铝和氮化铝陶瓷结合强度

引    言

氮化铝陶瓷基板是一种电子和电力电子技术领域中综合性能较理想的基板材料；氮化铝陶瓷基板金属化方法有如下几种：直接覆铜法、活性金属法和活性铸接法。

直接覆铜法必须对氮化铝陶瓷进行预氧化在陶瓷表面形成一层低热导率的氧化铝膜，然后将铜和氧化铝膜键合，结合强度略低于铜/氧化铝陶瓷基板。

(资料图片)

在金属和氮化铝陶瓷之间放置含钛的活性金属钎料，在真空度低于6.0×10−3Pa时可将铜或不锈钢等和氮化铝陶瓷键合，但需要适用含银的昂贵活性钎料和高真空的环境。活性金属铸接方法将氮化铝陶瓷和氧化铝陶瓷等与纯铝键合，结果显示铝/陶瓷基板具有比铜/陶瓷基板更优异的抗热震疲劳性能和结合强度，在结合强度测试中金属铝在铝/陶瓷界面被剥离前断裂，铝和陶瓷的剥离强度大于14N/mm，这些性能指标均优于铜/陶瓷基板。

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铝和氮化铝陶瓷基板的结合强度

测试方法采用新测试方法, 重新设计制造新的测试夹具和试样，将试样通过测试夹具安装在力学试验机上，将铝从陶瓷表面拉开，测试出铝和陶瓷之间的结合强度，试样制造和测试过程如图1所示。

图2显示破坏的金属/陶瓷试样的照片，最下面是测试前的完整试样，上面两个分别侧放和横放的试样是测试后被拉伸破坏的试样，铝被从陶瓷表面剥离后最终断裂。

测试后铝和陶瓷表面形貌和成份分析使用扫描电子显微镜对剥离测试后的陶瓷表面成像和成份扫描，结果显示，绝大部分铝从陶瓷表面脱离, 测试结果和铝和氮化铝陶瓷的实际结合强度接近。图3所示照片为铝被从氮化铝陶瓷表面剥离后，铝表面和陶瓷表面的光学显微镜照片，铝表面呈现撕裂的形貌，在陶瓷表面有少量的铝残余。图4显示低强度试样测试完毕后铝的表面形貌，表面有很多颗粒状的物质。铝/氮化铝陶瓷之间的结合强度图5显示铝和氮化铝陶瓷基板结合强度与结合温度之间的关系曲线。图5的曲线显示制造温度对铝/氮化铝陶瓷结合强度影响较大，当结合温度低于700℃时，铝和氮化铝陶瓷的结合强度随结合温度的升高而增大，基本呈现线性关系，当结合温度超过 700℃时，铝和氮化铝陶瓷的结合强度曲线变平坦, 平均值约为50N/mm。

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结    论

氮气气氛下保温10min，当铝/氮化铝陶瓷基板结合温度低于973K时，铝/氮化铝陶瓷结合基板的剥离强度随结合温度升高而增强；当结合温度在948~1098K的温度范围内，结合温度对结合强度的影响较小，铝/氮化铝陶瓷基板的剥离强度约为49N/mm。

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