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(rùn)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(guò)渡層，然后通過(guò)上述過(guò)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(wú)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(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯空洞存在，特別是芯區(qū)無(wú)空洞，上下界面空洞含量均小于3%。將樣品切成10mm寬的長(zhǎng)條預(yù)制切口，測(cè)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(guò)渡層。該過(guò)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(méi)有氣孔存在。表面顆粒凹凸不平，可能是拉開(kāi)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(rùn)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(wú)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(lèi)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(lái)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(guò)對(duì)不同焊料配方的優(yōu)化，開(kāi)發(fā)了適用于氮化鋁陶瓷活性焊接的氮化鋁陶瓷專(zhuān)用活性焊膏體系，該焊膏具有制備工藝簡(jiǎn)單、印刷特性?xún)?yōu)良、與氮化鋁陶瓷潤(rùn)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(guò)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(wú)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(lái)實(shí)現(xiàn)氮化鋁陶瓷覆銅基板的表面鍍鎳，通過(guò)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(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)兩類(lèi)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(wèn)題可以咨詢(xún)金瑞欣特種電路。