Когда говорят про медное покрытие, многие сразу представляют себе простое гальваническое осаждение — взял деталь, опустил в ванну, и вот она уже в меди. В нашей же области, особенно когда речь заходит о подложках для силовой электроники или высокочастотных приложениях, всё куда капризнее. Толщина, структура, адгезия к керамике — тут каждый микрон имеет значение, и малейший перекос в процессе ведёт не к браку, а к отказу системы в поле. Я долго считал, что главное — это чистота электролита и плотность тока, пока не столкнулся с партией AlN-подложек, где покрытие отслаивалось пластами после термоциклирования. Оказалось, дело было в подготовке поверхности — стандартная процедура травления для Al?O? на алюминии нитриде давала не те результаты, нужен был особый подход к активации. Вот тогда и пришло понимание, что медное покрытие — это не отдельная операция, а финальный аккорд целой цепочки, где ошибка на любом этапе убивает всё.
В теории всё гладко: осаждаем медь на металлизированную керамику для создания надёжных токопроводящих и теплоотводящих путей. На практике же, особенно когда работаешь с материалами вроде AlN или BeO, первая проблема — это согласование КТР. Медь расширяется сильно, керамика — мало. Если просто нанести толстый слой, при пайке или в работе под нагрузкой возникают такие напряжения, что либо покрытие идёт трещинами, либо отрывается вместе с частью подложки. Мы в своё время перепробовали несколько схем: никелевый подслой, градиентное покрытие с изменением параметров осаждения. С никелем не всегда получалось — на высоких частотах это вносило свои потери. Градиентный слой, где мы начинали с мелкозернистой структуры и заканчивали крупным зерном, показал себя лучше в пламе механической стабильности, но усложнял контроль.
Запомнился один случай с партией для заказчика, который делал модули для электропоездов. Требования по токовой нагрузке были жёсткие, по тепловому сопротивлению — тоже. Мы сделали, как обычно, с хорошим запасом по толщине меди. А в испытаниях на вибрацию начались проблемы — отказы по контактам. Разбирались, смотрели под микроскопом — оказалось, при нашей стандартной толщине в 300 мкм при вибрации возникали усталостные микротрещины именно в меди, от края контактной площадки. Пришлось снижать толщину до 200 мкм, но усиливать адгезию за счёт оптимизации предварительной ионной очистки. Вывод — иногда ?больше? не значит ?надёжнее?, нужно считать конкретные механические нагрузки.
И ещё момент по электролитам. Многие используют стандартные кислые сернокислые растворы — они стабильные, отработанные. Но когда требуется осаждение в глубокие микроканавки или на сложный рельеф, равномерность покрытия падает. Приходится либо играть с органическими добавками-выравнивателями, либо переходить на пирофосфатные составы. С добавками — своя головная боль: они разлагаются со временем, их концентрацию нужно постоянно мониторить, иначе блестящее покрытие становится матовым и хрупким. Мы как-то упустили этот момент при крупносерийном заказе, получили variation по сопротивлению на разных партиях. Пришлось срочно вводить дополнительный контроль по HPLC для анализа состава ванны. Дорого, но дешевле, чем рекламации.
Покрытие не висит в воздухе — оно держится на подслое. Чаще всего это тонкий слой титана или хрома, а потом никель или молибден. Адгезия — священный грааль. Стандартный тест — скотч-тест — слишком грубый для нашей отрасли. Мы оцениваем адгезию по результатам термоциклирования (от -55°C до +125°C, сотни циклов) и по прочности на отрыв при пайке. Бывало, что по скотч-тесту всё идеально, а после 200 термоциклов появляется отслоение по границе. Причина часто кроется не в самом процессе осаждения меди, а в вакуумном напылении этого самого подслоя. Малейшее загрязнение мишени или неидеальный вакуум — и связь ослабевает. Контролировать это в серийном производстве — постоянный вызов.
Коллеги из ООО ?Сычуань Юаньвэй Синьту Полупроводниковые Технологии? (их наработки можно посмотреть на https://www.ywxtbdt.ru) как-то делились опытом по работе с силовыми модулями на основе SiC. У них подход к медному покрытию на DBC-подложках был завязан на глубокую очистку керамической поверхности плазмой перед металлизацией. Они утверждали, что это даёт прирост адгезии на 15-20%, что критично для долгосрочной надёжности при высоких температурах перехода. Мы пробовали повторить — да, эффект есть, но для этого пришлось перестраивать участок подготовки, что не всегда оправдано для мелких серий. Их опыт, впрочем, подтверждает тезис: подготовка поверхности — это более половины успеха. Компания, кстати, была основана экспертами с 20-летним стажем, и такие детали в их процессах — как раз оттуда.
Ещё один аспект — это паяемость. Медное покрытие со временем окисляется, и если не предусмотреть барьерный слой (тот же никель с палладием или иммерсионное олово), то при сборке модуля могут возникнуть проблемы с смачиваемостью. Но каждый дополнительный слой — это ещё один потенциальный источник внутренних напряжений и точка отказа. Мы часто идём на компромисс: наносим тонкий слой химического никеля поверх меди только на те площадки, которые будут непосредственно паяться. Это добавляет шаг в процессе, но сохраняет основную массу меди чистой для лучшего теплоотвода.
Измерять толщину — просто. Куда сложнее оценить структуру. Крупнозернистая медь лучше для теплоотвода, но хуже для механической прочности и устойчивости к электромиграции при высоких плотностях тока. Нужно смотреть в микроскоп, а лучше — делать SEM-анализ среза. Мы внедрили выборочный контроль структуры для каждой новой партии электролита или после замены анодов. Обнаружили, что при использовании медных анодов с определённым количеством фосфора структура покрытия получается более мелкой и равномерной. Без этого контроля можно долго гадать, почему тепловое сопротивление подложек вдруг поползло вверх.
Есть ещё такой параметр, как чистота меди. Примеси, особенно органические, попавшие из добавок или с анодов, резко снижают электропроводность. Мы раз в квартал отправляем образцы на анализ методом масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой. Дорого, но один раз пропустили партию с повышенным содержанием серы — и получили повышенное сопротивление у готовых изделий. Теперь это рутина. Кажется, мелочь, но в силовой электронике, где каждый миллиом на счету, такие мелочи решают всё.
Контроль пористости — отдельная песня. Для некоторых применений, например, в вакуумной технике, пористость недопустима. Проверяем методом термовакуумных испытаний или электрохимическими тестами. Было дело, пытались использовать более дешёвый блескообразователь, и покрытие получалось идеально гладким на вид, но под нагрузкой в 1000 часов при 150°C начиналось газовыделение из пор — адгезия падала. Вернулись к проверенной схеме, хоть и дороже.
Самая большая статья расходов в гальванике — это не медь-аноды, а очистка стоков и поддержание стабильности ванны. Экономить на системе фильтрации и постоянном контроле pH и температуры — себе дороже. Однажды, пытаясь ускорить процесс, мы подняли плотность тока выше рекомендованной для конкретного электролита. Скорость осаждения выросла, но покрытие стало рыхлым, с включениями — пришлось всю партию отправлять на переделку, снимать медь и начинать заново. Потеряли и время, и материалы. Вывод: режимы подбираются экспериментально для каждой конкретной комбинации ?подложка-требования?, и отступать от них — себе дороже.
Второй момент — это подготовка поверхности. Кажется, что можно обойтись более дешёвыми моющими средствами. Но остатки силиконов, масел или даже неправильно смытый обезжириватель приводят к плохой адгезии. Мы перешли на двухступенчатую ультразвуковую очистку в специальных составах, хотя это увеличило цикл. Зато количество брака по отслоению упало почти до нуля. Иногда кажущаяся экономия на этапе подготовки приводит к многократным потерям на последующих, более дорогих этапах сборки.
И третий — автоматизация. Для крупных серий, конечно, роботизированные линии окупаются. Но для мелкосерийного и опытного производства, которым часто занимается ООО ?Сычуань Юаньвэй Синьту Полупроводниковые Технологии? (судя по их портфолио на сайте), важнее гибкость. У них, к слову, подход к медному покрытию часто индивидуален под проект. Иногда ручная загрузка и визуальный контроль оператора на ключевых этапах дают больше, чем слепая автоматика. Потому что оператор видит нюансы — помутнение раствора, изменение цвета покрытия на кромке — которые датчики могут пропустить. Баланс между роботами и опытным глазом — это тоже часть экономики качества.
Тренд на миниатюризацию и рост мощностей диктует свои условия. Всё чаще говорят о прямом bonding меди к керамике (DBC и аналоги), где медное покрытие — это уже не гальваника, а процесс совместного спекания в контролируемой атмосфере. Это другая история, с другими проблемами — контроль оксидного слоя, точность совмещения. Но и в классической гальванике есть куда расти. Например, осаждение меди из безводных ионных жидкостей для температур выше 200°C — пока лабораторные исследования, но за этим будущее для высокотемпературной электроники.
Ещё один вектор — это комбинированные покрытия. Не просто медь, а медь с дисперсными наночастицами алмаза или нитрида алюминия для ещё более высокой теплопроводности. Проблема в том, чтобы равномерно распределить эти частицы в слое и не потерять в электропроводности. Мы проводили такие эксперименты — пока сложно, дорого и нестабильно. Но направление перспективное, особенно для узких мест в теплоотводе.
И, конечно, экология. Давление ужесточается, требования к стокам и использованию опасных веществ растут. Будущее, скорее всего, за ?зелёными? электролитами на основе комплексов меди, которые легче утилизировать. Это потребует пересмотра всех технологических карт, но это неизбежно. Те, кто как компания ООО ?Сычуань Юаньвэй Синьту? с их фокусом на передовые полупроводниковые технологии, наверняка уже закладывают эти аспекты в свои долгосрочные планы разработки. В конце концов, надёжное медное покрытие — это не цель, а средство. Средство сделать устройство, которое проработает десятилетия в жёстких условиях, а не просто блестящая плёнка на керамике. И в этой мысли, пожалуй, и заключается вся суть нашей работы.
