目前氮化鋁陶瓷銀漿存在的主要問題是附著力低。本文研究了玻璃化學成分、添加劑及銀粉對氮化鋁陶瓷銀漿性能的影響。結(jié)果表明，在玻璃原材料里加入適量的白砂糖是關(guān)鍵措施，高溫熔煉玻璃時，白砂糖可將玻璃中的二氧化鈦部分還原成金屬鈦，使氮化鋁陶瓷銀漿的附著力提高。
傳統(tǒng)的厚膜混合集成電路和陶瓷電子元器件用的導體銀漿是建立在氧化物陶瓷基礎之上的，比如厚膜混合集成電路用的陶瓷基板在國內(nèi)主要是 96% 氧化鋁陶瓷。陶瓷電子元器件如壓敏電阻主要用的是氧化鋅電子陶瓷，陶瓷電容器主要是鈦酸鋇陶瓷，磁性元件主要用的是鐵氧體陶瓷，玻璃釉電位器和玻璃釉電阻器用的主要是 96% 氧化鋁片狀、棒狀或管狀陶瓷。這些元器件采用的銀漿技術(shù)是成熟的，使用的玻璃和添加劑主要是針對氧化物陶瓷的粘接。
近年來，隨著大功率電路和大功率電子元器件的應用需求，需要比氧化鋁陶瓷更高熱導率且環(huán)保的基體。由于氮化鋁陶瓷熱導率高，基本是96%氧化鋁陶瓷的10倍，且熱膨脹系數(shù)與單晶硅接近；氧化鈹陶瓷雖然熱導率高，但原材料與生產(chǎn)工藝不環(huán)保，而氮化鋁陶瓷無毒無害，符合人們的環(huán)保要求；氮化鋁陶瓷的絕緣性能、抗折強度及介電性能與96%氧化鋁陶瓷接近。故氮化鋁陶瓷成為大功率器件及其封裝的首選材料。
圖 氮化鋁HTCC 攝于旭瓷展臺
傳統(tǒng)的氧化物陶瓷銀漿里用于粘接的玻璃，在 2010年之前主要是高鉛玻璃粉，2010年之后主要是鉍酸鹽玻璃粉。不論是高鉛玻璃粉還是高鉍玻璃粉，用于氮化鋁陶瓷銀漿里，均會與氮化鋁陶瓷發(fā)生反應，導致氮化鋁陶瓷表面氮化鋁發(fā)生分解，產(chǎn)生氣泡。
目前，用于氮化鋁銀漿的玻璃粉，主要有2個材料體系：一是鋅硼硅材料體系；另一個是鈣硼硅材料體系。這2個材料體系熱膨脹系數(shù)都比較小，與氮化鋁不發(fā)生反應，是單純機械粘接，銀層表面光滑致密，存在問題是附著力不夠高。
為了解決氮化鋁陶瓷銀漿附著力問題，有2種解決方案：①將氮化鋁陶瓷表面氧化，生產(chǎn)氧化鋁薄膜。但該方案存在問題是工藝較麻煩，需要提前對氮化鋁陶瓷預氧化，氧化層的厚薄一致是關(guān)鍵；②在銀漿玻璃里加入能與氮化鋁陶瓷表面的氮離子形成化學鍵的物質(zhì)，從而提高銀層與氮化鋁基體的附著力。
在氮化鋁陶瓷金屬化釬焊中，金屬鈦原子是氮化鋁陶瓷金屬化的關(guān)鍵元素，如銀銅鈦焊料。沒有鈦原子時，附著力明顯不夠，無法實用化，一旦含有鈦原子，附著力明顯提高，達到實用化程度。目前市場上供應的鈦粉，最細是325目，由于顆粒太粗，在銀漿燒結(jié)溫度下無法與氮化鋁陶瓷表面的氮離子發(fā)生反應，無法形成牢固化學鍵。
為了解決目前氮化鋁陶瓷銀漿附著力問題，本文的實驗采用鋇硼酸鹽玻璃，在配方里加入適量二氧化鈦和白砂糖，在高溫熔煉時，白砂糖分解，產(chǎn)生碳原子，對二氧化鈦進行還原，產(chǎn)生了鈦原子。該玻璃粉里面的一部分金屬鈦，在銀漿燒結(jié)溫度下可以與氮化鋁陶瓷表面的氮原子產(chǎn)生化學反應，形成牢固化學鍵，從而達到提高附著力的目的。
經(jīng)過實驗研究，對提高氮化鋁陶瓷銀漿附著力的解決方案總結(jié)如下：
（1）將類球形銀粉 40% 和無定型銀粉 60% 混合搭配使用，可制得銀層致密的銀漿，同時也可以在降低乙基纖維素用量情況下，達到合適粘度，漿料具有良好的觸變性、印刷性、懸浮性及儲存性。
（2）在玻璃配方里添加 5% 的二氧化鈦和 3% 的白砂糖，高溫熔煉、水淬、球磨，獲得的玻璃粉，制備銀漿，附著力可以達到 46N。
（3）0.5% 添加劑 B粉和 P粉與玻璃粉共同作用，可以提高銀層的附著力與耐焊次數(shù)，添加劑的用量對銀層的潤濕性及耐焊性用重要影響?；谏鲜鲅芯揩@得了優(yōu)化的制備配方，所得產(chǎn)品性能符合指標要求，按批量生產(chǎn)工藝燒結(jié)得到附著力合格的銀層，滿足供貨要求。? ?
文獻參考：王靖,李宏杰,冀亮君.氮化鋁陶瓷用銀漿的研制[J].陶瓷,2023(09):29-32.
原文始發(fā)于微信公眾號（艾邦陶瓷展）：氮化鋁陶瓷用銀漿提高附著力的解決方案
