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陶瓷与(yu)金属的连接件在(zai)新能源汽车、电(dian)子电(dian)气、半导(dao)体封装和 IGBT 模块等领域有着广泛的应(ying)用，其产(chan)品(pin)主要(yao)有(you)主要(yao)有(you)陶(tao)瓷结(jie)构件和陶(tao)瓷基(ji)板(ban)，因市场需(xu)求的增(zeng)大(da)和新(xin)材料的不(bu)断涌(yong)现，诸如陶(tao)瓷继电器(qi)(qi)、陶(tao)瓷密封连接(jie)器(qi)(qi)、陶(tao)瓷基(ji)板(ban)等系列(lie)产(chan)品(pin)大(da)规模实(shi)现产(chan)业化，因此，具有(you)高强度、高气密性(xing)、高可靠(kao)性(xing)的陶(tao)瓷与金属的封接(jie)工(gong)艺(yi)至关重要(yao)。

供应新(xin)能(neng)源领域陶(tao)瓷(ci)零件电动汽车专(zhuan)用陶(tao)瓷(ci)继电器

高导热(re)陶瓷基板的应(ying)用(yong)离不开金(jin)属化(hua)，在国际上，以(yi)德国贺利(li)氏(Heraeus)集团公司为主生产高性能的DCB-Al₂O₃（直接键合铜(tong)的(de)Al₂O₃陶瓷基(ji)板(ban)）和AMB-Si₃N₄（活性金属(shu)钎(qian)焊工(gong)艺的Si₃N₄陶(tao)瓷(ci)基板）、日本京瓷(ci)(Kyocera)作(zuo)为(wei)世界500 强企业和(he)全球最大(da)的(de)高技术陶瓷公司(si)，代表产品(pin)有大(da)功率的(de)LED用陶瓷封装壳(qiao)等，这些都(dou)离不开(kai)陶瓷与金属的(de)封接。

陶瓷与(yu)金(jin)属封接的难点

实现陶瓷与(yu)金属之(zhi)间的可(ke)靠连接(jie)是推(tui)进陶瓷材料应用的关(guan)键，陶瓷与(yu)金属的封接(jie)工艺中最(zui)大的难点是陶(tao)瓷和(he)金属的热膨胀系(xi)数(shu)相差较大，在连接(jie)(jie)完成后，封接(jie)(jie)界(jie)面处(chu)会产(chan)生较大残余应力，降低(di)了接(jie)(jie)头强度。另外金属(shu)陶瓷封接(jie)(jie)是以金属钎焊技术为基础而发展(zhan)起来的(de)，但与金属(shu)(shu)和金属(shu)(shu)的(de)钎焊(han)(han)不同的(de)是，焊(han)(han)料不能浸润陶瓷表(biao)面，因而也(ye)就(jiu)不能直接(jie)将陶瓷与金属(shu)(shu)连接(jie)起来。

良(liang)好(hao)的陶瓷与(yu)金属封接，其封接处应满足如下(xia)要求：

1．具有良好的真空(kong)气密性，印使在高(gao)温(wen)时也不应丧失；

2．具有一定(ding)的机械(xie)强(qiang)度；

3．在长(zhang)时(shi)间高于工作温度的条件下，其电气性能与机械性能应保(bao)持不变；

4．能承受住急剧的温(wen)度变化；

5．工艺简单，适(shi)于成批生(sheng)产；

6．封接处尺(chi)寸的公差应很小。

陶瓷封接技(ji)术(shu)类型

几十年(nian)来，国内外(wai)先后在扩(kuo)散(san)连接、钎(qian)焊(han)连接和活(huo)性(xing)连接(jie)等工艺上做了许多探索。目前，陶瓷与金属连(lian)接较为(wei)广泛采用的(de)方法主要为(wei)钎焊连接技术，其产(chan)品(pin)性(xing)(xing)能稳定、工(gong)(gong)艺可靠性(xing)(xing)高(gao)、生产(chan)成本合理(li)。以下主要介绍(shao)目前(qian)国内外陶瓷(ci)与(yu)金属连接中所广泛采用的钎焊工(gong)(gong)艺和陶瓷(ci)基板覆铜工(gong)(gong)艺。

1. 烧(shao)结金属粉末法(fa)

烧(shao)结金属粉(fen)末法是指在(zai)特定的温(wen)度和气氛中(zhong)，先将陶瓷表(biao)面(mian)进行金属化处(chu)理，从而使得瓷(ci)件带有金(jin)属性(xing)质，继而用(yong)熔点比母材低的(de)(de)钎料将金(jin)属(shu)化后的(de)(de)瓷件与金(jin)属(shu)进行连接的(de)(de)一(yi)种方(fang)法。相(xiang)当于把陶(tao)瓷与金(jin)属(shu)的(de)(de)封(feng)接转变为金(jin)属(shu)与金(jin)属(shu)的(de)(de)封(feng)接，工艺难(nan)度大(da)幅下降。

烧(shao)结金属粉(fen)末法(fa)

（1）金属化层制备(bei)

目前，金属化(hua)的方法(fa)主要有活(huo)化(hua)Mo-Mn法、物理气相沉(chen)积法和化学气相沉(chen)积法等，而活化Mo-Mn法是生产应用(yong)中(zhong)较为广泛(fan)的(de)一种金属化方(fang)法。

这种方法的机理是Mn在(zai)一定的温度下被氧化会(hui)与陶(tao)瓷(ci)基体发生固相反应，其(qi)中生成的玻璃相渗入Mo层(ceng)和陶瓷基体(ti)中，形成熔融体(ti)填(tian)充并(bing)润湿Mo的(de)(de)表(biao)面，当冷却后，熔融体(ti)在陶瓷(ci)(ci)与(yu)金(jin)属层(ceng)中形(xing)成过(guo)渡(du)层(ceng)，实(shi)现了(le)陶瓷(ci)(ci)与(yu)金(jin)属化层(ceng)的(de)(de)封接。

（2）金属(shu)化层表面镀Ni

通常，对(dui)于进行金属(shu)化处(chu)理后的陶瓷(ci)材料，大部分工艺会(hui)在金属(shu)化层上进行二次金属(shu)化处(chu)理，即镀Ni处理。镀(du)Ni是为了(le)改(gai)善后续(xu)的(de)钎料在金属(shu)化层上的(de)流动性，防止(zhi)钎料对(dui)金属(shu)化(hua)(hua)层的侵蚀(shi)作用，同时(shi)也(ye)能覆盖(gai)第(di)一(yi)次金属(shu)化(hua)(hua)过程中多(duo)孔的Mo层(ceng)，避免(mian)封(feng)接完成后(hou)造成封(feng)接强度(du)降(jiang)低。

常用的镀 Ni 方式(shi)有电(dian)镀(du)和(he)化学镀(du)两种。

（3）金属化陶瓷与金属的(de)封(feng)接

金(jin)属化(hua)后陶(tao)瓷(ci)与金(jin)属体的封接时所(suo)用钎料主要(yao)是 Ag-Cu 钎料，当(dang)其(qi)含量(liang)为(wei) Ag₇₂Cu₂₈时对(dui) Cu、Ni 的润湿性(xing)和流(liu)动性(xing)较好，不含有(you)挥发性(xing)和易被(bei)氧化元素，且加工(gong)性(xing)能(neng)好，易加工(gong)成片(pian)、箔、板、丝等各种形(xing)状，通常(chang)其焊接温(wen)度(du)在 800 ℃左(zuo)右。

2.活性金属钎焊法

活(huo)性金(jin)属钎焊法(Active Metal Brazing, AMB)是(shi)在钎料中加(jia)入活性元素，通过化学反应在陶瓷表(biao)面形成反应层，提高(gao)钎(qian)料在(zai)陶(tao)瓷表面的(de)(de)(de)润(run)湿(shi)性，从而进行(xing)陶(tao)瓷与金属间的(de)(de)(de)化学接(jie)合。这种方法(fa)由于过(guo)程(cheng)在(zai)一次升温(wen)中完成(cheng)，操作(zuo)简单、时间周期短、封接(jie)性能(neng)好并且对陶(tao)瓷的(de)(de)(de)适(shi)用范围(wei)广，所(suo)以目前(qian)在(zai)国内(nei)外发展较快(kuai)，成(cheng)为了电子器件(jian)中常(chang)用的(de)(de)(de)一种方法(fa)。

通常采用的(de)活性元(yuan)素(su)为过渡区间的(de)金属(shu)元(yuan)素(su)如 Ti、Zr、Hf 等(deng)，具有很强的化(hua)学活性，且与Cu、Ni、Ag-Cu等(deng)金属(shu)形(xing)成的(de)液态合(he)金容易与陶(tao)瓷表面发生反应且可(ke)以(yi)很好地润(run)湿各种金属(shu)。在金属(shu)与陶(tao)瓷的(de)钎(qian)焊过程中(zhong)常选用的(de)钎(qian)料(liao)为Ag-Cu 低共融合金钎(qian)料，其属于高温(wen)预成型焊(han)料，其钎(qian)焊(han)温(wen)度高、焊(han)接强度大、有适宜的(de)(de)熔点、良好的(de)(de)导(dao)电性、较高的(de)(de)强度和塑(su)性、加(jia)工性能好、在介质中(zhong)抗腐蚀(shi)性也较好。

Si₃N₄和AlN等非(fei)氧化物陶瓷基板覆铜在生产中广泛采用AMB工艺。

活性金属钎(qian)焊法

3.陶(tao)瓷基板(ban)直接覆铜法(fa)

铜材可分为纯铜、无氧铜等(deng)，由(you)于无氧铜无氢脆现象，导电率高，加工性能和焊接性能、耐腐蚀性能和低温性能均好，因(yin)而(er)常被(bei)选(xuan)作金属(shu)陶瓷(ci)的封接材料(liao)。

目前，国(guo)内(nei)较为常见(jian)的陶瓷基(ji)板材料有Al₂O₃、AlN和Si₃N4陶瓷(ci)基(ji)板，基(ji)板覆(fu)铜的具(ju)体(ti)(ti)工艺因(yin)陶瓷(ci)材料(liao)的种类不同而有所差异，对于Al₂O₃陶(tao)瓷基板主(zhu)要采用直接覆铜工艺(yi)(Direct Bonded Copper，DBC)，AlN陶瓷基(ji)板可采用DBC或AMB工艺，Si₃N4陶瓷基(ji)板在生产中较为广泛使用(yong)的(de)是AMB工艺。

直接覆铜法

这种工艺是在高温(wen)和一定的(de)氧分压条件下，使Cu表面氧化(hua)生成共晶液相润(run)湿陶瓷基底和Cu，高温下发生化学反应(ying)在(zai)铜(tong)与陶瓷(ci)之间(jian)形(xing)成一层(ceng)很薄的过渡层(ceng)，即实现金(jin)属与陶瓷的(de)连接(jie)。

氧化铝陶(tao)瓷基板直接覆铜(tong)是非常成熟的工艺，而AlN直接(jie)覆铜由于与Cu的润湿性极(ji)差，通(tong)常采用通(tong)过高温氧化(hua)处理，在表面生(sheng)成(cheng)结构均匀且附着牢固的Al₂O₃层的方式。

4.陶瓷与金属连接的其它方法

（1）机(ji)械连接

机械连接(jie)(jie)(jie)常见的(de)有栓接(jie)(jie)(jie)和(he)热(re)套等(deng)，通常用(yong)于结构陶瓷。栓接(jie)(jie)(jie)方法简(jian)单且接(jie)(jie)(jie)头可进行拆卸，但是(shi)其接(jie)(jie)(jie)头处无(wu)气密性等(deng)，以(yi)至于其无(wu)法较好应用(yong)在精密器(qi)件(jian)中。热(re)套则是(shi)利用(yong)陶瓷与金属的(de)热(re)膨胀性能的(de)差异而组合(金属加(jia)热(re)时较大(da)膨胀，冷却时收缩，金属的(de)收缩大(da)于陶瓷)。

（2）固相扩散连(lian)接

这种方法(fa)是(shi)在惰(duo)性气氛或真空环境(jing)中(zhong)，通(tong)过(guo)(guo)高温和压(ya)力(li)的作(zuo)用，首先使待接(jie)面局部发生塑性变形(xing)，促使氧化(hua)膜破碎分解，为原(yuan)子扩(kuo)(kuo)散(san)创造条(tiao)件(jian)，通(tong)过(guo)(guo)原(yuan)子间的扩(kuo)(kuo)散(san)或化(hua)学反应形(xing)成(cheng)反应层，从而实(shi)现连接(jie)。

目前，国内(nei)在应(ying)用HIP扩散焊(han)接(jie)方面取(qu)得许多(duo)进步，其产品应(ying)用在航空航天、电(dian)力电(dian)子和(he)新(xin)能源(yuan)等各大领(ling)域，例如粒子加速器的冲击管(guan), 由外(wai)部镀铜的氧(yang)化铝(lv)和前沿钎(qian)焊的金属(shu)法兰盘(pan)组成，以(yi)及由氧(yang)化铝(lv)绝缘管(guan)与金属(shu)法兰盘(pan)焊接成的真空绝缘子等。

固(gu)相扩散连接陶瓷-金属器件(jian)

（3）自蔓延(yan)连接

这(zhei)种(zhong)方法是(shi)利(li)用自蔓延合成反(fan)应(ying)(ying)的(de)(de)放(fang)热和产(chan)物(wu)(wu)来连接待(dai)焊(han)母材(cai)的(de)(de)技术(shu)，反(fan)应(ying)(ying)热为(wei)高(gao)温热源，产(chan)物(wu)(wu)为(wei)焊(han)料，为(wei)解决两(liang)种(zhong)材(cai)料间(jian)的(de)(de)热膨胀系数和弹(dan)性模量不匹配的(de)(de)问题，连接过程中常用反应原料(liao)(liao)直接合成梯度材料(liao)(liao)，其成(cheng)分(fen)组织逐(zhu)渐过(guo)渡(du)，从(cong)而缓解接(jie)头处的残余应力。

此方法能(neng)耗低、生(sheng)产效率(lv)高，但(dan)由(you)于反(fan)应速度极快，焊料燃烧时间不易控制，导(dao)致界面反(fan)应控制困难。目前，国内(nei)主要针对TiC陶瓷(ci)与Ni以及TiAl合金之(zhi)间的(de)自蔓(man)延反应(ying)进行(xing)了相关研(yan)究。

总结

陶瓷(ci)与金(jin)属(shu)连接件(jian)(jian)广泛用于电力电子(zi)(zi)领(ling)域、微波射频(pin)与微波通(tong)讯、新(xin)能源汽车、IGBT、及LED封装(zhuang)领(ling)域等，随着(zhe)电子(zi)(zi)元器(qi)件(jian)(jian)的功率及封装(zhuang)集成度的不断增大，高性能陶瓷(ci)基(ji)板金(jin)属(shu)化已成为研究热点之一。

而(er)目前每种(zhong)方(fang)法都(dou)有(you)其自身的(de)优(you)点和局(ju)限(xian)性，甚至有(you)些方(fang)法还(hai)处于实验研究阶段，一时还(hai)难(nan)以实用(yong)化(hua)，国内(nei)在陶瓷(ci)与金属的(de)连接的(de)工(gong)艺(yi)开发和工(gong)程应用(yong)方(fang)面仍旧有(you)不少难(nan)关需要突破。

参(can)考来源：

1.浅谈新(xin)能源汽(qi)车用先进陶瓷继电器产品(pin)开发(fa)与关键技术，杨倩、阎蛇民（咸(xian)阳陶瓷研究设计院(yuan)有限公司）；

2.陶瓷与(yu)金属(shu)连接的研究及应(ying)用(yong)进展，范(fan)彬(bin)彬(bin)、赵林、谢志鹏(1. 景德镇陶瓷大学(xue)，材(cai)料(liao)(liao)科学(xue)与(yu)工(gong)程学(xue)院(yuan)；2.清(qing)华(hua)大学(xue)，材(cai)料(liao)(liao)学(xue)院(yuan)，新(xin)型陶瓷与(yu)精细工(gong)艺国家重点实验室）。

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