[发明专利]一种活性金属化钎焊氮化硅陶瓷覆铜基板的制备工艺

说明书

本发明公开一种活性金属化钎焊氮化硅陶瓷覆铜基板的制备工艺，包括以下步骤：S1：配制钎焊料浆：按以下质量份取Ni、Ag、W、Ar，其中，Ni：40份‑95份；Ag：2份‑10份；W：2份‑45份；Ar：1份‑5份，混合得到金属化浆料；S2：将所述金属化浆料双面印刷在氮化硅陶瓷基板上，形成钎焊浆膜；S3：在每一片氮化硅陶瓷基板外用两片无氧紫铜片夹持，得到氮化硅陶瓷铜片基板；S4：在真空室条件下，对夹持状态下的氮化硅陶瓷铜片基板进行热处理；S5：在所述真空室充入高纯氮气、强制冷却，得到氮化硅陶瓷覆铜基板。本案适用于氮化硅陶瓷活性焊接，具有制备工艺简单、印刷特性优良、与氮化硅陶瓷润湿性良好以及焊接后结合强度高的特点。

技术领域

本案属于陶瓷金属化技术领域，主要涉及一种高性能活性金属化钎焊氮化硅陶瓷覆铜基板的制备工艺。

背景技术

绝缘栅双极晶体管(IGBT：Insulated Gate Bipolar Transistor)是实现电能转换和控制的最先进的电力电子器件，大规模应用于电动汽车、电力机车、智能电网等领域。氮化硅陶瓷覆铜板既具有陶瓷的较高的导热性、高电绝缘性、高机械强度、低膨胀等特性，又具有无氧铜的高导电性和优异的焊接性能。采用活性金属焊接工艺(AMB)制备氮化硅陶瓷覆铜基板，在下一代大功率模块上将有广泛的应用。IGBT模块是实现电能转换和控制的最先进的电力电子器件，具有输入阻抗大、驱动功率小、开关速度快、工作频率高、饱和压降低、安全工作区大和可耐高电压和大电流等优点，被誉为现代工业变流装置的“CPU”，在轨道交通、航空航天、新能源汽车和风力发电等战略性产业广泛应用。高压大功率IGBT模块技术门槛较高，难度较大，特别是要求封装材料散热性能要好、可靠性要高、载流量要大。但是国内相关技术水平落后导致国内高压IGBT市场被欧、美、日等国家所垄断，高压IGBT产品价格高、交货周期长、产能不足，严重限制了我国动力机车、电动汽车和新能源等领域的发展。

高压大功率IGBT模块所产生的热量主要是通过陶瓷覆铜板传导到外壳而散发出去的，因此陶瓷覆铜板是电力电子领域功率模块封装的不可或缺的关键基础材料。陶瓷覆铜板集合了功率电子封装材料所具有的各种优点：

1)陶瓷部分具有优良的导热耐压特性;

2)铜导体部分具有极高的载流能力;

3)金属和陶瓷间具有较高的附着强度和可靠性;

4)便于刻蚀图形，形成电路基板;

5)焊接性能优良，适用于铝丝键合。

陶瓷基板材料的性能是陶瓷覆铜板性能的决定因素。目前，已应用作为陶瓷覆铜基板有三种陶瓷材料，分别是氧化铝陶瓷基板、氮化铝陶瓷基板和氮化硅陶瓷基板。氧化铝基陶瓷基板是最常用的陶瓷基板，由于它具有好的绝缘性、好的化学稳定性、好的力学性能和低的价格，但由于氧化铝陶瓷基片相对低的热导率、与硅的热膨胀系数匹配不好。作为高功率模块封装材料，氧化铝材料的应用前景不容乐观。

氮化铝覆铜板有非常高的热导率，散热快；在应力方面，热膨胀系数与硅接近，整个模块内部应力较低，提高了高压IGBT模块的可靠性。但是1）遇热工作环境下易氧化；2）氮化硅陶瓷具有低的2.4倍于氧化铝和氮化铝的抗弯强度，因此具有比氮化铝和氧化铝高的多的可靠性，尤其是高强度可以实现其与厚铜基板的覆接，大幅提高基板的热性能。相对于氮化铝和氧化铝，氮化硅陶瓷覆铜板在电流承载能力、散热能力、力学性能、可靠性等方面均具有明显优势。同时，β-Si3N4陶瓷具有潜在的较高热导率( 200~320W/m•K)，但是其微观结构更为复杂，对声子的散射较大，故热导率较低[]，限制了其作为功率模块基板材料的应用。