CN108520855B - 一种纳米银浆提高陶瓷覆铜板可靠性的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公一种纳米银浆提高陶瓷覆铜板可靠性的方法，包括以下步骤：（1）将陶瓷基片进行清洗（2）依次在陶瓷上下表面采用真空磁控溅射或离子镀Ti、Zr、Hf或Cr金属层，Cu金属层，并化学镀银；（3）在沉积了金属层的陶瓷基板两侧涂覆纳米银焊膏层，和化学镀银铜箔装卡后在真空炉中进行烧结。由于采用上述技术方案，本发明方法利用纳米银浆使陶瓷基板实现厚铜连接，银粉粒度达到纳米级别，其表面效应会使纳米银浆的熔点远低于与银块体材料。与现有Ag‑Cu合金真空钎焊工艺相比，本发明可实现低温下烧结后，可以在低于银的熔点以下高温使用，烧结后形成的微孔结构对缓解陶瓷基板由于热胀系数不匹配造成的热应力有重要作用。
Description
技术领域
本发明属于覆铜基板制造技术领域，具体涉及高压大功率用高可靠性陶瓷金属可靠性连接方法。
背景技术
高压大功率模块所产生的热量主要是通过陶瓷覆铜板传导到外壳而散发到外界，因此陶瓷覆铜板是电力电子领域功率模块封装的不可或缺的关键基础材料。目前半导体器件的最高允许工作温度不仅取决于半导体材料的性质，还受封装技术的限制，陶瓷覆铜板是指在陶瓷表面进行金属化的特殊工艺板。但由于陶瓷和金属之间存在较大的热膨胀系数差异，冷却过程和使用过程中会产生较大的应力而产生微裂纹，并且一般的金属对陶瓷润湿性较差，达不到连接要求从而影响了基板的使用的效果。传统银浆厚膜金属化采用玻璃相作为粘结剂，玻璃粉在陶瓷表面金属化层中的作用有两个方面：第一，主要是金属对于陶瓷的润湿性较差，添加玻璃成分的存在可以提高金属在陶瓷表面的润湿性能；第二，玻璃粉熔融后可以充当粘结剂的作用，将银粉粘结，并能够降低烧结温度，作为助烧剂。但是玻璃相会增加热阻，且在玻璃相和氮基陶瓷反应的过程中会产生氮气，使得界面产生气泡，降低金属化的结合强度和使用可靠性。目前广泛应用的高压大功率陶瓷覆铜板主要采用活性金属钎焊法。此方法线路刻蚀过程复杂，且焊接残余应力较大。纳米材料及纳米技术作为21世纪最有前途的研究方向之一，其在焊接领域的应用才刚刚起步，将会使传统的焊接技术发生质的飞跃。
目前陶瓷基板存在焊接残余应力较大且在使用过程中极易产生裂纹失效开裂，从而影响整个功率模块的使用可靠性。传统的纯银焊料存在着钎焊温度高，高温强度低等特点，本发明采用真空磁控溅射或离子镀等工艺方法镀制预金属化层，采用不含玻璃相的纳米银焊膏烧结工艺，使银浆纳米银焊膏作为中间连接层，含银量约为80%-85%，不含铅、镉等有毒元素，具有附着力强、耐焊性和抗老化性能良好、导电性能好等特点。当材料颗粒达到纳米级时，其具有很高的表面活性和表面能，这使得纳米颗粒的熔点或者说烧结温度远低于块体材料，烧结后形成的材料具有和块体材料相似的熔点和性能，且烧结后得到含有纳米级微孔结构的中间层，这种微孔结构对于缓解界面热错配应力起着关键性的作用，并且可以得到界面结合强度良好的界面。
发明内容
本发明的目的是提供一种纳米银浆提高陶瓷覆铜板可靠性的方法，采用真空磁控溅射或离子镀预金属化和化学镀银层，其中预镀铜层用以保护活性金属层不被氧化，样品易于存储，化学镀银层可以提高纳米银焊膏对基板的，增强界面结合强度，同时由于纳米银焊膏的微孔结构起到缓解应力的作用。制备的陶瓷覆铜板具有承载电流大导热性能好，以及高的结合强度和高的耐热循环能力。
本发明的技术方案是：一种纳米银浆提高陶瓷覆铜板可靠性的方法，具体工艺步骤如下：
（1）将陶瓷基片和金属铜片在有机溶剂中进行超声波清洗20-30min，去除陶瓷基片表面粘附的油渍污垢，然后进行100-200℃干燥1-5h，使陶瓷基片表面的有机物和水份充分挥发，并对陶瓷基片表面进行离子轰击，使陶瓷基片表面达到原子级清洁；
（2）采用真空磁控溅射或离子镀的方法在步骤（1）中清洁过的氮化铝陶瓷基片表面依次沉积Ti、Zr、Hf或Cr金属层和Cu金属层，并电镀银层，得到预金属化的氮化铝陶瓷基片；
对金属铜片进行酸洗，去除表面氧化物膜，得到具有新鲜表面的金属铜片并化学镀银层；
（4）在步骤（2）中得到的沉积了金属层的氮化铝陶瓷上下表面涂覆纳米银焊膏，对焊膏进行预干燥处理，在100-150℃保温2-5h，使焊膏中的有机溶剂充分挥发，焊膏在陶瓷基片上固化；
（5）将步骤（3）中处理好的金属铜片和步骤（4）中的陶瓷基片进行装配，置于真空炉中抽真空，当炉内真空度达到5×10-4Pa时开始加热，同时加压0.5-1MPa将炉内温度加热到300-400℃保温1-3h，使粘结剂充分分解，然后再升温至600-700℃保温10-30min进行真空焊接；保温结束后以10-20℃/min的速率快冷至700℃，之后随炉冷却至室温即完成氮化铝陶瓷金属化。
进一步地，所述陶瓷基片的厚度为0.5mm-1mm，步骤（4)中所述铜金属片的厚度为0.15-0.5mm。
进一步地，步骤（2）所述采用真空磁控溅射或离子镀方式对陶瓷基片表面进行离子轰击达到原子级清洁并预金属化，其中Ti、Zr、Hf或Cr金属层厚度为1µm-2µm，溅射的Cu金属层厚度为5-10µm，涂敷的纳米银浆的厚度为10-30µm。
进一步地，所述的纳米银浆，银颗粒粒度为1-10nm，所述的银焊膏中有机溶剂和粘结剂分别为松油醇和乙基纤维素。
进一步地，所述真空焊接的真空度为1×10-3-5×10-4Pa。
采用陶瓷基片预金属化，其结合强度比厚膜工艺获得的陶瓷覆铜板电阻小，可承载高压大电流，由于采用了纳米银焊膏作为中间连接层，其在烧结过程中形成的微孔结构降低了陶瓷覆铜板的残余应力，使得陶瓷侧不易产生微裂纹，其耐热循环能力也得到大幅度提升，由于钛金属层直接镀覆在氮化铝陶瓷基片上，界面反应可以充分进行，且界面有较少的缺陷。由于纳米银焊膏的尺度效应，比表面积大，表面活性高，预传统材料相比其烧结温度明显降低，通过减小银粉末的颗粒粒径可实现低压或无压烧结，并且可保证优异的力学和热学性能。银颗粒在烧结前需加入有机添加剂来防止其在烧结前的结块或聚合行为，这种膏状粘接材料在加热高温作用下有机添加物挥发或烧蚀，最终形成纯银接头。可以实现氮化铝陶瓷基板厚铜连接，且具有高导热、高可靠性的特点。纳米银焊膏形成的微孔结构的温度循环可靠性也大大提高，其寿命比合金焊料高出10倍，可对陶瓷覆铜板进行湿法刻蚀获得线路，再经表面镀覆后得到第三代半导体理想的封装材料。
本发明相对于已经报道的技术方法，具有以下优点及有益的效果：
采用真空磁控溅射或离子镀方式对陶瓷基片金属预金属化，工艺流程简单可行，由于采用了纳米银焊膏作为中间连接层，降低了陶瓷覆铜板的残余应力，使得陶瓷侧不易产生微裂纹，其耐热循环能力也得到大幅度提升，由于钛活性金属层直接镀覆在陶瓷基片上，界面反应可以充分进行，且钎焊界面有较少的缺陷。由于采用的纳米银焊膏可以实现实现陶瓷基板厚铜连接，且具有高导热、高可靠性的特点，可对陶瓷覆铜板进行湿法刻蚀获得线路，且刻蚀工艺较活性钎焊工艺简单可行。
附图说明
图1是本发明的截面示意图。
图2是本发明的工艺流程图。
图中：
1．铜片，2．铜片化学镀银层，3．纳米银焊料层，4．陶瓷基片化学镀银层，5．Cu镀层，6．活性金属层，7．陶瓷基片。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步说明。
本发明一种纳米银浆提高陶瓷覆铜板可靠性的方法，该方法具体包括以下步骤：
步骤1.将陶瓷基片进行清洗；
步骤2.依次在步骤1处理后的陶瓷基片单面或双面采用真空磁控溅射或离子镀活性金属层，Cu镀层，并化学镀银，得到预金属化的陶瓷基片；
步骤3：对金属铜片进行酸洗，去除表面氧化物膜，得到具有新鲜表面的金属铜片并对铜片化学镀银；
步骤：4.在沉积了金属层的陶瓷基板两侧涂覆纳米银焊膏层和化学镀银铜箔装卡后在真空炉中进行烧结。
进一步，所述步骤1的具体工艺为：
步骤1.1将陶瓷基片和金属铜在有机溶剂中进行超声波清洗20-30min，去除陶瓷基片表面粘附的油渍污垢，
步骤1.2然后进行100-200℃干燥1-5h，使陶瓷基片表面的有机物和水份充分挥发。并对陶瓷基片表面进行离子轰击，使陶瓷基片表面达到原子级清洁。
进一步，所述步骤2中的金属层为Ti、Zr、Hf或Cr金属中的一种。
进一步，所述步骤4的具体工艺为：
步骤4.1预金属化的陶瓷基片上下表面涂覆纳米银焊膏层，进行预干燥处理，在150-200℃保温0.5-2h。使纳米银焊膏中的有机溶剂和水分充分挥发并固化；
步骤4.2将固化后的陶瓷片对位装配放入真空炉内，抽真空，当炉内真空度达到1×10-3-5×10-4Pa时开始加热，同时加压0.5-1MPa将炉内温度加热到300-400℃保温1-3h，使粘结剂充分分解，然后再升温至600-700℃保温10-30min进行真空焊接；保温结束后以10-20℃/min的速率快冷至700℃，之后随炉冷却至室温即完成氮化铝陶瓷金属化。
进一步，所述步骤1中的陶瓷基片为陶AlN、Al2O3或Si3N4，其厚度为0.5mm-1mm。
进一步，所述步骤3中的铜金属片的厚度为0.15-0.5mm.
进一步，所述的步骤2中所述金属层厚度为100-200nm，溅射的Cu金属层厚度为5-10µm,涂敷的纳米银浆的厚度为20-50µm。
进一步，所述银焊膏为纳米银浆中机溶剂和粘结剂制成的，所述纳米银浆的粒度为1-10nm，所述有机溶剂为松油醇，所述粘结剂为乙基纤维素。
如图1所示，该纳米银浆提高陶瓷覆铜板包括陶瓷基片1，所述陶瓷基片1的单面依次真空磁控溅射或离子镀上活性金属镀层6和Cu镀层5，再通过化学镀在其表面镀上一层银4，通过纳米银焊膏5在陶瓷基板上下两个表面实现铜金属片6和陶瓷基片1的在真空炉内的连接。在焊接前对陶瓷基板预金属化，解决了纳米银焊膏和陶瓷润湿性差的问题，利用烧结后的孔洞结构降低界面残余应力，提高了陶瓷覆铜板的使用可靠性和耐热循环性能。
如图2所示，本发明是一种纳米银浆提高陶瓷覆铜板可靠性的方法，包括以下步骤：
（1）将陶瓷基片和金属铜片在有机溶剂中进行超声波清洗20-30min，去除陶瓷基片表面粘附的油渍污垢，然后进行100-200℃干燥1-5h，使陶瓷基片表面的有机物和水份充分挥发，并对陶瓷基片表面进行离子轰击，使陶瓷基片表面达到原子级清洁，陶瓷基片的厚度为0.5mm-1mm，铜金属片的厚度为0.15-0.5mm；
（2）采用真空磁控溅射或离子镀的方法在步骤（1）中清洁过的氮化铝陶瓷基片表面依次沉积Ti、Zr、Hf或Cr金属层和Cu金属层，并电镀银层，得到预金属化的氮化铝陶瓷基片，其中Ti、Zr、Hf或Cr金属层厚度为1µm-2µm，溅射的Cu金属层厚度为5-10µm；
（3）对金属铜片进行酸洗，去除表面氧化物膜，得到具有新鲜表面的金属铜片并化学镀银层；
（4）在步骤（2）中得到的沉积了金属层的氮化铝陶瓷上下表面涂覆纳米银焊膏，涂敷的纳米银浆的厚度为10-30µm，对焊膏进行预干燥处理，在100-150℃保温2-5h，使焊膏中的有机溶剂充分挥发，焊膏在陶瓷基片上固化，其中纳米银焊膏中银颗粒粒度为1-10nm，所述的银焊膏中有机溶剂和粘结剂分别为松油醇和乙基纤维素；
（5）将步骤（3）中处理好的金属铜片和步骤（4）中的陶瓷基片进行装配，置于真空炉中抽真空，当炉内真空度达到5×10-4Pa时开始加热，同时加压0.5-1MPa将炉内温度加热到300-400℃保温1-3h，使粘结剂充分分解，然后再升温至600-700℃保温10-30min进行真空焊接；保温结束后以10-20℃/min的速率快冷至700℃，之后随炉冷却至室温即完成氮化铝陶瓷金属化。
具体实施例如下：
实施例一：
本实施例中用于高压大功率用高可靠性陶瓷覆铜板的制备方法的工艺步骤如下：
（1）将陶瓷基片和金属铜片在有机溶剂中进行超声波清洗20-30min，去除陶瓷基片表面粘附的油渍污垢，然后进行100-200℃干燥1-5h，使陶瓷基片表面的有机物和水份充分挥发，并对陶瓷基片表面进行离子轰击，使陶瓷基片表面达到原子级清洁，氮化硅陶瓷基片的厚度为0.3mm，金属铜片厚度为0.15mm。
（2）采用真空磁控溅射或离子镀的方法在步骤（1）中清洁过的氮化铝陶瓷基片表面依次沉积Ti金属层和Cu金属层，并电镀银层，得到预金属化的氮化铝陶瓷基片，其中Ti金属层厚度为1µm，溅射的Cu金属层厚度为5µm；
（3）在步骤（2）中得到的沉积了金属层的氮化铝陶瓷上下表面涂覆纳米银焊膏，涂敷的纳米银浆的厚度为20µm，对焊膏进行预干燥处理，在100℃保温2h，使焊膏中的有机溶剂充分挥发，焊膏在陶瓷基片上固化，其中纳米银焊膏中银颗粒粒度为1-10nm，所述的银焊膏中有机溶剂和粘结剂分别为松油醇和乙基纤维素；
（4）对金属铜片进行酸洗，去除表面氧化物膜，得到具有新鲜表面的金属铜片并化学镀银层；
（5）将步骤（3）中处理好的金属铜片和步骤（4）中的陶瓷基片进行装配，置于真空炉中抽真空，当炉内真空度达到5×10-4Pa时开始加热，同时加压1MPa将炉内温度加热到350℃保温3h，使粘结剂充分分解，然后再升温至600℃保温10min进行真空焊接；保温结束后以10℃/min的速率快冷至700℃，之后随炉冷却至室温即完成氮化铝陶瓷金属化。
实施例二：
本实施例中用于高压大功率用高可靠性陶瓷覆铜板的制备方法的工艺步骤如下：
（1）将陶瓷基片和金属铜片在有机溶剂中进行超声波清洗20-30min，去除陶瓷基片表面粘附的油渍污垢，然后进行100-200℃干燥1-5h，使陶瓷基片表面的有机物和水份充分挥发，并对陶瓷基片表面进行离子轰击，使陶瓷基片表面达到原子级清洁，氮化硅陶瓷基片的厚度为0.3mm，金属铜片厚度为0.15mm。
（2）采用真空磁控溅射或离子镀的方法在步骤（1）中清洁过的氮化铝陶瓷基片表面依次沉积Ti金属层和Cu金属层，并电镀银层，得到预金属化的氮化铝陶瓷基片，其中Ti金属层厚度为1µm，溅射的Cu金属层厚度为5µm；
（3）在步骤（2）中得到的沉积了金属层的氮化铝陶瓷上下表面涂覆纳米银焊膏，涂敷的纳米银浆的厚度为30µm，对焊膏进行预干燥处理，在100℃保温2h，使焊膏中的有机溶剂充分挥发，焊膏在陶瓷基片上固化，其中纳米银焊膏中银颗粒粒度为5nm，所述的银焊膏中有机溶剂和粘结剂分别为松油醇和乙基纤维素；
（4）对金属铜片进行酸洗，去除表面氧化物膜，得到具有新鲜表面的金属铜片并化学镀银层；
（5）将步骤（3）中处理好的金属铜片和步骤（4）中的陶瓷基片进行装配，置于真空炉中抽真空，当炉内真空度达到5×10-4Pa时开始加热，同时加压1MPa将炉内温度加热到350℃保温3h，使粘结剂充分分解，然后再升温至600℃保温10min进行真空焊接；保温结束后以10℃/min的速率快冷至700℃，之后随炉冷却至室温即完成氮化铝陶瓷金属化。
实施例三：
本实施例中用于高压大功率用高可靠性陶瓷覆铜板的制备方法的工艺步骤如下：
（1）将陶瓷基片和金属铜片在有机溶剂中进行超声波清洗20-30min，去除陶瓷基片表面粘附的油渍污垢，然后进行100-200℃干燥1-5h，使陶瓷基片表面的有机物和水份充分挥发，并对陶瓷基片表面进行离子轰击，使陶瓷基片表面达到原子级清洁，氮化硅陶瓷基片的厚度为0.3mm，金属铜片厚度为0.15mm。
（2）采用真空磁控溅射或离子镀的方法在步骤（1）中清洁过的氮化铝陶瓷基片表面依次沉积Ti金属层和Cu金属层，并电镀银层，得到预金属化的氮化铝陶瓷基片，其中Ti金属层厚度为2µm，溅射的Cu金属层厚度为10µm；
（3）在步骤（2）中得到的沉积了金属层的氮化铝陶瓷上下表面涂覆纳米银焊膏，涂敷的纳米银浆的厚度为30µm，对焊膏进行预干燥处理，在100℃保温2h，使焊膏中的有机溶剂充分挥发，焊膏在陶瓷基片上固化，其中纳米银焊膏中银颗粒粒度为5nm，所述的银焊膏中有机溶剂和粘结剂分别为松油醇和乙基纤维素；
（4）对金属铜片进行酸洗，去除表面氧化物膜，得到具有新鲜表面的金属铜片并化学镀银层；
（5）将步骤（3）中处理好的金属铜片和步骤（4）中的陶瓷基片进行装配，置于真空炉中抽真空，当炉内真空度达到5×10-4Pa时开始加热，同时加压1MPa将炉内温度加热到350℃保温3h，使粘结剂充分分解，然后再升温至600℃保温10min进行真空焊接；保温结束后以10℃/min的速率快冷至700℃，之后随炉冷却至室温即完成氮化铝陶瓷金属化。
实施例四：
本实施例中用于高压大功率用高可靠性陶瓷覆铜板的制备方法的工艺步骤如下：
（1）将陶瓷基片和金属铜片在有机溶剂中进行超声波清洗20-30min，去除陶瓷基片表面粘附的油渍污垢，然后进行100-200℃干燥1-5h，使陶瓷基片表面的有机物和水份充分挥发，并对陶瓷基片表面进行离子轰击，使陶瓷基片表面达到原子级清洁，氮化硅陶瓷基片的厚度为0.3mm，金属铜片厚度为0.15mm。
（2）采用真空磁控溅射或离子镀的方法在步骤（1）中清洁过的氮化铝陶瓷基片表面依次沉积Ti金属层和Cu金属层，并电镀银层，得到预金属化的氮化铝陶瓷基片，其中Ti金属层厚度为1µm，溅射的Cu金属层厚度为5µm；
（3）在步骤（2）中得到的沉积了金属层的氮化铝陶瓷上下表面涂覆纳米银焊膏，涂敷的纳米银浆的厚度为20µm，对焊膏进行预干燥处理，在100℃保温2h，使焊膏中的有机溶剂充分挥发，焊膏在陶瓷基片上固化，其中纳米银焊膏中银颗粒粒度为10nm，所述的银焊膏中有机溶剂和粘结剂分别为松油醇和乙基纤维素；
（4）对金属铜片进行酸洗，去除表面氧化物膜，得到具有新鲜表面的金属铜片并化学镀银层；
（5）将步骤（3）中处理好的金属铜片和步骤（4）中的陶瓷基片进行装配，置于真空炉中抽真空，当炉内真空度达到5×10-4Pa时开始加热，同时加压1MPa将炉内温度加热到350℃保温3h，使粘结剂充分分解，然后再升温至600℃保温10min进行真空焊接；保温结束后以10℃/min的速率快冷至700℃，之后随炉冷却至室温即完成氮化铝陶瓷金属化。
按照上述方法得到的陶瓷覆铜板的试样。按照GBT 4677.3-1984的要求对上述四组试样进行拉脱强度测试，对测定结果取平均值约为41.2MPa。热循环次数高达1500次，可靠性相比活性钎焊氮化铝陶瓷基板提高约10%-20%。
Claims (6)
1.一种纳米银浆提高陶瓷覆铜板可靠性的方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：
步骤1.将陶瓷基片进行清洗；
步骤2.依次在步骤1处理后的陶瓷基片单面或双面采用真空磁控溅射或离子镀活性金属层，Cu镀层，并化学镀银，得到预金属化的陶瓷基片；
步骤3：对金属铜片进行酸洗，去除表面氧化物膜，得到具有新鲜表面的金属铜片并对铜片化学镀银；
步骤：4.在沉积了金属层的陶瓷基板两侧涂覆纳米银焊膏层和化学镀银铜箔装卡后在真空炉中进行烧结；具体工艺为：
步骤4.1预金属化的陶瓷基片上下表面涂覆纳米银焊膏层，进行预干燥处理，在150-200℃保温0.5-2h，使纳米银焊膏中的有机溶剂和水分充分挥发并固化；
步骤4.2将固化后的陶瓷片对位装配放入真空炉内，抽真空，当炉内真空度达到1×10-3-5×10-4Pa时开始加热，同时加压0.5-1MPa将炉内温度加热到300-400℃保温1-3h，使粘结剂充分分解，然后再升温至600-700℃保温10-30min进行真空焊接；保温结束后以10-20℃/min的速率快冷至700℃，之后随炉冷却至室温即完成陶瓷金属化；
所述银焊膏为纳米银浆中有机溶剂和粘结剂制成的，所述纳米银浆的粒度为1-10nm，所述有机溶剂为松油醇，所述粘结剂为乙基纤维素。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1的具体工艺为：
步骤1.1将陶瓷基片在有机溶剂中进行超声波清洗20-30min，去除陶瓷基片表面粘附的油渍污垢，
步骤1.2然后进行100-200℃干燥1-5h，使陶瓷基片表面的有机物和水份充分挥发, 并对陶瓷基片表面进行离子轰击，使陶瓷基片表面达到原子级清洁。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2中的金属层为Ti、Zr、Hf或Cr金属中的一种。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1中的陶瓷基片为陶AlN、Al2O3或Si3N4，其厚度为0.5mm-1mm。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3中的铜金属片的厚度为0.15-0.5mm。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤2中所述金属层厚度为100-200nm，溅射的Cu金属层厚度为5-10µm。
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