一種表面金屬化陶瓷的制造方法
【專利摘要】本發明公開了表面金屬化陶瓷及其制造方法。該方法包括如下操作步驟：將陶瓷的金屬化處理面浸入鋁或鋁合金熔液中，并使其相對熔液運動以使所述鋁或鋁合金熔液潤濕陶瓷的金屬化處理面，再將陶瓷的金屬化處理面移出熔液，使表面粘附的鋁或者鋁合金液膜自由冷卻，得到表面連接有鋁或鋁合金薄膜的陶瓷。與現有技術相比，本發明中陶瓷與鋁或鋁合金薄膜之間的界面沒有非晶態的氧化物夾雜，鋁或鋁合金晶粒與陶瓷晶粒直接生長在一起；形成的薄膜內部組織致密，沒有氧化物夾雜；形成的鋁或鋁合金薄膜厚度為數微米到數十微米，且牢固不易脫落，實驗證明鋁或鋁合金薄膜與陶瓷的棋盤分割剝離強度大于等于4.1N/cm。本發明在陶瓷表面金屬化領域有廣闊的應用前景。
【專利說明】ー種表面金屬化陶瓷的制造方法
[0001]本申請是申請號為200910083280.6、申請日為2009年4月30日、發明創造名稱為
“ー種表面金屬化陶瓷及其制造方法”的分案申請。
【技術領域】
[0002]本發明涉及ー種表面金屬化陶瓷及其制造方法。
【背景技術】
[0003]陶瓷具有良好的導熱和絕緣性能，是ー種良好的封裝材料。使用時一般需要對陶瓷進行表面金屬化處理，以制作電路或焊接電子零部件。傳統的表面金屬化方法有貴金屬漿料燒結法、Mo-Mn法、DBC法和活性金屬釬焊法。其中貴金屬漿料燒結法是將貴金屬粉末如銀粉和玻璃粉混合再添加粘結劑等，配制成漿料，涂覆在陶瓷表面，然后在900°C左右燒結形成表面貴金屬層；Mo-Mn法是將鑰粉與氧化錳粉混合配制成漿料，涂覆在陶瓷表面，然后在1500°C燒結形成表面金屬鑰層；DBC法是將含氧銅或者表面氧化后的無氧銅板與陶瓷板疊層，然后在惰性氣氛中加熱到1070°C左右，在銅材表面形成Cu-Cu2O共晶熔液，利用此熔液作為焊料將陶瓷與銅材連接在一起；活性金屬釬焊法是將銀、銅、鈦粉等配制成漿料，涂覆在陶瓷表面，然后疊加銅材，在真空中加熱到850°C左右，使銀-銅-鈦釬焊料熔化，將陶瓷與銅板釬焊在一起。貴金屬漿料燒結法和Mo-Mn法形成的金屬層比較薄，主要用于CPU等弱電器件封裝；而DBC法和活性金屬釬焊法可形成較厚的銅導電層，主要用于電カ電子器件，如IGBT模塊的封裝。
[0004]鋁是ー種良好的導電材料，廣泛用于集成電路布線。此外，鋁的屈服強度較低，用鋁替代銅可以降低表面金屬化陶瓷板內部的熱應力，提高其抗熱沖擊性能。但是由于鋁的化學性質非常活潑，其與氧的平衡分壓在1000°c以下的溫度范圍內小于10_4°Pa，gp使目前可獲得的最高真空也無法阻止鋁氧化。受鋁表面原生氧化膜的影響，鋁和陶瓷的潤濕性較差；連接體陶瓷和鋁的界面處存在著鋁的非晶態的氧化物夾雜，產生大量的宏觀未連接缺陷，連接體的力學性能變動大[X.S.Ning, T.0kamoto, Y.Miyamoto, A.Koreeda, K.buganuma, and S.Godaj Bond strength ana interfacial structure 01 silicon nitridejoints brazed with aluminium-silicon and aluminium—magnesium alloys, Journalof Materials Science, 26 卷(1991 年)2050-2054 頁；E.Saiz ; A.P.Tomsia ; K.Sugamuma, Wetting and strength issues at Al/a -alumina interfaces, J.EuropeanCeramic Society 23 (2003) 2787-2796]，影響其實際應用。為了消除鋁表面氧化膜的影響，寧曉山等人發明了界面無氧化連接方法[X.S.Ning, C.Nagata, M.Sakuraba, T.Tanaka, K.Suganuma, M.Kimura ；Chinese Patent N0.68064，US Patent N0.5965193，Korean PatentN0.201887，Jpn Patent N0.2918191，DE69529185T2，EU0676800B1]。該方法的特點是將陶瓷板插入鋁熔液中移動以除去鋁表面的氧化膜，使陶瓷表面被鋁熔液潤濕，然后通過鑄造的方法將鋁熔液鑄接在陶瓷板之上。釆用該方法可以實現陶瓷與鋁的高性能連接，用此方法生產的陶瓷覆銀基板具有優異的抗熱沖擊性能[X.S.Ning, M.Kimura, M.Sakuraba, C.Nagata, Jpn Patent N0.3430348;US Patent N0.6183875]，已經用于混合動力汽車用 IGBT模塊的封裝。但是上述方法也存在缺陷，即制備薄膜、特別是厚度小于0.1mm的薄膜比較困難。這是由于該方法使用鑄型，而鑄型必須選取與鋁不反應、不潤濕的材料，如果鑄型間隙過小，則鋁液無法進入鑄型，所以不能制造出薄膜。
【發明內容】
[0005]眾所周知，運動物體可以帶動周邊的流體運動。根據界面非滑移動量傳輸理論，在流體中運動的物體所拖動的流體(動量邊界層)的厚度(δ )與相對運動速度(V)及流體的粘度(rI )之間存在下列關系[D.R.Poirier and G.H.Geiger,《Transport Transport
【權利要求】
1.一種制造表面連接有鋁或鋁合金薄膜的陶瓷的方法，包括如下操作步驟:將陶瓷的金屬化處理面浸入鋁或鋁合金熔液中，并使其相對熔液運動以使所述鋁或鋁合金熔液潤濕陶瓷的金屬化處理面，再將陶瓷的金屬化處理面移出熔液，使表面粘附的鋁或者鋁合金液膜自由冷卻，得到表面連接有鋁或鋁合金薄膜的陶瓷。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于:所述將陶瓷的金屬化處理面浸入鋁或鋁合金熔液中的方法是將所述陶瓷從盛有所述鋁或鋁合金熔液的容器底部插入熔液內部后垂直向上移動。
3.根據權利要求1所述的方法，其特征在于:所述陶瓷為氧化物陶瓷、氮化物陶瓷或碳化物陶瓷。
4.根據權利要求1-3中任一所述方法，其特征在于:所述操作在真空或惰性氣體氣氛中進行。
5.權利要求1-4中任一所述方法得到的表面連接鋁或鋁合金薄膜的陶瓷，其特征在于:所述陶瓷與所 述鋁或鋁合金薄膜界面沒有鋁的非晶態的氧化物夾雜。
【文檔編號】C04B41/88GK103524148SQ201310481491
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2009年4月30日 優先權日:2009年4月30日
【發明者】寧曉山, 李國才, 王波, 李莎 申請人:清華大學