Rastúci dopyt po-výkonných elektronických obaloch poháňa neustále inovácie keramických substrátov a technológií pokovovania.

Vďaka rýchlemu rozvoju sektorov, ako sú nové energetické vozidlá, inteligentné siete, priemyselné napájacie zdroje, servery AI a letectvo, sa výkonové polovodičové zariadenia vyvíjajú smerom k vyšším napätiam, vyšším prúdom, vyšším hustotám výkonu a miniaturizácii. Veľké množstvo tepla vznikajúceho počas prevádzky zariadenia kladie vysoké požiadavky na schopnosť odvádzať teplo, štrukturálnu spoľahlivosť a dlhodobú-stabilitu obalových materiálov.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Keramické substráty pre elektronické obaly sa ako kritické základné materiály spájajúce čipy, obvody a systémy tepelného manažmentu ukázali ako kľúčové riešenie v oblasti vysokovýkonných{0}}balení elektronických zariadení vďaka svojej vysokej tepelnej vodivosti, vynikajúcim izolačným vlastnostiam a robustnej mechanickej stabilite.

 

Zatiaľ čo tradičné FR-4 epoxidové-substráty zo sklenených vlákien a kovové-substráty ponúkajú cenové výhody, ich obmedzená tepelná vodivosť a relatívne vysoké koeficienty tepelnej rozťažnosti (CTE) ich robia nevhodnými pre aplikácie s vysokým-teplotom a vysokým výkonom. Naproti tomu keramické materiály majú CTE blízko k CTE polovodičových materiálov a udržujú si stabilný výkon v zložitých prostrediach; následne sa široko používajú v napájacích moduloch, LED, IGBT, SiC zariadeniach a elektrických pohonných systémoch pre nové energetické vozidlá.

 

V súčasnosti medzi hlavné materiály pre keramické substráty s vysokou -tepelnou{1}}vodivosťou patrí oxid hlinitý (Al₂O₃), karbid kremíka (SiC), nitrid hliníka (AlN) a nitrid kremíka (Si₃N₄). Medzi nimi keramika z oxidu hlinitého-vyznačujúca sa vyspelými výrobnými procesmi a nízkymi nákladmi-vyniká ako jeden z najpoužívanejších základných materiálov v elektronických obaloch. Keramika z metalizovaného oxidu hlinitého, vyrobená pomocou pokročilých techník spracovania, ponúka vylepšenú vodivú konektivitu, čím spĺňa požiadavky na montáž elektronických súčiastok a prenos signálu obvodov.

 

Keďže výkon energetických zariadení neustále napreduje, spracovanie vysoko{0}}čistých materiálov z oxidu hlinitého sa posúva smerom k vyššej presnosti. Precízne metalizované keramické komponenty z-oxidu hlinitého-vyrobené presným tvarovaním, spekaním a povrchovou metalizáciou-umožňujú konštrukčné návrhy ponúkajúce vynikajúcu izoláciu a spoľahlivosť, vďaka čomu sú ideálne pre náročné elektronické komponenty a priemyselné aplikácie.

 

V oblasti vysoko{0}}výkonných modulov si keramika z nitridu hliníka (AlN) získala veľkú pozornosť vďaka svojej vysokej tepelnej vodivosti, nízkej dielektrickej konštante a vynikajúcim elektrickým vlastnostiam. Ich tepelná vodivosť je primárne ovplyvnená faktormi, ako sú chyby mriežky, obsah kyslíka a proces spekania.

 

Optimalizáciou zloženia materiálov a výrobných pracovných postupov možno minimalizovať vnútorné chyby a zvýšiť účinnosť tepelného manažmentu, vďaka čomu sú tieto materiály čoraz vhodnejšie pre aplikácie vysokovýkonných elektronických obalov. Keramika z karbidu kremíka (SiC) vykazuje významný potenciál v extrémnych prevádzkových prostrediach vďaka svojej vysokej pevnosti, vysokej tepelnej odolnosti a vynikajúcej tepelnej vodivosti. Ich komplexná štruktúra kryštálovej mriežky však kladie prísne požiadavky na čistotu materiálu, podmienky spekania a mikroštrukturálnu kontrolu. Budúce vylepšenia-konkrétne optimalizácia štruktúry zŕn a zníženie{5}}defektov súvisiacich s nečistotami-sľubujú ďalšie zlepšenie celkového výkonu keramických substrátov SiC.

 

V posledných rokoch sa keramika z nitridu kremíka (Si₃N₄) stala kľúčovou oblasťou vývoja pre vysoko-spoľahlivé výkonové moduly. V porovnaní s tradičnými keramickými materiálmi ponúkajú vynikajúcu mechanickú pevnosť a lomovú húževnatosť, čím účinne zmierňujú napätie spôsobené nesúladom tepelnej rozťažnosti počas tepelných cyklov. V dôsledku toho sa vysokopevnostné metalizované keramické komponenty čoraz častejšie využívajú v meničoch pre nové energetické vozidlá, vysokonapäťové napájacie moduly a vysoko{5}}spoľahlivé elektronické systémy.

 

Keramické materiály sú vo svojej podstate izolačné; preto, aby sa uľahčilo elektrické pripojenie a montáž komponentov, musí byť vrstva kovového obvodu vytvorená pomocou povrchovej úpravy-procesom známym ako keramická metalizácia. Vytvorením stabilnej, dobre{2}}pripojenej kovovej vrstvy na keramickom povrchu zaisťuje technológia metalizácie spoľahlivé spojenie medzi keramikou a kovom, čo z nej robí kritický proces pri výrobe elektronických obalov.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

V súčasnosti medzi vyspelé procesy pokovovania keramiky v tomto odvetví patria Direct Plated Copper (DPC), Direct Bonded Copper (DBC), Active Metal Brazing (AMB), Laser Activated Metallization (LAM) a Thick{0}}film Printed Copper (TPC).

 

Proces DPC využíva naprašovanie, galvanické pokovovanie a fotolitografiu na vytvorenie jemných kovových obvodov; vyznačuje sa vysokou presnosťou obvodov a vynikajúcim výkonom lepenia, vďaka čomu je vhodný pre elektronické obaly s vysokou-hustotou. Avšak kvôli vysokým investičným nákladom na vybavenie a obmedzeniam hrúbky medenej vrstvy sa jeho použitie primárne sústreďuje v oblasti presných elektronických zariadení.

 

Proces DBC dosahuje spojenie medzi medenou fóliou a keramikou prostredníctvom medenej-kyslíkovej eutektickej reakcie, ktorá ponúka výhody, ako je zrelosť procesu a vysoká nosnosť-. Hoci sa rozdiely v koeficientoch tepelnej rozťažnosti medzi meďou a keramikou bežne používajú v obaloch napájacích modulov, môže viesť k tepelnému namáhaniu počas-dlhodobého tepelného cyklovania, čo si vyžaduje ďalšie vylepšenia spoľahlivosti.

 

Proces AMB využíva aktívnu kovovú spájku na zlepšenie väzby medzi keramickou a medenou vrstvou, čo demonštruje vynikajúcu stabilitu v prostredí s vysokou{0}}teplotou a vysokým{1}}napájaním. S vývojom 800V vysokonapäťových platforiem pre nové energetické vozidlá sa keramické substráty AMB-Si₃N₄ čoraz viac stávajú preferovanou voľbou pre vysoko-výkonné napájacie moduly. Komponenty pre vysokonapäťové aplikácie-, ako sú keramické kryty pre HVDC stykače,{10}}kladú čoraz prísnejšie požiadavky na izolačné schopnosti, mechanickú pevnosť a tepelnú odolnosť keramických materiálov.

 

Okrem tradičných metód pokovovania získavajú pozornosť nové technológie pokovovania pomocou lasera-. Tento proces využíva lasery na úpravu keramického povrchu, čo umožňuje selektívne nanášanie kovu na vytvorenie obvodu; ponúka výhody, ako je vysoká presnosť spracovania a flexibilita dizajnu. Technológia pokovovania keramiky je pripravená rozšíriť rozsah svojich aplikácií v budúcej výrobe presných elektronických konštrukčných komponentov.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Vďaka rastu nových energetických vozidiel, systémov na skladovanie energie a inteligentných energetických zariadení sa aplikačné scenáre pre metalizované keramické výrobky neustále rozširujú. Napríklad metalizované keramické kryty pre výkonové polovodiče poskytujú stabilné prostredie balenia, čím sa zvyšuje tepelná a napäťová odolnosť zariadení. Podobne sa metalizované keramické izolačné rúrky široko používajú vo vysokonapäťových izolačných konštrukciách, ktoré slúžia na elektrickú izoláciu aj mechanickú podpornú funkciu.

 

Priemyselné trendy naznačujú, že keramické substráty pre elektronické obaly sa budú vyvíjať smerom k vyššej tepelnej vodivosti, sile a spoľahlivosti spolu s vyššou presnosťou. Na jednej strane bude výskum materiálov ďalej optimalizovať keramické systémy-ako je oxid hlinitý, nitrid hliníka a nitrid kremíka-, aby sa zlepšili možnosti tepelného manažmentu. Na druhej strane procesy pokovovania budú naďalej zvyšovať presnosť obvodov, pevnosť spoja a efektivitu výroby.

 

Vďaka rýchlej expanzii nových energetických vozidiel, priemyselných riadiacich systémov, napájacích zdrojov dátových centier a zariadení na ukladanie energie z obnoviteľných zdrojov sa precízna metalizovaná keramika stane dôležitou súčasťou pokrokových elektronických obalov. Optimalizácia technológií spájania keramiky-na{2}}kov na zabezpečenie vysoko spoľahlivých spojení pomôže splniť budúce požiadavky na bezpečnosť a stabilitu vo vysokovýkonných elektronických zariadeniach.

 

Pri pohľade do budúcnosti musí priemysel pokračovať v dosahovaní prelomov v kľúčových technológiách-vrátane prípravy keramiky s vysokou-tepelnou{2}}vodivosťou, nízko{3}}defektného spekania, vysoko-presného vzorovania obvodov a procesov pokovovania šetrných k životnému prostrediu-. Napredujúce produkty ako naprmetalizovaná aluminová keramika pre elektrické komponentysmerom k vyššiemu výkonu a širším aplikačným oblastiam poskytne spoľahlivé základné materiály potrebné pre výkonové elektronické systémy ďalšej{0}}generácie.