一种表面金属化陶瓷及其制造方法技术

本发明专利技术公开了表面金属化陶瓷及其制造方法。该方法包括如下操作步骤：将陶瓷的金属化处理面浸入铝或铝合金熔液中，并使其相对熔液运动以使所述铝或铝合金熔液润湿陶瓷的金属化处理面，再将陶瓷的金属化处理面移出熔液，使表面粘附的铝或者铝合金液膜自由冷却，得到表面连接有铝或铝合金薄膜的陶瓷。与现有技术相比，本发明专利技术中陶瓷与铝或铝合金薄膜之间的界面没有非晶态的氧化物夹杂，铝或铝合金晶粒与陶瓷晶粒直接生长在一起；形成的薄膜内部组织致密，没有氧化物夹杂；形成的铝或铝合金薄膜厚度为数微米到数十微米，且牢固不易脱落，实验证明铝或铝合金薄膜与陶瓷的棋盘分割剥离强度大于等于４．１Ｎ／ｃｍ。本发明专利技术在陶瓷表面金属化领域有广阔的应用前景。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及。
技术介绍
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90(TC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150(TC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 'C左右，在铜材表面形成Cu-Cii20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、钛粉等配制成桨料，涂覆在陶瓷表面，然 后叠加铜材，在真空中加热到85(TC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100(TC以下的温度范围内小于 10—4°Pa，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，影响其实际应用。为了消除铝表面氧化膜的影响， 宁晓山等人专利技术了界面无氧化连接方法。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，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O.lmm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。
技术实现思路
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(5 )与相对运动速度(V) 及流体的粘度(n )之间存在下列关系:其中P为流体的密度，L为固体在运动方向上的特征长度。图1为运动物体与表面粘附的液膜脱离液体表面时的受力分析示意图。假定液 体的粘度足够大，将液膜看作一个整体，则液膜受到的作用力有液体和物体界面 的结合力；液膜自身的重力；液膜脱离液体表面时所受到的表面张力。如果物体的 移动速度发生变化，液膜还会受到加速度产生的惯性力的作用。显然，重力、表面 张力以及惯性力都阻碍液膜随物体运动，只有液体和物体界面的结合力大于它们之 和，物体才能拖动液膜一起运动。因此，采用浸渍的方法在固体表面形成液膜，其 关键在于液膜和固体之间具有足够大的结合力，保证界面不产生滑移。否则一旦发 生滑移就会出现雪崩现象，使得液膜全部脱落。由于界面结合力的大小与液体与固体界面的结合状况密切相关，而界面的结合 状况又与液体的性质、固体表面的性质、温度、液体和固体接触时间等有关；液体的表面张力受液体成分、环境气氛的影响；而且液膜的重量也因液体的种类不同而 有很大差异，因此无法预知是否能够在特定固体表面形成特定的液膜。专利技术人经过大量研究，发现将陶瓷的金属化处理面浸入铝或铝合金熔液中移 动，使铝或铝合金熔液充分润湿陶瓷的金属化处理面，然后再将其缓慢地移出铝或铝合金熔液，冷却，可以在陶瓷表面形成一层粘结牢固的铝或铝合金膜，从而完成 了本专利技术。艮卩本专利技术的目的之一是提供一种表面连接有铝或铝合金薄膜的陶瓷。 所述铝或铝合金薄膜由粘附在陶瓷之上的铝或铝合金连续液膜凝固而成，且其厚度在数微米 数十微米之间。所述陶瓷与铝或铝合金薄膜的连接界面不存在来自铝表面原生氧化物的非晶态氧化物夹杂，铝或铝合金晶粒与陶瓷晶粒直接生长在一起。所述铝或铝合金薄膜与陶瓷的棋盘分割剥离强度大于4. 1N/cm。 本专利技术的另一目的是提供一种使陶瓷表面连接铝或铝合金薄膜的方法。 本专利技术所提供的使陶瓷表面连接铝或铝合金薄膜的方法，包括如下操作步骤将陶瓷的金属化处理面浸入铝或铝合金熔液中，并使其相对熔液运动以使铝或铝合金熔液润湿陶瓷的金属化处理面，然后再将陶瓷的金属化处理面移出熔液，使其表面粘附的铝或者铝合金液膜不受拘束地自然冷凝，得到表面连接有数微米 数十微米厚度的、致密的铝或者铝合金薄膜的陶瓷。其中，所述将陶瓷的金属化处理面浸入铝熔液或铝合金熔液中的方法具体可为将所述陶瓷从盛有所述铝或铝合金熔液的容器底部插入熔液内部后垂直向上移动。 所述陶瓷可为氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、或碳化物陶瓷。 所述操作最好在真空或惰性气体气氛中进行。上述方法得到的表面连接铝或铝合金薄膜的陶瓷也属于本专利技术的保护范围。所 述表面连接铝或铝合金薄膜的陶瓷，其陶瓷与铝或铝合金的连接界面没有非晶态氧 化物。与现有技术相比，本专利技术可以提供表面粘附有数微米 数十微米厚度的铝或铝 合金薄膜的陶瓷。该薄膜是由均匀粘附在陶瓷表面的连续铝或铝合金液膜自然凝固 而成的，内部没有氧化膜夹杂、气孔等微观缺陷，因此具有纯铝所具备的良好的物 理和力学性能。图3所示为采用将陶瓷浸入铝液中移动的方法制备的氧化铝陶瓷和 铝的连接体的界面处的高分辨率透射电子显微镜图像以及各个微区的电子衍射斑点。从中可以看出，该界面没有普通钎焊界面普遍存在的、源自铝表面原生氧化膜 的非晶态氧化物夹杂，说明本专利技术有效地除去了铝表面的原生氧化膜。从该图还可以 看出，铝和氧化铝发生反应，形成了共格界面层(界面生成的氧化铝层的(104) 晶面与原有氧化铝陶瓷晶粒的(104)面共格，(110)面与铝的(111)面半共格)， 铝和陶瓷在原子尺度上生长在一起。理论计算表明氧化铝和铝的共格界面具有较 低的界面自由能和很高的结合力。这些研究结果表明，采用本专利技术的方法，可以防 止界面产生氧化物夹杂，使铝或铝合金薄膜直接生长在陶瓷表面，因此牢固不易脱 落。本专利技术方法操作简单，省时省力，简单实用。因此，本专利技术方法在陶瓷表面金 属化领域有广阔的应用前景。 附图说明图1为固体表面粘附的液膜受到的外部作用力示意图。 图2为陶瓷表面金属化装置的结构示意图。图3为氧化铝陶瓷与铝的连接界面区域的高分辨率透射电子显微镜图像微区 电子衍射斑点。 具体实施例方式专利技术实施例所用工业纯铝、Al-20%Si铝硅合金、工业纯镁以及所有陶瓷材料均 从商业途径得到。铝合金采用商业途径得到的A1-20。/。Si合金、工业纯镁、纯铝熔 化配制而成。本专利技术部分实施例中所使用的陶瓷表面金属化装置结构如图2所示 该装置由炉体l、炉盖2、石墨坩埚3、金属电阻丝加热体4、石墨导轨5、氮气导入口6组成；石墨坩埚设于炉体内，加热体设于石墨坩埚四周；石墨坩埚底部、 炉体底部、及炉盖上均设本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种表面连接有铝或铝合金薄膜的陶瓷，其特征在于：铝或铝合金薄膜由均匀粘附在陶瓷之上的铝或铝合金液膜凝固而成，且其厚度在数微米到数十微米之间。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：宁晓山，李国才，王波，李莎，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]