6种常见的陶瓷与金属的连接方法

陶瓷基板

2024-01-09 16:22:52

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陶瓷与金属的连接件广泛应用于半导体封装、IGBT模块、新能源汽车和电子电气等领域。

因陶瓷材料的种类不同，选择的金属封接方式也有所差异。目前，国内常见的陶瓷基板材料有Al₂O₃、AlN 和Si₃N₄，三种基板的重要性能参数如下：

Al₂O₃、AlN 和 Si₃N₄ 陶瓷基板性能参数

对于Al₂O₃陶瓷基板主要采用直接覆铜工艺，AlN陶瓷基板可采用DBC或AMB工艺，Si₃N₄ 陶瓷基板在生产中较为广泛使用的是 AMB工艺。DBC工艺与AMB工艺参数对比如下：

陶瓷与金属封接，最大难点是陶瓷和金属的热膨胀系数相差较大，使得连接完成后的封接界面处会产生较大残余应力，这不仅会降低接头强度，也会影响金属对陶瓷表面的润湿效果。

几十年来，国内外先后在陶瓷与金属的连接工艺上做了许多探索。本文，将主要介绍目前国内外主要采用，且具代表性的几种陶瓷与金属的连接方法。

烧结金属粉末法

烧结金属粉末法是指在特定的温度和气氛中，先将陶瓷表面进行金属化处理使得瓷件带有金属性质，再用熔点比母材低的钎料将金属化后的瓷件与金属进行连接的一种方法。

其核心思路是，当瓷件表面完成了金属化处理后，陶瓷与金属的封接就可以转变为金属与金属的封接，从而大幅降低工艺难度。

在烧结金属粉末法工艺中，最大的问题是钎料无法润湿陶瓷表面，从而严重阻碍了后续的金属与陶瓷的封接过程。近几十年来，科学家们尝试了各种探讨和实验，总结出了预金属化采取活化Mo-Mn 法、二次金属化采取镀 Ni 处理、钎焊工艺中的钎料采用 Ag72Cu28钎料，在 800 ℃左右温度下并施加一定的压力，于真空或氢气气氛中即可实现焊接。

烧结金属粉末法封接示意图

目前，氧化铝陶瓷是国内外陶瓷与金属封接中使用最为成熟的一种陶瓷材料，因其具有优异的热、电和机械性能，制造成本也较为低廉。Al₂O₃ 根据主要成分的占比可分为90瓷、95瓷和99瓷等。氧化铝陶瓷与金属的封接中较多采用的是 95 瓷陶瓷材料。

陶瓷基板直接覆铜法（DBC）

陶瓷基板直接覆铜法（DBC）最早出现在20世纪70年代，是基于Al₂O₃ 陶瓷基板的一种金属化技术，具体过程是将其与无氧铜置于高温和一定的氧分压条件下，使Cu表面氧化生成一层Cu₂O共晶液相薄层，润湿Al₂O₃ 陶瓷和Cu，当加热温度高于共晶温度且低于Cu熔化温度时，液相中Cu₂O与Al₂O₃发生化学反应，在铜与陶瓷之间形成一层很薄的过渡层，实现金属与陶瓷的连接。

Al₂O₃陶瓷基板DBC工艺流程图

目前，覆铜陶瓷基板能像PCB线路板一样刻蚀出各种图形，是率模块封装中连接芯片和散热衬底的关键材料，目前，已广泛用于混合动力模块，激光二极管和聚焦型光伏封装，在高频应用方面也体现出了巨大的应用价值。

AlN陶瓷基板敷铜是基于DBC工艺发展起来的。氮化铝陶瓷基板覆铜具有氧化铝陶瓷基板覆铜约 6-8 倍的高导热性，其介电常数低、具有优良的电绝缘性且热膨胀率与硅相近，其广泛应用在新型的半导体封装材料。

在工艺过程中，由于AlN陶瓷与Cu的润湿性极差，氮化铝陶瓷基板和氧化铝表面层热膨胀性不匹配导致两者之间产生了张应力，同时氧化铝层与所封接的铜之间的热膨胀系数差异更大，Cu必将对氧化层产生压应力。两种应力相互补偿抵消，反而使得氧化层与瓷体的强度增大，对键合强度起到积极作用。

AlN陶瓷基板陶瓷基板DBC工艺流程图

活性金属钎焊法（AMB）

活性金属钎焊法(Active Metal Brazing, AMB)比烧结金属粉末法发展约晚10年，它是在钎料中加入活性元素，通过化学反应在陶瓷表面形成反应层，以此提高钎料在陶瓷表面的润湿性，从而进行陶瓷与金属间的化学接合。因其整个工艺过程可在一次升温中完成，操作简单、时间周期短、封接性能好并且对陶瓷的适用范围广，目前已经成为了电子器件中常用的一种方法。

AMB工艺中主要涉及了活性层的覆盖、钎料层的覆盖及封接烧结过程。具体工艺流程如下图所示：

Si₃N₄/AlN基板AMB工艺流程图

目前，Si₃N₄ 和 AlN 等非氧化物陶瓷基板覆铜在生产中广泛采用 AMB 工艺。其中，氮化硅具有优异的机械性能(高弯曲强度，高断裂韧性)以及热膨胀系数小、摩擦系数小等诸多优异性能，是综合性能最好的结构陶瓷材料。氮化铝具有高热导率使其成为理想的基板材料和高可靠性的电力电子模块，是近年来国内外陶瓷基板领域重点研究方向之一。

机械连接.

机械连接是一种古老的连接方法，常见的有栓接和热套等。栓接方法简单且接头可进行拆卸，但是其接头处无气密性等，无法很好地应用在精密器件中。热套则是利用陶瓷与金属的热膨胀性能的差异形成的组合，即金属加热时较大膨胀，冷却时收缩，金属的收缩大于陶瓷。

陶瓷与金属热套链接的陶瓷缸套

固相扩散连接

固相扩散连接是将材料置于惰性气氛或真空环境中，通过高温和压力的作用，首先使待接面局部发生塑性变形，促使氧化膜破碎分解，促使原子扩散，再通过原子间的扩散或化学反应形成反应层，从而实现连接。

固相扩散连接的优点是接头强度高，弹性变形量小，对材料种类没有限制。但其所需要的连接温度较高，连接时间也相对较长；并且因其通常是在真空下进行，这就需要借助昂贵的真空设备来完成工艺，因此，导致了工艺成本高、试件尺寸易受限制。

目前，国内在应用HIP扩散焊接方面取得许多进步，其产品应用在航空航天、电力电子和新能源等各大领域。

自蔓延连接.

自蔓延高温合成 (Self-propagating Hightemperature Synthesis Joining, SHS)是一种新材料合成工艺，其通过反应所放出的热为高温热源，以 SHS 产物为焊料，实现材料的连接。此方法能耗低、生产效率高，但由于反应速度极快，焊料燃烧时间不易控制，导致界面反应控制困难。

虽然陶瓷与金属的连接方法较多，但是每种方法都有其自身的优点和局限性，甚至有些方法还处于实验研究阶段，一时还难以大规模商用。

目前，陶瓷与金属连接较为广泛采用的方法主要为钎焊连接技术，其产品性能稳定、工艺可靠性高、生产成本合理。

随着电子元器件的功率及封装集成度的不断增大，对封装散热基板综合性能的要求也随之提高，高性能的陶瓷基板覆金属箔必将是今后的一个重点研究方向。

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