CN102339758B - 低温键合制备铜-陶瓷基板方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种低温键合制备铜-陶瓷基板的方法。首先将铜合金片选择性腐蚀得到含多孔纳米结构的铜片，然后在一定的温度、压力和保护气氛作用下，将铜片热压键合到沉积有金属薄膜的陶瓷片上，得到单面或双面含铜层的铜-陶瓷基板，最后通过图形腐蚀工艺制备出含金属线路的金属化陶瓷基板。由于纳米尺度效应，可以在较低的温度和压力下实现铜-陶瓷间高强度键合，与现有DBC(直接键合铜-陶瓷基板)和DPC(直接镀铜陶瓷基板)工艺相比，本方法生产成本低，基板性能高，特别适合于批量制备金属化陶瓷基板。
Description
技术领域
本发明属于电子制造领域，特别涉及一种低温键合制备金属化陶瓷基板的方法。
背景技术
随着三维封装技术的发展和系统集成度提高，以大功率发光二极管(LED)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)、激光器(LD)为代表的功率型器件制造过程中，散热基板的选用成为关键的技术环节，并直接影响到器件的使用性能与可靠性。以大功率LED器件为例，由于输入功率的80％-90％转变成为热量(只有大约10％-20％转化为光能)，且LED芯片面积小，器件功率密度很大(大于100W/cm2)，因此散热成为大功率LED封装必须解决的关键问题。如果不能及时将芯片发热导出并消散，大量热量将聚集在LED内部，芯片结温将逐步升高，一方面使LED性能降低(如发光效率降低、波长红移等)，另一方面将在LED封装体内产生热应力，引发一系列可靠性问题(如寿命降低、色温变化等)。
对于电子封装而言，散热基板主要是利用其材料本身具有的高热导率，将热量从芯片导出，实现与外界的电互连与热交换。目前常用的散热基板主要包括MCPCB(金属核印刷电路板)、LTCC或HTCC(低温或高温共烧陶瓷基板)、DBC(直接键合铜-陶瓷基板)和DPC(直接镀铜-陶瓷基板)等。但对于功率型电子器件封装而言，基板除具备基本的布线(电互连)功能外，还要求具有较高的导热、绝缘、耐热、耐压能力与热匹配性能。因此，常用的MCPCB基板难以满足功率型器件的封装散热要求；而对于LTCC和HTCC基板而言，由于内部金属线路层采用丝网印刷工艺制成，易产生线路粗糙、对位不精准、收缩比例问题，使用受到很大限制。以DBC和DPC为代表的金属化陶瓷基板在导热、绝缘、耐压与耐热等方面性能优良，已成为功率型器件封装的首选材料，并逐渐得到市场认可。
现有DBC基板制备工艺流程如图1所示。DBC基板由陶瓷片(Al2O3或AlN)和导电层(厚度大于0.1mm铜层)在高温下共晶烧结而成，最后根据布线要求，以刻蚀方式形成互连线路。由于铜层具有良好的导电、导热能力，而氧化铝能有效控制Cu-Al2O3-Cu复合体的膨胀，使DBC基板具有近似氧化铝的热膨胀系数(CTE)，因此，DBC具有导热性好、绝缘性强、可靠性高等优点。其不足之处主要体现在三个方面：1)DBC制备利用了高温下(1065℃)Cu与Al2O3间的共晶反应，对设备和工艺控制要求较高，生产成本高；2)由于Al2O3与Cu层间容易产生微气孔，降低了产品合格率与抗热冲击性；3)由于键合界面存在氧化铜(CuO)，界面热阻较大。
现有DPC基板制备工艺流程如图2所示。对于DPC制备而言，主要利用真空镀膜方式在陶瓷片上溅射铜作为种子层，接着以光刻、显影、刻蚀工艺完成线路制作，最后再以电镀/化学镀方式增加线路厚度，待光刻胶去除后完成基板制作。由于DPC工艺温度仅需300-400℃左右，完全避免了DBC、LTCC制作过程中高温对材料破坏或尺寸变形的影响，具有工艺温度低、成本低、线路精细等优点，非常适合对准精度要求较高的大功率LED封装要求。特别是采用激光打孔技术后，可实现大功率LED的垂直封装，降低器件体积，提高封装集成度。但DPC基板也存在一些不足：1)电镀沉积铜层厚度有限，沉积速度慢，且电镀废液污染大；2)金属铜与陶瓷间的结合强度较低，产品应用时可靠性较低。
由于尺度效应，纳米材料的熔点会随着颗粒尺寸的减小而降低。有鉴于此，并针对DBC和DPC制备工艺的不足，本发明提出将现有DBC基板制备过程中的铜片替换成多孔纳米铜结构，可大大降低键合过程中的温度和压力，从而制备出新型的铜-陶瓷散热基板。
发明内容
本发明的目的在于克服现有DBC(直接键合铜-陶瓷基板)和DPC(直接镀铜-陶瓷基板)制备技术的不足，提供一种低温键合制备铜-陶瓷基板的方法。
本发明提供的一种低温键合制备铜-陶瓷基板方法，首先将铜合金片选择性腐蚀得到含多孔纳米结构的铜片，然后在保护气氛作用下，将铜片热压键合到沉积有金属薄膜的陶瓷片上，得到单面或双面含铜层的金属化陶瓷基板，热压键合温度为200-400℃，压力为1.0-20.0MPa，最后通过图形腐蚀工艺制备出含金属线路的铜-陶瓷基板。
本发明方法通过将一定厚度的铜合金片选择性腐蚀得到含多孔纳米结构的铜片，然后在一定的温度、压力和保护气氛作用下，将多孔纳米铜片热压键合到陶瓷片上，得到单面或双面含铜层的金属化陶瓷基板，最后通过图形腐蚀工艺制备出含金属线路的铜-陶瓷基板。由于纳米尺度效应，可以在较低的温度和压力下实现铜-陶瓷间高强度键合，与现有DBC和DPC基板工艺相比，本方法生产成本低，基板性能高，特别适合于批量制备金属化陶瓷基板。
附图说明
图1为现有DBC(直接键合铜-陶瓷)基板制备工艺流程图。其中11为铜片，12为陶瓷片，13为键合压力，14为加热板，15为金属线路。
图2为现有DPC(直接镀铜-陶瓷)基板制备工艺流程图。其中21为陶瓷片，22为金属钛/铜膜，23为光刻胶，24为铜层，25为金属线路。
图3为本发明低温键合制备铜-陶瓷基板工艺流程图。其中31为铜合金片，32为陶瓷片，33为多孔纳米铜片，34为金属钛/铜膜，35为键合压力，36为加热板，37为乙酸气体，38为金属线路。
图4为本发明实施例1铜-氧化铝陶瓷基板制备工艺流程图。
图5为实施例1中铜合金片选择性腐蚀后得到的多孔纳米铜结构。
图6为本发明实施例2铜-氮化铝-铜陶瓷基板制备工艺流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
如图3所示，本发明方法首先将铜合金片在溶液中选择性腐蚀得到含多孔纳米结构的铜片，然后在一定的温度、压力和保护气氛作用下，将铜片热压键合到沉积有金属薄膜的陶瓷片上，得到单面或双面含铜层的铜-陶瓷基板，最后通过图形腐蚀工艺制备出含金属线路的金属化陶瓷基板。
所述铜合金片厚度为0.1-3.0mm，优选值为0.5-1.5mm。所述铜合金片组成为铜锰合金、铜锌合金、铜铝合金、铜镁合金、铜锆合金或铜镍镁合金。所述铜合金片中铜的质量百分比为10％-50％，优选值为20-40％。所述腐蚀溶液为NaOH溶液、HCl溶液、H2SO4溶液或HNO3溶液。所述多孔纳米结构的孔洞尺寸为1nm-100nm，优选值为5nm-30nm。所述热压键合温度为200-400℃，压力为1.0-20.0MPa。所述热压键合保护气氛为在键合腔内通入乙酸气体和/或氮气。所述金属薄膜为溅射方式沉积的金属钛和铜薄膜。所述陶瓷片为氧化铝、氮化铝、氧化铍、碳化硅。
下面借助实施例更加详细地说明本发明，但以下实施例仅是说明性的，本发明的保护范围并不受这些实施例的限制。
实施例1
如图4所示，本实施例的处理步骤为：
1.将厚度为1.0mm的铜锰合金片(Cu30％Mn70％)在丙酮中超声清洗10分钟，吹干后置于温度为90±5℃，浓度为10％的盐酸溶液中浸泡，直至无气体产生为止，得到孔洞尺寸为30nm左右的纳米多孔铜片，取出后用去离子水漂洗后用氮气吹干，储存在氮气柜中备用；其中，铜合金片选择性腐蚀后得到的多孔纳米铜结构如图5(a)和(b)所示。
2.采用丙酮超声清洗96％氧化铝陶瓷片，然后通过溅射工艺在氧化铝表面沉积Ti膜(30nm)和Cu膜(50nm)；
3.将纳米多孔铜片放在镀膜后的氧化铝片表面，然后一起置于键合机中键合腔内的加热板上，关闭腔门；开启真空泵和加热电源，抽真空到10-2Pa，当热板温度升高到200℃以上时，开启气体阀门，通入乙酸和氮气(乙酸气体体积浓度为1％，气体总流量为500ml/分钟)，并施加8MPa压力；继续将热板温度升高到350℃并保温30分钟后冷却，当热板温度低于100℃时关闭气体阀门，卸载压力；
4.将铜-氧化铝键合片(铜层厚度为0.2mm)从键合腔内取出，采用抗蚀剂作为掩膜，图形化腐蚀铜层得到铜-氧化铝基板。
实施例2：
如图6所示，本实施例的处理步骤为：
1.采用丙酮超声清洗厚度为0.6mm的铜锌合金片(Cu20％Zn80％)，时间为10分钟，吹干后置于温度为60±5℃，浓度为20％的硝酸溶液中浸泡，直至无气体产生为止，得到孔洞尺寸为20nm左右的纳米多孔铜片，取出后用去离子水漂洗后用氮气吹干，储存在氮气柜或真空中备用；
2.采用丙酮超声清洗氮化铝陶瓷片，然后通过溅射工艺在氮化铝上下表面沉积Ti薄膜(20nm)和Cu薄膜(50nm)；
3.将纳米多孔铜片放在镀膜后的氮化铝片上下表面，然后一起置于键合机中键合腔内的加热板上，关闭腔门；开启真空泵和加热电源，抽真空到10-2Pa，当热板温度升高到200℃以上时，开启气体阀门，通入乙酸和氮气(乙酸气体体积浓度为3％，气体总流量为300ml/分钟)，并施加5MPa压力；继续将热板温度升高到400℃并保温30分钟后冷却，当热板温度低于100℃时关闭气体阀门，卸载压力；
4.将铜-氮化铝-铜键合片(铜层厚度为0.1mm)从键合腔内取出，采用抗蚀剂作为掩膜，对单面铜层进行图形化腐蚀后得到铜-氮化铝-铜基板。实施例3～6：
实施例3、4、5、6的工艺参数如下表一。采用表一中的工艺参数，按照上述实施例的步骤进行实施，就可以实现本发明的技术方案，并达到本发明的技术效果。
以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应仅局限于该实施例和附图所公开的内容。凡是不脱离本发明所公开之精神下完成的等效方法或修改，都落入本发明保护的范围。
表一
| 工艺参数 | 实施例3 | 实施例4 | 实施例5 | 实施例6 |
| 铜合金组成 | Cu10％Zr90％ | Cu30％Ni20％Mg50％ | Cu40％Al60％ | Cu50％Mg40％ |
| 铜合金片厚度 | 0.1mm | 2.0mm | 0.5mm | 3.0mm |
| 腐蚀液及浓度 | 10％NaOH | 5％HCl | 10％H2SO4 | 8％HNO3 |
| 空洞尺寸 | 1.0nm | 20nm | 50nm | 100nm |
| 键合温度 | 200℃ | 300℃ | 350℃ | 400℃ |
| 键合压力 | 1.0MPa | 5.0MPa | 8.0MPa | 20.0MPa |
| 保护气体 | 1％乙酸+氮气 | 3％乙酸+氮气 | 3％乙酸 | 氮气 |
| 陶瓷片 | 96％氧化铝 | 氧化铍 | 碳化硅 | 99％氧化铝 |
Claims (6)
1.一种低温键合制备铜-陶瓷基板方法，首先将铜合金片选择性腐蚀得到含多孔纳米结构的铜片，然后在保护气氛作用下，将铜片热压键合到沉积有金属薄膜的陶瓷片上，得到单面或双面含铜层的金属化陶瓷基板，热压键合温度为200-400℃，压力为1.0-20.0MPa，最后通过图形腐蚀工艺制备出含金属线路的铜-陶瓷基板；
所述多孔纳米结构的孔洞尺寸为1nm-100nm；
所述铜合金片厚度为0.1-3.0mm；
所述铜合金片中铜的质量百分比为10%-50%；
所述保护气氛为在键合腔内通入乙酸气体和/或氮气；
所述金属薄膜为溅射方式沉积的金属钛和铜薄膜。
2.如权利要求1所述的一种低温键合制备铜-陶瓷基板方法，其特征在于，所述铜合金片为铜锰合金、铜锌合金、铜铝合金、铜镁合金、铜锆合金或铜镍镁合金。
3.如权利要求1或2所述的一种低温键合制备铜-陶瓷基板方法，其特征在于，选择性腐蚀所使用的溶液为NaOH溶液、HCl溶液、H2SO4溶液或HNO3溶液。
4.如权利要求1或2所述的一种低温键合制备铜-陶瓷基板方法，其特征在于，所述陶瓷片为氧化铝、氮化铝、氧化铍或碳化硅。
5.如权利要求1或2所述的一种低温键合制备铜-陶瓷基板方法，其特征在于，所述多孔纳米结构的孔洞尺寸为5nm-30nm。
6.如权利要求1或2所述的一种低温键合制备铜-陶瓷基板方法，其特征在于，所述铜合金片厚度为0.5-1.5mm。
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Denomination of invention: Preparation of copper ceramic substrate by low temperature bonding Effective date of registration: 20220317 Granted publication date: 20130522 Pledgee: Bank of China Limited Wuhan provincial branch Pledgor: WUHAN LIZHIDA TECHNOLOGY CO.,LTD. Registration number: Y2022420000066 |
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