Nagy szilárdságú fémezett kerámia alkatrészek

Ez a kerámia{0}}fém kompozit szerkezet olyan problémákat old meg, mint a repedés és a rétegválás, amelyet a hagyományos csomagolásban előforduló hőtágulási eltérés okoz. Például az erősáramú félvezető modulokban a precíziós fémezett alumínium-oxid kerámia komponensek szigetelő hordozóként szolgálnak, egyik oldalon támogatják a nagy-sűrűségű áramköröket, a másik oldalon pedig közvetlenül forrasztják a hűtőbordákat, hatékonyan leválasztva a magas feszültséget, miközben hatékonyan vezetik a hőt. A vákuumelektronikai eszközökben (például mozgóhullámú csövekben és magnetronokban) fémezett kerámia szigetelő csöveket használnak az ólomtömítésre, biztosítva a belső nagy-vákuumkörnyezet hosszú távú stabilitását és a légtömörséget még több száz Celsius fokos hőmérsékleten is.

Egyedülálló, átfogó teljesítményének köszönhetően a fémezett kerámia ház alkalmazása az elektromos félvezetők számára fokozatosan kiterjedt a katonai és a repülőgépiparról a csúcskategóriás polgári területekre, például az új energiahordozókra, az 5G kommunikációra, az ipari lézerekre és a fotovoltaikus inverterekre. Az elektromos járművek IGBT-moduljaiban az alumíniumoxid fémezett kerámia a fő szigetelőanyag lett a költség és a teljesítmény egyensúlya miatt; míg a magasabb hőelvezetési igényű alkalmazásoknál 170 W/m·K-t meghaladó hővezető képességű alumínium-nitrid (AlN) fémezett hordozót használnak. Ezenkívül a nagy-frekvenciás kommunikációs berendezések házaiban, az érzékelők csomagolásában és a nagy-feszültségű kondenzátorokban a nagy tisztaságú alumínium-oxid precíziós, fejlett kerámia fémezési alkatrészek alacsony dielektromos veszteségüknek és nagy mechanikai szilárdságuknak köszönhetően hatékonyan biztosítják a jel integritását és szerkezeti megbízhatóságát.

A jelenlegi főbb fémezési technológiák közé tartozik a molibdén{0}}mangán (Mo-Mn) módszer, a közvetlen rézkötés (DBC), a közvetlen rézbevonat (DPC) és az aktív fémforrasztás (AMB). Ezek közül a Mo{3}}Mn módszer alkalmas nagy-megbízhatóságú vákuumtömítési alkalmazásokhoz, és hagyományos, de kiforrott eljárás; A DBC magas hőmérsékleten közvetlenül köti a rézfóliát a kerámia felülethez, így alkalmas nagyáramú teljesítménymodulokhoz; A DPC vékony{6}filmes eljárásokat alkalmaz a finom áramkörök eléréséhez, amelyek alkalmasak nagy-sűrűségű összekapcsolásokhoz; az AMB pedig aktív forrasztóanyagokat (például Ag{8}}Cu-Ti-t) használ a kerámia és a réz közötti nagyszilárdságú, A különböző folyamatok kiválasztása az alkalmazási forgatókönyv átfogó követelményeitől függ a hővezető képesség, az áramsűrűség, az áramkör pontossága és a költségek tekintetében.

Érdemes megjegyezni, hogy a nagyszilárdságú{0}}fémezett kerámia alkatrészek teljesítménye nem csak az anyagrendszertől függ, hanem az alumínium-oxid kerámia alkatrészek precíziós megmunkálási szintjétől is. Az alapfelület síksága, felületi érdessége és a furatpontosság közvetlenül befolyásolja a későbbi fémezés és forrasztás egyenletességét. Például a fémezett alumínium-oxid kerámiákban elektromos alkatrészekhez a mikron-szintű vastagságtűrés-szabályozással elkerülhető a feszültségkoncentráció a hőciklus alatt, és meghosszabbítható az eszköz élettartama.

Annak ellenére, hogy a fémezett kerámiák jelentős előnyei vannak az elektromos alkatrészek számára, gyártásuk továbbra is kihívásokkal néz szembe: Először is, a folyamatok összetettek és energiaigényesek, különösen a magas hőmérsékletű szinterezési szakasz, amely szigorú berendezéseket és légkör-szabályozást igényel. Másodszor, míg a berillium-alapú kerámiák (például a BeO) kiváló hővezető képességgel rendelkeznek, toxicitási kockázatot jelentenek, és fokozatosan AlN váltja fel őket. Harmadszor, az eszközök miniatürizálásával magasabb követelményeket támasztanak a precíziós fémezett kerámiák vonalszélességével/távolságával és többrétegű huzalozási lehetőségeivel szemben.

A jövőben az erősáramú félvezetők fémbevonatú kerámia házainak fejlesztése három fő irányra fog összpontosítani: először is az alacsony{0}}hőmérsékletű együtttüzelt kerámia (LTCC) és a fémezés integrációs folyamatainak fejlesztése az energiafogyasztás csökkentése érdekében; másodszor, az oxigén-mentes réz, ezüst és más nagy vezetőképességű fémek DPC-kben/AMB-kben való alkalmazásának elősegítése az elektromos teljesítmény javítása érdekében; harmadszor pedig a harmadik -generációs félvezető (SiC, GaN) modulok kompatibilitásának bővítése a magasabb üzemi hőmérsékleti és feszültségi követelmények teljesítése érdekében.

A kerámia---fém csatlakozások kulcsfontosságú technológiájaként a nagy-szilárdságú fémezett kerámia alkatrészek „a színfalak mögötti--anyagokból” az ipari fejlődés élvonalába kerülnek. Pótolhatatlan szerepe az elektronikus rendszerek megbízható működésének biztosításában extrém körülmények között továbbra is az anyagtudomány és a gyártási folyamatok kollaboratív innovációjának ösztönzője lesz.