1 Introducere
Materialele ceramice sunt o clasă de materiale anorganice ne-metalice formate din compuși naturali sau sintetici prin modelare și sinterizare la-înaltă temperatură. Ele posedă avantaje precum puncte de topire ridicate, duritate ridicată și rezistență ridicată la uzură și pot fi utilizate ca materiale structurale și materiale funcționale, oferind perspective largi de aplicare [1]. Sinterizarea materialelor ceramice este în primul rând un proces în care una sau mai multe pulberi solide de materie primă sunt supuse transportului de material sub încălzire la temperatură înaltă-, determinând agregarea și densificarea pulberii. Acest proces durează de obicei câteva ore sau chiar zeci de ore. Macroscopic, sinterizarea se manifestă ca densitate și rezistență crescute; în esență, este o scădere a energiei de la energia de suprafață a particulei la energia de interfață, determinată de difuzia atomică sub gradienți de potențial chimic la diferite locuri și, microscopic, se manifestă ca eliminarea porilor dintre boabe [2].
2 Procese de metalizare
2.1 Metalizarea directă a cuprului placat
În procesul de metalizare directă a cuprului placat (DPC), după ce substratul este forat cu laser-și curățat temeinic, un strat de semințe este depus pe substratul ceramic curat și uscat. Apoi se aplică o peliculă uscată, urmată de dezvoltare și expunere, iar ulterior se efectuează galvanizarea pentru a genera circuitul metalic dorit. După aceea, excesul de peliculă uscată și stratul de semințe sunt îndepărtate și un metal ne-activ este acoperit pe suprafața de cupru pentru a proteja stratul de cupru pentru procesele ulterioare de lipire.
Deși substraturile ceramice DPC oferă avantaje precum conductivitate termică ridicată, precizie ridicată a circuitului și volum redus de ambalare prin interconexiuni prin-găuri, grosimea stratului de cupru este în general limitată la cel mult 150 μm din cauza constrângerilor procesului de galvanizare. În prezent, tehnologia DPC este utilizată în principal la ambalarea LED-urilor de-putere mare. În aplicațiile cu generare de căldură-înaltă-, cum ar fi LED-urile de-luminozitate ridicată și LED-urile-ultraviolete profunde, nu numai că este necesar un substrat de-termic-conductivitate ridicată pe partea din spate pentru disiparea căldurii, dar materialele de ambalare{-partea frontală trebuie să ia în considerare și stabilitatea și fiabilitatea. Materialele tradiționale de ambalare din rășină sunt predispuse la îmbătrânire și la defecțiuni la lumina ultravioletă și la temperaturi ridicate. Prin urmare, cercetările actuale tinde, de asemenea, să utilizeze materiale anorganice sau metalice precum caolinul, nichelul și cuprul pentru a forma structuri de baraj pe substraturi DPC, combinate cu încapsularea transparentă de cuarț, pentru a îmbunătăți fiabilitatea dispozitivului [3].
În prezent, procesul de metalizare a cuprului placat direct a fost aplicat pe scară largă, dar încă se confruntă cu probleme precum eficiență scăzută, umplere slabă prin-și versatilitate slabă a băii. Printre acestea, umplerea slabă prin-poate afecta performanța, stabilitatea și fiabilitatea dispozitivului. Motivul este că, în timpul galvanizării, cuprul tinde să se depună mai ușor pe suprafața traversei, determinând închiderea conductei înainte ca interiorul să fie complet umplut, formând în cele din urmă goluri în interiorul traversei. Calitatea galvanizării prin umplere este influențată de curentul de placare și de formularea aditivului; optimizarea compoziției soluției de placare și a parametrilor procesului auxiliar se poate îmbunătăți prin-calitatea de umplere.
În plus, substraturile ceramice DPC pot întâmpina probleme în timpul galvanizării, inclusiv timpi de placare excesiv de lungi, grosime ne-uniformă a acoperirii și tensiuni reziduale macroscopice în interiorul acoperirii. Printre acestea, stresul rezidual excesiv poate provoca fisurarea sau deformarea stratului de acoperire, iar acumularea de stres rezidual în stratul de cupru poate afecta stabilitatea termică a substratului ceramic [4].
2.2 Metoda cuprului lipit direct
Tehnologia cuprului direct legat (DBC) a fost lansată pentru prima dată de Burgess și colab. în 1973 [5]. Principiul său de bază este că stratul de oxid de pe suprafața foliei de cupru formează o topitură eutectică Cu-O la temperatură ridicată. Această topitură are proprietăți excelente de umectare și, la temperatura eutectică de 1065 de grade, poate lega eficient substratul ceramic cu folia de cupru nereacționată, asigurând o legătură puternică după răcire și solidificare.
Aproape de 1065 de grade, se formează faza eutectică Cu–O. Deoarece punctul de topire al cuprului pur este de 1083 de grade, lipirea eutectică trebuie efectuată în intervalul de temperatură de la 1065 de grade la 1083 de grade, cu operațiunile reale concentrate în cea mai mare parte între 1070 de grade și 1075 de grade. În timpul răcirii, oxigenul suprasaturat din eutecticul Cu–O precipită sub formă de Cu₂O; în ceramica Al₂O₃ sau AlN, pot apărea, de asemenea, produși de reacție suplimentari precum CuAlO₂ și CuAl₂O₄ [5]. Formarea lichidului eutectic și conținutul său de oxigen sunt esențiale pentru eficacitatea legăturii. Având în vedere că viteza de difuzie a oxigenului în topitura de cupru este extrem de scăzută (10⁻⁵ cm²/s), este dificil să se introducă suficient oxigen în timpul procesului de legare; prin urmare, pre-oxidarea foliei de cupru este în general efectuată pentru a forma Cu₂O pe suprafața foliei de cupru pentru a promova formarea lichidului eutectic. Conținutul de oxigen din cupru afectează, de asemenea, în mod semnificativ rezistența interfeței de legătură, astfel încât controlul precis al acestui parametru este un aspect esențial al asigurării performanței de legare [6].
Procesul de cupru lipit direct necesită substraturi specifice pentru utilizare. Topitura de cupru pur are o umectabilitate slabă pe Al₂O₃, AlN și Si₃N₄, cu unghiuri de contact care depășesc 130 de grade. Prin creșterea presiunii parțiale a oxigenului în timpul legăturii și a conținutului de oxigen al topiturii de cupru, unghiul de contact pe suprafețele Al₂O₃ poate fi mult redus [7]. Deși umectarea pe AlN poate fi îmbunătățită și prin creșterea presiunii parțiale a oxigenului în timpul lipirii, a legăturii într-un mediu de vid sau a prelungirii timpului de lipire, efectul este foarte limitat [8]. Prin urmare, AlN este în general pre-oxidat pentru a forma un strat de suprafață de Al₂O₃ și apoi lipit folosind metodele de mai sus. Cu toate acestea, niciuna dintre aceste metode nu poate îmbunătăți cu ușurință umecbilitatea topiturii de cupru pe Si₃N₄, astfel încât DBC este rar aplicat la Si₃N₄.
2.3 Metalizarea activă prin lipire a metalelor
În industria vehiculelor cu energie nouă, modulele SiC sunt foarte apreciate. Cu toate acestea, atunci când temperatura de joncțiune a dispozitivelor de putere SiC crește la 250 de grade, fiabilitatea scăzută a ciclului de temperatură a substraturilor ceramice DBC în condiții de temperatură înaltă limitează aplicarea acestora. Pentru a rezolva această problemă, cercetătorii au dezvoltat substraturi ceramice AMB (Active Metal Brazed).
Mai întâi, se aplică un strat subțire de lipit pe un substrat ceramic curat. Folia de cupru este apoi plasată pe lipit, iar ansamblul este încălzit într-un mediu de vid la 800 de grade până la 950 de grade pentru a topi lipirea. La răcire, se formează o îmbinare robustă. În continuare, gravarea umedă este utilizată pentru a crea modele metalice pentru a îndeplini cerințele de interconectare electrică ale dispozitivelor cu putere mare-.
Deoarece metalele convenționale prezintă, în general, o umectabilitate slabă pe substraturile ceramice, lipiturile metalice active sunt utilizate în mod obișnuit pentru a îmbunătăți umectarea și a îmbunătăți rezistența îmbinării. Lipiturile metalice active conțin cel puțin un element metalic activ, principalele elemente active fiind în prezent Ti și elemente lantanide. Lipiturile active utilizate în mod obișnuit în procesele AMB includ sistemele Sn-Ag-Ti și Ag-Cu-Ti, în care Ti servește ca metal activ pentru a îmbunătăți umecbilitatea dintre lipit și ceramică, în timp ce Sn și Ag acționează pentru a scădea punctul de topire și a îmbunătăți conductivitatea termică a îmbinării.
Cu toate acestea, procesul AMB trebuie efectuat sub vid înalt sau într-o atmosferă protectoare, ceea ce limitează aplicabilitatea procesului său. Pentru a depăși această limitare, cercetătorii au dezvoltat tehnologia Reactive Air Brazing (RAB), care poate fi realizată în aer. Metalele de umplutură pentru brazare utilizate în RAB sunt compuse în principal din metale nobile (cum ar fi aliajele Ag, Ag–Pd) și oxizi metalici (cum ar fi CuO, V₂O₅ [9], Nb₂O₅, SiO₂ și Al₂TiO₅), conferind astfel îmbinării o bună rezistență la oxidare. În timpul RAB, oxizii metalici pot adera și reacționa cu suprafața substratului ceramic, sporind umectarea substratului ceramic prin acțiunea sinergică a metalului de umplutură topit și a interfeței. Între timp, ductilitatea bună a metalelor nobile ajută la ameliorarea tensiunilor termice interne în îmbinare, iar adăugarea de oxizi metalici ajută la reducerea tensiunilor reziduale care decurg din nepotrivirile CTE dintre îmbinare și matricea ceramică.
Metalizarea activă prin lipire metalică oferă avantaje precum echipamente și proces simple, fiabilitate ridicată și fără restricții privind tipurile de substrat ceramic, ceea ce îl face cel mai promițător proces de metalizare pentru aplicațiile dispozitivelor cu putere mare-. Cu toate acestea, având în vedere dezvoltarea rapidă a industriei de dispozitive electronice de-putere mare, sunt impuse standarde mai ridicate privind proprietățile mecanice și fiabilitatea operațională pe termen lung a proceselor AMB, necesitând optimizare și îmbunătățire continuă. În același timp, substraturile ceramice AMB se confruntă cu același blocaj tehnic de precizie insuficientă a circuitului ca substraturile DBC. Dacă pot fi dezvoltate noi tehnologii pentru a obține o precizie a circuitului comparabilă cu cea a procesului DPC, se așteaptă ca substraturile ceramice AMB să înlocuiască alte substraturi similare în viitor, prezentând un potențial mare de aplicare [4].
2.4 Metalizarea-indusă cu laser
În procesul de metalizare-indus de laser, un fascicul laser este utilizat pentru a iradia selectiv un substrat ceramic care conține aluminiu-. Materialul ceramic iradiat este redus la atomi de metal activat. Substratul este apoi scufundat într-o soluție de placare electroless care conține Cu²⁺, unde atomii activați promovează reducerea Cu²⁺ și depunerea acestuia pe zonele iradiate, formând modele de circuit metalic [10].
Placarea electroless este un proces redox autocatalitic care nu necesită un curent extern; ionii metalici sunt reduși la metal solid prin agenții reducători chimici din soluție [11], iar energia care conduce această reducere provine de la agenții reducători chimici din soluție. De obicei, ionii metalici din baia de placare nu se reduc cu ușurință în mod spontan și este adesea necesar un catalizator ca mediu intermediar pentru a reduce energia de activare pentru nuclearea metalului. Odată ce particulele de catalizator sunt depuse cu succes pe suprafața substratului, poate fi declanșată depunerea de metal la scară mare-.
Metalizarea-indusă cu laser este efectuată în mod obișnuit pe substraturi care conțin-aluminiu, deoarece iradierea cu laser poate forma atomi de Al activați. Cu toate acestea, performanța catalitică a atomilor de Al nu este ideală și sunt necesari alți catalizatori pentru a îmbunătăți eficiența depunerii.
Proiectarea proceselor de metalizare-induse cu laser este foarte sensibilă la parametrii laserului, caracteristicile substratului ceramic și parametrii procesului de galvanizare. Deși această tehnică combină avantajul de cost al galvanizării cu cupru cu precizia înaltă a circuitului a proceselor LAM (metalizare asistată cu laser), costul ridicat al echipamentelor laser și poluarea mediului cauzată de placarea electroless rămân factori importanți care limitează adoptarea sa pe scară largă.
2.5 Metalizarea-filmului gros
Metalizarea-de peliculă groasă implică imprimarea-serigrafică a straturilor metalice pentru etanșare, conductoare (cablare de circuit), rezistențe etc., pe substraturi ceramice, urmată de sinterizare pentru a forma straturi de metal de lipire, circuite și puncte de atașare a cablurilor. Pastele de film groase sunt în general compuse din pulberi metalice cu dimensiuni ale particulelor de aproximativ 1,5 μm, câteva procente de liant permanent și un vehicul organic (inclusiv solvenți organici, agenți de îngroșare, agenți tensioactivi etc.), preparat prin măcinare și amestecare cu bile. Etapele metalizării-filmului gros includ în general: proiectarea modelului și pregătirea lucrărilor de artă, prepararea pastei, serigrafie, uscare și sinterizare [12].
Metalizarea-de peliculă groasă utilizează principiul serigrafiei. În primul rând, straturile metalice necesare pentru ambalare sau componente electronice, cum ar fi rezistențele, sunt atașate de substratul ceramic cu nitrură de aluminiu. Apoi, straturile metalice și componentele electronice sunt lipite de suprafața substratului ceramic prin sinterizarea la temperatură înaltă-, realizând conexiuni ferme între toate părțile. Acest proces are aplicații largi în ambalarea dispozitivelor electronice și cablarea circuitelor. Pasta conductivă este factorul cheie care afectează calitatea-metalizării filmului gros; compoziția sa constă în principal din pulberi metalice (1–5 μm), sticlă, lianți și un vehicul organic amestecat prin măcinare cu bile [13].
Metoda de metalizare a filmului gros-este aplicabilă la o mare varietate de tipuri de ceramică și are un proces simplu [14]. Cu toate acestea, limitat de dimensiunile ecranului și pastele conductoare, este dificil să se fabrice fire cu lățimi de linii sub 60 μm. Proprietățile electrice și rezistența de aderență a stratului de metal sunt relativ slabe, făcându-l potrivit doar pentru dispozitive electronice cu cerințe mai mici de putere și dimensiune. Pastele conductoare adecvate special pentru metalizarea peliculei-de nitrură de aluminiu sunt încă relativ rare, iar formulările de pastă disponibile comercial nu sunt direct aplicabile; în caz contrar, pot apărea vezicule la interfață [15].
2.6 Metalizare-peliculă subțire
Metalizarea cu peliculă subțire-este un proces în care materialele metalice sunt vaporizate și depuse pe suprafețe ceramice prin metode fizice de depunere a vaporilor, cum ar fi evaporarea în vid sau pulverizarea prin pulverizare, pentru a forma o peliculă subțire de metal, urmată de mascare, gravare și alți pași pentru a crea modele de circuite metalizate.
În teorie, acest proces poate forma pelicule metalice uniforme la scară de microni{0}}pe diferite materiale de substrat prin evaporare sau pulverizare. Totuși, datorită diferenței semnificative a coeficienților de dilatare termică dintre ceramică și cuprul metalic, depunerea directă a cuprului pe ceramica cu nitrură de aluminiu introduce solicitări mari între straturile de metal și ceramică, afectând rezistența de aderență a acoperirii la ceramică și stabilitatea ciclului termic al substratului. Prin urmare, în ultimii ani, abordările de depunere multistrat au devenit populare. Primul strat este de obicei un strat de Ti, iar al doilea strat este ales dintre metale precum Cu, Ag sau Au. Când alunecarea de dislocare și interacțiunile dintr-un singur strat sunt transferate într-un alt strat din cauza solicitărilor interne mari, tensiunile interne din stratul de metal sunt de asemenea eliberate.
Metalizarea cu peliculă subțire-oferă calitate înaltă, aderență puternică, acoperiri uniforme și rezoluție fină a modelului. Cu toate acestea, poate produce numai straturi de metal foarte subțiri, iar procesul de preparare este relativ complex, implicând mai multe etape, inclusiv tratarea suprafeței, depunerea metalului și post{2}}tratare, necesitând un control strict al parametrilor procesului. Acest lucru are ca rezultat costuri mari de producție, constrângând grav dezvoltarea acestuia.