AgCuTi活性法陶瓷-金属封接技术

作者:吴懿平 博士

关键词:AgCuTi焊料;活性法封接;金属-陶瓷封接;高导热陶瓷基板;GBT基板

引言

在电子制造领域,大量的功率器件衬底、管壳、基板以及结构件,既要求有高导热性,又要求将电极(热极)、热电通路(电路)等相互电绝缘分开,而沿热流方向具有最低的热阻,以便将器件的产热迅速导出。对于电绝缘材料来说,普遍存在着导热性能很差,性脆且难加工(如陶瓷)的问题;而对于导体来说,虽然具有高导热性和导电性,且具有良好的可加工性,但是要在金属与金属之间形成导热通路的同时还要构成相互电绝缘的电极与电路是不可能的,这只能在绝缘的基板上(特别是陶瓷基板与零件)形成金属电路。因此,在电子制造工艺上,时常将电绝缘的陶瓷基体或零件与金属导热、导电电极或零件进行焊料封接,形成热电隔离的封装器件、电路基板与管壳零件等。由此可见,陶瓷与金属的封接技术就成为现代电子制造领域的一种不可或缺的关键连接技术,广泛应用于半导体与集成电路封装、电光源、激光器件、原子能和高能物理、宇航、化工、冶金以及医疗设备等行业。陶瓷-金属封接是高真空电子器件、微波器件、电力电子器件、燃料电池、汽车电子器件、IGBT等重要电子器件的主要封装技术。真空电子器件进入超高频、大功率、长寿命、微型化后,传统的玻璃封接已经不能胜任,必须采用陶瓷-金属封接技术。陶瓷-金属封接技术是多学科交叉的技术领域,是实用性与工艺性非常强的技术,它要求陶瓷-金属封接组件必须具有高的结合强度、好的气密性和优良的热循环性能。广州先艺电子科技有限公司在金属-陶瓷封接领域进行了深入研究,开发出活性法金属-陶瓷封接的焊膏、预成形焊片及其成套的封接工艺。本文将向读者介绍陶瓷-金属的封接技术及其采用活性焊料对陶瓷与金属进行封接的工艺。

金属-陶瓷封接工艺分类

液相工艺

在进行陶瓷金属化或者陶瓷与金属直接封接时,在陶瓷与金属(或金属粉)界面间有一定的液相存在。液相可能是熔融氧化物或熔化的金属。液相的存在,使得物质间发生分子间或离子间的直接接触,实现相互连接。大部分陶瓷与金属封接工艺均属于液相工艺,如Mo-Mn法、活性合金法、氧化物焊料法。这些方法又可称之为厚膜工艺。

气相工艺

金属在真空等特定条件下,通过高能束、等离子体轰击等加热蒸发或溅射,使其变成金属蒸汽或离化,然后沉积于温度较低的介质表面(陶瓷),形成金属薄膜,薄膜与介质表面有较高的粘接强度。这种方法也可视为薄膜工艺。

固相工艺

将陶瓷与金属表面磨平并以固态的形式夹持在一起,在一定的外加条件(高温、高压与静电引力)下,使两平面紧密接触,不出现液相而达到气密性的封接。例如:压力封接、固态扩散封接和静电封接。

陶瓷-金属的封接工艺方法有很多,主要的工艺方法见表1。

活性法陶瓷-金属封接原理及钎料

活性法封接原理

活性法陶瓷-金属封接是将活性金属粉(如Ti、Zr等)和能与其在较低温度下形成合金的金属钎料(如Ag、Cu、Ni、Ag-Cu等)一起放置于陶瓷和金属件之间,在真空或惰性气体中加热熔化后二得到的一种牢固气密的封接方法。活性金属法的特点是:工序少,可在一次升温中完成;受陶瓷成分与性能的影响很小;不同种类、不同陶瓷可用同一种工艺进行封接;适合于大件、单件生产或小批量的生产而不适于大件、连续生产。

活性金属法所要求的基本条件是:封接钎料中有活性金属;被封接表面具备与活性金属形成低共熔合金或能溶解活性金属的钎料;需要在真空和惰性气氛环境下封接。

活性金属包括:Ti、Zr、Ta、Nb、V、Hf等。Ti最为常用的活性金属,可以是钛丝、钛箔、钛粉以及氢化钛粉末。

活性钎料:Ag-Cu-Ti;Ti-Ge-Cu;Ti-Ni;Ti-Cu;Ti-Au-Cu;Ti-Ni-Cu,其中,Ti含量一般为3%~7%。钎料的形式多种多样,既可以是预成形合金焊片,也可以是由活性焊粉制作而成的焊膏,或是合金焊片与活性金属焊膏混用。

活性金属对很多氧化物(Al2O3、SiO2等)和非氧化物(如BN、AlN)均有很强的化学亲和力,因而能够与许多陶瓷进行封接,适应性很强。从含100%的SiO2石英玻璃到的100%的Al2O3蓝宝石单晶,活性法都能得到良好的陶瓷-金属封接。

以氧化铝陶瓷-金属封接为例,活性法钎料为Ag-Cu-Ti。其中含有活性金属(如Ti)。Ti和Al2O3在封接温度下会发生化学反应。其化学反应式如下:

Al2O3(固)+3Ti(Ag-Cu,液)=3TiO(固)+2Al(液)

随着封接温度的不同,生成物的浓度会发生变化。在封接温度下,Ag-Cu钎料首先熔化,之后Ti溶解其中。Al2O3中的氧对Ti具有选择性吸附,使得陶瓷表面的Ti浓度增大,有利于化学反应的进行,而一部分Ti与Al2O3 (SiO2) 发生化学反应,并夺走Al2O3陶瓷中的氧;而另一部分Ti没有参与反应,而与Cu(Ag)能形成合金,从而使介质性质的Al2O3和金属性质的钎料通过Ti桥接起来。活性法陶瓷-金属封接的本质就是形成了中间层(Ti桥);连接的过程的实质就是中间层的形成过程。其模式如图1所示。

由于高温下TiH2粉末分解后可获得新生态Ti,这对于非氧化物陶瓷的化学反应更为有利,因此完全可以采用TiH2粉来代替Ti粉。延展性好且能够压延成薄片(0.02 mm)的Ti-Ag-Cu合金箔片,也能够制备成预成形焊片,用作金属-陶瓷封接钎料,这一工艺技术已经获得广泛应用。

活性法只需要一次高温过程,不需要金属化、镀镍等前道工序,其封接温度比金属化温度低得多,因而避免或降低了陶瓷的变形,这对精密封接是极为重要。

活性法的工艺特点是工序少、周期短、温度低,非常适合单件、大型陶瓷件的封装。具体的封接工艺流程如图2所示,典型的工艺参数见表2。对于95%的氧化铝陶瓷,封接温度推荐选择800~850 ℃。温度过高,钎料容易流失;温度过低,Ti溶解于钎料中会不完全,从而形成漏气或气密度不高。

Ag-Cu-Ti活性合金钎料

活性封接技术随Ti金属的形态不同和钎料组合方式不同而有多种方法:

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