מתכת של מצע קרמי: מיהו הלוחם המשושה האמיתי?

1 הקדמה

חומרים קרמיים הם מחלקה של חומרים אנאורגניים לא-מתכתיים הנוצרים מתרכובות טבעיות או סינתטיות באמצעות עיצוב וסינטר-בטמפרטורה גבוהה. יש להם יתרונות כמו נקודות התכה גבוהות, קשיות גבוהה ועמידות בפני שחיקה, והם יכולים לשמש כחומרי מבנה וחומרים פונקציונליים, המציעים אפשרויות יישום רחבות [1]. סינטר של חומרים קרמיים הוא בעיקר תהליך שבו אבקת חומר גלם מוצק אחת או יותר עוברת הובלת חומר בחימום בטמפרטורה- גבוהה, מה שגורם לאבקה להצטבר ולהצטופף. תהליך זה אורך בדרך כלל מספר שעות או אפילו עשרות שעות. מבחינה מקרוסקופית, סינטר מתבטא בצפיפות וחוזק מוגברים; למעשה, זוהי ירידה באנרגיה מאנרגיית פני השטח של חלקיקים לאנרגיית ממשק, המונעת על ידי דיפוזיה אטומית תחת שיפועים פוטנציאלים כימיים באתרים שונים, ובאופן מיקרוסקופי, היא מתבטאת בחיסול של נקבוביות בין גרגרים [2].

2 תהליכי מתכת

2.1 מתכת נחושת בציפוי ישיר

בתהליך מתכת נחושת מצופה ישיר (DPC), לאחר קידוח -המצע בלייזר וניקוי יסודי, מונחת שכבת זרע על המצע הקרמי הנקי והמיובש. לאחר מכן מוחל סרט יבש, ולאחר מכן פיתוח וחשיפה, ולאחר מכן מבוצע אלקטרוציפוי ליצירת מעגל המתכת הרצוי. לאחר מכן, עודפי הסרט היבש ושכבת הזרע מוסרים, ומתכת לא-פעילה מצופה על משטח הנחושת כדי להגן על שכבת הנחושת עבור תהליכי הלחמה הבאים.

למרות שמצעים קרמיים של DPC מציעים יתרונות כגון מוליכות תרמית גבוהה, דיוק מעגלים גבוה ונפח אריזה מופחת באמצעות חיבורי-חור, עובי שכבת הנחושת מוגבל בדרך כלל ללא יותר מ-150 מיקרומטר בשל המגבלות של תהליך הציפוי האלקטרוני. נכון לעכשיו, טכנולוגיית DPC משמשת בעיקר באריזה של נוריות- בהספק גבוה. ביישומי דור-חום-גבוהים כגון נוריות-בהירות גבוהות ונוריות אולטרה סגול-עמוקות, לא רק שנדרש מצע מוליכות תרמית-גבוהה בצד האחורי לפיזור חום, אלא שהחומרים הקדמיים-מתחשבים גם ביציבות{11}}האמינות של האריזה. חומרי אריזת שרף מסורתיים מועדים להזדקנות ולכשל תחת אור אולטרה סגול וטמפרטורות גבוהות. לכן, המחקר הנוכחי נוטה גם להשתמש בחומרים אנאורגניים או מתכתיים כגון קאולין, ניקל ונחושת ליצירת מבני סכר על מצעי DPC, בשילוב עם עטיית קוורץ שקופה, כדי לשפר את אמינות המכשיר [3].

נכון לעכשיו, תהליך מתכת הנחושת בציפוי ישיר מיושם באופן נרחב, אך הוא עדיין מתמודד עם בעיות כמו יעילות נמוכה, מילוי- ירודה וגמישות ירודה באמבטיה. בין אלה, מילוי באמצעות- לקוי יכול להשפיע על ביצועי המכשיר, היציבות והאמינות. הסיבה היא שבמהלך ציפוי אלקטרוניקה, נחושת נוטה להתמקם ביתר קלות על פני הצינור, מה שגורם לצינור להיסגר לפני שהפנים מתמלא במלואו, ובסופו של דבר יוצרים חללים בתוך הצינור. איכות הציפוי באמצעות מילוי מושפע מזרם הציפוי וניסוח התוסף; אופטימיזציה של הרכב פתרון הציפוי ופרמטרי תהליך עזר יכולים להשתפר באמצעות-איכות המילוי.

בנוסף, מצעים קרמיים DPC עשויים להיתקל בבעיות במהלך ציפוי אלקטרוניקה, כולל זמני ציפוי ארוכים מדי, עובי ציפוי לא אחיד- ומתחים מאקרוסקופיים שיוריים בתוך הציפוי. בין אלה, מתח שיורי מוגזם עלול לגרום לסדקים או עיוות של ציפוי, והצטברות של מתח שיורי בתוך שכבת הנחושת עלולה להשפיע על היציבות התרמית של המצע הקרמי [4].

2.2 שיטת נחושת מלוכדת ישירה

טכנולוגיית הנחושת הישירה (DBC) הייתה חלוצה לראשונה על ידי Burgess et al. בשנת 1973 [5]. העיקרון הבסיסי שלו הוא ששכבת התחמוצת על משטח נייר הנחושת יוצרת התכה אוקטית Cu-O בטמפרטורה גבוהה. להמסה זו יש תכונות הרטבה מצוינות, ובטמפרטורה האוטקטית של 1065 מעלות, היא יכולה לקשר ביעילות את המצע הקרמי עם רדיד הנחושת שלא הגיב, מה שמבטיח קשר חזק לאחר קירור והתמצקות.

ליד 1065 מעלות, נוצר השלב האוטקטי Cu-O. מכיוון שנקודת ההיתוך של נחושת טהורה היא 1083 מעלות, ההדבקה האוטקטית חייבת להתבצע בטווח הטמפרטורות של 1065 מעלות עד 1083 מעלות, כאשר הפעולות בפועל מתרכזות בעיקר בין 1070 מעלות ל-1075 מעלות. במהלך הקירור, החמצן העל-רווי ב-Cu-O eutectic משקע כ-Cu₂O; בקרמיקה Al₂O₃ או AlN, עשויים להופיע תוצרי תגובה נוספים כגון CuAlO₂ ו- CuAl₂O4 [5]. היווצרות הנוזל האוטקטי ותכולת החמצן שלו הם קריטיים ליעילות ההתקשרות. בהתחשב בכך שקצב הדיפוזיה של החמצן בהמסת הנחושת הוא נמוך ביותר (10⁻⁵ cm²/s), קשה להכניס מספיק חמצן במהלך תהליך ההדבקה; לכן, חמצון מוקדם- של נייר הנחושת מתבצע בדרך כלל כדי ליצור Cu₂O על פני נייר הנחושת כדי לקדם היווצרות נוזלים אוטקטיים. תכולת החמצן בנחושת משפיעה באופן משמעותי גם על חוזק ממשק החיבור, ולכן שליטה מדויקת בפרמטר זה היא היבט מרכזי בהבטחת ביצועי החיבור [6].

תהליך הנחושת המלוכדת ישירה דורש מצעים ספציפיים לשימוש. להמסת נחושת טהורה יכולת הרטבה גרועה על Al₂O₃, AlN ו- Si₃N4, עם זוויות מגע העולות על 130 מעלות. על ידי הגדלת לחץ החמצן החלקי במהלך ההתקשרות ותכולת החמצן של התכת הנחושת, ניתן להפחית מאוד את זווית המגע על משטחי Al₂O₃ [7]. למרות שניתן לשפר את הרטיבות על AlN גם על ידי הגדלת לחץ החמצן החלקי במהלך ההתקשרות, התקשרות בסביבת ואקום או הארכת זמן ההדבקה, ההשפעה מוגבלת מאוד [8]. לכן, AlN מחומצן בדרך כלל מראש ליצירת שכבת פני השטח של Al₂O₃, ולאחר מכן נקשר באמצעות השיטות שלעיל. עם זאת, אף אחת מהשיטות הללו לא יכולה לשפר בקלות את יכולת ההרטבה של התכת נחושת על Si₃N4, ולכן DBC מוחל רק לעתים נדירות על Si₃N₄.

2.3 מתכת הלחמת מתכת פעילה

בתעשיית רכבי האנרגיה החדשה, מודולי SiC מוערכים מאוד. עם זאת, כאשר טמפרטורת הצומת של התקני כוח SiC עולה ל-250 מעלות, אמינות מחזור הטמפרטורה- הירודה של מצעים קרמיים של DBC בתנאי טמפרטורה- גבוהים מגבילה את היישום שלהם. כדי לטפל בבעיה זו, חוקרים פיתחו מצעים קרמיים מסוג AMB (Active Metal Brazed).

ראשית, מורחים שכבה דקה של הלחמה על מצע קרמי נקי. לאחר מכן מניחים רדיד נחושת על ההלחמה, והמכלול מחומם בסביבת ואקום ב-800 מעלות עד 950 מעלות כדי להמיס את ההלחמה. לאחר הקירור, נוצר מפרק חזק. לאחר מכן, נעשה שימוש בחריטה רטובה ליצירת דפוסים מתכתיים כדי לעמוד בדרישות החיבור החשמלי של התקני הספק גבוה-.

מכיוון שמתכות קונבנציונליות בדרך כלל מציגות יכולת הרטבה ירודה על מצעים קרמיים, הלחמות מתכת אקטיביות משמשות בדרך כלל לשיפור הרטיבות ולשיפור חוזק המפרק. הלחמות מתכת אקטיביות מכילות לפחות אלמנט מתכת פעיל אחד, כאשר יסודות Ti ו-lanthanide הם כיום היסודות הפעילים העיקריים. ההלחמות האקטיביות הנפוצות בתהליכי AMB כוללות מערכות Sn-Ag-Ti ו-Ag-Cu-Ti, כאשר Ti משמשת כמתכת הפעילה לשיפור הרטיבות בין ההלחמה לקרמיקה, בעוד ש-Sn ו-Ag פועלים להורדת נקודת ההיתוך ולשיפור המוליכות התרמית של המפרק.

עם זאת, תהליך AMB חייב להתבצע תחת ואקום גבוה או באווירה מגינה, מה שמגביל את ישימות התהליך שלו. כדי להתגבר על מגבלה זו, חוקרים פיתחו טכנולוגיית Reactive Air Brazing (RAB), שניתן לבצע באוויר. מתכות מילוי ההלחמה המשמשות ב-RAB מורכבות בעיקר ממתכות אצילות (כגון Ag, סגסוגות Ag–Pd) ותחמוצות מתכות (כגון CuO, V₂O₅ [9], Nb₂O₅, SiO₂ ו- Al₂TiO₅), ובכך מעניקות למפרק עמידות טובה לחמצון. במהלך RAB, תחמוצות מתכת יכולות להיצמד למשטח המצע הקרמי ולהגיב עם משטח המצע הקרמי, ולשפר את יכולת ההרטבה של המצע הקרמי באמצעות הפעולה הסינרגטית של מתכת המילוי המותכת והממשק. בינתיים, המשיכות הטובה של מתכות אצילות מסייעת בהפגת מתחים תרמיים פנימיים במפרק, ותוספת תחמוצות מתכת מסייעת בהפחתת מתחים שיוריים הנובעים מאי-התאמה של CTE בין המפרק למטריצה ​​הקרמית.

מתכת הלחמת מתכת פעילה מציעה יתרונות כגון ציוד ותהליך פשוטים, אמינות גבוהה וללא הגבלות על סוגי מצע קרמי, מה שהופך אותו לתהליך המתכת המבטיח ביותר עבור יישומי מכשירים בעלי הספק גבוה-. עם זאת, לאור ההתפתחות המהירה של תעשיית המכשירים האלקטרוניים-העוצמתיים, מוצבים סטנדרטים גבוהים יותר לגבי המאפיינים המכניים והאמינות התפעולית לטווח ארוך של תהליכי AMB, המחייבים אופטימיזציה ושיפור מתמשכים. במקביל, מצעי קרמיקה AMB מתמודדים עם אותו צוואר בקבוק טכני של דיוק מעגל לא מספיק כמו מצעי DBC. אם ניתן לפתח טכנולוגיות חדשות להשגת דיוק מעגלים הדומה לזה של תהליך DPC, מצעים קרמיים של AMB צפויים להחליף מצעים דומים אחרים בעתיד, ויראו פוטנציאל יישום גדול [4].

2.4 לייזר-מתכת מושרה

בתהליך המתכת המושרה בלייזר-, נעשה שימוש בקרן לייזר להקרנה סלקטיבית של מצע קרמי המכיל-אלומיניום. החומר הקרמי המוקרן מצטמצם לאטומי מתכת מופעלים. לאחר מכן, המצע טובל בתמיסת ציפוי ללא חשמל המכילה Cu²⁺, כאשר האטומים המופעלים מקדמים את הפחתת Cu²⁺ והשקעתו על האזורים המוקרנים, ויוצרים דפוסי מעגלים מתכתיים [10].

ציפוי ללא אלקטרו הוא תהליך חיזור אוטוקטליטי שאינו דורש זרם חיצוני; יוני מתכת מופחתים למתכת מוצקה על ידי חומרים מפחיתים כימיים בתמיסה [11], והאנרגיה המניעה את ההפחתה הזו מגיעה מהחומרים המפחיתים הכימיים שבתמיסה. בדרך כלל, יוני מתכת באמבט הציפוי אינם מופחתים בקלות באופן ספונטני, ולעתים קרובות יש צורך בזרז כתווך ביניים להורדת אנרגיית ההפעלה ליצירת גרעין מתכת. ברגע שחלקיקי זרז מופקדים בהצלחה על פני המצע, ניתן להפעיל שקיעת מתכת בקנה מידה גדול.

מתכת-מושראת בלייזר מתבצעת בדרך כלל על מצעים המכילים אלומיניום- מכיוון שקרינת לייזר יכולה ליצור אטומי Al פעילים. עם זאת, הביצועים הקטליטיים של אטומי אל אינם אידיאליים, ויש צורך בזרזים אחרים כדי לשפר את יעילות התצהיר.

העיצוב של תהליכי מתכת-מושרה בלייזר רגיש מאוד לפרמטרים של לייזר, מאפייני מצע קרמי ופרמטרים של תהליך ציפוי אלקטרוני. למרות שטכניקה זו משלבת את יתרון העלות של ציפוי נחושת עם דיוק מעגלים גבוה של תהליכי LAM (לייזר-מתכת) העלות הגבוהה של ציוד הלייזר והזיהום הסביבתי הנגרם מציפוי אלקטרוניקה נותרים גורמים חשובים המגבילים את השימוש הנרחב נוסף שלו.

2.5 מתכת-סרט עבה

מתכת-סרט עבה כרוכה בהדפסת מסך-שכבות מתכת לאיטום, מוליכים (חיווט מעגל), נגדים וכו', על גבי מצעים קרמיים, ולאחר מכן סינטר ליצירת שכבות מתכת, מעגלים ונקודות חיבור של עופרת. משחות סרט עבה- מורכבות בדרך כלל מאבקות מתכת בגודל חלקיקים סביב 1.5 מיקרומטר, אחוזים בודדים של חומר מקשר קבוע, וכלי רכב אורגני (כולל ממיסים אורגניים, מעבים, חומרים פעילי שטח וכו'), שהוכנו בטחינה וערבוב בכדור. השלבים של מתכת-סרט עבה כוללים בדרך כלל: עיצוב דפוס והכנת יצירות אמנות, הכנת הדבקה, הדפסת מסך, ייבוש וסינטרינג [12].

מתכת-סרט עבה משתמשת בעקרון של הדפסת מסך. ראשית, שכבות המתכת הנדרשות לאריזה או רכיבים אלקטרוניים כגון נגדים מחוברות למצע הקרמי מאלומיניום ניטריד. לאחר מכן, שכבות המתכת והרכיבים האלקטרוניים מחוברים למשטח המצע הקרמי באמצעות סינטר-בטמפרטורה גבוהה, תוך השגת חיבורים יציבים בין כל החלקים. לתהליך זה יש יישומים רחבים באריזת מכשירים אלקטרוניים וחיווט מעגלים. המשחה המוליך היא הגורם המרכזי המשפיע על איכות מתכת הסרט העבה-; הרכבו מורכב בעיקר מאבקות מתכת (1-5 מיקרומטר), זכוכית, קלסרים וכלי רכב אורגני מעורבים בטחינת כדורים [13].

שיטת המתכת-הסרטים העבים ישימה למגוון רחב של סוגי קרמיקה ויש לה תהליך פשוט [14]. עם זאת, מוגבל על ידי גדלי מסך ומשחות מוליכות, קשה לייצר חוטים ברוחב קו מתחת ל-60 מיקרומטר. המאפיינים החשמליים וחוזק ההידבקות של שכבת המתכת גרועים יחסית, מה שהופך אותה למתאימה רק למכשירים אלקטרוניים עם דרישות הספק וגודל נמוכים יותר. משחות מוליכות המתאימות במיוחד למתכת סרט עבה-אלומיניום ניטריד עדיין נדירות יחסית, וניסוחי משחה זמינים מסחרית אינם ישימים ישירות; אחרת, עלולות להופיע שלפוחיות בממשק [15].

2.6 מתכת-סרט דק

מתכת-סרט דק הוא תהליך שבו חומרי מתכת מאודים ומופקדים על משטחים קרמיים על ידי שיטות של שקיעת אדים פיזית כגון אידוי ואקום או קפיצה ליצירת סרט מתכת דק, ולאחר מכן מיסוך, תחריט ושלבים אחרים ליצירת דפוסי מעגלים מתכתיים.

בתיאוריה, תהליך זה יכול ליצור סרטי מתכת אחידים בקנה מידה מיקרוני על חומרי מצע שונים באמצעות אידוי או קיצוץ. עם זאת, בשל ההבדל המשמעותי במקדמי ההתפשטות התרמית בין קרמיקה לנחושת מתכתית, שקיעת נחושת ישירה על קרמיקת אלומיניום ניטריד מביאה לחצים גדולים בין שכבות המתכת והקרמיקה, המשפיעות על חוזק ההידבקות של הציפוי לקרמיקה ועל יציבות המחזור התרמית של המצע. לכן, בשנים האחרונות, גישות בתצהיר רב-שכבתי הפכו פופולריות. השכבה הראשונה היא בדרך כלל שכבת Ti, והשכבה השנייה נבחרת ממתכות כמו Cu, Ag או Au. כאשר החלקת נקע ואינטראקציות בשכבה בודדת מועברות לשכבה אחרת עקב מתחים פנימיים גדולים, הלחצים הפנימיים בתוך שכבת המתכת מוקלים גם הם.

מתכת סרט דק-מציע איכות גבוהה, הידבקות חזקה, ציפויים אחידים ורזולוציית דפוס עדינה. עם זאת, הוא יכול לייצר רק שכבות מתכת דקות מאוד, ותהליך ההכנה מורכב יחסית, הכולל שלבים מרובים, כולל טיפול פני השטח, שקיעת מתכת וטיפול לאחר-, הדורשים בקרה קפדנית על פרמטרי התהליך. כתוצאה מכך עלויות ייצור גבוהות, מגבילות מאוד את הפיתוח שלה.