銅直接鍵合(Direct Bonded Copper，簡稱DBC)技術是在上世紀70年代初由美國通用電氣(GE)公司研發(fā)成功。由于該鍵合技術工藝復雜，后續(xù)工藝工序繁瑣以及專用工藝設備的限制，致使在DBC技術研發(fā)成功的最初十幾年內，幾乎未能形成DBC陶瓷覆銅板的規(guī)模生產。但DBC陶瓷覆銅板的各種優(yōu)異特性引起美國和西歐大型器件公司的高度重視，經過扎實研發(fā)解決了銅和陶瓷的浸潤工藝，使DBC陶瓷覆銅板實現(xiàn)了良好的分子鍵合，大大提高了DBC陶瓷覆銅板的性能，目前利用DBC鍵合工藝已能全自動批量生產139.7mm×190.5mm Al2O3的DBC陶瓷覆銅板，并已廣泛應用于大功率電力半導體模塊、LED組件、聚光太陽能電池、航空航天和軍用電子組件等領域。因此，DBC陶瓷覆銅板已成為大功率電力電子電路結構技術和互聯(lián)技術的基礎材料。
淄博市臨淄銀河高技術開發(fā)有限公司根據市場需求，于上世紀90年代初開始研發(fā)DBC陶瓷覆銅板，在解決了流動氣氛下溫度(>1000℃)的穩(wěn)定控制精度(±0.25℃)以及銅液相厚度和Cu-Cu2O共晶熔點的
控制技術后，于2002年成功開發(fā)出0.63mm厚Al2O3雙面覆0.3mm厚銅箔的DBC陶瓷覆銅板，現(xiàn)已大批量供應晶閘管和整流管模塊以及半導體致冷器和激光射頻電源等領域使用。2009年公司按市場需求，在連續(xù)突破了厚膜銅漿與Al2O3陶瓷鍵合技術難關后，成功開發(fā)出大功率LED陶瓷覆銅散熱基板和聚光太陽能電池陶瓷覆銅散熱基板。此后，公司又在突破銅箔預處理工藝技術難關，銅箔與超薄Al2O3陶瓷基板(0.25mm和0.38mm)鍵合、冷卻等工藝技術難關后，成功地開發(fā)出IGBT模塊用低熱阻陶瓷覆銅板(DBC)，并于2010年3通過國家科技成果鑒定，現(xiàn)已能批量供應用戶使用，目前公司已獲得與DBC陶瓷覆銅板相關國家專利12項。
2、銅-陶瓷直接鍵合原理
人們利用氧(O2)能使銅的熔點降低這一物理現(xiàn)象，解決了銅- Al2O3陶瓷直接鍵合工藝技術。要使銅箔與Al2O3陶瓷牢固的鍵合，必須在高溫(>1000℃)和一定氧氣氛下，在銅表面形成一定厚度的Cu20層，然后隨溫度的升高出現(xiàn)一層很薄的Cu和Cu20共晶熔體，其熔點略低于銅熔點(1083℃)且主要成分是Cu(約占95%)，經一定時間的恒溫，使共晶熔體完全浸潤到銅和Al2O3陶瓷，降溫后使銅與Al2O3陶瓷形成牢固的鍵合。如圖1所示。
3、銅-陶瓷(Al2O3)鍵合的專用工藝技術
目前本公司已能批量生產IGBT模塊用低熱阻陶瓷覆銅板(DBC)，其主要工藝流程為：陶瓷基片和銅箔的清洗烘干→銅箔預處理→銅箔與陶瓷基片的高溫共晶鍵合→冷熱階梯循環(huán)冷卻→質檢→按要求刻蝕圖形→化學鍍鎳(或鍍金)→質檢→激光劃片、切割→成品質檢→真空或充氮氣包裝→入成品庫。
3.1 專用設備的研制
為了能在流動氧和氮氣氛下把高溫控制在±0.25℃范圍內，以保證自主研發(fā)的銅-陶瓷-銅高溫共晶鍵合技術在動態(tài)氣氛下的穩(wěn)定性，公司專門研制了具有自主知識產權的YH-03型鏈式共晶鍵合爐(圖2)。其爐體結構、傳動系統(tǒng)、測控方式等結合工藝要求作了全面優(yōu)化設計，保證了共晶鍵合工藝的穩(wěn)定性，從而大大提高了產品的成品率。
3.2 銅箔預處理專有工藝技術
為了降低銅箔與陶瓷鍵合的空洞率，保證DBC陶瓷覆銅板的低熱阻，本公司采用銅箔預處理專有工藝技術，使銅箔與陶瓷的鍵合過程始終呈線性區(qū)域復合，改善了高溫鍵合時液相對陶瓷的濕潤角，有利于排除氣泡，進一步減少了銅箔和陶瓷之間空隙的不均勻性。
3.3 冷-熱階梯循環(huán)冷卻工藝
為了改善DBC陶瓷覆銅板的彎曲率，降低目前常用的直接冷卻法使DBC陶瓷覆銅板應力過大的問題，經多次計算分析，設計出全新的冷卻模式：冷-熱階梯循環(huán)冷卻應力消除專有工藝技術，實現(xiàn)了DBC陶瓷覆銅板的低應力鍵合，使成品DBC陶瓷覆銅板的彎曲率≤100um/50mm。
4、產品的規(guī)格和主要技術參數(shù)
4.1 產品規(guī)格
淄博市臨淄銀河高技術開發(fā)有限公司已能批量供應下列規(guī)格產品(見表1)。其最大規(guī)格尺寸為139.7mm×190.5mm，并可根據用戶需要激光切割成各種規(guī)格尺寸。
4.2 主要技術參數(shù)
表2 IGBT模塊用低熱阻陶瓷覆銅板(DBC)的主要技術參數(shù)
5、陶瓷覆銅板未來發(fā)展趨勢
由于AlN陶瓷覆銅板的熱導率是Al2O3陶瓷覆銅板的5～10倍，其熱膨脹系數(shù)幾乎是Al2O3陶瓷覆銅板的一半，非常接近硅的熱膨脹系數(shù)，很有利于硅芯片直接焊在AlN陶瓷覆銅板上，AlN的機械強度和絕緣性能與Al2O3很接近，因而AlN陶瓷覆銅板將在新型電力半導體模塊的封裝中得到廣泛應用。但AlN是一種共價鍵較強的非氧化物，在高溫下很難與銅濕潤而鍵合，因此必須在AlN表面形成一定厚度且非常致密的氧化層作為過渡層，這是當今解決Cu-AlN牢固鍵合的關鍵。
6、結束語
IGBT模塊用低熱阻陶瓷覆銅板(DBC)是在高溫(>1000℃)和流動(N2+O2)氣氛下、溫度控制精度(±0.25 ℃)的條件下，采用本公司自主創(chuàng)新研發(fā)的銅箔預處理減少鍵合空洞率的專有工藝技術和“冷-熱階梯循環(huán)冷卻”應力消除專有工藝技術，把0.38㎜(或0.25㎜)厚的Al2O3陶瓷板與0.3㎜(或0.15㎜)厚的銅箔牢固地鍵合在一起。由于采用上述專用設備和特殊工藝技術，使DBC陶瓷覆銅板的成品率大大提高，鍵合強度提高，鍵合面幾乎沒有空洞，熱阻大大降低(約為0.19K/W)。這些優(yōu)點非常有利于IGBT模塊的封裝，使模塊總熱阻降低，增加模塊輸出功率，并使IGBT模塊的穩(wěn)定性和可靠性提高。目前，本項目已獲國家發(fā)改委新型電力電子產業(yè)化專項支持，公司已能大批量生產IGBT模塊用低熱阻陶瓷覆銅板。