1 はじめに
セラミック材料は、天然または合成化合物から成形と高温焼結によって形成される無機非金属材料の一種です。{{0}{1}}高融点、高硬度、高耐摩耗性などの利点を有しており、構造材料や機能材料として利用可能であり、幅広い応用が期待されています[1]。セラミック材料の焼結は主に、1 つまたは複数の固体原料粉末が高温加熱下で材料輸送を受け、粉末が凝集して緻密化するプロセスです。-。このプロセスには通常、数時間、場合によっては数十時間かかります。肉眼的に見ると、焼結は密度と強度の増加として現れます。本質的に、これは粒子表面エネルギーから界面エネルギーへのエネルギー減少であり、さまざまな部位での化学ポテンシャル勾配下での原子拡散によって引き起こされ、顕微鏡的には粒子間の細孔の除去として現れます[2]。
2 メタライゼーションプロセス
2.1 直接メッキ銅メタライゼーション
直接メッキ銅（DPC）メタライゼーション プロセスでは、基板にレーザー穴を開けて徹底的に洗浄した後、清潔で乾燥したセラミック基板上にシード層を堆積します。{0}}次にドライフィルムを塗布し、現像と露光を行った後、電気めっきを実行して目的の金属回路を生成します。その後、余分な乾燥フィルムとシード層が除去され、後続のろう付けプロセスに備えて銅層を保護するために、銅の表面に非活性金属がコーティングされます。
DPC セラミック基板には、高い熱伝導率、高い回路精度、ビアホール相互接続によるパッケージ容積の削減などの利点がありますが、電気めっきプロセスの制約により、銅層の厚さは一般に 150 μm 以下に制限されます。{0}現在、DPC テクノロジーは主に高出力 LED のパッケージングに使用されています。-高-輝度 LED や深紫外 LED などの高-熱-発生アプリケーションでは、熱放散のために裏面に高-熱伝導率{{10}}基板が必要なだけでなく、前面-}のパッケージ材料も熱安定性と信頼性を考慮する必要があります。従来の樹脂製パッケージ材料は、紫外線や高温下で劣化したり故障したりする傾向があります。したがって、現在の研究では、デバイスの信頼性を向上させるために、カオリン、ニッケル、銅などの無機または金属材料を使用して DPC 基板上にダム構造を形成し、透明な石英カプセル封止と組み合わせて使用する傾向があります [3]。
現在、直接めっき銅メタライゼーション プロセスが広く適用されていますが、依然として効率の低さ、ビア充填の不十分さ、バスの汎用性の低さなどの問題に直面しています。{0}中でも、ビア充填が不十分だと、デバイスのパフォーマンス、安定性、信頼性に影響を与える可能性があります。-その理由は、電気めっき中に銅がビア表面により容易に堆積する傾向があり、内部が完全に満たされる前にビアが閉じてしまい、最終的にビア内にボイドが形成されるためです。電気メッキされたビア充填の品質は、メッキ電流と添加剤の配合によって影響されます。めっき液の組成と補助プロセス パラメータを最適化すると、ビア充填の品質を向上させることができます。-
さらに、DPC セラミック基板は、電気めっき中に、過度に長いめっき時間、不均一なコーティング厚さ、コーティング内の巨視的残留応力などの問題に遭遇する可能性があります。-このうち、過剰な残留応力はコーティングの亀裂や反りを引き起こす可能性があり、銅層内の残留応力の蓄積はセラミック基板の熱安定性に影響を与える可能性があります[4]。
2.2 銅直接接合法
直接接合銅 (DBC) テクノロジーは、Burgess らによって初めて開発されました。 1973年に[5]。その基本原理は、銅箔表面の酸化物層が高温でCu-O共晶融液を形成することです。この溶融物は優れた濡れ特性を備えており、1065 度の共晶温度でセラミック基板と未反応の銅箔を効果的に接合することができ、冷却固化後の強力な接合を確保します。
1065 度付近では、Cu-O 共晶相が形成されます。純銅の融点は1083度であるため、共晶接合は1065度から1083度の温度範囲で行う必要があり、実際の作業は1070度から1075度の間に集中します。冷却中に、Cu-O 共晶内の過飽和酸素が Cu₂O として沈殿します。 Al2O3 または AlN セラミックでは、CuAlO2 や CuAl2O4 などの追加の反応生成物も現れることがあります [5]。共晶液の形成とその酸素含有量は、接合の有効性にとって非常に重要です。銅溶融物中の酸素の拡散速度が非常に遅い（10-5 cm2/s）ため、接合プロセス中に十分な酸素を導入するのは困難です。したがって、銅箔の予備酸化-は一般に、銅箔表面にCu₂Oを形成して共晶液の形成を促進するために実行されます。銅の酸素含有量も接合界面の強度に大きく影響するため、このパラメータを正確に制御することが接合性能を確保する上で重要な要素となります[6]。
直接接合銅プロセスでは、使用する特定の基板が必要です。純銅溶融物は、Al2O3、AlN、Si3N4 に対して濡れ性が悪く、接触角は 130 度を超えます。接合中の酸素分圧と銅溶融物の酸素含有量を増加させることにより、Al2O3 表面の接触角を大幅に減少させることができます [7]。 AlN 上の濡れ性は、接合時の酸素分圧を上げる、真空環境で接合する、または接合時間を延長することによっても改善できますが、その効果は非常に限定的です [8]。したがって、AlN は通常、事前酸化されて Al2O3 の表面層を形成し、その後上記の方法を使用して結合されます。しかし、これらの方法はいずれも Si3N4 上の銅溶融物の濡れ性を容易に改善できないため、DBC が Si3N4 に適用されることはほとんどありません。
2.3 活性金属ろう付けメタライゼーション
新エネルギー車業界では、SiCモジュールが高く評価されています。ただし、SiC パワーデバイスのジャンクション温度が 250 度に上昇すると、高温条件下での DBC セラミック基板の温度サイクル信頼性が低下するため、その用途が制限されます。{2}この問題に対処するために、研究者らは AMB (Active Metal Brazed) セラミック基板を開発しました。
まず、はんだの薄い層がきれいなセラミック基板上に塗布されます。次に、はんだの上に銅箔を置き、真空環境中で 800 度から 950 度に加熱してはんだを溶かします。冷却すると、堅牢な接合部が形成されます。次に、ウェット エッチングを使用して、高出力デバイスの電気相互接続要件を満たす金属パターンを作成します。-
従来の金属は一般にセラミック基板上で濡れ性が低いため、濡れ性を改善し、接合強度を高めるために活性金属はんだが一般的に使用されます。活性金属はんだには少なくとも 1 つの活性金属元素が含まれており、現在主な活性元素は Ti およびランタニド元素です。 AMB プロセスで一般的に使用される活性はんだには、Sn-Ag-Ti および Ag-Cu-Ti 系が含まれます。Ti は活性金属として機能し、はんだとセラミック間の濡れ性を向上させます。一方、Sn と Ag は融点を下げ、接合部の熱伝導率を向上させます。
ただし、AMB プロセスは高真空または保護雰囲気下で実行する必要があるため、プロセスの適用性が制限されます。この制限を克服するために、研究者は空気中で実行できる反応性空気ろう付け (RAB) 技術を開発しました。 RAB で使用されるろう材は、主に貴金属 (Ag、Ag-Pd 合金など) と金属酸化物 (CuO、V2O5 [9]、Nb2O5、SiO2、Al2TiO5 など) で構成されているため、接合部に良好な耐酸化性が与えられます。 RAB 中に、金属酸化物がセラミック基板表面に付着して反応し、溶融フィラー金属と界面の相乗作用によってセラミック基板の濡れ性が向上します。一方、貴金属の優れた延性は接合部の内部熱応力を緩和するのに役立ち、金属酸化物の添加は接合部とセラミックマトリックス間の CTE の不一致から生じる残留応力を軽減するのに役立ちます。
活性金属ろう付けメタライゼーションには、シンプルな装置とプロセス、高い信頼性、セラミック基板の種類の制限がないなどの利点があり、高出力デバイス用途にとって最も有望なメタライゼーション プロセスとなっています。-しかし、高出力電子デバイス産業の急速な発展を考慮すると、AMB プロセスの機械的特性と長期的な動作信頼性に対してより高い基準が課されており、継続的な最適化と改善が必要です。-同時に、AMB セラミック基板は、DBC 基板と同様に回路精度が不十分であるという技術的なボトルネックに直面しています。 DPC プロセスと同等の回路精度を達成する新技術が開発できれば、AMB セラミック基板は将来他の同様の基板に取って代わることが期待され、大きな応用可能性を示します [4]。
2.4 レーザー-誘起メタライゼーション
レーザー誘起メタライゼーション プロセスでは、レーザー ビームを使用してアルミニウムを含むセラミック基板を選択的に照射します。-。照射されたセラミック材料は、活性化された金属原子に還元されます。次に基板は Cu2+ を含む無電解メッキ溶液に浸漬され、そこで活性化された原子が Cu2+ の還元と照射領域への堆積を促進し、金属回路パターンを形成します [10]。
無電解めっきは、外部電流を必要としない自己触媒酸化還元プロセスです。金属イオンは溶液中の化学還元剤によって固体金属に還元され[11]、この還元を促進するエネルギーは溶液中の化学還元剤から得られます。通常、めっき浴中の金属イオンは自然には還元されにくいため、金属核生成の活性化エネルギーを下げるために中間媒体として触媒が必要になることがよくあります。触媒粒子が基板表面にうまく堆積すると、大規模な金属堆積が引き起こされる可能性があります。-
レーザー誘起メタライゼーションは、レーザー照射によって活性化された Al 原子が形成される可能性があるため、一般にアルミニウムを含む基板上で行われます。-ただし、Al 原子の触媒性能は理想的ではなく、堆積効率を向上させるには他の触媒が必要です。
レーザー誘起メタライゼーション プロセスの設計は、レーザー パラメータ、セラミック基板の特性、電気めっきプロセス パラメータに非常に敏感です。この技術は、銅電気めっきのコスト上の利点と LAM (レーザー支援メタライゼーション) プロセスの高い回路精度を組み合わせたものですが、レーザー装置の高コストと無電解めっきによって引き起こされる環境汚染は、依然としてこの技術のさらなる普及を制限する重要な要因です。
2.5 厚膜メタライゼーション-
厚膜メタライゼーションでは、封止用の金属層、導体（回路配線）、抵抗器などをセラミック基板上にスクリーン印刷し、続いて焼結してろう付け金属層、回路、リード接続点を形成します。-厚膜ペーストは通常、粒径約 1.5 μm の金属粉末、数パーセントの永久結合剤、およびボールミル粉砕と混合によって調製される有機ビヒクル (有機溶媒、増粘剤、界面活性剤などを含む) で構成されます。厚膜金属化のステップには一般に、パターン設計とアートワークの準備、ペーストの準備、スクリーン印刷、乾燥、焼結が含まれます[12]。
厚膜メタライゼーションでは、スクリーン印刷の原理を利用します。-まず、パッケージングや抵抗などの電子部品に必要な金属層を窒化アルミニウムセラミック基板に貼り付けます。次に、金属層と電子部品が高温焼結によってセラミック基板表面に接着され、すべての部品間の強固な接続が実現されます。-このプロセスは、電子デバイスのパッケージングや回路配線に幅広く応用されています。導電性ペーストは、厚膜メタライゼーションの品質に影響を与える重要な要素です。その組成は主に、金属粉末 (1 ～ 5 μm)、ガラス、バインダー、およびボールミルで混合された有機ビヒクルで構成されています [13]。
厚膜メタライゼーション法は、さまざまな種類のセラミックに適用でき、プロセスが簡単です [14]。しかし、スクリーンサイズと導電性ペーストの制限により、線幅が60μm未満のワイヤを製造することは困難です。金属層の電気特性と接着強度は比較的劣るため、電力とサイズの要件が低い電子デバイスにのみ適しています。窒化アルミニウム厚膜メタライゼーションに特に適した導電性ペーストはまだ比較的希少であり、市販のペースト配合物は直接適用できません。そうしないと、界面で膨れが発生する可能性があります [15]。
2.6 薄膜メタライゼーション-
薄膜メタライゼーションは、真空蒸着やスパッタリングなどの物理蒸着法によって金属材料を気化させ、セラミック表面に蒸着させて金属薄膜を形成し、続いてマスキング、エッチングなどの手順を行ってメタライズ回路パターンを作成するプロセスです。{0}}
理論上、このプロセスでは、蒸着またはスパッタリングによってさまざまな基板材料上にミクロン スケールの均一な金属膜を形成できます。{0}しかし、セラミックと金属銅の熱膨張係数には大きな違いがあるため、窒化アルミニウムセラミック上に銅を直接蒸着すると、金属層とセラミック層の間に大きな応力が生じ、セラミックへのコーティングの接着強度や基板の熱サイクル安定性に影響を及ぼします。したがって、近年、多層堆積アプローチが一般的になってきています。通常、第 1 層は Ti 層であり、第 2 層は Cu、Ag、Au などの金属から選択されます。大きな内部応力により、単一層内の転位滑りと相互作用が別の層に伝達されると、金属層内の内部応力も緩和されます。
薄膜メタライゼーションは、高品質、強力な接着力、均一なコーティング、微細なパターンの解像度を提供します。ただし、非常に薄い金属層しか製造できず、準備プロセスは比較的複雑で、表面処理、金属蒸着、後処理などの複数のステップが含まれるため、プロセス パラメータの厳密な制御が必要です。その結果、製造コストが高くなり、開発が大幅に制限されます。