一种用热等静压烧结制备IGBT陶瓷覆铜基板的方法

本发明属于活性金属钎焊领域，本发明涉及一种用热等静压烧结制备igbt陶瓷覆铜基板的方法。

背景技术：

1、随着科技的不断发展，电子电力器件如igbt芯片中的陶瓷覆铜基板起着连接内外散热通道的关键作用，同时兼有电互连和机械支撑等功能。陶瓷由于其优异的机械性能、低膨胀系数、低介电常数和耐高温性能是一种理想的封装和散热材料。但是，由于陶瓷与金属的热膨胀系数相差较大，产生大量残余热应力，大大降低了结合强度和使用寿命，严重限制了其在大功率半导体器件领域的应用。

2、近年来，为改善陶瓷与金属结合强度差、陶瓷覆铜基板使用寿命低的问题，通过添加活性金属作为钎料进行钎焊进行改善逐渐成为研究热点。其原理是：在界面发生化学反应生成新的化合物来实现结合，因此结合强度得到增强。而且通过添加合适的活性金属钎料也可以大大降低钎焊温度，降低残余应力，延长使用寿命。但目前，通常制备陶瓷覆铜基板要将活性金属钎料通过真空磁控溅射法、熔盐反应等方法先与陶瓷结合，再将表面处理过后的陶瓷与铜结合。xin等提出了一种制备纳米cu/ti-si3n4陶瓷覆铜基板的新方法，采用真空磁控溅射法在si3n4陶瓷表面沉积纳米级的活性金属ti作为过渡层，后在sps真空炉中将纳米铜粉与si3n4陶瓷烧结成型，在此条件下，最大剥离强度仅为4.29n/mm。剥离强度不高是由于真空磁溅沉积的ti层太薄，与si3n4陶瓷反应不充分，且工艺繁琐，耗时较长。(xin c,huang l,zeng q,et al.a novel nano cu/ti–si3n4 ceramic substrates fabricated byspark plasma sinteringand its bonding mechanism[j].vacuum,2021,187:110093.doi:10.1016/j.vacuum.2021.110093.)paik等在1250℃下保温90min在aln陶瓷表面形成1～4μm厚度的氧化层，cu与aln陶瓷间的剥离强度最大达到5.67n/mm，剥离强度不高是由于这种氧化工艺不能完全消除铜与aln陶瓷之间的微孔洞，并且氧化层与cu仍存在着热膨胀系数差异，这将严重影响基板的可靠性及模块在大功率器件封装方面的应用。(entezarian m,drew ra l.direct bonding ofcopperto aluminum nitride[j].materials science and engineering:a,1996,212(2):206-212.doi:10.1016/0921-5093(96)10190-8.)。

3、这些方法步骤繁琐，耗时较长，成本也较高，但结合强度并不高。所以需要一种简单、有效的方法制备出陶瓷覆铜基板，来减少实验步骤、缩短制备时间、增强结合强度。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的不足，本发明提供一种用热等静压烧结制备igbt陶瓷覆铜基板的方法，以解决制备陶瓷覆铜基板步骤繁琐，耗时较长的问题。并通过热等静压烧结炉从各个方向施加压力和梯度升温来制备出高结合强度的陶瓷覆铜基板。

2、本发明通过限定具体条件下添加活性金属钎料使陶瓷与铜结合，能够有效提高陶瓷与铜结合的润湿性能，并采用热压烧结炉进行真空包套及热等静压烧结工艺实现陶瓷与金属铜之间的高强度紧密连接，可以有效解决陶瓷覆铜基板在大功率半导体器件中的结合强度低等问题。

3、本发明的上述目的是通过以下技术方案实现的：

4、一种用热等静压烧结制备igbt陶瓷覆铜基板的方法，包括以下步骤：

5、s1.将打磨清洁过后的陶瓷、钎料、cu箔、钛箔按次序放入包套模具中，在热压烧结炉中进行抽真空，得到高真空度的待焊件；

6、s2.将步骤1中真空包套后的待焊件放入热等静压烧结炉进行钎焊，即陶瓷覆铜基板。

7、进一步的，步骤s1中所述的陶瓷为si3n4、aln或其他陶瓷材料中的任一种，厚度为0.30～5.00mm；钎料为银铜钛合金、银钛合金或其他含钛合金的任一种，厚度为0.03～0.10mm；cu箔厚度为0.02～5.00mm；钛箔是工业纯钛合金，厚度为0.10～0.50mm。

8、进一步的，步骤s1中的经裁剪所得的钛箔用砂纸打磨，去除氧化层，最后用沾着无水乙醇的无尘纸擦拭干净。

9、进一步的，步骤s1中所述的陶瓷、钎料、cu箔分别放入丙酮、无水乙醇中进行超声清洗来除去样品表面的油污和粉尘，吹干。

10、进一步的，步骤s1中所述的抽真空为：打开机械泵和预抽阀，再打开扩散泵、关闭预抽阀、打开高真空阀，真空度降至10-2～10-3pa，进行真空包套。

11、进一步的，步骤s1中所述包套程序为：①以15～20℃/min从25℃均匀升温至700～800℃，升压至6～6.5mpa；②保温保压30～45min；③包套完成后卸去压力，降至室温后取出。

12、进一步的，步骤s2中所述的待焊件放入热等静压炉中为：将待焊件置于坩埚中，打开热等静压烧结炉的炉盖，放入坩埚，拧紧炉盖。

13、进一步的，步骤s2中所述的在热等静压炉中的烧结工艺为：以10～20℃/min从25℃升温至550～650℃，升压至80～100mpa，保持30～60min，后以5～10℃/min升温至700～900℃，升压至150～200mpa；在最高温度、最高压力的条件下保持30～60min；然后以10～20℃/min降至200～300℃；最后随炉降至室温。

14、进一步的，烧结完成后随热等静压烧结炉降至室温，打开炉盖取出试样，剪去包套即可得到陶瓷覆铜基板。

15、本发明与现有技术相比的有益效果是：

16、(1)制备出的陶瓷覆铜基板，陶瓷与cu结合紧密，且步骤简单，耗时较短，通过一步法制得。

17、(2)制备出的陶瓷覆铜基板，陶瓷与cu之间由于ag-cu-ti钎料的存在发生了化学反应，产生了新化合物tin，增大了结合强度。

技术特征：

1.一种用热等静压烧结制备igbt陶瓷覆铜基板的方法，其特征是，包括以下步骤：s1.将打磨清洁过后的陶瓷、钎料、cu箔、钛箔按次序放入包套模具中，在热压烧结炉中进行抽真空，得到高真空度的待焊件；

2.如权利要求1所述的一种用热等静压烧结制备igbt陶瓷覆铜基板的方法，其特征是，步骤s1中所述的陶瓷为si3n4、aln或其他陶瓷材料中的任一种，厚度为0.30～5.00mm；钎料为银铜钛合金、银钛合金或其他含钛合金的任一种，厚度为0.03～0.10mm；cu箔厚度为0.02～5.00mm；钛箔是工业纯钛合金，厚度为0.10～0.50mm。

3.如权利要求2所述的一种用热等静压烧结制备igbt陶瓷覆铜基板的方法，其特征是，步骤s1中所述的陶瓷、钎料、cu片分别放入丙酮、无水乙醇中进行超声清洗来除去样品表面的油污和粉尘，吹干。

4.如权利要求3所述的一种用热等静压烧结制备igbt陶瓷覆铜基板的方法，其特征是，步骤s1中所述的抽真空为：打开机械泵和预抽阀，再打开扩散泵、关闭预抽阀、打开高真空阀，真空度降至10-2～10-3pa，进行真空包套。

5.如权利要求4所述的一种用热等静压烧结制备igbt陶瓷覆铜基板的方法，其特征是，步骤s1中所述包套程序为：①以15～20℃/min从25℃均匀升温至700～800℃，升压至6～6.5mpa；②保温保压30～45min；③包套完成后卸去压力，降至室温后取出。

6.如权利要求5所述的一种用热等静压烧结制备igbt陶瓷覆铜基板的方法，其特征是，步骤s2中所述的待焊件放入热等静压烧结炉中为：将待焊件置于坩埚中，打开热等静压烧结炉的炉盖，放入坩埚，拧紧炉盖。

7.如权利要求6所述的一种用热等静压烧结制备igbt陶瓷覆铜基板的方法，其特征是，步骤s2中所述的在热等静压烧结炉中的烧结工艺为：以10～20℃/min从25℃升温至550～650℃，升压至80～100mpa，保持30～60min，后以5～10℃/min升温至700～900℃，升压至150～200mpa；在最高温度、最高压力的条件下保持30～60min；然后以10～20℃/min降至200～300℃；最后随炉降至室温。

技术总结
本发明属于活性金属钎焊领域，公开了一种用热等静压烧结制备IGBT陶瓷覆铜基板的方法。本发明通过限定具体条件下添加活性金属钎料使陶瓷与铜结合，能够有效改善陶瓷与铜结合的润湿性能，并采用热压烧结炉进行真空包套及热等静压烧结工艺实现陶瓷与金属铜之间的高强度紧密连接，可以有效解决陶瓷覆铜基板在大功率半导体器件中的结合强度低等问题。解决制备陶瓷覆铜基板步骤繁琐，耗时较长的问题。

技术研发人员：王兴安,韩霜,罗凌,孙旭东,吕卉,任培,柏小龙,孙晶,惠宇,刘旭东,那兆霖
受保护的技术使用者：大连大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15