Analisis Laluan Teknologi Pemetaan Untuk Substrat Seramik Aluminium Nitrida: Daripada Substrat Seramik Hingga Tinggi-Aplikasi Pembungkusan Elektronik Kebolehpercayaan

Dalam-medan aplikasi kuasa tinggi-seperti kenderaan tenaga baharu, semikonduktor kuasa, sistem storan tenaga dan elektronik kuasa-prestasi pelesapan haba dan kebolehpercayaan struktur ialah faktor kritikal untuk-pengoperasian peranti elektronik yang stabil dan jangka panjang. Terima kasih kepada kekonduksian haba yang tinggi, kehilangan dielektrik yang rendah, sifat penebat yang sangat baik dan kestabilan haba yang baik, seramik aluminium nitrida (AlN) semakin menjadi bahan substrat utama untuk pembungkusan elektronik-kuasa tinggi.

 

Walau bagaimanapun, kerana aluminium nitrida sememangnya merupakan bahan penebat, ia tidak boleh secara langsung memudahkan sambungan elektrik atau pengaliran isyarat. Oleh yang demikian, sebelum ia boleh digunakan dalam modul kuasa, pembungkusan semikonduktor atau komponen elektrik-bervoltan tinggi, teknologi pemetaan permukaan mesti digunakan untuk memberikan kekonduksian elektrik kepada substrat seramik dan memastikan ikatan yang boleh dipercayai antara seramik dan logam.

 

Cabaran teras dalam metalisasi seramik terletak pada perbezaan asas antara bahan: aluminium nitrida ialah sebatian yang dicirikan oleh ikatan kovalen yang kuat, manakala logam biasanya mempunyai ikatan logam. Perbezaan ini membawa kepada isu seperti kebolehbasahan yang lemah dan ketidakpadanan dalam pekali pengembangan terma (CTE). Dalam-persekitaran pengendalian suhu tinggi, kekuatan ikatan yang tidak mencukupi antara lapisan logam dan seramik boleh mengakibatkan kegagalan seperti penembusan antara muka atau keretakan yang disebabkan oleh tegasan haba. Oleh itu, membangunkan proses metalisasi seramik yang sangat dipercayai adalah penting untuk memajukan aplikasi industri substrat seramik.

 

Pada masa ini, pelbagai teknik pemetaan digunakan untuk substrat seramik aluminium nitrida, termasuk sambungan mekanikal,-teknologi filem tebal, pematerian logam aktif (AMB),-penyalaan bersama,-proses filem nipis, kuprum terikat terus (DBC) dan kuprum bersalut terus (DPC).

 

 

 

Sambungan mekanikal adalah salah satu kaedah terawal yang digunakan untuk menyambung seramik dan logam. Ia bergantung pada reka bentuk struktur dan tegasan mekanikal-seperti pengecutan-pemasangan atau bolting-untuk mengamankan substrat seramik pada komponen logam.

 

Kaedah ini melibatkan proses yang agak mudah, memerlukan peralatan yang minimum, dan menawarkan fleksibiliti pembuatan yang besar. Walau bagaimanapun, kerana sambungan pada antara muka bergantung terutamanya pada daya mekanikal luaran, tegasan mekanikal yang ketara boleh berkembang semasa-kitaran haba jangka panjang atau-getaran suhu tinggi; akibatnya, ia tidak sesuai untuk aplikasi yang memerlukan kebolehpercayaan tinggi atau operasi suhu-tinggi.

 

Teknologi ikatan pula melibatkan pengenalan bahan pelekat organik antara seramik dan logam untuk membentuk struktur terikat melalui proses pengawetan. Pendekatan ini membolehkan penyambungan sistem bahan yang tidak serupa-contohnya, menggabungkan struktur penebat seramik dengan komponen logam konduktif untuk mencipta pemasangan bersepadu.

 

Walau bagaimanapun, disebabkan oleh rintangan suhu terhad bahan ikatan organik, kebolehpercayaan bahan tersebut terhad dalam persekitaran yang menuntut seperti-peranti elektronik berkuasa tinggi dan sistem HVDC (Tinggi-Arus Terus Voltan). Akibatnya, ia digunakan terutamanya untuk penetapan struktur dalam persekitaran-suhu rendah,-rendah.

 

 

Teknologi Filem Tebal ialah proses-yang mantap untuk pengetatan permukaan seramik. Teknik ini biasanya menggunakan percetakan skrin untuk menggunakan tampal konduktif-yang mengandungi serbuk logam-ke atas permukaan seramik aluminium nitrida (AlN). Langkah pengeringan dan pensinteran-suhu tinggi seterusnya memastikan lapisan logam terikat dengan kuat pada substrat seramik.

 

Pes konduktif biasanya terdiri daripada serbuk logam, pengikat kaca, dan kenderaan organik; serbuk logam menentukan kekonduksian elektrik akhir dan kekuatan mekanikal. Logam yang biasa digunakan termasuk perak, tembaga, dan nikel.

 

Proses ini menawarkan kelebihan seperti kecekapan pengeluaran yang tinggi, kos rendah dan kematangan teknikal, menjadikannya sesuai untuk pengeluaran besar-besaran substrat seramik elektronik. Tambahan pula, mengoptimumkan formulasi tampal membolehkan prestasi elektrik yang sangat baik dan kebolehpercayaan kitaran haba.

 

Walau bagaimanapun, disebabkan oleh had peleraian percetakan skrin, dimensi litar yang dihasilkan oleh proses filem-tebal adalah agak besar, menjadikannya sukar untuk memenuhi keperluan untuk litar-ketumpatan tinggi,-halus. Oleh itu, ia digunakan terutamanya dalam pembungkusan elektronik kuasa di mana keperluan ketepatan litar adalah kurang ketat.

 

 

 

Active Metal Brazing (AMB) ialah teknologi utama untuk mencapai sambungan seramik-ke-logam yang sangat boleh dipercayai. Proses ini melibatkan penambahan unsur aktif-seperti titanium (Ti), zirkonium (Zr), aluminium (Al), atau niobium (Nb)-kepada logam pengisi pematerian tradisional. Unsur-unsur ini bertindak balas secara kimia dengan permukaan seramik aluminium nitrida untuk membentuk lapisan peralihan tindak balas yang stabil.

 

Lapisan peralihan ini meningkatkan kebolehbasahan antara logam dan seramik, membolehkan aloi pateri cair membentuk ikatan metalurgi dengan seramik, dengan itu meningkatkan kekuatan sendi.

 

Teknologi AMB amat sesuai-untuk aplikasi-suhu tinggi,-tinggi, seperti pembuatan modul semikonduktor kuasa,-peralatan elektrik voltan tinggi dan perumah seramik berlogam untuk semikonduktor kuasa. Oleh kerana unsur reaktif mudah bertindak balas dengan oksigen pada suhu tinggi, proses ini biasanya memerlukan vakum atau suasana pelindung; akibatnya, ia meletakkan permintaan yang tinggi terhadap peralatan dan persekitaran pembuatan, mengakibatkan kos pengeluaran yang agak tinggi.

 

 

Teknologi pembakaran bersama-melibatkan pencetakan pes logam-titik lebur-tinggi-seperti tungsten atau molibdenum-ke atas permukaan kepingan hijau seramik aluminium nitrida, diikuti dengan pensinteran bersama-dengan bahan seramik untuk mencipta struktur bersepadu yang terdiri daripada substrat seramik.

 

Berdasarkan suhu pensinteran, teknologi pembakaran bersama-terutamanya dikategorikan kepada-Temperature Co-fired Ceramics (LTCC) dan High-Temperature Co-ceramics (HTCC).

 

HTCC biasanya disinter pada suhu melebihi 1600 darjah . Ia menawarkan kekuatan mekanikal yang sangat baik, rintangan haba dan hermetik, menjadikannya sangat sesuai untuk-peranti elektronik berkuasa tinggi, sistem elektronik aeroangkasa dan-aplikasi pembungkusan kebolehpercayaan tinggi.

 

Kelebihan utama teknologi penyalaan bersama-adalah keupayaannya untuk merealisasikan reka bentuk litar berbilang lapisan, menghasilkan lebih banyak struktur litar padat; tambahan pula, kerana konduktor dan seramik terbentuk secara serentak, kestabilan struktur keseluruhan dipertingkatkan.

 

Dalam-aplikasi DC (HVDC) voltan tinggi-seperti struktur penebat kritikal seperti kepungan seramik untuk penyentuh HVDC-bersama-bahan seramik yang menyala memenuhi keperluan untuk operasi yang boleh dipercayai dalam keadaan suhu tinggi dan lonjakan voltan yang berterusan.

 

 

Teknologi pemetaan filem nipis{0}}terutamanya menggunakan pemendapan wap fizikal (PVD) untuk mendepositkan lapisan logam nipis pada permukaan substrat seramik, diikuti dengan proses pembuatan semikonduktor-seperti fotolitografi dan goresan-untuk membentuk litar ketepatan.

 

Berbanding dengan-proses filem tebal,-teknologi filem nipis ialah kaedah pembuatan tolak yang mampu mencapai lebar garisan yang lebih halus dan ketumpatan litar yang lebih tinggi, menjadikannya digunakan secara meluas dalam peranti elektronik berketepatan-tinggi,{3}}tinggi.

 

Kaedah ini membolehkan pengeluaran komponen seramik alumina berlogam ketepatan, menawarkan kelebihan tersendiri dalam pembungkusan mikroelektronik, peranti RF dan modul kuasa berprestasi tinggi-tinggi.

 

Walau bagaimanapun, disebabkan oleh ketebalan minimum lapisan logam, kapasiti bawaan-arus adalah terhad dalam-aplikasi semasa tinggi. Selain itu, perbezaan dalam pekali pengembangan terma (CTE) antara seramik dan logam boleh menghasilkan tekanan semasa kitaran haba; oleh itu, struktur logam berbilang lapisan sering digunakan untuk meningkatkan kebolehpercayaan ikatan.

 

 

Direct Bonded Copper (DBC) ialah teknologi ikatan kuprum seramik{0}}yang digunakan secara meluas. Prinsip asasnya melibatkan pengenalan oksigen pada antara muka antara lapisan kuprum dan seramik; pemprosesan suhu tinggi-menghasilkan fasa cecair eutektik kuprum-, membolehkan ikatan langsung antara bahan kuprum dan permukaan seramik.

 

Teknologi DBC dicirikan oleh lapisan kuprum tebal, kapasiti pembawa arus tinggi-dan prestasi pelesapan haba yang sangat baik. Akibatnya, ia digunakan secara meluas dalam-peralatan elektronik berkuasa tinggi seperti penyongsang untuk kenderaan tenaga baharu, modul kuasa dan penukar storan tenaga.

 

Disebabkan kesukaran mengikat kuprum kepada seramik aluminium nitrida (AlN), permukaan seramik biasanya memerlukan rawatan pra-pengoksidaan untuk membentuk lapisan peralihan yang stabil pada antara muka, sekali gus meningkatkan kebolehpercayaan sambungan.

 

 

Kuprum Saduran Terus (DPC) ialah teknologi pemetalan seramik baharu yang menggabungkan proses pembuatan semikonduktor.

 

Kaedah ini bermula dengan membentuk lapisan biji kuprum pada permukaan seramik menggunakan teknik pemendapan wap fizikal (PVD), seperti magnetron sputtering atau penyejatan vakum. Selepas itu, proses termasuk pendedahan, pembangunan dan penyaduran elektrik digunakan untuk meningkatkan ketebalan lapisan kuprum dan mencapai-pembikinan litar berketepatan tinggi.

 

Teknologi DPC menampilkan suhu pembuatan yang rendah, ketepatan litar tinggi dan reka bentuk struktur yang fleksibel. Ia sesuai untuk aplikasi seperti struktur sambung elektronik-ketumpatan tinggi dan seramik berlogam untuk komponen elektrik.

 

Berbanding dengan teknik pensinteran suhu tinggi{0}} tradisional, DPC meminimumkan kesan pemprosesan haba pada sifat bahan; bagaimanapun, proses penyaduran elektrik memerlukan keperluan perlindungan alam sekitar yang ketat, dan ketebalan lapisan tembaga dihadkan oleh keupayaan proses.

 

 

Dengan perkembangan pesat kenderaan tenaga baharu, grid pintar, sistem storan tenaga dan industri semikonduktor generasi ketiga-, permintaan untuk bahan pembungkusan elektronik yang menawarkan pelesapan haba yang tinggi dan kebolehpercayaan yang tinggi terus meningkat.

 

Pada masa hadapan, teknologi pemetaan seramik aluminium nitrida akan berkembang ke arah kebolehpercayaan yang lebih tinggi, ketepatan yang lebih tinggi dan penyepaduan pelbagai fungsi. Dengan mengoptimumkan struktur antara muka, menambah baik reka bentuk lapisan peralihan logam, dan meningkatkan kawalan proses pembuatan, kekuatan ikatan antara seramik dan logam boleh dipertingkatkan lagi.

 

Struktur pemekatan seramik termaju-seperti seramik berlogam ketepatan,-komponen seramik berlogam berkekuatan tinggi dan-bahagian pemekatan seramik termaju ketepatan alumina ketulenan tinggi-semakin banyak berfungsi sebagai komponen asas kritikal dalam semikonduktor kuasa,-tinggi, sistem storan voltan dan elektronik kenderaan baharu.

 

Berkembang daripada teknik penembakan filem-dan-tebal tradisional kepada laluan proses lanjutan seperti AMB, DBC dan DPC, teknologi pengetatan seramik terus mendorong sempadan bahan, memberikan pengurusan haba yang lebih dipercayai dan cekap serta penyelesaian interkoneksi elektrik untuk-peranti elektronik berkuasa tinggi.