陶瓷基板金屬化制備技術的研究進展

張明昌 辛成來 李東亞

摘 要：從陶瓷基板制備工藝等方面綜述了提高陶瓷基板可靠性的工藝與方法，主要包括直接鍍銅金屬化法、厚膜金屬化法、直接覆銅金屬化法、直接覆鋁金屬化法和活性釬焊金屬化法5種陶瓷基板制備方法，此外還綜述了基于上述金屬化方法加以創新的制備工藝及結合強度，并對不同工藝所制備的陶瓷基板在實際應用中的缺點與不足進行了闡述，最后對陶瓷基板金屬化的發展趨勢進行了展望.

關鍵詞：陶瓷基板；金屬化；功率模塊；結合強度

中圖分類號：TB333

文獻標志碼：A

0 引 言

在集成電路產業中，陶瓷基板材料起到連接與支撐電子器件的作用，在集成電路發展的過程中占據著舉足輕重的地位，可以說陶瓷基板的性能決定了集成電路的性能.陶瓷基板是將金屬和陶瓷基片通過不同的工藝實現鍵合，銅（Cu）具有優良的導電性和載流能力，陶瓷具有較好的機械強度，化學性質穩定，陶瓷和Cu兩者具有良好的導熱性，所以陶瓷基板既具有陶瓷的熱穩定性又有金屬的電學性能等優點.集成電路產業進入快速發展期，集成電路產業中電力電子功率模塊向著更高頻、更小尺寸、更大功率與更大電流方向發展，因此，對陶瓷基板的可靠性也提出了更高的要求.本文從陶瓷基板傳統制備工藝出發，綜述了提高陶瓷基板可靠性的方法，并簡述了新制備工藝及性能評價，最后對陶瓷基板金屬化的發展趨勢進行了展望.

1 陶瓷基板的制備工藝

1.1 直接鍍Cu金屬化法（DPC）

DPC是在陶瓷表面注入種子層再通過電鍍使銅層達到一定厚度，種子層的注入是利用物理氣相沉積（磁控濺射與真空蒸鍍等）方法在陶瓷表面沉積一層金屬層.物理氣相沉積屬于低溫工藝（300℃以下），完全避免了高溫對材料或結構的不利影響，也降低了制造工藝成本，但是此時制備的基板也有不足，例如，載流能力差，通常限制在幾至幾十安培.金屬薄膜與陶瓷的結合力決定了陶瓷基板的實用性與可靠性，結合力則受到范德華力和化學鍵力等影響，其中，化學鍵力為主要因素.因此，選用鉻（Cr）、鈦（Ti）、鋁（Al）和Cu等一些活性較高、有一定擴散率的金屬作為過渡層可以達到較好的附著性能.從導電性能考慮，應選擇Cu、銀（Ag）和金（Au）等低電阻率的金屬；從焊接性能的要求來考慮，應使用鎳（Ni）和Cu等高溫穩定的金屬^[1].DPC有以下特點：工藝操作溫度低，一般在300℃以下，有效避免了高溫對材料的不利影響;電鍍沉積Cu層的厚度有限;鍍液對環境污染大；金屬層與陶瓷層的結合強度相對低，導致基板的可靠性較低^[2].Huang等^[3]首先通過磁控濺射在陶瓷襯底沉積一層Ti薄膜，然后再通過電鍍形成一層Cu膜，最后將基板在860℃燒制30 min，以確保金屬膜和陶瓷之間的結合，通過這種方式制備出了氧化鋁（Al₂O₃）-DPC基板和氮化鋁（AlN）-DPC基板.除利用物理氣相沉積制備陶瓷基板外，還有學者直接利用化學鍍Cu工藝在陶瓷表面附著一層Cu薄膜.胡光輝等^[4]研究了溫度與陶瓷基體上化學鍍Cu沉積速度的關系，計算出了Cu沉積的活化能，并且改善了鍍液，使鍍層性能得到提高.Cai等^[5]利用密度泛函理論研究了Cu和AlN表面間的鍵合特性，研究表明，在沉積過程中，金屬原子沉積到N的位置比沉積到Al的位置更穩定.

DPC陶瓷基板還可以實現垂直方向的電互聯，但難以滿足大功率電路的需求，主要應用于激光與光通信領域小電流器件封裝^[6].

1.2 厚膜金屬化法（TFC）

TFC采用絲網印刷技術將金屬化漿料涂覆在陶瓷基片表面，經過干燥、高溫燒結使金屬層附著在陶瓷基體上的一種制備技術.金屬化漿料一般由金屬粉末、有機體和玻璃粉或金屬氧化物等組成.目前可選擇的金屬粉末有Ag、Ag/鈀（Pd）、Au、Au/鉑（Pt）、Cu、Ni和Al等^[7-8].其中，Ag和Cu電阻低，抗電遷移性能好，并且成本低，較為適合工業化生產^[9]，Ag導電漿料占金屬市場80%以上的份額^[10].金屬化漿料中的玻璃粉充當黏結劑的作用，使金屬和陶瓷基體結合，并且降低金屬漿料的燒結溫度.玻璃粉或金屬氧化物是厚膜漿料制作中的關鍵原料，決定了漿料和陶瓷基體的附著性能.經高溫燒結后，有機體起到分散功能相和黏結相的作用，并且使漿料保持一定黏度，有機體會在燒結過程中被燃燒掉，剩下的幾乎都是純金屬^[11].

加入的玻璃粉雖然能降低加工溫度、降低生產成本和基板的熱應力，但是商用玻璃粉幾乎都含有鉛元素，對環境和人體都有害.Zhang等^[12]提出了一種在厚膜漿料中不使用玻璃粉制備AlN陶瓷基板的方法，通過在AlN底部涂覆一層氧化銅（CuO），隨后進行熱處理，通過生成氧化亞銅（Cu₂O）和中間相組成的界面，實現了CuO和AlN之間的可靠結合.Zou等^[13]認為界面處生成的鋁酸銅（CuAl₂O₄）可以很大程度提高結合強度，通過在金屬化漿料中摻入金屬氧化物，例如，氧化鎂（MgO）、四氧化三鈷（Co₃O₄）和氧化鐵（Fe₂O₃）可提高金屬化基板的性能，納米MgO顆粒的摻入會大大降低表面金屬層的孔隙率，使金屬Cu層和基板之間結合更加緊密，對金屬化基板的結合強度有著進一步提高^[14].燒結溫度也會影響結合的性能，張鵬飛^[15]采用反應結合型厚膜工藝制備了AlN陶瓷基板并研究了不同燒結溫度對其界面間結合力的影響，結果表明，經過1 075℃燒結30 min，可獲得最佳的結合強度，Cu層和基板的最佳結合強度為11.9 MPa.目前，對于Al₂O₃厚膜漿料的研究已經趨于成熟，但是Al₂O₃厚膜漿料的研究還是有較大的空間，原因是多數的金屬對Al₂O₃的潤濕性效果不好.鄭洪雷^[16]選擇二硼化鈦（TiB₂）為AlN厚膜金屬化主要反應黏結劑，獲得了令人滿意的結合強度.Ji等^[17]采用含二氧化碲（TeO₂）-五氧化二釩（V₂O₅）-CuO玻璃熔塊的Cu漿制備了Cu/AlN陶瓷基板，結果表明，在700℃熱處理使Cu顆粒密實堆積，從而獲得最佳的拉伸強度和最低的電阻率.

金屬粉末顆粒的粒徑和形貌等對結合性能有著很大的影響.Chen等^[18]采用三氧化二鉍（Bi₂O₃）-二氧化硅（SiO₂）-三氧化二硼（B₂O₃）-Al₂O₃-氧化鋅（ZnO）系的玻璃粉制備金屬Ag漿，研究發現，該漿料對氮化硅（Si₃N₄）有著良好的潤濕性和結合強度.Zhou等^[19]研究了不同尺寸、結構的金屬粉末對結合性能的影響，結果表明，金屬層結合率和電阻率隨著金屬Ag粉末的尺寸減小而增加，小顆粒的Ag漿形成更加致密的接觸面，結合性能更高，并且片狀Ag顆粒的性能要優于同尺寸球形Ag顆粒.

厚膜陶瓷基板采用絲網印刷工藝印刷金屬布線層燒結后的金屬層厚度一般在10～20 μm，該工藝的制造成本低，操作簡單，對加工設備和環境要求低，并且生產效率高，但由于絲網印刷工藝精度限制，同時存在鍍層穩定性易受漿料均勻性影響，附著力不易控制等缺點，因此，厚膜印刷陶瓷基板的使用范圍受到一定限制.

1.3 直接覆Cu金屬化法（DBC）

DBC是Al₂O₃陶瓷和AlN陶瓷鍵合Cu的一種表面金屬化方法，其工藝流程如圖1所示.DBC技術最早出現在20世紀70年代，其原理是先在Cu與陶瓷表面處引入少量氧（O）元素，然后在1 000～1 100℃的溫度范圍內，Cu和O可以形成Cu₂O的共晶液相，以此達到潤濕的作用，實現陶瓷基板與Cu的冶金結合.Li等^[20]通過在Al₂O₃陶瓷表面涂CuO的方式引入O元素制備了Cu/Al₂O₃，并研究了預處理溫度對潤濕性的影響，結果表明，當預處理溫度為1 100℃時，接觸角減小到22°左右，中間層中連續的偏鋁酸亞銅（CuAlO₂）有利于Cu熔體與Al₂O₃之間的潤濕性.而對于AlN非氧化物陶瓷，是強共價鍵化合物，Cu/O共晶液相對AlN的潤濕性較差，所以要先對AlN陶瓷基板表面改性來增加Cu/O共晶液相對陶瓷基體的潤濕性，以確保Cu和AlN之間結合力，通常采用的方法是進行預氧化處理，使AlN陶瓷表面形成厚度一定、分散均勻且結構致密的Al₂O₃層，這樣覆接的界面就變成為AlN-Al₂O₃-Cu界面，以確保AlN和Cu之間結合的可靠.

在DBC陶瓷基板的制備過程中，Cu板氧化時間、氧化溫度和氧分壓對鍵合的強度也有著較大的影響.王彩霞等^[22]研究了預氧化溫度和氧分壓對Cu箔氧化層物相和厚度的影響，結果表明，當氧分壓為500×10^-6kPa，預氧化時間為1 h，溫度為600℃時，Cu箔表面可以獲得均勻致密的Cu₂O薄膜，并且氧化膜與Cu結合緊密，有效地提高了DBC基板的結合性能.在過高的氧化溫度和氧分壓的條件下，Cu箔表面就會生成CuO物相，而且氧化膜會變厚，表面變得疏松，局部出現氧化膜脫落的現象，不利于DBC基板的制備.許昕睿等^[23]探究了AlN陶瓷基板表面氧化狀態對覆接強度的影響，結果表明，界面結合強度與氧化工藝密切相關，受熱應力的影響，空氣條件氧化試樣的覆接強度大于N₂∶O₂=10∶1氧化試樣的覆接強度，這是因為在N₂∶O₂=10∶1的氣氛下氧化時，氧化層厚度太厚且結構疏松，同時，由于Al₂O₃與AlN之間的熱膨脹系數不匹配，在氧化的過程中產生了張應力，應力隨著氧化層厚度的增加而增加，導致覆接強度較差，當氧化層的厚度超過一定值后，在張應力的作用下，AlN和氧化層之間容易產生微裂紋.潘文霞等^[24]對AlN陶瓷基板進行了減壓直流等離子體噴涂Al，然后在900℃下氧化24 h，結果表明，AlN基板上形成了均勻且與基體附著良好的Al₂O₃層，有效地改善了AlN與Cu基板的結合性能.謝建軍等^[25]通過預氧化并在1 000～1 060℃下制備Cu/AlN陶瓷基板時發現，Cu箔和AlN陶瓷之間存在厚度約為2 μm的過渡層，過渡層中主要含有Al₂O₃、CuAlO₂和Cu₂O化合物，界面結合強度可以通過提高覆接溫度來提高，最大結合強度超過了8.0 N/mm.Hu等^[26]采用壓力輔助DBC法制備了Cu/Si₃N₄基板，并研究了預氧化SiO₂層厚度對顯微組織和熱力學性能的影響，結果表明，薄的SiO₂層導致界面產物分布不連續，而厚的SiO₂導致空隙的形成，當SiO₂和Cu₂O厚度分別為5 μm和5.9 μm時，具有最佳的綜合性能，其熱導率為92 W/（m·k），

剪切強度為102 MPa.Barlak等^[27]采用離子注入法作為AlN-DBC的預處理方法，取代了傳統的熱氧化工藝，結果表明，在15 kV的加速電壓下，以密度為5×10¹⁶ions/cm²的數量注入Ti可獲得最佳的結果，制備的AlN基板具有良好的界面結合力，優于傳統熱氧工藝制備的AlN基板.Cu和O的覆接溫度超過1 000℃時，界面會形成較硬的產物CuAlO₂，導致覆接的Al₂O₃基板的內應力較大，抗熱震動性能減弱^[28].張珊珊等^[29]對陶瓷基板在受到反復熱沖擊過程中的變形情況進行了研究，通過實驗發現，在反復受到熱沖擊的過程中，存在類似金屬材料在周期載荷作用下出現的棘輪效應和包辛格效應.在陶瓷基板經受熱沖擊時，Cu層的厚度也會較大程度地影響覆接的可靠性，Cu層越厚在熱沖擊實驗中就越容易出現裂紋與分層，有些學者已經通過實驗和有限元模擬來證明^[30].

DBC陶瓷基板應用范圍很廣，例如，電力半導體模塊、太陽能電池板組件和絕緣柵雙極二極管（IGBT）等封裝器件.但也有如下缺點：制備的過程是利用高溫下Cu和O的共晶反應，對設備和工藝要求較高^[6]；DBC的覆接強度還未能滿足某些應用場景的需要.

1.4 直接覆Al金屬化法（DBA）

DBA是由DBC工藝技術發展而來的一種陶瓷基片金屬化工藝，覆接過程就是利用Al在液態對陶瓷有較好的潤濕性實現的，在溫度到達Al的熔點（約660℃）以上時，固態Al會發生液化，隨著溫度的降低Al就直接在陶瓷表面提供的晶核結晶生長，冷卻到室溫實現兩者結合^[31]，工藝流程如圖2所示.

Al具有較低的熔點，優良的塑性，可以緩解界面因熱膨脹系數不同引起的熱應力，但Al的化學性質活潑，在高溫下非常容易生成一層氧化膜.氧化膜的化學性質穩定，結構致密，厚度通常在幾十納米左右，會覆在液態Al的表面，很大程度上降低了液態Al對Al₂O₃陶瓷的潤濕性^[32]，阻礙陶瓷和Al的結合，使得陶瓷和Al的結合強度降低，可靠性變差.要避免氧化膜的產生，可采用隔絕O₂的方法，阻止液態Al表面產生氧化膜從而保證Al和陶瓷的覆接，但在這個工藝過程中或多或少還是存在液態Al與O接觸產生氧化膜的現象.因此，將氧化膜去除是保證覆接成功的關鍵.對此，在覆接過程中需要對液態Al施加一定的壓力，來打破表面上的氧化膜實現成功覆接^[33].彭榕等^[28，34]使用石墨模具，在充滿N₂的氣氛下，將固體Al在660～750℃熔化，然后利用壓頭將融化的液態Al壓入預先放置好陶瓷基片的模具中，660～750℃時氧化膜不會隨著液態Al一起流動而是留在熔池內，不含氧化膜的液態Al將會在Al₂O₃上鋪展開并潤濕，冷卻后就可以獲得覆接良好的Al/Al₂O₃陶瓷基板，此方法在AlN陶瓷上也可以實現覆接.Ksiazek等^[35]研究了潤濕和黏合性能之間的相關性，結果表明，當溫度在1 000℃以下時，潤濕角＜90°，當溫度在1 000～1 100℃之間，潤濕角為52～54°，因此潤濕角也會影響覆接的質量.

近年來，DBA得到了進一步的發展，并取得了一定的研究成果.井敏^[31]采用金屬過渡法，在Al₂O₃陶瓷表面上先覆接一層Cu膜，根據Cu-Al的共晶反應，在低于Al的熔點情況下實現Al₂O₃陶瓷與Al覆接，制備的DBA基板覆接強度達到11.9 MPa.Wang等^[36]在Al與Al₂O₃之間通過沉積Ni層，在界面附近形成共晶液相潤濕基體，實現Al與Al₂O₃的牢固結合；該研究結果還表明，沉積500 nm厚的Ni膜最高剪切強度可以達到31.5 MPa，導熱率可達37.8W/（m·K）.Lei等^[37]研究了AlN-DBA基板的熱循環可靠性，結果表明，在-55～250℃下進行熱循環AlN-DBA基板未出現分層，但在此期間發現Al表面發生粗糙化，這被認為是循環熱應力下晶界滑動引起的.Ning等^[38]在DBA的基礎上采用連續鑄造鍵合（CCB）方法制備出了高質量的AlN/Al、Al₂O₃/Al、Si₃N₄/Al和碳化硅（SiC）/Al基板.李明鶴等^[39]在DBA基礎上采用磁控濺射制備了Al/AlN復合基板，當陽極Al₂O₃膜厚約10 μm，AlN膜約1 μm時，制備的復合基板擊穿電壓超過了1 350 V，絕緣電阻率達到了17.×106 MΩ，結合強度超過8 MPa.

DBA基板使用Al代替Cu作為金屬層，Al₂O₃-DBA基板和AlN-DBA基板具有優異的導熱特性，良好的抗疲勞性能，在熱循環的實驗中表現出比DBC基板更高的性能^[40]，為大功率電子陶瓷基板提供了新的選擇.但有如下缺點：DBA技術對O含量的控制非常嚴格，對設備要求也比較高，基板制作成本比較高;DBA工藝的Al厚度一般在100 μm以上，不適合精密電路的制作.

1.5 活性釬焊金屬化法（AMB）

AMB是在DBC工藝上進一步優化的一種工藝，AMB陶瓷基板的結構穩定性優于DBC陶瓷基板，其原理是利用絲網印刷工藝將含有少量活性元素的釬料涂刷在陶瓷基板的表面上，然后再覆蓋一層Cu放到真空釬焊爐里進行燒結，在高溫下釬焊漿料與陶瓷發生化學反應實現冶金結合，工藝流程如圖3所示.其中，覆接的Cu可分為無氧Cu和普通Cu，Cu中的O和Cu反應后以Cu₂O的形式存在，當與氫氣（H₂）接觸并遇到高溫時，Cu中會產生很大的壓力，會順著晶格間隙產生裂紋，這個現象稱為氫脆現象，而無氧Cu則不會出現這個問題.若采用活性釬焊法對AlN進行金屬化，則不需要對AlN進行預氧化，這是因為釬料直接與AlN基體反應^[41].

釬料中常用的活性元素應選擇在元素周期表過渡區間具有很強的化學活性、對氧化物和硅酸鹽等有較大親和力的元素，比如Ti、鋯（Zr）、釩（V）、Cr、鈮（Nb）和鉿（Hf）等.這些活性元素在一定溫度下與Cu形成液態合金，潤濕陶瓷表面.Ti的活性較好、線膨脹系數高及彈性模量大，因此，含有Ti的活性釬料是最常用的，也正是因為Ti的活性較高，純Ti微粉易被氧化，不易保存，而氫化鈦（TiH₂）很穩定，在常溫空氣中不吸潮，不發生化學變化，在真空加熱時，分解的還原性H₂對表面還有清潔的作用，更有利于金屬化，因此可用TiH₂替代純Ti^[42].

常用的含Ti釬料有Ag-Cu-Ti、Cu-Zn-Ti、Ti-Zr-Cu、錫（Sn）-Ag-Ti和Ni-Pd-Ti等^[43]，在多年的發展過程中，Ag-Cu-Ti釬料是研究最為廣泛、成熟的，Ag-Cu-Ti釬料幾乎對所有的陶瓷都會發生反應，能夠潤濕大部分的陶瓷，應用范圍廣，連接強度高，性能穩定^[44].Rajendran等^[45]研究了Ti和Sn在Ag-Cu-Zr釬料中對Cu/Al₂O₃-AMB的協同作用，結果表明，含有Ti釬料的潤濕角比不含Ti釬料的潤濕角要低15°，這說明Ti的存在促進了釬料的鋪展.釬料中Ti的含量是決定結合強度的關鍵因素，Ti含量的增加會使釬料的潤濕性能增加，但過多的Ti會使脆性化合物增加，共晶組織減少.Yang等^[46]研究了Ti含量對Ag-Cu-Ti/SiC體系潤濕角的影響，Ti的加入提高了釬料的潤濕性能，當Ti含量從0 wt.%增加到4.5 wt.%時，潤濕角從原來的78°減小到26°.吳雙^[47]改進了Ag-Cu-Ti活性釬料的占比，結果表明，當Ag∶Cu∶Ti=71.25∶23.75∶5時，所獲得的陶瓷基板結構致密，未發現空洞等缺陷，并且獲得適合此配方的最佳釬焊溫度為850℃.Jin等^[48]用Ag-Cu-Ti釬料分別與烏（W）箔和鉭（Ta）箔制備Al₂O₃/Cu-AMB，結果表明，含W箔和Ta箔的陶瓷基板剪切強度明顯高于不含W箔和Ta箔的陶瓷基板，這是因為W和Ta金屬層的熱膨脹系數與Al₂O₃接近.Fan等^[49]采用Ag-Cu-Ti＋Zn復合釬料釬焊Al₂O₃陶瓷和Cu，結果表明，釬焊過程中Zn原子的揮發可以促進液體釬料在Al₂O₃陶瓷表面的鋪展，形成均勻的樹枝狀界面結構，添加了Zn的復合填料在900℃下釬焊20 min，Al₂O₃/Cu接頭的拉伸強度提高到20.89 MPa.

除此之外，釬焊的溫度也會影響結合的性能.王帥超^[50]研究了不同的釬焊溫度對AlN/Cu界面之間微觀結構的影響，結果表明，當釬焊溫度較低時，陶瓷和釬料之間不能充分反應，生成了一層不連續的反應層，導致了釬料的潤濕性較差，當釬焊溫度為830～870℃時，界面沒有空洞、裂紋等缺陷，隨著溫度的升高，釬縫中Ag-Cu共晶組織的含量逐漸減少且變得更加粗大.

AMB陶瓷基板的結構穩定性優于DBC陶瓷基板^[29]，并且AMB工藝過程在1次升溫中完成，時間周期短，對陶瓷的適用范圍廣，廣泛應用于絕緣柵雙極型晶體管模塊及新能源汽車功率模塊.

2 熱疲勞可靠性的研究

陶瓷金屬熱膨脹系數不匹配，會在陶瓷金屬界面處產生交變熱應力^[51].交變熱應力使陶瓷金屬層界面處萌生裂紋，最終導致陶瓷基板熱疲勞失效，如金屬化層脫皮、翹曲和脫落等（見圖4）^[52]，嚴重影響高性能電子裝置的可靠性，也已成為大功率陶瓷基板失效的主要原因.因此，廣大研究學者對陶瓷基板的熱疲勞性能進行了廣泛研究.

Miyazakia等^[51]研究了在-40～250℃熱循環下Si₃N₄-AMB和AlN-AMB基板的可靠性.研究表明，Si₃N₄-AMB的可靠性優于AlN-AMB基板，Cu層厚度為0.15 mm和0.30 mm的Si₃N₄/Cu基板即使經過1 000次熱循環也未出現分層;而Cu層厚度為0.15 mm厚的AlN/Cu基板經過50次熱循環已出現裂紋，Cu厚度為0.30 mm厚的AlN/Cu基板僅在7次熱循環后就表現出來明顯的分層，如圖5所示.Lang等^[52]研究了Si₃N₄/Cu-AMB陶瓷基板在惡劣環境下可靠性的問題，在300℃的溫度下儲存3 000 h，Si₃N₄-AMB基板表現出較高的可靠性，但在-40～300℃下進行熱沖擊3 000次，Cu層發生了嚴重變形，極大地降低了結合的可靠性.Dupont等^[53]研究了Cu/AlN-DBC陶瓷基板Cu層厚度對可靠性和壽命的影響，在-30～180℃范圍內，當Cu層厚度為200 μm時，僅在90次熱循環后就已經出現了分層，結果表明，陶瓷的斷裂是金屬材料應變硬化的結果，當陶瓷中的力學約束超過陶瓷的拉伸強度時，就會發生陶瓷斷裂，Cu層的厚度越低，陶瓷基體的壽命越高.

3 陶瓷基板制備新工藝

科研人員在上述的陶瓷表面金屬化工藝中做了改良及創新，如本課題組提出了一種新型陶瓷金屬化的方法實現了Si₃N₄/Cu的界面結合，其工藝流程是在陶瓷基片上利用磁控濺射技術濺射一層Ti，然后在放電等離子燒結爐（SPS）中制備納米Cu/Ti-Si₃N₄陶瓷基板，在等離子體活化作用下，納米Cu粉末熱壓在Si₃N₄陶瓷表面上，成功實現陶瓷和Cu的覆接，并且研究了界面結合機制，結果表明，由分散的鈦銅氧化合物（Ti₄Cu₂O和Ti₃Cu₃O）和Ti₂O層組成的雙層結構的接頭具有最好的結合性能，同時還認為，在界面處Cu₂O會被還原生成由納米孿晶Cu構成的納米Cu晶粒，這可能提高界面結合強度^[54].同時也有學者認為，納米Cu層可以有效抑制熱疲勞斷裂^[55]，Song等^[56]采用激光對Si₃N₄表面改性，形成的Si和Cu在高溫下反應，獲得了無缺陷的Si₃N₄/Cu結合界面，測試結果表明，獲剪切強度為18.3 MPa，并且經過1 000次熱循環測試后，仍保持99.4%的結合面積.Liu等^[57]采用納米激光輻照AlN表面，對AlN陶瓷進行熱分解，通過Al與Cu的共晶反應，成功地將AlN陶瓷與Cu進行了共晶連結.張學斌^[58]以薄膜法為基礎在界面處添加一層薄膜黏附材料作為過渡層以解決接合強度不足的問題，研究表明，WTi作為黏附層的結合強度最高，Ti次之，且結合強度隨黏附層厚度的增加先增大后減小，當采用厚度為200 nm的WTi作為黏附層，制備的Al₂O₃陶瓷基板的結合力強度大于97.20 N.陽極Al₂O₃膜作為緩沖層有效地緩解了AlN與Al的熱膨脹系數失配的問題，在260℃熱沖擊下，Al未發生形變，并且AlN膜也沒發生破裂.Fei等^[59]提出了一種制備Al/AlN陶瓷基板的新方法，在AlN表面覆一層CuO厚膜并進行燒結，將Al放在預處理完后的AlN上，通過400℃預熱和660℃最終加熱，最后在N₂-H₂氣氛中與AlN結合，力學實驗結果表明，剝離強度可以達到15.4 MPa.Atil等^[60]采用摩擦堆焊技術實現了Si₃N₄陶瓷與Al基復合材料結合，Al基層的厚度取決于所用的轉速，但結合強度也受到橫向速度的影響，涂層厚度達到2.03 mm，結合強度達到42.5 MPa.

最近幾年涌現的陶瓷基板金屬化方法主要是對陶瓷表面進行處理，例如，在陶瓷表面加工一層活性金屬層，以及對陶瓷表面進行改性.但也有學者采用傳統的焊接方法，例如，摩擦堆焊來實現陶瓷基板金屬化的.不過，很多陶瓷基板金屬化的新方法由于自身局限性和目前技術水平的限制無法實現量產，還需加深研究已達到新方法的實用化.

4 結 語

本文從陶瓷基板傳統制備工藝出發，綜述提高陶瓷基板可靠性的方法，并簡述了一些最新的制備工藝及性能評價.陶瓷基板金屬化方法主要有DPC、TFC、DBC、DBA和AMB.高新技術的發展對于陶瓷基板的服役要求越來越高（如使用周期延長，服役環境條件更加苛刻等），這對陶瓷基板提出了更苛刻的性能指標.從現有的研究來看，未來陶瓷基板的發展趨勢主要有：

1）目前，國內外學者雖然對陶瓷基板金屬化的研究比較活躍，但很少涉及由于熱疲勞引起的界面微觀結構變化的問題.微觀結構的變化會很大程度上影響結合強度，因此，還需對熱疲勞過程中界面微觀結構的演化機制進行深入研究，這對提高陶瓷基板的結合強度具有重要意義.

2）在陶瓷基板的實際服役過程中，有些參數難以通過儀器進行實時測量，例如，隨時間變化的應變、應力分布和疲勞壽命等，這些參數可通過數學建模并利用仿真軟件進行運算，利用仿真結果對實際情況進行預測，從而達到提升金屬化質量的目的.因此，利用仿真軟件對殘余應力和熱力學過程進行模擬仿真為進一步認識陶瓷基板的抗疲勞提供了研究思路，是以后值得深入研究的方向之一.

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（責任編輯：伍利華）

Research Progress in Metallization of Ceramic Substrate

ZHANG Mingchang¹，XIN Chenglai²，LI Dongya¹

（1.School of Mechanical Engineering，Chengdu University，Chengdu 610106，China；

2.School of Architecture and Civil Engineering，Chengdu University，Chengdu 610106，China）

Abstract：This paper summarizes the processes and techniques to enhance the reliability of ceramic substrates from the perspective of their manufacturing，including direct copper plating metallization （DPC），thick film metallization （TFC），direct bonding copper metallization （DBC），direct bonding aluminum metallization （DBA） and active metal brazing metallization （AMB）.Additionally，the paper outlines the innovative production processes and bonding strength based on the above mentioned metallization methods，as well as elaborates on the drawbacks and shortcomings of ceramic substrates prepared through different processes in practical applications.Finally，it predicts the development trend of ceramic substrate metallization.

Key words：ceramic substrate；metallization；power module；bonding strength