視頻：一種陶瓷金屬化工藝介紹

陶瓷金屬化

陶瓷和金屬是最古老的兩類有用材料，陶瓷材料具有耐高溫、高強(qiáng)度、高硬度、耐磨損、耐腐蝕、電絕緣強(qiáng)度高等特性，而金屬材料具有優(yōu)良的延展性、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性，它們各自的廣泛用途在這里就不多贅述了。那么，將陶瓷材料與金屬材料結(jié)合起來(lái)，就能在性能上形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。

陶瓷金屬化是在陶瓷表面牢固地粘附一層金屬薄膜，使之實(shí)現(xiàn)陶瓷和金屬間的焊接，現(xiàn)有鉬錳法、鍍金法、鍍銅法、鍍錫法、鍍鎳法、LAP法（激光后金屬鍍）等多種陶瓷金屬化工藝。

陶瓷金屬化產(chǎn)品的陶瓷材料有：96白色氧化鋁陶瓷、93黑色氧化鋁陶瓷、氮化鋁陶瓷、氮化硅陶瓷等。由于陶瓷材料表面結(jié)構(gòu)與金屬材料表面結(jié)構(gòu)不同，焊接往往不能潤(rùn)濕陶瓷表面，也不能與之作用而形成牢固的黏結(jié)，因而陶瓷與金屬的封接是一種特殊的工藝方法，即金屬化的方法：先在陶瓷表面牢固的黏附一層金屬薄膜，從而實(shí)現(xiàn)陶瓷與金屬的焊接。另外，用特制的玻璃焊料可直接實(shí)現(xiàn)陶瓷與金屬的焊接。

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，因此，具有高強(qiáng)度、高氣密性的陶瓷與金屬的封接工藝至關(guān)重要。目前常用的陶瓷及其表面金屬化:

1.BeO陶瓷

BeO陶瓷最經(jīng)常使用的金屬化方式是鉬錳法。該方法是將純金屬粉末（Mo、Mn）與金屬氧化物組成的膏狀混合物涂于陶瓷表面，再在爐中高溫加熱，形成金屬層。在Mo粉中加入10%~25% Mn是為了改善金屬鍍層與陶瓷的結(jié)合。

2.Al2O3陶瓷

Al2O3陶瓷最主要的金屬化方法是直接敷銅法（Direct Bonded Copper method，DBC），其主要特點(diǎn)是在金屬化過(guò)程中，不需要額外加入其他物質(zhì)即可實(shí)現(xiàn)銅箔和Al2O3陶瓷的直接連接。過(guò)程如下：首先將處理完畢的銅箔覆蓋在Al2O3陶瓷表面，通入一定含氧量的惰性氣體，然后進(jìn)行升溫，在此過(guò)程中銅表面會(huì)被氧化，當(dāng)溫度到達(dá)共晶液相存在區(qū)間后，Al2O3陶瓷和銅彼此間就會(huì)產(chǎn)生共晶液相，該液相同時(shí)潤(rùn)濕Al2O3陶瓷和銅，完成初步的連接，隨后在冷卻的過(guò)程中，共晶液相析出Cu和Cu2O，存在于連接界面處，實(shí)現(xiàn)緊密的連接。

3.AlN陶瓷

目前使用的方法主要是直接敷銅法（DBC）和活性金屬化釬焊法（Active Metal Brazing，AMB）。

AlN陶瓷的直接覆銅法與Al2O3陶瓷類似，但又有所不同。這是由于AlN是非氧化物陶瓷，共晶液相在它表面的鋪展效果很差，無(wú)法直接進(jìn)行鍵合，需要將其在1200 ℃左右進(jìn)行預(yù)氧化處理，氧化完成后，在AlN陶瓷表面會(huì)生成約1-2 μm的氧化鋁層。將預(yù)氧化后的AlN陶瓷和銅在共晶液相存在的溫度區(qū)間進(jìn)行連接，完成AlN覆銅板的制備。

另一種常用的方式是AMB，是通過(guò)活性金屬釬料將AlN陶瓷和銅箔進(jìn)行連接，最常用的金屬釬料為 Ag-Cu-Ti體系。金屬釬料中Ti為活性金屬，在釬料中的質(zhì)量占比約為1-5%，Cu的質(zhì)量占比約為28%，Ag的質(zhì)量占比約為67-71%。通過(guò)活性金屬釬焊的方式實(shí)現(xiàn)AlN陶瓷和銅箔之間的連接，存在的問(wèn)題是形成的結(jié)構(gòu)內(nèi)部會(huì)留下較多的內(nèi)應(yīng)力，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中容易存在可靠性問(wèn)題。因此，在金屬釬料成分設(shè)計(jì)過(guò)程中，除了Ag、Cu、Ti金屬顆粒之外，還需要添加一些可以降低熱失配的填充物。目前，常用作填充物的物質(zhì)主要包括SiC、Mo、TiN、Si3N4、Al2O3等。

4.Si3N4陶瓷

Si3N4陶瓷的表面金屬化不能使用直接覆銅法的原因是Si3N4陶瓷無(wú)法像AlN陶瓷一樣，直接在陶瓷表面生成氧化層。Si3N4陶瓷一般的通過(guò)活性金屬釬焊（AMB）的方式將Si3N4陶瓷和銅進(jìn)行連接的。與AlN一樣，Si3N4也是一種氮化物，可以和一些活性金屬（Ti、Cr、V）發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在界面層生成連續(xù)的氮化物，從而實(shí)現(xiàn)Si3N4陶瓷和金屬釬料之間的連接。最常用的金屬釬料是 Ag-Cu-Ti 體系，但這些釬料的液相線低于1200 K，釬料的抗氧化性能很差，釬焊連接后的使用溫度不宜高于755 K。

陶瓷金屬化的應(yīng)用

1.電力電子領(lǐng)域? 真空開(kāi)關(guān)管（陶瓷真空滅弧室）是氧化鋁陶瓷經(jīng)金屬化后與銅封接成一體，是一種新型高性能中高壓電力開(kāi)關(guān)的核心部件，其主要作用是，通過(guò)管內(nèi)真空優(yōu)良的絕緣性使中高壓電路切斷電源后能迅速熄弧并抑制電流，從而達(dá)到安全開(kāi)斷電路和控制電網(wǎng)的作用，避免事故和意外的發(fā)生。

2.微波射頻與微波通訊? 在射頻/微波領(lǐng)域，氮化鋁陶瓷基板具有其它基板所不具備的優(yōu)勢(shì)：介電常數(shù)小且介電損耗低、絕緣且耐腐蝕、可進(jìn)行高密度組裝。其覆銅基板可應(yīng)用于射頻衰減器、功率負(fù)載、工分器、耦合器等無(wú)源器件、通信基站(5G)、光通信用熱沉、高功率無(wú)線通訊、芯片電阻等領(lǐng)域。

3.LED封裝? 對(duì)于現(xiàn)有的LED光效水平而言，由于輸入電能的80-85%左右轉(zhuǎn)變成熱量，且LED芯片面積小，工作電流大，造成芯片工作的溫度高，因此芯片散熱是LED封裝必須解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

4.IGBT領(lǐng)域? 絕緣柵雙極晶體管（簡(jiǎn)稱IGBT）以輸入阻抗高、開(kāi)關(guān)速度快、通態(tài)電壓低、阻斷電壓高、承受電流大等特點(diǎn)，成為當(dāng)今功率半導(dǎo)體器件發(fā)展主流。

 

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