陶瓷基覆銅板是根據(jù)電力電子模塊電路的要求進行了不同的功能設計，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，應用范圍最廣，應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)生化學反應，形成CuAlO2：

冷卻后通過Cu-Al-O化學鍵，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反應鍵合相比要小一些。從拉脫試驗中可以看出，當銅層拉離了瓷體，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，具有較高的導熱性。熱導率為: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制作主要以化學鍵合為主，所以鍵合強度十分高，拉脫強度大于50N/mm2，剝離強度大于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制作工藝設備進行精細線路的加工制作。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 導電層100~600/μm，可根據(jù)電路模塊設計任意的大電流。

11 導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），可進行高頻電路的設計和組裝。

13 可進行高密度組裝，實現(xiàn)短、小、輕、薄化。

14 不含有機組分，耐宇宙射線，在航天航空方面可靠性高，使用壽命長。

15 導體銅具有極好的可塑性，可進行大面積模塊組裝。

四、Al2O3-DBC的性能指標及標準

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。從文獻查閱看，國外目前還沒有一個統(tǒng)一完整的標準，甚至與各個企業(yè)的生產(chǎn)標準相關報道也十分稀少。我國目前制定的最完整最權(quán)威的標準是國營第704廠制訂，經(jīng)中國電子技術標準化研究所評審確認的企業(yè)軍用標準。該標準是根據(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）等相關標準以及陶瓷覆銅板的具體加工特點，規(guī)格尺寸等進行制訂的。表4-6是陶瓷覆銅板主要性能及指標一覽表。

五、其他氧化物DBC

由于各種氧化物陶瓷的化學性能、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系。Al-N間很強的共價鍵以及共價鍵極強的方向性，使氮化鋁陶瓷具有良好的化學穩(wěn)定性，高溫下難以與金屬及其氧化物發(fā)生化學反應。因而，可以推斷共價鍵性較強的陶瓷（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親和性，而對一些堿性較強的氧化物（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陶瓷鍵合強度的測試表明剝離強度在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的金屬氧化物陶瓷的潤濕性較差，但當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陶瓷表面的活性，更好地促進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)的變化或進行化學反應，不可缺少的因素就是在界面間發(fā)生原子遷移。當Cu2O與Al2O3陶瓷發(fā)生化學反應時，其中的銅元素通過擴散將滲透到Al2O3陶瓷晶格中，形成Cu-Al-O鍵（盡管這一反應層很薄），從而形成牢固的化學鍵合。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散將有一定的關系。

外來原子在晶體中的擴散主要是通過置換和填隙這兩種方式進行的。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。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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