CN104402488B - 覆铜用氮化铝基板的预处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了氮化铝DBC板制备过程的关键工序—覆铜用氮化铝基板的预处理方法，该方法包括：第一步，氮化铝基板表面清洗；第二步，氮化铝基板表面活化，通过碱液使氮化铝暴露出新的、活性高的表面；第三步，氮化铝基板表面过渡层制备，过渡层为含锰、铜、钙、铝离子等的复合层；第四步，氮化铝基板表面进行热氧化处理，形成复合改性层。本发明降低了氮化铝DBC工艺中氮化铝表面预处理的苛刻条件；制备的氮化铝过渡层为复合氧化层，高温下能顺利与无氧铜片表面的氧化铜充分润湿、铺展，并发生反应形成键合，氮化铝与铜片之间附着力强度高，孔洞率低，产品抗温度循环性能良好。
Description
技术领域
本发明属于DBC板制造技术领域，涉及功率半导体模块、半导体制冷器、大规模集成电路、大功率LED及聚光光伏（CPV）等，特别是一种覆铜用氮化铝基板的预处理方法。
背景技术
DBC基板是将铜片直接与陶瓷基板烧结在一起形成铜/陶瓷/铜夹层结构的金属化基板，利用铜和氧化铜在微氧气氛、1064℃~1083℃下产生Cu~O共晶相，作为铜片与陶瓷基板的粘结剂将二者结合在一起，该过渡层厚度为微米级，几乎不增加热阻，同时使得铜片与陶瓷间的剥离强度达60N/cm以上。目前被广泛应用的均为氧化物型DBC基板，如Al2O3覆铜基板，其热导率为24W/m·K，能够满足中小型功率器件的需求。
随着电力电子技术的发展及国家节能规划政策的出台，促进了IGBT模块及光伏太阳能的迅速发展，间接地对功率器件支撑结构—DBC基板提出更大的需求。伴随着器件功率的进一步增大，高热导率的氮化铝DBC基板（170W/m·K）将成为主流产品。
氮化铝DBC基板不同于常规氧化物型DBC基板，作为非氧化型陶瓷，高温下难以与氧化铜润湿、形成共晶反应。业内最常用的方法是对氮化铝基板进行预处理，使得氮化铝表面形成氧化型过渡层，JurgenSchulz-Harder在氮化铝基板上溅射/蒸镀一层铜，铜的厚度须严格控制，并进行热氧化处理，制备的氮化铝DBC基板剥离强度≥50N/cm，孔洞率低，专利号US006066219A。任永鹏等公开了“一种氮化铝覆铜膜前体的制备方法与氮化铝覆铜膜前体、氮化铝覆铜膜及其制备方法”，公开号为CN101875569A在氮化铝表面形成4-10μm的铜、氧化铜或氧化亚铜等金属预烧层，并进行1250-1350℃热氧化处理，然后在550-650℃下热还原处理3-5h，制备的氮化铝DBC基板性能较好，但是这些方法的工艺复杂、工艺条件苛刻、成本高。本发明采用浸渍法在氮化铝表面制备一层改性层，经过热氧化处理，制备的氮化铝DBC基板剥离强度高、孔洞率低、抗温度循环性能好，简化了工艺条件。
发明内容
本发明主要提出了DBC用氮化铝基板的预处理方法，通过在氮化铝基板表面浸渍一层过渡层，通过热氧化处理形成复合氧化层。该方法拥有以下优点：不仅显著降低了基板热氧化的工艺条件，促进氧化层的均匀一致生长；并且提高高温下基板对氧化铜的润湿能力，改善当前氮化铝DBC基板孔洞率高、剥离强度低、抗温度循环性能差的问题，简化了氮化铝DBC制备工艺。过渡改性层的制备方法简单，易于实施。
本发明的技术方案是：
覆铜用氮化铝基板的预处理方法，包括如下步骤：
第一步，氮化铝基板表面清洗；
第二步，氮化铝基板表面活化：将氮化铝基板浸入到NaOH溶液，用超声清洗工艺使得表面均匀一致，去掉氮化铝基板表面氧化层，露出崭新的氮化铝表面；
第三步，制备氮化铝基板表面过渡层，将活化过的氮化铝基板浸入浸渍液中，然后缓慢匀速提拉出浸渍液，在氮化铝基板形成薄的涂层，再将浸渍后的氮化铝基板经过100~300℃的预处理，然后自然冷却，涂层形成为均匀一致薄膜，即为过渡层；
第四步，将已经形成过渡层的氮化铝基板表面进行热氧化处理，形成复合氧化层；
第五步，将预氧化好的氮化铝基板与预氧化好的铜片，通过工装夹具装好，进行第一面和第二面烧结。
步骤二所述的氮化铝基板活化用的NaOH溶液的浓度为0.02mol/L~0.5mol/L，活化超声处理时间为1min~20min，超声功率20%~90%，水温30~60℃。
步骤三所述的浸渍液由主盐和添加剂混合而成的混合液；所述的主盐由硝酸锰、硫酸铜、硝酸钙及硫酸铝的两种或三种混合而成；所述的添加剂为柠檬酸钠、EDTA的一种或两种溶液混合而成。
所述的浸渍液中硝酸锰的浓度为0.0001~0.0125mol/L，硫酸铜的摩尔浓度为0.0001~0.0125mol/L，硝酸钙的浓摩尔度为0~0.005mol/L，硫酸铝的摩尔浓度为0~0.005mol/L，柠檬酸钠和EDTA的浓度均为0~0.01mol/L。
步骤四所述的氮化铝基板热氧化处理的工艺参数为：处理温度1000℃~1400℃，保温时间为30min~300min，氧氮含量比为1/10~1/1。
本方案中基板清洗剂是弱碱性的除油溶液，保证基板表面无油污，是基板活化均匀一致的前提。
本方案中基板活化采用NaOH溶液的浓度为0.02mol/L~0.5mol/L，采用超声清洗处理，超声处理时间为1min~20min，超声功率20%~90%，水温30~60℃。
本方案中过渡层的制备方法为浸渍法，制备有过渡层的氮化铝基板需经过100~300℃的预处理，并自然冷却，过渡层形成均匀一致薄膜。
本方案中氮化铝基板的热氧化温度为1000℃~1400℃，保温时间为30min~300min，氧氮含量比为1/10~1/1。氮化铝基板热氧化处理时升、降温速率需控制，保证过渡层不产生裂纹。
本方案中氮化铝覆铜基板的烧结与氧化铝DBC板制备工艺相同。本发明的优势在于通过浸渍法制备过渡层，经过热氧化后形成的复合过渡层显著降低氮化铝基板预处理对设备及工艺条件的严苛要求，过渡层均匀一致，高温下与铜片氧化层润湿良好。制备的氮化铝DBC基板孔洞率极低，剥离强度高，抗温度循环能力强。
附图说明：
图1所示为温度循环测试样结构。
图2所示为氮化铝DBC示意图。
图2中：1-覆铜层，2-过渡层，3-AlN。
图3所示为氮化铝过渡层微观形貌。
具体实施方式
结合附图对本发明覆铜用氮化铝基板的预处理方法进行详细说明，其制备过程主要包括以下步骤：
第一步，氮化铝基板表面清洗；
第二步，氮化铝基板表面活化：将氮化铝基板浸入到NaOH溶液，用超声清洗工艺使得表面均匀一致，去掉氮化铝基板表面氧化层，露出崭新的氮化铝表面；
第三步，制备氮化铝基板表面过渡层，将活化过的氮化铝基板浸入浸渍液中，然后缓慢匀速提拉出浸渍液，在氮化铝基板形成薄的涂层，再将浸渍后的氮化铝基板经过100~300℃的预处理，然后自然冷却，涂层形成为均匀一致薄膜，即为过渡层；
第四步，将已经形成过渡层的氮化铝基板表面进行热氧化处理，形成复合氧化层；
第五步，将预氧化好的氮化铝基板与预氧化好的铜片，通过工装夹具装好，进行第一面和第二面烧结。
通过以下实例进行说明。
实例一，如图2所示氮化铝DBC结构，陶瓷厚0.635mm，长、宽为76.2mm。
将自制的氮化铝基板放入除油液中超声清洗10min，表面清洁无油污。
将氮化铝基板置于浓度为0.1mol/L的NaOH溶液中活化，采用超声处理，时间为5min，超声功率60%，水温60℃。
采用浸渍法在活化好的氮化铝基板表面制备过渡层，过渡层中硝酸锰的摩尔含量为0.01mol/L、硫酸铜为0.01mol/L，添加剂柠檬酸钠0.005mol/L。
制备好过渡层的氮化铝基板需经过300℃的预处理，并自然冷却，过渡层形成均匀一致薄膜。
制备有过渡层的氮化铝基板在1300℃进行热氧化处理，保温时间为150min，氧氮含量比为1/1。
实例二，如图2所示氮化铝DBC结构，陶瓷厚0.635mm、长宽为76.2mm。将自制氮化铝基板放入除油液中超声清洗10min，表面清洁无油污。
将氮化铝基板置于浓度为0.1mol/L的NaOH溶液中活化，采用超声处理，时间为5min，超声功率60%，水温60℃。
采用浸渍法在活化好的氮化铝基板表面制备过渡层，过渡层中硝酸锰的摩尔含量为0.01mol/L、硫酸铜为0.005mol/L、硝酸钙及硫酸铝各0.001mol/L，添加剂柠檬酸钠0.005mol/L。
制备好过渡层的氮化铝基板需经过300℃的预处理，并自然冷却，过渡层形成均匀一致薄膜。
制备有过渡层的氮化铝基板在1300℃进行热氧化处理，保温时间为150min，氧氮含量比为1/1。
两种工艺参数下制备的氮化铝DBC基板的性能如表所示。
实例一、二测试结果：
注：温度循环测试样品尺寸25mm×30mm，测试样如图1所示，测试条件GJB548B方法1010.1，条件B，-55+0-10℃到125+15-0℃。
实施例一、二的氮化铝过渡层的元素组成如下：
实例一
| Element | Weight% | Atomic% |
| O K | 37.05 | 52.68 |
| Al K | 50.57 | 42.64 |
| Mn K | 8.29 | 3.43 |
| Cu K | 1.94 | 0.69 |
| Y L | 2.15 | 0.55 |
| Totals | 100.00 |
实例二
| Element | Weight% | Atomic% |
| C K | 13.07 | 19.86 |
| O K | 53.73 | 61.32 |
| Al K | 24.03 | 16.26 |
| Mn K | 1.80 | 0.60 |
| Cu K | 5.43 | 1.56 |
| Y L | 1.95 | 0.40 |
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所述实施例，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做出种种等同的变型或替换，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 (3)
1.覆铜用氮化铝基板的预处理方法，其特征在于，包括如下步骤：
第一步，氮化铝基板表面清洗；
第二步，氮化铝基板表面活化：将氮化铝基板浸入到NaOH溶液，用超声清洗工艺使得表面均匀一致，去掉氮化铝基板表面氧化层，露出崭新的氮化铝表面；
第三步，制备氮化铝基板表面过渡层，将活化过的氮化铝基板浸入浸渍液中，然后缓慢匀速提拉出浸渍液，在氮化铝基板形成薄的涂层，再将浸渍后的氮化铝基板经过100~300℃的预处理，然后自然冷却，涂层形成为均匀一致薄膜，即为过渡层；
第四步，将已经形成过渡层的氮化铝基板表面进行热氧化处理，形成复合氧化层；
第五步，将预氧化好的氮化铝基板与预氧化好的铜片，通过工装夹具装好，进行第一面和第二面烧结；
步骤三所述的浸渍液由主盐和添加剂混合而成的混合液；所述的主盐由硝酸锰、硫酸铜、硝酸钙及硫酸铝的两种或三种混合而成；所述的添加剂为柠檬酸钠、EDTA的一种或两种溶液混合而成；所述的浸渍液中硝酸锰的摩尔浓度为0.0001~0.0125mol/L，硫酸铜的摩尔浓度为0.0001~0.0125mol/L，硝酸钙的浓摩尔度为0~0.005mol/L，硫酸铝的摩尔浓度为0~0.005mol/L，柠檬酸钠和EDTA的浓度均为0~0.01mol/L，且柠檬酸钠和EDTA的浓度不同时取0。
2.根据权利要求1所述的覆铜用氮化铝基板的预处理方法，其特征在于，步骤二所述的氮化铝基板活化用的NaOH溶液的浓度为0.02mol/L~0.5mol/L，活化超声处理时间为1min~20min，超声功率20%~90%，水温30~60℃。
3.根据权利要求1所述覆铜用氮化铝基板的预处理方法，其特征在于，步骤四所述的氮化铝基板热氧化处理的工艺参数为：处理温度1000℃~1400℃，保温时间为30min~300min，氧氮含量比为1/10~1/1。
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