1 Inleiding
Keramische materialen zijn een klasse anorganische niet-metalen materialen die zijn gevormd uit natuurlijke of synthetische verbindingen door vormgeving en sinteren bij hoge- temperaturen. Ze bezitten voordelen zoals hoge smeltpunten, hoge hardheid en hoge slijtvastheid, en kunnen worden gebruikt als structurele materialen en functionele materialen, wat brede toepassingsmogelijkheden biedt [1]. Het sinteren van keramische materialen is in de eerste plaats een proces waarbij een of meer vaste grondstofpoeders materiaaltransport ondergaan onder verhitting op hoge- temperatuur, waardoor het poeder aggregeert en verdicht. Dit proces duurt doorgaans enkele uren of zelfs tientallen uren. Macroscopisch manifesteert sinteren zich als verhoogde dichtheid en sterkte; in wezen is het een energiedaling van deeltjesoppervlakte-energie naar grensvlakenergie, aangedreven door atomaire diffusie onder chemische potentiaalgradiënten op verschillende plaatsen, en microscopisch manifesteert het zich als de eliminatie van poriën tussen korrels [2].
2 Metallisatieprocessen
2.1 Directe kopermetallisatie
Bij het metallisatieproces van direct geplateerd koper (DPC), wordt, nadat het substraat met een laser- is geboord en grondig is gereinigd, een zaadlaag op het schone, gedroogde keramische substraat afgezet. Vervolgens wordt een droge film aangebracht, gevolgd door ontwikkeling en belichting, en vervolgens wordt galvaniseren uitgevoerd om de gewenste metalen circuits te genereren. Daarna worden de overtollige droge film en zaadlaag verwijderd en wordt een niet-actief metaal op het koperoppervlak aangebracht om de koperlaag te beschermen voor daaropvolgende hardsoldeerprocessen.
Hoewel keramische DPC-substraten voordelen bieden zoals hoge thermische geleidbaarheid, hoge circuitprecisie en verminderd verpakkingsvolume via -gatverbindingen, is de dikte van de koperlaag over het algemeen beperkt tot niet meer dan 150 μm vanwege de beperkingen van het galvaniseerproces. Momenteel wordt DPC-technologie voornamelijk gebruikt bij de verpakking van krachtige LED's. Bij toepassingen met hoge-warmte-opwekking, zoals LED's met hoge-helderheid en diepe-ultraviolette LED's, is niet alleen een substraat met hoge-thermische-de achterkant vereist voor warmteafvoer, maar moeten de verpakkingsmaterialen aan de voorkant- ook rekening houden met thermische stabiliteit en betrouwbaarheid. Traditionele harsverpakkingsmaterialen zijn gevoelig voor veroudering en defecten onder ultraviolet licht en hoge temperaturen. Daarom heeft het huidige onderzoek ook de neiging om anorganische of metallische materialen zoals kaolien, nikkel en koper te gebruiken om damstructuren op DPC-substraten te vormen, gecombineerd met transparante kwartsinkapseling, om de betrouwbaarheid van het apparaat te verbeteren [3].
Momenteel wordt het direct geplateerde kopermetallisatieproces op grote schaal toegepast, maar het heeft nog steeds te maken met problemen zoals een laag rendement, een slechte -vulling en een slechte veelzijdigheid van het bad. Hiervan kan een slechte via-vulling de prestaties, stabiliteit en betrouwbaarheid van het apparaat beïnvloeden. De reden is dat tijdens het galvaniseren koper de neiging heeft zich gemakkelijker op het oppervlak van de via af te zetten, waardoor de via wordt gesloten voordat de binnenkant volledig is gevuld, waardoor uiteindelijk holtes in de via ontstaan. De kwaliteit van gegalvaniseerd via vullen wordt beïnvloed door de galvaniseerstroom en de formulering van het additief; Het optimaliseren van de samenstelling van de plateeroplossing en de hulpprocesparameters kan de -vulkwaliteit verbeteren.
Bovendien kunnen DPC-keramische substraten problemen tegenkomen tijdens het galvaniseren, waaronder extreem lange galvaniseertijden, niet- uniforme laagdikte en macroscopische restspanningen in de coating. Hiervan kan overmatige restspanning scheuren of kromtrekken van de coating veroorzaken, en de accumulatie van restspanning in de koperlaag kan de thermische stabiliteit van het keramische substraat beïnvloeden [4].
2.2 Direct gebonden kopermethode
De Direct Bonded Copper (DBC)-technologie werd voor het eerst ontwikkeld door Burgess et al. in 1973 [5]. Het basisprincipe is dat de oxidelaag op het koperfolieoppervlak bij hoge temperatuur een Cu-O-eutectische smelt vormt. Deze smelt beschikt over uitstekende bevochtigingseigenschappen en kan bij de eutectische temperatuur van 1065 graden het keramische substraat effectief binden met de niet-gereageerde koperfolie, waardoor een sterke hechting wordt gegarandeerd na afkoeling en stollen.
Rond 1065 graden vormt zich de Cu-O-eutectische fase. Omdat het smeltpunt van puur koper 1083 graden bedraagt, moet de eutectische binding worden uitgevoerd in het temperatuurbereik van 1065 graden tot 1083 graden, waarbij de feitelijke bewerkingen zich meestal concentreren tussen 1070 graden en 1075 graden. Tijdens het afkoelen slaat de oververzadigde zuurstof in het Cu-O-eutectische materiaal neer als Cu₂O; in Al₂O₃- of AlN-keramiek kunnen ook aanvullende reactieproducten zoals CuAlO₂ en CuAl₂O₄ voorkomen [5]. De vorming van de eutectische vloeistof en het zuurstofgehalte ervan zijn cruciaal voor de effectiviteit van de binding. Gegeven dat de diffusiesnelheid van zuurstof in de kopersmelt extreem laag is (10⁻⁵ cm²/s), is het moeilijk om voldoende zuurstof toe te voegen tijdens het bindingsproces; daarom wordt over het algemeen pre-oxidatie van de koperfolie uitgevoerd om Cu2O op het koperfolieoppervlak te vormen om de vorming van eutectische vloeistoffen te bevorderen. Het zuurstofgehalte in koper heeft ook een aanzienlijke invloed op de sterkte van het hechtingsoppervlak, dus nauwkeurige controle van deze parameter is een kernaspect van het garanderen van de hechtingsprestaties [6].
Het direct gebonden koperproces vereist specifieke substraten voor gebruik. Zuivere kopersmelt heeft een slechte bevochtigbaarheid op Al₂O₃, AlN en Si₃N₄, met contacthoeken van meer dan 130 graden. Door de partiële zuurstofdruk tijdens het verbinden en het zuurstofgehalte van de kopersmelt te verhogen, kan de contacthoek op Al₂O₃-oppervlakken sterk worden verkleind [7]. Hoewel de bevochtigbaarheid op AlN ook verbeterd kan worden door het verhogen van de partiële zuurstofdruk tijdens het bonden, bonden in een vacuümomgeving of het verlengen van de bondingtijd, is het effect zeer beperkt [8]. Daarom wordt AlN over het algemeen voor-geoxideerd om een oppervlaktelaag van Al₂O3 te vormen, en vervolgens gebonden met behulp van de bovenstaande methoden. Geen van deze methoden kan echter gemakkelijk de bevochtigbaarheid van kopersmelt op Si₃N₄ verbeteren, daarom wordt DBC zelden toegepast op Si₃N₄.
2.3 Actief metaalsolderen Metallisatie
In de nieuwe energievoertuigenindustrie worden SiC-modules zeer gewaardeerd. Wanneer de junctietemperatuur van SiC-vermogensapparaten echter stijgt tot 250 graden, beperkt de slechte temperatuur-cyclusbetrouwbaarheid van DBC-keramische substraten onder hoge- temperatuuromstandigheden hun toepassing. Om dit probleem aan te pakken, ontwikkelden onderzoekers keramische substraten van AMB (Active Metal Brazed).
Eerst wordt een dunne laag soldeer aangebracht op een schoon keramisch substraat. Vervolgens wordt koperfolie op het soldeersel geplaatst en wordt het geheel in een vacuümomgeving op 800 tot 950 graden verwarmd om het soldeer te smelten. Bij afkoeling ontstaat een robuuste verbinding. Vervolgens wordt nat etsen gebruikt om metaalpatronen te creëren die voldoen aan de elektrische verbindingsvereisten van apparaten met hoog-vermogen.
Omdat conventionele metalen over het algemeen een slechte bevochtigbaarheid op keramische substraten vertonen, worden actieve metaalsoldeermiddelen gewoonlijk gebruikt om de bevochtigbaarheid te verbeteren en de verbindingssterkte te vergroten. Actief metaalsoldeer bevat ten minste één actief metaalelement, waarbij Ti- en lanthanide-elementen momenteel de belangrijkste actieve elementen zijn. De veelgebruikte actieve soldeersoorten in AMB-processen omvatten Sn-Ag-Ti en Ag-Cu-Ti-systemen, waarbij Ti dient als het actieve metaal om de bevochtigbaarheid tussen het soldeer en het keramiek te verbeteren, terwijl Sn en Ag het smeltpunt verlagen en de thermische geleidbaarheid van de verbinding verbeteren.
Het AMB-proces moet echter worden uitgevoerd onder hoog vacuüm of een beschermende atmosfeer, wat de toepasbaarheid van het proces beperkt. Om deze beperking te overwinnen hebben onderzoekers Reactive Air Brazing (RAB)-technologie ontwikkeld, die in lucht kan worden uitgevoerd. De soldeervulmetalen die in RAB worden gebruikt, bestaan voornamelijk uit edelmetalen (zoals Ag, Ag-Pd-legeringen) en metaaloxiden (zoals CuO, V₂O₅ [9], Nb₂O₅, SiO₂ en Al₂TiO₅), waardoor de verbinding een goede oxidatieweerstand krijgt. Tijdens RAB kunnen metaaloxiden zich hechten aan en reageren met het keramische substraatoppervlak, waardoor de bevochtigbaarheid van het keramische substraat wordt verbeterd door de synergetische werking van het gesmolten vulmetaal en het grensvlak. Ondertussen helpt de goede ductiliteit van edele metalen de interne thermische spanningen in de verbinding te verlichten, en de toevoeging van metaaloxiden helpt de restspanningen te verminderen die voortkomen uit CTE-mismatches tussen de verbinding en de keramische matrix.
Metallisatie met actief metaalsolderen biedt voordelen zoals eenvoudige apparatuur en processen, hoge betrouwbaarheid en geen beperkingen op keramische substraattypen, waardoor dit het meest veelbelovende metallisatieproces is voor apparaattoepassingen met hoog-vermogen. Gezien de snelle ontwikkeling van de industrie voor elektronische apparaten met hoog vermogen, worden er echter hogere eisen gesteld aan de mechanische eigenschappen en de operationele betrouwbaarheid op lange termijn van AMB-processen, wat voortdurende optimalisatie en verbetering noodzakelijk maakt. Tegelijkertijd worden AMB-keramische substraten geconfronteerd met hetzelfde technische knelpunt van onvoldoende circuitprecisie als DBC-substraten. Als er nieuwe technologieën kunnen worden ontwikkeld om een circuitprecisie te bereiken die vergelijkbaar is met die van het DPC-proces, wordt verwacht dat AMB-keramische substraten in de toekomst andere vergelijkbare substraten zullen vervangen, wat een groot toepassingspotentieel laat zien [4].
2.4 Laser-geïnduceerde metallisatie
Bij het door laser{0}}geïnduceerde metallisatieproces wordt een laserstraal gebruikt om selectief een aluminium-houdend keramisch substraat te bestralen. Het bestraalde keramische materiaal wordt gereduceerd tot geactiveerde metaalatomen. Het substraat wordt vervolgens ondergedompeld in een oplossing voor stroomloos plateren die Cu²⁺ bevat, waarbij de geactiveerde atomen de reductie van Cu²⁺ en de afzetting ervan op de bestraalde gebieden bevorderen, waardoor metalen circuitpatronen worden gevormd [10].
Stroomloos plateren is een autokatalytisch redoxproces waarvoor geen externe stroom nodig is; metaalionen worden door chemische reductiemiddelen in de oplossing gereduceerd tot vast metaal [11], en de energie die deze reductie aandrijft komt van de chemische reductiemiddelen in de oplossing. Meestal worden metaalionen in het galvaniseerbad niet gemakkelijk spontaan gereduceerd, en is er vaak een katalysator nodig als tussenmedium om de activeringsenergie voor metaalkiemvorming te verlagen. Zodra katalysatordeeltjes met succes op het substraatoppervlak zijn afgezet, kan grootschalige metaalafzetting op- schaal worden geactiveerd.
Laser-geïnduceerde metallisatie wordt gewoonlijk uitgevoerd op aluminium-bevattende substraten, omdat laserbestraling geactiveerde Al-atomen kan vormen. De katalytische prestaties van Al-atomen zijn echter niet ideaal en er zijn andere katalysatoren nodig om de afzettingsefficiëntie te verbeteren.
Het ontwerp van laser-geïnduceerde metallisatieprocessen is zeer gevoelig voor laserparameters, eigenschappen van keramische substraten en parameters voor galvaniseerprocessen. Hoewel deze techniek het kostenvoordeel van kopergalvaniseren combineert met de hoge circuitprecisie van LAM-processen (laser{2}}assisted metallization), blijven de hoge kosten van laserapparatuur en de milieuvervuiling veroorzaakt door stroomloos plateren belangrijke factoren die de verdere wijdverbreide toepassing ervan beperken.
2.5 Metallisatie van dikke-films
Metallisatie met dikke-film omvat het zeef-printen van metaallagen voor afdichting, geleiders (circuitbedrading), weerstanden, enz., op keramische substraten, gevolgd door sinteren om hardsoldeermetaallagen, circuits en bevestigingspunten voor kabels te vormen. Dikkefilmpasta's bestaan over het algemeen uit metaalpoeders met deeltjesgroottes van ongeveer 1,5 μm, een paar procent permanent bindmiddel en een organische drager (waaronder organische oplosmiddelen, verdikkingsmiddelen, oppervlakteactieve stoffen, enz.), bereid door kogelmalen en mengen. De stappen van dikke-filmmetallisatie omvatten over het algemeen: patroonontwerp en voorbereiding van illustraties, pastavoorbereiding, zeefdrukken, drogen en sinteren [12].
Metallisatie van dikke-films maakt gebruik van het principe van zeefdruk. Eerst worden de benodigde metaallagen voor verpakkingen of elektronische componenten zoals weerstanden op het keramische substraat van aluminiumnitride bevestigd. Vervolgens worden de metaallagen en elektronische componenten door middel van sinteren bij hoge- temperaturen aan het keramische substraatoppervlak gebonden, waardoor stevige verbindingen tussen alle onderdelen worden bereikt. Dit proces heeft brede toepassingen in de verpakking van elektronische apparaten en circuitbedrading. De geleidende pasta is de belangrijkste factor die de metallisatiekwaliteit van dikke- films beïnvloedt; de samenstelling bestaat voornamelijk uit metaalpoeders (1–5 μm), glas, bindmiddelen en een organisch voertuig gemengd door kogelmalen [13].
De dikkefilmmetallisatiemethode is toepasbaar op een grote verscheidenheid aan keramische typen en kent een eenvoudig proces [14]. Echter, beperkt door schermafmetingen en geleidende pasta's, is het moeilijk om draden te vervaardigen met lijnbreedten van minder dan 60 μm. De elektrische eigenschappen en hechtsterkte van de metaallaag zijn relatief slecht, waardoor deze alleen geschikt is voor elektronische apparaten met lagere vermogens- en afmetingenvereisten. Geleidende pasta's die specifiek geschikt zijn voor de metallisatie van dikke- aluminiumnitridefilms zijn nog steeds relatief schaars, en in de handel verkrijgbare pastaformuleringen zijn niet direct toepasbaar; anders kan er blaarvorming op het grensvlak optreden [15].
2.6 Dunne-filmmetallisatie
Dunne-filmmetallisatie is een proces waarbij metalen materialen worden verdampt en op keramische oppervlakken worden afgezet door middel van fysieke dampafzettingsmethoden zoals vacuümverdamping of sputteren om een dunne metaalfilm te vormen, gevolgd door maskeren, etsen en andere stappen om gemetalliseerde circuitpatronen te creëren.
In theorie kan dit proces via verdamping of sputteren uniforme metaalfilms op micron-schaal vormen op verschillende substraatmaterialen. Vanwege het aanzienlijke verschil in thermische uitzettingscoëfficiënten tussen keramiek en metallisch koper, introduceert directe koperafzetting op aluminiumnitride-keramiek echter grote spanningen tussen de metaal- en keramische lagen, waardoor de hechtingssterkte van de coating aan het keramiek en de thermische cyclische stabiliteit van het substraat worden beïnvloed. Daarom zijn meerlaagse depositiebenaderingen de afgelopen jaren populair geworden. De eerste laag is typisch een Ti-laag en de tweede laag wordt gekozen uit metalen zoals Cu, Ag of Au. Wanneer dislocatieslip en interacties in een enkele laag worden overgebracht naar een andere laag als gevolg van grote interne spanningen, worden ook de interne spanningen in de metaallaag verlicht.
Dunne-filmmetallisatie biedt hoge kwaliteit, sterke hechting, uniforme coatings en fijne patroonresolutie. Het kan echter slechts zeer dunne metaallagen produceren en het voorbereidingsproces is relatief complex, waarbij meerdere stappen betrokken zijn, waaronder oppervlaktebehandeling, metaalafzetting en na-nabehandeling, waardoor strikte controle van procesparameters vereist is. Dit resulteert in hoge productiekosten, waardoor de ontwikkeling ervan ernstig wordt beperkt.