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陶瓷(ci)和金(jin)(jin)属是最(zui)古老的(de)(de)两类有用材料，陶瓷(ci)材料具有耐高(gao)温、高(gao)强度(du)、高(gao)硬度(du)、耐磨损、耐腐蚀、电绝缘强度(du)高(gao)等特性(xing)(xing)(xing)，而金(jin)(jin)属材料具有优(you)良的(de)(de)延展性(xing)(xing)(xing)、导(dao)电性(xing)(xing)(xing)、导(dao)热性(xing)(xing)(xing)，它(ta)们(men)各(ge)自(zi)的(de)(de)广泛用途在(zai)这里就不多赘述了(le)。那(nei)么(me)，将(jiang)陶瓷(ci)材料与金(jin)(jin)属材料结合起来(lai)，能不能在(zai)性(xing)(xing)(xing)能上形成优(you)势互补，从而延伸、拓展各(ge)自(zi)的(de)(de)研究领域呢(ni)？

陶(tao)(tao)瓷与金属(shu)(shu)的(de)(de)(de)连(lian)接(jie)(jie)件在新能(neng)源汽车、电子电气(qi)、半导体封装和IGBT模(mo)块等领域(yu)有着广泛(fan)的(de)(de)(de)应(ying)用(yong)，因此，具有高(gao)强度、高(gao)气(qi)密性的(de)(de)(de)陶(tao)(tao)瓷与金属(shu)(shu)的(de)(de)(de)封接(jie)(jie)工艺至关重要。两者(zhe)的(de)(de)(de)封接(jie)(jie)工艺中最大(da)的(de)(de)(de)难点(dian)是陶(tao)(tao)瓷和金属(shu)(shu)的(de)(de)(de)热膨胀(zhang)系数相差较大(da)，金属(shu)(shu)对陶(tao)(tao)瓷表(biao)面的(de)(de)(de)润湿效果比较差，两者(zhe)无法实现高(gao)质量(liang)的(de)(de)(de)直接(jie)(jie)连(lian)接(jie)(jie)，故而首先需要在陶(tao)(tao)瓷上(shang)烧结或沉积(ji)一(yi)层金属(shu)(shu)薄(bo)膜(mo)，这一(yi)过(guo)程为陶(tao)(tao)瓷的(de)(de)(de)金属(shu)(shu)化。

陶瓷(ci)金属化结(jie)构示意图

目前常用的陶瓷及其(qi)表(biao)面金属化

1.BeO陶瓷

BeO陶瓷的(de)热(re)导率很高(gao)(gao)，可以和一些金属材料(liao)相媲美；它还(hai)具有耐高(gao)(gao)温(wen)、耐高(gao)(gao)压(ya)、高(gao)(gao)强度(du)、低(di)介质损耗等优势(shi)，满足功率器件对绝(jue)缘(yuan)性(xing)能的(de)要求。但(dan)是，它的制备原料BeO粉末是剧毒物质，对人体和环境会产生严重的危害，这一致(zhi)命缺点极大地(di)限制了BeO陶瓷基板在工业领域的生产和应用。

BeO陶瓷最经(jing)常使用(yong)的金属化方式是钼锰法。该方法是将纯(chun)金属粉末(mo)（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陶瓷基(ji)片截面微观组织(zhi)

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(wu)的热导率高于金属钼，而且钨的电阻率(lv)也比金(jin)属钼低。因此(ci)，钨(wu)锰(meng)法既可以提(ti)高整体结构的散热效率，也有助于提(ti)高金属化层的导电性(xing)能。

2.Al₂O₃陶瓷

Al₂O₃陶瓷是目前应用最为成熟(shu)的基片材料，其机械(xie)强度(du)高(gao)(gao)、硬度(du)大(da)、耐(nai)磨损、电绝缘强度(du)高(gao)(gao)、耐(nai)热(re)冲击大(da)、化学稳(wen)定性好(hao)且原料来源(yuan)丰富、制造工艺简单(dan)、价格(ge)低廉(lian)，所(suo)以Al₂O₃陶瓷是陶瓷金属化(hua)应用(yong)最广泛的陶瓷之一。

氧化铝材(cai)料中(zhong)，Al₂O₃占比(bi)可以为90 wt.%，96 wt.%，99 wt.%，99.5 wt.%，杂质成分主要是MgO、SiO₂和(he)CaO的混合物，它们以玻璃相的形式存在于晶界中。随着Al₂O₃占比的增加，Al₂O₃陶瓷(ci)的(de)(de)导(dao)热能力会逐步增(zeng)强，但是材料的(de)(de)纯度越高(gao)，它的(de)(de)烧制(zhi)成本也会大幅增(zeng)加，而且(qie)纯度越高(gao)代表(biao)(biao)材料中的(de)(de)玻璃相含量(liang)越少，表(biao)(biao)面(mian)金(jin)属(shu)化的(de)(de)难(nan)度也会变大。

Al₂O₃陶瓷最主(zhu)要的金(jin)属(shu)化方法是直接敷铜法（Direct Bonded Copper method，DBC），其(qi)主(zhu)要特点(dian)是在(zai)金属(shu)化过程中，不需要额外加入(ru)其(qi)他(ta)物质(zhi)即可实现(xian)铜箔和(he)Al₂O₃陶瓷的直接(jie)连接(jie)。过程如下：首先将处理(li)完毕的铜(tong)箔(bo)覆盖在Al₂O₃陶瓷表(biao)面，通入一定含氧量的惰性(xing)气(qi)体，然后(hou)进行升(sheng)温，在此(ci)过(guo)程中铜表(biao)面会被氧化，当温度(du)到达(da)共晶液相存在区间后(hou)，Al₂O₃陶瓷和铜彼此间(jian)就会产生共晶液相(xiang)，该液相(xiang)同(tong)时润湿(shi)Al₂O₃陶瓷和铜(tong)，完成(cheng)初步的(de)连接(jie)，随后(hou)在冷(leng)却的(de)过程中，共(gong)晶液相(xiang)析出Cu和Cu₂O，存在于连接界面处，实现紧密(mi)的连接。连接后，Al₂O₃陶(tao)瓷和(he)铜之间的界(jie)面微观组织如(ru)下图所示(shi)，界(jie)面中呈(cheng)现颗粒(li)状的为(wei)Cu₂O，弥散分布在Cu基(ji)体中。

Al₂O₃陶瓷和铜连接后界面微观组织示意(yi)图

尽管Al₂O₃陶(tao)瓷是目(mu)前研(yan)究最成熟的绝(jue)缘基板(ban)，但是其热导率仅为(wei)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)已不能满足功率(lv)电子器件(jian)(jian)的(de)(de)要(yao)求。另外，氧化(hua)铝的(de)(de)热膨胀系(xi)数(shu)和芯(xin)片之间有(you)着很大(da)的(de)(de)差别，在(zai)应用时(shi)容易于产生内部作用力，造(zao)成器件(jian)(jian)损坏。这些劣势决定(ding)了Al₂O₃陶瓷基板(ban)终将被AlN、Si₃N₄等(deng)低热膨胀(zhang)系数、高热导率的陶(tao)瓷(ci)所替(ti)代，但目前高导热陶(tao)瓷(ci)的金(jin)属化(hua)工艺尚(shang)不(bu)成熟，生产成本很高。因此，在低端(duan)领域，Al₂O₃-DBC覆铜板(ban)仍(reng)以其成(cheng)熟的(de)工艺、低廉(lian)的(de)价格(ge)优势被广泛应用。

3.AlN陶瓷

AlN陶瓷的热导率要远远优于(yu)Al₂O₃陶(tao)瓷，散热(re)性能好。此(ci)外(wai)，AlN的热膨胀系数大小是（2.7-4.6）×10^-6/K，和(he)芯片的(de)参数相接近，能(neng)够有效地降低(di)电子器件由于(yu)热(re)失配破(po)坏(huai)的(de)概率(lv)。由于(yu)AlN陶(tao)瓷的(de)优异(yi)性(xing)能(neng)，其表面金属化成(cheng)为了人(ren)们的(de)研究热(re)点，目前使用(yong)的(de)方法主要是直接敷(fu)铜法（DBC）和活性金属化(hua)钎焊法（Active Metal Brazing，AMB）。

AlN陶瓷的直接覆(fu)铜法与Al₂O₃陶瓷类似，但又有所不同。这是由于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)(de)性能(neng)主要取(qu)决于AlN陶瓷表面氧化层性能(neng)的(de)(de)好坏。氧(yang)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(he)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(di)的热(re)导率，过厚的Al₂O₃层(ceng)也(ye)不利(li)于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。

另一种常用的方式是AMB，是通过活性金属钎料将(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(wen)题是形(xing)成的结(jie)构内(nei)部会留(liu)下较多的内(nei)应(ying)力(li)，在实际应(ying)用过程(cheng)中容(rong)易(yi)存在可靠(kao)性问题(ti)。因此，在金属(shu)钎料(liao)成分(fen)设(she)计过程(cheng)中，除(chu)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

氮化硅具有(you)优(you)异的(de)机(ji)械性(xing)(xing)能（高(gao)(gao)弯(wan)曲强(qiang)度、高(gao)(gao)断裂韧性(xing)(xing)）以及热(re)膨胀(zhang)系数(shu)小、摩擦(ca)系数(shu)小等(deng)优(you)异性(xing)(xing)能，是(shi)综(zong)合性(xing)(xing)能最好的(de)结构陶(tao)瓷(ci)材(cai)料(liao)。氮化铝具有(you)高(gao)(gao)热(re)导(dao)率使其成为(wei)理想的(de)基板(ban)材(cai)料(liao)和(he)高(gao)(gao)可靠性(xing)(xing)的(de)电力电子(zi)模块，是(shi)近年(nian)来(lai)国内外陶(tao)瓷(ci)基板(ban)领域重点研究方向之(zhi)一。

Si₃N₄陶瓷(ci)的热导率可以达到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)属化不能使用直接覆铜法(fa)的原(yuan)因是Si₃N₄陶瓷(ci)无法像AlN陶瓷一样，直接在陶瓷表面生成氧化层。

Si₃N₄陶瓷一般的通过(guo)活性(xing)金属(shu)钎焊（AMB）的方式将Si₃N₄陶瓷和铜进行(xing)连接的(de)。与AlN一样，Si₃N₄也(ye)是一种(zhong)氮化物，可以(yi)和一些(xie)活性金(jin)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(he)金属(shu)(shu)钎(qian)料之间的连接。最常用的金属(shu)(shu)钎(qian)料是 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(tao)瓷的表面金(jin)属化，但该方法(fa)工艺复(fu)杂，生产成本很高，在使用过程中(zhong)也存(cun)在一些可靠性问题。

补充：DBC和(he)AMB的各(ge)自优势

DBC属于薄(bo)膜工艺(yi)，热(re)阻较(jiao)小(xiao)、结(jie)合强度高(gao)，在铜(tong)(tong)与陶(tao)瓷(ci)之间(jian)仅(jin)仅(jin)存在很薄(bo)的过渡层(ceng)去(qu)除了(le)敷铜(tong)(tong)层(ceng)与陶(tao)瓷(ci)之间(jian)的低热(re)导(dao)率(lv)的焊料(liao)，降低其热(re)阻，可以满(man)足电子器件对基板材料(liao)的高(gao)绝缘(yuan)耐压、强载流能力、高(gao)热(re)导(dao)率(lv)等性(xing)能的要(yao)求。

AMB是在一次(ci)升温中完成，操作(zuo)简单、时间周期短、封(feng)接(jie)性能好并且对陶(tao)瓷的(de)适用(yong)范围广。

陶瓷金属化的应用

1.电力电子(zi)领域

电(dian)(dian)(dian)力(li)电(dian)(dian)(dian)子技(ji)术(shu)是(shi)现(xian)代高(gao)效节(jie)能(neng)技(ji)术(shu)，是(shi)弱电(dian)(dian)(dian)控(kong)制(zhi)与被控(kong)制(zhi)强(qiang)电(dian)(dian)(dian)之间的(de)(de)桥梁(liang)，是(shi)在非常广泛的(de)(de)领(ling)域(yu)内支(zhi)持多(duo)项高(gao)技(ji)术(shu)发展(zhan)的(de)(de)基(ji)础技(ji)术(shu)。电(dian)(dian)(dian)力(li)电(dian)(dian)(dian)子技(ji)术(shu)发展(zhan)的(de)(de)基(ji)础在于(yu)高(gao)质(zhi)量器件的(de)(de)出现(xian)，后者的(de)(de)发展(zhan)又必将(jiang)对管壳提(ti)出更(geng)高(gao)更(geng)多(duo)的(de)(de)要求。

真(zhen)空(kong)开(kai)关(guan)管(guan)(guan)（陶瓷真(zhen)空(kong)灭弧室(shi)）是(shi)(shi)氧(yang)化铝陶瓷经(jing)金属(shu)化后与(yu)铜封接成一(yi)体，是(shi)(shi)一(yi)种(zhong)新型高(gao)性(xing)能中(zhong)高(gao)压(ya)电(dian)(dian)力开(kai)关(guan)的核心部件，其主要作用(yong)是(shi)(shi)，通(tong)过管(guan)(guan)内真(zhen)空(kong)优良(liang)的绝缘(yuan)性(xing)使(shi)中(zhong)高(gao)压(ya)电(dian)(dian)路切断(duan)电(dian)(dian)源(yuan)后能迅速熄弧并抑制(zhi)电(dian)(dian)流，从(cong)而达到安全开(kai)断(duan)电(dian)(dian)路和(he)(he)控制(zhi)电(dian)(dian)网的作用(yong)，避免事故和(he)(he)意外的发生，其部分产品见下图。真(zhen)空(kong)开(kai)关(guan)管(guan)(guan)具(ju)有(you)节能、防爆、体积小、维护(hu)费用(yong)低、运(yun)行可靠和(he)(he)无污染等特点(dian)，主要用(yong)于电(dian)(dian)力的输配电(dian)(dian)控制(zhi)系统。

氧化铝陶瓷真空开(kai)关(guan)管壳

2.微(wei)(wei)波(bo)射频(pin)与微(wei)(wei)波(bo)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。其覆铜基板可应用于射频衰减器(qi)、功率负载、工分(fen)器(qi)、耦合器(qi)等无源器(qi)件、通(tong)信基站(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(tong)在微波(bo)领域的应用(yong)

3.LED封(feng)装

对于现有的(de)LED光(guang)效(xiao)水平而言，由于输入(ru)电能的(de)80-85%左右转变成热量(liang)，且(qie)LED芯片面积小(xiao)，工作电流大，造成芯片工作的(de)温度高(gao)，因此芯片散热是LED封装必(bi)须解决的(de)关键问题。

氮化铝(lv)陶瓷基板由于其具有(you)高导热性(xing)、散热快且成本相对合适(shi)的(de)(de)优点，受到越来越多的(de)(de)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(jue)缘栅双极(ji)晶(jing)体(ti)管（简称IGBT）以输入阻(zu)抗高、开关(guan)(guan)速度快、通态电(dian)(dian)压(ya)低、阻(zu)断电(dian)(dian)压(ya)高、承受(shou)电(dian)(dian)流大等(deng)特点，成为当今功率(lv)(lv)半导体(ti)器件发展主流。由于IGBT输出功率(lv)(lv)高，发热(re)(re)量大，散热(re)(re)不良将损坏IGBT芯片，因此对IGBT封装而言，散热(re)(re)是关(guan)(guan)键，必须选用陶瓷基板(ban)强化散热(re)(re)。

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(mu)前，国内高(gao)(gao)铁(tie)上(shang)IGBT模块，如(ru)上(shang)图（b）所(suo)示，主(zhu)要使用的是由丸和(he)提供的氮化(hua)(hua)(hua)铝陶(tao)瓷(ci)基板(ban)，随(sui)着未来高(gao)(gao)导热氮化(hua)(hua)(hua)硅陶(tao)瓷(ci)生(sheng)产成本的降低(di)，或将逐(zhu)渐(jian)替代氮化(hua)(hua)(hua)铝。氮化(hua)(hua)(hua)硅陶(tao)瓷(ci)覆(fu)铜(tong)板(ban)因其(qi)可以焊接(jie)更厚的无氧(yang)铜(tong)以及更高(gao)(gao)的可靠性(xing)，在未来电动(dong)汽(qi)车用高(gao)(gao)可靠功率模板(ban)中(zhong)应用广泛。美国罗杰斯公司(si)生(sheng)产的氮化(hua)(hua)(hua)硅覆(fu)铜(tong)板(ban)已应用于电动(dong)汽(qi)车上(shang)的IGBT模块。

 

参考资(zi)料：

1. 牛国强(qiang)。Si3N4陶瓷基板的表(biao)面金属(shu)化(hua)及(ji)界面反应机(ji)理研(yan)究（哈尔滨工业大学(xue)）

2. 王(wang)玲，康文涛，高朋召等。陶瓷(ci)金属(shu)化(hua)的方法、机理及影响因素的研(yan)究进展(zhan)（湖(hu)南大学(xue)材(cai)料科学(xue)与工(gong)程学(xue)院）

3. 范彬彬，赵林，谢志鹏。陶(tao)瓷与金(jin)属连接的研究及应(ying)用进展（景德镇(zhen)陶(tao)瓷大(da)学、清(qing)华大(da)学）

 

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