[發明專利]一種功率模塊金屬化陶瓷基板及金屬化方法

有效

• 申請號: 201110214212.6
• 申請日: 2011-07-28
• 公開（公告）號: CN102896832A
• 公開（公告）日: 2013-01-30
• 發明（設計）人: 杜昊;肖伯律;宋貴宏;趙彥輝;肖金泉;熊天英
• 申請（專利權）人: 中國科學院金屬研究所
• 主分類號: B32B15/04
• 分類號: B32B15/04;B32B18/00;C23C14/35;C23C14/32;C23C14/18;C23C28/02
• 代理公司: 沈陽優普達知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 21234
• 代理人: 張志偉

技術領域

本發明涉及陶瓷表面改性領域，具體地說是一種功率模塊金屬化陶瓷基板和采用磁控濺射和/或電弧離子鍍技術以及化學鍍和/或電鍍技術在功率模塊陶瓷基板上沉積厚度可達1毫米的復合金屬涂層的功率模塊陶瓷基板表面金屬化方法，用以賦予陶瓷基板高導電（載流）、高導熱以及良好焊接性能，實現改性目的。

背景技術

在高新技術飛速發展的今天，電子器件的高性能、高可靠性、高密度要求所用的基板材料必須具有良好的機械性能、電性能、散熱性能和焊接性能。實現這一目標的途徑是對陶瓷基板進行金屬化，即在片式陶瓷基板上接合一層具有一定厚度的粘合力強、熱匹配性能好、導電和導熱性能好以及可焊接的金屬。這種金屬/陶瓷接合基扳的主要特點為高絕緣耐壓、載流能力強、熱導率高和焊接性好。目前可采用的陶瓷表面金屬化的方法主要有：離子注入、等離子噴涂、真空電子蒸鍍、直接覆銅、化學鍍、金屬粉末燒結等。

功率模塊尤其是大功率、超大功率模塊用基板的金屬化對接合的金屬層的粘合力、熱匹配性能、導電性和導熱性能提出了更高的要求。目前，應用于功率模塊陶瓷（如A1₂0₃和AlN）金屬化的方法主要是直接敷銅法和化學鍍法。

直接覆銅法(Direct?Bonded?Copper?method；DBC法)是基于Cu-CuO在共晶溫度對于金屬銅箔和A1₂0₃陶瓷基板都能很好地潤濕這一技術特點發展起來的。DBC方法用于A1₂0₃陶瓷的最大優點是：金屬銅箔與陶瓷粘附力高；銅箔良好的導熱能力可以充分發揮陶瓷基板的散熱熊力。同時，由于銅箔厚度最大可達幾個毫米，使載流能力大大增強。但是，采用該方法獲得的金屬化A1₂0₃陶瓷在Cu-A1₂0₃界面不可避免存在過渡層，降低了其導熱和散熱性能；同時，該方法還存在工藝控制難、成品率不理想等問題。將該方法用于AlN陶瓷表面金屬化時以上問題將變得更加突出。當對AlN基板金屬化時，必須事先對AlN陶瓷表面進行氧化預處理，以使其表面形成A1₂0₃薄層，然后重復A1₂0₃陶瓷基板金屬化的步驟。因此，Cu-AlN界面不僅依舊存在著過渡層導致的降低導熱和散熱性能問題，同時引入的A1₂0₃層將嚴重降低整個體系的導熱和散熱性能。另外，在氧化預處理時要嚴格控制溫度、氣氛和時間，否則將出現結合強度差或A1₂0₃薄層過厚等問題。

化學鍍法是指利用還原劑溶液中的金屬離子還原在呈催化活性的陶瓷基板表面，使之形成金屬鍍層。化學鍍法金屬化主要是機械聯鎖結合，結合強度很大程度上依賴于基體表面的粗糙度。在一定范圍內，基體表面的粗糙度越大，結合強度越高。該方法的優點是設備簡單、成本低廉、無需二次高溫處理、易于大規模生產，但不足之處是結合強度較差、表面粗糙和可焊性不理想。

發明內容

針對現有技術中存在的不足，本發明提供了一種新型的功率模塊陶瓷基板表面金屬化的方法。

為了實現上述目的，本發明的技術方案是：

一種功率模塊金屬化陶瓷基板，包括：陶瓷基板和陶瓷基板上的復合金屬涂層，復合金屬涂層從陶瓷基板開始依次為第一金屬層和位于外層的第二金屬層；其中：第一金屬層選自高導熱、高導電金屬材料銅或銀，與陶瓷基板表面無過渡層為擴散結合，或擴散結合與化學鍵混合的結合方式結合，第一金屬層為復合金屬涂層與陶瓷基板提供了良好的結合；第二金屬層，為具有大功率或超大功率載流能力以及高導熱能力的金屬材料銅、銀、銅合金或銀合金層，其與第一金屬層之間為化學鍵結合。

第一金屬層的厚度為0.1-5微米。

第二金屬層的厚度為50-1000微米。

上述的功率模塊金屬化陶瓷基板中復合金屬涂層還可包括第三金屬層，第三金屬層位于第一金屬層外，材料選自抗氧化能力強和可焊接性高的金屬材料銀、金、錫或鎳，厚度為0.1-5微米，第三金屬層與第二金屬層之間為化學鍵結合、擴散結合或擴散結合與化學鍵混合的結合方式。

上述三層金屬層加起來的總厚度小于1毫米。

陶瓷基板為氧化物陶瓷材料、氮化物陶瓷材料或碳化物陶瓷材料，選自氮化鋁、氧化鋁、氮化硅、碳化硅以及氮化硼等。