CN110948711A - 一种igbt陶瓷基片的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种IGBT陶瓷基片制备工艺，采用干压结合等静压、注浆或注凝成型工艺制备出大块IGBT陶瓷坯体，再经过烧结，辅以气压烧结或热压烧结制备出大块陶瓷烧结体，随后剖方成IGBT所需要的棒状尺寸，放置于金刚线切割机上进行切割，可批量制备出IGBT陶瓷基片。此方法制备的陶瓷致密度高，密度可达95%以上，同时可大大提高IGBT陶瓷基片制备效率，可根据不同需要调整基片厚度，操作相对流延法更简单易行，同时可精确控制陶瓷基片厚度的均匀性及表面平整度，提升基片质量。

Description

一种IGBT陶瓷基片的制备方法
技术领域
本发明属于陶瓷材料加工领域，具体涉及一种IGBT陶瓷基片制备方法。
背景技术
绝缘栅双极型晶体管IGBT是实现电能转换和控制的最先进的电力电子器件，具有输入阻抗大、驱动功率小、开关速度快、工作频率高、饱和压降低、安全工作区大和可耐高压和大电流等一些列优点，被誉为现代工业变流装置的“CPU”，在轨道交通、航空航天、新能源汽车、风力发电、国防工业等战略性产业广泛应用。
高压大功率IGBT模块产生的热量主要是通过陶瓷覆铜板传导到外壳而散发出去的，因此陶瓷覆铜板是电力电子领域功能模块封装的不可或缺的关键基础材料。陶瓷基板材料的性能是陶瓷覆铜板性能的决定因素。目前已应用作为陶瓷覆铜板基板材料的共有三种陶瓷，分别是氧化铝Al2O3陶瓷基板、氮化铝AlN陶瓷基板和氮化硅Si3N4陶瓷基板。氧化铝Al2O3基陶瓷基板是最常用的陶瓷基板，它具有好的绝缘性、化学稳定性、力学性能和低的价格。氮化铝AlN基陶瓷基板在热性能方面具有非常高的热导率，且热膨胀系数与硅接近，使整个模块内部应力较低，提高了高压IGBT模块的可靠性。这些优异的性能使得氮化铝覆铜板成为高压IGBT模块封装的首选。氮化硅Si3N4陶瓷具有2.4倍于氧化铝Al2O3和氮化铝AlN的抗弯强度，因此具有比氮化铝AlN和氧化铝Al2O3高的多的可靠性，尤其是高强度可以实现其与厚铜基板的覆接，大幅提高基板的热性能。相对于氮化铝AlN和氧化铝Al2O3，氮化硅Si3N4陶瓷覆铜板在电流承载能力、散热能力、力学性能、可靠性等方面均有明显优势。根据材料及工艺特性展示了陶瓷覆铜板的技术发展发现，在大功率模块领域氮化铝AlN陶瓷覆铜板为主要发展方向，在高可靠功率模块领域氮化硅Si3N4陶瓷覆铜板为主要发展方向。
目前包括以上氧化铝Al2O3、氮化铝AlN、氮化硅Si3N4等为主的IGBT陶瓷基板的制备技术主要采用流延法成型出所需尺寸的陶瓷基片，再经过烧结、表面研磨等制备得到所需产品，该制备方法的缺点是烧结后产品容易翘曲，研磨难度大，成品率低。因此，发展一种可高效、大批量生产IGBT陶瓷基板的方法非常有必要。
发明内容
为了克服现有技术中采用流延法制备IGBT陶瓷基片的不足，本发明尝试干压结合等静压、注浆或注凝成型工艺制备出大块IGBT陶瓷坯体，再经过烧结，辅以气压烧结或热压烧结制备出大块陶瓷烧结体IGBT，剖成陶瓷棒，然后采用金刚线切割的方法，快速、大批量地得到IGBT陶瓷基片。为了提高现有IGBT生产效率，本发明提供了一种IGBT陶瓷基片的制造方法，本发明具体技术方案如下：
一种IGBT陶瓷基片的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：采用干压结合等静压、注浆或注凝成型工艺制备出大块IGBT陶瓷坯体；
步骤二：烧结，辅以气压烧结GPS或热压烧结制备出大块陶瓷烧结体；
步骤三：剖方，将步骤二得到的IGBT陶瓷块固定在树脂板上进行切割，切成所需陶瓷棒尺寸；
步骤四：切片，将步骤三得到的陶瓷棒固定在树脂板上，然后放入金刚线切割机中进行固定，采用正切或反切工艺进行切割，得到产品。
所述步骤一中IGBT材料采用干压结合等静压、注浆或注凝成型工艺制备出IGBT陶瓷坯体，再经过烧结，辅以气压烧结或热压烧结制备出大块陶瓷烧结体，陶瓷块体尺寸不小于800*600*600mm，密度≥98%；
所述步骤四中所述金刚线包括电镀金刚线、树脂金刚线或其它金刚石线锯；
所述金刚线直径为0.030-0.5mm，每毫米金刚线上镀附的金刚石颗粒在30-1000颗之间，金刚石颗粒的D50值为1-60μm；
所述步骤一中陶瓷包括氧化铝陶瓷、氮化铝陶瓷和氮化硅陶瓷；
所述步骤四中的的金刚线切割机可选用金刚线切片专机或者砂浆切片机经过改造而成的金刚线切割机。
本发明创造性地将陶瓷做成锭，剖成陶瓷棒，密度可高大95%以上，再结合金刚线切割工艺运用到IGBT领域，可得到高度均匀、高平整、超薄的IGBT陶瓷基板薄片，同时大大提高了生产效率。
本发明的有益技术效果具体表现为以下几点：
1、生产IGBT基片厚度调节简单易行，甚至同一块陶瓷块体可制备出不同厚度的陶瓷基片，利用率高，通过选择金刚线线经及排距即可。
2、IGBT基片表面平整度高，只需略微抛光即可达到使用要求，生产出的氮化硅体积密度3.2g/cm3，维氏硬度15GPa弯曲强度720MPa，断裂韧性6-7MPa1/2，导热系数90W/(M.K)，线性热膨胀系数2.6*10(-6)/K，抗热震性850℃；ALN参数热导率150-170，弯曲强度350，断裂韧性2-3；Al2O3弯曲强度300-400，热膨胀系数6-8，导热系数25-30。
3、可生产超薄基板，现有技术中生产的陶瓷基片厚度有在0.25mm- 0.635mm，国内正常水平通常在1mm，本发明制造的产品厚度可做到0.14mm，甚至更薄。
4、生产效率明显提高，流延法平均每分钟制造的陶瓷基片只有几片每台机，本发明申请每台的出片率均可在20片/min以上，且成品率在90%以上，是目前流延很难达到的。
综上所述，本发明所提供的一种IGBT陶瓷基片制备工艺，打破了传统的流延成型薄片烧结后易翘曲、良率低的制程工艺，可实现陶瓷材料密度高达95%以上并精密批量切割，尤其在超薄精密陶瓷材料上更有突出优势。
附图说明
图1为金刚线切割陶瓷材料示意图，其中1-小滑轮 2 -树脂板 3 - 致密陶瓷材料4 -金刚线 5 -导轮。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实例对本发明提及的金刚线切割陶瓷方式进行描述，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。
实施例1
以不同粒径的级配氧化铝粉为原料，掺杂0.7%的MgO和0.125%的La2O3为烧结助剂，加水混合，制成固相含量90%的浆料，采用注凝成型方法将氧化铝制备成致密的坯体，进行1650℃下热压烧结3小时，得到致密氧化铝IGBT陶瓷棒，密度为98.5%，然后将氧化铝IGBT陶瓷方锭固定在树脂板上，用直径300μm以上的金刚线切割，剖成长度为680mm的方棒，再将氧化铝陶瓷棒固定在树脂板上，将粘结好的陶瓷棒和树脂版放入金刚线切割机中进行固定，选用直径为100μm的金刚线，采用正切工艺，新线进多，旧线回少进行切割，切割时间为120min，切割台速为1mm/min，线速度设定20m/s，切割液用量为1.5L/刀，最终出片1220厚度为0.5mm的氧化铝IGBT陶瓷片，表面粗糙度＜1μm，一次成品95.6%。
实施例2
以粒径约1μm左右的氮化铝粉为原料，掺杂0.3%的Y2O3和0.125%的La2O3为烧结助剂，加水混合，制成固相含量85%的浆料，采用注浆成型方法将氮化铝制备成致密坯体，随后坯体在1700℃下下进行热压烧结4小时，压力为25MPa，得到致密氮化铝IGBT陶瓷棒，密度为99.2%，然后将氮化铝IGBT陶瓷棒固定在树脂板上，用直径300μm以上的金刚线切割，剖成长度为680mm的方棒，再将粘结好的IGBT陶瓷棒和树脂版放入金刚线切割机中进行固定，选用直径为90μm的金刚线，采用正切工艺，新线进多，旧线回少进行切割，切割时间为130min，切割台速为1.5mm/min，线速度设定10-30m/s，切割液用量为2L/刀，最终出片1800厚度为0.3mm的氮化铝IGBT陶瓷片，表面粗糙度＜1μm，一次成品95.7%。
实施例3
以粒径约1μm左右的氮化硅粉为原料，掺杂0.1%的Al2O3和0.3%的Yb2O3为烧结助剂，用干压成型方法将氮化硅(Si3N4)制备成致密坯体，随后在1950℃，5MPa氮气气氛下进行GPS烧结3小时，得到致密氮化硅IGBT陶瓷棒，密度为98.7%，然后将氮化硅IGBT陶瓷棒固定在树脂板上，用直径300μm以上的金刚线切割，剖成长度为680mm的方棒，再将粘结好的氮化硅IGBT陶瓷棒和树脂版放入金刚线切割机中进行固定，选用直径为60μm的金刚线，采用正切工艺，新线进多，旧线回少进行切割，切割时间为130min，切割台速为0.5mm/min，线速度设定10m/s，切割液用量为2L/刀，最终出片2000厚度为0.14mm的氮化硅IGBT陶瓷片，表面粗糙度＜1μm，一次成品95.5%。

Claims (7)

1.一种IGBT陶瓷基片的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：采用干压结合等静压、注浆或注凝成型工艺制备出大块IGBT陶瓷坯体；
步骤二：烧结，辅以气压烧结GPS或热压烧结制备出大块陶瓷烧结体；
步骤三：剖方，将步骤二得到的IGBT陶瓷块固定在树脂板上进行切割，切成所需陶瓷棒尺寸；
步骤四：切片，将步骤三得到的陶瓷棒固定在树脂板上，然后放入金刚线切割机中进行固定，采用正切进行切割，得到产品。
2.根据权利要求1所述的IGBT陶瓷基片的制备方法，其特征在于所述步骤一中IGBT材料采用干压结合等静压、注浆或注凝成型工艺制备出IGBT陶瓷坯体，陶瓷块体尺寸不小于800*600*600mm，密度≥98%。
3.根据权利要求1所述的IGBT陶瓷基片的制备方法，其特征在于所述步骤四中所述金刚线包括电镀金刚线、树脂金刚线或其它金刚石线锯。
4.根据权利要求3所述的IGBT陶瓷基片制备工艺，其特征在于所述金刚线直径为0.030-0.5mm，每毫米金刚线上镀附的金刚石颗粒在30-1000颗之间，金刚石颗粒的D50值为1-60μm。
5.根据权利要求1或2所述的IGBT陶瓷基片的制备方法，其特征在于所述步骤一中陶瓷包括氧化铝陶瓷、氮化铝陶瓷和氮化硅陶瓷。
6.根据权利要求1所述的IGBT陶瓷基片制备工艺，其特征在于所述步骤四中的的金刚线切割机可选用金刚线切片专机或者砂浆切片机经过改造而成的金刚线切割机。
7.根据权利要求1所述的IGBT陶瓷基片制备工艺，其特征在于所述步骤四中的正切工艺为新线进多，旧线回少进行切割，切割时间120-130分钟，切割台速为0.5-2mm/min，线速度设定10-30m/s，切割液用量为0.5-2.5L/刀。
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