迄今為止，直接鍵合銅（DBC）基板已成為電力電子產品的標準。它們以低成本提供出色的導電性和導熱性，DBC技術的弱點是不可避免的翹曲和熱循環下相對較低的可靠性。低可靠性構成了重大障礙，特別是對于具有高壽命要求的汽車應用。具有低翹曲和出色可靠性的厚印刷銅（TPC）陶瓷基板克服了這些弱點，但也以更高的成本降低了導電性。我們所展示了兩種厚膜/DBC混合技術，它們結合了DBC和TPC的最佳特性；出色的導電性、低成本、減少的翹曲和出色的可靠性。

當電路受到惡劣環境條件的影響時，例如腐蝕性化學品、高溫和低溫、高濕度、機械應力和強烈的溫度變化，電路總是使用厚膜技術。由于高可靠性和對不利條件的耐受性以及出色的熱和電性能，厚膜電路在廣泛的工業應用中得到了廣泛的應用，包括了油箱傳感器、太陽能電池、汽車前燈和發動機控制器。

對于電力電子和LED基板，在厚印刷銅（TPC）里可以證明與當前的標準技術直接鍵合銅DBC相比，TPC提供了更高的可靠性、更少的翹曲和卓越的設計自由度。同時，DBC的熱阻和電阻降低了30%，并且在標準的應用中具有成本優勢，在本文中，我們主要介紹了兩種用于電力電子陶瓷基板的厚膜/DBC混合技術，將TPC和DBC的優點結合在一個基板中。

我們將第一個混合基板技術稱為“粘貼增強定向鍵合銅”（PE-DBC），PEDBC陶瓷基板由氧化鋁上的標準DBC和厚膜糊劑增強銅邊緣組成。通過在銅結構周圍分配并在500℃以上的溫度下燒制來施加絕緣厚膜漿料，在燒制過程中，厚膜漿料燒結并與氧化鋁基材以及銅層形成牢固的結合。這加強了銅結構關鍵邊緣處的銅和陶瓷之間的界面，增強顯著提高了DBC陶瓷基板的可靠性，而不會顯著增加成本。與標準DBC基板相比，我們通過熱沖擊測試PE-DBC基板證明了改進。

第二種技術“粘貼粘合銅”（PBC），實現了比PE-DBC更高的可靠性以及顯著減少翹曲的額外好處。PBC基板是通過在TPC基板上燒結銅箔制成的，對于PBC，我們展示了出色的可靠性，出色的粘合質量和加熱時的低翹曲變化。

一、膏體增強直接鍵合銅（PE-DBC）

PE-DBC基板由氧化鋁陶瓷基板上的標準DBC組成，具有增強的邊緣結構以提高可靠性。

1、制造工藝

PE-DBC生產流程從標準dbc流程開始，在由以下三個步驟組成的厚膜工藝中連續增強蝕刻的dbc：

> 例如通過點膠在銅結構周圍的氧化鋁上涂敷絕緣厚膜膏（見圖1）；

> 在?120°C的空氣中干燥糊狀物10分鐘；

> 在高于 500 °C 的溫度下在氮氣中燒制基材；

氮氣燒制可防止銅層氧化。使用的絕緣膏是無鉛的。

                     【在銅結構周圍分配漿料。重要的是要避免焊膏和銅之間的任何間隙。漿料可以以某種方式印刷，使其完全包圍銅結構或僅包圍最關鍵的部分。】 

2、可靠性

我們將PE-DBC部件與具有相同銅圖案的標準dbc進行了比較，銅厚度為300 μm，氧化鋁厚度為630 μm。熱沖擊試驗的試驗程序如圖2所示，陶瓷基板在-40℃下保持15分鐘，在15秒內轉移到+150℃是并在此在保持15分鐘，然后在15秒內轉移回-40℃。對于標準dbc，我們觀察到銅層邊緣在100次熱沖擊循環后開始出現貝殼狀斷裂。使用在96%氧化鋁上沒有凹坑的標準dbc在2000次循環之前，PE-DBC基材在表面聲學顯微鏡 (SAM) 中未顯示任何分層。

【熱沖擊測試的溫度曲線。-40 °C 室和 +150 °C 之間的傳輸時間為 15 秒。】

圖 3描繪了在 2000 次熱沖擊循環后具有漿料增強的 Cu 結構和未增強的 Cu 結構的基板的光學圖像和 SAM 測量值。即使經過 2000 次循環，增強部分實際上也沒有變化。

                  【在 2000 次熱沖擊循環后，具有漿料增強銅結構（左側紅色矩形內）和未增強銅結構（右側藍色矩形內）的 DBC 基板的光學圖像（左）和 SAM 測量（右） . 未增強部分下方的貝殼狀斷裂清晰可見，而增強部分實際上不受熱循環的影響。】

二、粘貼銅（PBC）

焊接銅PBC基板是TPC基板，在厚膜層的頂部燒結有銅箔。

1、制造工藝

PBC基板的加工從標準TPC工藝開始（圖4中的前三個方框）：

> 銅漿絲網印刷在陶瓷的兩面，可以包括可以用作邏輯電路的精細結構；

> 糊狀物在空氣中在120℃下干燥10分鐘；

> 基材在500℃以上的氮氣中燒制

         【PBC流程流程圖。前三個方框描述了標準的 TPC 流程。以下三個方框是在厚膜層頂部燒結銅箔和最終蝕刻。】

在TPC部分完成后，將銅箔燒結在TPC基板上（圖4中的最后三個框）：

> 銅箔疊在TPC基板的頂部和底部，邏輯電路部分留空；

> 在溫度高于800℃的氮氣爐中燒制煙囪；

> 與標準dbc一樣，將所需結構蝕刻到Gu層中；

2、綁定接口

我們通過SEM分析了陶瓷與銅漿之間以及銅漿與銅箔之間的界面圖5，由于材料的致密燒結，無法識別漿料和箔之間的界面。陶瓷和銅之間的界面是無空隙的。這對于基板的可靠性和局部放電特性非常重要。在銅層內可以看到一些小的空隙，可以忽略不計，對放電性能沒有影響。

        【PBC 基板的橫截面。亮層是銅，氧化鋁下面的亮暗層。在右側顯示界面的詳細圖像。無法檢測到銅和陶瓷之間的空隙。】

3、可靠性

總銅厚度約為 350 μm 和氧化鋁厚度為 630 μm 的2″×2″ PBC 基板經受與相同的熱沖擊循環。圖6左側描繪了2000 次熱沖擊循環后基板的光學圖像。最初和 600 和 2000 次循環后，襯底的特征是SAM。最初可以看出，銅箔的邊緣沒有完美地結合到厚膜層上。這是由于當時沒有優化處理。600和2000 次熱沖擊循環后的SAM圖像表明，沒有發生額外的分層。

                      【2000 次熱沖擊循環后的光學圖像、初始 SAM、600 次后的 SAM 和 2000 次熱沖擊循環后的 SAM（從左到右）。即使經過 2000 次熱沖擊循環，也不會發生額外的分層。】

4、附著力

PBC 技術的附著力在 4×4 mm 2 Cu箔上進行測試。使用剪切測試儀，測量鑿子剝離銅的最大力（圖7頂部）。與 DBC 相比，PBC 的最大作用力如圖 7所示。DBC 80% 以上的剪切力是由 PBC 實現的。

                       【剪切試驗示意圖（上）和剪切力結果（下）。剪切測試儀在鑿子剪斷銅箔時測量最大力。PBC 的剪切力超過 DBC 值的 80%。這對于所有實際目的來說綽綽有余。】

圖8顯示了連續 TPC 層頂部剪切掉的銅箔的光學圖像。失效模式部分在陶瓷內部，這表明銅/陶瓷和膏/箔界面都不是PBC的薄弱環節。

                   【剪下的銅箔的光學圖像。圖像顯示，故障至少部分發生在陶瓷內部，表明銅膏和陶瓷之間以及銅膏和銅箔之間的良好結合。】

5、翹曲

通過莫爾陰影分析分析兩面Cu厚度為~300μm、氧化鋁厚度為630μm的2″×2″基板的翹曲。莫爾陰影分析可以測量不同基板溫度下的翹曲。需要低初始翹曲和低翹曲變化以避免焊料或燒結接頭與基板和管芯的過度應力。

TPC、DBC和PBC陶瓷基板的翹曲是在室溫、50°C、100°C、150°C和200°C下測量的。測量的翹曲顯示在圖9中。正如[]之前已經發表的那樣，TPC的翹曲低于 DBC。PBC 基板在 DBC和TPC之間存在翹曲變化。

                   【DBC、TPC 和 PBC 基板在室溫和 200 °C 之間的翹曲。TPC 的翹曲變化最小，DBC 最高，PBC 居中。】

6、比較

對PE-DBC和PBC的關鍵特性進行了總結和比較。這兩種技術均基于經過驗證且適合大規模生產的工藝和無鉛材料。PBC具有低翹曲的額外優勢，并且能夠在一個基板上組合邏輯和電源電路而無需額外的工藝。與 TPC相比，新技術PE-DBC和PBC具有更高的導熱性和導電性（與DBC相同）以及在高銅厚度下成本更低的優點。