1 Introduksjon
Keramiske materialer er en klasse av uorganiske ikke-metalliske materialer dannet av naturlige eller syntetiske forbindelser gjennom forming og høy-temperatursintring. De har fordeler som høye smeltepunkter, høy hardhet og høy slitestyrke, og kan brukes som strukturelle materialer og funksjonelle materialer, og tilbyr brede bruksmuligheter [1]. Sintring av keramiske materialer er først og fremst en prosess der ett eller flere faste råmaterialepulver gjennomgår materialtransport under høy-temperaturoppvarming, noe som får pulveret til å aggregere og tette. Denne prosessen tar vanligvis flere timer eller titalls timer. Makroskopisk manifesterer sintring seg som økt tetthet og styrke; i hovedsak er det en energireduksjon fra partikkeloverflateenergi til grensesnittenergi, drevet av atomdiffusjon under kjemiske potensialgradienter på forskjellige steder, og mikroskopisk manifesterer det seg som eliminering av porer mellom korn [2].
2 Metalliseringsprosesser
2.1 Direkte belagt kobbermetallisering
I metalliseringsprosessen for direkte belagt kobber (DPC), etter at substratet er laser-boret og grundig rengjort, avsettes et frølag på det rene, tørkede keramiske substratet. En tørr film påføres deretter, etterfulgt av fremkalling og eksponering, og deretter utføres galvanisering for å generere de ønskede metallkretsene. Deretter fjernes overflødig tørrfilm og frølag, og et ikke-aktivt metall belegges på kobberoverflaten for å beskytte kobberlaget for påfølgende loddingsprosesser.
Selv om DPC-keramiske substrater tilbyr fordeler som høy termisk ledningsevne, høy kretspresisjon og redusert pakkevolum gjennom -hullforbindelser, er kobberlagtykkelsen vanligvis begrenset til ikke mer enn 150 μm på grunn av begrensningene i galvaniseringsprosessen. For tiden brukes DPC-teknologi primært i pakking av høy-lysdioder. I høy-varme-applikasjoner som høy-lysstyrke og dype-ultrafiolette lysdioder, kreves det ikke bare høy-termisk-ledningsevne på baksiden for varmespredning, men front{11}}siden må også ta hensyn til stabiliteten på emballasjen og stabiliteten på siden. Tradisjonelle harpiksemballasjematerialer er utsatt for aldring og svikt under ultrafiolett lys og høye temperaturer. Derfor har nåværende forskning også en tendens til å bruke uorganiske eller metalliske materialer som kaolin, nikkel og kobber for å danne damstrukturer på DPC-substrater, kombinert med transparent kvartsinnkapsling, for å forbedre enhetens pålitelighet [3].
Foreløpig har den direkte belagte kobbermetalliseringsprosessen blitt mye brukt, men den står fortsatt overfor problemer som lav effektivitet, dårlig via-fylling og dårlig allsidighet i badekaret. Blant disse kan dårlig via-fylling påvirke enhetens ytelse, stabilitet og pålitelighet. Årsaken er at under galvanisering har kobber en tendens til å avsettes lettere på via-overflaten, noe som fører til at via-en lukkes før interiøret er helt fylt, og til slutt danner hulrom inne i via-en. Kvaliteten på galvanisert via fylling påvirkes av pletteringsstrømmen og additivformuleringen; optimalisering av pletteringsløsningens sammensetning og hjelpeprosessparametere kan forbedres via-fyllingskvalitet.
I tillegg kan DPC-keramiske substrater støte på problemer under galvanisering, inkludert for lange pletteringstider, u-jevn beleggtykkelse og makroskopiske restspenninger i belegget. Blant disse kan overdreven restspenning føre til sprekkdannelse eller vridning av belegget, og akkumulering av restspenning i kobberlaget kan påvirke den termiske stabiliteten til det keramiske underlaget [4].
2.2 Direkte bundet kobbermetode
Den direkte bundne kobber-teknologien (DBC) ble først utviklet av Burgess et al. i 1973 [5]. Dets grunnleggende prinsipp er at oksidlaget på kobberfolieoverflaten danner en Cu–O eutektisk smelte ved høy temperatur. Denne smelten har utmerkede fukteegenskaper, og ved den eutektiske temperaturen på 1065 grader kan den effektivt binde det keramiske substratet med den ureagerte kobberfolien, og sikre en sterk binding etter avkjøling og størkning.
Nær 1065 grader dannes den eutektiske Cu–O-fasen. Siden smeltepunktet for rent kobber er 1083 grader, må den eutektiske bindingen utføres i temperaturområdet 1065 grader til 1083 grader, med faktiske operasjoner for det meste konsentrert mellom 1070 grader og 1075 grader. Under avkjøling feller det overmettede oksygenet i Cu–O-eutektikken ut som Cu₂O; i Al2O3- eller AlN-keramikk kan ytterligere reaksjonsprodukter som CuAlO2 og CuAl2O4 også vises [5]. Dannelsen av den eutektiske væsken og dens oksygeninnhold er avgjørende for bindingseffektiviteten. Gitt at diffusjonshastigheten av oksygen i kobbersmelten er ekstremt lav (10-5 cm²/s), er det vanskelig å innføre tilstrekkelig oksygen under bindingsprosessen; derfor utføres pre-oksidasjon av kobberfolien vanligvis for å danne Cu2O på kobberfolieoverflaten for å fremme eutektisk væskedannelse. Oksygeninnholdet i kobber påvirker også bindingsgrensesnittstyrken betydelig, så presis kontroll av denne parameteren er et kjerneaspekt for å sikre bindingsytelse [6].
Den direkte bundne kobberprosessen krever spesifikke underlag for bruk. Ren kobbersmelte har dårlig fuktbarhet på Al2O3, AlN og Si3N4, med kontaktvinkler som overstiger 130 grader. Ved å øke oksygenpartialtrykket under binding og oksygeninnholdet i kobbersmelten, kan kontaktvinkelen på Al2O3-overflater reduseres kraftig [7]. Selv om fuktbarheten på AlN også kan forbedres ved å øke oksygenpartialtrykket under binding, binding i et vakuummiljø eller forlenge bindingstiden, er effekten svært begrenset [8]. Derfor blir AlN generelt pre-oksidert for å danne et overflatelag av Al2O3, og deretter bundet ved bruk av metodene ovenfor. Imidlertid kan ingen av disse metodene lett forbedre fuktbarheten til kobbersmelten på Si3N4, så DBC påføres sjelden på Si3N4.
2.3 Aktiv metalllodding metallisering
I den nye energibilindustrien er SiC-moduler høyt verdsatt. Men når overgangstemperaturen til SiC-kraftenheter stiger til 250 grader, begrenser den dårlige temperatur-sykluspåliteligheten til DBC-keramiske substrater under høye-temperaturforhold deres anvendelse. For å løse dette problemet utviklet forskere AMB (Active Metal Brazed) keramiske underlag.
Først påføres et tynt lag loddemetall på et rent keramisk underlag. Kobberfolie legges deretter på loddetinn, og sammenstillingen varmes opp i et vakuummiljø ved 800 grader til 950 grader for å smelte loddetinn. Ved avkjøling dannes en robust skjøt. Deretter brukes våtetsing for å lage metalliske mønstre for å møte de elektriske sammenkoblingskravene til enheter med høy-effekt.
Fordi konvensjonelle metaller generelt utviser dårlig fuktbarhet på keramiske underlag, brukes aktive metallloddemetaller vanligvis for å forbedre fuktbarheten og forbedre fugestyrken. Aktive metallloddemetaller inneholder minst ett aktivt metallelement, med Ti- og lantanidelementer som for tiden de viktigste aktive elementene. De ofte brukte aktive loddemetallene i AMB-prosesser inkluderer Sn–Ag–Ti og Ag–Cu–Ti-systemer, der Ti fungerer som det aktive metallet for å forbedre fuktbarheten mellom loddetinn og keramikken, mens Sn og Ag virker for å senke smeltepunktet og forbedre den termiske ledningsevnen til skjøten.
Imidlertid må AMB-prosessen utføres under høyvakuum eller en beskyttende atmosfære, noe som begrenser prosessens anvendelighet. For å overvinne denne begrensningen har forskere utviklet Reactive Air Brazing (RAB) teknologi, som kan utføres i luft. Loddefyllmetallene som brukes i RAB er hovedsakelig sammensatt av edelmetaller (som Ag, Ag–Pd-legeringer) og metalloksider (som CuO, V₂O₅ [9], Nb₂O₅, SiO₂ og Al₂TiO₅), og gir derved skjøten god oksidasjonsmotstand. Under RAB kan metalloksider feste seg til og reagere med den keramiske substratoverflaten, noe som øker fuktbarheten til det keramiske substratet gjennom den synergistiske virkningen av det smeltede fyllmetallet og grenseflaten. I mellomtiden hjelper den gode duktiliteten til edelmetaller med å lindre indre termiske spenninger i skjøten, og tilsetningen av metalloksider bidrar til å redusere restspenninger som oppstår fra CTE-mismatch mellom skjøten og den keramiske matrisen.
Aktiv metallisering av metalllodding gir fordeler som enkelt utstyr og prosess, høy pålitelighet og ingen begrensninger på keramiske substrattyper, noe som gjør den til den mest lovende metalliseringsprosessen for enheter med høy-effekt. Gitt den raske utviklingen av industrien for elektroniske enheter med høy-effekt, blir det imidlertid satt høyere standarder for de mekaniske egenskapene og den langsiktige driftssikkerheten til AMB-prosesser, noe som krever kontinuerlig optimalisering og forbedring. Samtidig møter AMB keramiske substrater den samme tekniske flaskehalsen med utilstrekkelig kretspresisjon som DBC-substrater. Hvis nye teknologier kan utvikles for å oppnå kretspresisjon som kan sammenlignes med DPC-prosessen, forventes AMB keramiske substrater å erstatte andre lignende substrater i fremtiden, og viser stort brukspotensial [4].
2.4 Laser-Indusert metallisering
I den laser-induserte metalliseringsprosessen brukes en laserstråle til selektivt å bestråle et aluminium-holdig keramisk substrat. Det bestrålte keramiske materialet reduseres til aktiverte metallatomer. Substratet senkes deretter ned i en strømløs pletteringsløsning som inneholder Cu²⁺, hvor de aktiverte atomene fremmer reduksjonen av Cu²⁺ og dets avsetning på de bestrålte områdene, og danner metalliske kretsmønstre [10].
Elektroløs plettering er en autokatalytisk redoksprosess som ikke krever en ekstern strøm; metallioner reduseres til fast metall av kjemiske reduksjonsmidler i løsningen [11], og energien som driver denne reduksjonen kommer fra de kjemiske reduksjonsmidlene i løsningen. Vanligvis reduseres metallioner i pletteringsbadet ikke lett spontant, og en katalysator er ofte nødvendig som et mellommedium for å senke aktiveringsenergien for metallkjernedannelse. Når katalysatorpartikler er vellykket avsatt på substratoverflaten, kan metallavsetning i stor skala utløses.
Laser-indusert metallisering utføres vanligvis på aluminium-holdige substrater fordi laserbestråling kan danne aktiverte Al-atomer. Imidlertid er den katalytiske ytelsen til Al-atomer ikke ideell, og andre katalysatorer er nødvendige for å forbedre avsetningseffektiviteten.
Utformingen av laser-induserte metalliseringsprosesser er svært følsomme for laserparametere, keramiske substrategenskaper og galvaniseringsprosessparametere. Selv om denne teknikken kombinerer kostnadsfordelen med kobbergalvanisering med den høye kretspresisjonen til LAM-prosesser (laser-assistert metallisering), er de høye kostnadene ved laserutstyr og miljøforurensningen forårsaket av strømløs plating fortsatt viktige faktorer som begrenser dens videre utbredte bruk.
2.5 Tykk-filmmetallisering
Tykk-filmmetallisering innebærer skjerm-utskrift av metalllag for forsegling, ledere (kretsledninger), motstander osv., på keramiske underlag, etterfulgt av sintring for å danne loddemetalllag, kretser og blyfestepunkter. Tykk-filmpastaer er vanligvis sammensatt av metallpulver med partikkelstørrelser rundt 1,5 μm, noen få prosent permanent bindemiddel, og en organisk bærer (inkludert organiske løsningsmidler, fortykningsmidler, overflateaktive midler, etc.), fremstilt ved kulemaling og blanding. Trinnene med tykk-filmmetallisering inkluderer vanligvis: mønsterdesign og klargjøring av kunstverk, pastaforberedelse, silketrykk, tørking og sintring [12].
Tykk-filmmetallisering bruker prinsippet om silketrykk. Først festes de nødvendige metalllagene for emballasje eller elektroniske komponenter som motstander til det keramiske aluminiumnitridsubstratet. Deretter bindes metalllagene og de elektroniske komponentene til den keramiske substratoverflaten gjennom høy-temperatursintring, og oppnår faste forbindelser mellom alle deler. Denne prosessen har brede bruksområder i emballasje av elektroniske enheter og kretsledninger. Den ledende pastaen er nøkkelfaktoren som påvirker tykk-metalliseringskvaliteten; dens sammensetning består hovedsakelig av metallpulver (1–5 μm), glass, bindemidler og en organisk bærer blandet ved kulefresing [13].
Den tykke-filmmetalliseringsmetoden kan brukes på en lang rekke keramiske typer og har en enkel prosess [14]. Begrenset av skjermstørrelser og ledende pastaer er det imidlertid vanskelig å fremstille ledninger med linjebredder under 60 μm. De elektriske egenskapene og adhesjonsstyrken til metalllaget er relativt dårlige, noe som gjør det kun egnet for elektroniske enheter med lavere kraft- og størrelseskrav. Ledende pastaer som er spesielt egnet for aluminiumnitrid tykk-filmmetallisering er fortsatt relativt få, og kommersielt tilgjengelige pastaformuleringer er ikke direkte anvendelige; ellers kan det oppstå blemmer ved grensesnittet [15].
2.6 Tynn-filmmetallisering
Tynn-filmmetallisering er en prosess der metallmaterialer fordampes og avsettes på keramiske overflater ved hjelp av fysiske dampavsetningsmetoder som vakuumfordamping eller sputtering for å danne en tynn metallfilm, etterfulgt av maskering, etsing og andre trinn for å lage metalliserte kretsmønstre.
I teorien kan denne prosessen danne ensartede metallfilmer i mikron-skala på forskjellige substratmaterialer via fordampning eller sputtering. På grunn av den betydelige forskjellen i termiske ekspansjonskoeffisienter mellom keramikk og metallisk kobber, introduserer direkte kobberavsetning på aluminiumnitridkeramikk store spenninger mellom metall- og keramiske lag, noe som påvirker beleggets adhesjonsstyrke til keramikken og underlagets termiske syklusstabilitet. Derfor har flerlagsavsetningstilnærminger blitt populære de siste årene. Det første laget er typisk et Ti-lag, og det andre laget er valgt fra metaller som Cu, Ag eller Au. Når dislokasjonsglidning og interaksjoner i et enkelt lag overføres til et annet lag på grunn av store indre spenninger, avlastes også de indre spenningene i metalllaget.
Tynn-filmmetallisering gir høy kvalitet, sterk vedheft, jevne belegg og fin mønsteroppløsning. Det kan imidlertid bare produsere svært tynne metalllag, og forberedelsesprosessen er relativt kompleks, og involverer flere trinn, inkludert overflatebehandling, metallavsetning og etter-behandling, som krever streng kontroll av prosessparametere. Dette resulterer i høye produksjonskostnader, som i stor grad begrenser utviklingen.