Inom områdena kraftelektronik, vakuumenheter, halvledarförpackningar och ny energiutrustning är keramisk-till-metallbindningsteknik en kärnkomponent för att uppnå mycket tillförlitlig hermetisk förpackning och effektiv värmehantering. Eftersom keramer i sig inte är lödbara måste en stark, ledande och lödbar metallfilm bildas på deras yta genom keramisk metallisering. När enheter utvecklas mot högre effekttäthet, högre frekvens och mindre storlek, ställs högre krav på gränsytets bindningsstyrka, termisk stabilitet och mikroskopisk enhetlighet hos metalliserad keramik, vilket driver den kontinuerliga utvecklingen av metalliseringsprocesser från traditionell hög-temperatursintring till låg-temperatur- och hög{6}miljövänlig, VA{6}-temperatur- och pre{6}miljövänlig.
Teknisk jämförelse av vanliga metalliseringsmetoder
För närvarande inkluderar de keramiska metalliseringsmetoder som används allmänt inom industrin strömlös plätering, galvanisering, silver/nickelplätering, Mo-Mn-sintring och vakuumbeläggningsteknik, var och en med sina egna fördelar och nackdelar:
Elektrolös Ni-P-plätering kräver ingen extern strömkälla och kan bilda en enhetlig beläggning på komplexa geometriska ytor. Filmskiktet och det keramiska substratet är dock huvudsakligen fysiskt adsorberade, vilket resulterar i svag vidhäftning (vanligtvis<3 MPa). Furthermore, the plating solution is expensive, and the treatment of phosphorus-containing wastewater is difficult, making it difficult to meet high reliability requirements.
Medan elektroplätering av Ni kan uppnå låg-spänningsbeläggning, är den extremt känslig för förbehandlingsprocessens renhet, vilket lätt leder till defekter som blåsor och gropbildning. På grund av påverkan av elektrisk fältfördelning uppvisar dessutom djupa hål eller spårområden i precisionsmetalliserade aluminiumkeramiska komponenter ofta ojämn plätering, vilket resulterar i dålig enhetlig plätering.
Ag(Ni)-metoden, som innefattar slurrybeläggning följt av hög-temperatursänkning för att bilda ett metalliskt skikt, är enkel och ger god ledningsförmåga. Ag-skiktet är emellertid benäget att migration av joner under höga temperaturer, hög luftfuktighet och elektriska DC-fält, vilket leder till isoleringsfel. Även om Ni-skiktet har låg rörlighet, är filmen i allmänhet tunn, diskontinuerlig och saknar tillräckligt motstånd mot korrosion.
The Mo-Mn sintering method, the most mature process, oxidizes Mn in an H₂-H₂O atmosphere and reacts it with the Al₂O₃ glass phase to form a manganese aluminum spinel transition layer, achieving high-strength bonding (>20 MPa). Det kräver dock hög-temperatursintring vid 1300–1500 grader, vilket resulterar i hög energiförbrukning. Dessutom leder de grova partiklarna av Mo-Mn-pulver till en grov och ojämn film, vilket gör den olämplig för hög-bearbetning av keramiska aluminiumdelar.
Nyckelfaktorer som påverkar metalliseringens kvalitet
1. Filmmaterialkompatibilitet: Ett idealiskt metalliseringssystem måste balansera vidhäftning, konduktivitet och svetsbarhet. Ni-Cu/Ag-kompositstrukturen har, på grund av dess gradient-CTE, kemiska kompatibilitet och förmåga att blockera Ag-diffusion, blivit standardlösningen för hög-högfrekventa enheter med-effekt.
2. Filmtjockleksoptimering: För tunn (<0.5 μm) films cannot form a continuous film, resulting in insufficient adhesion; too thick (>3 μm) filmer ökar inre spänningar och minskar plasticiteten. Experiment visar att Ni-Cu-övergångsskiktet når sin maximala gränsytevidhäftning vid 1,0–1,5 μm.
3. Substrate Pretreatment and Cleanliness: Micropores and contaminants on the Al₂O₃ surface significantly weaken adhesion. Standard procedures include ultrasonic cleaning and plasma activation to ensure a surface energy >72 mN/m, vilket ger ett rent och aktivt substrat för sputtering.
Applikationsscenarier och framtida trender
Kraftelektronikmoduler: IGBT-substrat använder hög renhet aluminiumoxid Precision Advanced Ceramic Metallization Parts (HAMPs) för att uppnå låga termiska resistansanslutningar genom sputtermetallisering.
Vakuumelektroniska enheter: Metallisering av keramiska delar i resande vågrör (TWT) och magnetroner kräver hög hermeticitet; täta, icke-porösa förstoftade filmer är överlägsna porösa sintrade skikt.
5G RF-enheter: Betydande hudeffekt vid höga frekvenser kräver extremt låg elektrodytresistans, vilket gör ett Ag-toppskikt oumbärligt.
I framtiden kommer branschen att fokusera på tre huvudriktningar: för det första att utveckla nya sammansatta gradientmål (som W-Ni-Fe) för att ytterligare matcha CTE; för det andra, att kombinera atomlagerdeposition (ALD) för att uppnå sub-nanometergränssnittskontroll; och för det tredje, främjande av utrustning för förstoftning från rulle-till-rulle (R2R) för att minska tillverkningskostnaden för aluminiumoxidmetalliserad keramik.
Slutsats
Från Mo-Mn-hög-temperatursintring till Ni-Cu/Ag-kompositförstoftning, varje steg framåt i hög-metalliserade keramiska komponenter-tekniken härrör från jakten på allt högre prestandagränser. Med den snabba spridningen av halvledarenheter med breda-bandgap som kiselkarbid och galliumnitrid är precisionsmetalliserad keramik inte längre bara anslutningsmedia, utan nyckeltekniker som bestämmer den totala termiska-elektriska-mekaniska tillförlitligheten hos systemen. Endast genom att kontinuerligt optimera materialsystem och processfönster kan säkerheten och livslängden för kärnenheter skyddas under extrema driftsförhållanden.
Kontakta oss
Om du vill lära dig mer om filmdesignprinciperna, typiska fellägen eller sputterprocessparameterfönster förMetalliserad keramik för elektriska komponenter, vänligen kontakta oss. Vi kommer att förse dig med professionell teknisk information och teknisk supportrådgivning.
