اجزای سرامیکی متالایز با استحکام بالا-: پل‌های اتصال کلیدی در دستگاه‌های الکترونیکی پیشرفته-

این ساختار کامپوزیت سرامیکی{0}}مشکلاتی مانند ترک خوردگی و لایه لایه شدن ناشی از عدم تطابق انبساط حرارتی در بسته بندی های سنتی را حل می کند. به عنوان مثال، در ماژول های نیمه هادی قدرت، اجزای سرامیکی آلومینا متالیزه دقیق به عنوان زیرلایه های عایق عمل می کنند، از یک طرف مدارهای با چگالی بالا را پشتیبانی می کنند و از طرف دیگر به طور مستقیم هیت سینک ها را لحیم می کنند و به طور موثر ولتاژ بالا را ایزوله می کنند در حالی که گرما را به طور موثر هدایت می کنند. در دستگاه‌های الکترونیکی خلاء (مانند لوله‌های موج سیار و مگنترون)، از لوله‌های عایق سرامیکی متالیزه برای آب‌بندی سربی استفاده می‌شود که از پایداری طولانی‌مدت محیط خلاء بالا- داخلی و حفظ هوابندی حتی در دمای صدها درجه سانتی‌گراد استفاده می‌شود.

به لطف عملکرد جامع منحصر به فرد آن، کاربرد محفظه سرامیکی متالیز برای نیمه هادی های نیرو به تدریج از نظامی و هوافضا به زمینه های غیرنظامی پیشرفته مانند وسایل نقلیه با انرژی جدید، ارتباطات 5G، لیزرهای صنعتی و اینورترهای فتوولتائیک گسترش یافته است. در ماژول‌های IGBT برای وسایل نقلیه الکتریکی، سرامیک‌های متالیزه آلومینا به دلیل تعادل هزینه و عملکرد، به بستر اصلی عایق تبدیل شده‌اند. در حالی که در کاربردهایی با نیازهای اتلاف حرارت بالاتر، بسترهای فلزی نیترید آلومینیوم (AlN) با هدایت حرارتی بیش از 170 W/m·K استفاده می شود. علاوه بر این، در محفظه‌های تجهیزات ارتباطی با فرکانس بالا، پوسته‌های بسته‌بندی حسگر و خازن‌های ولتاژ بالا، قطعات متالیزاسیون سرامیکی پیشرفته با خلوص بالا آلومینا به طور موثر از یکپارچگی سیگنال و قابلیت اطمینان ساختاری به دلیل تلفات دی الکتریک پایین و استحکام مکانیکی بالا اطمینان می‌دهند.

فن‌آوری‌های جریان اصلی متالیزاسیون شامل روش مولیبدن{0}}منگنز (Mo-Mn)، پیوند مستقیم مس (DBC)، آبکاری مستقیم مس (DPC) و لحیم کاری فلز فعال (AMB) است. در این میان، روش Mo{3}}Mn برای کاربردهای آب بندی خلاء با قابلیت اطمینان بالا مناسب است و یک فرآیند سنتی اما بالغ است. DBC مستقیماً فویل مسی را در دمای بالا به سطح سرامیکی می‌چسباند و آن را برای ماژول‌های-قدرت جریان بالا مناسب می‌سازد. DPC از فرآیندهای لایه نازک-برای دستیابی به مدارهای ظریف، مناسب برای اتصالات- با چگالی بالا استفاده می‌کند. و AMB از لحیم‌های فعال (مانند Ag-Cu-Ti) برای دستیابی به اتصالات با استحکام بالا بین سرامیک و مس در دماهای پایین‌تر استفاده می‌کند، که رسانایی حرارتی بالا و قابلیت اطمینان بالا را ترکیب می‌کند. انتخاب فرآیندهای مختلف به الزامات جامع سناریوی کاربردی در مورد هدایت حرارتی، چگالی جریان، دقت مدار و هزینه بستگی دارد.

شایان ذکر است که عملکرد اجزای سرامیکی متالایزه شده با استحکام بالا نه تنها به سیستم مواد بلکه به سطح ماشینکاری دقیق قطعات سرامیکی آلومینا نیز بستگی دارد. صافی بستر، زبری سطح و دقت سوراخ مستقیماً بر یکنواختی متالیزاسیون بعدی و بازده لحیم کاری تأثیر می گذارد. به عنوان مثال، در سرامیک آلومینا متالیز شده برای اجزای الکتریکی، کنترل تحمل ضخامت سطح میکرون{3}}می تواند از تمرکز تنش در چرخه حرارتی جلوگیری کند و عمر دستگاه را افزایش دهد.

علی‌رغم مزایای قابل توجه سرامیک‌های متالیزه برای قطعات الکتریکی، ساخت آنها همچنان با چالش‌هایی مواجه است: اولاً، فرآیندها پیچیده و{0}}پر انرژی هستند، به‌ویژه مرحله پخت{1} درجه حرارت بالا، که به تجهیزات دقیق و کنترل جو نیاز دارد. دوم، در حالی که سرامیک های مبتنی بر بریلیوم{3} (مانند BeO) رسانایی حرارتی عالی دارند، خطرات سمیت دارند و به تدریج با AlN جایگزین می شوند. سوم، با کوچک‌سازی دستگاه‌ها، تقاضاهای بیشتری بر روی پهنای خط/فاصله و قابلیت‌های سیم‌کشی چندلایه سرامیک‌های متالیزه دقیق اعمال می‌شود.

در آینده، توسعه محفظه‌های سرامیکی متالیزه برای نیمه‌رسانای‌های قدرت بر سه جهت اصلی متمرکز خواهد شد: اول، توسعه سرامیک‌های با حرارت پایین (LTCC) و فرآیندهای یکپارچه‌سازی متالیزاسیون برای کاهش مصرف انرژی. دوم، ترویج کاربرد اکسیژن-مس، نقره و سایر فلزات بسیار رسانا در DPC/AMB برای بهبود عملکرد الکتریکی. و سوم، گسترش سازگاری در ماژول‌های نیمه‌رسانای نسل سوم (SiC, GaN) برای برآورده کردن دمای عملیاتی و الزامات ولتاژ بالاتر.

اجزای سرامیکی متالایزه شده با استحکام بالا به عنوان یک فناوری کلیدی برای اتصالات سرامیکی-به{-فلز-از «پشت--مواد اصلی» به خط مقدم توسعه صنعت حرکت می‌کنند. نقش بی بدیل آن در حصول اطمینان از عملکرد قابل اعتماد سیستم های الکترونیکی در محیط های شدید به نوآوری مشترک در علم مواد و فرآیندهای تولید ادامه خواهد داد.