[发明专利]一种蓝宝石晶体覆铜衬板的制作方法及其覆铜衬板

说明书

本发明公开了一种蓝宝石晶体覆铜衬板的制作方法，包括：在蓝宝石晶体的表面涂抹氧化铝、碳酸钙混合粉末，并烧结形成混合粉末附着层；在混合粉末附着层表面涂抹活性金属钎焊料层；将铜箔经预处理后，在活性金属钎焊料层的表面烧结形成铜层，最终形成蓝宝石晶体覆铜衬板。该蓝宝石晶体覆铜衬板的晶体内部为单晶结构，微粒接触面积大，散热性能提升；改良工艺实现铜层与晶体的紧密结合，剥离强度大，表面空洞率低，电绝缘性能优异；晶体光吸收强度低，并可以实现模块芯片的光学在线监测。

技术领域

本发明涉及晶体衬底金属化技术领域，特别是一种蓝宝石晶体覆铜衬板的制作方法及其制作的覆铜衬板。

背景技术

在制作电力模块中，半导体芯片一般安装在以陶瓷为基板的金属化复合衬板上，该类陶瓷主要包括氮化物陶瓷基板如AlN陶瓷、氧化物陶瓷基板如Al₂O₃陶瓷、碳化物陶瓷基板如SiC陶瓷，这些陶瓷通过活性金属钎焊技术(AMB)，即利用含有活性金属如Ti、Zr或Hf的钎焊材料将铜箔与陶瓷基板在真空保护环境中加热焊接在一起，使得陶瓷基板和铜箔彼此粘合起来。具体是陶瓷基板与钎焊料中的活性金属在整个界面发生化学反应，形成反应产物。通常认为，钎焊料中的活性金属与氮化物陶瓷基板如AlN陶瓷反应，形成活性金属的氮化物；与氧化物陶瓷基板如Al₂O₃陶瓷反应，形成活性金属的氧化物；与碳化物陶瓷基板如SiC陶瓷反应，形成活性金属的碳化物；这些产物将陶瓷基板和铜箔粘合起来。由此得到的陶瓷金属化复合衬板具有绝缘性能优异、散热性能稳定、可靠性高等特性。

但是陶瓷材料由粉末烧结而成，整体由微米级晶粒构成，整体疏松多孔，光吸收性强。内部疏松造成陶瓷基板内部微粒接触面积小，散热性能大打折扣，导致电力模块芯片散热不及时，功率上限低，热失效问题显著；表面稀疏多孔造成活性金属钎焊工艺加工后表面空洞率略大，使得焊接在陶瓷金属化复合衬板上的半导体芯片因衬板表面空洞多而极易引发沿面放电，最终造成芯片报废，模块绝缘失效；光吸收性强造成衬板不透光，在线观测性极差，导致芯片工作状态与失效过程的光学在线监测手段失灵。因此，亟需从降低陶瓷覆铜衬板的疏松多孔入手，改进现有的衬板结构，增大内部微粒接触面积，减小表面空洞率，减弱光吸收强度，以此来提升芯片模块整体的散热、绝缘性能以及实现光学在线监测。

申请号CN107546132专利公开了双层钎焊料增强铜箔与衬板的结合强度，降低了电气阻抗，耐电压与耐电流能力更强，但该方案表面空洞率仍然较大，未能从根本上解决电失效隐患。申请号CN106169426专利公开了钛层与有机层增强结合力，耐热循环性高，但导电率增高会降低覆铜衬板的绝缘强度，耐电击穿能力下降，电气绝缘失效风险增加。上述两件专利都未能从根本上改变衬板疏松多孔的结构，表面空洞与内部微粒分散性大的问题依旧存在，并且不利于模块的光学在线监测。

发明内容

为解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种蓝宝石晶体覆铜衬板的制作方法及其制作的蓝宝石晶体覆铜衬板。蓝宝石晶体内部为单晶结构，微粒接触面积大，散热性能提升；改良工艺实现铜层与晶体的紧密结合，剥离强度大，表面空洞率低，电绝缘性能优异；晶体光吸收强度低，并可以实现模块芯片的光学在线监测。

本发明是通过下述技术方案来实现的。

本发明一方面，提供了一种蓝宝石晶体覆铜衬板的制作方法，包括如下步骤：

在蓝宝石晶体的表面涂抹氧化铝、碳酸钙混合粉末，并烧结形成混合粉末附着层；

在混合粉末附着层表面涂抹活性金属钎焊料层；

将铜箔经预处理后，在活性金属钎焊料层的表面烧结形成铜层，最终形成蓝宝石晶体覆铜衬板。

优选的，所述蓝宝石晶体为C-Plane蓝宝石晶体、R-Plane蓝宝石晶体或M-Plane蓝宝石晶体。

优选的，所述氧化铝、碳酸钙混合粉末为质量比为99.9：0.1氧化铝和碳酸钙的混合物。