RECENT DEVELOPMENTS OF DIRECT BONDED COPPER(DBC)SUBSTRATES FOR POWER MODULES

DBC substrates are the standard circuit boardsfor power modules. Using the DBC technologythick copper foils (0.125mm - 0.Tmm) arecladded to Alumina or Aluminum Nitride,The strong adhesion of the copper to ceramicbond reduces the thermal expansion coefficientin horizontal direction only slightly above theTEC of the ceramic itself. This allows directsilicon attach of large dies without using TECcontrolling layers.As DBC technology is using copper foils,integralleads overhanging the ceramic can be realized...

车用碳化硅功率模块的电热性能优化与评估

由于在开关速度、温度特性和耐压能力等方面的优势,SiC(silicon carbide)功率模块开始逐步应用于电动汽车的电机控制器。电机控制器是电动汽车的核心部件,对功率模块的电热特性要求较高,因此对SiC封装提出了很大的挑战。以主流的HybridPACK Drive模块封装为例,优化设计了模块的驱动回路和DBC(direct bonded copper)布局,并引入了铜线键合技术,协同优化了模块的电热性能和可靠性。此外,采用响应面法优化了椭圆形Pin-Fin散热基板,提升了模块的散热性能。最后,分别制造了优化前、后的SiC功率模块样机作为对比,搭建了双脉冲和功率对拖实验平台,评估了2种方案的电热性能。实验结果显示,当芯片交错距离为芯片宽度的1/2时,所优化的功率模块可以在兼顾电性能的同时,实现更优异的热性能。

DBC 电子封装基板研究进展

综述了 DBC 电子封装基板的研究进展,介绍了 DBC 电子封装基板材料的选择、敷接的关键技术及其在电子封装中的使用特点,并展望了 DBC 电子封装基板的应用前景。

直接敷铜工艺制备Cu/AlN材料的界面结构及结合性能

通过直接敷铜(DBC)工艺,在AlN陶瓷基板表面于1 000~1 060℃的敷接温度下制备Cu/AlN材料,利用机械剥离机、场发射扫描电子显微镜和X射线衍射仪分析了Cu/AlN的界面结合强度、界面微观形貌和物相组成。结果表明:铜箔和AlN陶瓷基板间的结合强度超过了8.00N·mm^(-1),铜箔和AlN陶瓷之间存在厚度约为2μm的过渡层,过渡层中主要含有Al_2O_3、CuAlO_2和Cu_2O化合物;随着敷接温度升高,Cu/AlN的界面结合强度逐渐增大。

AlN陶瓷基板覆铜技术的研究

探索了AlN陶瓷基板表面氧化状态对敷接强度的影响。结果表明:敷接过程中Cu[O]共晶液体对未经氧化处理的AlN陶瓷基板的浸润性较差,不能形成牢固的结合;AlN陶瓷表面经氧化处理后能够显著改善与Cu[O]共晶液体的浸润性,其界面结合强度与氧化工艺密切相关,受热应力的影响,空气条件下氧化试样的敷接强度大于湿气氛下(N_2:O_2=10:1)氧化试样的敷接强度;空气下1300℃氧化30min制得的AlN-DBC试样,敷接强度达2.8kg·mm^(-2),其界面反应层的厚度约2～3μm,生成界面产物CuAlO_2,从而获得了较高的敷接强度。

Cu/Al_2O_3与Cu/AlN复合陶瓷基板材料制备研究

利用直接敷铜(DBC)技术制备了Cu/Al2O3、Cu/AlN复合陶瓷基板材料。通过机械剥离机和场发射扫描电子显微镜分析了Cu/Al2O3、Cu/AlN复合陶瓷基板材料的结合力、界面微观形貌与元素分布。结果表明,在Cu箔能与Al2O3基板直接结合,而AlN组需要预氧化然后才能与Cu箔紧密结合,Cu箔与Al2O3、预氧化AlN基板间的结合力均超过8N/mm。通过EDS能谱分析,在Cu箔与预氧化AlN基板间出现组分主要为Al2O3和CuAlO2的过渡层。

氮化铝陶瓷金属化技术的探讨

本文对目前常用的电子陶瓷(例如,氮化铝陶瓷、氧化铍陶瓷、氧化铝陶瓷)的性能和金属化技术进行了初步的比较,提出了氮化铝陶瓷要加强其应用研究,特别是要进一步提高其Mo-Mn法封接强度,论述了氧化铍陶瓷比氮化铝陶瓷DBC技术上的某些优势。

新型陶瓷/金属化合物基板——直接敷铜板

直接敷铜(DBC)板是用于电子学封装的一种陶瓷/金属化合物基板。这种DBC板适用于光电子学封装的采集排列制作,并可提供无源对准、好的热导率、CTE匹配及良好的可靠性。本文介绍了采用DBC板的光电子学封概念布线、制作和应用。

1kW航空用DC/DC模块电源的设计

分析了电源技术发展的趋势,指出了发展模块电源的必然性以及模块电源发展中面临的关键问题。针对270V/28V36A航空用DC/DC二次电源模块的研究,在实验室完成一台样机,采用了三维的MPIPPS(Metal Post Interconnected Parallel Plate Structure)封装结构,并运用了多种最新的技术:铝基板、SMT、平面变压器。文章对封装结构、材料选取及工艺方面一些问题进行探讨,并给出了实验结果。

陶瓷覆铜基板表面形貌对超声可键合性的影响

陶瓷覆铜基板在大功率电力电子器件封装模块中有着重要的应用,作为传统模块电气互连的重要组成部分,其通过超声键合技术将键合引线与其相连实现电气互连,因此,陶瓷覆铜基板的可键合性直接决定了模块生产的可靠性和成品率。以前的研究主要集中在键合参数(键合功率、键合压力、键合时间)对键合性能的影响,本文则从陶瓷覆铜基板表面形貌几何形态的角度出发,研究了其对陶瓷覆铜基板与粗铝线超声可键合性的影响。通过实验分析发现,基板表面形貌的几何特性对可键合性能有着重要的影响,一方面,表面轮廓的微观不平度的平均间距Sm(空间频率特性)影响超声可键合性。平均间距Sm越小,表面纹理越细密,其可键合区域大,键合成功率较高;反之,Sm参数太大,则会削弱基板的可键合性。另一方面,表面粗糙度Ra影响键合强度的稳定性,在键合成功的前提下,表面粗糙度越小,其键合强度的离散性越小。并利用频谱分析方法及摩擦学的理论对产生这种现象的原因进行了理论分析解释。

Al_2O_3基板直接敷铜法的敷接机理研究

本文采用直接敷铜工艺，１０７０℃流动氮气氛下保温３ｈ制得当了强度达１１．５ｋｇ／ｃｍ＾２的直接铜ＡＩ２Ｏ３基板。介面产物ＣｕＡＩＯ２的形成是获得较高结合强度的关键，敷接温度下，在界面上产生了能很好润湿ＡＩ２Ｏ３表面的Ｃｕ〖Ｏ〗共晶液体，并反应生连续的ＣｕＡｌＯ２层降温时，共晶液体从Ｃｕ侧开始固化并淀析出ＣｕＯ２颗９粒，当固化前沿与ＣｕＡｌＯ２层相遇时，液相参与的界面反应停止，冷却至室温。

直接敷铜Al_2O_3陶瓷基板的界面产物研究

直接敷铜Ａｌ２Ｏ３基板已被广泛应用于大功率场合．本文通过Ｃｕ箔表面预氧化生成Ｃｕ２Ｏ的方法引入氧，１０７０℃在Ｃｕ箱和Ａｌ２Ｏ３基板界面上所产生的Ｃｕ－Ｃｕ２Ｏ共晶液体促进了二者的牢固结合．流动氮气氛下保温１ｈ，观察到了明显的界面产物层．ＳＥＭ和ＸＲＤ的分析表明，界面产物相为ＣｕＡｌＯ２．

铜片氧化法制备Cu_2O层厚度的调控方法

采用氧化法在铜片上生成氧化亚铜,研究氧化工艺对氧化亚铜厚度的影响规律,利用X射线衍射仪和扫描电镜分别对氧化产物和氧化层厚度进行表征。无氧铜片在900～1050℃,氧气体积分数为2%～10%条件下氧化可在表面生成一层纯的Cu2O层;当氧化温度和氧气体积分数分别是1000℃和4%时,生成致密的Cu2O层,且厚度易于控制,氧化层厚度（ζ）与时间（t）的关系满足抛物线关系ζ^2=194t-955。

直接敷铜技术中铜箔预氧化层的检测与控制

通过控制氧化的方法对制备敷铜陶瓷基板(DBC基板)的铜层进行预氧化处理。研究了预氧化温度、氧分压对铜箔氧化层物相和厚度的影响,采用拉曼光谱仪测试铜箔氧化膜物相组成,采用紫外-可见分光光度计测试铜箔氧化膜的吸光度,确定了铜箔表面氧化物层吸光度与厚度的关系。结果表明:预氧化温度在400~800℃,氧分压控制在100×10^(–6)~700×10^(–6),铜箔表面生成一层氧化亚铜(Cu_2O)层;在过高的预氧化温度和氧分压条件下,铜箔表面就会生成Cu O物相,而且氧化膜层变厚,表面疏松、局部出现氧化膜脱落,不利于DBC基板的制备。当氧分压为500×10^(–6),预氧化时间为1 h,温度为600℃时,铜箔表面可以获得均匀致密的Cu_2O薄膜,并且氧化膜与基体Cu结合紧密,有效提高DBC基板的结合性能。

车用SiC半桥模块并联均流设计与试制

SiC芯片并联均流是影响车用SiC半桥模块可靠性的关键问题。寄生电感的不一致是造成芯片间电流不均衡的主要原因。首先,在ANSYS Simplorer中建立了芯片双脉冲仿真电路,分别研究了漏极、源极和栅极寄生电感对芯片间均流性的影响。然后,采用混合优化的均流方法设计并制作了一个多芯片并联的SiC半桥模块,其中,功率端子采用双端结构以减小寄生电感;栅极采用开尔文连接结构以提高芯片开关速度;对芯片位置进行优化使各并联回路的寄生电感尽可能均匀分布。在ANSYS Q3D中提取的主回路寄生电感为6.5 nH;在Simplorer中进行仿真,电流不均衡度小于3%。实物测试结果表明,主回路寄生电感为10 nH,电流不均衡度小于5%,验证了该车用SiC半桥模块并联均流设计的可行性。

氮化铝陶瓷直接覆铜基板界面空洞控制技术研究

氮化铝陶瓷直接覆铜基板是将铜箔在高温下直接键合到氮化铝陶瓷表面而制成的一种复合陶瓷基板,具有高导热性、高电绝缘性、大电流容量、高机械强度等特点,广泛应用于智能电网、动力机车、汽车电子等电力电子领域。本文从机理上分析了氮化铝覆铜基板界面空洞产生的原因,研究了影响界面空洞的主要技术参数,得出结论:氮化铝和无氧铜表面氧化层均匀性是影响界面空洞的主要因素;采用纯干氧气氛氧化氮化铝陶瓷可以在其表面形成致密氧化膜,有效减少界面空洞的产生;采用低氧含量高温氧化的方法氧化无氧铜后,有助于减少铜与氮化铝界面空洞;当氮化铝直接覆铜工艺的氧含量为5×10-4时,氮化铝覆铜基板界面空洞比例达到2%。

陶瓷基板表面金属层结合强度测试与失效分析

为了评估电子器件封装质量与可靠性,需要准确测量直接镀铜陶瓷基板(DPC)表面金属层与陶瓷基片间的结合强度。采用拉伸法对DPC陶瓷基板表面金属层结合强度进行了测试,分析了测试后基板断裂面的微观形貌与基板横截面元素组成。结果显示:以金属层面积作为受力面积计算强度时,所得平均拉伸强度为12.13 MPa;测试中基板断裂位置均为金属层下方陶瓷内,断裂面形貌符合陶瓷脆性断裂特征;基板横截面微观形貌及EDS能谱分析表明,过渡层金属钛(Ti)向陶瓷侧和铜侧发生了扩散,提高了金属与陶瓷间结合强度,同时陶瓷内部存在孔洞缺陷,受到外界拉力时易产生裂纹而出现脆性断裂。研究结果表明,DPC陶瓷基板金属与陶瓷间结合强度较高,基板最薄弱部位为金属层下方的陶瓷。

功率IGBT模块中的材料技术

介绍了功率IGBT模块封装中所用到的氮化铝DBC技术和铝碳化硅技术,通过对其材料特性、技术特点分析以及其对IGBT模块性能的影响分析,说明了氮化铝DBC和铝碳化硅在未来高压大功率IGBT模块发展中的作用和发展趋势。

预氧化对DBC基板的影响及敷接机理研究

随着绝缘栅双极型晶体管等功率器件的发展,对陶瓷敷铜基板(DBC)的需求越来越大。分别介绍了DBC基板的种类、结构,预氧化工艺对DBC基板的影响和敷接机理。用扫描电镜、X射线衍射等分析手段确定铜箔表面氧化后的物相成份,用X射线扫描确定敷接后界面空洞,并分析产生空洞的原因。用SEM观察界面的形貌并进行断面分析,用XRD和X-RAY分析界面产物的物相成份,从而确定DBC基板的敷接机理。

炼铜转炉用镁铬砖损毁机理的探讨

研究了炼铜转炉用直接结合镁铬、硅酸盐结合镁铬砖的损毁机理。结果表明：对直接结合镁铬砖而言，不论是其抗冰铜的渗透性、抗转炉渣的侵蚀性，还是热震稳定性、高温强度均优于硅酸盐结合镁铬砖。所以使用直接结合镁铬耐火材料替代硅酸盐结合镁铬耐火材料可以大幅度地提高转炉炉龄。