1 Uvod
Keramički materijali su klasa neorganskih nemetalnih materijala formiranih od prirodnih ili sintetičkih jedinjenja kroz oblikovanje i-sinterovanje na visokoj temperaturi. Posjeduju prednosti kao što su visoke točke topljenja, visoka tvrdoća i visoka otpornost na habanje, a mogu se koristiti kao strukturni i funkcionalni materijali, nudeći široku perspektivu primjene [1]. Sinterovanje keramičkih materijala je prvenstveno proces u kojem se jedan ili više prahova čvrstih sirovina podvrgava transportu materijala pod visoko-zagrijavanjem, što uzrokuje agregaciju i zgušnjavanje praha. Ovaj proces obično traje nekoliko sati ili čak desetine sati. Makroskopski, sinterovanje se manifestuje kao povećana gustina i čvrstoća; u suštini, to je smanjenje energije od površinske energije čestica do energije interfejsa, izazvano atomskom difuzijom pod gradijentima hemijskog potencijala na različitim mestima, a mikroskopski, manifestuje se kao eliminacija pora između zrna [2].
2 Procesi metalizacije
2.1 Direktna metalizacija bakra
U procesu metalizacije direktnog bakra (DPC), nakon što je podloga laser-izbušena i temeljno očišćena, sloj sjemena se nanosi na čistu, osušenu keramičku podlogu. Zatim se nanosi suhi film, zatim razvijanje i ekspozicija, a zatim se vrši galvanizacija kako bi se stvorila željena metalna kola. Nakon toga, višak suvog filma i sloja sjemena se uklanjaju, a ne-aktivni metal je premazan na površini bakra kako bi se zaštitio sloj bakra za naknadne procese lemljenja.
Iako DPC keramičke podloge nude prednosti kao što su visoka toplotna provodljivost, visoka preciznost strujnog kola i smanjena zapremina pakovanja kroz -međupovezane rupe, debljina sloja bakra je općenito ograničena na ne više od 150 μm zbog ograničenja procesa galvanizacije. Trenutno se DPC tehnologija prvenstveno koristi u pakovanju LED dioda velike snage. U aplikacijama visoke{5}}generacije topline{6}}kao što su LED diode velike{7}}svjetline i duboke-ultraljubičaste LED diode, ne samo da je podloga visoke{9}}termalne{10}}provodljivosti potrebna na poleđini za odvođenje topline, već se na prednjoj-strani moraju uzeti u obzir materijali za termičko slaganje i pouzdanost. Tradicionalni materijali za pakovanje od smole su skloni starenju i kvaru pod ultraljubičastim svjetlom i visokim temperaturama. Stoga, trenutna istraživanja također imaju tendenciju da koriste neorganske ili metalne materijale kao što su kaolin, nikl i bakar za formiranje struktura brana na DPC podlogama, u kombinaciji s transparentnom kvarcnom inkapsulacijom, kako bi se poboljšala pouzdanost uređaja [3].
Trenutno se široko primjenjuje proces metalizacije bakra sa direktnim pozlaćivanjem, ali se i dalje suočava s problemima kao što su niska efikasnost, slabo{0}}punjenje i slaba svestranost kupke. Među njima, slabo punjenje-može uticati na performanse uređaja, stabilnost i pouzdanost. Razlog je taj što se tokom galvanizacije bakar lakše taloži na površini otvora, što dovodi do zatvaranja otvora prije nego što se unutrašnjost potpuno popuni, stvarajući na kraju praznine unutar otvora. Na kvalitet galvanizacije putem punjenja utiču struja prevlačenja i formulacija aditiva; optimizacija sastava otopine za oblaganje i pomoćnih parametara procesa može poboljšati-kvalitet punjenja.
Osim toga, DPC keramičke podloge mogu naići na probleme tokom galvanizacije, uključujući pretjerano dugo vrijeme nanošenja, ne-ujednačenu debljinu premaza i makroskopska zaostala naprezanja unutar premaza. Među njima, prekomjerno zaostalo naprezanje može uzrokovati pucanje premaza ili savijanje, a akumulacija zaostalog naprezanja unutar bakrenog sloja može utjecati na toplinsku stabilnost keramičke podloge [4].
2.2 Metoda direktnog vezanja bakra
Tehnologiju direktnog vezanog bakra (DBC) prvi su započeli Burgess et al. 1973. godine [5]. Njegov osnovni princip je da sloj oksida na površini bakarne folije formira Cu-O eutektičku talinu na visokoj temperaturi. Ova talina ima odlična svojstva vlaženja i na eutektičkoj temperaturi od 1065 stepeni može efikasno da poveže keramičku podlogu sa neizreagovanom bakarnom folijom, obezbeđujući jaku vezu nakon hlađenja i očvršćavanja.
Blizu 1065 stepeni, formira se Cu–O eutektička faza. S obzirom da je tačka topljenja čistog bakra 1083 stepena, eutektičko vezivanje se mora izvršiti u temperaturnom opsegu od 1065 stepeni do 1083 stepena, sa stvarnim operacijama uglavnom koncentrisanim između 1070 stepeni i 1075 stepeni. Tokom hlađenja, prezasićeni kiseonik u Cu–O eutektiku precipitira kao Cu₂O; u Al₂O₃ ili AlN keramici mogu se pojaviti i dodatni produkti reakcije kao što su CuAlO₂ i CuAl₂O₄ [5]. Formiranje eutektičke tečnosti i njen sadržaj kiseonika su ključni za efikasnost vezivanja. S obzirom da je brzina difuzije kiseonika u talini bakra izuzetno niska (10⁻⁵ cm²/s), teško je uvesti dovoljno kiseonika tokom procesa vezivanja; prema tome, pre-oksidacija bakarne folije se generalno izvodi kako bi se formirao Cu₂O na površini bakarne folije kako bi se potaklo formiranje eutektičke tekućine. Sadržaj kisika u bakru također značajno utječe na jačinu spoja veze, tako da je precizna kontrola ovog parametra ključni aspekt osiguravanja performansi vezivanja [6].
Proces direktnog spajanja bakra zahtijeva posebne podloge za upotrebu. Čista talina bakra ima slabu sposobnost vlaženja na Al₂O₃, AlN i Si₃N₄, sa kontaktnim uglovima koji prelaze 130 stepeni. Povećanjem parcijalnog pritiska kiseonika tokom vezivanja i sadržaja kiseonika u talini bakra, kontaktni ugao na Al₂O₃ površinama može se značajno smanjiti [7]. Iako se vlaženje na AlN takođe može poboljšati povećanjem parcijalnog pritiska kiseonika tokom vezivanja, vezivanjem u vakuumskom okruženju ili produžavanjem vremena vezivanja, efekat je veoma ograničen [8]. Zbog toga se AlN općenito pre-oksidira da formira površinski sloj Al₂O₃, a zatim se vezuje korištenjem gornjih metoda. Međutim, nijedna od ovih metoda ne može lako poboljšati kvašenje taline bakra na Si₃N₄, tako da se DBC rijetko primjenjuje na Si₃N₄.
2.3 Metalizacija aktivnog lemljenja metala
U industriji novih energetskih vozila, SiC moduli su visoko cijenjeni. Međutim, kada temperatura spoja SiC energetskih uređaja poraste na 250 stepeni, loša pouzdanost temperaturnog{2}}ciklusa DBC keramičkih supstrata u uslovima visoke{3}}temperature ograničava njihovu primjenu. Da bi se pozabavili ovim problemom, istraživači su razvili AMB (Active Metal Brazed) keramičke podloge.
Prvo se na čistu keramičku podlogu nanosi tanak sloj lema. Zatim se na lem postavlja bakarna folija, a sklop se zagreva u vakuumskom okruženju na 800 do 950 stepeni da bi se lem rastopio. Nakon hlađenja formira se čvrst spoj. Zatim, mokro graviranje se koristi za kreiranje metalnih uzoraka kako bi se ispunili zahtjevi za električno povezivanje uređaja velike{5}}
Budući da konvencionalni metali općenito pokazuju slabu kvašenje na keramičkim podlogama, aktivni metalni lemovi se obično koriste za poboljšanje kvašenja i jačanje čvrstoće spoja. Aktivni metalni lemovi sadrže najmanje jedan aktivni metalni element, pri čemu su Ti i lantanidni elementi trenutno glavni aktivni elementi. Uobičajeni aktivni lemovi u AMB procesima uključuju Sn–Ag–Ti i Ag–Cu–Ti sisteme, gdje Ti služi kao aktivni metal za poboljšanje vlaženja između lema i keramike, dok Sn i Ag snižavaju tačku topljenja i poboljšavaju toplinsku provodljivost spoja.
Međutim, AMB proces se mora izvoditi u visokom vakuumu ili zaštitnoj atmosferi, što ograničava njegovu primjenu u procesu. Kako bi prevazišli ovo ograničenje, istraživači su razvili tehnologiju reaktivnog zračnog lemljenja (RAB), koja se može izvoditi na zraku. Dodatni metali za lemljenje koji se koriste u RAB-u uglavnom se sastoje od plemenitih metala (kao što su legure Ag, Ag–Pd) i metalnih oksida (kao što su CuO, V₂O₅ [9], Nb₂O₅, SiO₂ i Al₂TiO₅), čime se daje dobra otpornost na oksidaciju spoja. Tokom RAB-a, metalni oksidi mogu da se prianjaju i reaguju sa površinom keramičke podloge, poboljšavajući kvašenje keramičke podloge sinergističkim delovanjem rastopljenog metala za punjenje i interfejsa. U međuvremenu, dobra duktilnost plemenitih metala pomaže u oslobađanju unutarnjih termičkih naprezanja u spoju, a dodatak metalnih oksida pomaže u smanjenju zaostalih naprezanja koja proizlaze iz CTE neusklađenosti između spoja i keramičke matrice.
Aktivno metalno lemljenje metala nudi prednosti kao što su jednostavna oprema i proces, visoka pouzdanost i bez ograničenja na tipove keramičkih podloga, što ga čini najperspektivnijim procesom metalizacije za aplikacije velike{0}}snage. Međutim, s obzirom na brz razvoj-industrije elektronskih uređaja velike snage, postavljaju se viši standardi na mehanička svojstva i dugoročnu-pouzdanost rada AMB procesa, što zahtijeva kontinuiranu optimizaciju i poboljšanje. Istovremeno, AMB keramičke podloge suočavaju se sa istim tehničkim uskim grlom nedovoljne preciznosti kola kao i DBC supstrati. Ako se nove tehnologije mogu razviti kako bi se postigla preciznost kola usporediva s onom u DPC procesu, očekuje se da će AMB keramičke podloge zamijeniti druge slične supstrate u budućnosti, pokazujući veliki potencijal primjene [4].
2.4 Laser{1}}Metalizacija izazvana laserom
U procesu metalizacije{0}}indukovanog laserom, laserski snop se koristi za selektivno ozračivanje keramičke podloge koja sadrži aluminijum-. Ozračeni keramički materijal se reducira na aktivirane atome metala. Podloga se zatim uranja u rastvor za oblaganje bez elektronike koji sadrži Cu²⁺, gde aktivirani atomi pospešuju redukciju Cu²⁺ i njegovo taloženje na ozračenim područjima, formirajući obrasce metalnih kola [10].
Bezelektrična obrada je autokatalitički redoks proces koji ne zahtijeva eksternu struju; metalni joni se redukuju u čvrsti metal pomoću hemijskih redukcionih agenasa u rastvoru [11], a energija koja pokreće ovu redukciju dolazi od hemijskih redukcionih agenasa u rastvoru. Tipično, joni metala u kupelji za oblaganje se ne reduciraju lako spontano, a katalizator je često potreban kao međumedij za smanjenje energije aktivacije za nukleaciju metala. Jednom kada se čestice katalizatora uspješno odlože na površinu supstrata, može se pokrenuti taloženje metala velikog{3}}razmjera.
Laser-indukovana metalizacija se obično izvodi na podlogama koje sadrže aluminijum- jer lasersko zračenje može formirati aktivirane atome Al. Međutim, katalitičke performanse Al atoma nisu idealne, a drugi katalizatori su potrebni za poboljšanje efikasnosti taloženja.
Dizajn laser-indukovanih procesa metalizacije je veoma osjetljiv na laserske parametre, karakteristike keramičke podloge i parametre procesa galvanizacije. Iako ova tehnika kombinuje troškovnu prednost galvanizacije bakra sa visokom preciznošću kola LAM (laser-potpomognuta metalizacija) procesa, visoka cena laserske opreme i zagađenje životne sredine uzrokovano galvanizacijom bez elektronike ostaju važni faktori koji ograničavaju njeno dalje širenje.
2.5 Debeli{1}}metalizacija filma
Debeoplastična-metalizacija uključuje sito-štampanje metalnih slojeva za zaptivanje, provodnika (ožičenja kola), otpornika, itd., na keramičke podloge, nakon čega slijedi sinteriranje da se formiraju metalni slojevi za lemljenje, kola i tačke pričvršćivanja elektroda. Debele- paste se uglavnom sastoje od metalnog praha veličine čestica oko 1,5 μm, nekoliko postotaka trajnog veziva i organskog nosača (uključujući organske rastvarače, zgušnjivače, surfaktante, itd.), pripremljenog mljevenjem i miješanjem. Koraci metalizacije debelih{8}}filmova općenito uključuju: dizajn uzorka i pripremu umjetnina, pripremu paste, sitotisak, sušenje i sinteriranje [12].
Debelo{0}}metalizacija koristi princip sito štampe. Prvo, potrebni metalni slojevi za pakovanje ili elektronske komponente kao što su otpornici su pričvršćeni na keramičku podlogu od aluminijum nitrida. Zatim se metalni slojevi i elektronske komponente vezuju za površinu keramičke podloge kroz visoko{3}}sinterovanje, čime se postižu čvrste veze između svih dijelova. Ovaj proces ima široku primjenu u pakiranju elektroničkih uređaja i ožičenju kola. Provodljiva pasta je ključni faktor koji utiče na kvalitet metalizacije debelog{6}}filma; njegov sastav se uglavnom sastoji od metalnog praha (1–5 μm), stakla, veziva i organskog nosača pomiješanog kugličnim mljevenjem [13].
Metoda metalizacije debelog filma{0}}primjenjiva je na širok raspon tipova keramike i ima jednostavan proces [14]. Međutim, ograničeno veličinama ekrana i provodljivim pastama, teško je proizvesti žice sa širinama linija ispod 60 μm. Električna svojstva i čvrstoća prianjanja metalnog sloja su relativno loši, što ga čini pogodnim samo za elektronske uređaje sa nižim zahtjevima za snagom i veličinom. Konduktivne paste koje su posebno pogodne za metalizaciju debelog- filma aluminijum nitrida su još uvijek relativno rijetke, a komercijalno dostupne formulacije paste nisu direktno primjenjive; u suprotnom može doći do stvaranja mjehura na sučelju [15].
2.6 Tan-metalizacija tankog filma
Tanko{0}}metalizacija je proces u kojem se metalni materijali isparavaju i talože na keramičke površine metodama fizičkog taloženja parom kao što je vakuumsko isparavanje ili raspršivanje kako bi se formirao tanak metalni film, nakon čega slijedi maskiranje, jetkanje i drugi koraci za stvaranje uzoraka metaliziranog kola.
U teoriji, ovaj proces može formirati ujednačene metalne filmove mikronske-razmjere na različitim materijalima supstrata putem isparavanja ili raspršivanja. Međutim, zbog značajne razlike u koeficijentima termičke ekspanzije između keramike i metalnog bakra, direktno taloženje bakra na aluminij nitridnoj keramici dovodi do velikih naprezanja između metalnih i keramičkih slojeva, utječući na čvrstoću prianjanja premaza na keramiku i stabilnost podloge na termički ciklus. Stoga su posljednjih godina postali popularni pristupi višeslojnog taloženja. Prvi sloj je tipično Ti sloj, a drugi sloj se bira od metala kao što su Cu, Ag ili Au. Kada se dislokacijsko klizanje i interakcije u jednom sloju prenesu na drugi sloj zbog velikih unutrašnjih naprezanja, unutarnja naprezanja unutar metalnog sloja se također oslobađaju.
Tanko{0}}metalizacija nudi visok kvalitet, jaku adheziju, ujednačene premaze i finu rezoluciju uzorka. Međutim, može proizvesti samo vrlo tanke metalne slojeve, a proces pripreme je relativno složen, uključuje više koraka uključujući površinsku obradu, taloženje metala i naknadnu obradu, što zahtijeva strogu kontrolu parametara procesa. To rezultira visokim troškovima proizvodnje, što ozbiljno ograničava njegov razvoj.