Способ металлизации керамики под пайку
METALLIZATION METHOD OF CERAMICS FOR SOLDERING

Изобретение относится к области получения металлических покрытий на керамических изделиях и может найти применение в электронной, электротехнической и радиотехнической промышленности при производстве металлизированных подложек силовых модулей, теплоотводящих элементов мощных транзисторов и светодиодов.
Основным элементом конструкции электронного силового модуля является металлизированная керамическая подложка, на которой расположены силовые полупроводниковые кристаллы, при этом она выполняет две основные функции: во-первых, осуществляет электрическую изоляцию токоведущих шин топологического рисунка, расположенных на одной стороне, друг от друга, а также от токоведущих шин на другой стороне; во-вторых, передает тепло, выделяемое активными элементами электронного силового модуля, на теплоотводы и радиаторы.
Для получения топологического рисунка электронного силового модуля керамические подложки металлизируют, для чего осаждают проводящие слои меди толщиной более 300 мкм, из которых формируют многослойную металлизацию.
Известна металлизированная керамическая подложка для электронных силовых модулей, состоящая из керамической пластины, выполненной из оксида или нитрида алюминия, установленных на ней с двух сторон, пластин медной фольги с адгезионными слоями. Пластины медной фольги имеют равную толщину около 300 мкм. При этом на одной стороне пластина медной фольги имеет топологический рисунок, а на другой стороне подложки пластина медной фольги выполнена сплошной, она отводит избыточное тепло с помощью прижима или пайки к радиатору (см. статью Юрген Шульц-Хардер. Медно-керамические подложки - основа современной силовой электроники. Новые возможности технологии DBC, перспективы и проблемы создания нового поколения изделий силовой электроники. Компоненты и технологии, 2005, №3). Известная керамическая подложка для электронных силовых модулей металлизирована методом DBC (Direct Bonded Copper - прямое медное соединение). Сущность метода DBC состоит в том, что керамику соединяют с медной фольгой, покрытой слоем закиси меди, при температуре 1064°С. Одним из недостатков метода DBC является то, что процесс требует очень точного температурного режима, поскольку проводится при температуре, близкой к температуре плавления меди, равной 1084°С, для чего требуется печь со стабильным во времени и очень равномерным полем температур в рабочей зоне. Также изделия из керамики, металлизированной по данному способу, нельзя паять высокотемпературными припоями в среде водорода из-за восстановления закиси меди до меди, что приводит к нарушению соединения при термоциклировании. Кроме того, при монтаже силовых полупроводниковых приборов (ППП), их необходимо припаивать к подложке, используя многоступенчатую пайку, а также приваривать или припаивать проволочные или балочные выводы ППП к металлизированным площадкам на медной пластине. Эти процессы требуют неоднократного локального нагрева до высоких температур, превышающих 500°С. При этом разрушается переходный слой, что приводит к исчезновению контакта между медной пластиной и керамикой, а также к прекращению тепловой передачи между ними. Что, следовательно, вызывает нежелательный перегрев элементов электрической схемы, и последующий выход силового модуля из строя.
Известен способ металлизации керамики, включающий нанесение на керамическую пластину адгезионного слоя, а именно слоя молибден-марганцевого состава, и слоя порошкообразной меди, с последующим одновременным их вжиганием при температуре 800-1100°С (А.с. СССР №564293, МКИ С04В 41/14, заявл. 27.12.71, опубл. 05.07.77). С помощью вжигания обеспечивается расплавление меди и проникновение ее между зернами молибден - марганцевого состава. Медь, образуя с марганцем активный расплав, взаимодействует с керамикой. На поверхности подложки образуется покрытие, прочно сцепленное с керамикой, позволяющее осуществлять пайку различными припоями. Данный способ существенно упрощает процесс металлизации, сокращает трудоемкость изготовления металлизированной керамики, однако он не позволяет получать толстый (более 300 мкм) слой медной металлизации с высокой электропроводностью, необходимый для крепления силовых ППП. Толщина адгезионного слоя ограничена толщиной слоя наносимой пасты (до 30-40 мкм) методом трафаретной печати и большой пористостью пасты. Недостатком данного способа является то, что топологический рисунок металлизации можно формировать только методом трафаретной печати. Получение топологического рисунка на такой металлизации методом фотолитографии связано с существенными трудностями подбора растворов для селективного травления слоев, обеспечивающего высокое сопротивление изоляции между электрически изолированными элементами топологического рисунка. Кроме того, требуется разработка химически стойкого фоторезиста для процесса травления такой металлизации.
Наиболее близким техническим решением является способ металлизации керамики под пайку (Патент РФ №2219145, МПК С04В 41/88, заявл. 31.07.2002, опубл.20.12.2003), который заключается в нанесении двух слоев покрытия методом газодинамического напыления, путем нагрева сжатого воздуха, подачи предварительно нагретого сжатого воздуха в сверхзвуковое сопло, подачи в это сопло порошкового материала, его ускорения в сопле и нанесения на поверхность керамики. При этом первый слой формируют толщиной 5 - 200 мкм и используют для этого порошковый материал, содержащий не менее 20% по массе порошка керамики, остальное - смесь порошков металлов или сплавов, в которой не менее 30% от массы этой смеси составляет порошок алюминия. Второй слой формируют по той же технологической схеме, используя при этом другой порошковый материал, который содержит компоненты, обеспечивающие пайку второго слоя покрытия. Недостатками данного способа является низкая адгезия первого слоя с поверхностью керамики, низкое удельное электросопротивление, что неприемлемо для силовой электроники, так как в силовых модулях используются большой электрический ток и высокое электрическое напряжение. В этом случае возникает проблема отслаивания первого медного слоя от керамической подложки из-за повышенного тепловыделения и термического напряжения, вызванного различием термического расширения между медью и керамикой при переключении тока и напряжения или изменении параметров окружающей среды.
Термическое напряжение, обусловленное разницей в тепловом расширении меди и керамики, зависит не только от коэффициента теплового расширения этих материалов, но также и от величины удельного электросопротивления. При напылении первого слоя используется не менее 20% по массе порошка керамики, что значительно снижает электропроводность и повышает выделение тепла в первом слое, что приводит к термическим напряжениям и последующему отслоению покрытия от керамики.
Поэтому для уменьшения электрического сопротивления и термического напряжения необходимо использовать металл, обладающий электрическими свойствами на уровне меди.
Также металлизация, полученная известным способом, не позволяет использовать многоступенчатую пайку при монтаже силовых ППП, проволочных и балочных выводов, а также сварку их двухслойной металлизации из-за наличия в ней большого количества керамических порошков. Эти процессы требуют неоднократного локального нагрева до высоких температур, превышающих 500°С. При этом отслаивается и разрушается двухслойная металлизация.
Задачей предлагаемого изобретения является получение покрытия с низким коэффициентом температурного расширения, высокой адгезионной прочностью, высокой электропроводностью, малым тепловым сопротивлением многослойной структуры.
Техническим результатом предложенного способа является получение толстого слоя (более 300 мкм) медной металлизации с высокой электропроводностью, необходимого для крепления силовых ППП.
Технический результат, предлагаемого изобретения, достигается тем, что металлизацию керамики под пайку осуществляют методом холодного газодинамического напыления, включающем предварительный нагрев сжатого воздуха, подачу его в сверхзвуковое сопло, введение в это сопло порошкового материала или смеси порошковых материалов, их ускорение в сопле и нанесение на поверхность керамики с формированием нескольких слоев покрытия. Согласно изобретению в качестве материала первого слоя используют смесь порошков меди и алюминия с массовым содержанием меди в смеси 10-20%, затем проводят окислительный отжиг на воздухе при температуре 800-1100°С в течение 3 часов, после нанесения второго слоя из порошка меди толщиной 300-700 мкм проводят термообработку в вакууме при температуре 950-1050°С в течение 5 часов.
Предложенным способом получают металлизированную медью керамику под пайку, обеспечивающую многоступенчатую высокотемпературную пайку, формирование топологического рисунка металлизации, как в процессе напыления, так и в процессе фотолитографии.
Возможность использования изобретения в промышленности подтверждается нижеприведенными примерами.
Пример №1
На очищенные поверхности керамической пластины, закрепленной в специальной державке, наносят первый слой на установке холодного газодинамического напыления (ХГН) - в сформированный высокоскоростной подогретый воздушный поток с помощью дозатора вводят смесь порошков меди и алюминия с массовым содержанием меди в смеси 16,5% со средним размером частиц 40 мкм, обеспечивая нужную плотность расхода частиц. Введенные в поток частицы образуют газопорошковую смесь, которая ускоряется в сверхзвуковом сопле, направляется на керамическую пластину и формирует первый слой. Формирование покрытий из смеси медного и алюминиевых порошков осуществлялось по типичной схеме ХГН с плоским соплом Лаваля с критическим сечением 3.05×3.05 мм и выходным сечением 9.5×3.05 мм. Известная схема установки газодинамического холодного напыления (ХГН) заявлена в патенте RU №1674585, МПК C23C 26/00. Устройство для нанесения покрытий напылением / Алхимов А.П., Косарев В.Ф., Папырин А.Н. // БИ. 1993. №18. С. 195. Расход порошка из дозатора устанавливался в 0,1 г/с. Дистанция напыления равнялась 30 мм, скорость сканирования сопла относительно подложки варьировалась от 5 до 50 мм/с. Напыление проводилось на экспериментальном стенде ХГН ИТПМ СО РАН. Форкамерно-сопловой узел с нагревателем газа крепился на шестиосевом роботе KUKAKR16-2 (KUKA Robotics, Германия), что позволяло с точностью до 10 мкм перемещать сопло относительно подложки. Шаг сканирования для подложек устанавливался в 3 и 8 мм. Равномерные покрытия из механической смеси частиц алюминия и меди на керамической поверхности образовывались при температуре струи 250°С и давлении 1,5 МПа. За счет воздействия давления и высокой температуры происходило усиление металлической связи, как между частицами меди и алюминия, так и между этой порошкообразной смесью и керамической пластиной.
2
4
2
3
2
4
Затем после нанесения первого слоя проводили окислительный отжиг керамических пластин на воздухе при температуре 800-1100°С в течение 3 часов, при которой на поверхности керамической подложки формировался слой шпинели. При напылении навески, состоящей из Cu (1 г) и Al (5 г), образовывалось покрытие, окислительный отжиг которых приводил к наличию на керамической поверхности только двух фаз состава CuAlO (шпинель) и AlO. Данное соединение (шпинель CuAlO) способствовало увеличению адгезии между первым слоем и керамической подложкой.
Далее поверх первого слоя из медно-алюмооксидной шпинели проводилось так же, как напылялся и первый слой, напыление второго слоя из порошка меди ПМС-1 со средним размером частиц 40 мкм толщиной 300-700 мкм. Режимы нанесения медного покрытия из порошка меди варьировались в следующих пределах: температура торможения 400-600°С, давление торможения 1,2-1,5 МПа. После чего проводят термообработку в вакууме при температуре 950-1050°С для уплотнения медного слоя и повышения адгезии между первым и вторым слоями. Полученное двухслойное покрытие шлифуют для обеспечения плоскостности, после этого на лицевую сторону полученной металлизированной подложки наносят фоторезист и проводят операцию фотолитографии, в результате чего получают топологический рисунок. К полученным контактным площадкам припаивают кристалл мощного ППП при температуре около 500°С. Затем осуществляют приварку выводов ППП и его пайку к металлическому основанию.
Пример №2
В специальной державке устанавливают очищенную керамическую пластину, поверх которой помещают маску - трафарет с топологическим рисунком, после чего на установке холодного газодинамического напыления и в тех же режимах наносят первый и второй слои по технологии, описанной в примере №1.
2
Таким образом, в качестве адгезионного первого слоя приемлемым является шпинельное покрытие, образованное после нанесения методом ХГН смеси порошков меди и алюминия. Измерения адгезии медных пленок к керамической поверхности показали, что она находится в диапазоне 30-40 МПа (3-4 кгс/мм), что является достаточным для выполнения последующей многоступенчатой пайки при монтаже силовых ППП, проволочных и балочных выводов, а также сварки их к двухслойной металлизации для получения металлизированных керамических подложек.
Источники информации
1. Юрген Шульц-Хардер. Медно-керамические подложки - основа современной силовой электроники. Новые возможности технологии DBC, перспективы и проблемы создания нового поколения изделий силовой электроники. Компоненты и технологии, 2005, №3;
2. А.с. СССР №564293, МКИ C04B 41/14, заявл. 27.12.71, опубл. 05.07.77;
3. Патент РФ №2219145, МПК C04B 41/88, заявл. 31.07.2002, опубл. 20.12.2003 -прототип;
4. Патент RU №1674585. МПК C23C 26/00. Устройство для нанесения покрытий напылением / Алхимов А.П., Косарев В.Ф., Папырин А.Н. // БИ. 1993. №18. С. 195.