Технологии упаковки силовых устройств постоянно сталкиваются с необходимостью модернизации в связи с требованиями применений. Это особенно актуально для таких областей, как тяговые инверторы для электромобилей и силовые модули умных электросетей, где жёсткость условий термоциклирования неуклонно возрастает. В результате надёжность керамических подложек с прямым медным соединением (DBC) стала ключевым узким местом, ограничивающим общий срок службы системы. Хотя подложки на основе оксида алюминия долгое время остаются основным выбором благодаря их экономичности и высоким диэлектрическим свойствам, их естественная хрупкость приводит к недостаточной стойкости к распространению трещин, что проявляется при частых тепловых ударах. Чтобы преодолеть этот предел производительности, система, упрочнённая оксидом циркония (ZTA), предлагает жизнеспособное решение. За счёт мартенситного фазового превращения частиц оксида циркония, равномерно распределённых в матрице оксида алюминия под действием механических напряжений, вблизи вершины трещины формируется зона сжимающих напряжений, значительно повышающая сопротивление как зарождению, так и распространению трещин. Благодаря этому механизму упрочнения подложки ZTA сохраняют высокую теплопроводность оксида алюминия и одновременно демонстрируют существенное повышение прочности на разрушение, что обеспечивает им важное место в упаковке силовых модулей высокой надёжности.
Однако перевод этого потенциала повышения прочности в реальную надёжность продукта сначала требует преодоления специфических технологических трудностей, присущих подготовке этой двухфазной композитной системы. В отличие от однородных керамических материалов, конечные эксплуатационные характеристики материалов ZTA зависят не только от спекания матрицы на основе оксида алюминия, но и от пространственного распределения дисперсной фазы оксида циркония, а также от пути её фазовых превращений в ходе термической обработки. С одной стороны, значительные различия в плотности и поверхностной химии двух компонентов делают смешанную суспензию чрезвычайно склонной к агломерации или расслоению. Такая микроструктурная неоднородность напрямую снижает прочность и надёжность материала. С другой стороны, эффект повышения прочности за счёт оксида циркония основан на метастабильном сохранении тетрагональной фазы при комнатной температуре. Незначительные отклонения термодинамических условий в процессе спекания и охлаждения могут вызвать нежелательное самопроизвольное превращение, что приведёт к отказу механизма повышения прочности или даже к внутренним повреждениям. Таким образом, системный подбор и оптимизация технологического процесса — включая диспергирование порошков, уплотнение при формовании и режим спекания — составляют ключевые задачи при производстве высокопроизводительных подложек ZTA.
Две основные задачи при изготовлении ZTA: контроль фазы и однородность микроструктуры
Задача 1: контроль стабильности фазового превращения
Частицы циркония являются ключевым функциональным компонентом, обеспечивающим упрочнение и повышение ударной вязкости композитных подложек из оксида алюминия на основе ZTA. Их вклад в повышение вязкости обусловлен механизмом напряжённо-индуцированного превращения кристаллической структуры. При возникновении и распространении трещин в матрице оксида алюминия напряжения вызывают изменение кристаллической структуры окружающих частиц циркония. Сопутствующее увеличение объёма противодействует напряжениям, вызывающим образование трещин, препятствуя их дальнейшему росту и тем самым оптимизируя сопротивление повреждениям таких компонентов, как дистанционные вставки и пластины из оксида алюминия. Для стабильной работы данного механизма повышения вязкости частицы циркония должны сохранять метастабильную кристаллическую структуру при комнатной температуре и претерпевать превращение только под действием внешней нагрузки. Если контроль температуры при спекании и охлаждении подложек ZTA нарушен, частицы циркония могут претерпеть самопроизвольное превращение без внешнего воздействия. Такое неконтролируемое изменение объёма порождает множество микротрещин в матрице оксида алюминия, полностью устраняя эффект повышения вязкости и, в тяжёлых случаях, непосредственно вызывая образование трещин и разрушение подложки из оксида алюминия или керамической дистанционной вставки.
Задача 2: Контроль однородности микроструктуры
Механические свойства, термостойкость и коррозионная стойкость керамических подложек, прокладок и стержней на основе композита ZTA в значительной степени определяются однородностью микроскопического распределения двух составляющих материалов. При равномерном распределении частиц циркония по границам зёрен матрицы из оксида алюминия они препятствуют чрезмерному росту зёрен оксида алюминия, повышая прочность различных компонентов, изготовленных из оксида алюминия. Это обеспечивает стабильное упрочнение по всей площади пластин или стержней и предотвращает неоднородность эксплуатационных характеристик, вызванную агрегацией частиц. Из-за существенной разницы в плотности между оксидом алюминия и цирконием традиционное механическое перемешивание часто приводит к оседанию и агрегации частиц циркония, формируя локальные зоны с повышенным содержанием циркония. В результате нарушается однородное микроскопическое расположение различных профилей ZTA на основе оксида алюминия, что в конечном счёте снижает общее качество изделий, таких как подложки и прокладки из оксида алюминия.
Оптимизация технологического процесса
1. Подготовка порошка
Микроструктура керамических композитных подложек на основе оксида алюминия и оксида циркония определяется качеством порошка. Квалифицированные порошки должны соответствовать пяти требованиям: однородное распределение двух фаз без агломерации; мелкий размер частиц с узким распределением по размерам; преобладание тетрагональной модификации оксида циркония; отсутствие твёрдых агломератов для обеспечения равномерного заполнения при формовании; и соответствующее содержание влаги для предотвращения прилипания к матрице или недостаточного сцепления частиц.
Различные методы в жидкой фазе являются распространёнными подходами для получения однородной смеси, включая диспергируемую суспензию, соль-гель-метод и совместное осаждение. Диспергируемая суспензия основана на использовании диспергаторов и регулировании pH для приготовления суспензий и требует выполнения нескольких этапов и сложной обработки. Соль-гель-метод и совместное осаждение позволяют достичь смешивания на молекулярном уровне, однако требуют строгого контроля температуры, pH и времени реакции; отклонения параметров могут легко привести к аномальным реакциям, деформации зёрен или фазовым превращениям.
Процесс осаждения неконтактного покрытия использует органическую растворительную систему, в которой прекурсоры металлов и осадители образуют комплексные соединения с последующим осаждением, формируя сплошной слой покрытия на поверхности частиц оксида алюминия. После обжига получается порошок с ядро-оболочечной структурой, при котором оксид циркония концентрируется на границах зёрен оксида алюминия, подавляя рост зёрен и предотвращая агломерацию порошка.
После смешивания требуется гранулирование распылительной сушкой для получения сферического порошка с хорошей текучестью, что обеспечивает равномерное заполнение пресс-формы. Тип и количество связующего вещества должны быть точно контролируемыми.
2. Прессование
Превращение рыхлого керамического порошка в зелёную заготовку с достаточной начальной прочностью и тенденцией к внутренней однородности — это основная цель процесса формовки. Для керамических субстратных изделий в отрасли в основном применяются два основных метода: прессование в матрице (одноосевое или двухосевое) и литьё ленты, при котором тонкий слой суспензии наносится на несущую основу.
Штамповка обычно подходит для изделий с относительно простой формой, но высокими требованиями к точности размеров и механическим свойствам. Наиболее сложной задачей является предотвращение градиентов плотности в зелёном теле. Изостатическое прессование, в котором жидкость используется в качестве среды передачи давления, представляет собой эффективное решение: поскольку давление прикладывается равномерно со всех сторон, частицы порошка испытывают сбалансированные силы, что обеспечивает получение зелёного тела с высокой уплотнённостью, мелкопористой структурой и хорошей пространственной однородностью. Для керамики на основе оксида алюминия такое равномерное приложение давления значительно подавляет дефекты расслоения в крупногабаритных заготовках.
Литьё ленты демонстрирует уникальные преимущества при производстве керамических подложек большого размера и малой толщины. Обычно процесс включает следующие этапы: керамическую суспензию с подходящим реологическим поведением наносят тонким слоем на движущийся носитель, затем выравнивают, удаляют растворитель и затвердевают, нарезают на заготовки нужного размера, укладывают несколько слоёв друг на друга и подвергают равномерному давлению при постоянной температуре для получения «зелёных» листов. Этот метод обеспечивает гибкость в управлении толщиной, позволяя получать изделия в широком диапазоне — от тонких до средней толщины, что делает его особенно подходящим для крупных тонких пластин, требуемых в высокоплотной упаковке. На всём протяжении процесса реологические свойства суспензии существенно влияют на качество слоя и должны поддерживаться в заданном диапазоне. Кроме того, тонкий слой чувствителен к условиям окружающей среды во время удаления растворителя. Если поверхностное высыхание происходит слишком быстро, может преждевременно образоваться замкнутая плёнка, препятствующая дальнейшему выходу растворителя из внутренних слоёв, что приводит к образованию морщин на поверхности или внутренних дефектов. В системах, упрочнённых оксидом циркония, точный контроль режима сушки особенно важен из-за их более высокой удельной поверхности и поверхностной активности, что повышает риск распространения микротрещин. Композитная система «оксид алюминия — оксид циркония» также предъявляет повышенные требования к стабильности суспензии, сужая технологическое окно литья ленты.
3. Спекание
Этап спекания является решающим для завершения формирования микроструктуры керамики ZTA и полного раскрытия её эксплуатационных возможностей. Для этого процесса необходимо соблюсти три основные задачи: достичь полной плотности, эффективно подавить чрезмерный рост зёрен и сохранить метастабильную тетрагональную фазу оксида циркония (t-ZrO₂) при комнатной температуре.
Что касается выбора добавок для спекания, их роль выходит за рамки простого снижения температуры спекания и ограничения роста зёрен. В системе ZTA некоторые добавки также существенно влияют на поведение фазовых превращений оксида циркония. Например, оксид иттрия (Y₂O₃) может растворяться в решётке оксида циркония, создавая вакансии кислорода, что повышает структурную стабильность тетрагональной фазы при охлаждении. Одновременно он катализирует перенос вещества между частицами, способствуя синергетическому уплотнению и улучшению конечных механических свойств. Однако использование одной лишь добавки зачастую не позволяет удовлетворить все требования. В промышленной практике предпочтение отдаётся многокомпонентным системам добавок; их конкретный состав и содержание должны быть оптимизированы с учётом характеристик исходной композиции и условий процесса, чтобы достичь наилучшего компромисса между контролем температуры фазового превращения и эффективностью повышения ударной вязкости.
Что касается температурного профиля, при традиционном спекании обычно применяется ступенчатый режим нагрева: сначала достигается заданная температура выдержки, затем следует выдержка при этой температуре в течение определённого времени, после чего происходит охлаждение. Усадка и ликвидация пор происходят преимущественно в узком температурном интервале на поздней стадии спекания. К сожалению, этот интервал совпадает с периодом наиболее интенсивной миграции границ зёрен, что может легко вызвать быстрый рост зёрен. Такой чрезмерный рост не только снижает конечную плотность, но и ослабляет эффект закрепления границ зёрен частицами циркония, приводя к дестабилизации метастабильной тетрагональной фазы и её переходу в моноклинную фазу. Чтобы преодолеть эту дилемму, в последнее время разработаны новые методы, включая двухступенчатое спекание, горячее прессование (с приложением механического давления) и искровое плазменное спекание (на основе эффектов активации плазмой). Эти методы позволяют достичь уплотнения при относительно более низких тепловых условиях, эффективно контролируя размер зёрен и одновременно сохраняя функциональный потенциал тетрагональной фазы. Кроме того, нельзя пренебрегать скоростью нагрева и охлаждения. Чрезмерный тепловой удар может легко вызвать образование трещин или остаточных напряжений в объёме материала, что ухудшает его структурную целостность и надёжность в эксплуатации.
Заключение
Значительное повышение эксплуатационных характеристик керамических подложек на основе ZTA в фундаментальном плане определяется точным двойным контролем внутренней микроструктуры материала: достижением высокой степени «однородности» и точным управлением «поведением фазовых превращений». На каждом этапе всего производственного цикла — от эффективного контроля характеристик порошка на начальной стадии, до получения равномерно плотного зелёного тела при формовании, до успешного сохранения метастабильной фазы на заключительном этапе спекания — каждая операция оказывает глубокое влияние на пространственное распределение компонента диоксида циркония и его способность к фазовым превращениям. Только путём систематического выявления и синергетической оптимизации ключевых факторов, влияющих на каждый из этих технологических этапов, керамика ZTA может в полной мере реализовать свой потенциал упрочнения при одновременном сохранении превосходной теплопроводности. Это позволяет ей соответствовать жёстким требованиям к долгосрочной стабильной работе и эксплуатационной долговечности в условиях применения с высоким напряжением и высокой мощностью, обеспечивая тем самым более надёжную материаловую основу для инженерного развития модулей силовой электроники нового поколения.
EN
