CN103762181A - 氮化铝覆铜陶瓷基板的制备方法 - Google Patents

氮化铝覆铜陶瓷基板的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明氮化铝覆铜陶瓷基板的制备方法，包括：第一步，对氮化铝陶瓷和铜片进行清洗；第二步，对氮化铝陶瓷进行预氧化处理，使陶瓷表面生成氧化铝层；第三步，对预氧化后的氮化铝陶瓷表面添加金属改性层，所述金属改性层包括金属铜或含铜氧化物或含铜化合物或三者的混合物，并进行烧结；第四步，铜片表面进行热氧化处理，使铜片表面生成氧化亚铜；第五步，将铜片放置在经过改性处理的氮化铝陶瓷表面进行第一面烧结，完成之后再进行第二面烧结。本发明氮化铝覆铜陶瓷基板的制备方法通过在预氧化的氮化铝与铜片之间添加一种含铜氧化物的金属改性层，可使氮化铝与铜片之间紧密结合，可有效解决AlN-DBC表面气泡问题。

Description

氮化铝覆铜陶瓷基板的制备方法
技术领域
本发明属于半导体制造、LED、光通讯领域，涉及半导体制冷器、功率半导体模块，特别是大规模、超大规模集成电路及大功率LED，特别是一种氮化铝覆铜陶瓷基板的制备方法。
背景技术
氧化铝（Al2O3）陶瓷由于具有机械强度高、良好的热稳定性、价格低廉等优点长期以来一直被用作功率电子器件封装基板材料。然而，Al2O3陶瓷热导率低，仅为15W/m·K～20W/m·K，随着集成电路的功率密度不断增加，散热问题已成为功率电子器件设计和制造上必须解决的关键问题，而传统的氧化铝（Al2O3）陶瓷并不能满足要求。
氮化铝（AlN）陶瓷具有优异的导热性能，其热导率可达1500W/m·K～200W/m·K，约为Al2O3的10倍，且热膨胀系数与硅接近，是取代Al2O3陶瓷的理想的基板材料之一。但是由于AlN与金属Cu之间的界面润湿性差，结合强度低，并且AlN与Cu的热膨胀系数相差较大，由此产生的巨大热应力使得AlN-Cu的直接结合难以实现。现有的DBC法制备氮化铝覆铜基板时，会产生大量气泡，存在于铜与氮化铝的界面处，导致基板剥离强度和导热性能大幅下降，良品率低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可直接用于大规模集成电路、大功率LED产品，产品良品率高的氮化铝覆铜陶瓷基板的制备方法。
为解决上述技术问题，本发明氮化铝覆铜陶瓷基板的制备方法，包括：
第一步，对氮化铝陶瓷和铜片进行清洗；
第二步，对氮化铝陶瓷进行预氧化处理，使陶瓷表面生成氧化铝层；
第三步，对预氧化后的氮化铝陶瓷表面添加金属改性层，所述金属改性层包括金属铜或含铜氧化物或含铜化合物或三者的混合物，并进行烧结；
第四步，铜片表面进行热氧化处理，使铜片表面生成氧化亚铜；
第五步，将铜片放置在经过改性处理的氮化铝陶瓷表面进行第一面烧结，完成之后再进行第二面烧结。
所述金属改性层为CuO或Cu2O或两者混合物。
所述金属改性层为CuAlO2或CuAl2O4或两者混合物。
所述金属改性层的厚度为1μm～50μm。
所述第三步中，烧结是在1050℃～1200℃下进行，烧结时间为10min～120min，气氛为氮气保护的弱氧气氛，氧含量为100ppm～1000ppm。
所述第一步中，对氮化铝陶瓷和铜片采用酸碱溶液、去离子水，通过超声清洗、喷淋、预脱水工艺进行清洗。
所述第二步中，对氮化铝陶瓷进行预氧化处理，温度设定为1000℃～1300℃，氧化时间为0.5h～24h，气氛为氮气保护下的氧化气氛，氮氧含量比为4:1～10:1，氧化铝层厚度为1μm～100μm。
所述第四步中，铜片表面进行热氧化处理，氧化温度设定为500℃～900℃，氧化时间为10min～60min，氧化气氛为氮气保护下的氧化气氛，氧含量为500ppm～3000ppm。
所述第五步中，第一面烧结的温度设定为1060℃～1075℃，烧结时间为20min～35min，气氛为氮气保护的弱氧气氛，氧含量为5ppm～200ppm；
第二面烧结的温度设定为1065℃～1080℃，烧结时间为20min～35min，气氛为氮气保护的弱氧气氛，氧含量为5ppm～200ppm。
本发明氮化铝覆铜陶瓷基板的制备方法通过在预氧化的氮化铝与铜片之间添加一种含铜氧化物的金属改性层，可使氮化铝与铜片之间紧密结合，可有效解决AlN-DBC表面气泡问题。
附图说明
图1为本发明氮化铝覆铜陶瓷基板的制备方法AlN-DBC第一面烧结示意图；
图2为本发明氮化铝覆铜陶瓷基板的制备方法AlN-DBC第二面烧结示意图。
本发明氮化铝覆铜陶瓷基板的制备方法附图中附图标记说明：
1-氮化铝陶瓷       2-氧化铝层       3-金属改性层
4-铜片
具体实施方式
下面结合附图对本发明氮化铝覆铜陶瓷基板的制备方法作进一步详细说明。
实施例一
(1)原材料清洗
用酸碱溶液、去离子水，通过超声清洗、喷淋、预脱水等工艺对铜片4，氮化铝陶瓷1进行清洗去除材料表面的杂质。
(2)瓷片预氧化
氧化温度设定为1000℃～1300℃，氧化时间为0.5h～24h，气氛为氮气保护下的氧化气氛，氮氧含量比为4:1～10:1，氧化铝层2厚度为1μm～100μm。
(3)表面改性处理
在预氧化氮化铝陶瓷1表面通过丝网印刷均匀涂覆金属改性层3，金属改性层3为含铜氧化物包括CuO或Cu2O或两者混合物，覆层厚度为1μm～50μm，并在1050℃～1200℃下进行烧结，烧结时间为10min～120min，气氛为氮气保护的弱氧气氛，氧含量为100ppm～1000ppm。
(4)铜片氧化
氧化温度设定为500℃～900℃，氧化时间为10min～60min，氧化气氛为氮气保护下的氧化气氛，氧含量为500ppm～3000ppm。
(5)烧结
如图1所示，第一面烧结：温度设定为1060℃～1075℃，烧结时间为20min～35min，气氛为氮气保护的弱氧气氛，氧含量为5ppm～200ppm。
如图2所示，第二面烧结：温度设定为1065℃～1080℃，烧结时间为20min～35min，气氛为氮气保护的弱氧气氛，氧含量为5ppm～200ppm。
实施例2
(1)原材料清洗
用酸碱溶液、去离子水，通过超声清洗、喷淋、预脱水等工艺对铜片4，氮化铝陶瓷1进行清洗去除材料表面的杂质。
(2)瓷片预氧化
氧化温度设定为1000℃～1300℃，氧化时间为0.5h～24h，气氛为氮气保护下的氧化气氛，氮氧含量比为4:1～10:1，氧化铝层2厚度为1μm～100μm。
(3)表面改性处理
在预氧化氮化铝陶瓷1表面通过丝网印刷均匀涂覆金属改性层3，金属改性层3为含铜氧化物包括CuAlO2或CuAl2O4或两者混合物，覆层厚度为1μm～50μm，并在1050℃～1200℃下进行烧结，烧结时间为10min～120min，气氛为氮气保护的弱氧气氛，氧含量为100ppm～1000ppm。
(4)铜片氧化
氧化温度设定为500℃～900℃，氧化时间为10min～60min，氧化气氛为氮气保护下的氧化气氛，氧含量为500ppm～3000ppm。
(5)烧结
如图1所示，第一面烧结：温度设定为1060℃～1075℃，烧结时间为20min～35min，气氛为氮气保护的弱氧气氛，氧含量为5ppm～200ppm。
如图2所示，第二面烧结：温度设定为1065℃～1080℃，烧结时间为20min～35min，气氛为氮气保护的弱氧气氛，氧含量为5ppm～200ppm。
本发明氮化铝覆铜陶瓷基板的制备方法通过在预氧化的氮化铝与铜片之间添加一种含铜氧化物的金属改性层，可使氮化铝与铜片之间紧密结合，可有效解决AlN-DBC表面气泡问题。
以上已对本发明创造的较佳实施例进行了具体说明，但本发明创造并不限于实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明创造精神的前提下还可作出种种的等同的变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (9)

1.氮化铝覆铜陶瓷基板的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
第一步，对氮化铝陶瓷和铜片进行清洗；
第二步，对氮化铝陶瓷进行预氧化处理，使陶瓷表面生成氧化铝层；
第三步，对预氧化后的氮化铝陶瓷表面添加金属改性层，所述金属改性层包括金属铜或含铜氧化物或含铜化合物或三者的混合物，并进行烧结；
第四步，铜片表面进行热氧化处理，使铜片表面生成氧化亚铜；
第五步，将铜片放置在经过改性处理的氮化铝陶瓷表面进行第一面烧结，完成之后再进行第二面烧结。
2.根据权利要求1所述的氮化铝覆铜陶瓷基板的制备方法，其特征在于，所述金属改性层为CuO或Cu2O或两者混合物。
3.根据权利要求1所述的氮化铝覆铜陶瓷基板的制备方法，其特征在于，所述金属改性层为CuAlO2或CuAl2O4或两者混合物。
4.根据权利要求2或3所述的氮化铝覆铜陶瓷基板的制备方法，其特征在于，所述金属改性层的厚度为1μm～50μm。
5.根据权利要求2或3所述的氮化铝覆铜陶瓷基板的制备方法，其特征在于，所述第三步中，烧结是在1050℃～1200℃下进行，烧结时间为10min～120min，气氛为氮气保护的弱氧气氛，氧含量为100ppm～1000ppm。
6.根据权利要求1所述的氮化铝覆铜陶瓷基板的制备方法，其特征在于，所述第一步中，对氮化铝陶瓷和铜片采用酸碱溶液、去离子水，通过超声清洗、喷淋、预脱水工艺进行清洗。
7.根据权利要求1所述的氮化铝覆铜陶瓷基板的制备方法，其特征在于，所述第二步中，对氮化铝陶瓷进行预氧化处理，温度设定为1000℃～1300℃，氧化时间为0.5h～24h，气氛为氮气保护下的氧化气氛，氮氧含量比为4:1～10:1，氧化铝层厚度为1μm～100μm。
8.根据权利要求1所述的氮化铝覆铜陶瓷基板的制备方法，其特征在于，所述第四步中，铜片表面进行热氧化处理，氧化温度设定为500℃～900℃，氧化时间为10min～60min，氧化气氛为氮气保护下的氧化气氛，氧含量为500ppm～3000ppm。
9.根据权利要求1所述的氮化铝覆铜陶瓷基板的制备方法，其特征在于，所述第五步中，第一面烧结的温度设定为1060℃～1075℃，烧结时间为20min～35min，气氛为氮气保护的弱氧气氛，氧含量为5ppm～200ppm；
第二面烧结的温度设定为1065℃～1080℃，烧结时间为20min～35min，气氛为氮气保护的弱氧气氛，氧含量为5ppm～200ppm。
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