陶瓷基板常用导电材料的种类及特性

陶瓷基板

陶瓷材料因其密度较小，热导率较高，膨胀系数匹配，是一种综合性能较好的封装材料。由于陶瓷封装对可靠性、气密性、高频传输性等性能需求，势必要用到金属导体来提升陶瓷共烧技术。又因金属材料与陶瓷材料性质差异大，在共烧陶瓷技术中往往需要使用作为烧结助剂的导体浆料来促进金属与陶瓷的连接。本文，我们来分析陶瓷基板制造中常用到的导电材料。

陶瓷基板

钼锰（Mo-Mn）

Mo-Mn导电相作为陶瓷金属化工艺中最早引入的一种导电相，最早由La Forge在1956年提出了活化Mo-Mn 法的概念。它在国内的应用则开始较晚，主要也是在国外进展的基础上，进行了一系列的研究。

目前，金属化工艺大多采用活化 Mo—Mn 法。主要用于95- Al₂O₃瓷、99-Al₂O₃等高纯氧化铝瓷、Al₂O₃单晶（蓝宝石）、ZrO₂陶瓷以及 ZrO₂增韧-Al₂O₃(ZTA)等陶瓷。采用活化Mo—Mn法金属化后所得的陶瓷金属接头强度较高，气密性较好。

▲钼锰浆料

钨（W）

W粉的粒度和形貌对导体浆料的印刷性能、烧结状态和导电性能都有着重要影响：粒度过大，不易烧成；粒度过小，则存在过烧的风险；W粉形貌不均匀，则其颗粒比表面积较大，配制的浆料粘度就会过大；W粉的烧成状态差，相应的导电性能也会变差。

W粉主要用在高温陶瓷基板中，目前，业界人士研究了W粉颗粒分级对氧化铝陶瓷金属化方阻的影响，发现0.5μm和1μmW粉混合能显著降低方阻，且当两者质量比为45:55时，得到的金属化方阻最小。

▲钨浆

钼（Mo）

Mo也是常用在在高温陶瓷基板中的导电材料，其熔融温度和硬度均低于W，更容易整形，使用Mo作为导体浆料的导电相可以有效降低高温瓷金属化的烧成温度，这使得Mo金属化在国内外陶瓷封装外壳生产企业中占有重要位置。

但Mo粉在生产、运输、储存和金属化膏剂制备过程中易发生团聚现象，不耐化学腐蚀且在镀镍后易发生起泡现象等原因限制了Mo在高温瓷金属化中的大范围应用。

目前研究得到结论是，1、湿磨工艺处理的Mo粉应用在95％Al₂O₃陶瓷上，可使金属化封接强度得到显著提高。2、可以通过湿氢生产形貌完整、大小均匀、分散好的大颗粒Mo粉。3、减小电流密度延长电镀时间的方法，能有效抑制Mo金属化电镀起泡现象。

钨铜（W-Cu）

W-Cu导体材料结合了W的高熔点、高密度、低热膨胀系数和Cu的高电导率、高热导率，以及良好的延展性等优点，常用于中温陶瓷共烧环境中，但当使用W-Cu材料和陶瓷基板共烧时，Cu易烧失的缺点就会暴露出来。

目前行业通常采用的解决办法是：1、向导体浆料中加入银、钴、铁、锌、钛等微量的活化元素，通过降低W与Cu之间的润湿角来抑制Cu的烧失。2、通过改善W-Cu粉体的制备方式来改善W-Cu合金与陶瓷基板共烧后的烧结状态。

铜（Cu）

Cu的导热系数高，将Cu加入Al₂O₃陶瓷，在高温环境下，Cu表面氧化生成一层薄的Cu₂O共晶液相，Cu2O 可以很好地润湿Al₂O₃陶瓷和Cu。当加热温度高于共晶温度且低于Cu熔化温度时，液相中Cu₂O与Al₂O₃发生化学反应时，生成 CuAlO₂/CuAl₂O₄二元氧化物，在Cu与陶瓷之间形成一层很薄的过渡层，在过渡层的作用下实现铜材与陶瓷的连接。

银（Ag）

Ag具有良好的强度、韧性、导电性、导热性和抗腐蚀性，是应用极广的硬纤料。在Ag中加入Cu形成共晶可以有效降低熔化温度，又不会形成脆性相。

Ag-Cu合金的熔点适中，固相线为889℃，工艺性好，适合各种纤焊工艺。同时，Ag-Cù的弹性模量E和屈服极限小，有利于释放接头中的残余应力，这对改善纤焊接头的力学性能有益，所以在钎焊陶瓷时用它作为中间层材料可显著提高接头性能。

此外，在相关研究中，表明Ag-Cu-Ti活性钎料中引入了金属 Zn，利用其在真空环境中具有较高的饱和蒸汽压且极易发生挥发的特性，有效地优化了钎焊界面中 Ag-Cu 共晶的结构，成功地改善了液态钎料在陶瓷表面的铺展及润湿行为，进而极大地提高了Al₂O₃/Cu 接头的封接性能。

铝（Al）

Al有延展性，在潮湿空气中能形成一层防止金属腐蚀的氧化膜。随着航空、建筑、汽车三大重要工业的发展，要求材料特性具有铝及其合金的独特性质，这就大大有利于Al的生产和应用。

Al₂O₃陶瓷具有强度高、硬度高、耐高温、抗腐蚀、耐磨以及绝缘性能好等优异特性，在许多工程应用中需要与金属连接起来，以期获得陶瓷-金属复合构件，更好地发挥 Al₂O₃陶瓷在作为结构材料及电绝缘材料方面的优越性能。

AlN 陶瓷由于具有高热导率、低介电常数、与单晶硅相匹配的热膨胀系数及良好的电绝缘性能。例如，在Al₂O₃陶瓷中增添了 AlN 陶瓷的预氧化过程。

此外，陶瓷基板制作中常采用在元素周期表中处于过渡区间的金属元素如Ti、Zr、Hf等，这些元素是有很强的化学活性，对氧化物和硅酸盐等有较大的亲和力，能够润湿原本化学惰性的陶瓷表面并与陶瓷表面的氧、碳、氮或硅发生化学键合，其在接合界面分别形成氧化物、碳化物、氮化物或硅化物反应产物。从而在接头表面形成一个反应层，这为陶瓷表面增加了更高程度的金属特性。

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