陶瓷與金屬連接的研究及應(yīng)用進展

范彬彬，趙 林，謝志鵬,2

(1. 景德鎮(zhèn)陶瓷大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，江西 景德鎮(zhèn) 333403；2. 清華大學(xué) 材料學(xué)院 新型陶瓷與精細工藝國家重點實驗室，北京 100084)

0 引 言

陶瓷-金屬封接技術(shù)起源于 20世紀(jì)初期的德國，1935年德國西門子公司Vatter第一次采用陶瓷金屬化技術(shù)并將產(chǎn)品成功實際應(yīng)用到真空電子器件中，1956年美國 L. H. Lafoge完成了活化Mo-Mn法，此法廣泛適用于電子工業(yè)中的氧化鋁陶瓷與金屬連接。我國的陶瓷與金屬封接工藝是于1958年在北京電子管廠開始，先后由原電子部十二所、原電子部十三所等單位參與籌備[1]。

用于與金屬封接的陶瓷產(chǎn)品主要有陶瓷結(jié)構(gòu)件和陶瓷基板，結(jié)構(gòu)件產(chǎn)品在上世紀(jì)七十年代國內(nèi)就已開始初步產(chǎn)業(yè)化，以真空管等一系列產(chǎn)品為代表，在2000年以后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、陶瓷密封連接器等系列產(chǎn)品大規(guī)模實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。目前，國內(nèi)從事陶瓷與金屬封接企業(yè)大多分布在江西景德鎮(zhèn)、湖南婁底、陜西和山東等地，其中湖南以安地亞斯電子陶瓷公司、新鑫電陶、美程陶瓷科技有限公司為代表。因大功率器件的發(fā)展，對電路板的要求不斷提高，具有高導(dǎo)熱率的陶瓷基板成為了必不可少的組成部分，其可滿足高功率、高集成度、纖薄輕巧的需求[2]。國際上，以德國賀利氏(Heraeus)集團公司為主生產(chǎn)高性能的 DCBAl2O3(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[3]。

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、金屬對陶瓷表面的潤濕效果比較差，不能簡單地實現(xiàn)陶瓷與金屬的連接。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。本文主要介紹了目前國內(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，并闡述了工藝原理與工藝過程、性能檢測及產(chǎn)品應(yīng)用發(fā)展?fàn)顩r。

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。當(dāng)瓷件表面完成了金屬化處理后，陶瓷與金屬的封接則可轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘倥c金屬的封接，工藝難度大幅下降。在燒結(jié)金屬粉末法工藝中，主要涉及到瓷件的預(yù)金屬化、二次金屬化和釬料連接等主要過程[2,3]。

氧化鋁陶瓷由于其優(yōu)異的熱、電和機械性能以及相對低的制造成本，已經(jīng)發(fā)展成為目前國內(nèi)外陶瓷與金屬封接中使用最為成熟的一種陶瓷材料，根據(jù)Al2O3主成分的占比可分為90瓷、95瓷和99瓷等，表1為不同主成分氧化鋁陶瓷的性能技術(shù)指標(biāo)[4]。出于經(jīng)濟和實用的角度出發(fā)，目前氧化鋁陶瓷與金屬的封接中較多采用的是95瓷陶瓷材料。

在陶瓷與金屬的封接中最大的問題是釬料無法潤濕陶瓷表面，從而嚴(yán)重阻礙了后續(xù)的金屬與陶瓷的封接過程。針對用燒結(jié)金屬粉末的方法進行封接這一過程，近幾十年來，科學(xué)家們嘗試了各種探討和實驗，總結(jié)出了預(yù)金屬化采取活化Mo-Mn法、二次金屬化采取鍍Ni處理、釬焊工藝中的釬料采用Ag72Cu28釬料來進行陶瓷與金屬的封接。

綜上所述，經(jīng)前期處理后的陶瓷基材采用Mo-Mn法進行金屬化處理，鍍覆Ni層進行二次金屬化處理，最后采用Ag72Cu28釬料將金屬化處理后的陶瓷基材與待接金屬材料進行封接，此項工藝有著廣泛的商業(yè)化應(yīng)用。

1.1 金屬化層的制備及其機理

雖然進行金屬化處理較為復(fù)雜，但是其可解決活性釬焊中存在的許多問題，如無法大面積進行焊接處理和釬料無法很好進行鋪展等。此外，金屬化層也可以保證陶瓷在高溫釬焊中不會發(fā)生分解從而產(chǎn)生空洞，所以間接釬焊法目前在市場上仍有很好的應(yīng)用。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。

電子十二所高隴橋[5]等研究發(fā)現(xiàn)，Mn在金屬化溫度(1500 ℃左右)下被氧化為 MnO 和少許MnO2，氧化錳與氧化鋁陶瓷在1000 ℃左右時會發(fā)生固相反應(yīng)從而生成 MnO·Al2O3。氧化錳融入玻璃相后會使其黏度降低，玻璃相隨后一方面會滲入到Mo層空隙中，另一方面會滲入氧化鋁瓷中并使Al2O3顆粒產(chǎn)生溶解作用，金屬化層中的熔體與陶瓷中的玻璃相和α-Al2O3生成流動性更好、黏度更小的玻璃態(tài)熔融體，與原本已填充在Mo空隙中的玻璃相一起進行填充，并潤濕Mo的表面[5]。當(dāng)冷卻后，熔融體則在陶瓷與金屬層中形成了過渡層，實現(xiàn)了陶瓷與金屬化層的封接。在工藝過程中，將以Mo為主體(70-75%)的原料與Mn粉、有機溶劑和粘結(jié)劑等制成金屬膏劑，其中Mn的引入是為了提高封接面的封接強度。對于金屬膏劑在陶瓷表面的鋪展方法主要有手工涂覆和絲網(wǎng)印刷等[6,7]。

1.2 陶瓷金屬化層表面的鍍Ni處理

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[8]。常用的鍍Ni方式有電鍍和化學(xué)鍍兩種，電鍍利用電解池原理，所得產(chǎn)物的內(nèi)應(yīng)力小、結(jié)合性強但同時易受陶瓷表面的影響，需要注意缺陷的控制?；瘜W(xué)鍍Ni前要經(jīng)過粗化、敏化、活化和還原這一系列預(yù)處理，所得到的鍍層厚度均勻、針孔少但成本較高、過程復(fù)雜。Sergey V. Komarov等人[9]提出了超聲波機械涂層和鎧裝(UMCA)，該工藝被證明能沉積微結(jié)構(gòu)和納米結(jié)構(gòu)涂層，并在金屬基底表面產(chǎn)生納米結(jié)構(gòu)復(fù)合層，研究證明，UMCA對陶瓷金屬化具有普遍適用性。

圖1 (a) 燒結(jié)粉結(jié)末法封接構(gòu)示意圖；(b) 燒結(jié)金屬粉末法產(chǎn)品示意圖Fig.1 (a) Schematic diagram of sintering powder sealing method. (b) Schematic diagram of sintered product with the metal powder method

1.3 金屬化陶瓷與金屬的封接過程

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。對于這種組成的釬料目前在市面上都在尋求改進，因為高成本原料Ag的含量較高，會造成生產(chǎn)成本的增高[10]。但如果在配方中降低Ag的含量勢必引起合金的熔點升高，從而造成成本的變向增長。也可調(diào)配釬料配方，比如加入Sn、In、Ga等降熔元素，但值得注意的是新元素的引入不能生成脆性化合物，否則會降低封接強度[11]。

將“陶瓷材料—Mo-Mn金屬化層—Ni層—釬料層—金屬層”置于模具中進行組配，如圖1(a)所示，模具置于立式或臥式氫氣爐中，在800 ℃左右溫度下并施加一定的壓力，于真空或氫氣氣氛中即可實現(xiàn)焊接[12]。為便于觀察類比，圖 1(b)所列舉的為工藝的不同階段的產(chǎn)品實物圖，圖 2為安地亞斯公司所生產(chǎn)的繼電器在工藝過程中的不同階段所對應(yīng)的產(chǎn)品圖。

圖2 (a) 封接前的繼電器外殼；(b) Mo-Mn金屬化后的繼電器外殼；(c) 鍍Ni后的繼電器外殼Fig.2 (a) Relay housing before sealing. (b) Mo-Mn metallized relay housing. (c) Ni-plated relay housing

2 活性金屬釬焊法

活性金屬釬焊法(Active Metal Brazing, AMB)是一種陶瓷與金屬的封接方法，它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?；钚越饘俜ū葻Y(jié)金屬粉末法發(fā)展約晚10年，因其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[13]。AMB工藝中主要涉及了活性層的覆蓋、釬料層的覆蓋及封接燒結(jié)過程。

2.1 活性金屬釬焊(AMB)原理

元素周期表中處于過渡區(qū)間的金屬元素如Ti、Zr、Hf等有很強的化學(xué)活性，對氧化物和硅酸鹽等有較大的親和力，且易與Cu、Ni、Ag-Cu等在低于各自熔點的溫度下形成合金，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。通常，活性元素含量在6-8%之間較好，當(dāng)活性元素的含量過高時會造成釬料的脆性增大，從而降低封接面的強度，當(dāng)活性元素的含量過低時，會導(dǎo)致釬料對陶瓷的潤濕性降低，造成封接不易完成。在國內(nèi)多以Ti為活性金屬，這主要是出于其商業(yè)價值和環(huán)?？紤]。Zr相比于Ti而言，其線膨脹系數(shù)低、導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性好、彈性模量小、活性好、與陶瓷反應(yīng)的結(jié)合強度更好，但其在180-285 ℃可燃，在有濕氣存在的條件下甚至可以自燃，放出大量的熱，引起爆炸。Ti在室溫下較為穩(wěn)定，形成的合金強度高，活性較大，其與Al2O3陶瓷、大多數(shù)氧化物陶瓷有較好的界面反應(yīng)特性，在工藝中通常對Ti粉的要求是其純度在99.7%以上，粒度在41-55 μm(270-360目)范圍內(nèi)。活性元素的引入方式較多，常見的有將Ti粉制成膏劑涂抹于瓷件表面、用 Ti芯絲復(fù)合的Ti-Ag-Cu焊料、復(fù)合的Ti-Ag-Cu合金箔等[14]。實踐證明，以TiH2的形式引入為優(yōu)，其性能穩(wěn)定，常溫空氣下不吸潮，不易氧化，在 500 ℃左右分解TiH2時，會得到活性高的Ti粉，有利于封接性能的提高。

部分 TiH2在釬焊界面中，首先在形成液態(tài)合金中與Cu形成金屬間化合物CuTi2等，因TiH2可以潤濕大部分氧化物陶瓷，其向陶瓷側(cè)進行擴散，一定程度后使氧化鋁瓷件表面發(fā)生分解。在上述過程中，Ti與Cu所形成的金屬化合物與瓷件中分解出來的氧發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，形成復(fù)雜的氧化物、瓷件表面的 Ti與瓷件中分解出來的金屬元素發(fā)生冶金反應(yīng)，形成金屬間化合物。剩余部分的 Ti則會與釬料中的 Ag、Cu通過金屬鍵形成合金，再通過 Ti所形成的 Ti橋進行連接[15]。

2.2 陶瓷與金屬AMB工藝封接過程

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。釬料的處理主要經(jīng)過成型和清洗過程，常將其制成箔片狀并置于涂抹好鈦粉的瓷件和金屬件之間。釬料的制備主要將Ag、Cu粉體按照適當(dāng)?shù)呐浔冗M行混合球磨處理，從而得到均勻的釬料粉末，并根據(jù)既定的工藝制成相應(yīng)的制品，如箔片、膏劑等。

將陶瓷材料與待接金屬層置于模具中，按照“陶瓷材料—活性金屬層—釬料層—金屬層”進行組配，并施加一定的壓力，在真空爐不高于2.7×10-3Pa后進行升溫。開始時刻采取快速升溫，在接近焊料熔點以后放慢升溫速度，其中為減小降溫引起的封接應(yīng)力，一般在 700 ℃以上緩慢冷卻，700 ℃以下可隨爐自然冷卻。通常，無氧銅的封接溫度在820±10 ℃，可伐合金在840±10 ℃，不同的待接材料所需的釬焊時間有所差異，時間過短會造成釬焊不成功，過長往往會達不到最佳接頭強度。北京航空材料研究所[16]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)SiO2f/SiO2復(fù)合材料采用 Ti-Ag-Cu活性釬料連接到Al2O3陶瓷上，在1153 K釬焊溫度下，釬焊時間過長會造成接頭的強度有較大下降，釬焊10 min所得到的接頭的平均剪切強度達38.6 MPa，而釬焊60 min的接頭平均剪切強度下降至26 MPa。

2.3 陶瓷基板與無氧銅的AMB封接工藝

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，具體工藝流程如圖 3(a)所示。氮化硅具有優(yōu)異的機械性能(高彎曲強度，高斷裂韌性)以及熱膨脹系數(shù)小、摩擦系數(shù)小等諸多優(yōu)異性能，是綜合性能最好的結(jié)構(gòu)陶瓷材料。氮化鋁具有高熱導(dǎo)率使其成為理想的基板材料和高可靠性的電力電子模塊，是近年來國內(nèi)外陶瓷基板領(lǐng)域重點研究方向之一[17,18]。

圖3 (a) AlN/Si3N4基板AMB工藝流程圖；(b) AlN/Si3N4基板AMB產(chǎn)品示意圖Fig.3 (a) Flow chart of the AlN/Si3N4 substrate AMB process. (b) Schematic diagram of the AlN/Si3N4 substrate AMB product

Si3N4陶瓷與金屬的 AMB封接，其具體連接機理是，Ag和Cu構(gòu)成釬縫界面的主體組織，所添加的活性元素Ti與瓷體發(fā)生反應(yīng)在陶瓷/釬料界面處形成晶粒尺寸約為30-50 nm的TiN，反應(yīng)所釋放出的 Si原子則向液態(tài)釬料內(nèi)進行擴散，在TiN/釬料界面處形成晶粒尺寸約為 200 nm 的Ti3Si3[19]。

3 陶瓷基板直接覆銅法

隨著電子器件的日益小型化和多功能化，大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路的集成度越來越高，器件結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，功率密度也越來越大，因此散熱是電子封裝中的關(guān)鍵步驟之一。陶瓷材料作為絕緣結(jié)構(gòu)材料，具有良好的高頻介電特性、良好的熱穩(wěn)定性和機械特性，常被作為電子器件中的封裝材料，用作金屬器件中的散熱材料。銅由于具有高導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性及良好的延展性，常被選作金屬陶瓷的封接材料[20]。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。覆銅陶瓷基板能像PCB線路板一樣刻蝕出各種圖形，是功率模塊封裝中連接芯片和散熱襯底的關(guān)鍵材料，已廣泛用于混合動力模塊，激光二極管和聚焦型光伏封裝，在高頻應(yīng)用方面也體現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用價值[21]。

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，表 2為三種基板的重要性能參數(shù)?；甯层~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，表3列舉出了AMB和DBC這兩種工藝的參數(shù)對比。

表2 Al2O3、Si3N4和AlN陶瓷基板性能參數(shù)Tab.2 Performance parameters of Al2O3, Si3N4 and AlN ceramic substrates

表3 DBC工藝與AMB工藝參數(shù)對比Tab.3 Parameters of DBC process and AMB process

3.1 DBC工藝機理

DBC是基于 Al2O3陶瓷基板的一種金屬化技術(shù)，最早出現(xiàn)在20世紀(jì)70年代，具體過程是將其置于高溫和一定的氧分壓條件下(Te=1065 ℃O2=0.39%)，其中氧的引入可以增強銅對 Al2O3陶瓷的潤濕性，在1065-1083 ℃時，Cu表面氧化生成一層薄的Cu2O共晶液相，Cu2O可以很好地潤濕 Al2O3陶瓷和Cu，當(dāng)加熱溫度高于共晶溫度且低于Cu熔化溫度時，液相中Cu2O與Al2O3發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成CuAlO2/CuAl2O4二元氧化物，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[22]。

3.2 Al2O3陶瓷基板與無氧銅的直接封接

Al2O3基板是性價比最高的陶瓷基板，主要用于中、低功率范圍的應(yīng)用，如通用電力電子、CPV等，Al2O3基板用導(dǎo)電層處理后可用于高性能計算機的電路板，并且涂覆有Cu的Al2O3基板通常用作醇脫氫的催化劑[23,24]。氧化鋁陶瓷基板直接覆銅作為一項國內(nèi)外較為久遠且又成熟的工藝，在工藝生產(chǎn)中有著廣泛的應(yīng)用，基于 3.1所述 DBC工藝機理，其具體工藝如圖4(a)所示。

圖4 (a) Al2O3陶瓷基板DBC工藝流程圖；(b) Al2O3陶瓷基板DBC產(chǎn)品示意圖Fig.4 (a) Flow chart of the Al2O3 ceramic substrate DBC process. (b) Schematic diagram of the Al2O3 ceramic substrate DBC product

3.3 AlN基板與無氧銅的直接封接

AlN陶瓷基板敷銅是基于 DBC工藝發(fā)展起來，由日本東芝公司在20世紀(jì)80年代率先實現(xiàn)該項技術(shù)并投入生產(chǎn)，隨后美國IXYS公司和德國Curamik電子公司研制出各種規(guī)格的AlN-DBC電子封裝基板，廣泛應(yīng)用于大功率電力電子器件中。

由于AlN陶瓷與Cu的潤濕性極差，在1100 ℃時，液態(tài)Cu對AlN陶瓷的潤濕角為147 °，因此對于AlN陶瓷基板與無氧銅的直接封接工藝，其原理是將AlN陶瓷基板在一定溫度的空氣氣氛中氧化，使其表面生成結(jié)構(gòu)均勻且附著牢固的Al2O3層，具體操作流程如圖 5(a)所示。研究表明[25]，經(jīng)過1100 ℃/1 h高溫氧化處理，氮化鋁陶瓷表面幾乎沒有氧化，在1250 ℃/1 h、1250 ℃/2 h，表面生成了氧化鋁，氧化層的主晶相為AlN和Al2O3，在1350 ℃/1 h下，氧化層主晶相為Al2O3。

圖5 (a) AlN陶瓷基板DBC工藝流程圖；(b) AlN陶瓷基板DBC產(chǎn)品示意圖Fig.5 (a) Flow chart of the AlN ceramic substrate DBC process. (b) Schematic diagram of the AlN ceramic substrate DBC product

雖然通過氮化鋁表面氧化形成一層氧化鋁后，由于氮化鋁陶瓷基板和氧化鋁表面層熱膨脹性不匹配導(dǎo)致兩者之間產(chǎn)生了張應(yīng)力，但因為氧化鋁層與所封接的銅之間的熱膨脹系數(shù)差異更大，Cu必將對氧化層產(chǎn)生壓應(yīng)力，兩種應(yīng)力相互補償?shù)窒炊沟醚趸瘜优c瓷體的強度增大，對鍵合強度起到積極作用[26,27]。

氮化鋁陶瓷基板覆銅具有氧化鋁陶瓷基板覆銅約6-8倍的高導(dǎo)熱性，其介電常數(shù)低、具有優(yōu)良的電絕緣性且熱膨脹率與硅相近，其廣泛應(yīng)用在新型的半導(dǎo)體封裝材料[26]。

4 陶瓷與金屬連接的其它方法

4.1 陶瓷與金屬的機械連接

機械連接是一種古老的連接方法，常見的有栓接和熱套等。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)[28]，如淄博華創(chuàng)和山東硅元等公司作為國內(nèi)高新技術(shù)結(jié)構(gòu)陶瓷企業(yè)，其生產(chǎn)的雙金屬缸套和陶瓷缸套等產(chǎn)品就是利用熱套的原理進行陶瓷與金屬的連接，圖 6為產(chǎn)品示意圖。

圖6 陶瓷與金屬熱套連接的陶瓷缸套Fig.6 Ceramic cylinder sleeve with ceramic and metal heat sleeve

4.2 陶瓷與金屬的固相擴散連接

固相擴散連接作為一種較為常見的連接方法，二十世紀(jì)七十年代在國外就有研究，其原理是將材料置于惰性氣氛或真空環(huán)境中，通過高溫(T=0.5-0.8 Tm)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[29]。具體過程大致可分為三個階段，第一階段為物理接觸，指連接面在溫度和壓力的作用下，凸起部分達到塑性變形，最終達到整個面的可靠接觸；第二階段是接觸界面的原子間的相互擴散和再結(jié)晶，形成牢固的結(jié)合層；第三階段是結(jié)合層中的原子逐漸向縱深發(fā)展，形成可靠的連接接頭[30,31]。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。國際上在這一領(lǐng)域也研發(fā)力度大，圖7為國外陶瓷-金屬擴散連接的產(chǎn)品，(a)為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，(b)為由氧化鋁絕緣管與ISO-KF或CF法蘭盤焊接成的真空絕緣子。

固相擴散連接可分為直接擴散連接和間接擴散連接，其中間接擴散連接是通過中間層的過渡作用將陶瓷與金屬連接起來。雖然固相擴散連接的接頭強度高，彈性變形量小且對材料種類沒有限制，但其所需要的連接溫度較高，連接時間也相對較長，并且通常是在真空下進行連接，由于真空設(shè)備昂貴，導(dǎo)致了工藝成本高、試件尺寸易受控制[32]。

圖7 (a) 粒子加速器沖擊管；(b) 真空絕緣子Fig.7 (a) Particle accelerator impact tube. (b) Vacuum insulator

4.3 陶瓷與金屬的自蔓延連接

自蔓延高溫合成(Self-propagating Hightemperature Synthesis Joining, SHS)是一種新興的材料合成工藝，其是利用SHS反應(yīng)的放熱和產(chǎn)物來連接待焊母材的技術(shù)[33]。其通過反應(yīng)所放出的熱為高溫?zé)嵩?，以SHS產(chǎn)物為焊料，實現(xiàn)材料的連接。為解決兩者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。

綜上所述，盡管陶瓷與金屬的連接方法還有很多種，但不少方法由于自身的局限性和科技水平的不足導(dǎo)致其目前還難以實用化，以上所述的幾種陶瓷與金屬連接方法相應(yīng)的參數(shù)比較如表4所示。

表4 幾種連接方式的參數(shù)比較Tab.4 Parameters of the several connection methods

5 陶瓷與金屬連接的關(guān)鍵性能及檢測

因?qū)嶋H服役環(huán)境苛刻，往往對于陶瓷—金屬封接件有著嚴(yán)格的性能檢測要求，在工藝生產(chǎn)中常需要對產(chǎn)品的機械強度(抗拉強度及抗剪切強度)、抗熱沖擊性能和氣密性這三項主要性能指標(biāo)進行測試分析。通常對于產(chǎn)品的具體性能指標(biāo)要求于表5中列出。

5.1 封接強度的測試

對于所制的陶瓷金屬封接產(chǎn)品，如繼電器、真空開關(guān)管和電池陶瓷密封連接器等，其需具有足夠大的機械強度才可以經(jīng)受熱沖擊、溫度循環(huán)等一系列的測試，良好的機械性能對于陶瓷與金屬的界面之間至關(guān)重要[34,35]。

表5 產(chǎn)品的測試性能指標(biāo)Tab.5 Performance indicators of the products

在陶瓷—金屬封接的各種機械強度測試中，抗拉強度是最為普遍的，抗拉強度測試采用 ASTM標(biāo)準(zhǔn)試樣，形狀和尺寸如圖8(a)所示，兩個瓷件中間夾一薄片金屬片。拉伸試驗在國產(chǎn)CMT4204電子萬能試驗機上進行，抗拉強度即為拉斷時的載荷與封接面的截面比值。封接件的剪切強度測試也是強度的基本測試方法之一，如圖8(b)所示，用兩個陶瓷圓筒局部套封，然后作剪切強度測試。

對于產(chǎn)品抗拉強度，按照SJ/T3326-2001《陶瓷—金屬封接抗拉強度測試方法》進行測試，如我國對 95Al2O3瓷與金屬的封接的平均強度在電子行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中是≥90 Mpa。

隨著AMB和DBC等封裝技術(shù)對金屬化基板造成較高的機械應(yīng)力，基板的機械穩(wěn)定性越來越受重視，金屬化基板的機械穩(wěn)定性主要取決于所用的陶瓷材料。彎曲強度是決定機械穩(wěn)定性的主要物理性能之一，也是金屬陶瓷基板可靠性和可加工性的重要因素。基板抗彎強度的測試方法主要有三點彎曲、四點彎曲和雙環(huán)彎曲，分別如圖9從左至右所示[36]?；宀牧弦话闼柽_到的抗彎強度為Al2O3≥300 MPa、AlN≥350 MPa、Si3N4≥ 650 MPa。

圖8 (a) 抗拉封接試樣；(b) 抗剪切封接試樣Fig.8 (a) Tensile seal specimen. (b) Shear seal specimen

圖9 基板彎曲強度測試Fig.9 Substrate bending strength testing

圖10 封接試件抗熱沖擊Fig.10 Sealed test piece against thermal shock

5.2 抗熱沖擊性能檢測

金屬化陶瓷基板的可靠性表現(xiàn)為其在熱及機械應(yīng)力條件下的阻力表現(xiàn)，通常用熱循環(huán)或熱沖擊實驗來表征。在產(chǎn)品性能檢測中，常將待測產(chǎn)品按照圖10的檢測流程進行，不斷地接受冷熱沖擊循環(huán)，直至試樣出現(xiàn)破損。通常氮化鋁陶瓷基板高低溫循環(huán)沖擊次數(shù)常需達到1500次以上，氮化硅陶瓷基板甚至需達5000次以上，當(dāng)完成測試后基板未出現(xiàn)任何裂縫，即可視為達標(biāo)[37]。

5.3 氣密性檢測

氣密性檢測是許多陶瓷-金屬封接件性能檢測的必要步驟之一，工藝中通常使用由德國英?？瞪a(chǎn)的1000型ASM氦質(zhì)檢漏儀對陶瓷—金屬封接件進行氣密性檢測。根據(jù)我國的國家標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)品氣密性的性能指標(biāo)為，95氧化鋁陶瓷真空開關(guān)管的國標(biāo)規(guī)定值為≤1×10-10Pa·m3/s，陶瓷繼電器外殼與銅封接的氣密性國標(biāo)規(guī)定值≤1.0×10-11Pa·m3/s。

6 陶瓷與金屬連接件的主要應(yīng)用領(lǐng)域

6.1 電力電子領(lǐng)域

電力電子技術(shù)是現(xiàn)代高效節(jié)能技術(shù)，是弱電控制與被控制強電之間的橋梁，是在非常廣泛的領(lǐng)域內(nèi)支持多項高技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)技術(shù)。電力電子技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)在于高質(zhì)量器件的出現(xiàn)，后者的發(fā)展又必將對管殼提出更高更多的要求。

真空開關(guān)管(陶瓷真空滅弧室)是氧化鋁陶瓷經(jīng)金屬化后與銅封接成一體，是一種新型高性能中高壓電力開關(guān)的核心部件，其主要作用是，通過管內(nèi)真空優(yōu)良的絕緣性使中高壓電路切斷電源后能迅速熄弧并抑制電流，從而達到安全開斷電路和控制電網(wǎng)的作用，避免事故和意外的發(fā)生，其部分產(chǎn)品見圖11。真空開關(guān)管具有節(jié)能、防爆、體積小、維護費用低、運行可靠和無污染等特點，主要用于電力的輸配電控制系統(tǒng)[38]。

圖11 氧化鋁陶瓷真空開關(guān)管殼Fig.11 Alumina ceramic vacuum switch tube

6.2 微波射頻與微波通訊

在射頻/微波領(lǐng)域，氮化鋁陶瓷基板具有其它基板所不具備的優(yōu)勢：介電常數(shù)小且介電損耗低、絕緣且耐腐蝕、可進行高密度組裝。其覆銅基板可應(yīng)用于射頻衰減器、功率負(fù)載、工分器、耦合器等無源器件、通信基站(5G)、光通信用熱沉、高功率無線通訊、芯片電阻等領(lǐng)域。

圖12 AlN基板覆銅在微波領(lǐng)域應(yīng)用Fig.12 AlN substrate copper clad for microwave field applications

6.3 新能源汽車領(lǐng)域

繼電器是僅次于電子傳感器在汽車產(chǎn)品上應(yīng)用最多的汽車電子元器件之一，其廣泛用于控制汽車啟動、空調(diào)、燈光、油泵、通訊、電動門窗、安全氣囊以及汽車電子儀表和故障診斷等系統(tǒng)，繼電器所用的陶瓷金屬化其部分產(chǎn)品見圖13。

陶瓷殼體絕緣密封高壓高電流電路斷閉產(chǎn)生的火花并連接電源，高壓直流繼電器帶載開斷時，產(chǎn)生電弧，由于受到陶瓷的冷卻和表面吸附作用，使電弧迅速熄滅。杜絕汽車電路因電弧引發(fā)的短路起火，保證整車的安全性能和使用壽命。

圖13 (a) 陶瓷繼電器外殼；(b) 陶瓷密封連接器Fig.13 (a) Ceramic relay housing. (b) Ceramic sealed connector

6.4 IGBT領(lǐng)域

絕緣柵雙極晶體管(簡稱 IGBT)以輸入阻抗高、開關(guān)速度快、通態(tài)電壓低、阻斷電壓高、承受電流大等特點，成為當(dāng)今功率半導(dǎo)體器件發(fā)展主流。由于IGBT輸出功率高，發(fā)熱量大，散熱不良將損壞IGBT芯片，因此對IGBT 封裝而言，散熱是關(guān)鍵，必須選用陶瓷基板強化散熱。

氮化鋁、氮化硅陶瓷基板具有熱導(dǎo)率高、與硅匹配的熱膨脹系數(shù)、高電絕緣等優(yōu)點，非常適用于 IGBT以及功率模塊的封裝，其產(chǎn)品如圖14(a)所示。廣泛應(yīng)用于軌道交通、航天航空、電動汽車、智能電網(wǎng)、太陽能發(fā)電、變頻家電、UPS等領(lǐng)域。電動汽車以及混合動力汽車是高導(dǎo)熱氮化硅最主要的應(yīng)用領(lǐng)域[39]。

目前，國內(nèi)高鐵上IGBT模塊，如圖14(b)所示，主要使用的是由丸和提供的氮化鋁陶瓷基板，隨著未來高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷生產(chǎn)成本的降低，或?qū)⒅饾u替代氮化鋁。氮化硅陶瓷覆銅板因其可以焊接更厚的無氧銅以及更高的可靠性，在未來電動汽車用高可靠功率模板中應(yīng)用廣泛[40]。美國羅杰斯公司生產(chǎn)的氮化硅覆銅板已應(yīng)用于電動汽車上的IGBT模塊。

圖14 (a) 覆銅基板；(b) IGB斯T模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.14 (a) Copper clad substrate. (b)IGBT module internal structure

6.5 LED封裝領(lǐng)域

對于現(xiàn)有的LED光效水平而言，由于輸入電能的 80-85%左右轉(zhuǎn)變成熱量，且 LED芯片面積小，工作電流大，造成芯片工作的溫度高，因此，芯片散熱是LED封裝必須解決的關(guān)鍵問題。

氮化鋁陶瓷基板由于其具有高導(dǎo)熱性、散熱快且成本相對合適的優(yōu)點，受到越來越多的 LED制造企業(yè)的青睞，廣泛的應(yīng)用于高亮度LED封裝、紫外LED等。LED封裝用陶瓷基板因其絕緣、耐老化、可在很小單位面積上固裝大功率芯片，擁有了小尺寸大功率的優(yōu)勢。圖15示出氮化鋁覆銅板及在LED領(lǐng)域中的應(yīng)用。

7 結(jié) 語

通過近幾十年的不斷研究，我國在陶瓷與金屬的連接的工藝開發(fā)和工程應(yīng)用發(fā)面已經(jīng)趨于成熟，高性能金屬與陶瓷連接技術(shù)取得了很大進步，可制備具有優(yōu)良力學(xué)、電學(xué)和熱物理等綜合性能的陶瓷金屬連接件，在電力電子、半導(dǎo)體、新能源汽車等領(lǐng)域已獲得了成功的應(yīng)用[41]。

雖然陶瓷與金屬的連接方法較多，但是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。從國內(nèi)外對陶瓷與金屬連接進行的研究和應(yīng)用情況來看，研究較多的為釬焊和陶瓷基板覆銅工藝，并且在工程實踐中獲得了較好的應(yīng)用[42]。

隨著電子元器件的功率及封裝集成度的不斷增大，對封裝散熱基板綜合性能的要求也隨之提高，高性能的陶瓷基板覆金屬箔必將是今后的研究熱點之一。氮化硅陶瓷基板雖導(dǎo)熱系數(shù)不及氮化鋁，但其極高的抗彎強度、斷裂韌性和較低的熱膨脹系數(shù)，使其成為高可靠電力電子模塊的理想基材。目前，全球真正將Si3N4陶瓷基板用于實際生產(chǎn)電子器件的只有國外東芝、京瓷和羅杰斯等少數(shù)公司。商用Si3N4陶瓷基板的熱導(dǎo)率一般在60-90 W/(m·K)，以日本東芝公司為例，截止2016年已占有近半的Si3N4基板市場份額，其產(chǎn)品已用于混合動力汽車/純電動汽車(HEV/EV)市場領(lǐng)域[43,44]。在未來的科技發(fā)展和生產(chǎn)工藝中，氮化硅基板覆銅工藝必將扮演越來越重要的角色。

圖15 AlN基板覆銅在LED領(lǐng)域Fig.15 AlN substrate copper clad in the field of LED

致謝：感謝湖南婁底安地亞斯電子陶瓷有限公司對本文章所提供的幫助和產(chǎn)品信息，感謝湖南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院高朋召教授對本文章所提供的相關(guān)資料。