Analiza poti tehnologije metalizacije za keramične podlage iz aluminijevega nitrida: od keramičnih podlag do visoko{0}}zanesljivih aplikacij elektronskega pakiranja

Na-poljih uporabe z visoko močjo-, kot so nova energetska vozila, močnostni polprevodniki, sistemi za shranjevanje energije in močnostna elektronika-, sta zmogljivost odvajanja toplote in strukturna zanesljivost kritična dejavnika za dolgoročno-stabilno delovanje elektronskih naprav. Zahvaljujoč visoki toplotni prevodnosti, majhni dielektrični izgubi, odličnim izolacijskim lastnostim in dobri toplotni stabilnosti je keramika iz aluminijevega nitrida (AlN) vedno bolj postala ključni substratni material za visoko-elektronsko embalažo.

 

Ker pa je aluminijev nitrid sam po sebi izolacijski material, ne more neposredno olajšati električnih povezav ali prevodnosti signala. Zato je treba pred uporabo v napajalnih modulih, embalaži polprevodnikov ali visoko{1}}napetostnih električnih komponentah uporabiti tehnologijo površinske metalizacije, da se keramičnemu substratu zagotovi električna prevodnost in zagotovi zanesljiva vez med keramiko in kovino.

 

Glavni izziv pri metalizaciji keramike je v temeljnih razlikah med materiali: aluminijev nitrid je spojina, za katero so značilne močne kovalentne vezi, medtem ko je za kovine običajno značilna kovinska vez. To neskladje vodi do težav, kot sta slaba omočljivost in neusklajenost koeficientov toplotnega raztezanja (CTE). V delovnih okoljih z visoko-temperaturo lahko nezadostna trdnost vezi med kovinsko plastjo in keramiko povzroči okvare, kot je razslojevanje na površini ali razpoke, ki jih povzroči toplotna obremenitev. Zato je razvoj zelo zanesljivih postopkov metalizacije keramike ključnega pomena za napredek industrijske uporabe keramičnih substratov.

 

Trenutno se za keramične podlage iz aluminijevega nitrida uporabljajo različne tehnike metalizacije, vključno z mehanskim povezovanjem, tehnologijo debelega{0}}sloja, aktivnim trdo spajkanjem (AMB), so-žiganjem, postopki s tankim-slojem, neposredno vezanim bakrom (DBC) in neposredno galvaniziranim bakrom (DPC).

 

 

 

Mehansko povezovanje je ena najzgodnejših metod za spajanje keramike in kovin. Za pritrditev keramične podlage na kovinsko komponento temelji na strukturni zasnovi in ​​mehanskih obremenitvah-, kot je -krčno pritrjevanje ali privijanje-.

 

Ta metoda vključuje razmeroma preprost postopek, zahteva minimalno opremo in ponuja precejšnjo proizvodno prilagodljivost. Ker pa je povezava na vmesniku odvisna predvsem od zunanje mehanske sile, lahko med dolgotrajnim-termalnim kroženjem ali visoko-temperaturnimi vibracijami nastane znatna mehanska obremenitev; posledično ni primeren za aplikacije, ki zahtevajo visoko zanesljivost ali delovanje pri visokih-temperaturah.

 

Tehnologija lepljenja po drugi strani vključuje uvedbo organskega lepilnega materiala med keramiko in kovino, da se s postopkom utrjevanja oblikuje vezana struktura. Ta pristop omogoča spajanje sistemov različnih materialov-na primer z združevanjem keramične izolacijske strukture s prevodno kovinsko komponento, da se ustvari integriran sklop.

 

Vendar pa je zaradi omejene temperaturne odpornosti organskih veznih materialov njihova zanesljivost omejena v zahtevnih okoljih, kot so visoko-zmogljive elektronske naprave in sistemi HVDC (visoko-napetostni enosmerni tok). Zato se trenutno uporabljajo predvsem za strukturno pritrditev v okoljih z nizko-temperaturo in-napetostjo.

 

 

Tehnologija debelega filma je-uveljavljen postopek za metalizacijo keramičnih površin. Ta tehnika običajno uporablja sitotisk za nanašanje prevodne paste-ki vsebuje kovinski prah-na površino keramike iz aluminijevega nitrida (AlN). Naknadno sušenje in -stopnje sintranja pri visoki temperaturi zagotavljajo, da se kovinska plast trdno veže na keramično podlago.

 

Prevodne paste so običajno sestavljene iz kovinskega prahu, steklenega veziva in organskega nosilca; kovinski prah določa končno električno prevodnost in mehansko trdnost. Pogosto uporabljene kovine vključujejo srebro, baker in nikelj.

 

Ta postopek ponuja prednosti, kot so visoka proizvodna učinkovitost, nizki stroški in tehnična zrelost, zaradi česar je primeren za množično proizvodnjo elektronskih keramičnih substratov. Poleg tega optimizacija formulacije paste omogoča odlično električno zmogljivost in zanesljivost toplotnega cikla.

 

Vendar pa so zaradi omejitev ločljivosti sitotiska dimenzije vezja, proizvedenega s postopkom debelega-sloja, razmeroma velike, zaradi česar je težko izpolniti zahteve za vezje z visoko-gostoto in finim-naklonom. Zato se uporablja predvsem v embalaži močnostne elektronike, kjer so zahteve glede natančnosti vezja manj stroge.

 

 

 

Aktivno spajkanje kovin (AMB) je ključna tehnologija za doseganje zelo zanesljivih povezav keramike-in-kovine. Ta postopek vključuje dodajanje aktivnih elementov-, kot so titan (Ti), cirkonij (Zr), aluminij (Al) ali niobij (Nb)-tradicionalnim dodajnim kovinam za spajkanje. Ti elementi kemično reagirajo s keramično površino iz aluminijevega nitrida, da tvorijo stabilno reakcijsko prehodno plast.

 

Ta prehodna plast izboljša omočljivost med kovino in keramiko, kar omogoča, da staljena zlitina za spajkanje tvori metalurško vez s keramiko, s čimer se poveča trdnost spoja.

 

Tehnologija AMB je še posebej-primerna za aplikacije pri visokih-temperaturah in-močjih, kot je proizvodnja močnostnih polprevodniških modulov, visoko-napetostne električne opreme in metaliziranih keramičnih ohišij za močnostne polprevodnike. Ker reaktivni elementi zlahka reagirajo s kisikom pri visokih temperaturah, ta proces običajno zahteva vakuum ali zaščitno atmosfero; posledično postavlja visoke zahteve glede opreme in proizvodnega okolja, kar ima za posledico relativno visoke proizvodne stroške.

 

 

Tehnologija so-žganja vključuje tiskanje paste iz-kovin z-točko-tališča,-kot sta volfram ali molibden-na površino zelenih keramičnih plošč iz aluminijevega nitrida, čemur sledi so-sintranje s keramičnim materialom, da se ustvari integrirana struktura, ki jo sestavljata prevodna plast in keramična podlaga.

 

Glede na temperaturo sintranja je tehnologija so-žganja v prvi vrsti razvrščena v nizko{1}}so-pečeno keramiko (LTCC) in visoko-so-pečeno keramiko (HTCC).

 

HTCC se običajno sintra pri temperaturah nad 1600 stopinj. Ponuja odlično mehansko trdnost, toplotno odpornost in hermetičnost, zaradi česar je posebej primeren za-zmogljive elektronske naprave, vesoljske elektronske sisteme in visoko-zanesljive aplikacije pakiranja.

 

Glavna prednost tehnologije so-kurjenja je njena zmožnost realizacije večplastnih zasnov vezij, kar ima za posledico bolj kompaktne strukture vezij; ker se vodniki in keramika oblikujejo hkrati, je celotna strukturna stabilnost povečana.

 

V-aplikacijah z enosmernim tokom (HVDC)-, kot so kritične izolacijske strukture, kot so keramična ohišja za kontaktorje HVDC, -so-žgani keramični materiali izpolnjujejo zahteve za zanesljivo delovanje v pogojih trajnih visokih temperatur in napetostnih sunkov.

 

 

Tehnologija tanko{0}}metalizacije uporablja predvsem fizično naparjevanje (PVD) za nanos tanke kovinske plasti na površino keramične podlage, čemur sledijo postopki izdelave polprevodnikov-, kot sta fotolitografija in jedkanje-, da se oblikujejo natančna vezja.

 

V primerjavi z debelo{0}}plastnimi postopki je tank{1}}tehnologija subtraktivna proizvodna metoda, s katero je mogoče doseči manjše širine linij in večjo gostoto vezij, zaradi česar se pogosto uporablja v visoko-frekvenčnih, visoko-natančnih elektronskih napravah.

 

Ta metoda omogoča proizvodnjo preciznih metaliziranih keramičnih komponent iz aluminijevega oksida, ki ponujajo izrazite prednosti v mikroelektronski embalaži, RF napravah in visoko{0}}zmogljivih napajalnih modulih.

 

Vendar pa je zaradi minimalne debeline kovinskega sloja tokovna-nosilnost omejena pri-aplikacijah z visokim tokom. Poleg tega lahko razlika v koeficientu toplotnega raztezanja (CTE) med keramiko in kovino povzroči napetost med toplotnim kroženjem; zato se za izboljšanje zanesljivosti lepljenja pogosto uporabljajo večplastne kovinske strukture.

 

 

Direct Bonded Copper (DBC) je pogosto uporabljena tehnologija spajanja keramičnega-bakra. Njegov temeljni princip vključuje uvedbo kisika na meji med bakreno plastjo in keramiko; visoko{2}}temperaturna obdelava ustvari baker-kisikovo evtektično tekočo fazo, ki omogoča neposredno vez med bakrenim materialom in keramično površino.

 

Za tehnologijo DBC so značilne debele bakrene plasti, visoka-tokovna nosilnost in odlično odvajanje toplote. Posledično se široko uporablja v-zmogljivi elektronski opremi, kot so pretvorniki za nova energetska vozila, napajalni moduli in pretvorniki za shranjevanje energije.

 

Zaradi težav pri lepljenju bakra na keramiko iz aluminijevega nitrida (AlN) keramična površina običajno zahteva pred-oksidacijsko obdelavo, da se na vmesniku oblikuje stabilen prehodni sloj, s čimer se poveča zanesljivost povezave.

 

 

Direktno prevlečen baker (DPC) je nova tehnologija metalizacije keramike, ki vključuje postopke izdelave polprevodnikov.

 

Ta metoda se začne z oblikovanjem bakrene semenske plasti na keramični površini s tehnikami fizičnega naparjevanja (PVD), kot sta magnetronsko razprševanje ali vakuumsko izparevanje. Nato se za povečanje debeline bakrene plasti in doseganje visoko{1}}natančne izdelave vezja uporabljajo postopki, vključno z osvetljevanjem, razvijanjem in galvanizacijo.

 

Tehnologijo DPC odlikujejo nizke proizvodne temperature, visoka natančnost vezja in prilagodljiva konstrukcijska zasnova. Primeren je za aplikacije, kot so -elektronske povezovalne strukture z visoko gostoto in metalizirana keramika za električne komponente.

 

V primerjavi s tradicionalnimi-tehnikami sintranja pri visokih temperaturah DPC zmanjša vpliv toplotne obdelave na lastnosti materiala; vendar postopek galvanizacije vključuje stroge zahteve glede varstva okolja, debelina bakrene plasti pa je omejena z zmogljivostmi postopka.

 

 

S hitrim razvojem novih energetskih vozil, pametnih omrežij, sistemov za shranjevanje energije in industrije polprevodnikov tretje-generacije povpraševanje po elektronskih embalažnih materialih, ki nudijo visoko toplotno disipacijo in visoko zanesljivost, še naprej narašča.

 

V prihodnosti se bo tehnologija metalizacije keramike iz aluminijevega nitrida razvila v smeri večje zanesljivosti, večje natančnosti in večnamenske integracije. Z optimizacijo vmesnih struktur, izboljšanjem zasnove kovinskih prehodnih slojev in izboljšanjem nadzora proizvodnega procesa je moč vezi med keramiko in kovino mogoče še izboljšati.

 

Napredne keramične metalizirane strukture-, kot so natančna metalizirana keramika, visoko-metalizirane keramične komponente in-natančni napredni keramični metalizirani deli iz aluminijevega oksida visoke-vse pogosteje služijo kot ključne temeljne komponente v močnostnih polprevodnikih, visoko-napetostnih relejih, sistemih za shranjevanje energije in elektronskih sistemih za novo energijo vozila.

 

Tehnologija keramične metalizacije, ki se razvija od tradicionalnih debel{0}}filmov in tehnik so-žiga do naprednih procesnih poti, kot so AMB, DBC in DPC, nenehno premika meje materialov ter zagotavlja zanesljivejše in učinkovitejše toplotno upravljanje in rešitve za električno medsebojno povezovanje za-zmogljive elektronske naprave.