Analýza technologických cest metalizace pro keramické substráty z nitridu hliníku: od keramických substrátů k vysoce-spolehlivým aplikacím elektronického balení

V -oborech aplikací s vysokým výkonem-, jako jsou nová energetická vozidla, výkonové polovodiče, systémy pro ukládání energie a výkonová elektronika,-jsou výkon rozptylu tepla a konstrukční spolehlivost kritickými faktory pro dlouhodobý-stabilní provoz elektronických zařízení. Díky své vysoké tepelné vodivosti, nízkým dielektrickým ztrátám, vynikajícím izolačním vlastnostem a dobré tepelné stabilitě se keramika z nitridu hliníku (AlN) stále více stává klíčovým substrátem pro vysokovýkonné elektronické obaly.

 

Jelikož je však nitrid hliníku neodmyslitelně izolační materiál, nemůže přímo usnadňovat elektrická spojení nebo vedení signálu. Před použitím ve výkonových modulech, polovodičových obalech nebo vysokonapěťových elektrických součástkách je tedy nutné použít technologii povrchové metalizace, která dodá keramickému substrátu elektrickou vodivost a zajistí spolehlivou vazbu mezi keramikou a kovem.

 

Hlavní výzva při pokovování keramiky spočívá v zásadních rozdílech mezi materiály: nitrid hliníku je sloučenina charakterizovaná silnými kovalentními vazbami, zatímco kovy se typicky vyznačují kovovými vazbami. Tato disparita vede k problémům, jako je špatná smáčivost a nesoulad v koeficientech tepelné roztažnosti (CTE). V provozních prostředích s vysokou teplotou- může nedostatečná pevnost spojení mezi kovovou vrstvou a keramikou vést k poruchám, jako je delaminace na rozhraní nebo praskliny způsobené tepelným namáháním. Proto je vývoj vysoce spolehlivých procesů pokovování keramiky zásadní pro pokrok v průmyslové aplikaci keramických substrátů.

 

V současné době se pro keramické substráty z nitridu hliníku používají různé techniky pokovování, včetně mechanického spojování, technologie tlusté{0}}vrstvy, aktivního pájení kovů (AMB), společného-vypalování, tenkých-procesů, mědi s přímou vazbou (DBC) a mědi s přímou vrstvou (DPC).

 

 

 

Mechanické spojování je jednou z prvních metod používaných ke spojování keramiky a kovů. Spoléhá na konstrukční návrh a mechanické namáhání-, jako je smršťovací-lícování nebo šroubování-, aby byl keramický substrát připevněn ke kovové součásti.

 

Tato metoda zahrnuje relativně jednoduchý proces, vyžaduje minimální vybavení a nabízí značnou výrobní flexibilitu. Protože však spojení na rozhraní závisí primárně na vnější mechanické síle, může se při dlouhodobém -tepelném cyklování nebo vysokoteplotních vibracích- vyvinout značné mechanické namáhání; v důsledku toho není vhodný pro aplikace vyžadující vysokou spolehlivost nebo vysokoteplotní-provoz.

 

Technologie lepení na druhé straně zahrnuje zavedení organického adhezivního materiálu mezi keramiku a kov za účelem vytvoření spojené struktury procesem vytvrzování. Tento přístup umožňuje spojování odlišných materiálových systémů-například kombinací keramické izolační struktury s vodivou kovovou součástí, čímž vzniká integrovaná sestava.

 

Vzhledem k omezené teplotní odolnosti organických spojovacích materiálů je však jejich spolehlivost omezena v náročných prostředích, jako jsou elektronická zařízení s vysokým{0}}výkonem a systémy HVDC (vysoko{1}}stejnosměrný proud). V důsledku toho se v současné době primárně používají pro strukturální fixaci v prostředí s nízkou-teplotou a nízkým-zátěžem.

 

 

Thick Film Technology je dobře-zavedený proces pokovování keramického povrchu. Tato technika obvykle využívá sítotisk k nanášení vodivé pasty-obsahující kovový prášek-na povrch keramiky z nitridu hliníku (AlN). Následné sušení a vysokoteplotní slinování zajišťují pevné spojení kovové vrstvy s keramickým substrátem.

 

Vodivé pasty se obecně skládají z kovového prášku, skleněného pojiva a organického vehikula; kovový prášek určuje konečnou elektrickou vodivost a mechanickou pevnost. Mezi běžně používané kovy patří stříbro, měď a nikl.

 

Tento proces nabízí výhody, jako je vysoká efektivita výroby, nízká cena a technická vyspělost, díky čemuž je vhodný pro hromadnou výrobu elektronických keramických substrátů. Kromě toho optimalizace složení pasty umožňuje vynikající elektrický výkon a spolehlivost tepelného cyklování.

 

Kvůli limitům rozlišení sítotisku jsou však rozměry obvodů vytvořené procesem tlustého-filmu relativně velké, takže je obtížné splnit požadavky na obvody s vysokou-hustotou a jemným-roztečím. Proto se používá hlavně v balení výkonové elektroniky, kde jsou požadavky na přesnost obvodů méně přísné.

 

 

 

Active Metal Brazing (AMB) je klíčová technologie pro dosažení vysoce spolehlivých keramických-k{1}}kovových spojů. Tento proces zahrnuje přidávání aktivních prvků-, jako je titan (Ti), zirkonium (Zr), hliník (Al) nebo niob (Nb)- do tradičních přídavných kovů pro tvrdé pájení. Tyto prvky chemicky reagují s keramickým povrchem z nitridu hliníku a vytvářejí stabilní reakční přechodovou vrstvu.

 

Tato přechodová vrstva zlepšuje smáčivost mezi kovem a keramikou, což umožňuje roztavené pájecí slitině vytvořit metalurgické spojení s keramikou, čímž se zvyšuje pevnost spoje.

 

Technologie AMB je zvláště vhodná-pro vysoko-teplotní a{2}}výkonové aplikace, jako je výroba výkonových polovodičových modulů, vysokonapěťových elektrických zařízení a metalizovaných keramických pouzder pro výkonové polovodiče. Protože reaktivní prvky snadno reagují s kyslíkem při vysokých teplotách, tento proces typicky vyžaduje vakuum nebo ochrannou atmosféru; v důsledku toho klade vysoké nároky na zařízení a výrobní prostředí, což má za následek relativně vysoké výrobní náklady.

 

 

Technologie společného vypalování zahrnuje tisk past -kovů s vysokým bodem tavení--, jako je wolfram nebo molybden,-na povrch keramických zelených desek z nitridu hliníku, po kterém následuje-slinování s keramickým materiálem za účelem vytvoření integrované struktury obsahující vodivou vrstvu a keramický substrát.

 

Na základě teploty slinování je technologie společného vypalování primárně rozdělena na keramiku vypalovanou nízko-ko-keramikou (LTCC) a -spolu vypalovanou- keramikou (HTCC) primárně do kategorií.

 

HTCC se obvykle slinuje při teplotách přesahujících 1600 stupňů. Nabízí vynikající mechanickou pevnost, tepelnou odolnost a hermetiku, díky čemuž je zvláště vhodný pro vysoce-elektronická zařízení, letecké elektronické systémy a vysoce-spolehlivé obalové aplikace.

 

Primární výhodou-technologie společného spalování je její schopnost realizovat vícevrstvé návrhy obvodů, což vede ke kompaktnějším strukturám obvodů; dále, protože vodiče a keramika jsou vytvořeny současně, je zvýšena celková strukturální stabilita.

 

V aplikacích s vysokým-stejnosměrným napětím (HVDC)-, jako jsou kritické izolační konstrukce, jako jsou keramické skříně pro stykače HVDC,-spolu{3}}vypalované keramické materiály splňují požadavky na spolehlivý provoz v podmínkách trvale vysokých teplot a napěťových rázů.

 

 

Technologie pokovování tenkých filmů využívá především fyzikální napařování (PVD) k nanášení tenké kovové vrstvy na povrch keramického substrátu, po kterém následují procesy výroby polovodičů,-jako je fotolitografie a leptání-, aby se vytvořily přesné obvody.

 

Ve srovnání s tlustou{0}}fólií je technologie tenké{1}}vrstvy subtraktivní výrobní metodou, která umožňuje dosáhnout jemnějších šířek čar a vyšší hustoty obvodů, díky čemuž je široce používána ve vysokofrekvenčních a vysoce přesných elektronických zařízeních.

 

Tato metoda umožňuje výrobu přesných metalizovaných keramických komponentů z oxidu hlinitého, které nabízejí výrazné výhody v mikroelektronických obalech, RF zařízeních a vysoce výkonných -výkonových modulech.

 

Vzhledem k minimální tloušťce kovové vrstvy je však současná -zatížitelnost omezena ve vysoce-proudých aplikacích. Navíc rozdíl v koeficientu tepelné roztažnosti (CTE) mezi keramikou a kovem může generovat napětí během tepelného cyklování; proto se často používají vícevrstvé kovové struktury pro zvýšení spolehlivosti spojování.

 

 

Direct Bonded Copper (DBC) je široce používaná keramická-technologie mědi. Jeho základní princip spočívá v přivádění kyslíku na rozhraní mezi měděnou vrstvou a keramikou; vysokoteplotní zpracování vytváří měděnou-kyslíkovou eutektickou kapalnou fázi, která umožňuje přímou vazbu mezi měděným materiálem a keramickým povrchem.

 

Technologie DBC se vyznačuje silnými měděnými vrstvami, vysokou proudovou-kapacitou a vynikajícím výkonem odvádění tepla. V důsledku toho je široce používán ve-elektronických zařízeních s vysokým výkonem, jako jsou invertory pro nová energetická vozidla, napájecí moduly a konvertory pro ukládání energie.

 

Kvůli obtížnosti lepení mědi na keramiku z nitridu hliníku (AlN) vyžaduje keramický povrch obvykle před{0}}oxidační úpravu, aby se vytvořila stabilní přechodová vrstva na rozhraní, čímž se zvyšuje spolehlivost spojení.

 

 

Direct Plated Copper (DPC) je nová technologie pokovování keramiky, která zahrnuje procesy výroby polovodičů.

 

Tato metoda začíná vytvořením vrstvy měděných zárodků na keramickém povrchu pomocí technik fyzikálního napařování (PVD), jako je magnetronové naprašování nebo vakuové napařování. Následně jsou použity procesy včetně expozice, vývoje a galvanického pokovování ke zvýšení tloušťky měděné vrstvy a dosažení vysoce přesné{1}}výroby obvodů.

 

Technologie DPC se vyznačuje nízkými výrobními teplotami, vysokou přesností obvodů a flexibilním konstrukčním designem. Je vhodný pro aplikace, jako jsou elektronické propojovací struktury s vysokou{1}}hustotou a metalizovaná keramika pro elektrické součástky.

 

Ve srovnání s tradičními-technikami slinování při vysokých teplotách minimalizuje DPC dopad tepelného zpracování na vlastnosti materiálu; proces galvanického pokovování však vyžaduje přísné požadavky na ochranu životního prostředí a tloušťka vrstvy mědi je omezena možnostmi procesu.

 

 

S rychlým vývojem nových energetických vozidel, inteligentních sítí, systémů pro ukládání energie a třetí -generace polovodičového průmyslu poptávka po elektronických obalových materiálech nabízejících vysoký odvod tepla a vysokou spolehlivost neustále roste.

 

V budoucnu se technologie pokovování nitridem hliníku bude vyvíjet směrem k větší spolehlivosti, vyšší přesnosti a multifunkční integraci. Optimalizací struktur rozhraní, zlepšením návrhu kovových přechodových vrstev a zlepšením řízení výrobního procesu lze dále zlepšit pevnost spojení mezi keramikou a kovem.

 

Pokročilé keramické metalizované struktury-jako je přesná metalizovaná keramika, vysoce{1}}kovové keramické součásti a vysoce-přesné součásti z oxidu hlinitého- stále častěji slouží jako základní základní součásti výkonových polovodičů, vysokonapěťových relé, nových systémů pro ukládání energie a elektronických systémů.

 

Technologie keramické metalizace, vyvíjející se od tradičních technik silného{0}}filmu a společného{1}}vypalování k pokročilým procesním cestám, jako je AMB, DBC a DPC, neustále posouvá hranice materiálů a poskytuje spolehlivější a účinnější řešení tepelného managementu a elektrického propojení pro elektronická zařízení s vysokým-výkonem.