La cerámica a menudo se denomina material inorgánico no metálico. Se puede ver que la gente posiciona directamente la cerámica como lo opuesto a los metales. Después de todo, el rendimiento de los dos es muy diferente. Sin embargo, las ventajas respectivas de los dos son demasiado destacadas, por lo que en muchos casos es necesario combinar cerámica y metales para mostrar sus respectivas fortalezas, dando origen así a una tecnología muy importante: Tecnología de metalización cerámica. La metalización cerámica ha sido un tema candente durante muchos años y académicos nacionales y extranjeros han realizado investigaciones en profundidad al respecto.
Especialmente con el advenimiento de la era 5G, la potencia de los chips semiconductores continúa aumentando, la tendencia de desarrollo de ligereza y alta integración se vuelve cada vez más obvia, y la importancia de los problemas de disipación de calor se vuelve cada vez más más prominente. Esto es, sin duda, Se han propuesto requisitos más estrictos para los materiales de disipación de calor de embalaje. En la estructura del empaque de componentes electrónicos de potencia, el sustrato del empaque sirve como vínculo clave entre la parte superior y la inferior y mantiene la conducción de los circuitos internos y externos. También tiene funciones como disipación de calor y soporte mecánico. Como material de embalaje electrónico emergente para disipación de calor, la cerámica tiene alta conductividad térmica, aislamiento, resistencia al calor, resistencia y un coeficiente de expansión térmica que coincide con el chip. Es un material de disipación de calor de embalaje ideal para componentes electrónicos de potencia.
La cerámica se utiliza en circuitos y primero debe metalizarse , es decir, se deposita una película metálica que está firmemente unida a la cerámica y que no se funde fácilmente sobre la superficie de la cerámica para hacerla conductora, y luego se conecta a un cable metálico u otra capa conductora de metal mediante un proceso de soldadura para convertirse en uno.
El paso más importante en el proceso de sellado de cerámica a metal es metalización, su calidad afecta el efecto de sellado final.
Dificultades para soldar cerámicas y metales
1. El coeficiente de expansión lineal de la cerámica es pequeño, mientras que el coeficiente de expansión lineal del metal es relativamente grande, lo que provoca que las juntas se agrieten. Generalmente, el problema de la tensión térmica de la capa intermedia de metal debe manejarse bien.
2. La conductividad térmica de la cerámica en sí es baja y su resistencia al choque térmico es débil. Durante la soldadura, el gradiente de temperatura dentro y alrededor de la pieza soldada debe reducirse tanto como sea posible y la velocidad de enfriamiento debe controlarse después de la soldadura.
3. La mayoría de las cerámicas tienen poca conductividad o incluso ninguna conductividad, lo que dificulta el uso de soldadura eléctrica.
4. Dado que los materiales cerámicos tienen una coordinación electrónica estable, es poco probable que el metal y la cerámica se conecten. Las cerámicas deben metalizarse o soldarse con metal de aportación activo.
5. Dado que los materiales cerámicos son en su mayoría cristales covalentes, no son propensos a deformarse y a menudo se producen fracturas frágiles. En la actualidad, la mayoría utiliza la capa intermedia para reducir la temperatura de soldadura y utiliza el método de difusión indirecta para soldar.
6. El diseño estructural de la soldadura de cerámica y metal es diferente de la soldadura ordinaria. Generalmente se divide en estructura de sellado plana, estructura envolvente, estructura de sellado con pasador y estructura de contrasellado. el efecto de estructura encapsulante Lo mejor de todo es que estas estructuras de unión son muy exigentes de realizar.
Mecanismo de metalización cerámica
El mecanismo de metalización cerámica es relativamente complejo e implica varias reacciones químicas y físicas, flujo plástico de sustancias, reordenamiento de partículas, etc. Varias sustancias, como óxidos y óxidos no metálicos en la capa de metalización, experimentan diferentes reacciones químicas y difusión y migración de sustancias durante las diferentes etapas de sinterización. A medida que aumenta la temperatura, diversas sustancias reaccionan para formar compuestos intermedios. Cuando se alcanza un punto de fusión común, se forma una fase líquida. La fase de vidrio líquido tiene una cierta viscosidad y al mismo tiempo produce un flujo plástico. la acción de los capilares.Se produce un reordenamiento, los átomos o moléculas se difunden y migran impulsados por la energía superficial, los granos crecen, los poros se encogen y desaparecen gradualmente y la capa de metalización se densifica.
Proceso de metalización cerámica
El flujo del proceso de metalización cerámica incluye:
Paso uno: pretratamiento de la matriz. Utilice pasta abrasiva de diamante para pulir la cerámica sinterizada sin presión hasta que quede ópticamente suave para garantizar que la rugosidad de la superficie sea ≤1,6 m. Coloque el sustrato en acetona y alcohol y límpielo con ondas ultrasónicas a temperatura ambiente durante 20 minutos.
Paso 2: Preparación de la lechada de metalización. Pese las materias primas de acuerdo con la fórmula de metalización, colóquelas en un molino de bolas durante un cierto período de tiempo para obtener una suspensión de metalización de cierta viscosidad.
Paso 3: pintar y secar. Utilice tecnología de serigrafía para aplicar la lechada sobre el sustrato cerámico. El espesor de la lechada debe ser apropiado. Si es demasiado fino, la soldadura fluirá fácilmente hacia la capa de metalización. ser propicio para la migración de componentes. Luego, la suspensión se colocará en el horno para secarla.
Paso 4: Tratamiento térmico. El sustrato seco se coloca en una atmósfera reductora y se sinteriza para formar una capa metalizada.
Métodos específicos de metalización cerámica
Los métodos de preparación comúnmente utilizados para la metalización cerámica incluyen principalmente el método Mo-Mn, el método Mo-Mn activado, el método de soldadura fuerte con metal activo, el método de recubrimiento directo de cobre (DBC) y el método de pulverización catódica con magnetrón.
1. Método Mo-Mn
El método Mo-Mn se basa en el polvo de metal refractario Mo y luego agrega una pequeña cantidad de Mn de bajo punto de fusión a la fórmula de metalización, agregando un aglutinante para cubrir la superficie del Al2O3. cerámica y luego sinterización para formar una capa química de metal. Las desventajas del método tradicional Mo-Mn son la alta temperatura de sinterización, el alto consumo de energía y la falta de activador en la fórmula, lo que resulta en una baja fuerza de sellado.
2. Método Mo-Mn activado
El método Mo-Mn activado es una mejora basada en el método tradicional Mo-Mn. Las principales direcciones de mejora son: agregar activadores y reemplazar metales con óxidos o sales de molibdeno y manganeso. . Ambos tipos de métodos de mejora tienen como objetivo reducir la temperatura de metalización.
Las desventajas del método Mo-Mn activado son que el proceso es complejo y el costo es alto, pero su combinación es fuerte y puede mejorar en gran medida la humectabilidad, por lo que sigue siendo la primera invención. en el proceso de sellado cerámico-metal. El proceso más maduro y utilizado.
3. Método de soldadura fuerte de metal activo
El método de soldadura fuerte de metal activo también es un proceso de sellado de metal-cerámica ampliamente utilizado. Se desarrolló 10 años después que el método Mo-Mn y se caracteriza por menos procesos y sellado de metal-cerámica. El sellado solo requiere un proceso de calentamiento para completarse. La aleación de soldadura fuerte contiene elementos activos como Ti, Zr, Hf y Ta. Los elementos activos agregados reaccionan con Al2O3 para formar una capa de reacción con características metálicas en la interfaz. Este método se puede adaptar fácilmente a la producción en masa, con molibdeno. En el proceso del manganeso, este método es relativamente simple y económico.
La desventaja del método de soldadura fuerte con metal activo es que la soldadura activa es única, lo que resulta en ciertas limitaciones en su aplicación. No es adecuado para la producción continua y solo es adecuado para piezas grandes. producción de una sola pieza o producción de lotes pequeños.
4. Cobre unido directamente (DBC)
DBC es un método de metalización para unir láminas de cobre sobre una superficie cerámica (principalmente Al2O3 y AlN). Se desarrolló con el surgimiento de un nuevo tipo de tecnología de envasado con chip a bordo (COB). de tecnología. El principio básico es introducir un elemento oxígeno entre el Cu y la cerámica, y luego formar una fase líquida eutéctica de Cu/O a 1065-1083°C, que luego reacciona con la matriz cerámica y la lámina de cobre para generar CuAlO2 o Cu(AlO2)2. y La unión entre la lámina de cobre y la matriz se logra bajo la acción de la fase intermedia.
5. Método de pulverización catódica con magnetrón
La pulverización catódica con magnetrón es un tipo de deposición física de vapor que utiliza tecnología de magnetrón para depositar películas multicapa sobre un sustrato. Tiene ventajas sobre otras tecnologías de deposición, como una mejor adherencia, menos contaminación y. cristalinidad mejorada de la muestra depositada, lo que da como resultado películas de alta calidad.
La capa de metalización obtenida mediante este método es muy delgada y puede garantizar la precisión del tamaño de la pieza. Sin embargo, no es adecuada para metalizar cerámicas que no son resistentes a altas temperaturas (como las piezoeléctricas). cerámicas y monocristales).
Factores que influyen en la metalización cerámica < /p>
1. Fórmula de metalización
Este es el requisito previo para realizar la metalización cerámica, que requiere un diseño cuidadoso y científico de su fórmula.
2. Temperatura de metalización y tiempo de retención
Otro factor clave que afecta la metalización cerámica es la temperatura de sinterización de la metalización y el tiempo de mantenimiento. La temperatura de metalización se puede dividir en los siguientes cuatro procesos: aquellos con temperaturas superiores a 1600 °C son temperaturas extremadamente altas, 1450 ~ 1600 °C son temperaturas altas, 1300 ~ 1450 °C son temperaturas medias y aquellas por debajo de 1300 °C son bajas. temperatura. Es necesaria una temperatura de sinterización adecuada. Si la temperatura es demasiado baja, la fase de vidrio no se difundirá ni migrará. Si la temperatura es demasiado alta, la resistencia de la metalización será deficiente. La capa de metalización se desprenderá fácilmente de la cerámica, provocando fallos en el sellado. .
3. Microestructura de la capa de metalización
El proceso de metalización determina la microestructura de la capa de metalización, y la microestructura afecta directamente el rendimiento final del cuerpo soldado. Para obtener un buen rendimiento de soldadura, primero la capa de metalización debe ser una película densa con alta fuerza de unión. Si la microestructura de la capa de metalización tiene capas claras en cada área y no se observan compuestos metálicos frágiles continuos en ninguna interfaz, se reducirá la probabilidad de fragilidad y propagación de grietas, y la interfaz estará hermética con menos grietas, lo que ayudará reducir la penetración de la soldadura. Esto muestra que la capa de metalización es densa y la fuerza de unión es relativamente alta.
4. Otros factores
Hay muchos factores que afectan el grado de metalización cerámica a los que se debe prestar atención, como la influencia del tamaño de las partículas del polvo y la gradación razonable si el polvo es demasiado fino y grande. energía superficial, es fácil formar aglomeración, lo que afectará la planitud del polvo si el polvo es demasiado grueso, la energía superficial se reducirá, lo que provocará un aumento en la temperatura de sinterización y afectará la sinterización. calidad. Además, el método de recubrimiento y el espesor del mismo también tendrán un gran impacto en la metalización cerámica.
