O analiză a căilor tehnologiei de metalizare pentru substraturile ceramice cu nitrură de aluminiu: de la substraturi ceramice la aplicații de ambalare electronică de înaltă{0}}fiabilitate

În -domeniile de aplicații de mare putere-cum ar fi vehiculele cu energie nouă, semiconductorii de putere, sistemele de stocare a energiei și electronicele de putere-performanța disipării căldurii și fiabilitatea structurală sunt factori critici pentru funcționarea stabilă și pe termen lung a dispozitivelor electronice. Datorită conductivității termice ridicate, pierderilor dielectrice scăzute, proprietăților excelente de izolare și stabilității termice bune, ceramica cu nitrură de aluminiu (AlN) a devenit din ce în ce mai mult un material substrat cheie pentru ambalajele electronice de-înaltă putere.

 

Cu toate acestea, deoarece nitrura de aluminiu este în mod inerent un material izolator, nu poate facilita direct conexiunile electrice sau conducerea semnalului. În consecință, înainte de a putea fi utilizat în modulele de putere, ambalajele semiconductoarelor sau componentele electrice de-înaltă tensiune, tehnologia de metalizare a suprafeței trebuie utilizată pentru a conferi conductivitate electrică substratului ceramic și pentru a asigura o legătură fiabilă între ceramică și metal.

 

Provocarea de bază în metalizarea ceramicii constă în diferențele fundamentale dintre materiale: nitrura de aluminiu este un compus caracterizat prin legături covalente puternice, în timp ce metalele prezintă de obicei legături metalice. Această diferență duce la probleme precum umecbilitatea slabă și o nepotrivire a coeficienților de dilatare termică (CTE). În mediile de operare cu temperatură înaltă-, rezistența insuficientă a legăturii între stratul de metal și ceramică poate duce la defecțiuni, cum ar fi delaminarea interfeței sau fisurarea cauzate de stresul termic. Prin urmare, dezvoltarea unor procese de metalizare ceramică extrem de fiabile este crucială pentru avansarea în aplicarea industrială a substraturilor ceramice.

 

În prezent, sunt utilizate diferite tehnici de metalizare pentru substraturile ceramice cu nitrură de aluminiu, inclusiv conexiune mecanică, tehnologie cu peliculă gros-, brazare metalică activă (AMB), co-ardere, procese cu peliculă subțire-, cupru lipit direct (DBC) și cupru placat direct (DPC).

 

 

 

Conexiunea mecanică este una dintre cele mai timpurii metode utilizate pentru a îmbina ceramica și metalele. Se bazează pe designul structural și pe solicitările mecanice-cum ar fi montarea prin contracție-sau șuruburi-pentru a fixa substratul ceramic pe componenta metalică.

 

Această metodă implică un proces relativ simplu, necesită echipamente minime și oferă o flexibilitate considerabilă de fabricație. Cu toate acestea, deoarece conexiunea la interfață se bazează în primul rând pe forța mecanică externă, se poate dezvolta un stres mecanic semnificativ în timpul-ciclului termic pe termen lung sau al vibrațiilor la temperatură ridicată-; în consecință, este nepotrivit pentru aplicații care necesită o fiabilitate ridicată sau funcționare la temperatură înaltă-.

 

Tehnologia de lipire, pe de altă parte, implică introducerea unui material adeziv organic între ceramică și metal pentru a forma o structură lipită printr-un proces de întărire. Această abordare permite îmbinarea unor sisteme de materiale diferite-de exemplu, combinând o structură izolatoare ceramică cu o componentă metalică conductoare pentru a crea un ansamblu integrat.

 

Cu toate acestea, din cauza rezistenței limitate la temperatură a materialelor de lipire organică, fiabilitatea acestora este restrânsă în medii solicitante, cum ar fi dispozitivele electronice de-putere mare și sistemele HVDC (curent continuu de înaltă-tensiune). În consecință, în prezent sunt utilizate în principal pentru fixarea structurală în medii cu temperatură scăzută,-scăzut de stres.

 

 

Tehnologia Thick Film este un proces bine-consacrat pentru metalizarea suprafețelor ceramice. Această tehnică utilizează de obicei serigrafie pentru a aplica o pastă conductoare-conținând pulbere metalică-pe suprafața ceramicii cu nitrură de aluminiu (AlN). Etapele ulterioare de uscare și-sinterizarea la temperatură înaltă asigură că stratul de metal se leagă ferm de substratul ceramic.

 

Pastele conductoare constau în general din pulbere metalică, un liant de sticlă și un vehicul organic; pulberea metalică determină conductivitatea electrică finală și rezistența mecanică. Metalele utilizate în mod obișnuit includ argintul, cuprul și nichelul.

 

Acest proces oferă avantaje precum eficiența ridicată a producției, costul scăzut și maturitatea tehnică, făcându-l potrivit pentru producția în masă a substraturilor ceramice electronice. În plus, optimizarea formulării pastei permite o performanță electrică excelentă și o fiabilitate a ciclului termic.

 

Cu toate acestea, din cauza limitelor de rezoluție ale serigrafiei, dimensiunile circuitelor produse de procesul de film-gros sunt relativ mari, ceea ce face dificilă îndeplinirea cerințelor pentru circuitele de-densitate mare, cu pas-finți. Prin urmare, se aplică în principal în ambalajele electronice de putere, unde cerințele de precizie a circuitelor sunt mai puțin stricte.

 

 

 

Active Metal Brazing (AMB) este o tehnologie cheie pentru realizarea unor conexiuni ceramice-la-de mare încredere. Acest proces implică adăugarea de elemente active-cum ar fi titan (Ti), zirconiu (Zr), aluminiu (Al) sau niobiu (Nb)-la metalele de umplutură tradiționale pentru lipire. Aceste elemente reacţionează chimic cu suprafaţa ceramică cu nitrură de aluminiu pentru a forma un strat de tranziţie de reacţie stabil.

 

Acest strat de tranziție îmbunătățește umectarea dintre metal și ceramică, permițând aliajului de lipire topit să formeze o legătură metalurgică cu ceramica, sporind astfel rezistența îmbinării.

 

Tehnologia AMB este deosebit de potrivită-pentru aplicații cu temperatură ridicată,-putere ridicată, cum ar fi producția de module semiconductoare de putere, echipamente electrice de-înaltă tensiune și carcase ceramice metalizate pentru semiconductori de putere. Deoarece elementele reactive reacţionează cu uşurinţă cu oxigenul la temperaturi ridicate, acest proces necesită de obicei un vid sau o atmosferă de protecţie; în consecință, impune cerințe mari asupra echipamentelor și mediului de producție, rezultând costuri de producție relativ mari.

 

 

Tehnologia de co{0}}ardere implică imprimarea pastelor de--metale cu punct de topire-înalt-cum ar fi wolfram sau molibden-pe suprafața foilor de ceramică cu nitrură de aluminiu, urmată de co-sinterizarea cu materialul ceramic pentru a crea o structură integrată care cuprinde stratul ceramic și stratul conductor.

 

Pe baza temperaturii de sinterizare, tehnologia de co-ardere este clasificată în principal în ceramică cu ardere cu-temperatură joasă -(LTCC) și ceramică cu-temperatura înaltă (HTCC).

 

HTCC este de obicei sinterizat la temperaturi care depășesc 1600 de grade. Oferă o rezistență mecanică, rezistență la căldură și ermeticitate excelente, făcându-l deosebit de potrivit pentru dispozitive electronice de-putere mare, sisteme electronice aerospațiale și aplicații de ambalare de înaltă-fiabilitate.

 

Avantajul principal al tehnologiei co-de ardere este capacitatea sa de a realiza proiecte de circuite multistrat, rezultând structuri de circuit mai compacte; în plus, deoarece conductoarele și ceramica sunt formate simultan, stabilitatea structurală generală este îmbunătățită.

 

În aplicațiile de-tensiune înaltă DC (HVDC)-cum ar fi structurile critice de izolație, cum ar fi carcasele ceramice pentru contactoare HVDC-co-materialele ceramice îndeplinesc cerințele pentru funcționare fiabilă în condiții de temperaturi ridicate susținute și supratensiuni.

 

 

Tehnologia de-metalizare a filmului subțire utilizează în primul rând depunerea fizică în vapori (PVD) pentru a depune un strat subțire de metal pe suprafața substratului ceramic, urmată de procese de fabricare a semiconductoarelor-cum ar fi fotolitografia și gravarea-pentru a forma circuite de precizie.

 

În comparație cu procesele cu peliculă groasă-, tehnologia filmului subțire- este o metodă de fabricație subtractivă capabilă să obțină lățimi de linii mai fine și densități mai mari ale circuitelor, ceea ce o face pe scară largă în dispozitive electronice de-frecvență înaltă și de înaltă{3}}precizie.

 

Această metodă permite producerea de componente ceramice cu alumină metalizată de precizie, oferind avantaje distincte în ambalajele microelectronice, dispozitive RF și module de putere-înalte performanțe.

 

Cu toate acestea, din cauza grosimii minime a stratului de metal, capacitatea de transport de curent-este limitată în aplicațiile cu curent ridicat-. În plus, diferența de coeficient de dilatare termică (CTE) dintre ceramică și metal poate genera stres în timpul ciclării termice; prin urmare, structurile metalice multistrat sunt adesea folosite pentru a spori fiabilitatea lipirii.

 

 

Direct Bonded Copper (DBC) este o tehnologie de lipire a cuprului ceramic-folosită pe scară largă. Principiul său fundamental presupune introducerea de oxigen la interfața dintre stratul de cupru și ceramică; procesarea la temperatură înaltă-creează o fază lichidă eutectică de-oxigen de cupru, permițând legarea directă între materialul de cupru și suprafața ceramică.

 

Tehnologia DBC este caracterizată prin straturi groase de cupru, capacitate mare de transport de curent-și performanțe excelente de disipare a căldurii. În consecință, este utilizat pe scară largă în echipamente electronice de-putere mare, cum ar fi invertoarele pentru vehicule cu energie nouă, module de putere și convertoare de stocare a energiei.

 

Datorită dificultății de lipire a cuprului de ceramica cu nitrură de aluminiu (AlN), suprafața ceramică necesită de obicei un tratament de pre{0}}oxidare pentru a forma un strat de tranziție stabil la interfață, sporind astfel fiabilitatea conexiunii.

 

 

Cuprul placat direct (DPC) este o tehnologie nouă de metalizare ceramică care încorporează procese de fabricare a semiconductorilor.

 

Această metodă începe prin formarea unui strat de semințe de cupru pe suprafața ceramică folosind tehnici de depunere fizică în vapori (PVD), cum ar fi pulverizarea cu magnetron sau evaporarea în vid. Ulterior, procesele care includ expunerea, dezvoltarea și placarea galvanică sunt utilizate pentru a crește grosimea stratului de cupru și pentru a obține un circuit de-înaltă precizie.

 

Tehnologia DPC oferă temperaturi scăzute de fabricație, precizie ridicată a circuitului și design structural flexibil. Este potrivit pentru aplicații precum structurile de interconectare electronică de-înaltă densitate și ceramica metalizată pentru componente electrice.

 

În comparație cu tehnicile tradiționale de sinterizare la temperatură înaltă-, DPC minimizează impactul prelucrării termice asupra proprietăților materialului; cu toate acestea, procesul de galvanizare implică cerințe stricte de protecție a mediului, iar grosimea stratului de cupru este limitată de capacitățile procesului.

 

 

Odată cu dezvoltarea rapidă a noilor vehicule energetice, a rețelelor inteligente, a sistemelor de stocare a energiei și a industriei de semiconductori de a treia-generație, cererea de materiale de ambalare electronice care oferă disipare ridicată a căldurii și fiabilitate ridicată continuă să crească.

 

În viitor, tehnologia de metalizare ceramică cu nitrură de aluminiu va evolua către o mai mare fiabilitate, o precizie mai mare și o integrare multifuncțională. Prin optimizarea structurilor de interfață, îmbunătățirea designului straturilor de tranziție metalice și îmbunătățirea controlului procesului de fabricație, rezistența de legătură dintre ceramică și metal poate fi îmbunătățită în continuare.

 

Structurile avansate de metalizare ceramică-cum ar fi ceramica metalizată de precizie, componentele ceramice metalizate de-înaltă rezistență și piese de metalizare ceramică avansată de-puritate înaltă alumină de precizie-să servesc din ce în ce mai mult ca componente fundamentale critice în semiconductori de putere, relee de-înaltă tensiune, sisteme de stocare a energiei și sisteme electronice pentru vehicule noi.

 

Evoluând de la tehnici tradiționale de-film gros și co-ardere la rute avansate de proces precum AMB, DBC și DPC, tehnologia de metalizare a ceramicii depășește continuu granițele materialelor, oferind soluții de management termic și de interconectare electrică mai fiabile și mai eficiente pentru dispozitive electronice de mare-putere.