У сферах силової електроніки, вакуумних пристроїв, напівпровідникової упаковки та нового енергетичного обладнання технологія з’єднання кераміки-з-металом є основним компонентом для досягнення високонадійної герметичної упаковки та ефективного керування температурою. Оскільки сама по собі кераміка не піддається паянню, на її поверхні за допомогою керамічної металізації повинна утворюватися міцна, електропровідна та придатна для пайки металева плівка. У міру розвитку пристроїв у напрямку вищої питомої потужності, вищої частоти та меншого розміру висуваються вищі вимоги до міцності міжфазного зв’язку, термічної стабільності та мікроскопічної однорідності металізованої кераміки, що сприяє безперервній еволюції процесів металізації від традиційного високотемпературного спікання до низькотемпературного, безпечного для навколишнього середовища та високоточного фізичного осадження-з парової фази.
Технічне порівняння основних методів металізації
Наразі методи металізації кераміки, які широко використовуються в промисловості, включають електрогальванічне покриття, гальванічне покриття, сріблення/нікелювання, спікання Mo-Mn і технологію вакуумного покриття, кожен з яких має свої переваги та недоліки:
Безелектричне покриття Ni-P не потребує зовнішнього джерела живлення та може утворювати рівномірне покриття на складних геометричних поверхнях. Однак плівковий шар і керамічна підкладка в основному фізично адсорбуються, що призводить до слабкої адгезії (зазвичай<3 MPa). Furthermore, the plating solution is expensive, and the treatment of phosphorus-containing wastewater is difficult, making it difficult to meet high reliability requirements.
Незважаючи на те, що гальванічне покриття з нікелю дає змогу отримати -покриття з низьким навантаженням, воно надзвичайно чутливе до чистоти процесу попередньої обробки, що легко призводить до таких дефектів, як утворення пухирів і точок. Крім того, через вплив розподілу електричного поля глибокі отвори або зони канавок у прецизійних металізованих алюмінієвих керамічних компонентах часто мають нерівномірне покриття, що призводить до поганої рівномірності покриття.
Метод Ag(Ni), який передбачає нанесення суспензії з наступним -зниженням високої температури для утворення металевого шару, є простим і забезпечує хорошу електропровідність. Однак шар Ag схильний до міграції іонів під впливом високої температури, високої вологості та електричних полів постійного струму, що призводить до руйнування ізоляції. У той час як шар Ni має низьку рухливість, плівка, як правило, тонка, несуцільна і не має достатньої стійкості до корозії.
The Mo-Mn sintering method, the most mature process, oxidizes Mn in an H₂-H₂O atmosphere and reacts it with the Al₂O₃ glass phase to form a manganese aluminum spinel transition layer, achieving high-strength bonding (>20 МПа). Однак це вимагає високотемпературного-спікання при 1300–1500 градусів, що призводить до високого споживання енергії. Крім того, грубі частинки порошку Mo-Mn призводять до грубої та нерівної плівки, що робить його непридатним для високо-точної обробки алюмінієвих керамічних деталей.
Основні фактори, що впливають на якість металізації
1. Сумісність плівкового матеріалу: ідеальна система металізації повинна збалансувати адгезію, провідність і зварюваність. Композитна структура Ni-Cu/Ag завдяки своєму градієнтному КТР, хімічній сумісності та здатності блокувати дифузію Ag стала стандартним рішенням для високо-частотних високо-потужних пристроїв.
2. Оптимізація товщини плівки: занадто тонка (<0.5 μm) films cannot form a continuous film, resulting in insufficient adhesion; too thick (>3 мкм) плівки збільшують внутрішню напругу і знижують пластичність. Експерименти показують, що перехідний шар Ni-Cu досягає свого піку межфазної адгезії при 1,0–1,5 мкм.
3. Substrate Pretreatment and Cleanliness: Micropores and contaminants on the Al₂O₃ surface significantly weaken adhesion. Standard procedures include ultrasonic cleaning and plasma activation to ensure a surface energy >72 мН/м, що забезпечує чисту та активну підкладку для напилення.
Сценарії застосування та майбутні тенденції
Силові електронні модулі: на підкладках IGBT використовуються високочисті керамічні металізовані деталі (HAMP) для досягнення з’єднань із низьким термічним опором шляхом напилення.
Вакуумні електронні пристрої: металізовані керамічні частини в трубках біжучої хвилі (ЛБВ) і магнетронах вимагають високої герметичності; щільні не{0}}пористі плівки з напиленням кращі за пористі спечені шари.
Радіочастотні пристрої 5G: значний скін-ефект на високих частотах вимагає надзвичайно низького опору поверхні електродів, що робить необхідним верхній шар Ag.
У майбутньому галузь буде зосереджена на трьох основних напрямках: по-перше, розробка нових градієнтних композитних мішеней (таких як W-Ni-Fe) для подальшого узгодження КТР; по-друге, комбінування атомного шарового осадження (ALD) для досягнення суб-нанометрового контролю межі поділу; і по-третє, просування обладнання для напилення від рулонів до рулонів (R2R) для зниження витрат на виробництво металізованої кераміки з оксиду алюмінію.
Висновок
Від високотемпературного спікання Mo-Mn-до напилення композиту Ni-Cu/Ag, кожен крок вперед у технології високо-металізованих керамічних компонентів є результатом прагнення до все вищих меж продуктивності. Завдяки швидкому поширенню широкозонних-напівпровідникових пристроїв, таких як карбід кремнію та нітрид галію, прецизійна металізована кераміка більше не є просто з’єднувальним середовищем, а ключовими технологіями, які визначають загальну термо-електричну-механічну надійність систем. Лише шляхом постійної оптимізації систем матеріалів і технологічних вікон можна захистити безпеку та термін служби основних пристроїв у екстремальних умовах експлуатації.
Зв'яжіться з нами
Якщо ви хочете дізнатися більше про принципи дизайну плівки, типові режими відмови або вікна параметрів процесу напиленняМеталізована кераміка для електричних компонентів, зв'яжіться з нами. Ми надамо вам професійну технічну інформацію та поради щодо інженерної підтримки.
