Na področjih močnostne elektronike, vakuumskih naprav, polprevodniške embalaže in nove energetske opreme je tehnologija lepljenja keramike-na{-kovino osrednja komponenta za doseganje zelo zanesljive hermetične embalaže in učinkovitega upravljanja toplote. Ker keramike same po sebi ni mogoče spajkati, je treba s keramično metalizacijo na njeni površini oblikovati močan, prevoden in trd kovinski film. Ko se naprave razvijajo v smeri višje gostote moči, višje frekvence in manjše velikosti, se postavljajo višje zahteve glede medfazne vezivne trdnosti, toplotne stabilnosti in mikroskopske enakomernosti metalizirane keramike, kar poganja neprekinjen razvoj postopkov metalizacije od tradicionalnega visoko-temperaturnega sintranja do nizko-temperaturnega, okolju prijaznega in visoko-natančnega fizičnega naparjevanja.
Tehnična primerjava običajnih metod metalizacije
Metode keramične metalizacije, ki se trenutno pogosto uporabljajo v industriji, vključujejo brezelektrično prevleko, galvanizacijo, posrebrenje/nikljanje, sintranje Mo-Mn in tehnologijo vakuumskega prevleke, od katerih ima vsaka svoje prednosti in slabosti:
Brezelektrično nanašanje Ni-P ne zahteva zunanjega vira energije in lahko tvori enoten premaz na zapletenih geometrijskih površinah. Vendar sta filmska plast in keramična podlaga večinoma fizično adsorbirana, kar ima za posledico šibek oprijem (običajno<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.
Medtem ko je z galvanizacijo Ni mogoče doseči nizko-napetostne premaze, je izredno občutljiv na čistočo postopka predobdelave, kar lahko povzroči napake, kot so mehurji in luknjice. Poleg tega zaradi vpliva porazdelitve električnega polja globoke luknje ali območja utorov v natančnih metaliziranih aluminijastih keramičnih komponentah pogosto kažejo neenakomerno prevleko, kar ima za posledico slabo enakomerno prevleko.
Metoda Ag(Ni), ki vključuje nanašanje gnojevke, ki ji sledi znižanje visoke-temperature, da se tvori kovinska plast, je preprosta in ponuja dobro prevodnost. Vendar pa je plast Ag nagnjena k migraciji ionov pri visoki temperaturi, visoki vlažnosti in enosmernih električnih poljih, kar vodi do okvare izolacije. Medtem ko ima sloj Ni nizko mobilnost, je film na splošno tanek, prekinjen in nima zadostne odpornosti proti koroziji.
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). Vendar pa zahteva visoko{2}}temperaturno sintranje pri 1300–1500 stopinjah, kar ima za posledico visoko porabo energije. Poleg tega grobi delci prahu Mo-Mn povzročajo grob in neenakomeren film, zaradi česar je neprimeren za visoko-natančno obdelavo aluminijevih keramičnih delov.
Ključni dejavniki, ki vplivajo na kakovost metalizacije
1. Združljivost filmskega materiala: idealen metalizacijski sistem mora uravnotežiti oprijem, prevodnost in varivost. Kompozitna struktura Ni-Cu/Ag je zaradi gradientnega CTE, kemične združljivosti in zmožnosti blokiranja difuzije Ag postala standardna rešitev za visoko-frekvenčne,-naprave z veliko močjo.
2. Optimizacija debeline filma: Pretanek (<0.5 μm) films cannot form a continuous film, resulting in insufficient adhesion; too thick (>3 μm) folije povečajo notranjo napetost in zmanjšajo plastičnost. Poskusi kažejo, da prehodna plast Ni-Cu doseže najvišjo medfazno adhezijo 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, kar zagotavlja čisto in aktivno podlago za brizganje.
Scenariji uporabe in prihodnji trendi
Napajalni elektronski moduli: substrati IGBT uporabljajo napredne keramične metalizirane dele (HAMP) z visoko čistostjo aluminijevega oksida za doseganje povezav z nizkim toplotnim uporom z napršeno metalizacijo.
Vakuumske elektronske naprave: metalizirani keramični deli v elektronkah s potujočimi valovi (TWT) in magnetroni zahtevajo visoko hermetičnost; gosti, ne{0}}porozni napršeni filmi so boljši od poroznih sintranih slojev.
5G RF naprave: Pomemben kožni učinek pri visokih frekvencah zahteva izjemno nizek površinski upor elektrod, zaradi česar je zgornja plast Ag nepogrešljiva.
V prihodnosti se bo industrija osredotočila na tri glavne smeri: prvič, razvoj novih gradientnih kompozitnih tarč (kot je W-Ni-Fe) za nadaljnje ujemanje CTE; drugič, kombiniranje nanašanja atomske plasti (ALD) za doseganje pod-nanometrskega nadzora vmesnika; in tretjič, spodbujanje opreme za brizganje z valj-na-valj (R2R) za zmanjšanje proizvodnih stroškov metalizirane keramike iz aluminijevega oksida.
Zaključek
Od Mo-Mn-visokotemperaturnega sintranja do Ni-Cu/Ag kompozitnega naprševanja, vsak korak naprej v tehnologiji visoko-metaliziranih keramičnih komponent izhaja iz prizadevanja za vedno višje meje zmogljivosti. S hitrim širjenjem polprevodniških naprav s široko-pasovno vrzeljo, kot sta silicijev karbid in galijev nitrid, natančna metalizirana keramika ni več le povezovalni medij, temveč ključne omogočitvene tehnologije, ki določajo celotno toplotno-električno-mehansko zanesljivost sistemov. Samo z nenehnim optimiziranjem materialnih sistemov in procesnih oken je mogoče zaščititi varnost in življenjsko dobo osnovnih naprav v ekstremnih pogojih delovanja.
Kontaktirajte nas
Če želite izvedeti več o načelih oblikovanja filma, tipičnih načinih odpovedi ali oknih parametrov procesa naprševanjaMetalizirana keramika za električne komponente, kontaktirajte nas. Zagotovili vam bomo strokovne tehnične informacije in inženirsko podporo.
