Aliuminio nitrido keramikos substratų metalizacijos technologijų analizė: nuo keraminių substratų iki didelio{0}}patikimo elektroninių pakavimo programų

Didelės -galios taikymo srityse-, pvz., naujos energijos transporto priemonės, galios puslaidininkiai, energijos kaupimo sistemos ir galios elektronika-šilumos išsklaidymo efektyvumas ir struktūrinis patikimumas yra svarbūs veiksniai, užtikrinantys ilgalaikį- stabilų elektroninių prietaisų veikimą. Dėl didelio šilumos laidumo, mažų dielektrinių nuostolių, puikių izoliacinių savybių ir gero terminio stabilumo aliuminio nitrido (AlN) keramika vis dažniau tampa pagrindine didelės-galios elektroninių pakuočių pagrindo medžiaga.

 

Tačiau, kadangi aliuminio nitridas iš prigimties yra izoliacinė medžiaga, jis negali tiesiogiai palengvinti elektros jungčių ar signalo laidumo. Todėl prieš naudojant galios moduliuose, puslaidininkių pakuotėse ar aukštos įtampos elektriniuose komponentuose, paviršiaus metalizavimo technologija turi būti naudojama keraminiam pagrindui suteikti elektros laidumą ir užtikrinti patikimą keramikos ir metalo ryšį.

 

Pagrindinis keramikos metalizavimo iššūkis yra esminiai medžiagų skirtumai: aliuminio nitridas yra junginys, kuriam būdingi stiprūs kovalentiniai ryšiai, o metalai paprastai pasižymi metaliniu ryšiu. Dėl šio skirtumo kyla tokių problemų kaip prastas drėkinamumas ir šiluminio plėtimosi koeficientų (CTE) neatitikimas. Dirbant aukštoje -temperatūroje, dėl nepakankamo metalo sluoksnio ir keramikos sukibimo stiprumo gali atsirasti gedimų, pvz., tarpsluoksnio atsisluoksniavimo arba įtrūkimų dėl terminio įtempio. Todėl labai patikimų keraminių metalizavimo procesų kūrimas yra labai svarbus siekiant išplėsti keraminių substratų pramoninį pritaikymą.

 

Šiuo metu aliuminio nitrido keramikos pagrindams naudojami įvairūs metalizavimo būdai, įskaitant mechaninį sujungimą, storosios -plėvelės technologiją, aktyvųjį metalinį litavimą (AMB), ko-degimą, plonos{2}plėvelės procesus, tiesioginį varį (DBC) ir tiesiogiai padengtą varį (DPC).

 

 

 

Mechaninis sujungimas yra vienas iš pirmųjų būdų, naudojamų keramikai ir metalams sujungti. Jis priklauso nuo konstrukcijos konstrukcijos ir mechaninio įtempimo-, pvz., susitraukiančio-tvirtinimo ar prisukimo-, kad keraminis pagrindas būtų pritvirtintas prie metalinio komponento.

 

Šis metodas apima gana paprastą procesą, reikalauja minimalios įrangos ir siūlo didelį gamybos lankstumą. Tačiau, kadangi sąsajos jungtis pirmiausia priklauso nuo išorinės mechaninės jėgos, ilgalaikio -terminio ciklo ar aukštos{2} temperatūros vibracijos metu gali susidaryti didelis mechaninis įtempis; todėl jis netinka programoms, kurioms reikalingas didelis patikimumas arba aukšta{3}}temperatūra.

 

Kita vertus, klijavimo technologija apima organinės lipnios medžiagos įterpimą tarp keramikos ir metalo, kad kietėjimo proceso metu būtų suformuota surišta struktūra. Šis metodas leidžia sujungti skirtingų medžiagų sistemas,{1}}pavyzdžiui, sujungiant keraminę izoliacinę konstrukciją su laidžiu metaliniu komponentu, kad būtų sukurtas integruotas mazgas.

 

Tačiau dėl riboto organinių jungiamųjų medžiagų atsparumo temperatūrai jų patikimumas yra apribotas sudėtingose ​​aplinkose, pvz., didelės-galios elektroniniuose įrenginiuose ir HVDC (didelės-įtampos nuolatinės srovės) sistemose. Todėl šiuo metu jie daugiausia naudojami struktūriniam tvirtinimui žemoje-temperatūroje, mažai{4}}įtemptose aplinkose.

 

 

Storosios plėvelės technologija yra gerai{0}}nustatytas keraminio paviršiaus metalizavimo procesas. Taikant šią techniką paprastai naudojama šilkografija, kad ant aliuminio nitrido (AlN) keramikos paviršiaus padengiama laidžios pastos, -turinčios metalo miltelių-. Vėlesnis džiovinimas ir sukepinimas aukštoje{5}}temperatūroje užtikrina, kad metalinis sluoksnis tvirtai sukibtų su keraminiu pagrindu.

 

Laidžios pastos paprastai susideda iš metalo miltelių, stiklo rišiklio ir organinės nešiklio; metalo milteliai lemia galutinį elektros laidumą ir mechaninį stiprumą. Dažniausiai naudojami metalai yra sidabras, varis ir nikelis.

 

Šis procesas turi tokius pranašumus kaip didelis gamybos efektyvumas, maža kaina ir techninis brandumas, todėl jis tinkamas masinei elektroninių keraminių substratų gamybai. Be to, optimizavus pastos formulę, užtikrinamas puikus elektrinis veikimas ir šiluminio ciklo patikimumas.

 

Tačiau dėl šilkografinio spausdinimo skiriamosios gebos apribojimų storosios{0}}plėvelės proceso metu gaunami grandinės matmenys yra gana dideli, todėl sunku atitikti didelio-tankio, smulkaus{2} schemos reikalavimus. Todėl jis daugiausia naudojamas galios elektronikos pakuotėse, kur grandinės tikslumo reikalavimai yra ne tokie griežti.

 

 

 

Aktyvus metalinis litavimas (AMB) yra pagrindinė technologija, užtikrinanti labai patikimus keramikos{0}}su{1}}metalinius ryšius. Šis procesas apima aktyvių elementų, -tokių kaip titano (Ti), cirkonio (Zr), aliuminio (Al) arba niobio (Nb)-, pridėjimą į tradicinius litavimo užpildus. Šie elementai chemiškai reaguoja su aliuminio nitrido keramikos paviršiumi, sudarydami stabilų reakcijos pereinamąjį sluoksnį.

 

Šis pereinamasis sluoksnis pagerina metalo ir keramikos drėgmę, todėl išlydytas litavimo lydinys gali sudaryti metalurginį ryšį su keramika ir taip padidinti jungties stiprumą.

 

AMB technologija ypač gerai-tinka aukštos-temperatūros ir didelės galios{2}}programoms, pvz., galios puslaidininkių modulių, aukštos-tampos elektros įrangos ir metalizuotų keramikos korpusų, skirtų galios puslaidininkiams, gamybai. Kadangi reaktyvūs elementai lengvai reaguoja su deguonimi esant aukštai temperatūrai, šiam procesui paprastai reikalingas vakuumas arba apsauginė atmosfera; todėl keliami dideli reikalavimai įrangai ir gamybos aplinkai, todėl gamybos sąnaudos yra gana didelės.

 

 

Bendro degimo technologija apima aukšto -lydymosi{2} metalų-, pvz., volframo ar molibdeno-, pastų spausdinimą ant žalių aliuminio nitrido keraminių lakštų paviršiaus, po to bendras sukepinimas su keramine medžiaga, kad būtų sukurtas integruotas laidžios struktūros sluoksnis ir keraminis sluoksnis.

 

Remiantis sukepinimo temperatūra, bendro degimo technologija visų pirma skirstoma į žemoje-temperatūros bendrai deginamą keramiką (LTCC) ir aukštoje -temperatūroje deginamą{4} keramiką (HTCC).

 

HTCC paprastai sukepinamas aukštesnėje nei 1600 laipsnių temperatūroje. Jis pasižymi puikiu mechaniniu stiprumu, atsparumu karščiui ir hermetiškumu, todėl ypač tinka didelės-galios elektroniniams įrenginiams, aviacijos ir kosmoso elektroninėms sistemoms ir didelio -patikimo pakavimo programoms.

 

Pagrindinis bendro šaudymo{0}}technologijos pranašumas yra galimybė sukurti daugiasluoksnes grandines, todėl grandinės struktūros yra kompaktiškesnės; be to, kadangi laidininkai ir keramika formuojami vienu metu, padidėja bendras konstrukcijos stabilumas.

 

Aukštos -įtampos nuolatinės srovės (HVDC) taikymuose-, pvz., svarbiose izoliacinėse konstrukcijose, pvz., keraminiuose aukštosios srovės nuolatinės srovės kontaktorių korpusuose, -bendrai kūrenamos keraminės medžiagos atitinka patikimo veikimo reikalavimus esant nuolatinei aukštai temperatūrai ir įtampos viršįtampiams.

 

 

Plonosios -plėvelės metalizavimo technologijoje visų pirma naudojamas fizinis nusodinimas garais (PVD), skirtas plonam metalo sluoksniui nusodinti ant keraminio pagrindo paviršiaus, o po to atliekami puslaidininkių gamybos procesai,{1}}tokie kaip fotolitografija ir ėsdinimas{2}}, siekiant sudaryti tikslias grandines.

 

Palyginti su storosios{0}plėvelės procesais, plonasluoksnės-plėvelės technologija yra atimamasis gamybos metodas, leidžiantis pasiekti smulkesnį linijų plotį ir didesnį grandinės tankį, todėl ji plačiai naudojama didelio-dažnio ir didelio tikslumo elektroniniuose įrenginiuose.

 

Šis metodas leidžia gaminti tiksliai metalizuotus aliuminio oksido keramikos komponentus, o tai suteikia išskirtinių pranašumų mikroelektroninėse pakuotėse, RF įrenginiuose ir didelio našumo{0}}galios moduliuose.

 

Tačiau dėl minimalaus metalo sluoksnio storio dabartinė -keliamoji galia yra ribota naudojant stiprią-srovę. Be to, šiluminio plėtimosi koeficiento (CTE) skirtumas tarp keramikos ir metalo gali sukelti įtempimą terminio ciklo metu; todėl norint padidinti sukibimo patikimumą, dažnai naudojamos daugiasluoksnės metalinės konstrukcijos.

 

 

Tiesioginio surišimo varis (DBC) yra plačiai naudojama keramikos{0}}vario sujungimo technologija. Jo pagrindinis principas apima deguonies įvedimą vario sluoksnio ir keramikos sąsajoje; Apdorojant aukštoje -temperatūroje susidaro vario-deguonies eutektinė skystoji fazė, leidžianti tiesiogiai sujungti varinę medžiagą ir keraminį paviršių.

 

DBC technologijai būdingi stori vario sluoksniai, didelė srovės{0}}laida ir puikus šilumos išsklaidymas. Todėl jis plačiai naudojamas didelės-galios elektroninėje įrangoje, pvz., naujų energiją naudojančių transporto priemonių inverteriuose, galios moduliuose ir energijos kaupimo keitikliuose.

 

Dėl sunkumų varį surišti su aliuminio nitrido (AlN) keramika, keraminį paviršių paprastai reikia iš anksto apdoroti oksidaciniu būdu, kad sąsajoje susidarytų stabilus pereinamasis sluoksnis ir taip padidėtų ryšio patikimumas.

 

 

Direct Plated Copper (DPC) yra nauja keramikos metalizavimo technologija, apimanti puslaidininkių gamybos procesus.

 

Šis metodas pradedamas formuojant vario sėklų sluoksnį ant keramikos paviršiaus, naudojant fizinio nusodinimo garais (PVD) metodus, tokius kaip magnetroninis purškimas arba vakuuminis garinimas. Vėliau vario sluoksnio storiui padidinti ir didelio tikslumo{1}} grandinių gamybai naudojami procesai, įskaitant ekspoziciją, kūrimą ir galvanizavimą.

 

DPC technologija pasižymi žema gamybos temperatūra, dideliu grandinės tikslumu ir lanksčiu konstrukcijos dizainu. Jis tinkamas tokioms reikmėms kaip didelio-tankio elektroninės sujungimo struktūros ir metalizuota keramika elektros komponentams.

 

Palyginti su tradiciniais aukštos{0}temperatūros sukepinimo metodais, DPC sumažina terminio apdorojimo poveikį medžiagos savybėms; tačiau galvanizavimo procesas reikalauja griežtų aplinkos apsaugos reikalavimų, o vario sluoksnio storį riboja proceso galimybės.

 

 

Sparčiai tobulėjant naujoms energiją naudojančioms transporto priemonėms, išmaniesiems tinklams, energijos kaupimo sistemoms ir trečiosios{0}}kartos puslaidininkių pramonei, elektroninių pakavimo medžiagų, pasižyminčių dideliu šilumos išsklaidymu ir dideliu patikimumu, paklausa ir toliau auga.

 

Ateityje aliuminio nitrido keramikos metalizavimo technologija vystysis siekiant didesnio patikimumo, didesnio tikslumo ir daugiafunkcinės integracijos. Optimizavus sąsajos struktūras, tobulinant metalinių pereinamųjų sluoksnių dizainą ir tobulinant gamybos proceso kontrolę, galima dar labiau pagerinti keramikos ir metalo sukibimo stiprumą.

 

Pažangios keramikos metalizavimo struktūros-pavyzdžiui, preciziškai metalizuota keramika, didelio-stiprumo metalizuotos keramikos komponentai ir didelio-grynumo aliuminio oksido tikslios pažangios keraminės metalizavimo dalys-vis dažniau tarnauja kaip svarbūs pagrindiniai komponentai galios puslaidininkiuose, elektroninėse saugojimo sistemose ir naujose didelės energijos{{4} sistemose transporto priemonių.

 

Nuo tradicinių storosios -plėvelės ir{1}}sudegimo metodų iki pažangių proceso būdų, tokių kaip AMB, DBC ir DPC, keramikos metalizavimo technologija nuolat plečia medžiagų ribas, teikdama patikimesnius ir efektyvesnius šilumos valdymo ir elektros sujungimo sprendimus didelės-galios elektroniniams įrenginiams.