Alumiiniumnitriidkeraamiliste substraatide metalliseerimistehnoloogia meetodite analüüs: keraamilistest aluspindadest kõrge{0}}usaldusväärsete elektrooniliste pakendirakendusteni

Suure võimsusega -rakendusvaldkondades-, nagu uued energiasõidukid, jõupooljuhid, energiasalvestussüsteemid ja jõuelektroonika,-soojuse hajutamise jõudlus ja struktuurne töökindlus on elektroonikaseadmete pikaajaliseks ja stabiilseks tööks kriitilised tegurid. Tänu oma kõrgele soojusjuhtivusele, väikesele dielektrilisele kadule, suurepärastele isolatsiooniomadustele ja heale termilisele stabiilsusele on alumiiniumnitriid (AlN) keraamika muutunud üha enam suure võimsusega elektroonikapakendite põhimaterjaliks.

 

Kuna aga alumiiniumnitriid on oma olemuselt isoleermaterjal, ei saa see otseselt hõlbustada elektriühendusi ega signaalijuhtivust. Järelikult tuleb enne kasutamist toitemoodulites, pooljuhtpakendites või kõrgepingelistes elektrikomponentides kasutada pinna metalliseerimise tehnoloogiat, et anda keraamilisele substraadile elektrijuhtivus ning tagada keraamika ja metalli vaheline usaldusväärne side.

 

Keraamilise metallistamise põhiprobleem seisneb materjalide põhilistes erinevustes: alumiiniumnitriid on ühend, mida iseloomustavad tugevad kovalentsed sidemed, samas kui metallidel on tavaliselt metalliline side. See erinevus põhjustab selliseid probleeme nagu halb märguvus ja soojuspaisumistegurite (CTE) mittevastavus. Kõrge -temperatuuri töökeskkonnas võib metallikihi ja keraamika vahelise sideme ebapiisav tugevus põhjustada tõrkeid, nagu pindade kihistumine või termilise pinge põhjustatud pragunemine. Seetõttu on keraamiliste substraatide tööstusliku kasutamise edendamiseks ülimalt töökindlate keraamiliste metalliseerimisprotsesside väljatöötamine ülioluline.

 

Praegu kasutatakse alumiiniumnitriidkeraamiliste substraatide jaoks erinevaid metalliseerimistehnikaid, sealhulgas mehaaniline ühendamine, paksu{0}}kile tehnoloogia, aktiivmetalli jootmine (AMB), kaaspõletamine, õhuke{2}kileprotsessid, otseühendusega vask (DBC) ja otseplaaditud vask (DPC).

 

 

 

Mehaaniline ühendamine on üks varasemaid keraamika ja metallide ühendamise meetodeid. Keraamilise substraadi metallkomponendi külge kinnitamiseks tugineb see konstruktsioonikonstruktsioonile ja mehaanilisele pingele-, näiteks kokkutõmbuval-liitmisel või poltidega-.

 

See meetod hõlmab suhteliselt lihtsat protsessi, nõuab minimaalset varustust ja pakub märkimisväärset tootmise paindlikkust. Kuna aga liidese ühendus tugineb peamiselt välisele mehaanilisele jõule, võib pikaajalisel -termilisel tsüklil või kõrgel temperatuuril{2}}vibratsioonil tekkida märkimisväärne mehaaniline pinge. järelikult ei sobi see rakendustele, mis nõuavad kõrget töökindlust või kõrget -temperatuuri töötamist.

 

Liimimistehnoloogia seevastu hõlmab orgaanilise liimmaterjali sisestamist keraamika ja metalli vahele, et moodustada kõvenemisprotsessi kaudu liimitud struktuur. See lähenemisviis võimaldab ühendada erineva materjaliga süsteeme,{1}}näiteks kombineerides keraamilise isolatsioonikonstruktsiooni juhtiva metallkomponendiga, et luua integreeritud koost.

 

Kuid orgaaniliste sidematerjalide piiratud temperatuuritaluvuse tõttu on nende töökindlus piiratud nõudlikes keskkondades, nagu suure võimsusega{0}}elektroonilised seadmed ja HVDC (kõrgpinge{1}}alalisvoolusüsteemid). Seetõttu kasutatakse neid praegu peamiselt konstruktsiooni fikseerimiseks madala-temperatuuri ja madala stressiga keskkondades.

 

 

Thick Film Technology on{0}}keraamiliste pindade metalliseerimiseks väljakujunenud protsess. Selle tehnika puhul kasutatakse tavaliselt siiditrükki, et kanda alumiiniumnitriid (AlN) keraamika pinnale juhtivat pastat-, mis sisaldab metallipulbrit-. Järgnevad kuivatamise ja kõrgel temperatuuril{5}}paagutamise etapid tagavad metallikihi tugeva nakkumise keraamilise aluspinnaga.

 

Juhtivad pastad koosnevad tavaliselt metallipulbrist, klaasi sideainest ja orgaanilisest kandjast; metallipulber määrab lõpliku elektrijuhtivuse ja mehaanilise tugevuse. Tavaliselt kasutatavad metallid on hõbe, vask ja nikkel.

 

See protsess pakub selliseid eeliseid nagu kõrge tootmistõhusus, madal hind ja tehniline küpsus, mistõttu sobib see elektrooniliste keraamiliste substraatide masstootmiseks. Lisaks võimaldab pasta koostise optimeerimine suurepärase elektrilise jõudluse ja termilise tsükli töökindluse.

 

Kuid siiditrüki eraldusvõimepiirangute tõttu on paksu-kile protsessiga toodetud vooluringi mõõtmed suhteliselt suured, mistõttu on raske täita kõrge-tihedusega ja peensammusega{2}}lülitusi. Seetõttu kasutatakse seda peamiselt jõuelektroonika pakendites, kus vooluahela täpsusnõuded on vähem ranged.

 

 

 

Aktiivne metallijootmine (AMB) on võtmetehnoloogia ülimalt töökindlate keraamiliste{0}}metallide{1}}ühenduste saavutamiseks. See protsess hõlmab aktiivsete elementide -nagu titaani (Ti), tsirkooniumi (Zr), alumiiniumi (Al) või nioobiumi (Nb)- lisamist traditsioonilistele kõvajoodisega täitematerjalidele. Need elemendid reageerivad keemiliselt alumiiniumnitriidkeraamilise pinnaga, moodustades stabiilse reaktsiooni üleminekukihi.

 

See üleminekukiht parandab metalli ja keraamika vahelist märguvust, võimaldades sula jootmissulamil moodustada metallurgilise sideme keraamikaga, suurendades seeläbi vuugi tugevust.

 

AMB-tehnoloogia sobib eriti hästi-kõrge-temperatuuri ja suure võimsusega-rakenduste jaoks, nagu võimsuspooljuhtmoodulite, kõrge-pingeelektriseadmete ja toitepooljuhtide metalliseeritud keraamiliste korpuste tootmine. Kuna reaktiivsed elemendid reageerivad kergesti hapnikuga kõrgel temperatuuril, nõuab see protsess tavaliselt vaakumit või kaitsvat atmosfääri; järelikult seab see seadmetele ja tootmiskeskkonnale kõrged nõudmised, mille tulemuseks on suhteliselt kõrged tootmiskulud.

 

 

Kaaspõletustehnoloogia hõlmab kõrg-sulamistemperatuuriga-metallide,-nagu volframi või molübdeeni-pastade trükkimist alumiiniumnitriidkeraamiliste roheliste lehtede pinnale, millele järgneb keraamilise materjaliga kaas-paagutamine, et luua integreeritud juhtiv struktuur ja keraamiline kiht.

 

Paagutamistemperatuuri alusel jaotatakse koospõletustehnoloogia peamiselt madalal-temperatuuril-põletatud keraamikaks (LTCC) ja kõrg-kaas{4}}põletatud keraamikaks (HTCC).

 

HTCC paagutatakse tavaliselt temperatuuril üle 1600 kraadi. See pakub suurepärast mehaanilist tugevust, kuumakindlust ja hermeetilisust, mistõttu on see eriti sobilik suure-võimsusega elektroonikaseadmete, kosmoselennunduse elektroonikasüsteemide ja suure-usaldusväärsete pakendirakenduste jaoks.

 

Kaaspõletustehnoloogia peamine eelis on selle võime realiseerida mitmekihilisi vooluahelaid, mille tulemuseks on kompaktsemad vooluahela struktuurid; lisaks, kuna juhtmed ja keraamika moodustatakse samaaegselt, paraneb üldine struktuurne stabiilsus.

 

Kõrge-alalisvoolu (HVDC) rakendustes,-nagu kriitilised isolatsioonistruktuurid, nagu HVDC-kontaktorite keraamilised korpused, vastavad kaaspõletatud keraamilised materjalid püsivalt kõrgete temperatuuride ja pingetõusu tingimustes usaldusväärse töö nõuetele.

 

 

Õhuke{0}}kile metalliseerimise tehnoloogia kasutab keraamilisele substraadi pinnale õhukese metallikihi sadestamiseks peamiselt füüsilist aurustamise-sadestamise (PVD), millele järgnevad pooljuhtide tootmisprotsessid,-nagu fotolitograafia ja söövitus-täppisahelate moodustamiseks.

 

Võrreldes paksu-kile protsessidega on õhukese{1}}kile tehnoloogia lahutav tootmismeetod, mis võimaldab saavutada peenemat joonlaiust ja suuremat vooluringi tihedust, mistõttu kasutatakse seda laialdaselt kõrgsageduslikes{2}}kõrge täppiselektroonikaseadmetes.

 

See meetod võimaldab toota täpselt metalliseeritud alumiiniumoksiidi keraamilisi komponente, pakkudes selgeid eeliseid mikroelektroonilises pakendis, RF-seadmetes ja suure jõudlusega{0}}toitemoodulites.

 

Kuid metallikihi minimaalse paksuse tõttu on praegune -kandevõime kõrgete{1}}voolu rakendustes piiratud. Lisaks võib soojuspaisumisteguri (CTE) erinevus keraamika ja metalli vahel tekitada soojustsükli ajal pinget; seetõttu kasutatakse liimimise usaldusväärsuse suurendamiseks sageli mitmekihilisi metallkonstruktsioone.

 

 

Direct Bonded Copper (DBC) on laialdaselt kasutatav keraamiline{0}}vase sidumise tehnoloogia. Selle põhiprintsiip hõlmab hapniku sisseviimist vasekihi ja keraamika vahelisele liidesele; kõrgtemperatuuriline töötlemine- loob vase-hapniku eutektilise vedela faasi, mis võimaldab otsest sidet vaskmaterjali ja keraamilise pinna vahel.

 

DBC-tehnoloogiat iseloomustavad paksud vasekihid, suur voolu{0}}kandevõime ja suurepärane soojuseraldusvõime. Seetõttu kasutatakse seda laialdaselt suure-võimsusega elektroonikaseadmetes, nagu uute energiasõidukite inverterid, toitemoodulid ja energiasalvestusmuundurid.

 

Vase ja alumiiniumnitriidkeraamika (AlN) keraamikaga sidumise raskuse tõttu vajab keraamiline pind tavaliselt oksüdatsioonieelset töötlemist, et moodustada liidesele stabiilne üleminekukiht, mis suurendab ühenduse usaldusväärsust.

 

 

Direct Plated Copper (DPC) on uudne keraamilise metalliseerimise tehnoloogia, mis hõlmab pooljuhtide tootmisprotsesse.

 

See meetod algab keraamilisele pinnale vase seemnekihi moodustamisega, kasutades füüsikalise aurustamise-sadestamise (PVD) tehnikaid, nagu magnetroni pihustamine või vaakumaurustamine. Seejärel kasutatakse vasekihi paksuse suurendamiseks ja -täpsete vooluringide tootmiseks protsesse, sealhulgas eksponeerimist, arendust ja galvaniseerimist.

 

DPC-tehnoloogial on madalad tootmistemperatuurid, suur vooluahela täpsus ja paindlik konstruktsioon. See sobib selliste rakenduste jaoks nagu suure-tihedusega elektroonilised ühendusstruktuurid ja metalliseeritud keraamika elektriliste komponentide jaoks.

 

Võrreldes traditsiooniliste kõrgel temperatuuril{0}}paagutamise tehnikatega, vähendab DPC termilise töötlemise mõju materjali omadustele; galvaniseerimise protsessiga kaasnevad aga ranged keskkonnakaitsenõuded ja vasekihi paksust piiravad protsessi võimalused.

 

 

Uute energiasõidukite, nutikate võrkude, energiasalvestussüsteemide ja kolmanda{0}}põlvkonna pooljuhtide tööstuse kiire arenguga kasvab nõudlus kõrge soojuseraldusvõimega ja suure töökindlusega elektrooniliste pakkematerjalide järele.

 

Tulevikus areneb alumiiniumnitriidi keraamilise metalliseerimise tehnoloogia suurema töökindluse, suurema täpsuse ja multifunktsionaalse integratsiooni suunas. Liidese struktuuride optimeerimise, metalli üleminekukihtide disaini parandamise ja tootmisprotsessi juhtimise tõhustamise abil saab keraamika ja metalli vahelist sidumistugevust veelgi parandada.

 

Täiustatud keraamilised metalliseeritud struktuurid-nagu täppismetalliseeritud keraamika, ülitugevad-metalliseeritud keraamilised komponendid ja kõrge -puhtusastmega alumiiniumoksiidi täpsed täiustatud keraamilised metalliseerimisosad-kasutavad üha enam kriitilise tähtsusega põhikomponente toitepooljuhtides, energiasalvestussüsteemides ja uutes energiareleesüsteemides,{4} sõidukid.

 

Arenes traditsioonilistest paksu{0}}kile ja koos-põletamise tehnikatest täiustatud protsesside, nagu AMB, DBC ja DPC, suunas, nihutab keraamilise metalliseerimise tehnoloogia pidevalt materjalide piire, pakkudes usaldusväärsemaid ja tõhusamaid soojusjuhtimise ja elektriühenduste lahendusi suure võimsusega-elektroonikaseadmetele.