DBC直接覆銅技術(shù)中銅箔預(yù)氧化的影響因素

直接覆銅技術(shù)（DBC）是一種基于氧化鋁陶瓷基板金屬化的技術(shù)，最早出現(xiàn)于20世紀(jì)70年代。DBC技術(shù)是利用銅的含氧共晶液將銅直接與陶瓷進(jìn)行敷接的一項(xiàng)技術(shù)，其基本原理是先通過預(yù)氧化的方法在銅箔中引入氧，在1065~1083℃范圍內(nèi)，銅與氧會形成Cu-O共晶液。該共晶液一方面與氧化鋁發(fā)生化學(xué)應(yīng)，生成中間相（CuAlO2或CuAl2O4），另一方面浸潤銅箔，實(shí)現(xiàn)陶瓷基板與銅箔的良好結(jié)合。

圖 直接覆銅法工藝流程

一、DBC陶瓷基板銅箔預(yù)氧化的難點(diǎn)

直接覆銅法要實(shí)現(xiàn)銅箔和陶瓷基片的可靠敷接，必須在二者之間形成一層銅氧共晶液相，這就需要在銅箔和陶瓷基片之間引入氧。通常在DBC工藝中采用熱氧化的方法在銅中引入氧，生成一層很薄(大約幾個(gè)微米)的氧化層。

圖 銅箔預(yù)氧化流程圖

這種方法雖然能夠?qū)崿F(xiàn)銅箔和Al2O3(或AlN)陶瓷基片的敷接，但是：

采用這種方法對氧氣氣氛的控制難度很大，并且很難得到足夠的Cu2O，形成的氧化層往往是CuO和Cu2O的混合物，在DBC過程中，CuO在高溫下會分解為Cu2O，釋放出氧氣，形成微小氣孔，影響敷接強(qiáng)度；

其次，高溫氧化銅箔很難實(shí)現(xiàn)單面氧化，在銅箔的另一側(cè)的非結(jié)合面也會形成不同程度的氧化層，影響銅箔的導(dǎo)電性能，降低其表面的鍍鎳性能以及芯片焊接強(qiáng)度，需要進(jìn)一步的還原處理，從而增加了工序的復(fù)雜性；

同時(shí)，銅箔經(jīng)過一次高溫處理晶粒會長大，使后期芯片的焊接性能進(jìn)一步下降。

二、銅箔預(yù)氧化層的影響因素

直接敷銅技術(shù)中銅箔預(yù)氧化過程需要通過控制氧化氣氛中的氧含量來控制氧化產(chǎn)物的物相，同時(shí)氧化膜的厚度也需要控制。國內(nèi)學(xué)者研究了預(yù)氧化溫度、氧分壓對銅箔氧化層物相和厚度影響。

1、預(yù)氧化溫度

下圖為相同條件下（氧分壓為500×10-6，時(shí)間1h），銅箔在不同溫度（400900℃）條件下預(yù)氧化處理后銅箔表面氧化物的拉曼光譜圖。400800℃預(yù)氧化處理，拉曼光譜對應(yīng)Cu2O，900℃進(jìn)行預(yù)氧化處理，拉曼光譜對應(yīng)CuO。

圖 不同溫度氧化銅箔表面氧化膜拉曼光譜圖

如下圖所示，在400~600℃范圍內(nèi)，隨著溫度的上升，氧化膜厚度基本上是隨著溫度的升高而線性增加，當(dāng)預(yù)氧化溫度上升到600℃以上時(shí)，由于最初生成的氧化層阻礙氧化進(jìn)程，氧化膜的厚度增長速度開始減慢，氧化速率決定因素從化學(xué)反應(yīng)機(jī)制轉(zhuǎn)變?yōu)殡x子擴(kuò)散機(jī)制。

圖 預(yù)氧化溫度與氧化膜厚度關(guān)系曲線

2、氧分壓

下圖為在相同條件下（溫度為600℃，時(shí)間為1h），不同氧分壓（100×10-6800×10-6）氧化的銅箔表面氧化膜拉曼光譜圖。對銅箔在不同氧分壓下進(jìn)行預(yù)氧化處理，100×10-6700×10-6范圍內(nèi)，銅箔預(yù)氧化得到的表面氧化膜為Cu2O，提高氧分壓至800×10-6時(shí)，銅箔樣品表面出現(xiàn)CuO物相。

圖 不同氧分壓氧化的銅箔表面氧化膜拉曼光譜圖

下圖為銅箔表面氧化膜厚度隨著氧分壓變化曲線。氧化膜的厚度隨著氧分壓的增加呈現(xiàn)線性規(guī)律的增加。

圖 氧分壓與氧化膜厚度的關(guān)系曲線

隨著氧分壓增高銅箔表面的氧化速度加快，氧化膜持續(xù)增厚，銅箔表面出現(xiàn)的Cu2O薄膜與基體Cu之間由于熱膨脹系數(shù)差異所產(chǎn)生的應(yīng)力來不及釋放，導(dǎo)致銅箔表面的氧化膜開始出現(xiàn)鼓泡和疏松，并導(dǎo)致部分氧化亞銅薄膜脫落。據(jù)文獻(xiàn)資料，通常界面反應(yīng)層的厚度控制在2~6μm范圍內(nèi)，能夠得到導(dǎo)熱性和界面結(jié)合性良好的基板。

圖 不同氧分壓預(yù)氧化后銅箔表面氧化膜的形貌

DBC陶瓷基板在實(shí)際應(yīng)用中有諸多優(yōu)勢，但在制備過程中要嚴(yán)格控制共晶溫度及氧含量，對設(shè)備和工藝控制要求較高。

審核編輯：湯梓紅