وضعیت و روند فعلی تحقیقات متالیزاسیون روی سطوح زیرلایه سرامیکی

بعد ازسرامیکوقتی زیرلایه تف‌جوشی و شکل‌دهی می‌شود، سطح آن باید فلزی‌سازی شود و سپس الگوی سطحی از طریق انتقال تصویر ایجاد می‌شود تا عملکرد اتصال الکتریکی زیرلایه سرامیکی حاصل شود. فلزی‌سازی سطح یک گام حیاتی در ساخت زیرلایه‌های سرامیکی است. دلیل این امر این است که توانایی خیس شدن فلزات به سطوح سرامیکی در دماهای بالا، نیروی پیوند بین فلزات و سرامیک‌ها را تعیین می‌کند. نیروی پیوند خوب تضمین مهمی برای پایداری عملکرد بسته‌بندی LED است. در حال حاضر، روش‌های رایج فلزی‌سازی روی سطوح سرامیکی را می‌توان تقریباً به چندین شکل طبقه‌بندی کرد، از جمله روش‌های هم‌سوزی (HTCC و LTCC)، روش لایه ضخیم (TFC)، روش رسوب مستقیم مس (DBC)، روش رسوب مستقیم آلومینیوم (DBA) و روش لایه نازک (DPC).

روش احتراق همزمان (HTCC/LTCC)

دو نوع روش پخت همزمان وجود دارد: یکی پخت همزمان در دمای بالا (HTCC) و دیگری پخت همزمان در دمای پایین (LTCC). جریان‌های فرآیند هر دو اساساً یکسان است. جریان‌های اصلی فرآیند تولید شامل آماده‌سازی دوغاب، ریخته‌گری و تولید نوارها، خشک کردن بدنه‌های خام، سوراخ‌کاری از طریق سوراخ‌ها، چاپ سیلک و پر کردن سوراخ‌ها، مدارهای چاپ سیلک، لایه‌بندی و پخت، و برش نهایی و سایر فرآیندهای پس از عملیات است. پودر آلومینا با چسب‌های آلی مخلوط می‌شود تا دوغاب تشکیل شود و سپس دوغاب با یک تراشنده به ورق تبدیل می‌شود. پس از خشک شدن، یک بدنه خام سرامیکی تشکیل می‌شود [10]. سپس، طبق الزامات طراحی، سوراخ‌های متقاطع روی بدنه خام پردازش شده و با پودر فلز پر می‌شوند. سطح بدنه خام با استفاده از فناوری چاپ سیلک با یک الگوی خطی پوشش داده می‌شود. در نهایت، بدنه‌های خام هر لایه روی هم انباشته و فشرده می‌شوند و سپس در کوره پخت همزمان پخت و شکل می‌گیرند. اگرچه فرآیندهای دو روش پخت همزمان تقریباً یکسان است، اما دمای پخت آنها بسیار متفاوت است. دمای پخت همزمان برای HTCC 1300 تا 1600 درجه سانتیگراد است، در حالی که دمای پخت برای LTCC 850 تا 900 درجه سانتیگراد است. دلیل اصلی این تفاوت در این واقعیت نهفته است که دوغاب پخت همزمان LTCC حاوی مواد شیشه‌ای است که می‌توانند دمای پخت را کاهش دهند، که در دوغاب پخت همزمان HTCC وجود ندارد. اگرچه مواد شیشه‌ای می‌توانند دمای پخت را کاهش دهند، اما منجر به کاهش قابل توجه رسانایی حرارتی زیرلایه می‌شوند.

سرامیک لایه ضخیم (TFC)

روش لایه ضخیم به فرآیند تولیدی اشاره دارد که در آن خمیر رسانا مستقیماً با چاپ صفحه‌ای روی زیرلایه سرامیکی پوشانده می‌شود و سپس لایه فلزی از طریق پخت در دمای بالا محکم به زیرلایه سرامیکی می‌چسبد. انتخاب دوغاب رسانای لایه ضخیم عامل کلیدی در تعیین فرآیند لایه ضخیم است. این دوغاب از یک فاز عملکردی (یعنی پودر فلز با اندازه ذرات کمتر از 2 میکرومتر)، یک فاز چسباننده (باند) و یک حامل آلی تشکیل شده است. پودرهای فلزی رایج شامل Au، Pt، Au/Pt، Au/Pd، Ag، Ag/Pt، Ag/Pd، Cu، Ni، Al و W هستند که در میان آنها دوغاب‌های Ag، Ag/Pd و Cu رایج‌ترین هستند. چسباننده عموماً از جنس شیشه، اکسید فلز یا مخلوطی از هر دو است. وظیفه آن اتصال سرامیک و فلز و تعیین چسبندگی دوغاب لایه ضخیم به سرامیک پایه است. این کلید تولید دوغاب لایه ضخیم است. وظیفه اصلی حامل آلی، پراکنده کردن فاز عاملی و فاز چسباننده است، در حالی که ویسکوزیته خاصی از دوغاب فیلم ضخیم را برای آماده شدن برای چاپ سیلک اسکرین بعدی حفظ می‌کند. این ماده به تدریج در طول فرآیند پخت تبخیر می‌شود.

مس پیوند مستقیم (DBC)

DBC یک روش متالیزاسیون برای اتصال فویل مس روی سطوح سرامیکی (عمدتاً Al2O3 و AlN) است. این فرآیند جدیدی است که با ظهور فناوری بسته‌بندی چیپ روی برد (COB) توسعه یافته است. اصل اساسی، وارد کردن عناصر اکسیژن بین مس و سرامیک و سپس تشکیل یک فاز مایع یوتکتیک Cu/O در دمای 1065 تا 1083 درجه سانتیگراد است. سپس این فاز با ماتریس سرامیکی و فویل مسی واکنش می‌دهد تا CuAlO2 یا Cu(AlO2)2 تولید کند و تحت عمل فاز میانی، فویل مسی به ماتریس متصل می‌شود. از آنجایی که AlN متعلق به سرامیک‌های غیراکسیدی است، کلید پوشش مس روی سطح آن در تشکیل یک لایه انتقالی Al2O3 روی سطح آن و دستیابی به پیوند موثر بین فویل مسی و سرامیک پایه تحت عمل لایه انتقالی نهفته است.

آلومینیوم باند مستقیم (DAB)

روش پوشش مستقیم آلومینیوم از قابلیت ترشوندگی خوب آلومینیوم به سرامیک در حالت مایع برای اتصال این دو استفاده می‌کند. هنگامی که دما از 660 درجه سانتیگراد بالاتر می‌رود، آلومینیوم جامد مایع می‌شود. پس از اینکه آلومینیوم مایع سطح سرامیک را خیس کرد، با کاهش دما، هسته‌های کریستالی که توسط آلومینیوم روی سطح سرامیک ایجاد شده‌اند، متبلور شده و رشد می‌کنند. هنگامی که تا دمای اتاق سرد می‌شود، ترکیب این دو حاصل می‌شود. به دلیل واکنش‌پذیری بالای آلومینیوم، در دماهای بالا مستعد اکسیداسیون است و یک لایه Al2O3 روی سطح مایع آلومینیوم تشکیل می‌دهد که به طور قابل توجهی ترشوندگی مایع آلومینیوم روی سطح سرامیک را کاهش می‌دهد و اتصال را دشوار می‌کند. بنابراین، باید قبل از اتصال حذف شود یا اتصال باید در شرایط بدون اکسیژن انجام شود. پنگ رونگ و همکارانش [23،27] روش ریخته‌گری تحت فشار قالب گرافیتی را برای پخش آلومینیوم مذاب خالص روی سطوح زیرلایه Al2O3 و زیرلایه AlN تحت فشار اتخاذ کردند. به دلیل عدم سیالیت فیلم Al2O3، در حفره قالب باقی ماند. پس از خنک شدن، یک زیرلایه DAB با چسبندگی خوب به دست آمد.

مس با آبکاری مستقیم (DPC)

روش لایه نازک فرآیندی است که عمدتاً از رسوب فیزیکی بخار (مانند تبخیر در خلاء، پاشش مگنترون و غیره) و سایر تکنیک‌ها برای تشکیل یک لایه فلزی روی سطح سرامیک‌ها استفاده می‌کند و سپس از ماسک کردن، اچینگ و سایر عملیات برای تشکیل یک لایه مدار فلزی استفاده می‌کند. در میان آنها، رسوب فیزیکی بخار رایج‌ترین فرآیند تولید لایه نازک است.