1 Įvadas
Keraminės medžiagos yra neorganinių nemetalinių medžiagų klasė, susidaranti iš natūralių arba sintetinių junginių formuojant ir sukepinant aukštoje temperatūroje. Jie turi pranašumų, tokių kaip aukšta lydymosi temperatūra, didelis kietumas ir didelis atsparumas dilimui, ir gali būti naudojamos kaip konstrukcinės ir funkcinės medžiagos, siūlančios plačias pritaikymo galimybes [1]. Keraminių medžiagų sukepinimas visų pirma yra procesas, kurio metu vienas ar keli kietos žaliavos milteliai kaitinami aukštoje temperatūroje, todėl milteliai kaupiasi ir tankėja. Šis procesas paprastai trunka kelias valandas ar net keliasdešimt valandų. Makroskopiškai sukepinimas pasireiškia padidėjusiu tankiu ir stiprumu; iš esmės tai yra energijos sumažėjimas nuo dalelių paviršiaus energijos iki sąsajos energijos, nulemtas atominės difuzijos esant cheminių potencialų gradientams skirtingose vietose, ir mikroskopiškai tai pasireiškia kaip porų tarp grūdelių pašalinimas [2].
2 Metalizacijos procesai
2.1 Tiesioginis padengto vario metalizavimas
Tiesioginio padengto vario (DPC) metalizavimo procese po to, kai substratas yra išgręžtas{0}} ir kruopščiai išvalytas, ant švaraus, išdžiovinto keraminio pagrindo nusodinamas sėklų sluoksnis. Tada uždedama sausa plėvelė, po to išryškinama ir eksponuojama, o vėliau atliekama galvanizacija, kad būtų sukurta norima metalinė grandinė. Po to pašalinamas sausos plėvelės ir sėklų sluoksnio perteklius, o vario paviršius padengiamas ne-aktyviu metalu, siekiant apsaugoti vario sluoksnį tolesniems litavimo procesams.
Nors DPC keraminiai pagrindai turi pranašumų, tokių kaip didelis šilumos laidumas, didelis grandinės tikslumas ir mažesnis pakavimo tūris per{0}}skyles, vario sluoksnio storis paprastai ribojamas iki 150 μm dėl galvanizavimo proceso apribojimų. Šiuo metu DPC technologija daugiausia naudojama didelės-galios šviesos diodų pakavimui. Didelės-šilumos-generavimo programose, pvz., didelio-šviesumo šviesos dioduose ir giliuose-ultravioletiniuose šviesos dioduose, ne tik reikalingas didelio-šilumai{10}}laidumo substratas, esantis užpakalinėje pusėje, kad būtų išsklaidyta šiluma, bet ir priekinės{11}pusės pakavimo medžiagų terminis stabilumas ir patikimumas. Tradicinės dervos pakavimo medžiagos yra linkusios senti ir sugesti ultravioletinėje šviesoje ir aukštoje temperatūroje. Todėl dabartiniai tyrimai taip pat linkę naudoti neorganines arba metalines medžiagas, tokias kaip kaolinas, nikelis ir varis, kad būtų sudarytos užtvankos struktūros ant DPC substratų, kartu su skaidria kvarco kapsule, siekiant pagerinti įrenginio patikimumą [3].
Šiuo metu plačiai taikomas tiesioginio dengto vario metalizavimo procesas, tačiau jis vis dar susiduria su tokiomis problemomis kaip mažas efektyvumas, prastas užpildymas{0}} ir vonios universalumas. Be to, prastas -užpildymas gali turėti įtakos įrenginio veikimui, stabilumui ir patikimumui. Priežastis ta, kad galvanizuojant varis lengviau nusėda ant perėjimo paviršiaus, todėl anga užsidaro dar prieš pilnai užpildant vidų, o galiausiai viduje susidaro tuštumos. Galvaninio padengimo užpildu kokybei įtakos turi dengimo srovė ir priedų sudėtis; optimizuojant dengimo tirpalo sudėtį ir pagalbinius proceso parametrus, galima pagerinti užpildymo kokybę.
Be to, DPC keraminiai pagrindai gali susidurti su problemomis galvanizuojant, įskaitant pernelyg ilgą dengimo laiką, nevienodą dangos storį ir makroskopinius liekamuosius įtempimus dangoje. Be to, per didelis liekamasis įtempis gali sukelti dangos įtrūkimus arba deformaciją, o liekamojo įtempio kaupimasis vario sluoksnyje gali paveikti keraminio pagrindo šiluminį stabilumą [4].
2.2 Tiesioginio surišimo vario metodas
Tiesioginio surišimo vario (DBC) technologija pirmą kartą buvo pradėta Burgess ir kt. 1973 metais [5]. Jo pagrindinis principas yra tas, kad oksido sluoksnis ant vario folijos paviršiaus sudaro Cu – O eutektinį lydalą aukštoje temperatūroje. Šis lydalas pasižymi puikiomis drėkinimo savybėmis ir, esant 1065 laipsnių eutektinei temperatūrai, gali veiksmingai sujungti keraminį pagrindą su nesureagavusia vario folija, užtikrinant tvirtą sukibimą po aušinimo ir sukietėjimo.
Netoli 1065 laipsnių susidaro Cu – O eutektinė fazė. Kadangi gryno vario lydymosi temperatūra yra 1083 laipsniai, eutektinis sujungimas turi būti atliekamas temperatūros intervale nuo 1065 laipsnių iki 1083 laipsnių, o faktinės operacijos daugiausia koncentruojasi tarp 1070 laipsnių ir 1075 laipsnių. Aušinimo metu persotintas deguonis Cu–O eutektikoje nusėda kaip Cu₂O; Al2O3 arba AlN keramikoje taip pat gali atsirasti papildomų reakcijos produktų, tokių kaip CuAlO₂ ir CuAl2O4 [5]. Eutektinio skysčio susidarymas ir jame esantis deguonies kiekis yra labai svarbūs surišimo efektyvumui. Atsižvelgiant į tai, kad deguonies difuzijos greitis vario lydaloje yra labai mažas (10-⁻⁵ cm²/s), surišimo proceso metu sunku tiekti pakankamai deguonies; todėl paprastai atliekama išankstinė vario folijos oksidacija, kad ant varinės folijos paviršiaus susidarytų Cu₂O, kad būtų skatinamas eutektinio skysčio susidarymas. Deguonies kiekis varyje taip pat daro didelę įtaką sukibimo sąsajos stiprumui, todėl tikslus šio parametro valdymas yra pagrindinis sukibimo efektyvumo užtikrinimo aspektas [6].
Tiesioginio surišimo vario procesui reikalingi specialūs substratai. Grynas vario lydalas blogai drėkina Al2O3, AlN ir Si3N4, kai kontaktiniai kampai viršija 130 laipsnių. Didinant dalinį deguonies slėgį sujungimo metu ir deguonies kiekį vario lydaloje, kontaktinis kampas ant Al2O3 paviršių gali būti labai sumažintas [7]. Nors AlN drėkinamumą taip pat galima pagerinti padidinus dalinį deguonies slėgį sukibimo metu, surišant vakuuminėje aplinkoje arba pailginant sukibimo laiką, poveikis yra labai ribotas [8]. Todėl AlN paprastai iš anksto -oksiduojamas, kad susidarytų paviršinis Al2O3 sluoksnis, o po to sujungiamas aukščiau nurodytais metodais. Tačiau nė vienas iš šių metodų negali lengvai pagerinti vario lydalo drėkinimo ant Si3N4, todėl DBC retai naudojamas Si3N4.
2.3 Aktyvusis metalo litavimas kietuoju lydmetaliu
Naujų energetinių transporto priemonių pramonėje SiC moduliai yra labai vertinami. Tačiau kai SiC maitinimo įrenginių jungties temperatūra pakyla iki 250 laipsnių, prastas DBC keraminių substratų temperatūrinis -ciklo patikimumas aukštos-temperatūros sąlygomis riboja jų naudojimą. Norėdami išspręsti šią problemą, mokslininkai sukūrė AMB (Active Metal Brazed) keraminius substratus.
Pirmiausia ant švaraus keraminio pagrindo užtepamas plonas litavimo sluoksnis. Tada ant lydmetalio uždedama varinė folija, o agregatas kaitinamas vakuuminėje aplinkoje nuo 800 iki 950 laipsnių, kad lydmetalis ištirptų. Atvėsus susidaro tvirta jungtis. Toliau šlapiuoju ėsdinimo būdu sukuriami metaliniai raštai, atitinkantys didelės galios įrenginių elektros sujungimo reikalavimus.
Kadangi įprasti metalai paprastai blogai drėkina keraminius pagrindus, aktyvūs metaliniai lydmetaliai dažniausiai naudojami siekiant pagerinti drėkinimą ir sustiprinti jungties stiprumą. Aktyvieji metaliniai lydmetaliai turi bent vieną aktyvų metalinį elementą, o Ti ir lantanido elementai šiuo metu yra pagrindiniai aktyvūs elementai. AMB procesuose dažniausiai naudojami aktyvieji lydmetaliai apima Sn-Ag-Ti ir Ag-Cu-Ti sistemas, kuriose Ti yra aktyvus metalas, pagerinantis lydmetalio ir keramikos drėkinimą, o Sn ir Ag mažina lydymosi temperatūrą ir pagerina jungties šilumos laidumą.
Tačiau AMB procesas turi būti atliekamas esant dideliam vakuumui arba apsauginėje atmosferoje, o tai riboja jo pritaikymą. Norėdami įveikti šį apribojimą, mokslininkai sukūrė reaktyviojo oro litavimo (RAB) technologiją, kurią galima atlikti ore. RAB naudojami litavimo užpildai daugiausia sudaryti iš tauriųjų metalų (tokių kaip Ag, Ag-Pd lydiniai) ir metalų oksidų (tokių kaip CuO, V2O5 [9], Nb2O5, SiO2 ir Al2TiO5), todėl jungtis yra atspari oksidacijai. RAB metu metalo oksidai gali prilipti prie keraminio pagrindo paviršiaus ir su juo reaguoti, padidindami keraminio pagrindo drėgmę dėl išlydyto užpildo metalo ir sąsajos sinergetinio veikimo. Tuo tarpu geras tauriųjų metalų lankstumas padeda sumažinti vidinius šiluminius įtempius jungtyje, o metalo oksidų pridėjimas padeda sumažinti liekamuosius įtempius, atsirandančius dėl CTE neatitikimo tarp jungties ir keraminės matricos.
Aktyviojo metalo litavimo metalizavimas suteikia tokių pranašumų kaip paprasta įranga ir procesas, didelis patikimumas ir jokių apribojimų keraminiams pagrindo tipams, todėl tai yra perspektyviausias metalizavimo procesas, skirtas didelės galios įrenginiams. Tačiau, atsižvelgiant į sparčią didelės-galios elektroninių prietaisų pramonės plėtrą, AMB procesų mechaninėms savybėms ir ilgalaikiam -operaciniam patikimumui keliami aukštesni standartai, todėl būtina nuolat optimizuoti ir tobulinti. Tuo pačiu metu AMB keraminiai substratai susiduria su ta pačia technine nepakankamo grandinės tikslumo kliūtimi kaip ir DBC substratai. Jei bus sukurtos naujos technologijos, leidžiančios pasiekti grandinės tikslumą, panašų į DPC proceso tikslumą, tikimasi, kad AMB keramikos substratai ateityje pakeis kitus panašius substratus, parodydami didelį pritaikymo potencialą [4].
2.4 Lazerinis-metalizavimas
Lazerinio{0}}metalizacijos procese lazerio spindulys naudojamas selektyviai apšvitinti aliuminio{1} turintį keraminį pagrindą. Apšvitinta keraminė medžiaga redukuojama į aktyvuotus metalo atomus. Tada substratas panardinamas į beelektrinį dengimo tirpalą, kuriame yra Cu²⁺, kur aktyvuoti atomai skatina Cu²⁺ redukciją ir jo nusėdimą apšvitintose srityse, sudarydami metalinės grandinės modelius [10].
Beelektrinis dengimas yra autokatalizinis redokso procesas, kuriam nereikia išorinės srovės; tirpale esantys cheminiai reduktoriai metalo jonai redukuojami į kietą metalą [11], o energija, skatinanti šį redukavimą, gaunama iš tirpale esančių cheminių reduktorių. Paprastai metalo jonai dengimo vonioje nėra lengvai spontaniškai redukuojami, o katalizatorius dažnai reikalingas kaip tarpinė terpė, sumažinanti metalo branduolių susidarymo aktyvacijos energiją. Sėkmingai nusodinus katalizatoriaus daleles ant pagrindo paviršiaus, gali prasidėti didelio masto metalo nusodinimas.
Lazerinis -metalizavimas dažniausiai atliekamas ant aliuminio- turinčių substratų, nes lazerio švitinimas gali sudaryti aktyvuotus Al atomus. Tačiau Al atomų katalizinės savybės nėra idealios, todėl norint pagerinti nusodinimo efektyvumą, reikia kitų katalizatorių.
Lazerinio{0}}metalizacijos procesų dizainas yra labai jautrus lazerio parametrams, keraminio pagrindo charakteristikoms ir galvanizavimo proceso parametrams. Nors ši technika apjungia vario galvanizavimo sąnaudas su dideliu LAM (pagalbinio metalizavimo lazeriu) grandinės tikslumu, didelė lazerinės įrangos kaina ir beelektrinio dengimo sukeliama aplinkos tarša išlieka svarbūs veiksniai, ribojantys tolesnį platų jos naudojimą.
2.5 Storosios -plėvelės metalizavimas
Storosios -plėvelės metalizavimas apima metalinių sandarinimo Storosios -plėvelės pastos paprastai yra sudarytos iš metalo miltelių, kurių dalelių dydis yra apie 1,5 μm, keli procentai nuolatinio rišiklio ir organinės medžiagos (įskaitant organinius tirpiklius, tirštiklius, aktyviąsias paviršiaus medžiagas ir kt.), paruoštos malant rutuliniu būdu ir maišant. Storosios -plėvelės metalizavimo etapai paprastai apima: rašto projektavimą ir meno kūrinių paruošimą, pastos paruošimą, šilkografiją, džiovinimą ir sukepinimą [12].
Metalizuojant storą{0}}plėvelę naudojamas šilkografijos principas. Pirma, prie aliuminio nitrido keramikos pagrindo tvirtinami reikalingi metaliniai sluoksniai, skirti pakavimui arba elektroniniams komponentams, tokiems kaip rezistoriai. Tada metaliniai sluoksniai ir elektroniniai komponentai sujungiami su keraminio pagrindo paviršiumi aukštoje temperatūroje sukepinant, kad visos dalys būtų tvirtai sujungtos. Šis procesas plačiai taikomas elektroninių prietaisų pakuotėse ir grandinių laiduose. Laidi pasta yra pagrindinis veiksnys, turintis įtakos storos -plėvelės metalizavimo kokybei; jo sudėtį daugiausia sudaro metalo milteliai (1–5 μm), stiklas, rišikliai ir organinė medžiaga, sumaišyta rutuliniu frezavimu [13].
Storosios -plėvelės metalizavimo metodas taikomas įvairioms keramikos rūšims ir yra paprastas [14]. Tačiau, atsižvelgiant į ekrano dydį ir laidžias pastas, sunku pagaminti laidus, kurių linijos plotis mažesnis nei 60 μm. Metalo sluoksnio elektrinės savybės ir sukibimo stipris yra gana prasti, todėl tinka tik elektroniniams prietaisams, kuriems keliami mažesni galios ir dydžio reikalavimai. Laidžių pastų, specialiai tinkamų aliuminio nitrido storio{6}}plėvelės metalizavimui, vis dar yra palyginti nedaug, o komerciškai prieinamos pastos formos nėra tiesiogiai pritaikomos; kitu atveju sąsajoje gali atsirasti pūslių [15].
2.6 Plonas-Plėvelės metalizavimas
Plonosios-plėvelės metalizavimas yra procesas, kurio metu metalinės medžiagos išgarinamos ir nusodinamos ant keraminių paviršių naudojant fizinius garų nusodinimo metodus, tokius kaip vakuuminis garinimas arba purškimas, kad susidarytų plona metalinė plėvelė, po to maskavimas, ėsdinimas ir kiti veiksmai, kuriais sukuriami metalizuotų grandinių modeliai.
Teoriškai šis procesas gali sudaryti mikrono{0}}vienodo dydžio metalines plėveles ant įvairių substrato medžiagų, išgarinant arba purškiant. Tačiau dėl reikšmingo keramikos ir metalinio vario šiluminio plėtimosi koeficientų skirtumo, tiesioginis vario nusodinimas ant aliuminio nitrido keramikos sukelia didelius įtempimus tarp metalo ir keramikos sluoksnių, turinčių įtakos dangos sukibimo stiprumui su keramika ir pagrindo šiluminio ciklo stabilumui. Todėl pastaraisiais metais išpopuliarėjo daugiasluoksnio nusodinimo metodai. Pirmasis sluoksnis paprastai yra Ti sluoksnis, o antrasis sluoksnis pasirenkamas iš metalų, tokių kaip Cu, Ag arba Au. Kai dislokacijos slydimas ir sąveika viename sluoksnyje dėl didelių vidinių įtempių perkeliama į kitą sluoksnį, vidiniai įtempiai metalo sluoksnyje taip pat sumažėja.
Plonos{0}}plėvelės metalizavimas užtikrina aukštą kokybę, tvirtą sukibimą, vienodą dangą ir puikią rašto skiriamąją gebą. Tačiau jis gali pagaminti tik labai plonus metalo sluoksnius, o paruošimo procesas yra gana sudėtingas, apimantis kelis etapus, įskaitant paviršiaus apdorojimą, metalo nusodinimą ir po{2}} apdorojimą, todėl reikia griežtai kontroliuoti proceso parametrus. Tai lemia dideles gamybos sąnaudas, o tai labai riboja jo plėtrą.