1 Ievads
Keramikas materiāli ir neorganisku nemetālisku materiālu klase, kas veidoti no dabīgiem vai sintētiskiem savienojumiem, veidojot un saķepinot augstā temperatūrā{1}}. Tiem ir tādas priekšrocības kā augsts kušanas punkts, augsta cietība un augsta nodilumizturība, un tos var izmantot kā strukturālus materiālus un funkcionālus materiālus, piedāvājot plašas pielietojuma iespējas [1]. Keramikas materiālu saķepināšana galvenokārt ir process, kurā viens vai vairāki cieto izejvielu pulveri tiek transportēti augstā temperatūrā, izraisot pulvera agregāciju un blīvēšanu. Šis process parasti aizņem vairākas stundas vai pat desmitiem stundu. Makroskopiski saķepināšana izpaužas kā palielināts blīvums un izturība; būtībā tas ir enerģijas samazinājums no daļiņu virsmas enerģijas līdz saskarnes enerģijai, ko izraisa atomu difūzija ķīmisko potenciālu gradientu ietekmē dažādās vietās, un mikroskopiski tas izpaužas kā poru likvidēšana starp graudiem [2].
2 Metalizācijas procesi
2.1 Tiešā pārklājuma vara metalizācija
Tiešās pārklājuma vara (DPC) metalizācijas procesā pēc substrāta lāzera-urbšanas un rūpīgas tīrīšanas uz tīras, žāvētas keramikas pamatnes tiek uzklāts sēklas slānis. Pēc tam tiek uzklāta sausa plēve, kam seko izstrāde un ekspozīcija, un pēc tam tiek veikta galvanizācija, lai izveidotu vēlamo metāla shēmu. Pēc tam tiek noņemta liekā sausā plēve un sēklu slānis, un uz vara virsmas tiek pārklāts neaktīvs metāls, lai aizsargātu vara slāni turpmākajos cietlodēšanas procesos.
Lai gan DPC keramikas pamatnēm ir tādas priekšrocības kā augsta siltumvadītspēja, augsta ķēdes precizitāte un samazināts iepakojuma apjoms, izmantojot -caurumu starpsavienojumus, vara slāņa biezums parasti ir ierobežots līdz 150 μm galvanizācijas procesa ierobežojumu dēļ. Pašlaik DPC tehnoloģija galvenokārt tiek izmantota lieljaudas gaismas diožu-iepakošanai. Augstas -siltuma-ģenerācijas lietojumos, piemēram, augstas-spilgtības gaismas diodes un dziļās-ultravioletās gaismas diodes, siltuma izkliedēšanai aizmugurē ir nepieciešams ne tikai augstas -siltuma vadītspējas{10}} substrāts, bet arī priekšpuses{11}puses iepakojuma materiāliem ir jāņem vērā termiskā stabilitāte. Tradicionālie sveķu iepakojuma materiāli ir pakļauti novecošanai un sabojāšanai ultravioletā gaismā un augstā temperatūrā. Tāpēc pašreizējie pētījumi mēdz izmantot arī neorganiskus vai metāliskus materiālus, piemēram, kaolīnu, niķeli un varu, lai veidotu aizsprostu struktūras uz DPC substrātiem, apvienojumā ar caurspīdīgu kvarca iekapsulāciju, lai uzlabotu ierīces uzticamību [3].
Pašlaik tiešās pārklājuma vara metalizācijas process ir plaši izmantots, taču tas joprojām saskaras ar tādām problēmām kā zema efektivitāte, slikta caur{0}}pildīšana un slikta vannas daudzpusība. Tostarp slikta -aizpildīšana var ietekmēt ierīces veiktspēju, stabilitāti un uzticamību. Iemesls ir tāds, ka galvanizācijas laikā varš mēdz vieglāk nogulsnēties uz cauruma virsmas, izraisot cauruma aizvēršanos, pirms iekšpuse ir pilnībā piepildīta, galu galā veidojot tukšumus cauruma iekšpusē. Galvaniskās pārklājuma kvalitāti, izmantojot pildījumu, ietekmē pārklājuma strāva un piedevu sastāvs; optimizējot apšuvuma šķīduma sastāvu un papildu procesa parametrus, var uzlabot -pildījuma kvalitāti.
Turklāt DPC keramikas pamatnēm galvanizācijas laikā var rasties problēmas, tostarp pārmērīgi ilgs pārklājuma laiks, nevienmērīgs pārklājuma biezums un makroskopiski atlikušie spriegumi pārklājumā. Tostarp pārmērīgs atlikušais spriegums var izraisīt pārklājuma plaisāšanu vai deformāciju, un atlikušā sprieguma uzkrāšanās vara slānī var ietekmēt keramikas pamatnes termisko stabilitāti [4].
2.2. Tiešā savienojuma vara metode
Tiešā savienojuma vara (DBC) tehnoloģiju pirmo reizi ieviesa Burgess et al. 1973. gadā [5]. Tās pamatprincips ir tāds, ka oksīda slānis uz vara folijas virsmas augstā temperatūrā veido Cu-O eitektisko kausējumu. Šim kausējumam ir lieliskas mitrināšanas īpašības, un 1065 grādu eitektiskajā temperatūrā tas var efektīvi savienot keramikas substrātu ar nereaģējušo vara foliju, nodrošinot spēcīgu saiti pēc atdzesēšanas un sacietēšanas.
Netālu no 1065 grādiem veidojas Cu-O eitektiskā fāze. Tā kā tīra vara kušanas temperatūra ir 1083 grādi, eitektiskā saistīšana jāveic temperatūras diapazonā no 1065 grādiem līdz 1083 grādiem, un faktiskās darbības galvenokārt koncentrējas no 1070 grādiem līdz 1075 grādiem. Atdzesēšanas laikā pārsātinātais skābeklis Cu–O eitektikā izgulsnējas kā Cu₂O; Al2O3 vai AlN keramikā var parādīties arī papildu reakcijas produkti, piemēram, CuAlO₂ un CuAl2O4 [5]. Eitektiskā šķidruma veidošanās un skābekļa saturs ir ļoti svarīgi savienojuma efektivitātei. Ņemot vērā, ka skābekļa difūzijas ātrums vara kausējumā ir ārkārtīgi zems (10⁻⁵ cm²/s), savienošanas procesā ir grūti ievadīt pietiekamu skābekļa daudzumu; tāpēc parasti veic vara folijas iepriekšēju -oksidāciju, veidojot Cu₂O uz vara folijas virsmas, lai veicinātu eitektiskā šķidruma veidošanos. Skābekļa saturs varā arī būtiski ietekmē savienojuma saskarnes stiprību, tāpēc precīza šī parametra kontrole ir galvenais savienojuma darbības nodrošināšanas aspekts [6].
Tiešā savienojuma vara procesam ir nepieciešami īpaši substrāti. Tīram vara kausējumam ir slikta Al2O3, AlN un Si3N4 mitrināmība, saskares leņķiem pārsniedzot 130 grādus. Palielinot skābekļa parciālo spiedienu savienošanas laikā un skābekļa saturu vara kausējumā, saskares leņķi uz Al2O3 virsmām var ievērojami samazināt [7]. Lai gan AlN mitrināmību var arī uzlabot, palielinot skābekļa parciālo spiedienu savienošanas laikā, savienojot vakuuma vidē vai pagarinot saistīšanas laiku, efekts ir ļoti ierobežots [8]. Tāpēc AlN parasti tiek iepriekš -oksidēts, veidojot Al2O3 virsmas slāni, un pēc tam savienots, izmantojot iepriekš minētās metodes. Tomēr neviena no šīm metodēm nevar viegli uzlabot vara kausējuma mitrināmību uz Si3N4, tāpēc DBC reti tiek izmantots Si3N4.
2.3. Aktīvā metāla cietlodēšanas metalizācija
Jauno enerģijas transportlīdzekļu nozarē SiC moduļi tiek augstu novērtēti. Tomēr, kad SiC barošanas ierīču savienojuma temperatūra paaugstinās līdz 250 grādiem, DBC keramikas substrātu sliktā temperatūras -cikla uzticamība augstas temperatūras apstākļos ierobežo to izmantošanu. Lai risinātu šo problēmu, pētnieki izstrādāja AMB (Active Metal Brazed) keramikas substrātus.
Pirmkārt, uz tīras keramikas pamatnes tiek uzklāts plāns lodēšanas slānis. Pēc tam uz lodmetāla tiek uzlikta vara folija, un komplektu silda vakuuma vidē 800 līdz 950 grādu temperatūrā, lai izkausētu lodmetālu. Atdzesējot, veidojas izturīgs savienojums. Pēc tam tiek izmantota mitrā kodināšana, lai izveidotu metāliskus rakstus, kas atbilst lieljaudas ierīču elektrisko starpsavienojumu prasībām.
Tā kā parastie metāli parasti uzrāda sliktu mitrināmību uz keramikas pamatnēm, aktīvās metāla lodmetālus parasti izmanto, lai uzlabotu mitrināmību un uzlabotu savienojumu izturību. Aktīvie metāla lodmetāli satur vismaz vienu aktīvo metāla elementu, un pašlaik galvenie aktīvie elementi ir Ti un lantanīda elementi. AMB procesos parasti izmantotie aktīvās lodmetāli ietver Sn-Ag-Ti un Ag-Cu-Ti sistēmas, kur Ti kalpo kā aktīvais metāls, lai uzlabotu lodēšanas un keramikas mitrināšanu, savukārt Sn un Ag darbojas, lai pazeminātu kušanas temperatūru un uzlabotu savienojuma siltumvadītspēju.
Tomēr AMB process ir jāveic augstā vakuumā vai aizsargājošā atmosfērā, kas ierobežo tā procesa pielietojamību. Lai pārvarētu šo ierobežojumu, pētnieki ir izstrādājuši reaktīvās gaisa cietlodēšanas (RAB) tehnoloģiju, ko var veikt gaisā. RAB izmantotie lodēšanas pildvielas metāli galvenokārt sastāv no cēlmetāliem (piemēram, Ag, Ag–Pd sakausējumiem) un metālu oksīdiem (piemēram, CuO, V2O5 [9], Nb2O5, SiO₂ un Al2TiO5), tādējādi nodrošinot savienojumu ar labu oksidācijas izturību. RAB laikā metālu oksīdi var pieķerties keramikas pamatnes virsmai un reaģēt ar to, uzlabojot keramikas substrāta mitrināmību, izmantojot izkausētā pildvielas metāla un saskarnes sinerģisku darbību. Tikmēr cēlmetālu labā elastība palīdz mazināt savienojuma iekšējos termiskos spriegumus, un metālu oksīdu pievienošana palīdz samazināt atlikušos spriegumus, kas rodas no CTE nesakritības starp savienojumu un keramikas matricu.
Aktīvā metāla cietlodēšana nodrošina priekšrocības, piemēram, vienkāršu aprīkojumu un procesu, augstu uzticamību un nekādu ierobežojumu keramikas pamatnes veidiem, padarot to par visdaudzsološāko metalizācijas procesu lielas{0}}jaudas ierīču lietojumiem. Tomēr, ņemot vērā lieljaudas elektronisko ierīču nozares straujo attīstību, tiek izvirzīti augstāki AMB procesu mehānisko īpašību un -ilgtermiņa darbības uzticamības standarti, tādēļ nepieciešama nepārtraukta optimizācija un uzlabošana. Tajā pašā laikā AMB keramikas substrāti saskaras ar tādu pašu tehnisku nepietiekamu ķēdes precizitāti kā DBC substrāti. Ja var izstrādāt jaunas tehnoloģijas, lai panāktu ķēdes precizitāti, kas ir salīdzināma ar DPC procesa precizitāti, paredzams, ka AMB keramikas substrāti nākotnē aizstās citus līdzīgus substrātus, parādot lielu pielietojuma potenciālu [4].
2.4. Lāzera-metalizācija
Lāzera{0}}inducētajā metalizācijas procesā lāzera staru izmanto, lai selektīvi apstaro alumīniju{1}}saturošu keramikas substrātu. Apstarotais keramikas materiāls tiek reducēts līdz aktivizētiem metāla atomiem. Pēc tam substrāts tiek iegremdēts bezelektroniskā pārklājuma šķīdumā, kas satur Cu²⁺, kur aktivētie atomi veicina Cu²⁺ reducēšanos un tā nogulsnēšanos uz apstarotajām zonām, veidojot metāla ķēdes modeļus [10].
Bezelektroniskā galvanizācija ir autokatalītisks redoksprocess, kam nav nepieciešama ārēja strāva; metālu jonus reducē par cietu metālu ar ķīmiskiem reducētājiem šķīdumā [11], un enerģiju, kas veicina šo samazināšanu, nodrošina šķīdumā esošie ķīmiskie reducētāji. Parasti metāla jonus pārklājuma vannā nav viegli spontāni reducēt, un katalizators bieži ir nepieciešams kā starpposma vide, lai samazinātu aktivācijas enerģiju metāla kodēšanai. Kad katalizatora daļiņas ir veiksmīgi nogulsnētas uz substrāta virsmas, var tikt aktivizēta liela mēroga metāla nogulsnēšanās.
Lāzera -inducēta metalizācija parasti tiek veikta uz alumīniju-saturošiem substrātiem, jo lāzera apstarošana var veidot aktivētus Al atomus. Tomēr Al atomu katalītiskā veiktspēja nav ideāla, un ir nepieciešami citi katalizatori, lai uzlabotu nogulsnēšanas efektivitāti.
Lāzera{0}}inducēto metalizācijas procesu dizains ir ļoti jutīgs pret lāzera parametriem, keramikas substrāta īpašībām un galvanizācijas procesa parametriem. Lai gan šis paņēmiens apvieno vara galvanizācijas izmaksu priekšrocības ar LAM (lāzera -palīdzētās metalizācijas) procesu ķēdes augsto precizitāti, lāzeriekārtu augstās izmaksas un vides piesārņojums, ko rada elektroinstalācija, joprojām ir svarīgi faktori, kas ierobežo tā tālāku plašo ieviešanu.
2.5. Biezās-plēves metalizācija
Biezās-plēves metalizācija ietver metāla slāņu-drukāšanu blīvēšanai, vadītāju (ķēžu vadu), rezistoru utt. uz keramikas pamatnēm, kam seko saķepināšana, lai veidotu cietlodēšanas metāla slāņus, ķēdes un svina piestiprināšanas punktus. Biezās -plēves pastas parasti sastāv no metāla pulveriem, kuru daļiņu izmērs ir aptuveni 1,5 μm, dažiem procentiem pastāvīgās saistvielas un organiskā nesēja (tostarp organiskos šķīdinātājus, biezinātājus, virsmaktīvās vielas utt.), ko sagatavo ar lodīšu frēzēšanu un samaisīšanu. Biezās -plēves metalizācijas soļi parasti ietver: raksta dizainu un mākslas darbu sagatavošanu, pastas sagatavošanu, sietspiedi, žāvēšanu un saķepināšanu [12].
Biezās{0}}plēves metalizācijā tiek izmantots sietspiedes princips. Pirmkārt, alumīnija nitrīda keramikas pamatnei tiek piestiprināti nepieciešamie metāla slāņi iepakojumam vai elektroniskām sastāvdaļām, piemēram, rezistori. Pēc tam metāla slāņi un elektroniskie komponenti tiek savienoti ar keramikas pamatnes virsmu, izmantojot augstas temperatūras saķepināšanu, panākot stingrus savienojumus starp visām daļām. Šim procesam ir plašs pielietojums elektronisko ierīču iepakojumā un ķēžu elektroinstalācijā. Vadošā pasta ir galvenais faktors, kas ietekmē biezās-plēves metalizācijas kvalitāti; tā sastāvs galvenokārt sastāv no metāla pulveriem (1–5 μm), stikla, saistvielām un organiskā nesēja, kas sajaukts ar lodīšu frēzēšanu [13].
Biezās -plēves metalizācijas metode ir piemērojama dažādiem keramikas veidiem, un tai ir vienkāršs process [14]. Tomēr, ņemot vērā ekrāna izmērus un vadošās pastas, ir grūti izgatavot vadus, kuru līnijas platums ir mazāks par 60 μm. Metāla slāņa elektriskās īpašības un adhēzijas stiprība ir salīdzinoši slikta, tāpēc tas ir piemērots tikai elektroniskām ierīcēm ar zemākām jaudas un izmēra prasībām. Vadītspējīgas pastas, kas īpaši piemērotas alumīnija nitrīda biezās -plēves metalizācijai, joprojām ir salīdzinoši maz, un komerciāli pieejamie pastas preparāti nav tieši pielietojami; pretējā gadījumā saskarnē var rasties pūslīši [15].
2.6. Plānas-plēves metalizācija
Plānas-plēves metalizācija ir process, kurā metāla materiāli tiek iztvaicēti un uzklāti uz keramikas virsmām, izmantojot fiziskas tvaiku pārklāšanas metodes, piemēram, vakuuma iztvaicēšanu vai izsmidzināšanu, veidojot plānu metāla plēvi, kam seko maskēšana, kodināšana un citas darbības, lai izveidotu metalizētas ķēdes modeļus.
Teorētiski šis process, iztvaicējot vai izsmidzinot, uz dažādiem substrāta materiāliem var veidot mikro{0}mēroga vienādas metāla plēves. Tomēr, ņemot vērā būtiskās atšķirības starp keramikas un metāla vara termiskās izplešanās koeficientiem, tieša vara nogulsnēšanās uz alumīnija nitrīda keramikas rada lielus spriegumus starp metāla un keramikas slāņiem, ietekmējot pārklājuma saķeres izturību ar keramiku un pamatnes termiskā cikla stabilitāti. Tāpēc pēdējos gados ir kļuvušas populāras daudzslāņu uzklāšanas metodes. Pirmais slānis parasti ir Ti slānis, bet otro slāni izvēlas no tādiem metāliem kā Cu, Ag vai Au. Kad dislokācijas slīdēšana un mijiedarbība vienā slānī lielo iekšējo spriegumu dēļ tiek pārnesta uz citu slāni, tiek mazināti arī iekšējie spriegumi metāla slānī.
Plānas-plēves metalizācija nodrošina augstu kvalitāti, spēcīgu adhēziju, vienmērīgu pārklājumu un smalku raksta izšķirtspēju. Tomēr tas var radīt tikai ļoti plānus metāla slāņus, un sagatavošanas process ir salīdzinoši sarežģīts, ietverot vairākas darbības, tostarp virsmas apstrādi, metāla nogulsnēšanos un pēcapstrādi, kas prasa stingru procesa parametru kontroli. Tas rada augstas ražošanas izmaksas, kas būtiski ierobežo tā attīstību.