CN102896832A - 一种功率模块金属化陶瓷基板及金属化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及陶瓷表面改性领域，为一种功率模块金属化陶瓷基板及其金属化的方法，首先采用磁控溅射或电弧离子镀在功率模块陶瓷基板表面沉积厚度为0.1-5微米铜或银；然后采用化学镀或电镀技术沉积厚度为50-1000微米的铜、银、铜合金或银合金；最后可采用磁控溅射或电弧离子镀技术沉积厚度为0.1-5微米的银、金、锡或镍，或者可采用化学镀或电镀的方法沉积厚度为2-5微米的锡或镍层。通过本方法获得的金属化陶瓷器件，具有载流能力大、导热及散热能力强、容易与其他金属或陶瓷及复合材料焊接、气密性好、质量可靠和稳定等特点，可用于真空器件、航天、航空、广播电视、通信、冶金、医药、高能物理等领域。

Description

一种功率模块金属化陶瓷基板及金属化方法

技术领域

本发明涉及陶瓷表面改性领域，具体地说是一种功率模块金属化陶瓷基板和采用磁控溅射和/或电弧离子镀技术以及化学镀和/或电镀技术在功率模块陶瓷基板上沉积厚度可达1毫米的复合金属涂层的功率模块陶瓷基板表面金属化方法，用以赋予陶瓷基板高导电（载流）、高导热以及良好焊接性能，实现改性目的。

背景技术

在高新技术飞速发展的今天，电子器件的高性能、高可靠性、高密度要求所用的基板材料必须具有良好的机械性能、电性能、散热性能和焊接性能。实现这一目标的途径是对陶瓷基板进行金属化，即在片式陶瓷基板上接合一层具有一定厚度的粘合力强、热匹配性能好、导电和导热性能好以及可焊接的金属。这种金属/陶瓷接合基扳的主要特点为高绝缘耐压、载流能力强、热导率高和焊接性好。目前可采用的陶瓷表面金属化的方法主要有：离子注入、等离子喷涂、真空电子蒸镀、直接覆铜、化学镀、金属粉末烧结等。

功率模块尤其是大功率、超大功率模块用基板的金属化对接合的金属层的粘合力、热匹配性能、导电性和导热性能提出了更高的要求。目前，应用于功率模块陶瓷（如A1₂0₃和AlN）金属化的方法主要是直接敷铜法和化学镀法。

直接覆铜法(Direct Bonded Copper method；DBC法)是基于Cu-CuO在共晶温度对于金属铜箔和A1₂0₃陶瓷基板都能很好地润湿这一技术特点发展起来的。DBC方法用于A1₂0₃陶瓷的最大优点是：金属铜箔与陶瓷粘附力高；铜箔良好的导热能力可以充分发挥陶瓷基板的散热熊力。同时，由于铜箔厚度最大可达几个毫米，使载流能力大大增强。但是，采用该方法获得的金属化A1₂0₃陶瓷在Cu-A1₂0₃界面不可避免存在过渡层，降低了其导热和散热性能；同时，该方法还存在工艺控制难、成品率不理想等问题。将该方法用于AlN陶瓷表面金属化时以上问题将变得更加突出。当对AlN基板金属化时，必须事先对AlN陶瓷表面进行氧化预处理，以使其表面形成A1₂0₃薄层，然后重复A1₂0₃陶瓷基板金属化的步骤。因此，Cu-AlN界面不仅依旧存在着过渡层导致的降低导热和散热性能问题，同时引入的A1₂0₃层将严重降低整个体系的导热和散热性能。另外，在氧化预处理时要严格控制温度、气氛和时间，否则将出现结合强度差或A1₂0₃薄层过厚等问题。

化学镀法是指利用还原剂溶液中的金属离子还原在呈催化活性的陶瓷基板表面，使之形成金属镀层。化学镀法金属化主要是机械联锁结合，结合强度很大程度上依赖于基体表面的粗糙度。在一定范围内，基体表面的粗糙度越大，结合强度越高。该方法的优点是设备简单、成本低廉、无需二次高温处理、易于大规模生产，但不足之处是结合强度较差、表面粗糙和可焊性不理想。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种新型的功率模块陶瓷基板表面金属化的方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种功率模块金属化陶瓷基板，包括：陶瓷基板和陶瓷基板上的复合金属涂层，复合金属涂层从陶瓷基板开始依次为第一金属层和位于外层的第二金属层；其中：第一金属层选自高导热、高导电金属材料铜或银，与陶瓷基板表面无过渡层为扩散结合，或扩散结合与化学键混合的结合方式结合，第一金属层为复合金属涂层与陶瓷基板提供了良好的结合；第二金属层，为具有大功率或超大功率载流能力以及高导热能力的金属材料铜、银、铜合金或银合金层，其与第一金属层之间为化学键结合。

第一金属层的厚度为0.1-5微米。

第二金属层的厚度为50-1000微米。

上述的功率模块金属化陶瓷基板中复合金属涂层还可包括第三金属层，第三金属层位于第一金属层外，材料选自抗氧化能力强和可焊接性高的金属材料银、金、锡或镍，厚度为0.1-5微米，第三金属层与第二金属层之间为化学键结合、扩散结合或扩散结合与化学键混合的结合方式。

上述三层金属层加起来的总厚度小于1毫米。

陶瓷基板为氧化物陶瓷材料、氮化物陶瓷材料或碳化物陶瓷材料，选自氮化铝、氧化铝、氮化硅、碳化硅以及氮化硼等。

本发明提供一种功率模块陶瓷基板表面金属化的方法，两层金属层金属化的方法包括如下的步骤：

（1）清洗：超声清洗陶瓷基板，超声清洗前可对其进行单面或双面抛光处理或表面化学粗化处理；

（2）采用磁控溅射或电弧离子镀在功率模块陶瓷基板表面沉积第一金属层；

（3）采用化学镀或电镀技术沉积第二金属层； 

第（1）步的工艺，超声清洗，单面或双面抛光处理或表面化学粗化处理均采用现有技术中常规的处理技术。

步骤（2）中采用磁控溅射或电弧离子镀沉积第一金属层的工艺为，靶材材料选用铜或银；单面金属化时，陶瓷基板正对靶材固定放置。双面金属化时，陶瓷基板正对靶材旋转；真空室抽真空至3×10^-4-8×10^-2Pa后，将真空室内的陶瓷基板加热至20-400℃，然后对其表面进行辉光清洗5-30分钟，辉光清洗时，真空室内氩气压强控制在0.2-5Pa，电源电压控制在-200～-800V；采用电弧离子镀时，还需要进行弧光清洗3-20分钟，弧光清洗时，真空室内氩气压强控制在0.2-3Pa，电源电压控制在-400～-1200V；沉积时，真空室内氩气压强控制在0.1-1Pa，沉积的金属铜或银的厚度为0.1-5微米。

步骤（3）中化学镀或电镀技术沉积第二金属层的工艺为现有技术中化学镀或电镀技术沉积金属化陶瓷所选用的常规技术，沉积的第二金属层厚度为50-1000微米，选自铜、银、铜合金或银合金。所沉积的铜或银层或者二者之一的合金层的厚度由化学镀或电镀的沉积速率和时间控制。当需要对陶瓷基板进行单面化学镀或电镀时，另一面加以保护。

三层金属层金属化还包括采用磁控溅射或电弧离子镀沉积第三金属层的步骤，具体的工艺为，靶材选自银、金、或镍，真空室抽真空至3×10^-4-8×10^-2Pa后，将真空室内的待镀件加热至20-400℃，然后对其表面进行辉光清洗2-10分钟，电源电压控制在-200～-800V；沉积金属层时，真空室内氩气压强控制在0.1-1Pa，沉积层的厚度为0.1-5微米；沉积厚度通过沉积速率和沉积时间控制，所形成的第三金属层与第二金属层之间的结合为扩散结合+化学键结合或扩散结合。

或者，采用化学镀或电镀的方法沉积锡或镍层作为第三金属层，采用的化学镀或电镀的方法为常规沉积锡或镍层的方法，沉积厚度控制在2-5微米，所形成的第三金属层与第二金属层之间的结合为化学键结合。

本发明中各步骤可选择的方法与其他步骤之间可根据实际的生产情况和设备选择适合的组合。

采用本发明的方法用于处理的陶瓷基板最大长度为20cm，最大宽度为20cm。

本发明采用磁控溅射技术与电弧离子镀技术的原理如下：

磁控溅射技术的工作原理是：真空室内，通过放电将氩原子电离成氩离子和电子，在磁场作用和束缚下的电子增加了与氩原子的进一步碰撞并产生更多的氩离子和二次电子。氩离子在电场的作用下加速轰击金属靶材，溅射出大量的靶材原子并高速运动至基片表面成膜。该方法的优点是膜层质量高、结构致密、与基材附着力好。电弧离子镀技术是结合了蒸发与溅射技术而发展的一种PVD技术。在真空室内，金属靶材蒸发在气体放电中进行，通过碰撞和电子撞击形成气体和金属的离子，这些离子在电场作用下高速飞向衬底并形成涂层，其中金属离子的发射能量可达10～100eV。电弧离子镀的主要优点在于靶材的离化率高、涂层沉积速率快，所制备的涂层与衬底之间扩散结合具有优秀的附着力，并且结构致密。

本发明具有如下的优点和有益效果：

1. 本发明功率模块金属化陶瓷基板，采用两层或三层金属层设置，第一层提供与陶瓷基板的良好结合，金属铜或银层与陶瓷基板结合牢固，中间无过渡层，为整个复合金属涂层与基材的良好结合打下基础，第二金属层提供大功率或超大功率载流以及导热能力，第三金属层是厚度为0.1-5微米的金属银或金，或者厚度为2-5微米的锡或镍层，一方面提高导电和导热金属层的抗氧化能力，同时也提高其可焊接性；

2. 本发明功率模块金属化陶瓷基板，陶瓷基板与金属铜或银层之间为扩散结合或者扩散+化学键结合，无氧化层和过渡层，与现有技术中简单的机械联锁结合相比金属层与陶瓷基板之间的结合强度高，与有过渡层相比具有导热和散热能力强的优点；

3.本发明功率模块金属化陶瓷基板，第一、二、三层金属层的厚度分别为0.1-5微米，50-1000微米和0.1-5微米，在此设计方案，优化了陶瓷基板的功能，使得超大功率载流以及导热能力、可焊接性和抗氧化能力以及与陶瓷基板之间的结合达到最优，具有高导电（载流）、高导热以及良好焊接性能； 

4.本发明提供了一种功率模块陶瓷基板表面金属化的新方法，实现了陶瓷基板具有高导电（载流）、高导热以及良好焊接性能的目的；采用本方法（磁控溅射和/或电弧离子镀技术以及化学镀和/或电镀技术）获得的复合金属涂层不仅具有高导电（载流）和良好的焊接性能的特点，与直接敷铜法相比，复合金属层与陶瓷基材无过渡层及氧化层，因此导热性能有了很大的提高；和化学镀法相比，复合金属层与陶瓷基材结合力更好，因此抗热冲击能力更强，使用寿命更长；

5.本发明方法，操作简单易控，膜厚能够准确控制，具有可重复性等优点，采用本发明方法制备的功率模块金属化陶瓷基板具有载流能力大、导热及散热能力强、容易与其他金属或陶瓷及复合材料焊接、气密性好、质量可靠和稳定等特点，可用于真空器件、航天、航空、广播电视、通信、冶金、医药、高能物理等领域。

附图说明

图1为实施例1采用激光切割的金属化后陶瓷基片截面SEM图；

图2为本发明实施例功率模块金属化陶瓷基板的结构示意图；

符号表示：1 为AlN基片；2为复合金属涂层，3为陶瓷基板，31为第一层金属层，32为第二层金属层，33为第三层金属层。    

具体实施方式

实施例1：AlN基片金属化

选择尺寸为43×23×1mm的AlN基片，经化学粗化（由浓度为40%的HF 80ml/L+NH₄F 30g/L配置粗化液）、无水乙醇超声清洗、烘干后正对Cu靶悬挂于电弧离子镀装置的真空室内。将真空室抽真空至3×10^-3Pa后，开启样品加热系统并设置温度为300℃。通入氩气并维持真空室气体压强在2.0Pa。开动悬挂架并使AlN基片自转。在负偏压-800V（占空比调节为0）条件下对AlN基片进行辉光清洗5分钟；之后，调整氩气流量至真空室内压强0.6Pa，开启Cu靶电源，控制电流为70A（对应电压为21V），对AlN基片继续进行离子轰击（弧光清洗）5分钟。调整偏压至-400V（占空比调节至40%），调整靶电源电流至58A（对应电压为17.2V），保持真空室内压强为0.6Pa, 沉积Cu涂层60分钟。关闭偏压电源，关闭靶电源，关掉气体，继续抽真空30分钟。关闭真空系统，打开真空室，取出AlN基片。对该基片采用电镀工艺电镀铜层3小时。镀液成份为102g/LCuSO₄ 、 40g/L 硫酸 、0.3g/L TPS 、 5g/L 氨三乙酸、和 9g/L 柠檬酸钾，PH值调至6.5，温度控制为55℃，电流密度为1.5A/dm²。电镀后的基片经清洗、烘干后正对电弧离子镀装置的Ag靶，重新放入真空室。真空室内压强至3×10^-3Pa后，开启样品加热系统并设置温度为200℃。通入氩气并维持真空室气体压强在2.0Pa。使AlN基片自转，在负偏压-600V（占空比调节为0）条件下对AlN基片进行辉光清洗5分钟；之后，调整氩气流量至真空室内压强0.6Pa，调整偏压至-400V（占空比调节至40%），调整Ag靶电源电流至55A（对应电压为17.9V），保持真空室内总压强为0.6Pa, 沉积Ag涂层20分钟。关闭偏压电源，关闭靶材电源，关掉气体，继续抽真空30分钟。关闭真空系统，打开真空室，取出AlN基片。

采用激光将金属化后AlN基片切割，切割面经扫描电镜观察，如图1所示金属化涂层的厚度为60.6微米，元素分布检测金属层与AlN基片之间无过渡层或氧化层，金属元素从基片表面到内为减弱分布，划痕实验检测表明复合金属涂层2与AlN基片1之间结合良好。

实施例2：Al₂O₃基片金属化

选择尺寸为50×30×6mm的Al₂O₃基片，经抛光、除油、无水乙醇超声清洗、烘干后正对Cu靶悬挂于磁控溅射装置的真空室内。真空室抽真空至2×10^-3Pa后，开启样品加热系统并设置温度为300℃。通入氩气并维持真空室气体压强在2.0Pa。电源负极接Cu靶材并接地，正极接真空室壳体及器件悬挂架。选择中频电源频率为20KHz，电流2A，电压300V，开动悬挂架使基片自转，对基片辉光清洗5分钟。将真空室压强调节至0.3Pa，然后将电流调节至3.5A，电压400V，沉积Cu膜2小时。结束后，关闭靶材中频电源，关掉气体，继续抽真空1小时。关闭真空系统，打开真空室，取出Al₂O₃基片。对该基片经敏化和活化后化学镀铜3.5小时。镀液成份为 硫酸铜4.0×10^-3mol/L+次亚磷酸钠0.236mol/L+柠檬酸钠0.136mol/L+醋酸铵0.52mol/L，PH值调至6.5，温度控制为70℃。镀后基片清洗后，经敏化和活化后化学镀镍20分钟。镀液成份为硫酸镍0.152mol/L+次亚磷酸钠0.252mol/L+柠檬酸钠0.172mol/L+醋酸铵0.56mol/L，PH值调至7.5，温度控制为70℃。取出基片，清洗、烘干。

采用激光将金属化后Al₂O₃基片切割，切割面经扫描电镜观察，金属化涂层的厚度为59.4微米，无氧化层，划痕实验表明金属层与Al₂O₃基片结合力强。

实施例3 SiC基片金属化

选择尺寸为33×20×3mm的SiC基片，经表面抛光、除油、无水乙醇超声清洗、烘干后正对Ag靶悬挂于电弧离子镀装置的真空室内。将真空室抽真空至3×10^-3Pa后，开启样品加热系统并设置温度为350℃。通入氩气并维持真空室气体压强在2.0Pa。开动悬挂架并使SiC基片自转。在负偏压-800V（占空比调节为0）条件下对基片进行辉光清洗5分钟；之后，调整氩气流量至真空室内压强0.6Pa，开启Ag靶电源，控制电流为65A（对应电压为21.5V），对SiC基片继续进行离子轰击（弧光清洗）5分钟。调整偏压至-400V（占空比调节至40%），调整靶电源电流至55A（对应电压为17.8V），保持真空室内压强为0.6Pa, 沉积Ag涂层60分钟。关闭偏压电源，关闭靶电源，关掉气体，继续抽真空30分钟。关闭真空系统，打开真空室，取出SiC基片。对该基片采用化学镀工艺继续沉积Ag层3.5小时。化学镀液成份为硝酸银60g+氨水 60mL+蒸馏水 1L+甲醛 65mL+蒸馏水 1L（分别配制。化学镀后的基片清洗、烘干后对该基片采用电镀工艺镀镍30分钟。镀液成份为120g/L  硫酸镍+ 25g/L 硫酸镁 +20g/L 硼酸 + 8g/L 氯化钠，PH值调至5.5，温度控制为35℃，电流密度为1.0A/dm²。

采用激光将金属化后SiC基片切割，切割面经扫描电镜观察，金属化涂层的厚度为72.4微米，金属层与SiC基片之间结合良好，无氧化层。

Claims (10)

1.一种功率模块金属化陶瓷基板，其特征在于：包括：陶瓷基板和陶瓷基板上的复合金属涂层，复合金属涂层从陶瓷基板开始依次为第一金属层和位于外层的第二金属层；其中：第一金属层选自高导热、高导电金属材料铜或银，与陶瓷基板表面无过渡层为扩散结合，或扩散结合与化学键混合的结合方式结合；第二金属层，为具有大功率或超大功率载流能力以及高导热能力的金属材料选自铜、银、铜合金或银合金层，其与第一金属层之间为化学键结合。

2.按照权利要求1所述的功率模块金属化陶瓷基板，其特征在于：第一金属层的厚度为0.1-5微米。

3.按照权利要求1所述的功率模块金属化陶瓷基板，其特征在于：第二金属层的厚度为50-1000微米。

4.按照权利要求1所述的功率模块金属化陶瓷基板，其特征在于：所述的复合金属涂层还可包括最外层的第三金属层，材料选自抗氧化能力强和可焊接性高的金属材料银、金、锡或镍，厚度为0.1-5微米，第三金属层与第二金属层之间为化学键结合、扩散结合或扩散结合与化学键混合的结合方式。

5.按照权利要求1所述的功率模块金属化陶瓷基板，其特征在于：陶瓷基板为氧化物陶瓷材料、氮化物陶瓷材料或碳化物陶瓷材料。

6.一种功率模块陶瓷基板表面金属化的方法，其特征在于，包括如下的步骤：

（1）清洗：超声清洗陶瓷基板，超声清洗前可对其进行单面或双面抛光处理或表面化学粗化处理；

（2）采用磁控溅射或电弧离子镀在功率模块陶瓷基板表面沉积第一金属层；

（3）采用化学镀或电镀技术在第一金属层上沉积第二金属层。

7.按照权利要求6所述的功率模块陶瓷基板表面金属化的方法，其特征在于：步骤（2）中采用磁控溅射或电弧离子镀沉积第一金属层的工艺为，靶材材料选用铜或银；单面金属化时，陶瓷基板正对靶材固定放置；双面金属化时，陶瓷基板正对靶材旋转；真空室抽真空至3×10^-4-8×10^-2Pa后，将真空室内的陶瓷基板加热至20-400℃，然后对其表面进行辉光清洗5-30分钟，辉光清洗时，真空室内氩气压强控制在0.2-5Pa，电源电压控制在-200～-800V；采用电弧离子镀时，还需要进行弧光清洗3-20分钟，弧光清洗时，真空室内氩气压强控制在0.2-3Pa，电源电压控制在-400～-1200V；沉积时，真空室内氩气压强控制在0.1-1Pa，沉积的金属铜或银的厚度为0.1-5微米。

8.按照权利要求6所述的功率模块陶瓷基板表面金属化的方法，其特征在于：步骤（3）中第二金属层的厚度为50-1000微米，材料选自铜、银、铜合金或银合金。

9.按照权利要求6所述的功率模块陶瓷基板表面金属化的方法，其特征在于：

还包括采用磁控溅射或电弧离子镀技术在第二层金属层上沉积第三金属层，或者采用化学镀或电镀的方法沉积第三金属层的步骤，采用磁控溅射或电弧离子镀技术的具体工艺为，靶材选自银、金或镍，真空室抽真空至3×10^-4-8×10^-2Pa后，将真空室内的待镀件加热至20-400℃，然后对其表面进行辉光清洗2-10分钟，电源电压控制在-200～-800V；沉积金属层时，真空室内氩气压强控制在0.1-1Pa，沉积层的厚度为0.1-5微米。

10.按照权利要求9所述的功率模块陶瓷基板表面金属化的方法，其特征在于：采用化学镀或电镀的方法沉积锡或镍层作为第三金属层，沉积层的厚度为2-5微米。

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