RU2490237C2 - Metalised ceramic substrate for electronic power packs and method of ceramics metalisation - Google Patents
Metalised ceramic substrate for electronic power packs and method of ceramics metalisation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2490237C2 RU2490237C2 RU2011134109/03A RU2011134109A RU2490237C2 RU 2490237 C2 RU2490237 C2 RU 2490237C2 RU 2011134109/03 A RU2011134109/03 A RU 2011134109/03A RU 2011134109 A RU2011134109 A RU 2011134109A RU 2490237 C2 RU2490237 C2 RU 2490237C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- copper
- layers
- temperature
- copper foil
- annealing
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к области получения металлических покрытий на керамических изделиях и может найти применение в электронной, электротехнической и радиотехнической промышленности при производстве металлизированных подложек силовых модулей, теплоотводящих элементов мощных транзисторов и сверхярких светодиодов.The invention relates to the field of producing metal coatings on ceramic products and may find application in the electronic, electrical and radio engineering industries in the production of metallized substrates for power modules, heat-removing elements of powerful transistors and super-bright LEDs.
Основным элементом конструкции электронного силового модуля является металлизированная керамическая подложка, на которой расположены силовые полупроводниковые кристаллы, при этом она выполняет две основные функции: во-первых осуществляет электрическую изоляцию токоведущих шин топологического рисунка, расположенных на одной стороне, друг от друга, а также от токоведущих шин на другой стороне; во-вторых передает тепло, выделяемое активными элементами электронного силового модуля, на теплоотводы и радиаторы.The main structural element of the electronic power module is a metallized ceramic substrate on which power semiconductor crystals are located, while it performs two main functions: firstly, it electrically isolates the current-carrying buses of the topological pattern, located on one side, from each other, as well as from current-carrying tires on the other side; secondly, it transfers the heat generated by the active elements of the electronic power module to the heat sinks and radiators.
Для получения топологического рисунка электронного силового модуля керамические подложки металлизируют, для чего осаждают проводящие слои толщиной более 300 мкм, из которых формируют многослойную металлизацию (А. Колпаков. О термоциклах и термоциклировании. Силовая электроника, 2006, №2).To obtain a topological drawing of an electronic power module, ceramic substrates are metallized, for which conductive layers with a thickness of more than 300 μm are deposited, from which multilayer metallization is formed (A. Kolpakov. On thermal cycles and thermal cycling. Power Electronics, 2006, No. 2).
В процессе изготовления и эксплуатации металлизационные структуры силовых модулей подвергаются воздействию термических и механических напряжений. Серьезными проблемами является обеспечение высокой адгезии пленочных покрытий к подложке, качественной пайки кристаллов полупроводниковых приборов (ППП) к подложке и последующей приварки соединительных выводов к контактным площадкам на кристалле ППП и пленочным покрытиям на подложке.During the manufacturing and operation process, the metallization structures of power modules are exposed to thermal and mechanical stresses. Serious problems are ensuring high adhesion of the film coatings to the substrate, high-quality soldering of crystals of semiconductor devices (SPP) to the substrate, and subsequent welding of the connection leads to the contact pads on the SPP crystal and the film coatings on the substrate.
Известна металлизированная керамическая подложка для электронных силовых модулей, состоящая из керамической пластины, выполненной из оксида или нитрида алюминия, установленных на ней с двух сторон, пластин медной фольги с адгезионными слоями. Пластины медной фольги имеют равную толщину около 300 мкм. При этом на одной стороне пластина медной фольги имеет топологический рисунок, а на другой стороне подложки пластина медной фольги выполнена сплошной, она отводит избыточное тепло с помощью прижима или пайки к радиатору (Юрген Шульц-Хардер. Медно-керамические подложки - основа современной силовой электроники. Новые возможности технологии DBC, перспективы и проблемы создания нового поколения изделий силовой электроники. Компоненты и технологии, 2005, №3).Known metallized ceramic substrate for electronic power modules, consisting of a ceramic plate made of aluminum oxide or nitride, mounted on it from two sides, copper foil plates with adhesive layers. Copper foil plates have an equal thickness of about 300 microns. Moreover, on one side the copper foil plate has a topological pattern, and on the other side of the substrate the copper foil plate is solid, it removes excess heat by pressing or soldering to the radiator (Jürgen Schulz-Harder. Copper-ceramic substrates are the basis of modern power electronics. New features of DBC technology, prospects and problems of creating a new generation of power electronics products. Components and technologies, 2005, No. 3).
Данная металлизированная керамическая подложка обладает низким коэффициентом температурного расширения, высокой электропроводностью, высокой адгезией, малым тепловым сопротивлением, что обеспечивает эффективную передачу излишнего тепла на радиатор. Недостатком такой подложки является недостаточное качество соединений при монтаже силовых ППП.This metallized ceramic substrate has a low coefficient of thermal expansion, high electrical conductivity, high adhesion, low thermal resistance, which ensures the efficient transfer of excess heat to the radiator. The disadvantage of such a substrate is the poor quality of the connections during the installation of power RFP.
Наиболее близким к предлагаемому решению - металлизированной керамической подложке для электронных силовых модулей является медно - керамический элемент, изготовленный способом нанесения медных покрытий на керамический элемент, описанным в патенте RU №2010784, приоритет 28.02.1991 г., МКИ C04B 41/88. Медно-керамический элемент, изготовленный данным способом, состоит из керамического элемента (пластины), адгезионного слоя (металлизационная молибден - марганцевая паста) и медных пластин. Металлизационная молибден - марганцевая паста наносится через определенный трафарет заданной топологии.Closest to the proposed solution, a metallized ceramic substrate for electronic power modules, is a copper-ceramic element made by applying copper coatings to a ceramic element described in patent RU No. 2010784, priority date 28.02.1991, MKI C04B 41/88. The copper-ceramic element made by this method consists of a ceramic element (plate), an adhesive layer (metallization molybdenum - manganese paste) and copper plates. Metallization molybdenum - manganese paste is applied through a specific stencil of a given topology.
Достоинствами данного медно - керамического элемента, предназначенного для силовых гибридных схем, являются низкий коэффициент температурного расширения, адгезионная прочность, высокая электропроводность, благодаря толстому слою меди, высокая адгезия, малое тепловое сопротивление многослойной структуры, что обеспечивает эффективную передачу излишнего тепла на радиатор.The advantages of this copper - ceramic element, intended for power hybrid schemes, are low coefficient of thermal expansion, adhesive strength, high electrical conductivity due to the thick copper layer, high adhesion, low thermal resistance of the multilayer structure, which ensures the efficient transfer of excess heat to the radiator.
Однако при монтаже силовых ППП, их необходимо припаивать к металлизированным площадкам, выполненным из толстой медной пластины, используя многоступенчатую пайку. Кроме того, проволочные или балочные выводы ППП также необходимо приваривать или припаивать к медной пластине. Эти процессы требуют неоднократного локального нагрева до высоких температур, превышающих 500°C. При этом разрушается переходный слой, что приводит к исчезновению контакта между медной пластиной и керамикой, а также к прекращению тепловой передачи между ними. Что, следовательно, вызывает нежелательный перегрев элементов электрической схемы, и последующий выход силового модуля из строя.However, when installing power substations, they must be soldered to metallized sites made of a thick copper plate using multistage soldering. In addition, the wire or beam terminals of the SPT also need to be welded or soldered to the copper plate. These processes require repeated local heating to high temperatures in excess of 500 ° C. In this case, the transition layer is destroyed, which leads to the disappearance of the contact between the copper plate and ceramics, as well as to the termination of heat transfer between them. Which, therefore, causes undesirable overheating of the elements of the electrical circuit, and the subsequent failure of the power module.
Известен способ металлизации керамики, включающий нанесение на керамическую пластину адгезионного слоя, а именно слоя молибден - марганцевого состава, и слоя порошкообразной меди, с последующим одновременным их вжиганием при 800-1100°C (А.с. СССР №564293, МКИ C04B 41/14, заявл. 27.12.71, опубл. 05.07.77, прототип способа). С помощью вжигания обеспечивается расплавление меди и проникновение ее между зернами молибден - марганцевого состава. Медь, образуя с марганцем активный расплав, взаимодействует с керамикой. На поверхности подложки образуется покрытие, прочно сцепленное с керамикой, позволяющее осуществлять пайку различными припоями.A known method of metallization of ceramics, including applying an adhesive layer to a ceramic plate, namely a layer of molybdenum - manganese composition, and a layer of powdered copper, followed by their simultaneous burning at 800-1100 ° C (AS USSR No. 564293, MKI C04B 41 / 14, claimed 27.12.71, publ. 05.07.77, prototype method). With the help of burning, copper is melted and penetrated between molybdenum - manganese grains. Copper, forming an active melt with manganese, interacts with ceramics. A coating is formed on the surface of the substrate that adheres firmly to the ceramics, which allows soldering with various solders.
Данный способ существенно упрощает процесс металлизации, сокращает трудоемкость изготовления металлизированной керамики, однако он не позволяет получать толстый (более 300 мкм) слой медной металлизации с высокой электропроводностью, необходимый для крепления силовых ППП. Толщина адгезионного слоя ограничена толщиной слоя наносимой пасты (до 30-40 мкм) методом трафаретной печати и большой пористостью пасты.This method greatly simplifies the metallization process, reduces the complexity of manufacturing metallized ceramics, but it does not allow to obtain a thick (more than 300 microns) layer of copper metallization with high electrical conductivity, necessary for fastening power SPP. The thickness of the adhesive layer is limited by the thickness of the layer of applied paste (up to 30-40 microns) by screen printing and the large porosity of the paste.
Техническим результатом изобретения является возможность использования многоступенчатой пайки при монтаже кристаллов ППП на металлизированной керамической подложке при температурах свыше 500°C, расширенный температурный диапазон и срок эксплуатации.The technical result of the invention is the ability to use multi-stage soldering when mounting SPP crystals on a metallized ceramic substrate at temperatures above 500 ° C, an extended temperature range and a lifetime.
В результате использования предложенного способа металлизации керамики достигается нанесение толстых слоев меди, более 300 мкм, с повышенной электропроводностью, адгезией и термомеханической прочностью.As a result of the use of the proposed method of metallization of ceramics, the deposition of thick layers of copper, more than 300 microns, with increased electrical conductivity, adhesion and thermomechanical strength is achieved.
Технический результат достигается за счет того, что в способе металлизации керамики на керамическую пластину сверху и снизу наносят адгезионный слой на основе молибдена и марганца и проводят его вжигание при температуре 1320-1350°C, затем методом холодного газодинамического напыления наносят слой порошкообразной меди, после чего проводят отжиг при температуре 900-1100°C, кроме того, дополнительно устанавливают пластины медной фольги толщиной 100-700 мкм и проводят отжиг при температуре 850-1000°C.The technical result is achieved due to the fact that in the method of metallization of ceramics, an adhesive layer based on molybdenum and manganese is applied to the ceramic plate from above and below and it is incinerated at a temperature of 1320-1350 ° C, then a layer of powdered copper is applied by cold gas-dynamic spraying, after which conduct annealing at a temperature of 900-1100 ° C, in addition, additionally install copper foil plates with a thickness of 100-700 microns and conduct annealing at a temperature of 850-1000 ° C.
Технический результат достигается за счет того, что у металлизированной керамической подложки для электронных силовых модулей, состоящей из керамической пластины и размещенных на ней сверху и снизу пластин медной фольги с адгезионными слоями, адгезионные слои нанесены на керамическую пластину и выполнены из молибдена и марганца, а между адгезионными слоями и пластинами медной фольги размещен слой порошкообразной меди.The technical result is achieved due to the fact that the metallized ceramic substrate for electronic power modules, consisting of a ceramic plate and copper foil plates with adhesive layers placed on it above and below, adhesive layers are deposited on a ceramic plate and made of molybdenum and manganese, and between adhesive layers and plates of copper foil placed a layer of powdered copper.
Пластины медной фольги, слои порошкообразной меди и адгезионные слои могут иметь единый топологический рисунок, либо только пластины медной фольги могут иметь топологический рисунок.Copper foil plates, powdered copper layers and adhesive layers may have a single topological pattern, or only copper foil plates may have a topological pattern.
Метод холодного газодинамического напыления описан в литературе (Холодное газодинамическое напыление: Теория и практика. / А.П. Алхимов и др., под ред. В.М. Фомина. - М.: Физматлит, 2010, с.326).The method of cold gas-dynamic spraying is described in the literature (Cold gas-dynamic spraying: Theory and practice. / A.P. Alkhimov et al., Ed. By V.M. Fomin. - M .: Fizmatlit, 2010, p. 326).
После формирования слоя порошкообразной меди на них с обеих сторон устанавливают пластины медной фольги толщиной 100-700 мкм и проводят отжиг при температуре 850-1000°C. Отжиг может проводиться под давлением 0,7-1,6 кгс/мм2 в среде водорода или в вакууме. Для обеспечения необходимого давления во время отжига подложка может находиться в специальной фиксирующей оправке.After the formation of a layer of powdered copper, copper foil plates with a thickness of 100-700 μm are installed on both sides of them and annealing is performed at a temperature of 850-1000 ° C. Annealing can be carried out at a pressure of 0.7-1.6 kgf / mm 2 in a hydrogen medium or in vacuum. To provide the necessary pressure during annealing, the substrate can be in a special fixing mandrel.
Из полученной многослойной металлизации формируют необходимый топологический рисунок, например, методом фотолитографии, лазерного или механического гравирования.The required topological pattern is formed from the obtained multilayer metallization, for example, by the method of photolithography, laser or mechanical engraving.
Возможно, также предварительное формирование топологического рисунка на пластине медной фольги с последующим выполнением фотолитографии по адгезионному слою, после отжига.It is also possible that the topological pattern is preliminarily formed on a copper foil plate, followed by photolithography on the adhesive layer, after annealing.
Топологический рисунок на верхней медной пластине может быть выполнен с боковыми выводами, выходящими за края подложки, в виде одиночной полосы, группы полос или рамки с отверстиями для совмещения рисунков в процессе сборки.The topological pattern on the upper copper plate can be made with lateral leads extending beyond the edges of the substrate, in the form of a single strip, a group of stripes or a frame with holes for aligning the drawings during the assembly process.
Изобретение поясняется чертежами.The invention is illustrated by drawings.
На фиг.1 изображен вид металлизированной керамической подложки в поперечном сечении.Figure 1 shows a cross-sectional view of a metallized ceramic substrate.
На фиг.2 изображен вид сверху металлизированной керамической подложки с расположенным на ней кристаллом ППП.Figure 2 shows a top view of a metallized ceramic substrate with an SPP crystal located on it.
На фиг.3 изображен вид фиксирующей оправки, используемой в процессе отжига металлизированной подложки под давлением.Figure 3 shows a view of a fixing mandrel used in the process of annealing a metallized substrate under pressure.
Керамическая подложка (фиг.1 и фиг.2) содержит керамическую пластину 1 и расположенные на ней сверху и снизу последовательно адгезионные слои 2, слои порошкообразной меди 3 и пластины медной фольги 4, к верхней пластине медной фольги припаян мощный силовой ППП 5, проволочные выводы 6 которого соединены с топологическим рисунком пластины медной фольги 4 посредством сварки.The ceramic substrate (Fig. 1 and Fig. 2) contains a ceramic plate 1 and
Фиксирующая оправка (фиг.3) состоит из нижнего основания 7, соединенного с верхней планкой 8 с помощью стяжек 9 и винтов 10. Нижнее основание 7 снабжено шпильками 11, с помощью которых фиксируется пластина медной фольги 4. На нее размещают керамическую пластину 1 с нанесенными адгезионными слоями 2 и слоями порошкообразной меди 3. Затем совмещают с топологическим рисунком вторую пластину медной фольги. Сверху накладывают плиту 12, которую прижимают с помощью стержня 13, пружинной шайбы 14 и винта 15.The fixing mandrel (Fig. 3) consists of a lower base 7 connected to the
Тепло, выделяемое мощным силовым ППП 5 (фиг.1), нагревает пластину медной фольги 4, распределяется по ней и проходит последовательно через слои 3, 2 и керамическую пластину 1, затем через расположенные на тыльной стороне керамики слои 2 и 3, пластину медной фольги 4 и далее на теплоотвод (не показан), контактирующий с пластиной медной фольги 4.The heat generated by the powerful power SPP 5 (Fig. 1) heats the plate of copper foil 4, is distributed along it and passes sequentially through
Изготовление металлизированной керамической подложки из оксида или нитрида алюминия иллюстрируется следующими примерами.The manufacture of a metallized ceramic substrate of aluminum oxide or nitride is illustrated by the following examples.
Пример №1.Example No. 1.
Керамическая пластина вначале подвергается окислению в кислороде на установке СДОМ, для получения на поверхности тонкой пленки окисла. Затем поверхности керамической пластины очищают и наносят адгезионный слой - слой металлизационной пасты толщиной 20-30 мкм, состоящей из металлических порошков Мо и Mn, после чего осуществляют вжигание нанесенного слоя в печи при температуре 1320°C и получают металлизационное покрытие. Далее на установке холодного газодинамического напыления (ХГН) в сформированный высокоскоростной воздушный поток с помощью дозатора вводят порошок меди с размером частиц 40 мкм, обеспечивая нужную плотность расхода частиц. Введенные в поток ускоренные частицы образуют газопорошковую смесь, которая направляется на керамическую пластину с нанесенным слоем Мо-Mn состава. Затем устанавливают полученные слои подложки в фиксирующую оправку, зажимают между основанием и плитой. Оправку помещают в вакуумную печь с температурой 900°C и выдерживают в течение 60 минут. За счет воздействия давления и высокой температуры происходит усиление металлической связи, как между частицами меди, так и между слоем порошкообразной меди и слоем Mo-Mn состава, а также уплотнение всего медного слоя. После этого на лицевую сторону полученной металлизированной подложки наносят фоторезист и проводят операцию фотолитографии, в результате чего получают топологический рисунок. К полученным контактным площадкам припаивают кристалл мощного ППП при температуре около 500°С. Затем осуществляют приварку выводов ППП и его пайку к металлическому основанию.The ceramic plate is first oxidized in oxygen at the SDOM installation to produce a thin oxide film on the surface. Then the surfaces of the ceramic plate are cleaned and an adhesive layer is applied — a layer of metallization paste with a thickness of 20-30 μm, consisting of Mo and Mn metal powders, after which the applied layer is burned in an oven at a temperature of 1320 ° C and a metallization coating is obtained. Then, at a cold gas dynamic spraying (CGN) installation, copper powder with a particle size of 40 μm is introduced into the formed high-speed air stream using a batcher, providing the desired particle flow density. The accelerated particles introduced into the flow form a gas-powder mixture, which is sent to a ceramic plate with a deposited layer of Mo-Mn composition. Then, the obtained substrate layers are installed in a fixing mandrel, clamped between the base and the plate. The mandrel is placed in a vacuum oven with a temperature of 900 ° C and incubated for 60 minutes. Due to the action of pressure and high temperature, the metal bond is strengthened, both between copper particles and between a layer of powdered copper and a Mo-Mn layer of composition, as well as compaction of the entire copper layer. After that, a photoresist is applied to the front side of the obtained metallized substrate and a photolithography operation is performed, as a result of which a topological pattern is obtained. A crystal of a powerful SPP is soldered to the obtained pads at a temperature of about 500 ° C. Then carry out the welding of the terminals of the PPP and its soldering to a metal base.
Пример №2.Example No. 2.
На очищенные поверхности керамической пластины наносят адгезионный слой - слой металлизационной пасты толщиной 20-30 мкм, состоящей из металлических порошков Mo и Mn, после чего его вжигают в водородной печи при температуре 1320°C и получают металлизационное покрытие, на которое методом ХГН, наносят слой порошкообразной меди толщиной 300 мкм. Обжиг проводят при температуре 900°C. Затем на металлизированную таким образом керамическую пластину с обеих сторон размещают пластины медной фольги из бескислородной меди, и устанавливают в специальную фиксирующую оправку, зажимают и помещают в азотно-водородную печь, с температурой 850°C. Время выдержки при максимальной температуре составляет 40 мин. За счет воздействия давления и высокой температуры происходит активное взаимодействие слоя порошкообразной меди с пластиной медной фольги. Тонкие поверхностные слои диффундируют друг в друга, образуя переходные области, при этом образуется прочная металлическая связь между пластиной медной фольги и слоем порошкообразной меди. Затем на лицевую сторону металлизированной подложки наносят фоторезист и проводят операцию фотолитографии, в результате чего получают топологический рисунок. Далее к полученному рисунку припаивают мощный ППП при температуре около 500°С и осуществляют приварку алюминиевых выводов методом ультразвуковой сварки.An adhesive layer is applied to the cleaned surfaces of the ceramic plate - a layer of metallization paste 20-30 μm thick consisting of Mo and Mn metal powders, after which it is burned in a hydrogen furnace at a temperature of 1320 ° C and a metallization coating is obtained, on which a layer is applied by CGN powdered copper with a thickness of 300 microns. Firing is carried out at a temperature of 900 ° C. Then, oxygen-free copper plates of copper foil are placed on both sides of the thus metallized ceramic plate, and installed in a special fixing mandrel, clamped and placed in a nitrogen-hydrogen furnace with a temperature of 850 ° C. The exposure time at maximum temperature is 40 minutes. Due to the influence of pressure and high temperature, an active interaction of the layer of powdered copper occurs with a plate of copper foil. Thin surface layers diffuse into each other, forming transition regions, and a strong metal bond forms between the copper foil plate and the layer of powdered copper. Then, a photoresist is applied to the front side of the metallized substrate and a photolithography operation is performed, as a result of which a topological pattern is obtained. Next, a powerful SPP is soldered to the resulting figure at a temperature of about 500 ° C and the aluminum leads are welded by ultrasonic welding.
Пример №3.Example No. 3.
На очищенные поверхности керамической пластины наносят адгезионный слой - слой металлизационной пасты толщиной 20-30 мкм, состоящей из металлических порошков Mo и Mn, после чего его вжигают в водородной печи при температуре 1320°C и получают металлизационное покрытие. Затем на лицевую сторону керамической пластины с покрытием молибден - марганцевым составом наносят фоторезист и проводят операцию фотолитографии. В результате выполнения которой, получают топологический рисунок на адгезионном слое. Далее методом ХГН, наносят слой порошкообразной меди толщиной 300 мкм и проводят отжиг при температуре 900°C. После этого на лицевую сторону керамической пластины с нанесенной на нее многослойной структурой из меди, и находящимся под ней рисунком на адгезионном слое, снова наносят фоторезист и проводят еще раз операцию фотолитографии. В результате получают топологический рисунок на слое порошкообразной меди, совпадающий с рисунком на адгезионном слое. Далее к контактной площадке с полученным топологическим рисунком при температуре около 500°C припаивают мощный ППП, после чего осуществляют приварку алюминиевых выводов.An adhesive layer is applied to the cleaned surfaces of the ceramic plate - a layer of metallization paste 20-30 microns thick, consisting of metal powders Mo and Mn, after which it is burned in a hydrogen furnace at a temperature of 1320 ° C and a metallization coating is obtained. Then, a photoresist is applied to the front side of the ceramic plate coated with a molybdenum - manganese composition and a photolithography operation is performed. As a result of which, a topological drawing is obtained on the adhesive layer. Then, using a CGN method, a layer of powdered copper with a thickness of 300 μm is applied and annealing is performed at a temperature of 900 ° C. After that, the photoresist is again applied to the front side of the ceramic plate with a multilayer copper structure deposited on it and a pattern below it on the adhesive layer, and the photolithography operation is performed again. The result is a topological pattern on a layer of powdered copper, matching the pattern on the adhesive layer. Next, a powerful SPP is soldered to the contact pad with the obtained topological pattern at a temperature of about 500 ° C, and then the aluminum leads are welded.
Пример №4.Example No. 4.
На очищенные поверхности керамической пластины наносят адгезионный слой - слой металлизационной пасты толщиной 20-30 мкм, состоящей из металлических порошков Mo и Mn, после чего его вжигают в водородной печи при температуре 1320°C. Получают металлизационное покрытие, на которое методом ХГН, наносят слой порошкообразной меди толщиной 300 мкм и проводят обжиг при температуре 900°C. Отдельно на две пластины медной фольги из бескислородной меди, предназначенных для размещения в керамической подложке, наносят фоторезист и проводят операцию фотолитографии, в результате которой получают два различных топологических рисунка. Затем на верхней и нижней сторонах керамической пластины с уже нанесенными на обе ее стороны адгезионными слоями Mo-Mn состава и слоями порошкообразной меди (полученными методом ХГН), размещают пластины медной фольги из бескислородной меди со сформированными на них топологическими рисунками. Далее устанавливают в специальную оправку, слои подложки зажимают с давлением 0,7 кгс/мм. Оправку помещают в азотно-водородную печь с температурой 850°C и с временем выдержки при максимальной температуре 40 минут. За счет воздействия давления и высокой температуры происходит активное взаимодействие слоя напыленной порошкообразной меди с пластиной медной фольги. После этого на лицевую сторону керамической пластины с многослойной структурой из меди и находящимся под ней рисунком на пластинах медной фольги снова наносят фоторезист и проводят еще раз операцию фотолитографии, для получения топологических рисунков на адгезионных слоях и слоях порошкообразной меди, совпадающих с топологическими рисунками, выполненными ранее на пластинах из медной фольги. Далее к полученной металлизации на верхней стороне подложки припаивают кристалл мощного ППП, после чего осуществляют приварку выводов.An adhesive layer is applied to the cleaned surfaces of the ceramic plate - a layer of metallization paste with a thickness of 20-30 μm, consisting of metal powders Mo and Mn, after which it is burned in a hydrogen furnace at a temperature of 1320 ° C. A metallization coating is obtained, on which a method of CGN is applied, a layer of powdered copper with a thickness of 300 μm is applied and fired at a temperature of 900 ° C. Separately, a photoresist is applied to two plates of oxygen-free copper copper foil intended for placement in a ceramic substrate and a photolithography operation is carried out, as a result of which two different topological patterns are obtained. Then, on the upper and lower sides of the ceramic plate with Mo-Mn adhesive layers of the composition and layers of powdered copper (obtained by the CGN method) already deposited on both sides, plates of copper foil made of oxygen-free copper with topological patterns formed on them are placed. Next, set in a special mandrel, the substrate layers are clamped with a pressure of 0.7 kgf / mm. The mandrel is placed in a nitrogen-hydrogen furnace with a temperature of 850 ° C and with a holding time at a maximum temperature of 40 minutes. Due to the influence of pressure and high temperature, an active interaction of the layer of deposited powdered copper occurs with a plate of copper foil. After that, the photoresist is again applied to the front side of the ceramic plate with a multilayer copper structure and a pattern beneath it on copper foil plates and a photolithography operation is performed again to obtain topological patterns on adhesive layers and layers of powdered copper, which coincide with the topological patterns made earlier on copper foil plates. Next, a powerful PPP crystal is soldered to the metallization obtained on the upper side of the substrate, after which the leads are welded.
В процессе соударений ускоренных частиц меди с керамической пластиной и нанесенным на нее адгезионным слоем реализуется холодное напыление, т.е. частицы пластически деформируемой меди закрепляются на пластине при температуре существенно ниже температуры их плавления, формируя слой меди 300-1000 мкм с повышенными значениями плотности и адгезии. Это обеспечивает отсутствие существенного нагрева частиц и керамической пластины и, как следствие, эффектов высокотемпературного окисления, испарения, плавления, кристаллизации и газовыделения.In the process of collisions of accelerated copper particles with a ceramic plate and an adhesive layer deposited on it, cold spraying is realized, i.e. particles of plastically deformable copper are fixed on the plate at a temperature significantly lower than their melting temperature, forming a copper layer of 300-1000 μm with increased values of density and adhesion. This ensures that there is no significant heating of the particles and the ceramic plate and, as a consequence, the effects of high temperature oxidation, evaporation, melting, crystallization and gas evolution.
Нанесение порошковой меди методом ХГН сделало возможным протекание процессов формирования прочного соединения с адгезионым слоем из молибден - марганцевого состава и с керамической пластиной. Термообработка слоя порошкообразной меди при 900-1100°С обеспечила, во-первых, расплавление и уплотнение слоя меди и, во-вторых, проникновение меди в промежутки между зернами слоя молибден - марганцевого состава, который имеет молибденовый каркас, заполненный межзерновым веществом неметаллического характера (стеклофаза керамики и алюмо-марганцевая шпинель), шероховатую поверхность и закрытую капиллярную пористость (7-8%). При контакте адгезионного слоя - слоя молибден - марганцевого состава с расплавленной медью наблюдается вытеснение медью межзернового вещества из молибденового каркаса. При температуре 900-1100°C медь взаимодействует с молибден - марганцевым составом, образуя с марганцем активный расплав, что приводит к образованию прочного соединения и повышению термостойкости металлизации керамики молибден - марганцевым составом с последующим напылением порошковой меди методом ХГН. Образование марганцем во взаимодействии с керамикой алюмо-марганцевой шпинели и меди с марганцем активного расплава позволило максимально снять напряжения, возникающие на границе керамика - металл, и тем самым обеспечить высокие значения прочности соединения к керамике нанесенного покрытия из комбинации слоя молибден - марганцевого состава и слоя порошкообразной меди, а также увеличить термомеханическую прочность и надежность соединения.The application of copper powder by the CGN method made possible the formation of a durable compound with an adhesive layer of molybdenum - manganese composition and with a ceramic plate. The heat treatment of the layer of powdered copper at 900-1100 ° С ensured, firstly, the melting and densification of the copper layer and, secondly, the penetration of copper into the gaps between the grains of the molybdenum - manganese composition layer, which has a molybdenum skeleton filled with a non-metallic intergranular substance ( ceramic glass phase and aluminum-manganese spinel), rough surface and closed capillary porosity (7-8%). Upon contact of the adhesive layer — the molybdenum – manganese composition layer with molten copper, copper is displaced from the molybdenum framework by copper. At a temperature of 900-1100 ° C, copper interacts with a molybdenum - manganese composition, forming an active melt with manganese, which leads to the formation of a strong compound and an increase in the heat resistance of metallization of ceramics with a molybdenum - manganese composition, followed by the spraying of copper powder by the CGN method. The formation of active melt by manganese in interaction with ceramics of aluminum-manganese spinel and copper with manganese made it possible to relieve stresses arising at the ceramic-metal interface as much as possible, and thereby ensure high values of the strength of the connection to the applied ceramic from a combination of a molybdenum-manganese composition layer and a powder layer copper, as well as increase the thermomechanical strength and reliability of the connection.
Исследования показали, что металлизация керамики согласно предложенному способу молибден - марганцевым составом с последующим напылением порошковой меди методом ХГН выдерживает без разрушения 100 циклов в режиме 20-600-20°C, что в 1,6 раза больше по сравнению с 60 циклами, выдержавшими керамикой, металлизированной по способу, изложенному в прототипе. Таким образом, предложенный способ металлизации керамики позволил увеличить термомеханическую прочность и обеспечить повышение надежности паяных соединений с нею элементов конструкций изделий силовой электроники.Studies have shown that metallization of ceramics according to the proposed method with a molybdenum-manganese composition followed by spraying of powdered copper by the CGN method can withstand 100 cycles without breaking in the mode of 20-600-20 ° C, which is 1.6 times more compared to 60 cycles withstanding ceramics metallized by the method described in the prototype. Thus, the proposed method of metallization of ceramics made it possible to increase the thermomechanical strength and to increase the reliability of soldered joints with it of structural elements of power electronics products.
Существенным преимуществом предложенного способа металлизации керамики является возможность повторных нагревов металлизированной керамики до температуры 800°C без потери адгезии и разрушения металлизационного покрытия. Это позволяет производить последующую многоступенчатую пайку на такой металлизированной керамике различных навесных элементов, как твердыми, так и мягкими припоями.A significant advantage of the proposed method of metallization of ceramics is the possibility of repeated heating of metallized ceramics to a temperature of 800 ° C without loss of adhesion and destruction of the metallization coating. This allows the subsequent multi-stage soldering on such metallized ceramics of various attachments, both hard and soft solders.
Выбранные толщины слоев молибден - марганцевого состава не более 30 мкм и меди более 300 мкм позволили обеспечить высокую теплопроводность и минимальное тепловое сопротивление.The selected layer thicknesses of molybdenum - manganese composition of not more than 30 microns and copper of more than 300 microns made it possible to ensure high thermal conductivity and minimal thermal resistance.
Высокая теплопроводность и электропроводность описанной структуры металлизированной керамики позволили улучшить не только тепловые характеристики электронных силовых модулей, но и получить более высокие значения допустимой плотности тока и рассеиваемой мощности ППП.The high thermal conductivity and electrical conductivity of the described structure of metallized ceramics made it possible to improve not only the thermal characteristics of electronic power modules, but also to obtain higher values of the permissible current density and power dissipation of the SPP.
Claims (6)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011134109/03A RU2490237C2 (en) | 2011-08-12 | 2011-08-12 | Metalised ceramic substrate for electronic power packs and method of ceramics metalisation |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011134109/03A RU2490237C2 (en) | 2011-08-12 | 2011-08-12 | Metalised ceramic substrate for electronic power packs and method of ceramics metalisation |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2011134109A RU2011134109A (en) | 2013-02-20 |
| RU2490237C2 true RU2490237C2 (en) | 2013-08-20 |
Family
ID=49119822
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2011134109/03A RU2490237C2 (en) | 2011-08-12 | 2011-08-12 | Metalised ceramic substrate for electronic power packs and method of ceramics metalisation |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2490237C2 (en) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2558323C1 (en) * | 2014-04-18 | 2015-07-27 | Открытое акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Пульсар" | Method of metallisation of substrate from aluminium-nitride ceramics |
| RU2687598C1 (en) * | 2017-12-12 | 2019-05-15 | Общество с ограниченной ответственностью "НАНОКЕРАМИКС" | Metallization method of ceramics for soldering |
| RU2696369C1 (en) * | 2018-11-27 | 2019-08-01 | Акционерное общество "Российская корпорация ракетно-космического приборостроения и информационных систем" (АО "Российские космические системы") | Switching board on aluminum nitride for power and high-power microwave semiconductor devices, mounted on the base of the device housing |
| RU2704149C1 (en) * | 2019-05-15 | 2019-10-24 | Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Пульсар" | Method of making boards based on aluminum nitride with transition holes |
| RU193413U1 (en) * | 2019-05-17 | 2019-10-29 | Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Пульсар" | Ceramic Power Module Board |
| RU2711239C2 (en) * | 2018-04-16 | 2020-01-15 | Общество с ограниченной ответственностью "НАНОКЕРАМИКС" | Metallisation method of ceramics using metal-coated tape |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU564293A1 (en) * | 1971-12-27 | 1977-07-05 | Предприятие П/Я В-2604 | Method for ceramics plating |
| SU1020899A1 (en) * | 1981-12-23 | 1983-05-30 | Предприятие П/Я В-8624 | Method of making planar ceramic collector |
| US4629662A (en) * | 1984-11-19 | 1986-12-16 | International Business Machines Corporation | Bonding metal to ceramic like materials |
| SU1742269A1 (en) * | 1989-11-23 | 1992-06-23 | Могилевское отделение Института физики АН БССР | Method of bonding ceramic material with metals and non-metals |
| RU2010784C1 (en) * | 1991-02-28 | 1994-04-15 | Гугкаев Станислав Борисович | Method of copper-plating ceramic components |
| EP1120386A1 (en) * | 2000-01-26 | 2001-08-01 | Ngk Spark Plug Co., Ltd | Metallized ceramic member, process for producing the same, vacuum switch, and vacuum vessel |
-
2011
- 2011-08-12 RU RU2011134109/03A patent/RU2490237C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU564293A1 (en) * | 1971-12-27 | 1977-07-05 | Предприятие П/Я В-2604 | Method for ceramics plating |
| SU1020899A1 (en) * | 1981-12-23 | 1983-05-30 | Предприятие П/Я В-8624 | Method of making planar ceramic collector |
| US4629662A (en) * | 1984-11-19 | 1986-12-16 | International Business Machines Corporation | Bonding metal to ceramic like materials |
| SU1742269A1 (en) * | 1989-11-23 | 1992-06-23 | Могилевское отделение Института физики АН БССР | Method of bonding ceramic material with metals and non-metals |
| RU2010784C1 (en) * | 1991-02-28 | 1994-04-15 | Гугкаев Станислав Борисович | Method of copper-plating ceramic components |
| EP1120386A1 (en) * | 2000-01-26 | 2001-08-01 | Ngk Spark Plug Co., Ltd | Metallized ceramic member, process for producing the same, vacuum switch, and vacuum vessel |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| ШУЛЬЦ-ХАРДЕР Ю. "Медно-керамические подложки - основа современной силовой электроники. Новые возможности технологии DBC, перспективы и проблемы создания нового поколения изделий силовой электроники". Компоненты и технологии, 2005, №3. * |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2558323C1 (en) * | 2014-04-18 | 2015-07-27 | Открытое акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Пульсар" | Method of metallisation of substrate from aluminium-nitride ceramics |
| RU2687598C1 (en) * | 2017-12-12 | 2019-05-15 | Общество с ограниченной ответственностью "НАНОКЕРАМИКС" | Metallization method of ceramics for soldering |
| RU2711239C2 (en) * | 2018-04-16 | 2020-01-15 | Общество с ограниченной ответственностью "НАНОКЕРАМИКС" | Metallisation method of ceramics using metal-coated tape |
| RU2696369C1 (en) * | 2018-11-27 | 2019-08-01 | Акционерное общество "Российская корпорация ракетно-космического приборостроения и информационных систем" (АО "Российские космические системы") | Switching board on aluminum nitride for power and high-power microwave semiconductor devices, mounted on the base of the device housing |
| RU2704149C1 (en) * | 2019-05-15 | 2019-10-24 | Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Пульсар" | Method of making boards based on aluminum nitride with transition holes |
| RU193413U1 (en) * | 2019-05-17 | 2019-10-29 | Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Пульсар" | Ceramic Power Module Board |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2011134109A (en) | 2013-02-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2490237C2 (en) | Metalised ceramic substrate for electronic power packs and method of ceramics metalisation | |
| RU2750688C2 (en) | Method for manufacture of an electronic power module by means of additive technology and corresponding substrate and module | |
| US4611745A (en) | Method for preparing highly heat-conductive substrate and copper wiring sheet usable in the same | |
| JP5526632B2 (en) | Insulating substrate, insulating circuit substrate, semiconductor device, manufacturing method of insulating substrate, and manufacturing method of insulating circuit substrate | |
| CN105706231A (en) | Thermal management circuit materials, method of manufacture thereof, and articles formed therefrom | |
| WO2010017327A1 (en) | A microheat exchanger for laser diode cooling | |
| US11090750B2 (en) | Method for producing a cooling device, a cooling device and a cooling arrangement | |
| US10370303B2 (en) | Process for producing bonded body and process for producing power module substrate | |
| KR102496716B1 (en) | Ceramic Board Manufacturing Method | |
| RU2687598C1 (en) | Metallization method of ceramics for soldering | |
| RU2558323C1 (en) | Method of metallisation of substrate from aluminium-nitride ceramics | |
| JP4765110B2 (en) | Metal-ceramic bonding substrate and manufacturing method thereof | |
| JP6904094B2 (en) | Manufacturing method of insulated circuit board | |
| CN115700012A (en) | Ceramic circuit board for double-sided cooling type power module, method for manufacturing same, and double-sided cooling type power module provided with same | |
| CN108200716A (en) | Ceramic PCB manufacturing process based on graphene material | |
| JP4124497B2 (en) | Metal-ceramic composite substrate and manufacturing method thereof | |
| RU2704149C1 (en) | Method of making boards based on aluminum nitride with transition holes | |
| KR20180009615A (en) | Ceramic board manufacturing method and ceramic board manufactured by thereof | |
| CN112788917A (en) | Method for manufacturing electronic device and electronic device | |
| JP5359953B2 (en) | Power module substrate, power module, and method of manufacturing power module substrate | |
| JP2002246717A (en) | Ceramic circuit board | |
| JPH1070212A (en) | Substrate for power module | |
| JP2000154081A (en) | Ceramic parts and their production | |
| JP4721533B2 (en) | Ceramic circuit board | |
| KR102496717B1 (en) | Ceramic Board Manufacturing Method and Ceramic Board manufactured by thereof |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PC41 | Official registration of the transfer of exclusive right |
Effective date: 20170801 |
|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20190813 |