陶瓷(ci)和金属是最(zui)古老的两类有用材料(liao),陶瓷(ci)材料(liao)具有耐高(gao)温、高(gao)强(qiang)度、高(gao)硬度、耐磨损、耐腐(fu)蚀、电绝缘强(qiang)度高(gao)等特性,而金属材料(liao)具有优(you)良的延展(zhan)性、导电性、导热(re)性,它(ta)们各自的广泛用途在这里(li)就(jiu)不多赘(zhui)述(shu)了。那么,将陶瓷(ci)材料(liao)与金属材料(liao)结合(he)起来,能(neng)不能(neng)在性能(neng)上形成优(you)势互补(bu),从而延伸(shen)、拓展(zhan)各自的研究领域呢?
陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)(ci)与金(jin)(jin)属(shu)的连(lian)接(jie)件在新(xin)能源汽车、电(dian)子电(dian)气、半导体(ti)封装(zhuang)和(he)IGBT模块等(deng)领域有着广(guang)泛的应用,因此,具有高强度、高气密(mi)性的陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)(ci)与金(jin)(jin)属(shu)的封接(jie)工艺(yi)至(zhi)关重要(yao)。两者的封接(jie)工艺(yi)中最大的难(nan)点是陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)(ci)和(he)金(jin)(jin)属(shu)的热膨胀系数相差(cha)较(jiao)大,金(jin)(jin)属(shu)对陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)(ci)表面的润湿效果比较(jiao)差(cha),两者无法实现高质量的直接(jie)连(lian)接(jie),故(gu)而首先需(xu)要(yao)在陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)(ci)上烧(shao)结或沉积(ji)一层金(jin)(jin)属(shu)薄膜,这一过程为陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)(ci)的金(jin)(jin)属(shu)化(hua)。
陶(tao)瓷(ci)金属化(hua)结构示意图
目前常用(yong)的陶瓷及其表面(mian)金属化
1.BeO陶瓷(ci)
BeO陶(tao)瓷的热(re)导率很高(gao),可以和一些金属(shu)材料相媲美;它还具有(you)耐高(gao)温、耐高(gao)压、高(gao)强度、低介质(zhi)损耗等优(you)势,满足功率器件对绝(jue)缘性(xing)能的要求。但是,它的制(zhi)备(bei)原(yuan)料BeO粉末是剧毒物质,对人体(ti)和环境会产(chan)生严重的危害,这一致命缺(que)点极(ji)大地限制了BeO陶瓷基板在工业领域的生产和应用。
BeO陶(tao)瓷(ci)最经常使用(yong)的(de)金属化方(fang)式是(shi)钼(mu)锰法。该方法(fa)是将纯金属(shu)粉末(Mo、Mn)与金属氧化物组成的膏状混合物涂于陶瓷表面,再在炉中高温加热,形成金属层。在Mo粉中加入10%~25% Mn是为了改善金属镀层与陶瓷的结合。
BeO陶瓷(ci)基(ji)片(pian)截面微观组(zu)织
然而,钼锰法对BeO陶瓷金属化的处理也有一定的局限,BeO陶瓷的热导率能够到达300 W/(m•K)以上,可是钼的热导率仅仅只有146 W/(m•K),不利于BeO陶瓷自身高散热特点的发挥,为了改进该弊端,在钼锰法的基础上发展了钨锰法。金属钨的热导率高(gao)于金属钼,而且(qie)钨的电阻率(lv)也比(bi)金属(shu)钼低。因此,钨(wu)锰(meng)法既可以(yi)提高(gao)整体结构的散热效率(lv),也(ye)有助于提高(gao)金(jin)属(shu)化层的导(dao)电性(xing)能(neng)。
2.Al2O3陶瓷
Al2O3陶瓷是(shi)目前应用最为成熟的基片材料(liao),其机械(xie)强(qiang)度高、硬度大、耐磨损(sun)、电绝缘强(qiang)度高、耐热(re)冲(chong)击大、化学稳定性好且原料(liao)来(lai)源丰富、制造工艺简单、价格低廉(lian),所以Al2O3陶(tao)瓷(ci)是陶(tao)瓷(ci)金属化应(ying)用(yong)最(zui)广泛的陶(tao)瓷(ci)之一。
氧化铝材料(liao)中,Al2O3占比可以为90 wt.%,96 wt.%,99 wt.%,99.5 wt.%,杂质成分主要是MgO、SiO2和CaO的混合物,它们以玻璃相的形式存在于晶界中。随着Al2O3占比的(de)增(zeng)加(jia),Al2O3陶瓷的导热(re)能力会(hui)逐步增(zeng)(zeng)强,但是材料的纯度(du)越高(gao)(gao),它的烧制(zhi)成本也会(hui)大幅增(zeng)(zeng)加,而且纯度(du)越高(gao)(gao)代表材料中的玻璃相含量越少,表面金属(shu)化的难度(du)也会(hui)变(bian)大。
Al2O3陶瓷最主(zhu)要的金属化方法是直接(jie)敷铜法(Direct Bonded Copper method,DBC),其主要特(te)点是在金属化过程中,不需要额外加入(ru)其他(ta)物质即可实现铜箔(bo)和Al2O3陶(tao)瓷的直接连接。过(guo)程如下:首先将处理完(wan)毕的铜箔覆(fu)盖在(zai)Al2O3陶瓷表面,通入一定含氧量(liang)的惰(duo)性气体(ti),然后进(jin)行升温,在此过程(cheng)中(zhong)铜表面会被氧化,当(dang)温度到达共晶液(ye)相存在区间后,Al2O3陶瓷和(he)铜彼此(ci)间就会(hui)产生(sheng)共晶液相,该(gai)液相同(tong)时(shi)润湿Al2O3陶瓷和铜,完成初步的连(lian)接,随后(hou)在(zai)冷却的过程中(zhong),共晶液相析出(chu)Cu和Cu2O,存在于连(lian)接界面(mian)处,实现紧密的连(lian)接。连(lian)接后(hou),Al2O3陶瓷(ci)和(he)铜之(zhi)间(jian)的界(jie)面微(wei)观组(zu)织如下图所示(shi),界(jie)面中呈现颗粒状的为Cu2O,弥散分布在Cu基体中(zhong)。
Al2O3陶瓷和(he)铜连接后(hou)界面(mian)微观组织示意图
尽管Al2O3陶瓷是目前(qian)研究最成熟的绝缘基(ji)板,但是其热导(dao)率仅(jin)为25 W/(m•K)。随着功率模块越来越高的热量散耗,Al2O3-DBC覆铜板(ban)已不能(neng)满足功率电(dian)子器件(jian)(jian)的要求。另外,氧化(hua)铝(lv)的热膨胀系数和芯片之间有着很(hen)大的差别(bie),在应用(yong)时(shi)容易于产(chan)生内(nei)部作用(yong)力,造成(cheng)器件(jian)(jian)损(sun)坏(huai)。这些劣势决定了Al2O3陶(tao)瓷(ci)基板(ban)终将被(bei)AlN、Si3N4等低热(re)膨胀系数(shu)、高(gao)(gao)热(re)导率(lv)的陶(tao)瓷(ci)所(suo)替代,但目前高(gao)(gao)导热(re)陶(tao)瓷(ci)的金属化工艺尚不成熟,生产成本(ben)很高(gao)(gao)。因此(ci),在(zai)低端领域,Al2O3-DBC覆铜板仍以其成熟(shu)的工艺(yi)、低廉的价格优势被广(guang)泛应用。
3.AlN陶瓷
AlN陶瓷的热(re)导(dao)率要远(yuan)远(yuan)优于Al2O3陶(tao)瓷,散热性(xing)能好。此外(wai),AlN的热膨胀系数大小是(2.7-4.6)×10-6/K,和芯片的(de)(de)参数相接近,能够有效(xiao)地(di)降低电子器件(jian)由(you)于(yu)热(re)失(shi)配破坏的(de)(de)概(gai)率。由(you)于(yu)AlN陶(tao)瓷(ci)的(de)(de)优异性能,其(qi)表面金(jin)属化成为(wei)了人们的(de)(de)研究热(re)点,目前使用的(de)(de)方法主要是直接敷铜法(fa)(DBC)和活性金属(shu)化钎焊法(Active Metal Brazing,AMB)。
AlN陶(tao)瓷的直接覆铜法(fa)与Al2O3陶瓷类(lei)似,但又有所不同。这(zhei)是由于AlN是非氧化物陶瓷,共晶液相在它表面的铺展效果很差,无法直接进行键合,需要将其在1200 ℃左右进行预氧化处理,氧化完成后,在AlN陶瓷表面会生成约1-2 μm的氧化铝层。将预氧化后的AlN陶瓷和铜在共晶液相存在的温度区间进行连接,完成AlN覆铜板的制备。
AlN-DBC的(de)性能主要取决于(yu)AlN陶瓷表面氧化层性能的(de)好坏。氧化后AlN陶瓷基板的弯曲强度和热导率均随氧化层厚度的增加而单调降低。AlN陶瓷表面的氧化层越厚,则在氧化冷却和热循环过程中,由Al2O3和AlN热失配所引起的热应力就会越大,产生裂纹的概率也就越高,继而AlN陶瓷基板的性能就会越差。此外,由于Al2O3本身过低的(de)热导率,过厚的(de)Al2O3层(ceng)也(ye)不利(li)于(yu)AlN陶瓷基板高热导率性能的发挥。因而对AlN陶瓷表面氧化工艺的控制就显得尤为重要。除了将AlN在高温条件下直接进行氧化以外,还可以通过化学溶液活化的方式改善氧化层的性能。
另一(yi)种常用的(de)方(fang)式是AMB,是(shi)通过(guo)活性(xing)金属钎(qian)料将(jiang)AlN陶瓷和铜箔进行连接,最常用的金属钎料为 Ag-Cu-Ti体系。金属钎料中Ti为活性金属,在钎料中的质量占比约为1-5%,Cu的质量占比约为28%,Ag的质量占比约为67-71%。通过活性金属钎焊的方式实现AlN陶瓷和铜箔之间的连接,存在的问题是形成(cheng)的结构内部(bu)会留(liu)下较(jiao)多的内应力,在(zai)实际(ji)应用过(guo)程中容易存在(zai)可靠性问题。因此,在(zai)金属钎(qian)料成(cheng)分设计过(guo)程中,除了Ag、Cu、Ti金属颗粒之外,还需要添加一些可以降低热失配的填充物。目前,常用作填充物的物质主要包括SiC、Mo、TiN、Si3N4、Al2O3等。
4.Si3N4陶瓷
氮化硅具(ju)有(you)优异的机械性(xing)(xing)能(高(gao)弯曲强度、高(gao)断裂(lie)韧性(xing)(xing))以及热(re)膨胀(zhang)系数小、摩(mo)擦系数小等优异性(xing)(xing)能,是综(zong)合性(xing)(xing)能最好(hao)的结构陶瓷材料。氮化铝具(ju)有(you)高(gao)热(re)导率使其成为理(li)想的基板(ban)(ban)材料和高(gao)可靠(kao)性(xing)(xing)的电力电子(zi)模(mo)块,是近年(nian)来国内外陶瓷基板(ban)(ban)领域重点研究方向之一。
Si3N4陶瓷(ci)的热(re)导率可(ke)以达(da)到80-100 W/(m•K),它的散热能力弱于AlN陶瓷,但是基板的力学性能要优于AlN陶瓷,在一些应用场合可以替代AlN陶瓷作为功率器件的散热基板。Si3N4陶瓷的表面金(jin)属化不能使用(yong)直接(jie)覆铜法的原因是(shi)Si3N4陶瓷无法像AlN陶瓷一样,直接在陶瓷表面生成氧化层。
Si3N4陶(tao)瓷一般(ban)的通(tong)过活性金属(shu)钎焊(AMB)的方式将Si3N4陶瓷和铜进(jin)行(xing)连(lian)接的。与AlN一样,Si3N4也是(shi)一(yi)种氮化物,可以和一(yi)些活性金属(Ti、Cr、V)发生化学反应,在界面层生成连续的氮化物,从而实现Si3N4陶瓷和金属钎料之间的连接。最常用的金属钎料是(shi) Ag-Cu-Ti 体系,但这些钎料的液相线低于1200 K,钎料的抗氧化性能很差,钎焊连接后的使用温度不宜高于755 K。对于更高温度的使用环境,就需要开发新的金属钎料。此方法可以实现Si3N4陶瓷的表面金(jin)属化,但该方法(fa)工(gong)艺复杂,生(sheng)产成(cheng)本很高,在使用(yong)过程中也存(cun)在一(yi)些可(ke)靠(kao)性问题。
补充:DBC和AMB的各自优势
DBC属于薄(bo)膜(mo)工艺,热(re)阻(zu)较小、结合(he)强(qiang)度高(gao),在铜(tong)与陶瓷之(zhi)间(jian)仅(jin)(jin)仅(jin)(jin)存在很薄(bo)的过渡(du)层去除了敷铜(tong)层与陶瓷之(zhi)间(jian)的低热(re)导率的焊料,降低其(qi)热(re)阻(zu),可以满(man)足电(dian)子器(qi)件对基板材料的高(gao)绝缘耐压、强(qiang)载流能(neng)力、高(gao)热(re)导率等性能(neng)的要求。
AMB是在(zai)一次升温中完(wan)成(cheng),操作简(jian)单、时(shi)间周期短、封接性能好并且(qie)对陶瓷的适用范(fan)围广。
陶瓷金属(shu)化的应用(yong)
1.电(dian)力电(dian)子领域
电(dian)力电(dian)子(zi)(zi)技(ji)术(shu)是现代高效节能技(ji)术(shu),是弱(ruo)电(dian)控(kong)制与(yu)被控(kong)制强电(dian)之间的(de)桥(qiao)梁,是在非常广(guang)泛的(de)领域内支持多(duo)项高技(ji)术(shu)发(fa)(fa)展的(de)基础(chu)技(ji)术(shu)。电(dian)力电(dian)子(zi)(zi)技(ji)术(shu)发(fa)(fa)展的(de)基础(chu)在于高质(zhi)量器(qi)件的(de)出现,后者的(de)发(fa)(fa)展又必将(jiang)对(dui)管壳提出更(geng)高更(geng)多(duo)的(de)要求。
真空(kong)开关管(陶瓷真空(kong)灭弧室(shi))是(shi)氧化铝陶瓷经金属化后(hou)与铜封接(jie)成一(yi)体,是(shi)一(yi)种新型高(gao)(gao)性能(neng)中高(gao)(gao)压电(dian)(dian)力开关的核心部件,其(qi)主要作用(yong)是(shi),通过管内真空(kong)优(you)良(liang)的绝缘(yuan)性使(shi)中高(gao)(gao)压电(dian)(dian)路切断电(dian)(dian)源后(hou)能(neng)迅速熄弧并(bing)抑制(zhi)电(dian)(dian)流,从而达到安全开断电(dian)(dian)路和控制(zhi)电(dian)(dian)网的作用(yong),避免事故(gu)和意外的发生,其(qi)部分产品见下图。真空(kong)开关管具有(you)节能(neng)、防(fang)爆(bao)、体积小、维护费用(yong)低(di)、运(yun)行可靠和无污染等(deng)特点,主要用(yong)于(yu)电(dian)(dian)力的输配电(dian)(dian)控制(zhi)系(xi)统。
氧化铝(lv)陶瓷(ci)真空(kong)开关管壳
2.微波射频与(yu)微波通讯
在射频/微波领域,氮化铝陶瓷基板具有其它基板所不具备的优势:介电常数小且介电损耗低、绝缘且耐腐蚀、可进行高密度组装。其(qi)覆铜基板可应用于(yu)射频衰(shuai)减器、功率负(fu)载、工(gong)分器、耦合(he)器等无源器件、通(tong)信基站(zhan)(5G)、光通信用热沉、高功率无线通讯、芯片电阻等领域。
AlN基板覆铜在微波领域的应(ying)用
3.LED封装
对于现有的(de)LED光效水(shui)平而言(yan),由于输入电(dian)能的(de)80-85%左右转(zhuan)变成热(re)量,且LED芯(xin)片面积小,工作(zuo)电(dian)流大,造成芯(xin)片工作(zuo)的(de)温度高,因(yin)此芯(xin)片散热(re)是LED封(feng)装必须解决的(de)关键问题。
氮化(hua)铝陶瓷基板(ban)由于(yu)其具(ju)有高导热(re)(re)性、散热(re)(re)快(kuai)且成本相(xiang)对(dui)合适(shi)的优点(dian),受到越(yue)来(lai)越(yue)多的LED制造企业的青睐,广泛的应用于高亮度LED封装、紫外LED等。LED封装用陶瓷基板因其绝缘、耐老化、可在很小单位面积上固装大功率芯片,拥有了小尺寸大功率的优势。
4.IGBT领域
绝缘栅(zha)双极晶(jing)体管(简称(cheng)IGBT)以输(shu)入阻抗高(gao)、开关(guan)速度(du)快、通态电压低、阻断电压高(gao)、承受电流大(da)等(deng)特点(dian),成为当(dang)今功率半导体器件发展主流。由于IGBT输(shu)出功率高(gao),发热量大(da),散热不良将损坏IGBT芯片,因此对IGBT封装而言(yan),散热是关(guan)键,必须选用陶瓷(ci)基板强化散热。
氮化铝、氮化硅覆铜陶瓷基板具有热导率高、与硅匹配的热膨胀系数、高电绝缘等优点,非常适用于IGBT以及功率模块的封装,如下图(a)所示。广泛应用于轨道交通、航天航空、电动汽车、智能电网、太阳能发电、变频家电、UPS等领域。电动汽车以及混合动力汽车是高导热氮化硅最主要的应用领域。
目前(qian),国(guo)内高铁上(shang)(shang)(shang)IGBT模块(kuai),如上(shang)(shang)(shang)图(b)所示,主(zhu)要使(shi)用的是由(you)丸和提供的氮(dan)化(hua)(hua)铝陶(tao)瓷(ci)(ci)基板,随(sui)着未来高导热(re)氮(dan)化(hua)(hua)硅陶(tao)瓷(ci)(ci)生产成本的降低,或将逐(zhu)渐(jian)替代氮(dan)化(hua)(hua)铝。氮(dan)化(hua)(hua)硅陶(tao)瓷(ci)(ci)覆铜(tong)(tong)板因(yin)其可以(yi)焊接(jie)更厚的无氧(yang)铜(tong)(tong)以(yi)及更高的可靠(kao)性,在(zai)未来电动汽(qi)(qi)车用高可靠(kao)功率模板中应用广泛。美(mei)国(guo)罗(luo)杰斯公司生产的氮(dan)化(hua)(hua)硅覆铜(tong)(tong)板已应用于电动汽(qi)(qi)车上(shang)(shang)(shang)的IGBT模块(kuai)。
参考(kao)资料:
1. 牛国强。Si3N4陶瓷基板的表面金属化及界面反应机理(li)研究(哈尔滨工业(ye)大学)
2. 王(wang)玲,康文(wen)涛,高朋召等(deng)。陶瓷金属化的方法(fa)、机理及(ji)影(ying)响因素的研究进(jin)展(zhan)(湖南(nan)大(da)学材料(liao)科学与工程学院)
3. 范彬彬,赵林,谢志(zhi)鹏。陶(tao)瓷(ci)与金属连接的研(yan)究及应(ying)用进展(zhan)(景德镇陶(tao)瓷(ci)大(da)学、清华大(da)学)
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