Analýza technologických ciest metalizácie pre keramické substráty z nitridu hliníka: od keramických substrátov po vysoko-spoľahlivé aplikácie elektronického balenia

V -oblastiach aplikácií s vysokým výkonom-, ako sú nové energetické vozidlá, výkonové polovodiče, systémy na ukladanie energie a výkonová elektronika-sú výkon rozptylu tepla a štrukturálna spoľahlivosť kritickými faktormi pre dlhodobú-stabilnú prevádzku elektronických zariadení. Vďaka svojej vysokej tepelnej vodivosti, nízkym dielektrickým stratám, vynikajúcim izolačným vlastnostiam a dobrej tepelnej stabilite sa keramika z nitridu hliníka (AlN) čoraz viac stáva kľúčovým podkladovým materiálom pre vysokovýkonné elektronické obaly.

 

Keďže je však nitrid hliníka vo svojej podstate izolačným materiálom, nemôže priamo uľahčiť elektrické spojenia alebo vedenie signálu. Pred použitím vo výkonových moduloch, polovodičových obaloch alebo vysokonapäťových elektrických súčiastkach sa preto musí použiť technológia povrchovej metalizácie, ktorá dodá keramickému substrátu elektrickú vodivosť a zabezpečí spoľahlivé spojenie medzi keramikou a kovom.

 

Hlavná výzva v keramickej metalizácii spočíva v základných rozdieloch medzi materiálmi: nitrid hliníka je zlúčenina charakterizovaná silnými kovalentnými väzbami, zatiaľ čo kovy sa zvyčajne vyznačujú kovovými väzbami. Tento rozdiel vedie k problémom, ako je slabá zmáčavosť a nesúlad v koeficientoch tepelnej rozťažnosti (CTE). Vo vysokoteplotných prevádzkových prostrediach môže nedostatočná pevnosť spojenia medzi kovovou vrstvou a keramikou viesť k poruchám, ako je delaminácia na rozhraní alebo praskanie spôsobené tepelným namáhaním. Preto je vývoj vysoko spoľahlivých procesov pokovovania keramiky rozhodujúci pre pokrok v priemyselnej aplikácii keramických substrátov.

 

V súčasnosti sa pre keramické substráty z nitridu hliníka používajú rôzne techniky pokovovania vrátane mechanického spojenia, technológie hrubých{0}}vrstvičiek, aktívneho spájkovania kovov (AMB), spoločného-vypaľovania, tenkých{2}}vrstvových procesov, priamej spájanej medi (DBC) a priamej pokovovanej medi (DPC).

 

 

 

Mechanické spojenie je jednou z prvých metód používaných na spájanie keramiky a kovov. Spolieha sa na konštrukčný návrh a mechanické namáhanie-ako je zmršťovacia{2}}montáž alebo skrutkovanie- na upevnenie keramického substrátu ku kovovému komponentu.

 

Táto metóda zahŕňa relatívne jednoduchý proces, vyžaduje minimálne vybavenie a ponúka značnú výrobnú flexibilitu. Pretože však spojenie na rozhraní závisí predovšetkým od vonkajšej mechanickej sily, môže počas-dlhodobého tepelného cyklovania alebo vysokoteplotných vibrácií-nastať značné mechanické napätie; preto nie je vhodný pre aplikácie vyžadujúce vysokú spoľahlivosť alebo prevádzku pri vysokých-teplotách.

 

Technológia spájania na druhej strane zahŕňa zavedenie organického adhezívneho materiálu medzi keramiku a kov, aby sa vytvorila spojená štruktúra prostredníctvom procesu vytvrdzovania. Tento prístup umožňuje spájanie rôznych materiálových systémov-napríklad kombináciou keramickej izolačnej štruktúry s vodivým kovovým komponentom, čím sa vytvorí integrovaná zostava.

 

Vzhľadom na obmedzenú tepelnú odolnosť organických spojovacích materiálov je však ich spoľahlivosť obmedzená v náročných prostrediach, ako sú napríklad vysokovýkonné elektronické zariadenia a systémy HVDC (vysoko{1}}napäťový jednosmerný prúd). V dôsledku toho sa v súčasnosti primárne používajú na štrukturálnu fixáciu v prostredí s nízkou-teplotou a nízkym-záťažom.

 

 

Thick Film Technology je dobre{0}}zavedený proces metalizácie keramického povrchu. Táto technika zvyčajne využíva sieťotlač na nanášanie vodivej pasty -obsahujúcej kovový prášok- na povrch keramiky z nitridu hliníka (AlN). Následné sušenie a vysokoteplotné spekanie zaisťujú pevné priľnutie kovovej vrstvy ku keramickému substrátu.

 

Vodivé pasty vo všeobecnosti pozostávajú z kovového prášku, skleneného spojiva a organického vehikula; kovový prášok určuje konečnú elektrickú vodivosť a mechanickú pevnosť. Medzi bežne používané kovy patrí striebro, meď a nikel.

 

Tento proces ponúka výhody, ako je vysoká efektívnosť výroby, nízke náklady a technická vyspelosť, vďaka čomu je vhodný na hromadnú výrobu elektronických keramických substrátov. Okrem toho optimalizácia zloženia pasty umožňuje vynikajúci elektrický výkon a spoľahlivosť tepelných cyklov.

 

Vzhľadom na limity rozlíšenia sieťotlače sú však rozmery obvodov vytvorených procesom tvorby hrubého- filmu pomerne veľké, čo sťažuje splnenie požiadaviek na obvody s vysokou-hustotou a jemným{2}}rozstupom. Preto sa používa hlavne v obaloch výkonovej elektroniky, kde sú požiadavky na presnosť obvodov menej prísne.

 

 

 

Active Metal Brazing (AMB) je kľúčová technológia na dosiahnutie vysoko spoľahlivých keramických{0}}spojení{1}}kov. Tento proces zahŕňa pridávanie aktívnych prvkov-ako titán (Ti), zirkónium (Zr), hliník (Al) alebo niób (Nb)-do tradičných prídavných kovov na tvrdé spájkovanie. Tieto prvky chemicky reagujú s keramickým povrchom nitridu hliníka a vytvárajú stabilnú reakčnú prechodovú vrstvu.

 

Táto prechodová vrstva zlepšuje zmáčavosť medzi kovom a keramikou, čo umožňuje roztavenej spájkovacej zliatine vytvoriť metalurgickú väzbu s keramikou, čím sa zvyšuje pevnosť spoja.

 

Technológia AMB je obzvlášť vhodná-pre aplikácie s vysokou-teplotou a vysokým-výkonom, ako je výroba výkonových polovodičových modulov, vysokonapäťových{3}}elektrických zariadení a metalizovaných keramických krytov pre výkonové polovodiče. Pretože reaktívne prvky ľahko reagujú s kyslíkom pri vysokých teplotách, tento proces zvyčajne vyžaduje vákuum alebo ochrannú atmosféru; následne kladie vysoké nároky na vybavenie a výrobné prostredie, čo má za následok relatívne vysoké výrobné náklady.

 

 

Technológia spoločného vypaľovania zahŕňa tlačenie pást -kovov s vysokým bodom topenia{2}}-, ako je volfrám alebo molybdén,-na povrch keramických zelených plechov z nitridu hliníka, po čom nasleduje-spekanie s keramickým materiálom, čím sa vytvorí integrovaná štruktúra pozostávajúca z vodivej vrstvy a keramického substrátu.

 

Na základe teploty spekania sa technológia spoločného{0}}vypaľovania delí predovšetkým na keramiku vypálenú pri nízkej-ko{2}}teme (LTCC) a -spolu vypálenú- keramiku (HTCC).

 

HTCC sa zvyčajne speká pri teplotách presahujúcich 1600 stupňov. Ponúka vynikajúcu mechanickú pevnosť, tepelnú odolnosť a hermetickosť, vďaka čomu je obzvlášť vhodný pre vysokovýkonné elektronické zariadenia, elektronické systémy v leteckom a kozmickom priestore a vysoko-spoľahlivé obalové aplikácie.

 

Primárnou výhodou{0}}technológie spoločného spaľovania je jej schopnosť realizovať viacvrstvové obvody, výsledkom čoho sú kompaktnejšie obvodové štruktúry; okrem toho, pretože vodiče a keramika sú vytvorené súčasne, je zvýšená celková štrukturálna stabilita.

 

Vo vysoko{0}}aplikáciách s jednosmerným napätím (HVDC)-, ako sú kritické izolačné konštrukcie, ako sú keramické kryty pre HVDC stykače,-spoločne{3}}vypaľované keramické materiály spĺňajú požiadavky na spoľahlivú prevádzku v podmienkach trvalo vysokých teplôt a napäťových rázov.

 

 

Technológia metalizácie tenkých vrstiev využíva predovšetkým fyzikálne nanášanie pár (PVD) na nanesenie tenkej kovovej vrstvy na povrch keramického substrátu, po ktorom nasledujú procesy výroby polovodičov,-ako je fotolitografia a leptanie,-na vytvorenie presných obvodov.

 

V porovnaní s procesmi s hrubými{0}}vrstvami je technológia tenkého{1}} filmu subtraktívnou výrobnou metódou, ktorá umožňuje dosiahnuť jemnejšie šírky čiar a vyššiu hustotu obvodov, vďaka čomu je široko používaná vo vysoko-vysokofrekvenčných a-precíznych elektronických zariadeniach.

 

Táto metóda umožňuje výrobu presných keramických komponentov z metalizovaného oxidu hlinitého, ktoré ponúkajú výrazné výhody v mikroelektronických obaloch, RF zariadeniach a vysokovýkonných -napájacích moduloch.

 

Vzhľadom na minimálnu hrúbku kovovej vrstvy je však súčasná -nosnosť pri vysokoprúdových aplikáciách obmedzená. Okrem toho môže rozdiel v koeficiente tepelnej rozťažnosti (CTE) medzi keramikou a kovom generovať napätie počas tepelných cyklov; preto sa na zvýšenie spoľahlivosti spájania často používajú viacvrstvové kovové štruktúry.

 

 

Direct Bonded Copper (DBC) je široko používaná keramická-technológia spájania medi. Jeho základný princíp zahŕňa zavedenie kyslíka na rozhranie medzi vrstvou medi a keramikou; vysokoteplotné spracovanie vytvára medenú-kyslíkovú eutektickú kvapalnú fázu, ktorá umožňuje priame spojenie medzi medeným materiálom a keramickým povrchom.

 

Technológia DBC sa vyznačuje hrubými medenými vrstvami, vysokou prúdovou-kapacitou a vynikajúcim výkonom odvádzania tepla. V dôsledku toho sa široko používa v-elektronických zariadeniach s vysokým výkonom, ako sú meniče pre nové energetické vozidlá, výkonové moduly a konvertory na ukladanie energie.

 

Kvôli obtiažnosti spájania medi s keramikou z nitridu hliníka (AlN) si keramický povrch zvyčajne vyžaduje predbežnú oxidačnú úpravu na vytvorenie stabilnej prechodovej vrstvy na rozhraní, čím sa zvyšuje spoľahlivosť spojenia.

 

 

Direct Plated Copper (DPC) je nová technológia keramickej metalizácie, ktorá zahŕňa procesy výroby polovodičov.

 

Táto metóda začína vytvorením vrstvy medených zárodkov na keramickom povrchu pomocou techník fyzikálneho nanášania pár (PVD), ako je magnetrónové naprašovanie alebo vákuové naparovanie. Následne sa procesy vrátane expozície, vývoja a galvanického pokovovania používajú na zvýšenie hrúbky medenej vrstvy a dosiahnutie vysokej{1}}precíznej výroby obvodov.

 

Technológia DPC sa vyznačuje nízkymi výrobnými teplotami, vysokou presnosťou obvodov a flexibilným konštrukčným dizajnom. Je vhodný pre aplikácie, ako sú elektronické prepojovacie štruktúry s vysokou{1}}hustotou a metalizovaná keramika pre elektrické komponenty.

 

V porovnaní s tradičnými-technikami spekania pri vysokej teplote minimalizuje DPC vplyv tepelného spracovania na vlastnosti materiálu; proces galvanického pokovovania však vyžaduje prísne požiadavky na ochranu životného prostredia a hrúbka medenej vrstvy je obmedzená schopnosťami procesu.

 

 

S rýchlym vývojom nových energetických vozidiel, inteligentných sietí, systémov na skladovanie energie a polovodičového priemyslu tretej{0}}generácie neustále rastie dopyt po elektronických obalových materiáloch, ktoré ponúkajú vysoký odvod tepla a vysokú spoľahlivosť.

 

V budúcnosti sa technológia pokovovania nitridom hliníka bude vyvíjať smerom k väčšej spoľahlivosti, vyššej presnosti a multifunkčnej integrácii. Optimalizáciou štruktúr rozhrania, zlepšením dizajnu kovových prechodových vrstiev a zlepšením kontroly výrobného procesu možno ďalej zlepšiť pevnosť spojenia medzi keramikou a kovom.

 

Pokročilé keramické metalizované štruktúry-ako je presná metalizovaná keramika, vysokopevnostné metalizované keramické komponenty a -precízne vylepšené keramické metalizované časti z oxidu hlinitého- čoraz častejšie slúžia ako kritické základné komponenty vo výkonových polovodičoch, vysokonapäťových relé, pre nové energetické systémy a elektronické systémy.

 

Technológia keramickej metalizácie, ktorá sa vyvíja od tradičných techník hrubého-filmu a spoločného{1}}vypaľovania k pokročilým procesom, ako sú AMB, DBC a DPC, neustále posúva hranice materiálov a poskytuje spoľahlivejšie a efektívnejšie riešenia tepelného manažmentu a elektrického prepojenia pre vysokovýkonné elektronické zariadenia.