Ökande efterfrågan på hög-elektronisk förpackning driver kontinuerliga uppgraderingar av keramiska substrat och metalliseringstekniker.

Drivna av den snabba utvecklingen av sektorer som nya energifordon, smarta nät, industriella strömförsörjningar, AI-servrar och flygindustrin, utvecklas krafthalvledarenheter mot högre spänningar, högre strömmar, högre effekttätheter och miniatyrisering. Den betydande värme som genereras under enhetens drift ställer höga krav på värmeavledningsförmågan, strukturell tillförlitlighet och-långsiktig stabilitet hos förpackningsmaterial.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Som kritiska grundmaterial som förbinder chips, kretsar och värmehanteringssystem har keramiska substrat för elektronisk förpackning framstått som en nyckellösning inom området för hög-elektronisk enhetsförpackning, tack vare deras höga värmeledningsförmåga, utmärkta isoleringsegenskaper och robusta mekaniska stabilitet.

 

Medan traditionella FR-4 epoxi-glasfibersubstrat och metall-baserade substrat erbjuder kostnadsfördelar, gör deras begränsade värmeledningsförmåga och relativt höga värmeutvidgningskoefficienter (CTE) dem olämpliga för applikationer med hög-temperatur och hög effekt. Däremot har keramiska material en CTE som är nära matchad med halvledarmaterial och bibehåller stabil prestanda i komplexa miljöer; följaktligen används de i stor utsträckning i kraftmoduler, lysdioder, IGBT, SiC-enheter och elektriska drivsystem för nya energifordon.

 

För närvarande inkluderar vanliga material för keramiska substrat med hög-termisk-ledningsförmåga aluminiumoxid (Al₂O₃), kiselkarbid (SiC), aluminiumnitrid (AlN) och kiselnitrid (Si₃N₄). Bland dessa framstår aluminiumoxidkeramik-som kännetecknas av mogna tillverkningsprocesser och låga kostnader-som ett av de mest använda basmaterialen i elektronisk förpackning. Metalliserad aluminiumoxidkeramik, producerad via avancerad bearbetningsteknik, erbjuder förbättrad ledande anslutning, och uppfyller därmed kraven för elektronisk komponentmontering och kretssignalöverföring.

 

I takt med att kraftenheternas prestanda fortsätter att förbättras, ändras bearbetningen av aluminiumoxidmaterial med hög-renhet mot högre precision. Hög-precisionsmetalliserade keramiska aluminiumoxidkomponenter-tillverkade genom precisionsformning, sintring och ytmetallisering-möjliggör strukturella konstruktioner som erbjuder överlägsen isolering och tillförlitlighet, vilket gör dem idealiska för krävande elektroniska komponenter och industriella tillämpningar.

 

Inom sfären av högpresterande kraftmoduler har aluminiumnitrid (AlN) keramer fått stor uppmärksamhet på grund av sin höga värmeledningsförmåga, låga dielektricitetskonstant och utmärkta elektriska egenskaper. Deras värmeledningsförmåga påverkas främst av faktorer som gallerdefekter, syrehalt och sintringsprocessen.

 

Genom att optimera materialformuleringar och tillverkningsarbetsflöden kan interna defekter minimeras och värmehanteringseffektiviteten förbättras, vilket gör dessa material alltmer lämpliga för elektroniska förpackningsapplikationer med hög-effekt. Kiselkarbid (SiC) keramik visar betydande potential i extrema driftsmiljöer på grund av sin höga hållfasthet, höga värmebeständighet och utmärkta värmeledningsförmåga. Deras komplexa kristallgitterstruktur ställer emellertid stränga krav på materialrenhet, sintringsförhållanden och mikrostrukturell kontroll. Framtida framsteg-särskilt optimeringen av kornstrukturen och minskningen av föroreningsrelaterade-relaterade defekter-lovar att ytterligare förbättra den övergripande prestandan hos SiC-keramiska substrat.

 

Under de senaste åren har keramik av kiselnitrid (Si₃N₄) dykt upp som ett nyckelutvecklingsområde för kraftmoduler med hög-tillförlitlighet. Jämfört med traditionella keramiska material erbjuder de överlägsen mekanisk hållfasthet och brottseghet, vilket effektivt dämpar spänningar orsakade av värmeexpansionsfel under termisk cykling. Följaktligen används hög-metalliserade keramiska komponenter alltmer i växelriktare för nya energifordon, hög-kraftmoduler och hög-tillförlitliga elektroniska system.

 

Keramiska material är i sig isolerande; därför, för att underlätta elektriska anslutningar och komponentmontering, måste ett metallkretsskikt bildas via ytbehandling-en process som kallas keramisk metallisering. Genom att skapa ett stabilt, väl-bundet metallskikt på den keramiska ytan säkerställer metalliseringstekniken en tillförlitlig anslutning mellan keramen och metallen, vilket gör det till en kritisk process vid tillverkning av elektroniska förpackningar.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

För närvarande inkluderar mogna keramiska metalliseringsprocesser i branschen direktpläterad koppar (DPC), direktbunden koppar (DBC), aktiv metalllödning (AMB), laseraktiverad metallisering (LAM) och tjock-filmtryckt koppar (TPC).

 

DPC-processen använder sputtering, elektroplätering och fotolitografi för att bilda fina metallkretsar; den kännetecknas av hög kretsprecision och utmärkt bindningsprestanda, vilket gör den lämplig för elektronisk förpackning med hög-densitet. Men på grund av höga investeringskostnader för utrustning och begränsningar av kopparskiktets tjocklek är dess tillämpning främst koncentrerad till området för elektroniska precisionsanordningar.

 

DBC-processen uppnår bindning mellan kopparfolie och keramik genom en eutektisk koppar-syrereaktion, vilket ger fördelar som processmognad och hög belastnings-kapacitet. Även om det används i stor utsträckning i kraftmodulförpackningar, kan skillnaden i termiska expansionskoefficienter mellan koppar och keramik leda till termisk stress under långvarig termisk cykling, vilket kräver ytterligare förbättringar av tillförlitligheten.

 

AMB-processen använder aktivt metalllod för att förbättra bindningen mellan keramen och kopparskiktet, vilket visar utmärkt stabilitet i miljöer med hög-temperatur och hög-effekt. Med utvecklingen av 800V hög-högspänningsplattformar för nya energifordon har AMB-Si₃N₄-keramiska substrat alltmer blivit ett föredraget val för hög-kraftmoduler. Komponenter för högspänningstillämpningar-som keramiska kapslingar för HVDC-kontaktorer-ställer allt strängare krav på keramiska materials isoleringsförmåga, mekanisk styrka och värmebeständighet.

 

Utöver traditionella metalliseringsmetoder får nya laser-assisterade metalliseringstekniker uppmärksamhet. Denna process använder lasrar för att modifiera den keramiska ytan, vilket möjliggör selektiv avsättning av metall för att bilda kretsar; det erbjuder fördelar som hög bearbetningsprecision och designflexibilitet. Keramisk metalliseringsteknik är redo att utöka sin tillämpningsområde i framtida tillverkning av elektroniska strukturella precisionskomponenter.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Driven av tillväxten av nya energifordon, energilagringssystem och smart kraftutrustning, expanderar applikationsscenarierna för metalliserade keramiska produkter kontinuerligt. Till exempel ger metalliserade keramiska höljen för krafthalvledare en stabil förpackningsmiljö, vilket förbättrar enheternas värme- och spänningsbeständighet. På liknande sätt används metalliserade keramiska isoleringsrör i stor utsträckning i hög-isoleringsstrukturer, som tjänar både elektrisk isolering och mekaniska stödfunktioner.

 

Industritrender indikerar att keramiska substrat för elektronisk förpackning kommer att utvecklas mot högre värmeledningsförmåga, styrka och tillförlitlighet, tillsammans med större precision. Å ena sidan kommer materialforskningen att ytterligare optimera keramiska system-som aluminiumoxid, aluminiumnitrid och kiselnitrid-för att förbättra värmehanteringskapaciteten. Å andra sidan kommer metalliseringsprocesser att fortsätta att förbättra kretsprecisionen, bindningsstyrkan och produktionseffektiviteten.

 

På grund av den snabba expansionen av nya energifordon, industriella styrsystem, strömförsörjning till datacenter och utrustning för lagring av förnybar energi, kommer precisionsmetalliserad keramik att bli en viktig komponent i avancerad elektronisk förpackning. Att optimera keramisk-till-metallbindningsteknik för att säkerställa mycket tillförlitliga anslutningar kommer att bidra till att möta framtida krav på säkerhet och stabilitet i hög-elektroniska enheter.

 

När man ser framåt måste industrin fortsätta att uppnå genombrott inom nyckelteknologier-inklusive framställning av hög-termisk-ledningsförmåga, sintring med låg-defekt, hög-precisionsmönster för kretsar och miljövänliga-metalliseringsprocesser. Avancera produkter som t.exmetalliserad aluminiumoxidkeramik för elektriska komponentermot högre prestanda och bredare tillämpningsområden kommer att tillhandahålla det pålitliga grundmaterial som behövs för nästa-generations kraftelektroniksystem.