陶瓷基板常用導(dǎo)電材料的種類(lèi)及特性
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陶瓷基板
陶瓷材料因其密度較小，熱導(dǎo)率較高，膨脹系數(shù)匹配，是一種綜合性能較好的封裝材料。由于陶瓷封裝對(duì)可靠性、氣密性、高頻傳輸性等性能需求，勢(shì)必要用到金屬導(dǎo)體來(lái)提升陶瓷共燒技術(shù)。又因金屬材料與陶瓷材料性質(zhì)差異大，在共燒陶瓷技術(shù)中往往需要使用作為燒結(jié)助劑的導(dǎo)體漿料來(lái)促進(jìn)金屬與陶瓷的連接。本文，我們來(lái)分析陶瓷基板制造中常用到的導(dǎo)電材料。Mo-Mn導(dǎo)電相作為陶瓷金屬化工藝中最早引 入的一種導(dǎo)電相，最早由La Forge在1956年提出了活化Mo-Mn 法的概念。它在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用則開(kāi)始較晚，主要也是在國(guó)外進(jìn)展的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了一系列的研究。
目前，金屬化工藝大多采用活化 Mo—Mn 法。主要用于95- Al2O3瓷、99-Al2O3等高純氧化鋁瓷、Al2O3單晶（藍(lán)寶石）、ZrO2陶瓷以及 ZrO2增 韌-Al2O3(ZTA)等陶瓷。采用活化Mo—Mn法金屬化后所得的陶瓷金屬接頭強(qiáng)度較高，氣密性較好。W粉的粒度和形貌對(duì)導(dǎo)體漿料的印刷性能、燒結(jié)狀 態(tài)和導(dǎo)電性能都有著重要影響：粒度過(guò)大，不易燒 成；粒度過(guò)小，則存在過(guò)燒的風(fēng)險(xiǎn)；W粉形貌不均勻，則其顆粒比表面積較大，配制的漿料粘度就會(huì) 過(guò)大；W粉的燒成狀態(tài)差，相應(yīng)的導(dǎo)電性能也會(huì)變差。W粉主要用在高溫陶瓷基板中，目前，業(yè)界人士研究了W粉顆粒分級(jí)對(duì)氧化鋁陶瓷金屬化方阻的影響，發(fā)現(xiàn)0.5μm和1μmW粉混合能顯著 降低方阻，且當(dāng)兩者質(zhì)量比為45:55時(shí)，得到的金屬化 方阻最小。
Mo也是常用在在高溫陶瓷基板中的導(dǎo)電材料，其熔融溫度和硬度均低于W，更容易整形，使用Mo作為導(dǎo)體漿料的導(dǎo) 電相可以有效降低高溫瓷金屬化的燒成溫度，這使 得Mo金屬化在國(guó)內(nèi)外陶瓷封裝外殼生產(chǎn)企業(yè)中占有重要位 置。但Mo粉在生產(chǎn)、運(yùn)輸、儲(chǔ)存和金屬化膏劑制 備過(guò)程中易發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象，不耐化學(xué)腐蝕且在鍍鎳 后易發(fā)生起泡現(xiàn)象等原因限制了Mo在高溫瓷金屬 化中的大范圍應(yīng)用。目前研究得到結(jié)論是，1、濕磨工藝處理的Mo粉應(yīng)用在95％Al2O3陶瓷 上，可使金屬化封接強(qiáng)度得到顯著提高。2、可以通過(guò)濕氫生產(chǎn)形貌完整、大小均勻、分散 好的大顆粒Mo粉。3、減小電流密度 延長(zhǎng)電鍍時(shí)間的方法，能有效抑制Mo金屬化電鍍 起泡現(xiàn)象。W-Cu導(dǎo)體材料結(jié)合了W的高熔點(diǎn)、高密度、低熱膨脹系數(shù)和Cu的高電導(dǎo)率、高熱導(dǎo)率，以及良好的延展性等優(yōu)點(diǎn)，常用于中溫陶瓷共燒環(huán)境中，但當(dāng)使用W-Cu材料和陶瓷基板共燒時(shí)，Cu易燒失的缺點(diǎn)就會(huì)暴露出來(lái)。 目前行業(yè)通常采用的解決辦法是：1、向?qū)w漿料中加入銀、鈷、 鐵、鋅、鈦等微量的活化元素，通過(guò)降低W與Cu之間的潤(rùn)濕角來(lái)抑制Cu的燒失。2、通過(guò)改善W-Cu粉體的制備方式來(lái)改 善W-Cu合金與陶瓷基板共燒后的燒結(jié)狀態(tài)。Cu的導(dǎo)熱系數(shù)高，將Cu加入Al2O3陶瓷，在高溫環(huán)境下，Cu表面氧化生成一層薄的Cu2O共晶液相，Cu2O 可以很好地潤(rùn)濕Al2O3陶瓷和Cu。當(dāng)加熱溫度高于共晶溫度且低于Cu熔化溫度時(shí)，液相中Cu2O與Al2O3發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)，生成 CuAlO2/CuAl2O4二元氧化物，在Cu與陶瓷之間形成一層很薄的過(guò)渡層，在過(guò)渡層的作用下實(shí)現(xiàn)銅材與陶瓷的連接。Ag具有良好的強(qiáng)度、韌性、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和抗腐蝕性，是應(yīng)用極廣的硬纖料。在Ag中加入Cu形成共晶可以有效降低熔化溫度，又不會(huì)形成脆性相。Ag-Cu合金的熔點(diǎn)適中，固相線為889℃，工藝性好，適合各種纖焊工藝。同時(shí)，Ag-Cù的彈性模量E和屈服極限小，有利于釋放接頭中的殘余應(yīng)力，這對(duì)改善纖焊接頭的力學(xué)性能有益，所以在釬焊陶瓷時(shí)用它作為中間層材料可顯著提高接頭性能。此外，在相關(guān)研究中，表明Ag-Cu-Ti活性釬料中引入了金屬 Zn，利用其在真空環(huán)境中具 有較高的飽和蒸汽壓且極易發(fā)生揮發(fā)的特性，有效地優(yōu)化了釬焊界面中 Ag-Cu 共晶 的結(jié)構(gòu)，成功地改善了液態(tài)釬料在陶瓷表面的鋪展及潤(rùn)濕行為，進(jìn)而極大地提高了Al2O3/Cu 接頭的封接性能。Al有延展性，在潮濕空氣中能形成一層防止金屬腐蝕的氧化膜。隨著航空、建筑、汽車(chē)三大重要工業(yè)的發(fā)展，要求材料特性具有鋁及其合金的獨(dú)特性質(zhì)，這就大大有利于Al的生產(chǎn)和應(yīng)用。Al2O3陶瓷具有強(qiáng)度高、硬度高、耐高溫、抗腐蝕、耐磨以及絕緣性能好等優(yōu)異 特性，在許多工程應(yīng)用中需要與金屬連接起來(lái)，以期獲得陶瓷-金屬?gòu)?fù)合構(gòu)件，更好 地發(fā)揮 Al2O3陶瓷在作為結(jié)構(gòu)材料及電絕緣材料方面的優(yōu)越性能。AlN 陶瓷由于具有高熱導(dǎo)率、低介電常數(shù)、與單晶硅相匹配的熱膨脹系數(shù)及良好的電絕緣性能。例如，在Al2O3 陶瓷中增添了 AlN 陶瓷的預(yù)氧化過(guò)程。此外，陶瓷基板制作中常采用在元素周期表中處于過(guò)渡區(qū)間的金屬元素如Ti、Zr、Hf等，這些元素是有很強(qiáng)的化學(xué)活性，對(duì)氧化物和硅酸鹽等有較大的親和力，能夠潤(rùn)濕原本化學(xué)惰性的陶瓷表面并與陶瓷表面的氧、碳、氮或硅發(fā)生化學(xué)鍵合，其在接合界面分別形成氧化物、碳化物、氮化物或硅化物反應(yīng)產(chǎn)物。從而在接頭表面形成一個(gè)反應(yīng)層，這為陶瓷表面增加了更高程度的金屬特性。
