陶瓷金屬化研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

秦典成，李保忠，肖永龍

（樂健科技（珠海）有限公司，廣東省LED封裝散熱基板工程技術(shù)研究中心，廣東 珠海 519180）

陶瓷金屬化研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

秦典成，李保忠，肖永龍

（樂健科技（珠海）有限公司，廣東省LED封裝散熱基板工程技術(shù)研究中心，廣東 珠海 519180）

陶瓷作為一種導(dǎo)熱率較高的新興散熱材料，在大功率電子元器件封裝散熱領(lǐng)域優(yōu)勢(shì)凸顯。陶瓷表面金屬化是陶瓷基板在功率型電子封裝領(lǐng)域獲得實(shí)際應(yīng)用的重要環(huán)節(jié)，且金屬化層的好壞將直接影響到功率型電子元器件的可靠性與使用壽命。本文在查閱并參考國(guó)內(nèi)外權(quán)威文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)論述了陶瓷作為高導(dǎo)熱的散熱基板材料，其表面金屬化的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)。并著重介紹了陶瓷金屬化的新工藝及在其它領(lǐng)域的新應(yīng)用。

陶瓷；基板；封裝；高導(dǎo)熱；金屬化

0 引 言

隨著半導(dǎo)體芯片功率不斷增加，輕型化和高集成度的發(fā)展趨勢(shì)日益明顯，散熱問題的重要性也越來越突出，這無疑對(duì)封裝散熱材料提出了更為嚴(yán)苛的要求。在功率型電子元器件的封裝結(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)，兼有散熱和機(jī)械支撐等功能。陶瓷作為新興的電子散熱封裝材料，具備較高的導(dǎo)熱性、絕緣性、耐熱性、強(qiáng)度以及與芯片匹配的熱膨脹系數(shù)[1-2]，是功率型電子元器件理想的封裝散熱材料。因涉及到內(nèi)外電路連接問題，陶瓷表面金屬化是陶瓷材料在功率型電子元器件封裝中獲得實(shí)際應(yīng)用的重要環(huán)節(jié)。

目前，國(guó)內(nèi)外的研究者對(duì)陶瓷表面金屬化展開了深入的研究，雖然取得了一定的成果，但仍存在著不少懸而未決的問題。本文從國(guó)內(nèi)外陶瓷表面金屬化的最新研究動(dòng)態(tài)出發(fā)，詳細(xì)介紹了近年來陶瓷金屬化的研究、應(yīng)用及發(fā)展?fàn)顩r，旨在為陶瓷金屬化研究提供初步的理論及技術(shù)參考。

1 研究現(xiàn)狀

因液態(tài)金屬在陶瓷表面的潤(rùn)濕角較大，不易對(duì)陶瓷形成有效潤(rùn)濕。因此，直接將二者進(jìn)行有效結(jié)合頗為困難[3-4]。目前，國(guó)內(nèi)外的研究者在尋求增強(qiáng)金屬對(duì)陶瓷表面潤(rùn)濕性的前提下，對(duì)陶瓷表面金屬化開展了大量的研究工作，大致涵蓋了陶瓷金屬化機(jī)理、組織結(jié)構(gòu)、物理性能、新工藝及應(yīng)用推廣等領(lǐng)域。

1.1 金屬化機(jī)理

因陶瓷與金屬是兩種物理化學(xué)性質(zhì)截然不同的材料，晶體晶格參數(shù)也不盡不同，強(qiáng)度、脆性及熔點(diǎn)差異過大，所以在陶瓷表面有效實(shí)施金屬化頗為困難。具體表現(xiàn)為[5]：①陶瓷內(nèi)部是離子鍵、共價(jià)鍵及二者的混合所組成，金屬則是由金屬鍵所構(gòu)成。二者之間難以發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致金屬難以在陶瓷表面形成有效潤(rùn)濕。②金屬不易在陶瓷表面進(jìn)行有效擴(kuò)散，二者難以固溶。③二者的熱膨脹系數(shù)及導(dǎo)熱率相差過大，導(dǎo)致金屬化的過程中，二者的結(jié)合面往往存在著較大的殘余應(yīng)力。在陶瓷表面實(shí)施金屬化時(shí)，二者交界面的過渡層就成了研究者的關(guān)注焦點(diǎn)。過渡層可以事先由外部引入，也可以在金屬化過程中逐漸形成，其目的均在于同時(shí)與陶瓷和金屬發(fā)生作用，實(shí)現(xiàn)二者的結(jié)合。

目前的研究發(fā)現(xiàn)，過渡層對(duì)金屬化過程起著決定性的作用。針對(duì)不同金屬化方法，其機(jī)理各有不同。其主要觀點(diǎn)有[6-13]：(1)活性元素分別與陶瓷和導(dǎo)電層的原子發(fā)生較強(qiáng)的鍵合作用機(jī)制。如張珊珊等利用大功率等離子體濺射沉積和電鍍技術(shù)成功制備了具有不同過渡層的Al2O3和AlN陶瓷覆銅板，發(fā)現(xiàn)中間層所含活性元素與陶瓷和導(dǎo)電層的原子發(fā)生強(qiáng)鍵合作用是大幅度提高金屬化層結(jié)合力與可靠性的基礎(chǔ)。(2)過渡層的空位集中及電子交互反應(yīng)機(jī)制。如Philipp I. Vysikaylo等利用等離子體技術(shù)在BeO陶瓷表面獲得了金屬化層，指出在等離子熱活化過程中，過渡層的空位集中及電子交互反應(yīng)是陶瓷表面金屬化的基礎(chǔ)。(3)玻璃相在毛細(xì)管力作用下的遷移機(jī)制。如蔡安富等[7]利用Mo、Mn、Al2O3等料粉配制出MnO-Al2O3-SiO2金屬化膏并利用共燒法對(duì)陶瓷進(jìn)行金屬化，發(fā)現(xiàn)陶瓷中的某些物質(zhì)(Ca、Mg、Si)形成了玻璃相，在毛細(xì)管力的作用下遷移進(jìn)入金屬化層，潤(rùn)濕Mo顆粒促進(jìn)其燒結(jié)，同時(shí)與別的物質(zhì)形成新的玻璃相填充鉬骨架，使陶瓷與金屬化層形成致密的牢固聯(lián)結(jié)。(4)金屬原子溶解機(jī)制。如Zhiqin Zheng等利用絲網(wǎng)印刷工藝在Al2O3陶瓷表面制備了銀層，認(rèn)為電子漿料中的Ag原子擴(kuò)散后與玻璃粉發(fā)生反應(yīng)并在陶瓷表面形成了網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，并因此而增加了靠近陶瓷表面的玻璃粉中Ag原子的溶度。Ag原子的高溶解度以及玻璃粉的低粘度是陶瓷基板獲得較低表面電阻率及較高金屬化層結(jié)合力的原因。

1.2 組織結(jié)構(gòu)

目前的研究主要集中在利用不同的金屬化方法，在指定的工藝參數(shù)下，研究過渡層的微觀組織結(jié)構(gòu)與金屬化層物理性能之間的關(guān)系。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，過渡層通常由反應(yīng)層、中間相、共晶組織及金屬間化合物等所構(gòu)成，這些微觀組織結(jié)構(gòu)的形貌及分布往往決定著過渡層的物理性能(結(jié)合力、潤(rùn)濕性、介電常數(shù)、可靠性等)[14-22]。

Pengfei Zhang等[14]利用絲網(wǎng)印刷工藝在AlN表面沉積了銅薄膜，在過渡層上發(fā)現(xiàn)了反應(yīng)相Cu2O及中間相CuAlO2、CuAl2O4)，并探討得出二者之間的結(jié)合力受反應(yīng)相的影響較大，而中間相的存在有助于提升二者之間結(jié)合力的論斷。任偉等[15]在對(duì)Al2O3陶瓷表面活性化處理之后，利用高頻感應(yīng)釬焊技術(shù)并使用Al-Si釬料將其與5005鋁合金進(jìn)行焊接，在600 ℃下保溫1 min，在鋁合金一側(cè)發(fā)現(xiàn)有由團(tuán)狀α-Al與晶間滲入的Al-Ag-Cu所構(gòu)成的共晶組織存在，并在團(tuán)狀α-Al上發(fā)現(xiàn)了板條狀的初晶硅，而在Al2O3陶瓷一側(cè)則存在著呈彌散分布的Al-Si過共晶組織，且研究稱Ti3Cu3O反應(yīng)層的形成是實(shí)現(xiàn)Al2O3陶瓷與5005鋁合金可靠連接的關(guān)鍵。R.K.SHIUE等[19]采用紅外釬焊技術(shù)，利用Ag-Cu-Ti活性銅焊合金在Al2O3表面成功制備出金屬薄膜。在反應(yīng)層發(fā)現(xiàn)了Ti3(Cu，Al)3O金屬間化合物及大量鋁，并發(fā)現(xiàn)此類金屬間化合物及Al原子對(duì)早期的潤(rùn)濕行為起著非常重要的作用。Frank Steinh?u?er[22]等通過對(duì)LTCC陶瓷表面的形貌進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn)，陶瓷表面孔的垂直分布情況對(duì)后續(xù)金屬化影響較大，通過增加陶瓷表面氣孔數(shù)量雖然可降低介電常數(shù)，但同時(shí)也會(huì)造成陶瓷表面形貌的改變，對(duì)后續(xù)金屬化將產(chǎn)生不良影響。

1.3 物理性能

可靠的物理性能是金屬化陶瓷在功率型電子元器件上獲得導(dǎo)熱應(yīng)用的前提條件。目前，金屬化層物理性能方面的研究包括如下幾方面[10,23-35]：(1)金屬與陶瓷間的抗拉強(qiáng)度(結(jié)合力或附著力)、彎曲強(qiáng)度及剪切強(qiáng)度等；(2)金屬化后的熱穩(wěn)定性、介電常數(shù)及表面電阻率等；(3)電子器件的電器性能(非線性系數(shù)、壓敏電壓、漏電流)和機(jī)械性能等。

Zhiqin Zheng等[10]利用絲網(wǎng)印刷工藝在Al2O3陶瓷表面制備了金屬銀層，發(fā)現(xiàn)在600 ℃時(shí)燒結(jié)20 s可獲得最低的表面電阻率及最高的粘接強(qiáng)度。且經(jīng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35%的NaOH水溶液蝕刻后，表面電阻率及粘接強(qiáng)度仍然保持最佳值。J.ZIMMERMAN等[23]提出了一種金屬化過程中殘余應(yīng)力的有限元模擬計(jì)算模型，該模型分為動(dòng)態(tài)階段和靜態(tài)階段兩部分。動(dòng)態(tài)階段模擬單個(gè)金屬粒子對(duì)基板附著過程，靜態(tài)階段則是在指定沉積金屬厚度及自然冷卻至室溫的條件下模擬金屬沉積過程中層與層之間的非線性熱力學(xué)過程。研究表明，模擬所得結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值能夠很好的吻合。陶曄波等[25]人利用直流磁控濺射的方法在氧化鋅壓敏陶瓷表面實(shí)現(xiàn)了金屬化，并提出了通過鎳鉻／銅／銀三層電極膜系的結(jié)構(gòu)以達(dá)到改善金屬化層機(jī)械性能和電性能之目的的方法。與傳統(tǒng)通過絲印燒結(jié)銀漿獲得金屬化層的方法相比，直流磁控濺射法可使金屬化層結(jié)合力從9.7 MPa提高到13.9 MPa；電子元器件的漏電流降低了55%，壓敏電壓與非線性系數(shù)分別增加了5.6和45.5%。謝建軍等[27]通過直接敷銅(DBC)工藝，在AlN陶瓷基板表面制備Cu導(dǎo)電層，銅和AlN陶瓷基板間的結(jié)合強(qiáng)度超過了8 N/mm。隨著敷接溫度升高，Cu/AlN的界面結(jié)合力逐漸增大。Ravikumar Beeranur等[31]利用銅銀合金為釬料，在氧化鋁表面釬焊獲得了SS304鋼的金屬化層，發(fā)現(xiàn)金屬化層的最大剪切強(qiáng)度可達(dá)88±8 MPa，界面維氏硬度較陶瓷要低；FENGQUN LANG等[32]利用釬焊工藝在Si3N4基板表面制備了Cu薄膜，并在-40 ℃至300 ℃條件下研究了銅薄膜因應(yīng)力所導(dǎo)致的退化規(guī)律。發(fā)現(xiàn)經(jīng)3000個(gè)冷熱循環(huán)后，Cu薄膜與陶瓷未出現(xiàn)剝離現(xiàn)象。但是隨著冷熱循環(huán)次數(shù)的增加，Cu薄膜的變形程度及表面粗糙度逐漸加大。熱應(yīng)力可導(dǎo)致Cu薄膜開裂及氧化，且氧化深度可達(dá)到銅薄膜厚度的5/6，銅薄膜的變形是引起冷熱循環(huán)過程中金屬化層結(jié)合力下降的主要原因。Hiroyuki Miyazakia等[33]利用釬焊工藝在Si3N4表面制備了銅薄膜，并研究了-40 ℃至250 ℃條件下金屬化層的穩(wěn)定性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，經(jīng)歷100個(gè)冷熱循環(huán)后，0.3 mm的銅薄膜表面形成微裂紋。而0.15 mm的銅薄膜在經(jīng)歷1000個(gè)冷熱循環(huán)后無微裂紋產(chǎn)生。經(jīng)歷10個(gè)冷熱循環(huán)后，Si3N4基板殘余彎曲強(qiáng)度為剛開始的78%，而在1000個(gè)冷熱循環(huán)后，殘余彎曲強(qiáng)度為起始值的65%。

1.4 新工藝/方法

隨著陶瓷基板的應(yīng)用日益廣泛，金屬化技術(shù)得到了進(jìn)一步的發(fā)展，各種新方法也應(yīng)運(yùn)而生，如熱浸鍍鋁工藝、化學(xué)鍍工藝、振動(dòng)電鍍法等等[36-52]。

寧曉山[36]等采用熱浸鍍鋁工藝，將陶瓷插入熔融鋁液中定向移動(dòng)后移出，在陶瓷表面形成一層厚度為數(shù)微米的鋁膜。何宏慶等[37]首次將化學(xué)鍍Ni-B合金技術(shù)應(yīng)用于陶瓷金屬化領(lǐng)域，研究確定了更適合金屬化陶瓷的化學(xué)鍍還原劑，并制備出了穩(wěn)定可靠的Ni-B合金鍍層。姚陸通等[38]采用錳粉與95%氧化鋁粉配成膏劑涂敷于瓷面，在1550 ℃時(shí)焙燒1 h獲得結(jié)合力良好的金屬化層。朱東等[39]對(duì)陶瓷進(jìn)行金屬化預(yù)涂層處理，選用無脆性的鍍鎳工藝，在陶瓷表面獲得了耐高溫、耐高真空的厚鎳層。李景云等[40]利用細(xì)鉬粉對(duì)95%氧化鋁陶瓷表面進(jìn)行金屬化，采用涂鎳工藝和氨基磺酸鎳電鍍工藝，在保證鎳層質(zhì)量的同時(shí)，解決了細(xì)鉬粉使用過程中鎳層起泡問題，并進(jìn)一步降低一次金屬化燒結(jié)溫度。陳海芹等[41]提出了光催化化學(xué)鍍，發(fā)明了陶瓷真空管端面金屬化的制備新方法。黃超等[42]對(duì)氧化鋁陶瓷的配方、制造工藝和性能特點(diǎn)進(jìn)行了研究，獲得了物化性能優(yōu)異、金屬化燒結(jié)溫度較低的陶瓷基板。梁田等[43]采用熱壓燒結(jié)的方法制備出TiO2衰減瓷，并用Mo-Mn法及電鍍Ni的工藝流程對(duì)其實(shí)現(xiàn)金屬化，實(shí)現(xiàn)與無氧銅的牢固焊接。周增林等[44]采用鎢酸銨改性-熱解-氫氣還原-精細(xì)加工的工藝，制備了顆粒形貌為空心薄壁球形的“開桶即用”氮化鋁(AIN)陶瓷金屬化專用鎢粉，有效實(shí)現(xiàn)A1N陶瓷的金屬化并能提高產(chǎn)品質(zhì)量。彭文平等[45]針對(duì)固相反應(yīng)燒結(jié)法制備的Li2ZnTi3O8陶瓷材料燒結(jié)溫度較高，與LTCC工藝不兼容的現(xiàn)狀，通過摻雜低熔點(diǎn)的LBSCA玻璃大幅降低LZT材料體系的燒結(jié)溫度，使材料體系表現(xiàn)出較好的微波介電性能。Hailuo Fu[46]等利用可溶性的金屬鹽作為金屬氧化前驅(qū)，并將其制備成溶膠凝膠沉積于經(jīng)表面處理過后的陶瓷或玻璃表面獲得10-200 nm的粘接層，再利用化學(xué)鍍的方式在陶瓷表面進(jìn)行銅原子沉積并隨后進(jìn)行退火處理以消除殘余應(yīng)力，得到了厚度為15 μm、結(jié)合力為5 N/cm的鍍層，且經(jīng)260 ℃的回流焊處理后，經(jīng)強(qiáng)加速應(yīng)力測(cè)試結(jié)合力無明顯減弱。

近年來，針對(duì)傳統(tǒng)金屬化工藝操作溫度較高，工藝過程復(fù)雜，周期長(zhǎng)，成本高，環(huán)境污染大等缺點(diǎn)，出現(xiàn)了一些新概念的綠色金屬化方法[5,51-56]:T.CHMIELEWSKI等[5]利用噴槍發(fā)射金屬粒子，并使金屬粒子與陶瓷表面發(fā)生高速碰撞，從而將動(dòng)能轉(zhuǎn)化成熱量為金屬與陶瓷的結(jié)合提供必要的能量，最終在陶瓷表面實(shí)現(xiàn)金屬化。S.Romankov等[47]利用超聲輔助噴丸處理設(shè)備，通過在Al2O3表面預(yù)先沉積一層Cu-Ni-W粉末，然后再進(jìn)行噴丸處理，最后在陶瓷表面形成一結(jié)合力良好的Cu-Ni-W復(fù)合金屬化層。Ming Lv等[48]從研究激光直寫及化學(xué)鍍機(jī)理出發(fā)，利用激光直寫技術(shù)分解PdCl2前驅(qū)體，并將分解產(chǎn)物滲入氧化鋁基板表面作為化學(xué)鍍的活化中心。通過王水溶礦法去除激光影響區(qū)的Pd，同時(shí)保留激光輻射區(qū)的PdO，大幅度提高了后續(xù)圖形制作的分辨率，非常適合微電子儀器設(shè)備的應(yīng)用要求。YU-CHOU SHIH等[49]利用化學(xué)鍍法在陶瓷添加劑表面制備納米級(jí)的銀顆粒并作為太陽能電池中銀電極與n型硅發(fā)射器之間的中間層，與不經(jīng)表面處理的陶瓷添加劑所制得的太陽能電池相比，整體導(dǎo)熱率提高了近22%。該銀層還可作為導(dǎo)電通道，降低太陽能電池的電阻。Hong-Mao Wu等[50]利用水化學(xué)鍍鎳法在SiO2顆粒表面實(shí)施金屬化，并在金屬化之前利用聚二甲基二烯丙基氯化銨及苯乙烯磺酸鈉的聚合電解質(zhì)對(duì)SiO2顆粒表面進(jìn)行表面處理，被吸收的聚合物電解質(zhì)釋產(chǎn)生-80 mV的表面負(fù)電荷，從而在前驅(qū)體水溶液中Ni2+能夠在SiO2顆粒表面錨固。最后利用二甲胺基硼烷作為還原劑，在SiO2顆粒表面優(yōu)先形成連續(xù)性的Ni層，最終實(shí)SiO2顆粒的金屬化。T. CHMIELEWSKI等[51]根據(jù)摩擦焊接的原理，將金屬Ti在固定的Al2O3陶瓷表面以一定的速度旋轉(zhuǎn)獲得熱量，作為Ti在陶瓷表面沉積所需要的能量，最終在陶瓷表面制備出金屬化層。V. Rico等[52]采用YAG激光輔助涂層法，利用1064nm的連續(xù)激光對(duì)Cu的聚合物配位化合物進(jìn)行輻射處理，將其轉(zhuǎn)化成4-14 μm具有金屬光澤的玻璃涂層并覆蓋在陶瓷表表面。Sergey V. Komarov等[53]通過超聲波震蕩獲得能量對(duì)Ni粉進(jìn)行球磨處理，并將球磨后的Ni粉于室溫下在Al2O3陶瓷表面進(jìn)行噴丸3 min，獲得結(jié)合力良好，厚度在2-4 μm范圍內(nèi)的Ni薄膜。

1.5 應(yīng)用推廣

隨著傳統(tǒng)金屬化方法的日漸成熟，金屬化工藝在裝飾、高頻電子設(shè)備等領(lǐng)域也獲得了應(yīng)用，并使得產(chǎn)品的某些性能得到了有效的提升[57-60]。

Peter Sturesson等[54]利用高溫共燒工藝，分別研究了雙層絲網(wǎng)印刷金屬鉑及單層絲網(wǎng)印刷鉑后在鉑表面電鍍金屬銀層對(duì)陶瓷LC諧振器閱讀范圍的影響。結(jié)果表明，前者的閱讀范圍可達(dá)61 mm，而后者的閱讀范圍為59 mm。V. J. Rico等[55]利用真空電子束蒸發(fā)工藝在陶瓷表面制備出Cu薄膜，然后利用近紅外激光技術(shù)，通過控制激光的輻射條件，從而使陶瓷表面獲得不同的裝飾顏色。F.Steinh?u?er[56]等利用脈沖電鍍?cè)诮?jīng)過粗糙處理的LTCC陶瓷表面制備寬20 μm的金屬化導(dǎo)線，此方法可覆蓋住陶瓷表面的微孔而不發(fā)生滲透，從而可將空氣密封獲得介電常數(shù)相對(duì)較低的LTCC基板，以滿足高端雷達(dá)傳感器等對(duì)較低介電常數(shù)散熱基板的需要。Frank Steinhβer等[57]利用脈沖電鍍技術(shù)在LTCC基板表面沉積上線寬為20 μm的銀微帶線，并能對(duì)陶瓷表面的微孔進(jìn)行有效覆蓋而不滲透入孔，不僅電阻率低至2.33 μΩcm，而且基板的介電常數(shù)從7.52下降至7.03(66 GHz條件下)，從而使基板表面的不同區(qū)域具備不同的介電常數(shù)，滿足了高端高頻電子設(shè)備的應(yīng)用需求。

2 發(fā)展趨勢(shì)

功率型電子元器件的大規(guī)模應(yīng)用催生了陶瓷作為良好散熱材料金屬化工藝的問世，隨著電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，研究者們對(duì)陶瓷表面金屬化的研究也日益深入。如前所述，目前對(duì)陶瓷金屬化工藝的研究主要集中在物理性能、組織結(jié)構(gòu)、金屬化機(jī)理、新工藝及推廣應(yīng)用等方面。其中以對(duì)物理性能、組織結(jié)構(gòu)、新工藝的研究居多，而對(duì)金屬化機(jī)理及推廣應(yīng)用等方面的研究偏少。鑒于陶瓷金屬化機(jī)理較為復(fù)雜，學(xué)術(shù)界在目前仍未達(dá)成統(tǒng)一的共識(shí)，而對(duì)金屬化機(jī)理的研究是提高金屬化水平及其它一切研究的基礎(chǔ)。因此，未來對(duì)金屬化過程機(jī)理的研究勢(shì)必將會(huì)是成為人們所關(guān)注的焦點(diǎn)。

目前，實(shí)現(xiàn)陶瓷與金屬連接的方式主要有兩種[58]，一種方式是讓二者在固態(tài)下實(shí)現(xiàn)連接，如直接敷銅法、直接敷鋁法、厚膜法等等。但事實(shí)證明能夠與某一特定陶瓷直接進(jìn)行結(jié)合的金屬并不多，往往需要在二者界面上引入其它元素或是在極端苛刻的條件下才能實(shí)現(xiàn)敷接。另一種方式是首先在陶瓷表面形成金屬化薄膜作為過渡層，以改變陶瓷表面形貌及微觀組織結(jié)構(gòu)，為最終金屬能夠順利在陶瓷表面實(shí)現(xiàn)金屬化做準(zhǔn)備，如物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積等。上述方法的實(shí)質(zhì)都是通過設(shè)置并控制各種工藝參數(shù)及實(shí)驗(yàn)條件，增加金屬對(duì)陶瓷表面的潤(rùn)濕性而實(shí)現(xiàn)陶瓷與金屬的結(jié)合。這兩種方法雖然在很大程度上滿足了功率型電子元器件的實(shí)際應(yīng)用，但是同時(shí)也存在著不可忽視的缺點(diǎn)。傳統(tǒng)金屬化工藝往往對(duì)操作溫度有著較高的要求，且存在工藝過程復(fù)雜，有時(shí)候甚至要在真空或惰性氣體的保護(hù)下才能完成，從而使得金屬化過程耗時(shí)較多，成本也隨之而大幅增加。并且在實(shí)際生產(chǎn)過程中還會(huì)產(chǎn)生大量的有害物質(zhì)，不利于環(huán)保。另外，這兩種方法還會(huì)在金屬與陶瓷的結(jié)合面上形成較大的殘余應(yīng)力，容易導(dǎo)致界面開裂，甚至在陶瓷表面形成微裂紋。因此，探索并創(chuàng)新陶瓷金屬化新工藝、新方法將是陶瓷金屬化又一個(gè)重要的研究方向。

在陶瓷金屬化過程的研究中，針對(duì)某些難以通過設(shè)備或儀器進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量的參數(shù)，還可通過數(shù)學(xué)建模并利用仿真軟件進(jìn)行運(yùn)算，利用仿真結(jié)果對(duì)實(shí)際試驗(yàn)過程進(jìn)行預(yù)測(cè)或監(jiān)控，以達(dá)到優(yōu)化材料及設(shè)備結(jié)構(gòu)，提升金屬化能力的目的。例如鐘偉等[59-60]針對(duì)在陶瓷金屬化過程中，難以對(duì)高溫氫爐中溫度變化進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量的難題，建立了三維流動(dòng)傳熱的數(shù)學(xué)模型，結(jié)合有限元體積法對(duì)Al2O3陶瓷金屬化過程中爐內(nèi)的流動(dòng)與傳熱問題進(jìn)行求解，獲得了溫度的實(shí)時(shí)變化曲線，并著重討論了氫氣流量及陶瓷件數(shù)量等條件對(duì)氫爐內(nèi)溫度場(chǎng)的影響規(guī)律。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，同一位置的金屬化層最高溫度受陶瓷件數(shù)量影響較小(＜2 ℃)，而不同位置的金屬化層溫度差則可達(dá)數(shù)十?dāng)z氏度。爐溫均勻性雖受陶瓷件數(shù)量影響較大，但加熱一段時(shí)間后會(huì)爐內(nèi)出現(xiàn)了溫度的統(tǒng)一區(qū)(z＜0.45 m)，在這一區(qū)域內(nèi)，氫氣流量對(duì)金屬化層的最高溫度幾乎沒有影響，金屬化質(zhì)量具有更好的一致性。因此，利用仿真手段對(duì)熱流傳動(dòng)、殘余應(yīng)力、溫度、氣體流量、熱力學(xué)過程等進(jìn)行仿真模擬，為研究工作提供理論指導(dǎo)，也是日后值得研究的方向之一。

3 結(jié)束語

隨著電子元器件的功率及封裝集成度不斷加大，對(duì)封裝散熱基板綜合性能能力的要求也隨之而提高。傳統(tǒng)的導(dǎo)熱材料如金屬基板已經(jīng)漸漸不能適應(yīng)功率型電子元器件的應(yīng)用需要，陶瓷作為新興的導(dǎo)熱材料，兼有熱膨脹系數(shù)小、比強(qiáng)度高、絕緣性能好及散熱能力優(yōu)異等優(yōu)點(diǎn)，是功率型電子元器件理想的封裝散熱材料。而對(duì)陶瓷表面金屬化機(jī)理的深入研究及對(duì)金屬化新工藝與新方法的探索，是改善陶瓷與金屬界面物理性能的基礎(chǔ)，也是陶瓷基板獲得更大規(guī)模應(yīng)用的前提條件，更是未來該領(lǐng)域主要的研究方向。

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Current Status and Development of Ceramic Metallization

QIN Diancheng, LI Baozhong, XIAO Yonglong
(Rayben Technologies (Zhuhai) Ltd. Co., Zhuhai 519180, Guangdong, China; Guangdong LED Packaing Heat Sink Substratae Engineering Technology Research Center, Zhuhai 519180, Guangdong, China)

As a new heat dissipation material, ceramics with a high thermal conductivity has increasingly more advantages for application in high power electronic component packaging and dissipation. Ceramic metallization, the quality of which would directly inf l uence the reliability and service life of electronic component is very important for power electronics packaging. This paper presents research status and development trend of metallization of ceramics as substrate heat dissipation materials with emphases on new metallization techniques and applications in other fi elds.

ceramics; substrate; packaging; high thermal conductivity; metallization

date:2017-03-03. Revised date: 2017-03-06.

TQ174.75

A

1006-2874-(2017)05-0030-07

10.13958/j.cnki.ztcg.2017.05.005

2017-03-03。

2017-03-06。

秦典成，男，碩士，工程師。

Correspondent author: QIN Diancheng,male,Master, Engineer.

E-mail: mike_qin@rayben.com