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

圖 直接覆銅法工藝流程

一、DBC陶瓷基板銅箔預氧化的難點

直接覆銅法要實現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(大約幾個微米)的氧化層。

圖 銅箔預氧化流程圖

這種方法雖然能夠實現銅箔和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，影響敷接強度；

其次，高溫氧化銅箔很難實現單面氧化，在銅箔的另一側的非結合面也會形成不同程度的氧化層，影響銅箔的導電性能，降低其表面的鍍鎳性能以及芯片焊接強度，需要進一步的還原處理，從而增加了工序的復雜性；

同時，銅箔經過一次高溫處理晶粒會長大，使后期芯片的焊接性能進一步下降。

二、銅箔預氧化層的影響因素

直接敷銅技術中銅箔預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物的物相，同時氧化膜的厚度也需要控制。國內學者研究了預氧化溫度、氧分壓對銅箔氧化層物相和厚度影響。

1、預氧化溫度

下圖為相同條件下（氧分壓為500×10-6，時間1h），銅箔在不同溫度（400900℃）條件下預氧化處理后銅箔表面氧化物的拉曼光譜圖。400800℃預氧化處理，拉曼光譜對應Cu2O，900℃進行預氧化處理，拉曼光譜對應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，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，當預氧化溫度上升到600℃以上時，由于最初生成的氧化層阻礙氧化進程，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反應機制轉變為離子擴散機制。

圖 預氧化溫度與氧化膜厚度關系曲線

2、氧分壓

下圖為在相同條件下（溫度為600℃，時間為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行預氧化處理，100×10-6700×10-6范圍內，銅箔預氧化得到的表面氧化膜為Cu2O，提高氧分壓至800×10-6時，銅箔樣品表面出現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線性規律的增加。

圖 氧分壓與氧化膜厚度的關系曲線

隨著氧分壓增高銅箔表面的氧化速度加快，氧化膜持續增厚，銅箔表面出現的Cu2O薄膜與基體Cu之間由于熱膨脹系數差異所產生的應力來不及釋放，導致銅箔表面的氧化膜開始出現鼓泡和疏松，并導致部分氧化亞銅薄膜脫落。據文獻資料，通常界面反應層的厚度控制在2~6μm范圍內，能夠得到導熱性和界面結合性良好的基板。

圖 不同氧分壓預氧化后銅箔表面氧化膜的形貌

DBC陶瓷基板在實際應用中有諸多優勢，但在制備過程中要嚴格控制共晶溫度及氧含量，對設備和工藝控制要求較高。

審核編輯：湯梓紅