CN109734470A

CN109734470A - 覆铜氮化硅陶瓷基板及其制备方法

Info

Publication number: CN109734470A
Application number: CN201910132532.3A
Authority: CN
Inventors: 李德善; 朴贤卿; 竹子川; 蔡亚果; 高维
Original assignee: Shanghai Industrial Institute For Research And Technology
Current assignee: Shanghai Industrial Institute For Research And Technology
Priority date: 2019-02-22
Filing date: 2019-02-22
Publication date: 2019-05-10

Abstract

本发明提供一种覆铜氮化硅陶瓷基板及其制备方法，该方法主要包括制备溶胶前驱体‑凝胶涂布‑热处理‑DBC法制备(铜氧化处理)四个步骤形成覆铜氮化硅陶瓷基板。通过预先在氮化硅陶瓷表面用溶胶凝胶法生成薄的二氧化硅层，再通过直接覆铜工艺进行覆铜处理实现氮化硅陶瓷基板的金属化，该工艺实现工艺简单且成本低，另外二氧化硅层在烧结时，会在结合界面形成密度致密且均匀的铜‑硅‑氧‑氮的化合物，提高铜与氮化硅陶瓷基板的结合强度及抗热冲击疲劳性能。

Description

覆铜氮化硅陶瓷基板及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种金属化陶瓷基板的制造方法，特别是涉及一种覆铜氮化硅陶瓷基板及其制备方法。

背景技术

随着全球范围内节能减排的实施，功率半导体器件作为有效利用电力能源所不可缺少的关键元件备受瞩目。功率半导体器应用于从个人电脑和家电等电子产品的电源，到电动汽车和铁路车辆的逆变器，再到光伏发电系统的功率调节器等人们身边的各个领域。然而，电路密度和功能的不断提高导致电路工作温度不断上升，为了防止元件因热聚集和热循环作用而损坏，对基板材料的低介电常数、低热膨胀系数、高热导率等方面提出的要求越来越严格。目前，最受瞩目的高热导率材料是氮化硅基板。因为氮化硅基板热导率高(β-氮化硅沿晶轴c轴方向的理论热导率为450W/m·K，目前已有120W/m·K以上基板在销售)，而且拥有很好的机械性能强度以及韧性，可以使用在轨道交通，汽车等要求高可靠性的应用领域。

直接覆铜(简称DCB技术：指在高温下、一定气氛中，在没有引入其它辅助浆料的情况下，将一定厚度的金属铜层于陶瓷基板结合在一起的技术)技术由于其成本低廉，以及制备的基板的电绝缘性能、导热性好而广泛应用于Al₂O₃陶瓷基板的覆铜工艺上。但对于AlN和氮化硅等氮化物陶瓷基板因Cu-O共晶液在其表面的浸润性差，必须对氮化物陶瓷基板表面进行热处理，以使其表面形成Al₂O₃或SiO₂薄层，然后将铜箔贴于基板上进而与Cu-O共晶液发生键合反应。但对氮化物表面进行预氧化需要严格控制条件不容易控制，导致在健合时产生气泡或健和强度不够，而不适宜规模生产等的问题，这层氧化膜如果太薄会导致铜在陶瓷表面的润湿性差，太厚因氧化层和氮化层的热膨胀系数不匹配，产生残余应力，导致结合强度下降。所以制备这层氧化层的工艺十分苛刻，直接氧化法很难应用于直接大规模生产。

另外目前氮化硅基板多采用活性金属钎焊(AMB)技术实现覆铜金属化，但该技术要用到含银，铜，铟，钛等金属活性钎料，不仅成本高，而且容易出现所用活性金属在蚀刻形成线路时去除不干净的问题。

所以有必要提出一种覆铜氮化硅陶瓷基板及其制备方法，制备方法简单、成本低廉且可以提高铜与氮化硅陶瓷基板的结合强度及抗热冲击疲劳性能。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种覆铜氮化硅陶瓷基板及其制备方法，用于解决现有技术中覆铜氮化硅陶瓷基板中铜与氮化硅陶瓷基板的结合强度及抗热冲击疲劳性能较差，制备方法较复杂且成本高等的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种覆铜氮化硅陶瓷基板的制备方法，所述制备方法至少包括：

1)将硅酸酯及无水醇类按比例混合并加水搅拌反应，获得二氧化硅前驱体溶胶；

2)将所述二氧化硅前驱体溶胶涂布在氮化硅陶瓷基板的至少一侧的表面上，所述二氧化硅前驱体溶胶形成为二氧化硅前驱体凝胶；

3)将涂布有所述二氧化硅前驱体凝胶的氮化硅陶瓷基板在含氧气氛下进行热处理，形成预处理的氮化硅陶瓷基板；

4)提供预氧化好的铜片，在第一保护气氛下，将至少一块所述预氧化好的铜片平放在所述预处理的氮化硅陶瓷基板的至少一侧经过热处理的表面上进行烧结处理；

其中，烧结的温度低于铜的熔点，但高于铜/氧系统的低共熔温度。

可选地，步骤2)中，所述二氧化硅前驱体溶胶的涂布厚度小于5μm。

进一步地，步骤2)中，所述二氧化硅前驱体溶胶的涂布厚度介于100nm～3μm之间。

可选地，步骤2)中，涂布方式包括刮涂、旋涂、喷涂或浸渍提拉。

可选地，步骤3)中，所述含氧气氛包括大气气氛或控制氧含量的第二保护气氛。

进一步地，步骤3)中，所述第二保护气氛包括氮气保护气氛或惰性气体保护气氛。

可选地，步骤3)中，热处理的温度介于400℃～1500℃之间，热处理的保温时间介于0.1h～50h之间。

可选地，步骤4)中，所述第一保护气氛包括氮气保护气氛或惰性气体保护气氛，所述第一保护气氛的氧含量介于0ppm～1000ppm之间。

可选地，步骤4)中，烧结处理的温度介于1065℃～1082℃之间，烧结处理的时间介于1分钟～50分钟之间。

本发明还提供一种覆铜氮化硅陶瓷基板，所述覆铜氮化硅陶瓷基板由上述任一项所述的覆铜氮化硅陶瓷基板的制备方法制得。

如上所述，本发明提供的覆铜氮化硅陶瓷基板的制备方法主要包括制备溶胶前驱体-凝胶涂布-热处理-DBC法制备(铜氧化处理)四个步骤形成覆铜氮化硅陶瓷基板。通过预先在氮化硅陶瓷表面用溶胶凝胶法生成薄的二氧化硅层，再通过直接覆铜工艺进行覆铜处理实现氮化硅陶瓷基板的金属化，该工艺实现工艺简单且成本低，另外二氧化硅层在烧结时，会在结合界面形成密度致密且均匀的铜-硅-氧-氮的化合物，提高铜与氮化硅陶瓷基板的结合强度及抗热冲击疲劳性能。

附图说明

图1显示为本发明的覆铜氮化硅陶瓷基板的制备方法的流程示意图。

元件标号说明

S1～S4 步骤

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

如图1所示，本发明提供一种覆铜氮化硅陶瓷基板的制备方法，所述制备方法至少包括：

如图1所示，步骤S1，将硅酸酯及无水醇类按比例混合并加水搅拌反应，获得二氧化硅前驱体溶胶。

这里需要说明的是硅酸酯及无水醇类的混合比例采用本领域内的常规混合比例，且在加水反应时还会加入一些其他溶剂，均是本领域内的常规技术，在此不做赘述。较佳地，加入去离子水搅拌，使硅酸酯及无水醇类反应，同时调节PH值至合适的范围。

如图1所示，然后进行步骤S2，将所述二氧化硅前驱体溶胶涂布在氮化硅陶瓷基板的至少一侧的表面上，所述二氧化硅前驱体溶胶形成为二氧化硅前驱体凝胶。

作为示例，所述二氧化硅前驱体溶胶的涂布厚度小于5μm。涂布厚度不适宜过厚，过厚会降低二氧化硅前驱体与氮化硅陶瓷基板之间的粘接性能。较佳地所述二氧化硅前驱体溶胶的涂布厚度介于100nm～3μm之间，

作为示例，采用刮涂、旋涂、喷涂或浸渍提拉方式将所述二氧化硅前驱体溶胶涂布在氮化硅陶瓷基板表面上。较佳地，采用上述方式使二氧化硅前驱体溶胶均匀涂布在氮化硅陶瓷基板表面上。

如图1所示，接着进行步骤S3，将涂布有所述二氧化硅前驱体凝胶的氮化硅陶瓷基板在含氧气氛下进行热处理，形成预处理的氮化硅陶瓷基板。

作为示例，所述含氧气氛包括大气气氛或控制氧含量的第二保护气氛。较佳地，所述第二保护气氛包括氮气保护气氛或惰性气体保护气氛。

作为示例，热处理的温度介于400℃～1500℃之间，热处理的保温时间介于0.1h～50h之间。较佳地，热处理的温度介于1000℃～1200℃之间，热处理的保温时间介于1h～10h之间。

如图1所示，最后进行步骤S4，提供预氧化好的铜片，在第一保护气氛下，将至少一块所述预氧化好的铜片平放在所述预处理的氮化硅陶瓷基板的至少一侧经过热处理的表面上进行烧结处理；其中，烧结的温度低于铜的熔点，但高于铜/氧系统的低共熔温度。

作为示例，所述第一保护气氛包括氮气保护气氛或惰性气体保护气氛，所述第一保护气氛的氧含量介于0ppm～1000ppm之间。较佳地，所述第一保护气氛的氧含量介于10ppm～300ppm之间。

作为示例，烧结处理的温度介于1065℃～1082℃之间，烧结处理的时间介于1分钟～50分钟之间。较佳地，烧结处理的温度介于1070℃～1075℃之间，烧结处理的时间介于10分钟～30分钟之间。

本发明提供的覆铜氮化硅陶瓷基板的制备方法主要包括制备溶胶前驱体-凝胶涂布-热处理-DBC法制备(铜氧化处理)四个步骤形成覆铜氮化硅陶瓷基板。通过预先在氮化硅陶瓷表面用溶胶凝胶法生成薄的二氧化硅层，再通过直接覆铜工艺进行覆铜处理实现氮化硅陶瓷基板的金属化，该工艺实现工艺简单且成本低，另外二氧化硅层在烧结时，会在结合界面形成密度致密且均匀的铜-硅-氧-氮的化合物，提高铜与氮化硅陶瓷基板的结合强度及抗热冲击疲劳性能。

本发明还提供一种覆铜氮化硅陶瓷基板，所述覆铜氮化硅陶瓷基板由上述所述的覆铜氮化硅陶瓷基板的制备方法制得。制备的氮化硅覆铜陶瓷基板，铜和陶瓷基板的结合力在4N/mm以上，对于-55度-150度的抗热冲击可以达到50次以上。

下面结合具体实施例及对比例对本发明的覆铜氮化硅陶瓷基板及其制备方法进行进一步说明。

实施例1

S1：将15ml正硅酸乙酯(TEOS)溶于40ml无水乙醇中充分搅拌后，再加入10ml去离子水以及3ml甲酰胺继续搅拌至溶液十分澄清后，缓慢滴定盐酸使溶液PH值为2。继续搅拌4小时，获得二氧化硅前驱体溶胶。

S2：将二氧化硅前驱体溶胶刮涂至Si₃N₄基板表面后，干燥得到二氧化硅前驱体凝胶，其中刮涂厚度为3μm。

S3：将涂布有二氧化硅前驱体凝胶的Si₃N₄基板在大气气氛下，1100℃反应3h。

S4：把预氧化好的铜片与上述表面处理好的氮化物陶瓷基板表面进行覆铜烧结处理，其中烧结温度为1070℃，烧结时间为10分钟，氧含量为100ppm，得到覆铜氮化硅陶瓷基板。

实施例2

S2：将二氧化硅前驱体溶胶喷涂至Si₃N₄基板表面后，干燥得到二氧化硅前驱体凝胶，其中刮涂厚度为3μm。

实施例3

S1：将10ml正硅酸乙酯(TEOS)溶于40ml无水乙醇中充分搅拌后，再加入10ml去离子水以及3ml甲酰胺继续搅拌至溶液十分澄清后，缓慢滴定盐酸使溶液PH值为2。继续搅拌4小时，获得二氧化硅前驱体溶胶。

S2：将二氧化硅前驱体溶胶旋涂至Si₃N₄基板表面后，干燥得到二氧化硅前驱体凝胶，其中刮涂厚度为2μm。

S3：将涂布有二氧化硅前驱体凝胶的Si₃N₄基板在大气气氛下，1000℃反应3h。

实施例4

S2：将二氧化硅前驱体溶胶喷涂至Si₃N₄基板表面后，干燥得到二氧化硅前驱体凝胶，其中刮涂厚度为1μm。

S4：把预氧化好的铜片与上述表面处理好的氮化物陶瓷基板表面进行覆铜烧结处理，其中烧结温度为1075℃，烧结时间为5分钟，氧含量为300ppm，得到覆铜氮化硅陶瓷基板。

实施例5

S1：将20ml正硅酸乙酯(TEOS)溶于40ml无水乙醇中充分搅拌后，再加入10ml去离子水以及3ml甲酰胺继续搅拌至溶液十分澄清后，缓慢滴定盐酸使溶液PH值为2。继续搅拌4小时，获得二氧化硅前驱体溶胶。

S2：将二氧化硅前驱体溶胶喷涂至Si₃N₄基板表面后，干燥得到二氧化硅前驱体凝胶，其中刮涂厚度为2μm。

S3：将涂布有二氧化硅前驱体凝胶的Si₃N₄基板在大气气氛下，1000℃反应5h。

S4：把预氧化好的铜片与上述表面处理好的氮化物陶瓷基板表面进行覆铜烧结处理，其中烧结温度为1075℃，烧结时间为15分钟，氧含量为300ppm，得到覆铜氮化硅陶瓷基板。

比较例1

S1：将Si₃N₄基板在大气气氛下，1100℃反应3h。

S2：把预氧化好的铜片与上述表面处理好的氮化物陶瓷基板表面进行覆铜烧结处理，其中烧结温度为1070℃，烧结时间为10分钟，氧含量为100ppm，得到覆铜氮化硅陶瓷基板。

比较例2

S1：将Si₃N₄基板在大气气氛下，1000℃反应5h。

S2：把预氧化好的铜片与上述表面处理好的氮化物陶瓷基板表面进行覆铜烧结处理，其中烧结温度为1075℃，烧结时间为15分钟，氧含量为300ppm，得到覆铜氮化硅陶瓷基板。

比较例3

S1：将Si₃N₄基板在大气气氛下，1000℃反应3h。

对上述实施例1～5及比较例1～3形成的覆铜氮化硅陶瓷基板进行性能测试，结果如表1所示：

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims

1.一种覆铜氮化硅陶瓷基板的制备方法，其特征在于，所述制备方法至少包括：

2.根据权利要求1所述的覆铜氮化硅陶瓷基板的制备方法，其特征在于：步骤2)中，所述二氧化硅前驱体溶胶的涂布厚度小于5μm。

3.根据权利要求2所述的覆铜氮化硅陶瓷基板的制备方法，其特征在于：步骤2)中，所述二氧化硅前驱体溶胶的涂布厚度介于100nm～3μm之间。

4.根据权利要求1所述的覆铜氮化硅陶瓷基板的制备方法，其特征在于：步骤2)中，涂布方式包括刮涂、旋涂、喷涂或浸渍提拉。

5.根据权利要求1所述的覆铜氮化硅陶瓷基板的制备方法，其特征在于：步骤3)中，所述含氧气氛包括大气气氛或控制氧含量的第二保护气氛。

6.根据权利要求5所述的覆铜氮化硅陶瓷基板的制备方法，其特征在于：步骤3)中，所述第二保护气氛包括氮气保护气氛或惰性气体保护气氛。

7.根据权利要求1所述的覆铜氮化硅陶瓷基板的制备方法，其特征在于：步骤3)中，热处理的温度介于400℃～1500℃之间，热处理的保温时间介于0.1h～50h之间。

8.根据权利要求1所述的覆铜氮化硅陶瓷基板的制备方法，其特征在于：步骤4)中，所述第一保护气氛包括氮气保护气氛或惰性气体保护气氛，所述第一保护气氛的氧含量介于0ppm～1000ppm之间。

9.根据权利要求1所述的覆铜氮化硅陶瓷基板的制备方法，其特征在于：步骤4)中，烧结处理的温度介于1065℃～1082℃之间，烧结处理的时间介于1分钟～50分钟之间。

10.一种覆铜氮化硅陶瓷基板，其特征在于，所述覆铜氮化硅陶瓷基板由权利要求1～9任一项所述的覆铜氮化硅陶瓷基板的制备方法制得。