V oblasti výkonovej elektroniky, vákuových zariadení, polovodičových obalov a nových energetických zariadení je technológia spájania keramiky-na{1}}kov kľúčovým komponentom na dosiahnutie vysoko spoľahlivého hermetického balenia a efektívneho tepelného manažmentu. Keďže samotná keramika nie je spájkovateľná, musí sa na jej povrchu pomocou keramickej metalizácie vytvoriť pevný, vodivý a spájkovateľný kovový film. Ako sa zariadenia vyvíjajú smerom k vyššej hustote výkonu, vyššej frekvencii a menšej veľkosti, kladú sa vyššie požiadavky na pevnosť medzifázového spojenia, tepelnú stabilitu a mikroskopickú jednotnosť metalizovanej keramiky, čo vedie k nepretržitému vývoju procesov pokovovania od tradičného vysokoteplotného spekania k nízkoteplotnému, životnému prostrediu šetrnému a vysoko presnému fyzikálnemu naparovaniu -.
Technické porovnanie hlavných metód metalizácie
Medzi metódy keramickej metalizácie, ktoré sa v súčasnosti široko používajú v priemysle, patrí bezprúdové pokovovanie, galvanické pokovovanie, striebrenie/niklovanie, spekanie Mo-Mn a technológia vákuového pokovovania, pričom každá má svoje výhody a nevýhody:
Bezproudové pokovovanie Ni-P nevyžaduje žiadny externý zdroj energie a môže vytvoriť rovnomerný povlak na zložitých geometrických povrchoch. Vrstva filmu a keramický substrát sú však prevažne fyzikálne adsorbované, čo vedie k slabej adhézii (zvyčajne<3 MPa). Furthermore, the plating solution is expensive, and the treatment of phosphorus-containing wastewater is difficult, making it difficult to meet high reliability requirements.
Aj keď galvanickým pokovovaním Ni možno dosiahnuť povlaky s nízkym{0}}namáhaním, je mimoriadne citlivý na čistotu procesu predúpravy, čo ľahko vedie k defektom, ako sú pľuzgiere a jamky. Navyše, v dôsledku vplyvu distribúcie elektrického poľa, hlboké diery alebo oblasti drážok v presných pokovovaných hliníkových keramických komponentoch často vykazujú nerovnomerné pokovovanie, čo vedie k slabému rovnomernému pokovovaniu.
Metóda Ag(Ni), ktorá zahŕňa nanášanie v kaši, po ktorom nasleduje vysoko{0}}redukcia na vytvorenie kovovej vrstvy, je jednoduchá a ponúka dobrú vodivosť. Vrstva Ag je však náchylná na migráciu iónov pri vysokej teplote, vysokej vlhkosti a jednosmerných elektrických poliach, čo vedie k zlyhaniu izolácie. Zatiaľ čo vrstva Ni má nízku pohyblivosť, film je vo všeobecnosti tenký, nesúvislý a nemá dostatočnú odolnosť voči korózii.
The Mo-Mn sintering method, the most mature process, oxidizes Mn in an H₂-H₂O atmosphere and reacts it with the Al₂O₃ glass phase to form a manganese aluminum spinel transition layer, achieving high-strength bonding (>20 MPa). Vyžaduje si to však vysokoteplotné spekanie pri 1300 – 1500 stupňoch, čo vedie k vysokej spotrebe energie. Okrem toho hrubé častice prášku Mo-Mn vedú k hrubému a nerovnomernému filmu, čo ho robí nevhodným na vysoko presné obrábanie hliníkových keramických dielov.
Kľúčové faktory ovplyvňujúce kvalitu metalizácie
1. Kompatibilita materiálu filmu: Ideálny systém pokovovania musí vyvážiť priľnavosť, vodivosť a zvárateľnosť. Kompozitná štruktúra Ni-Cu/Ag sa vďaka svojmu gradientu CTE, chemickej kompatibilite a schopnosti blokovať difúziu Ag stala štandardným riešením pre vysoko-frekvenčné a vysokovýkonné- zariadenia.
2. Optimalizácia hrúbky filmu: Príliš tenký (<0.5 μm) films cannot form a continuous film, resulting in insufficient adhesion; too thick (>3 μm) fólie zvyšujú vnútorné napätie a znižujú plasticitu. Experimenty ukazujú, že prechodová vrstva Ni-Cu dosahuje svoju maximálnu medzifázovú adhéziu pri 1,0–1,5 μm.
3. Substrate Pretreatment and Cleanliness: Micropores and contaminants on the Al₂O₃ surface significantly weaken adhesion. Standard procedures include ultrasonic cleaning and plasma activation to ensure a surface energy >72 mN/m, poskytuje čistý a aktívny substrát pre naprašovanie.
Aplikačné scenáre a budúce trendy
Výkonové elektronické moduly: Substráty IGBT využívajú vysoko čisté častice na precíznu pokročilú keramickú metalizáciu (HAMP) na dosiahnutie nízkych tepelných odporov spojení prostredníctvom pokovovania naprašovaním.
Vákuové elektronické zariadenia: Metalizujúce keramické časti v trubiciach s pohyblivou vlnou (TWT) a magnetrónoch vyžadujú vysokú hermetickosť; husté, neporézne{0}}naprašované filmy sú lepšie ako porézne spekané vrstvy.
5G RF zariadenia: Výrazný efekt na pokožku pri vysokých frekvenciách si vyžaduje extrémne nízky povrchový odpor elektród, vďaka čomu je vrchná vrstva Ag nevyhnutná.
V budúcnosti sa priemysel zameria na tri hlavné smery: po prvé, vývoj nových gradientových kompozitných cieľov (ako je W-Ni-Fe), aby sa ďalej prispôsobili CTE; po druhé, kombinácia nanášania atómovej vrstvy (ALD) na dosiahnutie sub-nanometrového ovládania rozhrania; a po tretie, propagácia zariadenia na naprašovanie-na{4}}valcovanie (R2R) s cieľom znížiť výrobné náklady na hliníkovú metalizovanú keramiku.
Záver
Od vysokoteplotného spekania Mo-Mn- po Ni-Cu/Ag kompozitné naprašovanie, každý skok vpred v technológii vysoko{3}}kovových keramických komponentov s vysokou pevnosťou pramení zo snahy o dosiahnutie stále vyšších hraníc výkonu. S rýchlym šírením-polovodičových zariadení so širokým pásmom, ako je karbid kremíka a nitrid gália, presná metalizovaná keramika už nie je len spojovacím médiom, ale kľúčovými technológiami, ktoré určujú celkovú tepelnú-elektrickú-mechanickú spoľahlivosť systémov. Len neustálou optimalizáciou materiálových systémov a procesných okien možno chrániť bezpečnosť a životnosť základných zariadení v extrémnych prevádzkových podmienkach.
Kontaktujte nás
Ak sa chcete dozvedieť viac o princípoch návrhu filmu, typických poruchových režimoch alebo oknách parametrov procesu naprašovaniaMetalizovaná keramika pre elektrické komponenty, kontaktujte nás. Poskytneme vám profesionálne technické informácie a poradenstvo v oblasti technickej podpory.
