陶瓷基覆铜板性能要求与标准

陶瓷基覆铜板性能要求与标准

从前面论述可以看出，陶瓷基覆铜板是根据电力电子模块电路的要求进行了不同的功能设计，从而形成了许多品种和规格的系列产品。这里主要介绍以Al2O3陶瓷-Cu板（100~600μm）进行直接键合的陶瓷基覆铜板，因为此种规格是目前生产规模最大，应用范围最广，应用效果最好的一种产品。

一、Al2O3-----DBC的制作

Al2O3-DBC就是指采用Al2O3陶瓷片与铜板在高温和惰性气体中直接键合而成的陶瓷基覆铜板。其制作流程为：

这里所使用的Al2O3瓷片一般是指Al2O3含量96%，适用于薄膜电路或厚膜电路的电子陶瓷片经特殊加工处理而成。

二、Al2O3-DBC的制作的键合机理

在高温下含氧量一定的气氛中，金属铜表面氧化形成一薄层Cu2O,温度高于低共熔点时，出现Cu-Cu2O 共晶液相，其中的Cu2O相与Al2O3陶瓷有着良好的亲和性，使界面能降低，共晶液相能很好地润湿铜和陶瓷。同时液相中的Cu2O与Al2O3发生化学反应，形成CuAlO2：

冷却后通过Cu-Al-O化学键，Cu2O与Al2O3陶瓷牢固键合在一起。在Cu2O与金属接触的另一端，以Cu-O离子键将Cu2O与铜层紧密联接起来，但是这一层的键合力与Cu2O/Al2O3反应键合相比要小一些。从拉脱试验中可以看出，当铜层拉离了瓷体，在陶瓷上留下粉红色岛状的Cu2O晶粒。

三、Al2O3-DBC覆铜板的性能要求

1 铜导带和Al2O3陶瓷基片在高温适合的气氛中直接键合，具有较高的导热性。热导率为:14~28W/m.K.

2 DBC的热膨胀系数同于Al2O3基片（7.4x10-6/℃），与Si相近并和Si芯片相匹配，可以把大型Si芯片直接搭乘在铜导体电路上，省去了传统模块中用钼片等过渡层。

3 由于DBC制作主要以化学键合为主，所以键合强度十分高，拉脱强度大于50N/mm2，剥离强度大于9N/mm。

4 基板耐可焊接性好，使用温度高。传统PCB一般在260℃ 60s左右，DBC成型温度在1000℃左右，在260℃可以多次焊接，-55~+88范围内长期使用具有优异的热可靠性。

5 可以利用传统PCB制作工艺设备进行精细线路的加工制作。具有通用性，适宜于大批量生产。

6 引线和芯片可焊性好。

7 不会产生金属迁移。

8 耐电压高（15kY/mm）

9 绝缘层电阻率高（一般大于1x10 14Ω.mm）。导电层铜电路的电阻率极其低（2.5x10-6Ω.mm），电流通过时发热。

10 导电层100~600/μm，可根据电路模块设计任意的大电流。

11 导电铜电路的电阻率极其低（2.5x10-6Ω.mm），电流通过时发热。

12 高频损耗小（tanδ<10-3），可进行高频电路的设计和组装。

13 可进行高密度组装，实现短、小、轻、薄化。

14 不含有机组分，耐宇宙射线，在航天航空方面可靠性高，使用寿命长。

15 导体铜具有极好的可塑性，可进行大面积模块组装。

四、Al2O3-DBC的性能指标及标准

陶瓷基覆铜板（DBC）在耐热性、散热性、耐宇宙射线、绿色环保性以及高低温循环老化试验方面的优异性能是传统覆铜板无法比拟的。从文献查阅看，国外目前还没有一个统一完整的标准，甚至与各个企业的生产标准相关报道也十分稀少。我国目前制定的最完整最权威的标准是国营第704厂制订，经中国电子技术标准化研究所评审确认的企业军用标准。该标准是根据常规覆铜板的一些性能要求并参考借鉴铜箔（电解铜箔或压延铜箔）、陶瓷基片（厚膜电路和薄膜电路用电子陶瓷基片）等相关标准以及陶瓷覆铜板的具体加工特点，规格尺寸等进行制订的。表4-6是陶瓷覆铜板主要性能及指标一览表。

五、其他氧化物DBC

由于各种氧化物陶瓷的化学性能、物质结构不尽相同。因此，高温下生成共晶熔，继而生产345 的过程存在着一定的差异。选择MgO,CaO,ZnO,2MgO.SiO2,BaTiO3,TiO2,SiO2,ZrO2,AIN,BN,SiC进行与Cu-Al2O3一样的键合，结果表明:TiO2,SiO2,ZrO2等陶瓷能与铜形成牢固的键合，剥离强度都在10N/mm以

上;ZnO,2MgO.SiO2,BaTiO3陶瓷与铜也键合良好，但键合力要小一些，约在9N/mm；而MgO,CaO,AIN,BN,SiC 则不能直接形成键合。

六、影响铜陶瓷键合的因素

（一）陶瓷的化学键性的影响

实验结果表明，铜与大多数金属氧化物陶瓷及其盐类能形成良好的键合。一般来说，这些陶瓷都是离子键较强的化合物。Cu-Cu2O共晶熔体在高温下对氮化铝陶瓷的润湿性较差，与氮化铝陶瓷属共价键化合物有着很大的关系。Al-N间很强的共价键以及共价键极强的方向性，使氮化铝陶瓷具有良好的化学稳定性，高温下难以与金属及其氧化物发生化学反应。因而，可以推断共价键性较强的陶瓷（如AIN,BN,SiC等陶瓷）不能与铜形成直接键合，必须有一层氧化物相作为过渡层。

金属氧化物因其组成结构以及元素的化学性能上的差别，可分为酸性氧化（如TiO2,ZrO2,MoO3,Sb2O3等）、碱性氧化物（如BaO,BeO,MgO,CaO,ZnO,Cu2O等）和两性氧化物（如Al2O3）。对于共晶熔体中的Cu2O

属于碱性氧化物，因此，可以推断共晶熔体对一些酸性及两性氧化物陶瓷有着良好的化学亲和性，而对一些碱性较强的氧化物（如MgO,CaO）湿润性能力较差。实验表明在键合工艺下铜层可与石英玻璃以及

TiO2,ZrO2陶瓷牢固粘合在一起，键合后剥离强度都大于10N/m。而对于MgO,Cao陶瓷在键合温度下保温足够长的时间仍不能与铜层形成键合。对于一些碱性较弱的金属氧化物如ZnO陶瓷则可以与铜键合在一

起,Cu-ZnO陶瓷键合强度的测试表明剥离强度在90N/cm; 左右，与Al2O3,TiO2,SiO2等陶瓷相比键合力要小一些。

尽管Cu-Cu2O共晶熔体对一些碱性较强的金属氧化物陶瓷的润湿性较差，但当其中引入一些酸性氧化物形成偏于中性的盐类时（如硅酸镁、钛酸钡等）则润湿性大为改观。实验也表明了铜与2MgO.SiO2,BaTiO3陶瓷能形成良好键合，但与铜-TiO2,SiO2陶瓷键合相比键合力稍小一些。

（三）Cu2O与氧化物陶瓷低共熔点的影响

尽管在铜>陶瓷键合的温度下，Cu2O与大多数氧化物陶瓷还没能形成低共熔相，但如果键合温度与这一低温度较接近时可以增强陶瓷表面的活性，更好地促进Cu-Cu2O共晶熔体对陶瓷的湿润。表4-4列出了Cu2O与其他氧化物陶瓷形成低共熔点的温度。从表中可以看出Al2O3,ZrO2,SiO2和Cr2O3陶瓷与Cu2O形成低共熔相的温度不是很高，铜_陶瓷键合的温度（约1080℃左右）比较接近，有的甚至低于这一温度（如SiO2）。因而在键合的工艺条件下Cu2O与陶瓷晶粒的界面之间已有很大的活性,Cu-Cu2O共晶熔体能很好地湿润陶瓷，冷却后形成牢固的键合。而Cu2O与MgO陶瓷之间由于形成低共熔点的温度要高得多，因而在相对较低的温度下不易形成键合。

（四）氧化物结构的影响

键合时铜_陶瓷界面发生微观结构的变化或进行化学反应，不可缺少的因素就是在界面间发生原子迁移。当Cu2O与Al2O3陶瓷发生化学反应时，其中的铜元素通过扩散将渗透到Al2O3陶瓷晶格中，形成Cu-Al-O 键（尽管这一反应层很薄），从而形成牢固的化学键合。因此，铜能否与其他氧化物陶瓷形成键合，与键合时氧化物的结构是否便于铜元素的扩散将有一定的关系。

外来原子在晶体中的扩散主要是通过置换和填隙这两种方式进行的。而置换方式要求两个金属离子的尺寸相近，离子半径相差应小于15%。对于Cu+离子的半径为0.95x10-10m比一般的金属离子半径要大，不易形成置换式固溶。各种金属的离子半径见表4-7。

主要是以填隙方式进入晶格的间隙中。形成填隙固溶体的能力与基质的晶体结构有关。在面心立方结构的MgO中，能利用的填隙位置仅仅是4个氧离子包围的四面体的位置。而在金红石结构的TiO2中通常有空着的八面体间隙；萤石结构中（如ZrO2）有八重配位的较大间隙，在一些网状硅酸盐结构中间隙位置更大。因此在键合条件下，铜较易于与TiO2,SiO2,ZrO2等氧化物陶瓷形成键合，而与MgO陶瓷键合比较困难。