęt i ograniczenia grubości warstwy miedzi, jego zastosowanie koncentruje się przede wszystkim w dziedzinie precyzyjnych urządzeń elektronicznych.

 

W procesie DBC uzyskuje się połączenie folii miedzianej z ceramiką poprzez reakcję eutektyki miedzi-tlenowej, co zapewnia takie korzyści, jak dojrzałość procesu i wysoka-nośność. Choć powszechnie stosowane w opakowaniach modułów mocy, różnica we współczynnikach rozszerzalności cieplnej między miedzią a ceramiką może prowadzić do naprężeń termicznych podczas-terminowych cykli termicznych, co wymaga dalszej poprawy niezawodności.

 

W procesie AMB wykorzystuje się lut z aktywnego metalu, aby wzmocnić wiązanie pomiędzy warstwą ceramiczną a warstwą miedzi, wykazując doskonałą stabilność w środowiskach o wysokiej-temperaturze i-wysokim poborze mocy. Wraz z rozwojem platform-wysokonapięciowego 800 V dla nowych pojazdów energetycznych, podłoża ceramiczne AMB-Si₃N₄ stają się coraz bardziej preferowanym wyborem dla modułów mocy o wysokiej-wydajności. Komponenty do-zastosowań wysokonapięciowych-takie jak obudowy ceramiczne do styczników HVDC-nakładają coraz bardziej rygorystyczne wymagania dotyczące właściwości izolacyjnych, wytrzymałości mechanicznej i odporności cieplnej materiałów ceramicznych.

 

Oprócz tradycyjnych metod metalizacji, uwagę zwracają nowatorskie technologie metalizacji-wspomaganej laserem. W procesie tym wykorzystuje się lasery do modyfikowania powierzchni ceramicznej, umożliwiając selektywne osadzanie metalu w celu utworzenia obwodów elektrycznych; oferuje takie zalety, jak wysoka precyzja przetwarzania i elastyczność projektowania. Technologia metalizacji ceramicznej ma szansę rozszerzyć zakres zastosowań w przyszłej produkcji precyzyjnych elektronicznych elementów konstrukcyjnych.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

W odpowiedzi na rozwój nowych pojazdów napędzanych energią, systemów magazynowania energii i inteligentnych urządzeń zasilających, scenariusze zastosowań metalizowanych produktów ceramicznych stale się rozszerzają. Na przykład metalizowane obudowy ceramiczne do półprzewodników mocy zapewniają stabilne środowisko pakowania, zwiększając odporność urządzeń na ciepło i napięcie. Podobnie metalizowane ceramiczne rurki izolacyjne są szeroko stosowane w konstrukcjach izolacyjnych-wysokiego napięcia, spełniając zarówno funkcję izolacji elektrycznej, jak i wsparcia mechanicznego.

 

Trendy branżowe wskazują, że podłoża ceramiczne do opakowań elektronicznych będą ewoluować w kierunku wyższej przewodności cieplnej, wytrzymałości i niezawodności, a także większej precyzji. Z jednej strony badania nad materiałami pozwolą na dalszą optymalizację systemów ceramicznych,-takich jak tlenek glinu, azotek glinu i azotek krzemu-w celu poprawy możliwości zarządzania ciepłem. Z drugiej strony procesy metalizacji będą w dalszym ciągu zwiększać precyzję obwodów, siłę wiązania i wydajność produkcji.

 

Napędzana szybkim rozwojem nowych pojazdów napędzanych energią, przemysłowych systemów sterowania, zasilaczy centrów danych i urządzeń do magazynowania energii odnawialnej, precyzyjna metalizowana ceramika stanie się istotnym elementem zaawansowanych opakowań elektronicznych. Optymalizacja technologii łączenia ceramiki-z-metalem w celu zapewnienia wysoce niezawodnych połączeń pomoże sprostać przyszłym wymaganiom w zakresie bezpieczeństwa i stabilności urządzeń elektronicznych dużej-mocy.

 

Patrząc w przyszłość, branża musi w dalszym ciągu dokonywać przełomowych odkryć w kluczowych technologiach,-w tym w przygotowywaniu ceramiki o wysokiej-termo-przewodności cieplnej, spiekaniu o niskiej-defektach,-wysokiej precyzji modelowania obwodów i-przyjaznych dla środowiska procesach metalizacji. Udoskonalanie produktów, takich jakmetalizowana ceramika z tlenku glinu do elementów elektrycznychw kierunku wyższej wydajności i szerszych obszarów zastosowań zapewnią niezawodne materiały podstawowe potrzebne do-systemów energoelektronicznych nowej generacji.