氮化铝陶瓷用银浆提高附着力的解决方案

目前氮化铝陶瓷银浆存在的主要问题是附着力低。本文研究了玻璃化学成分、添加剂及银粉对氮化铝陶瓷银浆性能的影响。结果表明，在玻璃原材料里加入适量的白砂糖是关键措施，高温熔炼玻璃时，白砂糖可将玻璃中的二氧化钛部分还原成金属钛，使氮化铝陶瓷银浆的附着力提高。

传统的厚膜混合集成电路和陶瓷电子元器件用的导体银浆是建立在氧化物陶瓷基础之上的，比如厚膜混合集成电路用的陶瓷基板在国内主要是 96% 氧化铝陶瓷。陶瓷电子元器件如压敏电阻主要用的是氧化锌电子陶瓷，陶瓷电容器主要是钛酸钡陶瓷，磁性元件主要用的是铁氧体陶瓷，玻璃釉电位器和玻璃釉电阻器用的主要是 96% 氧化铝片状、棒状或管状陶瓷。这些元器件采用的银浆技术是成熟的，使用的玻璃和添加剂主要是针对氧化物陶瓷的粘接。

近年来，随着大功率电路和大功率电子元器件的应用需求，需要比氧化铝陶瓷更高热导率且环保的基体。由于氮化铝陶瓷热导率高，基本是96%氧化铝陶瓷的10倍，且热膨胀系数与单晶硅接近；氧化铍陶瓷虽然热导率高，但原材料与生产工艺不环保，而氮化铝陶瓷无毒无害，符合人们的环保要求；氮化铝陶瓷的绝缘性能、抗折强度及介电性能与96%氧化铝陶瓷接近。故氮化铝陶瓷成为大功率器件及其封装的首选材料。

图氮化铝HTCC 摄于旭瓷展台

传统的氧化物陶瓷银浆里用于粘接的玻璃，在 2010年之前主要是高铅玻璃粉，2010年之后主要是铋酸盐玻璃粉。不论是高铅玻璃粉还是高铋玻璃粉，用于氮化铝陶瓷银浆里，均会与氮化铝陶瓷发生反应，导致氮化铝陶瓷表面氮化铝发生分解，产生气泡。

目前，用于氮化铝银浆的玻璃粉，主要有2个材料体系：一是锌硼硅材料体系；另一个是钙硼硅材料体系。这2个材料体系热膨胀系数都比较小，与氮化铝不发生反应，是单纯机械粘接，银层表面光滑致密，存在问题是附着力不够高。

为了解决氮化铝陶瓷银浆附着力问题，有2种解决方案：①将氮化铝陶瓷表面氧化，生产氧化铝薄膜。但该方案存在问题是工艺较麻烦，需要提前对氮化铝陶瓷预氧化，氧化层的厚薄一致是关键；②在银浆玻璃里加入能与氮化铝陶瓷表面的氮离子形成化学键的物质，从而提高银层与氮化铝基体的附着力。

在氮化铝陶瓷金属化钎焊中，金属钛原子是氮化铝陶瓷金属化的关键元素，如银铜钛焊料。没有钛原子时，附着力明显不够，无法实用化，一旦含有钛原子，附着力明显提高，达到实用化程度。目前市场上供应的钛粉，最细是325目，由于颗粒太粗，在银浆烧结温度下无法与氮化铝陶瓷表面的氮离子发生反应，无法形成牢固化学键。

为了解决目前氮化铝陶瓷银浆附着力问题，本文的实验采用钡硼酸盐玻璃，在配方里加入适量二氧化钛和白砂糖，在高温熔炼时，白砂糖分解，产生碳原子，对二氧化钛进行还原，产生了钛原子。该玻璃粉里面的一部分金属钛，在银浆烧结温度下可以与氮化铝陶瓷表面的氮原子产生化学反应，形成牢固化学键，从而达到提高附着力的目的。

经过实验研究，对提高氮化铝陶瓷银浆附着力的解决方案总结如下：

（1）将类球形银粉 40% 和无定型银粉 60% 混合搭配使用，可制得银层致密的银浆，同时也可以在降低乙基纤维素用量情况下，达到合适粘度，浆料具有良好的触变性、印刷性、悬浮性及储存性。

（2）在玻璃配方里添加 5% 的二氧化钛和 3% 的白砂糖，高温熔炼、水淬、球磨，获得的玻璃粉，制备银浆，附着力可以达到 46N。

（3）0.5% 添加剂 B粉和 P粉与玻璃粉共同作用，可以提高银层的附着力与耐焊次数，添加剂的用量对银层的润湿性及耐焊性用重要影响。基于上述研究获得了优化的制备配方，所得产品性能符合指标要求，按批量生产工艺烧结得到附着力合格的银层，满足供货要求。

文献参考：王靖,李宏杰,冀亮君.氮化铝陶瓷用银浆的研制[J].陶瓷,2023(09):29-32.

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