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鄒小姐：13326633089 -
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陶瓷與金屬的連接件在新能源汽車、電子電氣、半導(dǎo)體封裝和 IGBT 模塊等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，其產(chǎn)品主要有主要有陶瓷結(jié)構(gòu)件和陶瓷基板，因市場需求的增大和新材料的不斷涌現(xiàn)，諸如陶瓷繼電器、陶瓷密封連接器、陶瓷基板等系列產(chǎn)品大規(guī)模實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，因此，具有高強度、高氣密性、高可靠性的陶瓷與金屬的封接工藝至關(guān)重要。
供應(yīng)新能源領(lǐng)域陶瓷零件電動汽車專用陶瓷繼電器
高導(dǎo)熱陶瓷基板的應(yīng)用離不開金屬化，在國際上，以德國賀利氏(Heraeus)集團公司為主生產(chǎn)高性能的DCB-Al2O3（直接鍵合銅的Al2O3陶瓷基板）和AMB-Si3N4（活性金屬釬焊工藝的Si3N4陶瓷基板）、日本京瓷(Kyocera)作為世界500 強企業(yè)和全球最大的高技術(shù)陶瓷公司，代表產(chǎn)品有大功率的LED用陶瓷封裝殼等，這些都離不開陶瓷與金屬的封接。
陶瓷與金屬封接的難點
實現(xiàn)陶瓷與金屬之間的可靠連接是推進陶瓷材料應(yīng)用的關(guān)鍵，陶瓷與金屬的封接工藝中最大的難點是陶瓷和金屬的熱膨脹系數(shù)相差較大，在連接完成后，封接界面處會產(chǎn)生較大殘余應(yīng)力，降低了接頭強度。另外金屬陶瓷封接是以金屬釬焊技術(shù)為基礎(chǔ)而發(fā)展起來的，但與金屬和金屬的釬焊不同的是，焊料不能浸潤陶瓷表面，因而也就不能直接將陶瓷與金屬連接起來。
良好的陶瓷與金屬封接，其封接處應(yīng)滿足如下要求：
1．具有良好的真空氣密性，印使在高溫時也不應(yīng)喪失；
2．具有一定的機械強度；
3．在長時間高于工作溫度的條件下，其電氣性能與機械性能應(yīng)保持不變；
4．能承受住急劇的溫度變化；
5．工藝簡單，適于成批生產(chǎn)；
6．封接處尺寸的公差應(yīng)很小。
陶瓷封接技術(shù)類型
幾十年來，國內(nèi)外先后在擴散連接、釬焊連接和活性連接等工藝上做了許多探索。目前，陶瓷與金屬連接較為廣泛采用的方法主要為釬焊連接技術(shù)，其產(chǎn)品性能穩(wěn)定、工藝可靠性高、生產(chǎn)成本合理。以下主要介紹目前國內(nèi)外陶瓷與金屬連接中所廣泛采用的釬焊工藝和陶瓷基板覆銅工藝。
1. 燒結(jié)金屬粉末法
燒結(jié)金屬粉末法是指在特定的溫度和氣氛中，先將陶瓷表面進行金屬化處理，從而使得瓷件帶有金屬性質(zhì)，繼而用熔點比母材低的釬料將金屬化后的瓷件與金屬進行連接的一種方法。相當(dāng)于把陶瓷與金屬的封接轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘倥c金屬的封接，工藝難度大幅下降。
燒結(jié)金屬粉末法
（1）金屬化層制備
目前，金屬化的方法主要有活化Mo-Mn法、物理氣相沉積法和化學(xué)氣相沉積法等，而活化Mo-Mn法是生產(chǎn)應(yīng)用中較為廣泛的一種金屬化方法。
這種方法的機理是Mn在一定的溫度下被氧化會與陶瓷基體發(fā)生固相反應(yīng)，其中生成的玻璃相滲入Mo層和陶瓷基體中，形成熔融體填充并潤濕Mo的表面，當(dāng)冷卻后，熔融體在陶瓷與金屬層中形成過渡層，實現(xiàn)了陶瓷與金屬化層的封接。
（2）金屬化層表面鍍Ni
通常，對于進行金屬化處理后的陶瓷材料，大部分工藝會在金屬化層上進行二次金屬化處理，即鍍Ni處理。鍍Ni是為了改善后續(xù)的釬料在金屬化層上的流動性，防止釬料對金屬化層的侵蝕作用，同時也能覆蓋第一次金屬化過程中多孔的Mo層，避免封接完成后造成封接強度降低。
常用的鍍 Ni 方式有電鍍和化學(xué)鍍兩種。
（3）金屬化陶瓷與金屬的封接
金屬化后陶瓷與金屬體的封接時所用釬料主要是 Ag-Cu 釬料，當(dāng)其含量為 Ag72Cu28時對 Cu、Ni 的潤濕性和流動性較好，不含有揮發(fā)性和易被氧化元素，且加工性能好，易加工成片、箔、板、絲等各種形狀，通常其焊接溫度在 800 ℃左右。
2.活性金屬釬焊法
活性金屬釬焊法(Active Metal Brazing, AMB)是在釬料中加入活性元素，通過化學(xué)反應(yīng)在陶瓷表面形成反應(yīng)層，提高釬料在陶瓷表面的潤濕性，從而進行陶瓷與金屬間的化學(xué)接合。這種方法由于過程在一次升溫中完成，操作簡單、時間周期短、封接性能好并且對陶瓷的適用范圍廣，所以目前在國內(nèi)外發(fā)展較快，成為了電子器件中常用的一種方法。
通常采用的活性元素為過渡區(qū)間的金屬元素如 Ti、Zr、Hf 等，具有很強的化學(xué)活性，且與Cu、Ni、Ag-Cu等金屬形成的液態(tài)合金容易與陶瓷表面發(fā)生反應(yīng)且可以很好地潤濕各種金屬。在金屬與陶瓷的釬焊過程中常選用的釬料為Ag-Cu 低共融合金釬料，其屬于高溫預(yù)成型焊料，其釬焊溫度高、焊接強度大、有適宜的熔點、良好的導(dǎo)電性、較高的強度和塑性、加工性能好、在介質(zhì)中抗腐蝕性也較好。
Si3N4和AlN等非氧化物陶瓷基板覆銅在生產(chǎn)中廣泛采用AMB工藝。
活性金屬釬焊法
3.陶瓷基板直接覆銅法
銅材可分為純銅、無氧銅等，由于無氧銅無氫脆現(xiàn)象，導(dǎo)電率高，加工性能和焊接性能、耐腐蝕性能和低溫性能均好，因而常被選作金屬陶瓷的封接材料。
目前，國內(nèi)較為常見的陶瓷基板材料有Al2O3、AlN和Si3N4陶瓷基板，基板覆銅的具體工藝因陶瓷材料的種類不同而有所差異，對于Al2O3陶瓷基板主要采用直接覆銅工藝(Direct Bonded Copper，DBC)，AlN陶瓷基板可采用DBC或AMB工藝，Si3N4陶瓷基板在生產(chǎn)中較為廣泛使用的是AMB工藝。
直接覆銅法
這種工藝是在高溫和一定的氧分壓條件下，使Cu表面氧化生成共晶液相潤濕陶瓷基底和Cu，高溫下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)在銅與陶瓷之間形成一層很薄的過渡層，即實現(xiàn)金屬與陶瓷的連接。
氧化鋁陶瓷基板直接覆銅是非常成熟的工藝，而AlN直接覆銅由于與Cu的潤濕性極差，通常采用通過高溫氧化處理，在表面生成結(jié)構(gòu)均勻且附著牢固的Al2O3層的方式。
4.陶瓷與金屬連接的其它方法
（1）機械連接
機械連接常見的有栓接和熱套等，通常用于結(jié)構(gòu)陶瓷。栓接方法簡單且接頭可進行拆卸，但是其接頭處無氣密性等，以至于其無法較好應(yīng)用在精密器件中。熱套則是利用陶瓷與金屬的熱膨脹性能的差異而組合(金屬加熱時較大膨脹，冷卻時收縮，金屬的收縮大于陶瓷)。
（2）固相擴散連接
這種方法是在惰性氣氛或真空環(huán)境中，通過高溫和壓力的作用，首先使待接面局部發(fā)生塑性變形，促使氧化膜破碎分解，為原子擴散創(chuàng)造條件，通過原子間的擴散或化學(xué)反應(yīng)形成反應(yīng)層，從而實現(xiàn)連接。
目前，國內(nèi)在應(yīng)用HIP擴散焊接方面取得許多進步，其產(chǎn)品應(yīng)用在航空航天、電力電子和新能源等各大領(lǐng)域，例如粒子加速器的沖擊管, 由外部鍍銅的氧化鋁和前沿釬焊的金屬法蘭盤組成，以及由氧化鋁絕緣管與金屬法蘭盤焊接成的真空絕緣子等。
固相擴散連接陶瓷-金屬器件
（3）自蔓延連接
這種方法是利用自蔓延合成反應(yīng)的放熱和產(chǎn)物來連接待焊母材的技術(shù)，反應(yīng)熱為高溫?zé)嵩?，產(chǎn)物為焊料，為解決兩種材料間的熱膨脹系數(shù)和彈性模量不匹配的問題，連接過程中常用反應(yīng)原料直接合成梯度材料，其成分組織逐漸過渡，從而緩解接頭處的殘余應(yīng)力。
此方法能耗低、生產(chǎn)效率高，但由于反應(yīng)速度極快，焊料燃燒時間不易控制，導(dǎo)致界面反應(yīng)控制困難。目前，國內(nèi)主要針對TiC陶瓷與Ni以及TiAl合金之間的自蔓延反應(yīng)進行了相關(guān)研究。
總結(jié)
陶瓷與金屬連接件廣泛用于電力電子領(lǐng)域、微波射頻與微波通訊、新能源汽車、IGBT、及LED封裝領(lǐng)域等，隨著電子元器件的功率及封裝集成度的不斷增大，高性能陶瓷基板金屬化已成為研究熱點之一。
而目前每種方法都有其自身的優(yōu)點和局限性，甚至有些方法還處于實驗研究階段，一時還難以實用化，國內(nèi)在陶瓷與金屬的連接的工藝開發(fā)和工程應(yīng)用方面仍舊有不少難關(guān)需要突破。
參考來源：
1.淺談新能源汽車用先進陶瓷繼電器產(chǎn)品開發(fā)與關(guān)鍵技術(shù)，楊倩、閻蛇民（咸陽陶瓷研究設(shè)計院有限公司）；
2.陶瓷與金屬連接的研究及應(yīng)用進展，范彬彬、趙林、謝志鵬(1. 景德鎮(zhèn)陶瓷大學(xué)，材料科學(xué)與工程學(xué)院；2.清華大學(xué)，材料學(xué)院，新型陶瓷與精細(xì)工藝國家重點實驗室）。
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