सिरेमिक सब्सट्रेट सतहों पर धातुकरण अनुसंधान की वर्तमान स्थिति और रुझान

इसके बादचीनी मिट्टीसब्सट्रेट को सिंटरिंग और फॉर्मिंग प्रक्रिया द्वारा तैयार किया जाता है, इसकी सतह को मेटलाइज़्ड किया जाता है, और फिर सिरेमिक सब्सट्रेट के विद्युत कनेक्शन प्रदर्शन को प्राप्त करने के लिए इमेज ट्रांसफर के माध्यम से सतह पैटर्न बनाया जाता है। सिरेमिक सब्सट्रेट के निर्माण में सतह मेटलाइज़ेशन एक महत्वपूर्ण चरण है। ऐसा इसलिए है क्योंकि उच्च तापमान पर सिरेमिक सतहों पर धातुओं की वेटिंग क्षमता धातुओं और सिरेमिक के बीच बॉन्डिंग बल निर्धारित करती है। अच्छा बॉन्डिंग बल एलईडी पैकेजिंग प्रदर्शन की स्थिरता के लिए एक महत्वपूर्ण गारंटी है। वर्तमान में, सिरेमिक सतहों पर सामान्य मेटलाइज़ेशन विधियों को मोटे तौर पर कई रूपों में वर्गीकृत किया जा सकता है, जिनमें को-बर्निंग विधियाँ (HTCC और LTCC), थिक फिल्म विधि (TFC), डायरेक्ट कॉपर डिपोजिशन विधि (DBC), डायरेक्ट एल्युमीनियम डिपोजिशन विधि (DBA), और थिन फिल्म विधि (DPC) शामिल हैं।

सह-फायरिंग विधि (HTCC/LTCC)

सह-दहन विधियाँ दो प्रकार की होती हैं: एक उच्च-तापमान सह-दहन (HTCC) और दूसरी निम्न-तापमान सह-दहन (LTCC)। दोनों की प्रक्रियाएँ मूलतः समान हैं। मुख्य उत्पादन प्रक्रिया में स्लरी तैयार करना, ढलाई और स्ट्रिप्स बनाना, कच्चे माल को सुखाना, छेद करना, स्क्रीन प्रिंटिंग और छेदों को भरना, स्क्रीन प्रिंटिंग सर्किट, परतें बनाना और सिंटरिंग करना, और अंत में स्लाइसिंग और अन्य पश्चात-उपचार प्रक्रियाएँ शामिल हैं। एल्यूमिना पाउडर को कार्बनिक बाइंडर के साथ मिलाकर स्लरी बनाई जाती है, और फिर स्लरी को खुरचनी की सहायता से शीट में संसाधित किया जाता है। सूखने के बाद, एक सिरेमिक कच्चा माल बनता है [10]। फिर, डिज़ाइन आवश्यकताओं के अनुसार, कच्चे माल पर छेद किए जाते हैं और उनमें धातु पाउडर भरा जाता है। कच्चे माल की सतह पर स्क्रीन प्रिंटिंग तकनीक द्वारा एक रेखा पैटर्न लेपित किया जाता है। अंत में, प्रत्येक परत के कच्चे माल को एक साथ ढेर करके दबाया जाता है, और फिर सह-दहन भट्टी में सिंटरिंग और आकार दिया जाता है। हालांकि दोनों सह-दहन विधियों की प्रक्रियाएँ लगभग समान हैं, फिर भी सिंटरिंग तापमान में काफी अंतर होता है। HTCC के लिए सह-दहन तापमान 1300 से 1600℃ है, जबकि LTCC के लिए यह 850 से 900℃ है। इस अंतर का मुख्य कारण यह है कि LTCC सिंटरिंग घोल में कांच के पदार्थ होते हैं जो सिंटरिंग तापमान को कम कर सकते हैं, जबकि HTCC सह-दहन घोल में ये पदार्थ मौजूद नहीं होते। कांच के पदार्थ सिंटरिंग तापमान को कम तो कर सकते हैं, लेकिन इससे सब्सट्रेट की तापीय चालकता में काफी कमी आ जाती है।

थिक फिल्म सिरेमिक (टीएफसी)

थिक फिल्म विधि से तात्पर्य उस निर्माण प्रक्रिया से है जिसमें चालक पेस्ट को स्क्रीन प्रिंटिंग द्वारा सीधे सिरेमिक सब्सट्रेट पर लेपित किया जाता है, और फिर उच्च तापमान सिंटरिंग के माध्यम से धातु की परत को सिरेमिक सब्सट्रेट से मजबूती से चिपकाया जाता है। थिक-फिल्म कंडक्टर स्लरी का चयन थिक-फिल्म प्रक्रिया को निर्धारित करने वाला एक महत्वपूर्ण कारक है। यह एक कार्यात्मक चरण (अर्थात्, 2μm से कम कण आकार वाला धातु पाउडर), एक बाइंडर चरण (बाइंडर), और एक कार्बनिक वाहक से मिलकर बना होता है। सामान्य धातु पाउडर में Au, Pt, Au/Pt, Au/Pd, Ag, Ag/Pt, Ag/Pd, Cu, Ni, Al और W शामिल हैं, जिनमें से Ag, Ag/Pd और Cu स्लरी सबसे आम हैं। बाइंडर आमतौर पर कांच सामग्री, धातु ऑक्साइड या दोनों का मिश्रण होता है। इसका कार्य सिरेमिक और धातु को जोड़ना और आधार सिरेमिक पर थिक फिल्म स्लरी के आसंजन को निर्धारित करना है। यह थिक फिल्म स्लरी के उत्पादन की कुंजी है। कार्बनिक वाहक का मुख्य कार्य कार्यात्मक चरण और बाइंडर चरण को फैलाना है, साथ ही गाढ़ी फिल्म के घोल की एक निश्चित चिपचिपाहट को बनाए रखना है ताकि बाद में स्क्रीन प्रिंटिंग की तैयारी की जा सके। यह सिंटरिंग प्रक्रिया के दौरान धीरे-धीरे वाष्पीकृत हो जाता है।

डायरेक्ट बॉन्डेड कॉपर (डीबीसी)

डीबीसी एक धातुकरण विधि है जिसका उपयोग सिरेमिक सतहों (मुख्यतः Al2O3 और AlN) पर तांबे की पन्नी को जोड़ने के लिए किया जाता है। यह चिप ऑन बोर्ड (सीओबी) पैकेजिंग तकनीक के विकास के साथ विकसित एक नई प्रक्रिया है। इसका मूल सिद्धांत तांबे और सिरेमिक के बीच ऑक्सीजन तत्वों को समाहित करना है, जिससे 1065 से 1083℃ तापमान पर Cu/O यूटेक्टिक तरल अवस्था बनती है। यह अवस्था सिरेमिक मैट्रिक्स और तांबे की पन्नी के साथ अभिक्रिया करके CuAlO2 या Cu(AlO2)2 उत्पन्न करती है, और इस मध्यवर्ती अवस्था की क्रिया के तहत तांबे की पन्नी मैट्रिक्स से जुड़ जाती है। चूंकि AlN गैर-ऑक्साइड सिरेमिक की श्रेणी में आता है, इसलिए इसकी सतह पर तांबे की कोटिंग की कुंजी इसकी सतह पर Al2O3 संक्रमण परत का निर्माण करना और संक्रमण परत की क्रिया के तहत तांबे की पन्नी और आधार सिरेमिक के बीच प्रभावी बंधन प्राप्त करना है।

डायरेक्ट एल्युमिनियम बॉन्डेड (डीएबी)

प्रत्यक्ष एल्यूमीनियम कोटिंग विधि, तरल अवस्था में सिरेमिक के प्रति एल्यूमीनियम की अच्छी गीलापन क्षमता का लाभ उठाकर दोनों के बीच बंधन स्थापित करती है। जब तापमान 660℃ से ऊपर बढ़ता है, तो ठोस एल्यूमीनियम द्रवीकृत हो जाता है। द्रव एल्यूमीनियम द्वारा सिरेमिक सतह को गीला करने के बाद, जैसे-जैसे तापमान गिरता है, सिरेमिक सतह पर एल्यूमीनियम द्वारा प्रदान किए गए क्रिस्टल नाभिक क्रिस्टलीकृत होकर विकसित होते हैं। कमरे के तापमान तक ठंडा होने पर, दोनों का संयोजन प्राप्त होता है। एल्यूमीनियम की उच्च प्रतिक्रियाशीलता के कारण, यह उच्च तापमान पर ऑक्सीकरण के प्रति संवेदनशील होता है, जिससे एल्यूमीनियम द्रव की सतह पर Al2O3 फिल्म बन जाती है, जो सिरेमिक सतह पर एल्यूमीनियम द्रव की गीलापन क्षमता को काफी कम कर देती है और बंधन स्थापित करना मुश्किल बना देती है। इसलिए, बंधन स्थापित करने से पहले इसे हटाना आवश्यक है या बंधन ऑक्सीजन-मुक्त परिस्थितियों में किया जाना चाहिए। पेंग रोंग एट अल. [23,27] ने दबाव में Al2O3 सब्सट्रेट और AlN सब्सट्रेट की सतहों पर शुद्ध पिघले हुए एल्यूमीनियम को फैलाने के लिए ग्रेफाइट मोल्ड डाई-कास्टिंग विधि को अपनाया। Al2O3 फिल्म की तरलता की कमी के कारण, यह मोल्ड कैविटी में ही रह गई। ठंडा होने के बाद, एक अच्छी तरह से जुड़ा हुआ DAB सब्सट्रेट प्राप्त हुआ।

डायरेक्ट प्लेटेड कॉपर (डीपीसी)

थिन-फिल्म विधि एक ऐसी प्रक्रिया है जिसमें मुख्य रूप से भौतिक वाष्प निक्षेपण (जैसे वैक्यूम वाष्पीकरण, मैग्नेट्रॉन स्पटरिंग आदि) और अन्य तकनीकों का उपयोग करके सिरेमिक की सतह पर धातु की परत बनाई जाती है, और फिर मास्किंग, एचिंग और अन्य प्रक्रियाओं द्वारा धातु परिपथ परत बनाई जाती है। इनमें से, भौतिक वाष्प निक्षेपण सबसे आम थिन-फिल्म निर्माण प्रक्रिया है।