Az alumínium-nitrid kerámia szubsztrátumok fémezési technológiai útjainak elemzése: a kerámia hordozóktól a nagy{0}}megbízhatóságú elektronikus csomagolásig

A nagy teljesítményű{0}}alkalmazási területeken-, mint például az új energetikai járművek, a félvezetők, az energiatároló rendszerek és a teljesítményelektronika Magas hővezető képességének, alacsony dielektromos veszteségének, kiváló szigetelési tulajdonságainak és jó hőstabilitásának köszönhetően az alumínium-nitrid (AlN) kerámia egyre inkább a nagy teljesítményű elektronikai csomagolások kulcsfontosságú hordozóanyagává vált.

 

Mivel azonban az alumínium-nitrid eleve szigetelőanyag, nem tudja közvetlenül elősegíteni az elektromos csatlakozásokat vagy a jelvezetést. Következésképpen, mielőtt teljesítménymodulokban, félvezető csomagolásban vagy nagyfeszültségű elektromos alkatrészekben használnák, felületfémezési technológiát kell alkalmazni, hogy elektromos vezetőképességet biztosítson a kerámia hordozónak, és biztosítsa a kerámia és a fém közötti megbízható kötést.

 

A kerámia fémezésének fő kihívása az anyagok közötti alapvető különbségekben rejlik: az alumínium-nitrid erős kovalens kötésekkel jellemezhető vegyület, míg a fémek jellemzően fémes kötéssel rendelkeznek. Ez az eltérés olyan problémákhoz vezet, mint a rossz nedvesíthetőség és a hőtágulási együttható (CTE) eltérése. Magas-hőmérsékletű működési környezetben a fémréteg és a kerámia közötti elégtelen kötési szilárdság olyan hibákhoz vezethet, mint a felületi rétegleválás vagy a termikus igénybevétel okozta repedés. Ezért a rendkívül megbízható kerámia fémezési eljárások kifejlesztése kulcsfontosságú a kerámia hordozók ipari alkalmazásának előmozdítása szempontjából.

 

Jelenleg különféle fémezési technikákat alkalmaznak alumínium-nitrid-kerámia hordozókhoz, beleértve a mechanikus csatlakozást, a vastag{0}}filmes technológiát, az aktív fémforrasztást (AMB), az együttégetést, a vékony{2}filmes eljárásokat, a közvetlen kötésű réz (DBC) és a közvetlen bevonatú rezet (DPC).

 

 

 

A mechanikus kötés az egyik legkorábbi módszer a kerámiák és fémek összekapcsolására. Szerkezeti tervezésen és mechanikai igénybevételen,-például zsugorításon-vagy csavarozáson- támaszkodik, hogy a kerámia hordozót a fém alkatrészhez rögzítse.

 

Ez a módszer viszonylag egyszerű folyamatot foglal magában, minimális felszerelést igényel, és jelentős gyártási rugalmasságot kínál. Mivel azonban az interfészen lévő kapcsolat elsősorban külső mechanikai erőre támaszkodik, jelentős mechanikai igénybevétel alakulhat ki a hosszú -hőciklus vagy a magas hőmérsékletű vibráció során; következésképpen nem alkalmas olyan alkalmazásokhoz, amelyek nagy megbízhatóságot vagy magas hőmérsékletű{3}}működést igényelnek.

 

A ragasztási technológia ezzel szemben magában foglalja egy szerves ragasztóanyag bevezetését a kerámia és a fém közé, hogy a kikeményedési folyamat során kötött szerkezetet képezzenek. Ez a megközelítés lehetővé teszi különböző anyagrendszerek összekapcsolását,{1}}például a kerámia szigetelő szerkezet és a vezetőképes fém komponens kombinálásával integrált összeállítást hozva létre.

 

A szerves kötőanyagok korlátozott hőállósága miatt azonban megbízhatóságuk korlátozott az olyan igényes környezetekben, mint a nagy{0}}teljesítményű elektronikai eszközök és a HVDC (nagy-feszültségű egyenáramú) rendszerek. Következésképpen jelenleg elsősorban szerkezeti rögzítésre használják alacsony-hőmérsékletű, alacsony-feszültségű környezetben.

 

 

A Thick Film Technology egy jól bevált{0}}eljárás a kerámia felületek fémezésére. Ez a technika jellemzően szitanyomást alkalmaz, hogy vezetőképes, -fémport tartalmazó pasztát- vigyenek fel alumínium-nitrid (AlN) kerámiák felületére. Az ezt követő szárítási és magas hőmérsékletű szinterezési lépések{5}}biztosítják, hogy a fémréteg szilárdan tapadjon a kerámia hordozóhoz.

 

A vezetőképes paszták általában fémporból, üvegkötőanyagból és szerves vivőanyagból állnak; a fémpor határozza meg a végső elektromos vezetőképességet és a mechanikai szilárdságot. A leggyakrabban használt fémek közé tartozik az ezüst, a réz és a nikkel.

 

Ez az eljárás olyan előnyökkel jár, mint a magas gyártási hatékonyság, alacsony költség és műszaki érettség, így alkalmas elektronikus kerámia hordozók tömeggyártására. Ezenkívül a paszta összetételének optimalizálása kiváló elektromos teljesítményt és hőciklus-megbízhatóságot tesz lehetővé.

 

A szitanyomtatás felbontási korlátai miatt azonban a vastag{0}}filmes eljárással előállított áramkör méretei viszonylag nagyok, ami megnehezíti a nagy-sűrűségű, finom{2}}osztású áramkörök követelményeinek teljesítését. Ezért főként teljesítményelektronikai csomagolásban alkalmazzák, ahol az áramkör pontosságára vonatkozó követelmények kevésbé szigorúak.

 

 

 

Az Active Metal Brazing (AMB) kulcsfontosságú technológia a rendkívül megbízható kerámia{0}}fém{1}}kapcsolatok eléréséhez. Ez az eljárás magában foglalja az aktív elemek hozzáadását-, mint például a titánt (Ti), cirkóniumot (Zr), alumíniumot (Al) vagy nióbiumot (Nb)- a hagyományos keményforrasztási töltőanyagokhoz. Ezek az elemek kémiai reakcióba lépnek az alumínium-nitrid kerámia felülettel, így stabil reakció átmeneti réteget képeznek.

 

Ez az átmeneti réteg javítja a fém és a kerámia közötti nedvesíthetőséget, lehetővé téve, hogy az olvadt keményforrasztó ötvözet kohászati ​​kötést hozzon létre a kerámiával, ezáltal fokozva a kötés szilárdságát.

 

Az AMB technológia különösen jól-alkalmas a magas-hőmérsékletű, nagy-teljesítményű alkalmazásokhoz, mint például a teljesítmény-félvezető modulok, a nagy-feszültségű elektromos berendezések és az erősáramú félvezetők fémbevonatú kerámia házaihoz. Mivel a reaktív elemek magas hőmérsékleten könnyen reagálnak oxigénnel, ez az eljárás jellemzően vákuumot vagy védőatmoszférát igényel; következésképpen magas követelményeket támaszt a berendezésekkel és a gyártási környezettel szemben, ami viszonylag magas gyártási költségeket eredményez.

 

 

Az együttégetési technológia magában foglalja a magas-olvadáspontú-fémek,-például wolfram vagy molibdén-paszták nyomtatását az alumínium-nitrid kerámia zöld lapok felületére, majd a kerámiaanyaggal való együttszinterezést, hogy létrehozzák az integrált vezetőképes szerkezeti réteget, és a kerámia réteget alkotják.

 

A szinterezési hőmérséklet alapján az együttégetési technológiát elsősorban az alacsony-hőmérsékletű együttégetéses kerámiák (LTCC) és a magas hőmérsékletű együttégetéses kerámiák (HTCC) kategóriába sorolják{3}}.

 

A HTCC-t általában 1600 fokot meghaladó hőmérsékleten szinterelik. Kiváló mechanikai szilárdságot, hőállóságot és hermetikusságot kínál, így különösen alkalmas nagy-teljesítményű elektronikai eszközökhöz, repülőgép-elektronikai rendszerekhez és nagy-megbízhatóságú csomagolási alkalmazásokhoz.

 

Az együttégetési technológia elsődleges előnye, hogy képes többrétegű áramköri terveket megvalósítani, ami kompaktabb áramköri struktúrákat eredményez; továbbá, mivel a vezetőket és a kerámiát egyidejűleg alakítják ki, az általános szerkezeti stabilitás megnő.

 

A nagy-feszültségű egyenáramú (HVDC) alkalmazásokban-, mint például a kritikus szigetelőszerkezetek, például a HVDC mágneskapcsolók kerámiaházai,-}együtt égetett kerámiaanyagok megfelelnek a megbízható működés követelményeinek tartósan magas hőmérséklet és feszültséglökések mellett.

 

 

A vékony{0}}filmes fémezési technológia elsősorban a fizikai gőzleválasztást (PVD) alkalmazza, hogy vékony fémréteget rakjon le a kerámia szubsztrátum felületére, majd ezt követi a félvezető gyártási folyamatok,-például fotolitográfia és maratás-a precíziós áramkörök kialakítása érdekében.

 

A vastag{0}}filmes eljárásokhoz képest a vékonyréteg-technológia egy kivonó gyártási módszer, amely képes finomabb vonalszélességeket és nagyobb áramkörsűrűségeket elérni, így széles körben alkalmazzák a nagy-frekvenciás, nagy-precíziós elektronikai eszközökben.

 

Ez a módszer lehetővé teszi a precíziós fémezett alumínium-oxid kerámia alkatrészek gyártását, amelyek egyértelmű előnyöket kínálnak a mikroelektronikai csomagolásban, az RF eszközökben és a nagy teljesítményű tápegységekben.

 

A fémréteg minimális vastagsága miatt azonban a jelenlegi -teherbírása korlátozott a nagy-áramú alkalmazásokban. Ezenkívül a kerámia és a fém közötti hőtágulási együttható (CTE) különbsége feszültséget generálhat a hőciklus során; ezért gyakran alkalmaznak többrétegű fémszerkezeteket a kötés megbízhatóságának fokozására.

 

 

A Direct Bonded Copper (DBC) egy széles körben használt kerámia{0}}rézkötési technológia. Alapelve az oxigén bevezetése a rézréteg és a kerámia határfelületén; a magas hőmérsékletű feldolgozás réz-oxigén eutektikus folyékony fázist hoz létre, amely lehetővé teszi a rézanyag és a kerámia felület közötti közvetlen kötést.

 

A DBC technológiát vastag rézrétegek, nagy{0}}áramtartó képesség és kiváló hőelvezetési teljesítmény jellemzi. Következésképpen széles körben használják nagy-teljesítményű elektronikus berendezésekben, mint például az új energiát használó járművek invertereiben, teljesítménymoduljaiban és energiatároló átalakítóiban.

 

A réz alumínium-nitrid (AlN) kerámiához való kötésének nehézségei miatt a kerámia felülete jellemzően előzetes oxidációs kezelést igényel, hogy stabil átmeneti réteget képezzen a határfelületen, ezáltal növelve a csatlakozás megbízhatóságát.

 

 

A Direct Plated Copper (DPC) egy új kerámia fémezési technológia, amely magában foglalja a félvezető gyártási folyamatokat.

 

Ez a módszer azzal kezdődik, hogy a kerámia felületén rézmagréteget képeznek fizikai gőzleválasztásos (PVD) technikákkal, például magnetronos porlasztással vagy vákuumpárologtatással. Ezt követően olyan eljárásokat alkalmaznak, mint az expozíció, a fejlesztés és a galvanizálás a rézréteg vastagságának növelésére és a nagy pontosságú{1}}áramkör-gyártás elérésére.

 

A DPC technológia alacsony gyártási hőmérsékletet, nagy áramköri pontosságot és rugalmas szerkezeti kialakítást kínál. Alkalmas olyan alkalmazásokhoz, mint a nagy-sűrűségű elektronikus összekötő szerkezetek és az elektromos alkatrészek fémezett kerámiái.

 

A hagyományos magashőmérsékletű szinterezési technikákkal összehasonlítva a DPC minimálisra csökkenti a hőkezelés hatását az anyag tulajdonságaira; a galvanizálási eljárás azonban szigorú környezetvédelmi követelményeket támaszt, és a rézréteg vastagságát korlátozzák az eljárási lehetőségek.

 

 

Az új energetikai járművek, az intelligens hálózatok, az energiatároló rendszerek és a harmadik -generációs félvezetőipar gyors fejlődésével a nagy hőelvezetést és megbízhatóságot kínáló elektronikus csomagolóanyagok iránti kereslet folyamatosan növekszik.

 

A jövőben az alumínium-nitrid kerámia fémezési technológiája a nagyobb megbízhatóság, nagyobb pontosság és többfunkciós integráció felé fog fejlődni. Az interfész struktúrák optimalizálásával, a fém átmeneti rétegek kialakításának javításával és a gyártási folyamat szabályozásának javításával tovább javítható a kerámia és a fém közötti kötési szilárdság.

 

A fejlett kerámia fémezési struktúrák-mint például a precíziós fémezett kerámiák, a nagy-szilárdságú fémezett kerámia alkatrészek és a nagy-tisztaságú alumínium-oxid precíziós, fejlett kerámia fémezési alkatrészek-egyre inkább kritikus alapelemként szolgálnak a teljesítmény-félvezetőkben, az elektromos tárolórendszerekben és az új nagyfeszültségű relékrendszerekben, járművek.

 

A hagyományos vastag{0}}filmes és együttégetési technikáktól az olyan fejlett folyamatokig, mint az AMB, DBC és DPC, a kerámia fémezési technológia folyamatosan feszegeti az anyagok határait, megbízhatóbb és hatékonyabb hőkezelési és elektromos összekapcsolási megoldásokat kínálva a nagy-teljesítményű elektronikai eszközökhöz.