Высокопрочные-металлизированные керамические компоненты: ключевые соединительные мосты в высококлассных-электронных устройствах

Эта керамическая-металлокомпозитная структура решает такие проблемы, как растрескивание и расслоение, вызванные несоответствием температурного расширения в традиционной упаковке. Например, в силовых полупроводниковых модулях прецизионные металлизированные глиноземные керамические компоненты служат изолирующими подложками, поддерживая схемы высокой-плотности с одной стороны и непосредственно паяя радиаторы с другой, эффективно изолируя высокое напряжение и эффективно проводя тепло. В вакуумных электронных устройствах (таких как лампы бегущей волны и магнетроны) металлизированные керамические изоляционные трубки используются для свинцовой герметизации, обеспечивая долговременную-стабильность внутренней среды высокого-вакуума и сохраняя герметичность даже при температурах в сотни градусов Цельсия.

Благодаря своим уникальным комплексным характеристикам применение металлизированного керамического корпуса для силовых полупроводников постепенно расширилось от военной и аэрокосмической промышленности до высокотехнологичных гражданских областей, таких как автомобили на новой энергии, связь 5G, промышленные лазеры и фотоэлектрические инверторы. В модулях IGBT для электромобилей металлизированная керамика из оксида алюминия стала основной изолирующей подложкой благодаря балансу стоимости и производительности; в то время как в приложениях с более высокими требованиями к рассеиванию тепла используются металлизированные подложки из нитрида алюминия (AlN) с теплопроводностью, превышающей 170 Вт/м·К. Кроме того, в корпусах высокочастотного оборудования связи, корпусах датчиков и высоковольтных конденсаторах детали с прецизионной керамической металлизацией из глинозема высокой чистоты эффективно обеспечивают целостность сигнала и структурную надежность благодаря низким диэлектрическим потерям и высокой механической прочности.

Современные основные технологии металлизации включают метод молибдена-марганца (Mo-Mn), прямое медное соединение (DBC), прямое меднение (DPC) и активную пайку металлом (AMB). Среди них метод Mo-Mn подходит для высоконадежных применений вакуумной герметизации и является традиционным, но отработанным процессом; DBC напрямую приклеивает медную фольгу к керамической поверхности при высоких температурах, что делает ее пригодной для силовых модулей с высоким-током; В ЦОД используются тонкопленочные процессы для создания точных схем, подходящих для межсоединений высокой-плотности; и AMB использует активные припои (такие как Ag-Cu-Ti) для достижения высоко-прочных соединений между керамикой и медью при более низких температурах, сочетая высокую теплопроводность и высокую надежность. Выбор различных процессов зависит от комплексных требований сценария применения, касающихся теплопроводности, плотности тока, точности схемы и стоимости.

Стоит отметить, что характеристики высокопрочных-металлизированных керамических компонентов зависят не только от системы материалов, но и от уровня точности обработки керамических деталей из глинозема. Плоскостность подложки, шероховатость поверхности и точность отверстий напрямую влияют на однородность последующей металлизации и выход пайки. Например, в металлизированной глиноземной керамике для электрических компонентов контроль допуска по толщине на микронном уровне позволяет избежать концентрации напряжений при термоциклировании и продлить срок службы устройства.

Несмотря на значительные преимущества металлизированной керамики для электрических компонентов, ее производство по-прежнему сталкивается с проблемами: во-первых, процессы сложны и энергозатратны, особенно на этапе высоко-спекания, который требует строгого оборудования и контроля атмосферы. Во-вторых, хотя керамика на основе бериллия- (например, BeO) обладает превосходной теплопроводностью, она представляет собой риск токсичности и постепенно заменяется AlN. В-третьих, с миниатюризацией устройств более высокие требования предъявляются к ширине линий/интервалу и возможностям многослойной проводки прецизионной металлизированной керамики.

В будущем разработка металлизированных керамических корпусов для силовых полупроводников будет сосредоточена на трех основных направлениях: во-первых, разработка низкотемпературной керамики совместного-обжига (LTCC) и процессов интеграции металлизации для снижения энергопотребления; во-вторых, содействие применению бескислородной-меди, серебра и других металлов с высокой проводимостью в ЦОД/АМВ для улучшения электрических характеристик; и в-третьих, расширение совместимости полупроводниковых модулей третьего-поколения (SiC, GaN) для удовлетворения более высоких требований к рабочей температуре и напряжению.

Являясь ключевой технологией соединения керамики-с-металлом, высокопрочные-металлизированные керамические компоненты переходят из "закулисных"--материалов" на передний план развития отрасли. Его незаменимая роль в обеспечении надежной работы электронных систем в экстремальных условиях будет и дальше стимулировать совместные инновации в области материаловедения и производственных процессов.