WCu基板上氮化铝-氧化铝-莫来石复相陶瓷绝缘膜制备与性能研究

摘要

大功率模块封装结构一般由芯片、导体/绝缘基板、热沉、散热器等构成，相互之间再由芯片键合材料、热界面材料等连接，芯片产生的热量需要通过多种材料、多个界面才能到达散热器散出，封装热阻难以降低。将陶瓷以膜层的形式直接制作在热沉材料表面的陶瓷绝缘金属基板，作为电力电子组件和功率微波组件的绝缘基板，可以大大简化功率组件封装结构，降低由芯片到热沉的封装热阻。本文以氮化铝与聚碳硅烷的混合浆料为原料，通过水汽辅助烧结工艺在W80Cu20金属基板表面制备了由氮化铝、氧化铝和莫来石相组成的复相陶瓷膜，最后得到陶瓷绝缘金属基板。在水汽条件下烧结，氮化铝水解产物热裂解生成非稳态氧化铝，聚碳硅烷被水汽刻蚀生成非晶氧化硅。非稳态氧化铝与非晶氧化硅低温下即可反应生成AlSiO玻璃，进一步析晶生成莫来石，而多余的非稳态氧化铝转变为稳态氧化铝，实现由氮化铝、氧化铝和莫来石组成的氮化铝-氧化铝-莫来石复相陶瓷制备。其中，复相陶瓷中的氮化铝组分可提高复相陶瓷的热导率，莫来石可降低复相陶瓷的介电常数和介质损耗因数，使得所得到复相陶瓷具有非常优异的综合性能。系统地研究了水汽辅助烧结工艺对复相陶瓷膜反应烧结制备和陶瓷/金属界面反应行为的影响规律。同时，对所制备的复相陶瓷绝缘金属基板完成了力学性能、热学性能和电气绝缘性能等相关性能测试，最后采用陶瓷绝缘金属基板实现IGBT半桥模块封装。本文所取得的主要研究成果概括如下：
　　通过水汽辅助烧结在W80Cu20/Cr金属基板表面制备出了由氮化铝、氧化铝和莫来石相组成的复相陶瓷膜。气氛条件中的水汽含量对烧结制备的陶瓷膜表面形貌影响非常大。气氛中水汽含量少时，陶瓷颗粒棱角分明、陶瓷颗粒之间的间隙明显；随着气氛中水汽含量增多，参与反应的氮化铝陶瓷颗粒比较多，陶瓷颗粒棱角模糊、间隙弥合填充，陶瓷反应烧结趋于完善。陶瓷与金属Cr层间存在明显的界面反应，反应层厚度约为2μm。界面反应层中存在明显地O和Cr元素扩散，界面处可能生成了Cr-O-Al三元化合物，对提高陶瓷膜的结合力起到很大的作用。陶瓷与Cr金属界面反应处存在κ-Al2O3和Al1.98Cr0.02O3等相。κ-Al2O3为不稳定相具有非常高的化学反应活性，很容易满足Cr2O3与κ-Al2O3的固溶反应条件而生成Al1.98Cr0.02O3相，实现陶瓷与Cr金属的元素扩散反应。复相陶瓷膜的纳米弹性模量和硬度分别为265±3GPa和21±1GPa。
　　随着水汽辅助烧结温度的升高，复相陶瓷膜热导率先升高后下降。经1060℃/1h所烧结制备的复相陶瓷膜的热导率最大，达到41.2W(m·K)-1。电气绝缘性能是复相陶瓷绝缘金属基板的一大主要性能。随着测试电压升高，陶瓷膜的绝缘电阻开始下降。当测试电压600V时，复相陶瓷绝缘金属基板的绝缘电阻为4.85×1012Ω。在相同测试电压下，随着测试温度的升高，绝缘电阻同样明显地降低。对样品施加直流电压600V，在室温、100℃、150℃和200℃环境下所测试的绝缘电阻分别为4.85×1012Ω、1.97×1011Ω、2.56×1010Ω和2.74×109Ω。随着测试环境温度的升高，直流击穿电压同样降低；由室温下的3100V降到200℃下的1890V。样品的工频交流击穿电压比直流击穿电压低很多。室温三种不同测试频率10KHz、100KHz和1MHz下所测试得到的相对介电常数分别为2.39、2.12和2.00。相对介电常数随着测试频率升高而降低。在测试频率10KHz和100KHz下，介质损耗因数在测试温度区间内均随着环境温度的升高，先升高后下降，中间出现最大值分别为0.62和0.60。
　　采用复相陶瓷绝缘金属基板为半桥功率模块绝缘基板，实现IGBT半桥功率模块封装与测试。由芯片到W80Cu20基板的热阻为0.8W/K，其值相对采用氧化铝DBC基板所制备的半桥模块的封装热阻降低了20％。说明采用陶瓷膜绝缘金属基板所得到的半桥模块具有更好的散热效果。复相陶瓷绝缘金属基板有望在功率组件封装领域得到广泛应用。

目录

第1章 绪论

1.1研究背景与选题意义

1.2功率半导体模块定义

1.3绝缘基板材料分类

1.4陶瓷绝缘金属基板制备方法研究现状

1.5氮化铝热增强材料体系

1.6本文的主要研究内容

第2章 实验材料与研究方法

2.1金属基板选择

2.2实验材料与制备方法

2.3分析表征与性能测试方法

第3章 氮化铝-氧化铝-莫来石复相陶瓷膜/WCu基板设计与制备

3.1氮化铝-氧化铝-莫来石复相陶瓷膜设计原理

3.2WCu基板上烧结制备氮化铝-氧化铝-莫来石复相陶瓷膜

3.3Cr-WCu基板上氮化铝-氧化铝-莫来石复相陶瓷膜制备

3.4本章小结

第4章 氮化铝-氧化铝-莫来石复相陶瓷膜/Cr-WCu基板微观结构表征与反应机制

4.1工艺参数对Cr-WCu基板上复相陶瓷膜微观结构影响

4.2工艺参数对陶瓷/Cr-WCu金属界面微观结构影响

4.3本章小结

第5章 氮化铝-氧化铝-莫来石复相陶瓷膜绝缘金属基板基本性能表征

5.1复相陶瓷膜绝缘金属基板表面附着性能及形貌

5.2工艺参数对复相陶瓷膜致密度影响

5.3复相陶瓷膜热导率计算与测试

5.4复相陶瓷膜绝缘金属基板电气绝缘性能研究

5.5复相陶瓷膜绝缘金属基板相对介电常数与介质损耗因数研究

5.6半桥功率模块封装与性能测试

5.7本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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致谢

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