景德鎮(zhèn)創(chuàng)佳航空特種陶瓷有限公司

陶瓷，通常被稱為無(wú)機(jī)非金屬材料，可以看出人們直接將陶瓷定位在金屬的反面，畢竟它們的性能差異很大。但是它們各自的優(yōu)勢(shì)太突出了，所以在很多情況下，需要將陶瓷和金屬結(jié)合起來(lái)才能顯示出各自的優(yōu)勢(shì)，從而誕生了一項(xiàng)非常重要的技術(shù)——陶瓷金屬化技術(shù)。多年來(lái)，陶瓷金屬化一直是一個(gè)熱門話題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了深入的研究。

特別是隨著5G時(shí)代的到來(lái)，半導(dǎo)體芯片的功率越來(lái)越大，輕量化、高集成度的發(fā)展趨勢(shì)越來(lái)越明顯，散熱的重要性也越來(lái)越突出，這無(wú)疑對(duì)封裝散熱材料提出了更嚴(yán)格的要求。在電力電子元件的封裝結(jié)構(gòu)中，封裝基板作為承上啟下、保持內(nèi)外電路導(dǎo)通的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，具有散熱和機(jī)械支撐的功能。陶瓷作為一種新型的電子散熱封裝材料，具有與芯片匹配的高導(dǎo)熱、絕緣、耐熱、強(qiáng)度和熱膨脹系數(shù)，是電力電子元器件的理想封裝材料。

陶瓷在電路中使用時(shí)，必須先金屬化，即在陶瓷表面涂上一層與陶瓷結(jié)合牢固、不易熔化的金屬薄膜，使其導(dǎo)電，然后通過(guò)焊接技術(shù)與金屬引線或其他金屬導(dǎo)電層連接成一體。

金屬化是陶瓷-金屬封接工藝中的一步，影響最終的封接效果。

一：陶瓷與金屬焊接的難點(diǎn)

1、陶瓷的線膨脹系數(shù)較小，而金屬的線膨脹系數(shù)相對(duì)較大，導(dǎo)致接頭開裂。一般要處理好金屬夾層的熱應(yīng)力。

2、陶瓷導(dǎo)熱系數(shù)低，抗熱震性弱。焊接時(shí)，盡量減小焊接位置及其周圍的溫度梯度，控制焊后冷卻速度。

3、大多數(shù)陶瓷的導(dǎo)電性很差，甚至沒有導(dǎo)電性，因此很難使用電焊。因?yàn)樘沾刹牧暇哂蟹€(wěn)定的電子配位，不可能將金屬和陶瓷連接起來(lái)。需要陶瓷金屬化或活性焊料釬焊。

4、由于陶瓷材料多為共價(jià)晶體，不易變形，經(jīng)常發(fā)生脆性斷裂。目前，中間層多用于降低焊接溫度，焊接采用間接擴(kuò)散法。

5、陶瓷-金屬焊接的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不同于普通焊接，通常分為平密封結(jié)構(gòu)、套筒密封結(jié)構(gòu)、針密封結(jié)構(gòu)和相對(duì)密封結(jié)構(gòu)，其中套筒密封結(jié)構(gòu)這些接頭結(jié)構(gòu)制造要求高。

二：陶瓷金屬化處理

陶瓷金屬化的機(jī)理是復(fù)雜的，涉及到幾種化學(xué)和物理反應(yīng)、物質(zhì)的塑性流動(dòng)、粒子重排等。金屬化層中的氧化物、非金屬氧化物等各種物質(zhì)在不同的燒結(jié)階段經(jīng)歷不同的化學(xué)反應(yīng)和擴(kuò)散遷移。隨著溫度的升高，所有物質(zhì)反應(yīng)生成中間化合物，達(dá)到共同熔點(diǎn)時(shí)，形成液相。液態(tài)玻璃具有一定的粘度，同時(shí)產(chǎn)生塑性流動(dòng)。之后粒子在毛細(xì)作用下重新排列，原子或分子在表面能的驅(qū)動(dòng)下擴(kuò)散遷移。晶粒長(zhǎng)大，孔隙逐漸縮小消失，從而實(shí)現(xiàn)金屬化層的致密化。

三：陶瓷金屬化工藝

陶瓷金屬化的工藝流程包括：

第一步：基體預(yù)處理。采用金剛石研磨膏將無(wú)壓燒結(jié)的陶瓷拋至光學(xué)平滑，保證表面粗糙度≤1.6µm，將基材放入酒精中，超聲波常溫清洗20min。

第二步：金屬化漿料配制。按照金屬化配方稱量原料，球磨一定時(shí)間后制成一定粘度的金屬化漿料。

第三步：涂料、烘干。利用絲網(wǎng)印刷技術(shù)在陶瓷基體上涂上漿料，漿料厚度要適宜，太薄焊料易流入金屬化層，太厚不利于組分遷移，然后將上漿后的基體在烘箱中干燥。

第四步：熱處理。將烘干后的基體放入還原性氣氛中燒結(jié)形成金屬化層。