CN105845583B - 一种陶瓷-金属复合基板制备工艺 - Google Patents
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Abstract
一种陶瓷‑金属复合基板制备工艺，涉及电子封装领域。该复合材料基板由陶瓷片、金属粘结层和金属基板组成，其特征在于所述的制备工艺为，首先在陶瓷片和金属片的一面分别制备出带一定间距和尺寸的纳米棒阵列结构，然后向纳米棒表面沉积或化学镀低熔点金属或合金，最后将两个带纳米棒的表面在低温下叠合压紧，纳米棒与纳米棒在压力的作用下，相互交错插入，纳米棒表面低熔点金属相互渗透扩散形成熔化状态的共晶合金熔体，随后在室温下固化形成结构致密结合牢固的金属粘接层。本发明制备的陶瓷‑金属复合基板不仅导热性能、绝缘性能好，与芯片的热匹配性能优良，而且可实现陶瓷与金属在低温甚至常温下直接粘合，粘接强度高，制备工艺简单，适合大批量生产。
Description
技术领域
本发明涉及电子封装领域，具体涉及一种陶瓷-金属复合材料基板。
背景技术
电子封装基板可为芯片提供机械支撑、电连接、保护、散热、组装等功效。近年来，随着电子封装向高密度、高功率方向发展，不仅要求封装基板具有高的机械强度、良好的电性能、高的可靠性，还必须具有优良的导热性能以及良好的经济性。
目前常用的基板材料有硅、金属、陶瓷以及复合材料等。硅(Si)是最早使用的基板材料，具有成本低、导热性好等优点，但是其机械强度低，容易产生龟裂，抗弯强度低，在淀积厚的介质层和金属化层后易产生较大的弯曲和翘曲。金属基板具有导热性好、机械力学性能优良、易加工等优点，应用广泛，但由于金属为电的良导体，在作为基板材料时，需要在表面涂覆树脂等绝缘层，而树脂等绝缘层的导热性较差，同时金属的热膨胀系数与芯片不匹配，易产生热应力而造成芯片脱层开裂。陶瓷基板具有良好的介电性能、导热性能，以及良好的绝缘性，并且与芯片的热膨胀系数相匹配，是一种性能优异的基板材料。将金属与陶瓷材料相结合来制备金属陶瓷复合材料基板，从而获得两者的综合性能是一种理想的选择，近年来也受到了广泛的研究。
目前市场常见的金属陶瓷复合材料封装基板有DBC、DAB、DPC、LTCC、HTCC、Al/SiC等。其中，DBC直接敷铜陶瓷基板导热性能好，但是金属与陶瓷需要在高达1100℃的温度下敷接，制备工艺复杂，同时金属与陶瓷润湿性差。DAB直接敷铝陶瓷基板，亦需在高温下键合，同时抗热震性能相对较差。DPC直接镀铜陶瓷基板，采用溅镀工艺，虽然降低了制备温度，但金属铜层与陶瓷层易发生热循环剥离失效。HTCC高温共烧陶瓷基板，其热导率较高，同时机械力学性能优良，然而其能耗巨大，同时对金属材料有较大限制。LTCC低温共烧陶瓷基板，虽然降低了烧结温度，增大了金属材料的选择范围，然而其热导率也大大降低。采用熔渗工艺或粉末冶金法制备的Al/SiC复合材料基板虽然具有优异的导热性能，然而其制备工艺复杂，成本较高，同时其绝缘性较差。
专利CN102922828A公布了一种铜箔键合陶瓷基板的复合板及其制备方法，其首先采用溅镀工艺在陶瓷板表面溅镀一薄层铜膜，然后在铜膜表面贴合铜箔，在900~1200℃, 1～10kg/cm2的压力下键合5～10 分钟。该基板制备工艺复杂，成本较高。专利CN103079339A提出了一种金属陶瓷复合基板及其制造方法，其采用离子注入法在金属基板表面与陶瓷层之间增加了一层金属及金属氮化物形成的金属陶瓷过渡层，然后采用气相沉积法在过渡层上形成陶瓷薄膜层，该方法虽然提高了陶瓷与金属基板的结合强度，但制备工艺复杂、生产效率较低。因此，为了解决以上技术难题，本发明提出了一种陶瓷-金属复合基板制备工艺。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种陶瓷-金属复合材料基板制备工艺。以解决现有陶瓷-金属复合材料基板界面热阻大，导热性能差，陶瓷-金属结合强度低，制备工艺复杂，生产效率低等技术难题。
本发明所采用的技术方案是：
一种陶瓷-金属复合基板制备工艺，该复合基板由陶瓷片（1）、金属粘接层（2）和金属基板（3）组成。其特征在于所述的一种陶瓷-金属复合材料基板制备工艺包括以下步骤：
1) 首先，对陶瓷片（1）和金属基板（3）的单面分别进行抛光及清洁处理；
2)在金属基板（3）及陶瓷片（1）的抛光表面上制备出一层纳米棒阵列结构；
3) 分别在两纳米棒表面形成一层低熔点金属；
4) 将带纳米棒的陶瓷片（1）和带纳米棒的金属基板（3）表面在一定的温度及压力下进行叠合压紧；
5) 最后经过后处理即可制得陶瓷-金属复合基板。
作为优选，所述的纳米棒阵列结构中，纳米棒直径为10~20nm，纳米棒之间的间距为15~60nm。
作为优选，所述的纳米棒阵列结构可以采用气相沉积法制备。
作为优选，所述的纳米棒的制备材料可以为金、银、锡、铅、铟、铝、铜、铂金属及其合金或金属氧化物中的一种或两种。
作为优选，所述的纳米棒表面的低熔点金属包括铟和镓，可以采用气相沉积、化学镀方法涂敷。
作为优选，所述的低熔点金属可以为铟、镓、锡、铅、铝金属及其合金中的一种或多种。
作为优选，所述的陶瓷片（1）为氧化铝陶瓷、氮化铝陶瓷、氮化硅陶瓷、堇青石陶瓷或多元电子陶瓷材料中的一种或多种。
作为优选，所述的金属基板（3）可以为铝、铜、铁、镍、铂、银、金金属及其合金材料中的一种。
作为优选，所述的一定的温度及压力下进行叠合压紧，其中温度为18~150℃，压力为0.5~5MPa，并保持温度及压力3~50min。
本发明的金属粘接原理不同于传统金属-陶瓷复合基板靠化学粘接剂连接或普通的金属低温钎焊，它采用气相沉积或溅镀的方式在陶瓷片与金属基板上分别制备出带一定间距及尺寸的纳米棒阵列结构，利用气相沉积或溅射或化学镀的方法在纳米棒上涂覆一层低熔点金属，然后将带纳米棒阵列结构的陶瓷片和金属基板相对叠合压紧，由于纳米棒与纳米棒之间具有足够的间隙，纳米棒棒状突起形成的巨大表面积以及纳米颗粒的高的表面活性，纳米棒与纳米棒在压力的作用下，相互交错插入，纳米棒表面低熔点金属相互渗透扩散形成熔化状态的共晶合金熔体，随后在室温和无压力条件下，固化形成结构致密结合牢固的金属粘接层，从而使陶瓷片与金属基板紧密的粘接在一起。
本发明的有益效果是：本发明的陶瓷-金属复合基板制备工艺克服了传统金属陶瓷键合需要高温高压等复杂条件，采用低温（低于200℃）低压工艺，使陶瓷与金属在低温甚至常温下直接键合，避免了热应力及变形等缺陷，同时制备工艺简单，大大提高了生产效率。由于键合界面为金属材质，减少了热阻，本发明制备的陶瓷-金属复合基板不仅结合强度高，密封性能好、导热性能、介电性能、绝缘性能优良、与芯片的热匹配性能好，并且生产效率高，适合大批量生产。
附图说明
图1是本发明的结构示意图，其中，1表示陶瓷片，2表示金属粘接层，3表示金属基板。
图2是本发明陶瓷片与金属基板沉积纳米棒阵列后结构示意图。
图3是本发明陶瓷片与金属基板粘合后结构示意图。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对发明作进一步的说明。实施例中所用的技术方案及工艺均为本领域内的通用技术方案及工艺。
实施例1
本例为氧化铝陶瓷与铝金属复合材料基板，具体制备工艺为：
1)首先，对氧化铝陶瓷片（1）和铝金属基板（3）的单面分别进行抛光及清洁处理；
2)采用物理气相沉积法在铝金属基板（3）及氧化铝陶瓷片（1）的抛光表面上分别沉积出一层直径10nm，间距15nm的金属银纳米棒阵列结构；
3)采用物理气相沉积向氧化铝陶瓷片（1）的纳米棒表面沉积一层金属铟；向铝金属基板（3）的纳米棒表面沉积一层金属镓；
4)将氧化铝陶瓷片（1）和铝金属基板（3）带纳米棒的表面在18℃温度下、5MPa压力下进行叠合压紧，并保压3min；金属铟和镓在18℃温度下相互扩散，形成铟镓共晶合金熔体，共晶合金熔体填充间隙，最终固化形成结合紧密牢固的金属粘接层，从而使氧化铝陶瓷片（1）和铝金属基板（3）牢固的粘接在一起；
5)最后经过切割等后处理即可制得氧化铝陶瓷与铝金属复合材料基板。
实施例2
本例为氧化铝陶瓷与铝合金复合基板，具体制备工艺为：
1)首先，对氧化铝陶瓷片（1）和铝合金基板（3）的单面分别进行抛光及清洁处理；
2)采用化学气相沉积法在铝合金基板（3）及氧化铝陶瓷片（1）的抛光表面上分别沉积出一层直径15nm，间距30nm的金属铝纳米棒阵列结构；
3)采用化学气相沉积向氧化铝陶瓷片（1）的纳米棒表面沉积一层金属铟；向铝合金基板（3）的纳米棒表面沉积一层金属锡；
4)将氧化铝陶瓷片（1）和铝合金金属基板（3）带纳米棒的表面在120℃温度下、3MPa压力下进行叠合压紧，并保温保压30min，铟与锡发生相互渗透扩散，形成低温共晶合金熔体，低温共晶合金熔体不断填充间隙，最终固化形成结合紧密牢固的金属粘接层，从而使氧化铝陶瓷片（1）和铝合金基板（3）牢固的粘接在一起；
5)最后经过切割等后处理即可制得氧化铝陶瓷与铝合金复合材料基板。
实施例3
本例为氮化铝陶瓷与铜金属复合材料基板，具体制备工艺为：
1)首先，对氮化铝陶瓷片（1）和铜金属基板（3）的单面分别进行抛光及清洁处理；
2)采用化学气相沉积法在铜金属基板（3）及氮化铝陶瓷片（1）的抛光表面上分别沉积出一层直径20nm，间距60nm的金属铜纳米棒阵列结构；
3)采用物理气相沉积向氮化铝陶瓷片（1）的纳米棒表面沉积一层金属铟；向铜金属基板（3）的纳米棒表面沉积一层金属镓；
4)将氮化铝陶瓷片（1）和铜金属基板（3）带纳米棒的表面在150℃温度下、0.5 MPa压力下进行叠合压紧，并保温保压50min；铟与镓发生相互渗透扩散，形成低温共晶合金熔体，低温共晶合金熔体不断填充间隙，最终固化形成结合紧密牢固的金属粘接层，从而使氮化铝陶瓷片（1）和铜金属基板（3）牢固的粘接在一起；
5)最后经过切割等后处理即可制得氮化铝陶瓷与铜金属复合材料基板。
实施例4
本例为氮化硅陶瓷与铜合金复合材料基板，具体制备工艺为：
1)首先，对氮化硅陶瓷片（1）和铜合金基板（3）的单面分别进行抛光及清洁处理；
2)采用化学气相沉积法在铜合金基板（3）及氮化硅陶瓷片（1）的抛光表面上分别沉积出一层直径20nm，间距60nm的金属铜合金纳米棒阵列结构；
3)采用物理气相沉积向氮化硅陶瓷片（1）的纳米棒表面沉积一层金属铟镓合金；向铜合金基板（3）的纳米棒表面沉积一层金属锡；
4)将氮化硅陶瓷片（1）和铜合金基板（3）带纳米棒的表面在30℃温度下、4 MPa压力下进行叠合压紧，并保温保压40min，铟镓合金与锡发生相互渗透扩散，形成低温共晶合金熔体，低温共晶合金熔体不断填充间隙，最终固化形成结合紧密牢固的金属粘接层，从而使氮化铝陶瓷片（1）和铜合金基板（3）牢固的粘接在一起；
5)最后经过切割等后处理即可制得氮化硅陶瓷与铜合金复合材料基板。
以上实施例仅仅是对本发明的具体实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，本领域技术人员在现有技术的基础上还可做多种修改和变化，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。
Claims (9)
1.一种陶瓷-金属复合基板制备工艺，该复合基板由陶瓷片（1）、金属粘接层（2）和金属基板（3）组成，其特征在于所述的一种陶瓷-金属复合材料基板制备工艺包括以下步骤：
1)首先，对陶瓷片（1）和金属基板（3）的单面分别进行抛光及清洁处理；
2)在金属基板（3）及陶瓷片（1）的抛光表面上制备出一层纳米棒阵列结构；
3)分别在两纳米棒表面形成一层低熔点金属；
4)将带纳米棒的陶瓷片（1）和带纳米棒的金属基板（3）在一定的温度及压力下进行叠合压紧；
5)最后经过后处理即可制得陶瓷-金属复合基板。
2.根据权利要求1所述的一种陶瓷-金属复合基板制备工艺，其特征在于，所述的纳米棒阵列结构中，纳米棒直径为10~20nm，纳米棒之间的间距为15~60nm。
3.根据权利要求1所述的一种陶瓷-金属复合基板制备工艺，其特征在于，所述的纳米棒阵列结构可以采用气相沉积法制备。
4.根据权利要求1所述的一种陶瓷-金属复合基板制备工艺，其特征在于，所述的纳米棒的制备材料可以为金、银、锡、铅、铟、铝、铜、铂金属及其合金或金属氧化物中的一种或两种。
5.根据权利要求1所述的一种陶瓷-金属复合基板制备工艺，其特征在于，所述的纳米棒表面的低熔点金属包括铟和镓，可以采用气相沉积、化学镀方法涂敷。
6.根据权利要求1所述的一种陶瓷-金属复合基板制备工艺，其特征在于，所述的低熔点金属可以为铟、镓、锡、铅、铝金属及其合金中的一种或多种。
7.根据权利要求1所述的一种陶瓷-金属复合基板制备工艺，其特征在于，所述的陶瓷片（1）为氧化铝陶瓷、氮化铝陶瓷、氮化硅陶瓷、堇青石陶瓷或多元电子陶瓷材料中的一种或多种。
8.根据权利要求1所述的一种陶瓷-金属复合基板制备工艺，其特征在于，所述的金属基板（3）可以为铝、铜、铁、镍、铂、银、金金属及其合金材料中的一种。
9.根据权利要求1所述的一种陶瓷-金属复合基板制备工艺，其特征在于，所述的一定的温度及压力下进行叠合压紧，其中温度为18~150℃，压力为0.5~5MPa，并保持温度及压力3~50min。
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