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氧化鋁陶瓷高溫銀漿表面金屬化研究

電子銀漿料是通過絲網(wǎng)印刷工藝預(yù)先均勻分布在氧化鋁陶瓷板表面。筆者通過四探針測試法和背散射電子成像分別研究了燒結(jié)保溫時(shí)間和基板腐蝕情況對銀金屬化層的形貌、表面電阻率以及機(jī)械特性的影響。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示, 在850℃保溫40min時(shí)銀金屬化層的表面電阻率最小且有最大的附著力強(qiáng)度。此外, 即使在氧化鋁陶瓷基板被不同濃度的氫氧化鈉堿液腐蝕后, 銀金屬化層仍然具有較小的表面電阻率和較大的附著力強(qiáng)度。基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得出, 在銀金屬化層與氧化鋁陶瓷基板界面處提出了銀金屬化層網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和玻璃的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)相互交錯(cuò)的模型。

經(jīng)過表面金屬化的陶瓷廣泛應(yīng)用在電池、集成電路、切削工具, 特別是能源行業(yè)[1]。因此, 近幾十年陶瓷科研工作者已為實(shí)現(xiàn)陶瓷的表面金屬化做出了突出的貢獻(xiàn)。在這些金屬化工藝中, 絲網(wǎng)印刷銀厚膜金屬化工藝因其簡便和廉價(jià)成為應(yīng)用廣泛的工藝方法之一。

通常, 采用絲網(wǎng)印刷的陶瓷表面金屬化可以通過玻璃相遷移過程實(shí)現(xiàn)[4]。在金屬和陶瓷界面處玻璃相的形成促進(jìn)了金屬化過程中的化學(xué)鍵合。因此對高附著力而言, 研發(fā)連續(xù)的玻璃相是必需的, 因?yàn)槌瞬煌嘀g的化學(xué)鍵合外玻璃相還提供了機(jī)械鍵合[。

氧化鋁是一種應(yīng)用在大功率器件、電路和模塊中的理想的基板和封裝材料[6]。所附著的銀厚膜的金屬化通常采用絲網(wǎng)印刷工藝得到, 而且在此工藝中, 包含銀粉, 玻璃粉和一些有機(jī)溶劑的銀漿是在空氣氣氛下燒結(jié)的。在燒結(jié)過程中, 銀漿中的玻璃粉在連接層形成過程中起到了關(guān)鍵的作用。另外, 銀漿的組成、燒結(jié)保溫時(shí)間和基板表面腐蝕情況等決定了絲網(wǎng)印刷后的銀連接層的電學(xué)特性。

筆者主要研究了燒結(jié)時(shí)間和基板腐蝕對銀金屬化層的燒結(jié)過程、連接層的形成、表面電阻率 (ρs) 和附著力的影響, 所得到的微觀形貌是按照燒結(jié)時(shí)間和氫氧化鈉濃度進(jìn)行分組的。此外, 氧化鋁陶瓷板上的銀金屬化層的ρs和附著力, 也就是分別反映了銀金屬化層的電學(xué)和力學(xué)特性, 對此也進(jìn)行了測試和比較。最終, 基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果提出了簡單的熱動(dòng)力學(xué)模型以描述連接層的形成過程。

1.1 氧化鋁陶瓷基板和銀漿

選取的商用陶瓷基板 (成分為95%Al2O3, 5%MgO、SiO2和CaO) 尺寸為20mm×20mm×1mm。這些基板均使用丙酮和去離子水通過超聲波清洗儀進(jìn)行表面預(yù)處理。絲網(wǎng)印刷工藝選取的厚膜材料是上海寶銀有限責(zé)任公司生產(chǎn)的高溫銀漿 (含銀原料65%, 玻璃粉5%, 有機(jī)載體30%) 。

1.2 制備銀金屬化層

燒結(jié)銀金屬化層前, 陶瓷基板兩側(cè)的銀漿均通過孔徑為200目的絲網(wǎng), 印刷成直徑為15mm, 厚度為0.8mm的樣品, 然后在120℃下烘干10min, 定型, 并在850℃下燒結(jié), 保溫時(shí)間分別是20min、40min、60min。

一，實(shí)驗(yàn)

為了進(jìn)一步探究基板腐蝕對金屬化的影響, 陶瓷基板分別用10%、20%、30%的氫氧化鈉濃度進(jìn)行腐蝕。腐蝕后的基板均印刷上相同的銀漿, 燒結(jié)保溫時(shí)間均為40min。

1.3 銀金屬化層的表征

采用背散射電子成像技術(shù) (SEM-BSI:FEI Qunanta 200FEG) 研究金屬化層的微觀形貌。通過四探針電阻率測試儀 (型號(hào):KDY-1, 廣州市昆德科技有限公司生產(chǎn)) 利用四探針法試其ρs。圖1為四探針測試法示意圖, 探針間距為1mm。其工作原理如下:當(dāng)1、2、3、4這4根金屬探針排列成一條直線, 并以一定壓力壓在半導(dǎo)體材料之上時(shí), 探針1和4間通過電流I, 則在探針2和3探針間產(chǎn)生電位差V。

式中:C為探針修正系數(shù), 由探針間距決定。

式中:S1, S2, S3分別為探針1與2, 2與3, 3與4之間的距離。

圖1 四探針測試原理示意圖

探針1和4通過電流, 探針2和3間產(chǎn)生電壓。通過拉力強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī) (型號(hào):AI-7000-LA, 高鐵檢測儀器公司生產(chǎn)) 分析銀金屬化層的機(jī)械特性。圖2是待測樣品拉力測試示意圖。附著力強(qiáng)度通過公式 (3) 運(yùn)算得出:

式中:X———銀金屬化層斷裂時(shí)的附著力強(qiáng)度, MPa;

F———斷裂時(shí)的最大拉力, N;

d———斷裂面的直徑, mm。

圖2 待測樣品附著力測試示意圖

1.4 韋伯分布

通過韋伯分布靜態(tài)分析銀金屬化層的表面電阻率和附著力強(qiáng)度, 并采用公式 (1) 和 (2) [17]進(jìn)行詳細(xì)描述:

其中:β———形狀參數(shù);

η———尺度參數(shù);

P———ρs和附著力強(qiáng)度出現(xiàn)的概率值;

M———ρs和附著里強(qiáng)度的平均值;

M0———概率值為零時(shí)的ρs和附著力強(qiáng)度。

2組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均按照概率值P的大小和相應(yīng)序號(hào)

式中:N———樣品尺寸;

按照公式 (4) 和 (5) 擬合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù), ln (ln (1/ (1-P) ) ) 與ln (ρsi) 和ln (Xi) 相關(guān)性分別如圖4~圖7、圖9~圖11所示。由擬合線的斜率和截距可得形狀參數(shù)和尺度參數(shù)。ρs和附著力強(qiáng)度的平均值以及雙參數(shù)的韋伯分布的標(biāo)準(zhǔn)偏差分別通過公式 (6) 和 (7) 可知:

其中, Γ (1+1/β) 是由伽馬函數(shù)通過 (1+1/β) 的值計(jì)算所得。

2.1 燒結(jié)保溫時(shí)間對銀金屬化層表面電阻率和附著力強(qiáng)的影響

通過BSE表征分析了不同燒結(jié)時(shí)間的銀金屬化層的微觀形貌。圖3 (a) 是850℃保溫20min的銀金屬化層橫斷面的微觀形貌, 銀金屬化層的不連續(xù), 說明了銀漿中玻璃粉體未完全融化。銀漿中的玻璃粉可以防止銀金屬化層的過度收縮, 進(jìn)而影響銀金屬化層的ρs和附著力強(qiáng)度。

圖3 在850℃下不同保溫時(shí)間燒結(jié)的銀膜與氧化鋁基板間的界面斷口照片、背散射電子照片

圖3 (b) 是850℃保溫40min的銀金屬化層形貌, 有較好的界面潤濕特性;同時(shí)也顯示出在銀金屬化層和基板之間有明顯的連接層, 進(jìn)一步表明銀金屬化層與陶瓷基板之間存在一種非晶的玻璃相, 可能是由銀漿中的玻璃相與陶瓷基板中玻璃相共同構(gòu)成。陶瓷基板中的亮點(diǎn)進(jìn)一步證明銀顆粒已經(jīng)在熔融玻璃體的幫助下擴(kuò)散到了基板內(nèi)。

圖3 (c) 是850℃保溫60min的銀金屬化層斷面形貌, 其銀金屬化層厚度接近10μm, 其中灰黑區(qū)域證明玻璃相的存在, 進(jìn)而導(dǎo)致了銀金屬化層的較高的ρs, 然而銀金屬化層中的微裂紋缺陷中降低了銀金屬化層的附著力強(qiáng)度。

圖4和圖6所表示銀金屬化層的ρs和附著力強(qiáng)度韋伯分布, 由β的值大于1可知所測得的兩者的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù), 可信度較高。所有的分布曲線顯示出相對較好的線性, 說明每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的散射分布均符合雙參數(shù)的韋伯分布函數(shù)。

圖4為不同保溫時(shí)間下銀膜的ρs按照韋伯函數(shù)的平面分布圖, 圖5為平均ρs隨燒結(jié)保溫時(shí)間的變化趨勢圖 (誤差棒為標(biāo)準(zhǔn)誤差值) 。

圖4 不同保溫時(shí)間下銀膜的ρs按照韋伯函數(shù)的平面分布圖

圖5和圖7分別是銀金屬化層的ρs和附著力強(qiáng)度隨燒結(jié)保溫時(shí)間的函數(shù)變化趨勢圖。隨燒結(jié)保溫時(shí)間的增加, 銀金屬化層的ρs先降后升, ρs最小值為2.11×10-7 (Ω·cm) 。而圖6顯示出隨燒結(jié)保溫時(shí)間的增加附著力強(qiáng)度則是先升后降。此外, 在所有的拉伸測試中, 失效處均在環(huán)氧膠, 銀金屬化層與陶瓷基板之間。部分銀金屬化層在外力作用下脫離了基板, 其脫離基板時(shí)的附著力強(qiáng)度如圖7所示。

圖5 平均ρs隨燒結(jié)保溫時(shí)間的變化趨勢圖

圖6 不同保溫時(shí)間下銀膜的附著力強(qiáng)度按照韋伯函數(shù)的平面分布圖

圖7 平均附著力隨燒結(jié)保溫時(shí)間的變化趨勢圖

2.2 基板腐蝕對銀金屬化層的表面電阻率和附著力強(qiáng)度的影響

為了進(jìn)一步探究基板腐蝕對銀金屬化層形成的影響, 分別選取了不同濃度的氫氧化鈉堿液腐蝕陶瓷基板表面。圖8為銀金屬化層與腐蝕后的基板間斷面形貌, 隨著堿液濃度的增加, 銀金屬化層的厚度減小而銀金屬化層的連續(xù)性越來越好。

圖9和圖11分別為銀金屬化層的表面電阻率和附著力強(qiáng)度的韋伯分布函數(shù)圖。

由圖10和圖12可知, 隨著氫氧化鈉濃度的提高, 陶瓷基板的受腐蝕程度隨之增加, ρs在明顯減小而附著力強(qiáng)度一直在增加。ρs是對電流通過材料表面時(shí)阻抗電流流動(dòng)的量化呈現(xiàn), 而且不僅和材料的物理尺寸[19]有關(guān), 更依賴于材料表面的組成。

銀漿中的玻璃粉體與陶瓷中的玻璃相在銀金屬化層與基板間形成了一種夾層結(jié)構(gòu), 增強(qiáng)了銀金屬化層與基板間的化學(xué)鍵合和物理潤濕性, 進(jìn)而提高了附著力強(qiáng)度, 其值從18.33MPa增大至20.67MPa。在陶瓷基板一側(cè), 銀金屬化層燒結(jié)完成后, 陶瓷晶粒極有可能已經(jīng)浸潤在玻璃連接層中。隨著腐蝕基板程度的增加, 浸潤的程度也隨之增強(qiáng)。

圖8 銀膜與不同氫氧化鈉腐蝕濃度下的氧化鋁基板間的界面斷口照片背散射電子照片

圖9 不同氫氧化鈉腐蝕濃度下銀膜的ρs按照韋伯函數(shù)的平面分布圖

圖10 平均ρs隨氫氧化鈉腐蝕濃度的變化趨勢圖 (誤差棒為標(biāo)準(zhǔn)誤差值

圖11 不同氫氧化鈉腐蝕濃度下銀膜的附著力按照韋伯函數(shù)的平面分布圖

圖12 平均附著力隨氫氧化鈉腐蝕濃度的變化趨勢圖

2.3 銀金屬化層與陶瓷基板界面處連接層形成機(jī)理

圖13為銀金屬化層與陶瓷基板間的連接體模型。銀漿鋼絲網(wǎng)印刷上陶瓷基板后, 銀粉和玻璃粉體是隨機(jī)分布 (如圖13 (a) 所示) 。伴隨燒結(jié)溫度超過玻璃粉體的軟化溫度, 玻璃粉體變成液態(tài)攜帶著銀粉流動(dòng)并潤濕填充在陶瓷基板上的微裂紋間隙 (如圖13 (b) 所示) 。

隨后的冷卻過程中, 銀金屬化層逐漸形成 (如圖13 (c) 所示) 。因?yàn)樵诹鲃?dòng)的玻璃體中銀離子分散速度高于銀原子[20], 燒結(jié)過程中形成了穩(wěn)定的內(nèi)嵌網(wǎng)狀銀的玻璃網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) (如圖13 (d) 所示) 。兩種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)間的化學(xué)和物理鍵合增強(qiáng)了連接層[21], 產(chǎn)生了較低的ρs和較高的附著力強(qiáng)度。陶瓷基板表面, 晶粒間被浸潤在一層玻璃相中[22] (如圖13 (e) 所示) 。在連接層區(qū)域, 填充的玻璃相起到了非常關(guān)鍵的作用, 增加了對陶瓷基板的腐蝕程度, 提高了玻璃相的潤濕性, 進(jìn)而增強(qiáng)了附著力強(qiáng)度。