陶瓷“遇見”金屬化產生”化學反應“

陶瓷，常被稱作無機非金屬材料，可見人們直接將陶瓷定位到了金屬的對立面，畢竟兩者的性能有著天壤之別。但兩者各自的優勢又實在太突出，所以很多情況下又需要陶瓷和金屬結合起來，各顯所長，于是就催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的課題，國內外學者都對其展開了深入的研究。

尤其是隨著5G時代的到來，半導體芯片功率不斷增加，輕型化和高集成度的發展趨勢日益明顯，散熱問題的重要性也越來越突出，這無疑對封裝散熱材料提出了更為嚴苛的要求。在功率型電子元器件的封裝結構中，封裝基板作為承上啟下、保持內外電路導通的關鍵環節，兼有散熱和機械支撐等功能。陶瓷作為新興的電子散熱封裝材料，具備較高的導熱性、絕緣性、耐熱性、強度以及與芯片匹配的熱膨脹系數，是功率型電子元器件理想的封裝散熱材料。

陶瓷用于電路中，必須首先對其金屬化，即在陶瓷表面敷一層與陶瓷粘結牢固而又不易被熔化的金屬薄膜，使其導電，隨后用焊接工藝與金屬引線或其他金屬導電層相連接而成為一體。

陶瓷-金屬封接工藝中最重要的一步就是金屬化，它的好壞影響最終的封接效果。

陶瓷與金屬焊接的難點

1、陶瓷的線膨脹系數小，而金屬的線膨脹系數相對很大，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，不易產生變形，經常發生脆性斷裂。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。

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，各物質發生反應形成中間化合物，達到共同的熔點時形成液相，液態的玻璃相有一定的粘性，同時產生塑性流動，之后顆粒在毛細管的作用下發生重排，在表面能的驅動下原子或分子發生擴散遷移，晶粒長大，氣孔逐漸縮小并且消失，達到金屬化層的致密化。

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。

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。

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)。

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。適當的燒結溫度是必須的，溫度過低會造成玻璃相沒有產生擴散遷移，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域層次分明，且任一界面處都沒有觀察到連續的脆性金屬化合物，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。

參考來源：

[1]秦典成，李保忠，肖永龍.陶瓷金屬化研究現狀及發展趨勢

[2]馬元遠，王德苗，任高潮.氧化鋁陶瓷金屬化技術的研究進展

[3]王玲等.陶瓷金屬化的方法、機理及影響因素的研究進展

[4]秦典成等.陶瓷基板表面金屬化研究現狀與發展趨勢