銅直接鍵合(Direct Bonded Copper，簡稱DBC)技術(shù)是在上世紀(jì)70年代初由美國通用電氣(GE)公司研發(fā)成功。由于該鍵合技術(shù)工藝復(fù)雜，后續(xù)工藝工序繁瑣以及專用工藝設(shè)備的限制，致使在DBC技術(shù)研發(fā)成功的最初十幾年內(nèi)，幾乎未能形成DBC陶瓷覆銅板的規(guī)模生產(chǎn)。但DBC陶瓷覆銅板的各種優(yōu)異特性引起美國和西歐大型器件公司的高度重視，經(jīng)過扎實研發(fā)解決了銅和陶瓷的浸潤工藝，使DBC陶瓷覆銅板實現(xiàn)了良好的分子鍵合，大大提高了DBC陶瓷覆銅板的性能，目前利用DBC鍵合工藝已能全自動批量生產(chǎn)139.7mm×190.5mm Al2O3的DBC陶瓷覆銅板，并已廣泛應(yīng)用于大功率電力半導(dǎo)體模塊、LED組件、聚光太陽能電池、航空航天和軍用電子組件等領(lǐng)域。因此，DBC陶瓷覆銅板已成為大功率電力電子電路結(jié)構(gòu)技術(shù)和互聯(lián)技術(shù)的基礎(chǔ)材料。
淄博市臨淄銀河高技術(shù)開發(fā)有限公司根據(jù)市場需求，于上世紀(jì)90年代初開始研發(fā)DBC陶瓷覆銅板，在解決了流動氣氛下溫度(>1000℃)的穩(wěn)定控制精度(±0.25℃)以及銅液相厚度和Cu-Cu2O共晶熔點(diǎn)的
控制技術(shù)后，于2002年成功開發(fā)出0.63mm厚Al2O3雙面覆0.3mm厚銅箔的DBC陶瓷覆銅板，現(xiàn)已大批量供應(yīng)晶閘管和整流管模塊以及半導(dǎo)體致冷器和激光射頻電源等領(lǐng)域使用。2009年公司按市場需求，在連續(xù)突破了厚膜銅漿與Al2O3陶瓷鍵合技術(shù)難關(guān)后，成功開發(fā)出大功率LED陶瓷覆銅散熱基板和聚光太陽能電池陶瓷覆銅散熱基板。此后，公司又在突破銅箔預(yù)處理工藝技術(shù)難關(guān)，銅箔與超薄Al2O3陶瓷基板(0.25mm和0.38mm)鍵合、冷卻等工藝技術(shù)難關(guān)后，成功地開發(fā)出IGBT模塊用低熱阻陶瓷覆銅板(DBC)，并于2010年3通過國家科技成果鑒定，現(xiàn)已能批量供應(yīng)用戶使用，目前公司已獲得與DBC陶瓷覆銅板相關(guān)國家專利12項。
2、銅-陶瓷直接鍵合原理
人們利用氧(O2)能使銅的熔點(diǎn)降低這一物理現(xiàn)象，解決了銅- Al2O3陶瓷直接鍵合工藝技術(shù)。要使銅箔與Al2O3陶瓷牢固的鍵合，必須在高溫(>1000℃)和一定氧氣氛下，在銅表面形成一定厚度的Cu20層，然后隨溫度的升高出現(xiàn)一層很薄的Cu和Cu20共晶熔體，其熔點(diǎn)略低于銅熔點(diǎn)(1083℃)且主要成分是Cu(約占95%)，經(jīng)一定時間的恒溫，使共晶熔體完全浸潤到銅和Al2O3陶瓷，降溫后使銅與Al2O3陶瓷形成牢固的鍵合。如圖1所示。
3、銅-陶瓷(Al2O3)鍵合的專用工藝技術(shù)
目前本公司已能批量生產(chǎn)IGBT模塊用低熱阻陶瓷覆銅板(DBC)，其主要工藝流程為：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。
3.1 專用設(shè)備的研制
為了能在流動氧和氮?dú)夥障掳迅邷乜刂圃?plusmn;0.25℃范圍內(nèi)，以保證自主研發(fā)的銅-陶瓷-銅高溫共晶鍵合技術(shù)在動態(tài)氣氛下的穩(wěn)定性，公司專門研制了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的YH-03型鏈?zhǔn)焦簿фI合爐(圖2)。其爐體結(jié)構(gòu)、傳動系統(tǒng)、測控方式等結(jié)合工藝要求作了全面優(yōu)化設(shè)計，保證了共晶鍵合工藝的穩(wěn)定性，從而大大提高了產(chǎn)品的成品率。
3.2 銅箔預(yù)處理專有工藝技術(shù)
為了降低銅箔與陶瓷鍵合的空洞率，保證DBC陶瓷覆銅板的低熱阻，本公司采用銅箔預(yù)處理專有工藝技術(shù)，使銅箔與陶瓷的鍵合過程始終呈線性區(qū)域復(fù)合，改善了高溫鍵合時液相對陶瓷的濕潤角，有利于排除氣泡，進(jìn)一步減少了銅箔和陶瓷之間空隙的不均勻性。
3.3 冷-熱階梯循環(huán)冷卻工藝
為了改善DBC陶瓷覆銅板的彎曲率，降低目前常用的直接冷卻法使DBC陶瓷覆銅板應(yīng)力過大的問題，經(jīng)多次計算分析，設(shè)計出全新的冷卻模式：冷-熱階梯循環(huán)冷卻應(yīng)力消除專有工藝技術(shù)，實現(xiàn)了DBC陶瓷覆銅板的低應(yīng)力鍵合，使成品DBC陶瓷覆銅板的彎曲率≤100um/50mm。
4、產(chǎn)品的規(guī)格和主要技術(shù)參數(shù)
4.1 產(chǎn)品規(guī)格
淄博市臨淄銀河高技術(shù)開發(fā)有限公司已能批量供應(yīng)下列規(guī)格產(chǎn)品(見表1)。其最大規(guī)格尺寸為139.7mm×190.5mm，并可根據(jù)用戶需要激光切割成各種規(guī)格尺寸。
4.2 主要技術(shù)參數(shù)
表2 IGBT模塊用低熱阻陶瓷覆銅板(DBC)的主要技術(shù)參數(shù)
5、陶瓷覆銅板未來發(fā)展趨勢
由于AlN陶瓷覆銅板的熱導(dǎo)率是Al2O3陶瓷覆銅板的5～10倍，其熱膨脹系數(shù)幾乎是Al2O3陶瓷覆銅板的一半，非常接近硅的熱膨脹系數(shù)，很有利于硅芯片直接焊在AlN陶瓷覆銅板上，AlN的機(jī)械強(qiáng)度和絕緣性能與Al2O3很接近，因而AlN陶瓷覆銅板將在新型電力半導(dǎo)體模塊的封裝中得到廣泛應(yīng)用。但AlN是一種共價鍵較強(qiáng)的非氧化物，在高溫下很難與銅濕潤而鍵合，因此必須在AlN表面形成一定厚度且非常致密的氧化層作為過渡層，這是當(dāng)今解決Cu-AlN牢固鍵合的關(guān)鍵。
6、結(jié)束語
IGBT模塊用低熱阻陶瓷覆銅板(DBC)是在高溫(>1000℃)和流動(N2+O2)氣氛下、溫度控制精度(±0.25 ℃)的條件下，采用本公司自主創(chuàng)新研發(fā)的銅箔預(yù)處理減少鍵合空洞率的專有工藝技術(shù)和“冷-熱階梯循環(huán)冷卻”應(yīng)力消除專有工藝技術(shù)，把0.38㎜(或0.25㎜)厚的Al2O3陶瓷板與0.3㎜(或0.15㎜)厚的銅箔牢固地鍵合在一起。由于采用上述專用設(shè)備和特殊工藝技術(shù)，使DBC陶瓷覆銅板的成品率大大提高，鍵合強(qiáng)度提高，鍵合面幾乎沒有空洞，熱阻大大降低(約為0.19K/W)。這些優(yōu)點(diǎn)非常有利于IGBT模塊的封裝，使模塊總熱阻降低，增加模塊輸出功率，并使IGBT模塊的穩(wěn)定性和可靠性提高。目前，本項目已獲國家發(fā)改委新型電力電子產(chǎn)業(yè)化專項支持，公司已能大批量生產(chǎn)IGBT模塊用低熱阻陶瓷覆銅板。