優(yōu)質(zhì)氮化鋁陶瓷覆銅板制作工藝具體方法

優(yōu)質(zhì)高強(qiáng)度氮化鋁陶瓷覆銅板能解決隨著電力半導(dǎo)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(guān)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?yàn)榈X陶瓷覆銅板的導(dǎo)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(jī)械性能和很高的電絕緣強(qiáng)度，且資源豐富、價(jià)格低廉，具有超高的性價(jià)比，在中、小功率電力半導(dǎo)體模塊制作的DBC基板中占有主導(dǎo)地位，但因其熱導(dǎo)率較低，線性膨脹系數(shù)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(jī)械性能都很接近Al2O3陶瓷，且它的熱導(dǎo)率是Al2O3陶瓷的7倍左右，線膨脹系數(shù)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(chǔ)關(guān)鍵材料。

由于AIN陶瓷是一種共價(jià)鍵很強(qiáng)的非氧化合物，Al-N之間又有共價(jià)鍵極強(qiáng)的方向性，所以它是一種化學(xué)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(chǎn)生的Cu-Cu2O共晶液相對(duì)AIN陶瓷晶粒的浸潤(rùn)性較差，很難形成性能優(yōu)良且鍵合強(qiáng)度高的AIN DBC基板。對(duì)于這個(gè)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(dǎo)熱、高絕緣、電性能優(yōu)良的AIN DBC基板。

AIN DBC基板的關(guān)鍵工藝可簡(jiǎn)單分為AIN基片的高溫氧化工藝、銅箔的化學(xué)氧化工藝、銅箔與AlN基片的高溫鍵合工藝。

 優(yōu)質(zhì)高強(qiáng)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(yīng)對(duì)AIN基片進(jìn)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(yīng)式為:

02高溫氧化

Al2O3層的生長(zhǎng)取決于O2在Al2O3層中的擴(kuò)散速度，最初氧化層厚度增加與時(shí)間成線性關(guān)系，隨著時(shí)間增加，Al2O3層厚度亦迅速增加，氧元素需通過較厚Al2O3層擴(kuò)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(diào)配好氧化時(shí)間、氧化溫度、氧的純度及流量之間的關(guān)系，是提高氧化層質(zhì)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(shù)不匹配，不恰當(dāng)?shù)睦鋮s方式將導(dǎo)致Al2O3層出現(xiàn)許多微孔和裂紋，嚴(yán)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(yīng)力。

04磁控濺射

高溫氧化后的AIN基片，需進(jìn)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(duì)Al2O3層進(jìn)行加固和保護(hù)，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(xué)反應(yīng):

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

二、銅箔的化學(xué)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(xué)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(diǎn)時(shí)，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(rùn)濕Cu箔和陶瓷。同時(shí)液相中的Cu2O與Al2O3發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，冷卻后通過化學(xué)鍵使Cu2O與氮化鋁表面的Al2O3牢固鍵合在一起。

      因此，需要對(duì)Cu箔預(yù)先進(jìn)行中溫(350～370℃)的化學(xué)氧化處理，其流程如下：

                         Cu箔表面化學(xué)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(jīng)化學(xué)氧化處理的Cu箔和經(jīng)高溫氧化處理的AIN基片疊裝在一起，在高溫鍵合爐里進(jìn)行高溫鍵合，需精確控制溫度及鍵合處理的速度和時(shí)間。由于Cu(16.7×10-6/K)和AlN的線性膨脹系數(shù)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(yīng)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(jìn)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(shù)接近硅芯片的熱膨脹性系數(shù)，所以無需過渡層Mo片，從而可以簡(jiǎn)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(chǎn)生孔洞，從而提高成品率。

        而在實(shí)際應(yīng)用中，由于Cu底板與AlN DBC基板的線性膨脹系數(shù)相差很大，為降低Cu底板與AlN DBC基板因焊接而引起的應(yīng)力，可以將整張的AlN DBC基板分為若干小片。隨著新材料、新結(jié)構(gòu)和新工藝的不斷出現(xiàn)，Cu底板很有可能在某些領(lǐng)域被線性膨脹系數(shù)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(jié)構(gòu)很有可能替代傳統(tǒng)導(dǎo)電銅排形成各種導(dǎo)電端子.

參考來源：

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

2.當(dāng)前直接覆銅技術(shù)的研究進(jìn)展，高隴橋、石明（北京真空電子技術(shù)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(xué)）。