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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(dǎo)體封裝市場(chǎng)？

11 2024-01-10
陶瓷基板
陶瓷與金屬的連接件廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體封裝、IGBT模塊、新能源汽車和電子電氣等領(lǐng)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(guó)內(nèi)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(shù)如下：

Al2O3、AlN 和 Si3N4 陶瓷基板性能參數(shù)


Al2O3、AlN 和 Si3N4 陶瓷基板性能參數(shù)

對(duì)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(chǎn)中較為廣泛使用的是 AMB工藝。DBC工藝與AMB工藝參數(shù)對(duì)比如下：
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陶瓷與金屬封接，最大難點(diǎn)是陶瓷和金屬的熱膨脹系數(shù)相差較大，使得連接完成后的封接界面處會(huì)產(chǎn)生較大殘余應(yīng)力，這不僅會(huì)降低接頭強(qiáng)度，也會(huì)影響金屬對(duì)陶瓷表面的潤(rùn)濕效果。

幾十年來，國(guó)內(nèi)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(guó)內(nèi)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(jié)金屬粉末法.

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

其核心思路是，當(dāng)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(zhuǎn)變?yōu)榻饘倥c金屬的封接，從而大幅降低工藝難度。

在燒結(jié)金屬粉末法工藝中，最大的問題是釬料無法潤(rùn)濕陶瓷表面，從而嚴(yán)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(xué)家們嘗試了各種探討和實(shí)驗(yàn)，總結(jié)出了預(yù)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(shí)現(xiàn)焊接。


燒結(jié)金屬粉末法封接示意圖


燒結(jié)金屬粉末法封接示意圖

目前，氧化鋁陶瓷是國(guó)內(nèi)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(jī)械性能，制造成本也較為低廉。Al2O3 根據(jù)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(jì)70年代，是基于Al2O3 陶瓷基板的一種金屬化技術(shù)，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(rùn)濕Al2O3 陶瓷和Cu，當(dāng)加熱溫度高于共晶溫度且低于Cu熔化溫度時(shí)，液相中Cu2O與Al2O3發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在銅與陶瓷之間形成一層很薄的過渡層，實(shí)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(guān)鍵材料，目前，已廣泛用于混合動(dòng)力模塊，激光二極管和聚焦型光伏封裝，在高頻應(yīng)用方面也體現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用價(jià)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(dǎo)熱性，其介電常數(shù)低、具有優(yōu)良 的電絕緣性且熱膨脹率與硅相近，其廣泛應(yīng)用在 新型的半導(dǎo)體封裝材料。

在工藝過程中，由于AlN陶瓷與Cu的潤(rùn)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(dǎo)致兩者之間產(chǎn)生了張應(yīng)力，同時(shí)氧化鋁層與所封接的銅之間的熱膨脹系數(shù)差異更大，Cu必將對(duì)氧化層產(chǎn)生壓應(yīng)力。兩種應(yīng)力相互補(bǔ)償?shù)窒?，反而使得氧化層與瓷體的強(qiáng)度增大， 對(duì)鍵合強(qiáng)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(jié)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(xué)反應(yīng)在陶瓷表面形成反應(yīng)層，以此提高釬料在陶瓷表面的潤(rùn)濕性，從而進(jìn)行陶瓷與金屬間的化學(xué)接合。因其整個(gè)工藝過程可在一次升溫中完成，操作簡(jiǎn)單、時(shí)間周期短、封接性能好并且對(duì)陶瓷的適用范圍廣，目前已經(jīng)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(jié)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(chǎn)中廣泛采用 AMB 工藝。其中，氮化硅具有優(yōu)異的機(jī)械性能(高彎曲強(qiáng)度， 高斷裂韌性)以及熱膨脹系數(shù)小、摩擦系數(shù)小等諸 多優(yōu)異性能，是綜合性能最好的結(jié)構(gòu)陶瓷材料。氮化鋁具有高熱導(dǎo)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(guó)內(nèi)外陶瓷基板領(lǐng)域重點(diǎn)研究方向之一。

機(jī)械連接.

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機(jī)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(jiǎn)單且接頭可進(jìn)行拆卸， 但是其接頭處無氣密性等，無法很好地應(yīng)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(shí)較大膨脹，冷卻時(shí)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(kuò)散連接.

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固相擴(kuò)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(kuò)散，再通過原子間的擴(kuò)散或化學(xué)反應(yīng)形成反應(yīng)層，從而實(shí)現(xiàn)連接。

固相擴(kuò)散連接的優(yōu)點(diǎn)是接頭強(qiáng)度高，彈性變形量小，對(duì)材料種類沒有限制。但其所需要的連接溫度較高，連接時(shí)間也相對(duì)較長(zhǎng)；并且因其通常是在真空下進(jìn)行，這就需要借助昂貴的真空設(shè)備來完成工藝，因此，導(dǎo)致了工藝成本高、試件尺寸易受限制。

目前，國(guó)內(nèi)在應(yīng)用HIP擴(kuò)散焊接方面取得許多進(jìn)步，其產(chǎn)品應(yīng)用在航空 航天、電力電子和新能源等各大領(lǐng)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(yīng)所放出的 熱為高溫?zé)嵩?，?SHS 產(chǎn)物為焊料，實(shí)現(xiàn)材料的連接。此方法能耗低、生產(chǎn)效率高， 但由于反應(yīng)速度極快，焊料燃燒時(shí)間不易控制， 導(dǎo)致界面反應(yīng)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(diǎn)和局限性，甚至有些方法還處于實(shí)驗(yàn)研究階段，一時(shí)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(shù)， 其產(chǎn)品性能穩(wěn)定、工藝可靠性高、生產(chǎn)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(duì)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(gè)重點(diǎn)研究方向。




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