セラミックスと金属の「強力な組み合わせ」を可能にする技術とは

セラミックは無機非金属材料と呼ばれることが多く、結局のところ、両者の性能は大きく異なります。しかし、それぞれの利点が際立ちすぎるため、セラミックスと金属を組み合わせてそれぞれの長所を発揮する必要がある場合も多く、非常に重要な技術が生まれています。セラミックメタライゼーション技術。セラミックメタライゼーションは長年にわたり注目されており、国内外の学者がこれについて詳細な研究を行ってきました。

特に5G時代の到来により、半導体チップの高性能化が進み、軽量化・高集積化の開発傾向がますます顕著になり、放熱問題の重要性がますます高まっています。これは間違いなく、パッケージの放熱材料に対してより厳しい要件が課されています。パワーエレクトロニクス部品のパッケージ構造において、パッケージ基板は上部と下部の間の重要なリンクとして機能し、内部回路と外部回路の導通を維持します。また、放熱や機械的サポートなどの機能も備えています。新興の電子放熱パッケージ材料として、セラミックは高い熱伝導率、絶縁性、耐熱性、強度を有し、チップに適合する熱膨張係数を備えており、パワーエレクトロニクス部品に最適なパッケージ放熱材料です。

セラミックは回路で使用されるため、最初に金属化する必要がありますすなわち、セラミックスと強固に結合し、容易には溶けない金属膜をセラミックスの表面に堆積させて導電性を与え、その後、溶接プロセスを使用して金属リードまたは他の金属導電層と接続して、 1つ。

セラミックと金属の封止プロセスで最も重要なステップは次のとおりです。メタライゼーション、その品質は最終的なシーリング効果に影響します。

セラミックと金属の溶接の難しさ

1. セラミックスは線膨張係数が小さいのに対し、金属は線膨張係数が比較的大きいため、接合部にクラックが発生します。一般に、金属中間層の熱応力の問題には十分に対処する必要があります。

2. セラミック自体の熱伝導率が低く、耐熱衝撃性が弱い。溶接時は溶接部およびその周囲の温度勾配をできる限り小さくし、溶接後の冷却速度を管理する必要があります。

3. ほとんどのセラミックは導電性が低いか、導電性がないため、電気溶接の使用が困難です。

4. セラミックス材料は電子配位が安定しているため、金属とセラミックスが接合する可能性は低いです。セラミックは金属化するか、活性フィラー金属ではんだ付けする必要があります。

5. セラミックス材料は共有結合性の結晶が多いため変形しにくく、脆性破壊が起こりやすいです。現在、中間層の多くは溶接温度を下げるために使用され、溶接には間接拡散法が使用されています。

6. セラミックと金属の溶接の構造設計は、通常、フラットシール構造、エンベロープ構造、ピンシール構造、およびカウンターシール構造に分けられます。カプセル化構造の効果 何よりも、これらの接合構造を作るのは非常に困難です。

セラミックメタライゼーションのメカニズム

セラミックのメタライゼーションのメカニズムは比較的複雑で、いくつかの化学反応や物理反応、物質の塑性流動、粒子の再配列などが関与します。メタライゼーション層内の酸化物や非金属酸化物などのさまざまな物質は、さまざまな焼結段階でさまざまな化学反応や物質の拡散や移動を受けます。温度が上昇すると、さまざまな物質が反応して中間化合物を形成し、共通の融点に達すると、液体ガラス相が形成され、同時に塑性流動が生じます。毛細血管の働き。再配列が起こり、原子または分子が表面エネルギーによって拡散および移動し、粒子が成長し、細孔が徐々に縮小して消滅し、メタライゼーション層が緻密になります。

セラミックメタライゼーションプロセス

セラミックメタライゼーションのプロセスフローは次のとおりです。

ステップ 1: マトリックスの前処理。ダイヤモンド研磨ペーストを使用して、表面粗さが 1.6 μm 以下になるまで無加圧焼結セラミックを研磨します。基板をアセトンとアルコールに浸し、室温で 20 分間超音波で洗浄します。

ステップ 2: 金属化スラリーの調製。金属化処方に従って原料を秤量し、一定時間ボールミルして、一定の粘度の金属化スラリーを作成します。

ステップ 3: ペイントして乾燥させます。スクリーン印刷技術を使用してスラリーをセラミック基板に塗布します。スラリーの厚さが薄すぎると、はんだがメタライズ層に流れ込みやすくなります。その後、スラリーをオーブンに入れて乾燥させます。

ステップ 4: 熱処理。乾燥した基板を還元雰囲気に置き、焼結して金属化層を形成します。

セラミックメタライゼーションの具体的な方法

セラミックメタライゼーションに一般的に使用される調製方法には、主に Mo-Mn 法、活性化 Mo-Mn 法、活性金属ろう付け法、直接銅コーティング法 (DBC)、およびマグネトロン スパッタリング法が含まれます。

1. Mo-Mn 法

Mo-Mn 法は、高融点金属粉末 Mo をベースにし、金属化配合に少量の低融点 Mn を加え、結合剤を加えて Al2O3 の表面をコーティングします。セラミックを焼結し、金属化学層を形成します。従来の Mo-Mn 法の欠点は、焼結温度が高いこと、エネルギー消費量が高いこと、配合中に活性剤が含まれていないため、シール強度が低いことです。

2. Mo-Mn メソッドの活性化

活性化 Mo-Mn 法は、従来の Mo-Mn 法を改良したもので、主な改善の方向性は、活性化剤の添加と、金属をモリブデンとマンガンピンクの酸化物または塩に置き換えることです。 。どちらのタイプの改善方法も、メタライゼーション温度を下げることを目的としています。

活性化Mo-Mn法は工程が複雑でコストが高いという欠点がありますが、その組み合わせは強力で濡れ性を大幅に向上させることができるため、今でも最も古い発明です。セラミックと金属の封止プロセスで、最も成熟し、広く使用されているプロセスです。

3. 活性金属ろう付け方法

活性金属ろう付け法もMo-Mn法に比べて10年遅れて開発され、広く使われているセラミックスと金属の封着法です。シールは 1 回の加熱プロセスだけで完了します。ろう材にはTi、Zr、Hf、Taなどの活性元素が含まれており、添加された活性元素がAl2O3と反応して界面に金属的性質を持った反応層を形成します。この方法はモリブデンと比較して量産に容易に適用できます。マンガン法と同様に、この方法は比較的簡単で経済的です。

活性金属ろう付け法の欠点は、活性はんだが単一であるため、連続生産には適しておらず、大型部品にのみ適しているという点です。単品生産または小ロット生産。

4. ダイレクトボンド銅 (DBC)

DBC は、セラミック表面 (主に Al2O3 および AlN) に銅箔を接合するメタライゼーション方法であり、チップ オン ボード (COB) パッケージング技術の台頭とともに開発されました。テクノロジーの。基本原理は、Cuとセラミックスの間に酸素元素を導入し、1065〜1083℃でCu/O共晶液相を形成し、セラミックマトリックスおよび銅箔と反応してCuAlO2またはCu(AlO2)2を生成します。銅箔とマトリックスとの間の結合は、中間相の作用によって達成されます。

5. マグネトロンスパッタリング法

マグネトロン スパッタリングは、マグネトロン技術を使用して基板上に多層膜を堆積する物理蒸着の一種です。他の堆積技術に比べて、密着性が高く、汚染が少ないなどの利点があります。堆積サンプルの結晶性が向上し、高品質の膜が得られます。

この方法で得られるメタライゼーション層は非常に薄く、部品サイズの精度を確保できますが、高温に耐性のないセラミックス（圧電体など）のメタライゼーションには適していません。セラミックスや単結晶など）。

セラミックメタライゼーションの影響要因 < /p>

1. メタライゼーションの式

これはセラミックメタライゼーションを実現するための前提条件であり、その配合を慎重かつ科学的に設計する必要があります。

2. メタライズ温度と保持時間

セラミックのメタライゼーションに影響を与えるもう 1 つの重要な要素は、メタライゼーションの焼結温度と保持時間です。メタライズ温度は4つのプロセスに分けられ、1600℃以上は超高温、1450～1600℃は高温、1300～1450℃は中温、1300℃未満は低温となります。温度。適切な焼結温度が必要です。温度が低すぎると、ガラス相が拡散せず、温度が高すぎると、メタライズ層がセラミックから剥がれやすくなり、封止不良が発生します。 。

3. メタライゼーション層の微細構造

メタライゼーションプロセスはメタライゼーション層の微細構造を決定し、微細構造は溶接体の最終性能に直接影響します。良好な溶接性能を得るには、まずメタライゼーション層が高い接合強度を備えた緻密なフィルムである必要があります。メタライゼーション層の微細構造の各領域に透明な層があり、どの界面にも連続的な脆性金属化合物が観察されない場合、脆化や亀裂の伝播の可能性が減少し、界面が緊密になり亀裂が少なくなります。これは、メタライゼーション層が緻密であり、接合強度が比較的高いことを示しています。

4. その他の要因

セラミックのメタライゼーションの程度に影響を与える多くの要因に注意する必要があります。たとえば、粉末の粒子サイズや適切なグラデーションの影響など、粉末が細かすぎて粒度が大きい場合です。表面エネルギーが低下すると、凝集が生じやすくなり、粉末の平滑性に影響を及ぼします。粉末が粗すぎると、表面エネルギーが低下し、焼結温度の上昇につながり、焼結に影響を及ぼします。品質。さらに、コーティング方法とコーティングの厚さもセラミックメタライゼーションに大きな影響を与えます。