Технологията за опаковане на енергийни устройства се изправя пред непрекъснато нарастващо напрежение за модернизация от приложните сценарии. Това е особено вярно за контексти като инвертори за тяга на превозни средства с нова енергия и модули за електроенергия в умни електрически мрежи, където тежестта на термичните цикли постоянно се увеличава. Следователно надеждността на керамичните подложки с директно свързана мед (DBC) е станала ключово ограничение, което ограничава общия срок на експлоатация на системата. Макар подложките от алумина да са били дълго време основният избор поради предимствата им по отношение на разходи и електрическа изолация, техната вродена крехкост води до недостатъчна устойчивост срещу разпространяване на пукнатини и разкрива ограничения при чести термични удари. За преодоляване на тавана на производителността системата от алумина, укрепен с цирконий (ZTA), предлага жизнеспособно решение. Чрез използване на мартензитна фазова трансформация на частици цирконий, разпръснати в алуминиевата матрица под механично напрежение, се формира зона с компресивно напрежение около върха на пукнатината, което значително подобрява устойчивостта срещу нейното образуване и разпространяване. Благодарение на този механизъм за укрепване подложките ZTA запазват отличната топлопроводимост на алумина, докато постигат значително подобрение в устойчивостта срещу чупене и заемат важно място в опаковането на енергийни модули с висока надеждност.
Обаче превръщането на този потенциал за подобряване на механичната якост в реална надеждност на продукта изисква преди всичко преодоляване на специфичните предизвикателства при обработката, свързани с подготовката на тази двуфазна композитна система. За разлика от еднофазните керамични материали крайните характеристики на материалите ZTA зависят не само от спекането на алуминиевата матрица, но и от пространственото разпределение на диспергираната циркониева фаза и от пътя на нейната фазова еволюция по време на термичната обработка. От една страна, значителните разлики в плътността и повърхностната химия между двете компоненти правят смесения суспензионен разтвор изключително склонен към агломерация или сегрегация. Тази микроструктурна нееднородност директно намалява якостта и надеждността на материала. От друга страна, ефектът от усилване на якостта чрез цирконий се основава на метастабилното запазване на тетрагоналната фаза при стайна температура. Дори незначителни отклонения в термодинамичните условия по време на спекането и охлаждането могат да предизвикат нежелана спонтанна фазова трансформация, което води до провал на механизма за усилване или дори до вътрешни повреди. Следователно системното проектиране и оптимизация на процеса — с акцент върху дисперсията на праховете, уплътняването по време на формирането и режима на спекането — представляват основните задачи за производството на високоефективни субстрати ZTA.
Две основни предизвикателства при изработката на ZTA: контрол върху фазовото състояние и хомогенността на микроструктурата
Предизвикателство 1: Контрол върху стабилността на фазовата трансформация
Частиците цирконий диоксид са ключовият функционален компонент, който осигурява усилване и повишена устойчивост на композитните алуминиеви субстрати ZTA. Ефектът им върху устойчивостта се дължи на механизъм на трансформация на кристалната структура под напрежение. Когато се образуват и разпространяват пукнатини в алуминиевата матрица, напрежението предизвиква промяна в кристалната структура на околните частици цирконий диоксид. Свързаното с това увеличение на обема противодейства на напрежението от пукнатините, забавя допълнителното им разпространение и оптимизира устойчивостта на компонентите — като алуминиеви разстоятелни елементи и плочи. За да функционира този механизъм на устойчивост стабилно, частиците цирконий диоксид трябва да запазват метастабилна кристална структура при стайна температура и да се трансформират само под външно натоварване. Ако контролът на температурата по време на спечаване и охлаждане на ZTA субстратите е некоректен, частиците цирконий диоксид могат да извършат спонтанна трансформация без външно въздействие. Това неконтролирано увеличение на обема поражда множество микропукнатини в алуминиевата матрица, напълно елиминирайки ефекта на повишена устойчивост и, в тежки случаи, директно предизвиквайки пукнатини и повреди на алуминиевия субстрат или керамичния разстоятелен елемент.
Предизвикателство 2: Контрол на хомогенността на микроструктурата
Механичните свойства, термичната устойчивост и корозионната устойчивост на керамичните субстрати, разстоятелни елементи и пръти от ZTA се определят в значителна степен от микроскопичната равномерност на разпределението на двете съставни материала. Когато частиците цирконий диоксид са равномерно разпръснати по зърнените граници на алуминиевата матрица, те могат да ограничат прекомерния растеж на зърната на алуминия, което подобрява структурната якост на различните компоненти, формирани от алуминий. Това осигурява стабилно усилване на цялата повърхност на плочите или прътите и предотвратява разлики в производителността, причинени от агрегация на частиците. Поради значителната разлика в плътността между алуминия и циркония диоксида, обикновеното механично смесване често води до утаяване и агрегация на частиците цирконий диоксид, което създава локализирани зони с високо съдържание на цирконий. Това нарушава равномерното микроскопично разположение на различните профили от ZTA алуминий и в крайна сметка намалява общото качество на продукти като алуминиеви субстрати и разстоятелни елементи.
Оптимизиране на процеса на производство
1. Подготовка на праха
Микроструктурата на керамичните субстрати от композитен материал алумина-циркония се определя от качеството на праха. Квалифицираните прахове трябва да отговарят на пет изисквания: равномерно разпределение на двете фази без агломерация; фини частици с тесен разпределителен диапазон по размер; предимно тетрагонална циркония; липса на твърди агломерати за равномерно формиране и запълване; и подходящо съдържание на влага, за да се избегне залепване в матрицата или недостатъчно свързване на частиците.
Различните методи с течна фаза са често използвани подходи за равномерно смесване, включително дисперсия в суспензия, сол-гел и съвместно утаяване. Дисперсията в суспензия се основава на диспергиращи агенти и регулиране на pH за подготовката на суспензии и изисква множество стъпки и сложна обработка. Сол-гел и съвместното утаяване могат да постигнат молекулно ниво на смесване, но изискват строг контрол върху температурата, pH и времето на реакция; отклонения в параметрите лесно могат да доведат до аномални реакции, деформация на зърната или промени във фазата.
Процесът за нанасяне на неводно утаяващо покритие използва органична разтворителна система, при която металните прекурсори и утаяващите агенти преминават през стадии на комплексообразуване и утаяване, формирайки пълно покритие върху повърхността на частиците алумина. При спечаване този прашец с ядро-обвивка води до концентриране на циркония по границите между зърната на алумината, което потиска растежа на зърната и елиминира агломерацията на прашеца.
След смесването е необходимо гранулиране чрез пръскащо сушене, за да се получи сферичен прашец с добра течащост, което осигурява равномерно запълване на матрицата.
2. Пресоване в матрица
Превръщането на рехава керамична прах в зелено тяло с достатъчна начална якост и тенденция към вътрешна хомогенност е основната цел на процеса на формиране. За керамични субстратни продукти в промишлеността се използват предимно два основни метода: пресоване в матрица (едноосово или двуосово) с помощта на матрица и лента-формиране чрез нанасяне на тънък слой суспензия върху носител.
Пресоването с матрица обикновено е подходящо за продукти с относително прости форми, но високи изисквания към размерната точност и механичните свойства. Най-трудната част е избягването на градиенти на плътността в зеленото тяло. Изостатичното пресоване, при което течността служи като средство за предаване на налягане, предлага ефективно решение – тъй като налягането се прилага еднакво от всички посоки, прашковите частици изпитват балансирани сили, което води до зелено тяло с висока плътност на уплътняване, фини порови характеристики и добра пространствена еднородност. За керамиката въз основа на алумина това еднородно прилагане на налягане значително потиска дефектите от разслояване в големи тела.
Леярското формоване демонстрира уникални предимства при производството на големи тънки керамични субстрати. Процесът обикновено включва: разливане на керамична суспензия с подходящо реоложко поведение в тънък слой чрез подвижен носител, последвано от изравняване, изпаряване на разтворителя и затвърдяване, рязане на размер, натрупване на множество слоеве и прилагане на равномерно налягане при постоянна температура за получаване на зелени листове. Този процес осигурява гъвкавост при контрола на дебелината и позволява широк диапазон – от тънки до средно дебели – което го прави особено подходящ за големи тънки плочи, изисквани при високоплътно опаковане. През целия процес реологията на суспензията значително влияе върху качеството на слоя и трябва да се поддържа в подходящ диапазон. Освен това тънкият слой е чувствителен към околните условия по време на отстраняването на разтворителя. Ако повърхностното изсушаване протече твърде бързо, може да се образува затворена пленка още в началния етап, което попречва на продължаващото излизане на разтворителя от вътрешността и води до набръчкване на повърхността или вътрешни дефекти. При системи, усилени с цирконий-диоксид, прецизният контрол на режима на изсушаване е особено важен поради по-голямата им специфична повърхност и повърхностна активност, които увеличават риска от разпространение на микропукнатини. Композитната система алуминий-оксид–цирконий-диоксид също налага по-строги изисквания към стабилността на суспензията, което стеснява технологичния прозорец за леярско формоване.
3. Спекване
Етапът на спекване е решаващ за окончателното формиране на микроструктурата на ZTA керамиките и за пълното освобождаване на техните експлоатационни възможности. Този процес изисква балансиране на три основни цели: постигане на пълна плътност, ефективно потискане на прекомерния растеж на зърната и поддържане на метастабилната тетрагонална циркония (t-ZrO₂) в стабилно състояние при стайна температура.
Що се отнася до избора на спомагателни агенти за спечаване, тяхната роля надхвърля просто намаляването на температурата на спечаване и ограничаването на зърнестото укрупняване. За системата ZTA определени добавки също значително влияят върху поведението на фазовите превръщания на циркония. Например, итриевият оксид (Y₂O₃) може да се разтвори в кристалната решетка на циркония, внасяйки вакантни места за кислород, които подобряват структурната стабилност на тетрагоналната фаза по време на охлаждане. Едновременно с това той катализира транспорта на вещество между частиците, което синергично насърчава плътността и подобрява крайните механични свойства. Въпреки това, полагането на доверие само на един такъв агент често не задоволява всички изисквания. Промишлената практика обикновено предпочита многосъставни системи от добавки, чийто специфичен състав и нива на добавяне трябва да бъдат оптимизирани въз основа на характеристиките на базовата формула и технологичните условия, за да се постигне най-добрият компромис между контрола на температурата на фазовото превръщане и ефективността на усилването.
Що се отнася до температурния профил, при конвенционалното спечаване обикновено се използва стъпаловидна стратегия за нагряване, при която се достига целева температура за задържане за определен период, преди охлаждане. Свиването и елиминирането на порите протичат предимно в тесен температурен интервал по време на късния етап на спечаването. За съжаление, този интервал съвпада и с най-активната миграция на границите на зърната, което лесно може да предизвика бързо увеличаване на размера на зърната. Такова прекомерно увеличаване не само намалява крайната плътност, но и ослабва ефекта на заклинване на частиците цирконий диоксид върху движението на границите, което води до дестабилизиране на метастабилната тетрагонална фаза в моноклинна фаза. За преодоляване на тази дилема са разработени нови методи, като двустепенно спечаване, горещо пресоване (прилагане на механично налягане) и спечаване чрез искрово плазмено излъчване (базирано на ефектите от плазмената активация). Тези методи позволяват уплътняване при относително по-ниски термични условия, ефективно контролирайки размера на зърната, докато се запазва функционалният резерв на тетрагоналната фаза. Освен това не трябва да се пренебрегват скоростите на нагряване и охлаждане. Прекомерният термичен удар лесно може да предизвика пукнатини или остатъчни напрежения в тялото, което компрометира структурната цялост и надеждността при експлоатация.
Заключение
Значителното подобряване на експлоатационните характеристики на керамичните субстрати от ZTA фундаментално зависи от прецизното двойно управление на вътрешната микроструктура на материала: постигане на висока степен на „еднородност“ и точно управление на „поведението при фазови превръщания“. През цялата верига от производствени процеси — от ефективното управление на характеристиките на праха в началния етап, през постигането на равномерно плътен зелен тялото по време на формирането, до успешно запазване на метастабилната фаза при окончателното спечаване — всяка операция силно влияе върху пространственото разпределение на циркониевия компонент и неговата способност за реакция при фазови превръщания. Само чрез системно идентифициране и синергично оптимизиране на ключовите фактори, влияещи на всеки от тези производствени етапи, керамиките ZTA могат напълно да мобилизират своя потенциал за усилване на ударопрочността, като запазват отлична топлопроводимост. Това им позволява да отговарят на строгите изисквания за дълготрайна стабилна експлоатация и експлоатационна трайност в приложения с високо напрежение и висока мощност, което по този начин залага по-здрава материална основа за инженерното развитие на модулите за електроника за следващо поколение.
EN
