[发明专利]将金属陶瓷基底与金属体接合的方法

说明书

技术领域

本发明涉及将金属陶瓷基底与金属体接合的方法。所得到的金属陶瓷模块尤其可以在功率半导体模块的领域中用作电路载体。

背景技术

这些电路载体通常是在其上侧和下侧具有金属化结构(metallization)例如铝或铜的陶瓷，例如氧化物陶瓷，其中至少一个金属化的侧面具有电路结构。连接到陶瓷基底的金属体尤其是用于传导在操作启动或停止的过程中在功率电子元件中发出的热量。

将陶瓷基底紧固到用于排除热量的金属体的现有技术，例如就模块基板而言，是将元件粘合在一起，例如通过利用SnPb、SnAg、SnAgCu或相应的适当的钎焊材料软钎焊。这样的方法例如在专利申请US 2010068552A1中的描述。使用的金属体通常具有的厚度是在3毫米至10毫米的范围内。

然而，陶瓷基底和通常由铜(Cu)构成的基板通过软钎焊的粘合，由于电源模块的循环热应力会导致钎焊层中的裂纹和分层，这可能首先减少热传递，也会导致元件故障。直到例如由于使用时的循环热应力而形成裂纹时的机械负荷循环的数量不仅取决于陶瓷基底、基板和钎焊材料的机械性能，例如热膨胀系数和E模量，而且取决于有效温度变化、钎焊厚度和侧面基底的尺寸。

用于将陶瓷基底接合到金属体的硬钎焊材料的使用也已经是公知的。

例如，专利申请EP 0 827 198 A1描述了利用包含活泼金属例如钛、铬或铪的硬钎焊材料将陶瓷基底接合到铜板的方法。单个的部件在真空熔炉中受压并在850℃或1063℃加热以形成粘合。

专利申请EP 0 788 153 A2公开了利用具有不大于1000℃的熔点和基本上包括镍、铜和/或铁的焊料将陶瓷基底接合到金属层的方法。例如，提到了利用磷化镍(NiP)，其首先在600℃时接合到陶瓷基底，随后在970℃接合到金属层。据称产生的焊料粘合层的厚度从2μm到40μm。

专利申请EP 0 969 511 A2也涉及将陶瓷基底粘合到金属层的方法，其中使用的焊料具有不超过1000℃的熔点，并且基本上包括镍、铜和/或铁。例如，提到了利用磷化镍(NiP)，其首先在600℃时接合到陶瓷基底，随后在970℃接合到金属层。

然而，该工艺不适合将至少在一侧上具有金属化结构的陶瓷基底紧固到用于排热的金属体，因为电源模块的循环热应力会导致裂纹和分层的形成，这可能首先减少热传递，并且导致元件故障。此外，该工艺尤其是因为相当高的温度，极其复杂和昂贵。

除了钎焊方法之外，还已知的是直接粘合方法，例如直接铜粘合(DCB，Direct Copper Bonding)，直接铝粘合(DAB，Direct Aluminium Bonding)和活泼金属硬钎焊(AMB，Active Metal Brazing)，其中金属在高温下熔化，产生的熔融物之后被施加到陶瓷基底，随后固化。这样的方法，例如在专利申请EP 0 676 800 A2，EP 1 187 198 A2和EP 2 214 202 A2中公开，其描述了生产铝金属化陶瓷基底的方法以及将这样的基底接合到由铝或铝合金组成的基板的方法。

此外，专利申请EP 1 187 198 A2与上述的工艺比较，在试验部分，具有一方法，其中氮化铝陶瓷基底首先利用包括87.5％重量的铝和12.5％重量的硅的焊料印刷，之后卷绕的铝片设置在陶瓷基底上，该组件在真空熔炉中加热到575℃，然后通过无电镀方法(参见EP 1 187 198 A2；比较例1)镀镍。

然而，这些文献中的方法在它们所公开的方式中，尤其是因为单部件加工和因为相当高的温度，极其复杂和昂贵。所使用的基板的厚度和屈服应力的限制，如在EP 2 214 202 A2中的描述，也导致可能的应用范围的限制。屈服应力的限制的原因是这样的，当受热时，系统中的机械应力增加，其通过提出的低屈服应力值减小到可由陶瓷基底承受的值。

最后，近来的文献已经提出烧结或扩散焊接以将陶瓷基底粘合到金属体。

然而，低温烧结技术，其在近年来已经成功地使用，尤其是对于芯片粘接(die attach)方法，其具有有限的适用性，以用于将陶瓷基底结合到金属体，因为在这样的工艺中，从2MPa到20MPa范围内的压力都必须被采用以用于生产烧结连接。就典型的30×40mm²尺寸的基底而言，必须施加2.4kN的力以产生2MPa的结合压力(例如就纳米银技术而言)。