×
18.05.2019
219.017.5386

Способ металлизации керамики под пайку

Вид РИД

Изобретение

Юридическая информация Свернуть Развернуть
Краткое описание РИД Свернуть Развернуть
Аннотация: Изобретение относится к области получения металлических покрытий на керамических изделиях и может найти применение в электронной, электротехнической и радиотехнической промышленности. Способ металлизации керамики под пайку осуществляется путем нанесения на ее поверхность покрытия методом холодного газодинамического напыления (ХГН), включающим подачу предварительно нагретого сжатого воздуха в сверхзвуковое сопло, введение в сопло порошкового материала или смеси порошковых материалов, их ускорение в сопле потоком воздуха. Таким образом на поверхности керамики формируют нескольких слоев покрытия. Согласно изобретению в качестве материала первого слоя используют смесь порошков меди и алюминия с массовым содержанием меди в смеси 10-20%, затем проводят окислительный отжиг на воздухе при температуре 800-1100°С в течение 3 часов, после нанесения второго слоя из порошка меди толщиной 300-700 мкм проводят термообработку в вакууме при температуре 950-1050°С в течение 5 часов. Предложенный способ обеспечивает получение покрытия с низким коэффициентом температурного расширения, высокой адгезионной прочностью, высокой электропроводностью, малым тепловым сопротивлением многослойной структуры, а также высокую адгезию покрытия к керамике и возможность выполнения последующей многоступенчатой пайки при монтаже силовых ППП, проволочных и балочных выводов и сварку их к двухслойной металлизации для получения годных металлизированных керамических подложек. 2 пр.
Реферат Свернуть Развернуть

Изобретение относится к области получения металлических покрытий на керамических изделиях и может найти применение в электронной, электротехнической и радиотехнической промышленности при производстве металлизированных подложек силовых модулей, теплоотводящих элементов мощных транзисторов и светодиодов.

Основным элементом конструкции электронного силового модуля является металлизированная керамическая подложка, на которой расположены силовые полупроводниковые кристаллы, при этом она выполняет две основные функции: во-первых, осуществляет электрическую изоляцию токоведущих шин топологического рисунка, расположенных на одной стороне, друг от друга, а также от токоведущих шин на другой стороне; во-вторых, передает тепло, выделяемое активными элементами электронного силового модуля, на теплоотводы и радиаторы.

Для получения топологического рисунка электронного силового модуля керамические подложки металлизируют, для чего осаждают проводящие слои меди толщиной более 300 мкм, из которых формируют многослойную металлизацию.

Известна металлизированная керамическая подложка для электронных силовых модулей, состоящая из керамической пластины, выполненной из оксида или нитрида алюминия, установленных на ней с двух сторон, пластин медной фольги с адгезионными слоями. Пластины медной фольги имеют равную толщину около 300 мкм. При этом на одной стороне пластина медной фольги имеет топологический рисунок, а на другой стороне подложки пластина медной фольги выполнена сплошной, она отводит избыточное тепло с помощью прижима или пайки к радиатору (см. статью Юрген Шульц-Хардер. Медно-керамические подложки - основа современной силовой электроники. Новые возможности технологии DBC, перспективы и проблемы создания нового поколения изделий силовой электроники. Компоненты и технологии, 2005, №3). Известная керамическая подложка для электронных силовых модулей металлизирована методом DBC (Direct Bonded Copper - прямое медное соединение). Сущность метода DBC состоит в том, что керамику соединяют с медной фольгой, покрытой слоем закиси меди, при температуре 1064°С. Одним из недостатков метода DBC является то, что процесс требует очень точного температурного режима, поскольку проводится при температуре, близкой к температуре плавления меди, равной 1084°С, для чего требуется печь со стабильным во времени и очень равномерным полем температур в рабочей зоне. Также изделия из керамики, металлизированной по данному способу, нельзя паять высокотемпературными припоями в среде водорода из-за восстановления закиси меди до меди, что приводит к нарушению соединения при термоциклировании. Кроме того, при монтаже силовых полупроводниковых приборов (ППП), их необходимо припаивать к подложке, используя многоступенчатую пайку, а также приваривать или припаивать проволочные или балочные выводы ППП к металлизированным площадкам на медной пластине. Эти процессы требуют неоднократного локального нагрева до высоких температур, превышающих 500°С. При этом разрушается переходный слой, что приводит к исчезновению контакта между медной пластиной и керамикой, а также к прекращению тепловой передачи между ними. Что, следовательно, вызывает нежелательный перегрев элементов электрической схемы, и последующий выход силового модуля из строя.

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 температуре 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 образуется 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. Недостатком данного способа является то, что топологический рисунок металлизации можно формировать только методом трафаретной печати. Получение топологического рисунка на такой металлизации методом фотолитографии связано с существенными трудностями подбора растворов для селективного травления слоев, обеспечивающего высокое сопротивление изоляции между электрически изолированными элементами топологического рисунка. Кроме того, требуется разработка химически стойкого фоторезиста для процесса травления такой металлизации.

Наиболее близким техническим решением является способ металлизации керамики под пайку (Патент РФ №2219145, МПК С04В 41/88, заявл. 31.07.2002, опубл.20.12.2003), который заключается в нанесении двух слоев покрытия методом газодинамического напыления, путем нагрева сжатого воздуха, подачи предварительно нагретого сжатого воздуха в сверхзвуковое сопло, подачи в это сопло порошкового материала, его ускорения в сопле и нанесения на поверхность керамики. При этом первый слой формируют толщиной 5 - 200 мкм и используют для этого порошковый материал, содержащий не менее 20% по массе порошка керамики, остальное - смесь порошков металлов или сплавов, в которой не менее 30% от массы этой смеси составляет порошок алюминия. Второй слой формируют по той же технологической схеме, используя при этом другой порошковый материал, который содержит компоненты, обеспечивающие пайку второго слоя покрытия. Недостатками данного способа является низкая адгезия первого слоя с поверхностью керамики, низкое удельное электросопротивление, что неприемлемо для силовой электроники, так как в силовых модулях используются большой электрический ток и высокое электрическое напряжение. В этом случае возникает проблема отслаивания первого медного слоя от керамической подложки из-за повышенного тепловыделения и термического напряжения, вызванного различием термического расширения между медью и керамикой при переключении тока и напряжения или изменении параметров окружающей среды.

Термическое напряжение, обусловленное разницей в тепловом расширении меди и керамики, зависит не только от коэффициента теплового расширения этих материалов, но также и от величины удельного электросопротивления. При напылении первого слоя используется не менее 20% по массе порошка керамики, что значительно снижает электропроводность и повышает выделение тепла в первом слое, что приводит к термическим напряжениям и последующему отслоению покрытия от керамики.

Поэтому для уменьшения электрического сопротивления и термического напряжения необходимо использовать металл, обладающий электрическими свойствами на уровне меди.

Также металлизация, полученная известным способом, не позволяет использовать многоступенчатую пайку при монтаже силовых ППП, проволочных и балочных выводов, а также сварку их двухслойной металлизации из-за наличия в ней большого количества керамических порошков. Эти процессы требуют неоднократного локального нагрева до высоких температур, превышающих 500°С. При этом отслаивается и разрушается двухслойная металлизация.

Задачей предлагаемого изобретения является получение покрытия с низким коэффициентом температурного расширения, высокой адгезионной прочностью, высокой электропроводностью, малым тепловым сопротивлением многослойной структуры.

Техническим результатом предложенного способа является получение толстого слоя (более 300 мкм) медной металлизации с высокой электропроводностью, необходимого для крепления силовых ППП.

Технический результат, предлагаемого изобретения, достигается тем, что металлизацию керамики под пайку осуществляют методом холодного газодинамического напыления, включающем предварительный нагрев сжатого воздуха, подачу его в сверхзвуковое сопло, введение в это сопло порошкового материала или смеси порошковых материалов, их ускорение в сопле и нанесение на поверхность керамики с формированием нескольких слоев покрытия. Согласно изобретению в качестве материала первого слоя используют смесь порошков меди и алюминия с массовым содержанием меди в смеси 10-20%, затем проводят окислительный отжиг на воздухе при температуре 800-1100°С в течение 3 часов, после нанесения второго слоя из порошка меди толщиной 300-700 мкм проводят термообработку в вакууме при температуре 950-1050°С в течение 5 часов.

Предложенным способом получают металлизированную медью керамику под пайку, обеспечивающую многоступенчатую высокотемпературную пайку, формирование топологического рисунка металлизации, как в процессе напыления, так и в процессе фотолитографии.

Возможность использования изобретения в промышленности подтверждается нижеприведенными примерами.

Пример №1

На очищенные поверхности керамической пластины, закрепленной в специальной державке, наносят первый слой на установке холодного газодинамического напыления (ХГН) - в сформированный высокоскоростной подогретый воздушный поток с помощью дозатора вводят смесь порошков меди и алюминия с массовым содержанием меди в смеси 16,5% со средним размером частиц 40 мкм, обеспечивая нужную плотность расхода частиц. Введенные в поток частицы образуют газопорошковую смесь, которая ускоряется в сверхзвуковом сопле, направляется на керамическую пластину и формирует первый слой. Формирование покрытий из смеси медного и алюминиевых порошков осуществлялось по типичной схеме ХГН с плоским соплом Лаваля с критическим сечением 3.05×3.05 мм и выходным сечением 9.5×3.05 мм. Известная схема установки газодинамического холодного напыления (ХГН) заявлена в патенте RU №1674585, МПК C23C 26/00. Устройство для нанесения покрытий напылением / Алхимов А.П., Косарев В.Ф., Папырин А.Н. // БИ. 1993. №18. С. 195. Расход порошка из дозатора устанавливался в 0,1 г/с. Дистанция напыления равнялась 30 мм, скорость сканирования сопла относительно подложки варьировалась от 5 до 50 мм/с. Напыление проводилось на экспериментальном стенде ХГН ИТПМ СО РАН. Форкамерно-сопловой узел с нагревателем газа крепился на шестиосевом роботе KUKAKR16-2 (KUKA Robotics, Германия), что позволяло с точностью до 10 мкм перемещать сопло относительно подложки. Шаг сканирования для подложек устанавливался в 3 и 8 мм. Равномерные покрытия из механической смеси частиц алюминия и меди на керамической поверхности образовывались при температуре струи 250°С и давлении 1,5 МПа. За счет воздействия давления и высокой температуры происходило усиление металлической связи, как между частицами меди и алюминия, так и между этой порошкообразной смесью и керамической пластиной.

Затем после нанесения первого слоя проводили окислительный отжиг керамических пластин на воздухе при температуре 800-1100°С в течение 3 часов, при которой на поверхности керамической подложки формировался слой шпинели. При напылении навески, состоящей из Cu (1 г) и Al (5 г), образовывалось покрытие, окислительный отжиг которых приводил к наличию на керамической поверхности только двух фаз состава CuAl2O4 (шпинель) и Al2O3. Данное соединение (шпинель CuAl2O4) способствовало увеличению адгезии между первым слоем и керамической подложкой.

Далее поверх первого слоя из медно-алюмооксидной шпинели проводилось так же, как напылялся и первый слой, напыление второго слоя из порошка меди ПМС-1 со средним размером частиц 40 мкм толщиной 300-700 мкм. Режимы нанесения медного покрытия из порошка меди варьировались в следующих пределах: температура торможения 400-600°С, давление торможения 1,2-1,5 МПа. После чего проводят термообработку в вакууме при температуре 950-1050°С для уплотнения медного слоя и повышения адгезии между первым и вторым слоями. Полученное двухслойное покрытие шлифуют для обеспечения плоскостности, после этого на лицевую сторону полученной металлизированной подложки наносят фоторезист и проводят операцию фотолитографии, в результате чего получают топологический рисунок. К полученным контактным площадкам припаивают кристалл мощного ППП при температуре около 500°С. Затем осуществляют приварку выводов ППП и его пайку к металлическому основанию.

Пример №2

В специальной державке устанавливают очищенную керамическую пластину, поверх которой помещают маску - трафарет с топологическим рисунком, после чего на установке холодного газодинамического напыления и в тех же режимах наносят первый и второй слои по технологии, описанной в примере №1.

Таким образом, в качестве адгезионного первого слоя приемлемым является шпинельное покрытие, образованное после нанесения методом ХГН смеси порошков меди и алюминия. Измерения адгезии медных пленок к керамической поверхности показали, что она находится в диапазоне 30-40 МПа (3-4 кгс/мм2), что является достаточным для выполнения последующей многоступенчатой пайки при монтаже силовых ППП, проволочных и балочных выводов, а также сварки их к двухслойной металлизации для получения металлизированных керамических подложек.

Источники информации

1. Юрген Шульц-Хардер. Медно-керамические подложки - основа современной силовой электроники. Новые возможности технологии DBC, перспективы и проблемы создания нового поколения изделий силовой электроники. Компоненты и технологии, 2005, №3;

2. А.с. СССР №564293, МКИ C04B 41/14, заявл. 27.12.71, опубл. 05.07.77;

3. Патент РФ №2219145, МПК C04B 41/88, заявл. 31.07.2002, опубл. 20.12.2003 -прототип;

4. Патент RU №1674585. МПК C23C 26/00. Устройство для нанесения покрытий напылением / Алхимов А.П., Косарев В.Ф., Папырин А.Н. // БИ. 1993. №18. С. 195.

Способ металлизации керамики под пайку путем нанесения на ее поверхность покрытия методом холодного газодинамического напыления (ХГН), включающий подачу предварительно нагретого сжатого воздуха в сверхзвуковое сопло, введение в сопло порошкового материала или смеси порошковых материалов, их ускорение в сопле потоком воздуха и нанесение на поверхность керамики с формированием нескольких слоев покрытия, отличающийся тем, что в качестве материала первого слоя используют смесь порошков меди и алюминия с массовым содержанием меди в смеси 10-20%, затем проводят окислительный отжиг на воздухе при температуре 800-1100°С в течение 3 часов, после нанесения второго слоя из порошка меди толщиной 300-700 мкм проводят термообработку в вакууме при температуре 950-1050°С в течение 5 часов.
Источник поступления информации: Роспатент

Показаны записи 1-10 из 40.
10.02.2013
№216.012.2509

Узел кольцевого ввода порошкового материала электродугового плазмотрона

Изобретение относится к области плазменной техники, а именно обработки порошковых материалов (напыление и наплавка покрытий; сфероидизация, испарение и плазмохимическая обработка частиц порошковых материалов) и может найти применение в металлургии, плазмохимии и машиностроительной...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002474983
Дата охранного документа: 10.02.2013
10.08.2013
№216.012.5d5a

Способ напыления покрытия на изделие из натурального камня или из металлического материала и устройство для его осуществления

Изобретение относится к способам и устройствам напыления покрытий на поверхности изделий холодным газодинамическим напылением, в том числе на поверхности художественных изделий и объемных форм из натурального камня или из металлического материала. Осуществляют формирование сверхзвукового...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002489519
Дата охранного документа: 10.08.2013
10.09.2013
№216.012.692b

Многофункциональная магнитогидродинамическая (мгд) машина

Изобретение относится к области электротехники и энергомашиностроения, а именно к энергопреобразующим устройствам роторного типа. Технический результат, достигаемый при использовании настоящего изобретения, задачей которого является создание многофункциональной магнитогидродинамической (МГД)...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002492570
Дата охранного документа: 10.09.2013
10.11.2013
№216.012.7e01

Способ пиролиза углеводородного сырья

Изобретение относится к термическому пиролизу углеводородного сырья и может быть использовано в нефтехимической промышленности. Изобретение касается способа пиролиза углеводородного сырья, включающего генерацию высокотемпературного потока теплоносителя путем сжигания в камере сгорания...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002497930
Дата охранного документа: 10.11.2013
10.11.2013
№216.012.7fb5

Устройство для визуализации фазовых неоднородностей

Изобретение относится к оптике для визуализации фазовых (прозрачных) объектов и может быть использовано при исследовании газовых потоков, контроля качества оптических элементов. Устройство содержит одномодовый лазер, объектив, самонаводящийся фильтр Цернике, установленный в задней фокальной...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002498366
Дата охранного документа: 10.11.2013
27.01.2014
№216.012.9bec

Устройство газодинамического нанесения покрытий на внешние цилиндрические поверхности изделий

Изобретение относится к устройству газодинамического нанесения покрытий на внешние цилиндрические поверхности изделий и может быть использовано в машиностроении и других областях хозяйства. Устройство содержит питатель-дозатор, систему подачи рабочего газа и порошка в форкамеру (1), узел...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002505622
Дата охранного документа: 27.01.2014
10.02.2014
№216.012.a038

Электродуговой плазмотрон с водяной стабилизацией дуги

Изобретение относится к электродуговым плазмотронам с водяной стабилизацией дуги и может быть эффективно использовано при резке всевозможных металлов. Технический результат - упрощение конструкции, увеличение мощности плазмотрона, энтальпии получаемой плазмы, скорости резки. Электродуговой...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002506724
Дата охранного документа: 10.02.2014
27.06.2014
№216.012.d61d

Способ снижения уровня звукового удара летательного аппарата (ла)

Изобретение относится к области авиационной техники, в частности к способам снижения уровня звукового удара от сверхзвукового летательного аппарата (ЛА). Способ снижения звукового удара включает воздействие на набегающий газовый поток перед ЛА источником энергоподвода, например лазерным...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002520591
Дата охранного документа: 27.06.2014
27.12.2014
№216.013.13d4

Устройство адиабатического сжатия (варианты)

Изобретение относится к устройствам для реализации метода адиабатического сжатия газов и предназначено для проведения исследований условий и кинетики химических реакций в газовой фазе в широком диапазоне параметров. Устройство по одному из вариантов содержит цилиндрический реакторный модуль 1 с...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002536500
Дата охранного документа: 27.12.2014
10.04.2015
№216.013.3e82

Способ синтеза наноразмерных частиц порошка диоксида титана

Изобретение может быть использовано в химической промышленности. Способ синтеза наноразмерных частиц порошка диоксида титана включает газофазную реакцию галогенида титана и кислорода в канале плазменного реактора и последующее охлаждение продуктов реакции в закалочном узле. Пары тетрахлорида...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002547490
Дата охранного документа: 10.04.2015
Показаны записи 1-10 из 21.
10.08.2013
№216.012.5d5a

Способ напыления покрытия на изделие из натурального камня или из металлического материала и устройство для его осуществления

Изобретение относится к способам и устройствам напыления покрытий на поверхности изделий холодным газодинамическим напылением, в том числе на поверхности художественных изделий и объемных форм из натурального камня или из металлического материала. Осуществляют формирование сверхзвукового...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002489519
Дата охранного документа: 10.08.2013
20.08.2013
№216.012.601d

Металлизированная керамическая подложка для электронных силовых модулей и способ металлизации керамики

Изобретение относится к нанесению металлических покрытий на керамические изделия и может применяться в электронной, электротехнической и радиотехнической промышленности. Металлизированная керамическая подложка для электронных силовых модулей содержит керамическую пластину из оксида или нитрида...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002490237
Дата охранного документа: 20.08.2013
10.12.2013
№216.012.88ce

Поглотитель электромагнитных волн и радиопоглощающий материал для его изготовления

Изобретение относится к радиопоглощающему материалу, содержащему полимерное связующее и наполнитель, состоящий из порошкообразного карбонильного железа. При этом в наполнитель введены дискретные углеродные волокна в соотношении, мас.%: дискретные углеродные волокна 40-10, порошкообразное...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002500704
Дата охранного документа: 10.12.2013
10.01.2014
№216.012.94a3

Устройство газодинамического нанесения покрытий на внутреннюю цилиндрическую поверхность изделий

Изобретение относится к устройствам газодинамического нанесения покрытий на внутреннюю цилиндрическую поверхность изделий и может быть использовано в машиностроении, в автомобильной промышленности, энергетике, строительстве и нефтегазовой отрасли промышленности. Технический результат -...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002503745
Дата охранного документа: 10.01.2014
27.01.2014
№216.012.9bec

Устройство газодинамического нанесения покрытий на внешние цилиндрические поверхности изделий

Изобретение относится к устройству газодинамического нанесения покрытий на внешние цилиндрические поверхности изделий и может быть использовано в машиностроении и других областях хозяйства. Устройство содержит питатель-дозатор, систему подачи рабочего газа и порошка в форкамеру (1), узел...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002505622
Дата охранного документа: 27.01.2014
10.02.2014
№216.012.9ebd

Способ получения медного покрытия на керамической поверхности газодинамическим напылением

Изобретение относится к способу получения адгезионно-прочных медных покрытий на керамической поверхности с использованием газодинамического напыления. Проводят предварительное напыление подслоя из оксида меди (1) с последующим напылением медного покрытия и термическую обработку покрытия....
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002506345
Дата охранного документа: 10.02.2014
10.12.2014
№216.013.0d77

Шихта на основе оксида алюминия и способ получения прочной керамики

Изобретение относится к технологии получения керамического материала с высокими прочностными характеристиками и может быть использовано для изготовления износо- и химически стойких изделий, а также для изготовления изделий военной техники, а именно керамических бронеэлементов. Шихта на основе...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002534864
Дата охранного документа: 10.12.2014
10.05.2015
№216.013.4806

Способ получения керамического композитного материала на основе оксидов алюминия и циркония

Изобретение относится к области производства керамических конструкционных и функциональных материалов. Для получения керамического композитного материала на основе оксидов алюминия и циркония проводят стабилизацию в тетрагональной фазе диоксида циркония механическим способом: смешивают в...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002549945
Дата охранного документа: 10.05.2015
20.08.2015
№216.013.70d6

Способ обжига керамических деталей

Способ относится к технологии производства алюмонитридных керамических деталей плоской конфигурации, изготовленных методом литья шликеров на движущуюся ленту, и может быть использован для улучшения их физико-технических свойств и увеличения выхода годных керамических деталей после обжига....
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002560456
Дата охранного документа: 20.08.2015
20.06.2016
№217.015.0315

Способ изготовления теплопроводной керамики на основе нитрида алюминия

Керамические изделия, изготовленные предлагаемым способом, могут найти применение в различных приборах электронной техники и в радиоэлектронике, а также в качестве теплоотводов в мощных осветительных устройствах, подложек для электронагревательных элементов и термостойких электроизоляторов. При...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002587669
Дата охранного документа: 20.06.2016
+ добавить свой РИД