International scientific e-journal

ΛΌГOΣ. ONLINE

15 (November, 2020)

e-ISSN: 2663-4139
КВ №20521-13361Р

PHYSICS AND MATHS

UDC 539.231

DOI 10.36074/2663-4139.15.06

СПОСОБИ МЕТАЛІЗАЦІЇ КЕРАМІКИ, ВИКОРИСТОВУВАНІ ПРИ ВИРОБНИЦТВІ СИЛОВИХ ЕЛЕКТРОННИХ МОДУЛІВ І ЕЛЕКТРОВАКУУМНИХ ПРИЛАДІВ

КАСЯНЕНКО Вадим Вікторович

здобувач освітньо-кваліфікаційного рівня «Магістр» факультету електроніки

Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського»

 

НАУКОВИЙ КЕРІВНИК:

 

КУЗЬМИЧЄВ Анатолій Іванович

д-р., техн. наук, професор, професор кафедри електронних пристроїв та систем

Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського»

 

УКРАЇНА


Анотація. Силові електронні модулі застосовуються в галузях техніки, пов'язаних з необхідністю передачі потужнострумових сигналів. Типовими областями застосування таких модулів є системи навігації літальних апаратів, елементи комутації силових схем і інші високонавантажених з'єднання. Центральним вузлом модуля є керамічна основа, на якій формують струмопровідні доріжки і монтують електронні компоненти. Готову підкладку часто називають комутаційної платою. Підкладка виконує дві основні функції: є діелектричної основою друкованої схеми, формованої на одній або двох сторонах; забезпечує відведення тепла, що виділяється напівпровідниковими кристалами і елементами схеми. Використовується для підкладок кераміка негігроскопічна, термостійкий, є ізоляційним матеріалом з високими механічними та діелектричними властивостями. Вона відрізняється порівняльною простотою виготовлення і невисокою вартістю. При виготовленні силових модулів використовуються керамічні підкладки з оксиду або нітриду алюмінію з багатошаровим металізованим покриттям товщиною від декількох мікрон до декількох десятків мікрон (в залежності від застосування), що забезпечує необхідну ступінь адгезії покриття до кераміки і завдаються з однієї або з обох сторін керамічної пластини. Основними вимогами до готового виробу є мінімальні габарити і низька вартість матеріалів і процесу виробництва. Крім того, вирішальними факторами є високі технічні характеристики, стійкість до впливу навколишнього середовища і безвідмовність. Конструкція готового модуля повинна забезпечувати мінімальні значення перехідних теплових опорів, розподілених індуктивностей силових шин, висока напруга ізоляції. Адгезійна міцність залежить від багатьох факторів: технології отримання покриття, матеріалу плівки, матеріалу підкладки; і може знижуватися в процесі експлуатації готового виробу. У процесі роботи силових модулів вони піддаються теплових і механічних навантажень, у тому числі вібрації. Це призводить до руйнування компонентів від перегріву і пошкодити механічним пошкодженням модулів. Часто руйнування відбувається у структурі підкладка-покриття провідник. Основною причиною такого руйнування є низька адгезійна міцність металевої плівки до керамічної основи.

Ключові слова: адгезія; кераміка; мідь; теплопровідність; плівка.

Проведення металізації можливо різними методами як при атмосферному тиску (методом холодного газодинамічного напилення або накочуванням металевої фольги, в рідкому середовищі гальванічним методом), так і в вакуумі з використанням Еліон технологій, які є одними з найбільш ефективних і екологічно чистих методів.

В Таблиці 1 наведено класифікацію основних способів металізації кераміки.

 

Таблиця 1

Данні сформовано з [2]

 

Класифікація способів металізації кераміки Розглянемо ці методи детальніше.

Одним з найбільш часто використовуваних способів є товстоплівкова технологія методом впалювання. [3]

В основі товстоплівковій технології впалювання пасти лежить використання дешевих і високопродуктивних процесів, що потребують невеликих одноразових витрат на підготовку виробництва, завдяки чому вона виявляється економічно доцільною і в умовах дрібносерійного виробництва. Висока надійність товстоплівкових елементів обумовлена міцним (понад 50 кгс/см2) зчепленням з керамічною пілкладкою, яке досягається процесом вжигания пасти в поверхневий шар кераміки.

В цілому товсоплівкова технологія складається з ряду послідовних ідентичних циклів: приготування пасти, виготовлення сітчастих трафаретів, нанесення пасти трафаретного печаткою, сушка, впалювання паст в конвеєрних електропечах і зміна пасти та трафарету.

При формуванні кожного шару (резистивного, що проводить, діелектричного тощо) використовують відповідні пасти, які через сітчатий трафарет наносять на підкладку, піддають сушці і впалюванню. По завершенні формування всіх верств резистори і конденсатори можуть проходити підгонку (зазвичай лазерну) до заданої точності .

Технологія Direct Bonding Copper (DBC) являє собою технологію планування мідної фольги (товщиною 0,125-0,7 мм) на керамічну підкладку з оксиду або нітриду алюмінію. Технологія полягає в наступному. Попередньо мідна фольга обробляється з одного боку з метою отримання з боку, припресовуваною до кераміки, тонкого шару чорного оксиду міді. У процесі створення DBC структури, оброблену мідну фольгу нагрівають до температури від 1065 до 1085° С і припресовують до кераміки. При цьому відбувається евтектичний зв'язок і взаємна дифузія молекул кисню в зоні її контакту з керамікою, яка може бути описана рівнянням (1) :

 

CuO + Al2O3 = Cu Al2O4      (1)

 

Схема технологічного процесу нанесення покриття методом DBC представлена на Рис. 1.

Рис. 1. Схема технологічного процесу Direct Bonding Coating (DBC)

 

Перевагами методу є:

1. Відносна простота процесу.

2. Можливість отримання товстих шарів міді.

3. Високі експлуатаційні властивості покриття.

До недоліків методу слід віднести:

1. Різницю в КТР міді та кераміки, що викликає механічні напруги в підкладці при термоциклюванні. Для підвищення надійності слід підбирати товщини пари «кераміка–мідь».

2. Складність формування перехідних отворів в підкладці.

3. Внаслідок того, що кераміка на основі нітриду алюмінію відрізняється низькою адгезією до неї міді, потрібна додаткова обробка її поверхні з метою отримання тонкого шару оксиду міді на поверхні, що збільшує тепловий опір.

4. Висока собівартість.

Технологія Direct Plated Coating (DPC) передбачає напилення тонкошарової металізації методом вакуумного осадження тонких плівок з подальшим її нарощуванням до необхідної товщини гальванічним способом.  DPC - окремий випадок технології Active Metal Brazing (AMB) - технології активної «приварювання» металів до кераміки, оскільки вона розглядує використання саме міді в якості основного металу. Зазвичай напилюють пару титан-мідь: титан забезпечує хорошу адгезію до кераміки, а мідь - один з кращих по теплопровідності металів. Після напилення мідь нарощують гальванічним способом. [3]

Перевагами методу є:

1. Дуже хороша адгезія металу до кераміки.

2. Чудові електричні властивості.

3. Можливість формування перехідних отворів.

До недоліків методу слід віднести:

1. Складність технологічного процесу

2. Висока собівартість.

Технологія холодного газодинамічного напилення металів (ХГН) є відносно новою стосовно використання у виробництві електронних приладів.

Технологія заснована на ефекті закріплення частинок металу, які рухаються з надзвуковою швидкістю, на поверхні при зіткненні з нею. Температура при цьому зазвичай не перевищує 150° С, тому процес отримав назву «холодного напилення». Незважаючи його дешевизну і універсальність стосовно до різних галузей машинобудування та активну рекламу для застосування в електроніці, [5] стосовно до цієї області він вимагає пильної уваги і вивчення.

Особливості цієї технології полягають у наступному:

1. Для напилення використовується суміш порошків кераміки (корунду) і металу (міді, алюмінію). Ніж легше метал, тим більша відсоткова надає корунду в суміші. При напиленні алюмінію співвідношення корунд/алюміній становить 85:15, а при напиленні міді співвідношення корунд/мідь — 45:55. Тобто, метал у чистому вигляді, без домішки кераміки, не напилюється.

2. Для напилення використовуються порошки дисперсністю 25...100 мкм, в той час як в процесі, наприклад, пароструйного напилення начепляються атоми металу. Відповідно, структура покриття при ХГН буде неоднорідною.

3. На даний момент не були всебічно досліджені електричні характеристики підкладок з таким напиленням. Немає даних і про кристалографічні аналізі таких покриттів і про проведення випробувань на термоциклювання.

4. Більш низька адгезія (в середньому в 2 рази), навіть порівняно з DBC металізацією не дозволяє рекомендувати цю технологію для використання у виробах, що вимагають високої надійності, наприклад таких як електроніка для військового застосування.

Можливо, що якщо надалі технологія холодного газодинамічного напилення буде доопрацьована за умови напилення чистих нанопорошків металів і буде добре вивчена, вона займе своє місце в області електроніки. Проте в даний час її використання дає більше запитань, ніж відповідей, і не дозволяє рекомендувати її для використання у виробництві високонадійних напівпровідникових і електровакуумних приладів.

Завдяки можливості варіювання в широких межах параметра електронних та іонних пучків, газорозрядної плазми, а, отже, і видом впливу на оброблювані матеріали еліонні технології мають широкий спектр застосування для виробництва та досліджень, проведення їх в вакуумі створює передумови для забезпечення надчистої технологічного середовища та екологічної чистоти. Одним з ключових процесів створення виробів мікроелектроніки є нанесення тонких плівок у вакуумі. Розглянемо можливості при- зміни тонкоплівкових технологій стосовно виробництва силових модулів і електровакуумних приладів. Функціональні характеристики тонкоплівкових елементів залежать від правильного вибору методу нанесення, технологічних режимів і параметрів устаткування. Процес термічного нанесення у вакуумі добре освоєний, дозволяє отримувати багато пасивні елементи, проводити металізацію напівпропідникових структур, що застосовується при виготовленні фотошаблонів та ін. З допомогою нього можна отримувати плівки металів, напівпровідників, діелектриків. Технологія забезпечує високі швидкості росту плівок, гарну ступінь чистоти, отримання якісних плівок при порівняно низьких температурах підкладок. Порівняно легка автоматизація процесу дозволяє створювати складні вакуумні установки і комплекси, керовані з допомогою автоматизованих систем управління.

Схема процесу термічного випаровування показана на Рис. 2.

Рис. 2. Схема процесу термічного випаровування

 

До недоліків методу відносяться:

- зміна процентного співвідношення компонентів при напиленні сплавів і складних речовин;

- недостатня рівномірність товщини плівок на великих підкладках;

- складність отримання плівок тугоплавких матеріалів;

- висока інерційність при використанні випарників (після виключення нагріву випарників пароутворення триває, тому пропроцес напилення плівки, як правило, припиняється з допомогою механічної заслонки);

- порівняно невисока адгезія плівок;

- трудність створення випарників з ресурсом роботи більше 100 годин.

Для реалізації резистивного випаровування використовують нагрівачі- випарники поверхневого типу з резистивним нагріванням у формі спіралей, стрічок, човників, а також випарники тигельного типу з непрямим нагрівом, мають як відкритий, так і квазізамкнутый обсяги. Найбільш часто для термічного нанесення у вакуумі застосовують випарники з вольфраму. Велике поширення отримали також молібденові і танталові випаровувачі. Нікель і хромель використовуються в виняткових випадках. Також широко застосовується спосіб, заснований на використанні короткої вакуумної дуги для розігрівання і випаровування матеріалу.

Метод вакуумного дугового випаровування володіє рядом переваг:

- високою продуктивністю процесу нанесення, забезпечує швидкість конденсації до 10 мкм/хв на нерухому основу площею 100 см2;

- малими витратами енергії на одиницю маси випаруваного речовини;

- низьким робоча напруга — 20-40, що робить його відносно безпечним для персоналу;

- простотою конструкції і легкістю управління дуговими джерелами;

- точне відтворення в покритті складу випаровуючого металу або сплаву.

Дугового випарник торцевого типу являє собою ассеметричну конструкцію. Ерозія матеріалу здійснюється з торця катода, поміщеного у вакуум. З протилежного боку катод охолоджується водою. Співвісно з катодом розташований водоохолоджуваний анод, а також електростати енергетичний екран. Екран перешкоджає переміщенню катодної плями з торцевої поверхні на бічну поверхню катода. Порушення дугового розряду здійснюється за допомогою електричного вводу, переміщуваного магнітом і що включається в ланцюг анода в момент його контакту з катодом. Схема випаровування із розігрівом електричною дугою показана на Рис. 3.

Рис. 3. Схема процесу випаровування з допомогою дугового розряду

 

Магнетронне розпилення забезпечує високу однорідність тол-жінки одержуваних шарів і стабільну якість одержуваних покриттів. Магнетронні системи є системами розпилення діодного типу. У таких пристрої розпилювання матеріалу викликається бомбардуванням поверхні мішені іонами робочого газу (як правило аргону), що утворюються в плазмі тліючого розряду. Для цих систем характерна висока швидкість розпилення, якій можна досягти за рахунок збільшення щільності іонного струму завдяки іонізації плазми безпосередньо у розпилюється поверхні мішені з допомогою сильного магнітного поля, поперечного електричного. Локалізація іонів поблизу мішені запобігає бомбардування ними підкладок, в результаті чого знижується температура і зменшуються радіаційні дефекти в створюваних тонкоплівкових структурах. Основними елементами пристрою є мішень (катод), анод і магнітна система. Силові лінії магнітного поля виявляються замкненими між полюсами магнітної системи магнетрона. Основним місцем рас- запилення поверхні мішені є область, розташована між мостами входу і виходу силових ліній магнітного поля. Ця зона має вигляд замкнутої доріжки. Геометрія зони розпилення повністю визначається формою і розташуванням полюсів магнітної системи. При падінні постійної напруги між мішенню і анодом виникає неоднорідний електричне поле і порушується тліючий розряд. Замкнуте магнітне поле у поверхні мішені дозволяє зосередити плазму розряду безпосередньо-державно у розпорошується матеріалу. Електрони, що покинули катод під взаємодією іонного бомбардування, потрапляють в магнітне поле, їм надають складну циклоїдальну замкнену траєкторію біля поверхні мішені. Вони потрапляють у пастку, створювану з одного боку магнітним полем, яка прагне повернути електрони на катод, а з іншого боку - поверхнею мішені, яка їх відштовхує. Електрони циркулюють в цій пастці до тих пір, поки не відбудеться кілька іонізуючих зіткнень з атомами робочого газу, в результаті яких електрон втрачає отриману від електричного поля енергію. Таким чином, велика частина енергії електрона, перш ніж він потрапить на анод, що використовується на іонізацію і збудження, що значно збільшує ефективність про- процесу іонізації і призводить до зростання концентрації позитивних іонів біля поверхні мішені. Отже, збільшується інтенсивність іонного бомбардування мішені і зростання швидкості розпилення і, звичайно, швидкості осадження плівки.

Пристрій магнетронної розпилювальної системи показано на Рис. 4.

Рис. 4. Схема магнетронной розпилювальної системи з плоскою мішенню

1 – мішень (катод); 2 – магнітна система; 3 – джерело живлення; 4 – анод; 5 – траєкторія руху електрона; 6 – зона розпилення мішені; 7 – силові лінії магнітного поля

 

Основними перевагами методу магнетронного розпилення являються:

1. Плівки, отримані цим способом, характеризуються високою рівномірністю, відносно низькою пористістю і високим рівнем адгезії до підкладки;

2. Можливість нанесення плівок складного складу;

3. Можливість наносити плівки на великі площі;

4. Відносно дешевий метод нанесення;

5. Низькі температури підкладки;

6. Висока однорідність плівки;

7. Хороша керованість.

Магнетронний метод порівняно з іншими методами отримання покриттів вимагає більш потужної системи відкачування, так як в результаті збудження та іонізації залишкових газів збільшується їх хімічна активність. Також магнетронний метод вимагає більш складної технічної реалізації методу і більш високу вартість обладнання. Магнетрони, що працюють на постійному струмі, мають високі швидкосі осадження, але вони можуть працювати тільки з мішенями, виготовленими з провідного матеріалу. У цьому разі покриття з'єднання металу (оксид або нітрид), яке є ізолятором, формується в атмосфері реактивного газу. Так як, реакція протікає не тільки на підкладці, але також на мішені і на всіх інших поверхнях близько магнетро. За результатами можна побачити, що тонкоплівкова технологія забезпепечує відсутність деяких видів поєднання товстоплівкової технології в цілому, а по іншим показником не перевищує їх.  Перехід до тонкоплівкових технологій дозволить знизити відсоток браку і підвищити якість з’єднань.

Висновок.

1. Підвищення адгезійної міцності з'єднань метал-кераміка є однією з найважливіших задач при виробництві силових електронних модулів і електровакуумних приладів.

2. Для металізації кераміки широко використовуються атмосферні методи, такі як: DBC (Direct Bonded Copper) або безпосередня прикатка мідної фольги до підкладки;  DPC (Direct Plated Copper) - безпосереднього покриття міддю;  холодну газодинамічне напилення металів (Cold gaz dynamic spraying of powder materials);  метод впалювання пасти.

Зазначені методи мають ряд недоліків, основними з яких є:

- Різниця коефіцієнтів температурного розширення підкладки та плівки, що призводить до руйнування покриття при різкій зміні температури;

- Складність отримання перехідних шарів на стінках отворів в підкладках;

- Низька адгезія міді до підкладки, що вимагає введення додадкового адгезійного шару, підвищує тепловий опір готового модуля;

- Забруднення плівки сторонніми домішками;

- Висока собівартість готових виробів.

3. Застосування методів вакуумної металізації, таких як: термічного випаровування;  дугового випаровування;  магнетронного розпилення;  пароструминних осадження дозволяє позбутися від зазначених недоліків і підвищити якість металізації.


СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ:

 

  • Баданова, Н.В. & Колесник, Л. Л. (2014). Способ металлизации керамических подложек. Труды Всероссийской научно-технической конференции «Студенческая весна 2014: Машиностроительные технологии». Москва: МГТУ им. Н.Э Баумана. Изъято из: http://studvesna.ru/db_files/articles/1340/article.pdf. 

  • Блинов, И.Г. & Кожитов, Л.В. (1986). Оборудование полупроводникового производства. Москва: Машиностроение.

  • Демихов, К.Е. & Панфилов, Ю.В. (ред.). (2009). Вакуумная техника: Справочник (3-е изд., перераб. и доп.). Москва: Машииостроение.

  • Василенко, Н.В. и др. (1996). Вакуумное оборудование тонкопленочной технологии производства изделий электронной техники: учебник для студентов специальности «Электронное машиностроение» (Т. 1). Красноярск: Сиб. аэрокосм. акад.

  • Василенко, Н.В. и др. (1996). Вакуумное оборудование тонкопленочной технологии производства изделий электронной техники: учебник для студентов специальности «Электронное машиностроение» (Т. 2). Красноярск: Сиб. аэрокосм. акад.


METHODS OF METALIZATION OF CERAMICS USED IN PRODUCTION OF POWER ELECTRONIC MODULES AND ELECTRIC VACUUM DEVICES

KASIANENKO Vadym,
Student of the Faculty of Electronics
The National Technical University «Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute»
UKRAINE

SCIENTIFIC ADVISOR:

KUZMYCHIEV Anatolii,
D.Sc. (Engineering), Professor, Professor at the Department of Electronic Devices and Systems
The National Technical University «Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute»
UKRAINE

Abstarct.
Power electronic modules are used in engineering related to the need to transmit high-current signals.  Typical areas of application of such modules are aircraft navigation systems, elements of switching power circuits and other high-load connections.  The central unit of the module is a ceramic base, on which conductive tracks are formed and electronic components are mounted.  The finished substrate is often called a switchboard. The substrate performs two main functions: Is the dielectric basis of the printed circuit formed on one or two sides. Provides heat dissipation emitted by semiconductor crystals and circuit elements. Used for substrates non-hygroscopic ceramics, heat-resistant, is an insulating material with high mechanical and dielectric properties.  It is relatively easy to manufacture and low cost.  In the manufacture of power modules using ceramic substrates of aluminum oxide or nitride with a multilayer metallized coating with a thickness of several microns to several tens of microns (depending on the application), which provides the required degree of adhesion of the coating to ceramics and applied on one or both sides. The main requirements for the finished product are the minimum dimensions and low cost of materials and production process.  In addition, the decisive factors are high technical characteristics, resistance to environmental influences and reliability.  The design of the finished module must provide minimum values of transient thermal resistances, distributed inductances of power busbars, high insulation voltage. Adhesion strength depends on many factors: coating technology, film material, substrate material;  and may decrease during operation of the finished product.  During the operation of power modules, they are subjected to thermal and mechanical loads, including vibration.  This leads to the destruction of components from overheating and damage to the mechanical damage of the modules.  Often the failure occurs in the structure of the substrate-coating conductor.  The main reason for this destruction is the low adhesive strength of the metal film to the ceramic base.


Keywords: adhesion; ceramics; copper; thermal conductivity; film.

© Касяненко В.В., 2020

© Kasianenko V., 2020

 

This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

PUBLISHED : 19.11.2020