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迄今為止，直接鍵合銅（DBC）基板已成為電力電子產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)。它們以低成本提供出色的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，DBC技術(shù)的弱點(diǎn)是不可避免的翹曲和熱循環(huán)下相對(duì)較低的可靠性。低可靠性構(gòu)成了重大障礙，特別是對(duì)于具有高壽命要求的汽車(chē)應(yīng)用。具有低翹曲和出色可靠性的厚印刷銅（TPC）陶瓷基板克服了這些弱點(diǎn)，但也以更高的成本降低了導(dǎo)電性。我們所展示了兩種厚膜/DBC混合技術(shù)，它們結(jié)合了DBC和TPC的最佳特性；出色的導(dǎo)電性、低成本、減少的翹曲和出色的可靠性。

當(dāng)電路受到惡劣環(huán)境條件的影響時(shí)，例如腐蝕性化學(xué)品、高溫和低溫、高濕度、機(jī)械應(yīng)力和強(qiáng)烈的溫度變化，電路總是使用厚膜技術(shù)。由于高可靠性和對(duì)不利條件的耐受性以及出色的熱和電性能，厚膜電路在廣泛的工業(yè)應(yīng)用中得到了廣泛的應(yīng)用，包括了油箱傳感器、太陽(yáng)能電池、汽車(chē)前燈和發(fā)動(dòng)機(jī)控制器。

對(duì)于電力電子和LED基板，在厚印刷銅（TPC）里可以證明與當(dāng)前的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)直接鍵合銅DBC相比，TPC提供了更高的可靠性、更少的翹曲和卓越的設(shè)計(jì)自由度。同時(shí)，DBC的熱阻和電阻降低了30%，并且在標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用中具有成本優(yōu)勢(shì)，在本文中，我們主要介紹了兩種用于電力電子陶瓷基板的厚膜/DBC混合技術(shù)，將TPC和DBC的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合在一個(gè)基板中。

我們將第一個(gè)混合基板技術(shù)稱為“粘貼增強(qiáng)定向鍵合銅”（PE-DBC），PEDBC陶瓷基板由氧化鋁上的標(biāo)準(zhǔn)DBC和厚膜糊劑增強(qiáng)銅邊緣組成。通過(guò)在銅結(jié)構(gòu)周?chē)峙洳⒃?span style="font-size: 16px; font-family: Calibri; ">500℃以上的溫度下燒制來(lái)施加絕緣厚膜漿料，在燒制過(guò)程中，厚膜漿料燒結(jié)并與氧化鋁基材以及銅層形成牢固的結(jié)合。這加強(qiáng)了銅結(jié)構(gòu)關(guān)鍵邊緣處的銅和陶瓷之間的界面，增強(qiáng)顯著提高了DBC陶瓷基板的可靠性，而不會(huì)顯著增加成本。與標(biāo)準(zhǔn)DBC基板相比，我們通過(guò)熱沖擊測(cè)試PE-DBC基板證明了改進(jìn)。

第二種技術(shù)“粘貼粘合銅”（PBC），實(shí)現(xiàn)了比PE-DBC更高的可靠性以及顯著減少翹曲的額外好處。PBC基板是通過(guò)在TPC基板上燒結(jié)銅箔制成的，對(duì)于PBC，我們展示了出色的可靠性，出色的粘合質(zhì)量和加熱時(shí)的低翹曲變化。

一、膏體增強(qiáng)直接鍵合銅（PE-DBC）

PE-DBC基板由氧化鋁陶瓷基板上的標(biāo)準(zhǔn)DBC組成，具有增強(qiáng)的邊緣結(jié)構(gòu)以提高可靠性。

1、制造工藝

PE-DBC生產(chǎn)流程從標(biāo)準(zhǔn)dbc流程開(kāi)始，在由以下三個(gè)步驟組成的厚膜工藝中連續(xù)增強(qiáng)蝕刻的dbc：

> 例如通過(guò)點(diǎn)膠在銅結(jié)構(gòu)周?chē)难趸X上涂敷絕緣厚膜膏（見(jiàn)圖1）；

> 在?120°C的空氣中干燥糊狀物10分鐘；

> 在高于 500 °C 的溫度下在氮?dú)庵袩苹?/span>；

氮?dú)鉄瓶煞乐广~層氧化。使用的絕緣膏是無(wú)鉛的。

                     【在銅結(jié)構(gòu)周?chē)峙錆{料。重要的是要避免焊膏和銅之間的任何間隙。漿料可以以某種方式印刷，使其完全包圍銅結(jié)構(gòu)或僅包圍最關(guān)鍵的部分。】 

2、可靠性

我們將PE-DBC部件與具有相同銅圖案的標(biāo)準(zhǔn)dbc進(jìn)行了比較，銅厚度為300 μm，氧化鋁厚度為630 μm。熱沖擊試驗(yàn)的試驗(yàn)程序如圖2所示，陶瓷基板在-40℃下保持15分鐘，在15秒內(nèi)轉(zhuǎn)移到+150℃是并在此在保持15分鐘，然后在15秒內(nèi)轉(zhuǎn)移回-40℃。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)dbc，我們觀察到銅層邊緣在100次熱沖擊循環(huán)后開(kāi)始出現(xiàn)貝殼狀斷裂。使用在96%氧化鋁上沒(méi)有凹坑的標(biāo)準(zhǔn)dbc在2000次循環(huán)之前，PE-DBC基材在表面聲學(xué)顯微鏡 (SAM) 中未顯示任何分層。

【熱沖擊測(cè)試的溫度曲線。-40 °C 室和 +150 °C 之間的傳輸時(shí)間為 15 秒。】

圖 3描繪了在 2000 次熱沖擊循環(huán)后具有漿料增強(qiáng)的 Cu 結(jié)構(gòu)和未增強(qiáng)的 Cu 結(jié)構(gòu)的基板的光學(xué)圖像和 SAM 測(cè)量值。即使經(jīng)過(guò) 2000 次循環(huán)，增強(qiáng)部分實(shí)際上也沒(méi)有變化。

                  【在 2000 次熱沖擊循環(huán)后，具有漿料增強(qiáng)銅結(jié)構(gòu)（左側(cè)紅色矩形內(nèi)）和未增強(qiáng)銅結(jié)構(gòu)（右側(cè)藍(lán)色矩形內(nèi)）的 DBC 基板的光學(xué)圖像（左）和 SAM 測(cè)量（右） . 未增強(qiáng)部分下方的貝殼狀斷裂清晰可見(jiàn)，而增強(qiáng)部分實(shí)際上不受熱循環(huán)的影響。】

二、粘貼銅（PBC）

焊接銅PBC基板是TPC基板，在厚膜層的頂部燒結(jié)有銅箔。

1、制造工藝

PBC基板的加工從標(biāo)準(zhǔn)TPC工藝開(kāi)始（圖4中的前三個(gè)方框）：

> 銅漿絲網(wǎng)印刷在陶瓷的兩面，可以包括可以用作邏輯電路的精細(xì)結(jié)構(gòu)；

> 糊狀物在空氣中在120℃下干燥10分鐘；

> 基材在500℃以上的氮?dú)庵袩?/span>

         【PBC流程流程圖。前三個(gè)方框描述了標(biāo)準(zhǔn)的 TPC 流程。以下三個(gè)方框是在厚膜層頂部燒結(jié)銅箔和最終蝕刻。】

在TPC部分完成后，將銅箔燒結(jié)在TPC基板上（圖4中的最后三個(gè)框）：

> 銅箔疊在TPC基板的頂部和底部，邏輯電路部分留空；

> 在溫度高于800℃的氮?dú)鉅t中燒制煙囪；

> 與標(biāo)準(zhǔn)dbc一樣，將所需結(jié)構(gòu)蝕刻到Gu層中；

2、綁定接口

我們通過(guò)SEM分析了陶瓷與銅漿之間以及銅漿與銅箔之間的界面圖5，由于材料的致密燒結(jié)，無(wú)法識(shí)別漿料和箔之間的界面。陶瓷和銅之間的界面是無(wú)空隙的。這對(duì)于基板的可靠性和局部放電特性非常重要。在銅層內(nèi)可以看到一些小的空隙，可以忽略不計(jì)，對(duì)放電性能沒(méi)有影響。

        【PBC 基板的橫截面。亮層是銅，氧化鋁下面的亮暗層。在右側(cè)顯示界面的詳細(xì)圖像。無(wú)法檢測(cè)到銅和陶瓷之間的空隙。】

3、可靠性

總銅厚度約為 350 μm 和氧化鋁厚度為 630 μm 的2″×2″ PBC 基板經(jīng)受與相同的熱沖擊循環(huán)。圖6左側(cè)描繪了2000 次熱沖擊循環(huán)后基板的光學(xué)圖像。最初和 600 和 2000 次循環(huán)后，襯底的特征是SAM。最初可以看出，銅箔的邊緣沒(méi)有完美地結(jié)合到厚膜層上。這是由于當(dāng)時(shí)沒(méi)有優(yōu)化處理。600和2000 次熱沖擊循環(huán)后的SAM圖像表明，沒(méi)有發(fā)生額外的分層。

                      【2000 次熱沖擊循環(huán)后的光學(xué)圖像、初始 SAM、600 次后的 SAM 和 2000 次熱沖擊循環(huán)后的 SAM（從左到右）。即使經(jīng)過(guò) 2000 次熱沖擊循環(huán)，也不會(huì)發(fā)生額外的分層。】

4、附著力

PBC 技術(shù)的附著力在 4×4 mm 2 Cu箔上進(jìn)行測(cè)試。使用剪切測(cè)試儀，測(cè)量鑿子剝離銅的最大力（圖7頂部）。與 DBC 相比，PBC 的最大作用力如圖 7所示。DBC 80% 以上的剪切力是由 PBC 實(shí)現(xiàn)的。

                       【剪切試驗(yàn)示意圖（上）和剪切力結(jié)果（下）。剪切測(cè)試儀在鑿子剪斷銅箔時(shí)測(cè)量最大力。PBC 的剪切力超過(guò) DBC 值的 80%。這對(duì)于所有實(shí)際目的來(lái)說(shuō)綽綽有余。】

圖8顯示了連續(xù) TPC 層頂部剪切掉的銅箔的光學(xué)圖像。失效模式部分在陶瓷內(nèi)部，這表明銅/陶瓷和膏/箔界面都不是PBC的薄弱環(huán)節(jié)。

                   【剪下的銅箔的光學(xué)圖像。圖像顯示，故障至少部分發(fā)生在陶瓷內(nèi)部，表明銅膏和陶瓷之間以及銅膏和銅箔之間的良好結(jié)合。】

5、翹曲

通過(guò)莫爾陰影分析分析兩面Cu厚度為~300μm、氧化鋁厚度為630μm的2″×2″基板的翹曲。莫爾陰影分析可以測(cè)量不同基板溫度下的翹曲。需要低初始翹曲和低翹曲變化以避免焊料或燒結(jié)接頭與基板和管芯的過(guò)度應(yīng)力。

TPC、DBC和PBC陶瓷基板的翹曲是在室溫、50°C、100°C、150°C和200°C下測(cè)量的。測(cè)量的翹曲顯示在圖9中。正如[]之前已經(jīng)發(fā)表的那樣，TPC的翹曲低于 DBC。PBC 基板在 DBC和TPC之間存在翹曲變化。

                   【DBC、TPC 和 PBC 基板在室溫和 200 °C 之間的翹曲。TPC 的翹曲變化最小，DBC 最高，PBC 居中。】

6、比較

對(duì)PE-DBC和PBC的關(guān)鍵特性進(jìn)行了總結(jié)和比較。這兩種技術(shù)均基于經(jīng)過(guò)驗(yàn)證且適合大規(guī)模生產(chǎn)的工藝和無(wú)鉛材料。PBC具有低翹曲的額外優(yōu)勢(shì)，并且能夠在一個(gè)基板上組合邏輯和電源電路而無(wú)需額外的工藝。與 TPC相比，新技術(shù)PE-DBC和PBC具有更高的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性（與DBC相同）以及在高銅厚度下成本更低的優(yōu)點(diǎn)。