СПОСОБ МЕТАЛЛИЗАЦИИ КЕРАМИКИ С ПОМОЩЬЮ МЕТАЛЛИЗИРОВАННОЙ ЛЕНТЫ
METALLISATION METHOD OF CERAMICS USING METAL-COATED TAPE

Изобретение относится к области получения металлических покрытий на поверхности различных материалов и может найти применение в электронной, электротехнической и радиотехнической промышленности при производстве металлизированных подложек с топологическим рисунком схемы для силовых модулей, теплоотводящих элементов мощных полупроводниковых приборов и корпусов для сверхярких светодиодов.
Для получения электронных силовых модулей на керамических подложках керамику металлизируют, для чего наносят проводящие слои толщиной более 300 мкм, из которых формируют топологический рисунок многослойной металлизации. (А. Колпаков. О термоциклах и термоциклировании. Силовая электроника, 2006, №2)
В процессе изготовления и эксплуатации металлизационные структуры силовых модулей подвергаются воздействию термических и механических напряжений. Серьезными проблемами является обеспечение высокой адгезии пленочных покрытий к подложке, качественной пайки кристаллов полупроводниковых приборов (ППП) к подложке и последующей приварки соединительных выводов к контактным площадкам на кристалле ППП и пленочным покрытиям на подложке.
При монтаже силовых ППП, их необходимо припаивать к металлизированным площадкам, выполненным из толстой медной пластины, используя многоступенчатую пайку. Кроме того, проволочные или балочные выводы ППП также необходимо приваривать или припаивать к медной пластине. Эти процессы требуют неоднократного локального нагрева до высоких температур, превышающих 500°С. Однако при этом разрушается переходный слой, что приводит к исчезновению контакта между медной пластиной и керамикой, а также к прекращению тепловой передачи между ними. Это вызывает нежелательный перегрев элементов электрической схемы, возможен выход силового модуля из строя.
Известны способы металлизации вжиганием металлических порошков, смешанных с растворителем и пластификатором, когда на поверхность керамики наносят пасту из порошков тугоплавких металлов и затем вжигают их. Металлизация вжиганием находит широкое применение в радиоэлектронном производстве, позволяет получить надежный и прочный рисунок печатной схемы, исключающий опасность обрыва [Батыгин В.Н., Метелкин И.И., Решетников A.M. \ Вакуумно-плотная керамика и ее спаи с металлами. - Издательство «Энергия», 1973 - 408 с.]. Технология металлизации весьма разнообразна и сводится к следующим вариантам: а) нанесение на поверхность керамики пасты, состоящей из тонкодисперсного металла на органической связке, с последующим вжиганием, б) нанесение пасты сначала на поверхность полимерной пленки, а затем перенос слоя пасты с поверхности полимерной пленки на поверхность керамических деталей.
Известен способ изготовления ленты для металлизации керамических изделий путем нанесения на органическую подложку суспензий из смеси металлических порошков с растворителем и пластификатором [А.с. СССР №165106, заявл. 26.08.1963, опубл. 04.09.1964].
С помощью сформированного на ленте покрытия из суспензии, содержащей смесь металлических порошков, подлежащую металлизации поверхность керамических изделий предварительно смачивают смесью ксилола и толуола в соотношении 1:1 и приводят в соприкосновение с металлизирующей лентой, при этом металлизационный слой переносится на поверхность керамического изделия. Вжигание нанесенного на керамику слоя металлизации производят в водородных печах.
Этот способ обладает рядом преимуществ, которые заключаются в том, что лента получается однородной по толщине, плотности, при этом исключается возможность растекания пасты по поверхностям, не подлежащим металлизации. С помощью ленты можно получить более качественное покрытие керамики и вакуумно-плотные спаи повышенной механической прочности. Способ позволяет повысить производительность, обеспечить автоматизацию процесса, равномерность толщины и плотности покрытия. Но область использования данного способа ограничена. Металлизация керамических деталей с помощью металлизационной ленты возможна, в основном, на торцевых поверхностях деталей цилиндрической формы, с малой площадью поверхности покрытия. Создание сложных металлизационных рисунков на плоских изделиях из керамики с большой площадью поверхности покрытия, таких, как подложки силовых модулей и других изделий, этим способом с использованием металлизационной ленты, невозможно. Получить сложные топологические рисунки на подложках возможно только с использованием методов фотолитографии или трафаретной печати, что очень дорого при малых сериях изготавливаемых керамических металлизированных подложек и требует больших затрат времени. Кроме того, предварительное смачивание подлежащих металлизации поверхностей керамических изделий смесью ксилола и толуола, являющихся вредными веществами, требует особых мер по обеспечению безопасных условий труда для работников, выполняющих данную технологическую операцию.
Известен способ металлизации керамики, включающий нанесение на керамическую пластину адгезионного слоя, а именно слоя молибден - марганцевого состава, и слоя порошкообразной меди, с последующим одновременным их вжиганием при 800-1100°С. (А.с. СССР №564293, МКИ С04В 41/14, заявл. 27.12.71, опубл. 05.07.77). С помощью вжигания обеспечивается расплавление меди и проникновение ее между зернами молибден - марганцевого состава. Медь, образуя с марганцем активный расплав, взаимодействует с керамикой. На поверхности подложки получается покрытие, прочно сцепленное с керамикой, позволяющее осуществлять пайку различными припоями. Данный способ существенно упрощает процесс металлизации, сокращает трудоемкость изготовления металлизированной керамики, однако он не позволяет получать толстый (более 300 мкм) слой медной металлизации с высокой электропроводностью, необходимый для крепления силовых ППП. Толщина адгезионного слоя ограничена толщиной слоя наносимой пасты (до 30-40 мкм) методом трафаретной печати и большой пористостью пасты.
Наиболее близким техническим решением является способ металлизации керамики (Патент РФ №2490237, Металлизированная керамическая подложка для электронных силовых модулей и способ металлизации керамики, заявл.12.08.2011, опубл.20.08.2013, прототип), в котором на керамическую пластину сверху и снизу наносят адгезионный слой на основе молибдена и марганца и проводят его вжигание при температуре 1320-1350°С, затем методом холодного газодинамического напыления наносят слой порошкообразной меди, после чего проводят отжиг при температуре 900-1100°С, кроме того, дополнительно устанавливают пластины медной фольги толщиной 100-700 мкм, прижимают их под давлением 0,7-1,6 кгс/мм и проводят термообработку в вакууме или водороде при температуре 850-1000°С. После того, как нанесены все слои металлизации формируют общий топологический рисунок, либо формируют его отдельно в каждом слое: сначала после нанесения адгезионного слоя, затем слоя порошковой меди и медной фольги.
Основными недостатками данного способа является большое число сложных и трудоемких технологических операций. Топологический рисунок приходится формировать в каждом слое металлизации отдельно с помощью операций фотолитографии, имеющих высокую трудоемкость, и при выполнении которых применяются различные вредные вещества.
Техническим результатом изобретения является упрощение конструкции и способа изготовления металлизации керамики электронного силового модуля, исключение вредных веществ, снижение трудоемкости при сохранении разрешающей способности формирования топологического рисунка на уровне точности фотолитографического метода.
Технический результат, обеспечиваемый изобретением, достигается тем, что в способе металлизации керамики, включающем нанесение на керамическую пластину сверху и снизу адгезионного слоя и слоя меди, их последовательную термообработку при различных температурах и формирование единого топологического рисунка, металлические слои наносят путем теплового переноса с помощью ленты из полимерного материала с нанесенным на него многослойным металлическим покрытием и сформированным требуемым топологическим рисунком схемы, полученным за счет лазерной резки, причем многослойное покрытие формируют из проводящих, резистивных и диэлектрических слоев, нанесение многослойного покрытия со сформированным требуемым топологическим рисунком проводят одновременно на обе стороны керамической пластины в фиксирующей оправке, а термообработку (вжигание) многослойного покрытия с топологическим рисунком проводят в среде водорода в одном цикле.
Существенные отличия предложенного способа металлизации керамических изделий, например, подложек для электронных силовых модулей, состоят в том, что металлические слои наносят путем теплового переноса с помощью ленты из полимерного материала с нанесенным на него многослойным металлическим покрытием и сформированным требуемым топологическим рисунком схемы, полученным за счет лазерной резки, причем многослойное покрытие формируют из проводящих, резистивных и диэлектрических слоев, нанесение многослойного покрытия со сформированным требуемым топологическим рисунком проводят одновременно на обе стороны керамической пластины в фиксирующей оправке, а термообработку (вжигание) многослойного покрытия с топологическим рисунком проводят в среде водорода в одном цикле.
Технических решений, содержащих признаки, сходные с отличительными признаками, не выявлено, что позволяет сделать выводы о соответствии заявленных технических решений критерию новизны.
Воздействие мощного сфокусированного лазерного излучения на поверхность областей металлизации полимерной пленки позволяет получить на керамической пластине топологический рисунок требуемого уровня разрешающей способности, точности его воспроизведения и качества металлизации. За счет испарения металлизационного слоя и теплового химического разложения полимерной пленки в окрестности фокуса лазерного луча образуются треки, которые позволяют формировать требуемый топологический рисунок с высокой разрешающей способностью.
Для осуществления данного способа были использованы проводниковая, резистивная диэлектрическая пасты и полимерная пленка (из полиимида, майлара или фторопласта), с помощью которой осуществляется тепловой перенос многослойного покрытия на поверхность керамической пластины (подложки). В качестве подложки силового модуля берут алюмооксидную керамику марки ВК-96 размером 30×29×0,38 мм.
Проводниковые, резистивные и диэлектрические пасты содержат три основные составляющие: функциональную - это частицы неорганических веществ (металлов и окислов металлов), которые придают пасте основные свойства будущих элементов (проводник, резистор, диэлектрик), конструкционную - это стеклянная фритта, которая обеспечивает равномерное распределение частиц функциональной составляющей и технологическую - это органические растворители и соединения, которые смачивают твердые частицы, обеспечивают равномерное распределение этих частиц по объему в процессе приготовления паст.
Процесс формирования многослойного покрытия на полимерной пленке состоит из ряда последовательных идентичных циклов. При формировании каждого слоя (проводящего, резистивного, изоляционного диэлектрического) используют соответствующие пасты, которые наносят в обратной последовательности на полимерную пленку, затем производят лазерную резку для получения топологического рисунка и далее осуществляют тепловой перенос многослойного покрытия с рисунком на подложку, после чего покрытие подвергают сушке и вжиганию.
В процессе вжигания стеклянная фритта, входящая в состав проводниковой, резистивной и диэлектрической изоляционной пасты размягчается, смачивает частицы функциональной составляющей, образуя однородную суспензию. После охлаждения и отверждения образуется металлизационное покрытие, которое прочно соединено с подложкой.
Сначала приготавливают проводниковую, резистивную и диэлектрическую изоляционную пасты. Пасты изготавливают по известной технологии: производят помол основной функциональной части пасты до величины частиц 1-3 и 3-15 мкм, смешивают полученный порошок с органическим связующим до получения гомогенной массы. Смешение всех типов порошков производится в жидком связующем, поэтому частицы стеклянного порошка и частицы наполнителя равномерно перемешиваются и затем структурируются в расплавленной, а затем затвердевшей системе. Далее на полимерную пленку наносят последовательно равномерные проводниковый (адгезионный), резистивный, изоляционный (диэлектрический) и медный слои с помощью полива суспензий паст соответствующих составов.
Для получения металлизирующей ленты приготавливалась суспензия проводниковой (адгезионной) пасты, состоящая из металлических порошков молибдена, марганца и кремния, в процентном соотношении 75:20:5, с добавлением биндера, пластификатора и растворителя. Металлические порошки и органические растворители загружались в фарфоровый барабан и размешивались на шаровой мельнице.
После завершения формирования проводникового слоя наносят резистивную пасту по технологии нанесения проводниковой пасты. Резистивная паста, включающая в себя в качестве функциональной фазы частицы металла и окисла металла, при этом частицы окисла металла, обладающие изоляционными и полупроводниковыми свойствами, "разобщают" частицы металла, образующих проводящие цепочки. С уменьшением содержания металла удельное поверхностное сопротивление резистивных слоев возрастает. Функциональная фаза резистивной пасты состоит из порошка никеля с добавками порошка хрома. Материал для изготовления резисторов резисторов может содержать кремний, хром, марганец при следующем соотношении компонентов, мае. хром 35,0-43,4; марганец 5,1-14,4, кремний остальное.
В качестве конструкционной связки используют стекло. В качестве материала резистивного слоя может быть использована так же паста на основе порошка никеля с добавками порошка хрома и стеклосвязующего. Для формирования изолирующего слоя используют преимущественно стекла кальциевобороалюмосиликатной системы (глазурь). Использование композиционной пасты позволяет сформировать резистивный слой, не препятствующий удалению воздушных включений из-под резистивного слоя, вследствие чего улучшается электрическая прочность изоляции. Кроме того, спай двух слоев изолирующего и резистивного, полученных по единой технологии композиционных толстопленочных материалов, повышает устойчивость структуры к циклической смене температур.
Варьирование соотношения никеля и хрома или никеля и нихрома в проводящей фазе позволяет изменять в широких пределах удельное сопротивление резистивного слоя. Дополнительное изменение удельного сопротивления резистивного слоя достигается при изменении соотношения проводящей фазы и стеклосвязующего.
Нанесенную поверх проводниковой резистивную пасту сушат с помощью инфракрасного излучения в процессе движения полимерной ленты при температуре 30-40°С в течение 1-2 мин. Резистивный слой наносят толщиной 30-40 мкм.
После нанесения резистивной пасты наносят изоляционную (диэлектрическую) пасту. Перед нанесением изолирующего слоя измеряют толщину проводникового и резистивного слоев. Использование бесщелочных стекол в составе изолирующего слоя приводит к укреплению структурной сетки стекла и улучшает электрическую изоляцию при повышенных температурах. При вжигании изолирующего слоя происходят одновременно процессы оплавления стекла и его кристаллизации. Выделение кристаллической фазы в изолирующем слое имеет следующие положительные стороны: во-первых, дополнительно снижается при повышенных температурах подвижность ионов-модификаторов, входящих в состав стекла, во-вторых, становится возможной многократная термообработка изолирующего слоя без его размягчения, что снижает процессы взаимной диффузии изолирующего и резистивных слоев. Использование в качестве материала стеклосодержащего изоляционного слоя бесщелочного стекла с керамическим наполнителем позволяет повысить надежность многослойной металлизационной структуры отсутствия ионов щелочных металлов, так и за счет снижения подвижности ионов других элементов в присутствии керамического наполнителя.
Затем на многослойную структуру из слоев молибдено-марганцевой, резистивной и изоляционной паст наносят медную проводниковую пасту, на основе окиси меди.
Получение металлизирующей ленты осуществлялось методом последовательного литья суспензии каждого типа пасты на движущуюся полимерную пленку из фторопласта, майлара или полиимида со скоростью 1 м/мин на установке литья пленки ГМ 975. Суспензия металлизационной (резистивной или диэлектрической) пасты переливалась в бачок установки литья, потом отливалась металлизирующая пленка требуемой толщины, которая задавалась с помощью регулировки зазора между движущейся полимерной пленкой - основой и ракелем (ножом). Толщина многослойной металлизирующей пленки составляла 30-40 мкм для одного слоя, а для всех четырех слоев 120-160 мкм. Далее металлизирующая пленка разрезалась вместе с основой на полосы длиной 50 см, которые складывались в стопку и помещались в полиэтиленовый пакет. Эти стопки выдерживались под пригрузом в течение 20-24 часов. После этого металлизирующая пленка была готова для лазерной резки и переноса на керамическую подложку в течение 30 суток, при хранении ее в холодильнике при температуре 3-5°С. Формирование топологического рисунка в в 4-х слоях из паст осуществлялось путем лазерной резки треков и получения рисунков в полосках металлизирующей пленки, нанесенной на полимерную основу длиной 50 см.
Для изготовления рисунка была использована управляющая программа формирования топологического рисунка путем лазерной резки.
Лазерная резка проводилась на станке для лазерной резки. На рабочий стол установки укладывалась полимерная пленка с нанесенными слоями металлизирующих пленок, после чего с помощью калибровочной пластины толщиной 5 мм выставлялся зазор между головкой лазера и пленкой, равный толщине калибровочной пластины, устанавливалась скорость резки. Затем заготовки с вырезанными рисунками направлялись для последующего нанесения металлизационного покрытия на подложку. Требуемые топологические рисунки, вырезанные в полосках металлизирующей пленки, далее наносят на лицевую и обратную сторону керамической подложки из нитрида или оксида алюминия.
Перед нанесением металлизационного покрытия с помощью полимерной пленки керамическая подложка подвергается операциям шлифовки и очистки. Процесс переноса металлизационных слоев с полимерной пленки на керамическую подложку производился путем укладывания пленки с вырезанным рисунком сначала на обратную сторону подложки, а затем с требуемым рисунком - на лицевую сторону, прессования пуансоном через подогретую до температуры 130°С силиконовую пластину. После остывания детали, полимерная пленка снималась. Далее производилась сушка металлизационного слоя при температуре 160°С, после которой многослойная металлизация вжигалась на обе стороны алюмооксидной подложки при температуре 1320°С в восстановительной атмосфере.
В случае с алюмонитридной подложкой, она сначала окислялась при температуре 1100°С, в печи с воздушной атмосферой. Далее производилось вжигание металлизационного слоя в восстановительной атмосфере 1320°С.
Заявляемый способ, в отличие от способа прототипа, позволяет упростить способ изготовления металлизации керамики электронного силового модуля, исключить применение вредных веществ, снизить трудоемкость при сохранении разрешающей способности формирования топологического рисунка на уровне точности фотолитографического метода. Применение заявляемого способа и технологии изготовления силовых модулей позволит повысить их качество и дает основание ожидать существенный экономический эффект от его внедрения.