Analiza ścieżek technologii metalizacji podłoży ceramicznych z azotku glinu: od podłoży ceramicznych do zastosowań w opakowaniach elektronicznych o wysokiej-niezawodności

W-obszarach zastosowań o dużej mocy,-takich jak nowe pojazdy energetyczne, półprzewodniki mocy, systemy magazynowania energii i energoelektronika,-wydajność rozpraszania ciepła i niezawodność konstrukcyjna są krytycznymi czynnikami-dla długoterminowej i stabilnej pracy urządzeń elektronicznych. Dzięki wysokiej przewodności cieplnej, niskim stratom dielektrycznym, doskonałym właściwościom izolacyjnym i dobrej stabilności termicznej ceramika z azotku glinu (AlN) staje się w coraz większym stopniu kluczowym materiałem podłoża do-opakowań elektronicznych o dużej mocy.

 

Jednakże, ponieważ azotek glinu jest z natury materiałem izolacyjnym, nie może bezpośrednio ułatwiać połączeń elektrycznych ani przewodzenia sygnału. W związku z tym, zanim będzie można go zastosować w modułach mocy, opakowaniach półprzewodników lub komponentach elektrycznych-wysokonapięciowego, należy zastosować technologię metalizacji powierzchni, aby nadać podłożu ceramicznym przewodność elektryczną i zapewnić niezawodne połączenie między ceramiką a metalem.

 

Podstawowym wyzwaniem w metalizacji ceramiki są zasadnicze różnice między materiałami: azotek glinu jest związkiem charakteryzującym się silnymi wiązaniami kowalencyjnymi, podczas gdy metale zazwyczaj charakteryzują się wiązaniami metalicznymi. Ta rozbieżność prowadzi do problemów, takich jak słaba zwilżalność i niedopasowanie współczynników rozszerzalności cieplnej (CTE). W środowiskach pracy o wysokiej-temperaturze niewystarczająca siła wiązania pomiędzy warstwą metalu a ceramiką może skutkować awariami, takimi jak rozwarstwienie międzyfazowe lub pękanie spowodowane naprężeniami termicznymi. Dlatego opracowanie wysoce niezawodnych procesów metalizacji ceramiki ma kluczowe znaczenie dla postępu w zakresie przemysłowego zastosowania podłoży ceramicznych.

 

Obecnie do podłoży ceramicznych z azotku glinu stosuje się różne techniki metalizacji, w tym łączenie mechaniczne, technologię grubowarstwową, lutowanie metali aktywnych (AMB), współ-wypalanie-cienkowarstwowe, miedź wiązaną bezpośrednio (DBC) i miedź bezpośrednio platerowaną (DPC).

 

 

 

Połączenie mechaniczne jest jedną z najwcześniej stosowanych metod łączenia ceramiki i metali. Opiera się na projekcie konstrukcyjnym i naprężeniach mechanicznych,-takich jak-pasowanie termokurczliwe lub skręcanie-, aby przymocować podłoże ceramiczne do elementu metalowego.

 

Metoda ta obejmuje stosunkowo prosty proces, wymaga minimalnego wyposażenia i zapewnia znaczną elastyczność produkcyjną. Ponieważ jednak połączenie na styku opiera się głównie na zewnętrznej sile mechanicznej, podczas długotrwałych-cykli termicznych lub wibracji w wysokiej-temperaturze mogą powstać znaczne naprężenia mechaniczne; w związku z tym nie nadaje się do zastosowań wymagających wysokiej niezawodności lub pracy w-wysokiej temperaturze.

 

Z drugiej strony technologia klejenia polega na wprowadzeniu organicznego materiału klejącego pomiędzy ceramikę i metal w celu utworzenia połączonej struktury w procesie utwardzania. Takie podejście umożliwia łączenie systemów z różnych materiałów-na przykład poprzez połączenie ceramicznej struktury izolacyjnej z przewodzącym elementem metalowym w celu stworzenia zintegrowanego zespołu.

 

Jednak ze względu na ograniczoną odporność temperaturową organicznych materiałów wiążących ich niezawodność jest ograniczona w wymagających środowiskach, takich jak urządzenia elektroniczne-o dużej mocy i systemy HVDC (wysoko-prądu stałego). W związku z tym są one obecnie używane głównie do mocowania konstrukcji w środowiskach o niskiej-temperaturze i niskim-naprężeniu.

 

 

Technologia grubowarstwowa to-ugruntowany proces metalizacji powierzchni ceramicznych. Technika ta zazwyczaj wykorzystuje sitodruk w celu nałożenia pasty przewodzącej-zawierającej proszek metalu- na powierzchnię ceramiki z azotku glinu (AlN). Kolejne etapy suszenia i-spiekania w wysokiej temperaturze zapewniają mocne związanie warstwy metalu z podłożem ceramicznym.

 

Pasty przewodzące składają się zazwyczaj z proszku metalicznego, spoiwa szklanego i nośnika organicznego; proszek metalowy określa końcową przewodność elektryczną i wytrzymałość mechaniczną. Powszechnie stosowanymi metalami są srebro, miedź i nikiel.

 

Proces ten oferuje takie zalety, jak wysoka wydajność produkcji, niski koszt i dojrzałość techniczna, dzięki czemu nadaje się do masowej produkcji elektronicznych podłoży ceramicznych. Co więcej, optymalizacja składu pasty pozwala uzyskać doskonałe parametry elektryczne i niezawodność cykli cieplnych.

 

Jednak ze względu na ograniczoną rozdzielczość sitodruku wymiary obwodów wytwarzanych w procesie-grubowarstwowej folii są stosunkowo duże, co utrudnia spełnienie wymagań dotyczących obwodów o dużej-gęstości i-skoku. Dlatego stosuje się go głównie w opakowaniach energoelektroniki, gdzie wymagania dotyczące precyzji obwodów są mniej rygorystyczne.

 

 

 

Aktywne lutowanie metali (AMB) to kluczowa technologia pozwalająca uzyskać wysoce niezawodne połączenia ceramiki-z-metalem. Proces ten polega na dodawaniu aktywnych pierwiastków,-takich jak tytan (Ti), cyrkon (Zr), aluminium (Al) lub niob (Nb)-do tradycyjnych spoiw do lutowania twardego. Pierwiastki te reagują chemicznie z powierzchnią ceramiczną azotku glinu, tworząc stabilną warstwę przejściową reakcji.

 

Ta warstwa przejściowa poprawia zwilżalność pomiędzy metalem a ceramiką, umożliwiając stopionym stopom lutowniczym utworzenie metalurgicznego wiązania z ceramiką, zwiększając w ten sposób wytrzymałość połączenia.

 

Technologia AMB szczególnie dobrze-nadaje się do zastosowań wymagających wysokiej-temperatury i-mocy, takich jak produkcja modułów półprzewodników mocy, sprzętu elektrycznego-wysokonapięciowego i metalizowanych obudów ceramicznych do półprzewodników mocy. Ponieważ pierwiastki reaktywne łatwo reagują z tlenem w wysokich temperaturach, proces ten zazwyczaj wymaga próżni lub atmosfery ochronnej; w konsekwencji stawia wysokie wymagania sprzętowi i środowisku produkcyjnemu, co skutkuje stosunkowo wysokimi kosztami produkcji.

 

 

Technologia współ-wypalania obejmuje drukowanie past z-metali-o wysokiej temperaturze topnienia-takich jak wolfram czy molibden-na powierzchnię zielonych arkuszy ceramicznych z azotku glinu, a następnie-spiekanie z materiałem ceramicznym w celu utworzenia zintegrowanej struktury obejmującej warstwę przewodzącą i podłoże ceramiczne.

 

Ze względu na temperaturę spiekania technologię współ-wypalania dzieli się przede wszystkim na ceramikę wypalaną-w-niskiej temperaturze (LTCC) i ceramikę wypalaną w-wysokotemperaturze-(HTCC).

 

HTCC jest zwykle spiekany w temperaturach przekraczających 1600 stopni. Zapewnia doskonałą wytrzymałość mechaniczną, odporność na ciepło i hermetyczność, dzięki czemu szczególnie nadaje się do stosowania w urządzeniach elektronicznych dużej-mocy, systemach elektronicznych w lotnictwie i kosmonautyce oraz w zastosowaniach opakowaniowych-o wysokiej niezawodności.

 

Podstawową zaletą technologii współspalania-jest jej zdolność do realizacji wielowarstwowych projektów obwodów, co skutkuje bardziej zwartymi strukturami obwodów; ponadto, ponieważ przewodniki i ceramika są formowane jednocześnie, ogólna stabilność strukturalna jest zwiększona.

 

W zastosowaniach wysoko-prądu stałego (HVDC),-takich jak krytyczne konstrukcje izolacyjne, takie jak obudowy ceramiczne styczników HVDC,-materiały ceramiczne wypalane współ-współczynnikiem spełniają wymagania dotyczące niezawodnego działania w warunkach utrzymujących się wysokich temperatur i skoków napięcia.

 

 

Technologia metalizacji cienkowarstwowej polega przede wszystkim na fizycznym osadzaniu z fazy gazowej (PVD) w celu osadzenia cienkiej warstwy metalu na powierzchni podłoża ceramicznego, a następnie następują procesy wytwarzania półprzewodników,-takie jak fotolitografia i trawienie-w celu utworzenia precyzyjnych obwodów.

 

W porównaniu z procesami-grubowarstwowymi, technologia cienkowarstwowa-jest subtraktywną metodą produkcji, umożliwiającą uzyskanie cieńszych linii i większych gęstości obwodów, dzięki czemu jest szeroko stosowana w-częstotliwościach i-precyzyjnych urządzeniach elektronicznych.

 

Metoda ta umożliwia produkcję precyzyjnych elementów ceramicznych z metalizowanego tlenku glinu, oferując wyraźne korzyści w zakresie opakowań mikroelektronicznych, urządzeń RF i-wysokowydajnych modułów mocy.

 

Jednak ze względu na minimalną grubość warstwy metalu obciążalność prądowa-jest ograniczona w zastosowaniach wysokoprądowych. Dodatkowo różnica we współczynniku rozszerzalności cieplnej (CTE) pomiędzy ceramiką i metalem może generować naprężenia podczas cykli cieplnych; dlatego często stosuje się wielowarstwowe struktury metalowe w celu zwiększenia niezawodności wiązania.

 

 

Miedź wiązana bezpośrednio (DBC) to szeroko stosowana technologia łączenia-ceramiki z miedzią. Jego podstawowa zasada polega na wprowadzeniu tlenu na styk warstwy miedzi i ceramiki; Obróbka-w wysokiej temperaturze tworzy ciekłą fazę eutektyczną miedzi-tlenowej, umożliwiającą bezpośrednie wiązanie pomiędzy materiałem miedzianym a powierzchnią ceramiczną.

 

Technologia DBC charakteryzuje się grubymi warstwami miedzi, dużą obciążalnością-prądową i doskonałą wydajnością rozpraszania ciepła. W związku z tym jest szeroko stosowany w sprzęcie elektronicznym- dużej mocy, takim jak falowniki do nowych pojazdów zasilanych energią, moduły mocy i konwertery magazynowania energii.

 

Ze względu na trudność wiązania miedzi z ceramiką z azotku glinu (AlN) powierzchnia ceramiczna zazwyczaj wymaga wstępnej-obróbki utleniającej w celu utworzenia stabilnej warstwy przejściowej na granicy faz, zwiększając w ten sposób niezawodność połączenia.

 

 

Miedź platerowana metodą bezpośrednią (DPC) to nowatorska technologia metalizacji ceramiki, która obejmuje procesy produkcyjne półprzewodników.

 

Metoda ta rozpoczyna się od utworzenia warstwy zarodkowej miedzi na powierzchni ceramicznej przy użyciu technik fizycznego osadzania z fazy gazowej (PVD), takich jak napylanie magnetronowe lub odparowywanie próżniowe. Następnie stosuje się procesy obejmujące naświetlanie, wywoływanie i galwanizację w celu zwiększenia grubości warstwy miedzi i uzyskania-precyzyjnego wytwarzania obwodów.

 

Technologia DPC charakteryzuje się niskimi temperaturami produkcji, wysoką precyzją obwodu i elastyczną konstrukcją. Nadaje się do zastosowań takich jak elektroniczne struktury wzajemnych-o dużej gęstości i metalizowana ceramika do elementów elektrycznych.

 

W porównaniu z tradycyjnymi technikami spiekania-w wysokiej temperaturze, DPC minimalizuje wpływ obróbki termicznej na właściwości materiału; jednakże proces galwanizacji wiąże się z rygorystycznymi wymogami ochrony środowiska, a grubość warstwy miedzi jest ograniczona możliwościami procesu.

 

 

Wraz z szybkim rozwojem nowych pojazdów napędzanych energią, inteligentnych sieci, systemów magazynowania energii i przemysłu półprzewodników-trzeciej generacji, zapotrzebowanie na elektroniczne materiały opakowaniowe zapewniające wysokie odprowadzanie ciepła i wysoką niezawodność stale rośnie.

 

W przyszłości technologia metalizacji ceramicznej azotkiem glinu będzie ewoluować w kierunku większej niezawodności, wyższej precyzji i wielofunkcyjnej integracji. Optymalizując struktury styku, ulepszając konstrukcję metalowych warstw przejściowych i usprawniając kontrolę procesu produkcyjnego, można jeszcze bardziej poprawić siłę wiązania pomiędzy ceramiką a metalem.

 

Zaawansowane ceramiczne struktury metalizowane-takie jak precyzyjna metalizowana ceramika,-metalizowane komponenty ceramiczne o wysokiej wytrzymałości i precyzyjne, zaawansowane ceramiczne części metalizowane z tlenku glinu o wysokiej-czystości-w coraz większym stopniu służą jako krytyczne komponenty podstawowe w półprzewodnikach mocy,-przekaźnikach wysokiego napięcia, systemach magazynowania energii i systemach elektronicznych w pojazdach nowych źródeł energii.

 

Ewoluując od tradycyjnych technik-grubościowej i współ-wypalania do zaawansowanych procesów, takich jak AMB, DBC i DPC, technologia metalizacji ceramicznej stale przesuwa granice materiałów, zapewniając bardziej niezawodne i wydajne rozwiązania w zakresie zarządzania ciepłem i połączeń elektrycznych dla urządzeń elektronicznych dużej-mocy.