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陶瓷与金属化

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文章附图
陶瓷,通常被称为无机非金属材料,可以看出人们直接将陶瓷定位在金属的反面,毕竟它们的性能差异很大。但是它们各自的优势太突出了,所以在很多情况下,需要将陶瓷和金属结合起来才能显示出各自的优势,从而诞生了一项非常重要的技术——陶瓷金属化技术。多年来,陶瓷金属化一直是一个热门话题,国内外学者对此进行了深入的研究。
特别是随着5G时代的到来,半导体芯片的功率越来越大,轻量化、高集成度的发展趋势越来越明显,散热的重要性也越来越突出,这无疑对封装散热材料提出了更严格的要求。在电力电子元件的封装结构中,封装基板作为承上启下、保持内外电路导通的关键环节,具有散热和机械支撑的功能。陶瓷作为一种新型的电子散热封装材料,具有与芯片匹配的高导热、绝缘、耐热、强度和热膨胀系数,是电力电子元器件的理想封装材料。


陶瓷在电路中使用时,必须先金属化,即在陶瓷表面涂上一层与陶瓷结合牢固、不易熔化的金属薄膜,使其导电,然后通过焊接技术与金属引线或其他金属导电层连接成一体。

金属化是陶瓷-金属封接工艺中最重要的一步,影响最终的封接效果。

一:陶瓷与金属焊接的难点

1、陶瓷的线膨胀系数较小,而金属的线膨胀系数相对较大,导致接头开裂。一般要处理好金属夹层的热应力。

2、陶瓷导热系数低,抗热震性弱。焊接时,尽量减小焊接位置及其周围的温度梯度,控制焊后冷却速度。

3、大多数陶瓷的导电性很差,甚至没有导电性,因此很难使用电焊。因为陶瓷材料具有稳定的电子配位,不可能将金属和陶瓷连接起来。需要陶瓷金属化或活性焊料钎焊。

4、由于陶瓷材料多为共价晶体,不易变形,经常发生脆性断裂。目前,中间层多用于降低焊接温度,焊接采用间接扩散法。

5、陶瓷-金属焊接的结构设计不同于普通焊接,通常分为平密封结构、套筒密封结构、针密封结构和相对密封结构,其中套筒密封结构效果最好,这些接头结构制造要求高。


二:陶瓷金属化处理

陶瓷金属化的机理是复杂的,涉及到几种化学和物理反应、物质的塑性流动、粒子重排等。金属化层中的氧化物、非金属氧化物等各种物质在不同的烧结阶段经历不同的化学反应和扩散迁移。随着温度的升高,所有物质反应生成中间化合物,达到共同熔点时,形成液相。液态玻璃具有一定的粘度,同时产生塑性流动。之后粒子在毛细作用下重新排列,原子或分子在表面能的驱动下扩散迁移。晶粒长大,孔隙逐渐缩小消失,从而实现金属化层的致密化。


三:陶瓷金属化工艺

陶瓷金属化的工艺流程包括:

第一步:基体预处理。采用金刚石研磨膏将无压烧结的陶瓷抛至光学平滑,保证表面粗糙度≤1.6µm,将基材放入丙酮、酒精中,超声波常温清洗20min。
第二步:金属化浆料配制。按照金属化配方称量原料,球磨一定时间后制成一定粘度的金属化浆料。
第三步:涂料、烘干。利用丝网印刷技术在陶瓷基体上涂上浆料,浆料厚度要适宜,太薄焊料易流入金属化层,太厚不利于组分迁移,然后将上浆后的基体在烘箱中干燥。
第四步:热处理。将烘干后的基体放入还原性气氛中烧结形成金属化层。

四:陶瓷金属化的具体方法

陶瓷金属化常用的制备方法主要有Mo-Mn法、活化Mo-Mn法、活性金属钎焊法、直接覆铜法(DBC)、磁控溅射法。

1、Mo-Mn法

Mo-Mn法是以难熔金属粉Mo为主,再加入少量低熔点Mn的金属化配方,加入粘结剂涂覆到Al2O3陶瓷表面,然后烧结形成金属化层。传统Mo-Mn法的缺点在于烧结温度高,能源消耗大,且配方中无活化剂的参与导致封接强度低。

2、活化Mo-Mn法

活化Mo-Mn法是在传统Mo-Mn法基础上进行的改进,改进的方向主要有:添加活化剂和用钼、锰的氧化物或盐类代替金属粉。这两类改进方法都是为了降低金属化温度。活化Mo-Mn法的缺点是工艺复杂、成本高,但其结合牢固,能极大改善润湿性,所以仍是陶瓷-金属封接工艺中发明最早、最成熟、应用范围最广的工艺。

3、活性金属钎焊法

活性金属钎焊法也是一种应用较广泛的陶瓷-金属封接工艺,它比Mo-Mn法的发展晚10年,特点是工序少,陶瓷-金属的封接只需要一次升温过程就能完成。钎焊合金含有活性元素,如Ti、Zr、Hf和Ta,添加的活性元素与Al2O3反应,在界面处形成具有金属特性的反应层,这种方法可以很容易地适应大规模生产,与钼-锰工艺相比,这种方法相对简单经济。

活性金属钎焊法缺点在于活性钎料单一,导致其应用受到一定限制,且不适于连续生产,仅适合大件、单件生产或小批量生产。

4、直接敷铜法(Directbondedcopper,DBC)

DBC是在陶瓷表面(主要是Al2O3和AlN)键合铜箔的一种金属化方法,它是随着板上芯片(COB)封装技术的兴起而发展出来的一种新型工艺。其基本原理是在Cu与陶瓷之间引进氧元素,然后在1065~1083℃时形成Cu/O共晶液相,进而与陶瓷基体及铜箔发生反应生成CuAlO2或Cu(AlO2)2,并在中间相的作用下实现铜箔与基体的键合。

5、磁控溅射法

磁控溅射法是物理气相沉积的一种,是通过磁控技术在衬底上沉积多层膜,具有优于其他沉积技术的优点,如更好的附着力,更少的污染以及改善沉积样品的结晶度,获得高质量的薄膜。

此法所得金属化层很薄,能保证零件尺寸的精度,但它不宜对不耐高温的陶瓷实行金属化(如压电陶瓷以及单晶)。



五:陶瓷金属化的影响因素

1、金属化配方

这是实现陶瓷金属化的前提,需要对其配方做出周密、科学的设计。

2、金属化温度及保温时间

影响陶瓷金属化的另一个关键因素是金属化烧结温度和保持时间。金属化温度可分为以下四个过程:1600℃以上超高温,1450~1600℃高温,1300~1450℃中温,1300℃以下低温。适当的烧结温度是必要的。如果温度太低,玻璃相不会扩散和迁移。温度过高,金属化强度差,金属化层容易从陶瓷上脱落,导致密封失效。

3、金属化层显微结构

金属化工艺决定了金属化层的显微组织,显微组织直接影响焊接体的最终性能。为了获得良好的焊接性能,金属化层应该是具有高结合强度的致密膜。如果金属化层的微观结构中的每个区域都是不同的,并且在任何界面上都没有观察到连续的脆性金属化合物,则脆性和裂纹扩展的概率将会降低,并且界面紧密,裂纹很少,这有利于减少焊料渗透,表明金属化层具有良好的致密性和相对较高的结合强度。

4、其他因素

影响陶瓷金属化程度的因素也很多,比如粉末粒度和合理级配的影响,粉末过细,表面能大,容易形成团聚,会影响涂层的平整度;如果粉末过粗,表面能降低,导致烧结温度升高,影响烧结质量。此外,涂层方法和涂层厚度对陶瓷金属化有很大影响。