Техническая характеристика разрабатываемого процесса.

Пояснительная записка

По технологии изготовления керамических подложек из оксида алюминия

ОГЛАВЛЕНИЕ

1. Реферат

Пояснительная записка на 38 с., 8 рисунков, 5 табл., 20 источников, 3 приложения.

Ключевые слова: оксид алюминия, алюмооксидная керамика, литье на пленку, однослойные и многослойные керамические подложки.

Разработка технологии и получение пилотных образцов типовых изделий из наноструктурной керамики, востребованных отечественными потребителями из высокотехнологичных отраслей

Объектом исследования являются выпускаемые в промышленном масштабе порошки оксида алюминия и технологическая линия производства керамических пленок из порошков оксида алюминия.

Цель работы - разработка технологии керамических подложек из оксида алюминия, предназначенной для серийного производства неметаллизированных и поверхностно металлизированных изделий с высокой теплопроводностью в форме тонких прямоугольных пластин, применяемых в элементах радиотехники, слаботочной и силовой электроники.

В результате исследования будет создан лабораторный технологический регламент производства керамики из оксида алюминия методом литья на пленку.

Степень внедрения – создание производства керамических подложек из оксида алюминия методом литья на пленку на лабораторной установке.

Определения, обозначения и сокращения.

В настоящей пояснительной записке применяются следующие термины и сокращения:

ГОСТ - государственный стандарт

ХК - холдинговая компания

ОАО - открытое акционерное общество

НЭВЗ-СОЮЗ - новосибирский электровакуумный завод-союз

ТПУ - Томский политехнический университет

ТД - технологическая документация

HTCC - high-temperature cofired ceramic (высоко-температурная совместно обожженная керамика)

ТКПА -технология керамических подложек из оксида алюминия

Al₂O₃ – оксид алюминия

ТЗ - техническое задание

ТУ - технические условия

Введение

На настоящий момент абсолютное большинство тонких керамических подложек для электронной промышленности изготавливаются методом литья ленты [9,11]. Подложки являются диэлектрическим скелетом современной электронной схемы. Их размеры варьируются от 2х2 мм до 150х150 мм, при толщине менее 1,5 мм.

В качестве стандарта принимается керамическая пластина на основе высокодисперсного оксида алюминия (99,5% Al₂O₃). Микроструктура керамической пластины характеризуется размером зерна менее 1 мкм с шероховатостью поверхности после обжига не более 0,075 мкм. Такая очень гладкая поверхность, наряду с очень низкой концентрацией поверхностных дефектов, таких как заусенцы и царапины, оптимальна для получения схем с малыми топологическими размерами (до 3 мкм).

Сегодня большинство пластин толщиной около 1,5 мм из керамики на основе оксида алюминия производится методом вальцевания пленки [4,12]. Подложки используются в качестве носителя для электронных компонентов, а также в качестве электрической изоляции. Перед формованием рулона плёнки порошки смешиваются со связующим, а затем прессуется в гибкую пленку при прохождении через пару валков, вращающихся навстречу друг другу. Диаметр валков и зазор между ними определяет толщину пленки.

Более тонкие подложки изготавливается методом литья пленки. Большинство подложек изготавливается из керамики, содержащей от 92 до 96% глинозема. Стеклофаза, присутствующая во всех подложках, необходима для хорошей адгезии трафаретной печати и поверхностной металлизации.

Технология изготовления керамических подложек из пленки дает возможность изготавливать подложки разной толщины, кратной толщине тонкой пленки. Сборка (прессование) многослойного пакета из сырой пленки, содержащей связку, позволяет получать после спекания монолитную подложку без следов границ между слоями. Многослойные керамические подложки сейчас в основном позиционируются как высокотемпературная совместно обожженная керамика - high-temperature cofired ceramic (HTCC).

Основная часть.

Наименование и область применения разрабатываемого процесса.

Наименование продукции — керамические подложки из оксида алюминия.

Химическое название- оксид алюминия.

Формула — Al₂O₃

Тривиальное название — алюмооксидная керамика.

Синоним - корундовая керамика.

Международное название — Alumina.

Разрабатываемая технология изготовления керамических подложек из оксида алюминия ориентирована на применение изделий в электронной и электротехнической промышленности:

· однослойные керамические подложки при производстве электронных микросхем;

· однослойные керамические подложки, металлизированные медью толщиной до 300 мкм.

Основное назначение продукции: использование в качестве изоляционных подложек для интегрального монтажа микроэлектронных компонентов и силовой электроники. Потенциальные потребители разрабатываемой продукции: Компания «Криотерм» (г. С-Петербург, неметаллизированные подложки); ОАО «Электровыпрямитель» (г. Саранск, металлизированные подложки).

Техническая характеристика разрабатываемого процесса.

Разрабатываемая технология керамических подложек из оксида алюминия (далее – ТКПА) предназначена для серийного производства неметаллизированных и поверхностно металлизированных изделий с теплопроводностью до 24 Вт/(м·К) в форме тонких прямоугольных пластин, применяемых в элементах радиотехники, слаботочной и силовой электроники.

Внешний вид и потребительские свойства продукции.

Тонкие металлизированные или неметаллизированные прямоугольные керамические пластины фиксированной толщины. Габаритные размеры и требования к форме типопредставителя изделий приведены в Приложениях №1 и №2. По физико-техническим показателям керамические теплопроводящие подложки из оксида алюминия должны соответствовать требованиям, указанным в таблице 1.

Таблица 1

Физико-технические показатели подложек из оксида алюминия.

4.3. Описание и обоснование выбранного варианта разрабатываемого процесса.

Для производства керамических подложек, интегральных схем и прочих электронных деталей и компонентов необходимо получать керамические тонкие пленки из оксида алюминия. Для этого были изучены разные способы производительного формования тонких пленок определенной толщины, но в настоящее время, главным образом, практическое применение нашли следующие способы: литье тонких пленок с использованием ракельного ножа, вальцевание и формование методом выдавливания.

Методом выдавливания (экструзии)лентуфор­муют при помощи щелевидного мундштука, который монтируют на ленточном прессе. Толщину ленты регулируют вертикальными установочными винтами. Так как выдавленная из мундштука лента обычно содержит 15—25% влаги, ее сушат в сушилке с непрерывно движущимся ленточным конвейером. Необходимо, чтобы высушенная лента обладала упругостью и мягкостью, достаточными для осуществления намотки. Данный способ позволяет обычно получать ленту толщиной 0,2—1,5 мм, однако в силу краевых эффектов трения, сохранения неоднородности текстуры массы, придаваемой шнеком, данному способу зачастую присущ повышенный отход сформованной ленты при нарезании из нее заготовок керамических подложек.

Способ формования вальцеванием (каландровый способ [4, 10]— формование прокаткой, когда массу, полученную смеши­ванием сырых керамических порошковых материалов и термо­пластичных связок, прокатывают в тонкий лист.

Приготовляя массу, в сырой материал вводят термопластич­ные смолы — связки; затем соответствующие количества плас­тифицирующих добавок и воды для поддержания гибкости листа при обычной температуре. После этого проводят смеши­вание. В качестве термопластичных смол широко применяются ацеталовые группы, полиоксалаты винила, акрилы и т. п.; в ка­честве пластифицирующих добавок— диакрилфталат (DOP), дибутилфталат (DBP), полиэтиленгликоль и т. д. Добавки обычно смешиваются и измельчаются мокрым способом в шаровых мельницах с последующей сушкой.

Общая схема процесса формования листа способом вальце­вания приведена на рисунке 1 [4]. Для получения однородного листа с высокой плотностью фор­мования необходимо специальным роликом перемешать в горячем виде высушенные исходные мате­риалы и удалить из них воздух. Лента подготовленной смеси ма­териалов проходит в зазоре между горячими валками и прокатывается.

По обеим сторонам прокатного стана стоят соответственно по две моталки. Мотал­ка перед валками — питатель, поддерживающая керамическую пластичную ленту. Для того чтобы керамическая лента не слипалась, ее сматывают вместе с бумажной лентой. Бумажную ленту отделяют от пластичной между моталками № 1 и № 2 и сматывают на моталку № 2, а пластичную подают в зазор между валками, отделяя после прокатки бумажной лентой, идущей с моталки — питателя бумаги, и наматывают на моталку № 3, тем самым формируя питатель для следующего этапа прокатки.

При прокатке непрерывно измеряют толщину керамической ленты после валков. На конечном этапе пером ставят отметки на участки с превышением допусков по толщине.

Во время прокатки лента нагревается, что значительно влияет на повышение пластичности термопластичного листа. Поэтому валки надо охлаждать, поддерживая постоянную тем­пературу в диапазоне ±2°С.

Для эффективного уменьшения толщины керамической ленты между валками требуется давление в несколько сотен мега-паскалей, поэтому для поддержания ширины зазора в процессе прокатки в заданных пределах необходимо очень прочное обо­рудование. Далее, для сведения к минимуму колебаний по тол­щине ленты, необходимо вести управление температурой по­верхности валков, вести прокатку достаточно гладко с разде­лением на несколько этапов. Таким образом, процесс вальцевания достаточно капризен и имеет ограничения по получению керамической ленты малой толщины, когда требуется увеличение циклов вальцевания при постоянно увеличивающемся сопротивлении уплотненной массы процессу раскатки.

Способ литья тонких пленок.Согласно этому способу при­меняется формование литьем из шликера; добавив в сырые материалы растворители, связки и т. д., смешанный и подго­товленный шликер (slip) льют на непрерывнодвижущуюся ленту и ракельным ножом регулируют толщину пленки. Образующуюся пленку сушат в сушильной камере. Толщина пленки определяется за­зором между ножом и лентой, вязкостью шликера, скоростью ленты и т. д. Кроме того, шликер надо лить так, чтобы не вызывать в нем ненужное напряжение. Поэтому на толщину пленки влияют такие факторы, как форма и угол лезвия ножа, конструкция машины и т. д.

Для сушки пленки применяют нагрев инфракрасными луча­ми и продувку в направлении, обратном движению ленты. Пер­вый способ применяется широко вследствие высокой скорости сушки. Однако при слишком интенсивной сушке резко испа­ряются растворители, что ведет к короблению и вспениванию поверхности пленки. В случае сверхтонкого измельчения сырье­вых материалов или толстой пленки, возможны изгибы и рас­трескивания из-за неравномерной усадки при сушке. Для пред­упреждения этого необходимо по возможности уменьшить рас­слаивание шликера, отрегулировать его вязкость, зерновой состав сырых материалов, продолжительность сушки и т. п. Высушенная пленка обладает гибкостью и ее, отделив от ленты, можно сматывать.

Сформован­ную пленку разрезают, проделывают отверстия, прессуют пакеты и выполняют прочую обработку. После этого подвергают спе­канию и получают спеченное изделие необходимой формы.

Способом литья тонких пленок легко получить сырую пленку толщиной 0,03—1,0 мм. Обращение с пленкой, ее резка, выпол­нение отверстий и прочая обработка легки и просты. Преимущества способа литья тонких пленок и в том, что им можно изготовлять многослойные изделия.

Таким образом, наиболее эффективным способом формования тонких керамических пленок, с целью получения на их основе керамических подложек, является способ литья из шликеров.

Технологический процесс изготовления алюмооксидных керамических подложек разной толщины можно организовать двумя способами. По первому, для каждого номенклатурного ряда одной толщины должна отливаться керамическая пленка соответствующей толщины с учетом припуска на механическую обработку. При этом могут возникать технологические трудности при литье и сушке пленок толщиной более 1 мм. По второму способу необходимую толщину керамической подложки получают путем совместного прессования более тонких сырых керамических пленок с последующим спеканием и получением монолитной подложки (вариант HTCC технологии). Технологический процесс представлен следующими операциями на примере изготовления керамической подложки по многослойной технологии. В него входят следующие стадии:

· Вспомогательные операции.

· Приготовление пластифицированной литьевой массы.

· Изготовление сырой керамической плёнки.

· Обрубка заготовок.

· Температурная стабилизация керамических заготовок.

· Сборка слоев в пакет .

· Прессование пакета.

· Спекание и обжиг.

· Нарезка обожженного пакета на модули.

· Дополнительная обработка после обжига.

· Тестирование и контроль модулей.

Вспомогательные операции включают в себя приготовление пластифицирующего раствора, тонкий помол оксида алюминия с корректирующими добавками, гомогенизацию керамического порошка. На этапе приготовления порошков контролируется зерновой состав методом лазерной гранулометрии и измерением величины удельной поверхности по методу БЭТ.

В подготовленную шихту прежде всего добавляют растворители и диспергаторы; после перемешивания и измельчения в шаровой мельнице снова добавляют соответствующее количество связок и пластифицирующих добавок, осуществляют обработку в шаровой мельнице, превращая сырые материалы в пастообразный шликер. Эффективным является раздельный двухэтапный процесс смешивания и измельчения. Даже неподдающиеся смешиванию частицы эмульгируются и превращаются в однородный шлам. Сверх этого сырье подвергается тонкому измельчению и из него получают материал с непрерывным зерновым составом, он приобретает хорошую текучесть и механические свойства сухой пленки улучшаются.

Органическая фаза представлена несколькими компонентами, выполняющими различные функции, и позволяет сформировать из керамического наполнителя листовой материал. В качестве связки используются органические соединения с длинной цепью (полимеры) примеры которых представлены в таблице 2..

Как видно из графика на рисунке 2 наиболее оптимальным является использование этилцеллюлозы, так как она обладает наименьшей температурой полного выгорания (450 ˚С). Содержание связки 10-30% от массы органической фазы.

Рисунок 2. Потеря массы органических компонентов при термообработке.

Таблица 2.

Органические материалы, применяемые при литье керамической пленки.

Пластификатор делает материал более пластичным, позволяя листам деформироваться без разрывов. Это достигается за счет того, что пластификатор окружает молекулы полимера и удерживает их на расстоянии, причём это расстояние может изменяться в определённых пределах ( рисунок 3).

Рисунок 3. Механизм действия пластификатора.

а) полимер (связка); b) пластификатор; с) пластифицирующее воздействие.

Пластификатор должен соответствовать следующим требования: совместимость с полимером связки; высокая температура кипения и низкое давление пара; высокая эффективность придания пластичности; химическая и термическая стабильность; придание пластичности при низких температурах; В качестве пластификатора предполагается использовать дибутилфталат, так как он хорошо растворяет этилцеллюлозу и соответствует всем требованиям. Количество пластификатора в органической фазе 50-80% от массы.

Диспергатор позволяет связать частицы порошка и органического связующего посредством липофильной и гидрофильной групп, предотвращая их агрегацию. В качестве диспергатора предполагается использование стеарата натрия в количестве 4-5 % от массы органической фазы.

Рисунок 4. Влияние диспергатора на вязкость литейной массы.

Растворитель для органической фазы требуется только на начальной стадии процесса изготовления листового керамического материала. Растворитель позволяет быстрее смешать компоненты органической фазы, получить органическую фазу нужной вязкости для более полной гомогенизации с порошками керамического наполнителя, придать керамической композиции текучесть, что делает возможным формирование листового материала. В качестве растворителя предполагается использовать ацетон, так как это самый распространенный растворитель органических веществ, он имеет низкую температуру испарения. После формирования листового материала, ацетон удаляется просушкой, придавая материалу нужную пластичность и твердость.

Соотношение количества органической и неорганической фазы влияют на следующие параметры:

· Усадка материала. Чем больше органической фазы, тем выше усадка. Приблизительно усадка материала равна численному содержанию органической фазы по объему.

· Шероховатость. Как видно из графика на рисунке 5, с увеличением доли органической фазы шероховатость уменьшается. Это объясняется тем, что промежутки между частицами заполняются органикой.

· Предел прочности и удлинение. С увеличением количества органической фазы предел прочности и удлинение увеличиваются (рисунок 6).

Рисунок 5. Влияние содержания органического материала в литейной массе на шероховатость поверхности керамического материала.

Рисунок 6. Влияние содержания органического материала в литейной массе на предел прочности и удлинение сырой керамической пленки.

Из приведённых графиков видно, что оптимальное содержание органической фазы составляет 14-16 мас.%.

Также возможен вариант приготавливания литейной массы путём гомогенизации в лопастном смесителе. Обязательным является вакуумирование шликера при остаточном давлении 500-600 мм ртутного столба. Большее разрежение приведёт к испарению растворителя и изменению реологических свойств шликера.

Для обеспечения эффективного диспергирования массы и дегазации рекомендуется подведение ультразвуковых колебаний к установке.

Для обеспечения хорошего истечения шликера на пленочную подложку необходим контроль вязкости литейной массы. Контроль обеспечивается с помощью ротационного вискозиметра.

Для формования керамических подложек из оксида алюминия предлагается использовать литьевую машину фирмы КЕКО. Схема литьевой установки приведена на рисунке 7. На станине расположена транспортерная система состоящая из направляющих роликов, приводов и двух барабанов для протяжки рулона майларовой пленки, на которую осуществляется литьё пластифицированного керамического шликера. Литейная масса при помощи насоса поступает в расходную емкость, в которой автоматически поддерживается постоянный уровень шликера. Это обязательное условие для осуществления качественного литья, поскольку гидростатическое давление столба массы оказывает влияние на процесс истечения шликера и его распределение по майларовой ленте при помощи системы ракельных ножей. Толщина сформированной керамической пленки регулируется высотой поднятия шибера и ракеля. Для улучшения стабильности процесса литья рекомендуется обеспечить ультразвуковых колебаний к фильерной части агрегата непрерывного литья пленки.

Рисунок 7. Схема процесса литья керамической пленки на агрегате фирмы КЕКО.

Керамическая пленка на майларовой ленте поступает в зону сушки где под действием инфракрасного излучения или потока теплоносителя (горячего воздуха) происходит испарение растворителя. В структуре пленки остаётся связующее и пластификатор, которые объединяют частицы минерального порошка, и придают прочность и эластичность плёнке. После окончания процесса сушки производится наматывание в рулон сформированной пленки, которая поступает на дальнейшие переделы.

Керамическая необожженная («сырая») лента нарезается на отдельные заготовки на соответствующем агрегате, например, модели SC-1. (Приложение № 3) .

В случае необходимости получения керамических подложек толщиной более 1 мм возможно пакетирование нескольких слоев заготовок из более тонкой ленты. Сборка пакета осуществляется, например, на установке пакетирования модели IS-3M, состоящей из гидравлической прессовальной станции, модуля удаления майларовой ленты и механической систем позиционирования по базовым отверстиям (Приложение № 3). Готовые слои помещаются в специальное приспособление, обеспечивающее их совмещение. После сборки пакет слоев проходит через специальную прессовку при строго определенных давлении, температуре и временных циклах. На этом этапе пакет называется необожженным.

Обрубка пакета до процесса обжига может осуществляться, например, на установке резки пакетов модель CM-14A (Приложение № 3).

Пред обжигом пакета производится обрубка технологических полей. В том случае, когда конфигурация конечных модулей не является простой ортогональной структурой, производится вырубка отдельных модулей из необожженного пакета.

Для окончательного формирования керамической подложки необходима высокотемпературная термообработка пакета или отдельных модулей. На первой стадии обжига происходит разложение и удаление технологической связки, на второй стадии идет спекание керамической массы.

Процесс удаления связки заключается в пиролизе и удалении органических связок, необходимых во время формования. При очень медленном подъеме температуры в нагревательных печах идет медленный пиролиз органических связок вначале на поверхности отформованного изделия, а затем в его внутренних частях. При слишком большой скорости нагрева не удается вывести все газы, образовавшиеся в процессе пиролиза внутри отформованного изделия, что приводит к образованию дефектов в последнем.

Выбор оптимальных условий удаления связки зависит от таких факторов, как виды, типы и количество органических связок, распределение керамического порошка по крупности, конфигурация формуемого изделия и т. д. При большой тонине помола порошка или большой толщине формуемого изделия, при резком перепаде его толщин удаление связки осуществляется очень трудно. Для смягчения хода пиролиза органических связок эффективно применение веществ с разными в зависимости от молекулярной массы температурами пиролиза или же одновременное применение нескольких смол с разными температурами пиролиза.

При дальнейшем нагреве изделия из керамики до соответствующей, ниже их точки плавления, температуры частицы порошка соединяются и образуют прочное твердое тело; одновременно идут процессы усадки, уплотнения, роста зерен,— это и называется спеканием.

Спекание при обычном давлении используется прежде всего для получения керамических подложек и корпусов для интегральных схем, многослойных монтажных подложек из оксида алюминия.

Выбирая режим нагрева при спекании, следует учитывать такие параметры, как скорость повышения температуры, максимальную температуру, выдержку и продолжительность снижения температуры. Максимальная температура спекания определяется такими факторами, как вид, химический состав, чистота материала, введенные добавки, крупность частиц, плотность отформованного полуфабриката и т. д.

Для оксида алюминия высокой чистоты она превышает 1600 °С, для листов из оксида алюминия, используемых в качестве подложек и корпусов интегральных схем, максимальная температура спекания 1400—1500 °С.

В качестве среды для спекания изделий из оксида алюминия используют воздух и прочие окислительные среды. Однако для спекания керамики с металлизированным слоем типа многослойных спрессованных плат, подложек и корпусов для интегральных схем используют восстановительную среду воздуха или азота.

На процесс спекания алюмооксидной керамики определяющее влияние оказывает вид глинозема, использованного в чистом виде или в составе шихты. Поскольку глинозем получается из разного сырья и по разным схемам химического обогащения, различные марки глинозема отличаются как содержанием примесей, так и содержанием оксида алюминия в форме корунда. Последнее особенно важно поскольку при переходе из низкотемпературной модификации в высокотемпературную (корунд) оксид алюминия претерпевает объемное сжатие 14,3 %. Эти объемные изменения необходимо выносить за рамки процесса спекания собственно изделия. В соответствии с ГОСТ 6912-74 наибольшим содержанием корунда характеризуется глинозем марки ГН-0 и ГН-1 (не менее 95% ). Для приготовления корундовой массы выбирается глинозем марок ГН. Интенсивность процесса спекания и функциональные свойства корундовой керамики зависят от тонины помола и вида вводимых добавок в состав шихты. Для достижения необходимой тонины помола в предлагаемой технологии предусмотрена струйная мельница. В зависимости от вида и количества добавок спекание корундовой керамики может идти по твердофазному механизму или с участием жидкой фазы. Наилучшими свойствами обладает керамика с мелкозернистой структурой, которую можно получить только при спекании в твердой фазе. Наиболее эффективной добавкой, замедляющей процесс рекристаллизации и активирующей спекание корундовой керамики, является MgO, вводимый в количествах до 0,5 %. Для активации спекания также может оказаться эффективным введение ультрадисперсных (нанодисперсных) порошков оксида алюминия.

Для обжига корундовой керамики могут использоваться тепловые агрегаты периодического или непрерывного действия, отличающиеся типами нагревателей, возможностью или необходимостью создания специальной газовой среды. Выбор теплового агрегата зависит в том числе и от вида получаемых корундовых подложек. При разнесении процесса обжига и металлизации на разные стадии возможен обжиг в окислительной воздушной среде. При обжиге металлизированых подложек необходимо создание в печи специальной регулируемой атмосферы.

После обжига проводится межоперационный контроль качества обожженных заготовок. Контролируемыми параметрами являются плотность (гидростатическое взвешивание), пористость и макродефекты (фуксиновый контроль), прочность на изгиб, диэлектрическая проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь.

Проведение операции шлифования определяется необходимостью исправления погрешности формы детали после операции спекания и обеспечению требований размерной точности и шероховатости поверхностей детали.

Технологическая схема процесса мехобработки керамических алюмооксидных подложек представлена на рис.8.

Рис. 8. Технологическая схема процесса мехобработки керамических алюмооксидных подложек.

Шлифование керамических подложек осуществляется следующим образом.

На мехобработку подложки поступают после операции «обжиг». Для шлифования применяются круги алмазные шлифовальные типа А1АС6 12/8 В2-01 200*40*76*5. Подложки перед плоским шлифованием предварительно проходят операцию «подготовка» - детали данной партии должны быть наклеены с помощью предварительно приготовленного из канифоли и парафина клея на определённый комплект пластин (использование пластин разных комплектов для одной партии деталей запрещается - во избежание размерного брака).

Пластины с закреплёнными на них подложками устанавливаются на магнитный стол плоскошлифовального станка типа 3Д711АФ. Количество устанавливаемых пластин - до 5 шт. Рукоятками управления станком устанавливаются технологические параметры (режимы) обработки подложки:

автоматическая вертикальная подача стола - 0,02 мм;

автоматическая поперечная подача - не более 1/3 ширины круга;

положения шлифовального круга относительно крайних рядов установленных на пластинах деталей - устанавливаются кулачками поперечного реверса.

В качестве СОЖ используется вода.

Детали шлифуются до заданного размера с учетом припуска на вторую сторону.

Вторая сторона подложек, после их закрепления на пластинах обратной стороной, шлифуется аналогично до достижения окончательного размера. По окончании операции шлифования, после снятия деталей с пластин, осуществляется контроль подложек по следующим параметрам: внешний вид, толщина, неплоскостность, непараллельность, шероховатость.

Металлизация.

На практике нанесение металлизационных покрытий на керамические детали осуществляется различными способами, применяемость которых обусловлена габаритами и формами деталей, требованиями конструктивного чертежа потребителя, требованиями к расходу материалов и производительности [1,2,3].

Необходимость нанесения толстых медных слоев на керамические подложки появилась в связи с развитием силовой электроники с увеличенными значениями токовой нагрузки (более 50 А, напряжение > 1 кВ). Это потребовало от металлизированных керамических подложек не только улучшения их диэлектрических свойств, но и необходимости отвода значительного количества тепла. Так как медь обладает низким электросопротивлением и имеет высокий коэффициент теплопроводности, она наиболее подходит для использования в качестве метталлизационного слоя для изделий силовой электроники [15,16].

Нанести толстый слой меди (более 50 мкм) можно путем гальванического осаждения меди на предварительно металлизированные керамические подложки (метод AVB — Active Metal Braze), но скорость нанесения металлизации гальваническим методом низка, поэтому гальванически наносят пленки толщиной 5-15 мкм. И при хороших показателях получаемой металлизации данный метод нанесения толстых слоем металлизации не нашел широкого применения из-за высокой трудоемкости и соответственно стоимости.

Другим методом является так называемая «гибридная» металлизация при которой наносится первоначальный слой металлизации, который имеет хорошую адгезию с керамикой и далее на него припаивается слой медной фольги [17,18].

Еще одним способом образования сравнительно толстых токопроводящих медьсодержащих слоев является метод последовательного вжигания пасты на основе меди, с помощью которого можно получать слои толщиной до 150 мкм. Это достаточно простой метод, основанный на давно используемой технологии металлизации на основе металлизационных паст, однако он имеет ряд существенных недостатков:

- низкая электропроводность и большее удельное сопротивление толстопленочного проводника по сравнению с чистыми металлами;

- рыхлость проводящего слоя, низкая устойчивость его к воздействию температур и химических веществ входящих в состав пасты, которые впоследствии выжигаются;

- нестабильность свойств паст из-за качества сырья и многочисленных производственных факторов.

По сравнению с этими методами DBC (Direct Bond Copper — прямая медная металлизация) технология позволяет получить толстые слои металлизации с гораздо лучшими характеристиками и толщиной покрытия. Поэтому в настоящее время единственным промышленно освоенным методом получения толстых слоев является метод DBC [19, 20].

Термин «прямая» не совсем верен, так как непосредственное соединение между медью и керамикой не является прочным и не отвечает предъявляемым к металлизации требованиям. Технология DBC подразумевает образование переходного слоя (Cu-Al₂O₃). Технологически данный слой позволяет получить равномерное и прочное соединение между керамикой и медью [20].

Метод металлизации DBC широко используется в изделиях силовой электроники и имеет следующие преимущества:

- низкий коэффициент температурного расширения (7,2∙10^-6), несмотря на сравнительно толстые слои меди (0,3 мм);

- способность работать на больших токах благодаря толщине медного проводника и низкому электросопротивлению;

- высокую адгезию (>50 Н/см);

- очень низкое температурное сопротивление подложек благодаря эффективному распространению тепла в толстом слое меди и отсутствию промежуточных слоев;

- высокую устойчивость к механическим воздействиям;

Образование переходного слоя проходит в процессе взаимной диффузии кислорода в месте контакта подложки и медной фольги (CuO+Al₂O₃=CuAl₂O₄) при определенных условиях. Слой CuO образуется на поверхности медной фольги на воздухе, однако толщина этого слоя исчисляется в ангстремах, что недостаточно для образования достаточного переходного слоя. Поэтому технология DBC включает подготовку медной фольги и образование на ней слоя закиси меди определенной толщины (порядка 1 мкм).

Работы с применением технологии металлизации толстыми слоями меди подложек из алюмооксидной керамики.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: