[发明专利]一种表面金属化陶瓷的制造方法

说明书

本申请是申请号为200910083280.6、申请日为2009年4月30日、发明创造名称为“一种表面金属化陶瓷及其制造方法”的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种表面金属化陶瓷及其制造方法。

背景技术

陶瓷具有良好的导热和绝缘性能，是一种良好的封装材料。使用时一般需要对陶瓷进行表面金属化处理，以制作电路或焊接电子零部件。传统的表面金属化方法有贵金属浆料烧结法、Mo-Mn法、DBC法和活性金属钎焊法。其中贵金属浆料烧结法是将贵金属粉末如银粉和玻璃粉混合再添加粘结剂等，配制成浆料，涂覆在陶瓷表面，然后在900℃左右烧结形成表面贵金属层；Mo-Mn法是将钼粉与氧化锰粉混合配制成浆料，涂覆在陶瓷表面，然后在1500℃烧结形成表面金属钼层；DBC法是将含氧铜或者表面氧化后的无氧铜板与陶瓷板叠层，然后在惰性气氛中加热到1070℃左右，在铜材表面形成Cu-Cu₂O共晶熔液，利用此熔液作为焊料将陶瓷与铜材连接在一起；活性金属钎焊法是将银、铜、钛粉等配制成浆料，涂覆在陶瓷表面，然后叠加铜材，在真空中加热到850℃左右，使银-铜-钛钎焊料熔化，将陶瓷与铜板钎焊在一起。贵金属浆料烧结法和Mo-Mn法形成的金属层比较薄，主要用于CPU等弱电器件封装；而DBC法和活性金属钎焊法可形成较厚的铜导电层，主要用于电力电子器件，如IGBT模块的封装。

铝是一种良好的导电材料，广泛用于集成电路布线。此外，铝的屈服强度较低，用铝替代铜可以降低表面金属化陶瓷板内部的热应力，提高其抗热冲击性能。但是由于铝的化学性质非常活泼，其与氧的平衡分压在1000℃以下的温度范围内小于10^-40Pa，即使目前可获得的最高真空也无法阻止铝氧化。受铝表面原生氧化膜的影响，铝和陶瓷的润湿性较差；连接体陶瓷和铝的界面处存在着铝的非晶态的氧化物夹杂，产生大量的宏观未连接缺陷，连接体的力学性能变动大[X.S.Ning,T.Okamoto,Y.Miyamoto,A.Koreeda,K.Suganuma,and S.Goda,Bond strength and interfacial structure of silicon nitride joints brazed with aluminium-silicon and aluminium-magnesium alloys,Journal of Materials Science,26卷（1991年）2050-2054页；E.Saiz;A.P.Tomsia;K.Sugamuma,Wetting and strength issues at Al/α-alumina interfaces，J.European Ceramic Society 23(2003)2787-2796]，影响其实际应用。为了消除铝表面氧化膜的影响，宁晓山等人发明了界面无氧化连接方法[X.S.Ning,C.Nagata,M.Sakuraba,T.Tanaka,K.Suganuma,M.Kimura；Chinese Patent No.68064，US Patent No.5965193，Korean Patent No.201887，Jpn Patent No.2918191，DE69529185T2，EU0676800B1]。该方法的特点是将陶瓷板插入铝熔液中移动以除去铝表面的氧化膜，使陶瓷表面被铝熔液润湿，然后通过铸造的方法将铝熔液铸接在陶瓷板之上。采用该方法可以实现陶瓷与铝的高性能连接，用此方法生产的陶瓷覆铝基板具有优异的抗热冲击性能[X.S.Ning,M.Kimura,M.Sakuraba,C.Nagata,Jpn Patent No.3430348;US Patent No.6183875]，已经用于混合动力汽车用IGBT模块的封装。但是上述方法也存在缺陷，即制备薄膜、特别是厚度小于0.1mm的薄膜比较困难。这是由于该方法使用铸型，而铸型必须选取与铝不反应、不润湿的材料，如果铸型间隙过小，则铝液无法进入铸型，所以不能制造出薄膜。

发明内容

众所周知，运动物体可以带动周边的流体运动。根据界面非滑移动量传输理论，在流体中运动的物体所拖动的流体（动量边界层）的厚度（δ）与相对运动速度（V）及流体的粘度（η）之间存在下列关系[D.R.Poirier and G.H.Geiger,《Transport Transport Phenomena in Material Processing》,TMS，（1994）：P62-67]: