Технологія упаковки силових пристроїв постійно стикається з необхідністю модернізації через нові сценарії застосування. Це особливо актуально для тягових інверторів у транспортних засобах на альтернативних джерелах енергії та потужнісних модулів розумних електромереж, де інтенсивність термічних циклів постійно зростає. Внаслідок цього надійність керамічних підкладок із безпосередньо зв’язаної міді (DBC) стала ключовим вузьким місцем, що обмежує загальний термін служби системи. Хоча підкладки з оксиду алюмінію вже тривалий час є основним вибором завдяки своїм перевагам у вартості та діелектричних характеристиках, їх природна крихкість призводить до недостатньої стійкості до поширення тріщин, що виявляє їхні обмеження при частих термічних ударах. Щоб подолати цей бар’єр продуктивності, система оксиду цирконію, що підвищує міцність оксиду алюмінію (ZTA), пропонує практичне рішення. Завдяки мартенситній фазовій трансформації частинок оксиду цирконію, розподілених у матриці оксиду алюмінію під дією напружень, біля вершини тріщини формується зона стискального екранування, що значно підвищує опір її виникненню та поширенню. Завдяки цьому механізму підвищення міцності підкладки ZTA зберігають високу теплопровідність оксиду алюмінію й одночасно досягають суттєвого покращення стійкості до руйнування, забезпечуючи собі важливе місце в упаковці потужнісних модулів з високою надійністю.
Однак перетворення цього потенціалу підвищення міцності на справжню надійність продукту спочатку вимагає подолання специфічних технологічних труднощів, притаманних підготовці цієї двофазної композитної системи. На відміну від однофазної кераміки, остаточні характеристики матеріалів ZTA залежать не лише від поведінки оксиду алюмінію під час спікання, а й від просторового розподілу дисперсної фази оксиду цирконію та шляху її фазової еволюції в процесі термічної обробки. З одного боку, значні відмінності у густині та поверхневій хімії двох компонентів роблять суміш суспензії дуже схильною до агломерації або розшарування. Ця мікроструктурна неоднорідність безпосередньо погіршує міцність і надійність матеріалу. З іншого боку, ефект підвищення міцності за рахунок оксиду цирконію ґрунтується на метастабільному збереженні тетрагональної фази за кімнатної температури. Навіть незначні відхилення термодинамічних умов під час спікання та охолодження можуть спричинити небажану спонтанну трансформацію, що призводить до виходу з ладу механізму підвищення міцності або навіть до внутрішніх пошкоджень. Отже, системне проектування та оптимізація технологічного процесу — зокрема щодо диспергування порошків, ущільнення під час формування та режиму спікання — є ключовими завданнями для виробництва високоефективних підкладок ZTA.
Дві основні проблеми у виготовленні ZTA: контроль фаз та однорідність мікроструктури
Проблема 1: контроль стабільності перетворення фаз
Частинки цирконію є ключовим функціональним компонентом, що забезпечує підсилення та підвищення в’язкості композитних субстратів на основі оксиду алюмінію з додаванням цирконію (ZTA). Їх ефект підвищення в’язкості ґрунтується на механізмі перетворення кристалічної структури під дією напружень. Коли в матриці оксиду алюмінію виникають і поширюються тріщини, напруження спричиняють зміну кристалічної структури навколишніх частинок цирконію. Пов’язане з цим розширення об’єму протидіє напруженню, що викликає тріщини, перешкоджаючи їх подальшому поширенню й оптимізуючи стійкість компонентів — таких як прокладки й пластини з оксиду алюмінію — до пошкоджень. Щоб цей механізм підвищення в’язкості працював стабільно, частинки цирконію повинні зберігати метастабільну кристалічну структуру за кімнатної температури й перетворюватися лише під дією зовнішнього навантаження. Якщо контроль температури під час спікання й охолодження субстратів ZTA порушено, частинки цирконію можуть зазнати спонтанного перетворення без зовнішнього впливу. Така неконтрольована зміна об’єму породжує велику кількість мікротріщин у матриці оксиду алюмінію, повністю ліквідуючи ефект підвищення в’язкості й, у тяжких випадках, безпосередньо викликаючи тріщини та пошкодження субстрату з оксиду алюмінію або керамічної прокладки.
Виклик 2: Контроль однорідності мікроструктури
Механічні властивості, термостійкість та корозійна стійкість керамічних підкладок, прокладок і стрижнів із композиту ZTA залежать у значній мірі від рівномірності мікроскопічного розподілу двох складових матеріалів. Коли частинки цирконію рівномірно розподілені на межах зерен матриці з оксиду алюмінію, вони можуть обмежувати надмірне зростання зерен оксиду алюмінію, що підвищує структурну міцність різних компонентів, виготовлених із оксиду алюмінію. Це забезпечує стабільне підвищення ударної в’язкості по всій площі пластин або стрижнів і запобігає розбіжностям у характеристиках, спричиненим агрегацією частинок. Через значну різницю щільності між оксидом алюмінію та цирконієм традиційне механічне змішування часто призводить до осадження й агрегації частинок цирконію, утворюючи локалізовані зони з підвищеним вмістом цирконію. Це порушує рівномірне мікроскопічне розташування різних профілів ZTA на основі оксиду алюмінію й, як наслідок, знижує загальну якість продуктів, таких як підкладки й прокладки з оксиду алюмінію.
Оптимізація процесу виготовлення
1. Підготовка порошку
Мікроструктура керамічних підкладок із композиту оксиду алюмінію та оксиду цирконію визначається якістю порошку. Порошки, що відповідають вимогам, повинні задовольняти п’ять критеріїв: рівномірне розподілення двох фаз без агломерації; малий розмір частинок із вузьким розподілом за розміром; переважно тетрагональна форма цирконію; відсутність твердих агломератів для рівномірного заповнення форми під час пресування; та відповідний вміст вологи, щоб уникнути прилипання до матриці або недостатнього зв’язку частинок.
Різні методи з рідкою фазою є поширеними підходами для отримання рівномірного змішування, зокрема дисперсія у суспензії, сол-гель-метод та співосадження. Дисперсія у суспензії ґрунтується на використанні диспергаторів та коригуванні pH для приготування суспензій, що вимагає кількох етапів і складної обробки. Сол-гель-метод та співосадження забезпечують змішування на молекулярному рівні, але потребують суворого контролю температури, pH та часу реакції; будь-яке відхилення параметрів легко призводить до аномальних реакцій, деформації зерен або зміни фаз.
У процесі осадження не-водного покриття використовується органічна розчинна система, у якій металеві попередники та реагенти для осадження проходять комплексоутворення й осадження, утворюючи повне покриття на поверхні частинок оксиду алюмінію. Після спікання цей порошок з ядром і оболонкою призводить до концентрації оксиду цирконію на межах зерен оксиду алюмінію, що гальмує зростання зерен і запобігає агломерації порошку.
Після змішування необхідно провести гранулювання методом розпилювальної сушіння, щоб отримати сферичний порошок з хорошою текучістю, забезпечуючи однорідне заповнення форми.
2. Пресування у матриці
Перетворення розсипного керамічного порошку на зелений виріб із достатньою початковою міцністю та тенденцією до внутрішньої однорідності є основною метою процесу формування. У разі керамічних субстратів промисловість переважно використовує два основні способи: пресування у матриці (одноосеве або двоосеве) за допомогою форми та лиття стрічки за допомогою тонкого шару суспензії, нанесеного на несучу основу.
Пресування у матриці зазвичай підходить для виробів із порівняно простими формами, але з високими вимогами до точності розмірів та механічних властивостей. Найскладнішою задачею є запобігання градієнтам щільності в «зеленому» тілі. Ізостатичне пресування, у якому рідина виступає середовищем передачі тиску, забезпечує ефективне рішення — оскільки тиск застосовується рівномірно з усіх боків, частинки порошку зазнають збалансованих сил, що призводить до утворення «зеленого» тіла з високою щільністю упаковки, малими порами та доброю просторовою однорідністю. Для кераміки на основі Al2O3 таке рівномірне застосування тиску значно зменшує дефекти розшарування в великих тілах.
Лиття стрічки демонструє унікальні переваги у виробництві великих тонких керамічних підкладок. Цей процес зазвичай включає такі етапи: нанесення керамічної суспензії з відповідною реологічною поведінкою у тонкий шар за допомогою рухомого носія, подальше вирівнювання, випаровування розчинника та затвердіння, різання на розмір, укладання кількох шарів один на одного та прикладання однакового тиску при постійній температурі для отримання «зелених» листів. Цей процес забезпечує гнучкість у контролі товщини й дозволяє працювати з широким діапазоном — від тонких до середніх товщин, що робить його особливо придатним для великих тонких пластин, необхідних у високощільному упакуванні. На всіх етапах процесу реологічні властивості суспензії суттєво впливають на якість шарів і мають залишатися в межах відповідного діапазону. Крім того, тонкий шар чутливий до умов навколишнього середовища під час видалення розчинника. Якщо поверхневе висихання відбувається надто швидко, може передчасно утворитися замкнена плівка, що перешкоджає подальшому виходу розчинника з внутрішніх шарів і призводить до зморшкування поверхні або внутрішніх дефектів. У системах, підсилених цирконієм, точний контроль режиму сушіння є особливо важливим через їх більшу питому поверхню та поверхневу активність, що збільшує ризик поширення мікротріщин. Композитна система «алюміній-цирконій» також ставить жорсткіші вимоги до стабільності суспензії, звужуючи технологічне вікно лиття стрічки.
3. Спікання
Етап спікання є вирішальним для завершення мікроструктури кераміки ZTA та повної реалізації її експлуатаційних можливостей. Цей процес вимагає досягнення трьох основних цілей: повного ущільнення, ефективного пригнічення надмірного зростання зерен і збереження метастабільної тетрагональної фази цирконію (t-ZrO₂) за кімнатної температури.
Щодо вибору сплавлювальних добавок, їхня роль виходить за межі просто зниження температури спікання та обмеження укрупнення зерен. У системі ZTA певні добавки також суттєво впливають на поведінку фазових перетворень цирконію. Наприклад, іттрия (Y₂O₃) може розчинятися в решітці цирконію, утворюючи вакансії кисню, що підвищує структурну стабільність тетрагональної фази під час охолодження. Одночасно вона каталізує транспорт речовини між частинками, синергічно сприяючи ущільненню й покращуючи кінцеві механічні властивості. Проте використання лише однієї добавки часто не задовольняє всі вимоги. У промисловій практиці переважно застосовують багатокомпонентні системи добавок; їхній конкретний склад та рівні додавання мають бути оптимізовані з урахуванням характеристик базової суміші та умов процесу, щоб досягти найкращого компромісу між контролем температури фазових перетворень та ефективністю підвищення ударної в’язкості.
Щодо температурного профілю: у звичайному спіканні, як правило, застосовують ступінчасту стратегію нагрівання, досягаючи заданої температури витримки на певний час перед охолодженням. Усадка та ліквідація пор переважно відбуваються в межах вузького температурного діапазону на пізніх етапах спікання. На жаль, цей інтервал також збігається з періодом найактивнішого мігрування меж зерен, що легко призводить до швидкого зростання зерен. Таке надмірне зростання не лише зменшує кінцеву щільність, а й послаблює ефект закріплення частинок цирконію на русі меж зерен, що спричиняє дестабілізацію метастабільної тетрагональної фази з переходом у моноклінну фазу. Для подолання цієї дилеми сучасні досягнення включають нові методи, такі як двоетапне спікання, гаряче пресування (з застосуванням механічного тиску) та спікання іскровою плазмою (на основі ефектів активації плазмою). Ці методи забезпечують ущільнення за відносно м’яких теплових умов, ефективно контролюючи розмір зерен і водночас зберігаючи функціональний резерв тетрагональної фази. Крім того, не слід ігнорувати швидкості нагрівання та охолодження. Надмірний тепловий удар легко викликає тріщини або залишкові напруження в об’єкті, що погіршує його структурну цілісність та надійність у експлуатації.
Висновок
Значне покращення експлуатаційних характеристик керамічних підкладок із ZTA принципово залежить від точного подвійного контролю внутрішньої мікроструктури матеріалу: досягнення високого ступеня «однорідності» та точного управління «поведінкою фазових перетворень». На всьому шляху виготовлення — від ефективного контролю характеристик порошку на початковому етапі, через отримання однорідно щільного «зеленого» напівфабрикату під час формування, до успішного збереження метастабільної фази на остаточному етапі спікання — кожна операція глибоко впливає на просторовий розподіл компонента цирконію та його здатність до фазових перетворень. Лише систематичне виявлення та синергетична оптимізація ключових чинників, що впливають на кожен із цих технологічних етапів, дозволяють кераміці ZTA повністю реалізувати свій потенціал підвищення в’язкості, зберігаючи при цьому високу теплопровідність. Це забезпечує виконання жорстких вимог щодо тривалої стабільної роботи та довговічності у сценаріях застосування з високою напругою та високою потужністю, закладаючи таким чином більш надійну матеріальну основу для інженерного розвитку модулів потужної електроніки нового покоління.
EN
