優(yōu)質氮化鋁陶瓷覆銅板制作工藝具體方法

優(yōu)質高強度氮化鋁陶瓷覆銅板能解決隨著電力半導體模塊電流容量和功率密度的不斷提高，單位面積功耗大大增加，引起的大功率模塊的散熱關鍵詞問題。氮化鋁陶瓷覆銅板能替代氧化鋁陶瓷覆銅板，是因為氮化鋁陶瓷覆銅板的導熱能力更高。

氧化鋁基陶瓷覆銅板（Al₂O₃ DBC基板）由于具有優(yōu)良的機械性能和很高的電絕緣強度，且資源豐富、價格低廉，具有超高的性價比，在中、小功率電力半導體模塊制作的DBC基板中占有主導地位，但因其熱導率較低，線性膨脹系數與硅相差較大，所以Al2O3 DBC基板在大功率模塊制作中就顯得非常不足，而AlN陶瓷的絕緣性能和機械性能都很接近Al2O3陶瓷，且它的熱導率是Al2O3陶瓷的7倍左右，線膨脹系數與硅匹配性更好，因此氮化鋁基陶瓷覆銅板（AIN DBC基板）就成為大功率和高集成模塊制作的基礎關鍵材料。

由于AIN陶瓷是一種共價鍵很強的非氧化合物，Al-N之間又有共價鍵極強的方向性，所以它是一種化學穩(wěn)定性很好的陶瓷。因此，Cu與AIN在高溫含O2氣氛的鍵合過程中所產生的Cu-Cu2O共晶液相對AIN陶瓷晶粒的浸潤性較差，很難形成性能優(yōu)良且鍵合強度高的AIN DBC基板。對于這個問題，工業(yè)上采取的解決方法是，在AIN陶瓷片上生成一定厚度、致密性好的Al2O3層，借鑒Cu-Al2O3高溫鍵合工藝，就能與Cu箔鍵合成高導熱、高絕緣、電性能優(yōu)良的AIN DBC基板。

AIN DBC基板的關鍵工藝可簡單分為AIN基片的高溫氧化工藝、銅箔的化學氧化工藝、銅箔與AlN基片的高溫鍵合工藝。

 優(yōu)質高強度氮化鋁陶瓷覆銅板怎么制作的？

 一、AIN基片的高溫氧化工藝

       高溫氧化是為了在AlN基片表面生成一定厚度、且非常致密的Al2O3層，其流程如下圖所示：

                                          AIN基片表面高溫氧化生成Al2O3層工藝流程示意圖

01清洗

氧化前應對AIN基片進行丙酮和去離子水的超聲波清洗，以去除表面的油污和雜物，高溫(1100~1200℃)氧化的反應式為:

02高溫氧化

Al2O3層的生長取決于O2在Al2O3層中的擴散速度，最初氧化層厚度增加與時間成線性關系，隨著時間增加，Al2O3層厚度亦迅速增加，氧元素需通過較厚Al2O3層擴散至Al2O3-AIN界面，最終氧化速度逐漸減慢趨于飽和。因此，合適地調配好氧化時間、氧化溫度、氧的純度及流量之間的關系，是提高氧化層質量和厚度的主要措施。

03階梯式冷卻

由于Al2O3與AIN基片的線性膨脹系數不匹配，不恰當的冷卻方式將導致Al2O3層出現(xiàn)許多微孔和裂紋，嚴重影響Cu箔與AlN基片的鍵合力，因此采用循環(huán)溫差交替降溫法來降低Al2O3與AIN之間的應力。

04磁控濺射

高溫氧化后的AIN基片，需進行磁控濺射處理，在AIN基片表面的Al2O3層表面形成一層Cu2O薄膜，對Al2O3層進行加固和保護，以免Cu箔與AIN基片高溫鍵合過程中，N2與非常薄的Al2O3膜再次發(fā)生以下化學反應:

從而把過渡層Al₂O₃膜破壞,使AIN DBC基板與Cu箔的剝離強度大大降低。

二、銅箔的化學氧化工藝

     為了獲得Cu箔與陶瓷的牢固鍵合，必須在銅表面形成一層Cu2O，在高溫下含氧量一定的氣氛鍵合過程中，Cu箔表面化學氧化生成的Cu2O膜和AlN陶瓷表面磁控濺射的Cu2O膜在溫度高于低共熔點時，共同出現(xiàn)Cu-Cu2O共晶液相，其中的Cu2O相與Al2O3陶瓷有著良好的親和性，使界面能降低，共晶液相能很好地潤濕Cu箔和陶瓷。同時液相中的Cu2O與Al2O3發(fā)生化學反應，冷卻后通過化學鍵使Cu2O與氮化鋁表面的Al2O3牢固鍵合在一起。

      因此，需要對Cu箔預先進行中溫(350～370℃)的化學氧化處理，其流程如下：

                         Cu箔表面化學氧化生成Cu2O膜的工藝流程

三、銅箔與AlN基片的高溫鍵合工藝

      把經化學氧化處理的Cu箔和經高溫氧化處理的AIN基片疊裝在一起，在高溫鍵合爐里進行高溫鍵合，需精確控制溫度及鍵合處理的速度和時間。由于Cu(16.7×10-6/K)和AlN的線性膨脹系數相差較大，為了降低高溫鍵合后直接冷卻引起的AlN DBC基板應力過大問題，改善AlN DBC基板的翹曲度，也需要采用了循環(huán)溫差交替降溫法進行冷卻。

                                                       AlN DBC基板的制作流程

     與其他常規(guī)覆銅板相比，氮化鋁陶瓷直接覆銅基板的熱膨脹系數接近硅芯片的熱膨脹性系數，所以無需過渡層Mo片，從而可以簡化工藝、節(jié)省材料、最后降低成本。另外由于陶瓷直接覆銅基板無需添加任何釬焊，這樣就可以有效地降低熱阻，不產生孔洞，從而提高成品率。

        而在實際應用中，由于Cu底板與AlN DBC基板的線性膨脹系數相差很大，為降低Cu底板與AlN DBC基板因焊接而引起的應力，可以將整張的AlN DBC基板分為若干小片。隨著新材料、新結構和新工藝的不斷出現(xiàn)，Cu底板很有可能在某些領域被線性膨脹系數接近AIN DBC板的AlSiC底板所替代，鋁絲鍵合工藝或被熱壓焊所代替，而平面式低電感的新結構很有可能替代傳統(tǒng)導電銅排形成各種導電端子.

參考來源：

1.氮化鋁基陶瓷覆銅板的制作及其應用，李磊、吳濟鈞、李國剛、許立菊（淄博市臨淄銀河高技術開發(fā)有限公司、西安電力電子技術研究所）；

2.當前直接覆銅技術的研究進展，高隴橋、石明（北京真空電子技術研究所）；

3.氮化鋁陶瓷直接覆銅基板的制備及性能研究，蔣盼（湖南大學）。