氮化铝陶瓷用银浆的研制

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D10 ,
D50 ,
淬,球磨成 D50 小于 3μm 的玻璃粉制备的银浆。
JW-DX
比表
比表面积
面积
分析仪
110℃/1hr
538℃/0.
5hr
损耗
银浆。6# 、
7# 、
8# 、
9# 配方是在 3# 玻 璃 粉 原 材 料 配 方
里分别外加 1% 、
3% 、
5% 、
7% 的 白 砂 糖,高 温 熔 炼,水
技术指标
2000ZD
粒径
B-Ag
技术指标
平均
灼烧
化学
原子吸收
杂质
分光光度计
陶瓷
(研究与开发) 2023 年 09 月
氮化铝陶瓷用银浆的研制
王
(
1 西安创联宏晟电子有限公司
摘
要
靖1
李宏杰2
· 29 ·
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*
冀亮君1
西安 710065)(
2 西安创联光电新材料有限公司
西安 710065)
目前氮化铝陶瓷银浆存在的主要问题是附着力低。笔者研究了玻璃化学成分、添加 剂 及 银 粉 对 氮 化 铝 陶 瓷 银 浆
表 1 两种银粉的性能指标
检验
Q-Ag
测定方法
项目
松装
密度
振实
密度
GB/T1479.
2
2.
96g/cm3
1.
92g/cm3
GB/T5162
6.
05g/cm3
2.
73g/cm3
0.
98μm
0.
2μm
D90 ,
D99
D50 ,D90
1.
62,
2.
40
-
5
-
7
激光粒度仪
2000ZD 激光
粒度
粒度仪/μm
分布
学键。
为了解决目前氮 化 铝 陶 瓷 银 浆 附 着 力 问 题,笔 者
采用钡硼酸盐玻璃,在 配 方 里 加 入 适 量 二 氧 化 钛 和 白
砂糖,在高温熔炼时,白砂糖分解,产生碳原子,对二氧
化钛进行还原,产 生 钛 原 子。 该 玻 璃 粉 里 面 的 一 部 分
金属钛,在银浆烧结 温 度 下 可 以 与 氮 化 铝 陶 瓷 表 面 的
显不够,无法实用化,一 旦 含 有 钛 原 子,附 着 力 明 显 提
高,达到实 用 化 程 度
(研究与开发) 2023 年 09 月
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。 目 前 市 场 上 供 应 的 钛 粉,最
[
10]
细是 325 目,由于颗粒太粗,在银浆烧结温度下无法与
氮化铝陶瓷表面的氮 离 子 发 生 反 应,形 成 不 了 牢 固 化
n。 烧 结 周 期 为 60
mi
n。
[ ]
1.
3 测试 12
1.
3.
1 银浆性能测试
(
1)粘度。 用 数 显 粘 度 计 测 定 粘 度,使 用 4 号 转
/mi
子,转速为 0.
3r
n。
(
2)印刷性能。用 200 目不锈钢丝网。
(
3)细度。用 0~50μm 刮板细度计测浆料细度。
1.
3.
2 银层性能测定
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(
1)银粉。对不同厂家生产的银粉进行配比,制备
银浆,烧结,用 40 倍显微镜观察银层致密度。
(
2)玻璃粉。选择不同配方、不同化学成分的玻璃
粉,制备银浆,烧结,测试氮化铝陶瓷基板附着力。
(
3)选择合适成分的玻璃粉。不同的添加剂,制备
银浆,烧结,测试附着力与焊料润湿性及耐焊性。
1.
2.
2 浆料制备和烧结
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· 30 ·
陶瓷
质,从而提高银层 与 氮 化 铝 基 体 的 附 着 力。 在 氮 化 铝
陶瓷金属化钎焊中,金 属 钛 原 子 是 氮 化 铝 陶 瓷 金 属 化
的关键元素,如银铜 钛 焊 料,没 有 钛 原 子 时,附 着 力 明
1 实验
[ ]
1.
1 实验材料及仪器 11
实验所用乙基纤维素、银粉、添加剂及氮化铝陶瓷
基板均为购自不同厂家的市售原料,玻璃粉为自制。
三辊研磨机(上海 第 一 化 工 机 械 厂 S150 型)用 于
银浆制备;烧结炉(洛阳新奇 电 炉 厂 KSJ-1400 型)用
于银浆烧结;数显粘度计(上海天平仪器厂 NDJ-8SN
2010 年之前主要是高铅玻璃粉,
2010 年之后主要是铋
酸盐玻璃粉。不论是 高 铅 玻 璃 粉 还 是 高 铋 玻 璃 粉,用
于氮化铝陶瓷银浆里,均会与氮化铝陶瓷发生反应,导
致氮化铝陶瓷表面氮化铝发生分解,产生气泡。
目前,用于氮化铝银浆的玻璃粉,主要有 2 个材料
体系:一是锌硼硅材料体系 [7];另一个是钙硼硅材料体
(
Q-Ag),另一种为 亚 微 米 不 定 形 (
B-Ag)。 其 性 能
指标见表 1。
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陶瓷
(研究与开发) 2023 年 09 月
3# 、
4# 、
5# 配方是在 1# 玻璃粉原材料配方里分别外加
2% 、
5% 、
8% 、
10% 的 二 氧 化 钛 制 备 的 玻 璃 粉,形 成 的
性能的影响。结果表明,在玻璃原材料里加入适量的白砂糖,在高温熔炼玻璃时,白砂糖将 玻 璃 中 的 二 氧 化 钛 部 分 还 原 成
金属钛,是氮化铝陶瓷银浆附着力提高的关键措施。优化配 方 使 用 混 合 银 粉,加 入 添 加 剂,选 用 合 适 配 方 的 玻 璃 粉,所 得
银浆料的印刷性能、方阻、附着力与焊料的润湿性及耐焊性等各项指标符合要求。
层的完整性。之后,用 烙 铁 去 除 焊 点,重 新 焊 接,如 此
仪器设备有限公司 K-LS200 型)测定焊点拉力;显微
3 次,观察焊点银层是否完整,附着力是否满足要求。
观察。
2 结果与讨论
镜(上海光学仪器六厂 XSP-36XL 型)用 于 银 层 表 面
1.
2 银浆制备
1.
2.
1 条件试验
[
12]
膨胀系数与单晶硅接近;氧化铍陶瓷虽然热导率高,但
原材料与生产工艺不环保,而氮化铝陶瓷无毒无害,符
合人们的环保要求;氮化铝陶瓷的绝缘性能、抗折强度
及介电性能 与 96% 氧 化 铝 陶 瓷 接 近。 故 氮 化 铝 陶 瓷
成为大功率器件及其封装的首选材料 [6]。
传 统 的 氧 化 物 陶 瓷 银 浆 里 用 于 粘 接 的 玻 璃,在
氮原子产生化学反应,形成牢固化学键,从而达到提高
附着力的目的。
(
2)烧结。将上述制备的银浆样品,用 200 目不锈
钢丝网 印 刷 在 厚 度 为 1.
0mm 的 氮 化 铝 陶 瓷 基 板 上,
在 150℃ 时干燥 10~15mi
n 后,进炉烧结。烧结峰值
温度 是 850 ℃ ,保 温 时 间 为 10 mi
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等缺陷,否则在器件 工 作 时,银 层 电 流 密 度 不 均 匀,导
致在缺陷处温升过高,出现亮点、打火,引起电极烧毁。
这就要求银粉颗粒要有良好的粒度及颗粒级配。文献
[
13]的研究指出:颗粒细小,比表面积大的银粉制备的
银浆致密平整,耐大电流冲击能力良好。
笔者参照文献[
2],选用 2 种银粉,一种为类球形
陶瓷
。这些元器 件 用 的 银 浆 技 术 是 成 熟 的,用 的 玻
[
5]
璃和添加剂主要 是 针 对 氧 化 物 陶 瓷 的 粘 接。 近 年 来,
随着大功率电路和大 功 率 电 子 元 器 件 的 应 用 需 求,需
要比氧化铝陶瓷更高 热 导 率 且 环 保 的 基 体,由 于 氮 化
铝陶瓷热导率高,基本是 96% 氧 化 铝 陶 瓷 的 10 倍;热
的镀锡铜引线,用拉力机测定焊点拉力。
(
3)银层与焊料润湿性能。焊接时,肉眼观察银层
是否易焊接。
(
4)银层致密 性。 用 40 倍 显 微 镜 观 察 银 层 表 面,
观察是否有空隙。
(
5)耐焊性。将印 刷 烧 结 银 浆 后 的 氮 化 铝 陶 瓷 基
板浸在 230~240 ℃ 锡 锅 里 4~5s,取 出,肉 眼 观 察 银
该方案存在问题是工 艺 较 麻 烦,需 要 提 前 对 氮 化 铝 陶
瓷预氧化,氧化层的厚薄一致是关键;[9]② 在银浆玻璃
里加入能与氮化铝陶瓷表面的氮离子形成化学键的物
王靖(
* 作者简介:
1969- ),硕士研究生,工程师;研究方向为电子材料的研制与生产工艺。
李宏杰(
1968- ),教授级高级工程师;研究方向为电子材料的研制与生产工艺。
系 [8]。这 2 个材料 体 系 热 膨 胀 系 数 都 比 较 小,与 氮 化
铝不发生反应,是单 纯 机 械 粘 接,银 层 表 面 光 滑 致 密,
存在问题是附着力不够高。
为了解决氮化铝 陶 瓷 银 浆 附 着 力 问 题,有 2 种 解
决方案:① 将氮化铝 陶 瓷 表 面 氧 化,生 产 氧 化 铝 薄 膜。
关键词
氮化铝陶瓷
银浆
附着力
玻璃
银粉
中图分类号:
TM241,
TG146.
3+2 文献标识码:
A
添加剂
文章编号:
1002-2872(
2023)
09-0029-05
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混合 集 成 电 路 用 的 陶 瓷 基 板 在 国 内 主 要 是 96% 氧 化
铝陶瓷
,陶瓷电子 元 器 件 如 压 敏 电 阻 主 要 用 的 是 氧
[
1]
化锌电子陶瓷 [2],陶瓷电容器主要是钛酸钡陶瓷 [3],磁
性元件主要用的 是 铁 氧 体 陶 瓷
,玻 璃 釉 电 位 器 和 玻
[
4]
璃釉电阻器用的主要是 96% 氧化铝 片 状、棒 状 或 管 状
(
1)氮化铝陶 瓷 银 浆 的 方 阻。 制 备 条 形 图 案 的 不
锈钢丝网,在 70mm×15mm 的氮化铝瓷片上印制银
浆,在 850℃ 烧结温 度 下 保 温 10mi
n,烧 结 周 期 为 60
mi
n,冷却到室 温,用 低 阻 计 测 定 阻 值,测 量 出 线 条 的
长度,阻值除以长度,即得方阻。
(
1)制 备。 在 上 述 试 验 基 础 上,选 择 最 佳 银 粉 配
比、玻璃及添 加 剂,用 三 辊 研 磨 机 研 磨 10 遍,制 备 银
浆,测试浆料性能。
2.
1 银粉的型号规格对银层致密度的影响