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IGBT模块用低热阻陶瓷覆铜板的制作研究

www.p-e-china.com 2017/2/6 10:56:58 来源:互联网 电力电子论坛|免费发布产品

  摘要 IGBT模块用低热阻陶瓷覆铜板(Direct Bonded Copper简称DBC)是在高温(>1000℃)、流动(N2+O2)气氛下将厚度0.15mm~0.3mm的铜箔与厚度0.25 mm或0.38mm的Al2O3陶瓷基片直接单面或双面键合而成的复合材料。它具有优良的热导性,高的电绝缘强度,超级的热循环稳定性,稳定的机械性能和优异的可焊性。它的热膨胀系数与硅很接近,因而可把硅芯片直接焊在DBC陶瓷覆铜板上,从而减掉了过渡层钼片。它可按功率单元电路的要求,像PCB板一样能蚀刻出各种图形作为硅芯片焊接衬底以及主电极和控制极的焊接支架。它载流能力大,其铜箔的电流密度约为铜导体的6~8倍左右。因此DBC陶瓷覆铜板已成为目前电力半导体模块制作的基础关键材料。文章还简要地介绍了淄博市临淄银河高技术开发有限公司在生产IGBT模块用低热阻陶瓷覆铜板过程中所采用的特殊专有工艺技术以及DBC陶瓷覆铜板的规格和主要技术参数。   关键词 陶瓷覆铜基板;键合技术;电力半导体模块;铜箔;氧化铝(Al2O3)基板;氮化铝(AlN)基板   1、引言   铜直接键合(Direct Bonded Copper,简称DBC)技术是在上世纪70年代初由美国通用电气(GE)公司研发成功。由于该键合技术工艺复杂,后续工艺工序繁琐以及专用工艺设备的限制,致使在DBC技术研发成功的最初十几年内,几乎未能形成DBC陶瓷覆铜板的规模生产。但DBC陶瓷覆铜板的各种优异特性引起美国和西欧大型器件公司的高度重视,经过扎实研发解决了铜和陶瓷的浸润工艺,使DBC陶瓷覆铜板实现了良好的分子键合,大大提高了DBC陶瓷覆铜板的性能,目前利用DBC键合工艺已能全自动批量生产139.7mm×190.5mm Al2O3的DBC陶瓷覆铜板,并已广泛应用于大功率电力半导体模块、LED组件、聚光太阳能电池、航空航天和军用电子组件等领域。因此,DBC陶瓷覆铜板已成为大功率电力电子电路结构技术和互联技术的基础材料。   淄博市临淄银河高技术开发有限公司根据市场需求,于上世纪90年代初开始研发DBC陶瓷覆铜板,在解决了流动气氛下温度(>1000℃)的稳定控制精度(±0.25℃)以及铜液相厚度和Cu-Cu2O共晶熔点的   控制技术后,于2002年成功开发出0.63mm厚Al2O3双面覆0.3mm厚铜箔的DBC陶瓷覆铜板,现已大批量供应晶闸管和整流管模块以及半导体致冷器和激光射频电源等领域使用。2009年公司按市场需求,在连续突破了厚膜铜浆与Al2O3陶瓷键合技术难关后,成功开发出大功率LED陶瓷覆铜散热基板和聚光太阳能电池陶瓷覆铜散热基板。此后,公司又在突破铜箔预处理工艺技术难关,铜箔与超薄Al2O3陶瓷基板(0.25mm和0.38mm)键合、冷却等工艺技术难关后,成功地开发出IGBT模块用低热阻陶瓷覆铜板(DBC),并于2010年3通过国家科技成果鉴定,现已能批量供应用户使用,目前公司已获得与DBC陶瓷覆铜板相关国家专利12项。   2、铜-陶瓷直接键合原理   人们利用氧(O2)能使铜的熔点降低这一物理现象,解决了铜- Al2O3陶瓷直接键合工艺技术。要使铜箔与Al2O3陶瓷牢固的键合,必须在高温(>1000℃)和一定氧气氛下,在铜表面形成一定厚度的Cu20层,然后随温度的升高出现一层很薄的Cu和Cu20共晶熔体,其熔点略低于铜熔点(1083℃)且主要成分是Cu(约占95%),经一定时间的恒温,使共晶熔体完全浸润到铜和Al2O3陶瓷,降温后使铜与Al2O3陶瓷形成牢固的键合。如图1所示。   
    3、铜-陶瓷(Al2O3)键合的专用工艺技术   目前本公司已能批量生产IGBT模块用低热阻陶瓷覆铜板(DBC),其主要工艺流程为:陶瓷基片和铜箔的清洗烘干→铜箔预处理→铜箔与陶瓷基片的高温共晶键合→冷热阶梯循环冷却→质检→按要求刻蚀图形→化学镀镍(或镀金)→质检→激光划片、切割→成品质检→真空或充氮气包装→入成品库。   
    
    3.1 专用设备的研制   为了能在流动氧和氮气氛下把高温控制在±0.25℃范围内,以保证自主研发的铜-陶瓷-铜高温共晶键合技术在动态气氛下的稳定性,公司专门研制了具有自主知识产权的YH-03型链式共晶键合炉(图2)。其炉体结构、传动系统、测控方式等结合工艺要求作了全面优化设计,保证了共晶键合工艺的稳定性,从而大大提高了产品的成品率。   3.2 铜箔预处理专有工艺技术   为了降低铜箔与陶瓷键合的空洞率,保证DBC陶瓷覆铜板的低热阻,本公司采用铜箔预处理专有工艺技术,使铜箔与陶瓷的键合过程始终呈线性区域复合,改善了高温键合时液相对陶瓷的湿润角,有利于排除气泡,进一步减少了铜箔和陶瓷之间空隙的不均匀性。   3.3 冷-热阶梯循环冷却工艺   为了改善DBC陶瓷覆铜板的弯曲率,降低目前常用的直接冷却法使DBC陶瓷覆铜板应力过大的问题,经多次计算分析,设计出全新的冷却模式:冷-热阶梯循环冷却应力消除专有工艺技术,实现了DBC陶瓷覆铜板的低应力键合,使成品DBC陶瓷覆铜板的弯曲率≤100um/50mm。   4、产品的规格和主要技术参数   4.1 产品规格   淄博市临淄银河高技术开发有限公司已能批量供应下列规格产品(见表1)。其最大规格尺寸为139.7mm×190.5mm,并可根据用户需要激光切割成各种规格尺寸。   
    4.2 主要技术参数   表2 IGBT模块用低热阻陶瓷覆铜板(DBC)的主要技术参数   
    5、陶瓷覆铜板未来发展趋势   由于AlN陶瓷覆铜板的热导率是Al2O3陶瓷覆铜板的5~10倍,其热膨胀系数几乎是Al2O3陶瓷覆铜板的一半,非常接近硅的热膨胀系数,很有利于硅芯片直接焊在AlN陶瓷覆铜板上,AlN的机械强度和绝缘性能与Al2O3很接近,因而AlN陶瓷覆铜板将在新型电力半导体模块的封装中得到广泛应用。但AlN是一种共价键较强的非氧化物,在高温下很难与铜湿润而键合,因此必须在AlN表面形成一定厚度且非常致密的氧化层作为过渡层,这是当今解决Cu-AlN牢固键合的关键。   6、结束语   IGBT模块用低热阻陶瓷覆铜板(DBC)是在高温(>1000℃)和流动(N2+O2)气氛下、温度控制精度(±0.25 ℃)的条件下,采用本公司自主创新研发的铜箔预处理减少键合空洞率的专有工艺技术和“冷-热阶梯循环冷却”应力消除专有工艺技术,把0.38㎜(或0.25㎜)厚的Al2O3陶瓷板与0.3㎜(或0.15㎜)厚的铜箔牢固地键合在一起。由于采用上述专用设备和特殊工艺技术,使DBC陶瓷覆铜板的成品率大大提高,键合强度提高,键合面几乎没有空洞,热阻大大降低(约为0.19K/W)。这些优点非常有利于IGBT模块的封装,使模块总热阻降低,增加模块输出功率,并使IGBT模块的稳定性和可靠性提高。目前,本项目已获国家发改委新型电力电子产业化专项支持,公司已能大批量生产IGBT模块用低热阻陶瓷覆铜板。   参改文献   1.Dr.JuergenSchulz-Harder Dr.KarlExel.Recent,Developments of Direct Bonded Copper(DBC)Substrates for Power Modules(J).Power Electronics 2003 Vol.1 No5;42~47.   2.谢进.铜-陶瓷键合机理及其规律的研究[博士论文].西安交通大学.1995.   3.吴济钧.电力半导体模块及其发展趋势[J]电源技术应用2001年8月第8期.53~59。   4. 吴济钧,吴莉莉.电力半导体模块及其工艺技术.[J]半导体情报,第38卷,第1期.2001年2月.23~27.   作者简介:   李磊(1976-),男,山东淄博人,高级工程师,研究方向为陶瓷覆铜板技术。   填写您的邮件地址,订阅我们的精彩内容:
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