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什么技术让陶瓷与金属实现了“强强联合”

 陶瓷,常被称作无机非金属材料,可见人们直接将陶瓷定位到了金属的对立面,毕竟两者的性能有着天壤之别。但两者各自的优势又实在太突出,所以很多情况下又需要陶瓷和金属结合起来,各显所长,于是就催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的课题,国内外学者都对其展开了深入的研究。


尤其是随着5G时代的到来,半导体芯片功率不断增加,轻型化和高集成度的发展趋势日益明显,散热问题的重要性也越来越突出,这无疑对封装散热材料提出了更为严苛的要求。在功率型电子元器件的封装结构中,封装基板作为承上启下、保持内外电路导通的关键环节,兼有散热和机械支撑等功能。陶瓷作为新兴的电子散热封装材料,具备较高的导热性、绝缘性、耐热性、强度以及与芯片匹配的热膨胀系数,是功率型电子元器件理想的封装散热材料。


(图片来源于网络)


陶瓷用于电路中,必须首先对其金属化,即在陶瓷表面敷一层与陶瓷粘结牢固而又不易被熔化的金属薄膜,使其导电,随后用焊接工艺与金属引线或其他金属导电层相连接而成为一体。


陶瓷-金属封接工艺中最重要的一步就是金属化,它的好坏影响最终的封接效果。


陶瓷与金属焊接的难点


1、陶瓷的线膨胀系数小,而金属的线膨胀系数相对很大,导致接缝开裂。一般要很好处理金属中间层的热应力问题。


2、陶瓷本身的热导率低,耐热冲击能力弱。焊接时尽可能减小焊接部位及周围的温度梯度,焊后控制冷却速度。


3、大部分陶瓷导电性差,甚至不导电,很难用电焊的方法。


4、由于陶瓷材料具有稳定的电子配位,使得金属与陶瓷连接不太可能。需对陶瓷金属化处理或进行活性钎料钎焊。


5、由于陶瓷材料多为共价晶体,不易产生变形,经常发生脆性断裂。目前大多利用中间层降低焊接温度,间接扩散法进行焊接。


6、陶瓷与金属焊接的结构设计与普通焊接有所区别,通常分为平封结构、套封结构、针封结构和对封结构,其中套封结构效果最好,这些接头结构制作要求都很高。


陶瓷金属化机理


陶瓷金属化的机理较为复杂,涉及到几种化学和物理反应、物质的塑性流动、颗粒重排等。金属化层中的氧化物、非金属氧化物等各种物质在不同烧结阶段中发生不同的化学反应和物质扩散迁移。随温度的升高,各物质发生反应形成中间化合物,达到共同的熔点时形成液相,液态的玻璃相有一定的粘性,同时产生塑性流动,之后颗粒在毛细管的作用下发生重排,在表面能的驱动下原子或分子发生扩散迁移,晶粒长大,气孔逐渐缩小并且消失,达到金属化层的致密化。


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。


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)。


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温时间。金属化温度可分为以下四种工艺:温度超过1600℃以上的为特高温,1450~1600℃的为高温,1300~1450℃的属于中温,低于1300℃的则为低温。适当的烧结温度是必须的,温度过低会造成玻璃相没有产生扩散迁移,过高则金属化强度比较差,金属化层很容易从陶瓷上脱落造成封接的失效。


3、金属化层显微结构


金属化工艺决定金属化层的显微结构,显微结构又直接影响焊接体的最终性能。想要获得良好的焊接性能,首先金属化层应为高结合强度的致密薄膜。若金属化层的显微结构中各区域层次分明,且任一界面处都没有观察到连续的脆性金属化合物,就会减少脆性和裂纹扩展的几率,界面紧密裂纹少,有利于减少焊料渗透,则说明该金属化层致密性好,结合强度相对较高。


4、其他因素


还有很多影响陶瓷金属化程度的因素需要注意,如粉料粒度与合理级配的影响,粉末过细,表面能大,易形成团聚,这会影响涂层的平整性;粉末过粗,表面能降低,导致烧结温度提高,影响烧结质量。此外,还有涂覆方式以及涂覆的厚度等对陶瓷金属化也会有很大影响。


参考来源:

[1]秦典成,李保忠,肖永龙.陶瓷金属化研究现状及发展趋势

[2]马元远,王德苗,任高潮.氧化铝陶瓷金属化技术的研究进展

[3]王玲等.陶瓷金属化的方法、机理及影响因素的研究进展

[4]秦典成等.陶瓷基板表面金属化研究现状与发展趋势


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