氮化鋁陶瓷覆銅板制作的工藝技術(shù)方法？

氮化鋁覆銅板在熱特性方面具有非常高的熱導(dǎo)率，散熱快;在應(yīng)力方面，熱膨脹系數(shù)與硅接近，整個(gè)模塊內(nèi)部應(yīng)力較低。在高功率IGBT模塊方面使用非?？煽俊＿@些優(yōu)異的性能都使得氮化鋁覆銅板成為高壓IGBT模塊封裝的首選。那么氮化鋁陶瓷覆銅板是如何制作的呢？

制作方法一： 直接覆銅工藝(DBC)制作氮化鋁陶瓷覆銅板

所謂的DBC技術(shù)，是指在在含氧的氮?dú)庵幸?063℃左右的高溫加熱，氧化鋁或氮化鋁陶瓷表面直接焊接上一層銅箔。其基本原理是：利用了銅與氧在燒結(jié)時(shí)形成的銅氧共晶液相，潤濕相互接觸的兩個(gè)材料表面，即銅箔表面和陶瓷表面，同時(shí)還與氧化鋁反應(yīng)生成CuAlO2、Cu(AlO2)2等復(fù)合氧化物，充當(dāng)共晶釬焊用的焊料，實(shí)現(xiàn)銅箔與陶瓷的牢固結(jié)合[]。但由于氮化鋁是一種非氧化物陶瓷，敷接銅箔的關(guān)鍵是使其表面形成氧化物過渡層，然后通過上述過渡層與Cu箔敷合實(shí)現(xiàn)AlN與Cu箔的敷合。

基于上述基礎(chǔ)理論，我們系統(tǒng)研究了氮化鋁陶瓷表面氧化、無氧銅氧化以及直接覆銅等工藝，優(yōu)化了工藝參數(shù)，制備出氮化鋁陶瓷覆銅板。樣品內(nèi)部沒有發(fā)現(xiàn)明顯空洞存在，特別是芯區(qū)無空洞，上下界面空洞含量均小于3%。將樣品切成10mm寬的長條預(yù)制切口，測試銅從陶瓷表面拉起的拉力，樣品的剝離強(qiáng)度均大于60N/cm。

陶瓷與銅界面結(jié)合緊密，而且結(jié)構(gòu)致密。陶瓷晶粒大約為1-5μm，與銅之間存在8-10微米的過渡層。該過渡層結(jié)構(gòu)致密，晶粒約為3-5μm，但是晶粒間存在不連貫的微裂紋。陶瓷表面致密，沒有氣孔存在。表面顆粒凹凸不平，可能是拉開時(shí)裂紋沿晶界擴(kuò)展，部分顆粒在銅上部分顆粒在陶瓷上導(dǎo)致。

制作方法二，采用活性金屬焊接工藝(AMB)制作氮化鋁陶瓷覆銅板 

活性焊銅工藝是DBC工藝技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，它是利用釬料中含有的少量活性元素與陶瓷反應(yīng)生成能被液態(tài)釬料潤濕的反應(yīng)層，從而實(shí)現(xiàn)陶瓷與金屬接合的一種方法。先將陶瓷表面印刷活性金屬焊料而后與無氧銅裝夾后在真空釬焊爐中高溫焊接，覆接完畢基板采用類似于PCB板的濕法刻蝕工藝在表面制作電路，最后表面鍍覆制備出性能可靠的產(chǎn)品。AMB基板是靠陶瓷與活性金屬焊膏在高溫下進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)結(jié)合，因此其結(jié)合強(qiáng)度更高，可靠性更好。但是由于該方法成本較高、合適的焊料較少、焊料對(duì)于焊接的可靠性影響較大，只有日本幾家公司掌握了高可靠活性金屬焊接技術(shù).

我們通過對(duì)不同焊料配方的優(yōu)化，開發(fā)了適用于氮化鋁陶瓷活性焊接的氮化鋁陶瓷專用活性焊膏體系，該焊膏具有制備工藝簡單、印刷特性優(yōu)良、與氮化鋁陶瓷潤濕性良好以及焊接后結(jié)合強(qiáng)度高的特點(diǎn)。

采用焊膏絲網(wǎng)印刷技術(shù)和真空焊接技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了氮化鋁和銅的良好焊接，通過對(duì)焊接方法研究和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了氮化鋁和銅焊接強(qiáng)度和焊接界面的良好控制，界面空洞率小于1%，并固化了焊接工藝曲線。

AMB基板在壓焊時(shí)要求鍍層有較好的焊接性，在250℃下有較好的結(jié)合力，因此其表面需要進(jìn)行鍍鎳處理。而AMB基板刻蝕出圖形后，表面有大量孤島，進(jìn)行電鍍困難大而且鍍層厚度不均勻，因此化學(xué)鍍鎳無疑是最好的選擇。為了提高鍍鎳層的均勻性，采用化學(xué)鍍Ni-P技術(shù)來實(shí)現(xiàn)氮化鋁陶瓷覆銅基板的表面鍍鎳，通過對(duì)鍍液和鍍覆參數(shù)的優(yōu)化，鎳層厚度可控制在3-5μm，均勻性可控制在±0.2μm。同時(shí)，對(duì)氮化鋁覆銅板的可鍵合性進(jìn)行的工藝實(shí)驗(yàn)，鍵合推力均大于1700g，滿足高壓IGBT模塊的應(yīng)用可靠性要求。

通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)兩類氮化鋁陶瓷覆銅基板，可以得出，AMB工藝相比于DBC工藝具有更高的可靠性和更好的綜合性能，而且我司生產(chǎn)的氮化鋁覆銅基板已與日本公司生產(chǎn)的相關(guān)產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)相當(dāng)。更多氮化鋁陶瓷覆銅板制作的問題可以咨詢金瑞欣特種電路。