CN101764121B - 层间绝缘叠层复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种层间绝缘叠层复合材料及制备方法，该材料在超薄氮化铝陶瓷基板(1)的两表面分别有薄膜金属粘结过渡层(2)，在过渡层(2)上有采用热压工艺覆盖的铜层(3)；所述薄膜金属粘结过渡层为Ti/Ni双膜层，其中与基板(1)直接接触的底层是厚度为100nm～200nm的Ti层(4)，上层是厚度为300nm～600nm的确Ni层(5)。产品具有层间绝缘和更高的导热性能等优点，可简化封装结构、提高封装体散热能力，并有利于器件小型化，使用方便，无须特殊处理可以直接使用；本发明材料主要可用作功率器件以及混合电路的基板和热沉，在电子、高速列车、混合电力汽车、大功率LED等领域具有广泛应用。
Description
技术领域
本发明涉及电子封装材料及其制备方法。
背景技术
随着信息化技术的发展，以激光、红外、微光和微电子技术为基础的光电子技术以及混合电路的应用越来越广泛，涉及机械、交通、电子、新能源、医疗和军事等各个领域。例如，作为光电基础器件的半导体激光器，由于其发光区非常小，随着注入电流的增加，热量开始在半导体激活区很小的范围内积累起来，温度迅速升高，导致阈值电流增加，量子效率下降，限制了激光输出功率的提高，甚至出现热损伤和端面损伤而使激光器失效。研究表明，半导体激光器的寿命与有源区的温度有很大的关系，在30℃下工作比在70℃下工作寿命长20倍，温度升高会导致激光波长漂移和功率下降。而器件的轻量化、微型化促使其集成度和功率密度越来越高，器件散热问题越来越突出，这有赖于封装材料和技术的匹配发展。半导体激光器的封装通常采用多层结构，首先将半导体激光芯片键合在金属热沉上，然后将金属热沉焊接在绝缘陶瓷基片上，陶瓷片封接在金属管壳上或用绝缘胶将热沉片与管壳直接粘结在一起，其中绝缘胶和陶瓷片的作用是确保管芯和管壳间绝缘，而管壳采用热电方法或微通道冷却技术快速致冷散热。目前国内外功率器件和混合电路所用基板和热沉材料主要有纯金属材料(Cu、Mo等)、陶瓷材料(Al2O3、BeO、AlN等)和金属基复合材料等，其中金属基复合材料近年来得到了快速发展，主要包括钨(钼)铜复合材料、铝基SiC复合材料、“三明治”结构复合材料(CMC、CIC)等。
将高导热、低膨胀和绝缘等多种功能集成在一起构成层间绝缘多层复合封装材料，可以简化封装结构和工艺，提高器件的稳定性和寿命，推动器件封装技术的进步。这种多层复合材料的导热性能比多片焊接件和绝缘胶粘结件要好，有利于器件和电路功率的提高，器件小型化，而且表面无需金属化，封装结构不要再进行绝缘处理。相应结构或功能的材料有CIC和CMC、DBC氮化铝以及双面薄膜金属化AlN陶瓷等。CIC(Cu/Invar/Cu)是美国某仪器公司在Invar合金板上双面覆纯铜而制成复合板，目前产品比较成熟，已应用在固态继电器功率模块和F15战斗机的电子设备上，国内有佛山某精密电工合金有限公司等企业生产；CMC(Cu/Mo/Cu)是美国A-MAX公司首先研制开发，并申请了Composite sheet made of molybdenum and dispersion-strengthenedcopper(US patent 4988392)、Composite copper-molybdenum sheet(US patent4950554)、Composite sheet made of molybdenum anddispersion-strengthened copper(US patent 4957823)等三项专利，已应用在B2隐形轰炸机和其它先进飞行器的电子元件中，国内有长沙某微电子材料有限公司等企业生产。上述“三明治”结构复合材料通常是采用热轧复合方法生产的。
目前制备CAC复合材料的方法主要有两种，一种是DBC技术，一种是钎焊技术。DBC(Direct Bond Copper)是一种在陶瓷表面直接覆铜的工艺，也称直接键合铜，它是在Cu/AlN界面引入氧，利用铜氧共晶液直接将铜敷接在陶瓷上，其基本原理就是敷接过程前或过程中在铜与陶瓷之间引入适量的氧，在1065℃～1083℃范围内，铜与铝、氧形成Cu-Al-O共晶液，利用该共晶液一方面与陶瓷化学反应生成另一种相(CuAlO2或CuAl2O4)，另一方面浸润铜箔实现与陶瓷基板的结合。相关专利有A method of bonding copper and a substratefor power electronics and made of a non-oxide ceramic(US5473137)、SUBSTRATE，CONSIST ING OF COPPER AND CERAMI C LAYERS，FOR PRINTED CIRCUITBOARDS OF ELECTRICAL CIRCUITS(US5087505)、OPTIMIZED DIRECT BONDINGCOPPER PATTERN AND TERMINAL STRUCTURE(KR2003-0082134A)、Method offorming a bond between copper and a non-oxide ceramic substrate forpower-electronics(EP0577484A1)、DIRECT BONDING OF COPPER TO ALUMINUMNITRIDE SUBSTRATES(WO9211113A1)。上述专利主要阐述了DBC的工艺方法以及DBC陶瓷板的应用。DBC SUBSTRATE AND ITS MANUFACTURE(JP2000150719A)专利提出了在陶瓷表面预先沉积一层Cu膜再覆Cu板，以消除界面孔洞局部放电问题。但在DBC工艺中，要使Cu、Al、O三者形成共晶，须严格控制三者成份和温度，这对设备和工艺提出了很高的要求，其复合的稳定性难以得到保证。钎焊是用钎焊料将铜箔与氮化铝陶瓷焊在一起，钎焊料一般采用厚膜印刷技术来铺设，该方法需要AlN专用浆料，与氧化铝浆料不同，这种专用浆料的制备比较困难的，而且厚膜厚度一般达到0.1mm左右，不利于超薄叠层复合材料的制备。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的不足，提出一种层间绝缘叠层复合材料及其制备方法，它是将陶瓷的绝缘和低膨胀功能与金属铜的高导热功能集成而构成的多层复合材料及生产方法，产品具有层间绝缘和更高的导热性能等优点，可简化封装结构、提高封装体散热能力，并有利于器件小型化，使用方便，无须特殊处理可以直接使用。
本发明的技术方案之一是，所述层间绝缘叠层复合材料包括氮化铝陶瓷(AlN)基板，其结构特点是，在氮化铝陶瓷基板的两表面分别有沉积而成的薄膜金属粘结过渡层，在两薄膜金属粘结过渡层上有采用热压工艺覆盖的铜层，所述氮化铝陶瓷基板为厚度不大于0.3mm的超薄氮化铝陶瓷板；所述薄膜金属粘结过渡层为Ti/Ni双膜层，其中与氮化铝陶瓷基板直接接触的底层是厚度为100nm～200nm的Ti(钛)层，上层是厚度为300nm～600nm的确Ni(镍)层。
本发明的技术方案之二是，所述层间绝缘叠层复合材料的制备方法为：
(1)采用真空蒸发或溅射沉积方法，在氮化铝陶瓷基板的两表面生成薄膜金属粘结过渡层，该薄膜金属粘结过渡层为Ti/Ni双膜层，与氮化铝陶瓷基板直接接触的底层是厚度为100nm～200nm的Ti层，上层是厚度为300nm～600nm的Ni层；
(2)采用热压工艺在薄膜金属粘结过渡层上覆铜层，热压工艺在真空热压炉内进行，炉内温度900℃～1060℃、压力1.0～10MPa，维持该温度和压力20分钟～60分钟。
以下对本发明做出进一步说明。
本发明将低膨胀、高导热的氮化铝陶瓷(AlN)绝缘材料双面覆铜后构成“三明治夹心”CAC结构，是一种多层复合材料；它与已有CMC、CIC结构相同，但本发明由于采用了绝缘的AlN陶瓷片代替导电的Mo、Invor合金，因而可以实现层间绝缘，用作电子封装可以简化封装结构，同时由于AlN的热导率比Mo和Invor合金高，因而本发明CAC的Z向(厚度方向)的热导率比CMC、CIC要高；与双面薄膜金属化的AlN相比，本发明CAC表面可以直接封接芯片，并能承受大电流，同时双面覆Cu后对AlN陶瓷片可以起到保护作用，防止陶瓷片在贮存和加工、使用过程中碎裂；与氮化铝表面氧化共晶直接覆铜(特指DBC)相比，本发明CAC材料生产工艺控制容易，覆铜层粘结牢固度和稳定性更高，厚度可以控制在0.4mm以内。
本发明采用薄膜金属粘结过渡层技术显著增强层间结合牢固度。AlN与Cu不浸润，因此要在AlN表面覆Cu须采用特殊工艺，本发明在氧化共晶(DBC)和钎焊工艺之外，开发了一种新工艺，即在AlN/Cu的界面引入薄膜金属粘结过渡层，在复合过程中，它们分别与AlN和Cu产生界面反应，从而实现Cu/AlN/Cu各层之间的牢固粘结，保证复合材料的可靠性。与DBC和钎焊工艺比较，其突出特点是工艺简便易控制，特别是可以实现材料的超薄化。薄膜金属粘结过渡层一般采用真空镀膜方式制备，主要包括蒸发或溅射沉积方法，过渡层材料体系主要为Ti/Ni双层膜，与AlN直接接触的底层为Ti，厚度可以为100nm～200nm，它与AlN具有良好的浸润性，并有可能与AlN形成化合结合；上层为Ni，厚度可以为300nm～600nm，它与Cu、Ti等均保持良好的浸润和固溶性。这种过渡层设置有利于将AlN陶瓷与无氧铜牢固粘结在一起。
本发明材料采用热压工艺制备，它不同于CMC、CIC的热轧工艺和DBC的“无压烧结”工艺，突破了陶瓷在高压下易裂的难题，可大大提高层间结合强度和材料使用可靠性。热压工艺在真空热压炉内实现，加热温度900℃～1060℃，温度太低，铜与氮化铝不容易复合，温度太高，铜会熔化，表面难以保持平整，并且粘结效果反而不好；加压压力1.0～10MPa，太大容易将AlN陶瓷压裂，压力太小复合效果不好，保温保压20min～60min。
本发明材料用于电子封装表现有以下主要优点：
(1)封装时芯片和管壳间无须使用绝缘胶或焊接其它陶瓷片进行绝缘处理，样品绝缘性能很好，简化了封装结构和工艺；
(2)本发明材料比从日本进口的双面薄膜金属化的AlN具有更好的散热效果；
(3)材料表面焊接性能很好，表面可以直接焊接芯片；
(4)材料表面可以承受大电流，从而省略了使用薄膜金属化AlN时所必需的金属化层电镀增厚工艺过程；
(5)复合材料层间结合牢固，使用可靠性高；
(6)本发明材料厚度可以小于0.4mm、密度小于6.5g/cm3，可以满足功率器件、混合电路新型结构设计的需要，能够实现大功率器件和电路封装对材料薄型化、轻量化的要求。
由以上可知，本发明为一种一种层间绝缘叠层复合材料及其制备方法，它是将陶瓷的绝缘和低膨胀功能与金属铜的高导热功能集成而构成的多层复合材料及生产方法，产品具有层间绝缘和更高的导热性能等优点，可简化封装结构、提高封装体散热能力，并有利于器件小型化，使用方便，无须特殊处理可以直接使用；本发明材料主要可用作功率器件以及混合电路的基板和热沉，在电子、高速列车、混合电力汽车、大功率LED等领域具有广泛应用。
附图说明
图1是本发明的层间绝缘叠层复合材料一种实施例的截面结构示意图；
图2是CAC载体上器件出光光波长和热功率之间的关系曲线；
图3是进口AlN载体上器件出光光波长和热功率之间的关系曲线。
在图中：
1-氮化铝陶瓷基板， 2-薄膜金属粘结过渡层，
3-铜层， 4-Ti层，
5-Ni层。
具体实施方式
工艺路线为：AlN陶瓷-双面沉积薄膜金属焊料-热压双面覆铜-研磨至所要求厚度。
工艺设备：真空镀膜机、热压炉。
实施例1：0.368mm厚的层间绝缘叠层复合材料及制备工艺：
在0.192mm厚的AlN陶瓷双面采用磁控溅射沉积Ti/Ni双层薄膜，Ti层厚度为150nm，Ni层厚度为400nm；其后，采用热压工艺(温度1050℃，压力2Mpa，维持该温度与压力的时间30-40分钟)对其双面覆铜得到层间绝缘叠层复合材料，研磨、抛光后，总厚度0.368mm，采用拉伸法测试其层间结合强度大于3.0kg/mm2，而采用DBC技术覆铜AlN的结合强度小于1.5kg/mm2。测试其它主要性能为：
(1)复合热沉平面热导率：307.7W/m·k
(2)复合热沉Z向热导率：193.0W/m·k
(3)复合热沉热膨胀系数：7.40×10-6K-1
(4)层间电阻率：2.6×1012Ω·cm
(5)层间耐击穿性能：在上下面加直流电压300V，持续时间60s，未击穿，漏电流小于0.3mA。
实施例2：0.386mm厚的CAC型层间绝缘复合热沉及其制备方法：
在AlN陶瓷双表面采用电子束蒸发沉积Ti/Ni双层薄膜，Ti层厚度为200nm，Ni层厚度为500nm，然后采用热压工艺(温度1060℃，压力5Mpa，维持该温度与压力的时间30-40分钟)在AlN陶瓷双面覆铜得到层间绝缘叠层复合材料，经切割、抛光，制作成大功率激光器热沉片，总厚度0.386mm，其中AlN层厚0.190mm，外形尺寸10mm×3.1mm，测试其主要性能为：
(1)复合热沉平面热导率：311.3W/m·k
(2)复合热沉Z向热导率：283.8W/m·k
(3)复合热沉热膨胀系数：7.20×10-6K-1
(4)层间电阻率：3.3×1012Ω·cm
(5)层间击穿电压：＞500V
将CAC样品与双面薄膜金属化AlN载体进行了对比试验，测试了两种载体在不同周期下的光波长和热功率之间的关系曲线，比较了两种载体的热阻。具体情况如下：
封装工艺：采用PbSn焊料将GaAs芯片焊接在载体上，载体焊接在Cu外壳上，载体尺寸：10mm×3.1mm。焊接前，从日本进口的双面薄膜金属化AlN载体表面须采用电镀方法增厚金属化层，而CAC样品无须作其它处理；
测试条件：载体和Cu外壳温度控制为25℃；
测试参数和原理：热功率＝(I×V-Pop)×占空比，其中电流I设定为40A-80A、脉冲宽度设定为200μs、脉冲周期设置为100ms~8ms共六个点、占空比＝脉冲宽度/脉冲周期，通过测试电压V、光功率Pop和光波长λ等参数，分析计算光波长和热功率之间的关系可以得到其曲线斜率M(nm/W)，而GaAs的波长-温度漂移系数f为0.26nm/℃，则封装体热阻为R＝M/f(℃/W)；
测试结果：两种载体封装热阻测试结果如表1，两种载体上器件出光光波长和热功率之间的关系曲线分别如图2和图3。从图2和图3可见，用CAC样品作载体的器件出光光波长随热功率的变化成线性关系，且变化较平稳，说明芯片结温随周期变化不大，工作中光波长保持相对稳定；而用双面薄膜金属化的AlN作载体的器件，其光波长随热功率呈线性关系，但变化较陡(曲线斜率较大)。计算表明，CAC载体封装热阻平均比双面薄膜金属化的AlN载体封装热阻低14.5％。
表1载体封装热阻测试结果
Claims (1)
1.一种层间绝缘叠层复合材料的制备方法，其特征是，该方法为：
(1)采用真空蒸发或溅射沉积方法，在氮化铝陶瓷基板的两表面生成薄膜金属粘结过渡层，该薄膜金属粘结过渡层为Ti/Ni双膜层，与氮化铝陶瓷基板直接接触的底层是厚度为100nm～200nm的Ti层，上层是厚度为300nm～600nm的Ni层；
(2)采用热压工艺在薄膜金属粘结过渡层上覆铜层，热压工艺在真空热压炉内进行，炉内温度900℃～1060℃、压力1.0～10MPa，维持该温度和压力20分钟～60分钟。
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