近年來，隨著國內航空航天、軍工、消費電子、新能源汽車、5G等領域的快速發展，所需電子元器件內電路的密度和功能不斷提高，人們對承載電子元件的封裝技術提出的要求也越來越高。當前存在的電子元器件封裝材料一般包括：陶瓷、塑料、金屬以及金屬基復合材料等，其中陶瓷材料因其密度較小，熱導率較高，膨脹系數匹配，是一種綜合性能較好的封裝材料。陶瓷封裝材料按照其燒結溫度可以分為高溫陶瓷封裝材料、中溫陶瓷封裝材料和低溫陶瓷封裝材料。

不同中、高溫陶瓷封裝材料性能對比

對于中、高溫陶瓷封裝材料，工業上通常采用共燒金屬粉末（W/Mo/W-Cu/Mo-Mn等）的方法來實現金屬與陶瓷的連接。但是金屬材料與陶瓷材料性質差異大，前者原子靠金屬鍵連接，后者原子靠共價鍵或離子鍵結合，再加上陶瓷對金屬材料的潤濕差，且金屬材料熔融溫度(W:3390℃,Mo: 2620℃)遠大于陶瓷材料(Al₂O₃:2054℃,AIN:2200℃)，因此兩者特殊的物理化學性能極大阻礙了兩者的共燒。使用燒結助劑可以緩解金屬與陶瓷物理和化學性能上的不匹配問題，促進金屬與陶瓷的連接。多層陶瓷封裝外殼一般通過絲網印刷技術和印刷填孔技術來實現金屬在陶瓷中的布線，進而滿足大規模集成電路封裝需求。印刷要用到導電漿料，一般需要由導電相、填充相和粘結相組成。

多層共燒陶瓷基板制備流程

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一、導電漿料的不同導電相

在導體漿料中，導電相一般由相應的金屬/金屬合金粉末組成，均勻分布于填充相內部，其燒結狀況的好壞直接影響陶瓷外殼的電性能，并對陶瓷外殼表面金屬化膜的相關物理和機械性能起主要決定作用。雖然充當導電相的材料的物理、機械性能各不相同，但是根據應用經驗：粒度均勻、合適，形貌接近于球型的導體材料更適用于配制導體漿料。

1. 高溫陶瓷基板導體漿料導電相

高溫陶瓷基板材料包括但不限于Al₂O₃、AlN等，這二者是目前國內應用較為廣泛的兩種陶瓷材料，通常使用W/Mo等金屬粉體作為其導體漿料的導電相。

（1）鎢(W)

導體漿料的導電相一般為Ag,Pd,Au,Pt等貴金屬，由于此類金屬熔點較低，燒成溫度一般在800~1000 ℃左右，不適合高溫共燒技術。而鎢熔點極高，達到了3410 ℃，同時其還具有良好的導電、導熱性能，不僅適合于常用的氧化鋁基板，與未來有著良好應用前景的氮化鋁基板也能很好的匹配。因此，鎢導體漿料在高溫共燒技術領域得到了廣泛的關注。

HTCC用鎢漿

W粉作為決定W導體漿料導電性能的主要因素，其粒度和形貌對導體漿料的印刷性能、燒結狀態和導電性能都有著重要影響：粒度過大，不易燒成；粒度過小，則存在過燒的風險；W粉形貌不均勻，則其顆粒比表面積較大，配制的漿料粘度就會過大；W粉的燒成狀態差，相應的導電性能也會變差。

（2）鉬(Mo)

Mo在元素周期表中與W屬于同一族，這意味著這兩種金屬具有相似的物理和化學特性。Mo的熔融溫度和硬度均低于W，這說明Mo粉較W粉更容易整形，且使用Mo作為導體漿料的導電相可以有效降低高溫瓷金屬化的燒成溫度，這使得Mo金屬化在國內外陶瓷封裝外殼生產企業（京瓷、NTK、中電13所、中電55所等）中占有重要位置。

但Mo粉在生產、運輸、儲存和金屬化膏劑制備過程中易發生團聚現象，不耐化學腐蝕且在鍍鎳后易發生起泡現象等原因限制了Mo在高溫瓷金屬化中的大范圍應用。

Mo粉

2.中溫陶瓷基板導體漿料導電相

中溫陶瓷基板瓷斷裂韌性、氣密性、介電性能等參數較高溫瓷相當，但是由于其燒結溫度低，可以極大地節約生產成本，這使得中溫陶瓷基板材料具有很大的應用前景。中溫陶瓷基板封裝材料在國外（日本京瓷等）已經有了成熟的應用，但是在國內尚屬剛剛興起的一種陶瓷基板封裝材料。

常用的一次燒結中溫瓷金屬化使用導體材料一般包括W-Cu和Mo-Mn等。

（1）鎢銅(W-Cu)

當陶瓷的燒結溫度進一步下降時，W/Mo等導電相已經不能完成在該溫度下的燒結，此時W-Cu復合金屬粉體被引入到中溫陶瓷基板的金屬化匹配燒結中來。W-Cu導體材料結合了W的高熔點(3410℃)，高密度(19.32 g/cm³)、低熱膨脹系數(4.5×10.6K)和Cu的高電導率(58.14(MS/m ))、高熱導率(403W/(m·K))，以及良好的延展性等優點。長期以來，W-Cu復合材料主要應用領域是作為高壓及超高壓電器開關的觸頭材料，但當使用W-Cu材料和陶瓷基板共燒時，容易出現W-Cu互不共融、Cu易燒失等問題。

典型W-Cu復合粉體不同比例性能參數

向導體漿料中加入微量的活化元素（銀、鈷、鐵、鋅、鈦等），通過降低W與Cu之間的潤濕角來改善W-Cu復合材料的燒結狀態，可提升W-Cu復合材料的強度，有效抑制Cu的燒失。另外，通過改善W-Cu粉體的制備方式，也能改善W-Cu合金與陶瓷基板共燒后的燒結狀態。

（2）鉬錳(Mo-Mn)

Mo-Mn導電相作為陶瓷金屬化工藝中最早引入的一種導電相，其應用于陶瓷基板材料的方法被稱為Mo-Mn法。其作用機理為膏體中的Mn元素在燒結時一部分在濕氫條件下與水反應生成MnO₂，MnO₂通過雙毛細管現象一方面促進陶瓷體內的玻璃向金屬化空隙中移動，一方面與陶瓷反應生成MnAl₂O₄等玻璃相，促進陶瓷與金屬的良好結合。

Mo-Mn與Al₂O₃層共燒

二、導電漿料中的填充相

導體漿料中的填充相是影響導體漿料印刷性能好壞的主要決定因素。一般通過考察一種填充相的黏度、觸變性、揮發速率、對環境（溫濕度等）的敏感性等性能來評價其印刷性能的好壞。不好的填充相會使印刷圖形在干燥后出現網紋、裂紋、針眼、陰影等影響良品率的缺陷。

最基本的填充相是把非揮發性成分（增稠劑：乙基纖維素、PVA等）溶于部分有機溶劑（聚乙二醇、松節油等）后形成的用于承載導電相和粘結相的一類聚合物溶液。再通過輔助添加一部分流平劑、觸變劑、消泡劑等改善填充相的印刷性能后，可以生產出適用于封裝陶瓷的優良導體漿料。

三、導電漿料中的粘結相

粘結相在中高溫導體漿料中主要起到粘接、增強和保護導電相的作用。優良的粘結相還會對導電相的燒結起到促進效果。粘結相的熔點應和陶瓷的燒結溫度相匹配，粘結相熔點過高/過低都會影響金屬化的燒結，降低金屬化的燒結強度，也不利于金屬化與陶瓷的結合。在降溫過程中，玻璃相留在導電相形成的海綿體內，與導電相整體形成致密的金屬化層，在與金屬封接時達到真空氣密的作用。

導電漿料配制流程

粘結相通常由玻璃粘結相、無玻璃粘結相或二者的混合物組合而成。

對于玻璃粘結相，一般由SiO₂等氧化物構成玻璃基本骨架，這類氧化物主要決定玻璃粘結相的機械性能和電性能，在此基礎上一般由Al₂O₃、CaO、BaO、MgO、MnO₂等氧化物來調節玻璃的熱膨脹系數、機械強度、熱和化學穩定性等；而加入PbO、BaO、ZnO等氧化物，則可以在保證玻璃的電性能和化學性能的同時降低玻璃的熔化溫度。

無玻璃粘結相主要是通過氧化物與下方的陶瓷基片起化學反應形成結合，這種粘結相一般為Ca/Al/Ba等的氧化物，有時加入一些Cr、Ni等降低反應溫度。混合物粘結相就是將上述兩種玻璃型與無玻璃型相混合，發揮其各自的優點。

總結

對于高溫共燒陶瓷基板領域，目前國內相應的金屬化漿料技術已經得到長足的發展，部分企業已經能夠批量化生產相關的厚膜導電漿料。但是在金屬化的耐腐蝕、金屬化與陶瓷的結合性等方面還有提升空間。而對于中溫共燒陶瓷基板領域，其不輸于高溫陶瓷物理性能、低成本以及配合W-Cu漿料后優越的導電性，在高頻高功率元器件的封裝上大有取代高溫陶瓷封裝外殼的趨勢。目前國內已經有用于厚膜導體漿料配制的商業化W-Cu粉末出售，相關的導電漿料需求會逐漸增加。未來還需要在填充相的穩定性、對于溫濕度的敏感性上進一步提升并擴大應用。

參考來源：

1.中、高溫多層陶瓷基板共燒用導體漿料的研究現狀及發展趨勢，吳亞光、趙昱、劉林杰、張炳渠（新材料應用研究）；

2.電子漿料研究進展，徐磊（船電技術）。

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