Prehľad hlavných procesov metalizácie a aplikácií keramických substrátov chladiča

Ako elektronická technológia napreduje smerom k vyššej hustote výkonu, vyššej frekvencii a miniaturizácii, tepelný manažment sa stal kľúčovým faktorom obmedzujúcim výkon a spoľahlivosť systému. Keramické substráty so svojou vynikajúcou tepelnou vodivosťou, elektrickou izoláciou, vysokou-teplotnou odolnosťou a charakteristikami prispôsobenia sa tepelnej rozťažnosti sa stali kľúčovými nosičmi výkonových polovodičov a špičkových-elektronických obalov. Najmä s podporou kľúčových procesov, ako je metalizácia hliníka, sa keramické materiály môžu transformovať z izolačných médií na vysoko spoľahlivé elektrické prepojovacie štruktúry, ktoré zohrávajú zásadnú úlohu v moderných elektronických systémoch.

 

Po spekaní musia keramické substráty prejsť metalizáciou, aby sa vytvorila vodivá vrstva, ktorá umožní elektrické spojenie medzi čipom a vonkajšími obvodmi. Súčasné hlavné technológie možno rozdeliť do dvoch hlavných kategórií: plošná metalizácia a trojrozmerná ko{2}}metalizácia. Medzi nimi proces metalizácie hliníkovej keramiky vytvoril vyspelý aplikačný základ v oblasti výkonovej elektroniky, komunikačných zariadení a nových energetických vozidiel.

 

 

 

Rovinné keramické substráty zvyčajne vytvárajú vodivé vrstvy na dvojrozmerných povrchoch pomocou metód, ako je naprašovanie, odparovanie, galvanické pokovovanie alebo chemické pokovovanie. Tento proces je vyspelý, nákladovo-efektívny a vhodný na hromadnú výrobu, vďaka čomu je hlavným riešením v oblasti metalizovanej keramiky pre elektrické aplikácie.

 

1. Proces DPC (Directly Plated Ceramic).

Technológia DPC, založená na mikrovýrobe polovodičov, dosahuje vysoko presnú{0}}výrobu obvodov prostredníctvom naprašovania zárodočných vrstiev, prenosu fotolitografických vzorov a zahusťovania galvanickým pokovovaním. Táto technológia môže dosiahnuť jemné čiary na úrovni 20–30 μm, čo ponúka extrémne vysoké rozlíšenie vzoru a presnosť zarovnania. Súčasne využíva nízkoteplotné-procesy, čím účinne zabraňuje vplyvu tepelného namáhania na štruktúru materiálu.

 

DPC je obzvlášť vhodný pre vysoko{0}}integračné obalové aplikácie, ako sú LED obaly, mikroelektronické zariadenia a prepojovacie moduly s vysokou-hustotou, a je jednou z kľúčových technologických ciest k dosiahnutiu presnej metalizovanej keramiky. Hrúbka jeho kovovej vrstvy je však obmedzená, kontrola rovnomernosti galvanického pokovovania je náročná a na stabilitu procesu sa kladú vysoké požiadavky.

 

2. Proces DBC (Direct Copper Ceramic).

Proces DBC dosahuje metalurgickú väzbu medzi meďou a keramikou prostredníctvom eutektickej reakcie pri vysokých teplotách, výsledkom čoho je extrémne vysoká pevnosť spoja a vynikajúca tepelná vodivosť. Jeho hrúbka medenej vrstvy sa pohybuje v širokom rozsahu (120–700 μm), čím spĺňa požiadavky na prenos vysokého prúdu a robí z neho jedno z najvyspelejších riešení pre balenie energetických zariadení.

 

Táto technológia je široko používaná v IGBT moduloch, napájacích zariadeniach a iných oblastiach, čo predstavuje typickú aplikáciu metalizovanej keramiky z oxidu hlinitého pre elektrické komponenty. Jeho presnosť šírky čiary je však relatívne nízka a spoľahlivosť môže byť ovplyvnená medzifázovými mikropórmi v podmienkach tepelného cyklovania, čo obmedzuje jeho použitie vo vysoko{1}}precíznom balení.

 

3. Proces AMB (Active Metal Bonding).

Technológia AMB zavádza spájku obsahujúcu aktívne prvky, ako je Ti, na dosiahnutie silnej medzifázovej väzby medzi keramikou a kovom pri stredných až vysokých teplotách, čím sa účinne zmierňujú problémy s napätím spôsobené nesúladom tepelnej rozťažnosti. V porovnaní s tradičným DBC vykazuje vynikajúcu spoľahlivosť v podmienkach cyklovania pri vysokých-teplotách.

 

Tento proces je vhodný pre vysokovýkonné a prevádzkové prostredia s vysokou{0}}teplotou, ako sú napájacie moduly pre nové energetické vozidlá a obaly polovodičových zariadení tretej-generácie, a je dôležitým smerom pre vývoj vysokopevnostných metalizovaných keramických komponentov. Má však vysoké požiadavky na procesné prostredie (vákuum alebo ochranná atmosféra) a materiálový systém, z čoho vyplývajú relatívne vysoké náklady.

 

 

 

Ako sa obalové štruktúry vyvíjajú smerom k trojrozmernej integrácii, trojrozmerné keramické substráty so štruktúrou dutín a viac{2}}vrstvovým prepojením sa postupne stávajú dôležitými nosičmi pre špičkové-balenia. Tento typ technológie využíva spolu{5}}vypaľovanú keramiku ako jadro, čo umožňuje-zapojenie s vysokou hustotou a hermeticky uzavretý obal a je široko používaný vo vysoko-spoľahlivých elektronických systémoch.

 

1. HTCC (vysoko-teplotne vypálená-keramika)

HTCC používa kovové pasty s vysokým -bodom topenia- (ako je volfrám a molybdén) a keramické materiály spolu-vypaľované pri teplotách nad 1500 stupňov na vytvorenie integrálnej štruktúry. Má vynikajúcu mechanickú pevnosť a vysokú{5}}teplotnú odolnosť, vďaka čomu je vhodný na elektronické obaly v extrémnych prostrediach.

 

Táto technológia sa široko používa vo vojenskom, leteckom a kozmickom priemysle a v moduloch s vysokým{0}}výkonom a je typickým riešením z metalizovaného keramického krytu pre výkonové polovodiče. Jeho výrobné náklady sú však vysoké a jeho vodivosť je relatívne obmedzená, takže nie je vhodný pre vysokofrekvenčné presné obvody.

 

2. LTCC (nízko{1}}koherentne vypálená{2}}keramika)

LTCC používa nízkoteplotný{0}}systém spekania materiálu (<950℃), allowing it to be co-fired with highly conductive metals such as gold, silver, and copper. It possesses excellent electrical properties and high design flexibility. Its linewidth can be as low as 50μm, making it suitable for high-frequency, high-speed, and miniaturized packaging requirements.

 

V 5G komunikácii, radarových systémoch a vysokofrekvenčných moduloch{1}} sa LTCC stalo jedným z hlavných riešení, ktoré sa široko používa v hliníkovej metalizovanej keramike pre elektronické aplikácie. Jeho nevýhodou je, že jeho mechanická pevnosť a tepelná vodivosť sú o niečo nižšie ako u systémov HTCC.

 

 

Z hľadiska aplikácie má každý z rôznych procesov pokovovania svoje výhody:

 

DPC: Vysoká presnosť, miniaturizované balenie → Mikroelektronika, LED

DBC: Vysoká tepelná vodivosť, vysoký prúd → Výkonové moduly, IGBT

AMB: Vysoká spoľahlivosť,-cyklovanie pri vysokej teplote → Nové energetické vozidlá, zariadenia SiC/GaN

HTCC: Vysoká pevnosť, odolnosť voči vysokej teplote → Vojenské a extrémne prostredie

LTCC: Vysoká frekvencia, vysoká integrácia → Komunikácia a{0}}vysokorýchlostná elektronika

 

V praktickom inžinierstve je potrebné vykonať komplexný výberový proces s ohľadom na požiadavky na tepelnú vodivosť, menovitý prúd, hustotu balenia a náklady, aby sa dosiahlo optimálne prispôsobenie výkonu. Tieto technológie spoločne tvoria základný technologický systém metalizovanej keramiky pre elektrické komponenty.

 

 

 

Budúci vývoj technológie pokovovania keramiky sa zameria na tieto smery:

 

Vyššia tepelná vodivosť (pre SiC/GaN zariadenia)

Vyššia presnosť zapojenia (mikro{0}}úroveň alebo dokonca nanometrová{1}}úroveň)

Viac{0}}kompozitné materiály (špičková-keramika, ako sú AlN a Si₃N₄)

Trojrozmerná integrácia a systém-v-balení (SiP)

 

Súčasne sa presné obrábanie a možnosti štrukturálnej optimalizácie súvisiace s hliníkovou metalizovanou keramikou stanú kľúčovou konkurenčnou výhodou pri zvyšovaní pridanej hodnoty produktu.

 

 

Ako profesionálny výrobca sa špecializujeme na presné obrábanie keramických dielov z oxidu hlinitého a vysoko-spoľahlivé riešenia pokovovania, pričom sme odhodlaní poskytovať zákazníkom integrovanú podporu od výberu materiálu a konštrukčného návrhu až po implementáciu pokovovania. Naše produkty zahŕňajú metalizované keramické izolačné rúrky,Metalizujúce keramické diely, vysoko{0}}presné konštrukčné komponenty a prispôsobené obalové substráty, ktoré sa široko používajú v oblasti novej energetiky, výkonovej elektroniky a špičkových{1}}zariadení.

 

Využitím nášho vyspelého procesného systému a stabilných výrobných kapacít môžeme poskytnúť hliníkovú metalizovanú keramiku na lepenie a rôzne typy funkčných keramických komponentov, ktoré spĺňajú prísne požiadavky na aplikácie a pomáhajú zákazníkom dosiahnuť vyšší výkon a vyššiu spoľahlivosť riešení systémovej integrácie.