1 Увод
Керамички материјали су класа неорганских не-материјала формираних од природних или синтетичких једињења кроз обликовање и-синтеровање на високој температури. Они поседују предности као што су високе тачке топљења, висока тврдоћа и висока отпорност на хабање и могу се користити као структурни и функционални материјали, нудећи широку примену [1]. Синтеровање керамичких материјала је првенствено процес у коме се један или више прахова чврстих сировина подвргава транспорту материјала при високо-грејању, што доводи до агрегације и згушњавања праха. Овај процес обично траје неколико сати или чак десетине сати. Макроскопски, синтеровање се манифестује као повећана густина и чврстоћа; у суштини, то је смањење енергије од површинске енергије честица до енергије интерфејса, изазвано атомском дифузијом под градијентима хемијског потенцијала на различитим местима, а микроскопски, манифестује се као елиминација пора између зрна [2].
2 Процеси метализације
2.1 Директна метализација бакра
У процесу метализације директног бакра (ДПЦ), након што је подлога ласер-избушена и темељно очишћена, слој семена се наноси на чисту, осушену керамичку подлогу. Затим се наноси суви филм, затим развијање и експозиција, а затим се врши галванизација да би се створила жељена метална кола. Након тога, вишак сувог филма и слоја семена се уклањају, а не-неактивни метал је премазан на површини бакра да би се заштитио слој бакра за наредне процесе лемљења.
Иако ДПЦ керамичке подлоге нуде предности као што су висока топлотна проводљивост, висока прецизност кола и смањена запремина паковања кроз-међусобне везе, дебљина слоја бакра је генерално ограничена на не више од 150 μм због ограничења процеса галванизације. Тренутно се ДПЦ технологија првенствено користи за паковање ЛЕД диода велике{3}}обе. У апликацијама са великом{5}}генерацијом топлоте{6}}као што су ЛЕД диоде велике{7}}осветљености и дубоке-ултраљубичасте ЛЕД диоде, не само да је подлога високе{9}}термалне-проводљивости потребна на полеђини ради расипања топлоте, већ је потребна и предња-страни материјали за термичко паковање и поузданост. Традиционални материјали за паковање од смоле су склони старењу и квару под ултраљубичастим светлом и високим температурама. Стога, тренутна истраживања такође имају тенденцију да користе неорганске или металне материјале као што су каолин, никл и бакар за формирање брана на ДПЦ супстратима, у комбинацији са провидном кварцном инкапсулацијом, како би се побољшала поузданост уређаја [3].
Тренутно се широко примењује процес директног метализације бакра, али се и даље суочава са проблемима као што су ниска ефикасност, слабо{0}}пуњење и лоша свестраност купатила. Међу њима, лоше-пуњење може да утиче на перформансе уређаја, стабилност и поузданост. Разлог је тај што током галванизације, бакар има тенденцију да се лакше таложи на површини међупростора, што доводи до затварања отвора пре него што се унутрашњост потпуно попуни, стварајући на крају празнине унутар отвора. На квалитет галванизације путем пуњења утичу струја превлачења и формулација адитива; оптимизација састава раствора за облагање и помоћних параметара процеса може побољшати-квалитет пуњења.
Поред тога, ДПЦ керамичке подлоге могу да наиђу на проблеме током галванизације, укључујући претерано дуго време наношења, не-неуједначену дебљину премаза и макроскопска заостала напрезања унутар премаза. Међу њима, прекомерно заостало напрезање може изазвати пуцање или савијање премаза, а акумулација заосталог напрезања унутар слоја бакра може утицати на термичку стабилност керамичке подлоге [4].
2.2 Метода директног везивања бакра
Технологију директног везаног бакра (ДБЦ) први су започели Бургесс ет ал. 1973. године [5]. Његов основни принцип је да слој оксида на површини бакарне фолије формира Цу–О еутектички растоп на високој температури. Ова талина поседује одлична својства влажења и, на еутектичкој температури од 1065 степени, може ефикасно да повеже керамичку подлогу са неизреагованом бакарном фолијом, обезбеђујући јаку везу након хлађења и очвршћавања.
Близу 1065 степени, формира се Цу–О еутектичка фаза. Пошто је тачка топљења чистог бакра 1083 степена, еутектичко везивање се мора извршити у температурном опсегу од 1065 степени до 1083 степени, са стварним операцијама углавном концентрисаним између 1070 степени и 1075 степени. Током хлађења, презасићени кисеоник у Цу–О еутектику преципитира као Цу₂О; у Ал₂О₃ или АлН керамици могу се појавити и додатни продукти реакције као што су ЦуАлО₂ и ЦуАл2О₄ [5]. Формирање еутектичке течности и њен садржај кисеоника су кључни за ефикасност везивања. С обзиром да је брзина дифузије кисеоника у топљењу бакра изузетно ниска (10⁻⁵ цм²/с), тешко је увести довољно кисеоника током процеса везивања; стога се пре-оксидација бакарне фолије генерално изводи да би се формирао Цу₂О на површини бакарне фолије да би се подстакло формирање еутектичке течности. Садржај кисеоника у бакру такође значајно утиче на јачину интерфејса везивања, тако да је прецизна контрола овог параметра кључни аспект обезбеђивања перформанси везивања [6].
Процес директног везивања бакра захтева посебне подлоге за употребу. Чисти растопљени бакар има слабу способност влажења на Ал₂О₃, АлН и Си₃Н₄, са контактним угловима који прелазе 130 степени. Повећањем парцијалног притиска кисеоника током везивања и садржаја кисеоника у топљењу бакра, контактни угао на Ал₂О3 површинама може се значајно смањити [7]. Иако се квашење на АлН такође може побољшати повећањем парцијалног притиска кисеоника током везивања, везивањем у вакуумском окружењу или продужавањем времена везивања, ефекат је веома ограничен [8]. Због тога је АлН генерално унапред-оксидисан да би се формирао површински слој Ал₂О₃, а затим је везан коришћењем горњих метода. Међутим, ниједна од ових метода не може лако побољшати квашење растапа бакра на Си₃Н₄, тако да се ДБЦ ретко примењује на Си₃Н₄.
2.3 Метализација активног лемљења метала
У индустрији нових енергетских возила, СиЦ модули су високо цењени. Међутим, када температура споја СиЦ енергетских уређаја порасте на 250 степени, лоша поузданост температурног{2}}циклуса ДБЦ керамичких супстрата у условима високе-температуре ограничава њихову примену. Да би се позабавили овим проблемом, истраживачи су развили АМБ (Ацтиве Метал Бразед) керамичке подлоге.
Прво се на чисту керамичку подлогу наноси танак слој лема. Бакарна фолија се затим поставља на лем, а склоп се загрева у вакуумском окружењу на 800 степени до 950 степени да би се лем растопио. Након хлађења, формира се чврст спој. Затим, мокро гравирање се користи за креирање металних дезена како би се испунили захтеви за електрично повезивање уређаја велике{5}}е снаге.
Пошто конвенционални метали генерално показују слабу способност влажења на керамичким подлогама, активни метални лемови се обично користе за побољшање влажења и повећање чврстоће споја. Активни метални лемови садрже најмање један активни метални елемент, при чему су Ти и лантанидни елементи тренутно главни активни елементи. Уобичајени активни лемови у АМБ процесима укључују Сн–Аг–Ти и Аг–Цу–Ти системе, где Ти служи као активни метал за побољшање влажења између лема и керамике, док Сн и Аг делују на снижавање тачке топљења и побољшање топлотне проводљивости споја.
Међутим, АМБ процес се мора изводити под високим вакуумом или заштитном атмосфером, што ограничава његову применљивост процеса. Да би превазишли ово ограничење, истраживачи су развили технологију реактивног лемљења ваздухом (РАБ), која се може изводити на ваздуху. Додатни метали за лемљење који се користе у РАБ-у углавном се састоје од племенитих метала (као што су легуре Аг, Аг–Пд) и металних оксида (као што су ЦуО, В₂О₅ [9], Нб₂О₅, СиО₂ и Ал₂ТиО₅), чиме се даје добра отпорност на оксидацију споја. Током РАБ-а, метални оксиди могу да приањају и реагују са површином керамичке подлоге, побољшавајући квашење керамичке подлоге синергистичким дејством растопљеног метала за пуњење и интерфејса. У међувремену, добра дуктилност племенитих метала помаже у ослобађању унутрашњих термичких напрезања у споју, а додатак металних оксида помаже у смањењу заосталих напона који произилазе из ЦТЕ неусклађености између споја и керамичке матрице.
Активно лемљење метала нуди предности као што су једноставна опрема и процес, висока поузданост и без ограничења на типове керамичких подлога, што га чини процесом метализације који највише обећава за апликације велике{0}}снаге. Међутим, с обзиром на брз развој-индустрије електронских уређаја велике снаге, постављају се виши стандарди за механичка својства и дугорочну-поузданост рада АМБ процеса, што захтева сталну оптимизацију и побољшање. У исто време, АМБ керамичке подлоге суочавају се са истим техничким уским грлом недовољне прецизности кола као ДБЦ подлоге. Ако се нове технологије могу развити да би се постигла прецизност кола упоредива са оном у ДПЦ процесу, очекује се да ће АМБ керамичке подлоге заменити друге сличне подлоге у будућности, показујући велики потенцијал примене [4].
2.4 Ласер{1}}индукована метализација
У процесу{0}}индуковане ласером метализације, ласерски зрак се користи за селективно озрачивање керамичке подлоге која садржи алуминијум-. Озрачени керамички материјал се редукује на активиране атоме метала. Подлога се затим урања у раствор за облагање без електролита који садржи Цу²⁺, где активирани атоми промовишу редукцију Цу²⁺ и његово таложење на озраченим подручјима, формирајући шеме металног кола [10].
Безелектрична обрада је аутокаталитички редокс процес који не захтева спољну струју; јони метала се редукују у чврст метал помоћу хемијских редукционих агенаса у раствору [11], а енергија која покреће ову редукцију долази од хемијских редукционих агенаса у раствору. Типично, јони метала у купатилу за облагање се не редукују лако спонтано, а катализатор је често потребан као средњи медијум да би се смањила енергија активације за нуклеацију метала. Једном када се честице катализатора успешно одложе на површину супстрата, може се покренути таложење метала великог{3}}размера.
Ласер{0}}индукована метализација се обично изводи на подлогама које садрже алуминијум- јер ласерско зрачење може да формира активиране атоме Ал. Међутим, каталитичке перформансе Ал атома нису идеалне, а други катализатори су потребни да би се побољшала ефикасност таложења.
Дизајн ласерски{0}}индукованих процеса метализације је веома осетљив на параметре ласера, карактеристике керамичке подлоге и параметре процеса галванизације. Иако ова техника комбинује трошковну предност галванизације бакра са високом прецизношћу кола ЛАМ процеса (ласер-потпомогнута метализација) процеса, висока цена ласерске опреме и загађење животне средине узроковано електробезградњом остају важни фактори који ограничавају њено даље ширење.
2.5 Дебели{1}}метализација филма
Дебели{0}}метализација са дебелим филмом обухвата -штампање металних слојева за заптивање, проводника (ожичења кола), отпорника итд. на керамичке подлоге, након чега следи синтеровање да би се формирали метални слојеви за лемљење, кола и тачке за причвршћивање електрода. Дебелофилмске пасте- се углавном састоје од металног праха са величином честица око 1,5 μм, неколико процената трајног везива и органског носача (укључујући органске раствараче, згушњиваче, сурфактанте, итд.), припремљеног млевењем и мешањем. Кораци метализације дебелих{8}}филмова углавном укључују: дизајн шаблона и припрему уметничког дела, припрему пасте, сито штампу, сушење и синтеровање [12].
Дебела{0}}метализација користи принцип ситоштампе. Прво, потребни метални слојеви за паковање или електронске компоненте као што су отпорници су причвршћени на керамичку подлогу од алуминијум нитрида. Затим се метални слојеви и електронске компоненте везују за површину керамичке подлоге путем синтеровања на високој{3}}температури, чиме се постижу чврсте везе између свих делова. Овај процес има широку примену у паковању електронских уређаја и ожичењу кола. Проводљива паста је кључни фактор који утиче на квалитет метализације дебелог{6}}филма; његов састав се углавном састоји од металних прахова (1–5 μм), стакла, везива и органског носача помешаног млевењем [13].
Метода метализације дебелог филма{0}}применљива је на широк спектар типова керамике и има једноставан процес [14]. Међутим, ограничено величинама екрана и проводљивим пастама, тешко је произвести жице са ширинама линија испод 60 μм. Електрична својства и чврстоћа пријањања металног слоја су релативно лоши, што га чини погодним само за електронске уређаје са нижим захтевима за снагом и величином. Кондуктивне пасте које су посебно погодне за метализацију дебелог - филма алуминијум нитрида су још увек релативно ретке, а комерцијално доступне формулације пасте нису директно применљиве; у супротном може доћи до стварања мехурића на интерфејсу [15].
2.6 Танка{1}}метализација филма
Танко{0}}метализација је процес у коме се метални материјали испаравају и наносе на керамичке површине методама физичког таложења паром, као што су вакуумско испаравање или распршивање да би се формирао танак метални филм, након чега следи маскирање, гравирање и други кораци за креирање метализованих узорака кола.
У теорији, овај процес може да формира уједначене металне филмове у микронској-размери на различитим материјалима супстрата путем испаравања или распршивања. Међутим, због значајне разлике у коефицијентима термичке експанзије између керамике и металног бакра, директно таложење бакра на керамици алуминијум нитрида доводи до великих напона између металних и керамичких слојева, утичући на чврстоћу пријањања премаза на керамику и стабилност подлоге на термички циклус. Због тога су последњих година постали популарни приступи вишеслојног таложења. Први слој је типично Ти слој, а други слој се бира од метала као што су Цу, Аг или Ау. Када се клизање дислокације и интеракције у једном слоју пренесу на други слој због великих унутрашњих напона, унутрашњи напони унутар металног слоја се такође ослобађају.
Танка{0}}метализација нуди висок квалитет, јаку адхезију, уједначене премазе и фину резолуцију шара. Међутим, може да произведе само веома танке металне слојеве, а процес припреме је релативно сложен, укључује више корака укључујући површинску обраду, таложење метала и накнадни третман, што захтева строгу контролу параметара процеса. Ово резултира високим трошковима производње, озбиљно ограничавајући његов развој.