[发明专利]一种覆铝陶瓷绝缘衬板的制备方法

说明书

本发明涉及覆铝陶瓷绝缘衬板的制备方法，包括：(1)陶瓷金属化层制备，在基板表面形成均匀铝金属化层；(2)表面镀，在高纯铝箔或陶瓷基板表面形成均匀微米级镀层；(3)瞬间液相扩散焊接，陶瓷基板双面贴合高纯铝箔，瞬间液相扩散焊接后得覆铝陶瓷绝缘衬板。本发明采用高温浸润性烧结制备铝金属化层，获得高纯度及高键合强度的铝金属化层；采用表面镀工艺，在铝面均匀形成微米级镀层，作为瞬间液相扩散焊接的中间层，同时消除了铝表面的氧化层；采用瞬间液相扩散焊接成型，中间层溶解、扩散至铝箔和金属化层中，避免了界面层产生金属间化合物，保持高纯铝面成分，可降低覆铝陶瓷绝缘衬板制造成本，工艺可控，且良率高，适宜进行批量生产。

技术领域

本发明属于陶瓷绝缘衬板制备技术领域，具体涉及一种覆铝陶瓷绝缘衬板的制备方法。

背景技术

直接键合铜基板(Direct Bonding Copper，DBC)具有陶瓷的高导热、高电绝缘、高机械强度、低膨胀等特性，又兼具无氧铜的高导电性和优异焊接性能，且能像PCB线路板一样刻蚀出各种图形，是一种广泛应用于半导体模块电子电路板的陶瓷衬板。然而，在铜和陶瓷基板界面处，Cu₂O的形成引起了大量的残余应力，导致DBC衬板界面出现裂纹。

为了克服该缺陷，直接结合铝(DBA)以铝(Al)代替铜(Cu)作为电路金属的新型材料，为大功率半导体器件封装用绝缘衬板提供了一种新的选择。由于Al具有比铜更好的塑性，使得DBA基板在热循环的工作环境中表现出比DBC基板具有更高的可靠性。采用Al代替铜制备覆铝陶瓷基板时，陶瓷主要以氮化铝陶瓷为主。

相对于直接键合铜，氮化铝覆铝陶瓷衬板的制备难点在于：铝与氮化铝陶瓷的润湿性很差，当温度低于700℃时，铝熔体与氮化铝陶瓷的润湿角大于90°基本不会对瓷片进行润湿，即无法有效键合；温度升高至900℃以上时，其浸润性明显增强，但此时温度高于铝的熔点，铝箔覆接成型困难。

为了解决该技术问题，现有技术中进行了诸多探索，如下：

US6183875 B1中提出采用一种特殊工装模具，将熔融的铝熔体倒入模具中，然后将瓷片浸入熔体，再通过特殊规格模具进行直接成型冷却。其熔体温度较高，可形成有效键合，但熔体纯度控制难，直接成型，铝面纯度难以达到高纯1A99级别。

CN102756515B中提出采用物理气相沉积的方法蒸镀铝膜再进行钎焊制备氮化铝覆铝陶瓷衬板。该方法设备投入大，且蒸镀层较薄，键合性能难以控制，成本高，效率低，难以形成量产；

CN103508745B中提出采用低熔点轧制金属复合板的工艺制备氮化铝覆铝陶瓷衬板，该方法采用金属复合板为合金板，其电导率较低。

CN109309065A中采用的是特殊模具进行渗铝，完成基板的制备，对熔体质量要求高。铸铝产生的气孔、氧化、夹杂等缺陷，直接影响基板的电导率等重要特征。

尽管上述技术能够实现陶瓷绝缘衬板直接覆铝，但工艺控制难，成本过高，难以大批量生产。

以氮化铝覆铝陶瓷绝缘衬板为例，其在电力电子器件中的应用适用场合为大功率高温半导体器件，工作温度可达200℃-400℃，且可靠性明显优于氮化铝陶瓷覆铜基板。随着第三代半导体SiC，GaN的发展，大功率高温半导体器件的在高铁、新能源车、航空航天等领域的应用将越来越普及，其对器件封装用绝缘衬板的要求越来越苛刻，亟待开发一种高效、低成本的覆铝陶瓷绝缘衬板。

发明内容

本发明依托上述研究进行，针对覆铝陶瓷绝缘衬板工艺控制难，成本过高的缺陷，对制备工艺进行改进，提供了一种覆铝陶瓷绝缘衬板的制备方法。

发明人前期已经提出两种改进工艺，本发明属于第三种改进方式，先在陶瓷基板表面形成一层高纯、高键合强度铝金属化层，然后在高纯铝箔或陶瓷基板表面形成均匀的微米级镀层，而后通过瞬间液相扩散焊接，将铝箔与陶瓷基板直接键合，制备覆铝陶瓷绝缘衬板。