Technologie balení výkonových zařízení je stále více pod tlakem modernizace vyplývající z konkrétních aplikačních scénářů. To platí zejména pro trakční invertory používané v vozidlech s alternativními zdroji energie a pro moduly výkonové elektroniky inteligentních rozvodných sítí, kde se intenzita tepelného cyklování neustále zvyšuje. V důsledku toho se spolehlivost keramických podložek s přímým měděným spojem (DBC) stala klíčovým úzkým hrdlem omezujičím celkovou životnost systému. I když jsou podložky z oxidu hlinitého již dlouhou dobu dominantním řešením díky své cenové výhodě a izolačním vlastnostem, jejich přirozená křehkost vede k nedostatečné odolnosti proti šíření trhlin, což odhaluje jejich limity při častém tepelném šoku. Aby bylo možné tento výkonnostní strop překonat, nabízí systém oxidu zirkoničitého ztuženého oxidem hlinitým (ZTA) praktické řešení. Díky martenzitní fázové transformaci částic oxidu zirkoničitého rozptýlených v matrici oxidu hlinitého pod napětím se u vrcholu trhliny vytvoří zóna stlačujícího napětí, která výrazně zvyšuje odolnost proti vzniku a šíření trhlin. Tento mechanismus ztužení umožňuje podložkám ZTA zachovat vynikající tepelnou vodivost oxidu hlinitého a zároveň dosáhnout významného zlepšení odolnosti proti lomu, čímž si zajistí důležité postavení v balení výkonových modulů vyžadujících vysokou spolehlivost.
Avšak převod tohoto potenciálu pro zvýšení odolnosti na skutečnou spolehlivost výrobku nejprve vyžaduje překonání specifických technologických výzev spojených s přípravou tohoto dvoufázového kompozitního systému. Na rozdíl od jednofázových keramik závisí konečné vlastnosti materiálů ZTA nejen na sinterovacím chování hliníkové matrice, ale také na prostorovém rozložení disperzní fáze oxidu zirkoničitého a na průběhu její fázové transformace během tepelné historie. Za prvé výrazné rozdíly v hustotě a povrchové chemii obou složek způsobují, že směs prášků ve formě suspenze je velmi náchylná k aglomeraci nebo segregaci. Tato mikrostrukturní nerovnoměrnost přímo snižuje pevnost a spolehlivost materiálu. Za druhé závisí zvýšení odolnosti způsobené oxidem zirkoničitým na metastabilním udržení tetragonální fáze za pokojové teploty. I nepatrné odchylky termodynamických podmínek během sinterování a chlazení mohou vyvolat nežádoucí spontánní transformaci, která povede k selhání mechanismu zvýšení odolnosti nebo dokonce k vnitřnímu poškození. Proto systematický návrh a optimalizace procesu zaměřené na disperzi prášků, zhutňování při tváření a režim sinterování tvoří klíčové úkoly při výrobě vysoce výkonných substrátů ZTA.
Dvě klíčové výzvy při výrobě ZTA: kontrola fáze a homogenita mikrostruktury
Výzva 1: kontrola stability fázové transformace
Zirkoniové částice jsou klíčovou funkční složkou, která umožňuje zpevnění a zvýšení houževnatosti kompozitních aluminiových substrátů ZTA. Jejich účinek na zvýšení houževnatosti vychází ze mechanismu napěťově indukované transformace krystalické struktury. Když se v aluminiové matrici začnou vytvářet a šířit trhliny, napětí způsobí, že okolní zirkoniové částice podstoupí změnu krystalické struktury. Související roztažení objemu působí proti napětí vyvolanému trhlinami, čímž brání dalšímu šíření trhlin a optimalizuje odolnost komponent, jako jsou aluminiové distančníky a desky, vůči poškození. Aby tento mechanismus zvýšení houževnatosti fungoval stabilně, musí zirkoniové částice udržovat metastabilní krystalickou strukturu za pokojové teploty a transformovat se pouze pod vlivem vnějšího zatížení. Pokud není během slinování a chlazení substrátů ZTA přesně dodržena teplotní kontrola, mohou zirkoniové částice podstoupit samovolnou transformaci i bez působení vnější síly. Tato nekontrolovaná změna objemu vyvolá v aluminiové matrici bezpočet mikrotrhlin, čímž úplně eliminuje efekt zvýšení houževnatosti a v závažných případech dokonce přímo způsobí vznik trhlin a poškození aluminiového substrátu nebo keramického distančníku.
Výzva 2: Řízení homogenity mikrostruktury
Mechanické vlastnosti, tepelná odolnost a korozní odolnost keramických podložek, vzdáleníků a tyčí ze směsi oxidu hlinitého a oxidu zirkoničitého (ZTA) jsou vysoko závislé na mikroskopické rovnoměrnosti rozložení obou složek. Pokud jsou částice oxidu zirkoničitého rovnoměrně rozptýleny po zrnitých hranicích matrice oxidu hlinitého, mohou potlačit nadměrný růst zrn oxidu hlinitého a tím zvýšit pevnost různých součástí tvořených oxidem hlinitým. To zajišťuje stálé zpevnění po celé ploše desek nebo tyčí a brání výkonovým rozdílům způsobeným shlukováním částic. Vzhledem k výraznému rozdílu hustot mezi oxidem hlinitým a oxidem zirkoničitým často vedou běžné mechanické míchací postupy ke srážení a shlukování částic oxidu zirkoničitého, čímž vznikají lokální zóny obohacené o zirkonium. To narušuje rovnoměrné mikroskopické uspořádání různých profilů ZTA z oxidu hlinitého a nakonec snižuje celkovou kvalitu výrobků, jako jsou podložky a vzdáleníky z oxidu hlinitého.
Optimalizace výrobního procesu
1. Příprava prášku
Mikrostruktura keramických podložek z kompozitního materiálu oxid hlinitý–oxid zirkoničitý je určena kvalitou prášku. Způsobilé prášky musí splňovat pět požadavků: rovnoměrné rozptýlení obou fází bez aglomerace; jemnou velikost částic s úzkým rozdělením velikostí; převahu tetragonálního oxidu zirkoničitého; absence tvrdých aglomerátů pro rovnoměrné plnění při tváření; a vhodný obsah vlhkosti, aby nedocházelo k lepení do nářadí nebo k nedostatečnému slepování částic.
Různé metody v kapalné fázi jsou běžnými postupy pro rovnoměrné míchání, včetně disperze suspenze, sol-gel a spoluusazování. Disperze suspenze využívá dispergenty a úpravu pH k přípravě suspenzí, což vyžaduje více kroků a složitý proces. Sol-gel a spoluusazování umožňují míchání na molekulární úrovni, avšak vyžadují přísnou kontrolu teploty, pH a doby reakce; odchylky parametrů mohou snadno způsobit abnormální reakce, deformaci zrn nebo změny fáze.
Nevodný proces usazovacího povlaku využívá organický rozpouštědlový systém, ve kterém kovové prekurzory a usazovací činidla podstupují komplexační usazování, čímž vzniká úplná povlaková vrstva na povrchu částic oxidu hlinitého. Po pálení vzniká z této jádro-plášťové práškové směsi oxid zirkoničitý koncentrovaný na hranicích zrn oxidu hlinitého, což potlačuje růst zrn a eliminuje aglomeraci prášku.
Po smíchání je nutné provést granulaci rozprašovací sušenkou, aby byl získán kulovitý prášek s dobrým prouděním, což zajišťuje rovnoměrné naplnění formy.
2. Lisování do formy
Přeměna volné keramického prášku na tzv. „zelené těleso“ s dostatečnou počáteční pevností a tendencí k vnitřní rovnoměrnosti je základním cílem tvářecího procesu. U výrobků keramických podložek průmysl primárně využívá dva hlavní postupy: lisování do formy (jednoosé nebo dvouosé) pomocí formy a lití pásky (tape casting), při němž se tenká vrstva suspenze nanáší na nosný materiál.
Tvarování tlakem do formy je obvykle vhodné pro výrobky s relativně jednoduchými tvary, avšak s vysokými požadavky na rozměrovou přesnost a mechanické vlastnosti. Nejnáročnějším aspektem je zabránit vzniku gradientů hustoty ve zeleném tělese. Izostatické lisování, při němž se jako prostředek přenosu tlaku používá kapalina, představuje účinné řešení – protože tlak je aplikován rovnoměrně ze všech směrů, působí na práškové částice vyvážené síly, čímž vzniká zelené těleso s vysokou hustotou uspořádání, jemnými pórovými charakteristikami a dobrým prostorovým rozložením. U keramik na bázi oxidu hlinitého (aluminy) takové rovnoměrné působení tlaku výrazně potlačuje vznik vrstevnatých vad u velkých těles.
Lití pásky ukazuje jedinečné výhody při výrobě velkých, tenkých keramických podložek. Tento proces obecně zahrnuje: nanášení keramické suspenze s vhodným reologickým chováním do tenké vrstvy pomocí pohyblivého nosiče, následné vyrovnání, odpaření rozpouštědla a ztuhnutí, řezání na požadované rozměry, skládání více vrstev a působení rovnoměrného tlaku při konstantní teplotě za účelem vytvoření „zelených“ listů. Tento postup nabízí flexibilitu při řízení tloušťky a umožňuje zpracování širokého rozmezí tlouštěk – od tenkých po středně tlusté – a je proto zvláště vhodný pro výrobu velkých tenkých desek používaných v balení s vysokou hustotou. Během celého procesu výrazně ovlivňuje kvalitu vrstvy reologie suspenze, kterou je třeba udržovat v příslušném rozmezí. Navíc je tenká vrstva citlivá na podmínky prostředí během odstraňování rozpouštědla. Pokud se povrchové sušení odehrává příliš rychle, může se předčasně vytvořit uzavřená blána, která brání dalšímu unikání rozpouštědla z vnitřních částí vrstvy, což může vést ke zkroucení povrchu nebo vnitřním vadám. U systémů zpevněných oxidem zirkoničitým je přesná kontrola režimu sušení zvláště důležitá kvůli jejich vyšší měrné povrchové ploše a povrchové aktivitě, které zvyšují riziko šíření mikrotrhlin. Kompozitní systém oxidu hlinitého a oxidu zirkoničitého také klade přísnější požadavky na stabilitu suspenze, čímž zužuje technologické okno pro lití pásky.
3. Slinování
Fáze slinování je rozhodující pro dokončení mikrostruktury keramik ZTA a plné využití jejich výkonnostních možností. Tento proces vyžaduje vyvážení tří základních cílů: dosažení úplného zhuštění, účinné potlačení nadměrného růstu zrn a udržení metastabilní tetragonální fáze oxidu zirkoničitého (t-ZrO₂) za pokojové teploty.
Pokud jde o výběr přísad pro slinování, jejich úloha se neomezuje pouze na snížení teploty slinování a omezení zrnitosti. U systému ZTA určité přísady také významně ovlivňují chování zirkoniové fáze při fázové transformaci. Například yttria (Y₂O₃) se může rozpustit v zirkoniové mřížce, čímž vzniknou kyslíkové vakance, které zvyšují strukturální stabilitu tetragonální fáze během chlazení. Současně katalyzuje přenos hmoty mezi částicemi, čímž synergicky podporuje zhuštění a zlepšuje konečné mechanické vlastnosti. Použití jediné přísady však často nestačí k naplnění všech požadavků. Průmyslová praxe se proto zaměřuje na vícesložkové přísadové systémy, jejichž konkrétní složení a množství musí být optimalizováno na základě charakteristik základní formulace a technologických podmínek, aby byl nalezen nejvhodnější kompromis mezi kontrolou teploty fázové transformace a účinností zvýšení houževnatosti.
Pokud jde o teplotní profil, konvenční slinování obvykle využívá postupného zahřívání, při němž se dosáhne cílové teploty udržované po určitou dobu, než následuje chlazení. Smršťování a odstraňování pórů probíhají převážně v úzkém teplotním rozmezí v pozdní fázi slinování. Bohužel tento interval také koinciduje s nejintenzivnější migrací hranic zrn, která může snadno vyvolat rychlý růst zrn. Takový nadměrný růst nejen snižuje konečnou hustotu, ale také oslabuje zakotvení částic oxidu zirkoničitého na pohyb hranic zrn, čímž dochází k destabilizaci metastabilní tetragonální fáze a jejímu přeměně na monoklinickou fázi. Aby bylo tomuto dilematu předejdeno, byly v poslední době vyvinuty nové techniky, jako je dvoukrokové slinování, horké lisování (použití mechanického tlaku) a jiskrové plazmové slinování (založené na aktivaci plazmou). Tyto metody umožňují dosažení hutnosti za relativně mírnějších tepelných podmínek, čímž se účinně kontroluje velikost zrn a současně se zachovává funkční rezerva tetragonální fáze. Navíc nesmí být opomíjeny rychlosti zahřívání a chlazení. Příliš intenzivní tepelný šok může snadno způsobit trhliny nebo zbytkové napětí v tělese, což ohrožuje strukturální integritu a spolehlivost provozu.
Závěr
Významné zlepšení výkonu keramických podložek ZTA základně závisí na přesné dvojité kontrole vnitřní mikrostruktury materiálu: dosažení vysoké míry „jednotnosti“ a přesné regulaci „chování fázové transformace“. V celém výrobním řetězci – od efektivního řízení charakteristik prášku v počáteční fázi, přes dosažení rovnoměrně hustého „green body“ během tvarování, až po úspěšné udržení metastabilní fáze v konečném sinterovacím kroku – každá operace výrazně ovlivňuje prostorové rozložení složky oxidu zirkoničitého a její schopnost reagovat na fázovou transformaci. Pouze systematickým identifikováním a synergickou optimalizací klíčových vlivových faktorů v každém z těchto procesních kroků mohou keramiky ZTA plně využít svůj potenciál pro zvýšení houževnatosti při současném zachování vynikající tepelné vodivosti. To jim umožňuje splnit přísné požadavky na dlouhodobě stabilní provoz a trvanlivost v aplikacích s vysokým napětím a vysokým výkonem, čímž poskytují robustnější materiálový základ pro technický pokrok modulů výkonové elektroniky nové generace.
EN
