Високоміцні-металізовані керамічні компоненти: ключові мости зв’язку в-електронних пристроях високого рівня

Ця керамічна-металева композитна структура вирішує такі проблеми, як розтріскування та відшарування, спричинені невідповідністю температурного розширення традиційної упаковки. Наприклад, у силових напівпровідникових модулях прецизійні металізовані керамічні компоненти з оксиду алюмінію служать ізоляційними підкладками, підтримуючи високо-схеми з одного боку та безпосередньо спаюючи радіатори з іншого, ефективно ізолюючи високу напругу та ефективно проводячи тепло. У вакуумних електронних пристроях (таких як трубки з біжучою хвилею та магнетрони) металізовані керамічні ізоляційні трубки використовуються для герметизації свинцю, що забезпечує довгострокову -стабільність внутрішнього високо-вакуумного середовища та збереження повітрянепроникності навіть за температури в сотні градусів Цельсія.

Завдяки своїм унікальним комплексним характеристикам застосування металізованого керамічного корпусу для силових напівпровідників поступово розширилося від військових і аерокосмічних до високо-цивільних галузей, таких як нові енергетичні транспортні засоби, зв’язок 5G, промислові лазери та фотоелектричні інвертори. У модулях IGBT для електромобілів металізована кераміка з алюмінію стала основною ізоляційною підкладкою завдяки балансу вартості та продуктивності; у той час як у додатках із вищими вимогами до розсіювання тепла використовуються металізовані підкладки з нітриду алюмінію (AlN) з теплопровідністю понад 170 Вт/м·К. Крім того, у корпусах високо-комунікаційного обладнання, корпусах датчиків і конденсаторах високої{6}}напруги високочисті глиноземні прецизійні вдосконалені керамічні металізовані деталі ефективно забезпечують цілісність сигналу та структурну надійність завдяки низьким діелектричним втратам і високій механічній міцності.

Сучасні основні технології металізації включають молібден-марганцевий (Mo-Mn) метод, пряме з’єднання міді (DBC), пряме міднення (DPC) і активну пайку металу (AMB). Серед них метод Mo-Mn підходить для високо-надійного вакуумного зварювання та є традиційним, але зрілим процесом; DBC безпосередньо скріплює мідну фольгу з керамічною поверхнею за високих температур, що робить її придатною для модулів живлення з високим-струмом; DPC використовує тонкоплівкові-процеси для створення тонких схем, придатних для з’єднань високої-щільності; і AMB використовує активні припої (такі як Ag-Cu-Ti) для досягнення високої-міцності з’єднань між керамікою та міддю за нижчих температур, поєднуючи високу теплопровідність і високу надійність. Вибір різних процесів залежить від комплексних вимог сценарію застосування щодо теплопровідності, щільності струму, точності схеми та вартості.

Варто зауважити, що продуктивність високо-металізованих керамічних компонентів залежить не лише від системи матеріалів, а й від рівня точності обробки керамічних деталей із оксиду алюмінію. Рівність підкладки, шорсткість поверхні та точність отворів безпосередньо впливають на рівномірність подальшої металізації та продуктивність пайки. Наприклад, у металізованій глиноземній кераміці для електричних компонентів контроль допуску на мікро-рівень товщини може уникнути концентрації напруги під час термоциклування та подовжити термін служби пристрою.

Незважаючи на значні переваги металізованої кераміки для електричних компонентів, її виробництво все ще стикається з труднощами: по-перше, процеси є складними та енерго-місткими, особливо стадія високо-температурного спікання, яка вимагає суворого обладнання та контролю атмосфери. По-друге, хоча кераміка на основі-берилію (така як BeO) має чудову теплопровідність, вона становить ризик токсичності та поступово замінюється AlN. По-третє, з мініатюризацією пристроїв висуваються більш високі вимоги до ширини ліній/відстаней і можливостей багатошарового з’єднання прецизійної металізованої кераміки.

У майбутньому розробка металізованих керамічних корпусів для силових напівпровідників буде зосереджена на трьох основних напрямках: по-перше, розробка низько-температурної-кераміки (LTCC) і процесів інтеграції металізації для зменшення споживання енергії; по-друге, сприяння застосуванню -безкисневої міді, срібла та інших високопровідних металів у DPC/AMB для покращення електричних характеристик; і по-третє, розширення сумісності в напівпровідникових-модулях третього покоління (SiC, GaN) для задоволення вимог до вищих робочих температур і напруги.

Будучи ключовою технологією для з’єднань кераміки-з-металом, високо-металізовані керамічні компоненти переміщуються з «матеріалів--за кулісами» на передній план розвитку галузі. Його незамінна роль у забезпеченні надійної роботи електронних систем в екстремальних умовах і надалі сприятиме спільним інноваціям у матеріалознавстві та виробничих процесах.