优质氮化铝陶瓷覆铜板制作工艺具体方法

优质高强度氮化铝陶瓷覆铜板能解决随着电力半导体模块电流容量和功率密度的不断提高，单位面积功耗大大增加，引起的大功率模块的散热关键词问题。氮化铝陶瓷覆铜板能替代氧化铝陶瓷覆铜板，是因为氮化铝陶瓷覆铜板的导热能力更高。

氧化铝基陶瓷覆铜板（Al₂O₃ DBC基板）由于具有优良的机械性能和很高的电绝缘强度，且资源丰富、价格低廉，具有超高的性价比，在中、小功率电力半导体模块制作的DBC基板中占有主导地位，但因其热导率较低，线性膨胀系数与硅相差较大，所以Al2O3 DBC基板在大功率模块制作中就显得非常不足，而AlN陶瓷的绝缘性能和机械性能都很接近Al2O3陶瓷，且它的热导率是Al2O3陶瓷的7倍左右，线膨胀系数与硅匹配性更好，因此氮化铝基陶瓷覆铜板（AIN DBC基板）就成为大功率和高集成模块制作的基础关键材料。

由于AIN陶瓷是一种共价键很强的非氧化合物，Al-N之间又有共价键极强的方向性，所以它是一种化学稳定性很好的陶瓷。因此，Cu与AIN在高温含O2气氛的键合过程中所产生的Cu-Cu2O共晶液相对AIN陶瓷晶粒的浸润性较差，很难形成性能优良且键合强度高的AIN DBC基板。对于这个问题，工业上采取的解决方法是，在AIN陶瓷片上生成一定厚度、致密性好的Al2O3层，借鉴Cu-Al2O3高温键合工艺，就能与Cu箔键合成高导热、高绝缘、电性能优良的AIN DBC基板。

AIN DBC基板的关键工艺可简单分为AIN基片的高温氧化工艺、铜箔的化学氧化工艺、铜箔与AlN基片的高温键合工艺。

 优质高强度氮化铝陶瓷覆铜板怎么制作的？

 一、AIN基片的高温氧化工艺

       高温氧化是为了在AlN基片表面生成一定厚度、且非常致密的Al2O3层，其流程如下图所示：

                                          AIN基片表面高温氧化生成Al2O3层工艺流程示意图

01清洗

氧化前应对AIN基片进行丙酮和去离子水的超声波清洗，以去除表面的油污和杂物，高温(1100~1200℃)氧化的反应式为:

02高温氧化

Al2O3层的生长取决于O2在Al2O3层中的扩散速度，最初氧化层厚度增加与时间成线性关系，随着时间增加，Al2O3层厚度亦迅速增加，氧元素需通过较厚Al2O3层扩散至Al2O3-AIN界面，最终氧化速度逐渐减慢趋于饱和。因此，合适地调配好氧化时间、氧化温度、氧的纯度及流量之间的关系，是提高氧化层质量和厚度的主要措施。

03阶梯式冷却

由于Al2O3与AIN基片的线性膨胀系数不匹配，不恰当的冷却方式将导致Al2O3层出现许多微孔和裂纹，严重影响Cu箔与AlN基片的键合力，因此采用循环温差交替降温法来降低Al2O3与AIN之间的应力。

04磁控溅射

高温氧化后的AIN基片，需进行磁控溅射处理，在AIN基片表面的Al2O3层表面形成一层Cu2O薄膜，对Al2O3层进行加固和保护，以免Cu箔与AIN基片高温键合过程中，N2与非常薄的Al2O3膜再次发生以下化学反应:

从而把过渡层Al₂O₃膜破坏,使AIN DBC基板与Cu箔的剥离强度大大降低。

二、铜箔的化学氧化工艺

     为了获得Cu箔与陶瓷的牢固键合，必须在铜表面形成一层Cu2O，在高温下含氧量一定的气氛键合过程中，Cu箔表面化学氧化生成的Cu2O膜和AlN陶瓷表面磁控溅射的Cu2O膜在温度高于低共熔点时，共同出现Cu-Cu2O共晶液相，其中的Cu2O相与Al2O3陶瓷有着良好的亲和性，使界面能降低，共晶液相能很好地润湿Cu箔和陶瓷。同时液相中的Cu2O与Al2O3发生化学反应，冷却后通过化学键使Cu2O与氮化铝表面的Al2O3牢固键合在一起。

      因此，需要对Cu箔预先进行中温(350～370℃)的化学氧化处理，其流程如下：

                         Cu箔表面化学氧化生成Cu2O膜的工艺流程

三、铜箔与AlN基片的高温键合工艺

      把经化学氧化处理的Cu箔和经高温氧化处理的AIN基片叠装在一起，在高温键合炉里进行高温键合，需精确控制温度及键合处理的速度和时间。由于Cu(16.7×10-6/K)和AlN的线性膨胀系数相差较大，为了降低高温键合后直接冷却引起的AlN DBC基板应力过大问题，改善AlN DBC基板的翘曲度，也需要采用了循环温差交替降温法进行冷却。

                                                       AlN DBC基板的制作流程

     与其他常规覆铜板相比，氮化铝陶瓷直接覆铜基板的热膨胀系数接近硅芯片的热膨胀性系数，所以无需过渡层Mo片，从而可以简化工艺、节省材料、最后降低成本。另外由于陶瓷直接覆铜基板无需添加任何钎焊，这样就可以有效地降低热阻，不产生孔洞，从而提高成品率。

        而在实际应用中，由于Cu底板与AlN DBC基板的线性膨胀系数相差很大，为降低Cu底板与AlN DBC基板因焊接而引起的应力，可以将整张的AlN DBC基板分为若干小片。随着新材料、新结构和新工艺的不断出现，Cu底板很有可能在某些领域被线性膨胀系数接近AIN DBC板的AlSiC底板所替代，铝丝键合工艺或被热压焊所代替，而平面式低电感的新结构很有可能替代传统导电铜排形成各种导电端子.

参考来源：

1.氮化铝基陶瓷覆铜板的制作及其应用，李磊、吴济钧、李国刚、许立菊（淄博市临淄银河高技术开发有限公司、西安电力电子技术研究所）；

2.当前直接覆铜技术的研究进展，高陇桥、石明（北京真空电子技术研究所）；

3.氮化铝陶瓷直接覆铜基板的制备及性能研究，蒋盼（湖南大学）。