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陶瓷与金属化的“相遇”
发布时间:2021-09-15
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本文摘要:陶瓷,常被称为无机非金属材料,可见人们直接将陶瓷定位在金属的反面,性能相差悬殊。但是它们各自的优势过于突出,所以在很多情况下,陶瓷和金属需要结合起来,发挥各自的优势,从而诞生了一项非常重要的技术——陶瓷金属化技术。多年来,陶瓷金属化一直是一个热门话题,国内外学者对此进行了深入的研究。 特别是随着5G时代的到来,半导体芯片的功率不断增大,重量轻、集成度高的增长趋势越来越明显,散热的重要性也越来越突出,这无疑对封装散热材料提出了更严格的要求。

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陶瓷,常被称为无机非金属材料,可见人们直接将陶瓷定位在金属的反面,性能相差悬殊。但是它们各自的优势过于突出,所以在很多情况下,陶瓷和金属需要结合起来,发挥各自的优势,从而诞生了一项非常重要的技术——陶瓷金属化技术。多年来,陶瓷金属化一直是一个热门话题,国内外学者对此进行了深入的研究。

特别是随着5G时代的到来,半导体芯片的功率不断增大,重量轻、集成度高的增长趋势越来越明显,散热的重要性也越来越突出,这无疑对封装散热材料提出了更严格的要求。在电力电子元件的封装结构中,封装基板作为承上启下、保持内外电路导通的关键环节,具有散热和机械支撑的功能。陶瓷作为一种新型的电子散热封装材料,具有与芯片匹配的高导热、绝缘、耐热、强度和热膨胀系数,是电力电子元器件的理想封装材料。(图片出自网络)陶瓷在电路中使用时,必须先金属化,即在陶瓷表面涂上一层与陶瓷结合牢固且不易熔化的金属薄膜,使其导电,然后通过焊接技术与金属引线或其他金属导电层连接成一体。

金属化是陶瓷-金属封接工艺中最重要的一步,影响最终的封接效果。陶瓷和金属焊接的难点1。陶瓷的线膨胀系数较小,而金属的线膨胀系数相对较大,导致接头开裂。

一般来说,金属夹层的热应力问题应该得到很好的管理。2.陶瓷导热系数低,抗热震性弱。

焊接时,尽量减小焊接位置及其周围的温度梯度,控制焊后冷却速度。3.大多数陶瓷的导电性很差,甚至没有导电性,所以很难使用电焊。

4.因为陶瓷材料具有稳定的电子配位,金属不可能与陶瓷邻接。有必要惩罚陶瓷金属化或保持活性钎料。5.由于陶瓷材料多为共价晶体,不易变形,经常发生脆性断裂。

目前多采用中间层降低焊接温度,焊接采用间接扩散法。6.陶瓷-金属焊接的结构设计不同于普通焊接,通常分为平面密封结构、套筒密封结构、针密封结构和相对密封结构,其中套筒密封结构效果最好,这些讨论的结构对制造要求都很高。

陶瓷金属化的机理陶瓷金属化的机理是巨大的,涉及到几种化学和物理反应,物质的塑性流动,粒子重排等等。金属化层中的氧化物、非金属氧化物等各种物质在不同的烧结阶段有不同的化学反应和扩散迁移。

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随着温度的升高,每种物质反应生成中间化合物,达到配位熔点时形成液相。液态玻璃相同时具有一定的粘度和塑性流动。之后粒子在毛细作用下重新排列,原子或分子在外界能量的驱动下扩散迁移。

晶粒长大,孔隙逐渐缩小消失,金属化层致密化。陶瓷金属化工艺陶瓷金属化的工艺流程包括:第一步:基体预处理的惩罚。

接收金刚石研磨膏,将无压烧结陶瓷抛至光学光滑度,保证外观粗糙度 1.6m,将基体放入丙酮和酒精中,室温超声波清洗20min。第二步:金属化浆料的制备。

根据金属化配方,称取原料,球磨一定时间,制得一定粘度的金属化浆料。第三步:涂层和干燥。丝网印刷技术用于在陶瓷基底上涂覆浆料。水泥浆的厚度应合适。

如果焊料太薄,很容易 1.Mo-Mn法Mo-Mn法是在难熔金属粉末Mo的基础上,加入少量低熔点Mn,加入粘结剂涂覆Al2O3陶瓷表面,然后烧结形成金属化层。传统钼锰法的缺点是烧结温度高,能耗高,由于配方中没有活化剂,密封强度低。2.活化钼锰法是在传统钼锰法基础上的创新。创新的主要偏差是:加入活化剂,用钼和锰的氧化物或盐代替金属粉末。

这两种创新方法旨在降低金属化温度。活化Mo-Mn法的缺点是工艺庞大,成本高,但结合牢固,可大大提高润湿性,所以它仍然是陶瓷-金属封接工艺中最早、最成熟、应用最广泛的工艺。

3.活性金属钎焊法活性金属钎焊法也是一种应用广泛的陶瓷-金属封接工艺,比Mo-Mn法晚生长10年,特点是工序少,陶瓷-金属封接只需一个加热工序即可完成。钎焊合金含有活性元素,如钛、锆、铪和钽,添加的活性元素与Al2O3反射,在界面形成具有金属特性的反射层。

这种方法很容易适应大规模生产。与钼锰工艺相比,该方法相对简单、经济。

活性金属钎焊法的缺点是活性钎料的应用受到一定的限制,不适合连续生产,只适合大块、单件或小批量生产。4.直接键合铜(DBC)DBC是一种在陶瓷表面(主要是Al2O3和AlN)键合铜箔的金属化方法,是随着片上芯片(COB)封装技术的兴起而发展起来的新技术。

基本原理是在Cu与陶瓷之间引入氧元素,然后在1065 ~ 1083形成Cu/O共晶液相,再与陶瓷基体和铜箔反应形成CuAlO2或Cu(AlO2)2,在中间相的作用下实现铜箔与基体的结合。5.磁控溅射是一种物理气相沉积技术,通过磁控技术在衬底上沉积多层薄膜。与其他沉积技术相比,它具有更好的附着力、更少的污染和沉积样品的结晶度提高等优点,从而获得高质量的薄膜。

这种方法得到的金属化层很薄,可以保证零件的尺寸精度,但不适合不耐高温的陶瓷(如压电陶瓷、单晶)金属化。陶瓷金属化的影响因素1。金属化配方这是实现陶瓷金属化的前提,需要精心科学的设计其配方。

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2.影响陶瓷金属化的另一个关键因素是金属化烧结温度和保持时间。金属化温度可分为以下四个过程:温度度凌驾1600℃以上的为特高温,1450~1600℃的为高温,1300~1450℃的属于中温,低于1300℃的则为低温。

适当的烧结温度是必须的,温渡过低会造成玻璃相没有发生扩散迁移,过高则金属化强度比力差,金属化层很容易从陶瓷上脱落造成封接的失效。3、金属化层显微结构金属化工艺决议金属化层的显微结构,显微结构又直接影响焊接体的最终性能。想要获得良好的焊接性能,首先金属化层应为高联合强度的致密薄膜。

若金属化层的显微结构中各区域条理明白,且任一界面处都没有视察到一连的脆性金属化合物,就会淘汰脆性和裂纹扩展的几率,界面精密裂纹少,有利于淘汰焊料渗透,则说明该金属化层致密性好,联合强度相对较高。4、其他因素另有许多影响陶瓷金属化水平的因素需要注意,如粉料粒度与合理级配的影响,粉末过细,外貌能大,易形成团聚,这会影响涂层的平整性;粉末过粗,外貌能降低,导致烧结温度提高,影响烧结质量。

此外,另有涂覆方式以及涂覆的厚度等对陶瓷金属化也会有很大影响。泉源:先进陶瓷展。


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