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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、半導體封裝和 IGBT 模塊等領域有著廣泛的應用，其產品主要有主要有陶瓷結構件和陶瓷基板，因市場需求的增大和新材料的不斷涌現，諸如陶瓷繼電器、陶瓷密封連接器、陶瓷基板等系列產品大規模實現產業化，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重要。
供應新能源領域陶瓷零件電動汽車專用陶瓷繼電器
高導熱陶瓷基板的應用離不開金屬化，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 強企業和全球最大的高技術陶瓷公司，代表產品有大功率的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
實現陶瓷與金屬之間的可靠連接是推進陶瓷材料應用的關鍵，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相差較大，在連接完成后，封接界面處會產生較大殘余應力，降低了接頭強度。另外金屬陶瓷封接是以金屬釬焊技術為基礎而發展起來的，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；
6．封接處尺寸的公差應很小。
陶瓷封接技術類型
幾十年來，國內外先后在擴散連接、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，其產品性能穩定、工藝可靠性高、生產成本合理。以下主要介紹目前國內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. 燒結金屬粉末法
燒結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，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。相當于把陶瓷與金屬的封接轉變為金屬與金屬的封接，工藝難度大幅下降。
燒結金屬粉末法
（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氣相沉積法等，而活化Mo-Mn法是生產應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生固相反應，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，當冷卻后，熔融體在陶瓷與金屬層中形成過渡層，實現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，當其含量為 Ag72Cu28時對 Cu、Ni 的潤濕性和流動性較好，不含有揮發性和易被氧化元素，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，通過化學反應在陶瓷表面形成反應層，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，所以目前在國內外發展較快，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間的金屬元素如 Ti、Zr、Hf 等，具有很強的化學活性，且與Cu、Ni、Ag-Cu等金屬形成的液態合金容易與陶瓷表面發生反應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、良好的導電性、較高的強度和塑性、加工性能好、在介質中抗腐蝕性也較好。
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象，導電率高，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，高溫下發生化學反應在銅與陶瓷之間形成一層很薄的過渡層，即實現金屬與陶瓷的連接。
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，在表面生成結構均勻且附著牢固的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，通常用于結構陶瓷。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境中，通過高溫和壓力的作用，首先使待接面局部發生塑性變形，促使氧化膜破碎分解，為原子擴散創造條件，通過原子間的擴散或化學反應形成反應層，從而實現連接。
目前，國內在應用HIP擴散焊接方面取得許多進步，其產品應用在航空航天、電力電子和新能源等各大領域，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的放熱和產物來連接待焊母材的技術，反應熱為高溫熱源，產物為焊料，為解決兩種材料間的熱膨脹系數和彈性模量不匹配的問題，連接過程中常用反應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力。
此方法能耗低、生產效率高，但由于反應速度極快，焊料燃燒時間不易控制，導致界面反應控制困難。目前，國內主要針對TiC陶瓷與Ni以及TiAl合金之間的自蔓延反應進行了相關研究。
總結
陶瓷與金屬連接件廣泛用于電力電子領域、微波射頻與微波通訊、新能源汽車、IGBT、及LED封裝領域等，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，國內在陶瓷與金屬的連接的工藝開發和工程應用方面仍舊有不少難關需要突破。
參考來源：
1.淺談新能源汽車用先進陶瓷繼電器產品開發與關鍵技術，楊倩、閻蛇民（咸陽陶瓷研究設計院有限公司）；
2.陶瓷與金屬連接的研究及應用進展，范彬彬、趙林、謝志鵬(1. 景德鎮陶瓷大學，材料科學與工程學院；2.清華大學，材料學院，新型陶瓷與精細工藝國家重點實驗室）。
粉體圈 小吉
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