隨著電子設(shè)備的不斷進(jìn)步,芯片集成度的提升和電路設(shè)計(jì)的緊湊,使得單位面積的功耗顯著增加,導(dǎo)致熱量積累。這不僅影響設(shè)備性能,還可能導(dǎo)致組件故障。在這種背景下,直接覆銅(DBC)陶瓷基板憑借出色的導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能,成為重要的電子封裝材料,廣泛應(yīng)用于功率模塊和集成電力電子模塊。
DBC(Direct Bonded Copper,直接覆銅)技術(shù)主要基于氧化鋁陶瓷基板的金屬化,由J.F. Burgess和Y.S. Sun于1970年代首次推出。當(dāng)時(shí),傳統(tǒng)的鋁基板技術(shù)在高功率密度、高頻率和高可靠性方面存在一些局限性,因此需要一種新的技術(shù)來滿足日益增長(zhǎng)的電子設(shè)備對(duì)散熱性能和電氣性能的要求。
在1980年代中期,美國(guó)通用電氣(GE)的DBC研究團(tuán)隊(duì)使該技術(shù)實(shí)用。
DBC陶瓷基板是在1000 ℃以上的高溫條件下,在含氧的氮?dú)猸h(huán)境中加熱處理,使得銅箔與陶瓷基板通過共晶鍵合方式形成緊密結(jié)合。這種技術(shù)具有較高的鍵合強(qiáng)度,以及出色的導(dǎo)熱性和熱穩(wěn)定性。
隨著電子設(shè)備對(duì)功率密度和可靠性要求的不斷提高,DBC陶瓷基板技術(shù)逐漸成為高功率電子器件(如IGBT、GaN等)的散熱和封裝的首選技術(shù)之一。同時(shí),該技術(shù)也在光伏、電動(dòng)汽車、通信等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。
二、DBC工藝的原理
直接敷銅陶瓷基板(DBC)是在銅與陶瓷之間加入氧元素,在1065~1083℃溫度間得到Cu-O共晶液,隨后反應(yīng)得到中間相(CuAlO2或CuAl2O4),從而實(shí)現(xiàn)Cu板和陶瓷基板化學(xué)冶金結(jié)合,最后再通過光刻技術(shù)實(shí)現(xiàn)圖形制備,形成電路。
DBC陶瓷基板分為3層,中間的絕緣材料是Al2O3或者AlN。Al2O3的熱導(dǎo)率通常為24W/(m·K),AlN的熱導(dǎo)率則為170W/(m·K)。DBC基板的熱膨脹系數(shù)與Al2O3/AlN相類似,非常接近LED外延材料的熱膨脹系數(shù),可以顯著降低芯片與基板間所產(chǎn)生的熱應(yīng)力。
三、DBC主要工藝流程及關(guān)鍵技術(shù)
1、工藝流程:
陶瓷基片和銅箔的清洗烘干→銅箔預(yù)處理→銅箔與陶瓷基片的高溫共晶鍵合→冷熱階梯循環(huán)冷卻→質(zhì)檢→按要求刻蝕圖形→化學(xué)鍍鎳(或鍍金)→質(zhì)檢→激光劃片、切割→成品質(zhì)檢→真空或充氮?dú)獍b→入成品庫(kù)。
需注意的是,在DBC基板制備過程中,需要嚴(yán)格控制共晶溫度與氧含量,氧化時(shí)間與氧化溫度是最重要的兩個(gè)參數(shù)。銅箔經(jīng)過預(yù)氧化后,鍵合界面能形成足夠CuxOy相潤(rùn)濕Al2O3陶瓷與銅箔,具有較高的結(jié)合強(qiáng)度;若銅箔未經(jīng)過預(yù)氧化處理,CuxOy潤(rùn)濕性較差,鍵合界面會(huì)殘留大量空洞和缺陷,降低結(jié)合強(qiáng)度及熱導(dǎo)率。對(duì)于采用AlN陶瓷制備DBC基板,還需對(duì)陶瓷基片進(jìn)行預(yù)氧化,先生成Al2O3薄膜,再與銅箔發(fā)生共晶反應(yīng)。
四、DBC陶瓷基板的性能
DBC陶瓷基板集成了高導(dǎo)熱性、高絕緣性、高機(jī)械強(qiáng)度和低熱膨脹等優(yōu)良特性,并兼具無氧銅的高導(dǎo)電性能及優(yōu)異的焊接性能。其主要性能特點(diǎn)包括:
1. 優(yōu)良的絕緣性能:DBC基板可以有效地將芯片與模塊散熱底板隔離,提高模塊的絕緣能力,且陶瓷層的絕緣耐壓可超過2.5KV。
2. 出色的導(dǎo)熱性能:DBC基板的熱導(dǎo)率范圍為20-260W/mK,能有效將IGBT模塊在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)至散熱底板,保障整體散熱的有效性。
3. 熱膨脹系數(shù)接近硅:DBC基板的熱膨脹系數(shù)(7.1ppm/K)與硅相近,能有效避免對(duì)芯片產(chǎn)生的應(yīng)力損害,其抗剝離力達(dá)到20N/mm2,展現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械性能和抗腐蝕能力。
4. 良好的機(jī)械強(qiáng)度:由于使用厚銅箔與高性能陶瓷材料,DBC基板表現(xiàn)出卓越的機(jī)械強(qiáng)度和可靠性。
5. 強(qiáng)大的載流能力:銅導(dǎo)體的電性能優(yōu)異,使DBC基板能夠支持高功率容量的應(yīng)用。
五、DBC陶瓷基板的應(yīng)用
DBC陶瓷基板的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛,涵蓋大功率白光LED模組、紫外/深紫外LED器件封裝、激光二極管(LD)、汽車傳感器、制冷型紅外熱成像、5G光通信、高端制冷器、聚焦型光伏(CPV)、微波射頻器件及電子電力器件(IGBT)等多個(gè)領(lǐng)域。
雖然AMB和DBA等新型陶瓷基板在市場(chǎng)上逐漸嶄露頭角,但這并不意味著它們能完全取代DBC。在功率和成本的不同應(yīng)用場(chǎng)景下,兩者都有其各自的市場(chǎng)需求。因此,DBC陶瓷基板在未來仍將保持較大的市場(chǎng)空間和應(yīng)用潛力。