Vysoce pevné metalizované keramické součásti: klíčové propojovací mosty v elektronických zařízeních vyšší-konce

Tato keramická-kovová kompozitní struktura řeší problémy, jako je praskání a delaminace způsobené nesouladem tepelné roztažnosti v tradičních obalech. Například u výkonových polovodičových modulů slouží Precision Metallized Alumina Ceramic Components jako izolační substráty, na jedné straně podporují obvody s vysokou -hustotou a na druhé straně přímo pájejí chladiče, čímž účinně izolují vysoké napětí a zároveň účinně vedou teplo. Ve vakuových elektronických zařízeních (jako jsou trubice s postupnou vlnou a magnetrony) se metalizované keramické izolační trubice používají k utěsnění olova, což zajišťuje dlouhodobou-stabilitu vnitřního prostředí s vysokým{5}}vakuem a udržuje vzduchotěsnost i při teplotách stovek stupňů Celsia.

Díky svému jedinečnému komplexnímu výkonu se aplikace metalizovaného keramického pouzdra pro výkonové polovodiče postupně rozšířila z armády a letectví do špičkových{0}}civilních oblastí, jako jsou nová energetická vozidla, komunikace 5G, průmyslové lasery a fotovoltaické střídače. V modulech IGBT pro elektrická vozidla se hliníková metalizovaná keramika stala hlavním izolačním substrátem díky vyváženosti nákladů a výkonu; zatímco v aplikacích s vyššími požadavky na odvod tepla se používají pokovené substráty z nitridu hliníku (AlN) s tepelnou vodivostí přesahující 170 W/m·K. Kromě toho v krytech vysokofrekvenčních komunikačních zařízení, obalech senzorů a vysokonapěťových kondenzátorech zajišťují díly vysoce čistého hliníku Precision Advanced Ceramic Metallization integritu signálu a strukturální spolehlivost díky jejich nízkým dielektrickým ztrátám a vysoké mechanické pevnosti.

Současné hlavní technologie pokovování zahrnují metodu molybden{0}}manganu (Mo-Mn), přímé spojování mědí (DBC), přímé pokovování mědí (DPC) a aktivní pájení kovů (AMB). Mezi nimi je metoda Mo-Mn vhodná pro vysoce-spolehlivé aplikace vakuového těsnění a je to tradiční, ale vyzrálý proces; DBC přímo spojuje měděnou fólii s keramickým povrchem při vysokých teplotách, díky čemuž je vhodná pro vysoko-napěťové moduly; DPC využívá tenké-procesy k dosažení jemných obvodů vhodných pro propojení s vysokou-hustotou; a AMB používá aktivní pájky (jako je Ag-Cu-Ti) k dosažení vysoce{10}}pevnostních spojení mezi keramikou a mědí při nižších teplotách, přičemž kombinuje vysokou tepelnou vodivost a vysokou spolehlivost. Výběr různých procesů závisí na komplexních požadavcích scénáře aplikace, pokud jde o tepelnou vodivost, hustotu proudu, přesnost obvodu a cenu.

Stojí za zmínku, že výkon vysoce{0}}pevnostních metalizovaných keramických součástí závisí nejen na materiálovém systému, ale také na úrovni přesnosti obrábění keramických dílů z oxidu hlinitého. Rovinnost podkladu, drsnost povrchu a přesnost otvoru přímo ovlivňují rovnoměrnost následné metalizace a výtěžnosti pájení. Například u keramiky metalizovaného oxidu hlinitého pro elektrické součásti může kontrola tolerance tloušťky na úrovni mikronů- zabránit koncentraci napětí při tepelném cyklování a prodloužit životnost zařízení.

Navzdory významným výhodám metalizované keramiky pro elektrické součástky se jejich výroba stále potýká s problémy: Za prvé, procesy jsou složité a energeticky -náročné, zejména vysokoteplotní slinování-, které vyžaduje přísné vybavení a kontrolu atmosféry. Za druhé, zatímco keramika na bázi berylia (např. BeO) nabízí vynikající tepelnou vodivost, představuje riziko toxicity a je postupně nahrazována AlN. Za třetí, s miniaturizací zařízení jsou kladeny vyšší požadavky na šířku/rozteč a vícevrstvé možnosti zapojení přesné metalizované keramiky.

V budoucnu se vývoj pokovených keramických pouzder pro výkonové polovodiče zaměří na tři hlavní směry: za prvé, vývoj nízko{0}}současně vypalované keramiky (LTCC) a pokovovací integrační procesy ke snížení spotřeby energie; za druhé propagace aplikace mědi, stříbra a dalších vysoce vodivých kovů bez kyslíku- v DPC/AMB za účelem zlepšení elektrického výkonu; a za třetí, rozšíření kompatibility u polovodičových modulů třetí-generace (SiC, GaN), aby byly splněny požadavky na vyšší provozní teplotu a napětí.

Jako klíčová technologie umožňující spojení keramiky-k{1}}kovu se vysoce-kovové keramické komponenty přesouvají ze „zákulisních materiálů“ do popředí průmyslového rozvoje. Jeho nezastupitelná role při zajišťování spolehlivého provozu elektronických systémů v extrémních prostředích bude i nadále hnací silou kolaborativních inovací ve vědě o materiálech a výrobních procesech.