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是什么技术让陶瓷与金属实现“强强联合”?

陶瓷块 DBC 基板

陶瓷通常被称为无机非金属材料。由此可见,人们直接将陶瓷置于金属的对立面。毕竟,两者的性能截然不同。但两者优势过于突出,很多时候需要将陶瓷与金属结合起来,各显其长,于是陶瓷金属化技术应运而生。

尤其随着5G时代的到来,半导体芯片功率不断提升,轻薄化、高集成化的发展趋势愈加明显,散热的重要性也日益凸显。这无疑对封装散热材料提出了更为严苛的要求。在电力电子元件封装结构中,封装基板作为连接上下层、保持内外电路连通的关键环节,兼具散热、机械支撑等功能。陶瓷作为一种新兴的电子散热封装材料,具有导热性好、绝缘性强、耐热性好、强度高、热膨胀系数与芯片匹配等诸多优势,是电力电子元件理想的封装散热材料。

用于电路的陶瓷首先必须进行金属化处理。在陶瓷表面需涂覆一层金属膜,使其导电,然后与金属引线或其他金属导电层焊接,使其连接成为一体。

陶瓷-金属封接工艺中最重要的一步是金属化,其质量影响最终的封接效果。

陶瓷与金属焊接的难点
1. 陶瓷的线膨胀系数较小,而金属的线膨胀系数较大,容易导致接头开裂。通常需要处理好金属中间层的热应力。
2. 陶瓷本身导热系数低,抗热震性差。焊接时,必须降低焊接温度并控制焊后冷却速度。
3. 大多数陶瓷的导电性较差,甚至不导电,难以采用电焊。
4. 由于陶瓷材料稳定的电子配位,金属与陶瓷之间的连接不易实现。需要对陶瓷进行金属化或使用活性钎料进行钎焊。
5. 由于陶瓷材料多为共价晶体,不易变形,常发生脆性断裂。目前多采用中间层降低焊接温度,并采用间接扩散法进行焊接。
6. 陶瓷与金属焊接的结构设计与普通焊接不同,通常分为平封结构、套筒结构、针封结构和双封结构。套筒结构效果最佳,此类接头结构的制作要求很高。

陶瓷金属化机理
陶瓷金属化机理较为复杂,涉及多种化学物理反应、物质的塑性流动以及颗粒重排。金属化层中的各种物质,例如氧化物和非金属氧化物,在不同的烧结阶段会发生不同的化学反应以及物质的扩散迁移。随着温度升高,各物质发生反应生成中间化合物,当达到共同熔点时,形成液相。液相玻璃相具有一定的粘度,同时产生塑性流动。随后,在毛细作用下,颗粒重新排列。在能量驱动下,原子或分子发生扩散迁移,晶粒长大,孔隙逐渐缩小直至消失,金属化层致密化。

陶瓷金属化工艺
1. 基体预处理。
2. 金属化浆料制备。
3. 涂覆与干燥。
4. 热处理。

陶瓷金属化的具体方法
1. 钼锰法
2. 活化钼锰法
3. 活性金属钎焊
4. 直接敷铜 (DBC)
5. 磁控溅射

陶瓷金属化的影响因素
1. 金属化配方
2. 金属化温度及保温时间
3. 金属化层微观结构
4. 其他因素

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