1 Inngangur
Keramikefni eru flokkur ólífrænna ó-málmískra efna sem myndast úr náttúrulegum eða tilbúnum efnasamböndum með mótun og há-hitun. Þau búa yfir kostum eins og háum bræðslumarki, mikilli hörku og mikilli slitþol og hægt er að nota þau sem byggingarefni og hagnýt efni, sem býður upp á víðtæka notkunarmöguleika [1]. Hertun keramikefna er fyrst og fremst ferli þar sem eitt eða fleiri fast hráefnisduft fara í efnisflutning við háan-hita, sem veldur því að duftið safnast saman og þéttist. Þetta ferli tekur venjulega nokkrar klukkustundir eða jafnvel tugir klukkustunda. Litrunar lýsir sér sem aukinn þéttleiki og styrkur; Í meginatriðum er það orkuminnkun frá yfirborðsorku agna yfir í tengiorku, knúin áfram af atómdreifingu undir efnafræðilegum möguleikum á mismunandi stöðum, og smásæjalega birtist það sem brotthvarf svitahola á milli korna [2].
2 málmvinnsluferli
2.1 Beinhúðuð koparmálmvæðing
Í málmvinnsluferlinu fyrir beinhúðað kopar (DPC), eftir að undirlagið er leysir-borað og vandlega hreinsað, er frælag sett á hreint, þurrkað keramik undirlagið. Þurr filma er síðan sett á, fylgt eftir með þróun og lýsingu, og í kjölfarið er rafhúðun gerð til að mynda málmrásina sem óskað er eftir. Eftir það er umframþurrfilman og frælagið fjarlægð og ó-virkur málmur er húðaður á koparyfirborðinu til að vernda koparlagið fyrir síðari lóðunarferli.
Þrátt fyrir að DPC keramik hvarfefni bjóði upp á kosti eins og mikla hitaleiðni, mikla hringrásarnákvæmni og minnkað pökkunarrúmmál í gegnum -gata samtengingar, er þykkt koparlagsins almennt takmörkuð við ekki meira en 150 μm vegna takmarkana rafhúðunarinnar. Eins og er, er DPC tækni fyrst og fremst notuð í pökkun á-aflmiklum ljósdíóðum. Í há-hita-kynslóðarforritum eins og háum-birtuljósum og djúpum-útfjólubláum ljósdíóðum, þarf ekki aðeins há-varma-leiðni undirlag á bakhliðinni fyrir hitaleiðni, heldur verður framhlið-einnig að taka tillit til stöðugleika umbúðaefnisins og stöðugleika. Hefðbundin plastefni umbúðir eru viðkvæm fyrir öldrun og bilun undir útfjólubláu ljósi og háum hita. Þess vegna hafa núverandi rannsóknir einnig tilhneigingu til að nota ólífræn eða málmefni eins og kaólín, nikkel og kopar til að mynda stíflumannvirki á DPC undirlagi, ásamt gagnsæjum kvarshúðun, til að bæta áreiðanleika tækisins [3].
Eins og er hefur beinhúðað koparmálmvinnsluferli verið víða beitt, en það stendur enn frammi fyrir vandamálum eins og lítilli afköstum, lélegri með-fyllingu og lélegri fjölhæfni baðsins. Meðal þeirra getur léleg gegnum-fylling haft áhrif á afköst tækisins, stöðugleika og áreiðanleika. Ástæðan er sú að á meðan á rafhúðun stendur hefur kopar tilhneigingu til að setjast auðveldara á gegnum yfirborðið, sem veldur því að gatið lokar áður en það er fyllt að fullu, og myndar að lokum tóm inni í gegnum. Gæði rafhúðuðs með fyllingu eru undir áhrifum af málunarstraumnum og samsetningu aukefna; fínstilling á samsetningu málunarlausnarinnar og aukaferilsbreytur getur batnað með -fyllingargæðum.
Að auki geta DPC keramik hvarfefni lent í vandræðum við rafhúðun, þar með talið óhóflega langan málunartíma, ó-jöfn húðþykkt og stórsæja afgangsspennu innan húðarinnar. Meðal þeirra getur óhófleg leifarálag valdið sprungum eða skekkju og uppsöfnun leifarstreitu innan koparlagsins getur haft áhrif á varmastöðugleika keramikundirlagsins [4].
2.2 Bein bundin koparaðferð
The direct bonded copper (DBC) tækni var fyrst frumkvöðull af Burgess o.fl. árið 1973 [5]. Grundvallarregla þess er að oxíðlagið á koparþynnuyfirborðinu myndar Cu–O eutectic bræðslu við háan hita. Þessi bræðsla hefur framúrskarandi bleytingareiginleika og getur, við 1065 gráðu hitastig, tengt keramik undirlagið á áhrifaríkan hátt við óhvarfað koparþynna, sem tryggir sterka tengingu eftir kælingu og storknun.
Nálægt 1065 gráður myndast Cu–O eutectic fasinn. Þar sem bræðslumark hreins kopars er 1083 gráður, verður eutectic tengingin að fara fram á hitastigi á bilinu 1065 gráður til 1083 gráður, með raunverulegum aðgerðum að mestu einbeitt á milli 1070 gráður og 1075 gráður. Við kælingu fellur yfirmettað súrefni í Cu–O eutectic út sem Cu₂O; í Al₂O₃ eða AlN keramik, geta viðbótar hvarfefni eins og CuAlO₂ og CuAl₂O4 einnig birst [5]. Myndun eutectic vökvans og súrefnisinnihald hans skipta sköpum fyrir virkni bindingar. Í ljósi þess að dreifingarhraði súrefnis í koparbræðslunni er afar lágt (10⁻⁵ cm²/s), er erfitt að koma nægilegt súrefni inn á meðan á tengingarferlinu stendur; því er foroxun koparþynnunnar yfirleitt framkvæmd til að mynda Cu₂O á yfirborði koparþynnunnar til að stuðla að myndun vökva í eutectic. Súrefnisinnihald kopars hefur einnig veruleg áhrif á styrk tengingarviðmótsins, þannig að nákvæm stjórn á þessari breytu er kjarnaþáttur í því að tryggja tengingarafköst [6].
Beint tengt koparferlið krefst sérstakrar undirlags til notkunar. Hrein koparbráða hefur lélega vætanleika á Al₂O₃, AlN og Si₃N4, með snertihorn yfir 130 gráður. Með því að auka súrefnishlutþrýstinginn meðan á tengingu stendur og súrefnisinnihald koparbræðslunnar er hægt að minnka snertihornið á Al₂O₃ yfirborði til muna [7]. Þrátt fyrir að einnig sé hægt að bæta vætanleika AlN með því að auka súrefnishlutþrýstinginn við tengingu, tengingu í lofttæmi eða lengja tengingartímann, þá eru áhrifin mjög takmörkuð [8]. Þess vegna er AlN almennt foroxað til að mynda yfirborðslag af Al₂O₃ og síðan tengt með ofangreindum aðferðum. Hins vegar getur engin þessara aðferða auðveldlega bætt vætanleika koparbræðslu á Si₃N4, svo DBC er sjaldan borið á Si₃N₄.
2.3 Virk málmhleðsla málmvæðing
Í nýjum orkubílaiðnaði eru SiC einingar mjög metnar. Hins vegar, þegar tengihitastig SiC afltækja hækkar í 250 gráður, takmarkar lélegur hiti-hringrásaráreiðanleiki DBC keramik undirlags við háan-hitaskilyrði notkun þeirra. Til að takast á við þetta vandamál þróuðu vísindamenn AMB (Active Metal Brazed) keramik hvarfefni.
Fyrst er þunnt lag af lóðmálmi borið á hreint keramik undirlag. Koparþynna er síðan sett á lóðmálið og samsetningin er hituð í lofttæmi við 800 gráður til 950 gráður til að bræða lóðmálið. Við kælingu myndast sterkur liður. Næst er blautæting notuð til að búa til málmmynstur til að uppfylla rafsamtengingarkröfur há-afltækja.
Vegna þess að hefðbundnir málmar sýna almennt lélega vætanleika á keramik undirlag, eru virk málm lóðmálmur almennt notuð til að bæta vætanleika og auka styrk liðanna. Virkar lóðmálmur innihalda að minnsta kosti einn virkan málmþátt, þar sem Ti og lanthaníð frumefni eru nú aðal virku þættirnir. Algengustu virku lóðmálmarnir í AMB ferlum eru meðal annars Sn–Ag–Ti og Ag–Cu–Ti kerfi, þar sem Ti þjónar sem virki málmur til að bæta vætanleika milli lóðmálms og keramiksins, en Sn og Ag virka til að lækka bræðslumark og bæta varmaleiðni samskeytisins.
Hins vegar verður AMB ferlið að fara fram undir miklu lofttæmi eða verndandi andrúmslofti, sem takmarkar notkun þess. Til að sigrast á þessari takmörkun hafa vísindamenn þróað Reactive Air Brazing (RAB) tækni sem hægt er að framkvæma í lofti. Lóðafyllingarmálmarnir sem notaðir eru í RAB eru aðallega samsettir úr eðalmálmum (eins og Ag, Ag–Pd málmblöndur) og málmoxíðum (eins og CuO, V₂O₅ [9], Nb₂O₅, SiO₂ og Al₂TiO₅), sem gefur samskeytiinu góða oxunarþol. Meðan á RAB stendur, geta málmoxíð fest sig við og hvarfast við yfirborð keramik undirlagsins, aukið vætanleika keramik undirlagsins með samverkandi virkni bráðna fylliefnisins og viðmótsins. Á sama tíma hjálpar góð sveigjanleiki eðalmálma við að létta innri hitaspennu í samskeyti og viðbót málmoxíða hjálpar til við að draga úr afgangsálagi sem stafar af misræmi í CTE milli samskeytisins og keramikgrunnsins.
Virk málmlögun málmvinnslu býður upp á kosti eins og einfaldan búnað og aðferð, mikinn áreiðanleika og engar takmarkanir á gerðum keramikundirlags, sem gerir það að vænlegasta málmvinnsluferlinu fyrir há-afl tæki. Hins vegar, í ljósi hraðrar þróunar rafeindatækjaiðnaðarins með miklum-krafti, eru settar hærri staðlar á vélrænni eiginleika og langtíma-rekstraráreiðanleika AMB ferla, sem krefst stöðugrar hagræðingar og endurbóta. Á sama tíma standa AMB keramik hvarfefni frammi fyrir sama tæknilega flöskuhálsi af ófullnægjandi hringrásarnákvæmni og DBC hvarfefni. Ef hægt er að þróa nýja tækni til að ná nákvæmni hringrásar sem er sambærileg við DPC-ferlið, er búist við að AMB keramik hvarfefni komi í stað annarra svipaðra undirlags í framtíðinni og sýni mikla notkunarmöguleika [4].
2.4 Laser-Málmvæðing
Í leysir-málmvinnsluferlinu er leysigeisli notaður til að geisla á valilaust keramik undirlag sem inniheldur ál-. Geislaða keramikefnið er minnkað í virkjuð málmfrumeindir. Undirlagið er síðan sökkt í raflausa málunarlausn sem inniheldur Cu²⁺, þar sem virkjaðu atómin stuðla að minnkun Cu²⁺ og útfellingu þess á geisluðu svæðin og mynda málmrásarmynstur [10].
Raflaus húðun er sjálfhverfa afoxunarferli sem krefst ekki utanaðkomandi straums; málmjónir eru minnkaðar í fastan málm með efnafræðilegum afoxunarefnum í lausninni [11], og orkan sem knýr þessa lækkun kemur frá efnaafoxunarefnum í lausninni. Venjulega er ekki auðvelt að minnka málmjónir í húðunarbaðinu sjálfkrafa og oft er þörf á hvata sem milliefni til að lækka virkjunarorkuna fyrir málmkjarna. Þegar hvataagnir hafa náð góðum árangri á yfirborði undirlagsins er hægt að hrinda af stað stór-málmútfellingu.
Laser-málmvinnsla er almennt framkvæmd á undirlagi sem inniheldur ál- vegna þess að leysigeislun getur myndað virkjuð Al frumeindir. Hins vegar er hvataárangur Al atóma ekki ákjósanlegur, og aðrir hvatar eru nauðsynlegir til að bæta skilvirkni útfellingar.
Hönnun leysir-málmunarferla er mjög næm fyrir leysibreytum, eiginleikum keramikhvarflags og rafhúðununarferlisbreytum. Þrátt fyrir að þessi tækni sameini kostnaðarkosti kopar rafhúðunarinnar og mikillar hringrásarnákvæmni LAM (leysis-aðstoðaðrar málmvinnslu) ferla, eru háir kostnaður við leysibúnað og umhverfismengun af völdum raflausrar málningar enn mikilvægir þættir sem takmarka frekari útbreiðslu þess.
2.5 Þykk-Málmvæðing kvikmynda
Þykk-filmumálmvinnsla felur í sér skjá-prentun á málmlögum fyrir þéttingu, leiðara (hringrás), viðnám o.s.frv., á keramik undirlag, fylgt eftir með sintrun til að mynda lóðmálmlög, rafrásir og blýfestingarpunkta. Þykkt-filmapasta eru almennt samsett úr málmdufti með kornastærð í kringum 1,5 μm, nokkrum prósentum af varanlegu bindiefni og lífrænu burðarefni (þar á meðal lífrænum leysum, þykkingarefnum, yfirborðsvirkum efnum o.s.frv.), framleitt með kúlumölun og blöndun. Þrep málmvinnslu þykkrar-filmu fela almennt í sér: mynsturhönnun og listaverk, undirbúning líma, skjáprentun, þurrkun og sintrun [12].
Þykk-filmumálmgerð notar meginregluna um skjáprentun. Í fyrsta lagi eru nauðsynleg málmlög fyrir pökkun eða rafeindahluti eins og viðnám fest við álnítríð keramik undirlagið. Næst eru málmlögin og rafeindaíhlutirnir tengdir við yfirborð keramik undirlagsins með háum-hitun, þannig að tryggar tengingar verða á milli allra hluta. Þetta ferli hefur víðtæka notkun í rafeindatækjaumbúðum og rafrásum. Leiðandi límið er lykilþátturinn sem hefur áhrif á gæði þykkrar-málmvinnslu; Samsetning þess samanstendur aðallega af málmdufti (1–5 μm), gleri, bindiefnum og lífrænu burðarefni sem blandað er með kúlumölun [13].
Þykkt-filmumálmunaraðferðin á við um margs konar keramikgerðir og hefur einfalt ferli [14]. Hins vegar, takmarkað af skjástærðum og leiðandi deigi, er erfitt að búa til víra með línubreidd undir 60 μm. Rafmagnseiginleikar og viðloðunarstyrkur málmlagsins eru tiltölulega lélegir, sem gerir það aðeins hentugur fyrir rafeindatæki með minni kraft- og stærðarkröfur. Leiðandi líma sem henta sérstaklega fyrir álnítríð þykka-filmu málmvinnslu eru enn tiltölulega af skornum skammti og límasamsetningar sem eru fáanlegar í verslun eiga ekki beint við; annars geta blöðrur myndast við viðmótið [15].
2.6 Þunn-Málmvæðing kvikmynda
Þunn-filmu málmmyndun er ferli þar sem málmefni eru gufuð upp og sett á keramikflöt með eðlisfræðilegum gufuútfellingaraðferðum eins og lofttæmi uppgufun eða sputtering til að mynda þunna málmfilmu, fylgt eftir með grímu, ætingu og öðrum skrefum til að búa til málmhúðuð hringrásarmynstur.
Fræðilega séð getur þetta ferli myndað míkron-skala samræmdar málmfilmur á ýmsum undirlagsefnum með uppgufun eða sputtering. Hins vegar, vegna verulegs munar á varmaþenslustuðlum milli keramik og málm kopar, leiðir bein koparútfelling á álnítríð keramik mikið álag á milli málm- og keramiklaganna, sem hefur áhrif á viðloðun styrk lagsins við keramikið og varma hringrásarstöðugleika undirlagsins. Þess vegna, á undanförnum árum, hafa fjöllaga útfellingaraðferðir orðið vinsælar. Fyrsta lagið er venjulega Ti-lag og annað lagið er valið úr málmum eins og Cu, Ag eða Au. Þegar losunarlos og víxlverkanir í einu lagi eru fluttar yfir í annað lag vegna mikilla innra álags, losnar einnig innra álagi innan málmlagsins.
Þunn-filmumálmgerð býður upp á hágæða, sterka viðloðun, einsleita húðun og fína mynsturupplausn. Hins vegar getur það aðeins framleitt mjög þunn málmlög og undirbúningsferlið er tiltölulega flókið, sem felur í sér mörg skref, þar á meðal yfirborðsmeðferð, málmútfellingu og eftir-meðhöndlun, sem krefst strangrar eftirlits með ferlibreytum. Þetta hefur í för með sér háan framleiðslukostnað, sem heftir þróun þess verulega.