Een analyse van metallisatietechnologietrajecten voor keramische substraten van aluminiumnitride: van keramische substraten tot elektronische verpakkingstoepassingen met hoge-betrouwbaarheid

In toepassingen met hoog-vermogen-zoals nieuwe energievoertuigen, elektrische halfgeleiders, energieopslagsystemen en vermogenselektronica-zijn de prestaties op het gebied van warmtedissipatie en structurele betrouwbaarheid kritische factoren voor de lange- termijn, stabiele werking van elektronische apparaten. Dankzij de hoge thermische geleidbaarheid, het lage diëlektrische verlies, de uitstekende isolatie-eigenschappen en de goede thermische stabiliteit is keramiek van aluminiumnitride (AlN) steeds meer een belangrijk substraatmateriaal geworden voor elektronische verpakkingen met hoog-vermogen.

 

Omdat aluminiumnitride echter inherent een isolatiemateriaal is, kan het elektrische verbindingen of signaalgeleiding niet rechtstreeks vergemakkelijken. Voordat het kan worden gebruikt in voedingsmodules, halfgeleiderverpakkingen of elektrische hoogspanningscomponenten, moet daarom oppervlaktemetallisatietechnologie worden gebruikt om elektrische geleidbaarheid aan het keramische substraat te verlenen en een betrouwbare verbinding tussen het keramiek en het metaal te garanderen.

 

De kernuitdaging bij keramische metallisatie ligt in de fundamentele verschillen tussen de materialen: aluminiumnitride is een verbinding die wordt gekenmerkt door sterke covalente bindingen, terwijl metalen doorgaans metallische bindingen vertonen. Deze ongelijkheid leidt tot problemen zoals slechte bevochtigbaarheid en een mismatch in thermische uitzettingscoëfficiënten (CTE). In bedrijfsomgevingen met hoge- temperaturen kan onvoldoende hechtsterkte tussen de metaallaag en het keramiek resulteren in defecten zoals delaminatie van het grensvlak of scheuren veroorzaakt door thermische spanning. Daarom is het ontwikkelen van zeer betrouwbare keramische metallisatieprocessen cruciaal voor het bevorderen van de industriële toepassing van keramische substraten.

 

Momenteel worden verschillende metallisatietechnieken gebruikt voor keramische substraten van aluminiumnitride, waaronder mechanische verbinding, dikke-filmtechnologie, actief metaalsolderen (AMB), co-branden, dunne-filmprocessen, direct gebonden koper (DBC) en direct geplateerd koper (DPC).

 

 

 

Mechanische verbinding is een van de eerste methoden die worden gebruikt om keramiek en metalen te verbinden. Het is afhankelijk van een structureel ontwerp en mechanische spanning-zoals krimp--fitting of bouten-om het keramische substraat aan het metalen onderdeel te bevestigen.

 

Deze methode omvat een relatief eenvoudig proces, vereist minimale apparatuur en biedt aanzienlijke productieflexibiliteit. Omdat de verbinding op het grensvlak echter voornamelijk afhankelijk is van externe mechanische kracht, kan er aanzienlijke mechanische spanning ontstaan ​​tijdens lange- thermische cycli of hoge- trillingen; Daarom is het ongeschikt voor toepassingen die een hoge betrouwbaarheid of werking bij hoge- temperaturen vereisen.

 

De verbindingstechnologie daarentegen houdt in dat er een organisch hechtmateriaal tussen het keramiek en het metaal wordt geïntroduceerd om via een uithardingsproces een gebonden structuur te vormen. Deze aanpak maakt het mogelijk om systemen van ongelijksoortige materialen met elkaar te verbinden-, bijvoorbeeld door een keramische isolatiestructuur te combineren met een geleidende metalen component om een ​​geïntegreerd geheel te creëren.

 

Vanwege de beperkte temperatuurbestendigheid van organische verbindingsmaterialen is hun betrouwbaarheid echter beperkt in veeleisende omgevingen zoals elektronische apparaten met hoog-vermogen en HVDC-systemen (High-HighVoltage Direct Current). Daarom worden ze momenteel voornamelijk gebruikt voor structurele fixatie in omgevingen met lage- temperaturen en lage- spanningen.

 

 

Dikkefilmtechnologie is een beproefd-proces voor metallisatie van keramische oppervlakken. Bij deze techniek wordt doorgaans gebruik gemaakt van zeefdruk om een ​​geleidende pasta-die metaalpoeder bevat-aan te brengen op het oppervlak van aluminiumnitride (AlN)-keramiek. Daaropvolgende droging en sinterstappen bij hoge- temperatuur zorgen ervoor dat de metaallaag stevig aan het keramische substraat hecht.

 

Geleidende pasta's bestaan ​​doorgaans uit metaalpoeder, een glasbindmiddel en een organische drager; het metaalpoeder bepaalt de uiteindelijke elektrische geleidbaarheid en mechanische sterkte. Veelgebruikte metalen zijn zilver, koper en nikkel.

 

Dit proces biedt voordelen zoals een hoge productie-efficiëntie, lage kosten en technische volwassenheid, waardoor het geschikt is voor de massaproductie van elektronische keramische substraten. Bovendien zorgt het optimaliseren van de pastaformulering voor uitstekende elektrische prestaties en betrouwbaarheid bij thermische cycli.

 

Vanwege de resolutielimieten van zeefdrukken zijn de circuitafmetingen die worden geproduceerd door het dikke-filmproces echter relatief groot, waardoor het moeilijk wordt om te voldoen aan de vereisten voor circuits met hoge- dichtheid en fijne- pitch. Daarom wordt het voornamelijk toegepast in verpakkingen voor vermogenselektronica, waar de eisen aan de circuitprecisie minder streng zijn.

 

 

 

Actief metaalsolderen (AMB) is een sleuteltechnologie voor het realiseren van uiterst betrouwbare keramiek-op- verbindingen. Bij dit proces worden actieve elementen-zoals titanium (Ti), zirkonium (Zr), aluminium (Al) of niobium (Nb)-aan traditionele hardsoldeermetalen toegevoegd. Deze elementen reageren chemisch met het keramische oppervlak van aluminiumnitride om een ​​stabiele reactie-overgangslaag te vormen.

 

Deze overgangslaag verbetert de bevochtigbaarheid tussen het metaal en het keramiek, waardoor de gesmolten soldeerlegering een metallurgische binding met het keramiek kan vormen, waardoor de verbindingssterkte wordt vergroot.

 

AMB-technologie is bijzonder goed-geschikt voor toepassingen met hoge- temperaturen en hoog-vermogen, zoals de productie van vermogenshalfgeleidermodules, hoog-elektrische apparatuur en gemetalliseerde keramische behuizingen voor vermogenshalfgeleiders. Omdat reactieve elementen bij hoge temperaturen gemakkelijk reageren met zuurstof, vereist dit proces doorgaans een vacuüm of beschermende atmosfeer; bijgevolg stelt het hoge eisen aan de apparatuur en de productieomgeving, wat resulteert in relatief hoge productiekosten.

 

 

De co{0}}co-baktechnologie omvat het printen van pasta's van hoog-smeltende-metalen-zoals wolfraam of molybdeen-op het oppervlak van keramische groene platen van aluminiumnitride, gevolgd door co-sinteren met het keramische materiaal om een ​​geïntegreerde structuur te creëren die bestaat uit de geleidende laag en het keramische substraat.

 

Op basis van de sintertemperatuur wordt de co{0}}cobaktechnologie voornamelijk onderverdeeld in lage- co{2}}cofired keramiek (LTCC) en hoge-co{4}}cofired keramiek (HTCC).

 

HTCC wordt doorgaans gesinterd bij temperaturen boven de 1600 graden. Het biedt uitstekende mechanische sterkte, hittebestendigheid en hermeticiteit, waardoor het bijzonder geschikt is voor elektronische apparaten met hoog-vermogen, elektronische systemen in de lucht- en ruimtevaart en zeer-betrouwbare verpakkingstoepassingen.

 

Het belangrijkste voordeel van co{0}}cofiring-technologie is het vermogen om meerlaagse circuitontwerpen te realiseren, wat resulteert in compactere circuitstructuren; bovendien wordt, omdat de geleiders en het keramiek gelijktijdig worden gevormd, de algehele structurele stabiliteit verbeterd.

 

In hoog-DC-toepassingen (HVDC)-zoals kritische isolatiestructuren zoals keramische behuizingen voor HVDC-schakelaars-mee-voldoen de mede-gestookte keramische materialen aan de vereisten voor een betrouwbare werking onder omstandigheden van aanhoudend hoge temperaturen en spanningspieken.

 

 

Dunne{0}}filmmetallisatietechnologie maakt voornamelijk gebruik van fysische dampafzetting (PVD) om een ​​dunne metaallaag op het keramische substraatoppervlak af te zetten, gevolgd door halfgeleiderproductieprocessen-zoals fotolithografie en etsen- om precisiecircuits te vormen.

 

Vergeleken met dikke-filmprocessen is dunne-filmtechnologie een subtractieve productiemethode die fijnere lijnbreedtes en hogere circuitdichtheden kan bereiken, waardoor deze technologie veel wordt gebruikt in elektronische apparaten met hoge- frequentie en hoge- precisie.

 

Deze methode maakt de productie mogelijk van precisie-gemetalliseerde keramische componenten van aluminiumoxide, wat duidelijke voordelen biedt op het gebied van micro-elektronische verpakkingen, RF-apparaten en hoogwaardige -vermogensmodules.

 

Vanwege de minimale dikte van de metaallaag is de stroom-capaciteit echter beperkt bij toepassingen met hoge- stroom. Bovendien kan het verschil in de thermische uitzettingscoëfficiënt (CTE) tussen het keramiek en het metaal spanning genereren tijdens thermische cycli; daarom worden vaak meerlaagse metaalstructuren gebruikt om de betrouwbaarheid van de hechting te vergroten.

 

 

Direct Bonded Copper (DBC) is een veelgebruikte keramische-koperverbindingstechnologie. Het fundamentele principe ervan is het introduceren van zuurstof op het grensvlak tussen de koperlaag en het keramiek; Bij verwerking bij hoge-temperaturen ontstaat een koper-zuurstof-eutectische vloeibare fase, waardoor directe binding tussen het kopermateriaal en het keramische oppervlak mogelijk is.

 

DBC-technologie wordt gekenmerkt door dikke koperlagen, een hoge stroom-capaciteit en uitstekende warmteafvoerprestaties. Daarom wordt het veel gebruikt in elektronische apparatuur met hoog-vermogen, zoals omvormers voor nieuwe energievoertuigen, voedingsmodules en omvormers voor energieopslag.

 

Vanwege de moeilijkheid om koper aan aluminiumnitride (AlN)-keramiek te binden, vereist het keramische oppervlak doorgaans een pre-oxidatiebehandeling om een ​​stabiele overgangslaag op het grensvlak te vormen, waardoor de betrouwbaarheid van de verbinding wordt vergroot.

 

 

Direct Plated Copper (DPC) is een nieuwe keramische metallisatietechnologie die productieprocessen van halfgeleiders omvat.

 

Deze methode begint met het vormen van een koperen zaadlaag op het keramische oppervlak met behulp van fysische dampafzettingstechnieken (PVD), zoals magnetronsputteren of vacuümverdamping. Vervolgens worden processen zoals belichting, ontwikkeling en galvaniseren gebruikt om de dikte van de koperlaag te vergroten en circuitfabricage met hoge -precisie te bereiken.

 

DPC-technologie kenmerkt zich door lage productietemperaturen, hoge circuitprecisie en een flexibel structureel ontwerp. Het is geschikt voor toepassingen zoals elektronische verbindingsstructuren met hoge dichtheid en gemetalliseerde keramiek voor elektrische componenten.

 

Vergeleken met traditionele hoge--sintertechnieken minimaliseert DPC de impact van thermische verwerking op materiaaleigenschappen; Het galvaniseerproces brengt echter strenge eisen op het gebied van milieubescherming met zich mee, en de dikte van de koperlaag wordt beperkt door de procesmogelijkheden.

 

 

Met de snelle ontwikkeling van nieuwe energievoertuigen, slimme netwerken, energieopslagsystemen en de halfgeleiderindustrie van de derde{0}}generatie blijft de vraag naar elektronische verpakkingsmaterialen met een hoge warmteafvoer en hoge betrouwbaarheid stijgen.

 

In de toekomst zal de keramische metallisatietechnologie van aluminiumnitride evolueren in de richting van grotere betrouwbaarheid, hogere precisie en multifunctionele integratie. Door interfacestructuren te optimaliseren, het ontwerp van metaalovergangslagen te verbeteren en de controle over het productieproces te verbeteren, kan de hechtsterkte tussen het keramiek en het metaal verder worden verbeterd.

 

Geavanceerde keramische metallisatiestructuren-zoals nauwkeurig gemetalliseerd keramiek, gemetalliseerde keramische componenten met hoge-sterkte en zeer-zuivere aluminiumoxide-precisie geavanceerde keramische metallisatieonderdelen-dienen steeds meer als cruciale fundamentele componenten in vermogenshalfgeleiders, hoog-spanningsrelais, energieopslagsystemen en elektronische systemen voor nieuwe energievoertuigen.

 

De keramische metallisatietechnologie evolueert van traditionele dikke{0}}film- en meestook- technieken naar geavanceerde procesroutes zoals AMB, DBC en DPC en verlegt voortdurend de materiaalgrenzen, waardoor betrouwbaardere en efficiëntere oplossingen voor thermisch beheer en elektrische interconnectie worden geboden voor elektronische apparaten met hoog- vermogen.