CZ20256A3 - Způsob metalizace vodivého motivu z mědi na keramickém substrátu pro elektronické součástky a metalizovaný keramický substrát vytvořený tímto způsobem - Google Patents

Abstract

Způsob metalizace vodivého motivu z mědi na keramickém substrátu pro elektronické součástky spočívá v tom, že se na alespoň jednu stranu keramického substrátu z materiálu na bázi oxidu hlinitého, nitridu hlinitého nebo nitridu křemičitého natiskne adhezní vrstva ve tvaru vodivého motivu z materiálu na bázi mědi, stříbra nebo nízkoteplotního skla s obsahem olova, bismutu, vanadu či telluru, a má tloušťku 10 až 80 µm. Adhezní vrstva se po tisku usuší a vypálí při teplotě 800 až 1065 °C a následně se na nebo nad vypálenou adhezní vrstvu ustaví alespoň jedna šablona s otvory ve tvaru vodivého motivu. Na adhezní vrstvu se přes otvory v šabloně nastříká pomocí trysky metodou cold spray proud směsi nosného plynu s měděným práškem s velikostí částic mědi 10 až 60 µm, čímž se vytvoří vodivý motiv pro připojení a montáž elektronických součástek s tloušťkou 100 µm až 5 mm.

Description

Způsob metalizace vodivého motivu z mědi na keramickém substrátu pro elektronické součástky a metalizovaný keramický substrát vytvořený tímto způsobem

Oblast techniky

Vynález se týká oblasti výroby elektronických součástek, konkrétně způsobu metalizace vodivého motivu z mědi na keramickém substrátu pro elektronické součástky a metalizovaného keramického substrátu vytvořeného tímto způsobem.

Dosavadní stav techniky

Pro výkonové obvody je nutné používat tlusté vodivé motivy z důvodu vysokých proudů umístěné na izolačních podložkách s vysokou tepelnou odolností, tepelnou vodivostí a dostatečně vysokým výdržným napětím v řádu až jednotek až desítek kV. Těmto požadavkům vyhovují z hlediska izolačních materiálů pouze vybrané typy keramik, jako je oxid hlinitý AI2O3, nitrid hlinitý A1N, nitrid křemičitý SÍ3N4, oxid beryllnatý BeO, a z hlediska vodivých materiálů v podstatě jen stříbro Ag a měď Cu, v některých případech i hliník AI. Existuje několik popsaných způsobů metalizace keramických podložek kovy.

Známá je technologie DBC neboli Direct Bonded Copper. Substráty DBC jsou tvořeny keramickou podložkou z AI2O3 nebo A1N oboustranně plátovanou mědí s tloušťkou zpravidla do 300 pm. Tyto substráty jsou používány převážně z důvodu vysoké tepelné vodivosti keramiky (~20 WmlK¹ pro AI2O3 a ~170 Wm'K¹ pro A1N), vysoké elektrické pevnosti (více než 20 kV mm¹) a vysoké proudové zatížitelnosti Cu motivů. Spojení mědi a keramického substrátu je realizováno pomocí eutektické slitiny Cu a CU2O při teplotách nad 1000 °C. Ve vrstvách se tak vytváří vnitřní pnutí, která i přes vysokou počáteční adhezi vrstev, může způsobit díky odlišným teplotním součinitelům roztažnosti delaminaci vrstev. DBC substráty vykazují obecně velice nízkou odolnost proti náhlým změnám teploty. Realizované spojení vydrží pouze několik desítek teplotních šoků, po kterých dochází k delaminaci mědi z keramické podložky. Výrobci DBC substrátů zvyšují jejich odolnost strukturováním okrajů měděných motivů (tzv. dimples), čímž se odolnost zvýší na řádově stovky teplotních cyklů. To však může být pro zajištění spolehlivé funkce výkonových modulů, pracujících běžně za nízkých i vysokých teplot, jako jsou trakční měniče a měniče elektromobilů, značně rizikové. Dalším omezením technologie DBC je nemožnost tvorby jemných vodivých drah s šířkou pod 500 pm. Z tohoto důvodu není ani možné přímo na DBC substráty osazovat senzory, SMD neboli Surface-Mounted Device součástky a polovodičové čipy s jemnou roztečí. Vzhledem ke skutečnosti, že motivy na DBC substrátech se vytváří subtraktivním způsobem, tj. chemickým leptáním přes leptuodolný rezist, vzniká při výrobě značné množství chemického odpadu a během výroby dochází k nehospodámému zacházení se strategickými surovinami, neboť přebytečná měď je z keramické podložky chemicky odstraněna. Takové technologie popisují např. dokumenty US 20140345914 AI, KR 20140119047 A, JP 7535606 B2 nebo US 9275926 B2.

Další známou metodou pro metalizaci keramických podložek pro oblast výkonové elektroniky je metoda AMB neboli Active Metal Brazing, což je metoda reaktivního vysokoteplotního pájení. Jedná se o metodu založenou na tvrdém pájení keramické a měděné vrstvy, přičemž smáčivost keramické vrstvy pájkou je dosažena pomocí reaktivních příměsí na bázi titanu Ti, zirkonia Zr či hafhia Hf. Pájení probíhá při teplotách od 700 do 1050 °C. Zahrnutí vrstvy pájky do materiálové skladby AMB substrátů přináší vyšší odolnost těchto substrátů vůči náhlým změnám teplot. Stejně jako u metody DBC je i u AMB požadovaný vodivý motiv vytvářen subtraktivně, tj. leptáním. Nevýhody výrobního procesu jsou tedy stejné jako u technologie DBC. Proces leptání však musí být navíc prováděn ve dvou krocích, přičemž v prvním dochází k odleptání měděné vrstvy a v druhém k odleptán vrstvy pájky. Dokumenty popisující metodu AMB jsou např. JP 3245990 U, US 20080079021 AI nebo CN 209929293 U.

- 1 CZ 2025 - 6 A3

Plně aditivní metody realizace keramických substrátů umožňují technologie TFT neboli Thick Film Technology známé jako tlustovrstvý tisk nebo technologie LTCC neboli Low Temperature Cofired Ceramics. Tyto technologie jsou založeny na selektivním tisku vodivých past obsahujících částice drahých kovů jako je stříbro, zlato či platina na vypálené keramické podložky v případě technologie TFT nebo na nevypálené keramické podložky v případě technologie LTCC. Vodivé pasty se po tisku suší a vypalují při teplotách v rozsahu 850 °C až 1000 °C dle složení a velikosti kovových částic v pastě. Vzhledem k chemické netečnosti použitých kovů v pastě, je možné výpal provádět v oxidační atmosféře. Substráty realizované těmito technologiemi jsou vhodné pro vysokoteplotní i vysokonapěťové aplikace, jsou použitelné v automobilovém i leteckém průmyslu, ale nejsou přímo vodné pro vysoko výkonové aplikace. Vzhledem ktomu, že po každém tisku jednotlivých vrstev je nutné substrát s tištěnou vrstvou vypálit, nelze dosáhnout velkých tlouštěk vodivých vrstev bez extrémní energetické a časové náročnosti. Tloušťky vodivých vrstev se proto pohybují maximálně v desítkách mikrometrů, což omezuje použitelný proudový rozsah. Ačkoliv je nanesení tlustších vrstev ze stříbra, zlata či platiny pomocí opakovaného tisku a výpalu technologicky možné, vzhledem k ceně použitých drahých kovů není toto řešení ekonomicky vhodné a prakticky použitelné. Navíc nelze těmito technologiemi tisknout stejné motivy na sebe. Tisk jednotlivých vrstev probíhá tak, že každá další vrstva je užší než vrstva předchozí, takže výsledný motiv má šikmé hrany, a ne ostré a kolmé hrany, které jsou pro aplikace požadované.

Další existující technologií je technologie TPC neboli Thick Printed Technology známá jako tlustovrstvý tisk mědi. Tato technologie vychází z technologie TFT a umožňuje selektivní tisk a výpal měděných motivů do tloušťky vrstev až 300 pm. Výpal měděných vrstev, vzhledem ke známé citlivosti mědi na oxidaci, musí probíhat ve speciálních inertních pecích v nepřítomnosti kyslíku při teplotách 900 °C až 950 °C. Proces výpalu vyžaduje kombinaci vytvoření vakua pro odstranění vzdušného kyslíku z pecního prostoru, řízení vyhoření organických složek pasty za přítomnosti malého množství kyslíku, vakuování pro odstranění zbytků hoření a následný výpal v inertní dusíkové atmosféře následovaný procesem chlazení opět v inertní atmosféře. Pro dosažení požadované tloušťky vrstev ve stovkách pm je nezbytné proces tisku a výpalu měděných past vícekrát opakovat. To výrazným způsobem komplikuje výrobní proces a vzhledem k finančně nákladnému a pomalému procesu výpalu dochází k nárůstu nákladů na finální výrobky. Hlavními výhodami technologie TPC oproti DBC či AMB je však možnost vytváření různých tlouštěk mědi na jednom substrátu, a to v rozmezí 20 pm až 300 pm, možnost realizace jemných motivů s rozlišením až 100 pm možnost vytvářet pokovené otvory a výrazně vyšší odolnost vůči cyklickému teplotnímu namáhání, a to až tisíce cyklů. Tyto technologie popisují např. dokumenty WO 2019005452 AI, US 9799421 B2 nebo US 7504349 B2.

Existují i další technologie jako např. naprašování a elektrolytické pokovování, ty ale také neumožňují vytvoření dostatečně silné vrstvy. Dále jsou známé žárové nástřiky nebo metoda „cold spray“ neboli studená kinetizace, Technologie cold spray je nejmodemější metodou ze skupiny žárových nástřiků. Technologie spočívá v urychlení mikroskopických částic kovu za teploty 500 °C na několikanásobnou rychlost zvuku a jejich depozici na substrát, kde dojde v okamžiku dopadu k přeměně kinetické energie na deformační a tepelnou, čímž se vytvoří kompaktní vrstva. Na rozdíl od předchozích metod, studenou kinetizací lze vytvářet i vrstvy o tloušťce několika mm, nelze však vytvářet malé plochy pro elektronické součástky, musí následně dojít k dalším procesním krokům, jako je leptání, mechanické či laserové frézování pro vytvoření požadovaných struktur. Největší nevýhodou metody cold spray je nedostatečná adheze nástřiků na keramické substráty. Technologii cold spray popisují např. dokumenty US 10598361 B2, US 20210398895 AI, US 20210407884 AI, US 20210400856 AI, WO 2022132273 AI.

Úkolem vynálezu je vytvoření způsobu metalizace vodivého motivu z mědi na keramickém substrátu pro elektronické součástky a metalizovaného keramického substrátu vytvořeného tímto způsobem, který by odstraňoval výše uvedené nedostatky známého stavu techniky. Zejména je

-2 CZ 2025 - 6 A3 úkolem vynálezu vyřešit nedostatečnou adhezi tlustých vodivých vrstev nanesených metodou cold spray na keramické substráty. Cílem vynálezu je vytvořit takový způsob, který by poskytl keramický substrát pro výkonové aplikace s vysokou a spolehlivostí vysokou teplenou vodivostí. Dále je cílem poskytnout takový keramický substrát, který by byl odolný vůči delaminaci při změnách teploty, umožňoval spolehlivou činnost při zvýšených provozních teplotách a který by zajišťoval účinnou izolaci i při vysokých provozních napětích a zároveň měl schopnost přenášet vysoké proudy v řádu stovek až tisíců ampér.

Podstata vynálezu

Vytčený úkol je vyřešen pomocí způsobu metalizace vodivého motivu z mědi na keramickém substrátu pro elektronické součástky podle tohoto vynálezu. Podstata vynálezu spočívá v tom, že se na alespoň jednu stranu keramického substrátu z materiálu na bázi oxidu hlinitého, nitridu hlinitého nebo nitridu křemičitého natiskne adhezní vrstva ve tvaru vodivého motivu, přičemž adhezní vrstva je z materiálu na bázi mědi, stříbra nebo nízkoteplotního skla s obsahem olova, bismutu, vanadu či telluru, a má tloušťku 10 až 80 pm. Adhezní vrstva se po tisku usuší a vypálí při teplotě 800 až 1065 °C a následně se na nebo nad vypálenou adhezní vrstvu ustaví alespoň jedna šablona s otvory ve tvaru vodivého motivu. Na adhezní vrstvu se přes otvory v šabloně nastříká pomocí trysky proud směsi nosného plynu s měděným práškem s velikostí částic mědi 10 až 60 pm, přičemž průtok nosného plynu je v rozmezí 2 až 4 m³/h při tlaku v rozmezí 20 až 50xl0⁵ Pa (20 až 50 bar), teplotě nosného plynu v rozmezí 400 až 600 °C. Tryska se pohybuje nad povrchem substrátu rychlostí až 1000 mm s¹, čímž je možné směs nosného plynu s měděným práškem nanášet i na rozměrné substráty. Pro dosažení velkých tlouštěk mědi je možné zpomalit pohyb trysky, nebo zajistit opakovaný přejezd. Tímto způsobem se vytvoří vodivý motiv pro připojení a montáž elektronických součástek s tloušťkou 100 pm až 5 mm, jehož porozita je menší než 5 %, elektrická vodivost je větší než 40.10⁶ S m¹ a tepelná vodivost je větší než 300 W m ’ K¹. Takto vytvořenou vrstvu mědi již není potřebné vypalovat ani nijak dále metalurgicky zpracovávat.

Pokud bude tlak nižší, než je uvedený rozsah, nedojde z důvodu nízké energie částic v měděném prášku k jejich nanesení na adhezní vrstvu na keramickém substrátu. Pokud bude tlak vyšší než v uvedeném rozsahu, dojde k mechanickému poškození keramického substrátu, a to k prasknutí. Pokud bude teplota nanášené směsi nosného plynu s měděným práškem nižší, nedojde ke spojení jednotlivých měděných částic do kompaktní vrstvy vodivého motivu. Pokud bude teplota vyšší, hrozí prasknutí keramického substrátu vlivem teplotního šoku. Pokud bude průtok směsi nosného plynu s měděným práškem tryskou příliš nízký, nebude měděným částicím udělena požadovaná rychlost a nedojde ke spojení jednotlivých měděných částic do kompaktní vrstvy vodivého motivu, při vysokém průtoku opět hrozí poškození keramického substrátu.

Při nízké rychlosti posunu trysky dochází k rychlému růstu tloušťky výsledné měděné vrstvy vodivého motivu, ale zároveň dochází k lokálnímu tepelnému namáhání keramického substrátu, který vede kjeho prasknutí. Vysoká rychlost naopak produkuje tenčí měděné vrstvy vodivého motivu, ale s výhodou rovnoměrného tepelného zatížení keramického substrátu. Nehrozí tedy prasknutí. Tlustší vrstvy vodivého motivu je možné dosáhnout opakovaným přejezdem. Experimentálně bylo zjištěno že mezi jednotlivými měděnými vrstvami vodivého motivu není v řezu viditelná žádná hranice, ani oxidická vrstva.

Termínem „vodivý motiv“ se rozumí elektricky vodivá dráha či více elektricky vodivých drah uspořádaných na keramickém substrátu, které mají specifický tvar a jsou určené pro vedení proudu k elektronickým součástkám a které umožňují montáž a propojení elektronických součástek.

Tato metoda nanášení proudu směsi nosného plynu s měděným práškem se nazývá cold spray neboli metoda nebo technologie studené kinetizace. Tato metoda spočívá ve stříkání ohřátého

-3 CZ 2025 - 6 A3 nosného plynu pod vysokým tlakem z trysky, do kterého se přidává jemný kovový prášek. Směs nosného plynu a kovového, konkrétně měděného, prášku poté proudí tryskou, kde dosáhne nadzvukové rychlosti a po vyústění z trysky narazí na adhezní vrstvu natištěnou na keramickém substrátu. Částečky měděného prášku se při dopadu vlivem své vysoké kinetické energie deformují a postupně vytvoří na adhezní vrstvě v místě otvorů v šabloně vrstvu vodivého motivu. Díky adhezní vrstvě mají měděné částice vysokou přilnavost k povrchu keramického substrátu, a to větší než 30 MPa. Pomocí mechanické šablony je možné přímo vytvářet v místech otvorů v šabloně selektivní motivy s tloušťkou až v řádu jednotek mm v jediném výrobním kroku, a to bez využití dalších procesních kroků, jako je leptání nebo mechanické či laserové frézování. Tím se zajistí možnost vytváření 3D měděných struktur vodivých motivů, tedy vyvýšených plošek pro kontaktování součástek, chladicích kanálků, chladicích pinů, žeber, distančních sloupků čí částí pouzder. Během depozice nedochází k nanášení roztaveného materiálu, čímž je minimalizován tepelný vliv na deponovanou vrstvu vodivého motivu i na adhezní vrstvu nebo na keramický substrát. Tímto způsobem je také umožněno nanášení různých tlouštěk mědi ve vodivých motivech pň použití více šablon.

Metoda studené kinetizace poskytuje navíc minimální tepelné zatížení keramického substrátu a při selektivním zesílení měděného vodivého motivu metodou studené kinetizace umožňuje nanesení vrstev citlivých na vysokou teplotu před zesílením mědí. Jedná se např. o krycí dielektrické vrstvy, povrchové ochrany, pájecí slitiny, nepájivé masky, popisky, které je obtížné nanášet až na výsledný strukturovaný povrch. Navíc dochází k minimalizaci vnitřního pnutí v zesílené měděné vrstvě vodivého motivu díky principu technologie studené kinetizace, neboť keramické substráty s měděnou metalizací vodivých motivů se zpracovávají podle známých technologií, jako je TPC, AMB, DBC při teplotách 800 až 1065 °C a ke spojení keramického substrátu a měděné vrstvy vodivého motivu dochází za těchto teplot. Ochlazením na pokojovou teplotu vzniká v keramickém substrátu vnitřní pnutí, které má za následek jeho mechanickou deformaci.

Parametry měděné vrstvy vodivého motivu jsou blízké objemové mědi, takže vodivý motiv neobsahuje žádné příměsi, které by snižovaly elektrickou či tepelnou vodivost, jako je tomu u anorganických či organických pojiv, nebo kovové slitiny. Měděná vrstva vodivého motivu neobsahuje póry, není vnesena oxidace. Pro dosažení malé drsnosti povrchu vodivého motivuje možné nanášet různé velikosti měděných částic v prášku, případně povrch vodivého motivu mechanicky upravit.

Adhezní vrstva se s výhodou natiskne metodou sítotisku, kdy je motiv adhezní vrstvy vytvořen protlačením pastovitého materiálu skrz síto stěrkou, nebo šablonovým tiskem, kdy je motiv adhezní vrstvy vytvořen protlačením pastovitého materiálu skrz otvor v ocelové šabloně, či metodou direct write, kdy je motiv adhezní vrstvy selektivně vytvořen postupným vyplňováním plochy vytlačováním funkčního materiálu z kartuše s tiskovou jehlou, která se robotickým posunem pohybuje nad keramickým substrátem.

Metoda cold spray sama o sobě neumožňuje dosažení požadované selektivity pro vytvoření vodivých motivů a ostrosti hran požadované pro mikroelektronické obvody. Z tohoto důvodu je nad nebo na keramický substrát vložena alespoň jedna šablona s otvory ve tvaru požadovaného vodivého motivu, přičemž pro snazší oddělení šablony od výsledného keramického substrátu je výhodné, aby šablona byla umístěna v určité vzdálenosti od keramického substrátu, která se pohybuje od 0 do 1 mm. Ve výhodném uspořádání je šablona vytvořena z kovu nebo z keramiky a má tloušťku 0,5 až 2 mm. Šablona by měla být vytvořena z materiálu, ke kterému nanášené měděné částice nevykazují vysokou adhezi. Tímto materiálem je například ocel, ze které je možné po procesu depozice měděnou vrstvu odloupnout, měď recyklovat a šablonu použít opakovaně. Tloušťka šablony větší než 0,5 mm je nezbytná, aby nedocházelo k jejímu poškození vlivem kinetické energie dopadajících měděných částic. Šablona tlustší než 2 mm naopak neumožňuje dosažení požadovaných detailů nanášené vrstvy vodivého motivu, protože vlivem

-4 CZ 2025 - 6 A3 velké tloušťky šablony vznikají v jejích otvorech stíny, které znemožňují homogenní depozici měděných částic na povrch adhezní vrstvy na keramickém substrátu.

Keramický substrát je náchylný na mechanické poškození způsobené tlakem nosného plynu. Z tohoto důvodu ho není možné na držák připevnit přímo, ale je fixován přes teflonovou vložku o rozměru keramického substrátu o tloušťce 0,5 až 2 mm. Ve výhodném provedení je držák keramického substrátu vybaven vyhříváním, které umožňuje řízený předehřev a řízené snižování teploty po depozici, jež umožňuje snížit nežádoucí tepelný gradient mezi substrátem a okolním prostředím před a po depozici.

Ve výhodném provedení je světlost otvorů v šabloně o 100 až 300 pm menší než vnější rozměr adhezní vrstvy. Je tedy výhodné, aby otvory v šabloně, přes které se nanáší vodivý motiv, byly o 100 až 300 pm menší, než jsou rozměry tištěné adhezní vrstvy na jedné či obou stranách keramického substrátu. Přesah adhezní vrstvy vůči vodivému motivu umožňuje eliminovat nežádoucí chyby soutisku způsobené nepřesností sesazení jednotlivých vrstev, tedy adhezní vrstvy a vodivého motivu.

Předmětem vynálezu je rovněž metalízo váný keramický substrát pro elektronické součástky vytvořený výše popsaným způsobem. Podstata vynálezu spočívá v tom, že zahrnuje alespoň jeden keramický substrát z materiálu na bázi oxidu hlinitého, nitridu hlinitého nebo nitridu křemičitého, alespoň jednu tištěnou adhezní vrstvu ve tvaru vodivého motivu z materiálu na bázi mědi, stříbra nebo skla s tloušťkou 10 až 80 pm uspořádanou na alespoň jedné straně keramického substrátu a alespoň jeden vodivý motiv z mědi s tloušťkou 100 pm až 5 mm uspořádaný na adhezní vrstvě. Vodivý motiv je členitý pro umístění některých elektronických součástek.

Ve výhodném provedení zahrnuje metalizovaný keramický substrát první adhezní vrstvu uspořádanou na lícové straně keramického substrátu, první vodivý motiv uspořádaný na první adhezní vrstvě, druhou adhezní vrstvu uspořádanou na rubové straně keramického substrátu a druhý vodivý motiv uspořádaný na druhé adhezní vrstvě.

Metalizovaný keramický substrát zahrnuje s výhodou dva keramické substráty, které jsou vzájemně přivrácené svými vodivými motivy, přičemž mezi vodivými motivy je alespoň jedna elektronická součástka.

Dále s výhodou zahrnuje alespoň jednu krycí vrstvu uspořádanou na vodivém motivu pro vytvoření chladicího kanálu.

Ve výhodném provedení je porozita vodivého motivu menší než 5 %, elektrická vodivost vodivého motivu je větší než 40x106 S m¹ a tepelná vodivost vodivého motivu je větší než 300 Wm’K¹.

Výhody způsobu metalizace vodivého motivu z mědi na keramickém substrátu pro elektronické součástky a metalizovaného keramického substrátu vytvořeného tímto způsobem podle tohoto vynálezu spočívají zejména v tom, že poskytuje způsob s efektivní adhezí tlustých vodivých vrstev nanesených metodou cold spray na keramické substráty. Další výhodou tohoto vynálezu je to, že poskytuje keramický substrát pro výkonové aplikace s vysokou spolehlivostí, vysokou teplenou vodivostí, který je odolný vůči delaminaci při změnách teploty, umožňuje spolehlivou činnost při zvýšených provozních teplotách a zajišťuje účinnou izolaci i při vysokých provozních napětích a zároveň má schopnost přenášet vysoké proudy v řádu stovek až tisíců ampér.

Objasnění výkresů

Uvedený vynález bude blíže objasněn pomocí připojených výkresů, na kterých:

-5 CZ 2025 - 6 A3 obr. 1 znázorňuje postup selektivní metalizace keramického substrátu metodou cold spray v příčném řezu;

obr. 2a znázorňuje půdorysný pohled na lícovou stranu keramického substrátu s tištěnou adhezní vrstvou;

obr. 2b znázorňuje půdorysný pohled na šablonu;

obr. 2c znázorňuje půdorysný pohled na keramický substrát s tištěnou adhezní vrstvou doplněnou o měděnou vrstvu vodivého motivu nanesenou technologií cold spray;

obr. 3 znázorňuje keramický substrát s oboustrannou metalizací v různých tloušťkách metodou cold spray v příčném řezu;

obr. 4 znázorňuje keramický substrát v sendvičovém uspořádání s oboustrannou metalizací v různých tloušťkách metodou cold spray v příčném řezu;

obr. 5 znázorňuje keramický substrát s oboustrannou metalizací metodou cold spray s integrovaným kapalinovým chladičem v příčném řezu; a obr. 6 znázorňuje hermeticky uzavřený keramický substrát v sendvičovém uspořádání s metalizací metodou cold spray v příčném řezu.

Příklad uskutečnění vynálezu

Příklad 1: Keramický substrát jednostranně metalizovaný metodou studené kinetizace

Metalizovaný keramický substrát 1 podle příkladu 1 je realizován postupem dle obr. 1 a schematicky znázorněn v půdorysném pohledu na obr. 2. Na lícovou stranu očištěné keramické podložky neboli keramického substrátu 1 z materiálu AI2O3 je nejprve metodou selektivního tisku direct write nanesena stříbrná tlustovrstvá pasta tvořící adhezní vrstvu 2 s tloušťkou 20 pm, která je zasušena. Následně je na rubovou stranu keramického substrátu 1 nanesena stříbrná tlustovrstvá pasta tvořící adhezní vrstvu 2 s tloušťkou 20 pm, která je také zasušena. Dále jsou obě stříbrné adhezní vrstvy 2 vypáleny v oxidační atmosféře při teplotě 850 °C. Na obr. 2a je zobrazen půdorysný pohled na lícovou stranu keramického substrátu 1 s tištěnou adhezní vrstvou 2. Takto vytvořená stříbrná adhezní vrstva 2 tvoří adhezní můstek pro následné vytvoření měděné vrstvy vodivého motivu 4 metodou studené kinetizace známé jako cold spray. Nad keramický substrát 1 je následně vložena kovová šablona 5 s otvory 3 tvořícími požadované motivy. Otvory v šabloně jsou o 100 pm menší než motiv adhezní vrstvy. Šablona 5 má tloušťku 1 mm a je vložena přímo na adhezní vrstvu 2, tedy do vzdálenosti 0 mm od adhezní vrstvy 2. Na obr. 2b je znázorněn půdorysný pohled na šablonu 5 s otvory 3 umístěnou na keramický substrát 1.

V jiném příkladu provedení má šablona 5 tloušťku 0,5 mm nebo 2 mm, je vytvořena z keramiky a umístí se do vzdálenosti 1 mm nad adhezní vrstvu 2 do rámečku, který fixuje její polohu. V jiném příkladu provedení jsou otvory 3 v šabloně 5 až o 300 pm menší než motiv adhezní vrstvy 2.

Depozice měděné vrstvy vodivého motivu 4 metodou cold spray probíhá při průtoku směsi nosného plynu dusíku a měděného prášku 3 m³/h, při tlaku 3 0x10⁵ Pa (30 bar) a teplotě nosného plynu 500 °C. Keramický substrát 1 není předehříván. V jiném příkladu provedení je vodivý motiv 4 nanášen metodou cold spray při průtoku směsi nosného plynu dusíku a měděného prášku 2 m³/h, při tlaku 20xl0⁵Pa (20 bar) a teplotě nosného plynu 600 °C. Keramický substrát 1 je předehříván na teplotu 150 °C. V dalším příkladu provedení je vodivý motiv 4 nanášen metodou

-6 CZ 2025 - 6 A3 cold spray při průtoku směsi nosného plynu dusíku a měděného prášku 4 m³/h, při tlaku 50xl0⁵Pa (50 bar) a teplotě nosného plynu 400 °C. Keramický substrát 1 ie předehříván na teplotu 100 °C.

Měděný prášek má velikost částic v rozsahu 15 až 38 pm, jedná se tedy o směsnou frakci, ve které jsou určitou distribucí zastoupeny velikosti částic v tomto rozsahu. V jiném příkladu provedení je možné použít i částice v rozsahu větším, reálně od 10 do 60 pm s tím, že jemnější částice umožňují dosažení rovinnějšího povrchu s menší drsností povrchu) zatímco hrubší částice produkují rychleji tlustší vrstvy.

Depozice měděné vrstvy vodivého motivu 4 metodou cold spray probíhá v jednom výrobním kroku sekvenčním posunem depoziční trysky, která generuje proud urychlených měděných Cu částic o průměru proudu 10 mm. Měděné částice získávají díky nosnému plynu vysokou kinetickou energii, která je dostatečná k tomu, aby došlo k jejich následnému splynutí se zárodečnou stříbrnou adhezní vrstvou 2. Další dopadající měděné částice následně splývají s již nanesenými měděnými částicemi, čímž se vytváří kompaktní vrstva bez znatelných pórů. Tloušťka vrstvy vodivého motivu 4 je po celé ploše keramického substrátu 1 stejná a dosahuje hodnoty 5 mm. Porozita vrstvy vodivého motivu 4 je 4 %. Elektrická vodivost vodivého motivu 4 je 45.10⁶ S m¹, tepelná vodivost vodivého motivu 4 je 300 W m ’ K¹. V jiném příkladu provedení dosahuje tloušťka vrstvy vodivého motivu 4 hodnoty 0,5 mm. Porozita vrstvy vodivého motivu 4 je 1 %. Elektrická vodivost vodivého motivu 4 je 55.10⁶S m¹, tepelná vodivost vodivého motivu 4 je 350 W m ’ K¹. V dalším příkladu provedení dosahuje tloušťka vrstvy vodivého motivu 4 hodnoty 2 mm. Porozita vrstvy vodivého motivu 4 je 2,5 %. Elektrická vodivost vodivého motivu 4 je 50.10⁶ S m¹, tepelná vodivost vodivého motivu 4 je 325 Wm'K¹.

Postupným meandrovým pohybem depoziční trysky v horizontálním a vertikálním směru po celé ploše keramického substrátu 1 dojde k nanesení měděné vrstvy vodivého motivu 4 po celé ploše keramického substrátu 1 v místech, kde není přítomna kovová šablona 5, tedy v jejích otvorech 3. Na obr. 2c je zobrazen půdorysný pohled na keramický substrát 1 s tištěnou adhezní vrstvou 2 doplněnou o měděnou vrstvu vodivého motivu 4 nanesenou technologií cold spray.

Příklad 2: Keramický substrát oboustranně metalizovaný metodou studené kinetizace

Metalizovaný keramický substrát 1 podle obr. 3, u kterého je na rozdíl od příkladu 1 provedena selektivní depozice měděné vrstvy vodivého motivu 4 metodou cold spray z obou stran keramického substrátu 1. Keramický substrát 1 je vyroben z materiálu AI2O3, adhezní vrstva 2 je realizována tiskem metodou sítotisku měděné pasty s tloušťkou 10 pm a jejím výpalem v inertní atmosféře dusíku při teplotě 950 °C. Na zárodečnou měděnou adhezní vrstvu 2 na rubové straně keramického substrátu 1 je metodou cold spray nejprve přes kovovou šablonu 5 nanesena vrstva mědi vodivého motivu 4. Tloušťka vrstvy vodivého motivu 4 je po celé ploše keramického substrátu 1 stejná a dosahuje hodnoty 2 mm. Spodní měděný vodivý motiv 4 tvoří v půdorysném pohledu soustavu vzájemně oddělených výstupků. Tím dojde ke zvýšení aktivní plochy, která umožňuje efektivnější odvod ztrátového tepla z keramického substrátu Xpři konvekčním způsobu chlazení. Následně je na měděnou adhezní vrstvu 2 na lícové straně keramického substrátu 1 selektivně přes kovovou šablonu 5 metodou cold spray nanesena vrstva měděného vodivého motivu 4. Tento vodivý motiv 4 je dále zesílen druhou vrstvou měděného vodivého motivu 4 naneseného metodou cold spray přes první vrstvu vodivého motivu 4. Selektivní zesílení je realizováno druhou šablonou 5 pro druhou vrstvu vodivého motivu 4, která má na rozdíl od šablony 5 pro první vrstvu vodivého motivu 4 některé otvory 3 neprůchozí. Vzájemně odlišné tloušťky měděné vrstvy vodivého motivu 4, které jsou zobrazené na obr. 3, jsou vhodné pro vyrovnání výškových nerovností.

Příklad 3: Sendvičový keramický substrát oboustranně metalizovaný metodou studené kinetizace

-7 CZ 2025 - 6 A3

Metalizovaný keramický substrát 1 podle obr. 4, u kterého je na rozdíl od příkladu 2 použita dvojice keramických substrátů 1 z materiálu SÍ3N4 v sendvičovém uspořádání, přičemž keramické substráty 1 jsou k sobě přivráceny lícovými stranami. Vodivé motivy 4 realizované metodou cold spray na tištěné měděné adhezní vrstvě 2 na rubové straně keramického substrátu 1 směřují na opačnou stranu než vodivé motivy 4 realizované metodou cold spray na tištěné měděné adhezní vrstvě 2 na rubové straně keramického substrátu 1, čímž tvoří oboustranně přístupnou členitou strukturu pro výměnu tepla s okolím. Vnitřní vodivé motivy 4 na adhezních vrstvách 2 keramického substrátu 1 slouží pro připojení a montáž elektronických součástek 6. S výhodou je využito rozdílné tloušťky vodivých motivů 4 v různých místech keramických substrátů 1, protože je možné na tato místa umístit elektronické součástky 6 s rozdílnou tloušťkou. Platí pro to, že součet lokálních tlouštěk adhezních vrstev 2 a tlouštěk vodivých motivů 4 na obou přivrácených stranách keramických substrátů 1 spolu s tloušťkou elektronické součástky 6 je vždy konstantní, což umožňuje realizaci planámího uspořádání obou keramických substrátů 1. Drobné výškové nerovnosti způsobené nepřesností výroby jsou kompenzovány vrstvami pájeného nebo sintrováného spoje 8, kterými jsou mechanicky a elektricky připojeny elektronické součástky 6. Výhodou tohoto řešení je skutečnost, že díky rozdílné tloušťce měděných vrstev vodivých motivů 4 není nutné použít distanční podložky či sloupky, které by kompenzovaly rozdílnou tloušťku použitých elektronických součástek 6.

Příklad 4: Keramický substrát oboustranně metalizovaný metodou studené kinetizace s integrovaným kapalinovým chladičem

Metalizovaný keramický substrát 1 podle obr. 5 z materiálu na bázi A1N, který na své lícové straně obsahuje tištěnou měděnou adhezní vrstvu 2 s tloušťkou 80 pm selektivně zesílenou měděnou vrstvou vodivého motivu 4 nanesenou metodou cold spray určenou pro propojení a montáž elektronických součástek 6 a na své rubové straně obsahuje tištěnou měděnou adhezní vrstvu 2 selektivně zesílenou měděnou vrstvou vodivého motivu 4 nanesenou metodou cold spray ve tvaru meandru, přičemž je pomocí pájeného spoje 8 celý měděný vodivý motiv 4 překryt krycí vrstvou 7, konkrétně měděným plechem, čímž se vytvoří uzavřená soustava kanálků, které jsou z vnějšího okolí přístupné pouze pomocí vstupního otvoru 9 a výstupního otvoru 10. Pomocí vstupního otvoru 9 a výstupního otvoru 10 se do vnitřní soustavy kanálků přivádí teplosměnné médium, které zajišťuje odvod ztrátového tepla z keramického substrátu L Soustava kanálků vytvořených pomocí měděné struktury adhezní vrstvy 2 a vodivého motivu 4 má tvar meandru, nebo může obsahovat příčky, které zajišťují dobrý přestup ztrátového tepla z keramického substrátu 1 do chladicího média. Výhodou měděné chladicí struktury vodivého motivu 4 realizovaného metodu cold spray je skutečnost, že je možné vytvořit tloušťku vrstvy vodivého motivu 4, a tedy i výšku kanálku v řádu jednotek mm, což zajišťuje dostatečný prostor pro průtok teplosměnného média bez rizika zanesení či ucpání vytvořených chladicích kanálků. Další výhodou je, že jednou ze stran chladicího kanálku je vždy samotný keramický substrát 1, což zajišťuje přímý přestup tepla bez dalších mezivrstev.

Příklad 5: Sendvičový keramický substrát metalizovaný metodou studené kinetizace v hermetickém provedení

Metalizovaný keramický substrát 1 podle obr. 6, který sestává z dvojice vzájemně spojených keramických substrátů 1, které mají na přivrácené straně vytvořeny adhezní vrstvy 2 z nízkoteplotního skla s obsahem olova s tloušťkou 45 pm a z mědi selektivně zesílené vodivé motivy 4 realizovanými metodou cold spray. V jiném příkladu provedení lze jako materiál pro tištěnou a vypálenou adhezní vrstvu 2 použít nízkoteplotní sklo s obsahem bismutu, vanadu či telluru. Mezi vnitřními vodivými motivy 4 jsou pomocí pájených spojů 8 připojeny elektronické součástky 6. Na vnitřní straně keramických substrátů 1 je po jejich obvodu vytvořena spojitá obruba z měděné vrstvy vodivých motivů 4 realizovaná metodou cold spray, která má tloušťku rovnající se tloušťce Cu vrstvy vodivého motivu 4 umístěné pod a nad polovodičovou elektronickou součástkou 6 zvětšené o tloušťku poloviny polovodičové elektronické součástky 6 (typicky 400 pm), aby bylo možné pomocí pájeného spoje 8 dosáhnout hermeticky těsného

-8CZ 2025 - 6 A3 uzavření prostoru mezi oběma planámě umístěnými keramickými substráty L Tloušťka vrstvy 11 je 500 pm a tloušťka vrstvy vodivého motivu 4 je tedy 700 pm. S výhodou je možné realizovat pájení elektronických součástek 6 a hermetické uzavření vnitřního prostoru mezi keramickými substráty 1 v jednom výrobním kroku. Pokud je provedeno pájení ve vakuu, či v inertním plynu, 5 je toto prostředí následně přítomno i v uzavřeném prostoru mezi keramickými substráty L

Keramické substráty 1 mohou, ale nemusí na svých vnějších stranách obsahovat adhezní vrstvy 2.

ίο Průmyslová využitelnost

Způsob metalizace vodivého motivu z mědi na keramickém substrátu pro elektronické součástky a metalizovaný keramický substrát podle tohoto vynálezu nalezne uplatnění v oblasti vysoce výkonové elektroniky, kde je nezbytné na omezené ploše přenášet proudy v řádu stovek až tisíců 15 ampér. Dále je tuto technologii možné využít v sendvičových elektronických modulech, kde jsou variabilní tloušťkou mědi vyrovnávány výškové nerovnosti vnořených součástek, neboje možné pomocí tlustých měděných vrstev vytvářet chladicí kanálky, chladicí piny, žebra, distanční sloupky, či části pouzder.

Claims (10)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Způsob metalizace vodivého motivu (4) z mědi na keramickém substrátu (1) pro elektronické součástky (6), vyznačující se tím, že se na alespoň jednu stranu keramického substrátu (1) z materiálu na bázi oxidu hlinitého, nitridu hlinitého nebo nitridu křemičitého natiskne adhezní vrstva (2) ve tvaru vodivého motivu (4), přičemž adhezní vrstva (2) je z materiálu na bázi mědi, stříbra nebo skla a má tloušťku 10 až 80 pm, adhezní vrstva (2) se po tisku vysuší a vypálí při teplotě 800 až 1065 °C, následně se na nebo nad vypálenou adhezní vrstvu (2) ustaví alespoň jedna šablona (5) s otvory (3) ve tvaru vodivého motivu (4), na adhezní vrstvu (2) se přes otvory (3) v šabloně (5) nastříká proud směsi nosného plynu s měděným práškem s velikostí částic mědi 10 až 60 pm, přičemž průtok nosného plynu je 2 až 4 m³/h při tlaku v rozmezí 20 až 50* 10⁵ Pa (20 až 50 bar), teplotě nosného plynu v rozmezí 400 až 600 °C , a přičemž se vytvoří vodivý motiv (4) pro připojení a montáž elektronických součástek (6) s tloušťkou 100 pm až 5 mm, jehož porozita je menší než 5 %, elektrická vodivost je větší než 40*10⁶ Sm¹ atepelná vodivost je větší než 300 Wm’K¹.
2. 2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že adhezní vrstva (2) se natiskne metodou sítotisk, šablonový tisk nebo technikou direct write.
3. 3. Způsob podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že šablona (5) se umístí do vzdálenosti až 1 mm nad adhezní vrstvu (2).
4. 4. Způsob podle některého z nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že šablona (5) je vytvořena z kovu nebo keramiky a má tloušťku 0,5 až 2 mm.
5. 5. Způsob podle některého z nároků 1 až 4, vyznačující se tím, že světlost otvorů (3) v šabloně (5) je o 100 až 300 pm menší než vnější rozměr adhezní vrstvy (2).
6. 6. Metalizovaný keramický substrát (1) pro elektronické součástky (6), vytvořený způsobem podle některého z nároků 1 až 5, vyznačující setím, že zahrnuje alespoň jeden keramický substrát (1) z materiálu na bázi oxidu hlinitého, nitridu hlinitého nebo nitridu křemičitého, alespoň jednu tištěnou adhezní vrstvu (2) ve tvaru vodivého motivu (4) z materiálu na bázi mědi, stříbra nebo skla s tloušťkou 10 až 80 pm uspořádanou na alespoň jedné straně keramického substrátu (1) a alespoň jeden vodivý motiv (4) z mědi s tloušťkou 100 pm až 5 mm uspořádaný na adhezní vrstvě (2), přičemž vodivý motiv (4) je členitý pro umístění některých elektronických součástek (6).
7. 7. Metalizovaný keramický substrát (1) podle nároku 6, vyznačující setím, že zahrnuje první adhezní vrstvu (2) uspořádanou na lícové straně keramického substrátu (1), první vodivý motiv (4) uspořádaný na první adhezní vrstvě (2), druhou adhezní vrstvu (2) uspořádanou na rubové straně keramického substrátu (1) a druhý vodivý motiv (4) uspořádaný na druhé adhezní vrstvě (2).
8. 8. Metalizovaný keramický substrát (1) podle nároku 6 nebo 7, vyznačující se tím, že zahrnuje dva keramické substráty (1), které jsou vzájemně přivrácené svými vodivými motivy (4), přičemž mezi vodivými motivy (4) je alespoň jedna elektronická součástka (6).
9. 9. Metalizovaný keramický substrát (1) podle některého z nároků 6 až 8, vyznačující se tím, že dále zahrnuje alespoň jednu krycí vrstvu (7) uspořádanou na vodivém motivu (4).
10. 10. Metalizovaný keramický substrát (1) podle některého z nároků 6 až 9, vyznačující se tím, že porozita vodivého motivu (4) je menší než 5 %, elektrická vodivost vodivého motivu (4) je větší než 40χ10⁶ Sm¹ atepelná vodivost vodivého motivu (4) je větší než 300 Wm’K¹.