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DBC直接键合陶瓷基板特性及应用
现代微电子技术发展迅猛,芯片功率及模块功率密度大大升高,电子元件和系统工作热耗散显著增加。陶瓷覆铜基板具有优异的导热性、绝缘性、机械性能,广泛应用于功率电子、电子封装、混合微电子与多芯片模块等领域。


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陶瓷覆铜基板工艺主要有直接键合铜(DBC)法、活性金属焊接(AMB)法、直接电镀铜(DPC)法和激光活化金属(LAM)法等。其中,直接键合铜(DBC)陶瓷基板逐渐取代传统的PCB基板,广泛应用于多芯片功率半导体模块电子线路。


DBC陶瓷基板 图源自网络


一、DBC工艺流程简介


DBC是在陶瓷表面(主要是氧化铝和氮化铝)键合铜箔的一种金属化方法,它是随着板上芯片(COB)封装技术的兴起而发展出来的一种新型工艺。

DBC工艺流程 图源自网络

其基本原理是在Cu与陶瓷之间引进氧元素,然后在1065~1083℃时形成Cu/O共晶液相,进而与陶瓷基体及铜箔发生反应生成CuAlO2或Cu(AlO2)2,并在中间相的作用下实现铜箔与基体的键合。

二、DBC陶瓷基板的主要陶瓷材料


DBC陶瓷基板所用的材料主要有氧化铝、氮化铝以及氧化铍。


三种材料部分性能表

2.1 氧化铝(Al2O3)


源自网络

氧化铝绝缘性好、化学稳定性好、强度高、而且价格低,是DBC技术的优选材料,但是氧化铝的热导率低,并且与Si的热膨胀系数还有一定的热失配;


2.2 氮化铝(AlN)

图源自网络


氮化铝无毒,介电常数适中,热导率远高于三氧化二铝,和氧化铍接近,热膨胀系数与Si接近,各类Si芯片和大功率器件可以直接附着在AIN基板生而不用其他材料的过渡层。目前用于DBC技术中前景广阔。


2.3 氧化铍(BeO)

图源自网络


氧化铍是一种常见的DBC技术用陶瓷材料,低温热导率高,制作工艺很完善,可用于中高功率器件。BeO的高热导率和低损耗特性迄今为止是其他陶瓷材料不可比拟的,但BeO有非常明显的缺点,其粉末有剧毒。


三、DBC陶瓷基板技术的特征


DBC基板在电力电子模块技术中,主要是作为各种芯片(IGBT芯片、Diode芯片、电阻、SiC芯片等)的承载体,DBC基板通过表面覆铜层完成芯片部分连接极或者连接面的连接,功能近似于PCB板。


DBC陶瓷基板 图源自网络


3.1 热性能好——陶瓷与金属界面间没有明显的中间层存在,没有底热导焊料,热扩散能力强;接触电阻也较低,有利于高功率高频器件的链接。

3.2  与Si相匹配的热膨胀系数——AIN基片的热膨胀系数和Si较接近,各类芯片可以直接焊于DBC基片上,使连接层数减少,减低热阻值。简化各类半导体结构。由于DBC基片中热膨胀系数和Si较为匹配,


3.3 工序简单——不需要MO-MN法复杂的陶瓷金属化工序,不需加焊料,涂钛粉等;可以将铜箔在链接前就制成所需的形状,免去了连接后的刻蚀工艺;

3.4 附着力强——金属和陶瓷之间具有具有足够的附着强度;


3.5 载流能力强—— 由于铜导体电性能优越,且有将强的载流能力,因此可以实现高功率容量。


四、DBC应用


DBC应用于IGBT模组 图源自网络

DBC陶瓷基板的应用下游很广。在半导体致冷器,电子加热器,大功率电力半导体模块,功率控制电路,功率混合电路,智能功率组件,高频开关电源,固态继电器,汽车电子,太阳能电池板组件,电讯专用交换机,接收系统,激光等多项工业电子领域均有DBC陶瓷基板的身影。


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