陶瓷金属化研究现状及发展趋势
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第 24 卷第 5 期 ·230017·年 10 月
DOI:10.13958/j.cnki.ztcg.2017.05.005
中国陶瓷工业 CHIN中A C国ER陶AM瓷IC I工ND业USTRY
Vol.24, No.5 20O17ct.年201107月
陶瓷金属化研究现状及发展趋势
秦典成，李保忠，肖永龙
第24卷第5期
材料，晶体晶格参数也不尽不同，强度、脆性及熔 点差异过大，所以在陶瓷表面有效实施金属化颇为 困难。具体表现为[5]：①陶瓷内部是离子键、共价 键及二者的混合所组成，金属则是由金属键所构 成。二者之间难以发生反应，导致金属难以在陶瓷 表面形成有效润湿。②金属不易在陶瓷表面进行有 效扩散，二者难以固溶。③二者的热膨胀系数及导 热率相差过大，导致金属化的过程中，二者的结合 面往往存在着较大的残余应力。在陶瓷表面实施金 属化时，二者交界面的过渡层就成了研究者的关注 焦点。过渡层可以事先由外部引入，也可以在金属 化过程中逐渐形成，其目的均在于同时与陶瓷和金 属发生作用，实现二者的结合。
1 研究现状
因液态金属在陶瓷表面的润湿角较大，不易对 陶瓷形成有效润湿。因此，直接将二者进行有效结 合颇为困难 。 [3-4] 目前，国内外的研究者在寻求增 强金属对陶瓷表面润湿性的前提下，对陶瓷表面金 属化开展了大量的研究工作，大致涵盖了陶瓷金属 化机理、组织结构、物理性能、新工艺及应用推广 等领域。 1.1 金属化机理
0 引言
随着半导体芯片功率不断增加，轻型化和高集 成度的发展趋势日益明显，散热问题的重要性也 越来越突出，这无疑对封装散热材料提出了更为严 苛的要求。在功率型电子元器件的封装结构中，封 装基板作为承上启下、保持内外电路导通的关键环 节，兼有散热和机械支撑等功能。陶瓷作为新兴的 电子散热封装材料，具备较高的导热性、绝缘性、 耐热性、强度以及与芯片匹配的热膨胀系数 ， [1-2] 是功率型电子元器件理想的封装散热材料。因涉及 到内外电路连接问题，陶瓷表面金属化是陶瓷材料 在功率型电子元器件封装中获得实际应用的重要环 节。
Abstract:As a new heat dissipation material, ceramics with a high thermal conductivity has increasingly more advantages for application in high power electronic component packaging and dissipation. Ceramic metallization, the quality of which would directly influence the reliability and service life of electronic component is very important for power electronics packaging. This paper presents research status and development trend of metallization of ceramics as substrate heat dissipation materials with emphases on new metallization techniques and applications in other fields. Key words:ceramics; substrate; packaging; high thermal conductivity; metallization
Current Status and Development of Ceramic Metallization
QIN Diancheng, LI Baozhong, XIAO Yonglong
(Rayben Technologies (Zhuhai) Ltd. Co., Zhuhai 519180, Guangdong, China; Guangdong LED Packaing Heat Sink Substratae Engineering Technology Research Center, Zhuhai 519180, Guangdong, China)
（乐健科技（珠海）有限公司，广东省LED封装散热基板工程技术研究中心，广东 珠海 519180）
摘 要：陶瓷作为一种导热率较高的新兴散热材料，在大功率电子元器件封装散热领域优势凸显。陶瓷表面金属化是陶瓷基 板在功率型电子封装领域获得实际应用的重要环节，且金属化层的好坏将直接影响到功率型电子元器件的可靠性与使用寿 命。本文在查阅并参考国内外权威文献资料的基础上，系统论述了陶瓷作为高导热的散热基板材料，其表面金属化的研究 现状及发展趋势。并着重介绍了陶瓷金属化的新工艺及在其它领域的新应用。 关键词：陶瓷；基板；封装；高导热；金属化 中图分类号：TQ174.75 文献标志码：A 文章编号：1006-2874-(2017)05-0030-07
因陶瓷与金属是两种物理化学性质截然不同的
Received date:2017-03-03.
Revised date: 2017-03-06.
Correspondent author: QIN Diancheng,male,Master, Engineer.
E-mail: mike_qin@rayben.com
目前的研究发现，过渡层对金属化过程起着决 定性的作用。针对不同金属化方法，其机理各有不 同。其主要观点有[6-13]：(1)活性元素分别与陶瓷和 导电层的原子发生较强的键合作用机制。如张珊珊 等利用大功率等离子体溅射沉积和电镀技术成功制 备了具有不同过渡层的Al2O3和AlN陶瓷覆铜板，发 现中间层所含活性元素与陶瓷和导电层的原子发 生强键合作用是大幅度提高金属化层结合力与可 靠性的基础。(2)过渡层的空位集中及电子交互反 应机制。如Philipp I. Vysikaylo等利用等离子体技 术在BeO陶瓷表面获得了金属化层，指出在等离子 热活化过程中，过渡层的空位集中及电子交互反应 是陶瓷表面金属化的基础。(3)玻璃相在毛细管力 作用下的迁移机制。如蔡安富等[7]利用Mo、Mn、 Al2O3等料粉配制出MnO-Al2O3-SiO2金属化膏并利 用共烧法对陶瓷进行金属化，发现陶瓷中的某些物 质(Ca、Mg、Si)形成了玻璃相，在毛细管力的作用 下迁移进入金属化层，润湿Mo颗粒促进其烧结， 同时与别的物质形成新的玻璃相填充钼骨架，使陶 瓷与金属化层形成致密的牢固联结。(4)金属原子 溶解机制。如Zhiqin Zheng等利用丝网印刷工艺在 Al2O3陶瓷表面制备了银层，认为电子浆料中的Ag 原子扩散后与玻璃粉发生反应并在陶瓷表面形成了 网格结构，并因此而增加了靠近陶瓷表面的玻璃粉 中Ag原子的溶度。Ag原子的高溶解度以及玻璃粉 的低粘度是陶瓷基板获得较低表面电阻率及较高金 属化层结合力的原因。 1.2 组织结构
目前，国内外的研究者对陶瓷表面金属化展开 了深入的研究，虽然取得了一定的成果，但仍存在
收稿日期：2017-03-03。
修订日期：2017-03-06。
Baidu Nhomakorabea
通信联系人： 秦典成，男，硕士，工程师。
着不少悬而未决的问题。本文从国内外陶瓷表面金 属化的最新研究动态出发，详细介绍了近年来陶瓷 金属化的研究、应用及发展状况，旨在为陶瓷金属 化研究提供初步的理论及技术参考。
DOI:10.13958/j.cnki.ztcg.2017.05.005
中国陶瓷工业 CHIN中A C国ER陶AM瓷IC I工ND业USTRY
Vol.24, No.5 20O17ct.年201107月
陶瓷金属化研究现状及发展趋势
秦典成，李保忠，肖永龙
第24卷第5期
材料，晶体晶格参数也不尽不同，强度、脆性及熔 点差异过大，所以在陶瓷表面有效实施金属化颇为 困难。具体表现为[5]：①陶瓷内部是离子键、共价 键及二者的混合所组成，金属则是由金属键所构 成。二者之间难以发生反应，导致金属难以在陶瓷 表面形成有效润湿。②金属不易在陶瓷表面进行有 效扩散，二者难以固溶。③二者的热膨胀系数及导 热率相差过大，导致金属化的过程中，二者的结合 面往往存在着较大的残余应力。在陶瓷表面实施金 属化时，二者交界面的过渡层就成了研究者的关注 焦点。过渡层可以事先由外部引入，也可以在金属 化过程中逐渐形成，其目的均在于同时与陶瓷和金 属发生作用，实现二者的结合。
1 研究现状
因液态金属在陶瓷表面的润湿角较大，不易对 陶瓷形成有效润湿。因此，直接将二者进行有效结 合颇为困难 。 [3-4] 目前，国内外的研究者在寻求增 强金属对陶瓷表面润湿性的前提下，对陶瓷表面金 属化开展了大量的研究工作，大致涵盖了陶瓷金属 化机理、组织结构、物理性能、新工艺及应用推广 等领域。 1.1 金属化机理
0 引言
随着半导体芯片功率不断增加，轻型化和高集 成度的发展趋势日益明显，散热问题的重要性也 越来越突出，这无疑对封装散热材料提出了更为严 苛的要求。在功率型电子元器件的封装结构中，封 装基板作为承上启下、保持内外电路导通的关键环 节，兼有散热和机械支撑等功能。陶瓷作为新兴的 电子散热封装材料，具备较高的导热性、绝缘性、 耐热性、强度以及与芯片匹配的热膨胀系数 ， [1-2] 是功率型电子元器件理想的封装散热材料。因涉及 到内外电路连接问题，陶瓷表面金属化是陶瓷材料 在功率型电子元器件封装中获得实际应用的重要环 节。
Abstract:As a new heat dissipation material, ceramics with a high thermal conductivity has increasingly more advantages for application in high power electronic component packaging and dissipation. Ceramic metallization, the quality of which would directly influence the reliability and service life of electronic component is very important for power electronics packaging. This paper presents research status and development trend of metallization of ceramics as substrate heat dissipation materials with emphases on new metallization techniques and applications in other fields. Key words:ceramics; substrate; packaging; high thermal conductivity; metallization
Current Status and Development of Ceramic Metallization
QIN Diancheng, LI Baozhong, XIAO Yonglong
(Rayben Technologies (Zhuhai) Ltd. Co., Zhuhai 519180, Guangdong, China; Guangdong LED Packaing Heat Sink Substratae Engineering Technology Research Center, Zhuhai 519180, Guangdong, China)
（乐健科技（珠海）有限公司，广东省LED封装散热基板工程技术研究中心，广东 珠海 519180）
摘 要：陶瓷作为一种导热率较高的新兴散热材料，在大功率电子元器件封装散热领域优势凸显。陶瓷表面金属化是陶瓷基 板在功率型电子封装领域获得实际应用的重要环节，且金属化层的好坏将直接影响到功率型电子元器件的可靠性与使用寿 命。本文在查阅并参考国内外权威文献资料的基础上，系统论述了陶瓷作为高导热的散热基板材料，其表面金属化的研究 现状及发展趋势。并着重介绍了陶瓷金属化的新工艺及在其它领域的新应用。 关键词：陶瓷；基板；封装；高导热；金属化 中图分类号：TQ174.75 文献标志码：A 文章编号：1006-2874-(2017)05-0030-07
因陶瓷与金属是两种物理化学性质截然不同的
Received date:2017-03-03.
Revised date: 2017-03-06.
Correspondent author: QIN Diancheng,male,Master, Engineer.
E-mail: mike_qin@rayben.com
目前的研究发现，过渡层对金属化过程起着决 定性的作用。针对不同金属化方法，其机理各有不 同。其主要观点有[6-13]：(1)活性元素分别与陶瓷和 导电层的原子发生较强的键合作用机制。如张珊珊 等利用大功率等离子体溅射沉积和电镀技术成功制 备了具有不同过渡层的Al2O3和AlN陶瓷覆铜板，发 现中间层所含活性元素与陶瓷和导电层的原子发 生强键合作用是大幅度提高金属化层结合力与可 靠性的基础。(2)过渡层的空位集中及电子交互反 应机制。如Philipp I. Vysikaylo等利用等离子体技 术在BeO陶瓷表面获得了金属化层，指出在等离子 热活化过程中，过渡层的空位集中及电子交互反应 是陶瓷表面金属化的基础。(3)玻璃相在毛细管力 作用下的迁移机制。如蔡安富等[7]利用Mo、Mn、 Al2O3等料粉配制出MnO-Al2O3-SiO2金属化膏并利 用共烧法对陶瓷进行金属化，发现陶瓷中的某些物 质(Ca、Mg、Si)形成了玻璃相，在毛细管力的作用 下迁移进入金属化层，润湿Mo颗粒促进其烧结， 同时与别的物质形成新的玻璃相填充钼骨架，使陶 瓷与金属化层形成致密的牢固联结。(4)金属原子 溶解机制。如Zhiqin Zheng等利用丝网印刷工艺在 Al2O3陶瓷表面制备了银层，认为电子浆料中的Ag 原子扩散后与玻璃粉发生反应并在陶瓷表面形成了 网格结构，并因此而增加了靠近陶瓷表面的玻璃粉 中Ag原子的溶度。Ag原子的高溶解度以及玻璃粉 的低粘度是陶瓷基板获得较低表面电阻率及较高金 属化层结合力的原因。 1.2 组织结构
目前，国内外的研究者对陶瓷表面金属化展开 了深入的研究，虽然取得了一定的成果，但仍存在
收稿日期：2017-03-03。
修订日期：2017-03-06。
Baidu Nhomakorabea
通信联系人： 秦典成，男，硕士，工程师。
着不少悬而未决的问题。本文从国内外陶瓷表面金 属化的最新研究动态出发，详细介绍了近年来陶瓷 金属化的研究、应用及发展状况，旨在为陶瓷金属 化研究提供初步的理论及技术参考。