Oversikt over mainstream metalliseringsprosesser og anvendelser av keramiske varmeavledersubstrater

Ettersom elektronisk teknologi utvikler seg mot høyere effekttetthet, høyere frekvens og miniatyrisering, har termisk styring blitt en kjernefaktor som begrenser systemytelse og pålitelighet. Keramiske substrater, med sin utmerkede termiske ledningsevne, elektriske isolasjon, høye-temperaturmotstand og samsvarende egenskaper for termisk ekspansjon, har blitt avgjørende bærere for krafthalvledere og høy-elektronisk emballasje. Spesielt med støtte fra nøkkelprosesser som metallisering av aluminium, kan keramiske materialer transformeres fra isolerende medier til svært pålitelige elektriske sammenkoblingsstrukturer, og spiller en grunnleggende rolle i moderne elektroniske systemer.

 

Etter sintring må keramiske substrater gjennomgå metallisering for å konstruere et ledende lag, som muliggjør elektriske forbindelser mellom brikken og eksterne kretser. Nåværende ordinære teknologier kan deles inn i to hovedkategorier: plan metallisering og tre-dimensjonal sam-metallisering. Blant disse har metallisering av aluminiumkeramikk-prosessen etablert et modent applikasjonsgrunnlag innen kraftelektronikk, kommunikasjonsutstyr og nye energikjøretøyer.

 

 

 

Plane keramiske substrater danner vanligvis ledende lag på to-dimensjonale overflater ved hjelp av metoder som sputtering, fordampning, galvanisering eller kjemisk plettering. Denne prosessen er moden, kostnadseffektiv-og egnet for masseproduksjon, noe som gjør den til den vanlige løsningen innen metallisert keramikk for elektriske applikasjoner.

 

1. DPC-prosess (Directly Plated Ceramic).

DPC-teknologi, basert på halvledermikrofabrikasjon, oppnår høy-kretsfabrikasjon gjennom sputtering av frølag, fotolitografisk mønsteroverføring og elektropletteringsfortykning. Denne teknologien kan oppnå fine linjer på 20–30 μm nivå, og tilbyr ekstremt høy mønsteroppløsning og innrettingsnøyaktighet. Samtidig bruker den lav-temperaturprosesser, og unngår effektivt innvirkningen av termisk stress på materialstrukturen.

 

DPC er spesielt egnet for høy-integrasjonspakkeapplikasjoner, for eksempel LED-emballasje, mikroelektroniske enheter og høy-tetthetsforbindelsesmoduler, og er en av de viktigste teknologiske veiene for å oppnå presisjonsmetallisert keramikk. Imidlertid er metalllagets tykkelse begrenset, jevnhetskontroll av galvanisering er utfordrende, og det stilles høye krav til prosessstabilitet.

 

2. DBC (Direct Copper Ceramic) prosess

DBC-prosessen oppnår en metallurgisk binding mellom kobber og keramikk gjennom en eutektisk reaksjon ved høye temperaturer, noe som resulterer i ekstremt høy bindingsstyrke og utmerket varmeledningsevne. Kobberlagets tykkelse spenner vidt (120–700 μm), og oppfyller kravene til høystrømoverføring og gjør den til en av de mest modne løsningene for emballering av kraftenheter.

 

Denne teknologien er mye brukt i IGBT-moduler, strømforsyningsenheter og andre felt, og representerer en typisk anvendelse av metallisert aluminiumoksydkeramikk for elektriske komponenter. Linjebreddenøyaktigheten er imidlertid relativt lav, og påliteligheten kan påvirkes av mikroporer i grensesnittet under termiske syklusforhold, og begrenser dermed bruken i høy-presisjonsemballasje.

 

3. AMB-prosess (Active Metal Bonding).

AMB-teknologi introduserer loddemetall som inneholder aktive elementer som Ti for å oppnå en sterk grensesnittbinding mellom keramikk og metall under middels til høye temperaturer, og effektivt redusere stressproblemer forårsaket av termisk ekspansjonsmismatch. Sammenlignet med tradisjonell DBC, viser den overlegen pålitelighet under høye-temperaturer.

 

Denne prosessen er egnet for driftsmiljøer med høy strømtetthet og høy-temperatur, for eksempel kraftmoduler for nye energikjøretøyer og tredje-generasjons emballasje for halvlederenheter, og er en viktig retning for utviklingen av metalliserte keramiske komponenter med høy-styrke. Det har imidlertid høye krav til prosessmiljøet (vakuum eller beskyttende atmosfære) og materialsystem, noe som resulterer i relativt høye kostnader.

 

 

 

Ettersom emballasjestrukturer utvikler seg mot tre-dimensjonal integrasjon, blir tre-dimensjonale keramiske substrater med hulromsstrukturer og flerlags sammenkoblingsevner gradvis viktige bærere for høy-emballasje. Denne typen teknologi bruker co-keramikk som kjernen, noe som muliggjør ledninger med høy-tetthet og hermetisk forseglet emballasje, og er mye brukt i elektroniske systemer med høy-pålitelighet.

 

1. HTCC (High-Temperature Co-fyrt keramikk)

HTCC bruker høy-smeltepunkt-metallpasta (som wolfram og molybden) og keramiske materialer-sambrente ved temperaturer over 1500 grader for å danne en integrert struktur. Den har utmerket mekanisk styrke og høy-temperaturmotstand, noe som gjør den egnet for elektronisk emballasje i ekstreme miljøer.

 

Denne teknologien er mye brukt i militær-, romfarts- og høy-effektmoduler, og er en typisk metallisert keramisk hus for krafthalvledere. Imidlertid er produksjonskostnadene høye, og ledningsevnen er relativt begrenset, noe som gjør den uegnet for høyfrekvente presisjonskretser.

 

2. LTCC (lav-ko-fyrt keramikk med lav temperatur)

LTCC bruker et lav-temperatursintringsmaterialsystem (<950℃), allowing it to be co-fired with highly conductive metals such as gold, silver, and copper. It possesses excellent electrical properties and high design flexibility. Its linewidth can be as low as 50μm, making it suitable for high-frequency, high-speed, and miniaturized packaging requirements.

 

Innen 5G-kommunikasjon, radarsystemer og høyfrekvente-moduler har LTCC blitt en av de vanlige løsningene, mye brukt i aluminiumoksydmetallisert keramikk for elektroniske applikasjoner. Ulempen er at dens mekaniske styrke og varmeledningsevne er litt lavere enn HTCC-systemer.

 

 

Fra et applikasjonsperspektiv har forskjellige metalliseringsprosesser hver sine fordeler:

 

DPC: Høypresisjon, miniatyrisert emballasje → Mikroelektronikk, LED

DBC: Høy varmeledningsevne, høy strøm → Strømmoduler, IGBT-er

AMB: Høy pålitelighet, høy-temperatursykling → Nye energikjøretøyer, SiC/GaN-enheter

HTCC: Høy styrke, høy temperaturbestandighet → Militære og ekstreme miljøer

LTCC: Høyfrekvent, høy integrasjon → Kommunikasjon og høyhastighetselektronikk-

 

I praktisk prosjektering må det gjennomføres en omfattende utvelgelsesprosess, med tanke på krav til termisk ledningsevne, strømklassifisering, pakketetthet og kostnad, for å oppnå optimal ytelsesmatching. Disse teknologiene utgjør til sammen kjerneteknologisystemet til metallisert keramikk for elektriske komponenter.

 

 

 

Den fremtidige utviklingen av keramisk metalliseringsteknologi vil fokusere på følgende retninger:

 

Høyere termisk ledningsevne (for SiC/GaN-enheter)

Høyere ledningspresisjon (mikron-nivå eller til og med nanometer-nivå)

Multi-materiale kompositter (høy-keramikk som AlN og Si₃N₄)

Tre-dimensjonal integrasjon og system-i-pakke (SiP)

 

Samtidig vil presisjonsmaskinering og strukturelle optimaliseringsevner relatert til aluminiumoksydmetallisert keramikk bli et avgjørende konkurransefortrinn for å øke produktmerverdien.

 

 

Som en profesjonell produsent spesialiserer vi oss på presisjonsbearbeiding av keramiske deler av aluminiumoksyd og metalliseringsløsninger med høy-pålitelighet, forpliktet til å gi kundene integrert støtte fra materialvalg og strukturell design til implementering av metallisering. Våre produkter omfatter metalliserte keramiske isolasjonsrør,Metalliserende keramiske deler, høy-strukturelle komponenter og tilpassede emballasjesubstrater, mye brukt innen ny energi, kraftelektronikk og avansert utstyr.

 

Ved å utnytte vårt modne prosesssystem og stabile produksjonsevner kan vi tilby aluminiumoksydmetallisert keramikk for liming og ulike typer funksjonelle keramiske komponenter som oppfyller strenge applikasjonskrav, og hjelper kundene med å oppnå høyere ytelse og høyere pålitelige systemintegrasjonsløsninger.