陶瓷用于功率器件的关键工艺：金属与陶瓷封接
陶瓷与金属的连接件在新能源汽车、电子电气、半导体封装和IGBT模块等领域有着广泛的应用，其产品主要有陶瓷结构件和陶瓷基板，因市场需求的增大和新材料的不断涌现，诸如陶瓷继电器、陶瓷密封连接器、陶瓷基板等系列产品大规模实现产业化，因此，具有高强度、高气密性、高可靠性的陶瓷与金属的封接工艺至关重要。
高导热陶瓷基板的应用离不开金属化，在国际上，以德国贺利氏(Heraeus)集团公司为主生产高性能的DCB-Al2O3（直接键合铜的Al2O3陶瓷基板）和AMB-Si3N4（活性金属钎焊工艺的Si3N4陶瓷基板）、日本京瓷(Kyocera)作为世界500强企业和全球最大的高技术陶瓷公司，代表产品有大功率的LED用陶瓷封装壳等，这些都离不开陶瓷与金属的封接。
实现陶瓷与金属之间的可靠连接是推进陶瓷材料应用的关键，陶瓷与金属的封接工艺中最大的难点是陶瓷和金属的热膨胀系数相差较大，在连接完成后，封接界面处会产生较大残余应力，降低了接头强度。另外金属陶瓷封接是以金属钎焊技术为基础而发展起来的，但与金属和金属的钎焊不同的是，焊料不能浸润陶瓷表面，因而也就不能直接将陶瓷与金属连接起来。
良好的陶瓷与金属封接，其封接处应满足如下要求：
1．具有良好的真空气密性，印使在高温时也不应丧失；
2．具有一定的机械强度；
3．在长时间高于工作温度的条件下，其电气性能与机械性能应保持不变；
4．能承受住急剧的温度变化；
5．工艺简单，适于成批生产；
6．封接处尺寸的公差应很小。
几十年来，国内外先后在扩散连接、钎焊连接和活性连接等工艺上做了许多探索。目前，陶瓷与金属连接较为广泛采用的方法主要为钎焊连接技术，其产品性能稳定、工艺可靠性高、生产成本合理。以下主要介绍目前国内外陶瓷与金属连接中所广泛采用的钎焊工艺和陶瓷基板覆铜工艺。
烧结金属粉末法是指在特定的温度和气氛中，先将陶瓷表面进行金属化处理，从而使得瓷件带有金属性质，继而用熔点比母材低的钎料将金属化后的瓷件与金属进行连接的一种方法。相当于把陶瓷与金属的封接转变为金属与金属的封接，工艺难度大幅下降。
目前，金属化的方法主要有活化Mo-Mn法、物理气相沉积法和化学气相沉积法等，而活化Mo-Mn法是生产应用中较为广泛的一种金属化方法。
这种方法的机理是Mn在一定的温度下被氧化会与陶瓷基体发生固相反应，其中生成的玻璃相渗入Mo层和陶瓷基体中，形成熔融体填充并润湿Mo的表面，当冷却后，熔融体在陶瓷与金属层中形成过渡层，实现了陶瓷与金属化层的封接。
通常，对于进行金属化处理后的陶瓷材料，大部分工艺会在金属化层上进行二次金属化处理，即镀Ni处理。镀Ni是为了改善后续的钎料在金属化层上的流动性，防止钎料对金属化层的侵蚀作用，同时也能覆盖第一次金属化过程中多孔的Mo层，避免封接完成后造成封接强度降低。
常用的镀Ni方式有电镀和化学镀两种。
金属化后陶瓷与金属体的封接时所用钎料主要是Ag-Cu钎料，当其含量为Ag72Cu28时对Cu、Ni的润湿性和流动性较好，不含有挥发性和易被氧化元素，且加工性能好，易加工成片、箔、板、丝等各种形状，通常其焊接温度在800℃左右。
活性金属钎焊法(Active Metal Brazing,AMB)是在钎料中加入活性元素，通过化学反应在陶瓷表面形成反应层，提高钎料在陶瓷表面的润湿性，从而进行陶瓷与金属间的化学接合。这种方法由于过程在一次升温中完成，操作简单、时间周期短、封接性能好并且对陶瓷的适用范围广，所以目前在国内外发展较快，成为了电子器件中常用的一种方法。
通常采用的活性元素为过渡区间的金属元素如Ti、Zr、Hf等，具有很强的化学活性，且与Cu、Ni、Ag-Cu等金属形成的液态合金容易与陶瓷表面发生反应且可以很好地润湿各种金属。在金属与陶瓷的钎焊过程中常选用的钎料为Ag-Cu低共融合金钎料，其属于高温预成型焊料，其钎焊温度高、焊接强度大、有适宜的熔点、良好的导电性、较高的强度和塑性、加工性能好、在介质中抗腐蚀性也较好。
Si3N4和AlN等非氧化物陶瓷基板覆铜在生产中广泛采用AMB工艺。
铜材可分为纯铜、无氧铜等，由于无氧铜无氢脆现象，导电率高，加工性能和焊接性能、耐腐蚀性能和低温性能均好，因而常被选作金属陶瓷的封接材料。
目前，国内较为常见的陶瓷基板材料有Al2O3、AlN和Si3N4陶瓷基板，基板覆铜的具体工艺因陶瓷材料的种类不同而有所差异，对于Al2O3陶瓷基板主要采用直接覆铜工艺(Direct Bonded Copper，DBC)，AlN陶瓷基板可采用DBC或AMB工艺，Si3N4陶瓷基板在生产中较为广泛使用的是AMB工艺。
这种工艺是在高温和一定的氧分压条件下，使Cu表面氧化生成共晶液相润湿陶瓷基底和Cu，高温下发生化学反应在铜与陶瓷之间形成一层很薄的过渡层，即实现金属与陶瓷的连接。
氧化铝陶瓷基板直接覆铜是非常成熟的工艺，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理，在表面生成结构均匀且附着牢固的Al2O3层的方式。
机械连接常见的有栓接和热套等，通常用于结构陶瓷。栓接方法简单且接头可进行拆卸，但是其接头处无气密性等，以至于其无法较好应用在精密器件中。热套则是利用陶瓷与金属的热膨胀性能的差异而组合(金属加热时较大膨胀，冷却时收缩，金属的收缩大于陶瓷)。
这种方法是在惰性气氛或真空环境中，通过高温和压力的作用，首先使待接面局部发生塑性变形，促使氧化膜破碎分解，为原子扩散创造条件，通过原子间的扩散或化学反应形成反应层，从而实现连接。
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、电力电子和新能源等各大领域，例如粒子加速器的冲击管,由外部镀铜的氧化铝和前沿钎焊的金属法兰盘组成，以及由氧化铝绝缘管与金属法兰盘焊接成的真空绝缘子等。
这种方法是利用自蔓延合成反应的放热和产物来连接待焊母材的技术，反应热为高温热源，产物为焊料，为解决两种材料间的热膨胀系数和弹性模量不匹配的问题，连接过程中常用反应原料直接合成梯度材料，其成分组织逐渐过渡，从而缓解接头处的残余应力。
此方法能耗低、生产效率高，但由于反应速度极快，焊料燃烧时间不易控制，导致界面反应控制困难。目前，国内主要针对TiC陶瓷与Ni以及TiAl合金之间的自蔓延反应进行了相关研究。
陶瓷与金属连接件广泛用于电力电子领域、微波射频与微波通讯、新能源汽车、IGBT、及LED封装领域等，随着电子元器件的功率及封装集成度的不断增大，高性能陶瓷基板金属化已成为研究热点之一。
而目前每种方法都有其自身的优点和局限性，甚至有些方法还处于实验研究阶段，一时还难以实用化，国内在陶瓷与金属的连接的工艺开发和工程应用方面仍旧有不少难关需要突破。
参考来源：
1.浅谈新能源汽车用先进陶瓷继电器产品开发与关键技术，杨倩、阎蛇民（咸阳陶瓷研究设计院有限公司）；
2.陶瓷与金属连接的研究及应用进展，范彬彬、赵林、谢志鹏(1.景德镇陶瓷大学，材料科学与工程学院；2.清华大学，材料学院，新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室）。
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