CN114349471B - 一种用于igbt封装的陶瓷覆铝板及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于IGBT封装的陶瓷覆铝板及其制备方法，涉及陶瓷金属化技术领域，包括陶瓷底板、活性金属液膜和复合铝板，所述陶瓷底板的外表面上均匀覆盖有活性金属液膜，所述陶瓷底板与复合铝板通过活性金属液膜连接。本发明通过在陶瓷底板生产原料黏土、石英以及长石中再添加一定比例的碳化硅，使得含有碳化硅的复合陶瓷的密度、抗压强度、热导率等性能都有较明显提升，避免通过单一陶瓷底板成分单一，导致工件的导热性能以及抗压强度弱易被损坏的问题，在陶瓷底板外侧覆盖铝板时，采用铝－镁合金、工业纯铝、铝－铜合金组成的复合铝板，既增强了工件的耐腐蚀性和抗压性，同时也增强了工件的导热性能。

Description

一种用于IGBT封装的陶瓷覆铝板及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种陶瓷覆铝板及其制备方法，涉及陶瓷金属化技术领域，具体涉及一种用于IGBT封装的陶瓷覆铝板及其制备方法。
背景技术
IGBT中文名称绝缘栅双极型晶体管，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。随着微电子技术的迅速发展，电子器件趋于大功率、高密度、多功能化，电子线路的集成程度越来越高，电路工作时不可避免地产生大量热量。金属陶瓷复合材料综合了陶瓷的绝缘、高导热，耐磨，耐腐蚀，耐高温的特性，和金属的导电，高导热特性，目前陶瓷覆铝板技术的应用也越来越广泛。
针对现有技术存在以下问题：
陶瓷覆铝板在制作过程中，常采用单一成分的陶瓷底板，性能单一，使得成品无法适应多种不同环境，在对陶瓷底板进行覆铝操作中，常采用单质铝，由于单质铝塑性好，其他性能较差，所以常通过在铝中添加不同金属来提升铝合金整体综合性能。
发明内容
本发明提供一种用于IGBT封装的陶瓷覆铝板及其制备方法，其中一种目的是为了使得陶瓷底板具备多种性能的能力，解决单一成分陶瓷底板性能单一，无法适应多种不同环境的问题；其中另一种目的是为了解决单质铝性能单一的问题，以达到提升复合铝板综合性能的效果。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种用于IGBT封装的陶瓷覆铝板，包括陶瓷底板、活性金属液膜和复合铝板，所述陶瓷底板的外表面上均匀覆盖有活性金属液膜，所述陶瓷底板与复合铝板通过活性金属液膜连接。
本发明还提供一种用于IGBT封装的陶瓷覆铝板的制备方法，该用于IGBT封装的陶瓷覆铝板的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、陶瓷底板加工；
步骤二、复合铝板加工；
步骤三、活性金属液膜制备；
步骤四、陶瓷底板与复合铝板连接；
步骤五、冷却定型。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤一还包括，所述陶瓷底板由黏土、石英以及长石通过不同比例混合烧制而成，所述陶瓷底板在烧制过程中还掺入有碳化硅，所述黏土、石英、长石以及碳化硅之间的质量份比为：黏土100～105重量份，石英50～60重量份，长石10～15重量份，碳化硅5～7重量份，所述陶瓷底板烧制完成之后进行切割和打磨，通过添加碳化硅，提升陶瓷底板的密度、抗压性能以及导热性能。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤二还包括，所述复合铝板由铝镁合金层、工业纯铝层、铝铜合金层复合组成，所述工业纯铝层的厚度为0.05-0.2mm，所述工业纯铝层的外侧分别设置有铝镁合金层和铝铜合金层，所述铝镁合金层的厚度为0.02-0.1mm，所述铝铜合金层稳定厚度为0.01-0.1mm，所述工业纯铝层、铝镁合金层、铝铜合金测绘之间通过真空或者惰性气氛热压成型，通过铝镁合金层以及铝铜合金层的共同作用，使得工件的耐腐蚀性，同时通过内层的纯铝心层，保证了良好的韧性，抗压能力以及导热性能都有较明显的提升。进一步的所述工业纯铝层的厚度为0.01-0.15mm，铝镁合金层的厚度为0.05-0.08mm，所述铝铜合金层稳定厚度为0.03-0.06mm，优选的采用惰性气氛热压工艺，采用的惰性气氛为氮气、氩气，纯度大于4N，进一步惰性气氛为氩气,氩气纯度大于6N。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述铝镁合金层中镁的含量在0.2％～0.5％之间，所述铝－镁合金层中其他元素含量在0.1％～0.2％之间，所述铝－铜合金层中铜的含量在0.15％～0.8％之间，所述铝铜合金层中的杂质元素含量为0.05％～0.3％之间。
所述步骤三还包括有，所述活性金属液膜为Au-Ag-Ge合金，进一步优选的Au-25.5Ag-25.2Ge合金，所述Au-25.5Ag-25.2Ge合金均匀覆盖在陶瓷底板的外表面上，所述Au-25.5Ag-25.2Ge合金活性金属液膜层的厚度为5-20μm，从而使得合金具有足够的能够润湿，且不至于由于过多的活性金属导致刻蚀困难。
所述步骤四还包括有，所述覆盖活性金属液膜的陶瓷底板与复合铝板通过高温钎焊法进行连接，所述高温钎焊法的操作温度为505℃～560℃，所述操作温度高于活性金属液膜熔化的温度，所述操作温度低于复合铝板的熔化温度，所述高温钎焊法的操作环境为真空环境或者惰性气体氛围氛围，优选的采用惰性气氛热压工艺，采用的惰性气氛为氮气、氩气，纯度大于4N，进一步惰性气氛为氩气,氩气纯度大于6N。
所述步骤五还包括，所述高温钎焊之后的陶瓷覆铝板焊接完成后以1℃/min速率降低至300℃后随炉冷却。
由于采用了上述技术方案，本发明相对现有技术来说，取得的技术进步是：
本发明提供一种用于IGBT封装的陶瓷覆铝板及其制备方法，首先通过在陶瓷底板生产原料黏土、石英以及长石中再添加一定比例的碳化硅，使得含有碳化硅的复合陶瓷的密度、抗压强度、热导率等性能都有较明显提升，避免通过单一陶瓷底板成分单一，导致工件的导热性能以及抗压强度弱易被损坏的问题。
本发明提供一种用于IGBT封装的陶瓷覆铝板及其制备方法，在陶瓷底板外侧覆盖铝板时，采用铝镁合金、工业纯铝、铝铜合金组成的复合铝板，通过铝镁合金层以及铝铜合金层的共同作用，既增强了工件的耐腐蚀性和抗压性，同时通过内层的纯铝心层，保证了良好的韧性，抗压能力以及导热性能都有较明显的提升，同时也保增强了工件的导热性能，避免出现热量堆积，难以散发的问题。
本发明将陶瓷底板与复合铝板之间进行连接时，采用高温钎焊法惰性气氛焊接，从通过惰性气氛介质实现炉温传递，提升炉温均匀性，在温度505℃～560℃范围内实现焊接，该温度高于活性金属液膜的熔化温度，同时低于复合铝板的熔化温度，通过融化的活性金属液膜将陶瓷底板与复合铝板连接，静置冷却后，确保连接处的稳定性以及陶瓷覆铝板的综合性能。
附图说明
图1为本发明制备流程示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步详细说明：
实施例1
称取黏土200g，石英100g，长石20g，碳化硅10g采用湿法球磨混和均匀后烘干，采用模压压制称0.8mm方块后排胶并在1350℃烧结3h后随炉冷却得到陶瓷毛坯。随后对陶瓷毛坯打磨并切割成50×50mm的陶瓷方片待用。采用真空热压工艺将0.2mm厚纯铝、0.02mm厚度铝镁合金及0.01mm铝铜合金热压，热压温度为620℃，压力50MPa，得到复合铝板待用。在50×50mm的陶瓷方片采用丝网印刷工艺印刷厚度为20um的Au-25.5Ag-25.2Ge合金活性焊料然后放入烘箱105℃下24h烘干。然后在4N的氩气气氛下升温至505℃焊接10min后1℃/min降温至300℃后随炉冷却，得到该覆铝板，测试剥离强度为13.3N/mm。
实施例2
称取黏土200g，石英100g，长石20g，碳化硅10g采用湿法球磨混和均匀后烘干，采用模压压制称0.8mm方块后排胶并在1350℃烧结3h后随炉冷却得到陶瓷毛坯。随后对陶瓷毛坯打磨并切割成50×50mm的陶瓷方片待用。采用真空热压工艺将0.2mm厚纯铝、0.02mm厚度铝镁合金及0.01mm铝铜合金热压，热压温度为620℃，压力50MPa，得到复合铝板待用。在50×50mm的陶瓷方片采用丝网印刷工艺印刷厚度为5um的Au-25.5Ag-25.2Ge合金活性焊料然后放入烘箱105℃下24h烘干。然后在4N的氩气气氛下升温至505℃焊接10min后1℃/min降温至300℃后随炉冷却，得到该覆铝板，测试剥离强度为10.9N/mm。
实施例3
称取黏土200g，石英100g，长石20g，碳化硅10g采用湿法球磨混和均匀后烘干，采用模压压制称0.8mm方块后排胶并在1350℃烧结3h后随炉冷却得到陶瓷毛坯。随后对陶瓷毛坯打磨并切割成50×50mm的陶瓷方片待用。采用真空热压工艺将0.2mm厚纯铝、0.02mm厚度铝镁合金及0.01mm铝铜合金热压，热压温度为620℃，压力50MPa，得到复合铝板待用。在50×50mm的陶瓷方片采用丝网印刷工艺印刷厚度为20um的Au-25.5Ag-25.2Ge合金活性焊料然后放入烘箱105℃下24h烘干。然后在6N的氩气气氛下升温至505℃焊接10min后1℃/min降温至300℃后随炉冷却，得到该覆铝板，测试剥离强度为17.5N/mm。
实施例4
称取黏土200g，石英100g，长石20g，碳化硅10g采用湿法球磨混和均匀后烘干，采用模压压制称0.8mm方块后排胶并在1350℃烧结3h后随炉冷却得到陶瓷毛坯。随后对陶瓷毛坯打磨并切割成50×50mm的陶瓷方片待用。采用真空热压工艺将0.2mm厚纯铝、0.02mm厚度铝镁合金及0.01mm铝铜合金热压，热压温度为620℃，压力50MPa，得到复合铝板待用。在50×50mm的陶瓷方片采用丝网印刷工艺印刷厚度为20um的Au-25.5Ag-25.2Ge合金活性焊料然后放入烘箱105℃下24h烘干。然后在6N的氩气气氛下升温至560℃焊接10min后1℃/min降温至300℃后随炉冷却，得到该覆铝板，测试剥离强度为15.2N/mm。
实施例5
称取黏土210g，石英120g，长石30g，碳化硅14g采用湿法球磨混和均匀后烘干，采用模压压制称0.8mm方块后排胶并在1350℃烧结3h后随炉冷却得到陶瓷毛坯。随后对陶瓷毛坯打磨并切割成50×50mm的陶瓷方片待用。采用真空热压工艺将0.2mm厚纯铝、0.02mm厚度铝镁合金及0.01mm铝铜合金热压，热压温度为620℃，压力50MPa，得到复合铝板待用。在50×50mm的陶瓷方片采用丝网印刷工艺印刷厚度为20um的Au-25.5Ag-25.2Ge合金活性焊料然后放入烘箱105℃下24h烘干。然后在6N的氩气气氛下升温至505℃焊接10min后1℃/min降温至300℃后随炉冷却，得到该覆铝板，测试剥离强度为18.8N/mm。
实施例6
称取黏土210g，石英120g，长石30g，碳化硅14g采用湿法球磨混和均匀后烘干，采用模压压制称0.8mm方块后排胶并在1350℃烧结3h后随炉冷却得到陶瓷毛坯。随后对陶瓷毛坯打磨并切割成50×50mm的陶瓷方片待用。采用真空热压工艺将0.05mm厚纯铝、0.1mm厚度铝镁合金及0.1mm铝铜合金热压，热压温度为620℃，压力50MPa，得到复合铝板待用。在50×50mm的陶瓷方片采用丝网印刷工艺印刷厚度为20um的Au-25.5Ag-25.2Ge合金活性焊料然后放入烘箱105℃下24h烘干。然后在6N的氩气气氛下升温至505℃焊接10min后1℃/min降温至300℃后随炉冷却，得到该覆铝板，测试剥离强度为16.2N/mm。
上文一般性的对本发明做了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之做一些修改或改进，这对于技术领域的一般技术人员是显而易见的。因此，在不脱离本发明思想精神的修改或改进，均在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于IGBT封装的陶瓷覆铝板，包括陶瓷底板、活性金属液膜和复合铝板，其特征在于：所述陶瓷底板的外表面上均匀覆盖有活性金属液膜，所述陶瓷底板与复合铝板通过活性金属液膜焊接连接，其中所述陶瓷底板由黏土、石英、长石和碳化硅混合烧制而成，其中黏土、石英、长石以及碳化硅之间的质量份比为：黏土100~105重量份，石英50~60重量份，长石10~15重量份，碳化硅5~7重量份；其中复合铝板由铝镁合金层、工业纯铝层、铝铜合金层复合热压而成，其中工业纯铝层的厚度为0.05-0.2mm，工业纯铝层的外侧分别设置有铝镁合金层和铝铜合金层，其中铝镁合金层的厚度为0.02-0.1mm，铝铜合金层厚度为0.01-0.1mm；其中合金活性金属液膜层的制备方法为：将活性金属通过丝网印刷工艺均匀覆盖在陶瓷底板的外表面上，其中印刷厚度为5-20μm，活性金属为Au-25.5Ag-25.2Ge合金。
2.一种权利要求1所述的用于IGBT封装的陶瓷覆铝板的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一、陶瓷底板加工；
步骤二、复合铝板加工；
步骤三、活性金属液膜制备；
步骤四、陶瓷底板与复合铝板焊接连接；
步骤五、冷却定型。
3.根据权利要求2所述的一种用于IGBT封装的陶瓷覆铝板的制备方法，其特征在于：所述铝镁合金层中镁的含量在重量百分比0.2%~0.5%之间，所述铝铜合金层中铜的含量在重量百分比0.15%~0.8%之间。
4.根据权利要求2所述的一种用于IGBT封装的陶瓷覆铝板的制备方法，其特征在于：所述步骤四的陶瓷底板与复合铝板焊接连接工艺为：所述覆盖活性金属液膜的陶瓷底板与复合铝板通过高温钎焊法进行连接，所述高温钎焊法的操作温度为505℃~560℃，所述操作温度高于活性金属液膜熔化的温度，所述操作温度低于复合铝板的熔化温度，所述高温钎焊法的环境为真空环境或者惰性气体氛围。
5.根据权利要求2所述的一种用于IGBT封装的陶瓷覆铝板的制备方法，其特征在于：所述步骤五冷却定型的工艺为：所述的陶瓷覆铝板焊接完成后以1℃/min速率降低至300℃后随炉冷却。
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