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    差别陶瓷质料都是怎样举行外表金属化处置的?

    原创 欢欢 粉体圈

    陶瓷和金属是最陈旧的两类有效质料,陶瓷质料具有耐低温、高强度、高硬度、耐磨损、耐腐化、电绝缘强度初等特征,而金属质料具有优秀的延展性、导电性、导热性,它们各自的普遍用处在这里就未几赘述了。那么,将陶瓷质料与金属质料联合起来,能不克不及在功能上构成上风互补,从而延伸、拓展各自的研讨范畴呢?

     

    陶瓷与金属的毗连件在新动力汽车、电子电气、半导体封装和IGBT模块等范畴有着普遍的使用,因而,具有高强度、高气密性的陶瓷与金属的封接工艺至关紧张。两者的封接工艺中最大的难点是陶瓷和金属的热收缩系数相差较大,金属对陶瓷外表的润湿结果比力差,两者无法完成高质量的间接毗连,故而起首必要在陶瓷上烧结或堆积一层金属薄膜,这一历程为陶瓷的金属化。

     

    1.BeO陶瓷

    BeO陶瓷的热导率很高,可以和一些金属质料相媲美;它还具有耐低温、耐高压、高强度、低介质消耗等上风,满意功率器件对绝缘功能的要求。但,它的制备质料BeO粉末是剧毒物质,对人体和情况会发生严峻的危害,这分歧命缺陷极大地限定了BeO陶瓷基板在产业范畴的消费和使用。

     

    BeO陶瓷最常常利用的金属化方法是钼锰法。该办法是将纯金属粉末(Mo、Mn)与金属氧化物构成的膏状混淆物涂于陶瓷外表,再在炉中低温加热,构成金属层。在Mo粉中参加10%~25%Mn是为了改进金属镀层与陶瓷的联合。

     

    但是,钼锰法对BeO陶瓷金属化的处置也有肯定的范围,BeO陶瓷的热导率可以抵达300W/(m•K)以上,但是钼的热导率仅仅只要146W/(m•K),倒霉于BeO陶瓷本身高散热特点的发扬,为了改良该毛病,在钼锰法的底子上开展了钨锰法。金属钨的热导率高于金属钼,并且钨的电阻率也比金属钼低。因而,钨锰法既可以进步全体布局的散热服从,也有助于进步金属化层的导电功能。

     

    2.Al2O3陶瓷

    Al2O3陶瓷是现在使用最为成熟的基片质料,其机器强度高、硬度大、耐磨损、电绝缘强度高、耐热打击大、化学波动性好且质料泉源丰厚、制造工艺复杂、代价昂贵,以是Al2O3陶瓷是陶瓷金属化使用最普遍的陶瓷之一。

    氧化铝质料中,Al2O3占比可以为90wt.%,96wt.%,99wt.%,99.5wt.%,杂质身分次要是MgO、SiO2和CaO的混淆物,它们以玻璃相的情势存在于晶界中。随着Al2O3占比的增长,Al2O3陶瓷的导热才能会渐渐加强,但质料的纯度越高,它的烧制本钱也会大幅增长,并且纯度越高代表质料中的玻璃相含量越少,外表金属化的难度也会变大。

    Al2O3陶瓷最次要的金属化办法是间接敷铜法(DirectBonded Coppermethod,DBC),其次要特点是在金属化历程中,不必要分外参加其他物质即可完成铜箔和Al2O3陶瓷的间接毗连。历程如下:起首将处置终了的铜箔掩盖在Al2O3陶瓷外表,通入肯定含氧量的惰性气体,然落伍行升温,在此历程中铜外表会被氧化,当温度抵达共晶液相存在区间后,Al2O3陶瓷和铜相互间就会发生共晶液相,该液相反时润湿Al2O3陶瓷和铜,完成开端的毗连,随后在冷却的历程中,共晶液相析出Cu和Cu2O,存在于毗连界面处,完成严密的毗连。毗连后,Al2O3陶瓷和铜之间的界面微观构造如下图所示,界面中出现颗粒状的为Cu2O,弥散散布在Cu基体中。

     

    只管Al2O3陶瓷是现在研讨最成熟的绝缘基板,但其热导率仅为25W/(m•K)。随着功率模块越来越高的热量散耗,Al2O3-DBC覆铜板已不克不及满意功率电子器件的要求。别的,氧化铝的热收缩系数和芯片之间有着很大的差异,在使用时容易于发生外部作用力,形成器件破坏。这些优势决议了Al2O3陶瓷基板终将被AlN、Si3N4等低热收缩系数、高热导率的陶瓷所替换,但现在高导热陶瓷的金属化工艺尚不可熟,消费本钱很高。因而,在低端范畴,Al2O3-DBC覆铜板仍以其成熟的工艺、昂贵的代价上风被普遍使用。

     

    3.AlN陶瓷

    AlN陶瓷的热导率要远远优于Al2O3陶瓷,散热功能好。别的,AlN的热收缩系数巨细是(2.7-4.6)×10-6/K,和芯片的参数相靠近,可以无效地低落电子器件由于热失配毁坏的概率。由于AlN陶瓷的优秀功能,其外表金属化成为了人们的研讨热门,现在利用的办法次要是间接敷铜法(DBC)和活性金属化钎焊法(ActiveMetal Brazing,AMB)。

    AlN陶瓷的间接覆铜法与Al2O3陶瓷相似,但又有所差别。这是由于AlN黑白氧化物陶瓷,共晶液相在它外表的铺展结果很差,无法间接举行键合,必要将其在1200℃左右举行预氧化处置,氧化完成后,在AlN陶瓷外表会天生约1-2μm的氧化铝层。将预氧化后的AlN陶瓷和铜在共晶液相存在的温度区间举行毗连,完成AlN覆铜板的制备。

     

     

    AlN-DBC的功能次要取决于AlN陶瓷外表氧化层功能的优劣。氧化后AlN陶瓷基板的弯曲强度和热导率均随氧化层厚度的增长而单调低落。AlN陶瓷外表的氧化层越厚,则在氧化冷却和热循环历程中,由Al2O3和AlN热失配所惹起的热应力就会越大,发生裂纹的概率也就越高,继而AlN陶瓷基板的功能就会越差。别的,由于Al2O3自己过低的热导率,过厚的Al2O3层也倒霉于AlN陶瓷基板高热导任性能的发扬。因此对AlN陶瓷外表氧化工艺的控制就显得尤为紧张。除了将AlN在低温条件下间接举行氧化以外,还可以经过化学溶液活化的方法改进氧化层的功能。

    另一种常用的方法是AMB,是经过活性金属钎料将AlN陶瓷和铜箔举行毗连,最常用的金属钎料为Ag-Cu-Ti系统。金属钎猜中Ti为活性金属,在钎猜中的质量占比约为1-5%,Cu的质量占比约为28%,Ag的质量占比约为67-71%。经过活性金属钎焊的方法完成AlN陶瓷和铜箔之间的毗连,存在的题目是构成的布局外部会留下较多的内应力,在实践使用历程中容易存在牢靠性题目。因而,在金属钎料身分设计历程中,除了Ag、Cu、Ti金属颗粒之外,还必要添加一些可以低落热失配的添补物。现在,常用作添补物的物质次要包罗SiC、Mo、TiN、Si3N4、Al2O3等。

     

    4.Si3N4陶瓷

    氮化硅具有优秀的机器功能(高弯曲强度、高断裂韧性)以及热收缩系数小、摩擦系数小等优秀功能,是综合功能最好的布局陶瓷质料。氮化铝具有高热导率使其成为抱负的基板质料和高牢靠性的电力电子模块,是比年来国际外陶瓷基板范畴重点研讨偏向之一。

    Si3N4陶瓷的热导率可以到达80-100W/(m•K),它的散热才能弱于AlN陶瓷,但基板的力学功能要优于AlN陶瓷,在一些使用场所可以替换AlN陶瓷作为功率器件的散热基板。Si3N4陶瓷的外表金属化不克不及利用间接覆铜法的缘故原由是Si3N4陶瓷无法像AlN陶瓷一样,间接在陶瓷外表天生氧化层。

    Si3N4陶瓷一样平常的经过活性金属钎焊(AMB)的方法将Si3N4陶瓷和铜举行毗连的。与AlN一样,Si3N4也是一种氮化物,可以和一些活性金属(Ti、Cr、V)产生化学反响,在界面层天生一连的氮化物,从而完成Si3N4陶瓷和金属钎料之间的毗连。最常用的金属钎料是Ag-Cu-Ti系统,但这些钎料的液相线低于1200K,钎料的抗氧化功能很差,钎焊毗连后的利用温度不宜高于755K。关于更低温度的利用情况,就必要开辟新的金属钎料。此办法可以完成Si3N4陶瓷的外表金属化,但该办法工艺庞大,消费本钱很高,在利用历程中也存在一些牢靠性题目。

    1.电力电子范畴

    电力电子技能是古代高效节能技能,是弱电控制与被控制强电之间的桥梁,是在十分普遍的范畴内支持多项高技能开展的底子技能。电力电子技能开展的底子在于高质量器件的呈现,后者的开展又必将对管壳提出更高更多的要求。

    真空开关管(陶瓷真空灭弧室)是氧化铝陶瓷经金属化后与铜封接成一体,是一种新型高功能中高压电力开关的中心部件,其次要作用是,经过管内真空优秀的绝缘性使中高压电路堵截电源后能敏捷熄弧并克制电流,从而到达宁静开断电路和控制电网的作用,制止变乱和不测的产生,其局部产品见下图。真空开关管具有节能、防爆、体积小、维护用度低、运转牢靠和无净化等特点,次要用于电力的输配电控制体系。

    2.微波射频与微波通讯

    在射频/微波范畴,氮化铝陶瓷基板具有别的基板所不具有的上风:介电常数小且介电消耗低、绝缘且耐腐化、可举行高密度组装。其覆铜基板可使用于射频衰减器、功率负载、工分器、耦合器等无源器件、通讯基站(5G)、光通讯用热沉、高功率无线通讯、芯片电阻等范畴。

    3.LED封装

    关于现有的LED光效程度而言,由于输出电能的80-85%左右变化成热量,且LED芯单方面积小,事情电流大,形成芯片事情的温度高,因而芯片散热是LED封装必需办理的要害题目。

    氮化铝陶瓷基板由于其具有高导热性、散热快且本钱绝对符合的好处,遭到越来越多的LED制造企业的喜爱,普遍的使用于高亮度LED封装、紫外LED等。LED封装用陶瓷基板因其绝缘、耐老化、可在很小单元面积上固装大功率芯片,拥有了小尺寸大功率的上风。

     

    4.IGBT范畴

    绝缘栅双极晶体管(简称IGBT)以输出阻抗高、开关速率快、通态电压低、阻断电压高、接受电流大等特点,成为当今功率半导体器件开展主流。由于IGBT输入功率高,热量大,散热不良将破坏IGBT芯片,因而对IGBT封装而言,散热是要害,必需选用陶瓷基板强化散热。

    氮化铝、氮化硅覆铜陶瓷基板具有热导率高、与硅婚配的热收缩系数、高电绝缘等好处,十分实用于IGBT以及功率模块的封装,如下图(a)所示。普遍使用于轨道交通、航天航空、电动汽车、智能电网、太阳能发电、变频家电、UPS等范畴。电动汽车以及混淆动力汽车是高导热氮化硅最次要的使用范畴。

     

     

    现在,国际高铁上IGBT模块,如上图(b)所示,次要利用的是由丸和提供的氮化铝陶瓷基板,随着将来高导热氮化硅陶瓷消费本钱的低落,或将渐渐替换氮化铝。氮化硅陶瓷覆铜板因其可以焊接更厚的无氧铜以及更高的牢靠性,在将来电动汽车用高牢靠功率模板中使用普遍。美国罗杰斯公司消费的氮化硅覆铜板已使用于电动汽车上的IGBT模块。