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比DBC基板轻44%!什么是直接敷铝(DBA)陶瓷基板

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随着电子技术的不断进步,散热问题已经逐渐成为限制功率型电子产品朝着大功率与轻型化方向发展的瓶颈。在功率型电子元器件的封装应用中,散热基板不仅承担着电气连接和机械支撑等功能,更是热量传输的重要通道。陶瓷基板是功率模块中常用的材料,具有特殊的热、机械和电气特性,是适用于要求严苛的电力电子应用的理想之选,目前陶瓷基板种类有HTCC、LTCC、TFC、DBC、DBA、DPC等。


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图  丰田普锐斯 IGBT 中 Al-AlN 键合基板,图源网络


车载大功率电子陶瓷敷铝基板作为复合动力汽车动力控制及变换系统的关键零部件,随着丰田公司在世界上率先推出的普锐斯(Prius)问世而诞生。

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图   DBA陶瓷基板,来源:三菱综合材料

一、什么是DBA陶瓷基板


直接敷铝陶瓷基板(Direct Bonded Aluminum,DBA)是基于DBC工艺技术发展起来的新型金属敷接陶瓷基板,是铝与陶瓷层键合而形成的基板,其结构与DBC 相似,也可以像PCB一样蚀刻出各式各样的图形。

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图  DBC基板结构,来源:三菱综合材料

1.DBA陶瓷基板敷接原理


DBA陶瓷基板敷接过程是利用铝在液态对陶瓷有较好的润湿性能来实现。在660℃以上液态Al和陶瓷润湿后,随着温度的降低,Al就直接在陶瓷表面提供的晶核结晶生长,冷却到室温实现两者结合。

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图   传统敷铝陶瓷基方法:a)液相敷接法,b)金属过渡法

敷铝基板技术有液铝敷接法和金属过渡法。金属铝在空气中极易氧化,在铝液表面生成一层致密的氧化铝膜,大大降低了铝液与陶瓷的润湿性,影响陶瓷基板敷铝过程及敷接强度,因此改善铝与陶瓷的润湿性是制备DBA陶瓷基板的必要条件。可通过去除铝表面氧化层,采用一定的措施隔绝氧气,或通过在陶瓷表面形成一层金属过渡层,通过Al-金属共晶液相,解决铝与陶瓷界面润湿性不佳的问题。

2.DBA陶瓷基板的发展状况


基于DBA基板的高抗热震性、低重量,使其有广泛的应用前景和进一步推广改进的价值。目前国内外对 DBA技术做了大量的研究工作,但对铝/陶瓷界面的结构细节方面的研究还不够深入。因对氧含量有严格的限制,DBA对设备和工艺控制要求较高,基板制作成本较高,且表面键合铝厚度一般在100μm 以上,不适合精细线路的制作,使其推广和应用受到限制。

DBA陶瓷基板相关企业有三菱综合材料、DOWA、IXYS公司等。



二、DBA陶瓷基板的特点及应用


铜和氧化铝敷接的温度较高(>1000℃),界面形成中间相CuAlO2/CuAl2O4,所以敷铜氧化铝基板的内应力较大,抗热震性能相对较差,在受到热循环作用时,容易在界面处产生裂纹,导致DBC基板整体失效;且CuAlO2/CuAl2O4的导热性差,影响基板的整体散热性能。

而铝和氧化铝陶瓷基板的敷接是物理润湿,在界面上无化学反应,且纯铝自身良好的塑性能够缓解界面因热膨胀系数不同引起的热应力,抗剥离强度较大,提高了可靠性。

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图源:三菱综合材料

铝的导电性能虽没有铜优越,但铝来源充足,价格低廉,与铜相比,铝具有较低的熔点,与陶瓷基板有相对较好的浸润性,优良的塑性等特点,DBA具有与DBC不同的性能特点:

1)优良的抗热震疲劳性能。金属铝具有比铜更低的屈服强度,其塑性变形速率更平缓,在受到热循环作用时,可有效降低铝和陶瓷之间的内应力。

2)良好的热稳定性;

3)重量轻,与同结构的DBC相比减轻44%;

4)良好的铝线键合能力;

5)铝与陶瓷之间的热应力相对较小。


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图   DBA陶瓷基板与DBC陶瓷基板主要性能特征比较

DBA与DBC 在很多方面类似,但是相比于DBC,DBA具有显著的抗热震性能和热稳定性能,且重量轻、热应力小,对提高在极端温度下工作器件的稳定性十分明显,因此特别适合用于功率电子电路。

目前,DBA陶瓷基板已被实际用作混合动力汽车和产业机器的变频器的绝缘电路基板,优异的性能使其在对高可靠性有特殊要求的器件上具有巨大的潜力,非常适合用于汽车电子、航空航天等领域。


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