陶瓷与金属如何连接？五种常见封接技术解析

先进陶瓷具备优异的绝缘性、耐高温、耐腐蚀、耐磨损等特性，是高端制造的重要功能材料；金属则拥有高机械强度、良好导电性、延展性与易加工性。在半导体真空设备、航空航天、高端医疗、激光光电、特种能源装备等领域，单一材料往往无法兼顾综合性能，因此陶瓷-金属异质可靠封接成为关键工艺。

图1.陶瓷金属封接产品via厦门英诺华新材料官网

但陶瓷属于脆性离子键或共价键材料，金属则属于金属键材料，二者在热膨胀系数、弹性模量、润湿性以及化学特性等方面存在显著差异，常规熔焊或普通粘接难以实现高强度、高气密和长寿命的稳定连接。本文将系统解析行业主流的五种陶瓷与金属封接技术，介绍其工艺原理、优势特点及适用场景，为工程选型提供参考。

一、活性钎焊（Active Brazing）

活性钎焊是当前陶瓷-金属封接应用最广泛、通用性最强的主流工艺之一，属于一步式真空钎焊技术。

其工艺核心是采用含钛（Ti）、锆（Zr）等活性元素的专用钎料，在高真空或高纯惰性保护气氛下进行高温钎焊。活性元素能够与陶瓷表面发生化学反应，形成稳定的界面反应层，从而显著提高钎料对陶瓷的润湿能力，实现陶瓷与金属之间的冶金结合，而无需预先进行陶瓷金属化处理。

核心优势

• 工艺流程相对简洁，无需陶瓷预金属化及镀镍等前处理工序

• 一次升温即可完成封接，生产效率较高

• 可应用于氧化铝、氮化铝、氮化硅、部分碳化硅及石英等多种先进陶瓷材料

• 适用于异形结构、薄壁件及复杂精密组件

• 接头气密性良好，结合强度稳定

图2.真空电极馈通-陶瓷钎焊via慧朴真空连接器

工艺局限性

• 对真空设备及气氛控制要求较高

• 生产成本高于机械连接和胶粘连接

• 高温钎焊后可能产生残余热应力，对于高应力循环工况需进行合理的结构设计

典型应用：真空馈通件（Feedthrough）、激光器件气密封装、陶瓷电极组件、精密传感器封装、半导体陶瓷金属组件等。

二、Mo-Mn金属化钎焊

Mo-Mn钼锰金属化钎焊是高可靠性、高气密性陶瓷封接领域应用最成熟的工艺之一，长期应用于真空电子、航空航天及军工装备领域，尤其适用于氧化铝陶瓷的高可靠封接。

该工艺通常包括三个步骤：首先在陶瓷表面涂覆钼锰浆料并高温烧结形成金属化层；随后进行镀镍处理以提高润湿性能；最后采用银铜系钎料完成陶瓷与金属之间的钎焊连接。

核心优势

• 气密性能优异，可满足超高真空应用要求

• 漏率通常可达到10⁻⁹ Pa·m³/s级别，经过严格工艺控制可获得更高气密性能

• 接头耐高温、抗老化性能良好

• 力学强度高，适用于长期高低温循环环境

工艺局限性

• 工艺流程较长，生产周期较久

• 制造成本相对较高

• 主要适用于氧化物陶瓷，对部分非氧化物陶瓷适应性有限

• 复杂微型结构加工难度较大

典型应用：高端真空电子器件、X射线管、高压功率器件气密封装、航空航天电子系统及长寿命真空组件等。

三、扩散焊（Diffusion Bonding）

扩散焊属于固相连接技术，在高温、高压及保温条件下，依靠界面原子的相互扩散和重排实现结合。

与传统钎焊不同，扩散焊通常无需使用传统钎料，主要依靠材料界面的原子扩散形成牢固连接，因此能够获得高纯净度、高一致性的连接界面。

核心优势

• 接头纯净度高，杂质夹杂少

• 接头整体强度高、一致性好

• 具有优异的耐高温、抗蠕变和抗热冲击能力

• 界面结合均匀，适用于高可靠性结构件

工艺局限性

• 设备投资成本较高

• 温度、压力及保温时间控制要求严格

• 生产效率较低，不适合低成本大批量生产

• 对工件表面平整度和加工精度要求较高

典型应用：航空发动机高温结构件、高端特种传感器、航天精密承力组件及极端工况高纯构件等。

四、机械连接

机械连接是一种通过结构锁紧实现陶瓷与金属装配的方式，无需高温处理和化学反应，具有良好的可拆卸性。

常见形式包括：

• 螺纹连接

• 法兰压紧

• 卡箍固定

• 弹性压装

• 热套过盈配合

核心优势

• 常温工艺，无热变形风险

• 便于拆装与维护

• 工艺简单，成本较低

• 适用于通用结构件的大批量生产

明显局限性

• 气密性能有限，不适用于高真空环境

• 在长期振动环境下需防止连接松动，对结构设计和预紧力控制要求较高

• 陶瓷开孔或压装过程中可能产生应力集中

典型应用：通用仪器设备结构件、常压低负载组件、可更换工装夹具及非真空设备配件等。

五、胶粘连接

胶粘连接通过环氧树脂、有机硅胶、结构胶或无机胶等粘接材料实现陶瓷与金属的连接，是成本较低且工艺简单的常温连接方案。

核心优势

• 工艺简单，操作便捷

• 无需复杂设备

• 适用于大尺寸及异形构件连接

• 胶层可在一定程度上缓解热膨胀失配产生的应力

明显局限性

• 耐温性能受胶种影响较大，多数有机胶长期使用温度在100～300℃范围内

• 气密性、力学强度及长期可靠性低于钎焊工艺

• 在高温、潮湿、真空及长期循环环境中性能会逐渐衰减

典型应用：光学镜头组件、普通仪器外壳、低负载静态结构件以及常温常压装配场景等。

陶瓷金属封接工艺选型对照表（行业通用参考）

星级越高，对应性能越优；成本星级越高，制造成本越高。

工艺选型核心原则

 

1. 高真空、高气密、长寿命电子封装场景，优先考虑Mo-Mn金属化钎焊；对于兼顾性能与成本的通用精密封装，活性钎焊是常见选择。

2. 高温、高纯度、高强度核心承力结构件，可优先考虑扩散焊工艺。

3. 需要频繁拆装维护、预算有限且工作于常压环境的结构件，可采用机械连接方案。

4. 常温低负载、大尺寸非精密构件以及成本敏感场景，可采用胶粘连接方案。

   结语

    

   随着半导体先进封装、航空航天、新能源、激光制造以及高端医疗装备的发展，陶瓷与金属异质材料连接对气密性、可靠性和寿命提出了更高要求。不同封接工艺各有特点，并不存在绝对优劣，关键在于根据应用场景选择合适的技术路线。

   此外，在电子封装领域还存在HTCC、LTCC等共烧技术，通过陶瓷与金属导体同步烧结实现一体化结构，但其应用场景与传统陶瓷-金属封接工艺有所不同，本文不作展开讨论。

   合理选择封接工艺，不仅能够解决异质材料连接过程中的应力、漏气、脱层及断裂等问题，还能够显著提升产品的长期稳定性与服役寿命。