تجزیه و تحلیل مسیرهای فناوری متالیزاسیون برای زیرلایه‌های سرامیکی نیترید آلومینیوم: از بسترهای سرامیکی تا کاربردهای بسته‌بندی الکترونیکی با قابلیت اطمینان بالا-

در زمینه‌های کاربردی با قدرت بالا-مانند وسایل نقلیه جدید انرژی، نیمه هادی‌های قدرت، سیستم‌های ذخیره انرژی و الکترونیک قدرت{2}}عملکرد اتلاف گرما و قابلیت اطمینان ساختاری، عواملی حیاتی برای عملکرد پایدار و بلندمدت دستگاه‌های الکترونیکی هستند. سرامیک نیترید آلومینیوم (AlN) به دلیل رسانایی حرارتی بالا، تلفات دی الکتریک کم، خواص عایق عالی و پایداری حرارتی خوب، به طور فزاینده ای به یک ماده زیرلایه کلیدی برای بسته بندی الکترونیکی با قدرت{{5} بالا تبدیل شده است.

 

با این حال، از آنجایی که نیترید آلومینیوم ذاتاً یک ماده عایق است، نمی تواند مستقیماً اتصالات الکتریکی یا هدایت سیگنال را تسهیل کند. در نتیجه، قبل از اینکه بتوان آن را در ماژول‌های قدرت، بسته‌بندی‌های نیمه‌رسانا، یا قطعات الکتریکی با ولتاژ بالا استفاده کرد، باید از فناوری متالیزاسیون سطح برای انتقال رسانایی الکتریکی به زیرلایه سرامیکی و اطمینان از پیوند قابل اعتماد بین سرامیک و فلز استفاده شود.

 

چالش اصلی در متالیزاسیون سرامیکی در تفاوت های اساسی بین مواد نهفته است: نیترید آلومینیوم ترکیبی است که با پیوندهای کووالانسی قوی مشخص می شود، در حالی که فلزات معمولاً دارای پیوند فلزی هستند. این نابرابری منجر به مسائلی مانند ترشوندگی ضعیف و عدم تطابق در ضرایب انبساط حرارتی (CTE) می شود. در محیط‌های عملیاتی با دمای بالا، استحکام باند ناکافی بین لایه فلزی و سرامیک می‌تواند منجر به خرابی‌هایی مانند لایه‌برداری سطحی یا ترک‌خوردگی ناشی از تنش حرارتی شود. بنابراین، توسعه فرآیندهای متالیزاسیون سرامیکی بسیار قابل اعتماد برای پیشبرد کاربرد صنعتی بسترهای سرامیکی بسیار مهم است.

 

در حال حاضر، تکنیک‌های متالیزاسیون مختلفی برای زیرلایه‌های سرامیکی نیترید آلومینیوم، از جمله اتصال مکانیکی، فناوری لایه‌ای ضخیم، لحیم کاری فلزی فعال (AMB)، پخت همزمان، فرآیندهای لایه نازک، مس با پیوند مستقیم (DBC) و مس با روکش مستقیم (DPC) استفاده می‌شود.

 

 

 

اتصال مکانیکی یکی از اولین روش هایی است که برای اتصال سرامیک ها و فلزات مورد استفاده قرار می گیرد. برای محکم کردن زیرلایه سرامیکی بر روی جزء فلزی، به طراحی ساختاری و استرس مکانیکی-مثل جمع شدن-نصب یا پیچ و مهره- متکی است.

 

این روش شامل فرآیند نسبتاً ساده‌ای است، به تجهیزات حداقلی نیاز دارد و انعطاف‌پذیری قابل‌توجهی در تولید ارائه می‌دهد. با این حال، از آنجایی که اتصال در رابط در درجه اول به نیروی مکانیکی خارجی متکی است، تنش مکانیکی قابل توجهی می تواند در طول-چرخه حرارتی طولانی مدت یا ارتعاش-در دمای بالا ایجاد شود. در نتیجه، برای برنامه‌هایی که به قابلیت اطمینان بالا یا عملکرد دمای{3} بالا نیاز دارند، نامناسب است.

 

از سوی دیگر، فناوری باندینگ شامل معرفی یک ماده چسبنده آلی بین سرامیک و فلز برای تشکیل یک ساختار پیوندی از طریق فرآیند پخت است. این رویکرد اتصال سیستم‌های مواد غیرمشابه را ممکن می‌سازد-برای مثال، ترکیب یک ساختار عایق سرامیکی با یک جزء فلزی رسانا برای ایجاد یک مجموعه یکپارچه.

 

با این حال، به دلیل مقاومت دمایی محدود مواد پیوند آلی، قابلیت اطمینان آنها در محیط‌های پرتقاضا مانند دستگاه‌های الکترونیکی با قدرت بالا و سیستم‌های HVDC (جریان مستقیم ولتاژ بالا) محدود می‌شود. در نتیجه، آنها در حال حاضر عمدتاً برای تثبیت ساختاری در محیط‌های-درجه حرارت پایین،-کم استفاده می‌شوند.

 

 

فناوری فیلم ضخیم یک فرآیند خوب-تثبیت شده برای متالیزاسیون سطح سرامیکی است. این تکنیک معمولاً از چاپ روی صفحه برای اعمال یک خمیر رسانا-حاوی پودر فلز- روی سطح سرامیک نیترید آلومینیوم (AlN) استفاده می‌کند. مراحل خشک کردن بعدی و پخت{5}در دمای بالا تضمین می کند که لایه فلزی به طور محکم به بستر سرامیکی می چسبد.

 

خمیرهای رسانا به طور کلی از پودر فلز، یک چسب شیشه ای و یک وسیله نقلیه آلی تشکیل شده اند. پودر فلز هدایت الکتریکی نهایی و استحکام مکانیکی را تعیین می کند. فلزات رایج شامل نقره، مس و نیکل هستند.

 

این فرآیند مزایایی مانند راندمان تولید بالا، هزینه کم و بلوغ فنی را ارائه می دهد که آن را برای تولید انبوه بسترهای سرامیکی الکترونیکی مناسب می کند. علاوه بر این، بهینه سازی فرمول خمیر باعث عملکرد الکتریکی عالی و قابلیت اطمینان چرخه حرارتی می شود.

 

با این حال، به دلیل محدودیت‌های وضوح چاپ روی صفحه، ابعاد مدار تولید شده توسط فرآیند فیلم ضخیم- نسبتاً بزرگ است، و برآوردن الزامات مدارهای با چگالی بالا-را دشوار می‌کند. بنابراین، عمدتاً در بسته‌بندی‌های الکترونیک قدرت استفاده می‌شود که در آن الزامات دقت مدار کمتر سخت‌گیرانه است.

 

 

 

لحیم کاری فلزی فعال (AMB) یک فناوری کلیدی برای دستیابی به اتصالات سرامیکی-به- بسیار قابل اعتماد است. این فرآیند شامل افزودن عناصر فعال-مانند تیتانیوم (Ti)، زیرکونیوم (Zr)، آلومینیوم (Al) یا نیوبیم (Nb)-به فلزات پرکننده لحیم کاری سنتی است. این عناصر از نظر شیمیایی با سطح سرامیکی نیترید آلومینیوم واکنش می دهند تا یک لایه انتقال واکنش پایدار تشکیل دهند.

 

این لایه انتقالی ترشوندگی بین فلز و سرامیک را بهبود می‌بخشد و آلیاژ برنج مذاب را قادر می‌سازد تا یک پیوند متالورژیکی با سرامیک ایجاد کند و در نتیجه استحکام اتصال را افزایش دهد.

 

فناوری AMB به‌ویژه برای برنامه‌های-در دمای بالا- مانند ساخت ماژول‌های نیمه‌رسانای قدرت، تجهیزات الکتریکی با ولتاژ بالا، و محفظه‌های سرامیکی متالایزه شده برای نیمه‌هادی‌های قدرت مناسب است. از آنجایی که عناصر راکتیو در دماهای بالا به راحتی با اکسیژن واکنش می دهند، این فرآیند معمولاً به خلاء یا اتمسفر محافظ نیاز دارد. در نتیجه، تقاضاهای زیادی برای تجهیزات و محیط تولید ایجاد می کند و در نتیجه هزینه های تولید نسبتاً بالایی را به همراه دارد.

 

 

فناوری پخت هم‌زمان شامل چاپ خمیرهای-فلزات با نقطه ذوب-بالا-مثل تنگستن یا مولیبدن{4}}روی سطح ورقه‌های سبز سرامیکی نیترید آلومینیوم می‌شود و به دنبال آن هم- تف جوشی با مواد سرامیکی برای ایجاد یک لایه زیرین رسانای سرامیکی ایجاد می‌شود.

 

بر اساس دمای تف جوشی،-تکنولوژی پخت همزمان در درجه اول به دو دسته سرامیک با دمای پایین-سرامیک پخته شده با دمای پایین (LTCC) و سرامیک با دمای بالا-سرامیک (HTCC) طبقه بندی می شود.

 

HTCC معمولاً در دماهای بیش از 1600 درجه زینتر می شود. این استحکام مکانیکی عالی، مقاومت در برابر حرارت، و هرمسیتی را ارائه می‌دهد، که آن را به ویژه برای-دستگاه‌های الکترونیکی با قدرت بالا، سیستم‌های الکترونیکی هوافضا، و برنامه‌های بسته‌بندی با قابلیت اطمینان بالا- مناسب می‌سازد.

 

مزیت اصلی فناوری شلیک مشترک، توانایی آن در تحقق طرح‌های مدار چندلایه است که در نتیجه ساختارهای مدار فشرده‌تری ایجاد می‌کند. علاوه بر این، از آنجا که هادی ها و سرامیک به طور همزمان تشکیل می شوند، پایداری ساختاری کلی افزایش می یابد.

 

در کاربردهای-ولتاژ بالا DC (HVDC)-مانند سازه‌های عایق حیاتی مانند محفظه‌های سرامیکی برای کنتاکتورهای HVDC{2}}مصالح سرامیکی مشترک-شرایط لازم برای عملکرد مطمئن در شرایط دماهای بالا و نوسانات ولتاژ پایدار را برآورده می‌کنند.

 

 

فناوری متالیزاسیون لایه نازک در درجه اول از رسوب فیزیکی بخار (PVD) برای رسوب یک لایه فلزی نازک بر روی سطح زیرلایه سرامیکی و به دنبال آن فرآیندهای ساخت نیمه هادی{1}}مانند فوتولیتوگرافی و اچینگ- برای تشکیل مدارهای دقیق استفاده می کند.

 

در مقایسه با فرآیندهای ضخیم-فیلم، فناوری لایه نازک-یک روش تولید کاهشی است که قادر به دستیابی به عرض خطوط ریزتر و تراکم مدارهای بالاتر است و باعث می‌شود در دستگاه‌های الکترونیکی با فرکانس بالا{{3} و با فرکانس بالا استفاده شود.

 

این روش تولید اجزای سرامیکی آلومینا متالایز شده دقیق را امکان پذیر می کند و مزایای مشخصی را در بسته بندی میکروالکترونیک، دستگاه های RF و ماژول های قدرت{0} با کارایی بالا ارائه می دهد.

 

با این حال، به دلیل حداقل ضخامت لایه فلزی، ظرفیت حمل{0} فعلی در برنامه‌های کاربردی با جریان بالا محدود است. علاوه بر این، تفاوت در ضریب انبساط حرارتی (CTE) بین سرامیک و فلز می تواند در طول چرخه حرارتی استرس ایجاد کند. بنابراین، سازه های فلزی چند لایه اغلب برای افزایش قابلیت اطمینان پیوند استفاده می شود.

 

 

مس پیوند مستقیم (DBC) یک فناوری پیوند مسی{0}}سرامیکی است که به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرد. اصل اساسی آن شامل وارد کردن اکسیژن در سطح مشترک بین لایه مس و سرامیک است. پردازش در دمای بالا یک فاز مایع یوتکتیک مسی-اکسیژن ایجاد می کند که پیوند مستقیم بین ماده مس و سطح سرامیکی را امکان پذیر می کند.

 

فناوری DBC با لایه‌های مس ضخیم، ظرفیت انتقال جریان{0} بالا و عملکرد اتلاف حرارت عالی مشخص می‌شود. در نتیجه، به طور گسترده در تجهیزات الکترونیکی با قدرت بالا مانند اینورترهای وسایل نقلیه انرژی جدید، ماژول‌های قدرت، و مبدل‌های ذخیره انرژی استفاده می‌شود.

 

به دلیل دشواری اتصال مس به سرامیک‌های نیترید آلومینیوم (AlN)، سطح سرامیکی معمولاً برای تشکیل یک لایه انتقالی پایدار در سطح مشترک نیاز به عملیات قبل از اکسیداسیون دارد و در نتیجه قابلیت اطمینان اتصال را افزایش می‌دهد.

 

 

مس روکش مستقیم (DPC) یک فناوری جدید متالیزاسیون سرامیکی است که فرآیندهای تولید نیمه هادی را در خود جای داده است.

 

این روش با تشکیل یک لایه بذر مس روی سطح سرامیک با استفاده از تکنیک‌های رسوب بخار فیزیکی (PVD) مانند کندوپاش مگنترون یا تبخیر خلاء آغاز می‌شود. متعاقباً، فرآیندهایی از جمله نوردهی، توسعه و آبکاری الکتریکی برای افزایش ضخامت لایه مس و دستیابی به ساخت مدار با دقت بالا- استفاده می‌شود.

 

فناوری DPC دارای دمای پایین تولید، دقت مدار بالا و طراحی ساختاری انعطاف پذیر است. برای کاربردهایی مانند سازه‌های اتصال الکترونیکی با چگالی بالا و سرامیک‌های متالیزه برای قطعات الکتریکی مناسب است.

 

در مقایسه با روش‌های سنتی پخت{0}در دمای بالا، DPC تأثیر پردازش حرارتی بر خواص مواد را به حداقل می‌رساند. با این حال، فرآیند آبکاری مستلزم الزامات سختگیرانه حفاظت از محیط زیست است و ضخامت لایه مس توسط قابلیت های فرآیند محدود می شود.

 

 

با توسعه سریع وسایل نقلیه انرژی جدید، شبکه‌های هوشمند، سیستم‌های ذخیره انرژی، و{0}نسل سوم صنعت نیمه‌رسانا، تقاضا برای مواد بسته‌بندی الکترونیکی که اتلاف حرارت بالا و قابلیت اطمینان بالا را ارائه می‌دهند همچنان در حال افزایش است.

 

در آینده، فناوری متالیزاسیون سرامیکی نیترید آلومینیوم به سمت قابلیت اطمینان بیشتر، دقت بالاتر و ادغام چند منظوره تکامل خواهد یافت. با بهینه سازی ساختارهای رابط، بهبود طراحی لایه های انتقال فلز، و افزایش کنترل فرآیند تولید، استحکام پیوند بین سرامیک و فلز را می توان بیشتر بهبود بخشید.

 

سازه‌های متالیزاسیون سرامیکی پیشرفته-مانند سرامیک‌های متالایز دقیق،-قطعات سرامیکی متالایز شده با استحکام بالا، و{2}}قطعات متالیزاسیون پیشرفته سرامیکی با دقت آلومینا با خلوص بالا-به‌طور فزاینده‌ای به‌عنوان اجزای اساسی حیاتی در سیستم‌های ذخیره‌سازی مجدد انرژی، سیستم‌های نیمه‌رساناهای الکترونیکی با ولتاژ بالا،{4}} استفاده می‌شوند. برای خودروهای انرژی نو

 

فناوری متالیزاسیون سرامیکی که از تکنیک‌های سنتی{0}}فیلم و شلیک مشترک{1}} ضخیم تا مسیرهای فرآیندی پیشرفته مانند AMB، DBC و DPC تکامل یافته است، به طور مداوم مرزهای مواد را جابجا می‌کند، مدیریت حرارتی قابل اعتمادتر و کارآمدتر و راه‌حل‌های اتصال الکتریکی را برای دستگاه‌های الکترونیکی{{2} با قدرت بالا ارائه می‌دهد.