金屬與陶瓷封接的關(guān)鍵性工藝技術(shù)

金屬的熱膨脹系數(shù)較大、陶瓷的熱膨脹系數(shù)小，要實(shí)現(xiàn)封裝有一定的難度，隨著技術(shù)的成熟，金屬和陶瓷封接的關(guān)鍵性技術(shù)成熟。應(yīng)用也更加廣泛，今天小編就來(lái)分享一下是什么關(guān)鍵詞技術(shù)實(shí)現(xiàn)陶瓷與金屬的封接成功。

一，陶瓷與金屬連接器件的市場(chǎng)應(yīng)用

陶瓷與金屬的連接件在新能源汽車、電子電氣、半導(dǎo)體封裝和IGBT模塊等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，其產(chǎn)品主要有陶瓷結(jié)構(gòu)件和陶瓷基板，因市場(chǎng)需求的增大和新材料的不斷涌現(xiàn)，諸如陶瓷繼電器、陶瓷密封連接器、陶瓷基板等系列產(chǎn)品大規(guī)模實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，因此，具有高強(qiáng)度、高氣密性、高可靠性的陶瓷與金屬的封接工藝至關(guān)重要。

二，陶瓷與金屬封接離不開(kāi)金屬化

高導(dǎo)熱陶瓷基板的應(yīng)用離不開(kāi)金屬化，在國(guó)際上，以德國(guó)賀利氏(Heraeus)集團(tuán)公司為主生產(chǎn)高性能的DCB-Al2O3（直接鍵合銅的Al2O3陶瓷基板）和AMB-Si3N4（活性金屬釬焊工藝的Si3N4陶瓷基板）、日本京瓷(Kyocera)作為世界500強(qiáng)企業(yè)和全球最大的高技術(shù)陶瓷公司，代表產(chǎn)品有大功率的LED用陶瓷封裝殼等，這些都離不開(kāi)陶瓷與金屬的封接。

三，陶瓷與金屬封接的技術(shù)難點(diǎn)

1、陶瓷的線膨脹系數(shù)小，而金屬的線膨脹系數(shù)相對(duì)很大，導(dǎo)致接縫開(kāi)裂。一般要很好處理金屬中間層的熱應(yīng)力問(wèn)題。

2、陶瓷本身的熱導(dǎo)率低，耐熱沖擊能力弱。焊接時(shí)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(dǎo)電性差，甚至不導(dǎo)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(duì)陶瓷金屬化處理或進(jìn)行活性釬料釬焊。

5、由于陶瓷材料多為共價(jià)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(kuò)散法進(jìn)行焊接。

6、陶瓷與金屬焊接的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與普通焊接有所區(qū)別，通常分為平封結(jié)構(gòu)、套封結(jié)構(gòu)、針?lè)饨Y(jié)構(gòu)和對(duì)封結(jié)構(gòu)，其中套封結(jié)構(gòu)效果最好，這些接頭結(jié)構(gòu)制作要求都很高。

      金屬與陶瓷封接的條件要求：

良好的陶瓷與金屬封接，其封接處應(yīng)滿足如下要求： 

1．具有良好的真空氣密性，印使在高溫時(shí)也不應(yīng)喪失；

2．具有一定的機(jī)械強(qiáng)度；

3．在長(zhǎng)時(shí)間高于工作溫度的條件下，其電氣性能與機(jī)械性能應(yīng)保持不變；

4．能承受住急劇的溫度變化；

5．工藝簡(jiǎn)單，適于成批生產(chǎn)；

6．封接處尺寸的公差應(yīng)很小。

三，陶瓷金屬化機(jī)理和工藝流程

1，陶瓷金屬化機(jī)理

陶瓷金屬化的機(jī)理較為復(fù)雜，涉及到幾種化學(xué)和物理反應(yīng)、物質(zhì)的塑性流動(dòng)、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(jié)階段中發(fā)生不同的化學(xué)反應(yīng)和物質(zhì)擴(kuò)散遷移。隨溫度的升高，各物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)形成中間化合物，達(dá)到共同的熔點(diǎn)時(shí)形成液相，液態(tài)的玻璃相有一定的粘性，同時(shí)產(chǎn)生塑性流動(dòng)，之后顆粒在毛細(xì)管的作用下發(fā)生重排，在表面能的驅(qū)動(dòng)下原子或分子發(fā)生擴(kuò)散遷移，晶粒長(zhǎng)大，氣孔逐漸縮小并且消失，達(dá)到金屬化層的致密化。

2，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(yù)處理。采用金剛石研磨膏將無(wú)壓燒結(jié)的陶瓷拋至光學(xué)平滑，保證表面粗糙度≤1.6m，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(shí)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(shù)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(jié)形成金屬化層。

四，陶瓷與金屬封接關(guān)鍵技術(shù)5大關(guān)鍵技術(shù)

l  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(diǎn)Mn的金屬化配方，加入粘結(jié)劑涂覆到Al2O3陶瓷表面，然后燒結(jié)形成金屬化層。傳統(tǒng)Mo-Mn法的缺點(diǎn)在于燒結(jié)溫度高，能源消耗大，且配方中無(wú)活化劑的參與導(dǎo)致封接強(qiáng)度低。

2、活化Mo-Mn法

活化Mo-Mn法是在傳統(tǒng)Mo-Mn法基礎(chǔ)上進(jìn)行的改進(jìn)，改進(jìn)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(jìn)方法都是為了降低金屬化溫度。

活化Mo-Mn法的缺點(diǎn)是工藝復(fù)雜、成本高，但其結(jié)合牢固，能極大改善潤(rùn)濕性，所以仍是陶瓷-金屬封接工藝中發(fā)明最早、最成熟、應(yīng)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(yīng)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(diǎn)是工序少，陶瓷-金屬的封接只需要一次升溫過(guò)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(yīng)，在界面處形成具有金屬特性的反應(yīng)層，這種方法可以很容易地適應(yīng)大規(guī)模生產(chǎn)，與鉬-錳工藝相比，這種方法相對(duì)簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)。

活性金屬釬焊法缺點(diǎn)在于活性釬料單一，導(dǎo)致其應(yīng)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(shù)的興起而發(fā)展出來(lái)的一種新型工藝。其基本原理是在Cu與陶瓷之間引進(jìn)氧元素，然后在1065～1083℃時(shí)形成Cu/O共晶液相，進(jìn)而與陶瓷基體及銅箔發(fā)生反應(yīng)生成CuAlO2或Cu(AlO2)2，并在中間相的作用下實(shí)現(xiàn)銅箔與基體的鍵合。

5、磁控濺射法（DPC）

磁控濺射法是物理氣相沉積的一種，是通過(guò)磁控技術(shù)在襯底上沉積多層膜，具有優(yōu)于其他沉積技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，如更好的附著力，更少的污染以及改善沉積樣品的結(jié)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(duì)不耐高溫的陶瓷實(shí)行金屬化(如壓電陶瓷以及單晶)。

l 陶瓷金屬化的影響因素

1、金屬化配方

這是實(shí)現(xiàn)陶瓷金屬化的前提，需要對(duì)其配方做出周密、科學(xué)的設(shè)計(jì)。

2、金屬化溫度及保溫時(shí)間

影響陶瓷金屬化的另一個(gè)關(guān)鍵因素是金屬化燒結(jié)溫度和保溫時(shí)間。金屬化溫度可分為以下四種工藝：溫度超過(guò)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(dāng)?shù)臒Y(jié)溫度是必須的，溫度過(guò)低會(huì)造成玻璃相沒(méi)有產(chǎn)生擴(kuò)散遷移，過(guò)高則金屬化強(qiáng)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(jié)構(gòu)

金屬化工藝決定金屬化層的顯微結(jié)構(gòu)，顯微結(jié)構(gòu)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(yīng)為高結(jié)合強(qiáng)度的致密薄膜。若金屬化層的顯微結(jié)構(gòu)中各區(qū)域?qū)哟畏置?，且任一界面處都沒(méi)有觀察到連續(xù)的脆性金屬化合物，就會(huì)減少脆性和裂紋擴(kuò)展的幾率，界面緊密裂紋少，有利于減少焊料滲透，則說(shuō)明該金屬化層致密性好，結(jié)合強(qiáng)度相對(duì)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(jí)配的影響，粉末過(guò)細(xì)，表面能大，易形成團(tuán)聚，這會(huì)影響涂層的平整性；粉末過(guò)粗，表面能降低，導(dǎo)致燒結(jié)溫度提高，影響燒結(jié)質(zhì)量。此外，還有涂覆方式以及涂覆的厚度等對(duì)陶瓷金屬化也會(huì)有很大影響。

     以上是關(guān)于金屬和陶瓷封接關(guān)鍵性介紹，相信您對(duì)陶瓷金屬化工藝有了更加深刻的認(rèn)知，具體使用哪種工藝制作一方面需要根據(jù)客戶的定制要求去加工，更多關(guān)于陶瓷金屬化工藝的問(wèn)題可以咨詢金瑞欣特種電路，金瑞欣陶瓷基板加工三年專項(xiàng)經(jīng)驗(yàn)，十年多PCB行業(yè)經(jīng)驗(yàn)，精通陶瓷基板金屬化工藝，歡迎咨詢。