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  • 不同陶瓷材料都是怎樣進行表面金屬化處理的?

    原創 歡歡 粉體圈

    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,能不能在性能上形成優勢互補,從而延伸、拓展各自的研究領域呢?

     

    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。兩者的封接工藝中最大的難點是陶瓷和金屬的熱膨脹系數相差較大,金屬對陶瓷表面的潤濕效果比較差,兩者無法實現高質量的直接連接,故而首先需要在陶瓷上燒結或沉積一層金屬薄膜,這一過程為陶瓷的金屬化。

     

    1.BeO陶瓷

    BeO陶瓷的熱導率很高,可以和一些金屬材料相媲美;它還具有耐高溫、耐高壓、高強度、低介質損耗等優勢,滿足功率器件對絕緣性能的要求。但是,它的制備原料BeO粉末是劇毒物質,對人體和環境會產生嚴重的危害,這一致命缺點極大地限制了BeO陶瓷基板在工業領域的生產和應用。

     

    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。

     

    然而,鉬錳法對BeO陶瓷金屬化的處理也有一定的局限,BeO陶瓷的熱導率能夠到達300W/(m•K)以上,可是鉬的熱導率僅僅只有146W/(m•K),不利于BeO陶瓷自身高散熱特點的發揮,為了改進該弊端,在鉬錳法的基礎上發展了鎢錳法。金屬鎢的熱導率高于金屬鉬,而且鎢的電阻率也比金屬鉬低。因此,鎢錳法既可以提高整體結構的散熱效率,也有助于提高金屬化層的導電性能。

     

    2.Al2O3陶瓷

    Al2O3陶瓷是目前應用最為成熟的基片材料,其機械強度高、硬度大、耐磨損、電絕緣強度高、耐熱沖擊大、化學穩定性好且原料來源豐富、制造工藝簡單、價格低廉,所以Al2O3陶瓷是陶瓷金屬化應用最廣泛的陶瓷之一。

    氧化鋁材料中,Al2O3占比可以為90wt.%,96wt.%,99wt.%,99.5wt.%,雜質成分主要是MgO、SiO2和CaO的混合物,它們以玻璃相的形式存在于晶界中。隨著Al2O3占比的增加,Al2O3陶瓷的導熱能力會逐步增強,但是材料的純度越高,它的燒制成本也會大幅增加,而且純度越高代表材料中的玻璃相含量越少,表面金屬化的難度也會變大。

    Al2O3陶瓷最主要的金屬化方法是直接敷銅法(DirectBonded Coppermethod,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。連接后,Al2O3陶瓷和銅之間的界面微觀組織如下圖所示,界面中呈現顆粒狀的為Cu2O,彌散分布在Cu基體中。

     

    盡管Al2O3陶瓷是目前研究最成熟的絕緣基板,但是其熱導率僅為25W/(m•K)。隨著功率模塊越來越高的熱量散耗,Al2O3-DBC覆銅板已不能滿足功率電子器件的要求。另外,氧化鋁的熱膨脹系數和芯片之間有著很大的差別,在應用時容易于產生內部作用力,造成器件損壞。這些劣勢決定了Al2O3陶瓷基板終將被AlN、Si3N4等低熱膨脹系數、高熱導率的陶瓷所替代,但目前高導熱陶瓷的金屬化工藝尚不成熟,生產成本很高。因此,在低端領域,Al2O3-DBC覆銅板仍以其成熟的工藝、低廉的價格優勢被廣泛應用。

     

    3.AlN陶瓷

    AlN陶瓷的熱導率要遠遠優于Al2O3陶瓷,散熱性能好。此外,AlN的熱膨脹系數大小是(2.7-4.6)×10-6/K,和芯片的參數相接近,能夠有效地降低電子器件由于熱失配破壞的概率。由于AlN陶瓷的優異性能,其表面金屬化成為了人們的研究熱點,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(ActiveMetal 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1-2μm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。

     

     

    AlN-DBC的性能主要取決于AlN陶瓷表面氧化層性能的好壞。氧化后AlN陶瓷基板的彎曲強度和熱導率均隨氧化層厚度的增加而單調降低。AlN陶瓷表面的氧化層越厚,則在氧化冷卻和熱循環過程中,由Al2O3和AlN熱失配所引起的熱應力就會越大,產生裂紋的概率也就越高,繼而AlN陶瓷基板的性能就會越差。此外,由于Al2O3本身過低的熱導率,過厚的Al2O3層也不利于AlN陶瓷基板高熱導率性能的發揮。因而對AlN陶瓷表面氧化工藝的控制就顯得尤為重要。除了將AlN在高溫條件下直接進行氧化以外,還可以通過化學溶液活化的方式改善氧化層的性能。

    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

    氮化硅具有優異的機械性能(高彎曲強度、高斷裂韌性)以及熱膨脹系數小、摩擦系數小等優異性能,是綜合性能最好的結構陶瓷材料。氮化鋁具有高熱導率使其成為理想的基板材料和高可靠性的電力電子模塊,是近年來國內外陶瓷基板領域重點研究方向之一。

    Si3N4陶瓷的熱導率可以達到80-100W/(m•K),它的散熱能力弱于AlN陶瓷,但是基板的力學性能要優于AlN陶瓷,在一些應用場合可以替代AlN陶瓷作為功率器件的散熱基板。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1200K,釬料的抗氧化性能很差,釬焊連接后的使用溫度不宜高于755K。對于更高溫度的使用環境,就需要開發新的金屬釬料。此方法可以實現Si3N4陶瓷的表面金屬化,但該方法工藝復雜,生產成本很高,在使用過程中也存在一些可靠性問題。

    1.電力電子領域

    電力電子技術是現代高效節能技術,是弱電控制與被控制強電之間的橋梁,是在非常廣泛的領域內支持多項高技術發展的基礎技術。電力電子技術發展的基礎在于高質量器件的出現,后者的發展又必將對管殼提出更高更多的要求。

    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,其部分產品見下圖。真空開關管具有節能、防爆、體積小、維護費用低、運行可靠和無污染等特點,主要用于電力的輸配電控制系統。

    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。

    氮化鋁陶瓷基板由于其具有高導熱性、散熱快且成本相對合適的優點,受到越來越多的LED制造企業的青睞,廣泛的應用于高亮度LED封裝、紫外LED等。LED封裝用陶瓷基板因其絕緣、耐老化、可在很小單位面積上固裝大功率芯片,擁有了小尺寸大功率的優勢。

     

    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。由于IGBT輸出功率高,發熱量大,散熱不良將損壞IGBT芯片,因此對IGBT封裝而言,散熱是關鍵,必須選用陶瓷基板強化散熱。

    氮化鋁、氮化硅覆銅陶瓷基板具有熱導率高、與硅匹配的熱膨脹系數、高電絕緣等優點,非常適用于IGBT以及功率模塊的封裝,如下圖(a)所示。廣泛應用于軌道交通、航天航空、電動汽車、智能電網、太陽能發電、變頻家電、UPS等領域。電動汽車以及混合動力汽車是高導熱氮化硅最主要的應用領域。

     

     

    目前,國內高鐵上IGBT模塊,如上圖(b)所示,主要使用的是由丸和提供的氮化鋁陶瓷基板,隨著未來高導熱氮化硅陶瓷生產成本的降低,或將逐漸替代氮化鋁。氮化硅陶瓷覆銅板因其可以焊接更厚的無氧銅以及更高的可靠性,在未來電動汽車用高可靠功率模板中應用廣泛。美國羅杰斯公司生產的氮化硅覆銅板已應用于電動汽車上的IGBT模塊。

     

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