Naraščajoče povpraševanje po-zmogljivi elektronski embalaži spodbuja stalne nadgradnje keramičnih substratov in tehnologij metalizacije.

Zaradi hitrega razvoja sektorjev, kot so nova energetska vozila, pametna omrežja, industrijski napajalniki, strežniki z umetno inteligenco in vesoljski promet, se močnostne polprevodniške naprave razvijajo proti višjim napetostim, višjim tokovom, višjim gostotam moči in miniaturizaciji. Znatna toplota, ki nastane med delovanjem naprave, postavlja stroge zahteve glede zmogljivosti odvajanja toplote, strukturne zanesljivosti in dolgoročne- stabilnosti embalažnih materialov.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Keramični substrati za elektronsko embalažo so se kot kritični temeljni materiali za povezovanje čipov, vezij in sistemov za upravljanje toplote izkazali kot ključna rešitev na področju embalaže elektronskih naprav z veliko-močjo, zahvaljujoč visoki toplotni prevodnosti, odličnim izolacijskim lastnostim in robustni mehanski stabilnosti.

 

Medtem ko tradicionalni substrati iz epoksi-steklenih vlaken FR-4 in substrati na osnovi kovin- ponujajo stroškovne prednosti, so zaradi svoje omejene toplotne prevodnosti in sorazmerno visokih koeficientov toplotnega raztezanja (CTE) neprimerni za aplikacije pri visokih-temperaturah in visoki moči. V nasprotju s tem pa imajo keramični materiali CTE, ki se zelo ujema s CTE polprevodniških materialov, in ohranjajo stabilno delovanje v kompleksnih okoljih; posledično se pogosto uporabljajo v napajalnih modulih, LED, IGBT, SiC napravah in električnih pogonskih sistemih za nova energetska vozila.

 

Trenutno glavni materiali za keramične substrate z visoko-toplotno- prevodnostjo vključujejo aluminijev oksid (Al₂O₃), silicijev karbid (SiC), aluminijev nitrid (AlN) in silicijev nitrid (Si3N₄). Med temi keramika iz aluminijevega oksida-za katero so značilni zreli proizvodni postopki in nizki stroški-izstopa kot eden najpogosteje uporabljenih osnovnih materialov v elektronski embalaži. Metalizirana keramika iz aluminijevega oksida, proizvedena z naprednimi tehnikami obdelave, ponuja izboljšano prevodno povezljivost, s čimer izpolnjuje zahteve za namestitev elektronskih komponent in prenos signala vezja.

 

Ker zmogljivost električnih naprav še naprej napreduje, se obdelava materialov iz aluminijevega oksida visoke-čistosti pomika k višji natančnosti. Visoko{2}}natančne metalizirane keramične komponente iz aluminijevega oksida-izdelane s preciznim oblikovanjem, sintranjem in površinsko metalizacijo-omogočajo strukturne zasnove, ki nudijo vrhunsko izolacijo in zanesljivost, zaradi česar so idealne za zahtevne elektronske komponente in industrijske aplikacije.

 

Na področju visoko{0}}zmogljivih močnostnih modulov je keramika iz aluminijevega nitrida (AlN) pritegnila veliko pozornosti zaradi svoje visoke toplotne prevodnosti, nizke dielektrične konstante in odličnih električnih lastnosti. Na njihovo toplotno prevodnost vplivajo predvsem dejavniki, kot so napake v mreži, vsebnost kisika in proces sintranja.

 

Z optimizacijo formulacij materialov in delovnih tokov izdelave je mogoče zmanjšati notranje napake in izboljšati učinkovitost toplotnega upravljanja, zaradi česar so ti materiali vedno bolj primerni za-zmogljive elektronske embalaže. Keramika iz silicijevega karbida (SiC) ima velik potencial v ekstremnih delovnih okoljih zaradi svoje visoke trdnosti, visoke toplotne odpornosti in odlične toplotne prevodnosti. Vendar njihova zapletena struktura kristalne mreže nalaga stroge zahteve glede čistosti materiala, pogojev sintranja in nadzora mikrostrukture. Prihodnji napredek-zlasti optimizacija zrnate strukture in zmanjšanje{5}}z nečistočami-povezanih napak-obljublja nadaljnje izboljšanje splošne učinkovitosti keramičnih substratov SiC.

 

V zadnjih letih se je keramika iz silicijevega nitrida (Si₃N₄) pojavila kot ključno razvojno področje visoko{0}}napajalnih modulov. V primerjavi s tradicionalnimi keramičnimi materiali nudijo vrhunsko mehansko trdnost in žilavost pri lomu ter učinkovito blažijo obremenitve, ki jih povzročajo neusklajenosti toplotnega raztezanja med toplotnimi cikli. Posledično se visoko{3}}metalizirane keramične komponente vse pogosteje uporabljajo v pretvornikih za nova energetska vozila, visoko{4}}napetostnih napajalnih modulih in visoko-zanesljivih elektronskih sistemih.

 

Keramični materiali so sami po sebi izolacijski; zato je treba za olajšanje električnih povezav in vgradnje komponent oblikovati plast kovinskega vezja s površinsko obdelavo-postopkom, znanim kot keramična metalizacija. Z ustvarjanjem stabilne, dobro{2}}spojene kovinske plasti na keramični površini tehnologija metalizacije zagotavlja zanesljivo povezavo med keramiko in kovino, zaradi česar je kritičen proces pri proizvodnji elektronske embalaže.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Trenutno zreli postopki metalizacije keramike v industriji vključujejo neposredno prevlečen baker (DPC), neposredno vezani baker (DBC), aktivno spajkanje kovin (AMB), lasersko aktivirano metalizacijo (LAM) in debel{0}}filmsko tiskan baker (TPC).

 

Postopek DPC uporablja razprševanje, galvanizacijo in fotolitografijo za oblikovanje finih kovinskih vezij; odlikujeta ga visoka natančnost vezja in odlična zmogljivost lepljenja, zaradi česar je primeren za elektronsko embalažo z visoko-gostoto. Vendar pa je zaradi visokih investicijskih stroškov opreme in omejitev glede debeline bakrene plasti njegova uporaba osredotočena predvsem na področje preciznih elektronskih naprav.

 

Postopek DBC doseže vez med bakreno folijo in keramiko prek evtektične reakcije bakra-kisika, kar ponuja prednosti, kot sta zrelost postopka in visoka-nosilnost. Medtem ko se pogosto uporablja v embalaži napajalnih modulov, lahko razlika v koeficientih toplotnega raztezanja med bakrom in keramiko povzroči toplotno obremenitev med dolgo-trajnim termičnim ciklom, kar zahteva nadaljnje izboljšave zanesljivosti.

 

Postopek AMB uporablja aktivno kovinsko spajko za izboljšanje vezi med keramično in bakreno plastjo, kar dokazuje odlično stabilnost v okoljih z visoko-temperaturo in visoko-močjo. Z razvojem 800 V visoko{4}}napetostnih platform za nova energetska vozila so keramične podlage AMB-Si₃N₄ vedno bolj priljubljena izbira za visoko-zmogljive napajalne module. Komponente za-visokonapetostne aplikacije-kot so keramična ohišja za kontaktorje HVDC-polagajo vse strožje zahteve glede izolacijskih zmogljivosti, mehanske trdnosti in toplotne odpornosti keramičnih materialov.

 

Poleg tradicionalnih metod metalizacije pridobivajo pozornost nove lasersko-tehnologije metalizacije. Ta postopek uporablja laserje za spreminjanje keramične površine, kar omogoča selektivno nanašanje kovine za oblikovanje vezja; ponuja prednosti, kot sta visoka natančnost obdelave in prilagodljivost oblikovanja. Tehnologija keramične metalizacije je pripravljena razširiti svoj obseg uporabe v prihodnji proizvodnji natančnih elektronskih strukturnih komponent.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Zaradi rasti novih energetskih vozil, sistemov za shranjevanje energije in pametne električne opreme se scenariji uporabe za metalizirane keramične izdelke nenehno širijo. Na primer, metalizirana keramična ohišja za močnostne polprevodnike zagotavljajo stabilno embalažno okolje, ki povečuje toplotno in napetostno odpornost naprav. Podobno se metalizirane keramične izolacijske cevi pogosto uporabljajo v visoko-napetostnih izolacijskih strukturah, ki služijo tako električni izolaciji kot mehanski podpori.

 

Industrijski trendi kažejo, da se bodo keramični substrati za elektronsko embalažo razvijali v smeri višje toplotne prevodnosti, trdnosti in zanesljivosti, poleg večje natančnosti. Po eni strani bodo raziskave materialov dodatno optimizirale keramične sisteme-, kot so aluminijev oksid, aluminijev nitrid in silicijev nitrid-, da bi izboljšale zmogljivosti toplotnega upravljanja. Po drugi strani pa bodo postopki metalizacije še naprej povečevali natančnost vezja, moč lepljenja in učinkovitost proizvodnje.

 

Zaradi hitrega širjenja novih energetskih vozil, industrijskih nadzornih sistemov, napajalnikov podatkovnih centrov in opreme za shranjevanje obnovljive energije bo natančna metalizirana keramika postala bistvena sestavina napredne elektronske embalaže. Optimiziranje tehnologij spajanja keramike-na-kovino za zagotavljanje zelo zanesljivih povezav bo pomagalo izpolniti prihodnje zahteve po varnosti in stabilnosti v-zmogljivih elektronskih napravah.

 

Če pogledamo naprej, mora industrija še naprej dosegati preboje v ključnih tehnologijah-vključno s pripravo visoko-toplotno-prevodne keramike, nizko-sintranjem napak, visoko-natančnim vzorčenjem vezij in okolju-prijaznimi postopki metalizacije. Napredni izdelki, kot je nprmetalizirana aluminijeva keramika za električne komponentev smeri višje zmogljivosti in širših področij uporabe bodo zagotovili zanesljive temeljne materiale, potrebne za naslednjo-generacijo močnostnih elektronskih sistemov.