CN109825822A - 一种金刚石/铜半导体封装材料表面加工方法 - Google Patents

Abstract

一种金刚石/铜半导体封装材料表面加工方法，本发明涉及一种表面加工方法，为解决金刚石铜复合材料表面涂覆镀层附着力不高的问题，具体的技术方案如下：1.研磨，2.切割打磨，3.除油，4.粗化，5.酸洗，6.催化活化，7.解胶，8.镀镍，9.镀金，10.退火。本发明的有益效果在于：采用上述方法处理过的工件，工件金面不起皮脱层、不变色、不显露金刚石铜，而且焊接性能明显超过市场上的同类产品，热导率大于500W/(m•K)，热膨胀系数：（6.4±1.0）×10^‑6m/K；抗弯强度≥450Mpa；表面粗糙度≤1.6。

Description

一种金刚石/铜半导体封装材料表面加工方法

技术领域

本发明涉及一种表面加工方法，具体来说，是一种金刚石/铜半导体封装材料表面加工方法。

背景技术

随着技术的要求的提高，各种设备的功能的要求也越来越高，与之对应的相关器件的功率密度也随之增大，电子元器件的散热问题成为技术发展的瓶颈问题，其中有超过一半的电子元器件故障最根本的原因是散热问题导致的。目前，行业内以高导热率的金刚石、高定向热解石墨（HOPG）、高导热碳纤维等作增强相的第三代电子封装材料研究，其中HOPG及高导热碳纤维存在各向异性，且生产成本高。金刚石/铜复合材料作为第四代超高导热材料。具体来说，金刚石/铜复合材料是由高热导率、低膨胀的金刚石和导热性能良好的铜制成的互不固溶且能发挥各个组元特性的复合材料，具有以下优点：(1)热导率高；(2)热膨胀系数低；(3)密度小；(4)可镀覆性和可加工性较好，可进行线切割、研磨和表面镀金。尤其具有热导率高、热膨胀系数低的优点，成为当前研究热点。金刚石的热导率是目前发现的物质中最高的，且制备的封装材料不存在各向异性，是最有发展潜力的热管理材料之一。随着技术的发展提高，人造金刚石生产成本大幅度下降，使得金刚石/铜复合材料得以产业化生产并应用，可以取代目前广泛应用Cu、W-Cu、Al/SiC和AlN等材料, 在各种微波二极管、集成电路的底座和手机中都具有广泛的应用，充分解决微波功率器件的散热问题，满足轻量化，大大降低产品的质量，提高产品的散热性能、工作稳定性和可靠性。

但是，金刚石铜复合材料在使用的时候，通常需要焊接封装，因此对材料基体的焊接性有一定的要求。由于金刚石粉末的引入，其润湿性差，使得复合材料可焊性差，不能直接使用。因此，金刚石铜复合材料在使用过程中，为了焊接性，往往在金刚石铜复合材料表面镀一层金属，用以增加焊接性，由于金具有良好的焊接性和导热性，普遍被镀覆在金刚石铜复合材料表面，但是在碳上镀金的难度较大，同时，容易与金刚石铜复合材料中的铜形成原电池，也加速材料的侵蚀消耗。

而且，由于金刚石铜复合材料获得高质量，高可靠性的表面镀层难度较大， 表面处理工艺过程不合理，涂覆镀层附着力不高，高低温循环后镀层易出现鼓泡等质量问题。而且镀层是在焊后使用，因此经过焊接热处理以后裸露镀层的性能对今后金刚石铜复合材料的使用起到至关重要的作用，所以表面处理对于金刚石铜复合材料起到至关重要作用。

发明内容

为解决上述提到的问题，本发明提供一种改进的金刚石/铜半导体封装材料表面加工方法，具体的技术方案如下：

1.研磨

对金刚石铜复合材料基板表面（双面）进行物理研磨抛光，采用金刚石砂轮研磨机进行粗磨，除去基材板面上毛刺，然后采用低速、分批次研磨，最终将材料表面多余的凸起去除，裸露出金刚石和铜，表面平整，最终金刚石/铜复合材料表面粗糙度小于0.5微米。

研磨后的基材表面平整，有效避免因凸起/毛刺等导致后续镀覆工艺时发生漏镀的情况，避免影响最终产品的性能（焊接性、导热性）。

2.切割打磨

采用激光线切割法将基材加工成要求尺寸，加工成固定尺寸的金刚石工件毛边（切割边缘）用砂纸抛光，或者在抛光机上低速抛光，去除工件面上的毛刺，用砂纸打磨过程中先选用低倍目数的砂纸磨平，再选用高倍目数的砂纸磨光亮，例如：先选择2000目砂纸磨平，再选用5000目砂纸磨光亮。

3.除油

（3.1）用脱脂棉蘸取酒精溶液擦拭金刚石铜工件表面，去除黏附在工件表面的氧化物、灰尘、油污等，用水洗净。

（3.2）再将擦拭干净的工件放入碱性除油溶液中，煮沸，10分钟，用水洗净。

其中所述的碱性除油溶液主要为含碱性成分的物质，利用碱性溶剂的皂化反应去除工件上的杂质和污物（主要为油脂类）。

具体碱性除油溶液为碱性盐溶液（体积分数60-80%）、缓冲液（体积分数20-30%）、表面活性剂（体积分数1-5%）、鳌合剂（体积分数1-5%）。

其中碱性物质为强碱性可溶性盐类物质，选比如：KOH或NaOH中的一种或两种，在溶液中浓度为1.0-1.2 mol/L。

缓冲成分为稳定剂，成分为磷酸盐-缓冲液，pH值为7.8-8.0，缓冲溶液在碱性除油溶液中的体积分数为20%，其中缓冲溶液配制方法有：

方法一：磷酸盐缓冲液(pH7.8～8.0) 甲液：分别取磷酸氢二钠6.82g和2.35g磷酸二氢钠，分别加水溶解完全，两种溶液混合，搅拌，形成均匀液体，稀释定容至1000ml，摇匀，即得。

或

方法二：磷酸盐缓冲液(pH7.8～8.0) 乙液：分别取磷酸氢二钾5.59g与0.41g磷酸二氢钾，分别加水溶解完全，两种溶液混合，搅拌，形成均匀液体，稀释定容至1000ml，摇匀，即得。

表面活性剂成分为直链烷基苯磺酸钠盐，具体为十二烷基苯磺酸钠，配置为体积浓度1-3%。

鳌合剂成分为EDTA、柠檬酸钠中的一种或者两种，浓度为0.1-0.2mol/L。

4.粗化

将除油后的金刚石/铜工件进行粗化工序，目的为增加金刚石/铜工件表面粗糙度，以保证厚度镀层金属与基底的良好结合。

具体操作为：将工件放入粗化液中浸泡30分钟，温度60℃，浸泡过程中，向缸内摇摆通气，使得粗化液浓度均匀，工件材料表面微蚀反应均匀，粗化工序完成后，水洗干净。

其中粗化液采用碱性氧化性溶液，具体为高锰酸盐50-80g/L，过硫酸盐10-20，碱盐 10-20g/L，水。

其中高锰酸盐为高锰酸钾或高锰酸钠；过硫酸盐为过硫酸钾或过锰酸钠；减盐为氢氧化钾或氢氧化钠。

5.酸洗

将上述粗化后的工件浸泡在酸洗溶液中，以便工件表面附着上与活化液相同成分的离子，为下一步活化剂的吸附做铺垫，同时保护活化液。

酸洗溶液为盐酸类溶剂，3-10%的HCl溶液。

6.催化活化

将工件放入活化液中浸泡10-15分钟，使工件板面上吸附上活性胶体钯，为后续金属电镀工序做准备，浸泡完成后将工件用水清洗干净。

活化液为：塑料电镀钯活化剂0.5-1.0%，浓盐酸质量比为20-25%的盐酸水溶液，纯水。

7.解胶

用解胶溶液浸泡工件，浸泡时间为3-5分钟，去除工件水洗时水解生成的中间产物，清水洗净。

解胶溶液为混合溶液，包括如下质量分数的各物质：苯0.1-0.5%、丙酮0.4-0.8%、0.5-1.0%乙酸乙酯、0.5-1.0%乙酸丁酯、2-5%乙醇、5-10%HCl。

8. 镀镍

先化学镀镍后再电镀镍，其中化学镀是为了获得一层致密的化学金属镍层，然后利用其导电性进行后续的电镀镍金属层，获得厚镍层，再打磨平整光滑，确保后续步骤镀金时金面与镍层结合更紧密，不起皮，同时保证金面光亮且平整。

化学镀镍：将化学镀镍液升温至 85-95℃（最好是水浴恒温条件，防止药水分解，温度稳定在±2℃内），工件放入工作液中浸泡，浸泡时间为15-40min，浸泡过程中启动摇摆装置，获得均匀的化学镀镍层，在金刚石铜表面形成一层致密的化学镍金属层，因其导电性，有助于后续的电镀工序。

沉镍完成后将工件置于纯水中清洗1min，并在 2-5%硫酸溶液中酸洗一遍，再水冲洗干净。

化学镀镍液：25-30g/L硫酸镍；8-12g/L柠檬酸钠；18-20g/L次亚磷酸钠；10-15g/L醋酸钠；10-20ml/L乳酸；三乙醇胺10-15g/L；水。

电镀镍：将镀液升温至 55-60℃，将工件放入镀液中，电流密度设置为 2.0ASD，摇摆打气，持续电镀60-100min；镀完后将工件放入纯水中清洗2-3min，吹干。

电镀镍加厚了镍层，起填平作用，降低复合材料表面粗糙度，另外，镍层阻隔在碳与金之间，避免了原电池的产生，有利于提升材料的使用寿命。

电镀镍液：氨基磺酸镍：240-300ml/L，氯化镍：15 g/L 硼酸：40-45g/L，辅光剂BNB-95A 8-12ml/L，光亮剂BNB-95B 0.5-0.8ml/L，剩余为纯水。

其中辅光剂BNB-95A的作用：减少镀层内应力，增加柔韧性，提高镀液的分散能力和抗杂能力。

光亮剂BNB-95B 的作用延缓上镀速度，使得镀层更均匀平整。

9.镀金

目的：镍层上镀金，起焊接作用，防止表面氧化。

配制：K44浓缩基础液：50%；Au（氰化亚金钾）:10g/L，剩余为纯水。

K44浓缩基础液为： 80-120 g/L亚硫酸钠、12-25 g/L磷酸氢二钾、1-5g/L EDTA、1-5 g/L硫酸铜和水。

将镀金液升温至 56℃，将工件放入镀液中，电流密度设置为 0.75 ASD，电镀时，摇摆，电镀时间为10-35min（按含金浓度和镀金层厚度要求控制）。镀金完成后纯水洗冲洗干净，冲弃的废液回收至金缸循环使用，防止金流失。 整个操作过程中，用干净的手套操作，防止金面污染。

10.退火

目的：让工件在320度高温烘烤3分钟，用光学显微镜逐一观察工件金面是否起层、变色、露金刚石铜等不良，确保焊接性能良好。

本发明的有益效果在于：采用上述方法处理过的工件，工件金面不起层、不变色、不显露金刚石铜，而且焊接性能明显超过市场上的同类产品，热导率大于500W/(m•K)，热膨胀系数：（6.4±1.0）×10^-6m/K；抗弯强度≥450Mpa；表面粗糙度≤1.6。

具体实施方式

下面给出具体的实施方式，以对本案做进一步的解释和说明。

1.研磨

对金刚石铜复合材料基板表面（双面）进行物理研磨抛光，采用金刚石砂轮研磨机进行粗磨，除去基材板面上毛刺，然后采用低速、分批次研磨，最终将材料表面多余的凸起去除，裸露出金刚石和铜，表面平整，最终金刚石/铜复合材料表面粗糙度为0.2微米。

2.切割

采用激光线切割法将基材加工成要求尺寸，加工成固定尺寸的金刚石工件毛边（切割边缘）用砂纸抛光，或者在抛光机上低速抛光，去除工件面上的毛刺，用砂纸打磨过程中先选择2000目砂纸磨平，再选用5000目砂纸磨光亮。

3.除油

（3.1）用脱脂棉蘸取酒精溶液擦拭金刚石铜工件表面，去除黏附在工件表面的氧化物、灰尘、油污等，用水洗净。

（3.2）再将擦拭干净的工件放入碱性除油溶液中，煮沸，10分钟，用水洗净。

具体碱性除油溶液为氢氧化钠溶液（体积分数70%）、缓冲液（体积分数25%）、表面活性剂（体积分数3%）、鳌合剂（体积分数2%）。

缓冲成分为稳定剂，成分为磷酸盐-缓冲液，pH值为7.8-8.0，缓冲溶液在碱性除油溶液中的体积分数为20%，其中缓冲溶液配制方法有：

方法一：磷酸盐缓冲液(pH7.8～8.0) 甲液：分别取磷酸氢二钠6.82g和磷酸二氢钠2.35g，分别加水溶解完全，两种溶液混合，搅拌，形成均匀液体，稀释定容至1000ml，摇匀，即得。

或

方法二：磷酸盐缓冲液(pH7.8～8.0) 乙液：分别取磷酸氢二钾5.59g与0.41g磷酸二氢钾，分别加水溶解完全，两种溶液混合，搅拌，形成均匀液体，稀释定容至1000ml，摇匀，即得。

表面活性剂成分为十二烷基苯磺酸钠，配置为体积浓度1-3%。

鳌合剂成分为柠檬酸钠，浓度为0.15mol/L。

4.粗化

将除油后的金刚石/铜工件进行粗化工序，目的为增加金刚石/铜工件表面粗糙度，以保证厚度镀层金属与基底的良好结合。

具体操作为：将工件放入粗化液中浸泡30分钟，温度60℃，浸泡过程中，向缸内摇摆通气，使得粗化液浓度均匀，工件材料表面微蚀反应均匀，粗化工序完成后，水洗干净。

其中粗化液包括有高锰酸钾60g/L，过硫酸盐15 g/L，碱盐15g/L。

5.酸洗

将上述粗化后的工件浸泡在质量分数为7%的盐酸溶液中进行酸洗，以便工件表面附着上与活化液相同成分的离子，为下一步活化剂的吸附做铺垫，同时保护活化液。

6.催化活化

将工件放入活化液中浸泡12分钟，使工件板面上吸附上活性胶体钯，为后续金属电镀工序做准备，浸泡完成后将工件用水清洗干净。

活化液含有：质量分数为0.8%塑料电镀钯活化剂和质量分数为22%的盐酸水溶液。

7.解胶

用解胶溶液浸泡工件，浸泡时间为4分钟，去除工件水洗时水解生成的中间产物，清水洗净。

解胶溶液为混合溶液，包括如下质量分数的各物质：苯0.3%、丙酮0.6%、0.8%乙酸乙酯、0.9%乙酸丁酯、4%乙醇、6% HCl。

8. 镀镍

先化学镀镍：水浴恒温，将化学镀镍液升温至 85-95℃，工件放入工作液中浸泡，浸泡时间为30min，浸泡过程中摇摆，获得均匀的化学镀镍层。沉镍完成后将工件置于纯水中清洗1min，并在 4%的硫酸溶液中酸洗一遍，再水冲洗干净。

其中化学镀镍液：30g/L硫酸镍；10g/L柠檬酸钠；19g/L次亚磷酸钠；12g/L醋酸钠；15ml/L乳酸；三乙醇胺13g/L；水。

然后再电镀镍：将镀液升温至 55-60℃，将工件放入镀液中，电流密度设置为2.0ASD，摇摆打气，持续电镀80min；镀完后将工件放入纯水中清洗，吹干。

其中电镀镍液：氨基磺酸镍：280ml/L，氯化镍：15 g/L 硼酸： 45g/L，辅光剂BNB-95A 10ml/L，光亮剂BNB-95B 0.6ml/L，剩余为纯水。

9.镀金

目的：镍层上镀金，起焊接作用，防止表面氧化。

配制：K44浓缩基础液：50%；Au（氰化亚金钾）:10g/L，剩余为纯水。

K44浓缩基础液为： 90 g/L亚硫酸钠、20 g/L磷酸氢二钾、4g/L EDTA、3 g/L硫酸铜和水。

将镀金液升温至 56℃，将工件放入镀液中，电流密度设置为 0.75 ASD，电镀时，摇摆，电镀时间为30min。镀金完成后纯水洗，时间要长点，这水可以倒回金缸，防止金流失。

10.退火

目的：让工件在320℃高温烘烤3分钟，再用光学显微镜逐一观察工件金面，无脱落，不变色，热导率560W/(m·K)，热膨胀系数为5.6×10^-6m/K；；抗弯强度500Mpa；表面粗糙度为1.2。

Claims (10)

1. 一种金刚石/铜半导体封装材料表面加工方法，其特征在于，所述的方法包括如下的步骤：

1.研磨

对封装材料工件表面进行物理研磨抛光，裸露出金刚石和铜，使得材料表面粗糙度小于0.5微米；

2.切割打磨

将工件加工成要求尺寸，抛光去除工件面上的毛刺，用砂纸打磨；

3.除油

（3.1）用酒精溶液擦拭工件表面，去除黏附在工件表面的氧化物、灰尘和油污，然后用水洗净；

（3.2）将擦拭干净的工件放入碱性除油溶液中煮沸，再用水洗净；

4.粗化

将工件放入粗化液中浸泡，温度60℃，浸泡过程中向缸内通入气体，粗化工序完成后，水洗干净；

所述的粗化液采用碱性氧化性溶液；

5.酸洗

将上述粗化后的工件浸泡在酸洗溶液中，为下一步催化活化做准备；

6.催化活化

将工件放入活化液中浸泡10-15分钟，使工件板面上吸附上活性胶体钯，为后续金属电镀工序做准备；

7.解胶

用解胶溶液浸泡工件，浸泡时间为3-5分钟，去除工件水洗时水解生成的中间产物，再清水洗净；

镀镍

先化学镀镍后再电镀镍；

9.镀金

在镍层上镀金，起焊接作用，防止表面氧化；

退火

工件在320℃高温烘烤即可。

2.如权利要求1所述的金刚石/铜半导体封装材料表面加工方法，其特征在于，步骤2中打磨过程中先选用低倍目数的砂纸磨平，再选用高倍目数的砂纸磨光亮。

3.如权利要求1所述的金刚石/铜半导体封装材料表面加工方法，其特征在于，步骤（3.2）中的碱性除油溶液包括有体积分数60-80%的碱性盐溶液、体积分数20-30%的缓冲液、体积分数1-5%的表面活性剂和体积分数1-5%的鳌合剂。

4.如权利要求3所述的金刚石/铜半导体封装材料表面加工方法，其特征在于，缓冲液为磷酸盐-缓冲液，pH值为7.8-8.0。

5.如权利要求3所述的金刚石/铜半导体封装材料表面加工方法，其特征在于，表面活性剂成分为直链烷基苯磺酸钠盐。

6.如权利要求3所述的金刚石/铜半导体封装材料表面加工方法，其特征在于，鳌合剂成分为EDTA和/或柠檬酸钠中，浓度为0.1-0.2mol/L。

7.如权利要求1所述的金刚石/铜半导体封装材料表面加工方法，其特征在于，所述的碱性氧化性溶液包括有高锰酸盐50-80g/L，过硫酸盐10-20 g/L，碱盐 10-20g/L。

8.如权利要求7所述的金刚石/铜半导体封装材料表面加工方法，其特征在于，所述的高锰酸盐为高锰酸钾或高锰酸钠。

9.如权利要求1所述的金刚石/铜半导体封装材料表面加工方法，其特征在于，步骤6中的活化液包括有质量分数为0.5-1.0%的塑料电镀钯活化剂和20-25%的浓盐酸。

10.如权利要求1所述的金刚石/铜半导体封装材料表面加工方法，其特征在于，步骤7中的解胶溶液为混合溶液，包括有质量分数为如下的物质：苯0.1-0.5%、丙酮0.4-0.8%、乙酸乙酯0.5-1.0%、乙酸丁酯0.5-1.0%、乙醇2-5%、 HCl 5-10%。