MX2013009071A - Substrato de metal aislado. - Google Patents

Substrato de metal aislado.

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MX2013009071A
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MX
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ims
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Gennady Khomutov
Aleksey Yerokhin
Sergey Usov
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Cambridge Nanotherm Ltd
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Abstract

Un substrato de metal aislado (IMS) para soportar un dispositivo comprende un substrato metálico teniendo un recubrimiento cerámico formado al menos en parte por oxidación de una porción de la superficie del substrato metálico. El recubrimiento cerámico tiene una fuerza dieléctrica de más de 50 KV mm-1 y una conductividad térmica de más de 5 Wm-1K-1.

Description

S U BSTRATO DE M ETAL AISLADO Campo técn ico La invención se refiere a substratos de metal aislados, por ejemplo, substratos de metal aislados como se usan para soportar dispositivos electrónicos, optoelectrónicos, microondas, RF y eléctricos.
Antecedentes Dispositivos electrónicos, optoelectrónicos, microondas, RF y eléctricos son montados normalmente sobre substratos que proporcionan soportan y actúan para remover ca lor del dispositivo . Los requerimientos principales para tales substratos son que poseen suficiente fuerza dieléctrica y una buena conductividad térmica. Un substrato sobre el cual tal dispositivo puede ser montados es conocido como un substrato de metal aislado (I MS).
Los substratos de metal aislados (I MSs) son usados normalmente para dispositivos electrónicos que generan alta energía de calor específica, por ejemplo, en aplicaciones fotovoltaicas concentradas, de telecomunicación, alumbrado de estado sólido y electrónicos de alto poder. Los I MSs usualmente comprenden una base de lámina de metal cubierta de un lado o dos lados por una capa aislante de material dieléctrico, el cual puede ser polimérico, por ejemplo, resina, fluoropol ímero, poliimida y sus compuestos cargados con polvos cerámicos térmicamente conductores, etc. Tal I MS de lámina frecuentemente llamado como Tableros de circuitos impresos de núcleo de metal (MC PCB), son unidos entonces usualmente a un vertedero de calor a través de una capa de material de interfase térmica.
Con el fin de reducir la trayectoria térmica, una capa dieléctrica puede ser formada directamente sobre un vertedero de calor mediante el uso de anodizante como se describe en GB 21 62694, u Oxidación electrolítica de plasma (PEO) como se describe en la patente estadounidense 2008257585A1 .
Un I MS, el cual puede ser un tablero de metal, un vertedero de calor, un cuerpo de dispositivo o marco de soporte, requiere material dieléctrico para tener una alta fuerza dieléctrica para asegurar el aislamiento eléctrico de circu itería del dispositivo, evitando o previniendo por ello que el dispositivo tenga corto circuito. La conductividad térmica de material dieléctrica también es requerida para disipar calor generado por el dispositivo, lo cual afecta negativamente el desempeño, confiabilidad y tiempo de vida del dispositivo. En general, una fuerza dieléctrica incrementada permite que el IMS para tener una capa aislante más delgada, la cual es reducir resistencia térmica de I MS (con la misma conductividad térmica de material aislante).
Para aplicaciones de RF y microondas, puede ser benéfico que un IMS comprende un material dieléctrico que tiene una alta constante dieléctrica.
Es un objetivo de la invención para proporcionar un I MS teniendo propiedades mejoradas.
Breve descripción de la invención La invención proporciona, en sus diversos aspectos, substratos de metal aislados para soportar un dispositivo como se define en las reivindicaciones independientes anexas a las cuales se debería hacer ahora referencia. Características preferidas o ventajosas de la invención son expuestas en varias sub-reivindicaciones dependientes.
En un primer aspecto, la invención puede proporcionar un substrato de metal aislado (I MS) para soportar un dispositivo. El I MS comprende un substrato metálico teniendo un recubrimiento cerámico formado al menos en parte por oxidación de una porción de la superficie del substrato metálico. El recubrimiento cerámico tiene una fuerza dieléctrica de más de 50 KW/mm , y una conductividad térmica de más de 5 W/mK.
De preferencia, el espesor del recubrimiento es menor que 500 micrómetros, de preferencia menor que 1 00 micrómetros. El espesor puede estar entre 500 nanómetros y 500 micrómetros. El recubrimiento de preferencia comprende uno o más óxidos de un componente de metal del substrato.
En modalidades preferidas, el recubrimiento tiene porosidad, y poros definidos en una superficie del recubrimiento o metálico tienen un tamaño promedio o diámetro promedio de menos de 500 nanómetros.
En un segundo aspecto, la invención puede proporcionar un substrato de metal aislado (I MS) comprendiendo un recubrimiento cerámico de entre 500 nanómetros y 500 micrómetros de espesor. El recubrimiento cerámico es formado, al menos en parte, por oxidación de un substrato metálico. El recubrimiento de preferencia comprende uno o más óxidos de gn componente de metal del substrato.
El recubrimiento tiene una estructura cristalina teniendo un tamaño de grano promedio de menos de 500 nanometros. El recubrimiento tiene porosidad, y poros definidos en una superficie del recubrimiento tienen un tamaño promedio o diámetro promedio de menos de 500 nanometros.
Los recubrimientos cerámicos producidos por técnicas de PEO tienen poros de tamaño significativamente mayor que 500 nanometros.
En contraste, la nanoescala de la porosidad en el I MS de acuerdo con este aspecto de la invención puede contribuir a varias propiedades mecán icas y e léctricas benéficas . Por ejem plo , u n d i ámetro de poro promedio bajo puede mejorar la fuerza dieléctrica de un recubrimiento.
Una alta fuerza dieléctrica puede significar que el espesor de recubrimiento requerido para alcanzar una fuerza dieléctrica m ínima predeterminada para una aplicación particular es disminuido, la cual a su vez puede mejorar la conductividad térmica del recubrimiento.
Además, un tamaño de poro menor también puede mejorar la conductividad térmica del recubrimiento al mejorar la trayectoria de flujo de calor a través del recubrimiento.
De preferencia, los poros del recubrimiento tienen un tamaño promedio de menos de 400 nanometros, en particular de preferencia menos de 300 nanometros.
Los términos metálico y semi-metálico como se usan en la presente, pretenden describir amplias clases de material. De esta manera, estos términos describen metales elementales, tales como aluminio o magnesio puros o semi-metales elementales, tal como silicio, así como aleaciones de uno o más elementos, y compuestos intermetálicos. De manera práctica, los substratos usados en los métodos de la invención son probablemente composiciones metálicas o semi-metálicas comercialmente disponibles.
Muchos metales pueden ser adecuados para uso como un substrato sobre el cual el recubrimiento es formado para producir un I MS. Materiales adecuados pueden incluir esos metales clasificados como metales de válvula. Un I MS puede ser formado de preferencia de un substrato hecho de aluminio, magnesio, titanio, circonio, tantalio, berilio o una aleación o intermetálico de cualquiera de estos metales .
Para aplicaciones de IMS, la fuerza dieléctrica de un recubrimiento es de particular importancia. El recubrimiento de un I MS de acuerdo con cualquier aspecto de la presente invención puede proporcionar, ventajosamente, una fuerza dieléctrica de entre 50 y 1 20 kV mm" 1. De preferencia, el recubrimiento proporciona una fuerza dieléctrica en el rango de 60 hasta 1 00 kV mm" 1.
Para aplicaciones de IMS, se prefiere que la conductividad térmica de un recubrimiento sea alta. Un recubrimiento aislante es requerido para proporcionar aislamiento eléctrico entre un componente electrónico de trabajo o dispositivo y un substrato, y simultáneamente conducen el calor lejos de este componente en el substrato. Por lo tanto, puede ser ventajoso que el recubrimiento de un IMS de acuerdo con cualquier aspecto de la invención tiene una conductividad térmica de más de 4 o 5 W/mK, por ejemplo, entre 4 y 15 W/m . De preferencia , la conductividad térmica está entre 5 y 14 W/mK.
Para algunas aplicaciones de IMS, puede preferirse que el recubrimiento dieléctrico tenga una alta constante dieléctrica . Una alta constante dieléctrica puede ser particularmente preferida cuando el IMS pretende ser usado en aplicaciones de RF o microondas. De preferencia, el I MS comprende un recubrimiento dieléctrico con una constante dieléctrica mayor que 7. De preferencia , la constante dieléctrica es mayor que 7.5 o mayor que 8. De preferencia, el recubrimiento dieléctrico está entre 7 y 1 2 , por ejemplo, entre 7.5 y 10.
Muchas propiedades físicas de recubrimientos cerámicas formados sobre u n su bstrato de meta l son de pendie ntes e n a lg ú n grado sobre el tamaño de cristalito o tamaño de grano del recubrimiento cerámico.
De preferencia, un recubrimiento de un IMS de acuerdo con cualquier aspecto de la presente invención es un recubrimiento cerámico cristalino, y de preferencia, el recubrimiento comprende granos teniendo un diámetro promedio de menos de 200 nanómetros, en particular de preferencia menos de 100 nanómetros, por ejemplo, aproximadamente 50 nanómetros o 40 nanómetros. Los granos pueden ser referidos de manera alternativa como cristales o cristalitos. De esta manera, una modalidad preferida de un I MS puede comprender un recubrimiento que puede ser descrito como un recubrimiento nanoestructurado, o un recubrimiento nanocerámico, ya que tiene características físicas que tienen un tamaño o dimensiones de la escala de nanómetros. Tamaños de grano fino pueden mejorar la homogeneidad estructural y propiedades, tales como dureza, resistencia al desgaste. Los tamaños de grano fino pueden incrementar también la conductividad térmica, fuerza dieléctrica y constante dieléctrica de un material cerámico. Un perfil de superficie más suave también puede ser desarrollado como un resultado del tamaño de grano fino.
Un recubrimiento formado sobre un substrato de metal mediante un proceso anodizante tiende a ser altamente poroso. Los recubrimientos anodizantes usualmente tienen una estructura amorfa (es decir, recubrimiento anodizados son rara vez cristalinos) y una estructura como columna, abierta. La estructura como columna regular de un recubrimiento anódico típico puede hacer el recubrimiento susceptible a la formación de g rietas , en particu lar después de cicl izado térmico del recubrimiento. La susceptibilidad a formación de grietas limita la aplicación de recubrimientos anódicos en dispositivos de polvo. En particular, un I MS en el cual la capa dieléctrica ha sido formada por un proceso de recubrimiento anódico es generalmente limitado a bajas aplicaciones de polvo, en las cuales el ciclizado térmico del recubrimiento puede ser minimizado. De esta manera, aunque un IMS teniendo un recubrimiento dieléctrico formado por un proceso anodizante puede ser adecuado para muchas aplicaciones de energ ía baja, tales recubrimientos no tienen resistencia de voltaje suficiente o conductividad térmica para aplicaciones de alto poder.
Los recubrimientos producidos mediante procesos de PEO son cristalinos, pero sufren ya que el tamaño de porosidad promedio es alto. Esto limita las propiedades dieléctricas y conductividad térmica.
Algunos I MSs avanzados son producidos usando recubrimientos dieléctricos basados en polímeros llenados con cerámica teniendo una alta conductividad térmica de hasta 3 W/mK. Esta conductividad térmica es debida a la presencia de partículas cerámicas relativamente grandes en el material. El espesor mínimo obtenible mediante el uso de capas aislantes de este material es limitado, sin embargo, debido a la presencia de las partículas cerámicas. Por ejemplo, un recubrimiento de un material de IMS producido por BergquistMR tiene un espesor mínimo de 39 mieras. Dupont R produce un IMS con un material dieléctrico basado en poliimida teniendo un espesor mínimo de 17 mieras. Los IMSs de acuerdo con cualquier aspecto de la presente invención pueden formarse con un recubrimiento dieléctrico que es más delgado que 17 micrómetros, donde tal espesor de recubrimiento es deseable.
Tabla 1: Una comparación de propiedades de capas dieléctricas entre el recubrimiento de la presente invención y otros dieléctricos conocidos Una comparación entre las propiedades dieléctricas de los recubrimientos de IMS formados sobre IMSs de acuerdo con modalidades específicas de la presente invención , y otros recubrimientos dieléctricos conocidos es provista en la tabla 1 anterior.
Un IMS de acuerdo con cualquier aspecto de la presente invención es de preferencia un I MS para soportar un dispositivo electrónico, un dispositivo optoelectrónico, un dispositivo de microondas o RF o un dispositivo eléctrico. El espesor del recubrimiento no metálico es de preferencia menor que 40 micrometros, y en particular de preferencia menos de 20 micrometros o menos de 1 0 micrometros. Mientras más delgado es el recubrimiento, más efectiva es la transferencia térmica a través del recubrimiento, y así puede ser particularmente ventajoso si los recubrimientos tienen espesores incluso menores, por ejemplo, en el rango de 1 o 2 micrometros hasta 10 micrometros.
Un IMS de acuerdo con una modalidad de la invención puede tener de preferencia un espesor de recubrimiento de menos de 1 1 mieras, teniendo el recubrimiento un voltaje de ruptura mayor que 500 V DC y una resistencia térmica de menos de 0.02°C cm2/W.
Un IMS de acuerdo con una modalidad de la invención puede tener un recubrimiento con espesor menor que 31 micrómetros, un voltaje de ruptura de más de 1 .5 KV DC y resistencia térmica menor que 0.07°C cm2/W.
Un I MS de acuerdo con cualquier aspecto de la invención puede comprender un recubrimiento dieléctrico que ha sido aplicado selectivamente a una porción de un substrato o componente de metal o semi-metal. El substrato o componente puede ser de cualquier forma deseada, y puede formar un componente, tal como un tablero plano, un vertedero de calor, una tubería de calor, un dispositivo de enfriamiento, o un marco o cuerpo de luminaria. El substrato o componente sobre el cual el recubrimiento va a ser formado puede ser enmascarado, por ejemplo, de manera que el recubrimiento es aplicado solamente a una región predeterminada, donde la funcionalidad dieléctrica es deseada.
Puede ser deseable llenar cualquier poro que exista en el recubrimiento. Así, un IMS de acuerdo con cualquier aspecto de la invención puede comprender un recubrimiento dieléctrico que ha sido sellado o impregnado por un material orgánico o inorgánico adecuado para llenar cualquier poro en el recubrimiento. Un material sellador adecuado puede ser, por ejemplo, una resina, un fluoropolímero, una poliimida, un metacrilato, un poliéster, un vidrio soluble, o un material de sol-gel. Esta lista de materiales senadores adecuados no es exhaustiva y la persona experta sería capaz de identificar otros materiales adecuados. Los materiales selladores pueden ser aplicados al recubrimiento mediante un número de métodos conocidos, por ejemplo, mediante técnicas de inmersión, atomización, sellado al vacío y deposición de PVD y CVD.
Un I MS de acuerdo con cualquier aspecto de la invención puede comprender además capas o áreas de contacto de metal formadas sobre una superficie del recubrimiento. Tales capas o áreas de contacto pueden ser provistas mediante cualquier técnica convencional, tal como serigrafía, impresión con tinta de metal, metalización sin corriente, meta l izació n g alván ica , un ión por ad hesivo de hoj uela de meta l , u n ión de circuitos flexibles pre-fabricados, metalización por deposición química de vapor (CVD) y deposición de vapor de plasma (PVD).
Las capas de contacto de metal pueden formarse mediante el uso de adhesivos térmicamente conductores para unir hojuelas metálicas, tales como hojuelas de cobre, o circuitos flexibles pre-fabricados al recubrimiento formado como se describe antes. Los adhesivos térmicamente conductores adecuados pueden incluir resinas, poliimidas o fluoropolímeros y otros para unir una capa de metal a la superficie del recubrimiento. La unión usando adhesivos puede acompañarse mediante penetración del material de unión en cualquier poro del recubrimiento. Esta penetración puede crear una capa dieléctrica compuesta teniendo un voltaje de ruptura incrementado.
Un I MS de acuerdo con cualquier aspecto de la invención puede comprender vías térmicas de metal que conectan una capa de contacto de metal formada sobre una superficie del recubrimiento no metálico con el substrato metálico o semi-metálico. Tales vías pueden formarse mediante un proceso de enmascarado antes de la formación del recubrimiento. Pueden formarse vías mediante un proceso de grabado después de que el recubrimiento ha sido formado o mediante ablación por láser de capa cerámica.
Aunque muchos metales pueden ser usados como el substrato para el IMS, se prefiere que el substrato sea seleccionado de un grupo de materiales comprendiendo aluminio, magnesio, titanio, circonio, tantalio, berilio o una aleación o intermetálico de cualquiera de estos metales.
Una modalidad preferida de un I MS de acuerdo con un aspecto de la invención puede comprender un substrato metálico teniendo un recubrimiento cerámico formado al menos en parte mediante oxidación electrolítica de una porción de la superficie metálica, en la cual el recubrimiento cerámico tiene una fuerza dieléctrica de más de 50 KV mm"1 , una conductividad térmica de más de 5 W m" K" 1 , un espesor de entre 500 nanometros y 500 micrómetros y una estructura cristalina teniendo un tamaño de grano promedio de menos de 500 nanometros, y en la cual los poroso definidos en una superficie del recubrimiento cerámico tienen un diámetro promedio de menos de 500 nanometros.
Una modalidad preferida de un IMS de acuerdo con un aspecto de la invención que es particularmente adecuada para aplicaciones de RF o microondas, puede comprender un substrato metálico teniendo un recubrimiento cerámico formado al menos en parte mediante oxidación electrolítica de una porción de la superficie del substrato metálico, en el cual el recubrimiento cerámico tiene una fuerza dieléctrica de más de 50 KV mm" 1 , una conductividad térmica de más de 5 W m"1 K~1 , un espesor de entre 500 nanómetros y 500 micrómetros, una estructura cristalina teniendo un tamaño de grano promedio de menos de 500 nanómetros, y una constante dieléctrica mayor que 7, y en la cual los poros definidos en una superficie del recubrimiento cerámico tienen un diámetro promedio de menos de 500 nanómetros.
Para formar un I MS de acuerdo con cualquier aspecto de la invención, un recubrimiento no metálico que posee las propiedades deseadas es form ad o sobre u n su bstrato metá l ico o sem i-metá l ico . Las capas, pistas y almohadillas de contacto metálico, pueden ser formadas entonces sobre el recubrimiento no metálico si, o según, se requiera.
Un método preferido para formar un I MS de acuerdo con un aspecto de la invención comprende los pasos de posicionar un substrato metálico o semi-metálico en una cámara de electrólisis conteniendo un electrolito acuoso y un electrodo. Al menos la superficie del substrato sobre la cual se desea formar un recubrimiento cerámico cristalino y una porción del electrodo están en contacto con el electrolito acuoso. El substrato puede ser configurado, por ejemplo, como un vertedero de calor, y puede comprender una superficie plana sobre la cual se desea formar el recubrimiento.
El método comprende el paso adicional de derivar eléctricamente el substrato con respecto al electrodo al aplicar una secuencia de pulsos de voltaje de polaridad alternante durante un periodo predeterminado.
Pulsos de voltaje positivo desvían anódicamente el substrato con respecto al electrodo y pulsos de voltaje negativo desvían catódicamente el substrato con respecto al electrodo. La amplitud de los pulsos de voltaje positivo es controlada potencioestáticamente, que es controlado con respecto al voltaje, y la amplitud de los pulsos de voltaje negativo es controlada galvanoestáticamente, que es controlado por referencia a la corriente.
Al aplicar una secuencia de pulsos de voltaje de polaridad alternante en la cual pulsos positivos son controlados potencioestáticamente y pulsos negativos son controlados galvanoestáticamente, es posible apl i ca r pulsos de alto voltaje al substrato sin inducir niveles substanciales de micro-descarga. Al minimizar o evitar eventos de micro-descarga durante la formación del recubrimiento no metálico, puede ser posible controlar los parámetros de recubrimiento, tales como la dureza de superficie y la magnitud de la porosidad de recubrimiento. De esta manera, al controlar este proceso, un recubrimiento puede formarse teniendo un tamaño de poro promedio menor que 500 nanómetros, si se desea.
Puede ser ventajoso para los pulsos de voltaje positivo y negativo ser configurados para evitar el desarrollo de picos de corriente durante cada pulso de voltaje. Los picos de corriente son asociados con la ruptura del recubrimiento y con la micro-descarga. Al configurar los pulsos de voltaje para evitar los picos de corriente, la micro-descarga puede ser reducida de manera significativa o eliminada. La micro-descarga, como se discute antes en relación a las técnicas de recubrimiento de EPO, tiene un efecto perjudicial sobre una variedad de propiedades de recubrimiento, por ejemplo, sobre el tamaño de poro promedio del recubrimiento y, como una consecuencia, sobre la fuerza dieléctrica del recubrimiento.
Puede ser particularmente ventajoso si la forma de uno o ambos pulsos de voltaje positivo y negativo son de forma substancialmente trapezoidal.
La conversión de material en el substrato para formar un recubrimiento cerámico ocurre durante los pulsos de voltaje positivo, en los cuales el substrato es derivado anódicamente con respecto al electrodo. El recu brim iento es form ado com o especie conte n iendo oxígeno en el electrolito acuoso que reacciona con el material de substrato por si mismo. Sobre pulsos de voltaje positivo sucesivos, el recubrimiento no metálico aumenta el espesor. Conforme el recubrimiento aumenta en espesor, la resistencia eléctrica del recubrimiento aumenta y menos corriente fluye para el voltaje aplicado. Así, aunque se prefiere que el voltaje pico de cada uno de los pulsos de voltaje positivo sea constante sobre un periodo predeterminado, el flujo de corriente con cada pulso de voltaje sucesivo puede disminuir durante el periodo predeterminado.
Conforme el recubrimiento crece en espesor, la resistencia del recubrimiento aumenta y, por lo tanto, la corriente que pasa a través del recubrimiento durante cada uno de los pulsos de voltaje negativo sucesivos provoca calentamiento resistivo del recubrimiento. Este calentamiento resistivo durante los pulsos de voltaje negativo puede contribuir a niveles incrementados de difusión en el recubrimiento, y por lo tanto pueden ayudar a los procesos de cristalización y formación de grano dentro del recubrimiento en desarrollo. Al controlar la formación del recubrimiento cerámico en esta manera, de preferencia en la cual la micro-descarga es substancialmente evitada, un recubrimiento denso puede ser formado teniendo cristalitos o tamaño de grano de escala extremadamente fina. De preferencia, el tamaño de grano del recubrimiento formado es menor que 200 nanómeros, en particular de preferencia menos de 100 nanómetros, por ejemplo, menos de 50 nanómetros.
El térm i no tama ño de g ra no se refiere a la dista ncia a tra vés de la dimensión promedio de un grano o cristal en el recubrimiento.
La frecuencia de repetición de pulsos de los pulsos de voltaje puede estar entre 0.1 y 20 KHz, de preferencia entre 1 .5 y 15 KHz, o entre 2 y 10 KHz. Por ejemplo, frecuencias de repetición de pulso ventajosas pueden ser 2.5 KHz o 3 KHz o 4 KHz. A bajas frecuencias de repetición de pulso, el recubrimiento experimenta un largo periodo de crecimiento seguido por largos periodos de calentamiento óhmico. Por lo tanto, el recubrimiento resultante puede tener una estructura o perfil de superficie más grueso que si se usara una mayor frecuencia de repetición de pulsos. Frecuencias de repetición de pulsos mayores pueden producir estructuras más finas y superficies de recubrimiento más suaves, pero las velocidades de recubrimiento y eficiencia del proceso pueden disminuir.
Puede ser ventajoso si el método es realizado en un electrolito que sea en una solución acuosa alcalino, de preferencia un electrolito teniendo un pH de 9 o mayor. De preferencia, el electrolito tiene una conductividad eléctrica de más de 1 mS cm' 1. Electrolitos adecuados incluyen hidróxidos de metales alcalinos, en particular aquéllos comprendiendo hidróxido de potasio o hidróxido de sodio.
Puede ser particularmente ventajoso si el electrolito es coloidal y comprende partículas sólidas dispersadas en una fase acuosa. Es particularmente preferible que el electrolito comprenda una proporción de partículas sólidas teniendo un tamaño de partícula de menos de 1 00 nanómetros.
El tamaño de partícu la se refiere a la long itud de la d im ensión más grande de la partícula.
Un campo eléctrico generado durante los pulsos de voltaje aplicados provoca que partículas sólidas electrostáticamente cargadas dispersadas en la fase acuosa sean transportadas hacia la superficie del substrato sobre el cual está creciendo el recubrimiento no metálico. Conforme las partículas sólidas entran en contacto con el recubrimiento cerámico en crecimiento, pueden reaccionar con, y volverse incorporadas en, el recubrimiento. De esta manera, donde se usa un electrolito coloidal, el recubrimiento puede comprender tanto material cerámico formado mediante oxidación de una porción de la superficie del substrato metálico y partículas coloidales derivadas del electrolito.
El recubrimiento que se forma sobre el substrato es generado durante los pulsos de voltaje, anódicos, positivos. Con el fin de que el recubrimiento crezca, se necesita mantener una conexión entre el material de substrato y el electrolito. El recubrimiento en crecimiento o está completamente denso, pero tiene un grado de porosidad. La conexión entre el material de substrato y el electrolito es mantenida vía esta porosidad. Donde el electrolito es coloidal y comprende partículas sólidas, la porosidad que es inherente en la formación del recubrimiento cerámico puede ser substancialmente modificada. Las partículas sólidas no metálicas dispersas en la fase acuosa pueden migrar bajo el campo eléctrico hacia los poros del recubrimiento en crecimiento. Una vez dentro de los poros, las partículas sólidas pueden reaccionar, por ejemplo, mediante procesos de sinterizado, tanto con el recubrimiento como con otras pa rtícu l as só l ida s q ue h a n m ig rado hacia los poros . En esta forma, las dimensiones de los poros son substancialmente reducidos y la porosidad del recubrimiento es alterada, desarrollada como nanoporosidad . Por ejemplo, las dimensiones máximas de poros en el recubrimiento pueden ser reducidas a partir de 1 o más micrómetros a través de menos de 400 nanómetros a través o menos de 300 nanómetros a través.
Al reducir la porosidad, la densidad del recubrimiento es incrementada. Adicionalmente, la reducción en las dimensiones de la porosidad a través del recubrimiento puede incrementar substancialmente la fuerza dieléctrica y la conductividad térmica del recubrimiento.
El electrolito puede comprender partículas sólidas que están presentes desde el inicio del proceso, es decir, las partículas pueden estar inicialmente presentes en la solución de electrolito. De manera alternativa, las partículas sólidas pueden ser adicionadas al electrolito acuoso durante el proceso de recubrimiento. En esta forma, la composición y/o estructura del recubrimiento en crecimiento puede controlarse mientras que el recubrimiento está creciendo.
Se prefiere que las partículas sólidas sean partículas cerámicas, por ejemplo, partículas cerámicas cristalinas o partículas de vidrio, y que una proporción de las partículas tengan dimensiones máximas menores que 100 nanómetros. Se prefiere en particular que las partículas sólidas sean uno más óxidos o hidróxidos metálicos de un elemento seleccionado del grupo que comprende silicio, aluminio, titanio, hierro, magnesio, tantalio y los metales de tierras raras.
Un método preferido adicional para formar un IMS de acuerdo con un aspecto de la invención comprende los pasos de posicionar el substrato en una cámara electrolítica conteniendo un electrolito coloidal comprendiendo partículas sólidas dispersadas en una fase acuosa. La cámara también contiene un electrodo. Al menos la superficie del substrato y una porción del electrodo están arregladas para estar en contacto con el electrolito. El método comprende el paso de desviar eléctricamente el substrato en relación al electrodo durante un periodo predeterminado para generar un recubrimiento dieléctrico cerámico sobre la superficie del substrato. Una serie de pulsos eléctricos bipolares son aplicados, de manera que la polaridad del substrato hace ciclos de ser anódica con respecto al electrodo a ser catódica con respecto al electrodo. El recubrimiento cerámico es formado durante periodos del ciclo durante los cuales el substrato es anódico con respecto al electrodo. Partículas sólidas del electrolito coloidal tienen un punto isoeléctrico característico, y el pH correspondiente al punto isoeléctrico difiere del pH de la fase acuosa del electrolito por 1 .5 o mayor. Durante la aplicación de los pulsos eléctricos bipolares, las partículas sólidas migran hacia la superficie del substrato bajo la influencia de un campo eléctrico aplicado y son incorporados en la capa no metálica para formar el recubrimiento no metálico.
Con relación a cualquier método descrito antes, el tiempo predeterminado durante el cual el proceso es realizado puede ser cualquier tiempo requerido para proporcionar un espesor adecuado de recubrimiento para un propósito pretendido. Norma l mente , el tiempo predeterminado puede estar entre 1 minuto y 2 horas. La velocidad de desarrollo del recubrimiento puede depender de una variedad de factores incluyendo la forma de onda usada para desviar el substrato en relación al electrodo, y la densidad y tamaño de partículas en el electrolito coloidal, donde el método emplea un electrolito coloidal. Es particularmente preferible que el tiempo predeterminado esté entre 2 minutos y 30 minutos, por ejemplo, entre 3 minutos y 1 5 minutos, Un aparato adecuado para formar un recubrimiento dieléctrico sobre la superficie de un substrato metálico o semi-metálico para formar un I MS de acuerdo con un aspecto de la invención puede comprender una cámara de electrólisis para contener un electrolito acuoso, un electrodo ubicable dentro de la cámara de electrólisis, y un suministro de energía capaz de aplicar una secuencia de pulsos de voltaje de polaridad alternativa entre el substrato y el electrodo. El suministro de energía comprende además un segundo generador de pulsos para generar una secuencia galvanoestáticamente controlada de pulsos de voltaje negativo para desviar catódicamente el substrato con respecto al electrodo.
Puede ser particularmente ventajoso que el aparato comprenda además un electrolito coloidal comprendiendo partículas sólidas dispersadas en una fase acuosa. Como se describe antes, las partículas sólidas dispersadas en tal electrolito pueden ser incorporadas en el recubrimiento generado usando el aparato. El electrolito coloidal puede ser cualquier electrolito como se describe antes en relación con los métodos de acuerdo con la i nve nción .
Los recubrimientos desarrollados usando los métodos descritos antes, o usando el aparato descrito antes, tienen propiedades únicas comparadas con recubrimientos dieléctricos previamente conocidos, por ejemplo, recubrimientos producidos mediante los procesos anodizantes estándares o mediante técnicas de PEO. Así, un aspecto de la invención puede proporcionar además un I MS comprendiendo un recubrimiento formado mediante cualquier método descrito antes o usando el aparato descrito antes.
En un aspecto adicional, la invención puede proporcionar un dispositivo que incorpora o montado sobre un I MS de acuerdo con cualquier aspecto anterior. Un IMS de acuerdo con la invención tiene propiedades dieléctricas y de conductividad térmica superiores comparadas con I MSs de la técnica anterior, y dispositivos montados sobre uno pueden operar de manera más eficiente debido a la transferencia térmica mejorada de los componentes del dispositivo a través del I MS. Tal transferencia térmica puede ser lograda mediante una combinación de fuerza dieléctrica mejorada del recubrimiento del I MS, lo cual permite que el recubrimiento sea más delgado al tiempo que proporciona aislamiento eléctrico, y una conductividad térmica mejorada del material. Una capacidad para aplicar una capa aislante directamente sobre la superficie de un vertedero de calor, tubería de calor, dispositivo de enfriamiento, marco o cuerpo de luminaria , permite a los dispositivos a ser formados tener una trayectoria térmica m ínima entre elementos semiconductores de trabajo y elementos de vertedero de ca lor de metal. Ejem pl os de tales d i spos itivos i ncl u yen vertedero de calor de chip puesto, tubería de calor de chip puesto, enfriador de chip puesto y dispositivos de marco de chip puesto.
Para ciertas aplicaciones, un I MS teniendo una estructura de múltiples capas puede probar ser ventajoso. Por ejemplo, un IMS puede ser formado de acuerdo con cualquier aspecto o modalidad descrito antes, y este IMS puede formar entonces la base de un IMS de múltiples capas. Una capa o capas adicionales de material dieléctrico y capas conductoras de metales asociados pueden ser formadas entonces sobre la parte superior de la capa de metal del I MS de base. La capa o capas dieléctricas adicionales pueden ser, por ejemplo, laminados de fibra de vidrio FR-4, o una capa de fluoropolímero o polümida . Dispositivos electrónicos pueden ser unidos ventajosamente al recubrimiento no metálico del IMS de base (es decir, el recubrimiento no metálico formado de acuerdo con el proceso electrolítico descrito antes), el cual proporciona alta conductividad térmica. La estructura de múltiples capas formada sobre el I MS de base puede permitir hacer un gran número de conexiones externas.
Modalidades preferidas de la invención Las modalidades preferidas de la invención serán descritas ahora con referencia a las figuras, en las cuales: La Figura 1 es un diagrama esquemático que ilustra las capas de un substrato de metal aislado (IMS) que abarca la invención; La Figura 2 es una ilustración esquemática de un aparato electrolítico adecuado para form a r u n recubri m iento cerá m i co sobre la superficie de un substrato metálico para formar un IMS que abarca la invención ; La Figura 3 es una ilustración esq uemática de un aparato electrolítico adecuado para formar un recubrimiento cerámico sobre la superficie de un substrato metálico para formar un I MS que abarca la invención; La Figura 4 es un diagrama esquemático de un suministro de energ ía electrónica adecuada para uso con el aparato de la Figura 2 o Figura 3 ; La Figura 5 ilustra una forma de onda de voltaje preferida para uso en formar un recubrimiento cerámico sobre un substrato metálico; La Figura 6 es una ilustración esquemática de una forma de onda de corriente correspondiente a la forma de onda de voltaje ilustrada en la Figura 5 ; La Figura 7 ilustra detalles de un pulso de voltaje positivo y un pulso de voltaje negativo a partir de la forma de onda de la Figura 5; Las Figuras 8 y 9 son micrografías de exploración de electrones típicas de un recubrimiento nanocerámico formado sobre una aleación de aluminio como se describe en el Ejemplo 1 ; Las Figuras 10 y 1 1 son micrografías de exploración de electrones típicas de un recubrimiento cerámico formadas sobre una aleación de aluminio mediante un proceso de oxidación electroquímico de plasma (PEO), que muestra el tamaño de poro significativo asociado con tal proceso; La F ig u ra 12 es u n patrón de d ifracción de rayos X (XR D) de u n recubrimiento nanocerámico formado sobre una aleación de aluminio como se describe en el Ejemplo 1 ; La Figura 13 es una vista lateral de un IMS que abarca la invención sobre la cual se monta un dispositivo electrónico; La Figura 14 es una vista lateral de un IMS que abarca la invención, incluyendo vías térmicas, sobre las cuales se monta un dispositivo electrónico; La Figura 1 5 es una vista lateral de un I MS de múltiples capas que abarca la invención, sobre la cual un dispositivo electrónico es montado teniendo un gran número de conexiones externas; La Figura 16 es una vista lateral de un I MS de múltiples capas que abarca la invención teniendo circuitos de RF construidos ah í, sobre los cuales se monta un dispositivo electrónico.
La Figura 1 es una ilustración esquemática que muestra la estructura de una modalidad específica de un IMS. El IMS 10 comprende un substrato de metal 11, por ejemplo, un substrato de aluminio, que tiene un recubrimiento dieléctrico cerámico 12 formado sobre una superficie del substrato mediante cualquier método descrito antes. El recubrimiento cerámico es un recubrimiento cristalino teniendo un tamaño de cristal promedio de menos de 500 nanómetros y por lo tanto, puede referirse como un recubrimiento nanocerámico. Una capa de contacto de metal 13 es formada sobre la superficie del recubrimiento nanocerámico 12.
El substrato de metal puede tener diferentes configuraciones y puede tener diferentes funciones. Por ejemplo, el substrato de metal puede ser un tablero plano para uso de MC PCB, la superficie de un vertedero de calor, la superficie de un dispositivo enfriado por líquido, la superficie de una tubería de calor, o la superficie de marco de luminaria. La persona experta puede estar consciente de muchas aplicaciones adicionales.
La Tabla 1 anterior proporciona una comparación de propiedades dieléctricas entre un recubrimiento no metálico de un IMS de acuerdo con la presente invención y recubrimientos dieléctricos de la técnica anterior actualmente usados para aplicaciones de IMS.
Como sigue a partir de la Tabla 1, los recubrimientos nanocerámicos formados como el dieléctrico de un IMS de acuerdo con una modalidad de la presente invención, tienen mayor conductividad térmica que los dieléctricos de IMS de la técnica anterior. Más aún, el espesor mínimo relativamente alto de los dieléctricos de IMS de la técnica anterior es excesivo para aplicaciones de bajo voltaje, por ejemplo, para LEDs. Requerirá solamente un espesor de 1 0 mieras de un recubrimiento nanocerámico como se describe en la presente para cumplir los requerimientos para dispositivos de voltaje de ruptura de 500 V DC. El valor de resistencia térmica de una capa de recubrimiento nanocerámica de espesor de 10 mieras es menor que 0.02°C cm3 / W, lo cual es significativamente menor que la resistencia térmica de las otras capas dieléctricas en la Tabla 1 .
Una combinación de mayor conductividad térmica, fuerza dieléctrica y capacidad para sintonizar el espesor del recubrimiento dentro de un amplio rang o de 2-100 mieras para cu m p l i r e l req ue ri miento de voltaje de ruptura necesario, proporciona la capacidad de crear I MSs con propiedades térmicas únicas.
Modalidades específicas de un I MS de acuerdo con cualquier aspecto de la invención pueden formarse al generar un recubrimiento nanocerámico sobre un metal o no metal adecuado. Para usos específicos, un I MS puede ser formado al generar un recubrimiento nanocerámico y entonces recubrir adicionalmente el recubrimiento nanocerámico con una capa o capas de metal de contacto usando técnicas conocidas.
La Figura 2 ilustra un aparato típico adecuado para formar un recubrimiento nanocerámico sobre un substrato metálico o semi-metálico 1 para formar un I MS que abarca la invención. El aparato comprende un tanque químicamente inerte 2, por ejemplo, un tanque formado a partir de una aleación de acero inoxidable, la cual contiene una solución de electrolito 3. La solución de electrolito 3 es una solución de electrolito alcalina acuosa, por ejemplo, una solución acuosa de hidróxido de sodio o hidróxido de potasio, y tiene una conductividad eléctrica de más de 5 mS cm'1. El electrolito puede ser un electrolito coloidal comprendiendo partículas sólidas, con una proporción de esas partículas teniendo un tamaño de partícula menor que 1 00 nanómetros.
El substrato 1 es conectado eléctricamente a una primera salida 50 de un suministro de energía de pulso 4. Un electrodo 5 es conectado a una segunda salida 55 del suministro de energ ía de pulso 4, y tanto el electrodo 5 como el substrato 1 son sumergidos en la solución de electrolito 3 conte nida dentro de l tanq ue 2. El sum in istro de energ ía de pulso 4 es capaz de suministrar pulsos eléctricos de polaridad alternante con el fin de desviar eléctricamente el substrato 1 con respecto al electrodo 5.
La Figura 3 ilustra un aparato electrolítico alternativo adecuado para fabricar un I MS de acuerdo con uno o más aspectos o modalidades de la invención. En común con el aparato descrito antes en relación a la Figura 2, el aparato de la Figura 3 comprende un tanque químicamente inerte 2 para contener una solución de electrolito 3. Un substrato 1 es acoplado a una primera salida 50 de un suministro de energía de pulso 4. Una segunda salida 55 del suministro de energía 4 es conectado eléctricamente al primero y segundo electrodos 5' y 5", y el substrato 1 y los electrodos 5' y 5" son sumergidos en el electrolito 3. Los dos electrodos 5', 5" están dispuestos en cualquier lado del substrato 1 con el fin de generar un campo eléctrico más uniforme sobre la superficie del substrato y producir un recubrimiento más uniforme en ambos lados del substrato.
Se nota que más de dos electrodos pueden ser acoplados a una salida del suministro de energía de pulsos 4 si esto se deseara. De igual manera, más de un substrato puede ser acoplado simultáneamente a una salida del suministro de energ ía de pulso 4, de manera que más de un IMS puede formarse en cualquier momento.
El aparato de la Figura 3 comprende además un intercambiador de calor 6 a través del cual el electrolito 3 es circulado. El intercambiador de calor 6 permite la circulación de electrolito 3 dentro del tanque 2, y adi ciona l mente perm ite el control de la tem peratu ra del e lectrol ito .
Un suministro de energ ía de pulso preferido, para uso con un aparato o método para formar un I MS que abarca la invención, es capaz de suministrar pulsos de voltaje positivo y negativo separados entre el substrato y un electrodo. Un diagrama esquemático de un generador de pulso preferido es ilustrado en la Figura 4.
El suministro de energ ía de pulso de la Figura 4 comprende dos generadores basados en transistor bipolar de compuerta aislada (IGBT) separados y es un suministro de energía de pulsos preferido para el aparato de las Figuras 2 o 3. Un primer generado, o generador anódico, 30 actúa como un generador de pulsos anódicos, es decir, pulsos que desvían anódicamente el substrato, o substratos, con respecto al electrodo, o electrodos. Un segundo generador, o generador catódico, 35 actúa como un generador de pulsos catódicos, es decir, pulsos que desvían catódicamente el substrato, o substratos, con respecto al electrodo, o electrodos.
El generador de pulsos anódicos 30 y el generador de pulsos catódicos 35 son controlados independientemente y sincronizados por medio de un controlador 40. El generador de pulsos anódicos 30 genera pulsos de configuración trapezoidal teniendo una amplitud de voltaje fijo, es decir, la amplitud de voltaje de los pulsos generados mediante el generador de pulsos anódicos 30 es controlada potencioestáticamente.
El generador de pulsos catódicos 35 proporciona pulsos de configuración trapezoidal, en el cual la corriente catódica promedio es mantenida a un valor fijo sobre pulsos sucesivos, es decir, el generador de pulsos catódicos 35 gen era pulsos q ue son controlados galvanoestáticamente.
Un interruptor de salida 45 comprendiendo un circuito electrónico de puente H, acopla el generador de pulsos anódicos 30 y el generador de pulsos catódicos 35 a una primera salida 50 y una segunda salida 55. Durante el uso, la primera salida 50 es acoplada eléctricamente a un substrato y la segunda salida 55 es acoplada eléctricamente a uno o más electrodos. El controlador 40 sincroniza la salida del generador de pulsos anódicos 30 y el generador de pulsos catódicos 35 y permite que el interruptor de salida 45 produzca una forma de onda de salida comprendiendo una secuencia de pulsos de voltaje de configuración trapezoidal positiva y negativa como se ilustra en la Figura 4.
El uso simultáneo de control potencioestático para pulsos positivos (anódicos) y control galvanoestático para pulsos negativos (catódicos), permite un aumento gradual en una proporción entre la energ ía de pulsos catódicos y anódicos sobre la duración del proceso, y esto crea condiciones que permite un proceso de alta energía sin la generación de micro-descargas.
Una forma de onda particularmente preferida para uso en un método para producir un IMS de acuerdo con uno más aspectos o modalidades de la invención, es ilustrada por las Figuras 5, 6 y 7.
La Figura 5 ilustra una forma de onda que consiste de una secuencia de pulsos de voltaje positivo y negativo alternante generada durante un periodo. Los pulsos de voltaje positivo son de forma substancialmente trapezoidal y tienen un intervalo de pulsos positivos (Ta) como se i nd ica en la F ig u ra 5. Cua n do se apl ica n entre u n substrato y un electrodo, los pulsos de voltaje positivo provocan que el substrato sea desviado anódicamente en relación al electrodo. Los pulsos de voltaje positivo sucesivos son controlados para tener substancialmente la misma amplitud de voltaje (Va).
Los pulsos de voltaje negativo son de forma substancialmente trapezoidal y tienen un intervalo de pulso negativo Tc. Cuando se aplican entre un substrato y un electrodo, los pulsos de voltaje negativo provocan que el substrato sea catódicamente desviado en relación al electrodo. Los pulsos de voltaje negativo sucesivos son controlados para tener substancialmente la misma amplitud de corriente (lc en la Figura 6) .
La amplitud de cada pulso de voltaje negativo sucesivo es controlada para ser un voltaje en el cual un nivel constante de corriente fluye a través del electrolito. La aplicación de la forma de onda resulta en un recubrimiento no metálico siendo formado sobre la superficie del substrato. Conforme el recubrimiento se hace más grueso, su resistencia eléctrica aumenta y el voltaje requerido para pasar la misma cantidad de corriente aumenta. Así , la amplitud de pulsos de voltaje catódico sucesivos (Vc) aumenta durante un periodo.
La Figura 6 es un diagrama que muestra la forma de onda de corriente que corresponde a la forma de onda de voltaje ilustrada en la Figura 5. Cuando un pulso de voltaje positivo es aplicado, se considerada que fluye una corriente positiva, y cuando un voltaje negativo es aplicado, se considera que fluye una corriente negativa. Los pulsos de voltaje positivo son controlados potencioestáticamente, de manera que la amplitud de cada pulso sucesivo es substancialmente el mismo. Sobre un periodo, el espesor del recubrimiento sobre la superficie del substrato aumenta, y la corriente impulsada por este voltaje disminuye. Así, la amplitud de pulso de corriente positiva (la) asociada con los pulsos de voltaje positivo tiende a disminuir durante el periodo.
Como se discute antes en relación a la Figura 5, pulsos de voltaje negativo se controlan galvanoestáticamente, y así estos pulsos son controlados para tener una amplitud de corriente constante (lc).
La Figura 7 ilustra una porción de la forma de onda de la Figura 5 que muestra un pulso de voltaje positivo y un pulso de voltaje negativo. Cada pulso de voltaje positivo es de forma substancialmente trapezoidal y tiene un intervalo (Tal) durante el cual el voltaje se eleva desde cero hasta la amplitud de voltaje positivo o anódico (Va). Cada pulso de voltaje positivo tiene un intervalo (Tac) durante el cual se aplica voltaje constante. Este voltaje constante es aplicado en la amplitud de voltaje del pulso (Va) . Cada pulso de voltaje positivo tiene un intervalo (Tac) durante el cual el voltaje constante es aplicado. Este voltaje constante es aplicado en la amplitud de voltaje del pulso (Va) . Cada pulso de voltaje positivo comprende además un intervalo (Ta(j) durante el cual el voltaje disminuye desde la amplitud de voltaje (Va) a cero. Los intervalos (Ta¡) y (Tad) pueden variarse para controlar el flujo de corriente asociado con el pulso de voltaje. Es altamente indeseable que se generen picos de corriente durante pulsos de voltaje ya que los picos de corriente prom ueve n la ruptu ra del recu bri m ie nto en creci miento y provocan micro-descarga o generación de plasma. Los eventos de microdescarga tienen un efecto perjudicial sobre la calidad del recubrimiento dieléctrico formado sobre el substrato.
Cada pulso de voltaje negativo es de forma substancialmente trapezoidal y comprende tres intervalos análogos para los tres intervalos descritos en relación a los pulsos de voltaje positivo. Cada pulso de voltaje catódico tiene un intervalo (Tc¡) durante el cual el voltaje es incrementado desde cero hasta la amplitud de volatje catódico (Vc) de ese pulso, un intervalo durante el cual el voltaje catódico permanece en la amplitud de voltaje catódico (Vc) y un intervalo (Tc<j) durante el cual el voltaje disminuye desde la amplitud de voltaje (Vc) hasta cero. La amplitud de voltaje (Vc) es determinada con respecto al flujo de corriente en el voltaje. Así, la amplitud de voltaje (Vc) tiende a incrementarse sobre un periodo, como es ilustrado en la Figura 4.
Las formas de onda ilustradas en las Figuras 5, 6 u 7 tienen un número de variables que pueden ser controladas para influenciar las propiedades físicas y eléctricas del recubrimiento formado. La duración tanto de los pulsos de voltaje positivo y negativo (Ta y Tc) puede ser controlada independientemente. Los intervalos (Ta¡, Tac, Tad, Tc¡, Tcc y Tcd) asociados con los pulsos de voltaje positivo y negativo pueden ser controlados con el fin de eliminar substancialmente las chispas de pulso de corriente y micro-descarga. La amplitud de los pulsos de voltaje positivo (Va) pueden ser controlados, como puede ser el flujo de corriente al voltaje pico de cada uno de los pulsos de voltaje negativo (lc). Adicionalmente, la frecuencia de los pulsos puede variarse dentro de un rango de 100 Hz hasta 20 KHz.
Las Figuras 2 a 8 y el texto acompañante describen aparato y una forma de onda preferida adecuada para generar un recubrimiento nanocerámico sobre la superficie de un substrato metálico o semimetálico con el fin de formar un IMS. Modalidades especificas de IMSs de acuerdo con uno o más aspectos de la invención son descritas en los siguientes ejemplos. Estos ejemplos fueron formados usando un aparato como es ilustrado en las Figuras 2 o 3, incluyendo el generador de pulso ilustrado en la Figura 4 y usando las formas de onda específicas como se ilustra en las Figuras 5 a 7. En todos los ejemplos, las soluciones coloidales comprenden algunas partículas sólidas con un tamaño de partícula menor que 100 nanómetros.
Ejemplo 1 El Ejemplo 1 ilustra la formación de un recubrimiento nanocerámico sobre un substrato metálico que sería adecuado para uso como el dieléctrico de un IMS que abarca la invención.
Un substrato en la forma de una placa de aleación Al 6082 teniendo dimensiones de 50mmx50mmx1 mm se trató en un aparato como se describe antes y se ilustra en la Figura 2. El aparato comprende un tanque conteniendo un electrolito, y el substrato y un electrodo fueron acoplados a un suministro de energía de pulso como se describe antes y se ilustra en la Figura 4. El substrato y el electrodo fueron arreglados en contacto con el electrolito.
El electrolito fue una solución acuosa conteniendo 1.8 g/l de KOH y 1.0 g/l de partículas de alúmina, formando una solución coloidal estabilizada.
El generador de pulso aplicó una secuencia de pulsos de voltaje con forma trapezoidal de polaridad alternante entre el substrato y el electrodo. Los pulsos de voltaje positivo fueron aplicados teniendo una amplitud de voltaje positivo fija (Va) de 700 V, y pulsos de voltaje negativo tuvieron una amplitud de voltaje negativa (Vc) continuamente crecida desde 0 hasta 350 V. La frecuencia de repetición de pulso fue 2.5 KHz.
Los pulsos fueron aplicados durante 8 minutos y un recubrimiento nanocerámico fue formado sobre la superficie del substrato.
El recubrimiento nanocerámico fue caracterizado y tuvo las siguientes características: El recubrimiento nanocerámico tuvo un perfil de superficie suave.
La Figura 8 ilustra una micrografía de SEM que muestra una porción del recubrimiento a un aumento de 60,00 veces. Puede verse que la superficie es substancialmente suave en este aumento. La Figura 9 es una micrografía de SEM adicional que muestra una porción del recubrimiento a un aumento de 55,00 veces. Los poros en el recubrimiento teniendo un tamaño de entre 50 y 150 nanómetros pueden ser vistos. Los poros de esta dimensión pueden ser llamados nano-poros.
Para comparación, las Figuras 10 y 11 muestran micrografías de SEM de un recubrimiento formado sobre la superficie de una aleación de aluminio por medio de un proceso de oxidación electroquímica de plasma (PEO). Estas micrografías están a un aumento de 50,000 veces. La superficie del recubrimiento de PEO puede ser vista como extremadamente áspera a este aumento. Los poros formados por bulbos de plasma pueden ser vistos por tener un tamaño de más de 500 nanómetros, en gran contraste con el recubrimiento ilustrado en las Figuras 7 y 8.
El espesor de recubrimiento fue 20 micrómetros y su dureza fue medida para ser 1550 Hv. Un análisis de XRD del recubrimiento (Figura 12), reveló que la composición del recubrimiento fue óxido de aluminio y que el recubrimiento tenía tamaño de grano cristalino promedio de 40 nm. El tamaño cristalino promedio fue calculado en base de los datos de XRD de acuerdo con la ecuación de Scherrer (B.D. Cullity & S.R. Stock, Elements of X-Ray Diffraction (Elementos de difracción de rayos X), 3a ed., Prentice-Hall Inc., 2001, p 167-171).
El voltaje de ruptura del recubrimiento se midió para ser 1 800 V DC y la fuerza dieléctrica se midió por ser 90 KV/mm.
La conductividad térmica del material cerámico fue medida para ser W/mK. La constante dieléctrica del material cerámico se midió para ser 9.5.
Ejemplo 2 La Figura 1 3 ilustra el uso de una I MS que abarca la invención como un vertedero de calor de metal para un dispositivo de alta energ ía 64, tal como por ejemplo, un chip de diodo emisor de luz de alta brillantez (HB LED). Esto puede describi rse co m o u n ch i p sobre aplicación de vertedero de calor.
Un recubrimiento dieléctrico nanocerámico 62 es aplicado sobre una superficie plana de un vertedero de calor de metal 61 para formar un IMS. El recubrimiento nanocerámico es formado usando el método descrito antes en el ejemplo 1 . Las pistas de contacto de metal con almohadillas 63 son formadas entonces sobre la superficie del recubrimiento nanocerámico 62.
El dispositivo 64 es unido directamente al recubrimiento nanocerámico 62, el cual proporciona aislamiento eléctrico entre el chip y el vertedero de calor de metal 61 . Los conectores de contacto 65 están unidos para conectar el dispositivo 64 con las almohadillas de contacto 63. El espesor del recubrimiento nanocerámico es determinado por el requerimiento de voltaje de ruptura del dispositivo, y se crece al espesor m ínimo que cumple el requerimiento de voltaje de ruptura. Esto proporciona la trayectoria térmica más corta entre los componentes semiconductores no aislados en el chip, los cuales generan calor, y el vertedero de calor de metal 61 .
Ejemplo 3 La Figura 14 ilustra el uso de un I MS que abarca la invención como un vertedero de calor de metal para un dispositivo empacado 64, o un chip que requiere una trayectoria a tierra de resistencia baja.
Un recubrimiento dieléctrico nanocerámico 62 es aplicado sobre una superficie plana de un vertedero de calor de metal 61 usando el método descrito a ntes en e l ejemplo 1 , el ve rtedero de ca l or de meta l 61 que actúa como un substrato de metal para el recubrimiento nanocerámico 62. Las pistas de contacto de metal con almohadillas 63 y una almohadilla de metal 66 son formadas entonces sobre la superficie del recubrimiento nanocerámico 62. Las vías térmicas 67 definidas a través del recubrimiento nanocerámico 62 tienen núcleos metálicos que conectan la trayectoria de metal 66 y el vertedero de calor de metal 61 .
El dispositivo 64 es unido a la trayectoria de metal 66 y conectores de contacto 64 son unidos a trayectorias de contacto 63.
Ejemplo 4 La Figura 1 5 ilustra el uso de un I MS que abarca la invención como parte de un tablero de IMS para un chip que requiere un gran número de conexiones externas. Una placa de aluminio 61 actúa como un substrato de metal y realiza una función de vertedero de calor. Un recubrimiento nanocerámico dieléctrico 62 es formado en un lado de la placa de aluminio 61 , usando el método descrito en el ejemplo 1 anterior, y pistas de metal 63 son formadas sobre la superficie del recubrimiento nanocerámico 62.
Capas dieléctricas adicionales 68 hechas de fibra de vidrio FR4 (aunque otros materiales adecuados pueden ser usados) son montadas en la parte superior de las pistas de metal 63, y pistas de metal adicionales 69 son formadas sobre la superficie de capas dieléctricas de fibra de vidrio sucesivas. Las pistas de metal pueden ser interconectadas mediante vías de señal 70 que son definidas a través de ca pas d ie léctrica s de fi bra de vid rio 68.
Un chip 64 es unido directamente a la superficie del recubrimiento dieléctrico nanocerámico 62, lo cual proporciona baja resistencia térmica entre el chip 64 y el substrato de aluminio 61 . Las señales eléctricas necesarias para controlar el chip son alimentadas a través de las pistas de metal 56 y 63, proporcionando un alto grado de integración del sistema. Los conectores de contacto 65 son unidos para conectar el dispositivo con varias almohadillas de contacto 69 y 63.
Ejemplo 5 La Figura 16 ilustra un tablero de múltiples capas para un chip de radio con alta emisión térmica y señales de entrada/salida de alta frecuencia. Una placa portadora de aluminio 61 actúa como un substrato de metal para la formación de un recubrimiento dieléctrico nanocerámico 62, y también realiza tanto una función de vertedero de calor así como una función de un plano de tierra de radio frecuencia (RF).
Un recubrimiento nanocerámico dieléctrico 62 es formado selectivamente en un lado de la placa portadora de aluminio 61 para formar un I MS (usando el método descrito en el ejemplo 1 anterior), y este I MS es usado como un medio dieléctrico de Q alto para portar señales de RF. Las pistas de metal 63 son formadas en la superficie del recubrimiento nanocerámico 62 y son usadas como líneas de transmisión de RF. Pistas de metal adicionales 71 son formadas en la superficie del recubrimiento dieléctrico 62 y actúan como circuitos de desacoplam i e nto y/o acopla m iento de RF 71 .
Capas dieléctricas adicionales 68 formadas a partir de fibra de vidrio FR4 están ubicadas en la parte superior de las pistas de metal 63, con pistas de metal adicionales 69 formadas en la superficie de cada una de las capas dieléctricas de fibra de vidrio 68. Esto forma una estructura laminada de fibra de vidrio. Las pistas de metal 69 pueden ser interconectadas por vías de señal 79 definidas a través de una o más de las capas dieléctricas de fibra de vidrio 68.
Las señales de frecuencia baja y/o digitales necesarias para controlar el chip son alimentadas a través de pistas de metal 69 en el laminado de fibra de vidrio, proporcionando un alto grado de integración del sistema. El chip 64 está unido directamente a la superficie de la placa de metal de base 61 . Los circuitos de RF 71 son formados sobre la superficie de la capa nanocerámica dieléctrica 62. El recubrimiento nanocerámico dieléctrico 62 proporciona l íneas de transmisión de entrada / salida de Q alto, usadas para circuitos de desacoplamiento y/o acoplamiento de RF y baja resistencia térmica. Los enlaces de alambre 65 acoplan el chip 64 con pistas de contacto 69 y almohadillas de circuitos de RF 71 .

Claims (33)

R E IVI N D I C AC IO N ES
1. Un substrato de metal aislado (I MS) para soportar un dispositivo, el IMS comprendiendo un substrato metálico teniendo un recubrimiento cerámico formado al menos en parte mediante oxidación de una porción de la superficie del substrato metálico, en el cual el recubrimiento cerámico tiene una fuerza dieléctrica de más de 50 KV mm' 1 y una conductividad térmica de más de 5 W m" 1 K" 1.
2. Un I MS de acuerdo con la reivindicación 1 , en el cual el recubrimiento cerámico tiene un espesor de menos de 500 micrómetros.
3. U n IMS de acuerdo con la re ivi nd icación 1 o 2 , en el cu al dichos poros definidos en una superficie del recubrimiento cerámico tienen un diámetro promedio de menos de 500 nanómetros.
4. Un substrato de metal aislado (I MS) para soportar un dispositivo, comprendiendo el I MS un substrato metálico teniendo un recubrimiento cerámico formado al menos en parte por oxidación de una porción de la superficie del substrato metálico, en el cual el recubrimiento tiene un espesor de entre 500 nanómetros y 500 micrómetros y una estructura cristalina teniendo un tamaño de grano promedio de menos de 500 nanómetros, y en el cual los poros definidos en una superficie del recubrimiento tienen un diámetro promedio de menos de 500 nanómetros.
5. Un I MS de acuerdo con cualquier reivindicación precedente, en el cual dichos poros definidos en una superficie del recubrimiento cerámico tienen un diámetro promedio de menos de 400 nanómetros, de preferencia menos de 300 nanómetros, o menos de 200 nanómetros.
6. Un IMS de acuerdo con cualquier reivindicación precedente, en el cual el recubrimiento cerámico tiene una fuerza dieléctrica de entre 50 y 120 KV mm"1, y una conductividad térmica de entre 5 y 14 W/mK.
7. Un IMS de acuerdo con cualquier reivindicación precedente, en el cual el recubrimiento cerámico tiene una constante dieléctrica de más de 7.
8. Un IMS de acuerdo con cualquier reivindicación precedente, en el cual el recubrimiento cerámico comprende granos o cristalitos teniendo un tamaño promedio de menos de 250 nanómetros, de preferencia menos de 100 nanómetros.
9. Un IMS de acuerdo con cualquier reivindicación precedente para soportar uno o más dispositivos seleccionados de la lista que consiste de un dispositivo electrónico, un dispositivo optoelectrónico, un dispositivo de RF, un dispositivo de microondas o un dispositivo eléctrico.
10. Un IMS de acuerdo con cualquier reivindicación precedente, en el cual el espesor del recubrimiento cerámico es menor que 50 micrómetros, de preferencia menor que 20 micrómetros o menor que 10 micrómetros.
11. Un IMS de acuerdo con cualquier reivindicación precedente que soporta al menos un circuito electrónico.
12. Un IMS de acuerdo con cualquier reivindicación precedente, en el cual el recubrimiento cerámico tiene espesor menor que 11 mieras, un voltaje de ruptura mayor que 500 V DC y una resistencia térmica menor que 0.02°C cm2/W, o en el cual el recubrimiento cerámico tiene espesor menor que 31 mieras, un voltaje de ruptura mayor que 1 .5 KV DC y una resistencia térmica menor que 0.07°C cm2/W.
13. Un IMS de acuerdo con cualquier reivindicación precedente, que comprende además una capa de contacto de metal formada sobre una superficie del recubrimiento cerámico.
14. Un IMS de acuerdo con la reivindicación 13, en el cual la capa de contacto de metal es formada por un proceso seleccionado de la lista que consiste de serigrafía, impresión de tinta de metal, meta l iza ción si n corriente , m eta l iza ció n g alván i ca , u n ió n por ad hesivo de hojuela de metal, unión de circuitos flexibles pre-fabricados, metalización por deposición química de vapor (CVD) y deposición de vapor de plasma (PVD).
15. Un IMS de acuerdo con cualquier reivindicación precedente, en el cual el metal del substrato es seleccionado del grupo que comprende aluminio, magnesio, titanio, circonio, tantalio, berilio o una aleación o intermetálico de cualquiera de estos metales.
16. Un I MS de acuerdo con cualquier reivindicación precedente, en el cual poros dentro de al menos una porción del recubrimiento son impregnados con material orgánico o no orgánico, por ejemplo, en el cual los poros son impregnados con poliimida, metacrilato, resina epóxica, vidrio sellador o materiales de sol-gel.
17. Un I MS de acuerdo con la reivindicación 1 6, en el cual la impregnación es realizada mediante un proceso seleccionado de la lista que consiste de inmersión, atomización, sellado al vacío, serigrafía, deposición de vapor de plasma y deposición química de vapor.
18. Un IMS de acuerdo con cualquier reivindicación precedente comprendiendo vías térmicas metálicas que se conectan a una capa de contacto formada sobre una superficie del recubrimiento con el substrato metálico.
19. Un IMS de acuerdo con cualquier reivindicación precedente, en el cual una capa de contacto de metal es unida al recubrimiento cerámico mediante un adhesivo térmicamente conductor, el cual penetra hacia los poros del recubrimiento cerámico de manera que se crea una capa compuesta con fuerza dieléctrica incrementada, de preferencia en la cual el adhesivo térmicamente conductor es resina, poliimida o fluoropolímero.
20. Un IMS de acuerdo con cualquier reivindicación precedente, en la cual el substrato metálico es un substrato seleccionado del grupo que consiste de un tablero, un cuerpo o marco de luminaria, un vertedero de calor, una tubería de calor, y un dispositivo enfriado con líquido.
21. Un IMS de acuerdo con cualquier reivindicación precedente, teniendo una estructura de múltiples capas de metal-dieléctrico formada sobre el recubrimiento cerámico.
22. Un IMS de acuerdo con cualquier reivindicación precedente, en el cual el recubrimiento cerámico es formado al desviar eléctricamente el substrato con respecto a un electrodo en un electrolito acuoso, siendo desviado el substrato mediante una secuencia de pulsos de voltaje de polaridad alternante.
23. Un I MS de acuerdo con la reivindicación 22, en el cual los pulsos de voltaje positivo son controlados potencioestáticamente y los pulsos de voltaje negativo son controlados galvanoestáticamente.
24. Un IMS de acuerdo con las reivindicaciones 21 o 22 , en el cual la frecuencia de repetición de pulso de los pulsos de voltaje está entre 0. 1 y 20 KHz, de preferencia entre 1 .5 y 4 KHz.
25. Un IMS de acuerdo con cualquier reivindicación precedente, en el cual el recubrimiento cerámico es formado en parte mediante un proceso de oxidación electrolítico, mientras que el substrato está en contacto con un e lectrol ito colo ida l acuoso , en el cua l las pa rtícu las coloidales dispersadas dentro del electrolito coloidal son incorporadas en el recubrimiento cerámico.
26. Un IMS de acuerdo con cualquier reivindicación precedente teniendo una temperatura de operación máxima en exceso de 500°C.
27. Un substrato de metal aislado (I MS) para soportar un dispositivo, comprendiendo el IMS un substrato metálico teniendo un recubrimiento cerámico formado al menos en parte por oxidación electrolítica de una porción de la superficie del substrato metálico, en el cual el recubrimiento cerámico tiene una fuerza dieléctrica de más de 50 KV mm' 1 , una conductividad térmica de más de 5 W m" K" 1 , un espesor de entre 500 nanómetros y 500 micrómetros y una estructura cristalina teniendo un tamaño de grano promedio de menos de 500 nanómetros, y en la cual los poros definidos en una superficie del recubrimiento cerámico tienen un diámetro promedio de menos de 500 nanómetros.
28. Un I MS de acuerdo con cualquier reivindicación precedente para soportar más de un chip electrónico.
29. Un I MS formado usando cualquier método o aparato descrito en el mismo.
30. Un dispositivo que incorpora o montado sobre un I MS de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 29.
31 . Un tablero de múltiples capas para un chip comprendiendo un IMS de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 29.
32. Un dispositivo que comprende componentes de RF y circuitos formados sobre la superficie de un I MS de acuerdo con cua lq u iera de las reivind icaciones 1 a 29 , com prend iendo e l d ispositivo líneas de transmisión de entrada/salida de Q alto, circuitos de desacoplamiento y acoplamiento de RF.
33. Un dispositivo que comprende a menos un diodo emisor de luz montado sobre un vertedero de calor formado a partir de un IMS de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 29. RES U M E N Un substrato de metal aislado (I MS) para soportar un dispositivo comprende un substrato metálico teniendo un recubrimiento cerámico formado al menos en parte por oxidación de una porción de la superficie del substrato metálico. El recubrimiento cerámico tiene una fuerza dieléctrica de más de 50 KV mm" y una conductividad térmica de más de 5 Wm-1K-1.
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