WCu基板上氮化鋁-氧化鋁-莫來石復(fù)相陶瓷絕緣膜制備與性能研究.pdf

1、大功率模塊封裝結(jié)構(gòu)一般由芯片、導(dǎo)體/絕緣基板、熱沉、散熱器等構(gòu)成，相互之間再由芯片鍵合材料、熱界面材料等連接，芯片產(chǎn)生的熱量需要通過多種材料、多個(gè)界面才能到達(dá)散熱器散出，封裝熱阻難以降低。將陶瓷以膜層的形式直接制作在熱沉材料表面的陶瓷絕緣金屬基板，作為電力電子組件和功率微波組件的絕緣基板，可以大大簡化功率組件封裝結(jié)構(gòu)，降低由芯片到熱沉的封裝熱阻。本文以氮化鋁與聚碳硅烷的混合漿料為原料，通過水汽輔助燒結(jié)工藝在W80Cu20金屬基板表面制備

2、了由氮化鋁、氧化鋁和莫來石相組成的復(fù)相陶瓷膜，最后得到陶瓷絕緣金屬基板。在水汽條件下燒結(jié)，氮化鋁水解產(chǎn)物熱裂解生成非穩(wěn)態(tài)氧化鋁，聚碳硅烷被水汽刻蝕生成非晶氧化硅。非穩(wěn)態(tài)氧化鋁與非晶氧化硅低溫下即可反應(yīng)生成AlSiO玻璃，進(jìn)一步析晶生成莫來石，而多余的非穩(wěn)態(tài)氧化鋁轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)態(tài)氧化鋁，實(shí)現(xiàn)由氮化鋁、氧化鋁和莫來石組成的氮化鋁-氧化鋁-莫來石復(fù)相陶瓷制備。其中，復(fù)相陶瓷中的氮化鋁組分可提高復(fù)相陶瓷的熱導(dǎo)率，莫來石可降低復(fù)相陶瓷的介電常數(shù)和介質(zhì)損

3、耗因數(shù)，使得所得到復(fù)相陶瓷具有非常優(yōu)異的綜合性能。系統(tǒng)地研究了水汽輔助燒結(jié)工藝對復(fù)相陶瓷膜反應(yīng)燒結(jié)制備和陶瓷/金屬界面反應(yīng)行為的影響規(guī)律。同時(shí)，對所制備的復(fù)相陶瓷絕緣金屬基板完成了力學(xué)性能、熱學(xué)性能和電氣絕緣性能等相關(guān)性能測試，最后采用陶瓷絕緣金屬基板實(shí)現(xiàn)IGBT半橋模塊封裝。本文所取得的主要研究成果概括如下：
　　通過水汽輔助燒結(jié)在W80Cu20/Cr金屬基板表面制備出了由氮化鋁、氧化鋁和莫來石相組成的復(fù)相陶瓷膜。氣氛條件中的水

4、汽含量對燒結(jié)制備的陶瓷膜表面形貌影響非常大。氣氛中水汽含量少時(shí)，陶瓷顆粒棱角分明、陶瓷顆粒之間的間隙明顯；隨著氣氛中水汽含量增多，參與反應(yīng)的氮化鋁陶瓷顆粒比較多，陶瓷顆粒棱角模糊、間隙彌合填充，陶瓷反應(yīng)燒結(jié)趨于完善。陶瓷與金屬Cr層間存在明顯的界面反應(yīng)，反應(yīng)層厚度約為2μm。界面反應(yīng)層中存在明顯地O和Cr元素?cái)U(kuò)散，界面處可能生成了Cr-O-Al三元化合物，對提高陶瓷膜的結(jié)合力起到很大的作用。陶瓷與Cr金屬界面反應(yīng)處存在κ-Al2O3和A

5、l1.98Cr0.02O3等相。κ-Al2O3為不穩(wěn)定相具有非常高的化學(xué)反應(yīng)活性，很容易滿足Cr2O3與κ-Al2O3的固溶反應(yīng)條件而生成Al1.98Cr0.02O3相，實(shí)現(xiàn)陶瓷與Cr金屬的元素?cái)U(kuò)散反應(yīng)。復(fù)相陶瓷膜的納米彈性模量和硬度分別為265±3GPa和21±1GPa。
　　隨著水汽輔助燒結(jié)溫度的升高，復(fù)相陶瓷膜熱導(dǎo)率先升高后下降。經(jīng)1060℃/1h所燒結(jié)制備的復(fù)相陶瓷膜的熱導(dǎo)率最大，達(dá)到41.2W(m·K)-1。電氣絕緣性能

6、是復(fù)相陶瓷絕緣金屬基板的一大主要性能。隨著測試電壓升高，陶瓷膜的絕緣電阻開始下降。當(dāng)測試電壓600V時(shí)，復(fù)相陶瓷絕緣金屬基板的絕緣電阻為4.85×1012Ω。在相同測試電壓下，隨著測試溫度的升高，絕緣電阻同樣明顯地降低。對樣品施加直流電壓600V，在室溫、100℃、150℃和200℃環(huán)境下所測試的絕緣電阻分別為4.85×1012Ω、1.97×1011Ω、2.56×1010Ω和2.74×109Ω。隨著測試環(huán)境溫度的升高，直流擊穿電壓同樣降

7、低；由室溫下的3100V降到200℃下的1890V。樣品的工頻交流擊穿電壓比直流擊穿電壓低很多。室溫三種不同測試頻率10KHz、100KHz和1MHz下所測試得到的相對介電常數(shù)分別為2.39、2.12和2.00。相對介電常數(shù)隨著測試頻率升高而降低。在測試頻率10KHz和100KHz下，介質(zhì)損耗因數(shù)在測試溫度區(qū)間內(nèi)均隨著環(huán)境溫度的升高，先升高后下降，中間出現(xiàn)最大值分別為0.62和0.60。
　　采用復(fù)相陶瓷絕緣金屬基板為半橋功率模塊