陶瓷基板常用導電材料的種類及特性

陶瓷基板

陶瓷材料因其密度較小，熱導率較高，膨脹系數(shù)匹配，是一種綜合性能較好的封裝材料。由于陶瓷封裝對可靠性、氣密性、高頻傳輸性等性能需求，勢必要用到金屬導體來提升陶瓷共燒技術。又因金屬材料與陶瓷材料性質(zhì)差異大，在共燒陶瓷技術中往往需要使用作為燒結助劑的導體漿料來促進金屬與陶瓷的連接。本文，我們來分析陶瓷基板制造中常用到的導電材料。

陶瓷基板

鉬錳（Mo-Mn）

Mo-Mn導電相作為陶瓷金屬化工藝中最早引入的一種導電相，最早由La Forge在1956年提出了活化Mo-Mn 法的概念。它在國內(nèi)的應用則開始較晚，主要也是在國外進展的基礎上，進行了一系列的研究。

目前，金屬化工藝大多采用活化 Mo—Mn 法。主要用于95- Al₂O₃瓷、99-Al₂O₃等高純氧化鋁瓷、Al₂O₃單晶（藍寶石）、ZrO₂陶瓷以及 ZrO₂增韌-Al₂O₃(ZTA)等陶瓷。采用活化Mo—Mn法金屬化后所得的陶瓷金屬接頭強度較高，氣密性較好。

▲鉬錳漿料

鎢（W）

W粉的粒度和形貌對導體漿料的印刷性能、燒結狀態(tài)和導電性能都有著重要影響：粒度過大，不易燒成；粒度過小，則存在過燒的風險；W粉形貌不均勻，則其顆粒比表面積較大，配制的漿料粘度就會過大；W粉的燒成狀態(tài)差，相應的導電性能也會變差。

W粉主要用在高溫陶瓷基板中，目前，業(yè)界人士研究了W粉顆粒分級對氧化鋁陶瓷金屬化方阻的影響，發(fā)現(xiàn)0.5μm和1μmW粉混合能顯著降低方阻，且當兩者質(zhì)量比為45:55時，得到的金屬化方阻最小。

▲鎢漿

鉬（Mo）

Mo也是常用在在高溫陶瓷基板中的導電材料，其熔融溫度和硬度均低于W，更容易整形，使用Mo作為導體漿料的導電相可以有效降低高溫瓷金屬化的燒成溫度，這使得Mo金屬化在國內(nèi)外陶瓷封裝外殼生產(chǎn)企業(yè)中占有重要位置。

但Mo粉在生產(chǎn)、運輸、儲存和金屬化膏劑制備過程中易發(fā)生團聚現(xiàn)象，不耐化學腐蝕且在鍍鎳后易發(fā)生起泡現(xiàn)象等原因限制了Mo在高溫瓷金屬化中的大范圍應用。

目前研究得到結論是，1、濕磨工藝處理的Mo粉應用在95％Al₂O₃陶瓷上，可使金屬化封接強度得到顯著提高。2、可以通過濕氫生產(chǎn)形貌完整、大小均勻、分散好的大顆粒Mo粉。3、減小電流密度延長電鍍時間的方法，能有效抑制Mo金屬化電鍍起泡現(xiàn)象。

鎢銅（W-Cu）

W-Cu導體材料結合了W的高熔點、高密度、低熱膨脹系數(shù)和Cu的高電導率、高熱導率，以及良好的延展性等優(yōu)點，常用于中溫陶瓷共燒環(huán)境中，但當使用W-Cu材料和陶瓷基板共燒時，Cu易燒失的缺點就會暴露出來。

目前行業(yè)通常采用的解決辦法是：1、向?qū)w漿料中加入銀、鈷、鐵、鋅、鈦等微量的活化元素，通過降低W與Cu之間的潤濕角來抑制Cu的燒失。2、通過改善W-Cu粉體的制備方式來改善W-Cu合金與陶瓷基板共燒后的燒結狀態(tài)。

銅（Cu）

Cu的導熱系數(shù)高，將Cu加入Al₂O₃陶瓷，在高溫環(huán)境下，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)生化學反應時，生成 CuAlO₂/CuAl₂O₄二元氧化物，在Cu與陶瓷之間形成一層很薄的過渡層，在過渡層的作用下實現(xiàn)銅材與陶瓷的連接。

銀（Ag）

Ag具有良好的強度、韌性、導電性、導熱性和抗腐蝕性，是應用極廣的硬纖料。在Ag中加入Cu形成共晶可以有效降低熔化溫度，又不會形成脆性相。

Ag-Cu合金的熔點適中，固相線為889℃，工藝性好，適合各種纖焊工藝。同時，Ag-Cù的彈性模量E和屈服極限小，有利于釋放接頭中的殘余應力，這對改善纖焊接頭的力學性能有益，所以在釬焊陶瓷時用它作為中間層材料可顯著提高接頭性能。

此外，在相關研究中，表明Ag-Cu-Ti活性釬料中引入了金屬 Zn，利用其在真空環(huán)境中具有較高的飽和蒸汽壓且極易發(fā)生揮發(fā)的特性，有效地優(yōu)化了釬焊界面中 Ag-Cu 共晶的結構，成功地改善了液態(tài)釬料在陶瓷表面的鋪展及潤濕行為，進而極大地提高了Al₂O₃/Cu 接頭的封接性能。

鋁（Al）

Al有延展性，在潮濕空氣中能形成一層防止金屬腐蝕的氧化膜。隨著航空、建筑、汽車三大重要工業(yè)的發(fā)展，要求材料特性具有鋁及其合金的獨特性質(zhì)，這就大大有利于Al的生產(chǎn)和應用。

Al₂O₃陶瓷具有強度高、硬度高、耐高溫、抗腐蝕、耐磨以及絕緣性能好等優(yōu)異特性，在許多工程應用中需要與金屬連接起來，以期獲得陶瓷-金屬復合構件，更好地發(fā)揮 Al₂O₃陶瓷在作為結構材料及電絕緣材料方面的優(yōu)越性能。

AlN 陶瓷由于具有高熱導率、低介電常數(shù)、與單晶硅相匹配的熱膨脹系數(shù)及良好的電絕緣性能。例如，在Al₂O₃陶瓷中增添了 AlN 陶瓷的預氧化過程。

此外，陶瓷基板制作中常采用在元素周期表中處于過渡區(qū)間的金屬元素如Ti、Zr、Hf等，這些元素是有很強的化學活性，對氧化物和硅酸鹽等有較大的親和力，能夠潤濕原本化學惰性的陶瓷表面并與陶瓷表面的氧、碳、氮或硅發(fā)生化學鍵合，其在接合界面分別形成氧化物、碳化物、氮化物或硅化物反應產(chǎn)物。從而在接頭表面形成一個反應層，這為陶瓷表面增加了更高程度的金屬特性。

燒結升溫速率對低溫共燒陶瓷基板性能的影響

陶瓷基板的檢測方法大全

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陶瓷基板常用導電材料的種類及特性

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