1 Uvod
Keramični materiali so razred anorganskih nekovinskih materialov, ki nastanejo iz naravnih ali sintetičnih spojin z oblikovanjem in visoko{1}}temperaturnim sintranjem. Imajo prednosti, kot so visoka tališča, visoka trdota in visoka odpornost proti obrabi, in se lahko uporabljajo kot strukturni materiali in funkcionalni materiali, kar ponuja široke možnosti uporabe [1]. Sintranje keramičnih materialov je predvsem postopek, pri katerem se en ali več trdnih surovin v prahu prenaša material pod visoko-temperaturnim segrevanjem, kar povzroči agregacijo in zgostitev prahu. Ta postopek običajno traja nekaj ur ali celo več deset ur. Makroskopsko se sintranje kaže kot povečana gostota in moč; v bistvu gre za zmanjšanje energije s površinske energije delcev na energijo vmesnika, ki ga poganja atomska difuzija pod gradienti kemijskega potenciala na različnih mestih, mikroskopsko pa se kaže kot odprava por med zrni [2].
2 Postopki metalizacije
2.1 Neposredna metalizacija bakra
Pri postopku metalizacije neposredno prevlečenega bakra (DPC) se po laserskem-vrtanju in temeljitem čiščenju podlage na čisto, posušeno keramično podlago nanese začetna plast. Nato se nanese suh film, čemur sledi razvijanje in osvetlitev, nato pa se izvede galvanizacija, da se ustvari želeno kovinsko vezje. Nato se odstranita odvečni suhi film in plast semena, na bakreno površino pa se -nanese neaktivna kovina, da zaščiti bakreno plast za nadaljnje postopke spajkanja.
Čeprav keramični substrati DPC ponujajo prednosti, kot so visoka toplotna prevodnost, visoka natančnost vezja in zmanjšana prostornina embalaže zaradi medsebojnih povezav prek-lukenj, je debelina bakrene plasti na splošno omejena na največ 150 μm zaradi omejitev postopka galvanizacije. Trenutno se tehnologija DPC uporablja predvsem pri pakiranju visoko{3}}zmogljivih LED. Pri aplikacijah z visoko-proizvajanjem-toplote, kot so LED-diode z visoko-svetilnostjo in globoko-ultravijoličnimi LED-diodami, ni potreben le substrat z visoko-toplotno-prevodnostjo na hrbtni strani za odvajanje toplote, temveč morajo tudi embalažni materiali na sprednji-strani upoštevati toplotno stabilnost in zanesljivost. Tradicionalni smolni embalažni materiali so nagnjeni k staranju in okvaram pod ultravijolično svetlobo in visokimi temperaturami. Zato se trenutne raziskave nagibajo tudi k uporabi anorganskih ali kovinskih materialov, kot so kaolin, nikelj in baker, za oblikovanje pregradnih struktur na substratih DPC v kombinaciji s prozorno kremenčevo inkapsulacijo za izboljšanje zanesljivosti naprave [3].
Trenutno se postopek metalizacije z neposrednim prevleko bakra pogosto uporablja, vendar se še vedno sooča s težavami, kot so nizka učinkovitost, slabo polnjenje prek-in in slaba vsestranskost kopeli. Med temi lahko slabo prek-polnjenje vpliva na zmogljivost, stabilnost in zanesljivost naprave. Razlog je v tem, da se med galvanizacijo baker hitreje nalaga na površino pretvornika, kar povzroči, da se pretvornik zapre, preden je notranjost v celoti napolnjena, kar na koncu povzroči nastanek praznin znotraj pretvornika. Na kakovost galvaniziranega polnjenja vplivata tok galvanizacije in formulacija dodatka; optimizacija sestave raztopine za galvanizacijo in pomožnih procesnih parametrov se lahko izboljšajo s-kakovostjo polnjenja.
Poleg tega lahko keramične podlage DPC naletijo na težave med galvaniziranjem, vključno s predolgimi časi nanašanja, ne-enakomerno debelino prevleke in makroskopskimi preostalimi napetostmi v prevleki. Med temi lahko čezmerna zaostala napetost povzroči razpoke ali zvijanje prevleke, kopičenje preostale napetosti v bakreni plasti pa lahko vpliva na toplotno stabilnost keramične podlage [4].
2.2 Metoda neposredne vezave bakra
Tehnologijo neposredno vezanega bakra (DBC) so prvi uvedli Burgess et al. leta 1973 [5]. Njegovo osnovno načelo je, da oksidna plast na površini bakrene folije pri visoki temperaturi tvori evtektično talino Cu–O. Ta talina ima odlične vlažilne lastnosti in lahko pri evtektični temperaturi 1065 stopinj učinkovito poveže keramično podlago z nereagirano bakreno folijo, kar zagotavlja močno vez po ohlajanju in strjevanju.
Blizu 1065 stopinj nastane evtektična faza Cu–O. Ker je tališče čistega bakra 1083 stopinj, je treba evtektično vezavo izvesti v temperaturnem območju od 1065 do 1083 stopinj, pri čemer so dejanske operacije večinoma koncentrirane med 1070 in 1075 stopinjami. Med ohlajanjem se prenasičen kisik v evtektiku Cu–O obori kot Cu₂O; v keramiki Al₂O₃ ali AlN se lahko pojavijo tudi dodatni reakcijski produkti, kot sta CuAlO₂ in CuAl₂O₄ [5]. Tvorba evtektične tekočine in vsebnost kisika v njej sta ključnega pomena za učinkovitost lepljenja. Glede na to, da je stopnja difuzije kisika v bakreni talini izredno nizka (10⁻⁵ cm²/s), je med postopkom vezave težko vnesti zadostno količino kisika; zato se na splošno izvaja pred{12}}oksidacija bakrene folije, da se na površini bakrene folije tvori Cu₂O, da se spodbudi nastajanje evtektične tekočine. Vsebnost kisika v bakru pomembno vpliva tudi na trdnost vezne površine, zato je natančna kontrola tega parametra ključni vidik zagotavljanja učinkovitosti lepljenja [6].
Postopek neposredne vezave bakra zahteva posebne podlage za uporabo. Talina čistega bakra ima slabo omočljivost na Al₂O₃, AlN in Si₃N4, kontaktni koti pa presegajo 130 stopinj. S povečanjem parcialnega tlaka kisika med lepljenjem in vsebnosti kisika v talini bakra se lahko kontaktni kot na površinah Al₂O3 močno zmanjša [7]. Čeprav je omočljivost AlN mogoče izboljšati tudi s povečanjem parcialnega tlaka kisika med lepljenjem, lepljenjem v vakuumskem okolju ali podaljšanjem časa lepljenja, je učinek zelo omejen [8]. Zato se AlN na splošno pred-oksidira, da se tvori površinska plast Al₂O3, nato pa se veže z zgornjimi metodami. Vendar nobena od teh metod ne more enostavno izboljšati omočljivosti bakrove taline na Si₃N4, zato se DBC redko uporablja za Si3N4.
2.3 Metalizacija z aktivnim spajkanjem kovin
V industriji novih energetskih vozil so moduli SiC zelo cenjeni. Ko pa temperatura spoja napajalnih naprav SiC naraste na 250 stopinj, slaba zanesljivost temperaturnega-cikla keramičnih podlag DBC pri visokih-temperaturnih pogojih omejuje njihovo uporabo. Da bi rešili to težavo, so raziskovalci razvili keramične podlage AMB (Active Metal Brazed).
Najprej se na čisto keramično podlago nanese tanek sloj spajke. Nato se na spajko položi bakrena folija in sestav segreje v vakuumskem okolju pri 800 do 950 stopinjah, da se spajka stopi. Po ohlajanju nastane robusten spoj. Nato se z mokrim jedkanjem ustvarijo kovinski vzorci, ki ustrezajo zahtevam električnega medsebojnega povezovanja visoko-zmogljivih naprav.
Ker običajne kovine običajno kažejo slabo omočljivost na keramičnih substratih, se aktivne kovinske spajke pogosto uporabljajo za izboljšanje omočljivosti in povečanje trdnosti spoja. Aktivne kovinske spajke vsebujejo vsaj en aktivni kovinski element, pri čemer so ti in lantanoidni elementi trenutno glavni aktivni elementi. Pogosto uporabljene aktivne spajke v postopkih AMB vključujejo sisteme Sn–Ag–Ti in Ag–Cu–Ti, kjer Ti služi kot aktivna kovina za izboljšanje omočljivosti med spajkami in keramiko, medtem ko Sn in Ag delujeta tako, da znižata tališče in izboljšata toplotno prevodnost spoja.
Vendar mora biti postopek AMB izveden v visokem vakuumu ali zaščitni atmosferi, kar omejuje njegovo uporabnost postopka. Za premagovanje te omejitve so raziskovalci razvili tehnologijo reaktivnega zračnega spajkanja (RAB), ki se lahko izvaja v zraku. Dodatna kovina za trdo spajkanje, ki se uporablja pri RAB, je v glavnem sestavljena iz plemenitih kovin (kot so Ag, zlitine Ag–Pd) in kovinskih oksidov (kot so CuO, V₂O₅ [9], Nb₂O₅, SiO₂ in Al₂TiO5), zaradi česar ima spoj dobro odpornost proti oksidaciji. Med RAB se lahko kovinski oksidi oprimejo površine keramične podlage in reagirajo z njo, s čimer povečajo omočljivost keramične podlage s sinergističnim delovanjem staljene polnilne kovine in vmesnika. Medtem dobra duktilnost plemenitih kovin pomaga zmanjšati notranje toplotne napetosti v spoju, dodatek kovinskih oksidov pa pomaga zmanjšati preostale napetosti, ki izhajajo iz neusklajenosti CTE med spojem in keramično matriko.
Metalizacija z aktivnim spajkanjem kovin ponuja prednosti, kot so preprosta oprema in postopek, visoka zanesljivost in brez omejitev glede vrst keramičnih podlag, zaradi česar je najbolj obetaven postopek metalizacije za visoko-zmogljive naprave. Glede na hiter razvoj-industrije visokozmogljivih elektronskih naprav pa se postavljajo višji standardi za mehanske lastnosti in-dolgoročno zanesljivost delovanja procesov AMB, kar zahteva stalno optimizacijo in izboljšave. Hkrati se keramični substrati AMB soočajo z istim tehničnim ozkim grlom nezadostne natančnosti vezja kot substrati DBC. Če je mogoče razviti nove tehnologije za doseganje natančnosti vezja, primerljive s postopkom DPC, se pričakuje, da bodo keramični substrati AMB v prihodnosti nadomestili druge podobne substrate, kar bo pokazalo velik potencial uporabe [4].
2.4 Lasersko{1}}inducirano metaliziranje
V procesu lasersko-inducirane metalizacije se laserski žarek uporablja za selektivno obsevanje keramične-podlage, ki vsebuje aluminij. Obsevani keramični material se reducira na aktivirane kovinske atome. Substrat se nato potopi v raztopino za brezelektrično nanašanje, ki vsebuje Cu²⁺, kjer aktivirani atomi spodbujajo redukcijo Cu²⁺ in njegovo odlaganje na obsevanih območjih, pri čemer tvorijo vzorce kovinskega vezja [10].
Brezelektrično nanašanje je avtokatalitični redoks postopek, ki ne zahteva zunanjega toka; kovinski ioni se reducirajo v trdno kovino s kemičnimi redukcijskimi sredstvi v raztopini [11], energija, ki poganja to redukcijo, pa izvira iz kemičnih redukcijskih sredstev v raztopini. Značilno je, da se kovinski ioni v kopeli za prevleko ne reducirajo preprosto spontano in katalizator je pogosto potreben kot vmesni medij za znižanje aktivacijske energije za nukleacijo kovine. Ko so delci katalizatorja uspešno odloženi na površino substrata, se lahko sproži-odlaganje kovin v velikem obsegu.
Lasersko-inducirano metaliziranje se običajno izvaja na podlagah,-ki vsebujejo aluminij, ker lahko lasersko obsevanje tvori aktivirane atome Al. Vendar katalitična učinkovitost atomov Al ni idealna in za izboljšanje učinkovitosti odlaganja so potrebni drugi katalizatorji.
Zasnova lasersko{0}}induciranih procesov metalizacije je zelo občutljiva na laserske parametre, značilnosti keramične podlage in parametre postopka galvanizacije. Čeprav ta tehnika združuje stroškovno prednost galvanizacije z bakrom in visoko natančnostjo vezja postopkov LAM (laser-asisted metallization), ostajajo visoki stroški laserske opreme in onesnaževanje okolja, ki ga povzroča galvanizacija z bakrom, pomembna dejavnika, ki omejujejo njeno nadaljnjo široko uporabo.
2.5 Debel{1}}metalizacija
Debelo{0}}metalizacija vključuje sitotisk-kovinskih plasti za tesnjenje, prevodnikov (ožičenja tokokrogov), uporov itd. na keramične podlage, čemur sledi sintranje, da se oblikujejo kovinske plasti za trdo spajkanje, vezja in priključne točke. Debel{4}}paste so običajno sestavljene iz kovinskega prahu z velikostjo delcev okoli 1,5 μm, nekaj odstotkov trajnega veziva in organskega nosilca (vključno z organskimi topili, zgoščevalci, površinsko aktivnimi sredstvi itd.), pripravljene s krogličnim mletjem in mešanjem. Koraki debelo{8}}metalizacije na splošno vključujejo: oblikovanje vzorca in pripravo umetniškega dela, pripravo paste, sitotisk, sušenje in sintranje [12].
Debelo{0}}metalizacija uporablja princip sitotiska. Najprej se zahtevane kovinske plasti za embalažo ali elektronske komponente, kot so upori, pritrdijo na keramično podlago iz aluminijevega nitrida. Nato se kovinske plasti in elektronske komponente povežejo s površino keramične podlage z visoko-temperaturnim sintranjem, s čimer se dosežejo trdne povezave med vsemi deli. Ta postopek ima široko uporabo pri pakiranju elektronskih naprav in ožičenju vezij. Prevodna pasta je ključni dejavnik, ki vpliva na kakovost metalizacije debelega-sloja; njegova sestava je v glavnem sestavljena iz kovinskega prahu (1–5 μm), stekla, veziva in organskega nosilca, zmešanega s krogličnim mletjem [13].
Metoda metalizacije z debelim{0}}slojem je uporabna za široko paleto vrst keramike in ima preprost postopek [14]. Vendar pa je omejeno z velikostmi zaslona in prevodnimi pastami težko izdelati žice s širino črte pod 60 μm. Električne lastnosti in trdnost oprijema kovinske plasti so razmeroma slabe, zaradi česar je primerna samo za elektronske naprave z nižjimi zahtevami po moči in velikosti. Prevodne paste, posebej primerne za metalizacijo z debelim-slojem aluminijevega nitrida, so še vedno relativno redke in komercialno dostopne formulacije paste niso neposredno uporabne; sicer se lahko pojavijo mehurji na vmesniku [15].
2.6 Tanko{1}}metalizacija
Tanko{0}}metalizacija je postopek, pri katerem se kovinski materiali uparijo in nanesejo na keramične površine s fizičnimi metodami nanašanja s paro, kot je vakuumsko izhlapevanje ali razprševanje, da se tvori tanek kovinski film, čemur sledi maskiranje, jedkanje in drugi koraki za ustvarjanje vzorcev metaliziranih vezij.
Teoretično lahko s tem postopkom z izhlapevanjem ali naprševanjem nastanejo enakomerni kovinski filmi v mikronskem- obsegu na različnih substratnih materialih. Vendar pa zaradi znatne razlike v koeficientih toplotnega raztezanja med keramiko in kovinskim bakrom neposredno nanašanje bakra na keramiko iz aluminijevega nitrida povzroči velike napetosti med kovinsko in keramično plastjo, kar vpliva na trdnost oprijema prevleke na keramiko in toplotno ciklično stabilnost substrata. Zato so v zadnjih letih postali priljubljeni pristopi večplastnega nanašanja. Prva plast je običajno plast Ti, druga plast pa je izbrana med kovinami, kot so Cu, Ag ali Au. Ko se dislokacijski zdrs in interakcije v eni plasti zaradi velikih notranjih napetosti prenesejo na drugo plast, se sprostijo tudi notranje napetosti v kovinski plasti.
Tanko{0}}metalizacija ponuja visoko kakovost, močan oprijem, enotne premaze in fino ločljivost vzorcev. Vendar pa lahko proizvede le zelo tanke kovinske plasti, postopek priprave pa je razmeroma zapleten in vključuje več korakov, vključno s površinsko obdelavo, nanašanjem kovine in naknadno-obdelavo, kar zahteva strog nadzor procesnih parametrov. Posledica tega so visoki proizvodni stroški, kar močno omejuje njegov razvoj.