中國粉體網(wǎng)訊 陶瓷,，常被稱作無機非金屬材料，可見人們直接將陶瓷定位到了金屬的對立面,，畢竟兩者的性能有著天壤之別,。但兩者各自的優(yōu)勢又實在太突出，所以很多情況下又需要陶瓷和金屬結合起來,，各顯所長,，于是就催生了一項非常重要的技術—陶瓷金屬化技術。多年來,，陶瓷金屬化一直是一個熱門的課題,，國內(nèi)外學者都對其展開了深入的研究,。
尤其是隨著5G時代的到來,，半導體芯片功率不斷增加,，輕型化和高集成度的發(fā)展趨勢日益明顯,，散熱問題的重要性也越來越突出,，這無疑對封裝散熱材料提出了更為嚴苛的要求,。在功率型電子元器件的封裝結構中,，封裝基板作為承上啟下,、保持內(nèi)外電路導通的關鍵環(huán)節(jié),，兼有散熱和機械支撐等功能,。陶瓷作為新興的電子散熱封裝材料，具備較高的導熱性,、絕緣性,、耐熱性、強度以及與芯片匹配的熱膨脹系數(shù),，是功率型電子元器件理想的封裝散熱材料,。
陶瓷用于電路中，必須首先對其金屬化,，即在陶瓷表面敷一層與陶瓷粘結牢固而又不易被熔化的金屬薄膜,，使其導電，隨后用焊接工藝與金屬引線或其他金屬導電層相連接而成為一體,。
陶瓷-金屬封接工藝中最重要的一步就是金屬化,，它的好壞影響最終的封接效果。
陶瓷與金屬焊接的難點
1,、陶瓷的線膨脹系數(shù)小,，而金屬的線膨脹系數(shù)相對很大，導致接縫開裂,。一般要很好處理金屬中間層的熱應力問題,。
2、陶瓷本身的熱導率低,，耐熱沖擊能力弱,。焊接時盡可能減小焊接部位及周圍的溫度梯度，焊后控制冷卻速度,。
3,、大部分陶瓷導電性差，甚至不導電,，很難用電焊的方法,。
4、由于陶瓷材料具有穩(wěn)定的電子配位,，使得金屬與陶瓷連接不太可能,。需對陶瓷金屬化處理或進行活性釬料釬焊。
5,、由于陶瓷材料多為共價晶體,，不易產(chǎn)生變形，經(jīng)常發(fā)生脆性斷裂,。目前大多利用中間層降低焊接溫度,，間接擴散法進行焊接。
6,、陶瓷與金屬焊接的結構設計與普通焊接有所區(qū)別,，通常分為平封結構,、套封結構、針封結構和對封結構,，其中套封結構效果最好,，這些接頭結構制作要求都很高。
陶瓷金屬化機理
陶瓷金屬化的機理較為復雜,，涉及到幾種化學和物理反應,、物質(zhì)的塑性流動、顆粒重排等,。金屬化層中的氧化物,、非金屬氧化物等各種物質(zhì)在不同燒結階段中發(fā)生不同的化學反應和物質(zhì)擴散遷移。隨溫度的升高,，各物質(zhì)發(fā)生反應形成中間化合物,，達到共同的熔點時形成液相，液態(tài)的玻璃相有一定的粘性,，同時產(chǎn)生塑性流動,，之后顆粒在毛細管的作用下發(fā)生重排，在表面能的驅(qū)動下原子或分子發(fā)生擴散遷移,，晶粒長大,，氣孔逐漸縮小并且消失，達到金屬化層的致密化,。
陶瓷金屬化工藝
陶瓷金屬化的工藝流程包括：
第一步：基體預處理,。采用金剛石研磨膏將無壓燒結的陶瓷拋至光學平滑，保證表面粗糙度≤1.6μm,，將基材放入丙酮,、酒精中，超聲波常溫清洗20min,。
第二步：金屬化漿料配制。按照金屬化配方稱量原料,，球磨一定時間后制成一定粘度的金屬化漿料,。
第三步：涂料、烘干,。利用絲網(wǎng)印刷技術在陶瓷基體上涂上漿料,，漿料厚度要適宜，太薄焊料易流入金屬化層,，太厚不利于組分遷移,，然后將上漿后的基體在烘箱中干燥,。
第四步：熱處理,。將烘干后的基體放入還原性氣氛中燒結形成金屬化層,。
陶瓷金屬化的具體方法
陶瓷金屬化常用的制備方法主要有Mo-Mn法、活化Mo-Mn法,、活性金屬釬焊法,、直接覆銅法(DBC)、磁控濺射法,。
1,、Mo-Mn法
Mo-Mn法是以難熔金屬粉Mo為主，再加入少量低熔點Mn的金屬化配方,，加入粘結劑涂覆到Al2O3陶瓷表面,，然后燒結形成金屬化層。傳統(tǒng)Mo-Mn法的缺點在于燒結溫度高,，能源消耗大,，且配方中無活化劑的參與導致封接強度低。
2,、活化Mo-Mn法
活化Mo-Mn法是在傳統(tǒng)Mo-Mn法基礎上進行的改進,，改進的方向主要有：添加活化劑和用鉬、錳的氧化物或鹽類代替金屬粉,。這兩類改進方法都是為了降低金屬化溫度,。
活化Mo-Mn法的缺點是工藝復雜、成本高,，但其結合牢固,，能極大改善潤濕性，所以仍是陶瓷-金屬封接工藝中發(fā)明最早,、最成熟,、應用范圍最廣的工藝。
3,、活性金屬釬焊法
活性金屬釬焊法也是一種應用較廣泛的陶瓷-金屬封接工藝,，它比Mo-Mn法的發(fā)展晚10年，特點是工序少,，陶瓷-金屬的封接只需要一次升溫過程就能完成,。釬焊合金含有活性元素，如Ti,、Zr,、Hf和Ta，添加的活性元素與Al2O3反應,，在界面處形成具有金屬特性的反應層,，這種方法可以很容易地適應大規(guī)模生產(chǎn)，與鉬-錳工藝相比,，這種方法相對簡單經(jīng)濟,。
活性金屬釬焊法缺點在于活性釬料單一,，導致其應用受到一定限制，且不適于連續(xù)生產(chǎn),，僅適合大件,、單件生產(chǎn)或小批量生產(chǎn)。
4,、直接敷銅法(Directbondedcopper,，DBC)
DBC是在陶瓷表面(主要是Al2O3和AlN)鍵合銅箔的一種金屬化方法，它是隨著板上芯片(COB)封裝技術的興起而發(fā)展出來的一種新型工藝,。其基本原理是在Cu與陶瓷之間引進氧元素,，然后在1065～1083℃時形成Cu/O共晶液相，進而與陶瓷基體及銅箔發(fā)生反應生成CuAlO2或Cu(AlO2)2,，并在中間相的作用下實現(xiàn)銅箔與基體的鍵合,。
5、磁控濺射法
磁控濺射法是物理氣相沉積的一種,，是通過磁控技術在襯底上沉積多層膜,，具有優(yōu)于其他沉積技術的優(yōu)點，如更好的附著力,，更少的污染以及改善沉積樣品的結晶度,，獲得高質(zhì)量的薄膜。
此法所得金屬化層很薄,，能保證零件尺寸的精度,，但它不宜對不耐高溫的陶瓷實行金屬化(如壓電陶瓷以及單晶)。
陶瓷金屬化的影響因素
1,、金屬化配方
這是實現(xiàn)陶瓷金屬化的前提,，需要對其配方做出周密、科學的設計,。
2,、金屬化溫度及保溫時間
影響陶瓷金屬化的另一個關鍵因素是金屬化燒結溫度和保溫時間。金屬化溫度可分為以下四種工藝：溫度超過1600℃以上的為特高溫,，1450~1600℃的為高溫,，1300~1450℃的屬于中溫，低于1300℃的則為低溫,。適當?shù)臒Y溫度是必須的,，溫度過低會造成玻璃相沒有產(chǎn)生擴散遷移，過高則金屬化強度比較差,，金屬化層很容易從陶瓷上脫落造成封接的失效,。
3、金屬化層顯微結構
金屬化工藝決定金屬化層的顯微結構,，顯微結構又直接影響焊接體的最終性能,。想要獲得良好的焊接性能,，首先金屬化層應為高結合強度的致密薄膜。若金屬化層的顯微結構中各區(qū)域?qū)哟畏置�,，且任一界面處都沒有觀察到連續(xù)的脆性金屬化合物,，就會減少脆性和裂紋擴展的幾率,，界面緊密裂紋少,，有利于減少焊料滲透，則說明該金屬化層致密性好,，結合強度相對較高,。
4、其他因素
還有很多影響陶瓷金屬化程度的因素需要注意,，如粉料粒度與合理級配的影響,，粉末過細，表面能大,，易形成團聚,，這會影響涂層的平整性；粉末過粗,，表面能降低,，導致燒結溫度提高，影響燒結質(zhì)量,。此外,，還有涂覆方式以及涂覆的厚度等對陶瓷金屬化也會有很大影響。
參考來源：
[1]秦典成,，李保忠,，肖永龍.陶瓷金屬化研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
[2]馬元遠，王德苗,，任高潮.氧化鋁陶瓷金屬化技術的研究進展
[3]王玲等.陶瓷金屬化的方法,、機理及影響因素的研究進展
[4]秦典成等.陶瓷基板表面金屬化研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢
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