Аналіз технологічних шляхів металізації для керамічних підкладок із нітриду алюмінію: від керамічних підкладок до високо-надійних електронних упаковок

У -сферах застосування високої потужності-, таких як транспортні засоби з новою енергією, силові напівпровідники, системи накопичення енергії та силова електроніка-розсіювання тепла та структурна надійність є критичними факторами для довгострокової-стабільної роботи електронних пристроїв. Завдяки високій теплопровідності, низьким діелектричним втратам, відмінним ізоляційним властивостям і гарній термічній стабільності кераміка з нітриду алюмінію (AlN) дедалі частіше стає ключовим матеріалом підкладки для високо-потужної електронної упаковки.

 

Однак, оскільки нітрид алюмінію за своєю суттю є ізоляційним матеріалом, він не може безпосередньо сприяти електричним з’єднанням або провідності сигналу. Отже, перш ніж її можна буде використовувати в модулях живлення, упаковці напівпровідників або високо{1}}електричних компонентах напруги, технологія металізації поверхні має бути застосована для надання електропровідності керамічній підкладці та забезпечення надійного з’єднання між керамікою та металом.

 

Основна проблема металізації кераміки полягає в фундаментальних відмінностях між матеріалами: нітрид алюмінію є сполукою, що характеризується міцними ковалентними зв’язками, тоді як метали зазвичай мають металеві зв’язки. Ця невідповідність призводить до таких проблем, як погана змочуваність і невідповідність коефіцієнтів теплового розширення (КТР). У робочому середовищі з високою-температурою недостатня міцність зв’язку між металевим шаром і керамікою може призвести до таких пошкоджень, як міжфазне розшарування або розтріскування, спричинене термічною напругою. Тому розробка високонадійних процесів металізації кераміки має вирішальне значення для прогресу промислового застосування керамічних підкладок.

 

Наразі для керамічних підкладок із нітриду алюмінію використовуються різні методи металізації, зокрема механічне з’єднання, технологія товстої -плівки, активна пайка металу (AMB), спільний-випал, процеси тонкої{2}}плівки, мідь із прямим зв’язуванням (DBC) і мідь із прямим покриттям (DPC).

 

 

 

Механічне з’єднання є одним із найперших методів з’єднання кераміки та металу. Він ґрунтується на структурному дизайні та механічних навантаженнях,-таких як усадка-підгонки чи болтів-для закріплення керамічної основи на металевому компоненті.

 

Цей метод передбачає відносно простий процес, вимагає мінімального обладнання та забезпечує значну гнучкість виробництва. Однак, оскільки з’єднання на межі здебільшого залежить від зовнішньої механічної сили, значне механічне напруження може виникнути під час тривалого-термічного циклу або високо-температурної вібрації; отже, він непридатний для застосувань, які вимагають високої надійності або роботи при високих-температурах.

 

Технологія склеювання, з іншого боку, передбачає введення органічного клейового матеріалу між керамікою та металом для формування склеєної структури в процесі затвердіння. Цей підхід дає змогу з’єднувати системи різнорідних матеріалів-, наприклад, поєднуючи керамічну ізоляційну структуру з провідним металевим компонентом для створення інтегрованого вузла.

 

Однак через обмежену термостійкість органічних сполучних матеріалів їхня надійність обмежена у складних середовищах, таких як-потужні електронні пристрої та системи постійного струму високої-напруги. Отже, наразі вони в основному використовуються для структурної фіксації в умовах низьких-температур і низьких{4}}навантажень.

 

 

Технологія товстої плівки – це-відомий процес металізації керамічної поверхні. У цій техніці зазвичай використовується трафаретний друк для нанесення провідної пасти-з металевим порошком-на поверхню кераміки з нітриду алюмінію (AlN). Подальше сушіння та високо{5}}температурне спікання забезпечують міцне з’єднання металевого шару з керамічною підкладкою.

 

Електропровідні пасти, як правило, складаються з металевого порошку, скляного сполучного та органічного наповнювача; металевий порошок визначає кінцеву електропровідність і механічну міцність. Зазвичай використовувані метали включають срібло, мідь і нікель.

 

Цей процес пропонує такі переваги, як висока ефективність виробництва, низька вартість і технічна зрілість, що робить його придатним для масового виробництва електронних керамічних підкладок. Крім того, оптимізація складу пасти забезпечує чудові електричні характеристики та надійність термоциклування.

 

Однак через обмеження роздільної здатності трафаретного друку розміри схем, отриманих за допомогою товстої-плівки, є відносно великими, що ускладнює виконання вимог до схем високої-щільності та тонкого-кроку. Тому він в основному застосовується в упаковці силової електроніки, де вимоги до точності схеми є менш суворими.

 

 

 

Активна пайка металу (AMB) є ключовою технологією для досягнення високонадійного з’єднання кераміки--з металом. Цей процес передбачає додавання активних елементів-таких як титан (Ti), цирконій (Zr), алюміній (Al) або ніобій (Nb)-до традиційних припоїв для пайки. Ці елементи вступають у хімічну реакцію з керамічною поверхнею нітриду алюмінію, утворюючи стабільний реакційний перехідний шар.

 

Цей перехідний шар покращує змочуваність між металом і керамікою, дозволяючи розплавленому твердому припою утворювати металургійний зв’язок із керамікою, тим самим підвищуючи міцність з’єднання.

 

Технологія AMB особливо-підходить для застосувань із високими-температурами та високою-потужністю, як-от виготовлення силових напівпровідникових модулів, високо-електричного обладнання та металізованих керамічних корпусів для силових напівпровідників. Оскільки реакційноздатні елементи легко реагують з киснем при високих температурах, цей процес зазвичай вимагає вакууму або захисної атмосфери; отже, він висуває високі вимоги до обладнання та виробничого середовища, що призводить до відносно високих витрат на виробництво.

 

 

Технологія спільного -випалу передбачає друк паст із -температурою плавлення-металів-таких як вольфрам або молібден-на поверхню зелених керамічних листів із нітриду алюмінію з наступним спі-спіканням із керамічним матеріалом для створення інтегрованої структури, що складається з провідного шару та керамічної підкладки.

 

Залежно від температури спікання технологія спільного-випалу в основному поділяється на низько-температурну-кераміку (LTCC) і високо{3}}температурну спільно-кераміку (HTCC).

 

HTCC зазвичай спікається при температурах, що перевищують 1600 градусів. Він забезпечує відмінну механічну міцність, термостійкість і герметичність, що робить його особливо придатним для-потужних електронних пристроїв, аерокосмічних електронних систем і високо-надійного пакування.

 

Основною перевагою технології спільного спалювання є її здатність реалізовувати багатошарові конструкції схем, що призводить до більш компактних структур схем; крім того, оскільки провідники та кераміка формуються одночасно, загальна структурна стабільність підвищується.

 

У -пристроях постійного струму високої напруги (HVDC)-, таких як критичні ізоляційні конструкції, як-от керамічні корпуси для контакторів HVDC-с{-керамічні матеріали зі спільним нагріванням відповідають вимогам для надійної роботи в умовах тривалих високих температур і стрибків напруги.

 

 

Технологія металізації тонких плівок переважно використовує фізичне осадження з парової фази (PVD) для нанесення тонкого металевого шару на поверхню керамічної підкладки, а потім процеси виробництва напівпровідників-такі як фотолітографія та травлення-для створення точних схем.

 

Порівняно з товстоплівковими-технологіями, тон-плівкова технологія — це субтрактивний метод виробництва, який дозволяє досягти меншої ширини ліній і більшої щільності ланцюгів, завдяки чому широко використовується у високо-частотних, високо-точних електронних пристроях.

 

Цей метод дозволяє виготовляти прецизійні металізовані керамічні компоненти з оксиду алюмінію, що забезпечує явні переваги в мікроелектронній упаковці, радіочастотних пристроях і високо-продуктивних модулях живлення.

 

Однак через мінімальну товщину металевого шару пропускна здатність-струму обмежена в -пристроях із високим струмом. Крім того, різниця в коефіцієнті теплового розширення (КТР) між керамікою та металом може спричинити напругу під час термічного циклу; тому для підвищення надійності склеювання часто використовують багатошарові металеві конструкції.

 

 

Direct Bonded Copper (DBC) – це широко поширена технологія з’єднання керамічної-міді. Його фундаментальний принцип передбачає введення кисню на межі між шаром міді та керамікою; високо{2}}температурна обробка створює мідно-кисневу евтектичну рідку фазу, уможливлюючи прямий зв’язок між мідним матеріалом і керамічною поверхнею.

 

Технологія DBC характеризується товстими мідними шарами, високою -пропускною здатністю по струму та чудовим розсіюванням тепла. Отже, він широко використовується в-потужному електронному обладнанні, такому як інвертори для нових транспортних засобів, модулі живлення та перетворювачі накопичувачів енергії.

 

Через труднощі з’єднання міді та кераміки з нітриду алюмінію (AlN) керамічна поверхня зазвичай потребує попередньої -обробки окислення, щоб утворити стабільний перехідний шар на межі розділу, що підвищує надійність з’єднання.

 

 

Мідь із прямим покриттям (DPC) — це нова технологія металізації кераміки, яка включає процеси виробництва напівпровідників.

 

Цей метод починається з формування мідного затравкового шару на керамічній поверхні за допомогою методів фізичного осадження з парової фази (PVD), таких як магнетронне розпилення або вакуумне випаровування. Згодом для збільшення товщини мідного шару та досягнення високо{1}}точного виготовлення схеми використовуються процеси, зокрема експонування, проявлення та гальванічне нанесення.

 

Технологія DPC відрізняється низькими температурами виробництва, високою точністю схеми та гнучким структурним дизайном. Він підходить для таких застосувань, як -електронні з’єднувальні структури високої щільності та металізована кераміка для електричних компонентів.

 

Порівняно з традиційними високотемпературними методами спікання, DPC мінімізує вплив термічної обробки на властивості матеріалу; однак процес гальванічного покриття вимагає суворих вимог щодо захисту навколишнього середовища, а товщина шару міді обмежена можливостями процесу.

 

 

Зі швидким розвитком нових енергетичних транспортних засобів, інтелектуальних мереж, систем накопичення енергії та напівпровідникової промисловості третього-покоління попит на пакувальні матеріали для електроніки, які забезпечують високу тепловіддачу та високу надійність, продовжує зростати.

 

У майбутньому технологія металізації кераміки нітридом алюмінію розвиватиметься в напрямку більшої надійності, вищої точності та багатофункціональної інтеграції. Завдяки оптимізації структур розділу, покращенню дизайну металевих перехідних шарів і покращенню контролю виробничого процесу міцність зв’язку між керамікою та металом може бути додатково покращена.

 

Удосконалені керамічні металізовані структури-такі як прецизійна металізована кераміка, високо-металізовані керамічні компоненти та -прецизійні керамічні металізовані деталі високої-глинозему-все частіше слугують критично важливими базовими компонентами в силових напівпровідниках, реле високої-напруги, системах зберігання енергії та електронних системах для нової енергії транспортних засобів.

 

Розвиваючись від традиційних технологій товстої -плівки та спільного-випалу до передових процесів, таких як AMB, DBC і DPC, технологія металізації кераміки постійно розсуває межі матеріалів, забезпечуючи надійніші та ефективніші рішення для управління температурою та електричного з’єднання для-потужних електронних пристроїв.