[发明专利]一种功率模块金属化陶瓷基板及金属化方法

说明书

技术领域

本发明涉及陶瓷表面改性领域，具体地说是一种功率模块金属化陶瓷基板和采用磁控溅射和/或电弧离子镀技术以及化学镀和/或电镀技术在功率模块陶瓷基板上沉积厚度可达1毫米的复合金属涂层的功率模块陶瓷基板表面金属化方法，用以赋予陶瓷基板高导电（载流）、高导热以及良好焊接性能，实现改性目的。

背景技术

在高新技术飞速发展的今天，电子器件的高性能、高可靠性、高密度要求所用的基板材料必须具有良好的机械性能、电性能、散热性能和焊接性能。实现这一目标的途径是对陶瓷基板进行金属化，即在片式陶瓷基板上接合一层具有一定厚度的粘合力强、热匹配性能好、导电和导热性能好以及可焊接的金属。这种金属/陶瓷接合基扳的主要特点为高绝缘耐压、载流能力强、热导率高和焊接性好。目前可采用的陶瓷表面金属化的方法主要有：离子注入、等离子喷涂、真空电子蒸镀、直接覆铜、化学镀、金属粉末烧结等。

功率模块尤其是大功率、超大功率模块用基板的金属化对接合的金属层的粘合力、热匹配性能、导电性和导热性能提出了更高的要求。目前，应用于功率模块陶瓷（如A1₂0₃和AlN）金属化的方法主要是直接敷铜法和化学镀法。

直接覆铜法(Direct Bonded Copper method；DBC法)是基于Cu-CuO在共晶温度对于金属铜箔和A1₂0₃陶瓷基板都能很好地润湿这一技术特点发展起来的。DBC方法用于A1₂0₃陶瓷的最大优点是：金属铜箔与陶瓷粘附力高；铜箔良好的导热能力可以充分发挥陶瓷基板的散热熊力。同时，由于铜箔厚度最大可达几个毫米，使载流能力大大增强。但是，采用该方法获得的金属化A1₂0₃陶瓷在Cu-A1₂0₃界面不可避免存在过渡层，降低了其导热和散热性能；同时，该方法还存在工艺控制难、成品率不理想等问题。将该方法用于AlN陶瓷表面金属化时以上问题将变得更加突出。当对AlN基板金属化时，必须事先对AlN陶瓷表面进行氧化预处理，以使其表面形成A1₂0₃薄层，然后重复A1₂0₃陶瓷基板金属化的步骤。因此，Cu-AlN界面不仅依旧存在着过渡层导致的降低导热和散热性能问题，同时引入的A1₂0₃层将严重降低整个体系的导热和散热性能。另外，在氧化预处理时要严格控制温度、气氛和时间，否则将出现结合强度差或A1₂0₃薄层过厚等问题。

化学镀法是指利用还原剂溶液中的金属离子还原在呈催化活性的陶瓷基板表面，使之形成金属镀层。化学镀法金属化主要是机械联锁结合，结合强度很大程度上依赖于基体表面的粗糙度。在一定范围内，基体表面的粗糙度越大，结合强度越高。该方法的优点是设备简单、成本低廉、无需二次高温处理、易于大规模生产，但不足之处是结合强度较差、表面粗糙和可焊性不理想。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种新型的功率模块陶瓷基板表面金属化的方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种功率模块金属化陶瓷基板，包括：陶瓷基板和陶瓷基板上的复合金属涂层，复合金属涂层从陶瓷基板开始依次为第一金属层和位于外层的第二金属层；其中：第一金属层选自高导热、高导电金属材料铜或银，与陶瓷基板表面无过渡层为扩散结合，或扩散结合与化学键混合的结合方式结合，第一金属层为复合金属涂层与陶瓷基板提供了良好的结合；第二金属层，为具有大功率或超大功率载流能力以及高导热能力的金属材料铜、银、铜合金或银合金层，其与第一金属层之间为化学键结合。

第一金属层的厚度为0.1-5微米。

第二金属层的厚度为50-1000微米。

上述的功率模块金属化陶瓷基板中复合金属涂层还可包括第三金属层，第三金属层位于第一金属层外，材料选自抗氧化能力强和可焊接性高的金属材料银、金、锡或镍，厚度为0.1-5微米，第三金属层与第二金属层之间为化学键结合、扩散结合或扩散结合与化学键混合的结合方式。

上述三层金属层加起来的总厚度小于1毫米。

陶瓷基板为氧化物陶瓷材料、氮化物陶瓷材料或碳化物陶瓷材料，选自氮化铝、氧化铝、氮化硅、碳化硅以及氮化硼等。