陶瓷基覆銅板是根據(jù)電力電子模塊電路的要求進(jìn)行了不同的功能設(shè)計，從而形成了許多品種和規(guī)格的系列產(chǎn)品。這里主要介紹以Al2O3陶瓷-Cu板（100~600μm）進(jìn)行直接鍵合的陶瓷基覆銅板，因為此種規(guī)格是目前生產(chǎn)規(guī)模最大，應(yīng)用范圍最廣，應(yīng)用效果最好的一種產(chǎn)品。

一、Al2O3——DBC的制作

Al2O3-DBC就是指采用Al2O3陶瓷片與銅板在高溫和惰性氣體中直接鍵合而成的陶瓷基覆銅板。其制作流程為：

這里所使用的Al2O3瓷片一般是指Al2O3含量96%，適用于薄膜電路或厚膜電路的電子陶瓷片經(jīng)特殊加工處理而成。

二、Al2O3-DBC的制作的鍵合機(jī)理

在高溫下含氧量一定的氣氛中，金屬銅表面氧化形成一薄層Cu2O,溫度高于低共熔點時，出現(xiàn)Cu-Cu2O共晶液相，其中的Cu2O相與Al2O3陶瓷有著良好的親和性，使界面能降低，共晶液相能很好地潤濕銅和陶瓷。同時液相中的Cu2O與Al2O3發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成CuAlO2：

冷卻后通過Cu-Al-O化學(xué)鍵，Cu2O與Al2O3陶瓷牢固鍵合在一起。在Cu2O與金屬接觸的另一端，以Cu-O離子鍵將Cu2O與銅層緊密聯(lián)接起來，但是這一層的鍵合力與Cu2O/Al2O3反應(yīng)鍵合相比要小一些。從拉脫試驗中可以看出，當(dāng)銅層拉離了瓷體，在陶瓷上留下粉紅色島狀的Cu2O晶粒。

三、Al2O3-DBC覆銅板的性能要求

1 銅導(dǎo)帶和Al2O3陶瓷基片在高溫適合的氣氛中直接鍵合，具有較高的導(dǎo)熱性。熱導(dǎo)率為:14~28W/m.K.

2  DBC的熱膨脹系數(shù)同于Al2O3基片（7.4x10-6/℃），與Si相近并和Si芯片相匹配，可以把大型Si芯片直接搭乘在銅導(dǎo)體電路上，省去了傳統(tǒng)模塊中用鉬片等過渡層。

3 由于DBC制作主要以化學(xué)鍵合為主，所以鍵合強(qiáng)度十分高，拉脫強(qiáng)度大于50N/mm2，剝離強(qiáng)度大于9N/mm。

4 基板耐可焊接性好，使用溫度高。傳統(tǒng)PCB一般在260℃ 60s左右，DBC成型溫度在1000℃左右，在260℃可以多次焊接，-55~+88范圍內(nèi)長期使用具有優(yōu)異的熱可靠性。

5 可以利用傳統(tǒng)PCB制作工藝設(shè)備進(jìn)行精細(xì)線路的加工制作。具有通用性，適宜于大批量生產(chǎn)。

6 引線和芯片可焊性好。

7 不會產(chǎn)生金屬遷移。

8 耐電壓高（15kY/mm）

9 絕緣層電阻率高（一般大于1x10 14Ω.mm）。導(dǎo)電層銅電路的電阻率極其低（2.5x10-6Ω.mm），電流通過時發(fā)熱。

10 導(dǎo)電層100~600/μm，可根據(jù)電路模塊設(shè)計任意的大電流。

11 導(dǎo)電銅電路的電阻率極其低（2.5x10-6Ω.mm），電流通過時發(fā)熱。

12 高頻損耗?。╰anδ<10-3），可進(jìn)行高頻電路的設(shè)計和組裝。

13 可進(jìn)行高密度組裝，實現(xiàn)短、小、輕、薄化。

14 不含有機(jī)組分，耐宇宙射線，在航天航空方面可靠性高，使用壽命長。

15 導(dǎo)體銅具有極好的可塑性，可進(jìn)行大面積模塊組裝。

四、Al2O3-DBC的性能指標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn)

陶瓷基覆銅板（DBC）在耐熱性、散熱性、耐宇宙射線、綠色環(huán)保性以及高低溫循環(huán)老化試驗方面的優(yōu)異性能是傳統(tǒng)覆銅板無法比擬的。從文獻(xiàn)查閱看，國外目前還沒有一個統(tǒng)一完整的標(biāo)準(zhǔn)，甚至與各個企業(yè)的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)報道也十分稀少。我國目前制定的最完整最權(quán)威的標(biāo)準(zhǔn)是國營第704廠制訂，經(jīng)中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究所評審確認(rèn)的企業(yè)軍用標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)常規(guī)覆銅板的一些性能要求并參考借鑒銅箔（電解銅箔或壓延銅箔）、陶瓷基片（厚膜電路和薄膜電路用電子陶瓷基片）等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)以及陶瓷覆銅板的具體加工特點，規(guī)格尺寸等進(jìn)行制訂的。表4-6是陶瓷覆銅板主要性能及指標(biāo)一覽表。

五、其他氧化物DBC

由于各種氧化物陶瓷的化學(xué)性能、物質(zhì)結(jié)構(gòu)不盡相同。因此，高溫下生成共晶熔，繼而生產(chǎn)345 

的過程存在著一定的差異。選MgO,CaO,ZnO,2MgO.SiO2,BaTiO3,TiO2,SiO2,ZrO2,AIN,BN,SiC進(jìn)行與Cu-Al2O3一樣的鍵合，結(jié)果表明:TiO2,SiO2,ZrO2等陶瓷能與銅形成牢固的鍵合，剝離強(qiáng)度都在10N/mm以上;ZnO,2MgO.SiO2,BaTiO3陶瓷與銅也鍵合良好，但鍵合力要小一些，約在9N/mm；而MgO,CaO,AIN,BN,SiC則不能直接形成鍵合。

六、影響銅陶瓷鍵合的因素

（一）陶瓷的化學(xué)鍵性的影響

實驗結(jié)果表明，銅與大多數(shù)金屬氧化物陶瓷及其鹽類能形成良好的鍵合。一般來說，這些陶瓷都是離子鍵較強(qiáng)的化合物。Cu-Cu2O共晶熔體在高溫下對氮化鋁陶瓷的潤濕性較差，與氮化鋁陶瓷屬共價鍵化合物有著很大的關(guān)系。Al-N間很強(qiáng)的共價鍵以及共價鍵極強(qiáng)的方向性，使氮化鋁陶瓷具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，高溫下難以與金屬及其氧化物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。因而，可以推斷共價鍵性較強(qiáng)的陶瓷（如AIN,BN,SiC等陶瓷）不能與銅形成直接鍵合，必須有一層氧化物相作為過渡層。

金屬氧化物因其組成結(jié)構(gòu)以及元素的化學(xué)性能上的差別，可分為酸性氧化（如TiO2,ZrO2,MoO3,Sb2O3等）、堿性氧化物（如BaO,BeO,MgO,CaO,ZnO,Cu2O等）和兩性氧化物（如Al2O3）。對于共晶熔體中的Cu2O屬于堿性氧化物，因此，可以推斷共晶熔體對一些酸性及兩性氧化物陶瓷有著良好的化學(xué)親和性，而對一些堿性較強(qiáng)的氧化物（如MgO,CaO）濕潤性能力較差。實驗表明在鍵合工藝下銅層可與石英玻璃以及TiO2,ZrO2陶瓷牢固粘合在一起，鍵合后剝離強(qiáng)度都大于10N/m。而對于MgO,Cao陶瓷在鍵合溫度下保溫足夠長的時間仍不能與銅層形成鍵合。對于一些堿性較弱的金屬氧化物如ZnO陶瓷則可以與銅鍵合在一起,Cu-ZnO陶瓷鍵合強(qiáng)度的測試表明剝離強(qiáng)度在90N/cm左右，與Al2O3,TiO2,SiO2等陶瓷相比鍵合力要小一些。

盡管Cu-Cu2O共晶熔體對一些堿性較強(qiáng)的金屬氧化物陶瓷的潤濕性較差，但當(dāng)其中引入一些酸性氧化物形成偏于中性的鹽類時（如硅酸鎂、鈦酸鋇等）則潤濕性大為改觀。實驗也表明了銅與2MgO.SiO2,BaTiO3陶瓷能形成良好鍵合，但與銅-TiO2,SiO2陶瓷鍵合相比鍵合力稍小一些。

（三）Cu2O與氧化物陶瓷低共熔點的影響

盡管在銅>陶瓷鍵合的溫度下，Cu2O與大多數(shù)氧化物陶瓷還沒能形成低共熔相，但如果鍵合溫度與這一低溫度較接近時可以增強(qiáng)陶瓷表面的活性，更好地促進(jìn)Cu-Cu2O共晶熔體對陶瓷的濕潤。表4-4列出了Cu2O與其他氧化物陶瓷形成低共熔點的溫度。從表中可以看出Al2O3,ZrO2,SiO2和Cr2O3陶瓷與Cu2O形成低共熔相的溫度不是很高，銅_陶瓷鍵合的溫度（約1080℃左右）比較接近，有的甚至低于這一溫度（如SiO2）。因而在鍵合的工藝條件下Cu2O與陶瓷晶粒的界面之間已有很大的活性,Cu-Cu2O共晶熔體能很好地濕潤陶瓷，冷卻后形成牢固的鍵合。而Cu2O與MgO陶瓷之間由于形成低共熔點的溫度要高得多，因而在相對較低的溫度下不易形成鍵合。

（四）氧化物結(jié)構(gòu)的影響

鍵合時銅_陶瓷界面發(fā)生微觀結(jié)構(gòu)的變化或進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，不可缺少的因素就是在界面間發(fā)生原子遷移。當(dāng)Cu2O與Al2O3陶瓷發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時，其中的銅元素通過擴(kuò)散將滲透到Al2O3陶瓷晶格中，形成Cu-Al-O鍵（盡管這一反應(yīng)層很?。瑥亩纬衫喂痰幕瘜W(xué)鍵合。因此，銅能否與其他氧化物陶瓷形成鍵合，與鍵合時氧化物的結(jié)構(gòu)是否便于銅元素的擴(kuò)散將有一定的關(guān)系。

外來原子在晶體中的擴(kuò)散主要是通過置換和填隙這兩種方式進(jìn)行的。而置換方式要求兩個金屬離子的尺寸相近，離子半徑相差應(yīng)小于15%。對于Cu+離子的半徑為0.95x10-10m比一般的金屬離子半徑要大，不易形成置換式固溶。各種金屬的離子半徑見表4-7。

主要是以填隙方式進(jìn)入晶格的間隙中。形成填隙固溶體的能力與基質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)。在面心立方結(jié)構(gòu)的MgO中，能利用的填隙位置僅僅是4個氧離子包圍的四面體的位置。而在金紅石結(jié)構(gòu)的TiO2中通常有空著的八面體間隙；螢石結(jié)構(gòu)中（如ZrO2）有八重配位的較大間隙，在一些網(wǎng)狀硅酸鹽結(jié)構(gòu)中間隙位置更大。因此在鍵合條件下，銅較易于與TiO2,SiO2,ZrO2等氧化物陶瓷形成鍵合，而與MgO陶瓷鍵合比較困難。

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