一种氧化锰‑二氧化钛系活化剂金属化层及其制备工艺的制作方法

本发明涉及陶瓷金属化层制备技术领域，具体涉及一种氧化锰-二氧化钛系活化剂金属化层及其制备工艺。

背景技术：

随着经济社会的快速发展，电子制造业及半导体元器件逐渐成为人们的研究热点。随着电路密度和功能的不断提高，人们对承载电子元件的的封装技术提出了更多更高的要求。电子封装材料由热固性塑料、硅酮塑料等有机材料逐渐向可靠性更高的陶瓷及金属材料过渡。氧化铝陶瓷高温强度良好，在1000℃高温下强度几乎不发生变化、电绝缘性良好、介电常数低，绝热性能优异和耐磨耐腐蚀性能良好。该种材料良好的综合性能，使其在工业应用中占据至关重要的地位，其中氧化铝陶瓷的电绝缘性能和低的介电常数，使其广泛应用于电真空器件中。

伴随着诸多优异特性的同时，氧化铝瓷陶瓷由于其固有的脆性大及加工性能差等特性，严重限制了该材料在工业中的进一步发展应用。为得到良好的综合性能，能否实现氧化铝陶瓷与其他材料的有效连接就变成亟待解决的关键问题。陶瓷与玻璃的封接难度不大，真正难以实现的是陶瓷与金属的封接。众所周知，陶瓷材料与金属材料性质差异较大，两种材料原子结合方式有根本不同。金属材料中，各原子靠金属键连接。而陶瓷材料通常依靠共价键和离子键实现原子的结合。高纯氧化铝陶瓷主要物相为α-al2o3刚玉相，属三方晶系，以离子键合为主。陶瓷和金属材料各自特殊的物理化学性能给二者的连接带来了很大的困难。加之氧化铝陶瓷表面对金属润湿性极差，这也增加了陶瓷与其他材料的焊接难度。氧化铝难以与金属元件进行有效的封接，使它无法运用到一些复杂的结构当中，同时也制约了它在各行业中的发展和运用。所以实现良好的尤为重要。因而陶瓷金属连接的可靠与否直接决定电子产品的安全性能，提高管壳封装的可靠性对于半导体行业的发展有重大意义。

mo-mn法是烧结金属粉末法中的一种。该方法可制备出有效且可靠的金属化涂层，先已广泛应用工业生产中氧化铝陶瓷金属化层的制备。在对陶瓷表面进行预处理，去除表面油污后，将金属浆体预制与陶瓷表面，待烘干后高温烧结，完成一次金属化层的制备。由于mo在高温下易氧化，且氧化物高温下不稳定，易挥发，烧结过程通常在一定气氛下进行，常用气氛有湿氢气氛和惰性气体气氛。影响金属化层质量的主要因素有，金属浆体的构成，预制厚度，烧结温度，保温时间及保护气氛等。

尽管mo-mn法已经在工业生产中广泛应用，随着新应用的不断拓展，以及对于金属陶瓷封接质量要求的不断提高，简单的mo-mn法很难适应所有的需要。故在此基础上的改良mo-mn法不断涌现，一种做法是用mo、mn的氧化物或盐类代替金属单质，称为活化mo-mn法；另一种做法是添加其他的金属或非金属氧化物。这两种方法都可以有效的降低金属化温度，提高金属化层质量。

不同的活化剂的构成及比例会对金属化层的质量产生较大影响。koto和daniel研究了mo粉与玻璃相mno-sio2-al2o3在不同烧结温度烧结时，当mno含量在43wt.％以上时，与氧化铝陶瓷反应更明显，并在1300℃的烧结温度下可得到最优的封接强度。黄亦工等人研究活化剂各成分对物相变化的影响，发现al2o3可扩大玻璃相形成范围，使原本只能形成晶相的成分形成玻璃，cao可有效减少mn-al-si系熔体中锰铝尖晶石和锰橄榄石晶粒，对力学性能有力。赵荣飞等人研究mgo对金属化层的影响，发现mgo可有效降低金属化温度，但应严格控制工艺，防止mgo团聚对表面金属化层均匀性的不利影响。

技术实现要素：

针对上述现有技术，本发明的目的之一是提供一种mno-tio2系活化剂。

本发明的第二个目的是提供一种mno-tio2系活化剂金属化层。

本发明的第三个目的是提供一种mno-tio2系活化剂金属化层的制备工艺。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种mno-tio2系活化剂，由如下重量百分比的组分组成：mno55～70％，tio245～30％。

优选的，上述mno-tio2系活化剂重量百分比的组分组成：mno60～70％，tio240～30％，

优选的，上述mno-tio2系活化剂由重量百分比的组分组成：mno63％，tio237％。

上述mno-tio2系活化剂在制备陶瓷金属化层中的应用也是本发明的保护范围。

一种mno-tio2系活化剂金属化层，以氧化铝陶瓷为基材，由mo粉和上述mno-tio2系活化剂通过烧结金属粉末法制备而成。

优选的，所述氧化铝陶瓷为75、95或99氧化铝陶瓷。

优选的，所用mo粉的粒度为2～5μm，优选为2～4μm，进一步优选为2μm。

优选的，所述mo粉和mno-tio2系活化剂加入量的比为(85-65wt.％)：(15-35wt.％)；

进一步优选的，所述mo粉和mno-tio2系活化剂加入量的比为(80-70wt.％)：(20-30wt.％)；

最优选的，所述mo粉和mno-tio2系活化剂加入量的比为75wt.％：25wt.％。

优选的，所述mno-tio2系活化剂金属化层的厚度为50～1000μm；优选为50～300μm；进一步优选为50μm。

一种mno-tio2系活化剂金属化层的制备工艺，其特征在于，步骤如下：

(1)陶瓷基体表面预处理

将陶瓷基体表面清理干净去除表面油污，烘干待用；

(2)金属化浆体制备

将mo粉和mno-tio2系活化剂混合均匀，加入一定量粘结剂，调整粘稠度，制备得到金属化浆料；

(3)刷浆

将制备的金属化浆料刷涂在陶瓷基材表面，保持厚度均匀，烘干待用；

(4)烧结

将涂覆金属化浆料的陶瓷基体在n2气氛下进行烧结，烧结温度1300～1450℃，保温时间1小时。

优选的，所述步骤(1)中用丙酮、酒精清洗。

优选的，所述步骤(2)调整粘稠度的标准为金属化浆料粘稠度以其能沿玻璃棒成线状流下为宜。

优选的，步骤(2)中粘合剂是由松油醇和乙基纤维素制备而成，松油醇和乙基纤维素的配比为100ml：5g。

优选的，步骤(4)中，烧结温度为1450℃。

上述技术方案具有如下有益效果：

(1)本发明使用mn-ti系活化剂及纯mo粉，对95％al2o3陶瓷进行金属化层烧结过程中，发生陶瓷基体与金属化层间的双向扩散，金属化层存在mno与al2o3反应生成的mnalo4化合物。表明使用该mn-ti系活化剂对95％al2o3陶瓷进行金属化层制备过程中，扩散与反应同时存在。

(2)金属化温度、活化剂配比对金属化层质量有较大影响。在特定温度区间内，随烧结温度上升，金属化层致密度提高，孔隙减少，金属化层力学性能提高。以mno-tio2作为活化剂进行金属化层制备时，在mno、tio2比例为63:37，活化剂与mo粉颗粒比例1:3，1450℃烧结时，可得到致密性较高，力学性能较好的金属化涂层。金属化层与陶瓷结合强度高，拉伸断裂实验粘瓷明显。

附图说明

图1：1400℃金属化烧结工艺曲线。

图2：mno-tio2系反应转变曲线。

图3：mno-tio2活化剂1400℃烧结金属化层表面x射线衍射图谱。

图4：mno-tio2活化剂1400℃烧结金属化层表面形貌(a:500,b:2k)。

图5：添加mno-tio2活化剂1400℃烧结金属化层表面面成分分析(a:形貌,b:面成分分析)。

图6：添加mno-tio2活化剂1400℃烧结金属化层界面组织形貌及线成分分析。

图7：烧结温度对添加mno-tio2活化剂金属化层组织的影响(a,b:1350℃；c,d:1400℃；e,f:1450℃)

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

正如背景技术所介绍的，活化剂的构成及比例会对金属化层的质量产生较大影响。基于此，本发明提出了一种mno-tio2系活化剂金属化层及其制备工艺。金属化层活化剂的配比调整对金属化层组织形貌有较大影响，决定着金属化层的性能，需要通过试验反复验证，才能确定金属化层活化剂的最优配比。而本申请在试验过程中意外的发现，在mno、tio2比例为63:37，活化剂与mo粉颗粒比例1:3，1450℃烧结时，可得到致密性较高，力学性能较好的金属化涂层。金属化层与陶瓷结合强度高，拉伸断裂实验粘瓷明显。

为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本发明的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本发明的技术方案。

实施例1：金属化配方的设计

本实施例采取mno-tio2系活化配方，并对两者比例对金属化层的影响进行分析。

1.氧化物膨胀系数设计

玻璃相与陶瓷，与mo骨架是否能得到良好的热力学配合同样对封接的质量有着至关重要的影响。良好的配合可有效降低封接界面的应力值，从而提高封接强度，增加封接可靠性。故在设计金属化配方时，玻璃相的热膨胀因子也是其中的重要指标之一。由于各种玻璃相膨胀因子有较大差别，在金属化配方设计时，应考虑对各种成分的配比进行协调，使组合后的玻璃相配方有与陶瓷及mo相近的热力学常数。

本实施例采用的是日本高桥兼太郎(takahashik.)的方法，后简称为高桥法。高陇桥通过对比实际金属化层烧结体与玻璃相计算得出的膨胀系数，验证了该方法适用于陶瓷金属化体系。通过计算，近似得出某种配比的玻璃相的膨胀系数，与mo粉及氧化铝陶瓷的膨胀系数对比，可定性的判断在热循环中，可能产生的应力大小。

通过高桥法对该mno-tio2二元系氧化物热膨胀系数进行计算，mno、tio2计算因子如表1所示。

表1高桥法以阳离子百分比为基础的膨胀系数计算因子

对mno-tio2二元系来说，可采用逆推法。设定理想为5.2×10^-6/℃，mno阳离子百分比为x％,则tio2为(100-x)％。计算可得mn离子含量为64.44％，ti离子含量为35.56％。带入两种成分各自的相对分子质量及单分子内阳离子个数计算，即可得出当mno质量百分比为61.86％，tio2为38.14％时，可得到理想匹配的热膨胀系数。

2.活化剂熔化温度

mno-tio2系反应转变曲线如图2所示。由相图可看出，当mno含量与tio2含量比为0.63：0.37时，可得到二者的最低共熔点，为1369℃。该比例与设定热膨胀系数为5.2×10^-6/℃得出的最佳比例mno质量百分比为61.86％，tio2为38.14％非常接近。二者相结合，选定质量百分比为63％的mno，与质量百分比为37％tio2作为mno-tio2系活化配方的最终配比。

实施例2：95％al2o3陶瓷金属化层制备及封接

(1)陶瓷表面预处理

使用清洁剂对陶瓷表面擦洗处理，去除表面油污。随后用自来水及酒精冲洗，去除残余物质并烘干。

(2)金属化浆料制备

取适量mo粉于球磨罐中，在其中加入无水乙醇，使用行星球磨机球磨12h。取出球磨罐，静置三分钟，倾出上层的悬浮液，再静止数小时使澄清。取出沉淀，放入烘干箱使其在40℃下烘干。将制备金属化层所用粉末，按一定质量比例称量并混合均匀。制备金属化浆体所用混合粉末具体配比见表3。

表2金属化浆体粉末配比

使用85-2数显恒温磁力搅拌器将松油醇加热至90℃，并缓慢加入乙基纤维素溶解，使其粘度适中，做黏合剂备用。向混合均匀的复合粉末逐滴加入黏合剂，充分搅拌至均匀糊状。金属化浆粘稠度以其能沿玻璃棒成线状流下为准。使用时若粘稠度不佳，则根据具体情况适量增减。

(3)刷浆

将制好的金属化浆体采用手工丝网印刷的方式涂覆于陶瓷表面。这种方式较手工笔涂法可获得厚度相对均匀的预制涂层。

(4)烘干烧结

将涂覆好的试样放入鼓风干燥箱，在一定温度下保持，待涂层完全干燥后，放入nbd-t1700管式气氛炉中加热烧结。本试验采用n2作为保护气氛。n2具有安全可靠，价格低廉等多种优势。同时可有效避免mo在高温下氧化挥发。金属化烧结采用5℃/min的升温及降温速度，保温时间一小时，即制备得到95％al2o3陶瓷金属化层。金属化烧结的工艺曲线见图1。

(5)表面处理

金属化烧结后的试样，经表面处理后进行下一工序。避免在金属化过程中产生的表面不平整、氧化物膜层等不利影响，妨碍后续封接。

(6)镀镍

本试验采用电镀与化学镀结合的方式对金属化层施镀。对试样先采用电镀预处理，随后再进行化学镀处理。电镀有利于镍层的结合，后续使用化学镀有利于防止电镀带来的镀层氧化，进而影响封接质量。其中，电镀镍镀液采用ph值3.5，镀液温度47℃，电流密度0.9a/dm²。化学镀施镀温度为70℃。

(7)焊接

本试验采用银铜焊料，在800℃下保温10分钟。该焊接过程采用青岛育豪微电子设备有限公司yh-8500真空烧结炉，真空下完成焊料烧结过程。

实施例3：金属化层表面物相分析

本试验选用岛津(shimadzu)公司xrd-6100型x射线衍射仪对样品进行物相分析。测试条件如下。扫描范围为10°～90°，管电压40kv，管电流40ma，扫描速度4°/min，计数器间隔0.02°。

图3为活化剂成分为63％mno+37％tio2，mo粉含量与活化剂比例为3:1，烧结温度为1400℃，保温一小时条件下制备的金属化层x射线衍射图谱。比对原始谱线与可能存在的物相三强线，对xrd图谱中较强峰进行初步标定。

结论：经分析在mn-ti系活化剂的金属化层表层组织中，主要包括mo、moo2、cao、tio2及3cao·moo3、mno·tio2、mno·al2o3等复杂化合物物相。高温下，mo部分被氧化，mo颗粒表层部分与活化剂发生反应。金属化层表层仍有cao、3cao·moo3等ca的氧化物，表明在烧结温度下，陶瓷基体中的ca元素发生了迁移，扩散至金属化层。金属化层中出现锰铝尖晶石相mno·al2o3，表明mno与陶瓷基体中的al2o3反应，金属化层与陶瓷基体的结合不仅依靠扩散及液相粘接，还会发生界面反应，形成化合物。在同一烧结工艺下，mno-tio2系活化剂中mno与陶瓷基体反应生成mnalo4，而在mno-sio2-al2o3系活化剂制备的金属化层中未检测到化合物的存在。这种现象的产出推测与mno含量相关。只有在当mno含量高于某一值时，才会与al2o3陶瓷发生界面反应。

实施例4：金属化层组织形貌及成分分析

本试验选用日立(hitachi)公司的s-3400n型扫描电镜(sem)及(horiba)公司的emaxx-stream2型能谱分析仪(eds)对金属化层表面及涂层截面形貌及成分进行分析测试。对金属化层截面测试时，由于al2o3陶瓷为绝缘材料，故对其待测面进行喷金处理，实现导电效果。喷金工艺采用sbc-12型离子溅射仪，选用金作为靶材，喷金时间60s。

1.金属化层表层组织形貌及成分分析

图4为活化剂成分为63％mno+37％tio2，mo粉含量与活化剂比例为3:1，烧结温度为1450℃，保温一小时条件下金属化层烧结后，涂层表面原始形貌扫描电镜照片。图(a)(b)分别为放大1000及2000倍下的组织形貌。添加mn-ti系活化剂的金属化层表层颗粒呈中空的多边棱柱状，颗粒尺寸直径约为15μm，部分直径约5μm的细小颗粒交杂在大颗粒间，与同工艺下添加mn-si-al系活化剂制备的金属化层组织颗粒尺寸相当。

对金属化层表层组织定量的进行成分分析，能谱分析结果见图5所示。金属化层主要包含元素按重量百分比排列，分别为mo、o、ca、ti、mn、al、si。金属化层中检出金属化配方未添加ca、al、si成分，表明在金属化烧结过程中，发生了陶瓷向金属化层的迁移扩散。金属化配方中原始添加成分为75％mo、15.75％mno及9.25％tio2，对应mo、mn、ti、o元素重量百分比分别为75％、12.2％、5.55％、7.25％。在金属化烧结后o元素含量大幅度上升，其余元素均有一定比例下降。由于陶瓷基体主成分即al、si、ca的氧化物，o元素的上升与陶瓷侧向金属化层中的扩散密切相关。ca元素在金属化层所占比例仅低于mo、o，高于金属化配方中的活化剂添加成分mn、ti。这种现象的产生一方面与该组分的密度、烧结温度下流动性等多种因素相关，另一方面与cao可与金属化配方中mo及mo的氧化物反应生成复杂氧化物相关。cao对mo及mo的氧化物润湿性良好，可形成紧密结合。在烧结温度下，mn-ti系活化剂与mn-si-al系活化剂具有相似的反应行为。

结论：mno、tio2都具有与al2o3相近的晶格结构，当达到金属化温度形成低熔点液相时，二者可与下层陶瓷基体接触并发生反应，形成有限固溶体，促进金属化层与陶瓷基体的结合。在金属和温度下，mno、tio2同时与陶瓷基体中的cao、sio2、al2o3共同形成液相，促进扩散并进一步促进基体与涂层的结合。

2.金属化层截面形貌及成分分析

对mno-tio2金属化涂层截面组织进行形貌观察及线成分分析，测试结果如图6所示。由线成分分析曲线可知，图片左侧颜色较深处为al2o3陶瓷基体，右侧颜色较浅处为金属化层。由扫描电镜照片可观察到，金属化层与陶瓷基体界面清晰，二者结合紧密，界面处没有明显孔洞或间隙。

结论：mo、al元素的聚集区域分别对应陶瓷基体与金属化层。在界面处，mo、al元素线成分曲线均出现陡降。界面附近，mn、ti、si、ca元素在金属化层及陶瓷基体中均检测到其分布，且四种元素在界面两侧整体分布较为均匀，在金属化烧结的过程中四种元素均发生了扩散迁移。元素的迁移促进低熔点液相的形成，降低液相粘度，液相流动能力的提高可进一步促进迁移的发生。

实施例5：烧结温度对金属化层组织的影响

本试验对比了同一金属化配方下，不同烧结温度对金属化层形成的影响。图7为同一金属化配方(活化剂成分为63％mno+37％tio2，mo粉含量与活化剂比例为3:1)下，不同烧结温度对金属化层组织的影响。

图中可发现，在1350℃至1450℃温度区间内，随金属化温度的升高，金属化层致密性上升，颗粒间空隙减少，颗粒堆垛逐渐紧密。

对1350℃、1400℃、1450℃烧结制备的金属化层面成分分析，所得元素含量见表3。对各烧结温度下，金属化层表面进行面成分分析。在1350至1450℃温度区间内，mo元素含量有小幅度上升，o、mn、ca、si等元素无明显线型规律。ca、si等陶瓷基体中所含成分在金属化层含量几乎无差别。mn、ti元素含量在1400℃时达峰值。在这一温度区间，温度对于添加mno-tio2活化剂金属化层表面成分影响不大。在1350℃烧结时，金属化层表面ca、si、al等元素的存在，证实在该温度下同样产生了元素的迁移。

表3烧结温度对添加mno-tio2活化剂金属化层表面成分的影响

由于1350℃低于mno-tio2活化剂共熔温度，二元系在该温度下无法形成低温液相。故推测在这一温度进行金属化烧结时，陶瓷中的部分氧化物在毛细管力的作用下，先由陶瓷基体迁移至金属化颗粒空隙处。陶瓷基体中氧化物的迁移使金属化层中氧化物的种类增多，共熔点降低。随着共熔点的降低，金属化层中开始出现液相，该液相将进一步促进金属化层与陶瓷基体间元素的迁移。

对添加mno-tio2活化剂在不同烧结温度下制备的金属化涂层进行镀镍及钎焊处理，并进行抗拉强度测试。试样在1350、1400、1450℃，随温度的升高，封接的结合强度升高,在1450℃烧结时金属化层致密性最佳。

分析结论：

(1)mno-tio2系活化剂金属化涂层烧结过程中，发生陶瓷基体与金属化层间的双向扩散。金属化层存在mno与al2o3反应生成的mnalo4化合物。表明使用该mn-ti系活化剂对95％al2o3陶瓷进行金属化层制备过程中，扩散与反应同时存在。

(2)金属化层在1350℃烧结时，金属化层与基体间依然存在物相的迁移，表明该温度，烧结过程中仍出现流动性良好的液相。该温度低于mno-tio2最低共熔温度，故加热时先发生陶瓷中的cao、sio2、al2o3等成分向金属化层的扩散，扩散至金属化层的氧化物与mno、tio2共同作用形成低熔点液相，随后发生金属化层向陶瓷基体方向的扩散。

(3)在1350℃至1450℃温度区间内，随金属化温度的升高，金属化层致密性上升。在1450℃烧结时金属化层致密性最佳。适当的提高金属化温度有利于得到组织致密的金属化涂层。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。