近年来，随着国内航空航天、军工、消费电子、新能源汽车、5G等领域的快速发展，所需电子元器件内电路的密度和功能不断提高，人们对承载电子元件的封装技术提出的要求也越来越高。当前存在的电子元器件封装材料一般包括：陶瓷、塑料、金属以及金属基复合材料等，其中陶瓷材料因其密度较小，热导率较高，膨胀系数匹配，是一种综合性能较好的封装材料。陶瓷封装材料按照其烧结温度可以分为高温陶瓷封装材料、中温陶瓷封装材料和低温陶瓷封装材料。

不同中、高温陶瓷封装材料性能对比

对于中、高温陶瓷封装材料，工业上通常采用共烧金属粉末（W/Mo/W-Cu/Mo-Mn等）的方法来实现金属与陶瓷的连接。但是金属材料与陶瓷材料性质差异大，前者原子靠金属键连接，后者原子靠共价键或离子键结合，再加上陶瓷对金属材料的润湿差，且金属材料熔融温度(W:3390℃,Mo: 2620℃)远大于陶瓷材料(Al₂O₃:2054℃,AIN:2200℃)，因此两者特殊的物理化学性能极大阻碍了两者的共烧。使用烧结助剂可以缓解金属与陶瓷物理和化学性能上的不匹配问题，促进金属与陶瓷的连接。多层陶瓷封装外壳一般通过丝网印刷技术和印刷填孔技术来实现金属在陶瓷中的布线，进而满足大规模集成电路封装需求。印刷要用到导电浆料，一般需要由导电相、填充相和粘结相组成。

多层共烧陶瓷基板制备流程

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一、导电浆料的不同导电相

在导体浆料中，导电相一般由相应的金属/金属合金粉末组成，均匀分布于填充相内部，其烧结状况的好坏直接影响陶瓷外壳的电性能，并对陶瓷外壳表面金属化膜的相关物理和机械性能起主要决定作用。虽然充当导电相的材料的物理、机械性能各不相同，但是根据应用经验：粒度均匀、合适，形貌接近于球型的导体材料更适用于配制导体浆料。

1. 高温陶瓷基板导体浆料导电相

高温陶瓷基板材料包括但不限于Al₂O₃、AlN等，这二者是目前国内应用较为广泛的两种陶瓷材料，通常使用W/Mo等金属粉体作为其导体浆料的导电相。

（1）钨(W)

导体浆料的导电相一般为Ag,Pd,Au,Pt等贵金属，由于此类金属熔点较低，烧成温度一般在800~1000 ℃左右，不适合高温共烧技术。而钨熔点极高，达到了3410 ℃，同时其还具有良好的导电、导热性能，不仅适合于常用的氧化铝基板，与未来有着良好应用前景的氮化铝基板也能很好的匹配。因此，钨导体浆料在高温共烧技术领域得到了广泛的关注。

HTCC用钨浆

W粉作为决定W导体浆料导电性能的主要因素，其粒度和形貌对导体浆料的印刷性能、烧结状态和导电性能都有着重要影响：粒度过大，不易烧成；粒度过小，则存在过烧的风险；W粉形貌不均匀，则其颗粒比表面积较大，配制的浆料粘度就会过大；W粉的烧成状态差，相应的导电性能也会变差。

（2）钼(Mo)

Mo在元素周期表中与W属于同一族，这意味着这两种金属具有相似的物理和化学特性。Mo的熔融温度和硬度均低于W，这说明Mo粉较W粉更容易整形，且使用Mo作为导体浆料的导电相可以有效降低高温瓷金属化的烧成温度，这使得Mo金属化在国内外陶瓷封装外壳生产企业（京瓷、NTK、中电13所、中电55所等）中占有重要位置。

但Mo粉在生产、运输、储存和金属化膏剂制备过程中易发生团聚现象，不耐化学腐蚀且在镀镍后易发生起泡现象等原因限制了Mo在高温瓷金属化中的大范围应用。

Mo粉

2.中温陶瓷基板导体浆料导电相

中温陶瓷基板瓷断裂韧性、气密性、介电性能等参数较高温瓷相当，但是由于其烧结温度低，可以极大地节约生产成本，这使得中温陶瓷基板材料具有很大的应用前景。中温陶瓷基板封装材料在国外（日本京瓷等）已经有了成熟的应用，但是在国内尚属刚刚兴起的一种陶瓷基板封装材料。

常用的一次烧结中温瓷金属化使用导体材料一般包括W-Cu和Mo-Mn等。

（1）钨铜(W-Cu)

当陶瓷的烧结温度进一步下降时，W/Mo等导电相已经不能完成在该温度下的烧结，此时W-Cu复合金属粉体被引入到中温陶瓷基板的金属化匹配烧结中来。W-Cu导体材料结合了W的高熔点(3410℃)，高密度(19.32 g/cm³)、低热膨胀系数(4.5×10.6K)和Cu的高电导率(58.14(MS/m ))、高热导率(403W/(m·K))，以及良好的延展性等优点。长期以来，W-Cu复合材料主要应用领域是作为高压及超高压电器开关的触头材料，但当使用W-Cu材料和陶瓷基板共烧时，容易出现W-Cu互不共融、Cu易烧失等问题。

典型W-Cu复合粉体不同比例性能参数

向导体浆料中加入微量的活化元素（银、钴、铁、锌、钛等），通过降低W与Cu之间的润湿角来改善W-Cu复合材料的烧结状态，可提升W-Cu复合材料的强度，有效抑制Cu的烧失。另外，通过改善W-Cu粉体的制备方式，也能改善W-Cu合金与陶瓷基板共烧后的烧结状态。

（2）钼锰(Mo-Mn)

Mo-Mn导电相作为陶瓷金属化工艺中最早引入的一种导电相，其应用于陶瓷基板材料的方法被称为Mo-Mn法。其作用机理为膏体中的Mn元素在烧结时一部分在湿氢条件下与水反应生成MnO₂，MnO₂通过双毛细管现象一方面促进陶瓷体内的玻璃向金属化空隙中移动，一方面与陶瓷反应生成MnAl₂O₄等玻璃相，促进陶瓷与金属的良好结合。

Mo-Mn与Al₂O₃层共烧

二、导电浆料中的填充相

导体浆料中的填充相是影响导体浆料印刷性能好坏的主要决定因素。一般通过考察一种填充相的黏度、触变性、挥发速率、对环境（温湿度等）的敏感性等性能来评价其印刷性能的好坏。不好的填充相会使印刷图形在干燥后出现网纹、裂纹、针眼、阴影等影响良品率的缺陷。

最基本的填充相是把非挥发性成分（增稠剂：乙基纤维素、PVA等）溶于部分有机溶剂（聚乙二醇、松节油等）后形成的用于承载导电相和粘结相的一类聚合物溶液。再通过辅助添加一部分流平剂、触变剂、消泡剂等改善填充相的印刷性能后，可以生产出适用于封装陶瓷的优良导体浆料。

三、导电浆料中的粘结相

粘结相在中高温导体浆料中主要起到粘接、增强和保护导电相的作用。优良的粘结相还会对导电相的烧结起到促进效果。粘结相的熔点应和陶瓷的烧结温度相匹配，粘结相熔点过高/过低都会影响金属化的烧结，降低金属化的烧结强度，也不利于金属化与陶瓷的结合。在降温过程中，玻璃相留在导电相形成的海绵体内，与导电相整体形成致密的金属化层，在与金属封接时达到真空气密的作用。

导电浆料配制流程

粘结相通常由玻璃粘结相、无玻璃粘结相或二者的混合物组合而成。

对于玻璃粘结相，一般由SiO₂等氧化物构成玻璃基本骨架，这类氧化物主要决定玻璃粘结相的机械性能和电性能，在此基础上一般由Al₂O₃、CaO、BaO、MgO、MnO₂等氧化物来调节玻璃的热膨胀系数、机械强度、热和化学稳定性等；而加入PbO、BaO、ZnO等氧化物，则可以在保证玻璃的电性能和化学性能的同时降低玻璃的熔化温度。

无玻璃粘结相主要是通过氧化物与下方的陶瓷基片起化学反应形成结合，这种粘结相一般为Ca/Al/Ba等的氧化物，有时加入一些Cr、Ni等降低反应温度。混合物粘结相就是将上述两种玻璃型与无玻璃型相混合，发挥其各自的优点。

总结

对于高温共烧陶瓷基板领域，目前国内相应的金属化浆料技术已经得到长足的发展，部分企业已经能够批量化生产相关的厚膜导电浆料。但是在金属化的耐腐蚀、金属化与陶瓷的结合性等方面还有提升空间。而对于中温共烧陶瓷基板领域，其不输于高温陶瓷物理性能、低成本以及配合W-Cu浆料后优越的导电性，在高频高功率元器件的封装上大有取代高温陶瓷封装外壳的趋势。目前国内已经有用于厚膜导体浆料配制的商业化W-Cu粉末出售，相关的导电浆料需求会逐渐增加。未来还需要在填充相的稳定性、对于温湿度的敏感性上进一步提升并扩大应用。

参考来源：

1.中、高温多层陶瓷基板共烧用导体浆料的研究现状及发展趋势，吴亚光、赵昱、刘林杰、张炳渠（新材料应用研究）；

2.电子浆料研究进展，徐磊（船电技术）。

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