Überblick über gängige Metallisierungsprozesse und Anwendungen von keramischen Kühlkörpersubstraten

Da die elektronische Technologie in Richtung höherer Leistungsdichte, höherer Frequenz und Miniaturisierung voranschreitet, ist das Wärmemanagement zu einem zentralen Faktor geworden, der die Systemleistung und -zuverlässigkeit einschränkt. Keramiksubstrate mit ihrer hervorragenden Wärmeleitfähigkeit, elektrischen Isolierung, hohen Temperaturbeständigkeit und den Eigenschaften zur Anpassung an die Wärmeausdehnung sind zu entscheidenden Trägern für Leistungshalbleiter und hochwertige elektronische Verpackungen geworden. Insbesondere mit der Unterstützung von Schlüsselprozessen wie der Metallisierung von Aluminium können sich keramische Materialien von isolierenden Medien in hochzuverlässige elektrische Verbindungsstrukturen verwandeln und spielen eine grundlegende Rolle in modernen elektronischen Systemen.

 

Nach dem Sintern müssen Keramiksubstrate einer Metallisierung unterzogen werden, um eine leitende Schicht aufzubauen, die elektrische Verbindungen zwischen dem Chip und externen Schaltkreisen ermöglicht. Aktuelle Mainstream-Technologien können in zwei Hauptkategorien unterteilt werden: planare Metallisierung und dreidimensionale, gemeinsam gebrannte Metallisierung. Unter diesen hat der Prozess der Metallisierung von Aluminiumkeramik eine ausgereifte Anwendungsgrundlage in der Leistungselektronik, Kommunikationsausrüstung und Fahrzeugen mit neuer Energie geschaffen.

 

 

 

Planare Keramiksubstrate bilden typischerweise leitfähige Schichten auf zweidimensionalen Oberflächen mithilfe von Methoden wie Sputtern, Verdampfen, Galvanisieren oder chemischem Plattieren. Dieses Verfahren ist ausgereift, kostengünstig und für die Massenproduktion geeignet, was es zur gängigen Lösung im Bereich metallisierter Keramik für elektrische Anwendungen macht.

 

1. DPC-Prozess (Directly Plated Ceramic).

Die auf der Halbleiter-Mikrofabrikation basierende DPC-Technologie ermöglicht eine hochpräzise Schaltkreisherstellung durch Sputtern von Keimschichten, fotolithografische Musterübertragung und galvanische Verdickung. Mit dieser Technologie können feine Linien im Bereich von 20–30 μm erzielt werden, was eine extrem hohe Musterauflösung und Ausrichtungsgenauigkeit bietet. Gleichzeitig werden Niedertemperaturprozesse eingesetzt, wodurch die Auswirkungen thermischer Spannungen auf die Materialstruktur effektiv vermieden werden.

 

DPC eignet sich besonders für hochintegrierte Verpackungsanwendungen wie LED-Verpackungen, mikroelektronische Geräte und hochdichte Verbindungsmodule und ist einer der wichtigsten technologischen Wege zur Herstellung präzisionsmetallisierter Keramik. Allerdings ist die Dicke der Metallschicht begrenzt, die Kontrolle der Gleichmäßigkeit der Galvanisierung ist eine Herausforderung und es werden hohe Anforderungen an die Prozessstabilität gestellt.

 

2. DBC-Prozess (Direct Copper Ceramic).

Beim DBC-Verfahren wird durch eine eutektische Reaktion bei hohen Temperaturen eine metallurgische Verbindung zwischen Kupfer und Keramik erreicht, was zu einer extrem hohen Verbindungsfestigkeit und einer hervorragenden Wärmeleitfähigkeit führt. Seine Kupferschichtdicke variiert stark (120–700 μm), erfüllt die Anforderungen der Hochstromübertragung und macht es zu einer der ausgereiftesten Lösungen für die Verpackung von Leistungsgeräten.

 

Diese Technologie wird häufig in IGBT-Modulen, Stromversorgungsgeräten und anderen Bereichen eingesetzt und stellt eine typische Anwendung metallisierter Aluminiumoxidkeramik für elektrische Komponenten dar. Allerdings ist seine Linienbreitengenauigkeit relativ gering und die Zuverlässigkeit kann durch Mikroporen an der Grenzfläche unter Temperaturwechselbedingungen beeinträchtigt werden, was seine Anwendung in hochpräzisen Verpackungen einschränkt.

 

3. AMB-Prozess (Active Metal Bonding).

Die AMB-Technologie führt Lot ein, das aktive Elemente wie Ti enthält, um bei mittleren bis hohen Temperaturen eine starke Grenzflächenbindung zwischen Keramik und Metall zu erreichen und so Spannungsprobleme, die durch eine Fehlanpassung der thermischen Ausdehnung verursacht werden, effektiv zu mildern. Im Vergleich zu herkömmlichem DBC weist es eine überlegene Zuverlässigkeit unter Hochtemperatur-Zyklusbedingungen auf.

 

Dieses Verfahren eignet sich für Betriebsumgebungen mit hoher Leistungsdichte und hohen Temperaturen, beispielsweise für Leistungsmodule für Fahrzeuge mit neuer Energie und für die Verpackung von Halbleiterbauelementen der dritten Generation. Es ist eine wichtige Richtung für die Entwicklung hochfester metallisierter Keramikkomponenten. Allerdings werden hohe Anforderungen an die Prozessumgebung (Vakuum oder Schutzatmosphäre) und das Materialsystem gestellt, was zu relativ hohen Kosten führt.

 

 

 

Während sich Verpackungsstrukturen in Richtung dreidimensionaler Integration weiterentwickeln, werden dreidimensionale Keramiksubstrate mit Hohlraumstrukturen und mehrschichtigen Verbindungsfunktionen nach und nach zu wichtigen Trägern für High-End-Verpackungen. Diese Art von Technologie verwendet gemeinsam gebrannte Keramik als Kern, was eine Verdrahtung mit hoher -Dichte und eine hermetisch dichte Verpackung ermöglicht und häufig in hoch{7}zuverlässigen elektronischen Systemen eingesetzt wird.

 

1. HTCC (Hochtemperatur-Co-gebrannte Keramik)

HTCC verwendet hochschmelzende Metallpasten (wie Wolfram und Molybdän) und Keramikmaterialien, die bei Temperaturen über 1500 Grad gemeinsam gebrannt werden, um eine integrale Struktur zu bilden. Es verfügt über eine ausgezeichnete mechanische Festigkeit und eine hohe -Temperaturbeständigkeit, wodurch es für elektronische Verpackungen in extremen Umgebungen geeignet ist.

 

Diese Technologie wird häufig in Militär-, Luft- und Raumfahrt- sowie Hochleistungsmodulen eingesetzt und ist eine typische Lösung für metallisierte Keramikgehäuse für Leistungshalbleiter. Allerdings sind seine Herstellungskosten hoch und seine Leitfähigkeit relativ begrenzt, was es für Hochfrequenz-Präzisionsschaltungen ungeeignet macht.

 

2. LTCC (Low-Co-gebrannte Keramik)

LTCC verwendet ein Niedertemperatur-Sintermaterialsystem (<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.

 

In der 5G-Kommunikation, bei Radarsystemen und Hochfrequenzmodulen hat sich LTCC zu einer der Mainstream-Lösungen entwickelt, die häufig in metallisierten Aluminiumoxidkeramiken für elektronische Anwendungen eingesetzt wird. Der Nachteil besteht darin, dass seine mechanische Festigkeit und Wärmeleitfähigkeit etwas geringer sind als die von HTCC-Systemen.

 

 

Aus Anwendungssicht haben verschiedene Metallisierungsverfahren jeweils ihre Vorteile:

 

DPC: Hochpräzise, ​​miniaturisierte Verpackung → Mikroelektronik, LED

DBC: Hohe Wärmeleitfähigkeit, hoher Strom → Leistungsmodule, IGBTs

AMB: Hohe Zuverlässigkeit, Hoch-Temperaturwechsel → Neue Energiefahrzeuge, SiC/GaN-Geräte

HTCC: Hohe Festigkeit, hohe Temperaturbeständigkeit → Militärische und extreme Umgebungen

LTCC: Hochfrequenz, hohe Integration → Kommunikation und Hochgeschwindigkeitselektronik

 

In der praktischen Technik muss ein umfassender Auswahlprozess durchgeführt werden, der die Anforderungen an die Wärmeleitfähigkeit, den Nennstrom, die Packungsdichte und die Kosten berücksichtigt, um eine optimale Leistungsanpassung zu erreichen. Diese Technologien bilden zusammen das Kerntechnologiesystem der metallisierten Keramik für elektrische Komponenten.

 

 

 

Die zukünftige Entwicklung der keramischen Metallisierungstechnologie wird sich auf folgende Richtungen konzentrieren:

 

Höhere Wärmeleitfähigkeit (für SiC/GaN-Geräte)

Höhere Verdrahtungsgenauigkeit (Mikrometer--Ebene oder sogar Nanometer--Ebene)

Verbundwerkstoffe aus mehreren Materialien (hochwertige Keramik wie AlN und Si₃N₄)

Drei-dimensionale Integration und System-in-Paket (SiP)

 

Gleichzeitig werden Präzisionsbearbeitungs- und Strukturoptimierungsmöglichkeiten im Zusammenhang mit aluminiumoxidmetallisierten Keramiken zu einem entscheidenden Wettbewerbsvorteil bei der Steigerung des Produktmehrwerts.

 

 

Als professioneller Hersteller sind wir auf die Präzisionsbearbeitung von Aluminiumoxidkeramikteilen und hoch{0}zuverlässigen Metallisierungslösungen spezialisiert und bestrebt, unseren Kunden integrierte Unterstützung von der Materialauswahl über das Strukturdesign bis hin zur Metallisierungsimplementierung zu bieten. Zu unseren Produkten gehören metallisierte Keramik-Isolierrohre,Metallisieren von Keramikteilen, hochpräzise Strukturkomponenten und maßgeschneiderte Verpackungssubstrate, die häufig in den Bereichen neue Energie, Leistungselektronik und High-End-Ausrüstung eingesetzt werden.

 

Durch die Nutzung unseres ausgereiften Prozesssystems und unserer stabilen Fertigungskapazitäten können wir Aluminiumoxid-metallisierte Keramik zum Kleben und verschiedene Arten funktioneller Keramikkomponenten bereitstellen, die strenge Anwendungsanforderungen erfüllen und unseren Kunden dabei helfen, Systemintegrationslösungen mit höherer Leistung und höherer Zuverlässigkeit zu erzielen.