[发明专利]铜陶瓷衬底

说明书

本发明涉及一种铜陶瓷衬底(1)，其包括陶瓷载体(2)，以及结合至陶瓷载体(2)的表面上的至少一个铜层结构(3、4)，其具有用于形成导电结构和/或固定键合线的自由表面，其中铜层(3、4)具有平均晶粒度直径为200μm至500μm，优选为300μm至400μm的微结构。

本发明涉及一种具有根据权利要求1的前序部分的特征的铜陶瓷衬底。

例如，铜陶瓷衬底(例如DCB、AMB)用于制造电力电子模块，并且是在一侧或两侧上具有铜层的陶瓷载体的复合材料。将铜层预制为铜箔形式的半成品铜产品，其厚度通常为0.1mm至1.0mm，并使用连接方法连接至陶瓷载体。这种连接方法也称为DCB(直接铜键合)或AMB(活性金属钎焊)。然而，在陶瓷载体的强度更高的情况下，也可以施加具有甚至更大厚度的铜层，这在电学和热学性质方面从根本上是有利的。

由例如莫来石、Al₂O₃、Si₃N₄、AlN、ZTA、ATZ、TiO₂、ZrO₂、MgO、CaO、CaCO₃或这些材料中的至少两种的混合物制成的陶瓷板被用作陶瓷载体。

在DCB方法中，使用以下方法步骤将铜层连接至陶瓷基底：

-使铜层氧化以得到均匀的铜氧化物层；

-将铜层放置在陶瓷载体上；

-将复合材料加热到1060℃至1085℃的加工温度。

这会在铜层上形成共晶熔体，并与陶瓷载体形成物质间的键合。此过程称为键合。如果将Al₂O₃用作陶瓷载体，则会通过键合形成薄的Cu-Al尖晶石层。

在键合过程之后，通过蚀刻朝外的铜层表面，即铜层的自由表面，来构造所需的导电带(conductor track)。然后将芯片焊接在其上，并通过应用键合线与芯片各个上侧的触点进行连接，为此，铜层自由表面的微结构应尽可能均匀且结构精细。然后还可以将铜陶瓷衬底连接到基底板上，以制备电力模块。

所描述的铜陶瓷衬底的优点首先在于铜的高载流能力以及陶瓷载体的良好的电绝缘和机械支撑。此外，DCB技术允许铜层很好地附着到陶瓷载体上。另外，所使用的铜陶瓷衬底在应用中经常出现的高环境温度下也很稳定。

铜陶瓷衬底的弱点是所谓的抗热震性，它是描述在一定量的临时热诱导应力作用下部件失效的材料参数。该参数对于电力模块的使用寿命很重要，因为在模块运行期间会产生极端的温度梯度。由于所用陶瓷和铜材料的热膨胀系数不同，因此在铜陶瓷衬底的使用过程中会产生热诱导的机械应力，经过一定次数的循环后，会导致铜层与陶瓷层分层，和/或导致陶瓷层和/或铜层中产生裂纹，从而可能导致部件失效。

通常，具有精细的微结构的铜层的铜陶瓷衬底具有的优点是它们通常在光学检查、接合能力、蚀刻行为、晶界形成、电镀性和进一步加工方面具有优势。然而，不利的是，由于在温度波动的情况下较高的热诱导的应力，它们具有较短的使用寿命和较差的抗温度变化性能。

相反，具有较粗糙的微结构的铜层的铜陶瓷衬底具有使用寿命更长的优点，但是就上述附加要求而言是不利的。

DE 102015224464 A1公开了一种铜陶瓷衬底，其中有意地使朝向陶瓷载体一侧上的铜层的微结构具有比自由表面上的铜层的微结构更大的晶粒度。

事实上，该解决方案的优势体现在由于微结构的晶粒度较小，自由表面上的铜层可以被构造得轻而精细，而朝向陶瓷载体一侧上的铜层由于晶粒度较大，根据Hall-Petch关系，则具有更好的抗热震性。从而，对于上述不同需求，可以改善铜陶瓷衬底以使其具有更好的性能。在铜层的两侧上有针对性地选择晶粒度产生了新的设计参数，通过该参数可以针对两种需求以改进的方式设计铜陶瓷衬底。