银铜钛活性钎焊在陶瓷-金属连接中的使用与挑战

银铜钛（AgCuTi）活性钎焊凭借活性元素钛对陶瓷的强亲和力，实现了陶瓷（如Al₂O₃、AlN、Si₃N₄）与金属（铜/铜合金）的高强度冶金连接，具有优异的热导性、高气密性及耐高温性，该技术已广泛应用于新能源汽车SiC功率模块、航天器真空腔体、核能传感器封装等极端环境电子系统，成为高功率密度器件热管理领域的核心工艺支撑。在高端电力电子领域，氮化硅（Si₃N₄）陶瓷覆铜板凭借其优异的综合性能已成为不可替代的核心基板材料。而活性金属钎焊（Active Metal Brazing, AMB）工艺，特别是采用AgCuTi焊膏的钎焊技术，是实现氮化硅陶瓷与铜层高强度冶金连接的关键手段。

AgCuTi合金钎料有不同的存在形式：

(1)焊膏，使用金属粉末与有机溶剂混合，制成膏状，金属粉的构成有 Ag、Cu、Ti混合粉、Ag-Cu合金粉+Ti混合粉及AgCuTi合金粉等；

银铜钛焊膏使用时通过丝网印刷将其涂敷于陶瓷基板两侧，随后与铜板贴合，整个工艺高效成熟、机械自动化程度较高。但是，由于焊膏中含有较多有机物，钎焊时这些有机物会大量挥发，可能会降低炉体真空度，产生焊层空洞，从而影响钎焊效果。

(2)金属箔片或焊丝，包括Ag箔、Cu箔、Ti箔叠加，Ag-Cu 合金箔与Ti箔叠加，AgCuTi合金箔或丝，夹Ti丝的AgCu合金丝等；

有研究人员开发了一种具有独特微观结构的新型AgCuTi钎料箔，可实现TC4与蓝宝石的强真空钎焊。该钎料箔由Ag固溶体、Cu固溶体和层状富Ti相组成，具有790℃的低熔点和16℃的窄熔化范围，有利于TC4与蓝宝石的无缺陷连接。实验采用粉末冶金法合成AgCuTi钎料箔，其名义成分为63Ag-35.25Cu-1.75Ti(wt.%)，使用该新型AgCuTi钎料箔制备的蓝宝石/TC4接头表现出高达132.2MPa的优异平均剪切强度，为迄今为止报道的最高值。

(3)预镀Ti膜，包括溅射、气相沉积Ti膜等。

有研究为改善活性金属钎焊基板的键合界面特性，通过纳米溅射技术在氮化铝（AlN）和氮化硅陶瓷上形成了AgCuTi钎料(BFM)层。AMB基板采用钎焊键合技术制造,测得的AlN和Si₃N₄陶瓷键合界面剥离强度分别为2.35kgf/mm和4.26kgf/mm。

为了比较接头界面的劣化特性，进行了热冲击试验,热冲击试验后的微观结构分析表明，Si₃N₄/BFM界面未出现缺陷，而AlN/BFM界面出现分层。结果表明，研究确定了采用溅射工艺涂覆Ag-Cu-Ti BFM的AMB界面特性，并确认了其在Si₃N₄功率模块封装中的适用性。

1、空洞缺陷控制困难：空洞是AMB工艺中最常见的缺陷，其形成受气体滞留、挥发物分解、界面反应等多因素耦合影响。

空洞形成原因：在AgCuTi活性钎焊工艺中，特别是在制造陶瓷覆铜板（如DBC或AMB基板）时，空洞的形成是一个影响产品质量和可靠性的关键问题，导致界面空洞的原因主要有几点:

(1)原料表面质量:焊接前陶瓷和无氧铜表面的划痕、凹坑、氧化、有机污染的问题都会对焊料的润湿铺展造成负面影响，为钎焊界面带来了潜在的空洞风险。

(2)焊料印刷质量:大面积焊膏印刷过程中，较易出现焊膏漏印、印刷不均匀的问题，焊料熔化后一旦没有铺展覆盖这些漏印区域，就会直接导致空洞的形成。

(3)活性元素失活:AgCuTi焊膏中的活性元素Ti对氧十分敏感，高温钎焊过程中，往往要求真空度优于10^-3Pa，若真空度无法满足焊接要求导致Ti氧化失活，焊料无法润湿SiN陶瓷表面，会造成大面积虚焊、漏焊等现象。

(4)焊膏挥发气体:钎焊过程中，焊膏中挥发出的气体会被助焊剂包裹形成气泡，此外助焊剂中的有机酸和金属氧化物反应也会产生气泡，随着反应的进行气泡逐渐变大，排出的气泡会在焊膏表面留下密密麻麻的气孔，而未排出的气泡同样会随着焊料熔化凝固的过程滞留在钎焊界面处，形成空洞。

目前，使用AgCuTi焊膏连接陶瓷和无氧铜时，对陶瓷和铜片进行表面清洁处理、提供较高的真空钎焊环境是常用的降低界面空洞率的方法。

2、活性元素钛的精准调控：Ti易与气氛中残余O₂/N₂反应，或在高温下挥发，导致有效活性Ti不足，润湿性下降。因此需要严格控制钎焊气氛，使用高真空钎焊，减少Ti被气氛消耗的风险，并在高纯度惰性气体保护下进行钎焊工作；精确控制工艺参数，确定合适的钎焊温度，避免高温加剧Ti的氧化。除此之外，还要考虑Ti含量的标准，根据选定的气氛条件（真空度/气体纯度）、工艺参数（温度、时间）和母材特性，预估Ti的损耗量（反应+挥发），从而确定Ti元素的准确含量。

1、高成本材料依赖

贵金属成本：Ag含量通常＞60wt%（Ag28Cu系钎料含72%Ag），受白银价格波动影响大。

通过优化成分设计，例如开发低银/无银钎料（如CuSnTi、Ni基活性钎料）、纳米复合钎料（TiN颗粒增强）等，是降低成本的有效途径。改善使用工艺，精准控制钎料用量，通过丝网印刷、喷墨打印等技术精确施加钎料，减少浪费。

2、热膨胀系数（CTE）失配应力与界面反应层脆性的耦合难题

陶瓷与铜钎焊后冷却过程中产生高残余应力，需通过优化反应层厚度缓解，但精准控制极难。且界面反应层易发生脆性，Ti与陶瓷（如Si₃N₄→生成TiN+Ti₅Si₃，AlN→生成TiN+Al）形成的反应层过厚时成为裂纹源。

可通过使用梯度复合钎料或添加纳米增强塑性相，构建应力缓冲体系，多维度调控工艺参数，改变冷却速率及在钎焊后进行热等静压处理，抑制应力生成。

陶瓷与金属的连接在微电子封装、金属-陶瓷密封件、真空管、蓝宝石金属窗口等方面具有潜在应用。但连接这两种材料存在许多局限性，包括它们的结构、结合性质、物理特性以及诸如润湿、扩展和粘附等复杂现象。未来研究需通过材料-工艺-界面多尺度协同优化，突破AgCuTi钎焊在成本（材料替代）、缺陷率（工艺调控）、可靠性（界面设计）三重瓶颈。预镀Ti膜与纳米复合钎料已展示工业化潜力，而低银化与环保制造将是可持续发展的必然路径。

【参考文献】

[1] Liu, Shaohong, et al. "Specially Structured AgCuTi Foil Enables High-Strength and Defect-Free Brazing of Sapphire and Ti6Al4V Alloys: The Microstructure and Fracture Characteristics." Materials 17.15 (2024): 3812.

[2] 李伸虎,李文涛,陈卫民,等.银铜钛焊膏制备Si_(3)N_(4)陶瓷覆铜基板工艺[J].电子工艺技术, 2022(003):043.DOI:10.14176/j.issn.1001-3474.2022.03.001.

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