一種陶瓷基板及其制備方法和一種功率模塊的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于功率模塊技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種陶瓷基板及其制備方法和一種功率 模塊。
【背景技術(shù)】
[0002] 在高新技術(shù)飛速發(fā)展的今天，電子器件的高性能、高可靠性、高密度要求所用的基 板材料必須具有良好的機(jī)械性能、電性能、散熱性能和焊接性能。功率模塊中使用的關(guān)鍵部 件是DBC (Direct Bonded Copper)基板，其為一種金屬/陶瓷結(jié)合基板，其主要特征為高 絕緣耐壓、載流能力強(qiáng)、熱導(dǎo)率高。目前，常用于DBC基板的陶瓷主要有AIN、A1 203、BeO,其 性能及厚度如下表1所示。 表1
[0003] 由上表1可知，采用A1N制作陶瓷基板，其強(qiáng)度較低（20(T300MPa)，在當(dāng)前IGBT功 率模塊中使用時(shí)其厚度需達(dá)到〇. 635_。另外，氮化鋁基板的生產(chǎn)條件苛刻、成本高，價(jià)格昂 貴，僅有日本丸和、京瓷等少數(shù)幾家企業(yè)能生產(chǎn)。而采用A120 3制作陶瓷基板，其厚度最薄可 達(dá)到0. 38_，大大降低了基板尺寸。但其在大功率器件使用中，整體熱阻仍然很大，熱量難 以充分導(dǎo)出，溫升大。采用BeO材料作為電子封裝材料時(shí)，雖然綜合性能較好，但強(qiáng)毒性限 制了其應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明解決了現(xiàn)有技術(shù)中用于DBC基板常見(jiàn)的陶瓷存在的成本高、熱阻大且具有 強(qiáng)毒性導(dǎo)致其應(yīng)用受到大大限制的技術(shù)問(wèn)題，并提供了一種新型的陶瓷基板。
[0005] 具體地，本發(fā)明的技術(shù)方案為： 一種陶瓷基板，所述陶瓷基板由內(nèi)至外依次包括具有一體結(jié)構(gòu)的芯層、過(guò)渡層以及表 層；所述過(guò)渡層包括對(duì)稱(chēng)分布于芯層兩側(cè)的上過(guò)渡層和下過(guò)渡層，所述表層包括對(duì)稱(chēng)分布 于上過(guò)渡層、下過(guò)渡層兩側(cè)的上表層、下表層；所述表層的材質(zhì)為氧化鋁，所述過(guò)渡層和芯 層的材質(zhì)均為氧化鋯增韌氧化鋁，且芯層中的氧化鋯含量高于過(guò)渡層中的氧化鋯含量。 [0006] 所述陶瓷基板的制備方法，包括以下步驟：流延成型分別制備芯層生坯、上過(guò)渡層 生坯、下過(guò)渡層生坯、上表層生坯和下表層生坯；按上表層-上過(guò)渡層-芯層-下過(guò)渡層-下 表層的順序?qū)⒏魃饕来委B放，等靜壓后排膠燒結(jié)，得到所述陶瓷基板。
[0007] -種功率模塊，所述功率模塊中含有DBC基板；所述DBC基板包括陶瓷基板和位于 陶瓷基板表面的金屬層；其中，所述陶瓷基板為本發(fā)明提供的陶瓷基板。
[0008] 本發(fā)明提供的陶瓷基板，其表層為氧化鋁陶瓷，芯層和過(guò)渡層均為氧化鋯增韌氧 化鋁陶瓷，且芯層中的氧化鋯含量高于過(guò)渡層中的氧化鋯含量，因此其一方面同時(shí)利用氧 化鋁陶瓷的高熱導(dǎo)率、氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷的高強(qiáng)度和高韌性，另一方面該陶瓷基板從 表層往芯層其氧化鋯含量逐漸增加、對(duì)應(yīng)燒結(jié)收縮率逐漸增大，從而使得基板材料的致密 度更高，保證本發(fā)明提供的陶瓷基板具有更高的強(qiáng)度和韌性，且無(wú)毒，能在功率模塊中得到 廣泛應(yīng)用。
【附圖說(shuō)明】
[0009] 圖1是本發(fā)明實(shí)施例2制備得到的陶瓷基板的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0010] 圖2是本發(fā)明實(shí)施例2制備得到的陶瓷基板S1過(guò)渡層與芯層接觸處放大倍率為 2000 的 SEM 圖。
[0011] 圖3是本發(fā)明實(shí)施例4制備得到的陶瓷基板的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0012] 圖中，101--芯層，201--上表層，202--下表層，301--上過(guò)渡層，302-- 下過(guò)渡層，3011--上過(guò)渡層I，3012--上過(guò)渡層II，3021--下過(guò)渡層I，3022--下過(guò) 渡層II ;1〇--氧化鋯，20--氧化鋁，30--氣孔。
【具體實(shí)施方式】
[0013] 為了使本發(fā)明所解決的技術(shù)問(wèn)題、技術(shù)方案及有益效果更加清楚明白，以下結(jié)合 附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0014] 如圖1所示，本發(fā)明提供了一種陶瓷基板，所述陶瓷基板由內(nèi)至外依次包括具有 一體結(jié)構(gòu)的芯層101、過(guò)渡層以及表層；所述過(guò)渡層包括對(duì)稱(chēng)分布于芯層101兩側(cè)的上過(guò)渡 層301和下過(guò)渡層302,所述表層包括對(duì)稱(chēng)分布于上過(guò)渡層301、下過(guò)渡層302兩側(cè)的上表 層201、下表層202 ;所述表層的材質(zhì)為氧化鋁，所述過(guò)渡層和芯層101的材質(zhì)均為氧化鋯增 韌氧化鋁，且芯層101中的氧化鋯含量高于過(guò)渡層中的氧化鋯含量。
[0015] 如前所述，所述表層對(duì)稱(chēng)分布于上過(guò)渡層301、下過(guò)渡層302兩側(cè)。具體地，如圖 1所示，上表層201分布于上過(guò)渡層301的上表面，下表層202分布于下過(guò)渡層302的下表 面。
[0016] 本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，陶瓷材料的彎曲強(qiáng)度越高，陶瓷片的厚度可以做得越薄。因 此，本發(fā)明提供的陶瓷基板，其表層(包括上表層201和下表層202)為氧化鋁陶瓷，而芯層 101和過(guò)渡層(包括上過(guò)渡層301和下過(guò)渡層302)均為氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷，且芯層101 中的氧化鋯含量高于過(guò)渡層中的氧化鋯含量，因此其一方面同時(shí)利用氧化鋁陶瓷的高熱導(dǎo) 率、氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷的高強(qiáng)度和高韌性，另一方面該陶瓷基板從表層往芯層其氧化 鋯含量逐漸增加、對(duì)應(yīng)燒結(jié)收縮率逐漸增大，從而使得基板材料的致密度更高，保證本發(fā)明 提供的陶瓷基板具有更高的強(qiáng)度和韌性，使得本發(fā)明的陶瓷基板的厚度可以更小，從而可 在功率模塊中得到廣泛應(yīng)用。
[0017] 如前所述，所述芯層101的材質(zhì)為氧化鋯增韌氧化鋁。優(yōu)選情況下，所述芯層101 的化學(xué)組成為：〇 < Zr02 彡 40wt%，60 彡 A1203 < 100wt%。
[0018] 作為本發(fā)明的一種優(yōu)選實(shí)施方式，所述芯層101的化學(xué)組成為10 < Zr02彡20wt%， 80彡A1203 < 90wt%。此時(shí)，所述上過(guò)渡層301、下過(guò)渡層302的化學(xué)組成相同，均為：0 < Zr02 < 10wt%，90 < A1203 < lOOwt%。從而使得該陶瓷基板具有從外至內(nèi)氧化鋯含量表 層0、過(guò)渡層〇-l〇wt%、芯層10-20wt%的梯度，隨著氧化鋯含量的增加，氧化鋯增韌氧化鋁陶 瓷材料的燒結(jié)收縮率增大，于是該陶瓷基板從表面到芯部逐層的燒結(jié)收縮率逐漸增大，使 得基板整體從內(nèi)及外受到壓應(yīng)力的作用，有利于基板材料的致密化，基板整體的強(qiáng)度和韌 性都比傳統(tǒng)的氧化鋁基板高。
[0019] 作為本發(fā)明的另一種優(yōu)選實(shí)施方式，所述芯層101的化學(xué)組成為20 < Zr02彡40wt%，60彡A1203 < 80wt%。此時(shí)，所述上過(guò)渡層301、下過(guò)渡層302的化學(xué)組成 相同，均為：1〇 < Zr02彡20wt%，80彡A1203 < 90wt%。從而使得該陶瓷基板具有從外至內(nèi) 氧化鋯含量表層〇、過(guò)渡層10_20wt%、芯層20-40wt%的梯度，隨著氧化鋯含量的增加，氧化 鋯增韌氧化鋁陶瓷材料的燒結(jié)收縮率增大，于是該陶瓷基板從表面到芯部逐層的燒結(jié)收縮 率逐漸增大，使得基板整體從內(nèi)及外受到壓應(yīng)力的作用，有利于基板材料的致密化，基板整 體的強(qiáng)度和韌性都比傳統(tǒng)的氧化鋁基板高。
[0020] 如前所述，本發(fā)明提供的陶瓷基板，所述表層、過(guò)渡層和芯層101為一體結(jié)構(gòu)，不 具有間隙，構(gòu)成一個(gè)完整的陶瓷基板整體。本發(fā)明中，對(duì)于表層、過(guò)渡層和芯層101的厚度 沒(méi)有特殊要求。優(yōu)選情況下，所述芯層101、上表層201、下表層202、上過(guò)渡層301、下過(guò)渡 層302的厚度相同。
[0021] 本發(fā)明的發(fā)明人通過(guò)進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，所述過(guò)渡層也可設(shè)置為多層，且該多層為 由外至內(nèi)氧化鋯含量逐漸遞增層，能進(jìn)一步提高陶瓷基板的致密性。以下以過(guò)渡層具有四 層（即上過(guò)渡層、下過(guò)渡層各具有兩層）為例來(lái)進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明提高的陶瓷基板的結(jié)構(gòu)。
[0022] 具體地，如圖3所示，所述上過(guò)渡層301包括上過(guò)渡層13011和上過(guò)渡層113012，