질화알루미늄 세라믹 기판의 금속화 기술 경로 분석: 세라믹 기판에서 고신뢰성 전자 패키징 응용 분야까지-

신에너지 자동차, 전력 반도체, 에너지 저장 시스템, 전력 전자장치 등 고전력-응용 분야-에서 열 방출 성능과 구조적 신뢰성은 전자 장치의 장기간 안정적인 작동을 위한-중요한 요소입니다. 높은 열 전도성, 낮은 유전 손실, 탁월한 절연 특성 및 우수한 열 안정성 덕분에 질화알루미늄(AlN) 세라믹은 점점 더 고전력 전자 패키징의 핵심 기판 재료로 자리잡고 있습니다.

 

그러나 질화알루미늄은 본질적으로 절연체이기 때문에 전기적 연결이나 신호 전도를 직접적으로 촉진할 수는 없습니다. 결과적으로, 전력 모듈, 반도체 패키징 또는 고전압 전기 부품에 사용되기 전에 표면 금속화 기술을 사용하여 세라믹 기판에 전기 전도성을 부여하고 세라믹과 금속 간의 안정적인 결합을 보장해야 합니다.

 

세라믹 금속화의 핵심 과제는 재료 간의 근본적인 차이점에 있습니다. 질화알루미늄은 강한 공유 결합을 특징으로 하는 화합물인 반면, 금속은 일반적으로 금속 결합을 특징으로 합니다. 이러한 차이는 열악한 습윤성 및 열팽창계수(CTE) 불일치와 같은 문제를 야기합니다. 고온-온도 작동 환경에서 금속층과 세라믹 사이의 결합 강도가 부족하면 열 응력으로 인한 계면 박리 또는 균열과 같은 파손이 발생할 수 있습니다. 따라서 신뢰성이 높은 세라믹 금속화 공정을 개발하는 것은 세라믹 기판의 산업적 응용을 발전시키는 데 중요합니다.

 

현재 기계적 연결, 후막-필름 기술, 활성 금속 브레이징(AMB), 동시 소성, 박막-필름 공정, 직접 결합 구리(DBC) 및 직접 도금 구리(DPC)를 비롯한 다양한 금속화 기술이 질화알루미늄 세라믹 기판에 사용됩니다.

 

 

 

기계적 연결은 세라믹과 금속을 결합하는 데 사용되는 최초의 방법 중 하나입니다. 이는 세라믹 기판을 금속 부품에 고정하기 위해 구조적 설계와 기계적 응력-(예: 수축-맞춤 또는 볼트 체결-)에 의존합니다.

 

이 방법은 상대적으로 간단한 공정을 포함하고 최소한의 장비가 필요하며 상당한 제조 유연성을 제공합니다. 그러나 인터페이스 연결은 주로 외부 기계적 힘에 의존하기 때문에 장기간의 열 순환이나 고온-진동 중에 심각한 기계적 응력이 발생할 수 있습니다. 결과적으로 높은 신뢰성이나 고온 작동이 필요한 애플리케이션에는 적합하지 않습니다.-

 

반면 접합기술은 세라믹과 금속 사이에 유기접착물질을 투입하여 경화과정을 거쳐 접합구조를 형성하는 기술이다. 이 접근 방식을 사용하면 서로 다른 재료 시스템을 결합할 수 있습니다.-예를 들어 세라믹 절연 구조와 전도성 금속 부품을 결합하여 통합 어셈블리를 생성할 수 있습니다.

 

그러나 유기 결합 재료의 제한된 온도 저항으로 인해 고전력 전자 기기 및 HVDC(고{1}}전압 직류) 시스템과 같은 까다로운 환경에서는 신뢰성이 제한됩니다. 결과적으로, 이는 현재 저온-, 낮은-스트레스 환경에서 구조적 고정에 주로 사용됩니다.

 

 

후막 기술은-세라믹 표면 금속화를 위한 잘 정립된 공정입니다. 이 기술은 일반적으로 스크린 인쇄를 사용하여 질화알루미늄(AlN) 세라믹 표면에 -금속 분말을 함유한- 전도성 페이스트를 도포합니다. 후속 건조 및 고온- 소결 단계를 통해 금속층이 세라믹 기판에 단단히 접착됩니다.

 

전도성 페이스트는 일반적으로 금속 분말, 유리 바인더 및 유기 매개체로 구성됩니다. 금속 분말은 최종 전기 전도성과 기계적 강도를 결정합니다. 일반적으로 사용되는 금속에는 은, 구리, 니켈이 포함됩니다.

 

이 공정은 높은 생산 효율성, 낮은 비용, 기술적 성숙도 등의 장점을 제공하므로 전자 세라믹 기판의 대량 생산에 적합합니다. 또한 페이스트 구성을 최적화하면 뛰어난 전기적 성능과 열 순환 신뢰성이 가능해집니다.

 

그러나 스크린 인쇄의 해상도 제한으로 인해 후막 공정에서 생산되는 회로 크기가 상대적으로 커서 -고밀도, 미세{2}}피치 회로 요구 사항을 충족하기 어렵습니다. 따라서 회로 정밀도 요구 사항이 덜 엄격한 전력 전자 패키징에 주로 적용됩니다.

 

 

 

AMB(Active Metal Brazing)는 매우 안정적인 세라믹-대-접속을 위한 핵심 기술입니다. 이 공정에는 기존 브레이징 용가재에 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 알루미늄(Al) 또는 니오븀(Nb)과 같은 활성 원소-를 추가하는 작업이 포함됩니다-. 이들 원소는 질화알루미늄 세라믹 표면과 화학적으로 반응하여 안정적인 반응 전이층을 형성합니다.

 

이 전이층은 금속과 세라믹 사이의 습윤성을 향상시켜 용융된 납땜 합금이 세라믹과 야금학적 결합을 형성할 수 있게 하여 접합 강도를 향상시킵니다.

 

AMB 기술은-전력 반도체 모듈, 고전압 전기 장비, 전력 반도체용 금속 세라믹 하우징 제조와 같은 고온, 고전력-애플리케이션에 특히 적합합니다. 반응성 요소는 고온에서 산소와 쉽게 반응하므로 이 공정에는 일반적으로 진공 또는 보호 분위기가 필요합니다. 결과적으로 장비 및 제조 환경에 대한 수요가 높아져 생산 비용이 상대적으로 높아집니다.

 

 

동시 소성 기술에는 텅스텐이나 몰리브덴과 같은 고-용융점-금속-을 질화알루미늄 세라믹 그린 시트의 표면에 인쇄한 후-세라믹 재료와 함께 소결하여 전도성 층과 세라믹 기판으로 구성된 통합 구조를 만드는 작업이 포함됩니다.-

 

공소성 기술은 소결 온도에 따라 주로 저온-공소성 세라믹(LTCC)과 고온-공소성 세라믹(HTCC)으로 분류됩니다.

 

HTCC는 일반적으로 1600도를 초과하는 온도에서 소결됩니다. 뛰어난 기계적 강도, 내열성 및 밀폐성을 제공하므로 고전력 전자 장치, 항공우주 전자 시스템 및 고신뢰성 패키징 애플리케이션에 특히-적합합니다.-

 

동시 소성 기술의 주요 장점은{0}}다층 회로 설계를 실현하여 보다 컴팩트한 회로 구조를 구현할 수 있다는 것입니다. 또한, 도체와 세라믹이 동시에 형성되기 때문에 전체적인 구조적 안정성이 향상됩니다.

 

HVDC 접촉기용 세라믹 인클로저와 같은 중요한 절연 구조와 같은 고{0}}전압 DC(HVDC) 애플리케이션-에서{2}}공소{3}}세라믹 재료는 지속적인 고온 및 전압 서지 조건에서 안정적인 작동을 위한 요구 사항을 충족합니다.

 

 

박막{0}}금속화 기술은 주로 물리적 기상 증착(PVD)을 사용하여 얇은 금속층을 세라믹 기판 표면에 증착한 다음, 반도체 제조 공정-예: 포토리소그래피 및 에칭-을 통해 정밀 회로를 형성합니다.

 

후막 공정에 비해-박막 기술은 더 미세한 선폭과 더 높은 회로 밀도를 달성할 수 있는 절삭 제조 방법으로 고주파수, 고정밀-전자 기기에 널리 사용됩니다.

 

이 방법을 사용하면 정밀 금속화 알루미나 세라믹 부품을 생산할 수 있으며, 마이크로 전자 패키징, RF 장치 및 고성능 전력 모듈에서 뚜렷한 이점을 제공합니다.{0}}

 

그러나 금속층의 최소 두께로 인해 고전류 애플리케이션에서는 전류 전달 용량이-제한됩니다.- 또한 세라믹과 금속 사이의 열팽창계수(CTE) 차이로 인해 열 순환 중에 응력이 발생할 수 있습니다. 따라서 접합 신뢰성을 향상시키기 위해 다층 금속 구조가 종종 사용됩니다.

 

 

DBC(직접 결합 구리)는 널리 사용되는 세라믹{0}} 구리 결합 기술입니다. 기본 원리는 구리층과 세라믹 사이의 경계면에 산소를 도입하는 것입니다. 고온-온도 처리로 구리-산소 공융 액상이 생성되어 구리 재료와 세라믹 표면 사이의 직접 결합이 가능해집니다.

 

DBC 기술은 두꺼운 구리층, 높은 전류 전달 용량, 뛰어난 열 방출 성능이 특징입니다.- 따라서 신에너지 자동차용 인버터, 전력 모듈, 에너지 저장 컨버터 등 고전력 전자 장비에 널리 사용됩니다.

 

구리를 질화알루미늄(AlN) 세라믹에 결합하는 것이 어렵기 때문에 세라믹 표면은 일반적으로 계면에서 안정적인 전이층을 형성하여 연결 신뢰성을 향상시키기 위해 사전 산화 처리가 필요합니다.

 

 

DPC(직접 도금 구리)는 반도체 제조 공정을 통합하는 새로운 세라믹 금속화 기술입니다.

 

이 방법은 마그네트론 스퍼터링이나 진공 증발과 같은 물리적 기상 증착(PVD) 기술을 사용하여 세라믹 표면에 구리 시드층을 형성하는 것으로 시작됩니다. 그 후, 노광, 현상, 전기도금 등의 공정을 통해 구리층 두께를 늘리고 고정밀 회로 제조를 달성합니다.-

 

DPC 기술은 낮은 제조 온도, 높은 회로 정밀도 및 유연한 구조 설계가 특징입니다. 이는 고밀도 전자 상호 연결 구조 및 전기 부품용 금속 세라믹과 같은 응용 분야에 적합합니다.

 

기존의 고온 소결 기술에 비해 DPC는 열 처리가 재료 특성에 미치는 영향을 최소화합니다. 그러나 전기도금 공정에는 엄격한 환경 보호 요구 사항이 수반되며 구리 층 두께는 공정 능력에 따라 제한됩니다.

 

 

신에너지 차량, 스마트 그리드, 에너지 저장 시스템 및 3세대{0}}반도체 산업의 급속한 발전으로 인해 높은 방열성과 높은 신뢰성을 제공하는 전자 포장 재료에 대한 수요가 계속해서 증가하고 있습니다.

 

앞으로 질화알루미늄 세라믹 금속화 기술은 더 큰 신뢰성, 더 높은 정밀도 및 다기능 통합을 향해 발전할 것입니다. 인터페이스 구조 최적화, 금속 전이층 설계 개선, 제조 공정 제어 강화를 통해 세라믹과 금속 간의 결합 강도를 더욱 향상시킬 수 있습니다.

 

정밀 금속화 세라믹, 고강도 금속화 세라믹 부품, 고{2}}순도 알루미나 정밀 고급 세라믹 금속화 부품-과 같은 고급 세라믹 금속화 구조-는 전력 반도체, 고전압 계전기, 에너지 저장 시스템 및 신에너지 차량용 전자 시스템에서 점점 더 중요한 기본 구성 요소 역할을 하고 있습니다.

 

기존의 후막 및 동시 소성 기술에서 AMB, DBC 및 DPC와 같은 고급 공정 경로로 발전한 세라믹 금속화 기술은 지속적으로 재료의 경계를 넓혀 고전력 전자 기기에 보다 안정적이고 효율적인 열 관리 및 전기 상호 연결 솔루션을 제공하고 있습니다.{2}}