การวิเคราะห์เส้นทางเทคโนโลยีการเคลือบโลหะสำหรับพื้นผิวเซรามิกอะลูมิเนียมไนไตรด์: จากพื้นผิวเซรามิกไปจนถึงความน่าเชื่อถือสูง- การใช้งานบรรจุภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์

ใน-สาขาการประยุกต์ใช้พลังงานสูง- เช่น ยานพาหนะพลังงานใหม่ เซมิคอนดักเตอร์กำลัง ระบบกักเก็บพลังงาน และอิเล็กทรอนิกส์กำลัง- ประสิทธิภาพการกระจายความร้อนและความน่าเชื่อถือของโครงสร้างเป็นปัจจัยสำคัญสำหรับ-การทำงานที่เสถียรในระยะยาวของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ เนื่องจากมีค่าการนำความร้อนสูง การสูญเสียอิเล็กทริกต่ำ คุณสมบัติของฉนวนที่ดีเยี่ยม และเสถียรภาพทางความร้อนที่ดี เซรามิกอะลูมิเนียมไนไตรด์ (AlN) จึงกลายเป็นวัสดุตั้งต้นที่สำคัญสำหรับบรรจุภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังสูง-มากขึ้นเรื่อยๆ

 

อย่างไรก็ตาม เนื่องจากอะลูมิเนียมไนไตรด์เป็นวัสดุฉนวนโดยธรรมชาติ จึงไม่สามารถรองรับการเชื่อมต่อทางไฟฟ้าหรือการนำสัญญาณได้โดยตรง ด้วยเหตุนี้ ก่อนที่จะใช้ในโมดูลจ่ายไฟ บรรจุภัณฑ์เซมิคอนดักเตอร์ หรือส่วนประกอบทางไฟฟ้าแรงสูง- ต้องใช้เทคโนโลยีการทำให้เป็นโลหะของพื้นผิวเพื่อให้การนำไฟฟ้าไปยังซับสเตรตเซรามิก และรับประกันการยึดเกาะที่เชื่อถือได้ระหว่างเซรามิกกับโลหะ

 

ความท้าทายหลักในการทำโลหะเซรามิกอยู่ที่ความแตกต่างพื้นฐานระหว่างวัสดุ กล่าวคือ อะลูมิเนียมไนไตรด์เป็นสารประกอบที่มีคุณลักษณะพิเศษด้วยพันธะโควาเลนต์ที่แข็งแกร่ง ในขณะที่โลหะมักมีพันธะโลหะ ความแตกต่างนี้นำไปสู่ปัญหาต่างๆ เช่น ความสามารถในการเปียกน้ำต่ำ และค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อน (CTE) ไม่ตรงกัน ในสภาพแวดล้อมการทำงานที่มีอุณหภูมิสูง- ความแข็งแรงพันธะที่ไม่เพียงพอระหว่างชั้นโลหะและเซรามิกอาจส่งผลให้เกิดความล้มเหลว เช่น การแยกชั้นของพื้นผิวหรือการแตกร้าวที่เกิดจากความเครียดจากความร้อน ดังนั้นการพัฒนากระบวนการเคลือบโลหะเซรามิกที่มีความน่าเชื่อถือสูงจึงมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการพัฒนาการใช้งานซับสเตรตเซรามิกทางอุตสาหกรรม

 

ในปัจจุบัน เทคนิคการทำให้เป็นโลหะหลายชนิดถูกนำมาใช้กับพื้นผิวเซรามิกอะลูมิเนียมไนไตรด์ รวมถึงการเชื่อมต่อทางกล -เทคโนโลยีฟิล์มหนา การประสานโลหะแบบแอคทีฟ (AMB) การ-การยิงร่วม กระบวนการฟิล์มบาง- ทองแดงพันธะโดยตรง (DBC) และทองแดงชุบโดยตรง (DPC)

 

 

 

การเชื่อมต่อทางกลเป็นหนึ่งในวิธีแรกสุดที่ใช้ในการเชื่อมเซรามิกและโลหะ ขึ้นอยู่กับการออกแบบโครงสร้างและความเค้นเชิงกล-เช่น-การหดตัวหรือการขันน็อต-เพื่อยึดพื้นผิวเซรามิกเข้ากับส่วนประกอบที่เป็นโลหะ

 

วิธีนี้เกี่ยวข้องกับกระบวนการที่ค่อนข้างง่าย ต้องใช้อุปกรณ์เพียงเล็กน้อย และให้ความยืดหยุ่นในการผลิตอย่างมาก อย่างไรก็ตาม เนื่องจากการเชื่อมต่อที่อินเทอร์เฟซอาศัยแรงเชิงกลภายนอกเป็นหลัก ความเค้นเชิงกลที่สำคัญสามารถเกิดขึ้นได้ในระหว่าง-การหมุนเวียนเนื่องจากความร้อนในระยะยาวหรือ-การสั่นสะเทือนที่อุณหภูมิสูง ด้วยเหตุนี้จึงไม่เหมาะสำหรับการใช้งานที่ต้องการความน่าเชื่อถือสูงหรือการทำงานที่อุณหภูมิสูง-

 

ในทางกลับกัน เทคโนโลยีการยึดเหนี่ยวเกี่ยวข้องกับการใช้วัสดุยึดติดอินทรีย์ระหว่างเซรามิกกับโลหะเพื่อสร้างโครงสร้างที่ยึดเหนี่ยวผ่านกระบวนการบ่ม วิธีการนี้ช่วยให้สามารถเชื่อมต่อระบบวัสดุที่แตกต่างกันได้-เช่น การรวมโครงสร้างฉนวนเซรามิกเข้ากับส่วนประกอบโลหะที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าเพื่อสร้างการประกอบแบบรวม

 

อย่างไรก็ตาม เนื่องจากความต้านทานต่ออุณหภูมิที่จำกัดของวัสดุประสานอินทรีย์ ความน่าเชื่อถือของวัสดุจึงถูกจำกัดในสภาพแวดล้อมที่มีความต้องการ เช่น อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังสูง- และระบบ HVDC (กระแสตรงแรงดันสูง- ด้วยเหตุนี้ ปัจจุบันจึงใช้สำหรับการตรึงโครงสร้างในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิต่ำ- และความเค้นต่ำ-เป็นหลัก

 

 

เทคโนโลยีฟิล์มหนาเป็นกระบวนการ-ที่ได้รับการยอมรับอย่างดีสำหรับการชุบโลหะบนพื้นผิวเซรามิก โดยทั่วไปเทคนิคนี้จะใช้การพิมพ์สกรีนเพื่อทา-สารเคลือบที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าที่มีผงโลหะ-บนพื้นผิวของเซรามิกอะลูมิเนียมไนไตรด์ (AlN) การอบแห้งครั้งต่อไปและขั้นตอนการเผาผนึกที่อุณหภูมิสูง-ทำให้แน่ใจได้ว่าชั้นโลหะจะยึดติดกับซับสเตรตเซรามิกอย่างแน่นหนา

 

โดยทั่วไปส่วนผสมที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าจะประกอบด้วยผงโลหะ สารยึดเกาะที่เป็นแก้ว และพาหะอินทรีย์ ผงโลหะจะเป็นตัวกำหนดค่าการนำไฟฟ้าขั้นสุดท้ายและความแข็งแรงทางกล โลหะที่นิยมใช้ ได้แก่ เงิน ทองแดง และนิกเกิล

 

กระบวนการนี้มีข้อได้เปรียบ เช่น ประสิทธิภาพการผลิตสูง ต้นทุนต่ำ และครบกำหนดทางเทคนิค ทำให้เหมาะสำหรับการผลิตซับสเตรตเซรามิกอิเล็กทรอนิกส์จำนวนมาก นอกจากนี้ การปรับสูตรแป้งให้เหมาะสมช่วยให้ได้ประสิทธิภาพทางไฟฟ้าที่ดีเยี่ยมและความน่าเชื่อถือในการหมุนเวียนความร้อน

 

อย่างไรก็ตาม เนื่องจากขีดจำกัดความละเอียดของการพิมพ์สกรีน ขนาดของวงจรที่ผลิตโดยกระบวนการฟิล์มหนา-จึงมีขนาดค่อนข้างใหญ่ ทำให้ยากต่อการตอบสนองข้อกำหนดสำหรับวงจร-ความหนาแน่นสูงและ-พิตช์ละเอียด ดังนั้นจึงใช้เป็นหลักในบรรจุภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังซึ่งข้อกำหนดความแม่นยำของวงจรมีความเข้มงวดน้อยกว่า

 

 

 

Active Metal Brazing (AMB) เป็นเทคโนโลยีสำคัญสำหรับการเชื่อมต่อเซรามิก-กับ-โลหะที่มีความน่าเชื่อถือสูง กระบวนการนี้เกี่ยวข้องกับการเพิ่มองค์ประกอบที่ออกฤทธิ์-เช่น ไทเทเนียม (Ti) เซอร์โคเนียม (Zr) อลูมิเนียม (Al) หรือไนโอเบียม (Nb)- ให้กับโลหะตัวเติมสำหรับการบัดกรีแบบดั้งเดิม องค์ประกอบเหล่านี้ทำปฏิกิริยาทางเคมีกับพื้นผิวเซรามิกอะลูมิเนียมไนไตรด์ เพื่อสร้างชั้นเปลี่ยนผ่านของปฏิกิริยาที่เสถียร

 

ชั้นทรานซิชันนี้ช่วยเพิ่มความสามารถในการเปียกระหว่างโลหะและเซรามิก ช่วยให้โลหะผสมประสานที่หลอมละลายสร้างพันธะทางโลหะวิทยากับเซรามิก จึงช่วยเพิ่มความแข็งแรงของข้อต่อ

 

เทคโนโลยี AMB เหมาะอย่างยิ่ง-สำหรับการใช้งานที่มีอุณหภูมิสูง-ที่มีอุณหภูมิสูง- เช่น การผลิตโมดูลเซมิคอนดักเตอร์กำลัง อุปกรณ์ไฟฟ้าแรงสูง- และตัวเรือนเซรามิกเคลือบโลหะสำหรับเซมิคอนดักเตอร์กำลัง เนื่องจากองค์ประกอบที่เกิดปฏิกิริยาจะทำปฏิกิริยากับออกซิเจนได้ง่ายที่อุณหภูมิสูง กระบวนการนี้จึงมักต้องใช้บรรยากาศสุญญากาศหรือการป้องกัน ส่งผลให้มีความต้องการอุปกรณ์และสภาพแวดล้อมการผลิตสูง ส่งผลให้ต้นทุนการผลิตค่อนข้างสูง

 

 

เทคโนโลยีการเผาร่วม-เกี่ยวข้องกับการพิมพ์ส่วนผสม-จุดหลอมเหลว-โลหะที่มีจุดหลอมเหลวสูง- เช่น ทังสเตนหรือโมลิบดีนัม- ลงบนพื้นผิวของแผ่นอะลูมิเนียมไนไตรด์เซรามิกสีเขียว ตามด้วยการเผาร่วม-ด้วยวัสดุเซรามิกเพื่อสร้างโครงสร้างบูรณาการที่ประกอบด้วยชั้นนำไฟฟ้าและพื้นผิวเซรามิก

 

ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิของการเผาผนึก เทคโนโลยีการเผาร่วม-จัดหมวดหมู่เป็นหลักเป็นเซรามิกที่เผาด้วยความร้อนร่วม-ด้วยอุณหภูมิต่ำ- (LTCC) และเซรามิกเผาด้วยความร้อนร่วม-สูง- (HTCC)

 

โดยทั่วไปแล้ว HTCC จะถูกเผาที่อุณหภูมิเกิน 1,600 องศา มีความแข็งแรงเชิงกล ทนความร้อน และสุญญากาศได้ดีเยี่ยม ทำให้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังสูง- ระบบอิเล็กทรอนิกส์ด้านการบินและอวกาศ และการใช้งานบรรจุภัณฑ์ที่มีความน่าเชื่อถือสูง-

 

ข้อได้เปรียบหลักของเทคโนโลยีการยิงร่วม-คือความสามารถในการออกแบบวงจรหลายชั้น ส่งผลให้โครงสร้างวงจรมีขนาดกะทัดรัดมากขึ้น นอกจากนี้ เนื่องจากตัวนำและเซรามิกถูกสร้างขึ้นพร้อมกัน เสถียรภาพของโครงสร้างโดยรวมจึงได้รับการปรับปรุง

 

ในการใช้งาน-แรงดันไฟฟ้ากระแสตรง (HVDC) สูง- เช่น โครงสร้างฉนวนที่สำคัญ เช่น โครงสร้างเซรามิกสำหรับคอนแทคเตอร์ HVDC -วัสดุเซรามิกที่เผาด้วยไฟร่วม- ตรงตามข้อกำหนดสำหรับการทำงานที่เชื่อถือได้ภายใต้สภาวะที่มีอุณหภูมิสูงและแรงดันไฟกระชากอย่างต่อเนื่อง

 

 

เทคโนโลยีการเคลือบโลหะด้วยฟิล์มบาง-ใช้การสะสมไอทางกายภาพ (PVD) เป็นหลักเพื่อฝากชั้นโลหะบาง ๆ ไว้บนพื้นผิวเซรามิก ตามด้วยกระบวนการผลิตเซมิคอนดักเตอร์-เช่น การพิมพ์หินด้วยแสงและการแกะสลัก-เพื่อสร้างวงจรที่มีความแม่นยำ

 

เมื่อเปรียบเทียบกับกระบวนการ-ฟิล์มหนา เทคโนโลยีฟิล์มบาง-เป็นวิธีการผลิตแบบหักลบซึ่งสามารถให้ได้ความกว้างของเส้นที่ละเอียดกว่าและความหนาแน่นของวงจรที่สูงขึ้น ทำให้มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีความถี่สูง-และมีความแม่นยำสูง

 

วิธีการนี้ช่วยให้สามารถผลิตส่วนประกอบเซรามิกอะลูมินาเคลือบโลหะที่มีความแม่นยำ โดยมีข้อได้เปรียบที่โดดเด่นในบรรจุภัณฑ์ไมโครอิเล็กทรอนิกส์ อุปกรณ์ RF และโมดูลพลังงานประสิทธิภาพสูง{0}}

 

อย่างไรก็ตาม เนื่องจากชั้นโลหะมีความหนาน้อยที่สุด ความสามารถในการรับกระแสไฟฟ้า-จึงถูกจำกัดในการใช้งานที่มีกระแสสูง- นอกจากนี้ ความแตกต่างของค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อน (CTE) ระหว่างเซรามิกและโลหะสามารถสร้างความเครียดระหว่างการหมุนเวียนด้วยความร้อนได้ ดังนั้นจึงมักใช้โครงสร้างโลหะหลายชั้นเพื่อเพิ่มความน่าเชื่อถือในการยึดเกาะ

 

 

Direct Bonded Copper (DBC) เป็นเทคโนโลยีการติดทองแดงแบบเซรามิก{0}}ที่ใช้กันอย่างแพร่หลาย หลักการพื้นฐานของมันเกี่ยวข้องกับการแนะนำออกซิเจนที่จุดเชื่อมต่อระหว่างชั้นทองแดงกับเซรามิก การประมวลผลที่อุณหภูมิสูง-จะสร้างเฟสของเหลวยูเทคติกทองแดง- ออกซิเจน ซึ่งช่วยให้เกิดการยึดติดโดยตรงระหว่างวัสดุทองแดงกับพื้นผิวเซรามิก

 

เทคโนโลยี DBC มีลักษณะเฉพาะด้วยชั้นทองแดงหนา ความสามารถในการรับกระแส-สูง และประสิทธิภาพการกระจายความร้อนที่ดีเยี่ยม ด้วยเหตุนี้ จึงมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังสูง- เช่น อินเวอร์เตอร์สำหรับยานพาหนะพลังงานใหม่ โมดูลกำลัง และตัวแปลงกักเก็บพลังงาน

 

เนื่องจากความยากลำบากในการยึดเหนี่ยวทองแดงกับเซรามิกอะลูมิเนียมไนไตรด์ (AlN) โดยทั่วไปพื้นผิวเซรามิกจึงต้องมีการบำบัดก่อน-ออกซิเดชันเพื่อสร้างชั้นการเปลี่ยนแปลงที่เสถียรที่ส่วนต่อประสาน ซึ่งจะเป็นการเพิ่มความน่าเชื่อถือในการเชื่อมต่อ

 

 

ทองแดงชุบโดยตรง (DPC) เป็นเทคโนโลยีการเคลือบโลหะเซรามิกแบบใหม่ที่รวมเอากระบวนการผลิตเซมิคอนดักเตอร์

 

วิธีนี้เริ่มต้นด้วยการสร้างชั้นเมล็ดทองแดงบนพื้นผิวเซรามิกโดยใช้เทคนิคการสะสมไอทางกายภาพ (PVD) เช่น การสปัตเตอร์แมกนีตรอน หรือการระเหยสูญญากาศ ต่อจากนั้น กระบวนการต่างๆ รวมถึงการสัมผัส การพัฒนา และการชุบด้วยไฟฟ้าจะถูกนำมาใช้เพื่อเพิ่มความหนาของชั้นทองแดงและทำให้เกิด-การผลิตวงจรที่มีความแม่นยำสูง

 

เทคโนโลยี DPC มีอุณหภูมิการผลิตต่ำ ความแม่นยำของวงจรสูง และการออกแบบโครงสร้างที่ยืดหยุ่น เหมาะสำหรับการใช้งาน เช่น โครงสร้างเชื่อมต่อแบบอิเล็กทรอนิกส์ที่มีความหนาแน่นสูง- และเซรามิกเคลือบโลหะสำหรับส่วนประกอบทางไฟฟ้า

 

เมื่อเปรียบเทียบกับเทคนิคการเผาผนึกที่อุณหภูมิสูง-แบบดั้งเดิม DPC จะลดผลกระทบของการประมวลผลทางความร้อนต่อคุณสมบัติของวัสดุให้เหลือน้อยที่สุด อย่างไรก็ตาม กระบวนการชุบด้วยไฟฟ้าต้องมีข้อกำหนดด้านการคุ้มครองสิ่งแวดล้อมที่เข้มงวด และความหนาของชั้นทองแดงถูกจำกัดด้วยความสามารถของกระบวนการ

 

 

ด้วยการพัฒนาอย่างรวดเร็วของยานพาหนะพลังงานใหม่ กริดอัจฉริยะ ระบบกักเก็บพลังงาน และอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สาม- ความต้องการวัสดุบรรจุภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีการระบายความร้อนสูงและความน่าเชื่อถือสูงยังคงเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง

 

ในอนาคต เทคโนโลยีการเคลือบโลหะด้วยเซรามิกอะลูมิเนียมไนไตรด์จะพัฒนาไปสู่ความน่าเชื่อถือที่มากขึ้น ความแม่นยำที่สูงขึ้น และการบูรณาการแบบมัลติฟังก์ชั่น ด้วยการเพิ่มประสิทธิภาพโครงสร้างส่วนต่อประสาน ปรับปรุงการออกแบบชั้นการเปลี่ยนผ่านของโลหะ และเพิ่มประสิทธิภาพการควบคุมกระบวนการผลิต จึงสามารถปรับปรุงความแข็งแรงพันธะระหว่างเซรามิกและโลหะเพิ่มเติมได้

 

โครงสร้างการเคลือบโลหะเซรามิกขั้นสูง-เช่นเซรามิกเคลือบโลหะที่มีความแม่นยำ -ส่วนประกอบเซรามิกเคลือบโลหะที่มีความแข็งแรงสูง และ-ชิ้นส่วนเซรามิกเคลือบโลหะขั้นสูงที่มีความเที่ยงตรงสูงจากอลูมินาที่มีความบริสุทธิ์สูง- มีการใช้มากขึ้นเรื่อยๆ ในฐานะส่วนประกอบพื้นฐานที่สำคัญในเซมิคอนดักเตอร์กำลัง -รีเลย์แรงดันไฟฟ้าสูง ระบบกักเก็บพลังงาน และระบบอิเล็กทรอนิกส์สำหรับยานยนต์พลังงานใหม่

 

การพัฒนาจากเทคนิคการยิงแบบฟิล์มหนา-และร่วม-แบบดั้งเดิมไปจนถึงเส้นทางกระบวนการขั้นสูง เช่น AMB, DBC และ DPC เทคโนโลยีการเคลือบโลหะด้วยเซรามิกกำลังผลักดันขอบเขตของวัสดุอย่างต่อเนื่อง มอบการจัดการระบายความร้อนและโซลูชันการเชื่อมต่อโครงข่ายไฟฟ้าที่เชื่อถือได้และมีประสิทธิภาพมากขึ้นสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังสูง-