Analiza putova tehnologije metalizacije za keramičke podloge od aluminijeva nitrida: od keramičkih podloga do visoko{0}}pouzdanih elektroničkih aplikacija za pakiranje

U-poljima primjene velike snage-kao što su nova energetska vozila, energetski poluvodiči, sustavi za pohranu energije i energetska elektronika-izvedba rasipanja topline i strukturalna pouzdanost ključni su čimbenici za dugoročan-stabilan rad elektroničkih uređaja. Zahvaljujući visokoj toplinskoj vodljivosti, malom dielektričnom gubitku, izvrsnim izolacijskim svojstvima i dobroj toplinskoj stabilnosti, keramika od aluminijeva nitrida (AlN) sve je više postala ključni supstratni materijal za elektroničko pakiranje velike-snage.

 

Međutim, budući da je aluminijev nitrid sam po sebi izolacijski materijal, ne može izravno olakšati električne veze ili provođenje signala. Posljedično, prije nego što se može koristiti u energetskim modulima, pakiranju poluvodiča ili visoko{1}}naponskim električnim komponentama, mora se primijeniti tehnologija površinske metalizacije kako bi se keramičkoj podlozi prenijela električna vodljivost i osigurala pouzdana veza između keramike i metala.

 

Glavni izazov u metalizaciji keramike leži u temeljnim razlikama između materijala: aluminijev nitrid je spoj karakteriziran jakim kovalentnim vezama, dok metali obično imaju metalne veze. Ovaj nesrazmjer dovodi do problema kao što su slaba sposobnost vlaženja i neusklađenost koeficijenata toplinske ekspanzije (CTE). U radnim okruženjima s visokom-temperaturom, nedovoljna čvrstoća spoja između metalnog sloja i keramike može rezultirati kvarovima kao što je raslojavanje na površini ili pucanje uzrokovano toplinskim stresom. Stoga je razvoj vrlo pouzdanih postupaka metalizacije keramike ključan za unapređenje industrijske primjene keramičkih podloga.

 

Trenutačno se koriste različite tehnike metalizacije za keramičke podloge od aluminijeva nitrida, uključujući mehaničko spajanje, tehnologiju debelog -sloja, aktivno tvrdo lemljenje metala (AMB), su-pečenje, procese tankog-sloja, izravno vezani bakar (DBC) i izravno pozlaćeni bakar (DPC).

 

 

 

Mehaničko spajanje jedna je od najranijih metoda spajanja keramike i metala. Oslanja se na konstrukcijski dizajn i mehaničko naprezanje-kao što je-stezanje ili pričvršćivanje-za pričvršćivanje keramičke podloge na metalnu komponentu.

 

Ova metoda uključuje relativno jednostavan proces, zahtijeva minimalnu opremu i nudi značajnu fleksibilnost u proizvodnji. Međutim, budući da se veza na sučelju primarno oslanja na vanjsku mehaničku silu, značajno mehaničko naprezanje može se razviti tijekom dugo-termalnog ciklusa ili visoko-temperaturnih vibracija; posljedično, nije prikladan za aplikacije koje zahtijevaju visoku pouzdanost ili rad na visokim-temperaturama.

 

Tehnologija lijepljenja, s druge strane, uključuje uvođenje organskog ljepljivog materijala između keramike i metala kako bi se formirala vezana struktura kroz proces stvrdnjavanja. Ovaj pristup omogućuje spajanje sustava različitih materijala-, na primjer, kombiniranje keramičke izolacijske strukture s vodljivom metalnom komponentom kako bi se stvorio integrirani sklop.

 

Međutim, zbog ograničene temperaturne otpornosti organskih veznih materijala, njihova je pouzdanost ograničena u zahtjevnim okruženjima kao što su elektronički uređaji velike -napone i HVDC (High-Voltage Direct Current) sustavi. Posljedično, trenutno se primarno koriste za strukturalno učvršćivanje u okruženjima niske-temperature,-naprezanja.

 

 

Tehnologija debelog filma je-uhodan postupak za metalizaciju keramičkih površina. Ova tehnika obično koristi sitotisak za nanošenje vodljive paste-koja sadrži metalni prah-na površinu keramike od aluminijeva nitrida (AlN). Naknadno sušenje i -koraci sinteriranja na visokoj temperaturi osiguravaju čvrsto vezivanje metalnog sloja za keramičku podlogu.

 

Vodljive paste općenito se sastoje od metalnog praha, staklenog veziva i organskog nosača; metalni prah određuje konačnu električnu vodljivost i mehaničku čvrstoću. Uobičajeno korišteni metali uključuju srebro, bakar i nikal.

 

Ovaj proces nudi prednosti kao što su visoka proizvodna učinkovitost, niska cijena i tehnička zrelost, što ga čini prikladnim za masovnu proizvodnju elektroničkih keramičkih supstrata. Nadalje, optimiziranje formulacije paste omogućuje izvrsne električne performanse i pouzdanost termičkih ciklusa.

 

Međutim, zbog ograničenja razlučivosti sitotiska, dimenzije sklopova proizvedenih postupkom debelog{0}}sloja relativno su velike, što otežava ispunjavanje zahtjeva za sklopove velike-gustoće i finog-napona. Stoga se uglavnom primjenjuje u pakiranju energetske elektronike gdje su zahtjevi za preciznošću sklopa manje strogi.

 

 

 

Aktivno lemljenje metala (AMB) ključna je tehnologija za postizanje vrlo pouzdanih spojeva keramike-na-metal. Ovaj postupak uključuje dodavanje aktivnih elemenata-kao što su titan (Ti), cirkonij (Zr), aluminij (Al) ili niobij (Nb)-tradicionalnim dodatnim metalima za lemljenje. Ovi elementi kemijski reagiraju s keramičkom površinom aluminijevog nitrida kako bi formirali stabilan reakcijski prijelazni sloj.

 

Ovaj prijelazni sloj poboljšava mogućnost vlaženja između metala i keramike, omogućujući rastaljenoj leguri za lemljenje da stvori metaluršku vezu s keramikom, čime se povećava čvrstoća spoja.

 

AMB tehnologija posebno je-prikladna za aplikacije visoke-temperature, velike-napone, kao što je proizvodnja energetskih poluvodičkih modula, visoko-naponske električne opreme i metaliziranih keramičkih kućišta za energetske poluvodiče. Budući da reaktivni elementi lako reagiraju s kisikom na visokim temperaturama, ovaj proces obično zahtijeva vakuum ili zaštitnu atmosferu; posljedično, postavlja visoke zahtjeve na opremu i proizvodno okruženje, što rezultira relativno visokim troškovima proizvodnje.

 

 

Tehnologija su-pečenja uključuje tiskanje pasta od metala s-visokom{2}}talištem-kao što su volfram ili molibden-na površinu zelenih keramičkih ploča od aluminijeva nitrida, nakon čega slijedi ko-sinterovanje s keramičkim materijalom kako bi se stvorila integrirana struktura koja se sastoji od vodljivog sloja i keramičke podloge.

 

Na temelju temperature sinteriranja, tehnologija su-pečenja prvenstveno se kategorizira na nisko{1}}ko-pečenu keramiku (LTCC) i visoko{3}}ko-pečenu keramiku (HTCC).

 

HTCC se obično sinterira na temperaturama višim od 1600 stupnjeva. Nudi izvrsnu mehaničku čvrstoću, otpornost na toplinu i hermetičnost, što ga čini posebno prikladnim za elektroničke-uređaje velike snage, elektroničke sustave u zrakoplovstvu i aplikacije za pakiranje visoke-pouzdanosti.

 

Primarna prednost tehnologije ko-spaljivanja je njezina sposobnost realizacije višeslojnih dizajna krugova, što rezultira kompaktnijim strukturama krugova; nadalje, budući da se vodiči i keramika formiraju istovremeno, ukupna strukturna stabilnost je poboljšana.

 

U visoko{0}}naponskim istosmjernim (HVDC) primjenama-kao što su kritične izolacijske strukture poput keramičkih kućišta za HVDC kontaktore-su-složeni keramički materijali ispunjavaju zahtjeve za pouzdan rad u uvjetima dugotrajnih visokih temperatura i naponskih udara.

 

 

Tehnologija metalizacije tankog{0}}sloja primarno koristi fizičko taloženje iz pare (PVD) za nanošenje tankog metalnog sloja na površinu keramičke podloge, nakon čega slijede procesi proizvodnje poluvodiča-kao što su fotolitografija i jetkanje-da bi se formirali precizni sklopovi.

 

U usporedbi s procesima debelog{0}}sloja, tehnologija tankog-sloja suptraktivna je proizvodna metoda koja može postići finije širine linija i veću gustoću krugova, što je čini širokom primjenom u visoko-frekventnim,-preciznim elektroničkim uređajima.

 

Ova metoda omogućuje preciznu proizvodnju keramičkih komponenti od metaliziranog aluminijevog oksida, nudeći jasne prednosti u mikroelektroničkom pakiranju, RF uređajima i visoko{0}}modulima napajanja.

 

Međutim, zbog minimalne debljine metalnog sloja, strujni-kapacitet nosivosti je ograničen u-primjenama visoke struje. Osim toga, razlika u koeficijentu toplinske ekspanzije (CTE) između keramike i metala može stvoriti stres tijekom toplinskog ciklusa; stoga se često koriste višeslojne metalne strukture za povećanje pouzdanosti lijepljenja.

 

 

Direct Bonded Copper (DBC) široko je korištena tehnologija spajanja keramičkog-bakra. Njegov temeljni princip uključuje uvođenje kisika na granici između sloja bakra i keramike; visoko{2}}temperaturnom obradom stvara se bakar-kisikova eutektička tekuća faza, što omogućuje izravno spajanje između bakrenog materijala i keramičke površine.

 

DBC tehnologiju karakteriziraju debeli bakreni slojevi, visok-kapacitet nosivosti struje i izvrsna učinkovitost rasipanja topline. Posljedično, naširoko se koristi u elektroničkoj-opremi velike snage kao što su pretvarači za nova energetska vozila, moduli napajanja i pretvarači za pohranu energije.

 

Zbog poteškoća u vezivanju bakra i keramike od aluminijeva nitrida (AlN), keramička površina obično zahtijeva pred{0}}oksidacijski tretman kako bi se formirao stabilan prijelazni sloj na sučelju, čime se povećava pouzdanost veze.

 

 

Direct Plated Copper (DPC) je nova tehnologija keramičke metalizacije koja uključuje procese proizvodnje poluvodiča.

 

Ova metoda počinje formiranjem sloja bakrenog klica na keramičkoj površini korištenjem tehnika fizičkog taloženja iz pare (PVD), kao što je magnetronsko raspršivanje ili vakuumsko isparavanje. Zatim se koriste procesi koji uključuju izlaganje, razvijanje i galvanizaciju kako bi se povećala debljina bakrenog sloja i postigla visoko{1}}precizna izrada krugova.

 

DPC tehnologija ima niske proizvodne temperature, visoku preciznost sklopa i fleksibilan strukturni dizajn. Prikladan je za primjene kao što su elektroničke međuspojne strukture visoke-gustoće i metalizirana keramika za električne komponente.

 

U usporedbi s tradicionalnim-tehnikama sinteriranja na visokim temperaturama, DPC smanjuje utjecaj toplinske obrade na svojstva materijala; međutim, postupak galvanizacije podrazumijeva stroge zahtjeve zaštite okoliša, a debljina sloja bakra ograničena je mogućnostima procesa.

 

 

S brzim razvojem novih energetskih vozila, pametnih mreža, sustava za pohranu energije i industrije poluvodiča treće-generacije, potražnja za elektroničkim materijalima za pakiranje koji nude visoku disipaciju topline i visoku pouzdanost i dalje raste.

 

U budućnosti će se tehnologija metalizacije keramike aluminijevim nitridom razvijati prema većoj pouzdanosti, većoj preciznosti i višenamjenskoj integraciji. Optimiziranjem struktura sučelja, poboljšanjem dizajna metalnih prijelaznih slojeva i poboljšanjem kontrole proizvodnog procesa, čvrstoća veze između keramike i metala može se dodatno poboljšati.

 

Napredne keramičke metalizirane strukture-kao što su precizna metalizirana keramika, metalizirane keramičke komponente visoke-čvrstoće i napredni keramički metalizirani dijelovi visoke{2}}aluminijevog oksida visoke čistoće-sve više služe kao kritične temeljne komponente u energetskim poluvodičima, visoko-naponskim relejima, sustavima za pohranu energije i elektroničkim sustavima za novu energiju vozila.

 

Razvijajući se od tradicionalnih tehnika debelog{0}}sloja i su-pečenja do naprednih procesnih ruta kao što su AMB, DBC i DPC, tehnologija metalizacije keramike kontinuirano pomiče granice materijala, pružajući pouzdanije i učinkovitije upravljanje toplinom i rješenja za električno povezivanje za elektroničke-uređaje velike snage.