一、简介

随着电子技术的发展，芯片集成度不断提高，电路布线宽度细密化，单位面积上功率耗散越来越大，必然造成发热量的增加，容易引起器件的失效。DBC陶瓷基板由于具有良好的导热性能和导电性能成为重要的电子封装材料，尤其是在功率模块（IGBT）和集成电力电子模块中。目前功率半导体器件所用的陶瓷基板多为DBC陶瓷基板。目前可选用的陶瓷基片材料有氧化铝（Al₂O₃）、氮化铝（AlN）、氧化锆增韧氧化铝（ZTA）。其广泛应用于工业控制、新能源、消费电子以及轨道交通等领域。

图1.DBC陶瓷基板在功率模块中应用的结构示意图

DBC陶瓷基板是使用热熔式粘合法合成，主要是通过敷接前或过程中在铜箔与陶瓷之间引入适量的氧元素，接着在1065～1083℃铜与氧形成Cu-O共晶液。DBC技术利用该共晶液一方面与陶瓷基板发生化学反应生成CuAlO₂或CuAl₂O₄相，另一方面浸润铜箔实现陶瓷基板与铜箔的结合。

图2 .陶瓷基板直接覆铜工艺(Al2O3-DBC)

二、XRD在DBC陶瓷基板表面检测中的应用

使用XRD来检测DBC陶瓷基板表面是否生成CuAlO₂或CuAl₂O₄相，是为了确认DBC工艺的成功与否，并评估其键合质量和使用寿命。XRD检测DBC具体可分为以下三方面：

1、确认CuAlO₂生成：CuAlO₂（铜铝石，Delafossite结构）这是DBC工艺期望生成的、最关键的反应物相。CuAlO₂的形成意味着铜箔和陶瓷之间形成了牢固的化学键合，这是DBC高结合强度的根本来源。

2、检测CuAl₂O₄等杂相：CuAl₂O₄（铜铝尖晶石）通常是在氧气供应不足或冷却过程控制不当的条件下生成的副产物，检测CuAl₂O₄等杂相可评估工艺质量，识别工艺参数（如氧分压、冷却速率）是否失控。

3、进行失效分析：分析界面在老化后的相变情况。探究DBC产品失效（如开裂、脱层）的根源，优化工艺。

三、应用案例

本文使用FRINGE EVS桌面式X射线衍射仪测试DBC陶瓷基板，定性分析显示材料中含有CuAlO₂和CuAl₂O₄物相，这一结果充分证明了DBC工艺是成功的。

（1）样品展示

DBC陶瓷基板属于标准的块状样品，配置Z轴样品台，调节样品高度进行零位校准后即可直接进行测试。

图3. DBC陶瓷基板

（2）分析条件

表1. 测试参数

（3）结果与结论

图4. DBC陶瓷基板衍射图谱及定性半定量分析结果

表2. 定性半定量结果

（4）分析结果

物相分析结果表明该样品含有三个物相，即偏铝酸铜（CuAlO₂）、铝酸铜（CuAl₂O₄）和刚玉（Al₂O₃）。其中主要物相为Al₂O₃，说明DBC陶瓷基板的基材为Al₂O₃。少量相CuAlO₂和CuAl₂O₄说明铜箔和Al₂O₃主要通过化学反应生成CuAlO₂和CuAl₂O₄等化合物来增强结合力，通过在高温下形成的结合层，确保Cu和Al₂O₃之间的热传导和机械结合性。铜箔和Al₂O₃陶瓷之间形成了牢固的化学键合，这是DBC高结合强度的根本来源。

四、结论

本文使用FRINGE EVS桌面式X射线衍射仪表征DBC陶瓷基板块材，物相分析结果显示其主要相为Al₂O₃，还含有CuAlO₂和CuAl₂O₄，这一结果反应了Cu与Al₂O₃陶瓷之间形成了牢固的化学键合，说明DBC工艺的成功。XRD的应用能够为产品研发及质量管控提供充分的数据支持，这对于研究和开发性能优良的DBC产品非常重要。