الوضع الراهن واتجاهات أبحاث التمعدن على أسطح الركائز الخزفية

بعدالسيراميكبعد تلبيد الركيزة وتشكيلها، يلزم طلاء سطحها بالمعدن، ثم يُصنع النمط السطحي من خلال نقل الصورة لتحقيق أداء التوصيل الكهربائي للركيزة الخزفية. يُعد طلاء السطح بالمعدن خطوة حاسمة في تصنيع الركائز الخزفية، إذ أن قدرة المعادن على التبلل على أسطح الخزف عند درجات الحرارة العالية تحدد قوة الترابط بين المعادن والخزف. وتُعد قوة الترابط الجيدة ضمانًا هامًا لاستقرار أداء تغليف مصابيح LED. حاليًا، يمكن تصنيف طرق طلاء الأسطح الخزفية الشائعة تقريبًا إلى عدة أنواع، تشمل طرق الحرق المشترك (HTCC وLTCC)، وطريقة الأغشية السميكة (TFC)، وطريقة الترسيب المباشر للنحاس (DBC)، وطريقة الترسيب المباشر للألمنيوم (DBA)، وطريقة الأغشية الرقيقة (DPC).

طريقة الحرق المشترك (HTCC/LTCC)

توجد طريقتان للتلبيد المشترك: التلبيد المشترك بدرجة حرارة عالية (HTCC)، والتلبيد المشترك بدرجة حرارة منخفضة (LTCC). تتشابه خطوات العمل في كلتا الطريقتين بشكل أساسي. تشمل خطوات الإنتاج الرئيسية تحضير المعجون، والصب، وتشكيل الشرائح، وتجفيف الأجسام الخضراء، وحفر الثقوب، والطباعة بالشاشة الحريرية، وملء الثقوب، وطباعة الدوائر، والترسيب، والتلبيد، والتقطيع النهائي، وغيرها من عمليات المعالجة اللاحقة. يُخلط مسحوق الألومينا مع مواد رابطة عضوية لتكوين معجون، ثم يُعالج المعجون إلى صفائح باستخدام مكشطة. بعد التجفيف، يتشكل جسم خزفي أخضر [10]. بعد ذلك، ووفقًا لمتطلبات التصميم، تُحفر ثقوب في الجسم الأخضر وتُملأ بمسحوق معدني. يُغطى سطح الجسم الأخضر بنمط خطي باستخدام تقنية الطباعة بالشاشة الحريرية. أخيرًا، تُكدس الأجسام الخضراء لكل طبقة وتُضغط معًا، ثم تُلبد وتُشكل في فرن التلبيد المشترك. على الرغم من تشابه عمليات طريقتي التلبيد المشترك تقريبًا، إلا أن درجات حرارة التلبيد تختلف اختلافًا كبيرًا. تتراوح درجة حرارة التلبيد المشترك لتقنية HTCC بين 1300 و1600 درجة مئوية، بينما تتراوح درجة حرارة التلبيد لتقنية LTCC بين 850 و900 درجة مئوية. ويعود السبب الرئيسي لهذا الاختلاف إلى احتواء معجون تلبيد LTCC على مواد زجاجية تُخفض درجة حرارة التلبيد، وهي غير موجودة في معجون تلبيد HTCC. ورغم أن المواد الزجاجية تُخفض درجة حرارة التلبيد، إلا أنها تُؤدي إلى انخفاض ملحوظ في الموصلية الحرارية للمادة الأساسية.

السيراميك ذو الطبقة السميكة (TFC)

تشير طريقة الأغشية السميكة إلى عملية تصنيع يتم فيها طلاء معجون موصل مباشرةً على الركيزة الخزفية باستخدام الطباعة الحريرية، ثم يتم تثبيت الطبقة المعدنية بإحكام على الركيزة الخزفية من خلال التلبيد بدرجة حرارة عالية. يُعد اختيار معجون الموصل ذي الأغشية السميكة عاملاً أساسياً في تحديد عملية تصنيع الأغشية السميكة. يتكون هذا المعجون من طور وظيفي (أي مسحوق معدني بحجم جسيمات أقل من 2 ميكرومتر)، وطور رابط، وحامل عضوي. تشمل مساحيق المعادن الشائعة الذهب، والبلاتين، ومزيج الذهب/البلاتين، ومزيج الذهب/البلاديوم، والفضة، ومزيج الفضة/البلاتين، ومزيج الفضة/البلاديوم، والنحاس، والنيكل، والألومنيوم، والتنغستن، ومن بينها تُعد معاجين الفضة، والفضة/البلاديوم، والنحاس الأكثر شيوعاً. عادةً ما يكون الرابط مادة زجاجية، أو أكسيد معدني، أو مزيجاً منهما. وتتمثل وظيفته في ربط السيراميك بالمعدن وتحديد مدى التصاق معجون الأغشية السميكة بالسيراميك الأساسي. وهو عنصر أساسي في إنتاج معجون الأغشية السميكة. تتمثل الوظيفة الرئيسية للمادة الحاملة العضوية في تشتيت الطور الوظيفي وطور المادة الرابطة، مع الحفاظ على لزوجة معينة لمعجون الفيلم السميك لتحضيره للطباعة الحريرية اللاحقة. وستتطاير هذه المادة تدريجياً أثناء عملية التلبيد.

النحاس المربوط مباشرة (DBC)

تُعدّ تقنية DBC طريقةً لطلاء رقائق النحاس على أسطح السيراميك (وخاصةً Al2O3 وAlN). وهي عملية حديثة طُوّرت مع ظهور تقنية تغليف الرقائق على اللوحة (COB). يقوم مبدأها الأساسي على إدخال عناصر الأكسجين بين النحاس والسيراميك، ثم تكوين طور سائل يوتكتيكي من النحاس والأكسجين عند درجة حرارة تتراوح بين 1065 و1083 درجة مئوية. يتفاعل هذا الطور مع مصفوفة السيراميك ورقائق النحاس لتكوين CuAlO2 أو Cu(AlO2)2، وبفعل هذا الطور الوسيط، تلتصق رقائق النحاس بالمصفوفة. ولأن AlN من السيراميك غير الأكسيدي، فإن مفتاح طلاء النحاس على سطحه يكمن في تكوين طبقة انتقالية من Al2O3، وتحقيق ربط فعّال بين رقائق النحاس والسيراميك الأساسي بفعل هذه الطبقة الانتقالية.

الربط المباشر بالألومنيوم (DAB)

تستغل طريقة الطلاء المباشر بالألومنيوم قابلية ترطيب الألومنيوم الجيدة للسيراميك في حالته السائلة لتحقيق الترابط بينهما. فعندما ترتفع درجة الحرارة فوق 660 درجة مئوية، يتحول الألومنيوم الصلب إلى سائل. وبعد أن يبلل الألومنيوم السائل سطح السيراميك، ومع انخفاض درجة الحرارة، تتبلور النوى البلورية التي يوفرها الألومنيوم على سطح السيراميك وتنمو. وعند التبريد إلى درجة حرارة الغرفة، يتحقق الترابط بينهما. ونظرًا لارتفاع تفاعلية الألومنيوم، فإنه عرضة للأكسدة عند درجات الحرارة العالية، مما يؤدي إلى تكوين طبقة من أكسيد الألومنيوم (Al₂O₃) على سطح الألومنيوم السائل، الأمر الذي يقلل بشكل كبير من قابلية ترطيب الألومنيوم السائل لسطح السيراميك ويجعل عملية الترابط صعبة. لذلك، يجب إزالة هذه الطبقة قبل الترابط، أو يجب إجراء عملية الترابط في ظروف خالية من الأكسجين. وقد اعتمد بنغ رونغ وآخرون [23، 27] طريقة صب القوالب الجرافيتية لنشر الألومنيوم المنصهر النقي على أسطح ركائز أكسيد الألومنيوم (Al₂O₃) وركائز نتريد الألومنيوم (AlN) تحت الضغط. بسبب عدم سيولة طبقة أكسيد الألومنيوم (Al2O3)، بقيت داخل تجويف القالب. وبعد التبريد، تم الحصول على ركيزة DAB متماسكة جيدًا.

النحاس المطلي مباشرة (DPC)

تُعدّ طريقة الأغشية الرقيقة عمليةً تعتمد بشكل أساسي على الترسيب الفيزيائي للبخار (مثل التبخير الفراغي، والترسيب بالرش المغناطيسي، وما إلى ذلك) وتقنيات أخرى لتشكيل طبقة معدنية على سطح السيراميك، ثم تستخدم عمليات التغطية والحفر وغيرها لتشكيل طبقة الدائرة المعدنية. ومن بين هذه العمليات، يُعدّ الترسيب الفيزيائي للبخار أكثر عمليات تصنيع الأغشية الرقيقة شيوعًا.