En analyse af metalliseringsteknologiske veje for aluminiumnitrid keramiske substrater: Fra keramiske substrater til høj-pålidelighed elektronisk emballering

I områder med høj-effektanvendelse-såsom nye energikøretøjer, krafthalvledere, energilagringssystemer og kraftelektronik-er varmeafledningsydelse og strukturel pålidelighed kritiske faktorer for den langsigtede-stabile drift af elektroniske enheder. Takket være dets høje termiske ledningsevne, lave dielektriske tab, fremragende isoleringsegenskaber og gode termiske stabilitet er aluminiumnitrid (AlN) keramik i stigende grad blevet et vigtigt substratmateriale til høj-elektronisk emballage.

 

Men da aluminiumnitrid i sagens natur er et isolerende materiale, kan det ikke direkte lette elektriske forbindelser eller signalledning. Før det kan bruges i strømmoduler, halvlederemballage eller elektriske højspændingskomponenter, skal overflademetalliseringsteknologi derfor anvendes til at give elektrisk ledningsevne til det keramiske substrat og sikre en pålidelig binding mellem keramikken og metallet.

 

Kerneudfordringen i keramisk metallisering ligger i de grundlæggende forskelle mellem materialerne: aluminiumnitrid er en forbindelse karakteriseret ved stærke kovalente bindinger, hvorimod metaller typisk har metallisk binding. Denne ulighed fører til problemer såsom dårlig befugtning og et misforhold i termisk udvidelseskoefficienter (CTE). I driftsmiljøer med høje-temperaturer kan utilstrækkelig bindingsstyrke mellem metallaget og keramikken resultere i fejl som f.eks. grænsefladedelaminering eller revner forårsaget af termisk stress. Derfor er udvikling af yderst pålidelige keramiske metalliseringsprocesser afgørende for at fremme den industrielle anvendelse af keramiske substrater.

 

I øjeblikket anvendes forskellige metalliseringsteknikker til keramiske substrater af aluminiumnitrid, herunder mekanisk forbindelse, tyk-filmteknologi, aktiv metallodning (AMB), co-brænding, tynd-filmprocesser, direkte bundet kobber (DBC) og direkte belagt kobber (DPC).

 

 

 

Mekanisk forbindelse er en af ​​de tidligste metoder, der bruges til at forbinde keramik og metaller. Den er afhængig af strukturelt design og mekanisk belastning-såsom krympe-tilpasning eller boltning-for at fastgøre det keramiske underlag til metalkomponenten.

 

Denne metode involverer en relativt enkel proces, kræver minimalt udstyr og tilbyder betydelig fremstillingsfleksibilitet. Men fordi forbindelsen ved grænsefladen primært er afhængig af ekstern mekanisk kraft, kan der udvikles betydelig mekanisk belastning under langvarig- termisk cyklus eller høj-temperaturvibration; derfor er den uegnet til applikationer, der kræver høj pålidelighed eller høj-temperaturdrift.

 

Bindingsteknologi involverer på den anden side at indføre et organisk klæbende materiale mellem keramikken og metallet for at danne en bundet struktur gennem en hærdningsproces. Denne tilgang muliggør sammenføjning af uens materialesystemer-for eksempel ved at kombinere en keramisk isolerende struktur med en ledende metalkomponent for at skabe en integreret samling.

 

På grund af den begrænsede temperaturbestandighed af organiske bindingsmaterialer er deres pålidelighed imidlertid begrænset i krævende miljøer såsom høj-elektroniske enheder og HVDC (High-Voltage Direct Current)-systemer. Derfor bruges de i øjeblikket primært til strukturel fiksering i miljøer med lav-temperatur og lav-stress.

 

 

Thick Film Technology er en vel-etableret proces til keramisk overflademetallisering. Denne teknik anvender typisk serigrafi til at påføre en ledende pasta-indeholdende metalpulver-på overfladen af ​​aluminiumnitrid (AlN) keramik. Efterfølgende tørring og høj-temperatursintringstrin sikrer, at metallaget binder sig fast til det keramiske substrat.

 

Ledende pastaer består generelt af metalpulver, et glasbindemiddel og et organisk vehikel; metalpulveret bestemmer den endelige elektriske ledningsevne og mekaniske styrke. Almindeligt anvendte metaller omfatter sølv, kobber og nikkel.

 

Denne proces byder på fordele såsom høj produktionseffektivitet, lave omkostninger og teknisk modenhed, hvilket gør den velegnet til masseproduktion af elektroniske keramiske substrater. Desuden giver optimering af pastaformuleringen fremragende elektrisk ydeevne og termisk cykling pålidelighed.

 

Men på grund af opløsningsgrænserne for serigrafi er kredsløbsdimensionerne produceret af den tykke-filmproces relativt store, hvilket gør det vanskeligt at opfylde kravene til kredsløb med høj-densitet og fin-pitch. Derfor anvendes det hovedsageligt i kraftelektronikemballage, hvor krav til kredsløbspræcision er mindre strenge.

 

 

 

Active Metal Brazing (AMB) er en nøgleteknologi til at opnå yderst pålidelige keramiske-til-metalforbindelser. Denne proces involverer tilføjelse af aktive elementer-såsom titanium (Ti), zirconium (Zr), aluminium (Al) eller niobium (Nb)-til traditionelle lodningsfyldningsmetaller. Disse elementer reagerer kemisk med den keramiske aluminiumnitridoverflade for at danne et stabilt reaktionsovergangslag.

 

Dette overgangslag forbedrer befugtningsevnen mellem metallet og keramikken, hvilket gør det muligt for den smeltede loddelegering at danne en metallurgisk binding med keramikken, hvorved fugestyrken forbedres.

 

AMB-teknologi er særlig velegnet til{-høj-temperatur, høj-effekt, såsom fremstilling af effekthalvledermoduler, elektrisk-højspændingsudstyr og metalliserede keramiske huse til effekthalvledere. Da reaktive elementer let reagerer med oxygen ved høje temperaturer, kræver denne proces typisk et vakuum eller beskyttende atmosfære; det stiller derfor høje krav til udstyr og produktionsmiljø, hvilket resulterer i relativt høje produktionsomkostninger.

 

 

Sam-brændingsteknologi involverer udskrivning af pastaer af høj-smeltepunkt-metaller-såsom wolfram eller molybdæn-på overfladen af ​​aluminiumnitrid keramiske grønne plader, efterfulgt af co-sintring med det keramiske materiale for at skabe en integreret substratstruktur og det keramiske substrat.

 

Baseret på sintringstemperaturen er co-teknologi primært kategoriseret i lav-temperatur co-fyret keramik (LTCC) og høj-temperatur co-fyret keramik (HTCC).

 

HTCC er typisk sintret ved temperaturer over 1600 grader. Det tilbyder fremragende mekanisk styrke, varmebestandighed og hermeticitet, hvilket gør det særligt velegnet til høj-elektronisk udstyr, elektroniske rumfartssystemer og høj-pålidelig emballeringsapplikationer.

 

Den primære fordel ved co-teknologi er dens evne til at realisere flerlags kredsløbsdesign, hvilket resulterer i mere kompakte kredsløbsstrukturer; desuden, fordi lederne og keramikken dannes samtidigt, forbedres den overordnede strukturelle stabilitet.

 

I høj-DC-applikationer (HVDC)-såsom kritiske isoleringsstrukturer som keramiske kabinetter til HVDC-kontaktorer opfylder-sam-keramiske materialer kravene til pålidelig drift under vedvarende høje temperaturer og spændingsstigninger.

 

 

Tynd-filmmetalliseringsteknologi anvender primært fysisk dampaflejring (PVD) til at afsætte et tyndt metallag på den keramiske substratoverflade, efterfulgt af halvlederfremstillingsprocesser-såsom fotolitografi og ætsning-for at danne præcisionskredsløb.

 

Sammenlignet med tyk-film-processer er tynd-filmteknologi en subtraktiv fremstillingsmetode, der er i stand til at opnå finere linjebredder og højere kredsløbstætheder, hvilket gør den udbredt i høj-højfrekvente høj-elektroniske enheder.

 

Denne metode muliggør produktion af præcisionsmetalliserede aluminiumoxid-keramiske komponenter, hvilket giver klare fordele inden for mikroelektronisk emballage, RF-enheder og højtydende strømmoduler.

 

På grund af metallagets minimale tykkelse er den nuværende-bærende kapacitet imidlertid begrænset i applikationer med høj-strøm. Derudover kan forskellen i termisk udvidelseskoefficient (CTE) mellem keramikken og metallet generere stress under termisk cykling; derfor anvendes flerlagsmetalstrukturer ofte for at øge bindingssikkerheden.

 

 

Direct Bonded Copper (DBC) er en meget brugt keramisk-kobberbindingsteknologi. Dets grundlæggende princip involverer at indføre ilt ved grænsefladen mellem kobberlaget og keramikken; høj-temperaturbehandling skaber en kobber-ilt eutektisk væskefase, hvilket muliggør direkte binding mellem kobbermaterialet og den keramiske overflade.

 

DBC-teknologi er kendetegnet ved tykke kobberlag, høj strøm-bærende kapacitet og fremragende varmeafledningsevne. Det er derfor meget udbredt i høj-elektronisk udstyr såsom invertere til nye energikøretøjer, strømmoduler og energilagringsomformere.

 

På grund af vanskeligheden ved at binde kobber til aluminiumnitrid (AlN) keramik, kræver den keramiske overflade typisk for-oxidationsbehandling for at danne et stabilt overgangslag ved grænsefladen, hvilket øger forbindelsens pålidelighed.

 

 

Direct Plated Copper (DPC) er en ny keramisk metalliseringsteknologi, der inkorporerer halvlederfremstillingsprocesser.

 

Denne metode begynder med at danne et kobberfrølag på den keramiske overflade ved hjælp af fysiske dampaflejringsteknikker (PVD), såsom magnetronforstøvning eller vakuumfordampning. Efterfølgende bruges processer, herunder eksponering, udvikling og galvanisering, til at øge kobberlagets tykkelse og opnå høj- kredsløbsfremstilling.

 

DPC-teknologien har lave fremstillingstemperaturer, høj kredsløbspræcision og fleksibelt strukturelt design. Den er velegnet til applikationer såsom elektroniske sammenkoblingsstrukturer med høj-densitet og metalliseret keramik til elektriske komponenter.

 

Sammenlignet med traditionelle-højtemperatursintringsteknikker minimerer DPC virkningen af ​​termisk behandling på materialeegenskaber; elektropletteringsprocessen indebærer imidlertid strenge miljøbeskyttelseskrav, og kobberlagtykkelsen er begrænset af procesegenskaber.

 

 

Med den hurtige udvikling af nye energikøretøjer, intelligente net, energilagringssystemer og tredje-generations halvlederindustri, fortsætter efterspørgslen efter elektroniske emballagematerialer med høj varmeafledning og høj pålidelighed med at stige.

 

I fremtiden vil aluminiumnitrid keramisk metalliseringsteknologi udvikle sig mod større pålidelighed, højere præcision og multifunktionel integration. Ved at optimere grænsefladestrukturer, forbedre designet af metalovergangslag og forbedre styringen af ​​fremstillingsprocessen kan bindingsstyrken mellem keramikken og metallet forbedres yderligere.

 

Avancerede keramiske metalliseringsstrukturer-såsom præcisionsmetalliseret keramik, høj-metalliserede keramiske komponenter med høj-renhed af aluminiumoxidpræcision, avancerede keramiske metalliseringsdele-tjener i stigende grad som kritiske grundkomponenter i effekthalvledere, høj-højspændingssystemer, energilagringssystemer, relæer til køretøjer og elektroniske energisystemer.

 

Udviklingen fra traditionelle teknikker til tyk-film og-samfyring til avancerede procesruter som AMB, DBC og DPC flytter keramisk metalliseringsteknologi løbende materialegrænser og leverer mere pålidelig og effektiv termisk styring og elektriske sammenkoblingsløsninger til elektroniske enheder med høj-effekt.