[发明专利]铜-陶瓷复合物

说明书

本发明涉及一种铜‑陶瓷复合物，其包含：含有氧化铝的陶瓷衬底，所述氧化铝的粒度在0.01μm到25μm范围内且所述粒度量分布具有中值d₅₀和算术平均值d_arith，且d₅₀与d_arith之比在0.75到1.10范围内；提供在所述陶瓷衬底上的由铜或铜合金制成的涂层。

本发明涉及一种铜-陶瓷复合物，以及含有此复合物并且可以用于电力电子组件中的模组。

陶瓷电路支撑件具有高导热性、高尺寸稳定性或机械强度以及高绝缘强度，因而在大功率电子元件领域中备受关注。

如直接铜接合(通常称为DCB方法)或活性金属钎焊(通常称为AMB方法)的各种方法可用于使陶瓷衬底金属化。

在陶瓷衬底被金属化之后所获得的复合物材料也被称为金属-陶瓷衬底或金属-陶瓷复合物。如果其例如通过DCB方法生产，那么也常使用术语“DCB衬底”。

DCB方法利用了氧气使铜的熔点1083℃降低到1065℃的共晶熔点这一事实。在陶瓷衬底金属化之前使铜箔氧化或在高温方法期间(例如在介于1065℃到1080℃范围内的温度下)引入氧气会形成薄共晶熔融层。此层与陶瓷衬底的表面反应，以使得陶瓷和金属可以彼此牢固地接合。

DCB方法描述于例如US 3,744,120或DE 23 19 854中。

举例来说，金属化可以仅在陶瓷衬底的一个侧面上进行(“单层接合”SLB)，或作为一个替代方案，在陶瓷衬底的两个侧面上同时进行(“双层接合”DLB)。还有可能首先通过第一SLB步骤来使衬底的第一侧面金属化，随后还在另一SLB步骤中使衬底的相对侧面金属化。

也已知例如通过蚀刻方法来使经过涂覆的金属涂层结构化以形成导体迹线。

在许多电力电子应用中，金属-陶瓷复合物会经受高温变化应力，在这种情况下可能发生显著的温度变化(例如介于-40℃到+150℃范围内)。

由于陶瓷衬底和金属涂层的热膨胀系数不同，因此在发生温度波动的情况下在这些层之间的过渡处产生大量机械应力，并且这些应力最终可能引起金属从陶瓷表面至少部分脱离。众所周知，在宏观水平上，在金属层外周区中对其进行特定结构化，可以减小拉伸和压缩应力，并且因此改进耐热冲击性。DE 40 04 844 A1和DE 43 18 241 A1描述陶瓷衬底上的金属涂层，所述涂层在其边缘处具有呈凹口或孔洞形式的外周弱化部分。

在操作中发生的温度变化应力可导致陶瓷破裂。此外，在运输期间或在安装到电子组件期间，可能出现机械应力，其同样会导致陶瓷破裂。

为了尽可能地减少由于温度变化应力或其它机械应力引起的陶瓷破裂，金属-陶瓷复合物的陶瓷衬底应该具有极高的机械强度(例如呈极高的弯曲断裂强度形式)。

在操作中，结构化金属涂层例如与如芯片的电子组件接触。在这些电子组件的区域中，可能存在相当大的热量释放。这种热量应尽可能快地通过陶瓷衬底消散。

因此，原则上，希望陶瓷衬底不仅具有良好的机械强度而且具有极高的导热性。然而，在实际实践中，已证明难以同时优化两种特性。一个参数的改进经常以另一个参数为代价来实现。

应用于电子元件的铜-陶瓷复合物的其它相关特性还为耐高温变化性；金属涂层与陶瓷表面的极强接合，其中即使在长时间的温度变化应力下，此接合也应保持足够强；以及铜涂层相对于接合线的良好接合行为。

在DE 10 2012 110 322中，关于其粉粒结构(即，其在微观水平上的结构)更详细地定义金属-陶瓷复合物的陶瓷衬底。陶瓷衬底含有用氧化锆加强的氧化铝，其中氧化铝的平均粒度介于2-8μm范围内，并且Al₂O₃粉粒的粉粒边界长度与所有粉粒边界的总长度之比0.6。根据DE 10 2012 110 322，此粉粒结构有助于改进导热性。