CN112151480B - 一种铜散热底板及其制备方法、igbt模块 - Google Patents

一种铜散热底板及其制备方法、igbt模块 Download PDF

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Abstract

本公开涉及一种铜散热底板，散热底板包括铜基板和铜散热柱，铜散热柱与铜基板之间通过含有铜氧化物的烧结层结合。本公开的铜散热底板具有良好的散热能力，且铜散热底板的基板与散热柱通过含有铜氧化物的烧结层结合，结合强度大。

Description

一种铜散热底板及其制备方法、IGBT模块
技术领域
本公开涉及封装材料技术领域，具体地，涉及一种铜散热底板及其制备方法、IGBT模块。
背景技术
AlSiC散热底板可以用于IGBT模块，是其关键封装材料之一。目前制备的高导热AlSiC的热导率为200W/m·K，且底板的散热Pin针的材料为铝，热导率仅为150W/m·K，限制了与冷却液接触时的散热效率。仿真模拟结果表明，在AlSiC及DBC封装系统中，AlSiC子系统热阻约占系统总热阻的72％-86％，因此，进一步提高AlSiC底板的散热能力对降低系统的热阻具有重要意义。
同时，现有AlSiC散热底板制备工艺复杂，在生产过程中铝Pin针通过模具直接铸造成形，设备成本较高，Pin针脱模时与模具之间的摩擦力较大，而使得模具容易损坏。
发明内容
本公开的目的是为了克服现有散热底板强度和散热性能欠佳、制备工艺复杂、制备成本高的问题，提供一种铜散热底板及其制备方法、IGBT模块。
为了实现上述目的，本公开第一方面提供一种铜散热底板，所述散热底板包括铜基板和铜散热柱，所述铜散热柱与所述铜基板之间通过含有铜氧化物的烧结层结合。
可选地，所述铜散热柱与所述铜基板之间通过熔融烧结形成的含有铜氧化物的烧结层结合。
可选地，所述铜基板与铜散热柱的结合力为100kg以上。
可选地，所述散热底板的热导率为370-400W/m·K。
可选地，所述烧结层的铜氧化物包括氧化亚铜和/或氧化铜。
本公开第二方面提供一种铜散热底板的制备方法，该方法包括以下步骤：
S1、使铜基板进行第一热氧化处理，得到至少部分表面覆盖有第一氧化亚铜层的第一铜基板；
使铜散热柱进行第二热氧化处理，得到至少部分表面覆盖有第二氧化亚铜层的第一铜散热柱；
S2、使所述第一氧化亚铜层与所述第二氧化亚铜层接触并进行熔融烧结处理，以使所述第一铜基板与所述第一铜散热柱通过含有铜氧化物的烧结层结合，得到所述散热底板。
可选地，步骤S1中，所述第一热氧化处理的条件包括：温度为750-810℃，氧含量为500-800ppm，处理时间为0.7-1.2小时，氧化炉带速为100-200mm/min；
所述第二热氧化处理的条件包括：温度为750-810℃，氧含量为500-800ppm，处理时间为0.7-1.2小时，氧化炉带速为100-200mm/min。
可选地，步骤S2中，所述熔融烧结处理的条件包括：温度为1063-1067℃，氧含量为5-16ppm，烧结时间为2.8-3.1小时，烧结炉带速为45-100mm/min。
可选地，采用带有定位孔的夹具对所述第一铜基板和所述第一铜散热柱进行装模。
可选地，该方法还包括：在步骤S1之前，除去所述铜基板的表面氧化层，并进行水洗处理、抗氧化处理和烘干处理中的至少一种；和/或，
对所述散热柱进行超声清洗，并进行水洗处理、抗氧化处理和烘干处理中的至少一种。
可选地，该方法还包括，对步骤S2的烧结处理产品进行表面镀镍。
可选地，步骤S2中，在所述熔融烧结处理后再进行保温处理，所述保温处理的温度为1063-1067℃，时间为0.2-0.3小时，得到所述散热底板。
本公开第三方面提供一种IGBT模块，该IGBT模块包括本公开第一方面提供的散热底板。
通过上述技术方案，本公开的铜散热底板的基板与散热柱通过含有铜氧化物的烧结层结合，结合强度大，且具有良好的散热能力。本公开的方法采用纯铜散热板与铜散热柱热氧化、烧结结合，成型过程中无需使用模具，该工艺简单实用、设备利用率高且生产成本低。
本公开的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
具体实施方式
以下对本公开的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本公开，并不用于限制本公开。
本公开第一方面提供一种铜散热底板，散热底板包括铜基板和铜散热柱，铜散热柱与铜基板之间通过含有铜氧化物的烧结层结合。
本公开的铜散热底板包括铜基板和铜散热柱，铜基板与铜散热柱的材料可以分别为无氧铜，其含氧量小于0.003％，具有较高的硬度。铜基板与铜散热柱通过含有铜氧化物的烧结层形成冶金结合，可以有效提高散热底板的结合强度，且散热效果好。其中，铜散热柱可以为以铜为材料的Pin针。
一种具体实施方式，铜散热柱与铜基板之间可以通过熔融烧结形成的含有铜氧化物的烧结层结合。铜散热柱与铜基板含有的铜氧化物通过熔融烧结形成有烧结层，可以进一步提高散热底板的结合强度。
根据本公开，铜基板与铜散热柱的结合力可以为100kg以上，例如为120-150kg，结合力可以表示铜散热柱与铜基板之间的结合强度，本公开的铜基板与铜散热柱通过铜氧化物熔融烧结形成冶金结合，具有更高的结合强度。
根据本公开，散热底板的热导率可以为370-400W/m·K，优选为380W/m·K。在上述范围内，散热底板的散热性良好，从而可以有效地降低系统热阻，避免因温度升高超过规定值而造成电子设备失效的问题。
根据本公开，铜氧化物层可以含有氧化亚铜和/或氧化铜，也可以含有高纯铜。
本公开第二方面提供一种铜散热底板的制备方法，该方法包括以下步骤：
S1、使铜基板进行第一热氧化处理，得到至少部分表面覆盖有第一氧化亚铜层的第一铜基板；
使铜散热柱进行第二热氧化处理，得到至少部分表面覆盖有第二氧化亚铜层的第一铜散热柱；
S2、使第一氧化亚铜层与第二氧化亚铜层接触并进行熔融烧结处理，以使第一铜基板与第一铜散热柱通过含有铜氧化物的烧结层结合，得到散热底板。
本公开的方法可以制备得到散热性好、结合强度高的铜散热底板，无需使用成型模具，方法工艺简单实用，成本较低。具体来说，本公开的铜基板与铜散热柱的材料可以为无氧铜，其含氧量小于0.003％。铜基板与铜散热柱经过热氧化处理后，可以在表面形成氧化亚铜薄膜，氧化亚铜高温过程中形成铜氧共晶物，铜氧共晶物的熔点小于铜的熔点。因此，熔融烧结处理时铜氧共晶物可以熔融，使得铜基板与铜散热柱通过铜氧化物形成冶金结合，二者结合强度高；而铜基板与铜散热柱主体材料铜则不熔融，从而不受熔融烧结处理的影响，铜基板与铜散热柱仍可以保持较高的强度。
根据本公开，热氧化处理可以在本领域的技术人员所常规使用的设备中进行，在此不做限制。热氧化处理是指金属在高温氧化过程中，除形成表面氧化物以外，氧可能溶解并扩散进入金属内部，与金属发生反应而形成颗粒状氧化物沉积在金属内部的过程。优选地，步骤S1中，第一热氧化处理的条可以件包括：温度为750-810℃，氧含量为500-800ppm，处理时间为0.7-1.2小时，氧化炉带速为100-200mm/min。更优选地，温度为790-800℃，氧含量为520-540ppm，处理时间为0.8-0.9小时，氧化炉带速为145-150mm/min。热氧化处理可以在本领域的技术人员所常规采用的设备中进行，一种具体实施方式，可以将铜基板置于SiN作为垫板的基板上，送入氧化炉进行第一热氧化处理。
其根据本公开，第二热氧化处理的条件可以包括：温度为750-810℃，氧含量为500-800ppm，处理时间为0.7-1.2小时，氧化炉带速为100-200mm/min。优选地，温度为790-800℃，氧含520-540ppm，处理时间为0.8-0.9小时，氧化炉带速为145-150mm/min。一种具体实施方式，可以将散热柱竖立放置于Al2O3作为垫板的陶瓷基板上，进入氧化炉进行热氧化。在上述条件范围内，可以在铜基板与铜散热柱上形成均匀的氧化亚铜薄膜，有利于铜基板与铜散热柱形成牢固的冶金结合。
根据本公开，熔融烧结处理可以在本领域的技术人员所常规采用的设备中进行，在此不做具体限制。一种具体实施方式，可以使第一铜基板和第一铜散热柱进行装模以使第一氧化亚铜层与第二氧化亚铜层层叠接触，并将装模好的产品过烧结炉烧结。优选地，熔融烧结处理的条件可以包括：温度为1063-1067℃，氧含量为5-16ppm，处理时间可以为2.8-3.1小时，烧结炉带速可以为65-100mm/min。更优选地，温度为1065-1066℃，氧含量为13-14ppm，处理时间为2.9-3小时，烧结炉带速为50-55mm/min。在上述条件下，熔融烧结处理可以使得第一铜基板与第一铜散热柱的铜氧共晶物熔融，从而使得二者可以通过含氧化物层形成强度较高的冶金结合，而第一铜基板与第一铜散热柱的主体铜材料在上述条件下并不发生熔融，仍可以保持较高的强度。另一种具体实施方式，将第一铜基板具有氧化亚铜薄膜的一面向上放置于SiN作为垫板的基板上，再进入烧结炉中进行熔融烧结处理，SiN垫板在高温、含氧氛围中不会发生反应，可以避免对铜基板的组成造成影响。
根据本公开，步骤S2中，可以采用带有定位孔的夹具对第一铜基板和第一铜散热柱进行装模。一种具体实施方式，夹具的定位孔可以为直径减缩的锥形孔，在进行装模时将第一铜散热柱插入定位孔中，使锥形孔的大孔朝下，小孔朝上，再将使第一散热柱与第一铜基板定位匹配，再熔融烧结处理前将夹具取下，对装模好的第一铜基板和第一铜散热柱进行熔融烧结处理。采用夹具对铜基板和铜散热柱进行装模，可以使得铜基板与铜散热柱实现较为准确、快速地定位匹配。
一种具体实施方式，该方法还可以包括：在步骤S1之前，除去铜基板的表面氧化层，并进行水洗处理、抗氧化处理和烘干处理中的至少一种。优选地，在步骤S1之前，除去铜基板的表面氧化层，并依次进行水洗处理、抗氧化处理和烘干处理。例如，可以采用酸溶液对铜基板表面进行清洗以除去铜基板表面氧化层，再依次进行水洗处理、抗氧化处理和烘干处理。其中，水洗处理、抗氧化处理和烘干处理可以为本领域的技术人员所常规采用的方法，酸溶液可以为盐酸、硫酸和硝酸中的一种或几种，酸溶液的浓度和用量可以根据实际需要选择，例如酸溶液可以为3-5重量％的稀硫酸。
另一种具体实施方式，可以对散热柱置于含有3-5重量％的稀硫酸中进行超声清洗，并进行水洗处理、抗氧化处理和烘干处理中的至少一种。优选地，对散热柱进行超声清洗，并依次进行水洗处理、抗氧化处理和烘干处理。将铜散热柱置于溶解有油粉的清水中进行超声清洗30-90min，再使用清水洗净后进行抗氧化处理。抗氧化处理为本领域的技术人员所熟知的，例如可以为在烘干箱中70-90℃的条件下烘干0.4-0.6小时，超声清洗的条件可以根据实际需要进行选择，在此不再赘述。经预处理的铜基板及铜散热柱表面清洁、干燥，有利于热氧化处理的顺利进行，以形成均匀的氧化亚铜薄膜。
一种具体实施方式，该方法还可以包括，可以对步骤S2的烧结处理产品进行表面镀镍，以防止本公开的纯铜散热基板表面发生氧化，镀镍处理可以采用本领域的技术人员所常规采用的方法，在此不再赘述。
根据本公开，步骤S2中，在熔融烧结处理后可以再进行保温处理，保温处理的温度可以为1063-1067℃，时间可以为0.2-0.3小时，得到散热底板。优选地，保温处理的温度为1065-1066℃，时间为0.25-0.28小时。经保温处理可以进一步加强铜基板与铜散热柱的结合强度，有利于提高散热基板结构的稳定性。
本公开第三方面提供一种IGBT模块，该IGBT模块包括本公开第一方面提供的散热底板。本公开的IGBT模块具有良好的散热性，散热底板中散热柱与铜散热柱具有较高的结合强度。
下面通过实施例来进一步说明本公开，但是本公开并不因此而受到任何限制。
实施例1
将铜Pin针置于溶解有去油粉的清水中进行超声清洗30min，并用清水洗净，再进行抗氧化处理，随后置于烘干箱中80℃烘干0.5小时。将铜基板采用浓度为4重量％的稀释硫酸进行清洗以除去表面氧化层，并用清水洗净，再进行抗氧化处理，随后置于烘干箱中80℃烘干0.5小时。
将铜基板放置在SiN作为垫板的基板上，在氧化炉带速150mm/min，温度800℃，氧含量为540ppm的条件下，在氧化炉中进行端面热氧化处理1小时，得到端面覆盖有第一氧化亚铜层的第一铜基板。将铜Pin针竖立放置在Al2O3作为垫板的陶瓷基板上，在氧化炉带速150mm/min，温度为800℃，氧含量为540ppm的条件下，在氧化炉中进行热氧化处理1小时，得到表面覆盖有第二氧化亚铜层的第一铜Pin针。
将铜基板定位，使其第一氧化亚铜层朝上，铜Pin针第二氧化亚铜层朝下，在温度为1066℃，氧含量为13ppm的条件下，使第一氧化亚铜层与第二氧化亚铜层接触并进行熔融烧结处理2.8小时后，再在温度为1066℃进行保温处理的0.28小时，得到散热底板。
实施例2
采用与实施例1相同的方法制备，不同之处仅在于，第一热氧化处理的条件包括：温度为650℃，氧含量为830ppm，处理时间为0.6小时，氧化炉带速为210mm/min。
实施例3
采用与实施例1相同的方法制备，不同之处仅在于，熔融烧结处理的条件包括：温度为1060℃，氧含量为3ppm，处理时间为2.5小时，烧结炉带速为120mm/min。
实施例4
采用与实施例1相同的方法制备，不同之处仅在于，熔融烧结处理的条件包括：温度为1076℃，氧含量为25ppm，处理时间为3.2小时，烧结炉带速为40mm/min。
实施例5
采用与实施例1相同的方法制备，不同之处仅在于，不进行保温处理。
对比例1
将铜Pin针置于溶解有油粉的清水中进行超声清洗30min，并用清水洗净，再进行抗氧化处理，随后置于烘干箱中80℃烘干0.5小时。将AlSiC平板与铜pin针通过真空回流焊接炉焊接，得到表面焊接有铜柱的散热底板。
焊料为PbSn5，焊接参数：预热温度300℃，保温延时265s，焊接温度395℃，保温延时900s。
对比例2
将总质量为100重量份的碳化硅颗粒(D50＝146μm)和细碳化硅颗粒(D50＝16μm)按重量比为2：1混合，然后加入1重量份的硝酸铝水溶液和2重量份的酚醛树脂乙醇溶液混合得到混合料；
将混合料在80℃下干燥1h，待其冷却至室温后经造粒机过80目筛造粒，得到粒料，控制湿度为2％；
将填料填充至钢模具中，在18MPa的压力下成型，成型时间为30s，得到素坯，并在200℃固化4h；
将固化好的素坯在1200℃下烧结2h，得到碳化硅预制件，再仿佛石墨模具中，氮气氛围中690℃渗铝，得到表面结合有铝柱的散热底板。
测试例
根据JEDEC JESD22-B117(焊球剪切)、JEDEC JESD22-B116(引线键合、剪切试验方法)标准，采用推拉力测试仪对实施例1-5和对比例1-2制备的散热底板的铜散热柱的推力进行测试，柱子的推力值可以表示铜散热底板与铜散热柱间的结合力；
根据ASTME 1461标准，采用导热系数仪(型号LFA467)对实施例1-5和对比例1-2制备的散热底板的热导率进行测试；
根据Q/BYDQ-A1901.6113.1-2018A.1标准，采用温升台架仪对实施例1-5和对比例1-2制备的散热底板进行封装，对封装模块的散热效果进行测试，上述测试结果见表1和表2。
表1
项目 结合力/g 热导率(w/m·k)
实施例1 151000 380
实施例2 135000 380
实施例3 51000 380
实施例4 124000 380
实施例5 55000 380
对比例1 16000 /
对比例2 45000 210
表2
封装模块温升/℃ 100A 150A 200A 250A 300A
实施例1 79 83.6 90.6 98.7 105.9
对比例2 83 95.4 110.1 127.5 147.1
对比例3 84.1 100.8 120.1 143 171.4
本公开的铜散热基板具有良好的散热性能，且铜散热柱与铜基板具有较高的结合强度。采用本公开的方法制备得到的纯铜散热基板散热性能好、强度高。优选地，当步骤S1中，在氧化炉中，温度为790-800℃，氧含量为520-540ppm，热氧化处理的时间为0.8-0.9小时，氧化炉的带速为145-150mm/min时，制备得到的铜散热底板具有更高的强度。优选地，在烧结炉中，温度为1065-1066℃，氧含量为13-14ppm，熔融烧结处理的时间为2.9-3小时，烧结炉的带速为48-49mm/min时，制备得到的铜散热底板具有更高的强度。优选地，在熔融烧结处理后再进行保温处理，保温处理的温度为1065-1066℃，时间为0.25-0.28小时，制备得到的铜散热底板具有更高的强度。
以上详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。

Claims (11)

1.一种铜散热底板，其特征在于，所述散热底板包括铜基板和铜散热柱，所述铜散热柱与所述铜基板之间通过含有铜氧化物的烧结层结合；所述烧结层通过对所述铜散热柱与所述铜基板分别进行热氧化处理，得到至少部分表面覆盖有第一氧化亚铜层的第一铜基板和至少部分表面覆盖有第二氧化亚铜层的第一铜散热柱，使所述第一氧化亚铜层与所述第二氧化亚铜层接触并进行熔融烧结处理形成。
2.根据权利要求1所述的散热底板，其特征在于，所述铜散热柱与所述铜基板的结合力为100kg以上。
3.根据权利要求1所述的散热底板，其特征在于，所述散热底板的热导率为370-400W/m·K。
4.一种制备铜散热底板的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
S1、使铜基板进行第一热氧化处理，得到至少部分表面覆盖有第一氧化亚铜层的第一铜基板；
使铜散热柱进行第二热氧化处理，得到至少部分表面覆盖有第二氧化亚铜层的第一铜散热柱；
S2、使所述第一氧化亚铜层与所述第二氧化亚铜层接触并进行熔融烧结处理，以使所述第一铜基板与所述第一铜散热柱通过含有铜氧化物的烧结层结合，得到所述散热底板。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤S1中，所述第一热氧化处理的条件包括：温度为750-810℃，氧含量为500-800ppm，处理时间为0.7-1.2小时，氧化炉带速为100-200mm/min；
所述第二热氧化处理的条件包括：温度为750-810℃，氧含量为500-800ppm，处理时间为0.7-1.2小时，氧化炉带速为100-200mm/min。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤S2中，所述熔融烧结处理的条件包括：温度为1063-1067℃，氧含量为5-16ppm，烧结时间为2.8-3.1小时，烧结炉带速为45-100mm/min。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤S2中，采用带有定位孔的夹具对所述第一铜基板和所述第一铜散热柱进行装模。
8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，该方法还包括：在步骤S1之前，除去所述铜基板的表面氧化层，并进行水洗处理、抗氧化处理和烘干处理中的至少一种；和/或，
对所述散热柱进行超声清洗，并进行水洗处理、抗氧化处理和烘干处理中的至少一种。
9.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，该方法还包括，对步骤S2的烧结处理产品进行表面镀镍。
10.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤S2中，在所述熔融烧结处理后再进行保温处理，所述保温处理的温度为1063-1067℃，时间为0.2-0.3小时，得到所述散热底板。
11.一种IGBT模块，其特征在于，该IGBT模块包括权利要求1-3中任意一项所述的散热底板。
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