CN1415581A - 金属化陶瓷散热基片的制造工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种金属在陶瓷散热基片的制造工艺。它通过调整金属钨、锰的浆料配方，改进烧结工艺，降低了烧结温度，从而节省了能源，降低了产品成本，同时也提高了金属层的附着强度。本发明提高了产品的性能价格比，增强了产品的市场竞争力。
Description
技术领域
本发明属金属陶瓷材料技术领域，具体涉及一种金属化陶瓷散热基片的制造工艺。
背景技术
陶瓷表面的金属覆层最早是在陶瓷装饰品上敷Au，Ag，Pt。二十世纪三十年代，由德国科学家PULFRICH等人发明的Mo，W等难熔金属的烧结法，使陶瓷与金属元素结合牢固且气密性好。这项技术在五十年代的微波电子管和六十年代的集成电路的应用中得到迅速发展，进入七、八十年代以后应用更加广泛，特别是在集成电路基片上制成各种厚膜、薄膜金属覆层，可使绝缘陶瓷具有多种功能。
镁橄榄石瓷是最先用作金属覆层的陶瓷，但因其热冲击性能不好，由随后发展起来的氧化铝陶瓷所代替。对氧化铝陶瓷表面进行金属化处理的方法及其使用的金属有多种，表1列举了其中一些应用较多的例子。
表1 氧化铝陶瓷金属化方法及材料举例
| 金属化覆层方法 | 在已烧成的氧化铝陶瓷基片上的金属覆层 | 氧化铝陶瓷与金属化覆层同时烧成 |
| 难熔金属粉末烧结法1300-1700℃还原性气氛 | Mo-Mn，Mo-Mn-TiMo-SiO2，Mo-MnO2-TiO2，Mo-MnO2-TiO2-SiO2，Mo-Fe，W-Mn，W-Fe | W，W-Al2O3，W-Al2O3-SiO2，Mo，Mo-Al2O3，W-Mo |
| 活性金属法900-1000℃真空或惰性气氛 | Ti，TiH2，Zr，ZrH2或Ti，Zr与Ag，Ni，Cu的共晶合金 | |
| 厚膜法500-1700℃大气中 | Au，Ag，Cu，Ni，Ag-Pd，Au-Pd，Au-Pt，RuO2，TiN | Pd，Pt，Pd-Pt |
| 薄膜法100-800℃真空或惰性气体 | Au，Cr，Ni，Pt，Ti，TA，TaN2，TiN | |
| 钎焊法140-300℃大气中 | Pb-Sn-Zn，Al，Ti，Sb，Si |
难熔金属粉末烧结法是应用最广的陶瓷金属化方法，其中以可靠性较高的Mo(W)-Mn真空气密封接法最具代表性。究其原因，主要是因为Mo或W等难熔金属粉末和氧化铝的热膨胀系数相近，烧结性相类似，所以两者的匹配性好。该方法的工艺过程大致如下：在一定粒度的Mo或W粉中加入一定比例的Mn粉，把这种混合粉末同有机黏合剂一起混合成浆状，并将混合物用不同的方法(笔涂，喷雾，网印)涂布在陶瓷表面上，然后在适当湿度的还原气氛中于1300-1500℃下烧结。其烧结反应机理为：首先Mn在高温下被氧化成MnO，MnO在1140℃以上同氧化铝陶瓷中的玻璃态物质SiO2，CaO，MgO等反应形成玻璃相中间层，或直接与氧化铝反应生成多晶中间层(如MnO·Al2O3)并扩散在金属覆层的空隙中，达到促进金属覆层烧结的目的。由于这种玻璃相或多晶物质的热膨胀系数与氧化铝相近且流动性好，所以能牢固地与扩散在其中的Mn或W粒子结合而形成致密、高强度的金属覆层。
由于W、Mo属于化学不稳定、易氧化的元素，采用这种方法获得的金属覆层通常要在表面镀镍或镀金，尤其在真空封接和集成电路封装时必须在端子部分焊接金属，在这种情况下必须选择与陶瓷的热膨胀系数匹配良好的金属镀层。通常选用的封接金属为可伐合金，也可根据不同用途使用Fe-Ni、Fe、Mo、Cu等。
目前，钨锰金属化工艺较为成熟，主要问题是市场竞争激烈，要求降低成本，提高性能价格比。就国际国内发展趋势而言，陶瓷金属化的经济性能问题，主要是进一步降低金属化烧成温度和提高金属层化附着强度。
发明内容
本发明的目的在于提出一种金属化陶瓷散热基片的改制工艺，以进一步降低成本，提高产品性能价格比，增强市场竞争力。
本发明提出的金属化陶瓷散热基片制造工艺，包括金属膏的配置、金属化的烧成，具体步骤如下：
1、金属膏的配置：
组份重量配比：
钨粉： (94-97)wt％，
锰粉： (6-3)wt％，
悬浮剂： 钨和锰重量的(10-16)％。
将3种组份放入胶斗中，并于振磨机中振磨混合，时间一般为1-3小时，冷却后滤去瓷球，得钨锰金属膏。
这里的悬浮剂可采用松油醇和乙基纤维素，其组份重量配比为
松油醇： (90-95)％
乙基纤维素： (5-10)％
将乙基纤维素加松油醇中加热，使之全部溶解为止，即得悬浮剂。
这里的钨粉、镍粉粒径一般要求为200-300目。
2、金属化烧成
采用丝网印刷工艺，将上述配制的金属膏按设计图要求印刷在陶瓷基片上，烘干，金属图形厚度为0.02-0.03mm；
把印有金属图形的陶瓷片放入钼舟内，置于高温烧结炉中烧结，保护气氛为氮、湿氢混合气体，烧结温度控制在1300-1500℃，保温40-60分钟。
本发明对于金属化烧结后产品在翘片情况的产品，可采用金属化复平工艺。即把翘片放钼舟内(垫片钼片)，一墩墩叠放，以氮、湿氢混合气体为保护气氛，在1300-1500℃温度下保温1-2小时，使金属化陶瓷片达到良好的平整度。
对于上述金属化陶瓷片通常还要在金属层表面镀镍或镀金。一般主要镀镍。对于镀镍，本发明采用了改进的电镀液，其组份按重量配比如下：
氯化镍 100(为基数)
次亚磷酸钠 35-45
柠檬酸三钠 150-170
氯化铵 90-110
氢氧化钠 15-25
氨水 15-25
另外蒸馏水若干升。电镀工艺为常规工艺。最后经检验、包装，即得成品。
本发明中，陶瓷片采用氧化铝陶瓷。
本发明通过调整钨浆料配方，改进烧结工艺，降低了烧结温度，从而节省了能源，降低了产品成本，同时提高了金属层的附着强度，即达到8.0N/mm2。本发明提高了产品的性能价格比，增强了产品的市场竞争力。
具体实施方式
下面通过实施例进一步描述本发明。
实施例
①金属膏的配置
选用300目的钨粉2公斤和300目的锰粉2公斤，分别在振动球磨机内振磨20小时，待用。用5000ml松油醇放入5升的烧杯中加热，同时加入250克乙基纤维素搅拌，大约30小时后乙基纤维素全部溶解，过滤后备用。称取1.92千克振好的钨粉和解80克振好的锰粉，再称取0.32Kg的悬浮剂，同时加入胶斗中振磨混合3小时。冷却后，将金属膏倒出，并滤去瓷球，把配好的金属膏装入容器备用。
②丝网印刷
把清洁瓷片(40*40mm)放入印刷机台上，选用正确的丝网印刷网在瓷片上对图形，然后用松油醇调节金属膏的黏度，将配好的金属膏放入印刷网里，用刮板进行印刷，印刷的金属化图形无毛刺、无链条，金属膏厚度在0.03mm图形饱满即可。
印好金属膏的瓷片烘干后待烧。
③金属化烧成
a高温钼丝炉的温度为1300℃，液氨制氢炉的温度控制在640℃，制氢炉的气体流量在3m2/小时，使高温丝炉内完全被氮-湿氢气体所保护。
b把烘干的金属膏瓷片装入钼舟内，每层钼片放6片40*40mm的瓷片，同时放入垫脚，直至钼舟内放满瓷片。
c用推进器把放满瓷片的钼舟推入钼丝炉中，在温度1300℃高温区内待温60分钟，然后降温，取出钼舟，此时的金属膏已烧结在瓷片上。
④金属化复平
在同样的钼丝炉保护气体中，温度为1300℃，把烧结好的金属化瓷片背对背叠起，装入相同的钼舟中，40*40mm瓷片能装8堆，放入钼丝炉中，保湿2小时，然后降温，取出钼舟。
⑤金属化分类
分类检验员根据产品标准进行检验，金属化陶瓷散热基片的缺陷要求：不允许缺陷：开裂、开口气孔、夹层、金属化图形脱落。
允许缺陷及范围如下 单位：mm
| 缺陷名称 | 允许值 | 数量 |
| 凸点 | 高度≤0.04 | 2个 |
| 闭口气孔 | 高度≤0.02 大小≤φ0.3 | 2个 |
| 色斑 | ≤φ0.2 | 2个 |
| 暗斑 | ≤φ0.3 | 2个 |
| 凹坑 | ≤φ0.05 深度＜0.02 | 2个 |
| 缺损 | 平面厚度深≤0.3，长≤5 | |
| 缺角 | 总缺角面积≤0.09mm2 | |
| 划痕 | 深度≤0.04，长度≤5 | |
| 波纹 | 深度≤0.04 | |
| 金属化图形毛边 | ≤0.05 | |
| 金属化图形圆角 | R≤0.2 | |
| 金属化图形缺损 | ≤φ0.2 | 2个 |
| 金属化图形针孔 | ≤φ0.1 | 2个 |
| 金属化图形凸点 | ≤0.02 | 2个 |
按上述要求进行分类，把合格品拿到电镀间，合格品的翘片回到烧成复平间复平，废品扔掉，不流到任何工序中。
⑥电镀
a新配置电镀液
b钯液配置
用分析纯99.99％以上的氯化钯5克和分析纯37％盐酸100ml用电炉加热沸腾，使氯化钯完全溶解在盐酸中，然后再加400ml盐酸加热至沸腾即可，用蒸馏水兑至5升氯化钯溶液。
c将合格金属化瓷片插在片架上，拿到硝酸槽(30％)中进行表面处理，除去表面金属氧化物。取出后用自来水冲净硝酸，放入水槽中待用。
d取出水槽中含有瓷片的插片架，放入已调制升温好的钯液中，要求钯液温度为40-45℃，PH值为1-1.5，活化5-10分钟。
e取出活化瓷片，用自来水冲净钯液，并浸在自来水槽中待镀。
f将待镀片放在镀槽中进行电镀，要求电镀层表面均匀，且有一定亮度，时间约为1小时左右，即可取出，放入已准备好的净水槽中，然后用自来水冲净镀液。
g把冲净镀液瓷片浸泡在热水槽中，取出甩干水放在热风机内把瓷片烘干。
h取出烘干瓷片，送镀后分类间分检。
⑦成品分类，包装。
成品每100片为单位，用厚白纸包成方型放入聚乙稀发泡材料内，并牢固装填，每箱为2000片，内附有产品合格证，包括型号、数量、批次、生产日期等。
Claims (4)
1、一种金属化陶瓷散热基片的制造工艺，其特征在于包括金属膏的配置、金属化的烧成，具体步骤如下：
(1)金属膏的配置：
组份重量配比：
钨粉： (94-97)wt％，
锰粉： (6-3)wt％，
悬浮剂： 钨和锰重量的(10-16)％。
将3种组份放入胶斗中，并于振磨机中振磨混合，时间一般为1-3小时，冷却后滤去瓷球，得钨锰金属膏。
这里的悬浮剂可采用松油醇和乙基纤维素，其组份重量配比为
松油醇： (90-95)％
乙基纤维素： (5-10)％
(2)金属化烧成
采用丝网印刷工艺，将上述配制的金属膏按设计图要求印刷在陶瓷基片上，烘干，金属图形厚度为0.02-0.03mm；
把印有金属图形的陶瓷片放入钼舟内，置于高温烧结炉中烧结，保护气氛为氮、湿氢混合气体，烧结温度控制在1300-1500℃，保温40-60分钟。
2、根据权利要求1所述的金属化陶瓷散热基片制造工艺，其特征在于对产品还采用金属化复平工艺：以氮、湿氢混合气体为保护气氛，在1300-1500℃温度保温1-2小时，使金属化陶瓷片达到良好的平整度。
3、根据权利要求1或2所述的金属化陶瓷散热基片的制造工艺，其特征在于在金属层表面镀镍或镀金。
4、根据权利要求3所述的金属化陶瓷散热基片的制造工艺，其特征在于在金属层表面镀镍，电镀液组份按重量配比如下：
氯化镍 100(为基数)
次亚磷酸钠 35-45
柠檬酸三钠 150-170
氯化铵 90-110氢氧化钠 15-25氨水 15-25
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