陶瓷金属化表层电镀工艺研究_赵英键.pdf

电 镀 与 精 饰第45卷第3期（总第360期）2023年 3 月115陶瓷金属化表层电镀工艺研究随着电子科技的发展，电子元器件更加复杂和密集，为满足各种电子元器件的封装问题，亟需寻找性能优良的封装材料。陶瓷以其良好的导热性、强度及绝缘性能，成为电子元器件的理想封装材料。为保障电子产品内外电路的顺畅连接，通常采用陶瓷金属化技术，实现陶瓷与金属的完整焊接。当前，陶瓷金属化广泛应用于电子领域、陶瓷工艺品领域、航天航空领域等，是实用性和工艺性兼备的技术。本文通过对陶瓷金属化表层电镀工艺的综述，介绍了其技术原理及应用情况，旨在为后续研究提供理论参考。1、陶瓷金属化陶瓷金属化是将两种不同性质的材料进行组合，且要满足组件具备较高的结合强度、良好的气密性及优良的热循环能力。陶瓷材质具备高强度、高硬度、耐高温、耐腐蚀、绝缘性能好等特点，金属材质则具备导热性能好、导电能力强、延展性能佳等特点，将两种材料结合在一起，不仅在性能上实现了优势互补，还拓宽了各自的应用范围。但由于陶瓷与金属两种材料的热膨胀系数有差异，无法做到直接相连，通常需要在陶瓷表面镀上一层金属薄膜，即借助陶瓷金属化以实现两者的紧密结合。常用的陶瓷基片包括碳化硅（SiC）、氧化铍（BeO）、氮化铝（AIN）、氧化铝（Al2O3），不同材质的陶瓷的物理性质有所差异。由表1可知，碳化硅要具备较高的电阻率，必须加入氧化铍或氧化硼，因而限制了其应用范围。氧化铍虽具有高导电性和导热率，但因具有致癌风险而应用较少。氮化铝的各项物理性能优异，被认为是最有前途的陶瓷基片，但因其成本较高，只在对散热要求较为严格的条件下使用。氧化铝在机械强度、导电和导热性能、绝缘性能等方面均优良，且原料来源广泛、价格低廉，是陶瓷基片的最佳选择。表1 常见陶瓷的物理性质材料介电常数/（Fm-1）电阻率/（cm）热膨胀系数/（10-6）导热率/（W（mK）-1）密度/（gcm-3）弯曲强度/MPaSiC7.010142.84.6702703.03.2450BeO6.58.910156.39.02603002.95170240AlN8.51010142.74.61002603.2280320Al2O38.51010146.57.222443.754.03003851.1陶瓷金属化表层电镀工艺流程陶瓷金属化以陶瓷为基底，在其表面涂覆特定金属或金属氧化物，并在特定条件下固化，使陶瓷表面附着一层金属薄膜，实现陶瓷制品与金属零件的焊接。在此过程中，首先要对陶瓷基底进行预处理，采用稀硫酸、丙酮、乙醇、去离子水等对陶瓷表面进行清洗，保证表面的相对光滑和洁净；其次还要注意浆料的厚度，既要保障均匀覆盖，又要有利于组分的迁移，最后要对焊接点进行拉力测试以检查电镀效果。1.2陶瓷金属化表层电镀工艺的机理陶瓷金属化涉及理化反应、物质流动、组分重排等，工艺机理相对复杂，主要有以下集中观点：（1）张珊珊等利用等离子体溅射沉积和电镀工艺制备了不同过渡层的陶瓷覆铜板，发现中间层通过强键合作用提升了金属化层的结合力。（2）Philipp I.Vysikaylo等利用等离子体工艺制备氧化铍陶瓷金属化层，中间层的空位集中及电子交互反应促进了工艺活化过程。（3）蔡安富等利用MnO-Al2O3-SiO2金属化膏剂进行陶瓷金属化操作，发现陶瓷中的Ca、Mg、Si等物质形成了玻璃相，并以毛细管力向金属化层迁移，金属化层的致密性加强，陶瓷与金属化层结合得更紧密。（4）Zhiqin Zheng等利用丝网印刷工艺在氧化铝陶瓷表面电镀银，银原子通过扩散作用在陶瓷表面形成网格，并由此增加了陶瓷表面的银原子浓度，使得金属化表面得结合力更强。1.3陶瓷金属化性能的影响因素陶瓷金属化效果直接决定了产品的气密性和封接强度，而影响陶瓷金属化性能的因素主要为金属化配方、温度、金属化层结构、粉料粒度和分布、涂层厚度、涂覆方式等。2.、陶瓷金属化表层电镀工艺随着陶瓷基片的广泛应用，陶瓷金属化工艺得到了有效提升。当前，常用的工艺包括Mo-Mn工艺、活性金属钎焊工艺、直接覆铜工艺、磁控溅射工艺等。2.1 Mo-Mn工艺Mo-Mn工艺是最早的陶瓷金属化工艺，是将难熔金属Mo和少量易熔金属Mn混合成金属化膏剂，并加入粘黏剂涂覆于氧化铝陶瓷表面，通过烧结形成表面的金属化层。Ghosh S等以质量比为4:1的Mo、Mn粉末为配方，发现金属化层与陶瓷基A1152023Mar.453360Vol.No.Serial No.Plating and Finishing赵英键 广西艺术学院造型艺术学院 广西 530007B底有良好的黏合性；分析陶瓷基底、界面层级金属化层的硬度发现，三者硬度呈现梯度分布，这样不仅具备较强的黏性，还提高了制品的抗热震性能。但Mo-Mn工艺对温度要求较高、能源消耗较大，且封接强度会受到活化剂的影响，因此应该在此工艺基础上进行改进。活化Mo-Mn工艺在原有工艺的基础上，通过添加活化剂或利用钼锰氧化物或盐类替代金属粉末，以降低金属化反应的温度。在活化Mo-Mn工艺过程中，钼颗粒呈海绵状骨架排列，与氧化锰、活化剂（氧化铝、氧化硅、氧化钙等）相互扩散，形成了具有较低黏性和低熔点的熔体；玻璃相在熔体的影响下熔点、黏性均降低，并不断向金属化层迁移，增强了陶瓷金属化层的结合力。活化Mo-Mn工艺虽增强了结合强度，但工艺依旧复杂，成本居高不下。2.2活性金属钎焊工艺活化金属钎焊工艺只需要一次升温即可，且能借助钎焊合金的活性元素（钛、锆、铪、钽）在氧化铝陶瓷表面均匀地镀上金属化层，因其工艺简单经济，适合大规模推广使用。在活化金属钎焊工艺中，活性元素会在陶瓷表面形成牢固的金属化层，便于后续钎焊的可靠连接。Wang Y等将Ag-Cu-TiH2-B复合材料应用于氧化铝陶瓷表面，在后续与5A05防锈型铝合金进行钎焊时，氧化铝陶瓷与铝合金在530 下钎焊20min，金属化层的温度可达880。活性金属钎焊工艺能直接将钎焊在陶瓷表面，显著提高了制品的抗剪强度、弯曲强度等工艺性能，但活性钎料较为单一，导致其应用范围受限，仅适合单件或大件单独生产，难以实现大规模批量生产。2.3直接覆铜工艺和直接镀铜工艺直接覆铜工艺（DBC）是借助氧元素，通过热压或高温熔炼等技术，直接将金属铜牢固覆于陶瓷表面，在金属与陶瓷间形成金属化薄膜。直接覆铜工艺在氧化铝陶瓷和氮化铝陶瓷金属化上有显著的差别。氧化铝可直接调控氧元素的含量实现金属化过程，而氮化铝陶瓷本身对铜没有浸润作用，智能通过加热氧化在其表面形成氧化铝薄膜后，才能实现后续的金属化操作。该工艺最早由Burgess和Sun提出，是将铜箔与氧化铝表面的Al通过键合作用相连;之后，Hromadka K等对工艺进行改良，实现了最大厚度约0.7 mm的铜膜覆盖，制成的基板表现出优秀的导电性、耐热性和机械性能。直接镀铜工艺（DPC）直接在陶瓷基底上电镀金属铜，满足了覆铜制品高精度要求。相比于DBC工艺，DPC借助电镀沉积法调控金属层的厚度，灵活度相对较高，而且较低的制备工艺也避免了材质的破坏与变形。这两种工艺精准度较高、绝缘性能优异，符合大功率LED元件的生产需求。2.4磁控溅射工艺磁控溅射工艺是一种物理气相沉积方法，通过磁控技术在基底表面沉积金属膜，不仅使金属膜具有优良的附着力，还以环保的方式改善了金属层的均匀度。Ju D L等首先对氧化铝陶瓷进行清洗等处理，然后将Cu直接溅射在陶瓷基地上，粘黏度可达34 MPa。Xin C等采用磁控溅射工艺在氧化铝陶瓷表面沉积钛/钼双层金属化膜，在1200 烧结温度下，钛/氧化铝界面会形成具有金属性质且直径小于150 nm的球形一氧化钛纳米颗粒，能将钛仅仅结合在氧化铝基底上。同时，钼可以作为陶瓷表面钛涂层的保护剂，抑制钎焊过程中钛与金属之间的反应。磁控溅射工艺能获得较薄的金属化层，保障了零件尺寸的精准，但不适宜耐高温陶瓷的金属化过程。3、陶瓷金属化表层电镀工艺的评价方式判断陶瓷金属化工艺的优劣主要根据金属化层的气密性、黏合度、方阻、焊料润湿性及键合性能等。气密性是真空电子元件的重要衡量指标，可以氦气为漏气气体，采用氦质谱检测仪检查是否漏气。黏合度利用抗拉法测量，先用焊料或环氧树脂将引线与金属化层焊接，然后在引线另一侧牵拉，直至金属化层与陶瓷表面彼此分离，以得到黏合力大小。成功的金属化往往附着力显著大于陶瓷自身的强度，也可采用剥离强度来衡量两者之间的附着能力。方阻可通过四探针探头测量，首先将四端探头压在金属化层表面，其次在外端探针产生的电流场下，内端探针的探点上会形成电势，最后在方阻计上会得到结果。焊料润湿发生在焊料和金属化表面紧密结合时，润湿性表明两者之间存在足够的吸引力，可将金属化制品浸入2485 的熔融锡锅内10s，再观察焊锡在金属化层表面的覆盖情况。键合性能考验不同金属的键合适应性和可靠性，可通过GJB方法2011版测定其适应性，通过蒸煮、高温高湿等方法衡量其可靠性。4、展望随着陶瓷-金属封接的广泛应用，高精度和标准的电子元件需求增加，综合性能良好的散热基板成为电子行业炙手可热的产品。陶瓷是当前较为优良的导热材料，且兼具高强度、绝缘性好、热膨胀系数小等特点，成为电子元件理想的基底材料。陶瓷需要通过金属化手段提升其封装效果，但当前金属化手段各有优缺点，工艺复杂程度、成本高低、金属化效果等都需要严格考虑，并未找到适应性广的封装工艺，未来仍需要从以下几方面加强陶瓷金属化研究。（1）进一步探究陶瓷金属化电镀工艺中玻璃相的迁移及润湿机理；（2）探寻低成本、低能耗的制备工艺及金属化配方，力求实现大规模批量化生产；（3）深入研究不同添加剂、陶瓷组成及基底表面光滑程度对金属化效果的影响。通过对陶瓷金属化工艺的不断优化，必将实现在陶瓷工艺品领域更加广泛的应用推广，也是推动电子产业发展的必然选择。基金项目：广西艺术学院2020年度高层次人才科研启动经费项目“中国古代大型重陶技法研究”编号：（GCRC202007）