一种陶瓷基板及其制备方法和一种功率模块的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于功率模块技术领域，尤其涉及一种陶瓷基板及其制备方法和一种功率 模块。
【背景技术】
[0002] 在高新技术飞速发展的今天，电子器件的高性能、高可靠性、高密度要求所用的基 板材料必须具有良好的机械性能、电性能、散热性能和焊接性能。功率模块中使用的关键部 件是DBC (Direct Bonded Copper)基板，其为一种金属/陶瓷结合基板，其主要特征为高 绝缘耐压、载流能力强、热导率高。目前，常用于DBC基板的陶瓷主要有AIN、A1 203、BeO,其 性能及厚度如下表1所示。 表1
[0003] 由上表1可知，采用A1N制作陶瓷基板，其强度较低（20(T300MPa)，在当前IGBT功 率模块中使用时其厚度需达到〇. 635_。另外，氮化铝基板的生产条件苛刻、成本高，价格昂 贵，仅有日本丸和、京瓷等少数几家企业能生产。而采用A120 3制作陶瓷基板，其厚度最薄可 达到0. 38_，大大降低了基板尺寸。但其在大功率器件使用中，整体热阻仍然很大，热量难 以充分导出，温升大。采用BeO材料作为电子封装材料时，虽然综合性能较好，但强毒性限 制了其应用。
【发明内容】
[0004] 本发明解决了现有技术中用于DBC基板常见的陶瓷存在的成本高、热阻大且具有 强毒性导致其应用受到大大限制的技术问题，并提供了一种新型的陶瓷基板。
[0005] 具体地，本发明的技术方案为： 一种陶瓷基板，所述陶瓷基板包括具有一体结构的表层和芯层，且所述表层对称分布 于芯层的两侧；所述表层的材质为氧化铝，所述芯层的材质为氧化锆增韧氧化铝；所述氧 化锆增韧氧化铝的化学组成为：〇 < Zr02 < 40wt%，60 < A1203 < 100wt%。
[0006] 所述陶瓷基板的制备方法，包括以下步骤：流延成型制备芯层生坯和表层生坯； 将表层生坯叠放于芯层生坯的两侧，等静压后排胶烧结，得到所述陶瓷基板。
[0007] -种功率模块，所述功率模块中含有DBC基板；所述DBC基板包括陶瓷基板和位于 陶瓷基板表面的金属层；其中，所述陶瓷基板为本发明提供的陶瓷基板。
[0008] 本发明提供的陶瓷基板，其表层为氧化铝陶瓷，芯层为氧化锆增韧氧化铝陶瓷， 其一方面同时利用氧化铝陶瓷的高热导率、氧化锆增韧氧化铝陶瓷的高强度和高韧性，另 一方面该陶瓷基板从表层到芯层其氧化锆含量逐渐增加、对应烧结收缩率逐渐增大，从而 使得基板材料的致密度更高，保证本发明提供的陶瓷基板具有更高的强度和韧性，且无毒， 能在功率模块中得到广泛应用。
【附图说明】
[0009] 图1是本发明提供的陶瓷基板的结构示意图。
[0010] 图2是本发明实施例1制备得到的陶瓷基板S1表层与芯层接触处放大倍率为 2000 的 SEM 图。
[0011] 图中，101--芯层，201--上表层，202--下表层，301--上过渡层，302-- 下过渡层；10-氧化错，20-氧化错,30-气孔。
【具体实施方式】
[0012] 为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合 附图，对本发明进行进一步详细说明。
[0013] 如图1所示，本发明提供了一种陶瓷基板，所述陶瓷基板包括具有一体结构的 表层和芯层101，且所述表层对称分布于芯层101的两侧；所述表层的材质为氧化铝， 所述芯层101的材质为氧化锆增韧氧化铝；所述氧化锆增韧氧化铝的化学组成为：〇 < Zr02 < 40wt%,60 < A1203 < 100wt%。
[0014] 如前所述，所述表层对称分布于芯层101的两侧。具体地，如图1所τκ，所述表层 包括上表层201和下表层202,其中上表层201位于芯层101的上表面，所述下表层202位 于芯层101的下表面。
[0015] 本发明的发明人发现，陶瓷材料的弯曲强度越高，陶瓷片的厚度可以做得越薄。因 此，本发明提供的陶瓷基板，其表层为纯的氧化铝陶瓷，而芯层101则为氧化锆增韧氧化铝 陶瓷，其一方面同时利用氧化铝陶瓷的高热导率、氧化锆增韧氧化铝陶瓷的高强度和高韧 性，另一方面该陶瓷基板从表面到芯部烧结收缩率逐渐增大，使得基板材料的致密度更高， 从而保证本发明提供的陶瓷基板具有更高的强度和韧性，使得本发明的陶瓷基板的厚度可 以更小，从而可在功率模块中得到广泛应用。
[0016] 如前所述，所述陶瓷基板的芯层101的材质为氧化锆增韧氧化铝陶瓷，其化学组 成为：0 < Zr02彡40wt%，60彡A1203 < 100wt%。作为本发明的一种优选实施方式，所述芯 层101的化学组成为：〇 < Zr02彡20wt%，80彡A1203 < 100wt%，此时芯层101中氧化锆 含量与表层中相差不会过大，否则会导致陶瓷基板内外的烧结收缩率相差太大，陶瓷的一 致性能会降低；另外，氧化锆陶瓷热膨胀系数约为llppm/°C，氧化铝陶瓷热膨胀系数约为 6ppm/°C，氧化锆增韧氧化铝陶瓷的热膨胀系数随着氧化锆含量增多而增大，芯部与表层热 膨胀系数相差过大，存在热失配的风险。
[0017] 如前所述，本发明提供的陶瓷基板，所述表层和芯层101为一体结构，不具有间 隙，构成一个完整的陶瓷基板整体。本发明中，对于表层、芯层101的厚度没有特殊要求。优 选情况下，上表层201、下表层202和芯层101的厚度相同。
[0018] 本发明提供的陶瓷基板，其具有较高的强度和韧性，且无毒，能在功率模块中得到 广泛应用。由于其具有较高的强度和韧性，因此本发明提供的陶瓷基板在应用于功率模 块中，其厚度可以更薄，从而减小DBC基板的尺寸。优选情况下，所述陶瓷基板的厚度为 0. 2~0. 4mm。
[0019] 本发明还提供了所述陶瓷基板的制备方法，包括以下步骤：流延成型制备芯层生 坯和表层生坯；将表层生坯叠放于芯层生坯的两侧，等静压后排胶烧结，得到所述陶瓷基 板。
[0020] 本发明中，制备生坯所采用的方法为流延成型，所述流延成型的设备和工艺条件 均为本领域技术人员所熟知，本发明没有特殊限定，只需选择合适的流延所需陶瓷浆料即 可。
[0021] 具体地，陶瓷基板的芯层为氧化锆增韧氧化铝陶瓷，因此流延成型制备芯层生坯 采用的芯层陶瓷浆料中含有氧化锆、氧化铝、粘结剂、分散剂、增塑剂和溶剂。而陶瓷基板的 表层为氧化铝陶瓷，因此流延成型制备表层生坯采用的表层陶瓷浆料中含有氧化铝、粘结 剂、分散剂、增塑剂和溶剂。
[0022] 其中，各陶瓷浆料(包括芯层陶瓷浆料和表层陶瓷浆料）中所采用的粘结剂、分散 剂、增塑剂和溶剂均可采用本领域技术人员常见的粘结剂、分散剂、增塑剂和溶剂，本发明 没有特殊限定。
[0023] 例如，芯层陶瓷浆料、表层陶瓷浆料中的粘结剂各自独立地选自聚乙烯醇缩丁醛 (PVB)、聚乙烯醇（PVA)中的一种或两种。芯层陶瓷浆料、表层陶瓷浆料中的分散剂各自独 立地选自蓖麻油、三油酸甘油酯、磷酸酯、緋鱼油、三乙醇胺中的至少一种。芯层陶瓷浆料、 表层陶瓷浆料中的增塑剂各自独立地选自邻苯二甲酸二丁酯、聚乙二醇（PEG)、甘油中的至 少一种。芯层陶瓷浆料、表层陶瓷浆料中的溶剂各自独立地选自甲苯、二甲苯、乙醇、丁酮中 的至少一种。
[0024] 在流延芯层生坯、表层生坯时采用的粘结剂、分散剂、增塑剂和溶剂可以相同，也 可以不同。为便于后续排胶烧结时芯层与表层形成致密的一体结构，芯层陶瓷浆料、表层陶 瓷浆料中优选采用相同的粘结剂、分散剂、增塑剂和溶剂。
[0025] 配制陶瓷浆料的方法为本领域技术人员所公知，包括将陶瓷粉料、溶剂和分散剂 在行星球磨机中球磨3-5h,然后加入