陶瓷基板制备方法

陶瓷金属化技术起源于20世纪初期的德国，1935年德国西门子公司Vatter第一次采用陶瓷金属化技术并将产品成功实际应用到真空电子器件中，1956年Mo-Mn法诞生，此法广泛适用于电子工业中的氧化铝陶瓷与金属连接。对于今天，大功率器件逐渐发展，陶瓷基板又因其优良的性能成为当今电子器件基板及封装材料的主流，因此，实现陶瓷与金属之间的可靠连接是推进陶瓷材料应用的关键。

目前常用陶瓷基板制作工艺有：(1)直接覆铜法、(2)活性金属钎焊法、(3)直接电镀法。

(1) 直接覆铜法

利用高温熔融扩散工艺将陶瓷基板与高纯无氧铜覆接到一起，制成的基板叫DBC。常用的陶瓷材料有：氧化铝、氮化铝。所形成的金属层导热性好、机械性能优良、绝缘性及热循环能力高、附着强度高、便于刻蚀，大电流载流能力。

(2) 活性金属钎焊法

通过在钎焊合金中加入活性元素如：Ti、Sc、Zr、Cr等，在热和压力的作用下将金属与陶瓷连接起来。其中活性元素的作用是使陶瓷与金属形成反应产物，并提高润湿性、粘合性和附着性。制成的基板叫AMB板，常用的陶瓷材料有：氮化铝、氮化硅。

(3) 直接电镀法

通过在制备好通孔的陶瓷基片上，（利用激光对DPC基板切孔与通孔填铜后，可实现陶瓷基板上下表面的互联，从而满足电子器件的三维封装要求。孔径一般为60μm~120μm）利用磁控溅射技术在其表面沉积金属层（一般为10μm~100μm），并通过研磨降低线路层表面粗糙度，制成的基板叫DPC，常用的陶瓷材料有氧化铝、氮化铝。该方法制备的陶瓷基板具有更好的平整度盒更强的结合力。

以上三种方法制备的陶瓷基板已在电力电子技术、工业、白色家电、新能源汽车等领域有所应用，也是目前常用的陶瓷基板类型。

其他陶瓷金属化方法有：(1)机械连接法、(2)厚膜法、(3)激光活化金属法；(4)化学镀铜金属化；(6)薄膜法。

(1)机械连接法是采取合理的结构设计，将AlN基板与金属连接在一起，主要有热套连接和螺栓连接两种。热套连接是利用金属与陶瓷两种材料的热膨胀系数存在较大差异和物质的热胀冷缩来实现连接的。机械连接法工艺简单，可行性好，但它常常会产生应力集中，不适用于高温环境。

(2)厚膜法是让金属粉末在高温还原性气氛中，在陶瓷表面上烧结成金属膜。主要有Mo-Mn金属化法和贵金属(Ag、Au、Pd、Pt)厚膜金属化法。涂敷金属可以用丝网印刷的方法，根据金属浆料粘度和丝网网孔尺寸不同，制备的金属线路层厚度一般为10μm-20μm该方法工艺简单，适于自动化和多品种小批量生产，且导电性能好，但结合强度不够高，特别是高温结合强度低，且受温度形象大。

(3)激光活化金属法是一种比较新颖的方法，首先利用沉降法在氮化铝陶瓷基板表面快速覆金属，并在室温下通过激光扫描实现金属在氮化铝陶瓷基板表面金属化。形成致密的金属层，且金属层在氮化铝陶瓷表面粒度分布均匀。激光束是将部分能量传递给所镀金属和陶瓷基板，氮化铝陶瓷基板与金属层是通过一层熔融后形成的凝固态物质紧密连接的，二者之间的传质方式是通过扩散、溅射以及发生化学反应实现的，这些反应有利于金属与陶瓷的结合。东北大学的郎小月[7]用该方法制备出了金属钨层氮化铝陶瓷基板，其中金属钨与氮化铝陶瓷基板的剪切强度最大能达到62.5MPa，金属与陶瓷金属化后整体的导热率为114.37W/(m·K)，为大功率电子器件散热提供了广阔的应用前景。

(4)化学镀铜金属化是采用化学镀液在表面形成金属层的方法，该方法无需经高温处理，成本低，适应于大规模生产。然而，结合强度不高，陶瓷本身对金属的化学还原没有催化活性，如不作预处理则不可能在陶瓷表面实现化学镀，因此，需在化学镀前进行敏化和活化处理。张咪等人[9]采用化学镀的方法在陶瓷表面制备了结合力良好，镀层均匀，连续致密的Cu金属层。

(5)薄膜法通常有真空蒸镀法、熔盐电解法、等离子溅射等，这类工艺主要是使金属以气态形式沉积到陶瓷表面上而形成牢固的金属化膜。其特点是形成的金属膜较薄(<1μm)而无过渡层，且气态沉积无需高温，该方法可以镀任何金属在陶瓷基板上成膜，从而实现金属化，薄膜金属化法产生的金属层均匀，与基板结合强度高，但设备投资大，难以形成工业化规模。用此方法制备时，金属膜层要尽量与陶瓷基板的热膨胀系数一致，以减小薄膜应力、提高金属膜层的附着力。

将金属汽化，再冷凝在基材上。工艺过程全部在抽成一定真空的密闭容器中进行。其中，要求被蒸镀的基板材料表面必须非常平整洁净，使附着面积与附着力达到一定的要求，以保证所镀金属制品的表面质量。

一种通过加载电压直接将金属从其氧化物中还原实现金属冶炼的方法。熔盐电解的冶金机制一般认为有两种观点，一种观点认为阴极氧化物直接被还原，氧离子化后通过熔盐扩散到阳极放电;另一种观点是氧化物与熔盐在界面发生钙热还原反应。无论哪种机制，形成共识的是熔盐电解最初发生在氧化物表面，脱氧层逐渐向固体内部生长增厚。

等离子体是指存在的时间和空间均超过某一临界值的电离气体，这种电离的气体是由电子、离子、分子或自由基等粒子组成的集合体。溅射镀膜是利用气体放电产生的荷能离子在电场作用下高速轰击阴极靶材，使靶材中的原子或分子逸出而沉积到基片或衬底的表面，形成所需要的薄膜。与传统的真空蒸镀法相比，溅射镀膜具有很多优点，如膜层和基体的附着力强，可以方便地制取高熔点物质的薄膜，在很大的面积上可以制取均匀的膜层，容易控制薄膜的成份，可以制取各种不同成份和配比的合金膜。

进行金属化处理虽然较为复杂，但是其可解决活性钎焊中存在的许多问题，如无法大面积进行焊接处理和钎料无法很好进行铺展等。此外，金属化层也可以保证陶瓷在高温钎焊中不会发生分解从而产生空洞，所以间接钎焊法目前在市场上仍有很好的应用。陶瓷金属化件可以应用于多种领域，如电力电子领域、微波射频与微波通讯、新能源汽车邻域、IGBT领域、LED封装领域等。