סקירה כללית של תהליכי מתכת מיינסטרים ויישומים של מצע קרמי לגוף קירור

ככל שהטכנולוגיה האלקטרונית מתקדמת לקראת צפיפות הספק גבוהה יותר, תדר גבוה יותר ומזעור, ניהול תרמי הפך לגורם מרכזי המגביל את הביצועים והאמינות של המערכת. מצעים קרמיים, עם מוליכות תרמית מעולה, בידוד חשמלי, התנגדות-לטמפרטורות גבוהות ומאפיינים התואמים של התפשטות תרמית, הפכו לנשאים חיוניים עבור מוליכים למחצה הספק ואריזות אלקטרוניות-יותר. במיוחד עם תמיכה של תהליכי מפתח כגון מתכת אלומיניום, חומרים קרמיים יכולים להפוך ממדיה מבודדת למבני חיבור חשמליים אמינים במיוחד, הממלאים תפקיד בסיסי במערכות אלקטרוניות מודרניות.

 

לאחר סינטר, מצעים קרמיים חייבים לעבור מתכת לבניית שכבה מוליכה, המאפשרת חיבורים חשמליים בין השבב למעגלים חיצוניים. ניתן לחלק את הטכנולוגיות המיינסטרים הנוכחיות לשתי קטגוריות עיקריות: מתכת מישורית ומתכת-משותפת-תלת מימדית. בין אלה, תהליך המתכת של אלומיניום קרמיקה הקים בסיס יישומי בוגר באלקטרוניקה כוח, ציוד תקשורת ורכבי אנרגיה חדשים.

 

 

 

מצעים קרמיים מישוריים יוצרים בדרך כלל שכבות מוליכות על משטחים דו-מימדיים-באמצעות שיטות כגון קיצוץ, אידוי, ציפוי אלקטרוני או ציפוי כימי. תהליך זה בוגר, חסכוני-ומתאים לייצור המוני, מה שהופך אותו לפתרון המיינסטרים בתחום של קרמיקה מתכתית ליישומי חשמל.

 

1. תהליך DPC (קרמיקה בציפוי ישיר).

טכנולוגיית DPC, המבוססת על ייצור מיקרו מוליכים למחצה, משיגה ייצור מעגלים-בדיוק גבוה באמצעות קפיצת שכבות זרעים, העברת דפוסים פוטוליטוגרפיים ועיבוי של ציפוי אלקטרו. טכנולוגיה זו יכולה להשיג קווים עדינים ברמת 20-30 מיקרומטר, ומציעה רזולוציית דפוס גבוהה במיוחד ודיוק יישור. במקביל, הוא משתמש בתהליכי-טמפרטורות נמוכות, ובכך נמנע למעשה מהשפעת הלחץ התרמי על מבנה החומר.

 

DPC מתאים במיוחד ליישומי אריזה בשילוב-גבוהה, כגון אריזות LED, התקנים מיקרואלקטרוניים ומודול חיבורים בצפיפות- גבוהה, והוא אחד מהנתיבים הטכנולוגיים המרכזיים להשגת Precision Metallized Ceramics. עם זאת, עובי שכבת המתכת שלו מוגבל, בקרת אחידות האלקטרוניקה מאתגרת, ודרישות גבוהות מונחות ליציבות התהליך.

 

2. תהליך DBC (Direct Copper Ceramic).

תהליך ה-DBC משיג קשר מתכותי בין נחושת לקרמיקה באמצעות תגובה אוקטית בטמפרטורות גבוהות, וכתוצאה מכך חוזק מליטה גבוה במיוחד ומוליכות תרמית מעולה. עובי שכבת הנחושת שלו נע בטווח רחב (120-700 מיקרומטר), עונה על הדרישות של העברת זרם גבוה והופכת אותו לאחד הפתרונות הבוגרים ביותר לאריזת מכשירי חשמל.

 

טכנולוגיה זו נמצאת בשימוש נרחב במודולי IGBT, התקני אספקת חשמל ותחומים אחרים, המייצגים יישום טיפוסי של קרמיקה אלומינה מתכתית עבור רכיבי חשמל. עם זאת, הדיוק ברוחב הקו שלו נמוך יחסית, והאמינות עשויה להיות מושפעת ממיקרו-נקביות ממשק בתנאי מחזור תרמיים, ובכך להגביל את היישום שלו באריזה-בדיוק גבוה.

 

3. תהליך AMB (Active Metal Bonding).

טכנולוגיית AMB מציגה הלחמה המכילה אלמנטים פעילים כגון Ti כדי להשיג קשר ממשק חזק בין קרמיקה למתכת תחת טמפרטורות בינוניות עד גבוהות, ובכך מפחיתה ביעילות בעיות מתח הנגרמות מחוסר התאמה של התפשטות תרמית. בהשוואה ל-DBC המסורתי, הוא מפגין אמינות מעולה בתנאי רכיבה על אופניים-בטמפרטורה גבוהה.

 

תהליך זה מתאים לצפיפות הספק גבוהה וסביבות הפעלה-בטמפרטורה גבוהה, כגון מודולי הספק לרכבי אנרגיה חדשים ואריזת התקני מוליכים למחצה מהדור השלישי, ומהווה כיוון חשוב לפיתוח של רכיבים קרמיים מתכתיים-גבוהים. עם זאת, יש לו דרישות גבוהות לסביבת התהליך (וואקום או אווירה מגינה) ולמערכת החומרים, מה שגורם לעלויות גבוהות יחסית.

 

 

 

ככל שמבני אריזה מתפתחים לקראת אינטגרציה-תלת מימדית, מצעי קרמיקה תלת-מימדיים עם מבני חלל ויכולות חיבור רב-שכבתי הופכים בהדרגה לנשאים חשובים לאריזה-ת גבוהה. סוג זה של טכנולוגיה משתמשת-בקרמיקה משולבת כליבה, המאפשרת חיווט- בצפיפות גבוהה ואריזה סגורה הרמטית, ונמצאת בשימוש נרחב במערכות אלקטרוניות עם אמינות- גבוהה.

 

1. HTCC (High-Temperature Co-Ceramic

HTCC משתמשת במשחות מתכת בנקודת -התכה- גבוהה (כגון טונגסטן ומוליבדן) וחומרים קרמיים- הנורים יחד בטמפרטורות מעל 1500 מעלות כדי ליצור מבנה אינטגרלי. יש לו חוזק מכני מעולה ועמידות-בטמפרטורה גבוהה, מה שהופך אותו למתאים לאריזה אלקטרונית בסביבות קיצוניות.

 

טכנולוגיה זו נמצאת בשימוש נרחב במודולי צבא, תעופה וחלל ובמודולי הספק-גבוהים, והיא מהווה פתרון טיפוסי למעטפת קרמיקה מתכתית עבור מוליכים למחצה כוח. עם זאת, עלות הייצור שלו גבוהה, והמוליכות שלו מוגבלת יחסית, מה שהופך אותו לא מתאים למעגלי דיוק בתדר גבוה-.

 

2. LTCC (קרמיקה-נמוכה בטמפרטורה-

LTCC משתמש במערכת חומרי סינטר-נמוכים (<950℃), allowing it to be co-fired with highly conductive metals such as gold, silver, and copper. It possesses excellent electrical properties and high design flexibility. Its linewidth can be as low as 50μm, making it suitable for high-frequency, high-speed, and miniaturized packaging requirements.

 

בתקשורת 5G, מערכות מכ"ם ומודול-תדר גבוה, LTCC הפך לאחד הפתרונות המרכזיים, בשימוש נרחב בקרמיקה מתכתית של אלומינה ליישומים אלקטרוניים. החיסרון שלו הוא שהחוזק המכני והמוליכות התרמית שלו נמוכים מעט מאלו של מערכות HTCC.

 

 

מנקודת מבט של יישום, לתהליכי מתכת שונים לכל אחד יש את היתרונות שלו:

 

DPC: דיוק גבוה, אריזה ממוזערת ← מיקרואלקטרוניקה, LED

DBC: מוליכות תרמית גבוהה, זרם גבוה → מודולי הספק, IGBTs

AMB: אמינות גבוהה, רכיבה על אופניים-בטמפרטורה גבוהה → רכבי אנרגיה חדשים, התקני SiC/GaN

HTCC: חוזק גבוה, עמידות בטמפרטורה גבוהה ← סביבות צבאיות וקיצוניות

LTCC: תדר גבוה, אינטגרציה גבוהה ← תקשורת ואלקטרוניקה-מהירה

 

בהנדסה מעשית, יש לערוך תהליך בחירה מקיף, תוך התחשבות בדרישות מוליכות תרמית, דירוג זרם, צפיפות חבילה ועלות, כדי להשיג התאמת ביצועים מיטבית. טכנולוגיות אלו מהוות ביחד את מערכת הטכנולוגיה המרכזית של קרמיקה מתכתית לרכיבי חשמל.

 

 

 

הפיתוח העתידי של טכנולוגיית מתכת קרמית יתמקד בכיוונים הבאים:

 

מוליכות תרמית גבוהה יותר (עבור התקני SiC/GaN)

דיוק חיווט גבוה יותר (רמת-מיקרון או אפילו ננומטר-רמת

ריבוי-חומרים מרוכבים (קרמיקה-יוקרתית כגון AlN ו-Si₃N₄)

אינטגרציה-תלת מימדית ומערכת-ב-חבילה (SiP)

 

במקביל, יכולות עיבוד מדוייק ואופטימיזציה מבנית הקשורות לקרמיקה מתכתית של אלומינה יהפכו ליתרון תחרותי מכריע בהגברת הערך המוסף של המוצר.

 

 

כיצרן מקצועי, אנו מתמחים בעיבוד שבבי מדויק של חלקי קרמיקה אלומינה ופתרונות מתכת-באמינות גבוהה, מחויבים לספק ללקוחות תמיכה משולבת מבחירת חומרים ותכנון מבני ועד ליישום מתכת. המוצרים שלנו כוללים צינורות בידוד קרמיים מתכתיים,מתכת חלקי קרמיקה, רכיבים מבניים-בדיוק גבוה ומצעי אריזה מותאמים אישית, בשימוש נרחב בתחומי האנרגיה החדשה, האלקטרוניקה הכוחנית וציוד-יוקרתי.

 

תוך מינוף מערכת התהליכים הבוגרים שלנו ויכולות הייצור היציבות שלנו, אנו יכולים לספק אלומינה קרמיקה מתכתית להדבקה וסוגים שונים של רכיבים קרמיים פונקציונליים העומדים בדרישות יישום מחמירות, ומסייעים ללקוחות להשיג ביצועים גבוהים יותר ואמינות גבוהה יותר של פתרונות שילוב מערכות.