متالیزاسیون زیرلایه های سرامیکی: جنگجوی شش ضلعی واقعی کیست؟

1 مقدمه

مواد سرامیکی دسته‌ای از مواد غیرآلی-غیر فلزی هستند که از ترکیبات طبیعی یا مصنوعی از طریق شکل دهی و پخت{1} در دمای بالا تشکیل می‌شوند. آنها دارای مزایایی مانند نقطه ذوب بالا، سختی بالا و مقاومت در برابر سایش بالا هستند و می توانند به عنوان مواد ساختاری و مواد کاربردی مورد استفاده قرار گیرند و چشم انداز کاربرد گسترده ای را ارائه دهند [1]. تف جوشی مواد سرامیکی در درجه اول فرآیندی است که در آن یک یا چند پودر مواد خام جامد تحت انتقال مواد تحت حرارت{5}در دمای بالا قرار می گیرند و باعث تجمع و متراکم شدن پودر می شوند. این فرآیند معمولاً چندین ساعت یا حتی ده ها ساعت طول می کشد. از نظر ماکروسکوپی، تف جوشی به صورت افزایش چگالی و استحکام ظاهر می شود. اساساً، این کاهش انرژی از انرژی سطح ذرات به انرژی رابط است که توسط انتشار اتمی تحت شیب پتانسیل شیمیایی در مکان‌های مختلف هدایت می‌شود و از نظر میکروسکوپی، به صورت حذف منافذ بین دانه‌ها ظاهر می‌شود [2].

2 فرآیندهای متالیزاسیون

2.1 متالیزاسیون مستقیم مس روکش شده

در فرآیند متالیزاسیون مس با روکش مستقیم (DPC)، پس از حفاری لیزری{0} و تمیز کردن کامل بستر، یک لایه بذر روی زیرلایه سرامیکی تمیز و خشک شده قرار می‌گیرد. سپس یک فیلم خشک اعمال می شود، به دنبال آن توسعه و قرار گرفتن در معرض، و متعاقبا آبکاری الکتریکی برای تولید مدار فلزی مورد نظر انجام می شود. پس از آن، لایه خشک اضافی و لایه بذر برداشته می شود و یک فلز غیر فعال روی سطح مس پوشانده می شود تا از لایه مس برای فرآیندهای لحیم کاری بعدی محافظت کند.

اگرچه بسترهای سرامیکی DPC مزایایی مانند رسانایی حرارتی بالا، دقت مدار بالا و کاهش حجم بسته‌بندی را از طریق اتصالات متقابل سوراخ ارائه می‌دهند، ضخامت لایه مس به دلیل محدودیت‌های فرآیند آبکاری معمولاً به بیش از 150 میکرومتر محدود نمی‌شود. در حال حاضر، فناوری DPC عمدتاً در بسته‌بندی ال‌ای‌دی‌های پرقدرت-استفاده می‌شود. در برنامه‌های-گرمای{6}}تولید بالا مانند ال‌ای‌دی‌های-روشنایی بالا و ال‌ای‌دی‌های فرابنفش عمیق، نه تنها برای اتلاف گرما به یک بستر{9}حرارتی{10}بالا{10}}در قسمت پشتی نیاز است، بلکه باید قابلیت پایداری مجدد و مواد بسته‌بندی جانبی را نیز در نظر گرفت. مواد بسته بندی رزین سنتی در زیر نور فرابنفش و دمای بالا مستعد پیری و شکست هستند. بنابراین، تحقیقات کنونی نیز تمایل دارد از مواد معدنی یا فلزی مانند کائولن، نیکل و مس برای تشکیل ساختارهای سد بر روی بسترهای DPC، همراه با محصورسازی شفاف کوارتز، برای بهبود قابلیت اطمینان دستگاه استفاده کند [3].

در حال حاضر، فرآیند متالیزاسیون مس با روکش مستقیم به طور گسترده ای مورد استفاده قرار گرفته است، اما همچنان با مشکلاتی مانند راندمان پایین، ضعیف بودن از طریق-پر کردن، و تطبیق پذیری ضعیف حمام مواجه است. در این میان، پر کردن ضعیف می‌تواند بر عملکرد، پایداری و قابلیت اطمینان دستگاه تأثیر بگذارد. دلیل آن این است که در حین آبکاری، مس تمایل بیشتری به رسوب راحت‌تر روی سطح ویا دارد، که باعث می‌شود قبل از پر شدن کامل فضای داخلی، حفره‌هایی در داخل ویا ایجاد شود. کیفیت آبکاری از طریق پر کردن تحت تأثیر جریان آبکاری و فرمول افزودنی است. بهینه سازی ترکیب محلول آبکاری و پارامترهای فرآیند کمکی می تواند از طریق کیفیت پر کردن بهبود یابد.

علاوه بر این، بسترهای سرامیکی DPC ممکن است در طول آبکاری با مشکلاتی از جمله زمان‌های آبکاری بیش از حد طولانی، ضخامت پوشش غیریکنواخت و تنش‌های پسماند ماکروسکوپیک در پوشش مواجه شوند. در این میان، تنش پسماند بیش از حد ممکن است باعث ترک خوردگی یا تاب برداشتن پوشش شود و تجمع تنش پسماند در لایه مس ممکن است بر پایداری حرارتی بستر سرامیکی تأثیر بگذارد [4].

2.2 روش مس پیوند مستقیم

فن آوری مس پیوند مستقیم (DBC) برای اولین بار توسط Burgess و همکاران پیشگام شد. در سال 1973 [5]. اصل اساسی آن این است که لایه اکسید روی سطح فویل مسی یک مذاب یوتکتیک Cu-O را در دمای بالا تشکیل می دهد. این مذاب دارای خواص مرطوب کنندگی عالی است و در دمای یوتکتیک 1065 درجه، می تواند به طور موثری بستر سرامیکی را با فویل مسی واکنش نداده بچسباند و پس از سرد شدن و انجماد، پیوند قوی را تضمین کند.

نزدیک به 1065 درجه، فاز یوتکتیک Cu-O تشکیل می شود. از آنجایی که نقطه ذوب مس خالص 1083 درجه است، پیوند یوتکتیک باید در محدوده دمایی 1065 درجه تا 1083 درجه انجام شود، با عملیات واقعی عمدتاً بین 1070 درجه و 1075 درجه. در طول خنک شدن، اکسیژن فوق اشباع در یوتکتیک Cu-O به صورت Cu2O رسوب می کند. در سرامیک های Al2O3 یا AlN، محصولات واکنش اضافی مانند CuAlO2 و CuAl2O4 نیز ممکن است ظاهر شوند [5]. تشکیل مایع یوتکتیک و محتوای اکسیژن آن برای اثربخشی پیوند بسیار مهم است. با توجه به اینکه سرعت انتشار اکسیژن در مذاب مس بسیار کم است (10-5 سانتی متر مربع در ثانیه)، وارد کردن اکسیژن کافی در طول فرآیند پیوند دشوار است. بنابراین، پیش{12}}اکسیداسیون فویل مسی معمولاً برای تشکیل Cu2O بر روی سطح فویل مس انجام می‌شود تا تشکیل مایع یوتکتیک را تقویت کند. محتوای اکسیژن در مس نیز به طور قابل توجهی بر استحکام رابط پیوند تأثیر می گذارد، بنابراین کنترل دقیق این پارامتر یکی از جنبه های اصلی تضمین عملکرد پیوند است [6].

فرآیند مس با پیوند مستقیم به بسترهای خاصی برای استفاده نیاز دارد. مذاب مس خالص ترشوندگی ضعیفی بر روی Al2O3، AlN و Si3N4 دارد، با زاویه تماس بیش از 130 درجه. با افزایش فشار جزئی اکسیژن در طول پیوند و محتوای اکسیژن مذاب مس، می توان زاویه تماس روی سطوح Al2O3 را تا حد زیادی کاهش داد [7]. اگرچه ترشوندگی روی AlN را می توان با افزایش فشار جزئی اکسیژن در طول پیوند، اتصال در محیط خلاء یا افزایش زمان پیوند بهبود بخشید، اما این اثر بسیار محدود است [8]. بنابراین، AlN عموماً برای تشکیل یک لایه سطحی Al2O3 از قبل اکسید می‌شود و سپس با استفاده از روش‌های فوق پیوند می‌یابد. با این حال، هیچ یک از این روش‌ها به راحتی نمی‌تواند ترشوندگی مذاب مس را در Si3N4 بهبود بخشد، بنابراین DBC به ندرت برای Si3N4 اعمال می‌شود.

2.3 فلز لحیم کاری فعال فلزی

در صنعت خودروهای انرژی جدید، ماژول‌های SiC ارزش بالایی دارند. با این حال، زمانی که دمای اتصال دستگاه‌های قدرت SiC به 250 درجه افزایش می‌یابد، قابلیت اطمینان چرخه دمای ضعیف زیرلایه‌های سرامیکی DBC در شرایط دمای بالا، کاربرد آنها را محدود می‌کند. برای رفع این مشکل، محققان بسترهای سرامیکی AMB (Active Metal Brazed) را توسعه دادند.

ابتدا یک لایه نازک لحیم کاری روی یک بستر سرامیکی تمیز اعمال می شود. سپس فویل مسی روی لحیم کاری قرار می گیرد و مجموعه در محیط خلاء در دمای 800 درجه تا 950 درجه حرارت داده می شود تا لحیم ذوب شود. پس از خنک شدن، یک اتصال قوی تشکیل می شود. در مرحله بعد، حکاکی مرطوب برای ایجاد الگوهای فلزی برای برآورده کردن الزامات اتصال الکتریکی دستگاه‌های پرقدرت- استفاده می‌شود.

از آنجایی که فلزات معمولی معمولاً ترشوندگی ضعیفی بر روی بسترهای سرامیکی نشان می‌دهند، لحیم‌های فلزی فعال معمولاً برای بهبود ترشوندگی و افزایش استحکام اتصال استفاده می‌شوند. لحیم‌های فلزی فعال حداقل دارای یک عنصر فلزی فعال هستند که عناصر Ti و لانتانید در حال حاضر عناصر فعال اصلی هستند. لحیم‌های فعال متداول در فرآیندهای AMB شامل سیستم‌های Sn-Ag-Ti و Ag-Cu-Ti می‌شوند، که در آن Ti به عنوان فلز فعال برای بهبود ترشوندگی بین لحیم کاری و سرامیک عمل می‌کند، در حالی که Sn و Ag برای کاهش نقطه ذوب و بهبود هدایت حرارتی اتصال عمل می‌کنند.

با این حال، فرآیند AMB باید تحت خلاء بالا یا یک فضای محافظ انجام شود، که کاربرد فرآیند آن را محدود می کند. برای غلبه بر این محدودیت، محققان فناوری واکنش‌دهنده هوا (RAB) را توسعه داده‌اند که می‌تواند در هوا انجام شود. فلزات پرکننده لحیم کاری مورد استفاده در RAB عمدتاً از فلزات نجیب (مانند آلیاژهای Ag، Ag-Pd) و اکسیدهای فلزی (مانند CuO، V2O5 [9]، Nb2O5، SiO2، و Al2TiO5) تشکیل شده‌اند و در نتیجه مقاومت خوبی در برابر اکسیداسیون ایجاد می‌کنند. در طول RAB، اکسیدهای فلزی می‌توانند به سطح زیرلایه سرامیکی بچسبند و با آن واکنش نشان دهند و ترشوندگی بستر سرامیکی را از طریق عمل هم افزایی فلز پرکننده مذاب و سطح مشترک افزایش دهند. در همین حال، شکل‌پذیری خوب فلزات نجیب به کاهش تنش‌های حرارتی داخلی در اتصال کمک می‌کند و افزودن اکسیدهای فلزی به کاهش تنش‌های پسماند ناشی از عدم تطابق CTE بین اتصال و ماتریس سرامیکی کمک می‌کند.

متالیزاسیون فعال لحیم کاری فلزی مزایایی مانند تجهیزات و فرآیند ساده، قابلیت اطمینان بالا و عدم محدودیت در انواع زیرلایه های سرامیکی را ارائه می دهد که آن را به امیدوارکننده ترین فرآیند متالیزاسیون برای کاربردهای دستگاه- با قدرت بالا تبدیل می کند. با این حال، با توجه به توسعه سریع صنعت دستگاه‌های الکترونیکی با قدرت بالا، استانداردهای بالاتری در مورد ویژگی‌های مکانیکی و قابلیت اطمینان عملیاتی طولانی‌مدت فرآیندهای AMB در نظر گرفته شده است که بهینه‌سازی و بهبود مستمر را ضروری می‌سازد. در همان زمان، بسترهای سرامیکی AMB با همان گلوگاه فنی دقت مدار ناکافی مانند بسترهای DBC روبرو هستند. اگر بتوان فناوری‌های جدیدی را برای دستیابی به دقت مدار قابل مقایسه با فرآیند DPC توسعه داد، انتظار می‌رود که بسترهای سرامیکی AMB در آینده جایگزین سایر بسترهای مشابه شوند و پتانسیل کاربرد زیادی را نشان دهند [4].

2.4 لیزر{1}}فلزسازی القایی

در فرآیند متالیزاسیون القایی با لیزر، از پرتو لیزر برای تابش انتخابی یک لایه آلومینیومی-حاوی بستر سرامیکی استفاده می‌شود. مواد سرامیکی تابیده شده به اتم های فلز فعال کاهش می یابد. سپس بستر در یک محلول آبکاری الکترولس حاوی Cu2+ غوطه ور می شود، جایی که اتم های فعال شده باعث کاهش Cu2+ و رسوب آن در مناطق تحت تابش می شوند و الگوهای مدار فلزی را تشکیل می دهند [10].

آبکاری الکترولس یک فرآیند ردوکس اتوکاتالیستی است که نیازی به جریان خارجی ندارد. یون‌های فلزی توسط عوامل کاهنده شیمیایی در محلول [11] به فلز جامد تبدیل می‌شوند و انرژی محرک این کاهش از عوامل کاهنده شیمیایی در محلول است. به طور معمول، یون های فلزی در حمام آبکاری به راحتی به طور خود به خود کاهش نمی یابد، و یک کاتالیزور اغلب به عنوان یک محیط میانی برای کاهش انرژی فعال سازی برای هسته سازی فلز مورد نیاز است. هنگامی که ذرات کاتالیزور با موفقیت بر روی سطح بستر رسوب کردند، رسوب فلز در مقیاس بزرگ می‌تواند آغاز شود.

متالیزاسیون ناشی از لیزر معمولاً روی بسترهای حاوی آلومینیوم{1} انجام می‌شود، زیرا تابش لیزر می‌تواند اتم‌های Al فعال را تشکیل دهد. با این حال، عملکرد کاتالیزوری اتم‌های Al ایده‌آل نیست و کاتالیزورهای دیگری برای بهبود راندمان رسوب‌گذاری مورد نیاز است.

طراحی فرآیندهای متالیزاسیون القا شده با لیزر به پارامترهای لیزر، ویژگی‌های زیرلایه سرامیکی و پارامترهای فرآیند آبکاری بسیار حساس است. اگرچه این تکنیک مزیت هزینه آبکاری مس را با دقت بالای مدار فرآیندهای LAM (متالیزاسیون با کمک لیزر-) ترکیب می‌کند، هزینه بالای تجهیزات لیزر و آلودگی محیطی ناشی از آبکاری الکترولس، عوامل مهمی هستند که پذیرش گسترده‌تر آن را محدود می‌کنند.

2.5 ضخیم-متالیزاسیون فیلم

متالیزاسیون فیلم ضخیم شامل چاپ صفحه-لایه‌های فلزی برای آب‌بندی، هادی‌ها (سیم‌کشی مدار)، مقاومت‌ها و غیره بر روی زیرلایه‌های سرامیکی، و سپس پخت برای تشکیل لایه‌های فلزی لحیم‌کننده، مدارها و نقاط اتصال سرب است. خمیرهای فیلم ضخیم معمولاً از پودرهای فلزی با اندازه ذرات حدود 1.5 میکرومتر، چند درصد چسب دائمی و یک وسیله آلی (شامل حلال‌های آلی، غلیظ‌کننده‌ها، سورفکتانت‌ها و غیره) تشکیل شده‌اند که با آسیاب و اختلاط گلوله‌ای تهیه می‌شوند. مراحل متالیزاسیون ضخیم-فیلم عموماً عبارتند از: طراحی الگو و آماده سازی آثار هنری، آماده سازی خمیر، چاپ روی صفحه، خشک کردن، و تف جوشی [12].

متالیزاسیون فیلم ضخیم از اصل چاپ روی صفحه استفاده می کند. ابتدا لایه های فلزی مورد نیاز برای بسته بندی یا قطعات الکترونیکی مانند مقاومت ها به زیرلایه سرامیکی نیترید آلومینیوم متصل می شوند. در مرحله بعد، لایه‌های فلزی و اجزای الکترونیکی از طریق پخت{3}در دمای بالا به سطح زیرلایه سرامیکی متصل می‌شوند و به اتصالات محکم بین تمام قطعات دست می‌یابند. این فرآیند کاربردهای گسترده ای در بسته بندی دستگاه های الکترونیکی و سیم کشی مدار دارد. خمیر رسانا عامل کلیدی موثر بر کیفیت متالیزاسیون ضخیم-فیلم است. ترکیب آن عمدتاً از پودرهای فلزی (1 تا 5 میکرومتر)، شیشه، بایندرها و یک وسیله نقلیه آلی مخلوط شده با آسیاب گلوله ای تشکیل شده است [13].

روش متالیزاسیون لایه ضخیم برای انواع مختلفی از سرامیک ها قابل اجرا است و فرآیند ساده ای دارد [14]. با این حال، محدود به اندازه صفحه و خمیر رسانا، ساخت سیم با عرض خط کمتر از 60 میکرومتر دشوار است. خواص الکتریکی و استحکام چسبندگی لایه فلزی نسبتا ضعیف است و آن را فقط برای دستگاه‌های الکترونیکی با قدرت و اندازه کمتر مناسب می‌سازد. خمیرهای رسانا که مخصوصاً برای متالیزاسیون ضخیم نیترید آلومینیوم مناسب هستند-هنوز نسبتاً کمیاب هستند و فرمولاسیون خمیرهای موجود در بازار مستقیماً قابل استفاده نیستند. در غیر این صورت، تاول در سطح مشترک ممکن است رخ دهد [15].

2.6 متالیزاسیون لایه نازک-

متالیزاسیون لایه نازک فرآیندی است که در آن مواد فلزی با روش‌های رسوب بخار فیزیکی مانند تبخیر خلاء یا کندوپاش، تبخیر شده و بر روی سطوح سرامیکی قرار می‌گیرند تا یک لایه فلزی نازک تشکیل شود و به دنبال آن پوشاندن، اچ کردن، و مراحل دیگر برای ایجاد الگوهای مدار متالایزه انجام می‌شود.

در تئوری، این فرآیند می‌تواند لایه‌های فلزی یکنواخت{0}}در مقیاس میکرون را بر روی مواد زیرلایه مختلف از طریق تبخیر یا کندوپاش تشکیل دهد. با این حال، با توجه به تفاوت قابل توجهی در ضرایب انبساط حرارتی بین سرامیک و مس فلزی، رسوب مستقیم مس روی سرامیک نیترید آلومینیوم، تنش‌های زیادی را بین لایه‌های فلزی و سرامیکی وارد می‌کند که بر استحکام چسبندگی پوشش به سرامیک و پایداری چرخه حرارتی زیرلایه تأثیر می‌گذارد. بنابراین، در سال‌های اخیر، روش‌های رسوب‌گذاری چند لایه رایج شده‌اند. لایه اول معمولاً یک لایه Ti است و لایه دوم از فلزاتی مانند مس، نقره یا طلا انتخاب می شود. هنگامی که لغزش نابجایی و فعل و انفعالات در یک لایه به دلیل تنش های داخلی زیاد به لایه دیگری منتقل می شود، تنش های داخلی لایه فلزی نیز برطرف می شود.

متالیزاسیون لایه نازک با کیفیت بالا، چسبندگی قوی، پوشش های یکنواخت و وضوح الگوی ظریف ارائه می دهد. با این حال، فقط می‌تواند لایه‌های فلزی بسیار نازکی تولید کند، و فرآیند آماده‌سازی نسبتاً پیچیده است، که شامل مراحل متعددی از جمله عملیات سطحی، رسوب‌گذاری فلز، و{2}}پس از تصفیه است که به کنترل دقیق پارامترهای فرآیند نیاز دارد. این منجر به هزینه های تولید بالا می شود و توسعه آن را به شدت محدود می کند.