金屬與陶瓷封接的關鍵性工藝技術

金屬的熱膨脹系數(shù)較大、陶瓷的熱膨脹系數(shù)小，要實現(xiàn)封裝有一定的難度，隨著技術的成熟，金屬和陶瓷封接的關鍵性技術成熟。應用也更加廣泛，今天小編就來分享一下是什么關鍵詞技術實現(xiàn)陶瓷與金屬的封接成功。

一，陶瓷與金屬連接器件的市場應用

陶瓷與金屬的連接件在新能源汽車、電子電氣、半導體封裝和IGBT模塊等領域有著廣泛的應用，其產(chǎn)品主要有陶瓷結構件和陶瓷基板，因市場需求的增大和新材料的不斷涌現(xiàn)，諸如陶瓷繼電器、陶瓷密封連接器、陶瓷基板等系列產(chǎn)品大規(guī)模實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，因此，具有高強度、高氣密性、高可靠性的陶瓷與金屬的封接工藝至關重要。

二，陶瓷與金屬封接離不開金屬化

高導熱陶瓷基板的應用離不開金屬化，在國際上，以德國賀利氏(Heraeus)集團公司為主生產(chǎn)高性能的DCB-Al2O3（直接鍵合銅的Al2O3陶瓷基板）和AMB-Si3N4（活性金屬釬焊工藝的Si3N4陶瓷基板）、日本京瓷(Kyocera)作為世界500強企業(yè)和全球最大的高技術陶瓷公司，代表產(chǎn)品有大功率的LED用陶瓷封裝殼等，這些都離不開陶瓷與金屬的封接。

三，陶瓷與金屬封接的技術難點

1、陶瓷的線膨脹系數(shù)小，而金屬的線膨脹系數(shù)相對很大，導致接縫開裂。一般要很好處理金屬中間層的熱應力問題。

2、陶瓷本身的熱導率低，耐熱沖擊能力弱。焊接時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、大部分陶瓷導電性差，甚至不導電，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。需對陶瓷金屬化處理或進行活性釬料釬焊。

5、由于陶瓷材料多為共價晶體，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，間接擴散法進行焊接。

6、陶瓷與金屬焊接的結構設計與普通焊接有所區(qū)別，通常分為平封結構、套封結構、針封結構和對封結構，其中套封結構效果最好，這些接頭結構制作要求都很高。

      金屬與陶瓷封接的條件要求：

良好的陶瓷與金屬封接，其封接處應滿足如下要求： 

1．具有良好的真空氣密性，印使在高溫時也不應喪失；

2．具有一定的機械強度；

3．在長時間高于工作溫度的條件下，其電氣性能與機械性能應保持不變；

4．能承受住急劇的溫度變化；

5．工藝簡單，適于成批生產(chǎn)；

6．封接處尺寸的公差應很小。

三，陶瓷金屬化機理和工藝流程

1，陶瓷金屬化機理

陶瓷金屬化的機理較為復雜，涉及到幾種化學和物理反應、物質的塑性流動、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在不同燒結階段中發(fā)生不同的化學反應和物質擴散遷移。隨溫度的升高，各物質發(fā)生反應形成中間化合物，達到共同的熔點時形成液相，液態(tài)的玻璃相有一定的粘性，同時產(chǎn)生塑性流動，之后顆粒在毛細管的作用下發(fā)生重排，在表面能的驅動下原子或分子發(fā)生擴散遷移，晶粒長大，氣孔逐漸縮小并且消失，達到金屬化層的致密化。

2，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≤1.6m，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(wǎng)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，陶瓷與金屬封接關鍵技術5大關鍵技術

l  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(tǒng)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(tǒng)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。

活化Mo-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(fā)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(fā)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(guī)模生產(chǎn)，與鉬-錳工藝相比，這種方法相對簡單經(jīng)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(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(fā)生反應生成CuAlO2或Cu(AlO2)2，并在中間相的作用下實現(xiàn)銅箔與基體的鍵合。

5、磁控濺射法（DPC）

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(yōu)于其他沉積技術的優(yōu)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)。

l 陶瓷金屬化的影響因素

1、金屬化配方

這是實現(xiàn)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溫時間。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?shù)臒Y溫度是必須的，溫度過低會造成玻璃相沒有產(chǎn)生擴散遷移，過高則金屬化強度比較差，金屬化層很容易從陶瓷上脫落造成封接的失效。

3、金屬化層顯微結構

金屬化工藝決定金屬化層的顯微結構，顯微結構又直接影響焊接體的最終性能。想要獲得良好的焊接性能，首先金屬化層應為高結合強度的致密薄膜。若金屬化層的顯微結構中各區(qū)域層次分明，且任一界面處都沒有觀察到連續(xù)的脆性金屬化合物，就會減少脆性和裂紋擴展的幾率，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，結合強度相對較高。

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配的影響，粉末過細，表面能大，易形成團聚，這會影響涂層的平整性；粉末過粗，表面能降低，導致燒結溫度提高，影響燒結質量。此外，還有涂覆方式以及涂覆的厚度等對陶瓷金屬化也會有很大影響。

     以上是關于金屬和陶瓷封接關鍵性介紹，相信您對陶瓷金屬化工藝有了更加深刻的認知，具體使用哪種工藝制作一方面需要根據(jù)客戶的定制要求去加工，更多關于陶瓷金屬化工藝的問題可以咨詢金瑞欣特種電路，金瑞欣陶瓷基板加工三年專項經(jīng)驗，十年多PCB行業(yè)經(jīng)驗，精通陶瓷基板金屬化工藝，歡迎咨詢。