1 Indledning
Keramiske materialer er en klasse af uorganiske ikke-metalliske materialer, der er dannet af naturlige eller syntetiske forbindelser gennem formning og høj-temperatursintring. De har fordele såsom høje smeltepunkter, høj hårdhed og høj slidstyrke og kan bruges som strukturelle materialer og funktionelle materialer, hvilket giver brede anvendelsesmuligheder [1]. Sintring af keramiske materialer er primært en proces, hvor et eller flere faste råstofpulvere gennemgår materialetransport under høj-temperaturopvarmning, hvilket får pulveret til at aggregere og fortætte. Denne proces tager typisk flere timer eller endda snesevis af timer. Makroskopisk viser sintring sig som øget tæthed og styrke; i det væsentlige er det et energifald fra partikeloverfladeenergi til grænsefladeenergi, drevet af atomdiffusion under kemiske potentialegradienter på forskellige steder, og mikroskopisk manifesterer det sig som eliminering af porer mellem korn [2].
2 Metalliseringsprocesser
2.1 Direkte belagt kobbermetallisering
I den direkte belagte kobber (DPC) metalliseringsproces, efter at substratet er laser-boret og grundigt renset, afsættes et frølag på det rene, tørrede keramiske substrat. En tør film påføres derefter, efterfulgt af fremkaldelse og eksponering, og efterfølgende udføres galvanisering for at generere det ønskede metalkredsløb. Derefter fjernes den overskydende tørre film og frølaget, og et ikke-aktivt metal belægges på kobberoverfladen for at beskytte kobberlaget til efterfølgende loddeprocesser.
Selvom DPC keramiske substrater tilbyder fordele såsom høj termisk ledningsevne, høj kredsløbspræcision og reduceret pakkevolumen gennem via-hulforbindelser, er kobberlagets tykkelse generelt begrænset til højst 150 μm på grund af begrænsningerne i galvaniseringsprocessen. I øjeblikket bruges DPC-teknologi primært til emballering af høj-lysdioder. I høj-varme-applikationer, såsom høj-lysstyrke-LED'er og dybe-ultraviolette LED'er, kræves der ikke kun et substrat med høj-termisk-ledningsevne på bagsiden til varmeafledning, men forsiden-skal også tage hensyn til emballagematerialernes pålidelighed og stabilitet. Traditionelle harpiksemballagematerialer er tilbøjelige til ældning og fejl under ultraviolet lys og høje temperaturer. Derfor har den nuværende forskning også en tendens til at bruge uorganiske eller metalliske materialer såsom kaolin, nikkel og kobber til at danne dæmningsstrukturer på DPC-substrater, kombineret med transparent kvartsindkapsling, for at forbedre enhedens pålidelighed [3].
I øjeblikket er den direkte belagte kobbermetalliseringsproces blevet brugt i vid udstrækning, men den står stadig over for problemer som lav effektivitet, dårlig via-fyldning og dårlig alsidighed i badet. Blandt disse kan dårlig via-fyldning påvirke enhedens ydeevne, stabilitet og pålidelighed. Årsagen er, at under galvanisering har kobber en tendens til at aflejre sig lettere på gennemgangsoverfladen, hvilket får gennemgangen til at lukke, før det indre er helt fyldt, hvilket i sidste ende danner hulrum inde i gennemgangen. Kvaliteten af galvaniseret via fyldning påvirkes af pletteringsstrømmen og additivformuleringen; optimering af pletteringsløsningens sammensætning og hjælpeprocesparametre kan forbedres via-påfyldningskvalitet.
Derudover kan DPC-keramiske substrater støde på problemer under galvanisering, herunder for lange pletteringstider, u-ensartet belægningstykkelse og makroskopiske restspændinger i belægningen. Blandt disse kan overdreven restspænding forårsage, at belægningen revner eller vrider sig, og akkumuleringen af restspænding i kobberlaget kan påvirke det keramiske substrats termiske stabilitet [4].
2.2 Direkte bundet kobbermetode
Den direkte bundne kobber (DBC) teknologi blev først banebrydende af Burgess et al. i 1973 [5]. Dets grundlæggende princip er, at oxidlaget på kobberfoliens overflade danner en Cu-O eutektisk smelte ved høj temperatur. Denne smelte har fremragende befugtningsegenskaber og kan ved den eutektiske temperatur på 1065 grader effektivt binde det keramiske substrat med den uomsatte kobberfolie, hvilket sikrer en stærk binding efter afkøling og størkning.
Nær 1065 grader dannes den Cu-O eutektiske fase. Da smeltepunktet for rent kobber er 1083 grader, skal den eutektiske binding udføres i temperaturområdet 1065 grader til 1083 grader, med faktiske operationer for det meste koncentreret mellem 1070 grader og 1075 grader. Under afkøling udfældes den overmættede oxygen i Cu-O-eutektikken som Cu2O; i Al2O3 eller AlN keramik kan yderligere reaktionsprodukter såsom CuAlO2 og CuAl2O4 også forekomme [5]. Dannelsen af den eutektiske væske og dens iltindhold er afgørende for bindingseffektiviteten. I betragtning af at diffusionshastigheden af oxygen i kobbersmelten er ekstremt lav (10-5 cm²/s), er det vanskeligt at indføre tilstrækkelig oxygen under bindingsprocessen; derfor udføres præ-oxidation af kobberfolien generelt for at danne Cu₂O på kobberfolieoverfladen for at fremme eutektisk væskedannelse. Iltindholdet i kobber påvirker også bindingsgrænsefladestyrken væsentligt, så præcis kontrol af denne parameter er et kerneaspekt for at sikre bindingsydelse [6].
Den direkte bundne kobberproces kræver specifikke substrater til brug. Ren kobbersmelte har dårlig befugtningsevne på Al2O3, AlN og Si3N4 med kontaktvinkler på over 130 grader. Ved at øge iltpartialtrykket under binding og iltindholdet i kobbersmelten kan kontaktvinklen på Al₂O3-overflader reduceres kraftigt [7]. Selvom befugtningsevnen på AlN også kan forbedres ved at øge oxygenpartialtrykket under binding, binding i et vakuummiljø eller forlænge bindingstiden, er effekten meget begrænset [8]. Derfor foroxideres AlN generelt for at danne et overfladelag af Al2O3 og bindes derefter ved hjælp af ovenstående metoder. Imidlertid kan ingen af disse metoder let forbedre befugtningen af kobbersmelte på Si3N4, så DBC påføres sjældent til Si3N4.
2.3 Aktiv metalloddemetallisering
I den nye energibilindustri er SiC-moduler højt værdsat. Men når krydsningstemperaturen for SiC-energienheder stiger til 250 grader, begrænser den dårlige temperatur-cykluspålidelighed af DBC-keramiske substrater under høje-temperaturforhold deres anvendelse. For at løse dette problem udviklede forskere AMB (Active Metal Brazed) keramiske substrater.
Først påføres et tyndt lag lodde på et rent keramisk underlag. Kobberfolie anbringes derefter på loddet, og samlingen opvarmes i et vakuummiljø ved 800 grader til 950 grader for at smelte loddet. Ved afkøling dannes en robust samling. Dernæst bruges vådætsning til at skabe metalliske mønstre for at opfylde de elektriske sammenkoblingskrav for høj-enheder.
Fordi konventionelle metaller generelt udviser dårlig befugtningsevne på keramiske substrater, bruges aktive metalloddemidler almindeligvis til at forbedre befugtningsevnen og øge fugestyrken. Aktive metallodder indeholder mindst ét aktivt metalelement, hvor Ti- og lanthanidelementer i øjeblikket er de vigtigste aktive elementer. De almindeligt anvendte aktive loddemidler i AMB-processer omfatter Sn-Ag-Ti- og Ag-Cu-Ti-systemer, hvor Ti fungerer som det aktive metal til at forbedre befugtningsevnen mellem loddemetal og keramikken, mens Sn og Ag virker til at sænke smeltepunktet og forbedre den termiske ledningsevne af samlingen.
AMB-processen skal dog udføres under højvakuum eller en beskyttende atmosfære, hvilket begrænser dens procesanvendelse. For at overvinde denne begrænsning har forskere udviklet Reactive Air Brazing (RAB) teknologi, som kan udføres i luft. De hårdloddede fyldmetaller, der anvendes i RAB, er hovedsageligt sammensat af ædelmetaller (såsom Ag, Ag-Pd-legeringer) og metaloxider (såsom CuO, V₂O₅ [9], Nb₂O₅, SiO₂ og Al₂TiO₅), hvilket giver samlingen god oxidationsmodstand. Under RAB kan metaloxider klæbe til og reagere med den keramiske substratoverflade, hvilket øger det keramiske substrats befugtningsevne gennem den synergistiske virkning af det smeltede fyldmetal og grænsefladen. I mellemtiden hjælper den gode duktilitet af ædelmetaller med at lindre interne termiske spændinger i samlingen, og tilføjelsen af metaloxider hjælper med at reducere resterende spændinger som følge af CTE-uoverensstemmelser mellem samlingen og den keramiske matrix.
Aktiv metallodning giver fordele såsom enkelt udstyr og proces, høj pålidelighed og ingen begrænsninger for keramiske substrattyper, hvilket gør det til den mest lovende metalliseringsproces til høj-enhedsapplikationer. Men på grund af den hurtige udvikling af den høje-elektroniske enhedsindustri, stilles der højere standarder for de mekaniske egenskaber og langsigtet-driftspålidelighed af AMB-processer, hvilket nødvendiggør kontinuerlig optimering og forbedring. Samtidig står AMB keramiske substrater over for den samme tekniske flaskehals af utilstrækkelig kredsløbspræcision som DBC-substrater. Hvis nye teknologier kan udvikles til at opnå kredsløbspræcision sammenlignelig med DPC-processen, forventes AMB keramiske substrater at erstatte andre lignende substrater i fremtiden, hvilket viser stort anvendelsespotentiale [4].
2.4 Laser-Induceret metallisering
I den laser-inducerede metalliseringsproces bruges en laserstråle til selektivt at bestråle et aluminium-holdigt keramisk substrat. Det bestrålede keramiske materiale reduceres til aktiverede metalatomer. Substratet nedsænkes derefter i en strømløs pletteringsopløsning indeholdende Cu²⁺, hvor de aktiverede atomer fremmer reduktionen af Cu²⁺ og dets aflejring på de bestrålede områder og danner metalliske kredsløbsmønstre [10].
Elektroløs plettering er en autokatalytisk redoxproces, der ikke kræver en ekstern strøm; metalioner reduceres til fast metal af kemiske reduktionsmidler i opløsningen [11], og energien, der driver denne reduktion, kommer fra de kemiske reduktionsmidler i opløsningen. Typisk reduceres metalioner i pletteringsbadet ikke let spontant, og en katalysator er ofte nødvendig som et mellemmedium for at sænke aktiveringsenergien til metalkernedannelse. Når katalysatorpartikler med succes er afsat på substratoverfladen, kan metalaflejring i stor skala udløses.
Laser-induceret metallisering udføres almindeligvis på aluminium-holdige substrater, fordi laserbestråling kan danne aktiverede Al-atomer. Imidlertid er den katalytiske ydeevne af Al-atomer ikke ideel, og andre katalysatorer er nødvendige for at forbedre afsætningseffektiviteten.
Designet af laser-inducerede metalliseringsprocesser er meget følsomt over for laserparametre, keramiske substratkarakteristika og galvaniseringsprocesparametre. Selvom denne teknik kombinerer omkostningsfordelen ved kobbergalvanisering med den høje kredsløbspræcision ved LAM-processer (laser-assisteret metallisering), er de høje omkostninger ved laserudstyr og miljøforureningen forårsaget af strømløs plettering stadig vigtige faktorer, der begrænser dens yderligere udbredte anvendelse.
2.5 Tyk-filmmetallisering
Tyk-filmmetallisering involverer screen-udskrivning af metallag til tætning, ledere (kredsløbsledninger), modstande osv. på keramiske substrater, efterfulgt af sintring til dannelse af loddemetallag, kredsløb og blyfastgørelsespunkter. Tykke-filmpastaer er generelt sammensat af metalpulvere med partikelstørrelser omkring 1,5 μm, nogle få procent permanent bindemiddel og et organisk vehikel (inklusive organiske opløsningsmidler, fortykningsmidler, overfladeaktive stoffer osv.), fremstillet ved kugleformaling og blanding. Trinnene med tyk-metallisering omfatter generelt: mønsterdesign og klargøring af kunstværker, pastaforberedelse, serigrafi, tørring og sintring [12].
Tyk-filmmetallisering anvender princippet om serigrafi. Først fastgøres de nødvendige metallag til emballering eller elektroniske komponenter såsom modstande til det keramiske aluminiumnitridsubstrat. Derefter bindes metallagene og de elektroniske komponenter til den keramiske substratoverflade gennem høj-temperatursintring, hvorved der opnås faste forbindelser mellem alle dele. Denne proces har brede anvendelser inden for emballering af elektroniske enheder og kredsløbsledninger. Den ledende pasta er nøglefaktoren, der påvirker tyk-metalliseringskvaliteten; dens sammensætning består hovedsageligt af metalpulvere (1-5 μm), glas, bindemidler og en organisk vehikel blandet ved kugleformaling [13].
Den tykke-filmmetalliseringsmetode kan anvendes til en lang række keramiske typer og har en enkel proces [14]. Men begrænset af skærmstørrelser og ledende pastaer er det vanskeligt at fremstille ledninger med linjebredder under 60 μm. Metallagets elektriske egenskaber og vedhæftningsstyrke er relativt dårlige, hvilket gør det kun egnet til elektroniske enheder med lavere effekt- og størrelseskrav. Ledende pastaer, der er specifikt egnede til aluminiumnitrid tyk-filmmetallisering, er stadig relativt få, og kommercielt tilgængelige pastaformuleringer er ikke direkte anvendelige; ellers kan der opstå blærer ved grænsefladen [15].
2.6 Tynd-filmmetallisering
Tynd-filmmetallisering er en proces, hvor metalmaterialer fordampes og aflejres på keramiske overflader ved hjælp af fysiske dampaflejringsmetoder, såsom vakuumfordampning eller sputtering for at danne en tynd metalfilm, efterfulgt af maskering, ætsning og andre trin for at skabe metalliserede kredsløbsmønstre.
I teorien kan denne proces danne ensartede metalfilm i mikron-skala på forskellige substratmaterialer via fordampning eller sputtering. På grund af den betydelige forskel i termiske ekspansionskoefficienter mellem keramik og metallisk kobber introducerer direkte kobberaflejring på aluminiumnitridkeramik store spændinger mellem metal- og keramiske lag, hvilket påvirker belægningens vedhæftningsstyrke til keramikken og substratets termiske cyklusstabilitet. Derfor er flerlagsdeponeringsmetoder i de senere år blevet populære. Det første lag er typisk et Ti-lag, og det andet lag er valgt blandt metaller såsom Cu, Ag eller Au. Når dislokationsglidning og interaktioner i et enkelt lag overføres til et andet lag på grund af store indre spændinger, aflastes de indre spændinger i metallaget også.
Tynd-filmmetallisering giver høj kvalitet, stærk vedhæftning, ensartede belægninger og fin mønsteropløsning. Det kan dog kun producere meget tynde metallag, og forberedelsesprocessen er relativt kompleks og involverer flere trin, herunder overfladebehandling, metalaflejring og efter-behandling, hvilket kræver streng kontrol af procesparametre. Dette resulterer i høje produktionsomkostninger, hvilket i høj grad hæmmer dets udvikling.