CN103325743B - 高可靠性绝缘导热基板 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高可靠性绝缘导热基板，包括铝或铝合金基体，在所述基体上沉积有非晶态铝过渡层，在所述铝过渡层上通过PECVD方法沉积AlON绝缘导热陶瓷层，在所述绝缘导热陶瓷层上通过活性钎焊工艺将铜箔钎焊在绝缘导热陶瓷层上。本发明所述的高可靠性绝缘导热基板，不仅导热绝缘性良好，导热系数≥100W/mk;而且所述基板的各层之间粘结性良好，热应力低，可靠性良好；可以作为高集成度电子元器件的基板使用。
Description
技术领域
本发明属于电子器件制备的技术领域，更具体的说，本发明涉及一种高可靠性绝缘导热基板。
背景技术
随着电子器件集成度的提高，其对基板的要求也越来越高。目前，电子产品的导电线路基板是在树脂基板或经过绝缘导热处理后的金属基板上制作线路，为了提高其散热性进一步在导电线路基板下方加装散热片如铝或铜的散热片。而且导电线路基板和散热片之间连接用的导热胶成为未来高功率电子元器件散热性能的瓶颈。
为了进一步提高导热散热性能，由于一些陶瓷材料同时兼有良好的导热性和电绝缘性能，现在比较流行的工艺是在铜板和陶瓷之间通入氧气，然后在高温下进行结合反应得到的铜直接键合基板（DBC），兼有高导热性和电绝缘性。然而铜的热膨胀效率比陶瓷的热膨胀效率高得多。在高温DBC工艺期间，在陶瓷层与铜层键合的点，铜层比陶瓷膨胀更多。然而在冷却时铜层由于热膨胀系数不同而比陶瓷收缩更多，这导致键合的铜-陶瓷组件的卷曲。
发明内容
为了克服现有技术中存在的上述技术问题，本发明的目的在于提供一种高可靠性绝缘导热基板。
为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
本发明涉及一种高可靠性绝缘导热基板，包括铝或铝合金基体，在所述基体上沉积有非晶态铝过渡层，在所述铝过渡层上通过PECVD方法沉积AlON绝缘导热陶瓷层，在所述绝缘导热陶瓷层上通过活性钎焊工艺将铜箔钎焊在绝缘导热陶瓷层上。
其中，所述非晶态铝过渡层的厚度为100-500 nm,且其通过射频溅射工艺制备得到，靶材为纯度为99.99%的铝靶，溅射气体为Ar，溅射功率为0.5-1.2 kW，射频频率为13.56MHz，工作压强为3-5×10-3 torr, 基体温度为25-50℃。通过沉积非晶态铝过渡层可以显著增强绝缘导热陶瓷层与铝基体之间的粘结性，而且可以显著降低因膨胀系数差异而导致的热应力，提高结构整体的可靠性。
其中，所述绝缘导热陶瓷层的厚度为10-500 um。所述的PECVD方法，其反应体系为AlCl3-N2O-NH3-H2，反应温度为280-300℃，工作压强为0.8-1.5 torr, 其中AlCl3的流量为150-250 sccm, N2O的流量为3-5sccm，NH3的流量800-1000 sccm，H2的流量为2000-3000 sccm, 射频频率为13.56MHZ，射频功率为50-100W。在本发明中，通过添加适量的N2O，进一步提高了其与基体之间的粘结性，而且降低了热应力。
其中，所述活性钎焊使用的钎料含有12.5-15.0 wt%的Zn、5.1-7.2 wt%的Al、0.5-0.8wt%的Ag、0.8-1.0 wt%的Cd、2.1-2.5 wt%的Ti、1.2-1.8wt%的Sn、0.65-0.95wt%的Mn、1.8-2.1wt%的Ni、0.15-0.30wt%的Li、0.1-0.2wt%的B和余量的Cu。钎焊温度范围为581-600℃。在本发明中使用低银含量的铜合金钎料，不仅降低了成本，还实现了中温硬钎焊，即提高了铜箔与陶瓷层之间的焊接可靠性，又防止了应力开裂。
作为优选地，所述钎料通过水雾法制备得到，其制备方法包括以下步骤：（1）将上述配比的金属粉末原料混合并加热熔化形成合金液，利用压力≥40MPa的雾化水对所述合金液进行冷却粉碎处理，形成合金粉末；（2）对所述合金粉末进行干燥和还原退火处理得到所述的钎料，其中还原退火气氛采用氢气退火，退火温度为250-300℃，退火时间为20-30分钟，还原退火后合金粉末中氧含量<2500 ppm。在本发明中，所述的钎料改变以往配方由单质粉料混合钎焊后焊接曾均匀性差，成分易偏折，钎焊温度较高，质量稳定性差的等诸多缺点，提高了钎焊层与金属基体以及陶瓷层之间的浸润性，并且提高了钎焊层冶金接合的可靠性。
本发明的技术方案相比现有技术具有以下有益效果：
本发明所述的高可靠性绝缘导热基板，不仅导热绝缘性良好，导热系数≥100 W/mk;而且所述基板的各层之间粘结性良好，热应力低，可靠性良好；可以作为高集成度电子元器件的基板使用。
具体实施方式
实施例1
本实施例所述的高可靠性绝缘导热基板，包括铝基体，在所述基体上沉积有非晶态铝过渡层，在所述铝过渡层上通过PECVD方法沉积AlON绝缘导热陶瓷层，在所述绝缘导热陶瓷层上通过活性钎焊工艺将铜箔钎焊在绝缘导热陶瓷层上。所述非晶态铝过渡层的厚度为200 nm,且其通过射频溅射工艺制备得到，靶材为纯度为99.99%的铝靶，溅射气体为Ar，溅射功率为1.0 kW，射频频率为13.56MHz，工作压强为3×10-3 torr, 基体温度为25℃。所述绝缘导热陶瓷层的厚度为200 um。所述的PECVD方法，其反应体系为AlCl3-N2O-NH3-H2，反应温度为300℃，工作压强为1.0torr, 其中AlCl3的流量为200 sccm, N2O的流量为3sccm，NH3的流量1000 sccm，H2的流量为2500 sccm, 射频频率为13.56MHZ，射频功率为100W。所述活性钎焊使用的钎料含有15.0 wt%的Zn、5.1 wt%的Al、0.8wt%的Ag、1.0 wt%的Cd、2.5 wt%的Ti、1.8wt%的Sn、0.65wt%的Mn、1.8wt%的Ni、0.30wt%的Li、0.1wt%的B和余量的Cu。钎焊温度范围为581-600℃。本实施例所述的高可靠性绝缘导热基板，不仅导热绝缘性良好，导热系数≥100 W/mk;而且所述基板的各层之间粘结性良好，热应力低，可靠性良好。
实施例2
本实施例所述的高可靠性绝缘导热基板，包括铝基体，在所述基体上沉积有非晶态铝过渡层，在所述铝过渡层上通过PECVD方法沉积AlON绝缘导热陶瓷层，在所述绝缘导热陶瓷层上通过活性钎焊工艺将铜箔钎焊在绝缘导热陶瓷层上。其中，所述非晶态铝过渡层的厚度为100nm,且其通过射频溅射工艺制备得到，靶材为纯度为99.99%的铝靶，溅射气体为Ar，溅射功率为0.5kW，射频频率为13.56MHz，工作压强为5×10-3 torr, 基体温度为50℃。通过沉积非晶态铝过渡层可以显著增强绝缘导热陶瓷层与铝基体之间的粘结性，而且可以显著降低因膨胀系数差异而导致的热应力，提高结构整体的可靠性。所述绝缘导热陶瓷层的厚度为50 μm。所述的PECVD方法，其反应体系为AlCl3-N2O-NH3-H2，反应温度为280℃，工作压强为0.8torr, 其中AlCl3的流量为150 sccm, N2O的流量为5sccm，NH3的流量800 sccm，H2的流量为2000 sccm, 射频频率为13.56MHZ，射频功率为100W。所述活性钎焊使用的钎料含有12.5 wt%的Zn、5.1 wt%的Al、0.5wt%的Ag、1.0 wt%的Cd、2.5 wt%的Ti、1.2wt%的Sn、-0.95wt%的Mn、1.8wt%的Ni、0.15wt%的Li、0.2wt%的B和余量的Cu。本实施例所述的高可靠性绝缘导热基板，不仅导热绝缘性良好，导热系数≥100 W/mk;而且所述基板的各层之间粘结性良好，热应力低，可靠性良好。
实施例3
本实施例所述的高可靠性绝缘导热基板，包括铝基体，在所述基体上沉积有非晶态铝过渡层，在所述铝过渡层上通过PECVD方法沉积AlON绝缘导热陶瓷层，在所述绝缘导热陶瓷层上通过活性钎焊工艺将铜箔钎焊在绝缘导热陶瓷层上。所述非晶态铝过渡层的厚度为500 nm,且其通过射频溅射工艺制备得到，靶材为纯度为99.99%的铝靶，溅射气体为Ar，溅射功率为1.2 kW，射频频率为13.56MHz，工作压强为5×10-3 torr, 基体温度为25℃。所述绝缘导热陶瓷层的厚度为500 um。所述的PECVD方法中反应体系为AlCl3-N2O-NH3-H2，反应温度为300℃，工作压强为1.5 torr, 其中AlCl3的流量为250 sccm, N2O的流量为4sccm，NH3的流量800 sccm，H2的流量为2500 sccm, 射频频率为13.56MHZ，射频功率为100W。所述活性钎焊使用的钎料含有15.0 wt%的Zn、6.5 wt%的Al、0.8wt%的Ag、1.0 wt%的Cd、2.3 wt%的Ti、1.5wt%的Sn、0.75wt%的Mn、2.0wt%的Ni、0.25wt%的Li、0.15wt%的B和余量的Cu。本实施例所述的高可靠性绝缘导热基板，不仅导热绝缘性良好，导热系数≥100 W/mk;而且所述基板的各层之间粘结性良好，热应力低，可靠性良好。
对于本领域的普通技术人员而言，应当理解可以在不脱离本发明公开的范围以内，可以采用等同替换或等效变换形式实施上述实施例。本发明的保护范围并不限于具体实施方式部分的具体实施例，只要没有脱离发明实质的实施方式，均应理解为落在了本发明要求的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种高可靠性绝缘导热基板，包括铝或铝合金基体，其特征在于在所述基体上沉积有非晶态铝过渡层，在所述铝过渡层上通过PECVD方法沉积AlON绝缘导热陶瓷层，在所述绝缘导热陶瓷层上通过活性钎焊工艺将铜箔钎焊在绝缘导热陶瓷层上；所述活性钎焊使用的钎料含有12.5-15.0wt％的Zn、5.1-7.2wt％的Al、2.1-3.5wt％的Ag、0.8-1.0wt％的Cd、2.1-2.5wt％的Ti、1.2-1.8wt％的Sn、0.65-0.95wt％的Mn、1.8-2.1wt％的Ni、0.15-0.30wt％的Li、0.1-0.2wt％的B和余量的Cu，钎焊温度范围为581-600℃。
2.根据权利要求1所述的高可靠性绝缘导热基板，其特征在于所述非晶态铝过渡层的厚度为100-500nm。
3.根据权利要求1或2所述的高可靠性绝缘导热基板，其特征在于所述非晶态铝过渡层通过射频溅射工艺制备得到，靶材为纯度为99.99％的铝靶，溅射气体为Ar，溅射功率为0.5-1.2kW，射频频率为13.56MHz，工作压强为3-5×10-3torr,基体温度为25-50℃。
4.根据权利要求1所述的高可靠性绝缘导热基板，其特征在于所述绝缘导热陶瓷层的厚度为10-500um。
5.根据权利要求4所述的高可靠性绝缘导热基板，其特征在于所述的PECVD方法的反应体系为AlCl3-N2O-NH3-H2，反应温度为280-300℃，工作压强为0.8-1.5torr,其中AlCl3的流量为150-250sccm,N2O的流量为3-5sccm，NH3的流量800-1000sccm，H2的流量为2000-3000sccm,射频频率为13.56MHZ，射频功率为50-100W。
6.根据权利要求1所述的高可靠性绝缘导热基板，其特征在于所述钎料通过水雾法制备得到，其制备方法包括以下步骤：(1)将上述配比的金属粉末原料混合并加热熔化形成合金液，利用压力≥40MPa的雾化水对所述合金液进行冷却粉碎处理，形成合金粉末；(2)对所述合金粉末进行干燥和还原退火处理得到所述的钎料，其中还原退火气氛采用氢气退火，退火温度为250-300℃，退火时间为20-30分钟，还原退火后合金粉末中氧含量<2500ppm。
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