Phân tích các lộ trình công nghệ kim loại hóa cho chất nền gốm nhôm nitrit: Từ chất nền gốm đến độ tin cậy cao-Ứng dụng đóng gói điện tử

Trong-các lĩnh vực ứng dụng năng lượng cao-chẳng hạn như phương tiện sử dụng năng lượng mới, chất bán dẫn điện, hệ thống lưu trữ năng lượng và điện tử công suất-hiệu suất tản nhiệt và độ tin cậy của cấu trúc là những yếu tố quan trọng cho hoạt động ổn định, lâu dài của các thiết bị điện tử. Nhờ tính dẫn nhiệt cao, tổn thất điện môi thấp, đặc tính cách nhiệt tuyệt vời và độ ổn định nhiệt tốt, gốm nhôm nitrit (AlN) ngày càng trở thành vật liệu nền quan trọng cho bao bì điện tử công suất cao.

 

Tuy nhiên, vì nhôm nitrit vốn là vật liệu cách điện nên nó không thể trực tiếp tạo điều kiện thuận lợi cho việc kết nối điện hoặc dẫn truyền tín hiệu. Do đó, trước khi có thể sử dụng nó trong mô-đun điện, bao bì bán dẫn hoặc các bộ phận điện-điện áp cao, công nghệ kim loại hóa bề mặt phải được sử dụng để truyền tính dẫn điện cho chất nền gốm và đảm bảo liên kết đáng tin cậy giữa gốm và kim loại.

 

Thách thức cốt lõi trong quá trình kim loại hóa gốm nằm ở sự khác biệt cơ bản giữa các vật liệu: nhôm nitrit là hợp chất được đặc trưng bởi liên kết cộng hóa trị mạnh, trong khi kim loại thường có liên kết kim loại. Sự chênh lệch này dẫn đến các vấn đề như khả năng thấm ướt kém và hệ số giãn nở nhiệt (CTE) không khớp. Trong môi trường hoạt động ở nhiệt độ-cao, độ bền liên kết giữa lớp kim loại và gốm không đủ có thể dẫn đến hư hỏng như bong tróc bề mặt hoặc nứt do ứng suất nhiệt. Do đó, việc phát triển các quy trình kim loại hóa gốm có độ tin cậy cao là rất quan trọng để thúc đẩy ứng dụng công nghiệp của chất nền gốm.

 

Hiện tại, nhiều kỹ thuật kim loại hóa khác nhau được sử dụng cho chất nền gốm nhôm nitrit, bao gồm kết nối cơ học, công nghệ màng-dày, hàn kim loại hoạt tính (AMB), đồng-nung, quy trình màng mỏng-, đồng liên kết trực tiếp (DBC) và đồng mạ trực tiếp (DPC).

 

 

 

Kết nối cơ học là một trong những phương pháp sớm nhất được sử dụng để nối gốm và kim loại. Nó dựa vào thiết kế cấu trúc và ứng suất cơ học-chẳng hạn như-khớp co hoặc bắt vít-để cố định nền gốm vào thành phần kim loại.

 

Phương pháp này bao gồm một quy trình tương đối đơn giản, yêu cầu thiết bị tối thiểu và mang lại sự linh hoạt trong sản xuất đáng kể. Tuy nhiên, do kết nối tại giao diện chủ yếu dựa vào lực cơ học bên ngoài nên ứng suất cơ học đáng kể có thể phát triển trong quá trình-chuyển nhiệt dài hạn hoặc rung động ở nhiệt độ-cao; do đó, nó không phù hợp với các ứng dụng yêu cầu độ tin cậy cao hoặc hoạt động ở nhiệt độ-cao.

 

Mặt khác, công nghệ liên kết bao gồm việc đưa vật liệu kết dính hữu cơ giữa gốm và kim loại để tạo thành cấu trúc liên kết thông qua quá trình đóng rắn. Cách tiếp cận này cho phép kết nối các hệ thống vật liệu khác nhau-chẳng hạn như kết hợp cấu trúc cách điện bằng gốm với thành phần kim loại dẫn điện để tạo ra một tổ hợp tích hợp.

 

Tuy nhiên, do khả năng chịu nhiệt độ hạn chế của vật liệu liên kết hữu cơ nên độ tin cậy của chúng bị hạn chế trong các môi trường đòi hỏi khắt khe như các thiết bị điện tử công suất cao-và hệ thống HVDC (Dòng điện một chiều điện áp cao). Do đó, chúng hiện chủ yếu được sử dụng để cố định cấu trúc trong môi trường-nhiệt độ thấp, ứng suất-thấp.

 

 

Công nghệ màng dày là một quy trình-được thiết lập tốt để kim loại hóa bề mặt gốm. Kỹ thuật này thường sử dụng phương pháp in lụa để bôi chất dán dẫn điện-chứa bột kim loại-lên bề mặt gốm sứ nhôm nitrit (AlN). Các bước sấy khô và thiêu kết ở nhiệt độ-cao tiếp theo đảm bảo lớp kim loại liên kết chắc chắn với nền gốm.

 

Bột nhão dẫn điện thường bao gồm bột kim loại, chất kết dính thủy tinh và chất hữu cơ; bột kim loại quyết định độ dẫn điện và độ bền cơ học cuối cùng. Các kim loại thường được sử dụng bao gồm bạc, đồng và niken.

 

Quá trình này mang lại những ưu điểm như hiệu quả sản xuất cao, chi phí thấp và kỹ thuật hoàn thiện, khiến nó phù hợp cho việc sản xuất hàng loạt chất nền gốm điện tử. Hơn nữa, việc tối ưu hóa công thức dán cho phép đạt được hiệu suất điện tuyệt vời và độ tin cậy của chu trình nhiệt.

 

Tuy nhiên, do giới hạn độ phân giải của in ấn màn hình, kích thước mạch được tạo ra bởi quy trình-phim dày tương đối lớn, gây khó khăn cho việc đáp ứng các yêu cầu về mạch có mật độ-cao, cao độ{2}}mịn. Do đó, nó chủ yếu được áp dụng trong đóng gói điện tử công suất nơi yêu cầu về độ chính xác của mạch ít nghiêm ngặt hơn.

 

 

 

Hàn kim loại chủ động (AMB) là công nghệ then chốt để đạt được các kết nối gốm-với-kim loại có độ tin cậy cao. Quá trình này bao gồm việc thêm các nguyên tố hoạt tính-chẳng hạn như titan (Ti), zirconi (Zr), nhôm (Al) hoặc niobium (Nb)-vào kim loại hàn hàn truyền thống. Các nguyên tố này phản ứng hóa học với bề mặt gốm nhôm nitrit tạo thành lớp chuyển tiếp phản ứng ổn định.

 

Lớp chuyển tiếp này cải thiện khả năng thấm ướt giữa kim loại và gốm, cho phép hợp kim hàn nóng chảy tạo thành liên kết luyện kim với gốm, từ đó tăng cường độ bền của mối nối.

 

Công nghệ AMB đặc biệt-phù hợp với các ứng dụng năng lượng-nhiệt độ cao,{2}}cao, chẳng hạn như sản xuất mô-đun bán dẫn công suất, thiết bị điện-điện áp cao và vỏ gốm kim loại cho chất bán dẫn điện. Vì các nguyên tố phản ứng dễ dàng phản ứng với oxy ở nhiệt độ cao nên quá trình này thường đòi hỏi môi trường chân không hoặc môi trường bảo vệ; do đó, nó đặt ra yêu cầu cao về thiết bị và môi trường sản xuất, dẫn đến chi phí sản xuất tương đối cao.

 

 

Công nghệ đồng-nung liên quan đến việc in bột nhão của các kim loại-có điểm nóng chảy-cao-chẳng hạn như vonfram hoặc molypden-lên bề mặt các tấm gốm màu xanh lá cây nhôm nitrit, sau đó là đồng-thiêu kết với vật liệu gốm để tạo ra cấu trúc tích hợp bao gồm lớp dẫn điện và nền gốm.

 

Dựa trên nhiệt độ thiêu kết, công nghệ nung-đồng nung chủ yếu được phân loại thành Gốm nung-Nhiệt độ-thấp (LTCC) và Gốm sứ nung-Nhiệt độ cao-(HTCC).

 

HTCC thường được thiêu kết ở nhiệt độ trên 1600 độ. Nó có độ bền cơ học, khả năng chịu nhiệt và độ kín tuyệt vời, khiến nó đặc biệt phù hợp với-các thiết bị điện tử công suất cao, hệ thống điện tử hàng không vũ trụ và-các ứng dụng đóng gói có độ tin cậy cao.

 

Ưu điểm chính của-công nghệ đồng đốt là khả năng hiện thực hóa các thiết kế mạch nhiều lớp, dẫn đến cấu trúc mạch nhỏ gọn hơn; hơn nữa, do dây dẫn và gốm được hình thành đồng thời nên độ ổn định của cấu trúc tổng thể được nâng cao.

 

Trong các ứng dụng-DC (HVDC) điện áp cao-chẳng hạn như các cấu trúc cách nhiệt quan trọng như vỏ gốm cho công tắc tơ HVDC, vật liệu gốm nung-đồng{3}}đáp ứng các yêu cầu về hoạt động đáng tin cậy trong điều kiện nhiệt độ cao và tăng điện áp liên tục.

 

 

Công nghệ kim loại hóa màng mỏng-chủ yếu sử dụng phương pháp lắng đọng hơi vật lý (PVD) để lắng đọng một lớp kim loại mỏng lên bề mặt nền gốm, sau đó là các quy trình sản xuất chất bán dẫn-chẳng hạn như quang khắc và khắc axit-để tạo thành các mạch chính xác.

 

So với quy trình màng-dày, công nghệ màng-mỏng là một phương pháp sản xuất trừ dần có khả năng đạt được độ rộng đường mảnh hơn và mật độ mạch cao hơn, khiến nó được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị điện tử có độ chính xác-tần số cao,{3}}cao.

 

Phương pháp này cho phép sản xuất các thành phần gốm alumina được kim loại hóa chính xác, mang lại những lợi thế khác biệt trong đóng gói vi điện tử, thiết bị RF và mô-đun nguồn hiệu suất cao.

 

Tuy nhiên, do độ dày tối thiểu của lớp kim loại nên khả năng mang dòng điện-bị hạn chế trong các ứng dụng-dòng điện cao. Ngoài ra, sự khác biệt về hệ số giãn nở nhiệt (CTE) giữa gốm và kim loại có thể tạo ra ứng suất trong quá trình luân nhiệt; do đó, cấu trúc kim loại nhiều lớp thường được sử dụng để nâng cao độ tin cậy liên kết.

 

 

Đồng liên kết trực tiếp (DBC) là công nghệ liên kết đồng gốm-được sử dụng rộng rãi. Nguyên lý cơ bản của nó liên quan đến việc đưa oxy vào bề mặt tiếp xúc giữa lớp đồng và gốm; quá trình xử lý nhiệt độ-cao tạo ra pha lỏng eutectic đồng{3}}oxy, cho phép liên kết trực tiếp giữa vật liệu đồng và bề mặt gốm.

 

Công nghệ DBC có đặc điểm là các lớp đồng dày, khả năng mang dòng điện cao{0}}và hiệu suất tản nhiệt tuyệt vời. Do đó, nó được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị điện tử công suất cao-chẳng hạn như bộ biến tần cho phương tiện sử dụng năng lượng mới, mô-đun nguồn và bộ chuyển đổi lưu trữ năng lượng.

 

Do khó liên kết đồng với gốm nhôm nitrit (AlN), bề mặt gốm thường yêu cầu-xử lý trước quá trình oxy hóa để tạo thành lớp chuyển tiếp ổn định tại bề mặt, nhờ đó nâng cao độ tin cậy của kết nối.

 

 

Đồng mạ trực tiếp (DPC) là công nghệ kim loại hóa gốm mới kết hợp các quy trình sản xuất chất bán dẫn.

 

Phương pháp này bắt đầu bằng cách hình thành một lớp hạt đồng trên bề mặt gốm bằng cách sử dụng kỹ thuật lắng đọng hơi vật lý (PVD), chẳng hạn như phún xạ magnetron hoặc bay hơi chân không. Sau đó, các quy trình bao gồm phơi nhiễm, phát triển và mạ điện được sử dụng để tăng độ dày lớp đồng và đạt được-chế tạo mạch có độ chính xác cao.

 

Công nghệ DPC có nhiệt độ sản xuất thấp, độ chính xác mạch cao và thiết kế cấu trúc linh hoạt. Nó phù hợp cho các ứng dụng như cấu trúc kết nối điện tử mật độ-cao và gốm kim loại cho các bộ phận điện.

 

So với các kỹ thuật thiêu kết ở nhiệt độ cao{0}}truyền thống, DPC giảm thiểu tác động của quá trình xử lý nhiệt đến đặc tính vật liệu; tuy nhiên, quy trình mạ điện đòi hỏi các yêu cầu nghiêm ngặt về bảo vệ môi trường và độ dày lớp đồng bị giới hạn bởi khả năng của quy trình.

 

 

Với sự phát triển nhanh chóng của các phương tiện sử dụng năng lượng mới, lưới điện thông minh, hệ thống lưu trữ năng lượng và ngành công nghiệp bán dẫn thế hệ thứ ba,{0}}nhu cầu về vật liệu đóng gói điện tử có khả năng tản nhiệt cao và độ tin cậy cao tiếp tục tăng.

 

Trong tương lai, công nghệ kim loại hóa gốm nhôm nitrit sẽ phát triển theo hướng có độ tin cậy cao hơn, độ chính xác cao hơn và tích hợp đa chức năng. Bằng cách tối ưu hóa cấu trúc giao diện, cải thiện thiết kế các lớp chuyển tiếp kim loại và tăng cường kiểm soát quy trình sản xuất, độ bền liên kết giữa gốm và kim loại có thể được cải thiện hơn nữa.

 

Các cấu trúc kim loại hóa gốm tiên tiến-chẳng hạn như gốm kim loại chính xác, các bộ phận gốm kim loại có độ bền-cao và-các bộ phận kim loại hóa gốm tiên tiến có độ chính xác cao bằng alumina-đang ngày càng đóng vai trò là thành phần nền tảng quan trọng trong chất bán dẫn điện, rơle điện áp-cao, hệ thống lưu trữ năng lượng và hệ thống điện tử cho các phương tiện sử dụng năng lượng mới.

 

Phát triển từ các kỹ thuật-màng dày và đồng{1}}nung truyền thống đến các quy trình xử lý tiên tiến như AMB, DBC và DPC, công nghệ luyện kim gốm liên tục vượt qua các ranh giới vật liệu, mang đến các giải pháp kết nối điện và quản lý nhiệt hiệu quả và đáng tin cậy hơn cho các thiết bị điện tử công suất cao-.