[发明专利]一种陶瓷金属化封装用活性钼-银铜钛浆料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种陶瓷金属化封装用活性钼‑银铜钛浆料，该浆料由以下质量份配比的原料制成：50‑60份的钼粉或钼合金粉，20‑25份的银铜钛合金粉，15‑20份的树脂，1‑2份的溶剂，1‑3份的有机助剂，1‑6份的无机添加剂。相比于传统陶瓷金属化封装用活性钼锰浆料，本发明以导电性及活性更强的银铜钛体系代替含锰玻璃粉，可有效弥补钼锰体系钎焊氧化铝、氮化铝、氮化硅等陶瓷基板气密性、可靠性、导电性过低且工序繁杂的问题；将制作的浆料经过丝网印刷和真空高温烧结，可实现陶瓷器件和金属铜箔的良好结合，所形成的金属化层与陶瓷、铜箔结合紧密、孔隙率低、抗拉强度高，尤其是膨胀系数低、翘曲度低，耐高低温冷热冲击性能得到大幅提升。

技术领域

本发明涉及陶瓷金属化钎焊，属于电子材料领域，具体涉及一种陶瓷金属化封装用活性钼-银铜钛浆料及其制备方法。

背景技术

陶瓷材料的化学键主要是离子键和共价键，电子配位非常稳定，由于金属材料与陶瓷材料的键型不同，一般的金属钎料很难在陶瓷表面润湿。活性钎焊技术的本质在于，普通钎料在液态情况下不能润湿陶瓷材料，需要向钎料合金中添加活性元素(Ti，Zr，Cr，V等)生成新的相降低活化能及表面张力来实现对陶瓷材料表面的润湿。

活性钼锰法是利用其浆料中含有的Mn玻璃相，在熔融状态下，向金属相Mo的空隙及陶瓷相中迁移，Mn元素进入陶瓷中的玻璃相后，驱动陶瓷中的玻璃相向金属化层中迁移，通过两相中玻璃化的互相迁移，使陶瓷和金属化层紧密结合。

将钼和锰的细粉混合制成浆料涂覆在陶瓷表面，在湿氢或氢与氮的混合气氛中1300-1700℃下烧结，即可在陶瓷表面生成一层致密的金属化层。陶瓷进行活化钼锰金属化后的结构如图1所示，由三相组成：陶瓷基材、转移过渡层和金属化层，过渡层是陶瓷和金属化层相互渗透、迁移的过渡区域。

活性金属可以通过化学反应在陶瓷表面产生分解，形成由金属与陶瓷的复合物组成的界面反应层，在钎料与陶瓷之间形成新的化学键。活性钎料钎焊陶瓷可以在界面处产生机械结合或化学结合。机械结合是由于钎料颗粒嵌入到陶瓷材料表面的微孔区，化学结合则是由于钎料与陶瓷材料基体之间发生了化学反应，反应产生的界面产物促进了钎料对陶瓷表面的润湿，从而使陶瓷和金属化层紧密结合。

AgCuTi活性钎料是目前研究较多应用较为广泛的活性钎料。其中，Ti可与氧化物陶瓷反应，形成TiO、TiO2和Ti₂O₃，可与SiC、SiN和硅铝氧氮陶瓷等反应，形成TiC、TiSi、TiN等，可与Cu或Ag反应生成CuTi、Cu2Ti、CuTi₂、Ti₃Cu₃O、TiAg等。

随着半导体器件和电子制造业的发展，人们对半导体晶体管的性能和可靠性都有了更高的要求，半导体器件的封装也越来越受到重视。尽管电子封装技术及材料整体向小型化、高性能高可靠性和低成本的方向发展，但是在部分军用及航空航天用晶体管的生产中，金属封装仍被视为保证器件气密性的最佳选择。

国内生产的金属管壳在陶瓷绝缘子和引线的封接处容易出现气密性问题，影响了晶体管封装的可靠性。因此，研究和设计金属化配方及烧结工艺，制备出致密封接性能好的金属化层，改善氧化铝陶瓷金属化工艺对于国内半导体封装产业的发展具有很大意义。

陶瓷金属化封装工艺仍面临着以下问题：(1)由于钎焊温度较高，陶瓷与金属的热膨胀系数(Coefficient of Thermal Expansion,CTE)失配较大，降温时收缩差异大，带来了较大残余应力，降低界面结合强度和抗高低温冲击性能；(2)钎缝中容易形成多种脆性金属间化合物(Intermetallic Compound,IMC)，降低陶瓷-金属制品强度；(3)合金焊料成分与工艺参数对产品性能影响复杂，仍需进一步优化。