En analys av metalliseringsteknikens vägar för aluminiumnitridkeramiska substrat: från keramiska substrat till hög-tillförlitlighet för elektroniska förpackningsapplikationer

Inom områden med hög-effekttillämpning-som nya energifordon, krafthalvledare, energilagringssystem och kraftelektronik-är värmeavledningsprestanda och strukturell tillförlitlighet kritiska faktorer för den långsiktiga-stabila driften av elektroniska enheter. Tack vare dess höga värmeledningsförmåga, låga dielektriska förluster, utmärkta isoleringsegenskaper och goda värmestabilitet har aluminiumnitrid (AlN) keramik i allt högre grad blivit ett viktigt substratmaterial för hög-elektronisk förpackning.

 

Men eftersom aluminiumnitrid i sig är ett isolerande material kan det inte direkt underlätta elektriska anslutningar eller signalledning. Innan den kan användas i kraftmoduler, halvledarförpackningar eller högspänningskomponenter måste därför ytmetalliseringsteknik användas för att ge elektrisk ledningsförmåga till det keramiska substratet och säkerställa en tillförlitlig bindning mellan keramen och metallen.

 

Kärnutmaningen i keramisk metallisering ligger i de grundläggande skillnaderna mellan materialen: aluminiumnitrid är en förening som kännetecknas av starka kovalenta bindningar, medan metaller vanligtvis har metallisk bindning. Denna skillnad leder till problem som dålig vätbarhet och en obalans i termisk expansionskoefficient (CTE). I driftsmiljöer med hög-temperatur kan otillräcklig bindningsstyrka mellan metallskiktet och keramen resultera i fel som gränssnittsdelaminering eller sprickbildning orsakad av termisk stress. Därför är utvecklingen av mycket tillförlitliga keramiska metalliseringsprocesser avgörande för att främja industriell tillämpning av keramiska substrat.

 

För närvarande används olika metalliseringstekniker för keramiska substrat av aluminiumnitrid, inklusive mekanisk anslutning, tjock-filmteknik, aktiv metalllödning (AMB), sam-bränning, tunn-filmprocesser, direktbunden koppar (DBC) och direktpläterad koppar (DPC).

 

 

 

Mekanisk anslutning är en av de tidigaste metoderna som används för att sammanfoga keramik och metall. Den förlitar sig på strukturell design och mekanisk påkänning-såsom krymp-passning eller bultning-för att fästa det keramiska underlaget till metallkomponenten.

 

Denna metod innebär en relativt enkel process, kräver minimal utrustning och erbjuder avsevärd tillverkningsflexibilitet. Men eftersom anslutningen vid gränssnittet huvudsakligen är beroende av yttre mekanisk kraft, kan betydande mekanisk påfrestning utvecklas under långvarig -termisk cykling eller hög-temperaturvibration; följaktligen är den olämplig för tillämpningar som kräver hög tillförlitlighet eller drift med hög-temperatur.

 

Bindningsteknik, å andra sidan, innebär att man introducerar ett organiskt limmaterial mellan keramiken och metallen för att bilda en bunden struktur genom en härdningsprocess. Detta tillvägagångssätt möjliggör sammanfogning av olika materialsystem-till exempel genom att kombinera en keramisk isolerande struktur med en ledande metallkomponent för att skapa en integrerad sammansättning.

 

På grund av den begränsade temperaturbeständigheten hos organiska bindningsmaterial är deras tillförlitlighet dock begränsad i krävande miljöer som elektroniska enheter med hög-effekt och HVDC-system (High-Voltage Direct Current). Följaktligen används de för närvarande främst för strukturell fixering i miljöer med låg-temperatur och låg-stress.

 

 

Tjockfilmsteknik är en väl-etablerad process för metallisering av keramiska ytor. Denna teknik använder vanligtvis screentryck för att applicera en ledande pasta-innehållande metallpulver-på ytan av aluminiumnitrid (AlN) keramer. Efterföljande torkning och sintringssteg med hög-temperatur säkerställer att metallskiktet binder fast vid det keramiska underlaget.

 

Konduktiva pastor består i allmänhet av metallpulver, ett glasbindemedel och en organisk vehikel; metallpulvret bestämmer den slutliga elektriska ledningsförmågan och mekaniska styrkan. Vanligt använda metaller inkluderar silver, koppar och nickel.

 

Denna process erbjuder fördelar som hög produktionseffektivitet, låg kostnad och teknisk mognad, vilket gör den lämplig för massproduktion av elektroniska keramiska substrat. Dessutom möjliggör optimering av pastaformuleringen utmärkt elektrisk prestanda och tillförlitlighet för termisk cykling.

 

På grund av upplösningsgränserna för screentryck är dock kretsdimensionerna som produceras av processen med tjock-film relativt stora, vilket gör det svårt att uppfylla kraven på hög-densitet, fin-kretsar. Därför används den främst i kraftelektronikförpackningar där kraven på kretsprecision är mindre stränga.

 

 

 

Active Metal Brazing (AMB) är en nyckelteknik för att uppnå mycket pålitliga keramiska-till-metallanslutningar. Denna process involverar tillsats av aktiva element-såsom titan (Ti), zirkonium (Zr), aluminium (Al) eller niob (Nb)-till traditionella hårdlödningsfyllnadsmetaller. Dessa element reagerar kemiskt med den keramiska aluminiumnitridytan för att bilda ett stabilt reaktionsövergångsskikt.

 

Detta övergångsskikt förbättrar vätbarheten mellan metallen och keramiken, vilket gör det möjligt för den smälta hårdlödningslegeringen att bilda en metallurgisk bindning med keramiken, och därigenom förbättra fogstyrkan.

 

AMB-tekniken är särskilt väl-lämpad för tillämpningar med hög-temperatur och hög-effekt, såsom tillverkning av krafthalvledarmoduler, hög-elektrisk utrustning och metalliserade keramiska höljen för krafthalvledare. Eftersom reaktiva element lätt reagerar med syre vid höga temperaturer, kräver denna process typiskt ett vakuum eller skyddande atmosfär; Det ställer därför höga krav på utrustning och tillverkningsmiljö, vilket resulterar i relativt höga produktionskostnader.

 

 

Sam-bränningsteknik involverar utskrift av pastor av hög-smältpunkt-metaller-såsom volfram eller molybden-på ytan av aluminiumnitrid keramiska gröna ark, följt av sam-sintring med det keramiska materialet för att skapa en integrerad struktur som består av det ledande substratet och det keramiska skiktet.

 

Baserat på sintringstemperaturen kategoriseras sambränningstekniken primärt i låg-Temperature Co-eldad keramik (LTCC) och Hög-Temperature Co-eldad keramik (HTCC).

 

HTCC sintras vanligtvis vid temperaturer över 1600 grader. Den erbjuder utmärkt mekanisk styrka, värmebeständighet och hermeticitet, vilket gör den särskilt lämplig för elektroniska enheter med hög-effekt, elektroniska system för flyg- och rymdfart och förpackningsapplikationer med hög-tillförlitlighet.

 

Den främsta fördelen med co-teknik är dess förmåga att realisera flerskiktskretsdesigner, vilket resulterar i mer kompakta kretsstrukturer; Dessutom, eftersom ledarna och keramen formas samtidigt, förbättras den totala strukturella stabiliteten.

 

I hög-likspänningstillämpningar (HVDC)-såsom kritiska isoleringsstrukturer som keramiska kapslingar för HVDC-kontaktorer uppfyller-sameldade keramiska material kraven på tillförlitlig drift under förhållanden med ihållande höga temperaturer och spänningsstötar.

 

 

Tunn-filmmetalliseringsteknik använder i första hand fysisk ångavsättning (PVD) för att avsätta ett tunt metallskikt på den keramiska substratytan, följt av halvledartillverkningsprocesser-som fotolitografi och etsning-för att bilda precisionskretsar.

 

Jämfört med tjocka-filmsprocesser är tunn-filmteknik en subtraktiv tillverkningsmetod som kan uppnå finare linjebredder och högre kretstätheter, vilket gör den allmänt använd i hög-hög-elektronikenheter med hög precision.

 

Den här metoden möjliggör tillverkning av precisionsmetalliserade aluminiumoxidkeramiska komponenter, vilket erbjuder tydliga fördelar i mikroelektroniska förpackningar, RF-enheter och högpresterande kraftmoduler.

 

Men på grund av den minimala tjockleken på metallskiktet är den-strömbärande kapaciteten begränsad i hög-strömtillämpningar. Dessutom kan skillnaden i termisk expansionskoefficient (CTE) mellan keramen och metallen generera stress under termisk cykling; därför används ofta flerskiktiga metallstrukturer för att förbättra bindningstillförlitligheten.

 

 

Direct Bonded Copper (DBC) är en allmänt använd keramisk-kopparbindningsteknik. Dess grundläggande princip innebär att man inför syre vid gränsytan mellan kopparskiktet och keramen; hög-temperaturbearbetning skapar en eutektisk vätskefas för koppar-syre, vilket möjliggör direkt bindning mellan kopparmaterialet och den keramiska ytan.

 

DBC-teknik kännetecknas av tjocka kopparlager, hög ström-kapacitet och utmärkt värmeavledningsprestanda. Följaktligen används den i stor utsträckning i elektronisk utrustning med hög-effekt som växelriktare för nya energifordon, kraftmoduler och energilagringsomvandlare.

 

På grund av svårigheten att binda koppar till aluminiumnitrid (AlN) keramer, kräver den keramiska ytan vanligtvis för-oxidationsbehandling för att bilda ett stabilt övergångsskikt vid gränssnittet, vilket förbättrar anslutningstillförlitligheten.

 

 

Direct Plated Copper (DPC) är en ny keramisk metalliseringsteknik som innehåller halvledartillverkningsprocesser.

 

Denna metod börjar med att bilda ett kopparfrölager på den keramiska ytan med hjälp av fysiska ångavsättningstekniker (PVD), såsom magnetronförstoftning eller vakuumindunstning. Därefter används processer inklusive exponering, framkallning och galvanisering för att öka kopparskiktets tjocklek och uppnå kretsframställning med hög-precision.

 

DPC-tekniken har låga tillverkningstemperaturer, hög kretsprecision och flexibel strukturell design. Den är lämplig för applikationer som elektroniska sammankopplingsstrukturer med hög-densitet och metalliserad keramik för elektriska komponenter.

 

Jämfört med traditionella-högtemperatursintringstekniker minimerar DPC effekten av termisk bearbetning på materialegenskaper; elektropläteringsprocessen medför emellertid stränga miljöskyddskrav och kopparskiktets tjocklek begränsas av processkapacitet.

 

 

Med den snabba utvecklingen av nya energifordon, smarta nät, energilagringssystem och tredje generationens halvledarindustri, fortsätter efterfrågan på elektroniska förpackningsmaterial som erbjuder hög värmeavledning och hög tillförlitlighet att öka.

 

I framtiden kommer aluminiumnitrid keramisk metalliseringsteknik att utvecklas mot större tillförlitlighet, högre precision och multifunktionell integration. Genom att optimera gränssnittsstrukturer, förbättra utformningen av metallövergångsskikt och förbättra tillverkningsprocessen kan bindningsstyrkan mellan keramen och metallen förbättras ytterligare.

 

Avancerade keramiska metalliseringsstrukturer-som precisionsmetalliserad keramik, hög-metalliserade keramiska komponenter och hög-precisionsdetaljer för aluminiumoxid, avancerade keramiska metalliseringsdelar-fungerar alltmer som kritiska grundkomponenter i krafthalvledare, hög-högspänningssystem, energilagringssystem, reläer för fordon, energilagringssystem och fordonsreläer.

 

Genom att utvecklas från traditionella tekniker för tjock-film och sambränning till avancerade processvägar som AMB, DBC och DPC, tänjer keramisk metalliseringsteknik kontinuerligt på materialgränserna och levererar mer tillförlitlig och effektiv värmehantering och elektriska sammankopplingslösningar för elektroniska enheter med hög-effekt.