Η αυξανόμενη ζήτηση για ηλεκτρονικές συσκευασίες υψηλής ισχύος- οδηγεί σε συνεχείς αναβαθμίσεις σε κεραμικά υποστρώματα και τεχνολογίες επιμετάλλωσης.

Με γνώμονα την ταχεία ανάπτυξη τομέων όπως τα νέα ενεργειακά οχήματα, τα έξυπνα δίκτυα, τα βιομηχανικά τροφοδοτικά, οι διακομιστές τεχνητής νοημοσύνης και η αεροδιαστημική, οι συσκευές ημιαγωγών ισχύος εξελίσσονται προς υψηλότερες τάσεις, υψηλότερα ρεύματα, υψηλότερες πυκνότητες ισχύος και σμίκρυνση. Η σημαντική θερμότητα που παράγεται κατά τη λειτουργία της συσκευής επιβάλλει αυστηρές απαιτήσεις για τις δυνατότητες απαγωγής θερμότητας, τη δομική αξιοπιστία και τη μακροπρόθεσμη σταθερότητα των υλικών συσκευασίας.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ως κρίσιμα θεμελιώδη υλικά που συνδέουν τσιπ, κυκλώματα και συστήματα θερμικής διαχείρισης, τα κεραμικά υποστρώματα για ηλεκτρονικές συσκευασίες έχουν αναδειχθεί ως βασική λύση στον τομέα της συσκευασίας ηλεκτρονικών συσκευών υψηλής ισχύος, χάρη στην υψηλή θερμική αγωγιμότητα, τις εξαιρετικές ιδιότητες μόνωσης και τη στιβαρή μηχανική σταθερότητα.

 

Ενώ τα παραδοσιακά υποστρώματα FR-4 εποξειδικών-υαλοπινάκων και τα μεταλλικά- υποστρώματα προσφέρουν πλεονεκτήματα κόστους, η περιορισμένη θερμική αγωγιμότητα και οι σχετικά υψηλοί συντελεστές θερμικής διαστολής (CTE) τα καθιστούν ακατάλληλα για εφαρμογές υψηλής θερμοκρασίας και υψηλής ισχύος. Αντίθετα, τα κεραμικά υλικά διαθέτουν CTE στενά ταιριαστό με αυτό των ημιαγωγών υλικών και διατηρούν σταθερή απόδοση σε πολύπλοκα περιβάλλοντα. Συνεπώς, χρησιμοποιούνται ευρέως σε μονάδες ισχύος, LED, IGBT, συσκευές SiC και συστήματα ηλεκτρικής κίνησης για νέα ενεργειακά οχήματα.

 

Επί του παρόντος, τα κύρια υλικά για υψηλής{0}}θερμικής-αγωγιμότητας κεραμικά υποστρώματα περιλαμβάνουν αλουμίνα (Al2O3), καρβίδιο του πυριτίου (SiC), νιτρίδιο αργιλίου (AlN) και νιτρίδιο πυριτίου (Si3N4). Μεταξύ αυτών, τα κεραμικά αλουμίνας-που χαρακτηρίζονται από ώριμες διαδικασίες παραγωγής και χαμηλό κόστος-ξεχωρίζουν ως ένα από τα πιο ευρέως χρησιμοποιούμενα βασικά υλικά στην ηλεκτρονική συσκευασία. Τα κεραμικά από επιμεταλλωμένη αλουμίνα, που παράγονται μέσω προηγμένων τεχνικών επεξεργασίας, προσφέρουν βελτιωμένη αγώγιμη συνδεσιμότητα, ικανοποιώντας έτσι τις απαιτήσεις για τοποθέτηση ηλεκτρονικών εξαρτημάτων και μετάδοση σήματος κυκλώματος.

 

Καθώς η απόδοση των συσκευών ισχύος συνεχίζει να προοδεύει, η επεξεργασία υλικών αλουμίνας υψηλής-καθαρότητας μετατοπίζεται προς μεγαλύτερη ακρίβεια. Επιμεταλλωμένα κεραμικά εξαρτήματα ακριβείας αλουμίνας υψηλής-καθαρότητας-που κατασκευάζονται μέσω μορφοποίησης ακριβείας, πυροσυσσωμάτωσης και επιμετάλλωσης{4}}επιτρέπουν δομικά σχέδια που προσφέρουν ανώτερη μόνωση και αξιοπιστία, καθιστώντας τα ιδανικά για απαιτητικά ηλεκτρονικά εξαρτήματα και βιομηχανικές εφαρμογές.

 

Στον τομέα των μονάδων ισχύος υψηλής απόδοσης{{0}, τα κεραμικά νιτριδίου αλουμινίου (AlN) έχουν συγκεντρώσει σημαντική προσοχή λόγω της υψηλής θερμικής αγωγιμότητας, της χαμηλής διηλεκτρικής σταθεράς και των εξαιρετικών ηλεκτρικών τους ιδιοτήτων. Η θερμική τους αγωγιμότητα επηρεάζεται κυρίως από παράγοντες όπως τα ελαττώματα του πλέγματος, η περιεκτικότητα σε οξυγόνο και η διαδικασία πυροσυσσωμάτωσης.

 

Με τη βελτιστοποίηση των συνθέσεων υλικών και των ροών εργασιών κατασκευής, μπορούν να ελαχιστοποιηθούν τα εσωτερικά ελαττώματα και να βελτιωθεί η αποτελεσματικότητα της θερμικής διαχείρισης, καθιστώντας αυτά τα υλικά ολοένα και πιο κατάλληλα για εφαρμογές ηλεκτρονικής συσκευασίας υψηλής ισχύος-. Τα κεραμικά καρβιδίου του πυριτίου (SiC) παρουσιάζουν σημαντικές δυνατότητες σε ακραία περιβάλλοντα λειτουργίας λόγω της υψηλής αντοχής, της υψηλής αντοχής στη θερμότητα και της εξαιρετικής θερμικής αγωγιμότητας. Ωστόσο, η πολύπλοκη δομή κρυσταλλικού πλέγματος τους επιβάλλει αυστηρές απαιτήσεις όσον αφορά την καθαρότητα του υλικού, τις συνθήκες πυροσυσσωμάτωσης και τον μικροδομικό έλεγχο. Οι μελλοντικές εξελίξεις-συγκεκριμένα η βελτιστοποίηση της δομής των κόκκων και η μείωση των ακαθαρσιών-σχετιζόμενων με ακαθαρσίες-υπόσχονται περαιτέρω βελτίωση της συνολικής απόδοσης των κεραμικών υποστρωμάτων SiC.

 

Τα τελευταία χρόνια, τα κεραμικά νιτριδίου του πυριτίου (Si3N4) έχουν αναδειχθεί ως βασικός τομέας ανάπτυξης για μονάδες ισχύος υψηλής- αξιοπιστίας. Σε σύγκριση με τα παραδοσιακά κεραμικά υλικά, προσφέρουν ανώτερη μηχανική αντοχή και ανθεκτικότητα στη θραύση, μετριάζοντας αποτελεσματικά την καταπόνηση που προκαλείται από αναντιστοιχίες θερμικής διαστολής κατά τη διάρκεια της θερμικής ανακύκλωσης. Συνεπώς, τα επιμεταλλωμένα κεραμικά εξαρτήματα υψηλής{3}}αντοχής χρησιμοποιούνται ολοένα και περισσότερο σε μετατροπείς για νέα ενεργειακά οχήματα, μονάδες ισχύος υψηλής-τάσης και ηλεκτρονικά συστήματα υψηλής-αξιοπιστίας.

 

Τα κεραμικά υλικά είναι εγγενώς μονωτικά. Επομένως, για να διευκολυνθούν οι ηλεκτρικές συνδέσεις και η τοποθέτηση εξαρτημάτων, πρέπει να σχηματιστεί ένα στρώμα μεταλλικού κυκλώματος μέσω επεξεργασίας επιφανειών-μιας διαδικασίας γνωστής ως κεραμική επιμετάλλωση. Δημιουργώντας ένα σταθερό, καλά κολλημένο μεταλλικό στρώμα στην κεραμική επιφάνεια, η τεχνολογία επιμετάλλωσης εξασφαλίζει μια αξιόπιστη σύνδεση μεταξύ του κεραμικού και του μετάλλου, καθιστώντας το μια κρίσιμη διαδικασία για την κατασκευή ηλεκτρονικών συσκευασιών.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Επί του παρόντος, οι ώριμες διεργασίες επιμετάλλωσης κεραμικών στη βιομηχανία περιλαμβάνουν άμεσο επιμεταλλωμένο χαλκό (DPC), άμεσο συγκολλημένο χαλκό (DBC), ενεργό συγκόλληση μετάλλων (AMB), ενεργοποίηση με λέιζερ μετάλλωση (LAM) και χοντρό-εντυπωμένο χαλκό (TPC).

 

Η διαδικασία DPC χρησιμοποιεί ψεκασμό, ηλεκτρολυτική επίστρωση και φωτολιθογραφία για να σχηματίσει λεπτά μεταλλικά κυκλώματα. Χαρακτηρίζεται από υψηλή ακρίβεια κυκλώματος και εξαιρετική απόδοση συγκόλλησης, καθιστώντας το κατάλληλο για ηλεκτρονικές συσκευασίες υψηλής πυκνότητας-. Ωστόσο, λόγω του υψηλού κόστους επένδυσης σε εξοπλισμό και των περιορισμών στο πάχος του στρώματος χαλκού, η εφαρμογή του επικεντρώνεται κυρίως στον τομέα των ηλεκτρονικών συσκευών ακριβείας.

 

Η διαδικασία DBC επιτυγχάνει συγκόλληση μεταξύ φύλλου χαλκού και κεραμικού μέσω μιας χάλκινης-ευτηκτικής αντίδρασης οξυγόνου, προσφέροντας πλεονεκτήματα όπως η ωριμότητα της διεργασίας και η υψηλή φέρουσα ικανότητα-φόρτωσης. Ενώ χρησιμοποιείται ευρέως στη συσκευασία των μονάδων ισχύος, η διαφορά στους συντελεστές θερμικής διαστολής μεταξύ χαλκού και κεραμικού μπορεί να οδηγήσει σε θερμική καταπόνηση κατά τη διάρκεια μακροπρόθεσμου θερμικού κύκλου, απαιτώντας περαιτέρω βελτιώσεις στην αξιοπιστία.

 

Η διαδικασία AMB χρησιμοποιεί ενεργό συγκολλητικό μέταλλο για να ενισχύσει τη σύνδεση μεταξύ του κεραμικού και του στρώματος χαλκού, επιδεικνύοντας εξαιρετική σταθερότητα σε περιβάλλοντα υψηλής-θερμοκρασίας και υψηλής ισχύος-. Με την ανάπτυξη πλατφορμών υψηλής-τάσης 800V για νέα ενεργειακά οχήματα, τα κεραμικά υποστρώματα AMB-Si₃N4 γίνονται όλο και περισσότερο η προτιμώμενη επιλογή για μονάδες ισχύος υψηλής-απόδοσης. Εξαρτήματα για εφαρμογές υψηλής{{8}τάσης-όπως κεραμικά περιβλήματα για επαφές HVDC{10}}επιβάλλουν ολοένα και πιο αυστηρές απαιτήσεις σχετικά με τις δυνατότητες μόνωσης, τη μηχανική αντοχή και τη θερμική αντίσταση των κεραμικών υλικών.

 

Εκτός από τις παραδοσιακές μεθόδους επιμετάλλωσης, οι νέες τεχνολογίες επιμετάλλωσης{0}}με τη βοήθεια λέιζερ κερδίζουν την προσοχή. Αυτή η διαδικασία χρησιμοποιεί λέιζερ για να τροποποιήσει την κεραμική επιφάνεια, επιτρέποντας την επιλεκτική εναπόθεση μετάλλου για να σχηματίσει κύκλωμα. προσφέρει πλεονεκτήματα όπως υψηλή ακρίβεια επεξεργασίας και ευελιξία σχεδιασμού. Η τεχνολογία επιμετάλλωσης κεραμικών είναι έτοιμη να επεκτείνει το πεδίο εφαρμογής της στη μελλοντική κατασκευή ηλεκτρονικών δομικών στοιχείων ακριβείας.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Με γνώμονα την ανάπτυξη νέων ενεργειακών οχημάτων, συστημάτων αποθήκευσης ενέργειας και έξυπνου εξοπλισμού ισχύος, τα σενάρια εφαρμογής για επιμεταλλωμένα κεραμικά προϊόντα επεκτείνονται συνεχώς. Για παράδειγμα, τα επιμεταλλωμένα κεραμικά περιβλήματα για ημιαγωγούς ισχύος παρέχουν ένα σταθερό περιβάλλον συσκευασίας, ενισχύοντας την αντίσταση στη θερμότητα και την τάση των συσκευών. Ομοίως, οι επιμεταλλωμένοι κεραμικοί μονωτικοί σωλήνες χρησιμοποιούνται ευρέως σε μονωτικές κατασκευές υψηλής τάσης, εξυπηρετώντας τόσο τις λειτουργίες ηλεκτρικής απομόνωσης όσο και μηχανικής υποστήριξης.

 

Οι τάσεις της βιομηχανίας δείχνουν ότι τα κεραμικά υποστρώματα για ηλεκτρονικές συσκευασίες θα εξελιχθούν προς υψηλότερη θερμική αγωγιμότητα, αντοχή και αξιοπιστία, παράλληλα με μεγαλύτερη ακρίβεια. Από τη μια πλευρά, η έρευνα υλικών θα βελτιστοποιήσει περαιτέρω τα κεραμικά συστήματα-όπως η αλουμίνα, το νιτρίδιο του αλουμινίου και το νιτρίδιο του πυριτίου-για τη βελτίωση των δυνατοτήτων διαχείρισης θερμότητας. Από την άλλη πλευρά, οι διαδικασίες επιμετάλλωσης θα συνεχίσουν να βελτιώνουν την ακρίβεια του κυκλώματος, τη δύναμη συγκόλλησης και την αποδοτικότητα παραγωγής.

 

Με την ταχεία επέκταση των νέων ενεργειακών οχημάτων, των συστημάτων βιομηχανικού ελέγχου, των τροφοδοτικών κέντρων δεδομένων και του εξοπλισμού αποθήκευσης ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, τα επιμεταλλωμένα κεραμικά ακριβείας θα γίνουν ζωτικό συστατικό της προηγμένης ηλεκτρονικής συσκευασίας. Η βελτιστοποίηση των τεχνολογιών συγκόλλησης κεραμικού-σε-μετάλλου για τη διασφάλιση εξαιρετικά αξιόπιστων συνδέσεων θα συμβάλει στην κάλυψη των μελλοντικών απαιτήσεων για ασφάλεια και σταθερότητα σε ηλεκτρονικές συσκευές υψηλής ισχύος-.

 

Όσον αφορά το μέλλον, ο κλάδος πρέπει να συνεχίσει να επιτυγχάνει καινοτομίες σε βασικές τεχνολογίες-συμπεριλαμβανομένης της προετοιμασίας κεραμικών υψηλής-θερμικής-αγωγιμότητας, πυροσυσσωμάτωσης χαμηλού-ελαττώματος, σχεδίασης κυκλωμάτων υψηλής{4}}ακρίβειας και οικολογικών-διαδικασιών μεταλλοποίησης. Προώθηση προϊόντων όπωςεπιμεταλλωμένη κεραμική αλουμίνας για ηλεκτρικά εξαρτήματαπρος υψηλότερες επιδόσεις και ευρύτερα πεδία εφαρμογών θα παρέχουν τα αξιόπιστα βασικά υλικά που απαιτούνται για τα ηλεκτρονικά συστήματα ισχύος επόμενης-γενιάς.