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6種常見的陶瓷與金屬的連接方法，誰能稱霸半導體封裝市場？

11 2024-01-10
陶瓷基板
陶瓷與金屬的連接件廣泛應用于半導體封裝、IGBT模塊、新能源汽車和電子電氣等領域。

因陶瓷材料的種類不同，選擇的金屬封接方式也有所差異。目前 ， 國內常見的陶瓷基板材料有Al2O3、AlN 和Si3N4，三種基板的重要性能參數如下：

Al2O3、AlN 和 Si3N4 陶瓷基板性能參數


Al2O3、AlN 和 Si3N4 陶瓷基板性能參數

對于Al2O3陶瓷基板主要采用直接覆銅工藝，AlN陶瓷基板可采用DBC或AMB工藝，Si3N4 陶瓷基板在生產中較為廣泛使用的是 AMB工藝。DBC工藝與AMB工藝參數對比如下：
圖片
陶瓷與金屬封接，最大難點是陶瓷和金屬的熱膨脹系數相差較大，使得連接完成后的封接界面處會產生較大殘余應力，這不僅會降低接頭強度，也會影響金屬對陶瓷表面的潤濕效果。

幾十年來，國內外先后在陶瓷與金屬的連接工藝上做了許多探索。本文，將主要介紹目前國內外主要采用，且具代表性的幾種陶瓷與金屬的連接方法。

燒結金屬粉末法.

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燒結金屬粉末法是指在特定的溫度和氣氛中，先將陶瓷表面進行金屬化處理使得瓷件帶有金屬性質，再用熔點比母材低的釬料將金屬化后的瓷件與金屬進行連接的一種方法。

其核心思路是，當瓷件表面完成了金屬化處理后，陶瓷與金屬的封接就可以轉變?yōu)榻饘倥c金屬的封接，從而大幅降低工藝難度。

在燒結金屬粉末法工藝中，最大的問題是釬料無法潤濕陶瓷表面，從而嚴重阻礙了后續(xù)的金屬與陶瓷的封接過程。近幾十年來，科學家們嘗試了各種探討和實驗，總結出了預金屬化采取活化Mo-Mn 法、二次金屬化采取鍍 Ni 處理、釬焊工藝中的釬料采用 Ag72Cu28釬料，在 800 ℃左右溫度 下并施加一定的壓力，于真空或氫氣氣氛中即可 實現(xiàn)焊接。


燒結金屬粉末法封接示意圖


燒結金屬粉末法封接示意圖

目前，氧化鋁陶瓷是國內外陶瓷與金屬封接中使用最為成熟的一種陶瓷材料，因其具有優(yōu)異的熱、電和機械性能，制造成本也較為低廉。Al2O3 根據主要成分的占比可分為90瓷、95瓷和99瓷等。氧化鋁陶瓷與金屬的封接中較多采用的是 95 瓷 陶瓷材料。 

陶瓷基板直接覆銅法（DBC）.

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陶瓷基板直接覆銅法（DBC）最早出現(xiàn)在20世紀70年代，是基于Al2O3 陶瓷基板的一種金屬化技術，具體過程是將其與無氧銅置于高溫和一定的氧分壓條件下，使Cu表面氧化生成一層Cu2O共晶液相薄層，潤濕Al2O3 陶瓷和Cu，當加熱溫度高于共晶溫度且低于Cu熔化溫度時，液相中Cu2O與Al2O3發(fā)生化學反應，在銅與陶瓷之間形成一層很薄的過渡層，實現(xiàn)金屬與陶瓷的連接。


Al2O3陶瓷基板DBC工藝流程圖


Al2O3陶瓷基板DBC工藝流程圖

目前，覆銅陶瓷基板能像PCB線路板一樣刻蝕出各種圖形，是率模塊封裝中連接芯片和散熱襯底的關鍵材料，目前，已廣泛用于混合動力模塊，激光二極管和聚焦型光伏封裝，在高頻應用方面也體現(xiàn)出了巨大的應用價值。 

AlN陶瓷基板敷銅是基于DBC工藝發(fā)展起來的。氮化鋁陶瓷基板覆銅具有氧化鋁陶瓷基板覆 銅約 6-8 倍的高導熱性，其介電常數低、具有優(yōu)良 的電絕緣性且熱膨脹率與硅相近，其廣泛應用在 新型的半導體封裝材料。

在工藝過程中，由于AlN陶瓷與Cu的潤濕性極差，氮化鋁陶瓷基板和氧化鋁表面層熱膨脹性不匹配導致兩者之間產生了張應力，同時氧化鋁層與所封接的銅之間的熱膨脹系數差異更大，Cu必將對氧化層產生壓應力。兩種應力相互補償抵消，反而使得氧化層與瓷體的強度增大， 對鍵合強度起到積極作用。
AlN陶瓷基板陶瓷基板DBC工藝流程圖
AlN陶瓷基板陶瓷基板DBC工藝流程圖

活性金屬釬焊法  （AMB）.

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活性金屬釬焊法(Active Metal Brazing, AMB)比燒結金屬粉末法發(fā)展約晚10年，它是在釬料中加入活性元素，通過化學反應在陶瓷表面形成反應層，以此提高釬料在陶瓷表面的潤濕性，從而進行陶瓷與金屬間的化學接合。因其整個工藝過程可在一次升溫中完成，操作簡單、時間周期短、封接性能好并且對陶瓷的適用范圍廣，目前已經成為了電子器件中常用的一種方法。

AMB工藝中主要涉及了活性層的覆蓋、釬料層的覆蓋及封接燒結過程。具體工藝流程如下圖所示：
Si3N4/AlN基板AMB工藝流程圖
Si3N4/AlN基板AMB工藝流程圖

目前，Si3N4 和 AlN 等非氧化物陶瓷基板覆銅在生產中廣泛采用 AMB 工藝。其中，氮化硅具有優(yōu)異的機械性能(高彎曲強度， 高斷裂韌性)以及熱膨脹系數小、摩擦系數小等諸 多優(yōu)異性能，是綜合性能最好的結構陶瓷材料。氮化鋁具有高熱導率使其成為理想的基板材料和高可靠性的電力電子模塊，是近年來國內外陶瓷基板領域重點研究方向之一。

機械連接.

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機械連接是一種古老的連接方法，常見的有栓接和熱套等。栓接方法簡單且接頭可進行拆卸， 但是其接頭處無氣密性等，無法很好地應用在精密器件中。熱套則是利用陶瓷與金屬的熱膨脹性能的差異形成的組合，即金屬加熱時較大膨脹，冷卻時收縮，金屬的收縮大于陶瓷。 
陶瓷與金屬熱套鏈接的陶瓷缸套
陶瓷與金屬熱套鏈接的陶瓷缸套

固相擴散連接.

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固相擴散連接是將材料置于惰性氣氛或真空環(huán)境中，通過高溫和壓力的作用，首先使待接面局部發(fā)生塑性變形，促使氧化膜破碎分解，促使原子擴散，再通過原子間的擴散或化學反應形成反應層，從而實現(xiàn)連接。

固相擴散連接的優(yōu)點是接頭強度高，彈性變形量小，對材料種類沒有限制。但其所需要的連接溫度較高，連接時間也相對較長；并且因其通常是在真空下進行，這就需要借助昂貴的真空設備來完成工藝，因此，導致了工藝成本高、試件尺寸易受限制。

目前，國內在應用HIP擴散焊接方面取得許多進步，其產品應用在航空 航天、電力電子和新能源等各大領域。

自蔓延連接.

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自 蔓 延 高 溫 合 成 (Self-propagating Hightemperature Synthesis Joining, SHS)是一種新材料合成工藝，其通過反應所放出的 熱為高溫熱源，以 SHS 產物為焊料，實現(xiàn)材料的連接。此方法能耗低、生產效率高， 但由于反應速度極快，焊料燃燒時間不易控制， 導致界面反應控制困難。

雖然陶瓷與金屬的連接方法較多，但是每種方法都有其自身的優(yōu)點和局限性，甚至有些方法還處于實驗研究階段，一時還難以大規(guī)模商用。

目前，陶瓷與金屬 連接較為廣泛采用的方法主要為釬焊連接技術， 其產品性能穩(wěn)定、工藝可靠性高、生產成本合理。

隨著電子元器件的功率及封裝集成度的不斷增大，對封裝散熱基板綜合性能的要求也隨之提高，高性能的陶瓷基板覆金屬箔必將是今后的一個重點研究方向。




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