Анализ на пътищата на технологиите за метализация за керамични субстрати от алуминиев нитрид: от керамични субстрати до високо{0}}надеждни електронни опаковъчни приложения

В-приложни области с висока мощност-като нови енергийни превозни средства, силови полупроводници, системи за съхранение на енергия и силова електроника-производителността на разсейване на топлината и структурната надеждност са критични фактори за дългосрочната-стабилна работа на електронните устройства. Благодарение на своята висока топлопроводимост, ниски диелектрични загуби, отлични изолационни свойства и добра термична стабилност, керамиката от алуминиев нитрид (AlN) все повече се превръща в ключов субстратен материал за високо-мощни електронни опаковки.

 

Въпреки това, тъй като алуминиевият нитрид по своята същност е изолационен материал, той не може директно да улесни електрическите връзки или проводимост на сигнала. Следователно, преди да може да се използва в захранващи модули, полупроводникови опаковки или електрически компоненти с високо-напрежение, трябва да се използва технология за повърхностна метализация, за да се придаде електрическа проводимост на керамичния субстрат и да се осигури надеждна връзка между керамиката и метала.

 

Основното предизвикателство при керамичната метализация се крие във фундаменталните разлики между материалите: алуминиевият нитрид е съединение, характеризиращо се със силни ковалентни връзки, докато металите обикновено имат метално свързване. Това несъответствие води до проблеми като слаба омокряемост и несъответствие в коефициентите на топлинно разширение (CTE). При висока-температурна работна среда недостатъчната якост на връзката между металния слой и керамиката може да доведе до повреди като разслояване на повърхността или напукване, причинено от топлинен стрес. Следователно разработването на високонадеждни процеси за метализация на керамика е от решаващо значение за напредъка в индустриалното приложение на керамични субстрати.

 

Понастоящем се използват различни техники за метализиране за керамични субстрати от алуминиев нитрид, включително механично свързване, технология с дебел-слой, активно спояване на метал (AMB), съвместно изпичане, процеси на тънък-слой, директно свързана мед (DBC) и директно покрита мед (DPC).

 

 

 

Механичното свързване е един от най-ранните методи, използвани за свързване на керамика и метали. Той разчита на структурен дизайн и механично напрежение-като свиване-напасване или болтове-за закрепване на керамичния субстрат към металния компонент.

 

Този метод включва сравнително прост процес, изисква минимално оборудване и предлага значителна гъвкавост на производството. Въпреки това, тъй като връзката в интерфейса разчита предимно на външна механична сила, може да възникне значително механично напрежение по време на дългосрочни-термични цикли или високо-температурни вибрации; следователно не е подходящ за приложения, изискващи висока надеждност или работа при висока-температура.

 

Технологията на залепване, от друга страна, включва въвеждане на органичен адхезивен материал между керамиката и метала за образуване на залепена структура чрез процес на втвърдяване. Този подход позволява съединяването на системи от различни материали-например комбиниране на керамична изолационна структура с проводящ метален компонент за създаване на интегриран комплект.

 

Въпреки това, поради ограничената температурна устойчивост на органичните свързващи материали, тяхната надеждност е ограничена в взискателни среди, като електронни устройства с висока-мощност и HVDC (High-Voltage Direct Current) системи. Следователно понастоящем те се използват предимно за структурна фиксация в среда с ниска-температура и ниско{4}}напрежение.

 

 

Технологията за дебел филм е добре{0}}утвърден процес за метализиране на керамични повърхности. Тази техника обикновено използва ситопечат за нанасяне на проводима паста-съдържаща метален прах-върху повърхността на керамика от алуминиев нитрид (AlN). Последващото изсушаване и етапите на синтероване при висока-температура осигуряват здравото свързване на металния слой към керамичния субстрат.

 

Проводимите пасти обикновено се състоят от метален прах, стъклено свързващо вещество и органичен носител; металният прах определя крайната електропроводимост и механична якост. Често използваните метали включват сребро, мед и никел.

 

Този процес предлага предимства като висока производствена ефективност, ниска цена и техническа зрялост, което го прави подходящ за масово производство на електронни керамични субстрати. Освен това, оптимизирането на формулата на пастата позволява отлична електрическа производителност и надеждност при термични цикли.

 

Въпреки това, поради ограниченията на разделителната способност на ситопечата, размерите на веригата, произведени от процеса на дебело-фолио, са относително големи, което затруднява изпълнението на изискванията за вериги с висока-плътност и фина-стъпка. Следователно, той се прилага главно в опаковки на силова електроника, където изискванията за точност на веригата са по-малко строги.

 

 

 

Активното запояване на метал (AMB) е ключова технология за постигане на високонадеждни връзки между керамика-към-метал. Този процес включва добавяне на активни елементи-като титан (Ti), цирконий (Zr), алуминий (Al) или ниобий (Nb)-към традиционните добавъчни метали за спояване. Тези елементи реагират химически с керамичната повърхност от алуминиев нитрид, за да образуват стабилен реакционен преходен слой.

 

Този преходен слой подобрява омокряемостта между метала и керамиката, позволявайки на разтопената спояваща сплав да образува металургична връзка с керамиката, като по този начин повишава здравината на съединението.

 

Технологията AMB е особено-подходяща за приложения с висока-температура, висока-мощност, като например производството на силови полупроводникови модули, електрическо оборудване с високо-напрежение и метализирани керамични корпуси за силови полупроводници. Тъй като реактивните елементи лесно реагират с кислорода при високи температури, този процес обикновено изисква вакуум или защитна атмосфера; следователно, той поставя високи изисквания към оборудването и производствената среда, което води до относително високи производствени разходи.

 

 

Технологията на съвместно-изпичане включва отпечатване на пасти от метали с висока -точка на{2}}точка на топене-като волфрам или молибден-върху повърхността на зелени керамични листове от алуминиев нитрид, последвано от съвместно-синтериране с керамичния материал за създаване на интегрирана структура, включваща проводящия слой и керамичния субстрат.

 

Въз основа на температурата на синтероване, технологията на съвместно изпичане се категоризира основно на ниско{1}}температурна ко-изпечена керамика (LTCC) и високо-температурна ко-изпечена керамика (HTCC).

 

HTCC обикновено се синтерува при температури над 1600 градуса. Той предлага отлична механична якост, устойчивост на топлина и херметичност, което го прави особено подходящ за електронни устройства с висока-мощност, космически електронни системи и приложения за опаковане с висока-надеждност.

 

Основното предимство на технологията за-съвместно изгаряне е способността й да реализира дизайни на многослойни вериги, което води до по-компактни структури на вериги; освен това, тъй като проводниците и керамиката се образуват едновременно, цялостната структурна стабилност се подобрява.

 

В-приложения за постоянен ток с високо напрежение (HVDC)-като критични изолационни структури като керамични корпуси за контактори за HVDC{2}}ко-нажежени керамични материали отговарят на изискванията за надеждна работа при условия на продължителни високи температури и пренапрежения на напрежението.

 

 

Технологията за метализиране на тънък{0}}слой използва предимно физическо отлагане на пари (PVD) за отлагане на тънък метален слой върху повърхността на керамичния субстрат, последвано от процеси на производство на полупроводници-като фотолитография и ецване-за формиране на прецизни вериги.

 

В сравнение с процесите с дебел-слой, технологията за тънък-слой е субтрактивен метод на производство, способен да постигне по-фини ширини на линиите и по-висока плътност на веригата, което я прави широко използвана във високо-честотни, високо-прецизни електронни устройства.

 

Този метод дава възможност за производство на прецизни керамични компоненти от метализиран алуминиев оксид, като предлага различни предимства в микроелектронните опаковки, радиочестотни устройства и високо-модули за захранване.

 

Въпреки това, поради минималната дебелина на металния слой, капацитетът-на ток е ограничен при приложения с висок{1}}ток. Освен това разликата в коефициента на топлинно разширение (CTE) между керамиката и метала може да генерира напрежение по време на топлинен цикъл; следователно многослойните метални конструкции често се използват за подобряване на надеждността на свързване.

 

 

Direct Bonded Copper (DBC) е широко използвана керамична{0}}технология за свързване на мед. Основният му принцип включва въвеждането на кислород на границата между медния слой и керамиката; високо{2}}температурната обработка създава мед-кислородна евтектична течна фаза, което позволява директно свързване между медния материал и керамичната повърхност.

 

Технологията DBC се характеризира с дебели медни слоеве, висок{0}}токопреносим капацитет и отлично разсейване на топлината. Следователно, той се използва широко в-мощно електронно оборудване като инвертори за нови енергийни превозни средства, захранващи модули и преобразуватели за съхранение на енергия.

 

Поради трудностите при свързването на керамика от мед към алуминиев нитрид (AlN), керамичната повърхност обикновено изисква предварително -окислително третиране, за да се образува стабилен преходен слой на интерфейса, като по този начин се повишава надеждността на връзката.

 

 

Медта с директно покритие (DPC) е нова технология за метализиране на керамика, която включва процеси за производство на полупроводници.

 

Този метод започва с образуване на меден зародишен слой върху керамичната повърхност с помощта на техники за физическо отлагане на пари (PVD), като магнетронно разпрашване или вакуумно изпаряване. Впоследствие се използват процеси, включително експониране, проявяване и галванопластика, за да се увеличи дебелината на медния слой и да се постигне високо-прецизно производство на вериги.

 

Технологията DPC включва ниски производствени температури, висока прецизност на веригата и гъвкав структурен дизайн. Подходящо е за приложения като високо-свързани електронни структури и метализирана керамика за електрически компоненти.

 

В сравнение с традиционните високо{0}}температурни техники за синтероване, DPC минимизира влиянието на термичната обработка върху свойствата на материала; обаче процесът на галванопластика включва строги изисквания за опазване на околната среда и дебелината на медния слой е ограничена от възможностите на процеса.

 

 

С бързото развитие на нови енергийни превозни средства, интелигентни мрежи, системи за съхранение на енергия и полупроводниковата индустрия от трето-поколение, търсенето на електронни опаковъчни материали, предлагащи високо разсейване на топлината и висока надеждност, продължава да нараства.

 

В бъдеще технологията за керамична метализация от алуминиев нитрид ще се развие към по-голяма надеждност, по-висока прецизност и многофункционална интеграция. Чрез оптимизиране на интерфейсните структури, подобряване на дизайна на металните преходни слоеве и подобряване на контрола на производствения процес, силата на свързване между керамиката и метала може да бъде допълнително подобрена.

 

Усъвършенстваните керамични метализирани структури-като прецизна метализирана керамика, високо-якостни метализирани керамични компоненти и високо-прецизни усъвършенствани керамични метализирани части от двуалуминиев оксид-все повече служат като критични основни компоненти в силови полупроводници, релета за високо-напрежение, системи за съхранение на енергия и електронни системи за нова енергия превозни средства.

 

Развивайки се от традиционните техники за дебело{0}}фолио и съ-изпичане до усъвършенствани процеси като AMB, DBC и DPC, технологията за метализиране на керамика непрекъснато разширява границите на материалите, предоставяйки по-надеждно и ефективно управление на топлината и решения за електрическо свързване за електронни устройства с висока-мощност.