陶瓷金屬化介紹

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、高強度、高硬度、耐磨損、耐腐蝕、電絕緣強度高等特性，而金屬材料具有優良的延展性、導電性、導熱性，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合起來，就能在性能上形成優勢互補。

陶瓷金屬化是在陶瓷表面牢固地粘附一層金屬薄膜，使之實現陶瓷和金屬間的焊接，現有鉬錳法、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構與金屬材料表面結構不同，焊接往往不能潤濕陶瓷表面，也不能與之作用而形成牢固的黏結，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，從而實現陶瓷與金屬的焊接。另外，用特制的玻璃焊料可直接實現陶瓷與金屬的焊接。

陶瓷與金屬的連接件在新能源汽車、電子電氣、半導體封裝和IGBT模塊等領域有著廣泛的應用，因此，具有高強度、高氣密性的陶瓷與金屬的封接工藝至關重要。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），其主要特點是在金屬化過程中，不需要額外加入其他物質即可實現銅箔和Al2O3陶瓷的直接連接。過程如下：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，然后進行升溫，在此過程中銅表面會被氧化，當溫度到達共晶液相存在區間后，Al2O3陶瓷和銅彼此間就會產生共晶液相，該液相同時潤濕Al2O3陶瓷和銅，完成初步的連接，隨后在冷卻的過程中，共晶液相析出Cu和Cu2O，存在于連接界面處，實現緊密的連接。

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，無法直接進行鍵合，需要將其在1200 ℃左右進行預氧化處理，氧化完成后，在AlN陶瓷表面會生成約1-2 μm的氧化鋁層。將預氧化后的AlN陶瓷和銅在共晶液相存在的溫度區間進行連接，完成AlN覆銅板的制備。

另一種常用的方式是AMB，是通過活性金屬釬料將AlN陶瓷和銅箔進行連接，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，在釬料中的質量占比約為1-5%，Cu的質量占比約為28%，Ag的質量占比約為67-71%。通過活性金屬釬焊的方式實現AlN陶瓷和銅箔之間的連接，存在的問題是形成的結構內部會留下較多的內應力，在實際應用過程中容易存在可靠性問題。因此，在金屬釬料成分設計過程中，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陶瓷一般的通過活性金屬釬焊（AMB）的方式將Si3N4陶瓷和銅進行連接的。與AlN一樣，Si3N4也是一種氮化物，可以和一些活性金屬（Ti、Cr、V）發生化學反應，在界面層生成連續的氮化物，從而實現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。

陶瓷金屬化的應用

1.電力電子領域? 真空開關管（陶瓷真空滅弧室）是氧化鋁陶瓷經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關的核心部件，其主要作用是，通過管內真空優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，從而達到安全開斷電路和控制電網的作用，避免事故和意外的發生。

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

3.LED封裝? 對于現有的LED光效水平而言，由于輸入電能的80-85%左右轉變成熱量，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封裝必須解決的關鍵問題。

4.IGBT領域? 絕緣柵雙極晶體管（簡稱IGBT）以輸入阻抗高、開關速度快、通態電壓低、阻斷電壓高、承受電流大等特點，成為當今功率半導體器件發展主流。

 

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