CN101814439A - Igbt模块用低热阻陶瓷覆铜板的制作工艺 - Google Patents

Igbt模块用低热阻陶瓷覆铜板的制作工艺 Download PDF

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Abstract

本发明具体涉及一种IGBT模块用低热阻陶瓷覆铜板的制作工艺。其特征在于包括如下步骤：1)陶瓷基片清洗活化，并在陶瓷基片的表面采用PVD工艺沉积一层1～2μm的铜膜；2)铜箔清洗活化，并在铜箔表面采用CVD工艺交替沉积0.1μm厚的氧化亚铜和0.1μm厚的铜，沉积的氧化亚铜和铜的厚度为0.5～10μm；3)将铜箔预压成型，使铜箔沿宽度方向成弧形后与陶瓷基片一起放置在键合炉内进行高温键合，键合温度为1060～1076℃4)键合后的覆铜板冷却。使用本发明制作的覆铜板相对现有技术的电路板具有超薄、强度高、空洞率低、导热效率高、热阻低的优点。

Description

IGBT模块用低热阻陶瓷覆铜板的制作工艺
技术领域
本发明具体涉及一种IGBT模块用低热阻陶瓷覆铜板的制作工艺。
技术背景
IGBT模块在电力控制中比其他电力电子器件所表现出的优异的控制性能和节能效果得到了人们的公认。目前已经广泛应用在轧钢自动控制、电动机车牵引、航空航天控制系统、金属高频热处理领域，由于IGBT模块较之其他功率器件(如晶闸管、MOS管等)压降较高，功耗较大，所以需要一种导热性能好的电路板。目前常用的电路板是采用如下工艺制作的：高温键合时把铜箔平放在陶瓷基片上，进入高温环境后，在温度的影响下，铜箔变软，铜箔会慢慢贴合在陶瓷基片上，实现键合。采用上述工艺有个缺点，就是铜箔在高温下虽然能变软，但是还会不可避免的存在不完全平整的情况，铜箔和陶瓷基片之间的缝隙厚度是不一样，再加上受铜箔表面氧化层在出现液相时对陶瓷的湿润角太大，液相层很难完全填充铜箔和陶瓷之间的空隙，这样就形成了空洞，空洞是影响电路板导热效率和热阻的重要因素，直接关系到电路板的品质。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术IGBT模块用电路板由于工艺的缺陷，导致空洞率高、导热效率差、热阻高的缺陷，提供一种空洞率低、导热效率高、热阻低的IGBT模块用低热阻陶瓷覆铜板。
本发明是通过如下技术方案来实现的：
即一种IGBT模块用低热阻陶瓷覆铜板的制作工艺，其特征在于包括如下步骤：
1)陶瓷基片清洗活化，并在陶瓷基片的表面采用PVD工艺沉积一层1～2μm的铜膜。
陶瓷基片清洗活化采用现有技术，一般步骤为除油脂、超声清洗、活化、烘干，活化时用的活化液采用氢氟酸、铬酸和硫酸按一定比例混合而成。
PVD是英文Physical Vapor Deposition(物理气相沉积)的缩写，是指在真空条件下，采用低电压、大电流的电弧放电计数，利用气体放电使靶材蒸发并使被蒸发物质与气体都发生电离，利用电场的加速作用，使被蒸发物质及其反应物沉积在工件上。相对于化学气相沉积法，采用PVD工艺可以提高生产效率降低生产成本。
2)铜箔清洗活化，并在铜箔表面采用CVD工艺交替沉积0.1μm厚的氧化亚铜和0.1μm厚的铜，沉积的氧化亚铜和铜的厚度为0.5～10μm；
铜箔清洗活化采用现有技术，一般采用水基环保清洗液进行清洗，然后利用5～10％的盐酸溶液进行活化，再用含有1～2％有机抗氧剂溶液对表面进行处理，烘干备用。
CVD是半导体工业中应用最为广泛的用来沉积多种材料的技术，是指两种或两种上的气态原材料导入一个反应室内，然后他们相互之间发生化学反应，形成一种新的材料，沉积到晶片表面上。采用CVD可以沉积大范围的绝缘材料、大多数金属材料和金属合金材料。
3)将铜箔预压成型，使铜箔沿宽度方向成弧形后与陶瓷基片一起放置在键合炉内进行高温键合，键合温度为1070～1130℃
4)键合后的覆铜板冷却。
作为本发明的一种优选方式：键合后的覆铜板冷却时采用了热阶梯循环法进行冷却并消除应力，其步骤如下：
1)10分钟时间从键合温度降温至500℃；
2)2分钟时间从500℃升温至700℃；
3)8分钟时间从700℃降温至200℃；
4)2分钟时间从200℃升温至300℃；
5)8分钟时间从300℃降温至60摄氏度(℃)以下后自然冷却。
采用上述方法冷却的覆铜板消除应力效果好，弯曲率＜0.1mm/50mm。
本发明为了减少铜箔和陶瓷基片之间的空洞率，在键合过程中，氧化铝陶瓷基板表面的铜膜和无氧紫铜箔层上沉积的氧化亚铜在高温下形成Cu-Cu2O共晶液相，Cu-Cu2O共晶液相相对于陶瓷基片的湿润角小，Cu-Cu2O共晶液相同时湿润陶瓷基板和铜箔，完全填充它们之间的间隙，配合铜箔预压成型工艺，使铜箔在陶瓷基板表面的键合过程始终呈线形区域复合，这样对于排出气泡非常有效，大大减少了空洞。
作为本发明的优选方案：
所述陶瓷基片可以是公知的各种材质的陶瓷基板，如Al2O3陶瓷、BeO陶瓷、AlN陶瓷，只要符合所要求的电器性能指标即可，本发明优先选用氧化铝含量为75～99％的氧化铝陶瓷基片，氧化铝陶瓷具有商业化程度高、价格低、绝缘性好、强度高的优点，氧化铝陶瓷基片的厚度为0.19～1.0mm。使陶瓷基片在厚度超薄的情况下仍能保持较强的强度。
所述铜箔为无氧紫铜箔，厚度为0.1～0.3mm。
键合炉为链带式氮气保护共晶键合炉，键合周期为5～10分钟。
使用本发明制作的覆铜板相对现有技术的电路板具有超薄、强度高、空洞率低、导热效率高、热阻低的优点。经测试比较，使用10*7mm的IGBT芯片，使用的软件是IcePack，测量到最低值的覆铜板热阻是0.19K/W，普通的0.635基板的热阻是0.31K/W，热阻降低，效果显著。
使用本发明工艺制作的覆铜板的参数如下
  项目名称   单位   测试条件   参数
  绝缘电阻   MΩ   ≥1
  绝缘电压   VAC(.RMS)   1min   ≥3000
  抗剥离强度   N/mm   ≥6
  电阻率   Ωcm   1014
  项目名称   单位   测试条件   参数
  热导率   W/m.k   室温20℃   30～50
  热膨胀系数   1×10-6/℃   50～200℃   ≤7.4
  氢脆变温度   ℃   至400
  适应温度范围   ℃   -40～+200
具体实施方式
实施例1
本实施例工艺步骤如下：
1)陶瓷基片清洗活化：选取厚度为0.19mm的氧化铝陶瓷基片，清洗活化后采用PVD工艺沉积一层1μm的铜膜备用；
陶瓷基片清洗活化采用现有技术，一般步骤为除油脂、超声清洗、活化、烘干，活化时用的活化液采用氢氟酸、铬酸和硫酸按一定比例混合而成。
2)选取厚度为0.1mm的无氧紫铜箔，清洗活化后在铜箔表面采用CVD工艺交替沉积0.1μm厚的氧化亚铜、铜，沉积层的厚度为0.5μm；
铜箔清洗活化采用现有技术，一般采用水基环保清洗液进行清洗，然后利用5～10％的盐酸溶液进行活化，再用含有1～2％有机抗氧剂溶液对表面进行处理，烘干备用。
3)将铜箔预压成型，使铜箔沿宽度方向成弧形后与陶瓷基片一起放置在键合炉内进行高温键合，高温区键合温度为1070℃，键合时间5分钟，高温区通入纯氮气或氮氧混合气。
4)键合完毕后的覆铜板通过传送带输送到冷却区，通如纯氮气，采用“冷-热阶梯循环”法冷却并消除应力，具体步骤如下：
1)10分钟时间从1070℃降温至500℃；
2)2分钟时间从500℃升温至700℃；
3)8分钟时间从700℃降温至200℃；
4)2分钟时间从200℃升温至300℃；
5)8分钟时间从300℃降温至60℃以下后自然冷却。
经测试比较，使用10*7mm的IGBT芯片，使用的软件是IcePack，测量到最低值的覆铜板热阻是0.19K/W，普通的0.635基板的热阻是0.31K/W，热阻降低，效果显著。
实施例2
本实施例工艺步骤如下：
1)陶瓷基片清洗活化：选取厚度为0.5mm的氧化铝陶瓷基片，清洗活化后采用PVD工艺沉积一层1.5μm的铜膜备用；
陶瓷基片清洗活化采用现有技术，一般步骤为除油脂、超声清洗、活化、烘干，活化时用的活化液采用氢氟酸、铬酸和硫酸按一定比例混合而成。
2)选取厚度为0.2mm的无氧紫铜箔，清洗活化后在铜箔表面采用CVD工艺交替沉积0.1μm厚的氧化亚铜、铜，沉积层的厚度为5μm；
铜箔清洗活化采用现有技术，一般采用水基环保清洗液进行清洗，然后利用5～10％的盐酸溶液进行活化，再用含有1～2％有机抗氧剂溶液对表面进行处理，烘干备用。
3)将铜箔预压成型，使铜箔沿宽度方向成弧形后与陶瓷基片一起放置在键合炉内进行高温键合，高温区键合温度为1100℃，键合时间7分钟，高温区通入纯氮气或氮氧混合气。
4)键合完毕后的覆铜板通过传送带输送到冷却区，通如纯氮气，采用“冷-热阶梯循环”法冷却并消除应力，具体步骤如下：
1)10分钟时间从1100℃降温至500℃；
2)2分钟时间从500℃升温至700℃；
3)8分钟时间从700℃降温至200℃；
4)2分钟时间从200℃升温至300℃；
5)8分钟时间从300℃降温至60℃以下后自然冷却。
经测试比较，使用10*7mm的IGBT芯片，使用的软件是IcePack，测量到最低值的覆铜板热阻是0.22K/W，普通的0.635基板的热阻是0.31K/W，热阻降低，效果显著。
实施例3
本实施例工艺步骤如下：
1)陶瓷基片清洗活化：选取厚度为1.0mm的氧化铝陶瓷基片，清洗活化后采用PVD工艺沉积一层2μm的铜膜备用；
陶瓷基片清洗活化采用现有技术，一般步骤为除油脂、超声清洗、活化、烘干，活化时用的活化液采用氢氟酸、铬酸和硫酸按一定比例混合而成。
2)选取厚度为0.2mm的无氧紫铜箔，清洗活化后在铜箔表面采用CVD工艺交替沉积0.1μm厚的氧化亚铜、铜，沉积层的厚度为10μm；
铜箔清洗活化采用现有技术，一般采用水基环保清洗液进行清洗，然后利用5～10％的盐酸溶液进行活化，再用含有1～2％有机抗氧剂溶液对表面进行处理，烘干备用。
3)将铜箔预压成型，使铜箔沿宽度方向成弧形后与陶瓷基片一起放置在键合炉内进行高温键合，高温区键合温度为1130℃，键合时间10分钟，高温区通入纯氮气或氮氧混合气。
4)键合完毕后的覆铜板通过传送带输送到冷却区，通如纯氮气，采用“冷-热阶梯循环”法冷却并消除应力，具体步骤如下：
1)10分钟时间从1130℃降温至500℃；
2)2分钟时间从500℃升温至700℃；
3)8分钟时间从700℃降温至200℃；
4)2分钟时间从200℃升温至300℃；
5)8分钟时间从300℃降温至60℃以下后自然冷却。
经测试比较，使用10*7mm的IGBT芯片，使用的软件是IcePack，测量到最低值的覆铜板热阻是0.25K/W，普通的0.635基板的热阻是0.31K/W，热阻降低，效果显著。

Claims (5)

1.一种IGBT模块用低热阻陶瓷覆铜板的制作工艺，其特征在于包括如下步骤：
1)陶瓷基片清洗活化，并在陶瓷基片的表面采用PVD工艺沉积一层1～2μm的铜膜；
2)铜箔清洗活化，并在铜箔表面采用CVD工艺交替沉积0.1μm厚的氧化亚铜和0.1μm厚的铜，沉积的氧化亚铜和铜的厚度为0.5～10μm；
3)将铜箔预压成型，使铜箔沿宽度方向成弧形后与陶瓷基片一起放置在键合炉内进行高温键合，键合温度为1060～1076℃
4)键合后的覆铜板冷却。
2.根据权利要求1所述的IGBT模块用低热阻陶瓷覆铜板的制作工艺，其特征在于键合后的覆铜板冷却时采用了热阶梯循环法进行冷却并消除应力，其步骤如下：
1)10分钟时间从键合温度降温至500℃；
2)2分钟时间从500℃升温至700℃；
3)8分钟时间从700℃降温至200℃；
4)2分钟时间从200℃升温至300℃；
5)8分钟时间从300℃降温至60℃以下后自然冷却。
3.根据权利要求1所述的一种IGBT模块用低热阻陶瓷覆铜板的制作工艺，其特征在于所述陶瓷基片为氧化铝含量为65～99％的氧化铝陶瓷基片，氧化铝陶瓷基片的厚度为0.19～1.0mm。
4.根据权利要求1所述的一种IGBT模块用低热阻陶瓷覆铜板的制作工艺，其特征在于所述铜箔为无氧紫铜箔，厚度为0.1～0.3mm。
5.根据权利要求1所述的一种IGBT模块用低热阻陶瓷覆铜板的制作工艺，其特征在于键合炉为链带式氮气保护共晶键合炉，键合周期为5～10分钟。
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