陶瓷“遇見”金屬化產(chǎn)生”化學(xué)反應(yīng)“

陶瓷，常被稱作無機(jī)非金屬材料，可見人們直接將陶瓷定位到了金屬的對(duì)立面，畢竟兩者的性能有著天壤之別。但兩者各自的優(yōu)勢(shì)又實(shí)在太突出，所以很多情況下又需要陶瓷和金屬結(jié)合起來，各顯所長(zhǎng)，于是就催生了一項(xiàng)非常重要的技術(shù)—陶瓷金屬化技術(shù)。多年來，陶瓷金屬化一直是一個(gè)熱門的課題，國內(nèi)外學(xué)者都對(duì)其展開了深入的研究。

尤其是隨著5G時(shí)代的到來，半導(dǎo)體芯片功率不斷增加，輕型化和高集成度的發(fā)展趨勢(shì)日益明顯，散熱問題的重要性也越來越突出，這無疑對(duì)封裝散熱材料提出了更為嚴(yán)苛的要求。在功率型電子元器件的封裝結(jié)構(gòu)中，封裝基板作為承上啟下、保持內(nèi)外電路導(dǎo)通的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，兼有散熱和機(jī)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(dǎo)熱性、絕緣性、耐熱性、強(qiáng)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(duì)其金屬化，即在陶瓷表面敷一層與陶瓷粘結(jié)牢固而又不易被熔化的金屬薄膜，使其導(dǎo)電，隨后用焊接工藝與金屬引線或其他金屬導(dǎo)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(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)致接縫開裂。一般要很好處理金屬中間層的熱應(yīng)力問題。

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)、針封結(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。

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。

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壓燒結(jié)的陶瓷拋至光學(xué)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(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。

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

磁控濺射法是物理氣相沉積的一種，是通過磁控技術(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)。

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，溫度過低會(huì)造成玻璃相沒有產(chǎn)生擴(kuò)散遷移，過高則金屬化強(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。

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(shì)

[2]馬元遠(yuǎn)，王德苗，任高潮.氧化鋁陶瓷金屬化技術(shù)的研究進(jìn)展

[3]王玲等.陶瓷金屬化的方法、機(jī)理及影響因素的研究進(jìn)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(shì)