ایلومینیم نائٹرائڈ سیرامک ​​سبسٹریٹس کے لیے میٹالائزیشن ٹیکنالوجی کے راستوں کا تجزیہ: سیرامک ​​سبسٹریٹس سے لے کر ہائی-الیکٹرانک پیکجنگ ایپلی کیشنز تک

اعلی-پاور ایپلی کیشن فیلڈز میں-جیسے نئی توانائی کی گاڑیاں، پاور سیمی کنڈکٹرز، انرجی اسٹوریج سسٹم، اور پاور الیکٹرانکس-گرمی کی کھپت کی کارکردگی اور ساختی اعتبار الیکٹرانک آلات کے طویل مدتی، مستحکم آپریشن کے لیے اہم عوامل ہیں۔ اس کی اعلی تھرمل چالکتا، کم ڈائی الیکٹرک نقصان، بہترین موصلیت کی خصوصیات، اور اچھی تھرمل استحکام کی بدولت، ایلومینیم نائٹرائڈ (AlN) سیرامک ​​تیزی سے ہائی-پاور الیکٹرانک پیکیجنگ کے لیے ایک اہم سبسٹریٹ مواد بن گیا ہے۔

 

تاہم، جیسا کہ ایلومینیم نائٹرائڈ فطری طور پر ایک موصل مواد ہے، یہ براہ راست برقی رابطوں یا سگنل کی ترسیل کو آسان نہیں بنا سکتا۔ نتیجتاً، اس سے پہلے کہ اسے پاور ماڈیولز، سیمی کنڈکٹر پیکیجنگ، یا ہائی-وولٹیج برقی اجزاء میں استعمال کیا جائے، سیرامک ​​سبسٹریٹ کو برقی چالکتا فراہم کرنے اور سیرامک ​​اور دھات کے درمیان ایک قابل اعتماد بانڈ کو یقینی بنانے کے لیے سطح کی دھات کاری کی ٹیکنالوجی کا استعمال کیا جانا چاہیے۔

 

سیرامک ​​میٹالائزیشن میں بنیادی چیلنج مواد کے درمیان بنیادی اختلافات میں مضمر ہے: ایلومینیم نائٹرائڈ ایک مرکب ہے جس کی خصوصیت مضبوط ہم آہنگی بانڈز سے ہوتی ہے، جبکہ دھاتیں عام طور پر دھاتی بندھن کی خصوصیت رکھتی ہیں۔ یہ تفاوت خراب گیلے پن اور تھرمل ایکسپینشن (CTE) کے گتانکوں میں مماثلت جیسے مسائل کا باعث بنتا ہے۔ اعلی-درجہ حرارت کے آپریٹنگ ماحول میں، دھات کی تہہ اور سیرامک ​​کے درمیان ناکافی بانڈ کی طاقت کے نتیجے میں تھرمل تناؤ کی وجہ سے انٹرفیشل ڈیلامینیشن یا کریکنگ جیسی ناکامی ہو سکتی ہے۔ لہذا، سیرامک ​​سبسٹریٹس کے صنعتی استعمال کو آگے بڑھانے کے لیے انتہائی قابل اعتماد سیرامک ​​میٹالائزیشن کے عمل کو تیار کرنا بہت ضروری ہے۔

 

فی الحال، ایلومینیم نائٹرائڈ سیرامک ​​سبسٹریٹس کے لیے میٹالائزیشن کی مختلف تکنیکیں استعمال کی جاتی ہیں، جن میں مکینیکل کنکشن، موٹی-فلم ٹیکنالوجی، ایکٹیو میٹل بریزنگ (AMB)، کو-فائرنگ، پتلی-فلم پروسیس، ڈائریکٹ بانڈڈ کاپر (DBC)، اور ڈائریکٹ پلیٹڈ کاپر (DPC) شامل ہیں۔

 

 

 

مکینیکل کنکشن سیرامکس اور دھاتوں کو جوڑنے کے لیے استعمال ہونے والے ابتدائی طریقوں میں سے ایک ہے۔ یہ ساختی ڈیزائن اور مکینیکل تناؤ پر انحصار کرتا ہے-جیسے سکڑ-فٹنگ یا بولٹنگ-سیرامک ​​سبسٹریٹ کو دھات کے اجزاء میں محفوظ کرنے کے لیے۔

 

اس طریقہ کار میں نسبتاً آسان عمل شامل ہے، کم سے کم سامان کی ضرورت ہوتی ہے، اور مینوفیکچرنگ میں کافی لچک پیش کرتی ہے۔ تاہم، کیونکہ انٹرفیس پر کنکشن بنیادی طور پر بیرونی میکانکی قوت پر منحصر ہے، اس لیے اہم مکینیکل تناؤ طویل-ٹرمل سائیکلنگ یا زیادہ-درجہ حرارت کی کمپن کے دوران پیدا ہو سکتا ہے۔ نتیجتاً، یہ ان ایپلی کیشنز کے لیے نامناسب ہے جن کے لیے زیادہ قابل اعتماد یا اعلی-درجہ حرارت کی ضرورت ہوتی ہے۔

 

دوسری طرف بانڈنگ ٹیکنالوجی میں سرامک اور دھات کے درمیان ایک نامیاتی چپکنے والا مواد متعارف کرانا شامل ہے تاکہ علاج کے عمل کے ذریعے بانڈڈ ڈھانچہ بنایا جا سکے۔ یہ نقطہ نظر مختلف مادی نظاموں کو جوڑنے کے قابل بناتا ہے-مثال کے طور پر، ایک مربوط اسمبلی بنانے کے لیے ایک سیرامک ​​انسولیٹنگ ڈھانچے کو ایک موصل دھاتی جزو کے ساتھ ملا کر۔

 

تاہم، نامیاتی بانڈنگ مواد کی محدود درجہ حرارت کی مزاحمت کی وجہ سے، ان کی وشوسنییتا مطالبہ کرنے والے ماحول جیسے کہ ہائی-پاور والے الیکٹرانک آلات اور HVDC (ہائی{{1}وولٹیج ڈائریکٹ کرنٹ) سسٹمز میں محدود ہے۔ نتیجتاً، وہ فی الحال بنیادی طور پر کم-درجہ حرارت، کم-تناؤ والے ماحول میں ساختی استحکام کے لیے استعمال ہوتے ہیں۔

 

 

موٹی فلم ٹیکنالوجی سیرامک ​​سطح کی دھات کاری کے لیے ایک اچھی طرح سے-قائم عمل ہے۔ یہ تکنیک عام طور پر ایلومینیم نائٹرائڈ (AlN) سیرامکس کی سطح پر کنڈکٹو پیسٹ-دھاتی پاؤڈر پر مشتمل-لگانے کے لیے اسکرین پرنٹنگ کا استعمال کرتی ہے۔ اس کے بعد خشک ہونے اور اعلی-درجہ حرارت کو سنٹر کرنے کے اقدامات اس بات کو یقینی بناتے ہیں کہ دھات کی تہہ سیرامک ​​سبسٹریٹ سے مضبوطی سے جڑی ہوئی ہے۔

 

کنڈکٹیو پیسٹ عام طور پر دھاتی پاؤڈر، شیشے کی بائنڈر، اور ایک نامیاتی گاڑی پر مشتمل ہوتے ہیں۔ دھاتی پاؤڈر حتمی برقی چالکتا اور مکینیکل طاقت کا تعین کرتا ہے۔ عام طور پر استعمال ہونے والی دھاتوں میں چاندی، تانبا اور نکل شامل ہیں۔

 

یہ عمل اعلی پیداواری کارکردگی، کم لاگت، اور تکنیکی پختگی جیسے فوائد پیش کرتا ہے، جو اسے الیکٹرانک سیرامک ​​سبسٹریٹس کی بڑے پیمانے پر پیداوار کے لیے موزوں بناتا ہے۔ مزید برآں، پیسٹ کی تشکیل کو بہتر بنانے سے بہترین برقی کارکردگی اور تھرمل سائیکلنگ کی وشوسنییتا کی اجازت ملتی ہے۔

 

تاہم، اسکرین پرنٹنگ کی ریزولیوشن کی حدوں کی وجہ سے، موٹی-فلم کے عمل سے پیدا ہونے والے سرکٹ کے طول و عرض نسبتاً بڑے ہوتے ہیں، جس سے اعلی-کثافت، ٹھیک-پِچ سرکٹری کی ضروریات کو پورا کرنا مشکل ہو جاتا ہے۔ لہذا، یہ بنیادی طور پر پاور الیکٹرانکس پیکیجنگ میں لاگو ہوتا ہے جہاں سرکٹ کی درستگی کی ضروریات کم سخت ہوتی ہیں۔

 

 

 

ایکٹو میٹل بریزنگ (AMB) انتہائی قابل اعتماد سیرامک-سے-میٹل کنکشن حاصل کرنے کے لیے ایک کلیدی ٹیکنالوجی ہے۔ اس عمل میں روایتی بریزنگ فلر دھاتوں میں فعال عناصر-جیسے ٹائٹینیم (Ti)، زرکونیم (Zr)، ایلومینیم (Al)، یا niobium (Nb)- شامل کرنا شامل ہے۔ یہ عناصر کیمیائی طور پر ایلومینیم نائٹرائڈ سیرامک ​​سطح کے ساتھ رد عمل کا اظہار کرتے ہیں تاکہ ایک مستحکم رد عمل کی منتقلی کی تہہ بن سکے۔

 

یہ منتقلی پرت دھات اور سیرامک ​​کے درمیان گیلے پن کو بہتر بناتی ہے، پگھلے ہوئے بریز الائے کو سیرامک ​​کے ساتھ میٹالرجیکل بانڈ بنانے کے قابل بناتی ہے، اس طرح جوڑوں کی طاقت میں اضافہ ہوتا ہے۔

 

AMB ٹیکنالوجی خاص طور پر-اعلی-درجہ حرارت، اعلی-پاور ایپلی کیشنز کے لیے موزوں ہے، جیسے پاور سیمی کنڈکٹر ماڈیولز، ہائی-وولٹیج کے برقی آلات، اور پاور سیمیکمڈکٹرز کے لیے میٹلائزڈ سیرامک ​​ہاؤسنگ۔ چونکہ رد عمل والے عناصر اعلی درجہ حرارت پر آکسیجن کے ساتھ آسانی سے رد عمل کا اظہار کرتے ہیں، اس عمل کے لیے عام طور پر خلا یا حفاظتی ماحول کی ضرورت ہوتی ہے۔ نتیجتاً، یہ آلات اور مینوفیکچرنگ ماحول پر بہت زیادہ مطالبات رکھتا ہے، جس کے نتیجے میں پیداواری لاگت نسبتاً زیادہ ہوتی ہے۔

 

 

کو-فائرنگ ٹکنالوجی میں اعلی-پگھلنے والی-پوائنٹ دھاتوں-جیسے ٹنگسٹن یا مولیبڈینم-کو ایلومینیم نائٹرائڈ سیرامک گرین شیٹس کی سطح پر پیسٹ کرنا شامل ہے، جس کے بعد کو-سیرامک ڈھانچے میں سیرامک کنڈکٹریس کو بنانے کے لیے سیرامک مواد کے ساتھ سینٹرنگ کی جاتی ہے۔ سبسٹریٹ

 

سنٹرنگ درجہ حرارت کی بنیاد پر، co-فائرنگ ٹیکنالوجی کو بنیادی طور پر کم-ٹیمپریچر Co-فائرڈ سیرامکس (LTCC) اور ہائی-Temperature Co-فائرڈ سیرامکس (HTCC) میں درجہ بندی کیا گیا ہے۔

 

HTCC کو عام طور پر 1600 ڈگری سے زیادہ درجہ حرارت پر sintered کیا جاتا ہے۔ یہ بہترین مکینیکل طاقت، گرمی کے خلاف مزاحمت، اور ہرمیٹیسٹی پیش کرتا ہے، جو اسے خاص طور پر اعلی-پاور والے الیکٹرانک آلات، ایرو اسپیس الیکٹرانک سسٹمز، اور اعلی-ریلیبیٹی پیکیجنگ ایپلی کیشنز کے لیے موزوں بناتا ہے۔

 

co-فائرنگ ٹیکنالوجی کا بنیادی فائدہ یہ ہے کہ اس کی ملٹی لیئر سرکٹ ڈیزائن کو محسوس کرنے کی صلاحیت ہے، جس کے نتیجے میں زیادہ کمپیکٹ سرکٹ ڈھانچے ہوتے ہیں۔ مزید برآں، چونکہ کنڈکٹر اور سیرامک ​​بیک وقت بنتے ہیں، مجموعی ساختی استحکام میں اضافہ ہوتا ہے۔

 

ہائی-وولٹیج DC (HVDC) ایپلی کیشنز میں-جیسے اہم موصلیت کے ڈھانچے جیسے HVDC رابطہ کاروں کے لیے سیرامک ​​انکلوژرز-کو-فائرڈ سیرامک ​​مواد مسلسل اعلی درجہ حرارت اور وولٹیج کے اضافے کے حالات میں قابل اعتماد آپریشن کے تقاضوں کو پورا کرتے ہیں۔

 

 

پتلی-فلم میٹالائزیشن ٹیکنالوجی بنیادی طور پر سیرامک ​​سبسٹریٹ کی سطح پر ایک پتلی دھات کی تہہ کو جمع کرنے کے لیے جسمانی بخارات جمع کرنے (PVD) کو استعمال کرتی ہے، جس کے بعد سیمی کنڈکٹر مینوفیکچرنگ کے عمل-جیسے فوٹو لیتھوگرافی اور ایچنگ-پریسیسن سرکٹس کی تشکیل ہوتی ہے۔

 

موٹی-فلم کے عمل کے مقابلے میں، پتلی-فلم ٹیکنالوجی ایک گھٹا دینے والا مینوفیکچرنگ طریقہ ہے جو باریک لکیر کی چوڑائی اور زیادہ سرکٹ کثافت کو حاصل کرنے کی صلاحیت رکھتا ہے، جس سے یہ اعلی-فریکوئنسی، اعلی-پریسیئن الیکٹرانک آلات میں وسیع پیمانے پر استعمال ہوتا ہے۔

 

یہ طریقہ مائیکرو الیکٹرانک پیکیجنگ، RF ڈیوائسز، اور اعلی-پرفارمنس پاور ماڈیولز میں الگ الگ فوائد پیش کرتے ہوئے درست میٹلائزڈ ایلومینا سیرامک ​​اجزاء کی تیاری کو قابل بناتا ہے۔

 

تاہم، دھاتی تہہ کی کم سے کم موٹائی کی وجہ سے، موجودہ-اُٹھانے کی صلاحیت زیادہ-موجودہ ایپلی کیشنز میں محدود ہے۔ مزید برآں، سرامک اور دھات کے درمیان تھرمل ایکسپینشن (CTE) کے گتانک میں فرق تھرمل سائیکلنگ کے دوران تناؤ پیدا کر سکتا ہے۔ لہذا، ملٹی لیئر دھاتی ڈھانچے کو اکثر بانڈنگ کی وشوسنییتا کو بڑھانے کے لیے استعمال کیا جاتا ہے۔

 

 

ڈائریکٹ بانڈڈ کاپر (DBC) ایک وسیع پیمانے پر استعمال ہونے والی سیرامک-کاپر بانڈنگ ٹیکنالوجی ہے۔ اس کے بنیادی اصول میں تانبے کی تہہ اور سیرامک ​​کے درمیان انٹرفیس پر آکسیجن متعارف کرانا شامل ہے۔ اعلی-درجہ حرارت کی پروسیسنگ ایک تانبے-آکسیجن eutectic مائع مرحلے کی تخلیق کرتی ہے، تانبے کے مواد اور سیرامک ​​سطح کے درمیان براہ راست بندھن کو چالو کرتی ہے۔

 

DBC ٹیکنالوجی کی خصوصیات تانبے کی موٹی تہوں، اعلی کرنٹ- لے جانے کی صلاحیت، اور بہترین گرمی کی کھپت کی کارکردگی ہے۔ نتیجتاً، یہ بڑے پیمانے پر ہائی-پاور والے الیکٹرانک آلات جیسے نئی انرجی گاڑیوں کے لیے انورٹرز، پاور ماڈیولز، اور انرجی اسٹوریج کنورٹرز میں استعمال ہوتا ہے۔

 

تانبے کو ایلومینیم نائٹرائڈ (AlN) سیرامکس سے جوڑنے میں دشواری کی وجہ سے، سیرامک ​​سطح کو عام طور پر انٹرفیس پر ایک مستحکم ٹرانزیشن پرت بنانے کے لیے پری-آکسیڈیشن ٹریٹمنٹ کی ضرورت ہوتی ہے، اس طرح کنکشن کی وشوسنییتا میں اضافہ ہوتا ہے۔

 

 

ڈائریکٹ پلیٹڈ کاپر (ڈی پی سی) ایک نئی سیرامک ​​میٹالائزیشن ٹیکنالوجی ہے جو سیمی کنڈکٹر مینوفیکچرنگ کے عمل کو شامل کرتی ہے۔

 

یہ طریقہ سیرامک ​​کی سطح پر تانبے کے بیج کی تہہ بنا کر فزیکل ویپر ڈیپوزیشن (PVD) تکنیکوں جیسے میگنیٹران اسپٹرنگ یا ویکیوم ایوپیریشن کے ذریعے شروع ہوتا ہے۔ اس کے بعد، عمل بشمول نمائش، نشوونما، اور الیکٹروپلاٹنگ کا استعمال تانبے کی تہہ کی موٹائی بڑھانے اور اعلی-سرکٹ فیبریکیشن حاصل کرنے کے لیے کیا جاتا ہے۔

 

DPC ٹیکنالوجی کم مینوفیکچرنگ درجہ حرارت، اعلی سرکٹ کی درستگی، اور لچکدار ساختی ڈیزائن کی خصوصیات رکھتی ہے۔ یہ ایپلی کیشنز کے لیے موزوں ہے جیسے کہ ہائی-کثافت والے الیکٹرانک انٹرکنیکٹ ڈھانچے اور برقی اجزاء کے لیے دھاتی سیرامکس۔

 

روایتی اعلی-درجہ حرارت کو سنٹرنگ تکنیک کے مقابلے میں، DPC مادی خصوصیات پر تھرمل پروسیسنگ کے اثر کو کم کرتا ہے۔ تاہم، الیکٹروپلاٹنگ کے عمل میں ماحولیاتی تحفظ کے سخت تقاضے شامل ہیں، اور تانبے کی تہہ کی موٹائی عمل کی صلاحیتوں سے محدود ہے۔

 

 

نئی انرجی گاڑیوں، سمارٹ گرڈز، انرجی سٹوریج سسٹمز، اور تیسری-جنریشن سیمی کنڈکٹر انڈسٹری کی تیزی سے ترقی کے ساتھ، ہائی گرمی کی کھپت اور اعلی بھروسے کی پیشکش کرنے والے الیکٹرانک پیکیجنگ مواد کی مانگ میں مسلسل اضافہ ہو رہا ہے۔

 

مستقبل میں، ایلومینیم نائٹرائڈ سیرامک ​​میٹالائزیشن ٹیکنالوجی زیادہ وشوسنییتا، اعلی صحت سے متعلق، اور ملٹی فنکشنل انضمام کی طرف تیار ہوگی۔ انٹرفیس ڈھانچے کو بہتر بنا کر، دھات کی منتقلی کی تہوں کے ڈیزائن کو بہتر بنا کر، اور مینوفیکچرنگ کے عمل کے کنٹرول کو بڑھا کر، سیرامک ​​اور دھات کے درمیان بانڈنگ کی طاقت کو مزید بہتر بنایا جا سکتا ہے۔

 

اعلی درجے کے سیرامک میٹالائزیشن ڈھانچے-جیسے پریزیشن میٹالائزڈ سیرامکس، ہائی-طاقت والے میٹالائزڈ سیرامک پرزے، اور ہائی-پیوریٹی ایلومینا پریزیشن ایڈوانسڈ سیرامک میٹالائزیشن پارٹس-زیادہ سے اہم فاؤنڈیشنل اجزاء کے طور پر کام کر رہے ہیں نظام، اور نئی توانائی کی گاڑیوں کے لیے الیکٹرانک نظام۔

 

روایتی موٹی-فلم اور کو-فائرنگ کی تکنیک سے لے کر AMB، DBC، اور DPC جیسے جدید پروسیس روٹس تک تیار ہوتی ہوئی، سیرامک ​​میٹالائزیشن ٹیکنالوجی مسلسل مادی حدود کو آگے بڑھا رہی ہے، زیادہ قابل اعتماد اور موثر تھرمل مینجمنٹ اور ہائی-پاور والے الیکٹرانک آلات کے لیے برقی انٹرکنکشن حل فراہم کر رہی ہے۔