Hoch-metallisierte Keramikkomponenten: Wichtige Verbindungsbrücken in hochwertigen elektronischen Geräten

Diese Keramik--Metall-Verbundstruktur löst Probleme wie Rissbildung und Delaminierung, die durch eine fehlerhafte Wärmeausdehnung bei herkömmlichen Verpackungen verursacht werden. Beispielsweise dienen in Leistungshalbleitermodulen präzisionsmetallisierte Aluminiumoxid-Keramikkomponenten als isolierende Substrate, die auf der einen Seite Schaltkreise mit hoher -Dichte unterstützen und auf der anderen direkt Kühlkörper verlöten, wodurch Hochspannung effektiv isoliert und gleichzeitig Wärme effizient geleitet wird. In elektronischen Vakuumgeräten (z. B. Wanderfeldröhren und Magnetrons) werden metallisierte Keramik-Isolierröhren zur Bleiabdichtung verwendet, um die langfristige Stabilität der internen Hochvakuumumgebung zu gewährleisten und die Luftdichtheit auch bei Temperaturen von Hunderten von Grad Celsius aufrechtzuerhalten.

Dank seiner einzigartigen Gesamtleistung hat sich die Anwendung von metallisierten Keramikgehäusen für Leistungshalbleiter nach und nach vom Militär und der Luft- und Raumfahrt auf zivile High-End-Bereiche wie Fahrzeuge mit neuer Energie, 5G-Kommunikation, Industrielaser und Photovoltaik-Wechselrichter ausgeweitet. Bei IGBT-Modulen für Elektrofahrzeuge sind aluminiumoxidmetallisierte Keramiken aufgrund ihres ausgewogenen Preis-Leistungs-Verhältnisses zum gängigsten Isoliersubstrat geworden. Bei Anwendungen mit höheren Anforderungen an die Wärmeableitung werden hingegen mit Aluminiumnitrid (AlN) metallisierte Substrate mit einer Wärmeleitfähigkeit von mehr als 170 W/m·K verwendet. Darüber hinaus gewährleisten hochreine Aluminiumoxid-Präzisionskeramikmetallisierungsteile in Gehäusen von Hochfrequenz-Kommunikationsgeräten, Sensorgehäusen und Hochspannungskondensatoren aufgrund ihres geringen dielektrischen Verlusts und ihrer hohen mechanischen Festigkeit wirksam die Signalintegrität und strukturelle Zuverlässigkeit.

Zu den aktuellen Mainstream-Metallisierungstechnologien gehören das Molybdän-Mangan (Mo-Mn)-Verfahren, Direct Copper Bonding (DBC), Direct Copper Plating (DPC) und Active Metal Brazing (AMB). Unter diesen eignet sich die Mo-Mn-Methode für hochzuverlässige Vakuumversiegelungsanwendungen und ist ein traditionelles, aber ausgereiftes Verfahren; DBC verbindet Kupferfolie bei hohen Temperaturen direkt mit der Keramikoberfläche und eignet sich daher für Hochstrom-Leistungsmodule. DPC nutzt Dünnschichtprozesse, um feine Schaltkreise zu erhalten, die für Verbindungen mit hoher Dichte geeignet sind. und AMB verwendet Aktivlote (wie Ag-Cu-Ti), um hoch{10}}feste Verbindungen zwischen Keramik und Kupfer bei niedrigeren Temperaturen zu erreichen und dabei hohe Wärmeleitfähigkeit und hohe Zuverlässigkeit zu kombinieren. Die Auswahl unterschiedlicher Verfahren richtet sich nach den umfassenden Anforderungen des Anwendungsszenarios hinsichtlich Wärmeleitfähigkeit, Stromdichte, Schaltungsgenauigkeit und Kosten.

Es ist erwähnenswert, dass die Leistung hochfester metallisierter Keramikkomponenten nicht nur vom Materialsystem, sondern auch vom Präzisionsbearbeitungsgrad der Aluminiumoxidkeramikteile abhängt. Die Ebenheit des Substrats, die Oberflächenrauheit und die Lochgenauigkeit wirken sich direkt auf die Gleichmäßigkeit der nachfolgenden Metallisierung und die Lötausbeute aus. Beispielsweise kann bei metallisierten Aluminiumoxidkeramiken für elektrische Komponenten die Kontrolle der Dickentoleranz im Mikrometerbereich Spannungskonzentrationen bei Temperaturwechseln vermeiden und die Lebensdauer der Geräte verlängern.

Trotz der erheblichen Vorteile metallisierter Keramik für elektrische Komponenten steht ihre Herstellung immer noch vor Herausforderungen: Erstens sind die Prozesse komplex und energieintensiv, insbesondere die Hochtemperatur-Sinterstufe, die eine strenge Ausrüstung und Atmosphärenkontrolle erfordert. Zweitens bieten Keramiken auf Beryllium--Basis (wie BeO) zwar eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit, bergen jedoch Risiken in Bezug auf Toxizität und werden nach und nach durch AlN ersetzt. Drittens werden mit der Miniaturisierung von Geräten höhere Anforderungen an die Linienbreite/-abstände und die Mehrschichtverdrahtungsfähigkeiten von präzisionsmetallisierten Keramiken gestellt.

Zukünftig wird sich die Entwicklung metallisierter Keramikgehäuse für Leistungshalbleiter auf drei Hauptrichtungen konzentrieren: erstens die Entwicklung von bei niedriger Temperatur gebrannten Keramiken (LTCC) und Metallisierungsintegrationsprozessen zur Reduzierung des Energieverbrauchs; zweitens die Förderung der Verwendung von sauerstofffreiem Kupfer, Silber und anderen hochleitfähigen Metallen in DPCs/AMBs zur Verbesserung der elektrischen Leistung; und drittens die Erweiterung der Kompatibilität in Halbleitermodulen der dritten-Generation (SiC, GaN), um höhere Betriebstemperatur- und Spannungsanforderungen zu erfüllen.

Als Schlüsseltechnologie für Keramik-{0}zu-{1}Metall-Verbindungen rücken hoch{2}}metallisierte Keramikkomponenten von „Hinter{3}}den-Kulissen an die Spitze der Industrieentwicklung. Seine unersetzliche Rolle bei der Gewährleistung des zuverlässigen Betriebs elektronischer Systeme unter extremen Umgebungsbedingungen wird weiterhin gemeinschaftliche Innovationen in den Materialwissenschaften und Herstellungsprozessen vorantreiben.