1 Rhagymadrodd
Dosbarth o ddeunyddiau anfetelaidd anorganig yw deunyddiau cerameg a ffurfiwyd o gyfansoddion naturiol neu synthetig trwy siapio a sintro tymheredd uchel. Mae ganddynt fanteision megis ymdoddbwyntiau uchel, caledwch uchel, ac ymwrthedd gwisgo uchel, a gellir eu defnyddio fel deunyddiau strwythurol a deunyddiau swyddogaethol, gan gynnig rhagolygon cais eang [1]. Mae sintro deunyddiau ceramig yn bennaf yn broses lle mae un neu fwy o bowdrau deunydd crai solet yn cael eu cludo o dan dymheredd uchel, gan achosi i'r powdr agregu a dwysáu. Mae'r broses hon fel arfer yn cymryd sawl awr neu hyd yn oed ddegau o oriau. Yn facrosgopig, mae sintro yn amlygu ei hun fel dwysedd a chryfder cynyddol; yn y bôn, mae'n ostyngiad ynni o ynni arwyneb gronynnau i ynni rhyngwyneb, wedi'i yrru gan drylediad atomig o dan raddiannau potensial cemegol mewn gwahanol safleoedd, ac yn ficrosgopig, mae'n amlygu fel dileu mandyllau rhwng grawn [2].
2 Prosesau Meteleiddio
2.1 Meteleiddio Copr Plated Uniongyrchol
Yn y broses meteleiddio copr platiog uniongyrchol (DPC), ar ôl i'r swbstrad gael ei ddrilio â laser a'i lanhau'n drylwyr, caiff haen hadau ei adneuo ar y swbstrad ceramig glân, sych. Yna cymhwysir ffilm sych, ac yna datblygiad ac amlygiad, ac yna perfformir electroplatio i gynhyrchu'r cylchedwaith metel a ddymunir. Wedi hynny, caiff y ffilm sych dros ben a'r haen hadau eu tynnu, ac mae metel anweithredol wedi'i orchuddio ar yr wyneb copr i amddiffyn yr haen gopr ar gyfer prosesau presyddu dilynol.
Er bod swbstradau ceramig DPC yn cynnig manteision megis dargludedd thermol uchel, cywirdeb cylched uchel, a chyfaint pecynnu llai trwy ryng-gysylltiadau twll, mae trwch yr haen gopr yn gyffredinol wedi'i gyfyngu i ddim mwy na 150 μm oherwydd cyfyngiadau'r broses electroplatio. Ar hyn o bryd, defnyddir technoleg DPC yn bennaf i becynnu LEDau pŵer uchel. Mewn cymwysiadau cynhyrchu gwres uchel megis LEDau disgleirdeb uchel a LEDau uwchfioled dwfn, nid yn unig y mae angen swbstrad dargludedd thermol uchel ar y cefn ar gyfer afradu gwres, ond mae'n rhaid i ddeunyddiau pecynnu'r ochr flaen hefyd ystyried sefydlogrwydd thermol a dibynadwyedd. Mae deunyddiau pecynnu resin traddodiadol yn dueddol o heneiddio a methiant o dan olau uwchfioled a thymheredd uchel. Felly, mae ymchwil gyfredol hefyd yn tueddu i ddefnyddio deunyddiau anorganig neu fetelaidd megis caolin, nicel, a chopr i ffurfio strwythurau argae ar swbstradau DPC, ynghyd â chasgliad cwarts tryloyw, i wella dibynadwyedd dyfeisiau [3].
Ar hyn o bryd, mae'r broses meteleiddio copr platiog uniongyrchol wedi'i chymhwyso'n eang, ond mae'n dal i wynebu materion megis effeithlonrwydd isel, llenwi gwael, ac amlochredd bath gwael. Ymhlith y rhain, gall gwael trwy-lenwi effeithio ar berfformiad, sefydlogrwydd a dibynadwyedd dyfeisiau. Y rheswm yw bod copr, yn ystod electroplatio, yn tueddu i ddyddodi'n haws ar yr wyneb trwy, gan achosi i'r via gau cyn i'r tu mewn gael ei lenwi'n llawn, gan ffurfio gwagleoedd y tu mewn i'r via yn y pen draw. Mae ansawdd y electroplated trwy lenwi yn cael ei ddylanwadu gan y cerrynt platio a'r ffurfiad ychwanegyn; gall optimeiddio cyfansoddiad y datrysiad platio a pharamedrau prosesau ategol wella trwy-ansawdd llenwi.
Yn ogystal, gall swbstradau ceramig DPC ddod ar draws problemau yn ystod electroplatio, gan gynnwys amseroedd platio rhy hir, trwch cotio nad yw'n unffurf, a straen gweddilliol macrosgopig o fewn y cotio. Ymhlith y rhain, gall straen gweddilliol gormodol achosi cracio neu warping cotio, a gall cronni straen gweddilliol o fewn yr haen gopr effeithio ar sefydlogrwydd thermol y swbstrad ceramig [4].
2.2 Dull Copr wedi'i Bondio'n Uniongyrchol
Arloeswyd y dechnoleg copr bondio uniongyrchol (DBC) gyntaf gan Burgess et al. yn 1973 [5]. Ei egwyddor sylfaenol yw bod yr haen ocsid ar yr wyneb ffoil copr yn ffurfio toddi Cu-O eutectig ar dymheredd uchel. Mae gan y toddi hwn briodweddau gwlychu rhagorol ac, ar dymheredd ewtectig o 1065 gradd, gall gysylltu'r swbstrad ceramig yn effeithiol â'r ffoil copr heb adweithio, gan sicrhau bond cryf ar ôl oeri a chaledu.
Yn agos at 1065 gradd, mae'r cyfnod ewtectig Cu-O yn ffurfio. Gan fod pwynt toddi copr pur yn 1083 gradd, rhaid cynnal y bondio ewtectig yn yr ystod tymheredd o 1065 gradd i 1083 gradd, gyda gweithrediadau gwirioneddol wedi'u crynhoi'n bennaf rhwng 1070 gradd a 1075 gradd. Wrth oeri, mae'r ocsigen gor-dirlawn yn y Cu-O eutectig yn dyddodi fel Cu₂O; mewn cerameg Al₂O₃ neu AlN, gall cynhyrchion adwaith ychwanegol fel CuAlO₂ a CuAl₂O₄ ymddangos hefyd [5]. Mae ffurfio'r hylif ewtectig a'i gynnwys ocsigen yn hanfodol i effeithiolrwydd bondio. O ystyried bod cyfradd tryledu ocsigen yn y tawdd copr yn hynod o isel (10⁻⁵ cm²/s), mae'n anodd cyflwyno digon o ocsigen yn ystod y broses fondio; felly, mae cyn ocsidiad y ffoil copr yn cael ei berfformio'n gyffredinol i ffurfio Cu₂O ar yr wyneb ffoil copr i hyrwyddo ffurfiant hylif ewtectig. Mae'r cynnwys ocsigen mewn copr hefyd yn effeithio'n sylweddol ar gryfder y rhyngwyneb bondio, felly mae rheolaeth fanwl gywir ar y paramedr hwn yn agwedd graidd ar sicrhau perfformiad bondio [6].
Mae'r broses uniongyrchol bondio copr yn gofyn am swbstradau penodol i'w defnyddio. Mae gan doddi copr pur wlybedd gwael ar Al₂O₃, AlN, a Si₃N₄, gydag onglau cyswllt yn fwy na 130 gradd. Trwy gynyddu'r pwysedd rhannol ocsigen yn ystod bondio a chynnwys ocsigen y toddi copr, gellir lleihau'r ongl gyswllt ar arwynebau Al₂O₃ yn fawr [7]. Er y gellir gwella'r gwlybedd ar AlN hefyd trwy gynyddu'r pwysedd rhannol ocsigen yn ystod bondio, bondio mewn amgylchedd gwactod, neu ymestyn yr amser bondio, mae'r effaith yn gyfyngedig iawn [8]. Felly, mae AlN yn cael ei ocsidio ymlaen llaw yn gyffredinol i ffurfio haen arwyneb o Al₂O₃, ac yna'n cael ei fondio gan ddefnyddio'r dulliau uchod. Fodd bynnag, ni all yr un o'r dulliau hyn wella gwlybedd toddi copr yn hawdd ar Si₃N₄, felly anaml y caiff DBC ei gymhwyso i Si₃N₄.
2.3 Meteleiddio bresyddu metel gweithredol
Yn y diwydiant cerbydau ynni newydd, mae modiwlau SiC yn cael eu gwerthfawrogi'n fawr. Fodd bynnag, pan fydd tymheredd cyffordd dyfeisiau pŵer SiC yn codi i 250 gradd, mae'r tymheredd gwael -dibynadwyedd cylchol swbstradau ceramig DBC o dan amodau tymheredd uchel yn cyfyngu ar eu cymhwysiad. Er mwyn mynd i'r afael â'r mater hwn, datblygodd ymchwilwyr swbstradau ceramig AMB (Active Metal Brazed).
Yn gyntaf, rhoddir haen denau o sodr ar swbstrad ceramig glân. Yna rhoddir ffoil copr ar y sodrwr, ac mae'r cynulliad yn cael ei gynhesu mewn amgylchedd gwactod ar 800 gradd i 950 gradd i doddi'r sodrwr. Ar ôl oeri, mae cymal cadarn yn cael ei ffurfio. Nesaf, defnyddir ysgythru gwlyb i greu patrymau metelaidd i fodloni gofynion rhyng-gysylltiad trydanol dyfeisiau pŵer uchel.
Oherwydd bod metelau confensiynol yn gyffredinol yn dangos gwlybedd gwael ar swbstradau ceramig, defnyddir sodrwyr metel gweithredol yn gyffredin i wella gwlybedd a gwella cryfder ar y cyd. Mae sodrwyr metel gweithredol yn cynnwys o leiaf un elfen fetel weithredol, gydag elfennau Ti a lanthanide yn brif elfennau gweithredol ar hyn o bryd. Mae'r sodrwyr gweithredol a ddefnyddir yn gyffredin mewn prosesau AMB yn cynnwys systemau Sn-Ag-Ti ac Ag-Cu-Ti, lle mae Ti yn gweithredu fel y metel gweithredol i wella gwlybedd rhwng y sodr a'r cerameg, tra bod Sn ac Ag yn gweithredu i ostwng y pwynt toddi a gwella dargludedd thermol yr uniad.
Fodd bynnag, rhaid cynnal y broses AMB o dan wactod uchel neu awyrgylch amddiffynnol, sy'n cyfyngu ar ei chymhwysedd proses. Er mwyn goresgyn y cyfyngiad hwn, mae ymchwilwyr wedi datblygu technoleg Brazing Aer Adweithiol (RAB), y gellir ei berfformio yn yr awyr. Mae'r metelau llenwi presyddu a ddefnyddir yn RAB yn bennaf yn cynnwys metelau bonheddig (fel aloion Ag, Ag-Pd) ac ocsidau metel (fel CuO, V₂O₅ [9], Nb₂O₅, SiO₂, ac Al₂TiO₅), gan roi ymwrthedd ocsideiddio da i'r uniad. Yn ystod RAB, gall ocsidau metel gadw at wyneb y swbstrad ceramig ac adweithio ag ef, gan wella gwlybedd y swbstrad ceramig trwy weithred synergaidd y metel llenwi tawdd a'r rhyngwyneb. Yn y cyfamser, mae hydwythedd da metelau bonheddig yn helpu i leddfu straen thermol mewnol yn y cymal, ac mae ychwanegu ocsidau metel yn helpu i leihau straen gweddilliol sy'n deillio o ddiffyg cyfatebiaeth CTE rhwng y cyd a'r matrics ceramig.
Mae meteleiddio presyddu metel gweithredol yn cynnig manteision megis offer a phroses syml, dibynadwyedd uchel, a dim cyfyngiadau ar fathau o swbstrad ceramig, sy'n golygu mai hon yw'r broses feteleiddio fwyaf addawol ar gyfer cymwysiadau dyfeisiau pŵer uchel. Fodd bynnag, o ystyried datblygiad cyflym y diwydiant dyfeisiau electronig pŵer uchel, mae safonau uwch yn cael eu gosod ar briodweddau mecanyddol a dibynadwyedd gweithredol hirdymor prosesau AMB, gan olygu bod angen optimeiddio a gwelliant parhaus. Ar yr un pryd, mae swbstradau ceramig AMB yn wynebu'r un dagfa dechnegol o drachywiredd cylched annigonol â swbstradau DBC. Os gellir datblygu technolegau newydd i gyflawni cywirdeb cylched sy'n debyg i un y broses DPC, disgwylir i swbstradau ceramig AMB ddisodli swbstradau tebyg eraill yn y dyfodol, gan ddangos potensial cymhwysiad gwych [4].
2.4 -Meteleiddio Wedi'i Anwytho â Laser
Yn y broses feteleiddio a achosir gan laser, defnyddir pelydr laser i arbelydru'n ddetholus -sy'n cynnwys swbstrad ceramig alwminiwm. Mae'r deunydd ceramig arbelydredig yn cael ei leihau i atomau metel wedi'u actifadu. Yna mae'r swbstrad yn cael ei drochi mewn hydoddiant platio electroless sy'n cynnwys Cu²⁺, lle mae'r atomau actifedig yn hyrwyddo gostyngiad Cu²⁺ a'i ddyddodiad ar yr ardaloedd arbelydredig, gan ffurfio patrymau cylched metelaidd [10].
Mae platio di-electro yn broses rhydocs awtocatalytig nad oes angen cerrynt allanol arni; mae ïonau metel yn cael eu lleihau i fetel solet gan asiantau lleihau cemegol yn yr ateb [11], ac mae'r egni sy'n gyrru'r gostyngiad hwn yn dod o'r asiantau lleihau cemegol yn yr ateb. Yn nodweddiadol, nid yw'n hawdd lleihau ïonau metel yn y baddon platio yn ddigymell, ac yn aml mae angen catalydd fel cyfrwng canolraddol i ostwng yr egni actifadu ar gyfer cnewyllyn metel. Unwaith y bydd gronynnau catalydd wedi'u dyddodi'n llwyddiannus ar wyneb y swbstrad, gellir sbarduno dyddodiad metel ar raddfa fawr.
Mae meteleiddio a achosir gan laser yn cael ei berfformio'n gyffredin ar alwminiwm sy'n cynnwys swbstradau oherwydd gall arbelydru laser ffurfio atomau Al actifedig. Fodd bynnag, nid yw perfformiad catalytig atomau Al yn ddelfrydol, ac mae angen catalyddion eraill i wella effeithlonrwydd dyddodiad.
Mae dyluniad prosesau meteleiddio a achosir gan laser yn sensitif iawn i baramedrau laser, nodweddion swbstrad ceramig, a pharamedrau prosesau electroplatio. Er bod y dechneg hon yn cyfuno mantais cost electroplatio copr â thrachywiredd cylched uchel prosesau LAM (meteleiddio â chymorth laser), mae cost uchel offer laser a'r llygredd amgylcheddol a achosir gan blatio di-electro yn parhau i fod yn ffactorau pwysig sy'n cyfyngu ar ei fabwysiadu'n eang ymhellach.
2.5-Meteleiddio Ffilm trwchus
Mae meteleiddio ffilm trwchus yn golygu-printio haenau metel ar gyfer selio, dargludyddion (gwifrau cylched), gwrthyddion, ac ati, ar swbstradau ceramig, ac yna sintro i ffurfio haenau metel bresyddu, cylchedau, a phwyntiau cysylltu plwm. Yn gyffredinol, mae pastau ffilm trwchus yn cynnwys powdrau metel gyda meintiau gronynnau tua 1.5 μm, ychydig y cant o'r rhwymwr parhaol, a cherbyd organig (gan gynnwys toddyddion organig, tewychwyr, syrffactyddion, ac ati), a baratowyd trwy felino a chymysgu pêl. Mae camau meteleiddio ffilm trwchus yn gyffredinol yn cynnwys: dylunio patrwm a pharatoi gwaith celf, paratoi past, argraffu sgrin, sychu a sintro [12].
Mae -metaleiddio ffilm trwchus yn defnyddio'r egwyddor o argraffu sgrin. Yn gyntaf, mae'r haenau metel gofynnol ar gyfer pecynnu neu gydrannau electronig megis gwrthyddion ynghlwm wrth y swbstrad ceramig nitrid alwminiwm. Nesaf, mae'r haenau metel a'r cydrannau electronig yn cael eu bondio i wyneb y swbstrad ceramig trwy sintro tymheredd uchel, gan sicrhau cysylltiadau cadarn rhwng pob rhan. Mae gan y broses hon gymwysiadau eang mewn pecynnu dyfeisiau electronig a gwifrau cylched. Y past dargludol yw'r ffactor allweddol sy'n effeithio ar -ansawdd meteleiddio ffilm trwchus; mae ei gyfansoddiad yn bennaf yn cynnwys powdrau metel (1-5 μm), gwydr, rhwymwyr, a cherbyd organig wedi'i gymysgu â melino pêl [13].
Mae'r dull meteleiddio ffilm trwchus yn berthnasol i amrywiaeth eang o fathau o gerameg ac mae ganddo broses syml [14]. Fodd bynnag, wedi'i gyfyngu gan faint sgriniau a phastau dargludol, mae'n anodd gwneud gwifrau â lled llinell o dan 60 μm. Mae priodweddau trydanol a chryfder adlyniad yr haen fetel yn gymharol wael, gan ei gwneud yn addas ar gyfer dyfeisiau electronig â gofynion pŵer a maint is yn unig. Mae pastau dargludol sy'n benodol addas ar gyfer meteleiddio ffilm trwchus nitrid alwminiwm yn dal yn gymharol brin, ac nid yw fformwleiddiadau past sydd ar gael yn fasnachol yn uniongyrchol berthnasol; fel arall, gall pothellu ar y rhyngwyneb ddigwydd [15].
2.6 -Meteleiddio Ffilm tenau
Mae meteleiddio ffilm tenau yn broses lle mae deunyddiau metel yn cael eu hanweddu a'u dyddodi ar arwynebau cerameg trwy ddulliau dyddodi anwedd corfforol fel anweddiad gwactod neu sputtering i ffurfio ffilm fetel denau, ac yna masgio, ysgythru, a chamau eraill i greu patrymau cylched metelaidd.
Mewn egwyddor, gall y broses hon ffurfio ffilmiau metel unffurf ar raddfa micron ar wahanol ddeunyddiau swbstrad trwy anweddiad neu sbwteri. Fodd bynnag, oherwydd y gwahaniaeth sylweddol mewn cyfernodau ehangu thermol rhwng cerameg a chopr metelaidd, mae dyddodiad copr uniongyrchol ar serameg nitrid alwminiwm yn cyflwyno straen mawr rhwng yr haenau metel a seramig, gan effeithio ar gryfder adlyniad y cotio i'r seramig a sefydlogrwydd beicio thermol y swbstrad. Felly, yn y blynyddoedd diwethaf, mae dulliau dyddodiad amlhaenog wedi dod yn boblogaidd. Mae'r haen gyntaf fel arfer yn haen Ti, a dewisir yr ail haen o fetelau fel Cu, Ag, neu Au. Pan fydd slip dadleoli a rhyngweithiadau mewn un haen yn cael eu trosglwyddo i haen arall oherwydd straen mewnol mawr, mae'r straen mewnol o fewn yr haen fetel hefyd yn cael ei leddfu.
Mae meteleiddio ffilm tenau yn cynnig adlyniad cryf o ansawdd uchel, haenau unffurf, a datrysiad patrwm manwl. Fodd bynnag, dim ond haenau metel tenau iawn y gall eu cynhyrchu, ac mae'r broses baratoi yn gymharol gymhleth, sy'n cynnwys sawl cam gan gynnwys triniaeth arwyneb, dyddodiad metel, a thriniaeth ôl, sy'n gofyn am reolaeth lem ar baramedrau'r broses. Mae hyn yn arwain at gostau gweithgynhyrchu uchel, gan gyfyngu'n ddifrifol ar ei ddatblygiad.