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Ag/Ni烧结金属化在Si3N4陶瓷封装基板上的研究
作者及机构
本研究由多个机构的学者合作完成：
- Beiji Wang、Xiangzhao Zhang、Yansheng Zhou、Shahid Hussain、Guanjuan Qiao、Guiwu Liu（江苏大学材料科学与工程学院）
- Xiangya Jia（洛阳船舶材料研究所）
- Shunjian Xu（湖州学院智能制造学院）
- Mohamed A. Habila（沙特国王大学化学系）
论文发表于《Journal of Materials Engineering and Performance》，2024年5月22日接受。

学术背景
研究领域为高功率电子器件的封装材料。Si3N4陶瓷因其高强度（600–700 MPa）、高理论导热性（300 W/m·K）和低热膨胀系数，成为绝缘栅双极晶体管（IGBT）等功率电子设备的理想封装材料。然而，传统金属化方法如直接键合铜（DBC）和活性金属钎焊（AMB）存在局限性：DBC的金属-陶瓷结合强度低，AMB需高真空环境且成本高。银（Ag）虽导电性优异（优于铜和铝），但其在陶瓷表面的润湿性差（接触角约92°）。本研究通过引入多孔镍（Ni）中间层，结合丝网印刷和高低温烧结技术，实现Ag在Si3N4上的高效润湿与金属化，目标为开发高可靠性、低电阻的Ag/Ni-Si3N4复合基板。

研究流程
1. 样品制备
- 基板处理：Si3N4陶瓷（密度3.12 g/cm³）切割为15 mm×15 mm×1 mm的片状，经弱碱清洗和400–1500目金刚石研磨抛光。
- Ni浆料配制：Ni粉（纯度99%，粒径3–10 μm）与有机载体（松节油、Span 85分散剂、乙基纤维素增塑剂等）按重量比1:1和2:1混合，搅拌20分钟（100 r/min）。
- 丝网印刷：印刷速度8 mm/s，网目数100，Ni浆料印刷1–3层，每层印刷后100℃干燥30分钟。
- 高温烧结：真空炉中分段升温（图1），峰值温度1050℃。
- Ag渗透：0.1 mm厚Ag片经盐酸超声清洗后，置于Ni涂层上，1050℃烧结30分钟。

1. 表征与测试
   
   • 微观结构：扫描电镜（SEM）观察表面和截面形貌，测量金属层厚度。
     
   • 润湿性：接触角测试仪（OCA15LHT-SV）测量Ag在Ni涂层上的接触角。
     
   • 结合强度：多功能材料表面测试仪（MFT-4000）进行划痕试验，结合声发射信号检测。
     
   • 电阻率：霍尔效应仪测量Ag/Ni-Si3N4的电阻率。
     

主要结果
1. Ni层优化
- Ni浆料比例2:1且印刷3层时，Ni层厚度达60.7 μm，孔隙率均匀（图2–3）。多孔结构提供毛细力，促进Ag渗透。
- 划痕试验表明Ni层与Si3N4结合牢固，无剥离（图6）。

1. 润湿性提升

   • Ag在3层Ni涂层（2:1比例）上的接触角接近0°，完全铺展（图4）。对比1:1比例的37.1°，高Ni含量显著改善润湿性。
     

2. 电学性能

   • 1050℃烧结时，Ag/Ni-Si3N4电阻率最低（1.26×10⁻