Високо{0}}здрави метализирани керамични компоненти: Ключови мостове за свързване в-електронни устройства от висок клас

Тази керамично-метална композитна структура решава проблеми като напукване и разслояване, причинени от несъответствие на топлинното разширение в традиционните опаковки. Например в силовите полупроводникови модули прецизните метализирани керамични компоненти от алуминиев оксид служат като изолационни субстрати, поддържащи вериги с висока -плътност от едната страна и директно запояване на радиатори от другата, като ефективно изолират високо напрежение, като същевременно ефективно провеждат топлина. Във вакуумните електронни устройства (като тръби с пътуваща вълна и магнетрони) метализираните керамични изолационни тръби се използват за оловно запечатване, осигурявайки дългосрочна-стабилност на вътрешната високо-вакуумна среда и поддържайки херметичност дори при температури от стотици градуси по Целзий.

Благодарение на уникалната си всеобхватна производителност, приложението на корпуса от метализирана керамика за силови полупроводници постепенно се разшири от военни и космически до високи -цивилни области, като нови енергийни превозни средства, 5G комуникации, индустриални лазери и фотоволтаични инвертори. В IGBT модулите за електрически превозни средства метализираната керамика от алуминиев оксид се превърна в основния изолационен субстрат поради техния баланс между цена и производителност; докато в приложения с по-високи изисквания за разсейване на топлина се използват метализирани субстрати от алуминиев нитрид (AlN) с топлопроводимост над 170 W/m·K. Освен това, в корпусите на високо-комуникационното оборудване, обвивките на опаковките на сензорите и кондензаторите за високо-напрежение, детайлите с усъвършенствана керамична метализация с висока чистота на алуминиев оксид ефективно осигуряват целостта на сигнала и структурната надеждност поради ниските им диелектрични загуби и високата механична якост.

Текущите основни технологии за метализация включват метода на молибден-манган (Mo-Mn), директно медно свързване (DBC), директно медно покритие (DPC) и активно спояване на метал (AMB). Сред тях методът Mo-Mn е подходящ за високо-надеждни приложения за вакуумно запечатване и е традиционен, но зрял процес; DBC директно залепва медно фолио към керамичната повърхност при високи температури, което го прави подходящо за високо-силови модули; DPC използва процеси с тънък-слой за постигане на фини вериги, подходящи за връзки с висока-плътност; и AMB използва активни спойки (като Ag-Cu-Ti) за постигане на връзки с висока-якост между керамика и мед при по-ниски температури, съчетавайки висока топлопроводимост и висока надеждност. Изборът на различни процеси зависи от цялостните изисквания на сценария на приложение по отношение на топлопроводимост, плътност на тока, точност на веригата и цена.

Струва си да се отбележи, че производителността на метализираните керамични компоненти с висока-здравост зависи не само от материалната система, но и от нивото на прецизност на обработка на керамичните части от алуминий. Плоскостта на основата, грапавостта на повърхността и точността на отворите пряко влияят върху равномерността на последващата метализация и добива на спояване. Например, в метализираната алуминиева керамика за електрически компоненти, контролът на толерантността на дебелината на ниво микрон- може да избегне концентрацията на напрежение при термични цикли и да удължи живота на устройството.

Въпреки значителните предимства на метализираната керамика за електрически компоненти, нейното производство все още е изправено пред предизвикателства: Първо, процесите са сложни и енерго-интензивни, особено етапът на високо-температурно синтероване, което изисква строго оборудване и контрол на атмосферата. Второ, докато керамиката на базата на берилий (като BeO) предлага отлична топлопроводимост, тя крие рискове от токсичност и постепенно се заменя с AlN. Трето, с миниатюризацията на устройствата се поставят по-високи изисквания към широчината на линията/разстоянието и възможностите за многослойно окабеляване на прецизната метализирана керамика.

В бъдеще разработването на метализирани керамични корпуси за силови полупроводници ще се съсредоточи върху три основни посоки: първо, разработване на ниско{0}}температурна-изпечена керамика (LTCC) и процеси на интегриране на метализация за намаляване на потреблението на енергия; второ, насърчаване на прилагането на-безкислородна мед, сребро и други високопроводими метали в DPC/AMB за подобряване на електрическите характеристики; и трето, разширяване на съвместимостта в полупроводникови модули от трето-поколение (SiC, GaN), за да отговарят на изискванията за по-висока работна температура и напрежение.

Като ключова позволяваща технология за свързване на керамика-към-метал, метализираните керамични компоненти с висока-якост преминават от „материалите--зад кулисите“ към челните редици на развитието на индустрията. Незаменимата му роля в осигуряването на надеждна работа на електронни системи в екстремни среди ще продължи да стимулира съвместните иновации в науката за материалите и производствените процеси.