Alumiininitridikeraamisten substraattien metallointiteknologian menetelmien analyysi: keraamisista alustoista korkean{0}}luotettavuuden sähköisiin pakkaussovelluksiin

Tehokas{0}}sovellusaloilla,-kuten uudet energiaajoneuvot, tehopuolijohteet, energian varastointijärjestelmät ja tehoelektroniikka-lämmönpoistokyky ja rakenteellinen luotettavuus ovat kriittisiä tekijöitä elektronisten laitteiden pitkäaikaiselle-vakaalle toiminnalle. Korkean lämmönjohtavuutensa, pienen dielektrisen häviön, erinomaisten eristysominaisuuksiensa ja hyvän lämmönkestävyytensä ansiosta alumiininitridikeramiikasta (AlN) on tullut yhä useammin tärkeä substraattimateriaali suuritehoisissa elektroniikkapakkauksissa.

 

Koska alumiininitridi on kuitenkin luonnostaan ​​eristävä materiaali, se ei voi suoraan helpottaa sähköliitäntöjä tai signaalin johtamista. Näin ollen, ennen kuin sitä voidaan käyttää tehomoduuleissa, puolijohdepakkauksissa tai korkeajännitteisissä sähkökomponenteissa, pintametallointitekniikkaa on käytettävä sähkönjohtavuuden lisäämiseksi keraamiseen alustaan ​​ja luotettavan sidoksen varmistamiseksi keramiikan ja metallin välillä.

 

Keraamisen metalloinnin ydinhaaste piilee materiaalien perustavanlaatuisissa eroissa: alumiininitridi on yhdiste, jolle on tunnusomaista vahvat kovalenttiset sidokset, kun taas metalleilla on tyypillisesti metallisidos. Tämä ero johtaa ongelmiin, kuten huonoon kostutukseen ja lämpölaajenemiskertoimien (CTE) yhteensopimattomuuteen. Korkean lämpötilan käyttöympäristöissä metallikerroksen ja keramiikan välinen riittämätön sidoslujuus voi johtaa vaurioihin, kuten rajapintojen delaminaatioon tai lämpöjännityksen aiheuttamaan halkeamiseen. Siksi erittäin luotettavien keraamisten metallointiprosessien kehittäminen on ratkaisevan tärkeää keraamisten alustojen teollisen käytön edistämiseksi.

 

Tällä hetkellä alumiininitridikeraamisissa substraateissa käytetään erilaisia ​​metallointitekniikoita, mukaan lukien mekaaninen liitos, paksu{0}}kalvotekniikka, aktiivinen metallijuotto (AMB), yhteispoltto, ohut-kalvoprosessit, suora sidottu kupari (DBC) ja suoraan pinnoitettu kupari (DPC).

 

 

 

Mekaaninen liitos on yksi varhaisimmista keramiikan ja metallien liittämismenetelmistä. Se perustuu rakenteelliseen suunnitteluun ja mekaaniseen rasitukseen-kuten kutistumiseen- tai pulteilla-keraamisen alustan kiinnittämiseksi metalliosaan.

 

Tämä menetelmä sisältää suhteellisen yksinkertaisen prosessin, vaatii minimaalisen laitteiston ja tarjoaa huomattavan valmistusjoustavuuden. Koska liityntä rajapinnassa kuitenkin perustuu ensisijaisesti ulkoiseen mekaaniseen voimaan, merkittävää mekaanista rasitusta voi kehittyä pitkäaikaisen -lämpösyklin tai korkean lämpötilan tärinän{2}} aikana. Tästä syystä se ei sovellu sovelluksiin, jotka vaativat suurta luotettavuutta tai korkean lämpötilan{3}}käyttöä.

 

Liimaustekniikka puolestaan ​​sisältää orgaanisen liimamateriaalin lisäämisen keramiikan ja metallin väliin sidosrakenteen muodostamiseksi kovetusprosessin kautta. Tämä lähestymistapa mahdollistaa erilaisten materiaalijärjestelmien yhdistämisen-esimerkiksi yhdistämällä keraaminen eristysrakenne johtavaan metallikomponenttiin integroidun kokoonpanon luomiseksi.

 

Orgaanisten sidemateriaalien rajallisen lämpötilankeston vuoksi niiden luotettavuus on kuitenkin rajoitettua vaativissa ympäristöissä, kuten suuritehoisissa{0}}elektroniikkalaitteissa ja HVDC-järjestelmissä (High-Voltage Direct Current). Tästä syystä niitä käytetään tällä hetkellä ensisijaisesti rakenteelliseen kiinnitykseen matalassa-lämpötiloissa ja vähän{4}}rasitusympäristöissä.

 

 

Thick Film Technology on vakiintunut{0}}keraamisten pintojen metallointiprosessi. Tämä tekniikka käyttää tyypillisesti silkkipainatusta metallijauhetta-sisältävän johtavan tahnan-levittämiseksi alumiininitridikeramiikan (AlN) pinnalle. Myöhemmät kuivaus- ja korkean lämpötilan{5}}sintrausvaiheet varmistavat, että metallikerros kiinnittyy lujasti keraamiseen alustaan.

 

Sähköä johtavat tahnat koostuvat yleensä metallijauheesta, lasin sideaineesta ja orgaanisesta vehikkelistä; metallijauhe määrittää lopullisen sähkönjohtavuuden ja mekaanisen lujuuden. Yleisimpiä metalleja ovat hopea, kupari ja nikkeli.

 

Tämä prosessi tarjoaa etuja, kuten korkean tuotantotehokkuuden, alhaiset kustannukset ja teknisen kypsyyden, mikä tekee siitä sopivan elektronisten keraamisten substraattien massatuotantoon. Lisäksi pastan koostumuksen optimointi mahdollistaa erinomaisen sähköisen suorituskyvyn ja lämpösyklin luotettavuuden.

 

Silkkipainatuksen resoluutiorajoituksista johtuen paksu{0}}kalvoprosessin tuottamat piirimitat ovat kuitenkin suhteellisen suuret, mikä vaikeuttaa korkean-tiheyden ja hieno{2}}äänenkorkeuden piirien vaatimusten täyttämistä. Siksi sitä käytetään pääasiassa tehoelektroniikan pakkauksissa, joissa piirien tarkkuusvaatimukset ovat vähemmän tiukat.

 

 

 

Active Metal Brazing (AMB) on keskeinen tekniikka erittäin luotettavien keraamisten{0}}ja-metallien liitoksissa. Tämä prosessi sisältää aktiivisten alkuaineiden -kuten titaanin (Ti), zirkoniumin (Zr), alumiinin (Al) tai niobiumin (Nb)- lisäämisen perinteisiin juotostäyteaineisiin. Nämä elementit reagoivat kemiallisesti alumiininitridikeraamisen pinnan kanssa muodostaen vakaan reaktion siirtymäkerroksen.

 

Tämä siirtymäkerros parantaa metallin ja keramiikan välistä kostuvuutta, mikä mahdollistaa sulan juotoslejeeringin muodostamisen metallurgisen sidoksen keraamiseen kanssa, mikä parantaa liitoksen lujuutta.

 

AMB-tekniikka soveltuu erityisen hyvin-korkea-lämpötiloihin ja suuritehoisiin Koska reaktiiviset alkuaineet reagoivat helposti hapen kanssa korkeissa lämpötiloissa, tämä prosessi vaatii tyypillisesti tyhjiön tai suojaavan ilmakehän; näin ollen se asettaa korkeat vaatimukset laitteille ja valmistusympäristölle, mikä johtaa suhteellisen korkeisiin tuotantokustannuksiin.

 

 

Yhteispolttotekniikka sisältää korkean-sulamispisteen-metallien,-kuten volframin tai molybdeenin-pastan painamisen alumiininitridikeraamisten viherlevyjen pinnalle, minkä jälkeen sintrataan keraamisen materiaalin kanssa integroidun johtavan rakenteen muodostamiseksi ja keraamisen kerroksen muodostamiseksi.

 

Sintrauslämpötilan perusteella rinnakkaispolttotekniikka luokitellaan ensisijaisesti matalassa-lämpö-keramiikassa (LTCC) ja korkeassa-lämpötilassa -poltettuun keramiikkaan (HTCC).

 

HTCC sintrataan tyypillisesti yli 1600 asteen lämpötiloissa. Se tarjoaa erinomaisen mekaanisen lujuuden, lämmönkestävyyden ja hermeettisyyden, mikä tekee siitä erityisen sopivan suuritehoisiin-elektroniikkalaitteisiin, ilmailun elektronisiin järjestelmiin ja erittäin -luotettaviin pakkaussovelluksiin.

 

Yhteispolttotekniikan ensisijainen etu on sen kyky toteuttaa monikerroksisia piirirakenteita, mikä johtaa kompaktimpiin piirirakenteisiin. lisäksi, koska johtimet ja keramiikka muodostetaan samanaikaisesti, yleinen rakenteellinen vakaus paranee.

 

Korkeajännitteiset tasajännitteet (HVDC)-kuten kriittiset eristysrakenteet, kuten HVDC-kontaktorien keraamiset kotelot, -yhteispoltetut keraamiset materiaalit täyttävät vaatimukset luotettavalle toiminnalle jatkuvissa korkeissa lämpötiloissa ja jännitepiikeissä.

 

 

Ohut{0}}kalvometallointitekniikka käyttää ensisijaisesti fysikaalista höyrypinnoitusta (PVD) ohuen metallikerroksen kerrostamiseksi keraamisen alustan pinnalle, mitä seuraa puolijohteiden valmistusprosessit,-kuten fotolitografia ja syövytys-tarkkuuspiirien muodostamiseksi.

 

Paksu{0}}kalvoprosesseihin verrattuna ohut-kalvotekniikka on vähentävä valmistusmenetelmä, jolla voidaan saavuttaa pienemmät viivanleveydet ja korkeammat piiritiheydet, minkä ansiosta sitä käytetään laajalti korkeataajuisissa-tarkkuuselektroniikkalaitteissa.

 

Tämä menetelmä mahdollistaa tarkasti metalloitujen alumiinioksidikeraamisten komponenttien valmistuksen, mikä tarjoaa selkeitä etuja mikroelektroniikkapakkauksissa, RF-laitteissa ja tehokkaissa{0}}tehomoduuleissa.

 

Metallikerroksen minimaalisen paksuuden vuoksi nykyinen-kantokyky on kuitenkin rajoitettu suurissa-virtasovelluksissa. Lisäksi ero lämpölaajenemiskertoimessa (CTE) keramiikan ja metallin välillä voi aiheuttaa jännitystä lämpösyklin aikana; siksi monikerroksisia metallirakenteita käytetään usein parantamaan liitoksen luotettavuutta.

 

 

Direct Bonded Copper (DBC) on laajalti käytetty keraaminen{0}}kuparin liimaustekniikka. Sen perusperiaatteena on hapen lisääminen kuparikerroksen ja keramiikan väliseen rajapintaan; korkean -lämpötilan käsittely luo kupari-happieutektisen nestefaasin, joka mahdollistaa kuparimateriaalin ja keraamisen pinnan välisen suoran sidoksen.

 

DBC-teknologialle on ominaista paksut kuparikerrokset, korkea virran{0}}kantokyky ja erinomainen lämmönpoistokyky. Tästä syystä sitä käytetään laajalti suuritehoisissa-elektroniikkalaitteissa, kuten uusien energiaajoneuvojen inverttereissä, tehomoduuleissa ja energiaa varastoivissa muuntimissa.

 

Koska kuparia on vaikea sitoa alumiininitridi (AlN) -keramiikkaan, keraaminen pinta vaatii yleensä esihapetuskäsittelyn muodostaakseen stabiilin siirtymäkerroksen rajapinnalle, mikä parantaa liitoksen luotettavuutta.

 

 

Direct Plated Copper (DPC) on uusi keraaminen metallointitekniikka, joka sisältää puolijohteiden valmistusprosesseja.

 

Tämä menetelmä alkaa muodostamalla kuparin siemenkerros keraamiseen pintaan käyttämällä fyysistä höyrypinnoitustekniikkaa (PVD), kuten magnetronisputterointia tai tyhjiöhaihdutusta. Myöhemmin prosesseja, kuten valotusta, kehitystä ja galvanointia, käytetään kuparikerroksen paksuuden lisäämiseen ja korkean-tarkkuuden piirien valmistukseen.

 

DPC-tekniikka sisältää alhaiset valmistuslämpötilat, korkean piirin tarkkuuden ja joustavan rakennesuunnittelun. Se sopii sovelluksiin, kuten suuritiheyksisiin-elektronisiin liitäntärakenteisiin ja metalloituun keramiikkaan sähkökomponentteja varten.

 

Perinteisiin korkean lämpötilan{0}}sintraustekniikoihin verrattuna DPC minimoi lämpökäsittelyn vaikutuksen materiaalin ominaisuuksiin. galvanointiprosessiin liittyy kuitenkin tiukat ympäristönsuojeluvaatimukset, ja kuparikerroksen paksuutta rajoittavat prosessin ominaisuudet.

 

 

Uusien energiaajoneuvojen, älykkäiden verkkojen, energian varastointijärjestelmien ja kolmannen -sukupolven puolijohdeteollisuuden nopean kehityksen myötä korkean lämmönpoiston ja korkean luotettavuuden tarjoavien elektronisten pakkausmateriaalien kysyntä kasvaa edelleen.

 

Tulevaisuudessa alumiininitridikeraaminen metallointiteknologia kehittyy kohti parempaa luotettavuutta, suurempaa tarkkuutta ja monikäyttöistä integraatiota. Optimoimalla rajapintarakenteita, parantamalla metallien siirtymäkerrosten suunnittelua ja tehostamalla valmistusprosessin ohjausta keramiikan ja metallin välistä sidoslujuutta voidaan edelleen parantaa.

 

Kehittyneet keraamiset metallointirakenteet-kuten tarkkuusmetalloitu keramiikka, lujat{1}}metallisoidut keraamiset komponentit ja erittäin-puhtaat alumiinioksidin tarkkuuskeraamiset metallointiosat-toimivat yhä useammin tärkeimpinä peruskomponentteina tehopuolijohteissa, elektronisissa varastointijärjestelmissä, korkeajännitejärjestelmissä, ajoneuvoja.

 

Perinteisistä paksu{0}}kalvo- ja yhteis-polttotekniikoista kehittyneisiin prosessireitteihin, kuten AMB, DBC ja DPC, keraaminen metallointitekniikka lyö jatkuvasti materiaalirajoja ja tarjoaa luotettavampia ja tehokkaampia lämmönhallinta- ja sähköliitäntäratkaisuja suuritehoisille-elektroniikkalaitteille.