CN105506624B - 一种氮化铝陶瓷基板的镀膜方法 - Google Patents

一种氮化铝陶瓷基板的镀膜方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种氮化铝陶瓷基板的镀膜方法，包括步骤：S1，对待加工的氮化铝陶瓷基板进行清洗；S2，清洗完成之后，在氮化铝陶瓷基板上电镀一层渐变的TiAlN金属化合物膜层或者NiAlN金属化合物膜层；S3，在镀好的TiAlN金属化合物膜层上镀TiCu合金膜层；S4，在镀好的TiCu合金膜层上镀Cu金属膜层，完成陶瓷基板的镀膜操作。本发明提高金属与氮化铝陶瓷基板的结合力外，还可以减少工序中引入的热阻层，从而提高封装基板的导热和散热性能。

Description

一种氮化铝陶瓷基板的镀膜方法
技术领域
本发明涉及一种镀膜方法，具体地说是一种氮化铝陶瓷基板的镀膜方法。
背景技术
近几十年来，随着集成电子技术的提高，电子器件，如微波器件、LED芯片等，都在朝着高密度，高集成和高功率的方向发展。电子器件的功率和封装集成度越来越高，所产生的热量也在不断增加，如果不能很好的解决器件的散热问题，就会严重的影响到器件的使用效率和寿命。因此，性能优良的散热基板是电子封装中必不可少的，而氮化铝(AlN)陶瓷具有高导热系数，线膨胀系数与常规芯片(如LED芯片)相匹配，绝缘性好等优点，能很好的符合大功率芯片和高密度集成的封装要求。
目前，陶瓷基板金属化的方法主要有低温共烧多层陶瓷(LTCC)，高温共烧多层陶瓷(HTCC)，直接覆铜法(DBC法)和直接镀铜法(DPC法)。直接镀铜法(DPC法)是近些年来发展最快的方法，它的工艺稳定，易于控制，成品合格率高。其应用在Al2O3陶瓷基板的金属化中获得了很大的成功，制备的Al2O3陶瓷封装支架有很大的优点：金属铜箔与陶瓷结合力高，散热能力强。但金属铜与Al2O3陶瓷基板之间存在过渡层(即金属氧化物，如Cu2O)，增加了封装基板的热阻，降低了其散热性能。而对AlN基板进行金属化时，为了获得金属与陶瓷基板良好结合力的封装支架，必须事先对AlN陶瓷表面进行氧等离子处理，使其表面形成一层Al2O3薄层，再重复Al2O3陶瓷基板金属化的工艺步骤。除了高热阻的金属氧化层(如Cu2O)会降低AlN陶瓷支架的散热性能外，热导率比AlN陶瓷基板低7-8倍的Al2O3薄层的引入也会严重降低整个封装支架的导热和散热性能。并且，以这种金属化工艺制备的AlN陶瓷基板的金属和陶瓷之间的结合力要比Al2O3陶瓷基板的要差，还存在不稳定的问题。
对于这些不足，也有人提出了一些改善的方法。如专利CN201020197717.7所述，公开了一种通过在氮化铝陶瓷基板和铜金属层之间设有钨或钼或钨钼金属化层来改善金属铜和氮化铝陶瓷基板结合力的方法。专利CN201110214212.6也公开了一种通过采用磁控溅射和/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。而在专利CN201410031911.0中，则提出了一种先在氮化铝陶瓷板表面通过物理气相沉积钛层，然后在钛层上面电镀铜层，最后将其进行热处理形成TiN和TiCu冶金过渡层的金属化方法。虽然这些方法对铜层和陶瓷基板的结合力有所提高，但工艺复杂，要经过的工序较多，工艺环境还是相对苛刻，会降低产品的合格率等问题出现。因此，本发明提出一种结合力更好，工序更为简单，效率更高的陶瓷基板镀膜方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种氮化铝陶瓷基板的镀膜方法，提高金属与氮化铝陶瓷基板的结合力外，还可以减少工序中引入的热阻层，从而提高封装基板的导热和散热性能。
为了解决上述技术问题，本发明采取以下技术方案：
一种氮化铝陶瓷基板的镀膜方法，包括以下步骤：
S1，对待加工的氮化铝陶瓷基板进行清洗；
S2，清洗完成之后，在氮化铝陶瓷基板上电镀一层渐变的TiAlN金属化合物膜层或者NiAlN金属化合物膜层；
S3，在镀好的TiAlN金属化合物膜层上镀TiCu合金膜层；
S4，在镀好的TiCu合金膜层上镀Cu金属膜层，完成陶瓷基板的镀膜操作。
所述步骤S2中进行TiAlN金属化合物膜层或者NiAlN金属化合物膜层的制备时，设置初始真空度0.3～0.5Pa，Ti或Ni靶电流4～6A，Al靶电流19～22A，引入氮气和和氩(Ar)气，氮气流量78～82sccm，Ar气流量95～105sccm，进行第一阶段的操作，该第一阶段的操作持续时间为28～32s；
第一阶段的操作完成后，Ti或Ni靶电流设为9～11A，Al靶电流设为14～16A，停止引入氮气，继续引入Ar气，且Ar气流量保持在95～105sccm，进行第二阶段的操作，该第二阶段的操作持续时间为58～62s；
第二阶段的操作完成后，Ti或Ni靶电流设为14～16A，Al靶电流设为9～11A，继续引入Ar气，且Ar气流量保持在95～105sccm，进行第三阶段的操作，该第三阶段的操作持续时间为88～92s；
第三阶段的操作完成后，Ti靶电流设为19～21A，Al靶电流设为4～6A，继续引入Ar气，且Ar气流量保持在95～105sccm，进行第四阶段的操作，该第四阶段的操作持续时间为28～32s，该第四阶段的操作完成后即完成TiAlN金属化合物膜层或者NiAlN金属化合物膜层的制备。
所述步骤S3中进行TiCu合金膜层的制备时，设置初始真空度0.3～0.5Pa，Ti靶电流14～16A，Cu靶电流14～16A，引入Ar气且该Ar气的流量保持在95～105sccm，镀膜58～62s后即完成TiCu合金膜层的制备。
所述步骤S4中进行Cu金属膜层的制备时，初始真空度为0.3～0.5Pa，Cu靶电流14～16A，引入Ar气且该Ar气的流量保持在95～105sccm，镀膜58～62s后即完成Cu金属膜层的制备。
所述步骤S1中对陶瓷基板进行清洗时，采用Ar气进行射频等离子体清洗，工作气压为0.5Pa，电源射频功率为100W，清洗时间为5分钟。所述渐变的TiAlN金属化合物膜层或者NiAlN金属化合物膜层，在制备过程中，初始时Ti或者Ni所占比例小于AlN所占比例，随着制备的进行，逐渐增加Ti或者Ni的量，同时减少AlN的量，完成制备时Ti或者Ni所占比例大于AlN所占比例。
所述TiCu合金膜层中，Ti和Cu的比例为1：1，或者Ti所占比例小于Cu所占比例。
本发明克服了目前氮化铝陶瓷基板金属化工艺复杂，容易引入额外的杂质元素而造成散热不良，同时成品率不高等缺点。
有益效果主要体现在：
一，通过金属化合物成分比渐变的方式来提高金属膜层和氮化铝陶瓷基板的结合强度；
二，金属合金膜层和金属膜层都是通过磁控溅射的方式制备的，工艺简单可控，可以方便利用目前通用的磁控镀膜设备；
三，这些膜层可以在一次镀膜工序中制备完成，减少目前工业生产工序中需要中途加热或者电镀等复杂工艺，引入不希望的出现的杂质成分，如Al2O3膜层和高热阻的金属氧化层(如Cu2O)等，从而提高产品的合格率和质量。
附图说明
附图1为本发明制备后的陶瓷基板的剖面结构示意图。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员的理解，下面结合附图对本发明作进一步的描述。
本发明揭示了一种氮化铝陶瓷基板的镀膜方法，一种氮化铝陶瓷基板的镀膜方法，包括以下步骤：
S1，对待加工的氮化铝陶瓷基板进行清洗。清洗时，把待镀氮化铝陶瓷基板1放到镀膜室内，先进行射频等离子体清洗，采用Ar气，工作气压为0.5Pa，电源射频功率为100W，清洗时间为5分钟。
S2，清洗完成之后，在氮化铝陶瓷基板上电镀一层渐变的TiAlN金属化合物膜层或者NiAlN金属化合物膜层。
S3，在镀好的TiAlN金属化合物膜层上镀TiCu合金膜层。
S4，在镀好的TiCu合金膜层上镀Cu金属膜层，完成陶瓷基板的镀膜操作。如附图1所示，为经本方面方法制备完成的陶瓷基板，由下往上依次为陶瓷基板1、TiAlN金属化合物膜层或者NiAlN金属化合物膜层2、镀TiCu合金膜层3和Cu金属膜层4。
所述步骤S2中进行TiAlN金属化合物膜层或者NiAlN金属化合物膜层的制备时，设置初始真空度0.3～0.5Pa，Ti或Ni靶电流4～6A，Al靶电流19～22A，引入氮气和氩(Ar)气，氮气流量78～82sccm，Ar气流量95～105sccm，进行第一阶段的操作，该第一阶段的操作持续时间为28～32s；
第一阶段的操作完成后，Ti或Ni靶电流设为9～11A，Al靶电流设为14～16A，停止引入氮气，继续引入Ar气，且Ar气流量保持在95～105sccm，进行第二阶段的操作，该第二阶段的操作持续时间为58～62s；
第二阶段的操作完成后，Ti或Ni靶电流设为14～16A，Al靶电流设为9～11A，继续引入Ar气，且Ar气流量保持在95～105sccm，进行第三阶段的操作，该第三阶段的操作持续时间为88～92s；
第三阶段的操作完成后，Ti靶电流设为19～21A，Al靶电流设为4～6A，继续引入Ar气，且Ar气流量保持在95～105sccm，进行第四阶段的操作，该第四阶段的操作持续时间为28～32s，该第四阶段的操作完成后即完成TiAlN金属化合物膜层或者NiAlN金属化合物膜层的制备。
所述步骤S3中进行TiCu合金膜层的制备时，设置初始真空度0.3～0.5Pa，Ti靶电流14～16A，Cu靶电流14～16A，引入Ar气且该Ar气的流量保持在95～105sccm，镀膜58～62s后即完成TiCu合金膜层的制备。
所述步骤S4中进行Cu金属膜层的制备时，初始真空度为0.3～0.5Pa，Cu靶电流14～16A，引入Ar气且该Ar气的流量保持在95～105sccm，镀膜58～62s后即完成Cu金属膜层的制备。
所述渐变的TiAlN金属化合物膜层或者NiAlN金属化合物膜层，在制备过程中，初始时Ti或者Ni所占比例小于AlN所占比例，随着制备的进行，逐渐增加Ti或者Ni所占比例，同时减少AlN所占比例，完成制备时Ti或者Ni所占比例大于AlN所占比例。TiCu合金膜层中，Ti和Cu的比例为1：1，或者Ti所占比例小于Cu所占比例。即金属化合物膜层制备时，初始膜层的成分主要为AlN，而Ti成分很低或者为零，然后逐步增加Ti的成分和减少AlN的成分，膜层最后的主要成分为Ti金属膜层。接着在第一层渐变TiAlN金属化合物膜层上溅镀第二层TiCu合金膜层。TiCu合金膜层可以是钛铜成分比为1:1的膜层，也可以是Ti成分逐步减少而Cu成分逐步增加的膜层。通过金属化合物成分所占比例渐变的方式来提高金属膜层和氮化铝陶瓷基板的结合强度，这是因为在接近氮化铝陶瓷基板的过渡层膜层成分主要是氮化铝或者含有少量钛的氮化铝膜层。
下面以具体的实施方式对制备各膜层进行详细的说明。
所述步骤S2中进行TiAlN金属化合物膜层或者NiAlN金属化合物膜层的制备时，设置初始真空度0.3Pa，Ti或Ni靶电流5A，Al靶电流20A，引入氮气和Ar气，氮气流量80sccm，Ar气流量100sccm，进行第一阶段的操作，该第一阶段的操作持续时间为30s。
第一阶段的操作完成后，Ti或Ni靶电流设为10A，Al靶电流设为15A，停止引入氮气，继续引入Ar气，且Ar气流量保持在100sccm，进行第二阶段的操作，该第二阶段的操作持续时间为60s。
第二阶段的操作完成后，Ti或Ni靶电流设为15A，Al靶电流设为10A，继续引入Ar气，且Ar气流量保持在100sccm，进行第三阶段的操作，该第三阶段的操作持续时间为90s。
第三阶段的操作完成后，Ti靶电流设为20A，Al靶电流设为5A，继续引入Ar气，且Ar气流量保持在100sccm，进行第四阶段的操作，该第四阶段的操作持续时间为30s，该第四阶段的操作完成后即完成TiAlN金属化合物膜层或者NiAlN金属化合物膜层的制备。
所述步骤S3中进行TiCu合金膜层的制备时，设置初始真空度0.3Pa，Ti靶电流15A，Cu靶电流15A，引入Ar气且该Ar气的流量保持在100sccm，镀膜60s后即完成TiCu合金膜层的制备。
所述步骤S4中进行Cu金属膜层的制备时，初始真空度为0.3Pa，Cu靶电流15A，引入Ar气且该Ar气的流量保持在100sccm，镀膜60s后即完成Cu金属膜层的制备。该步骤S4可看成是步骤S3的延续，只需要关闭步骤S3中的Ti靶电流即可，其他参数条件保持不变。
需要说明的是，以上所述并非是对本发明技术方案的限定，在不脱离本发明的创造构思的前提下，任何显而易见的替换均在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种氮化铝陶瓷基板的镀膜方法，包括以下步骤：
S1，对待加工的氮化铝陶瓷基板进行清洗；
S2，清洗完成之后，在氮化铝陶瓷基板上电镀一层渐变的TiAlN金属化合物膜层或者NiAlN金属化合物膜层；
S3，在镀好的TiAlN金属化合物膜层上镀TiCu合金膜层；
S4，在镀好的TiCu合金膜层上镀Cu金属膜层，完成陶瓷基板的镀膜操作；
所述步骤S2中进行TiAlN金属化合物膜层或者NiAlN金属化合物膜层的制备时，设置初始真空度0.3～0.5Pa，Ti或Ni靶电流4～6A，Al靶电流19～22A，引入氮气和Ar气，氮气流量78～82sccm，Ar气流量95～105sccm，进行第一阶段的操作，该第一阶段的操作持续时间为28～32s；
第一阶段的操作完成后，Ti或Ni靶电流设为9～11A，Al靶电流设为14～16A，停止引入氮气，继续引入Ar气，且Ar气流量保持在95～105sccm，进行第二阶段的操作，该第二阶段的操作持续时间为58～62s；
第二阶段的操作完成后，Ti或Ni靶电流设为14～16A，Al靶电流设为9～11A，继续引入Ar气，且Ar气流量保持在95～105sccm，进行第三阶段的操作，该第三阶段的操作持续时间为88～92s；
第三阶段的操作完成后，Ti靶电流设为19～21A，Al靶电流设为4～6A，继续引入Ar气，且Ar气流量保持在95～105sccm，进行第四阶段的操作，该第四阶段的操作持续时间为28～32s，该第四阶段的操作完成后即完成TiAlN金属化合物膜层或者NiAlN金属化合物膜层的制备。
2.根据权利要求1所述的氮化铝陶瓷基板的镀膜方法，其特征在于， 所述步骤S3中进行TiCu合金膜层的制备时，设置初始真空度0.3～0.5Pa，Ti靶电流14～16A，Cu靶电流14～16A，引入Ar气且该Ar气的流量保持在95～105sccm，镀膜58～62s后即完成TiCu合金膜层的制备。
3.根据权利要求2所述的氮化铝陶瓷基板的镀膜方法，其特征在于，所述步骤S4中进行Cu金属膜层的制备时，初始真空度为0.3～0.5Pa， Cu靶电流14～16A，引入Ar气且该Ar气的流量保持在95～105sccm，镀膜58～62s后即完成Cu金属膜层的制备。
4.根据权利要求3所述的氮化铝陶瓷基板的镀膜方法，其特征在于，所述步骤S1中对陶瓷基板进行清洗时，采用Ar气进行射频等离子体清洗，工作气压为0.5Pa，电源射频功率为100W，清洗时间为5分钟。
5.根据权利要求4所述的氮化铝陶瓷基板的镀膜方法，其特征在于，所述渐变的TiAlN金属化合物膜层或者NiAlN金属化合物膜层，在制备过程中，初始时Ti或者Ni所占比例小于AlN所占比例，随着制备的进行，逐渐增加Ti或者Ni的量，同时减少AlN的量，完成制备时Ti或者Ni所占比例大于AlN所占比例。
6.根据权利要求5所述的氮化铝陶瓷基板的镀膜方法，其特征在于，所述TiCu合金膜层中，Ti和Cu的比例为1：1，或者Ti所占比例小于Cu所占比例。
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