CN115805349A - Igbt模块的覆铜板陶瓷和无氧铜箔的连接工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种IGBT模块的覆铜板陶瓷和无氧铜箔的连接工艺，覆铜板陶瓷为陶瓷基板，陶瓷基板上表面和无氧铜箔下表面之间设有按照距离陶瓷基板由近至远的顺序依次连接的图形化活性金属钎焊层、金属薄膜和低温金属钎焊层；本发明具有有效降低了残余应力，连接稳定性好的特点。

Description

IGBT模块的覆铜板陶瓷和无氧铜箔的连接工艺

技术领域

本发明涉及陶瓷覆铜板技术领域，尤其是涉及一种连接稳定性好的IGBT模块的覆铜板陶瓷和无氧铜箔的连接工艺。

背景技术

大功率绝缘栅双极晶体管(IGBT)模块是用作静态转换器中的开关，用于通过脉宽调制产生正弦电流。IGBT模块适用于直流电压600V以上的转换系统，如交流电机、逆变器、开关电源、照明电路、牵引驱动等领域，具有驱动功率小和低导通电压降的优点。

IGBT模块中容易发生故障的是陶瓷覆铜板与电子封装相关的连接处。由于热膨胀系数(CTE)之间的不匹配，温度变化会导致IGBT模块的多层封装结构发生热疲劳。统计数据显示55％以上的IGBT模块故障是由温度变化引起的。

目前陶瓷覆铜板的主要生产方式为活性金属钎焊法、表面金属化以及直接覆铜法。上述方法都需要在高温下形成结合层，会产生较大的残余应力，残余应力在很大程度上影响了覆铜板的力学性能。

在使用过程中，由于IGBT模块反复发热及冷却，使覆铜板受到循环载荷，内应力使陶瓷与无氧铜箔连接处产生裂纹甚至开裂。

为了降低内应力，有的研究中提出了引入过渡金属层或者在钎料中添加低膨胀系数颗粒，缓解组织内应力的方法。但是上述方法会使连接层厚度增加，影响冷却效果，还会使IGBT模块的使用寿命下降。

发明内容

本发明的发明目的是为了的解决IGBT模块的陶瓷覆铜板与无氧铜箔连接处容易产生裂纹的不足，提供了一种连接稳定性好的IGBT模块的覆铜板陶瓷和无氧铜箔的连接工艺。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种IGBT模块的覆铜板陶瓷和无氧铜箔的连接工艺，所述覆铜板陶瓷为陶瓷基板，陶瓷基板上表面和无氧铜箔下表面之间设有按照距离陶瓷基板由近至远的顺序依次连接的图形化活性金属钎焊层、金属薄膜和低温金属钎焊层；包括如下步骤：

步骤1，清洗陶瓷基板：

将经过表面打磨处理后的陶瓷基板放入盛有丙酮溶液的烧杯中，将烧杯放置在超声波清洗机中清洗15min-20min，用无水乙醇冲洗陶瓷基板，然后吹干陶瓷基板；

步骤2，在陶瓷基板上制作图形化活性金属钎焊层：

将图形化丝网模板放到陶瓷基板上表面上，在图形化丝网模板上涂覆活性金属钎料，活性金属钎料透过图形化丝网模板的各个孔在陶瓷基板上形成规则分布的点状钎焊层，然后取走图形化丝网模板；

将陶瓷基板放入真空热处理炉中，使点状钎焊层熔化后与陶瓷基板固定连接，在陶瓷基板上形成图形化活性金属钎焊层；

图形化活性金属钎焊层为岛状不相连结构，在高温冷却至室温过程中，陶瓷基底与传统连续钎焊层热膨胀系数不同会导致较大残余应力的产生，岛状结构以不连续的特性大大减小了残余应力，并且为后期陶瓷基底与无氧铜箔的连接提供了充足的纵向连接力。

步骤3，将陶瓷基板放入磁控溅射仪的溅射室中，在图形化活性金属钎焊层上表面形成0.5μm-3μm的金属薄膜；

磁控溅射生成金属薄膜工作温度低，避免了较大残余应力的产生，为后期陶瓷基底与无氧铜箔的连接提供了充足的横向连接力。

步骤4，在金属薄膜上表面上制作低温金属钎焊层：

将图形化丝网模板放到金属薄膜上表面上，在图形化丝网模板上涂覆低温金属钎料，低温金属钎料透过图形化丝网模板的各个孔在金属薄膜上形成低温金属钎料层，然后取走图形化丝网模板，在低温金属钎料层上表面上放置无氧铜箔；

将陶瓷基板放入真空热处理炉中，使低温金属钎料层熔化后形成低温金属钎焊层，低温金属钎焊层分别与无氧铜箔和图形化活性金属钎焊层固定连接。

采用低温钎焊技术，有效避免了高温钎焊在冷却过程中产生的较大残余应力，在图形化活性金属钎焊层和磁控溅射镀层的基础上可以实现陶瓷基底与无氧铜箔的良好连接。

因此，本发明通过采用图案化活性金属钎焊层+磁控溅射镀膜+低温钎焊的工艺，有效避免了传统陶瓷覆铜板生产方式中的高残余应力的问题，实现了低残余应力的连接方式，达到了将覆铜板陶瓷与无氧铜箔良好连接的目的，提高了陶瓷覆铜板的使用寿命。

作为优选，所述陶瓷基板采用AlN、Al₂O₃、Si₃N₄、B₄C、SiC中的任一种材料制成；

所述图形化活性金属钎焊层采用Ag₇₂-Cu₂₈合金粉末，Ti、Zr、Hf中的一种或多种活性金属粉末，和有机粘结剂混合制成。

作为优选，所述Ag₇₂-Cu₂₈合金粉末的颗粒直径为0.1μm-100μm；

所述活性金属粉末的颗粒直径为0.5μm-100μm。

作为优选，所述有机粘结剂由溶剂、增稠剂、分散剂、抗氧化剂、触变剂、和缓蚀剂混合组成；

溶剂选取二醇基溶剂、醇基溶剂、三氯乙烯、二乙二醇丁醚、松节油、酯类中的两种或多种，使用多种低沸点溶剂防止溶剂集中挥发生成气孔缺陷；

增稠剂选取丙烯酸树脂、羟乙基纤维素、松油醇、甲基纤维素、乙基纤维素、聚丙烯醇、聚乙二醇中的一种或多种，使粘结剂拥有一定粘度，防止在涂抹后产生流挂现象；

分散剂选取鱼油、硬脂酸、乙醇胺、鱼油、甲基戊醇、十六烷基三甲基溴化铵中的一种或多种，使金属颗粒均匀分散在粘结剂中；

抗氧化剂选取己二酸、水杨酸、柠檬酸、草酸、戊二酸、壬二酸中的一种或多种，使用有机弱酸对金属粉末有一个保护作用又不至于腐蚀金属粉末；

触变剂选取聚酰胺腊、氢化蓖麻油、气相二氧化硅、聚脲中的一种或多种，在丝网印刷时使氢键断裂，易于涂抹；

缓蚀剂选取苯并三氮唑、巯基苯骈噻唑、甲基苯骈三氮唑、膦酸、膦羧酸、琉基苯并噻唑中的一种或多种，有机缓蚀剂通过静电引力和范德华力的物理吸附和基于金属与极性基的电子共有的化学吸附，使金属粉末不易失去电子；

所述有机粘结剂中的溶剂、增稠剂、分散剂、抗氧化剂、触变剂和缓蚀剂的质量份数比为：

(80-140)：(2-20)：(2-20)：(2-20)：(2-10)：(1-4)。

采用上述成分及比例的粘结剂，加热挥发不集中，无残留，不易产生缺陷，对金属粉末有良好的保护作用，在丝网印刷时拥有良好的粘度和触变性。

作为优选，所述图形化活性金属钎焊层中的Ag₇₂-Cu₂₈合金粉末与活性金属粉末的质量份数比为：(47.5-49)：(1-2.5)；

所述图形化活性金属钎焊层中的活性金属粉末与有机粘结剂的质量份数比为(8-9)：(1-2)。

作为优选，所述步骤3中的金属薄膜采用Au、Ag、Cu中的任一种靶材磁控溅射制成，或者金属薄膜采用Au、Ag、Cu中的至少两种靶材同时磁控溅射制成。

作为优选，所述低温金属钎焊层所采用的低温金属钎料包括Ag、Pb、Bi、In、Cd、Sn、Zn、Cu中的一种或多种金属元素，低温金属钎料为膏状或者箔状。

作为优选，所述无氧铜箔为氧的含量不大于0.003％，杂质总含量不大于0.05％的铜箔；所述无氧铜箔的厚度为50μm-600μm。

作为优选，所述使点状钎焊层熔化后与陶瓷基板固定连接，在陶瓷基板上形成图形化活性金属钎焊层包括如下具体步骤：

将真空热处理炉内抽真空到5×10^-4Pa-2×10^-3Pa，以5℃/min-10℃/min的速度使真空热处理炉内升温至750℃-770℃，保温15min-30min，再以3℃/min-5℃/min的升温速率使真空热处理炉内升温至870℃-930℃，保温5min-15min后，再以3℃/min-5℃/min的速率使真空热处理炉内降到500℃-600℃以下，然后随炉冷却。

因此，本发明具有如下有益效果：通过采用图案化活性金属钎焊层+磁控溅射镀膜+低温钎焊的工艺，可以有效避免传统陶瓷覆铜板生产方式中高残余应力的问题，实现了一种低残余应力的连接方式，达到陶瓷与无氧铜箔良好连接的目的，提高了陶瓷覆铜板的使用寿命。

附图说明

图1是本发明的一种工艺流程图；

图2是本发明的陶瓷基板的一种结构示意图。

图中：陶瓷基板1、丙酮溶液2、图形化丝网模板3、图形化活性金属钎焊层4、磁控溅射靶材原子5、金属薄膜6、无氧铜箔7。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的描述。

实施例1

如图1、图2所示的实施例是一种IGBT模块的覆铜板陶瓷和无氧铜箔的连接工艺，覆铜板陶瓷为陶瓷基板1，陶瓷基板上表面和无氧铜箔7下表面之间设有按照距离陶瓷基板由近至远的顺序依次连接的图形化活性金属钎焊层4、金属薄膜6和低温金属钎焊层；包括如下步骤：

步骤1，清洗陶瓷基板：

将经过表面打磨处理后的陶瓷基板放入盛有丙酮溶液2的烧杯中，将烧杯放置在超声波清洗机中清洗20min，用无水乙醇冲洗陶瓷基板，然后吹干陶瓷基板；

步骤2，在陶瓷基板上制作图形化活性金属钎焊层：

将图形化丝网模板3放到陶瓷基板上表面上，在图形化丝网模板上涂覆活性金属钎料，活性金属钎料透过图形化丝网模板的各个孔在陶瓷基板上形成规则分布的点状钎焊层，通过图形化丝网模板控制点状钎焊层的形状和厚度，厚度控制在20μm-150μm，然后取走图形化丝网模板；

陶瓷基板采用AlN材料制成；

所述图形化活性金属钎焊层采用Ag₇₂-Cu₂₈合金粉末，Zr和Hf活性金属粉末，和有机粘结剂混合制成。Ag₇₂-Cu₂₈合金粉末的颗粒直径为60μm；活性金属粉末的颗粒直径为80μm。

有机粘结剂由溶剂、增稠剂、分散剂、抗氧化剂、触变剂、和缓蚀剂混合组成；

有机粘结剂中的溶剂、增稠剂、分散剂、抗氧化剂、触变剂和缓蚀剂的质量份数比为：80：20：2：2：2：4。

Ag₇₂-Cu₂₈合金粉末与活性金属粉末的质量份数比为：47.5：1；

图形化活性金属钎焊层中的活性金属粉末与有机粘结剂的质量份数比为9：1。

将陶瓷基板放入真空热处理炉中，使点状钎焊层熔化后与陶瓷基板固定连接，在陶瓷基板上形成图形化活性金属钎焊层；

将真空热处理炉内抽真空到5×10^-4Pa，以5℃/min的速度使真空热处理炉内升温至770℃，保温15min，再以3℃/min的升温速率使真空热处理炉内升温至870℃，保温5min后，再以3℃/min的速率使真空热处理炉内降到600℃以下，然后随炉冷却。

步骤3，将陶瓷基板放入磁控溅射仪的溅射室中，将待镀Cu金属靶材固定于磁控溅射仪溅射室内的靶座上，溅射室抽真空至2.0×10^-3Pa以下，通过加热基片传热使样品转台上的陶瓷基板温度升至300℃，向溅射室内通入氩气，控制氩气流量为30sccm，调节偏压至500V，对Cu金属靶材进行40min的预溅射，除去Cu靶材表面的氧化层以及污渍，保证薄膜的纯度和质量。

调节衬底偏压至80V，控制氩气流量为25sccm，将溅射室内气压升高至2.0Pa，使装Cu金属靶材的靶座电压升至300V进行辉光放电，使氩气电离，产生氩气离子，氩气离子轰击Cu金属靶材，引起Cu靶材溅射金属Cu原子；调整溅射室内工作气压至0.8Pa，进行预溅射10min；经过预溅射过程，使装Cu金属靶材的靶座电压电流稳定后，控制样品转台自转速度为8r/min，调节装Cu金属靶材的靶座电压电流使功率达到250W，持续溅射50min，在图形化活性金属钎焊层上表面形成0.5μm-3μm的Cu金属薄膜；

步骤4，在金属薄膜上表面上制作低温金属钎焊层：

将图形化丝网模板放到金属薄膜上表面上，在图形化丝网模板上涂覆AuSn₂₀低温金属钎料，低温金属钎料透过图形化丝网模板的各个孔在金属薄膜上形成低温金属钎料层，通过图形化丝网模板控制低温金属钎料层的形状和厚度，厚度控制在10μm-100μm，然后取走图形化丝网模板，在低温金属钎料层上表面上放置无氧铜箔；

无氧铜箔为氧的含量不大于0.003％，杂质总含量不大于0.05％的铜箔；无氧铜箔的厚度为50μm-600μm。

将陶瓷基板放入真空热处理炉中，使低温金属钎料层熔化后形成低温金属钎焊层，低温金属钎焊层分别与无氧铜箔和图形化活性金属钎焊层固定连接。

将陶瓷基板放入真空热处理炉中，抽真空使到真空热处理炉中达到2×10^-3Pa，以5℃/min的速度升温，使真空热处理炉中的温度达到280℃，保温15min，再以3℃/min的升温速率升温，使真空热处理炉中的温度达到320℃，保温5min后随炉冷却。

图形化活性金属钎焊层、金属薄膜、低温金属钎焊层、无氧铜箔还可以位于陶瓷基底的两侧。

实施例2

实施例2中，有机粘结剂中的溶剂、增稠剂、分散剂、抗氧化剂、触变剂和缓蚀剂的质量份数比为：140：2：20：20：10：1。

Ag₇₂-Cu₂₈合金粉末与活性金属粉末的质量份数比为：49：2.5；

图形化活性金属钎焊层中的活性金属粉末与有机粘结剂的质量份数比为8：2。

低温金属钎料为Pb_93.5Sn₅Ag_1.5。实施例2的其它内容与实施例1中相同。

实施例3

实施例3中，有机粘结剂中的溶剂、增稠剂、分散剂、抗氧化剂、触变剂和缓蚀剂的质量份数比为：90：10：11：15：8：2。

Ag₇₂-Cu₂₈合金粉末与活性金属粉末的质量份数比为：48：2；

图形化活性金属钎焊层中的活性金属粉末与有机粘结剂的质量份数比为7：1.5。

低温金属钎料为AuSn₂₀。实施例3的其它内容与实施例1中相同。

实施例4

实施例4中，有机粘结剂中的溶剂、增稠剂、分散剂、抗氧化剂、触变剂和缓蚀剂的质量份数比为：110：5：8：12：7：2。

Ag₇₂-Cu₂₈合金粉末与活性金属粉末的质量份数比为：48.5：2；

图形化活性金属钎焊层中的活性金属粉末与有机粘结剂的质量份数比为8.7：1.3。

低温金属钎料为Pb_93.5Sn₅Ag_1.5。实施例4的其它内容与实施例1中相同。

性能测试：

根据GB_T4722-2017推荐的印刷电路用刚性覆铜箔层压板试验方法，对最终制成的陶瓷覆铜板进行拉脱强度机械性能检测，并且使用纳米压痕测试仪，在陶瓷覆铜板铜箔表面进行检测，对比钎焊后的样品和原始无氧铜箔压痕深度，结合无氧铜箔硬度数据，通过Suresh模型计算出残余应力。

表1陶瓷覆铜板不同连接方式的拉脱强度和残余应力

通过对表1的数据进行分析，可以看出，采用本发明连接的陶瓷覆铜板比传统活性金属钎焊工艺制备的陶瓷覆铜板拉脱强度更高，残余应力更低。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种IGBT模块的覆铜板陶瓷和无氧铜箔的连接工艺，其特征是，所述覆铜板陶瓷为陶瓷基板，陶瓷基板上表面和无氧铜箔下表面之间设有按照距离陶瓷基板由近至远的顺序依次连接的图形化活性金属钎焊层、金属薄膜和低温金属钎焊层；包括如下步骤：

步骤1，清洗陶瓷基板：

将经过表面打磨处理后的陶瓷基板放入盛有丙酮溶液的烧杯中，将烧杯放置在超声波清洗机中清洗15min-20min，用无水乙醇冲洗陶瓷基板，然后吹干陶瓷基板；

步骤2，在陶瓷基板上制作图形化活性金属钎焊层：

将图形化丝网模板放到陶瓷基板上表面上，在图形化丝网模板上涂覆活性金属钎料，活性金属钎料透过图形化丝网模板的各个孔在陶瓷基板上形成规则分布的点状钎焊层，然后取走图形化丝网模板；

将陶瓷基板放入真空热处理炉中，使点状钎焊层熔化后与陶瓷基板固定连接，在陶瓷基板上形成图形化活性金属钎焊层；

步骤3，将陶瓷基板放入磁控溅射仪的溅射室中，在图形化活性金属钎焊层上表面形成0.5μm-3μm的金属薄膜；

步骤4，在金属薄膜上表面上制作低温金属钎焊层：

将图形化丝网模板放到金属薄膜上表面上，在图形化丝网模板上涂覆低温金属钎料，低温金属钎料透过图形化丝网模板的各个孔在金属薄膜上形成低温金属钎料层，然后取走图形化丝网模板，在低温金属钎料层上表面上放置无氧铜箔；

将陶瓷基板放入真空热处理炉中，使低温金属钎料层熔化后形成低温金属钎焊层，低温金属钎焊层分别与无氧铜箔和图形化活性金属钎焊层固定连接。

2.根据权利要求1所述的IGBT模块的覆铜板陶瓷和无氧铜箔的连接工艺，其特征是，

所述陶瓷基板采用AlN、Al₂O₃、Si₃N₄、B₄C、SiC中的任一种材料制成；

所述图形化活性金属钎焊层采用Ag₇₂-Cu₂₈合金粉末，Ti、Zr、Hf中的一种或多种活性金属粉末，和有机粘结剂混合制成。

3.根据权利要求2所述的IGBT模块的覆铜板陶瓷和无氧铜箔的连接工艺，其特征是，

所述Ag₇₂-Cu₂₈合金粉末的颗粒直径为0.1μm-100μm；

所述活性金属粉末的颗粒直径为0.5μm-100μm。

4.根据权利要求2所述的IGBT模块的覆铜板陶瓷和无氧铜箔的连接工艺，其特征是，

所述有机粘结剂由溶剂、增稠剂、分散剂、抗氧化剂、触变剂、和缓蚀剂混合组成；

所述有机粘结剂中的溶剂、增稠剂、分散剂、抗氧化剂、触变剂和缓蚀剂的质量份数比为：

（80-140）：（2-20）：（2-20）：（2-20）：（2-10）：（1-4）。

5.根据权利要求2所述的IGBT模块的覆铜板陶瓷和无氧铜箔的连接工艺，其特征是，

所述图形化活性金属钎焊层中的Ag₇₂-Cu₂₈合金粉末与活性金属粉末的质量份数比为：（47.5-49）：（1-2.5）；

所述图形化活性金属钎焊层中的活性金属粉末与有机粘结剂的质量份数比为（8-9）：（1-2）。

6.根据权利要求1所述的IGBT模块的覆铜板陶瓷和无氧铜箔的连接工艺，其特征是，

所述步骤3中的金属薄膜采用Au、Ag、Cu中的任一种靶材磁控溅射制成，或者金属薄膜采用Au、Ag、Cu中的至少两种靶材同时磁控溅射制成。

7.根据权利要求1所述的IGBT模块的覆铜板陶瓷和无氧铜箔的连接工艺，其特征是，

所述低温金属钎焊层所采用的低温金属钎料包括Ag、Pb、Bi、In、Cd、Sn、Zn、Cu中的一种或多种金属元素，低温金属钎料为膏状或者箔状。

8.根据权利要求1所述的IGBT模块的覆铜板陶瓷和无氧铜箔的连接工艺，其特征是，

所述无氧铜箔为氧的含量不大于0.003%，杂质总含量不大于0.05%的铜箔；所述无氧铜箔的厚度为50μm-600μm。

9.根据权利要求1或2或3或4或5或6或7或8所述的IGBT模块的覆铜板陶瓷和无氧铜箔的连接工艺，其特征是，

所述使点状钎焊层熔化后与陶瓷基板固定连接，在陶瓷基板上形成图形化活性金属钎焊层包括如下具体步骤：

将真空热处理炉内抽真空到5×10^-4Pa-2×10^-3Pa，以5℃/min-10℃/min的速度使真空热处理炉内升温至750℃-770℃，保温15min-30min，再以3℃/min-5℃/min的升温速率使真空热处理炉内升温至870℃-930℃，保温5min-15min后，再以3℃/min-5℃/min的速率使真空热处理炉内降到500℃-600℃以下，然后随炉冷却。

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