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陶瓷与金属的连接件在新能源汽(qi)车、电(dian)子电(dian)气、半导体(ti)封装和 IGBT 模块等(deng)领域有着广泛(fan)的应用，其产品主(zhu)要(yao)有主(zhu)要(yao)有陶瓷结构件和陶瓷基板(ban)(ban)，因(yin)市场需求的(de)增(zeng)大和新(xin)材料的(de)不断(duan)涌(yong)现，诸(zhu)如陶瓷继电器(qi)、陶瓷密封连接(jie)器(qi)、陶瓷基板(ban)(ban)等系(xi)列(lie)产品大规(gui)模实现产业化，因(yin)此，具有高强度、高气密性、高可靠性的(de)陶瓷与(yu)金属的(de)封接(jie)工艺至关重(zhong)要(yao)。

供应新能源领域(yu)陶瓷(ci)(ci)零件电动汽车专用陶瓷(ci)(ci)继电器

高(gao)导热陶瓷基板的应用离不开金属化，在国际(ji)上，以德国贺利氏(Heraeus)集团公司为主生产(chan)高性能的DCB-Al₂O₃（直接(jie)键合铜(tong)的Al₂O₃陶瓷基(ji)板）和AMB-Si₃N₄（活性(xing)金属(shu)钎焊(han)工艺的Si₃N₄陶(tao)瓷基板）、日本京瓷(Kyocera)作(zuo)为世界500 强(qiang)企业和(he)全球最大的(de)高技术陶瓷公司(si)，代表产品有大功(gong)率的(de)LED用陶(tao)瓷封装壳等，这些都离不(bu)开(kai)陶(tao)瓷与金属的(de)封接。

陶瓷与(yu)金属封(feng)接的难点

实现陶瓷(ci)与金(jin)(jin)属之间的(de)可靠连接是(shi)推进陶瓷(ci)材料(liao)应用(yong)的(de)关键，陶瓷(ci)与金(jin)(jin)属的(de)封(feng)接工(gong)艺中最大的(de)难(nan)点是(shi)陶瓷和金属的热膨胀系数相差较大(da)，在连接完成后，封(feng)接界面处会产生较大残余应力(li)，降低了接头强度(du)。另外金属陶瓷封(feng)接是以金(jin)属钎焊技术为基础而(er)(er)发(fa)展(zhan)起来(lai)的(de)，但与(yu)(yu)金属和金属的(de)钎焊不同的(de)是，焊料不能(neng)(neng)浸(jin)润陶瓷(ci)表(biao)面，因(yin)而(er)(er)也就不能(neng)(neng)直接(jie)将陶瓷(ci)与(yu)(yu)金属连接(jie)起来(lai)。

良(liang)好的(de)陶瓷与金属封(feng)接(jie)，其封(feng)接(jie)处应满足(zu)如下要(yao)求：

1．具有良好的(de)真空气密性，印使在高(gao)温时也不应丧失(shi)；

2．具有一(yi)定的机械强度；

3．在长时间高(gao)于工作温(wen)度的条(tiao)件下，其电气性能与机械(xie)性能应保持不(bu)变；

4．能承受住(zhu)急剧的温度变化；

5．工艺简单，适于成(cheng)批生产；

6．封接处尺寸的(de)公差应很小(xiao)。

陶瓷封接技术类型

几十年来，国内外先后在扩散连接、钎(qian)焊(han)连接和活性连接等工(gong)艺(yi)上做了许多探索(suo)。目(mu)前，陶瓷(ci)与金(jin)属连(lian)接(jie)较为广泛采用(yong)的方法主要为钎焊连接技术，其产品性能稳(wen)定、工(gong)艺(yi)可靠性高、生产成本合(he)理(li)。以(yi)下主要介绍目前国(guo)内外陶瓷(ci)与金属(shu)连接中(zhong)所广泛(fan)采用的钎焊工(gong)艺(yi)和陶瓷(ci)基板(ban)覆铜(tong)工(gong)艺(yi)。

1. 烧结金属粉末法

烧(shao)结(jie)金(jin)属粉(fen)末(mo)法是指在特定的(de)温度和气氛中(zhong)，先将陶瓷表(biao)面进行金(jin)属化处(chu)理，从(cong)而使得(de)瓷件带有(you)金属性质，继(ji)而用熔点比母材低的(de)(de)(de)钎料(liao)将(jiang)金属化(hua)后的(de)(de)(de)瓷件与金属进行(xing)连接(jie)的(de)(de)(de)一种方法。相当于把陶瓷与金属的(de)(de)(de)封接(jie)转变为金属与金属的(de)(de)(de)封接(jie)，工艺难度大幅下降。

烧结(jie)金(jin)属粉(fen)末法

（1）金属化层制备(bei)

目前，金属化(hua)的方法主要有活化(hua)Mo-Mn法、物(wu)理气(qi)相沉积法和(he)化学气(qi)相沉积法等，而活化Mo-Mn法是生产应(ying)用中较为(wei)广泛的一种金(jin)属化方法。

这(zhei)种(zhong)方法的机理是Mn在一定的(de)温(wen)度下(xia)被氧(yang)化(hua)会(hui)与陶瓷(ci)基体发生固(gu)相反(fan)应，其中(zhong)生成的(de)玻璃相渗入(ru)Mo层(ceng)和陶瓷基体(ti)中，形成熔(rong)融体(ti)填(tian)充(chong)并润湿(shi)Mo的表面，当冷(leng)却后(hou)，熔融体在陶瓷与金属(shu)(shu)层(ceng)中形成过渡层(ceng)，实(shi)现了陶瓷与金属(shu)(shu)化层(ceng)的封接(jie)。

（2）金属化层表面镀Ni

通常，对于进(jin)行金属(shu)化处(chu)理后(hou)的陶瓷材料，大部分(fen)工艺会在金属(shu)化层(ceng)上(shang)进(jin)行二(er)次金属(shu)化处(chu)理，即镀Ni处理。镀Ni是为(wei)了改善后(hou)续的(de)钎料在金(jin)属化层上的(de)流动性，防止钎(qian)料对金(jin)属化(hua)层(ceng)的(de)(de)侵蚀作用，同时也能(neng)覆盖第一次金(jin)属化(hua)过(guo)程(cheng)中(zhong)多孔的(de)(de)Mo层，避(bi)免封(feng)(feng)接(jie)完成后造(zao)成封(feng)(feng)接(jie)强度降低。

常(chang)用的镀 Ni 方式有电镀和化(hua)学镀两种。

（3）金属化(hua)陶瓷与金属的封接

金(jin)属(shu)化后陶瓷与金(jin)属(shu)体(ti)的封接时所用(yong)钎料主(zhu)要是 Ag-Cu 钎料，当其含量为 Ag₇₂Cu₂₈时(shi)对(dui) Cu、Ni 的润(run)湿性和流动性较好，不(bu)含(han)有(you)挥发性和易(yi)被氧化元(yuan)素，且(qie)加工性能好，易(yi)加工成片、箔、板、丝等各种形状，通常其焊接(jie)温(wen)度在 800 ℃左(zuo)右。

2.活性金属钎焊法(fa)

活(huo)性金属钎(qian)焊法(Active Metal Brazing, AMB)是在钎料中加入活性元素，通过化学反应(ying)在陶(tao)瓷表面(mian)形成反应(ying)层，提高钎料在陶瓷表面的(de)(de)(de)润湿(shi)性，从而(er)进行(xing)陶瓷与金属(shu)间(jian)(jian)的(de)(de)(de)化学接合(he)。这种(zhong)方法(fa)由于(yu)过(guo)程在一(yi)次升温中完(wan)成，操作简单(dan)、时间(jian)(jian)周期短、封接性能好并且对陶瓷的(de)(de)(de)适用(yong)范围(wei)广(guang)，所以目前在国内外(wai)发展较(jiao)快，成为了电子器件中常用(yong)的(de)(de)(de)一(yi)种(zhong)方法(fa)。

通常采用的(de)活性元素(su)为过渡区(qu)间的(de)金属元素(su)如 Ti、Zr、Hf 等(deng)，具有很强(qiang)的化学(xue)活(huo)性，且与Cu、Ni、Ag-Cu等金(jin)(jin)属形成(cheng)的(de)液态合金(jin)(jin)容易与陶(tao)瓷(ci)表(biao)面(mian)发生反(fan)应(ying)且(qie)可以很(hen)好(hao)地润(run)湿各种金(jin)(jin)属。在金(jin)(jin)属与陶(tao)瓷(ci)的(de)钎(qian)焊(han)过程中常选用(yong)的(de)钎(qian)料为Ag-Cu 低共融(rong)合金(jin)钎料(liao)，其属于(yu)高(gao)温预成型焊(han)料(liao)，其钎焊(han)温度(du)高(gao)、焊(han)接(jie)强度(du)大、有适宜的(de)(de)熔点、良好(hao)的(de)(de)导电性、较高(gao)的(de)(de)强度(du)和塑性、加工(gong)性能好(hao)、在介质中抗腐蚀性也较好(hao)。

Si₃N₄和AlN等非氧化物(wu)陶瓷(ci)基板(ban)覆(fu)铜在生产中(zhong)广(guang)泛采用AMB工艺。

活性金(jin)属钎焊法

3.陶瓷基板(ban)直接覆铜法

铜(tong)材(cai)可分为纯铜(tong)、无氧铜(tong)等，由于无氧铜(tong)无氢脆现象，导(dao)电率高，加工性(xing)能(neng)和焊接性(xing)能(neng)、耐(nai)腐蚀性(xing)能(neng)和低(di)温性(xing)能(neng)均好，因而常被(bei)选作(zuo)金属陶(tao)瓷的封接材(cai)料(liao)。

目前，国内较为(wei)常见的陶瓷(ci)基板材料有Al₂O₃、AlN和(he)Si₃N4陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)基板，基板覆铜的(de)具体工艺因陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)材料(liao)的(de)种类不同而(er)有所差异，对于Al₂O₃陶瓷基板主要(yao)采(cai)用直接(jie)覆铜(tong)工艺(Direct Bonded Copper，DBC)，AlN陶瓷基板可采用(yong)DBC或AMB工艺(yi)，Si₃N4陶瓷基板(ban)在生产中较为广泛使用的是(shi)AMB工艺(yi)。

直接覆(fu)铜(tong)法

这(zhei)种(zhong)工(gong)艺是在(zai)高温和一(yi)定的氧分压条件下，使Cu表面氧化生成(cheng)共晶液相(xiang)润湿陶瓷基底和Cu，高温下发生化学反应在铜与陶瓷之(zhi)间形成一层很薄的过(guo)渡(du)层，即(ji)实现金属与陶瓷的(de)连接。

氧化铝陶瓷(ci)基板直接覆铜是非(fei)常成熟的(de)工艺，而AlN直接覆铜由于与Cu的润湿性极差，通常采用通过高温氧化处(chu)理，在表面生成(cheng)结构(gou)均匀且附着牢固的Al₂O₃层的方式。

4.陶瓷与金(jin)属连接的其(qi)它方法

（1）机械连接

机械连(lian)接(jie)(jie)常(chang)见的(de)有(you)栓(shuan)接(jie)(jie)和热(re)套等(deng)，通常(chang)用于(yu)(yu)结构陶(tao)瓷。栓(shuan)接(jie)(jie)方法(fa)简单且接(jie)(jie)头可进行拆卸，但是其(qi)接(jie)(jie)头处无气密性(xing)等(deng)，以至于(yu)(yu)其(qi)无法(fa)较好应(ying)用在精(jing)密器件中。热(re)套则是利用陶(tao)瓷与金(jin)属的(de)热(re)膨胀性(xing)能的(de)差异(yi)而组(zu)合(金(jin)属加热(re)时较大膨胀，冷却时收缩(suo)，金(jin)属的(de)收缩(suo)大于(yu)(yu)陶(tao)瓷)。

（2）固相扩散连接(jie)

这种方法是在惰性气氛或(huo)真(zhen)空环境中，通过(guo)高温(wen)和压(ya)力的作用，首(shou)先使待接面局部发生塑性变形，促使氧化(hua)(hua)膜破碎分解，为原(yuan)子(zi)扩散创造条件，通过(guo)原(yuan)子(zi)间的扩散或(huo)化(hua)(hua)学反应形成(cheng)反应层，从而实(shi)现(xian)连接。

目前，国内在应用HIP扩散焊接方面取得许多进步，其产品应用在航空航天、电力(li)电子和(he)新能源等各大领域，例(li)如粒子加速器的(de)冲(chong)击管, 由外部镀(du)铜(tong)的(de)氧化(hua)铝和前沿钎(qian)焊(han)的(de)金属法(fa)兰(lan)盘组(zu)成，以(yi)及(ji)由氧化(hua)铝绝(jue)缘管与金属法(fa)兰(lan)盘焊(han)接成的(de)真(zhen)空绝(jue)缘子等。

固相(xiang)扩散连接陶瓷-金属器件

（3）自蔓延(yan)连接

这种(zhong)方法是利(li)用(yong)自蔓延合成反应的(de)放热和产物来(lai)连接待焊(han)母材的(de)技术(shu)，反应热为(wei)(wei)高温热源，产物为(wei)(wei)焊(han)料(liao)，为(wei)(wei)解决两(liang)种(zhong)材料(liao)间的(de)热膨(peng)胀系数和弹性(xing)模量不匹配的(de)问题，连接过程中(zhong)常(chang)用(yong)反应原料(liao)直接(jie)合成梯度(du)材料(liao)，其成(cheng)分(fen)组织(zhi)逐渐过渡，从而缓解(jie)接头处(chu)的残(can)余应(ying)力。

此方法能(neng)耗低、生产效率高，但(dan)由于反应速(su)度极快(kuai)，焊料燃烧时间不易(yi)控制，导致界面反应控制困难。目前，国内主要针对(dui)TiC陶(tao)瓷与Ni以及TiAl合金(jin)之间(jian)的自蔓(man)延反应进(jin)行了(le)相关研究。

总结

陶(tao)瓷与金属连接件广泛用于电力电子(zi)(zi)领域、微波射频与微波通(tong)讯、新能源汽车、IGBT、及LED封装领域等，随着电子(zi)(zi)元器件的功率及封装集成(cheng)度的不断增大，高性(xing)能陶(tao)瓷基板金属化已成(cheng)为研究(jiu)热点之一。

而目前每种方(fang)法(fa)都(dou)有(you)其自身的(de)优(you)点和(he)局(ju)限性，甚至有(you)些(xie)方(fang)法(fa)还处于(yu)实验研究阶段(duan)，一(yi)时还难(nan)以实用(yong)化，国内在陶瓷与金(jin)属的(de)连接的(de)工艺开发和(he)工程应(ying)用(yong)方(fang)面仍旧有(you)不少难(nan)关需要突破。

参考来源：

1.浅谈(tan)新(xin)能源汽车用先(xian)进陶瓷继电器产(chan)品开发与关键(jian)技术，杨倩、阎蛇民（咸阳陶瓷研究(jiu)设计院有(you)限公(gong)司）；

2.陶(tao)(tao)瓷(ci)与(yu)金属连接的研究(jiu)及应用进展，范(fan)彬彬、赵(zhao)林、谢志鹏(1. 景德(de)镇陶(tao)(tao)瓷(ci)大学(xue)(xue)，材料科(ke)学(xue)(xue)与(yu)工(gong)程学(xue)(xue)院；2.清华大学(xue)(xue)，材料学(xue)(xue)院，新型陶(tao)(tao)瓷(ci)与(yu)精(jing)细(xi)工(gong)艺国家重点实验室）。

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