CN108640715A - 陶瓷基体表面金属化涂层组合物 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种陶瓷基体表面金属化涂层组合物。其中，陶瓷基体表面金属化涂层组合物包括组份A和组份B，所述组份A选自Cu、Al、Fe、Ni、Co、Zn、Ag、Au、Cd、Ti、Zr或Mg中的两种或两种以上；所述组份B选自陶瓷、W、Mo或Cr中的一种或几种。涂层组合物对陶瓷基体进行金属化后，形成的金属化层抗热震性能优良，在500次后表面仍然良好，无损坏或者脱落，而现有的一般几十或者最多两百次就脱落了，材料与陶瓷基体的结合力强。

Description

陶瓷基体表面金属化涂层组合物

技术领域

本发明属于陶瓷金属化技术领域，尤其涉及一种陶瓷基体表面金属化涂层组合物。

背景技术

氧化物陶瓷或氮化物被广泛应用于电子电路以及电力元件的封装。在封装过程中，陶瓷表面一般必须首先进行金属化，即在陶瓷表面覆盖金属薄层，随后才能使用焊接工艺将其与其它金属元件相连接而集成一整体。

传统的陶瓷金属化方法主要为(1)钼锰法：通过将钼锰金属粉末直接涂布于陶瓷表面后进行烧结；该方法烧结温度高，成本高，且工艺的应用具有一定的局限性，其一般只能应用于氧化铝陶瓷中，对于氧化锆、氮化铝陶瓷等不适用。(2)HIC法：将贵金属涂料直接丝印在陶瓷表面，然后成型烧结；该方法中贵金属成本高。(3)化学镀镍法：先利用PVD(物理气相沉积)工艺将金属层蒸镀到陶瓷基材表面，然后通过化学镀加厚；该方法中PVD工艺成本高，另外其活化性能苛刻，因此其附着强度一般均不高，尤其是其热膨胀系数又与陶瓷基体不匹配，导致其抗热震性较差，且容易脱落。

发明内容

本发明解决了现有技术中存在的陶瓷基体金属化涂层组合物在陶瓷基体表面形成的金属化层抗热震性较差，容易脱落的技术问题。提供一种抗热震性能优良，不易脱落，且能形成较厚的金属化层，焊接性能好，同时导热导电性能优秀的陶瓷基体表面金属化涂层组合物。

本发明的第一个目的是提供一种陶瓷基体表面金属化涂层组合物，包括组份A和组份B，所述组份A选自Cu、Al、Fe、Ni、Co、Zn、Ag、Au、Cd、Ti、Zr或Mg中的两种或两种以上；所述组份B选自陶瓷、W、Mo或Cr中的一种或几种。

本发明意外发现，采用本发明的陶瓷基体表面金属化涂层组合物对陶瓷基体表面进行金属化，形成的金属化层抗热震性能优良，不易脱落，且能形成较厚的金属化层，焊接性能好，同时导热导电性能优秀。推测原因可能因为本发明的陶瓷基体表面金属化涂层组合物在烧结时不仅能形成性能优良的金属合金和高熔点物质的复合材料的金属化涂层，而且组合物在烧结时能与陶瓷基体本身反应，形成键合，提高金属化层与陶瓷基体的结合力；本发明的陶瓷基体金属化涂层组合物中的高熔点物质在烧结时，能够形成骨架阻止熔融组份A的团聚，使形成的金属化层均匀铺展，涂层组合物组份A中的高活性金属元素与陶瓷基体在烧结时能发生反应，提高结合力，增强金属化层与陶瓷的结合能力；同时本发明的陶瓷基体表面金属化涂层组合物在烧结时形成了性能优良的金属合金，其导电导热性能优良，及穿插在金属合金网络中的高熔点组份B颗粒组份B均匀分布在金属化层中，网络结构稳定，保证了材料的稳定性，使其组合物性能稳定，涂覆均匀，形成的金属化层均匀，不仅材料与陶瓷基体的结合力强，且材料间的结合力也较强，能够在陶瓷基体表面形成较厚的金属化层也不脱落，制备的金属化层的厚度可达到几十个至上百微米，形成的陶瓷具有较好的焊接性能；而且本发明烧结形成的复合材料具有较低的线性热膨胀系数，从而进一步提高了金属化层的抗热震性性能。同时本发明的方法简单，只需将涂层组合物制成涂料后涂覆在需金属化的陶瓷基体表面烧结即可，成本低，易实现，易工艺化，为陶瓷金属化的发展奠定了基础。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供了一种陶瓷基体表面金属化涂层组合物，包括组份A和组份B，所述组份A选自Cu、Al、Fe、Ni、Co、Zn、Ag、Au、Cd、Ti、Zr或Mg中的两种或两种以上；所述组份B选自陶瓷、W、Mo或Cr中的一种或几种。陶瓷基体表面金属化涂层组合物对陶瓷基体进行金属化时，形成的金属化层抗热震性能优良，不易脱落，且能形成较厚的金属化层，焊接性能好，同时导热导电性能优秀。

优选，以组合物的总量为基准，所述组合物包括10-90wt％的组份A；10-90wt％的组份B，进一步优选组合物包括50-90wt％的组份A；10-50wt％的组份B，优化金属化层的性能。

优选，组合物包括Cu、Ti及TiC。优选，组合物包括75-87wt％的Cu粉，3-5wt％的Ti粉，10-20wt％的TiC粉，进一步优选，组合物包括76-82wt％的Cu粉，3-4wt％的Ti粉，15-20wt％的TiC粉。

组合物可以采用喷涂、蒸镀、电镀等方式将组合物以干粉的形式涂覆在陶瓷基体表面，也可以采用浆料涂覆的方式将组合物以液体状态涂覆在陶瓷基体表面，当以液体状态时，优选组合物还包括溶剂。溶剂本发明也没有限制，一般为易容易挥发、蒸发或者分解的物质，能够将无机粉末以较容易涂覆的状态例如溶液的状态涂覆在陶瓷基体表面，然后较容易去除此溶剂，仅剩余功能物质，提高金属化层的性能，一般为有机溶剂，优选为松油醇，一般根据涂料所需黏度等来设计溶剂用量，可以进一步优化涂覆时涂料的性能，优化金属化层的性能。

为提高组合物与陶瓷基体和/或材料颗粒与颗粒之间的结合力，也可以在组合物中含有粘结剂，粘结剂本发明没有限制，只需进一步提高材料与陶瓷基体及材料颗粒与颗粒之间的结合力即可，可以为物理结合力也可以为化学结合力，一般优选为有机粘结剂，优选为乙基纤维素。当采用浆料涂覆的方式时，一般相对于100重量份的溶剂，所述粘结剂的含量为5-15重量份，本发明可以优选溶剂-粘结剂体系为乙基纤维素-松油醇体系。可以进一步优化涂覆时涂料的性能，优化金属化层的性能。

根据组合物的性能需求，本发明的陶瓷基体表面金属化涂层组合物中也可以根据需要选择性添加一些助剂，助剂本发明没有限制，可以为本领域技术人员公知的各种助剂，提高其性能，其中，助剂可以单独加入也可以混合加入，本发明没有限制，例如当组合物采用浆料涂覆时，优选助剂选自稀释剂、增塑剂、流平剂或分散剂中的一种或几种。例如可以根据涂覆工艺的不同，需调节涂覆涂料的粘度等，陶瓷基体金属化涂层组合物中，优选含有稀释剂，稀释剂本发明没有限制，可以选择本领域技术人员公知的各种稀释剂，优选选自开油水、乙醇或二甲苯中的一种或几种，能够与本发明的陶瓷基体金属化涂层组合物具有很好的相容性，能够与物质间相互作用，进一步提到制备的金属化层的性能。一般相对于100重量份的溶剂，所述稀释剂的含量为10-20重量份。陶瓷基体金属化涂层组合物中，也可以含有增塑剂，改变涂料粘度，增塑剂本发明没有限制，可以选择本领域技术人员公知的各种增塑剂，优选选自邻苯二甲酸二丁酯、聚乙二醇或乙二醇中的一种或几种，能够与本发明的陶瓷基体金属化涂层组合物具有很好的相容性，能够与物质间相互作用，进一步提到制备的金属化层的性能。相对于100重量份的溶剂，所述稀释剂的含量为2-10重量份。可以根据涂料的触变性等，陶瓷基体金属化涂层组合物中，也可以含有流平剂，流平剂本发明没有限制，可以选择本领域技术人员公知的各种流平剂，本发明优选为聚醚改性聚二甲基硅氧烷溶液，例如德国毕克化学BYK系列产品，具体可以为毕克化学的BYK-359流平剂，相对于100重量份的溶剂，优选，流平剂的含量为1-3重量份，例如能够与本发明的陶瓷基体金属化涂层组合物具有很好的相容性，能够与物质间相互作用，进一步提到制备的金属化层的性能。可以根据无机粉末在涂料中的分散情况等，陶瓷基体金属化涂层组合物中，也可以含有分散剂，分散剂本发明没有限制，可以选择本领域技术人员公知的各种分散剂，氢化蓖麻油和/或三油酸甘油酯，能够与本发明的陶瓷基体金属化涂层组合物具有很好的相容性，能够与物质间相互作用，进一步提到制备的金属化层的性能。一般相对于100重量份的溶剂，所述分散剂的含量为1-3重量份。

本发明所提供的陶瓷可作为功率模块、力学结构零部件、焊接基材、装饰件应用于各种领域。例如，可以应用于汽车电子设备和通讯电子设备、功率电子半导体模组、功率电力半导体模组、直流电机调速模组、LED封装载板、LED组装线路板、高频开关电源、固态继电器、激光工业电子、智能功率组件、航天、航空和武器装备、直流电机调速模组、自动变速器、高频开关电源、计算机工业信号发生器、IT集成存储器、数字处理单元电路、数据转换器电路、消费类电子产品、传感器电路、前置放大电路、功率放大电路、机械力学承载、装饰、焊接、密封等技术领域。

以下结合具体实施例对本发明做进一步解释说明。实施例及对比例中所采用涂层组合物均通过商购得到。

实施例

(1)制备涂料：按质量百分比Cu:83.5wt％；Ti:4.5wt％；TiC:12wt％，称取相应质量的电解铜粉、钛粉和TiC粉；按质量配比为132份松油醇；20份乙基纤维素；20份开油水；10份邻苯二甲酸二丁酯；2份BYK-359(毕克化学)；2份氢化蓖麻油称取相应涂层组合物通过电磁搅拌和加热配制好油性溶剂。将电解铜粉、钛粉、TiC粉和油性溶剂按固相含量20vol％，在三辊研磨机上混合30min制备涂料；

(2)将需金属化的陶瓷(氮化铝陶瓷)构件进行超声波清洗，并干燥；

(3)采用丝网印刷工艺将涂料涂覆于需金属化的陶瓷构件表面，涂覆厚度为100μm，将涂覆好的构件在90℃下干燥30min，使松油醇挥发完；

(4)干燥后的陶瓷构件，在真空炉中升温至1200℃下保温烧结1h，然后自然冷却至室温，得到金属化的陶瓷构件S1，采用测厚仪测得形成的金属化层，的厚度为80μm。

在场发射扫描电镜下观察金属化层，能谱点扫描确定各结构组成，确定了其结构为：铜钛合金为网络结构，TiC的陶瓷颗粒均匀分散在此网络结构中。

本发明的陶瓷基体金属化涂层组合物对陶瓷基体进行金属化后，形成的金属化层抗热震性能优良，基本都在循环500次以上，在500次后表面仍然良好，只是发生常规的表面表色，或出现稍小的裂纹等，而现有的一般几十或者最多两百次就脱落了，材料与陶瓷基体的结合力强。且能形成较厚的金属化层，金属层的厚度可以达到几百微米。形成的金属化层，焊接性能好，剥离强度测试时，破坏基板。同时本发明的方法简单，只需将涂层组合物制成涂料后涂覆在需金属化的陶瓷基体表面烧结即可，成本低，易实现，易工艺化，为陶瓷金属化的发展奠定了基础。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种陶瓷基体表面金属化涂层组合物，其特征在于，包括组份A和组份B，所述组份A选自Cu、Al、Fe、Ni、Co、Zn、Ag、Au、Cd、Ti、Zr或Mg中的两种或两种以上；所述组份B选自陶瓷、W、Mo或Cr中的一种或几种。

2.根据权利要求1所述的组合物，其特征在于，以组合物的总量为基准，所述组合物包括5-95wt％的组份A；5-95wt％的组份B。

3.根据权利要求2所述的组合物，其特征在于，以组合物的总量为基准，所述组合物包括50-90wt％的组份A；10-50wt％的组份B。

4.根据权利要求1所述的组合物，其特征在于，所述组合物包括Cu、Ti及TiC。

5.根据权利要求4所述的组合物，其特征在于，以组合物的总量为基准，所述组合物包括75-87wt％的Cu粉，3-5wt％的Ti粉，10-20wt％的TiC粉。

6.根据权利要求5所述的组合物，其特征在于，以组合物的总量为基准，所述组合物包括76-82wt％的Cu粉，3-4wt％的Ti粉，15-20wt％的TiC粉。