陶瓷金屬化技術(shù)起源于20世紀(jì)初期的德國(guó),1935年德國(guó)西門(mén)子公司Vatter第一次采用陶瓷金屬化技術(shù)并將產(chǎn)品成功實(shí)際應(yīng)用到真空電子器件中,1956年Mo-Mn法誕生,此法廣泛適用于電子工業(yè)中的氧化鋁陶瓷與金屬連接。對(duì)于今天,大功率器件逐漸發(fā)展,陶瓷基板又因其優(yōu)良的性能成為當(dāng)今電子器件基板及封裝材料的主流,因此,實(shí)現(xiàn)陶瓷與金屬之間的可靠連接是推進(jìn)陶瓷材料應(yīng)用的關(guān)鍵。
目前常用陶瓷基板制作工藝有:(1)直接覆銅法、(2)活性金屬釬焊法、(3)直接電鍍法。
(1) 直接覆銅法
利用高溫熔融擴(kuò)散工藝將陶瓷基板與高純無(wú)氧銅覆接到一起,制成的基板叫DBC。常用的陶瓷材料有:氧化鋁、氮化鋁。所形成的金屬層導(dǎo)熱性好、機(jī)械性能優(yōu)良、絕緣性及熱循環(huán)能力高、附著強(qiáng)度高、便于刻蝕,大電流載流能力。
(2) 活性金屬釬焊法
通過(guò)在釬焊合金中加入活性元素如:Ti、Sc、Zr、Cr等,在熱和壓力的作用下將金屬與陶瓷連接起來(lái)。其中活性元素的作用是使陶瓷與金屬形成反應(yīng)產(chǎn)物,并提高潤(rùn)濕性、粘合性和附著性。制成的基板叫AMB板,常用的陶瓷材料有:氮化鋁、氮化硅。
(3) 直接電鍍法
通過(guò)在制備好通孔的陶瓷基片上,(利用激光對(duì)DPC基板切孔與通孔填銅后,可實(shí)現(xiàn)陶瓷基板上下表面的互聯(lián),從而滿足電子器件的三維封裝要求??讖揭话銥?0μm~120μm)利用磁控濺射技術(shù)在其表面沉積金屬層(一般為10μm~100μm),并通過(guò)研磨降低線路層表面粗糙度,制成的基板叫DPC,常用的陶瓷材料有氧化鋁、氮化鋁。該方法制備的陶瓷基板具有更好的平整度盒更強(qiáng)的結(jié)合力。
以上三種方法制備的陶瓷基板已在電力電子技術(shù)、工業(yè)、白色家電、新能源汽車(chē)等領(lǐng)域有所應(yīng)用,也是目前常用的陶瓷基板類(lèi)型。
其他陶瓷金屬化方法有:(1)機(jī)械連接法、(2)厚膜法、(3)激光活化金屬法;(4)化學(xué)鍍銅金屬化;(6)薄膜法。
(1)機(jī)械連接法是采取合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),將AlN基板與金屬連接在一起,主要有熱套連接和螺栓連接兩種。熱套連接是利用金屬與陶瓷兩種材料的熱膨脹系數(shù)存在較大差異和物質(zhì)的熱脹冷縮來(lái)實(shí)現(xiàn)連接的。機(jī)械連接法工藝簡(jiǎn)單,可行性好,但它常常會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中,不適用于高溫環(huán)境。
(2)厚膜法是讓金屬粉末在高溫還原性氣氛中,在陶瓷表面上燒結(jié)成金屬膜。主要有Mo-Mn金屬化法和貴金屬(Ag、Au、Pd、Pt)厚膜金屬化法。涂敷金屬可以用絲網(wǎng)印刷的方法,根據(jù)金屬漿料粘度和絲網(wǎng)網(wǎng)孔尺寸不同,制備的金屬線路層厚度一般為10μm-20μm該方法工藝簡(jiǎn)單,適于自動(dòng)化和多品種小批量生產(chǎn),且導(dǎo)電性能好,但結(jié)合強(qiáng)度不夠高,特別是高溫結(jié)合強(qiáng)度低,且受溫度形象大。
(3)激光活化金屬法是一種比較新穎的方法,首先利用沉降法在氮化鋁陶瓷基板表面快速覆金屬,并在室溫下通過(guò)激光掃描實(shí)現(xiàn)金屬在氮化鋁陶瓷基板表面金屬化。形成致密的金屬層,且金屬層在氮化鋁陶瓷表面粒度分布均勻。激光束是將部分能量傳遞給所鍍金屬和陶瓷基板,氮化鋁陶瓷基板與金屬層是通過(guò)一層熔融后形成的凝固態(tài)物質(zhì)緊密連接的,二者之間的傳質(zhì)方式是通過(guò)擴(kuò)散、濺射以及發(fā)生化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)的,這些反應(yīng)有利于金屬與陶瓷的結(jié)合。東北大學(xué)的郎小月[7]用該方法制備出了金屬鎢層氮化鋁陶瓷基板,其中金屬鎢與氮化鋁陶瓷基板的剪切強(qiáng)度最大能達(dá)到62.5MPa,金屬與陶瓷金屬化后整體的導(dǎo)熱率為114.37W/(m·K),為大功率電子器件散熱提供了廣闊的應(yīng)用前景。
(4)化學(xué)鍍銅金屬化是采用化學(xué)鍍液在表面形成金屬層的方法,該方法無(wú)需經(jīng)高溫處理,成本低,適應(yīng)于大規(guī)模生產(chǎn)。然而,結(jié)合強(qiáng)度不高,陶瓷本身對(duì)金屬的化學(xué)還原沒(méi)有催化活性,如不作預(yù)處理則不可能在陶瓷表面實(shí)現(xiàn)化學(xué)鍍,因此,需在化學(xué)鍍前進(jìn)行敏化和活化處理。張咪等人[9]采用化學(xué)鍍的方法在陶瓷表面制備了結(jié)合力良好,鍍層均勻,連續(xù)致密的Cu金屬層。
(5)薄膜法通常有真空蒸鍍法、熔鹽電解法、等離子濺射等,這類(lèi)工藝主要是使金屬以氣態(tài)形式沉積到陶瓷表面上而形成牢固的金屬化膜。其特點(diǎn)是形成的金屬膜較薄(<1μm)而無(wú)過(guò)渡層,且氣態(tài)沉積無(wú)需高溫,該方法可以鍍?nèi)魏谓饘僭谔沾苫迳铣赡?,從而?shí)現(xiàn)金屬化,薄膜金屬化法產(chǎn)生的金屬層均勻,與基板結(jié)合強(qiáng)度高,但設(shè)備投資大,難以形成工業(yè)化規(guī)模。用此方法制備時(shí),金屬膜層要盡量與陶瓷基板的熱膨脹系數(shù)一致,以減小薄膜應(yīng)力、提高金屬膜層的附著力。
真空蒸鍍
將金屬汽化,再冷凝在基材上。工藝過(guò)程全部在抽成一定真空的密閉容器中進(jìn)行。其中,要求被蒸鍍的基板材料表面必須非常平整潔凈,使附著面積與附著力達(dá)到一定的要求,以保證所鍍金屬制品的表面質(zhì)量。
熔鹽電解法
一種通過(guò)加載電壓直接將金屬?gòu)钠溲趸镏羞€原實(shí)現(xiàn)金屬冶煉的方法。熔鹽電解的冶金機(jī)制一般認(rèn)為有兩種觀點(diǎn),一種觀點(diǎn)認(rèn)為陰極氧化物直接被還原,氧離子化后通過(guò)熔鹽擴(kuò)散到陽(yáng)極放電;另一種觀點(diǎn)是氧化物與熔鹽在界面發(fā)生鈣熱還原反應(yīng)。無(wú)論哪種機(jī)制,形成共識(shí)的是熔鹽電解最初發(fā)生在氧化物表面,脫氧層逐漸向固體內(nèi)部生長(zhǎng)增厚。
等離子濺射
等離子體是指存在的時(shí)間和空間均超過(guò)某一臨界值的電離氣體,這種電離的氣體是由電子、離子、分子或自由基等粒子組成的集合體。濺射鍍膜是利用氣體放電產(chǎn)生的荷能離子在電場(chǎng)作用下高速轟擊陰極靶材,使靶材中的原子或分子逸出而沉積到基片或襯底的表面,形成所需要的薄膜。與傳統(tǒng)的真空蒸鍍法相比,濺射鍍膜具有很多優(yōu)點(diǎn),如膜層和基體的附著力強(qiáng),可以方便地制取高熔點(diǎn)物質(zhì)的薄膜,在很大的面積上可以制取均勻的膜層,容易控制薄膜的成份,可以制取各種不同成份和配比的合金膜。
進(jìn)行金屬化處理雖然較為復(fù)雜,但是其可解決活性釬焊中存在的許多問(wèn)題,如無(wú)法大面積進(jìn)行焊接處理和釬料無(wú)法很好進(jìn)行鋪展等。此外,金屬化層也可以保證陶瓷在高溫釬焊中不會(huì)發(fā)生分解從而產(chǎn)生空洞,所以間接釬焊法目前在市場(chǎng)上仍有很好的應(yīng)用。陶瓷金屬化件可以應(yīng)用于多種領(lǐng)域,如電力電子領(lǐng)域、微波射頻與微波通訊、新能源汽車(chē)鄰域、IGBT領(lǐng)域、LED封裝領(lǐng)域等。