窒化アルミニウムセラミック基板のメタライゼーション技術経路の分析: セラミック基板から高信頼性電子パッケージング用途まで-

新エネルギー車、パワー半導体、エネルギー貯蔵システム、パワー エレクトロニクスなどの高出力アプリケーション分野-では、-放熱性能と構造的信頼性が、電子機器の長期安定した動作にとって重要な要素となります。-窒化アルミニウム (AlN) セラミックは、その高い熱伝導率、低い誘電損失、優れた絶縁特性、良好な熱安定性のおかげで、高出力電子パッケージング用の重要な基板材料としてますます注目を集めています。-

 

ただし、窒化アルミニウムは本質的に絶縁材料であるため、電気接続や信号伝導を直接促進することはできません。したがって、パワーモジュール、半導体パッケージング、または高電圧電気部品に使用する前に、表面メタライゼーション技術を採用してセラミック基板に導電性を付与し、セラミックと金属間の確実な接合を確保する必要があります。-

 

セラミックメタライゼーションにおける主な課題は、材料間の基本的な違いにあります。窒化アルミニウムは強い共有結合を特徴とする化合物であるのに対し、金属は一般に金属結合を特徴とします。この差異により、濡れ性の低下や熱膨張係数 (CTE) の不一致などの問題が発生します。高温の動作環境では、金属層とセラミック間の接着強度が不十分であると、熱応力によって生じる界面剥離や亀裂などの障害が発生する可能性があります。したがって、信頼性の高いセラミックメタライゼーションプロセスの開発は、セラミック基板の産業応用を進める上で極めて重要です。

 

現在、窒化アルミニウム セラミック基板には、機械的接続、厚膜技術、活性金属ろう付け (AMB)、共焼成、薄膜プロセス、直接接合銅 (DBC)、直接めっき銅 (DPC) などのさまざまなメタライゼーション技術が使用されています。{0}{1}

 

 

 

機械的接続は、セラミックと金属を接合するために使用される最も初期の方法の 1 つです。セラミック基板を金属部品に固定するには、構造設計と焼きばめやボルト締めなどの機械的応力-を利用します。-{3}}

 

この方法には比較的単純なプロセスが含まれ、最小限の設備しか必要とせず、かなりの製造上の柔軟性が得られます。ただし、界面での接続は主に外部の機械力に依存しているため、長期の熱サイクルや高温振動中に重大な機械的応力が発生する可能性があります。-したがって、高い信頼性や高温動作が必要なアプリケーションには適していません。-

 

一方、接合技術は、セラミックスと金属の間に有機接着材料を導入し、硬化プロセスを経て接合構造を形成します。このアプローチにより、異なる材料システムの接合が可能になります。-たとえば、セラミック絶縁構造と導電性金属コンポーネントを組み合わせて、統合アセンブリを作成します。

 

ただし、有機結合材料の耐熱温度には限界があるため、高出力電子機器や HVDC (高電圧直流) システムなどの厳しい環境では信頼性が制限されます。{0}{1}その結果、現在では主に低温、低応力環境での構造固定に使用されています。-

 

 

厚膜技術は、セラミック表面金属化の確立されたプロセスです。{0}この技術は通常、スクリーン印刷を使用して、-金属粉末を含む導電性ペースト-を窒化アルミニウム (AlN) セラミックの表面に塗布します。その後の乾燥と高温焼結ステップにより、金属層がセラミック基板にしっかりと結合します。-

 

導電性ペーストは通常​​、金属粉末、ガラスバインダー、有機ビヒクルで構成されています。金属粉末は最終的な導電性と機械的強度を決定します。一般的に使用される金属には、銀、銅、ニッケルなどがあります。

 

このプロセスは、生産効率が高く、コストが低く、技術的に成熟しているなどの利点があり、電子セラミック基板の大量生産に適しています。さらに、ペースト配合を最適化することで、優れた電気的性能と熱サイクルの信頼性が可能になります。

 

ただし、スクリーン印刷の解像度制限のため、厚膜プロセスで生成される回路寸法は比較的大きく、高密度、ファインピッチ回路の要件を満たすことが困難です。{{1}{0}{2}}したがって、回路精度の要件がそれほど厳しくないパワー エレクトロニクスのパッケージングに主に適用されます。

 

 

 

アクティブ メタル ブレージング（AMB）は、信頼性の高いセラミックと金属の接続を実現するための重要なテクノロジーです。{0}{1}このプロセスには、チタン (Ti)、ジルコニウム (Zr)、アルミニウム (Al)、またはニオブ (Nb) などの活性元素 -- を従来のろう材に添加することが含まれます。これらの元素は窒化アルミニウムセラミック表面と化学反応して、安定した反応遷移層を形成します。

 

この遷移層は金属とセラミックの間の濡れ性を改善し、溶融ろう付け合金がセラミックと冶金学的結合を形成できるようにし、それによって接合強度を高めます。

 

AMB テクノロジーは、パワー半導体モジュール、高電圧電気機器、パワー半導体用の金属化セラミック ハウジングの製造など、高温、大電力の用途に特に適しています。{{1}{2}反応性元素は高温で酸素と容易に反応するため、通常、このプロセスには真空または保護雰囲気が必要です。その結果、設備と製造環境に高い要求が課され、その結果、生産コストが比較的高くなります。

 

 

同時焼成技術には、タングステンやモリブデンなどの高融点金属のペーストを窒化アルミニウム セラミック グリーン シートの表面に印刷し、その後セラミック材料と共焼結して導電層とセラミック基板を含む一体構造を作成することが含まれます。{{1}

 

焼結温度に基づいて、同時焼成技術は主に低温焼成セラミックス (LTCC) と高温焼成セラミックス (HTCC) に分類されます。{{1}

 

HTCC は通常、1600 度を超える温度で焼結されます。優れた機械的強度、耐熱性、気密性を備えているため、高出力電子機器、航空宇宙電子システム、高信頼性パッケージング用途に特に適しています。-

 

同時焼成技術の主な利点は、多層回路設計を実現できることであり、その結果、よりコンパクトな回路構造が得られます。さらに、導体とセラミックが同時に形成されるため、全体的な構造の安定性が向上します。

 

HVDC コンタクタ用のセラミック エンクロージャなどの重要な絶縁構造などの高{0}}電圧 DC（HVDC）アプリケーション-では、同時焼成セラミック材料が、持続的な高温と電圧サージの条件下で信頼性の高い動作の要件を満たします。-

 

 

-薄膜メタライゼーション技術では、主に物理蒸着 (PVD) を使用してセラミック基板表面に薄い金属層を堆積し、続いてフォトリソグラフィやエッチングなどの半導体製造プロセス-を使用して-精密回路を形成します。

 

厚膜プロセスと比較して、薄膜技術はサブトラクティブ製造法であり、より細い線幅とより高い回路密度を達成できるため、高周波、高精度の電子デバイスに広く使用されています。{{0}{0}{1}{3}

 

この方法により、精密に金属化されたアルミナ セラミック部品の製造が可能になり、マイクロエレクトロニクスのパッケージング、RF デバイス、高性能パワー モジュールに明確な利点がもたらされます。-

 

ただし、金属層の厚さが最小限であるため、大電流アプリケーションでは電流容量が制限されます。{0}{1}さらに、セラミックと金属の熱膨張係数 (CTE) の違いにより、熱サイクル中に応力が発生する可能性があります。したがって、接合の信頼性を高めるために多層金属構造が採用されることがよくあります。

 

 

ダイレクトボンデッド銅（DBC）は、広く使用されているセラミック銅接合技術です。{0}その基本原理には、銅層とセラミックの間の界面に酸素を導入することが含まれます。高温処理により銅-酸素共晶液相が生成され、銅材料とセラミック表面の間の直接結合が可能になります。

 

DBC テクノロジーは、厚い銅層、高い電流容量、優れた放熱性能を特徴としています。{0}}そのため、新エネルギー車用のインバーター、パワーモジュール、エネルギー貯蔵コンバーターなどの高出力電子機器に広く使用されています。{2}

 

銅を窒化アルミニウム（AlN）セラミックに接合するのは難しいため、通常、セラミック表面には前酸化処理が必要で、界面に安定した遷移層を形成し、接続の信頼性を高めます。{0}}

 

 

直接メッキ銅 (DPC) は、半導体製造プロセスを組み込んだ新しいセラミック メタライゼーション技術です。

 

この方法は、マグネトロン スパッタリングや真空蒸着などの物理蒸着 (PVD) 技術を使用してセラミック表面に銅シード層を形成することから始まります。その後、露光、現像、電気めっきなどのプロセスを使用して銅層の厚さを増やし、高精度の回路製造を実現します。-

 

DPC テクノロジーは、低い製造温度、高い回路精度、柔軟な構造設計を特徴としています。高密度電子相互接続構造や電気部品用の金属化セラミックなどの用途に適しています。-

 

従来の高温焼結技術と比較して、DPC は材料特性に対する熱処理の影響を最小限に抑えます。{0}ただし、電気めっきプロセスには厳しい環境保護要件が必要であり、銅層の厚さはプロセス能力によって制限されます。

 

 

新エネルギー自動車、スマート グリッド、エネルギー貯蔵システム、第 3 世代半導体産業の急速な発展に伴い、高い放熱性と高い信頼性を備えた電子パッケージ材料の需要が高まり続けています。{0}

 

今後、窒化アルミニウムセラミックメタライゼーション技術は、さらなる信頼性、高精度、多機能集積化に向けて進化していきます。界面構造を最適化し、金属遷移層の設計を改善し、製造プロセス制御を強化することにより、セラミックと金属の間の結合強度をさらに向上させることができます。

 

精密メタライズド セラミックス、高強度メタライズド セラミック部品、高{2}純アルミナ精密アドバンスト セラミック メタライゼーション部品-などの高度なセラミック メタライゼーション構造-は、パワー半導体、高電圧リレー、エネルギー貯蔵システム、新エネルギー車用の電子システムの重要な基礎コンポーネントとしての役割をますます高めています。-

 

従来の厚膜技術や同時焼成技術から、AMB、DBC、DPC などの高度なプロセス ルートに進化するセラミック メタライゼーション技術は、継続的に材料の境界を押し広げ、高出力電子機器向けに、より信頼性が高く効率的な熱管理および電気相互接続ソリューションを提供しています。-