세라믹과 금속이 '강력한 결합'을 이룰 수 있는 기술은 무엇일까?

세라믹은 흔히 무기 비금속 재료로 불리우는데, 사람들이 직접적으로 세라믹을 금속과 반대되는 위치에 두는 것을 보면 알 수 있듯이 둘의 성능은 매우 다릅니다. 그러나 둘의 각각의 장점이 너무 뚜렷하기 때문에 세라믹과 금속을 결합하여 각각의 장점을 발휘해야 하는 경우가 많아 매우 중요한 기술이 탄생하게 되는 경우가 많습니다. 세라믹 금속화 기술. 세라믹 금속화(Ceramic Metallization)는 오랫동안 화두였으며 국내외 학자들이 이에 대해 심도 있는 연구를 진행해 왔다.

특히 5G 시대가 도래하면서 반도체 칩의 위력은 계속해서 높아지고, 경량화, 고집적화의 발전 추세는 점점 뚜렷해지고, 방열 문제의 중요성은 더욱 커지고 있습니다. 이는 의심할 여지 없이 방열 재료 포장에 대해 더욱 엄격한 요구 사항이 제시되었습니다. 전력 전자부품의 패키징 구조에서 패키징 기판은 상하부 사이의 핵심 연결고리 역할을 하며 내부 및 외부 회로의 전도를 유지하는 역할도 하며 방열, 기계적 지지 등의 기능도 갖고 있습니다. 신흥 전자 방열 포장재로서 세라믹은 높은 열전도율, 절연성, 내열성, 강도 및 칩과 일치하는 열팽창 계수를 가지며 전력 전자 부품에 이상적인 포장 방열 재료입니다.

세라믹은 회로에 사용되며 먼저 금속화되어야 합니다. 즉, 세라믹과 견고하게 결합되어 쉽게 녹지 않는 금속막을 세라믹 표면에 증착시켜 전도성을 갖게 한 후, 금속 리드나 다른 금속 전도성 층과 용접 공정을 통해 연결하여 하나.

세라믹-금속 밀봉 공정에서 가장 중요한 단계는 다음과 같습니다. 금속화, 그 품질은 최종 밀봉 효과에 영향을 미칩니다.

도자기 및 금속 용접의 어려움

1. 세라믹은 선팽창계수가 작은 반면, 금속은 선팽창계수가 상대적으로 커서 접합부 균열이 발생합니다. 일반적으로 금속 중간층의 열 응력 문제는 잘 처리되어야 합니다.

2. 세라믹 자체의 열전도율이 낮고 내열충격성이 약합니다. 용접 시에는 용접부 내부 및 주변의 온도 구배를 최대한 줄여야 하며, 용접 후에는 냉각속도를 조절해야 합니다.

3. 대부분의 세라믹은 전도성이 낮거나 아예 전도성이 없어 전기용접을 하기가 어렵습니다.

4. 세라믹 소재는 안정적인 전자배위를 갖고 있기 때문에 금속과 세라믹이 결합될 가능성은 거의 없습니다. 세라믹은 활성 필러 금속으로 금속화하거나 납땜해야 합니다.

5. 세라믹 재료는 대부분 공유결합 결정이므로 변형이 잘 일어나지 않으며 취성파괴가 자주 발생합니다. 현재 대부분의 중간층은 용접 온도를 낮추기 위해 사용되고 용접에는 간접 확산 방식이 사용됩니다.

6. 세라믹 및 금속 용접의 구조 설계는 일반 용접과 다르며 일반적으로 평면 밀봉 구조, 밀봉 구조, 핀 밀봉 구조로 구분됩니다. 캡슐화 구조 효과 무엇보다도 이러한 관절 구조는 만들기가 매우 까다롭습니다.

세라믹 금속화 메커니즘

세라믹 금속화 메커니즘은 여러 화학적, 물리적 반응, 물질의 소성 흐름, 입자 재배열 등을 포함하여 비교적 복잡합니다. 금속화층의 산화물 및 비금속 산화물과 같은 다양한 물질은 서로 다른 소결 단계에서 서로 다른 화학 반응과 물질 확산 및 이동을 겪습니다. 온도가 증가함에 따라 다양한 물질이 반응하여 중간체 화합물을 형성합니다. 공통 융점에 도달하면 액체 유리상이 일정한 점도를 가지며 동시에 소성 흐름을 생성합니다. 모세혈관의 작용.재배열이 일어나고, 원자 또는 분자가 표면 에너지에 의해 확산 및 이동하고, 입자가 성장하고, 기공이 점차 수축 및 사라지고, 금속층이 치밀해집니다.

세라믹 금속화 공정

세라믹 금속화 공정 흐름은 다음과 같습니다:

1단계: 매트릭스 전처리. 다이아몬드 연마 페이스트를 사용하여 표면 거칠기가 1.6m 이하가 되도록 광학적으로 부드러워질 때까지 무압 소결 세라믹을 연마하고 기판을 아세톤과 알코올에 넣고 실온에서 20분간 초음파로 세척합니다.

2단계: 금속화 슬러리 준비. 금속화 공식에 따라 원료의 무게를 측정하고, 일정 시간 동안 볼밀링하여 특정 점도의 금속화 슬러리를 만듭니다.

3단계: 칠하고 말립니다. 세라믹 기판에 슬러리를 도포하려면 스크린 인쇄 기술을 사용하십시오. 슬러리의 두께가 적절해야 합니다. 너무 얇으면 솔더가 금속층으로 쉽게 흘러 들어가지 않습니다. 부품 이동에 도움이 됩니다. 그러면 슬러리가 건조된 상태로 오븐에 배치됩니다.

4단계: 열처리. 건조된 기판을 환원분위기에 놓고 소결하여 금속층을 형성한다.

세라믹 금속화의 구체적인 방법

일반적으로 사용되는 세라믹 금속화 방법으로는 Mo-Mn법, 활성 Mo-Mn법, 활성 금속 브레이징법, 직접 구리 코팅법(DBC), 마그네트론 스퍼터링법 등이 있습니다.

1. Mo-Mn 방법

Mo-Mn 방식은 내화성 금속 분말인 Mo를 기반으로 한 다음, 금속화 조성에 저융점 Mn을 소량 첨가하고 바인더를 첨가하여 Al2O3 표면을 코팅하는 방식입니다. 세라믹을 사용한 후 소결하여 금속 화학층을 형성합니다. 전통적인 Mo-Mn 방법의 단점은 높은 소결 온도, 높은 에너지 소비, 제형에 활성화제가 부족하여 밀봉 강도가 낮다는 것입니다.

2. Mo-Mn법 활성화

활성화된 Mo-Mn 방법은 전통적인 Mo-Mn 방법을 기반으로 한 개선입니다. 주요 개선 방향은 활성제를 추가하고 금속을 몰리브덴 및 망간 핑크의 산화물 또는 염으로 대체하는 것입니다. . 두 가지 유형의 개선 방법 모두 금속화 온도를 낮추는 것을 목표로 합니다.

활성화된 Mo-Mn법은 공정이 복잡하고 비용이 많이 든다는 단점이 있으나 결합력이 강하고 젖음성을 크게 향상시킬 수 있어 아직까지 최초의 발명품이다. 세라믹-금속 밀봉 공정에서 가장 성숙하고 널리 사용되는 공정입니다.

3. 액티브 메탈 브레이징 방식

액티브 메탈 브레이징 방식 역시 널리 사용되는 세라믹-금속 씰링 공정으로, Mo-Mn 방식보다 10년 늦게 개발되었으며 공정 수가 적고 세라믹-금속 씰링이 특징입니다. 밀봉을 완료하려면 한 번의 가열 공정만 필요합니다. 브레이징 합금에는 Ti, Zr, Hf 및 Ta와 같은 활성 원소가 포함되어 있습니다. 추가된 활성 원소는 Al2O3와 반응하여 계면에서 금속 특성을 갖는 반응층을 형성합니다. 이 방법은 몰리브덴과 비교하여 대량 생산에 쉽게 적용할 수 있습니다. 망간 공정의 경우, 이 방법은 비교적 간단하고 경제적입니다.

액티브 메탈 브레이징 방식의 단점은 액티브 솔더가 단일이기 때문에 연속 생산에 적합하지 않고 대형 부품에만 적합하다는 점입니다. 단일품 생산 또는 소량 생산.

4. 직접결합구리(DBC)

DBC는 세라믹 표면(주로 Al2O3 및 AlN)에 동박을 접착하는 금속화 방법으로 COB(칩 온 보드) 패키징 기술의 등장과 함께 개발된 새로운 유형의 기술입니다. 기술의. 기본 원리는 Cu와 세라믹 사이에 산소 원소를 도입한 후 1065-1083°C에서 Cu/O 공융 액상을 형성한 다음 세라믹 매트릭스 및 구리 호일과 반응하여 CuAlO2 또는 Cu(AlO2)2를 생성하는 것입니다. 구리 호일과 기판 사이의 결합은 중간 상의 작용 하에서 달성됩니다.

5. 마그네트론 스퍼터링 방식

마그네트론 스퍼터링은 물리적 기상 증착의 일종입니다. 마그네트론 기술을 사용하여 기판에 다층 필름을 증착합니다. 이는 다른 증착 기술에 비해 접착력이 더 좋고 오염이 적다는 장점이 있습니다. 증착된 샘플의 결정성이 향상되어 고품질 필름이 생성됩니다.

이 방법으로 얻은 금속화 층은 매우 얇고 부품 크기의 정확성을 보장할 수 있지만 고온에 견디지 못하는 세라믹(압전 등)을 금속화하는 데는 적합하지 않습니다. 세라믹 및 단결정).

세라믹 금속화에 영향을 미치는 요인 < /피>

1. 금속화 공식

이는 ​​세라믹 금속화를 구현하기 위한 전제 조건이며, 세심하고 과학적인 공식 설계가 필요합니다.

2. 금속화 온도 및 유지 시간

세라믹 금속화에 영향을 미치는 또 다른 핵심 요소는 금속화 소결 온도와 유지 시간입니다. 금속화 온도는 다음 네 가지 공정으로 나눌 수 있습니다. 1600°C 이상의 온도는 매우 높은 온도, 1450~1600°C는 고온, 1300~1450°C는 중간 온도, 1300°C 미만은 낮은 온도입니다. 온도. 적절한 소결 온도가 필요합니다. 온도가 너무 낮으면 유리상이 확산되지 않고 이동하지 않습니다. 온도가 너무 높으면 금속화 층이 세라믹에서 쉽게 떨어져 밀봉이 실패할 수 있습니다. .

3. 금속층의 미세구조

금속화 공정은 금속화 층의 미세 구조를 결정하며 미세 구조는 용접 본체의 최종 성능에 직접적인 영향을 미칩니다. 우수한 용접 성능을 얻으려면 먼저 금속화 층이 결합 강도가 높은 조밀한 필름이어야 합니다. 금속화 층의 미세 구조가 각 영역에 투명한 층을 가지고 있고 어떤 인터페이스에서도 연속적으로 부서지기 쉬운 금속 화합물이 관찰되지 않으면 취성 및 균열 전파 가능성이 줄어들고 균열이 적어 인터페이스가 단단해지며 이는 도움이 될 것입니다. 이는 솔더 침투를 줄입니다. 이는 금속화 층이 조밀하고 결합 강도가 상대적으로 높다는 것을 보여줍니다.

4. 기타 요인

파우더 입자 크기 및 적절한 그라데이션의 영향과 같이 주의해야 할 세라믹 금속화 정도에 영향을 미치는 많은 요소가 있습니다. 표면 에너지는 응집을 형성하기 쉽고 분말의 부드러움에 영향을 미칩니다. 분말이 너무 거칠면 표면 에너지가 감소하여 소결 온도가 증가하고 소결에 영향을 미칩니다. 품질. 또한 코팅 방법과 코팅 두께도 세라믹 금속화에 큰 영향을 미칩니다.