1 مقدمة
المواد الخزفية هي فئة من المواد غير العضوية وغير المعدنية-التي تتكون من مركبات طبيعية أو صناعية من خلال التشكيل والتلبيد بدرجة حرارة عالية-. إنها تمتلك مزايا مثل نقاط الانصهار العالية، والصلابة العالية، ومقاومة التآكل العالية، ويمكن استخدامها كمواد هيكلية ومواد وظيفية، مما يوفر آفاق تطبيق واسعة [1]. تلبيد المواد الخزفية هو في المقام الأول عملية يتم فيها نقل مادة واحدة أو أكثر من مساحيق المواد الخام الصلبة تحت درجة حرارة عالية-، مما يؤدي إلى تجميع المسحوق وتكثيفه. تستغرق هذه العملية عادةً عدة ساعات أو حتى عشرات الساعات. على المستوى المجهري، يظهر التلبيد على شكل زيادة في الكثافة والقوة؛ في الأساس، هو انخفاض في الطاقة من طاقة سطح الجسيمات إلى طاقة الواجهة، مدفوعًا بالانتشار الذري تحت التدرجات المحتملة الكيميائية في مواقع مختلفة، ومجهريًا، يتجلى في إزالة المسام بين الحبوب [2].
2 عمليات المعدنة
2.1 تعدين النحاس المطلي مباشرة
في عملية تعدين النحاس المطلي المباشر (DPC)، بعد حفر الركيزة بالليزر -وتنظيفها جيدًا، يتم ترسيب طبقة بذرة على الركيزة الخزفية النظيفة والمجففة. يتم بعد ذلك تطبيق طبقة جافة، يليها التطوير والتعريض، وبعد ذلك يتم إجراء الطلاء الكهربائي لتوليد الدوائر المعدنية المطلوبة. بعد ذلك، تتم إزالة الطبقة الجافة الزائدة وطبقة البذور، ويتم طلاء معدن غير نشط-على سطح النحاس لحماية طبقة النحاس لعمليات اللحام بالنحاس اللاحقة.
على الرغم من أن ركائز DPC الخزفية توفر مزايا مثل التوصيل الحراري العالي، ودقة الدائرة العالية، وتقليل حجم التغليف من خلال -التوصيلات البينية عبر الفتحات، فإن سمك الطبقة النحاسية يقتصر بشكل عام على ما لا يزيد عن 150 ميكرومتر بسبب قيود عملية الطلاء الكهربائي. في الوقت الحالي، تُستخدم تقنية DPC بشكل أساسي في تعبئة مصابيح LED{3}}عالية الطاقة. في تطبيقات توليد الحرارة العالية-مثل -مصابيح LED عالية السطوع ومصابيح الأشعة فوق البنفسجية-العميقة، لا تكون الركيزة ذات الموصلية الحرارية العالية-الحرارية- مطلوبة على الجانب الخلفي لتبديد الحرارة فحسب، بل يجب أن تأخذ مواد التغليف في الجانب الأمامي- أيضًا في الاعتبار الاستقرار الحراري والموثوقية. مواد التعبئة والتغليف التقليدية المصنوعة من الراتينج عرضة للشيخوخة والفشل تحت الأشعة فوق البنفسجية ودرجات الحرارة المرتفعة. ولذلك، تميل الأبحاث الحالية أيضًا إلى استخدام المواد غير العضوية أو المعدنية مثل الكاولين والنيكل والنحاس لتشكيل هياكل السدود على ركائز DPC، جنبًا إلى جنب مع تغليف الكوارتز الشفاف، لتحسين موثوقية الجهاز [3].
في الوقت الحالي، يتم تطبيق عملية تعدين النحاس المطلي مباشرة على نطاق واسع، ولكنها لا تزال تواجه مشكلات مثل انخفاض الكفاءة، وضعف عملية التعبئة-، وضعف تنوع الحمام. ومن بين هذه المشكلات، يمكن أن يؤثر ضعف التعبئة- على أداء الجهاز واستقراره وموثوقيته. والسبب هو أنه أثناء الطلاء الكهربائي، يميل النحاس إلى الترسب بسهولة أكبر على سطح الممر، مما يتسبب في إغلاق الممر قبل ملء الجزء الداخلي بالكامل، مما يؤدي في النهاية إلى تشكيل فراغات داخل الممر. تتأثر جودة الطلاء الكهربائي عن طريق الحشو بتيار الطلاء والتركيبة المضافة؛ يمكن تحسين تركيبة محلول الطلاء ومعلمات العملية المساعدة من خلال -جودة التعبئة.
بالإضافة إلى ذلك، قد تواجه ركائز سيراميك DPC مشكلات أثناء الطلاء الكهربائي، بما في ذلك أوقات الطلاء الطويلة للغاية، وسمك الطلاء غير الموحد-، والضغوط العيانية المتبقية داخل الطلاء. من بين هذه، قد يتسبب الإجهاد المتبقي المفرط في تشقق الطلاء أو تزييفه، وقد يؤثر تراكم الإجهاد المتبقي داخل الطبقة النحاسية على الاستقرار الحراري للركيزة الخزفية [4].
2.2 طريقة النحاس المستعبدين المباشر
كانت تقنية النحاس المرتبط مباشرة (DBC) رائدة لأول مرة بواسطة Burgess et al. في عام 1973 [5]. مبدأها الأساسي هو أن طبقة الأكسيد الموجودة على سطح رقائق النحاس تشكل ذوبانًا سهل الانصهار Cu-O عند درجة حرارة عالية. يمتلك هذا الذوبان خصائص ترطيب ممتازة، وعند درجة حرارة سهلة الانصهار تبلغ 1065 درجة، يمكنه ربط الركيزة الخزفية بشكل فعال مع رقائق النحاس غير المتفاعلة، مما يضمن رابطة قوية بعد التبريد والتصلب.
بالقرب من 1065 درجة، يتكون الطور سهل الانصهار Cu-O. بما أن نقطة انصهار النحاس النقي هي 1083 درجة، فإن الترابط سهل الانصهار يجب أن يتم في نطاق درجة حرارة من 1065 درجة إلى 1083 درجة، مع تركز العمليات الفعلية في الغالب بين 1070 درجة و1075 درجة. أثناء التبريد، يترسب الأكسجين المفرط في Cu-O سهل الانصهار على شكل Cu₂O؛ في سيراميك Al₂O₃ أو AlN، قد تظهر أيضًا منتجات تفاعل إضافية مثل CuAlO₂ وCuAl₂O₄ [5]. يعد تكوين السائل سهل الانصهار ومحتواه من الأكسجين أمرًا بالغ الأهمية لفعالية الترابط. نظرًا لأن معدل انتشار الأكسجين في مصهور النحاس منخفض للغاية (10⁻⁵ سم²/ثانية)، فمن الصعب إدخال كمية كافية من الأكسجين أثناء عملية الترابط؛ لذلك، يتم إجراء الأكسدة المسبقة لرقائق النحاس عمومًا لتكوين Cu₂O على سطح رقائق النحاس لتعزيز تكوين سائل سهل الانصهار. يؤثر محتوى الأكسجين في النحاس أيضًا بشكل كبير على قوة واجهة الترابط، لذا يعد التحكم الدقيق في هذه المعلمة جانبًا أساسيًا لضمان أداء الترابط [6].
تتطلب عملية النحاس المرتبطة مباشرة ركائز محددة للاستخدام. يتمتع مصهور النحاس النقي بقابلية بلل ضعيفة في Al₂O₃ وAlN وSi₃N₄، مع زوايا اتصال تتجاوز 130 درجة. من خلال زيادة الضغط الجزئي للأكسجين أثناء الترابط ومحتوى الأكسجين في ذوبان النحاس، يمكن تقليل زاوية التلامس على أسطح Al₂O₃ بشكل كبير [7]. على الرغم من أنه يمكن أيضًا تحسين قابلية التبلل على AlN عن طريق زيادة الضغط الجزئي للأكسجين أثناء الترابط، أو الترابط في بيئة مفرغة، أو تمديد وقت الترابط، إلا أن التأثير محدود جدًا [8]. ولذلك، يتم بشكل عام أكسدة AlN - مسبقًا لتكوين طبقة سطحية من Al₂O₃، ثم يتم ربطها باستخدام الطرق المذكورة أعلاه. ومع ذلك، لا يمكن لأي من هذه الطرق تحسين قابلية بلل النحاس المصهور على Si₃N₄، لذلك نادرًا ما يتم تطبيق DBC على Si₃N₄.
2.3 تعدين المعدن النشط
في صناعة مركبات الطاقة الجديدة، تحظى وحدات SiC بتقدير كبير. ومع ذلك، عندما ترتفع درجة حرارة الوصلة لأجهزة طاقة SiC إلى 250 درجة، فإن موثوقية دورة درجة الحرارة الضعيفة -لركائز سيراميك DBC تحت ظروف درجة الحرارة المرتفعة- تحد من تطبيقها. ولمعالجة هذه المشكلة، قام الباحثون بتطوير ركائز السيراميك AMB (النحاس المعدني النشط).
أولاً، يتم وضع طبقة رقيقة من اللحام على ركيزة خزفية نظيفة. يتم بعد ذلك وضع رقائق النحاس على اللحام، ويتم تسخين التجميع في بيئة مفرغة من 800 درجة إلى 950 درجة لإذابة اللحام. عند التبريد، يتم تشكيل مفصل قوي. بعد ذلك، يتم استخدام النقش الرطب لإنشاء أنماط معدنية لتلبية متطلبات التوصيل البيني الكهربائي للأجهزة ذات الطاقة العالية-.
نظرًا لأن المعادن التقليدية تظهر عمومًا قابلية بلل ضعيفة على الركائز الخزفية، فإن جنود المعادن النشطة تستخدم بشكل شائع لتحسين قابلية البلل وتعزيز قوة المفاصل. يحتوي جنود المعدن النشط على عنصر معدني نشط واحد على الأقل، حيث تعد عناصر Ti وlanthanide هي العناصر النشطة الرئيسية حاليًا. تشتمل اللحامات النشطة الشائعة الاستخدام في عمليات AMB على أنظمة Sn–Ag–Ti وAg–Cu–Ti، حيث يعمل Ti كمعدن نشط لتحسين قابلية البلل بين اللحام والسيراميك، بينما يعمل Sn وAg على خفض نقطة الانصهار وتحسين التوصيل الحراري للمفصل.
ومع ذلك، يجب تنفيذ عملية AMB في ظل فراغ عالٍ أو جو وقائي، مما يحد من إمكانية تطبيق العملية. للتغلب على هذا القيد، قام الباحثون بتطوير تقنية لحام الهواء التفاعلي (RAB)، والتي يمكن إجراؤها في الهواء. تتكون معادن حشو النحاس المستخدمة في RAB بشكل أساسي من معادن نبيلة (مثل سبائك Ag وAg-Pd) وأكاسيد معدنية (مثل CuO وV₂O₅ [9] وNb₂O₅ وSiO₂ وAl₂TiO₅)، مما يمنح المفصل مقاومة جيدة للأكسدة. أثناء RAB، يمكن أن تلتصق أكاسيد المعادن بسطح الركيزة الخزفية وتتفاعل معها، مما يعزز قابلية بلل الركيزة الخزفية من خلال العمل التآزري لمعدن الحشو المنصهر والواجهة. وفي الوقت نفسه، تساعد الليونة الجيدة للمعادن النبيلة على تخفيف الضغوط الحرارية الداخلية في المفصل، كما تساعد إضافة أكاسيد المعادن في تقليل الضغوط المتبقية الناتجة عن عدم تطابق CTE بين المفصل والمصفوفة الخزفية.
توفر عملية المعدنة بالنحاس النشط مزايا مثل المعدات والعمليات البسيطة، والموثوقية العالية، وعدم وجود قيود على أنواع الركائز الخزفية، مما يجعلها عملية المعدنة الواعدة لتطبيقات الأجهزة عالية الطاقة. ومع ذلك، نظرًا للتطور السريع في صناعة الأجهزة الإلكترونية عالية الطاقة-، يتم وضع معايير أعلى على الخواص الميكانيكية والموثوقية التشغيلية طويلة المدى- لعمليات AMB، مما يستلزم التحسين والتحسين المستمر. في الوقت نفسه، تواجه ركائز السيراميك AMB نفس عنق الزجاجة الفني المتمثل في دقة الدائرة غير الكافية مثل ركائز DBC. إذا كان من الممكن تطوير تقنيات جديدة لتحقيق دقة دائرة مماثلة لتلك الخاصة بعملية DPC، فمن المتوقع أن تحل ركائز السيراميك AMB محل ركائز أخرى مماثلة في المستقبل، مما يُظهر إمكانات تطبيق كبيرة [4].
2.4 المعدنة المستحثة بالليزر
في عملية المعدنة المستحثة بالليزر-، يتم استخدام شعاع ليزر لتشعيع الألومنيوم-الذي يحتوي على ركيزة خزفية بشكل انتقائي. يتم تقليل مادة السيراميك المشععة إلى ذرات معدنية منشطة. يتم بعد ذلك غمر الركيزة في محلول طلاء غير كهربائي يحتوي على Cu²⁺، حيث تعمل الذرات المنشطة على تعزيز اختزال Cu²⁺ وترسبه في المناطق المعرضة للإشعاع، وتشكيل أنماط دوائر معدنية [10].
الطلاء اللاكهربائي هو عملية الأكسدة والاختزال التحفيزية التي لا تتطلب تيارًا خارجيًا؛ يتم اختزال أيونات المعادن إلى معدن صلب بواسطة عوامل اختزال كيميائية في المحلول [11]، وتأتي الطاقة التي تحرك هذا الاختزال من عوامل اختزال كيميائية في المحلول. عادةً، لا يتم تقليل الأيونات المعدنية الموجودة في حمام الطلاء بسهولة تلقائيًا، وغالبًا ما تكون هناك حاجة إلى محفز كوسيط وسيط لتقليل طاقة التنشيط لنواة المعادن. بمجرد ترسيب جزيئات المحفز بنجاح على سطح الركيزة، يمكن تشغيل ترسب معدني كبير الحجم-.
عادةً ما يتم إجراء المعدنة المستحثة بالليزر على ركائز تحتوي على الألومنيوم- لأن تشعيع الليزر يمكن أن يشكل ذرات Al منشطة. ومع ذلك، فإن الأداء التحفيزي لذرات Al ليس مثاليًا، وهناك حاجة إلى محفزات أخرى لتحسين كفاءة الترسيب.
يتميز تصميم عمليات المعدنة المستحثة بالليزر بحساسية عالية لمعلمات الليزر، وخصائص الركيزة الخزفية، ومعلمات عملية الطلاء الكهربائي. على الرغم من أن هذه التقنية تجمع بين ميزة تكلفة طلاء النحاس بالكهرباء ودقة الدائرة العالية لعمليات LAM (التعدين بمساعدة الليزر)، إلا أن التكلفة العالية لمعدات الليزر والتلوث البيئي الناتج عن الطلاء اللاكهربي تظل عوامل مهمة تحد من اعتمادها على نطاق واسع.
2.5 سمك-معدنة الفيلم
تشتمل عملية تعدين الأغشية السميكة- على طباعة طبقات معدنية على الشاشة- للغلق، والموصلات (أسلاك الدائرة)، والمقاومات، وما إلى ذلك، على ركائز خزفية، يليها تلبيد لتشكيل طبقات معدنية مختلط، ودوائر، ونقاط ربط الرصاص. تتكون معاجين الأغشية السميكة - عمومًا من مساحيق معدنية بأحجام جسيمات تبلغ حوالي 1.5 ميكرومتر، ونسبة قليلة من المادة الرابطة الدائمة، ومركب عضوي (بما في ذلك المذيبات العضوية، والمكثفات، والمواد الخافضة للتوتر السطحي، وما إلى ذلك)، التي يتم تحضيرها عن طريق الطحن والخلط بالكرات. تتضمن خطوات تعدين الأغشية السميكة- بشكل عام ما يلي: تصميم النماذج وإعداد الأعمال الفنية، وإعداد المعجون، وطباعة الشاشة، والتجفيف، والتلبيد [12].
تستخدم عملية تعدين الأغشية السميكة- مبدأ طباعة الشاشة. أولاً، يتم ربط الطبقات المعدنية المطلوبة للتغليف أو المكونات الإلكترونية مثل المقاومات بركيزة سيراميك نيتريد الألومنيوم. بعد ذلك، يتم ربط الطبقات المعدنية والمكونات الإلكترونية بسطح الركيزة الخزفية من خلال تلبيد بدرجة حرارة عالية-، مما يحقق اتصالات ثابتة بين جميع الأجزاء. هذه العملية لها تطبيقات واسعة في تغليف الأجهزة الإلكترونية وأسلاك الدوائر. يعتبر المعجون الموصل هو العامل الرئيسي الذي يؤثر على جودة تعدين الأغشية السميكة-؛ يتكون تركيبه بشكل أساسي من مساحيق معدنية (1-5 ميكرومتر)، وزجاج، ومواد رابطة، ومركب عضوي ممزوج بالطحن الكروي [13].
تنطبق طريقة تعدين الأغشية السميكة- على مجموعة واسعة من أنواع السيراميك ولها عملية بسيطة [14]. ومع ذلك، نظرًا لأحجام الشاشات والمعاجين الموصلة، فمن الصعب تصنيع أسلاك بعرض خطوط أقل من 60 ميكرومتر. الخصائص الكهربائية وقوة الالتصاق للطبقة المعدنية ضعيفة نسبيًا، مما يجعلها مناسبة فقط للأجهزة الإلكترونية ذات متطلبات الطاقة والحجم الأقل. لا تزال المعاجين الموصلة المناسبة خصيصًا لتعدين الأغشية السميكة من نيتريد الألومنيوم نادرة نسبيًا، ولا يمكن تطبيق تركيبات المعجون المتوفرة تجاريًا بشكل مباشر؛ وإلا قد يحدث تقرحات في الواجهة [15].
2.6 تعدين الأغشية الرقيقة-
تعددين الأغشية الرقيقة- عبارة عن عملية يتم فيها تبخير المواد المعدنية وترسيبها على الأسطح الخزفية عن طريق طرق ترسيب البخار الفيزيائية مثل التبخر الفراغي أو الرش لتشكيل طبقة معدنية رقيقة، يليها إخفاء، وحفر، وخطوات أخرى لإنشاء أنماط دوائر معدنية.
من الناحية النظرية، يمكن لهذه العملية أن تشكل أغشية معدنية موحدة بحجم ميكرون على مواد ركيزة مختلفة عبر التبخر أو الرش. ومع ذلك، نظرًا للاختلاف الكبير في معاملات التمدد الحراري بين السيراميك والنحاس المعدني، فإن ترسيب النحاس المباشر على سيراميك نيتريد الألومنيوم يؤدي إلى ضغوط كبيرة بين الطبقات المعدنية والسيراميك، مما يؤثر على قوة التصاق الطلاء بالسيراميك واستقرار التدوير الحراري للركيزة. ولذلك، في السنوات الأخيرة، أصبحت أساليب الترسيب متعدد الطبقات شعبية. الطبقة الأولى عادة ما تكون طبقة Ti، ويتم اختيار الطبقة الثانية من معادن مثل Cu، أو Ag، أو Au. عندما يتم نقل انزلاق الخلع والتفاعلات في طبقة واحدة إلى طبقة أخرى بسبب الضغوط الداخلية الكبيرة، يتم أيضًا تخفيف الضغوط الداخلية داخل الطبقة المعدنية.
توفر معدنة الأغشية الرقيقة- جودة عالية، والتصاقًا قويًا، وطلاءات موحدة، ودقة عالية للأنماط. ومع ذلك، يمكنها فقط إنتاج طبقات معدنية رفيعة جدًا، كما أن عملية التحضير معقدة نسبيًا، وتتضمن خطوات متعددة بما في ذلك المعالجة السطحية، وترسيب المعادن، والمعالجة اللاحقة-، مما يتطلب رقابة صارمة على معلمات العملية. وهذا يؤدي إلى ارتفاع تكاليف التصنيع، مما يعيق تطورها بشدة.