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    陶瓷與金屬化的“邂逅”
    陶瓷,通常被稱為無機非金屬材料,可以看出人們直接將陶瓷定位在金屬的反面,畢竟它們的性能差異很大。但是它們各自的優勢太突出了,所以在很多情況下,需要將陶瓷和金屬結合起來才能顯示出各自的優勢,從而誕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話題,國內外學者對此進行了深入的研究。特別是隨著5G時代的到來,半導體芯片的功率越來越大,輕量化、高集成度的發展趨勢越來越明顯,散熱的重要性也越來越突出,這無疑對封裝散熱材料提出了更嚴格的要求。在電力電子元件的封裝結構中,封裝基板作為承上啟下、保持內外電路導通的關鍵環節,具有散熱和機械支撐的功能。陶瓷作為一種新型的電子散熱封裝材料,具有與芯片匹配的高導熱、絕緣、耐熱、強度和熱膨脹系數,是電力電子元器件的理想封裝材料。
     
    陶瓷在電路中使用時,必須先金屬化,即在陶瓷表面涂上一層與陶瓷結合牢固、不易熔化的金屬薄膜,使其導電,然后通過焊接技術與金屬引線或其他金屬導電層連接成一體。

    金屬化是陶瓷-金屬封接工藝中最重要的一步,影響最終的封接效果。


    一:陶瓷與金屬焊接的難點
    1、陶瓷的線膨脹系數較小,而金屬的線膨脹系數相對較大,導致接頭開裂。一般要處理好金屬夾層的熱應力。
    2、陶瓷導熱系數低,抗熱震性弱。焊接時,盡量減小焊接位置及其周圍的溫度梯度,控制焊后冷卻速度。
    3、大多數陶瓷的導電性很差,甚至沒有導電性,因此很難使用電焊。因為陶瓷材料具有穩定的電子配位,不可能將金屬和陶瓷連接起來。需要陶瓷金屬化或活性焊料釬焊。
    4、由于陶瓷材料多為共價晶體,不易變形,經常發生脆性斷裂。目前,中間層多用于降低焊接溫度,焊接采用間接擴散法。
    5、陶瓷-金屬焊接的結構設計不同于普通焊接,通常分為平密封結構、套筒密封結構、針密封結構和相對密封結構,其中套筒密封結構效果最好,這些接頭結構制造要求高。
     

    二:陶瓷金屬化處理
    陶瓷金屬化的機理是復雜的,涉及到幾種化學和物理反應、物質的塑性流動、粒子重排等。金屬化層中的氧化物、非金屬氧化物等各種物質在不同的燒結階段經歷不同的化學反應和擴散遷移。隨著溫度的升高,所有物質反應生成中間化合物,達到共同熔點時,形成液相。液態玻璃具有一定的粘度,同時產生塑性流動。之后粒子在毛細作用下重新排列,原子或分子在表面能的驅動下擴散遷移。晶粒長大,孔隙逐漸縮小消失,從而實現金屬化層的致密化。
     

    三: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。 


    四: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?;罨疢o-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模生產,與鉬-錳工藝相比,這種方法相對簡單經濟。
    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,且不適于連續生產,僅適合大件、單件生產或小批量生產。
    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生反應生成CuAlO2或Cu(AlO2)2,并在中間相的作用下實現銅箔與基體的鍵合。
    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,具有優于其他沉積技術的優點,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)。
     
     
    五:陶瓷金屬化的影響因素
    1、金屬化配方
    這是實現陶瓷金屬化的前提,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持時間。金屬化溫度可分為以下四個過程:1600℃以上超高溫,1450~1600℃高溫,1300~1450℃中溫,1300℃以下低溫。適當的燒結溫度是必要的。如果溫度太低,玻璃相不會擴散和遷移。溫度過高,金屬化強度差,金屬化層容易從陶瓷上脫落,導致密封失效。
    3、金屬化層顯微結構
    金屬化工藝決定了金屬化層的顯微組織,顯微組織直接影響焊接體的最終性能。為了獲得良好的焊接性能,金屬化層應該是具有高結合強度的致密膜。如果金屬化層的微觀結構中的每個區域都是不同的,并且在任何界面上都沒有觀察到連續的脆性金屬化合物,則脆性和裂紋擴展的概率將會降低,并且界面緊密,裂紋很少,這有利于減少焊料滲透,表明金屬化層具有良好的致密性和相對較高的結合強度。
    4、其他因素
    影響陶瓷金屬化程度的因素也很多,比如粉末粒度和合理級配的影響,粉末過細,表面能大,容易形成團聚,會影響涂層的平整度;如果粉末過粗,表面能降低,導致燒結溫度升高,影響燒結質量。此外,涂層方法和涂層厚度對陶瓷金屬化有很大影響。
     
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