CN111192831A - 用于高导热氮化硅陶瓷基板的表面金属化方法及其封装基板 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于高导热氮化硅陶瓷基板的表面金属化方法及其封装基板，包括下述步骤：对高导热氮化硅陶瓷封装基板和无氧铜进行离子轰击表面活化处理；采用真空磁控溅射方式，在活化的高导热氮化硅陶瓷封装基板和无氧铜的表面沉积纳米级厚度的金属层；将沉积金属层的高导热氮化硅陶瓷封装基板和无氧铜置于真空环境下相互贴合，并施加压力，实现室温直接键合。本发明方法制备得到的封装基板，其结构自上而下依次为无氧铜层、纳米金属层、高导热氮化硅陶瓷基板。本发明通过真空磁控溅射金属化技术，实现了高导热氮化硅陶瓷基板与无氧铜的室温键合，降低了高温引起的应力问题，能够有效提高功率器件的可靠性及使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及陶瓷覆铜板技术领域，具体涉及一种用于高导热氮化硅陶瓷基板的金属化方法及其封装基板。
背景技术
绝缘栅双极晶体管(IGBT)作为可实现电能的转换和控制的最先进的电子元器件，具有输入阻抗大、驱动功率小、开关速度快、工作频率高、饱和压降低和可耐高电压和大电流等一系列优点，是电力电子领域中最重要的大功率器件。对于新能源汽车、电力机车等采用的高功率、大电流IGBT模块来说，散热和可靠性是其必须解决的关键问题。IGBT模块中封装内的芯片、金属镀层都具有良好的散热性，因此陶瓷基板的导热性是影响整个器件使用寿命的关键。
在模块封装用陶瓷基板应用方面，陶瓷覆铜板是目前应用较为广泛的一种复合金属陶瓷基板，常用的陶瓷基板主要包括氧化铝陶瓷基板、氮化铝陶瓷基板和氮化硅陶瓷基板。然而，传统的陶瓷覆铜板往往需要高温实现陶瓷与金属之间的键合，由于陶瓷与金属之间较大的热膨胀系数差异，键合后的复合金属陶瓷基板内部存在的较大的残余应力。当基板遭受温度变化(例如温度循环和功率循环)时，来自陶瓷与金属之间的热膨胀系数不匹配的累积应力/应变导致界面分层和陶瓷裂纹，严重降低了功率器件的可靠性。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的不足，提供了一种用于高导热氮化硅陶瓷基板的表面金属化方法，通过在陶瓷基板材料表面溅射纳米金属层实现陶瓷基板与无氧铜层的室温键合，减少了传统工艺因高温键合存在于基板产品中的残余应力，降低了能耗，制备得到的基板产品导热性好、强度和抗冲击能力高、承载电流能力强、散热性好、耐温度冲击能力高、可靠性高。
本发明所要解决的技术问题是通过以下技术方案来实现的。本发明是一种用于高导热氮化硅陶瓷基板的表面金属化方法，其特点是，包括以下步骤：
(一)、将高导热氮化硅陶瓷基板和无氧铜清洗、打磨、抛光，去除基底表面吸附颗粒和污染物；
(二)、采用真空Ar离子束轰击活化待键合的高导热氮化硅陶瓷基板和无氧铜的表面；
(三)、采用真空磁控溅射方式，分别在经步骤(二)得到的高导热氮化硅陶瓷基板上表面和无氧铜下表面沉积纳米级厚度的金属粘附层，金属粘附层为Ti层、Cr层、W层、Ta层中的任意一种；
(四)、采用真空磁控溅射方式，分别在经步骤(三)得到的高导热氮化硅陶瓷基板和无氧铜表面的金属粘附层表面上沉积纳米级厚度的金属中间层，金属中间层为Au层、Ag层、Cu层、Al层中的任意一种；
(五)、在真空状态下，将高导热氮化硅陶瓷基板和无氧铜沉积有金属中间层的一侧相互贴合，并在室温下施加压力，使无氧铜键合至高导热氮化硅陶瓷基板上。
优选地，步骤(一)中所述的高导热氮化硅陶瓷基板的热导率为60W/(m·K)～90W/(m·K)。
优选地，步骤(二)所述的真空Ar离子束轰击活化的真空度为5×10-5Pa～5×10- 7Pa。
优选地，步骤(三)、(四)中所述的真空磁控溅射方式的真空度为5×10-5Pa～5×10-7Pa。
优选地，步骤(三)所述的金属粘附层的厚度不大于5nm。
优选地，步骤(四)所述的金属中间层的厚度不大于10nm。
优选地，步骤(五)中所述的真空状态的真空度为5×10-5Pa～5×10-7Pa，施加的压力为1MPa～20MPa，键合温度为室温25±1℃。
本发明还提供了一种利用前述的用于高导热氮化硅陶瓷基板的表面金属化方法处理得到的封装基板的技术方案，其特点是，该封装基板包括自上而下依次相接的无氧铜层、纳米金属层和高导热氮化硅陶瓷基板，纳米金属层包括通过真空磁控溅射方式分别在无氧铜层下表面和高导热氮化硅陶瓷基板上表面依次沉积的纳米级厚度的金属粘附层、纳米级厚度的金属中间层，无氧铜层下表面沉积的金属中间层与高导热氮化硅陶瓷基板上表面沉积的金属中间层之间键合连接，所述金属粘附层为Ti层、Cr层、W层、Ta层中的任意一种，所述金属中间层为Au层、Ag层、Cu层、Al层中的任意一种。
优选地，所述的金属粘附层的厚度不大于5nm。
优选地，所述的金属中间层的厚度不大于10nm。
本发明方法沉积的金属粘附层是为了提高金属中间层与无氧铜、陶瓷基体之间的连接能力，优选的Ti、Cr、W、Ta金属元素具有良好的粘附性，在磁控溅射以及后续键合过程中不易脱落；金属中间层的选用则是基于元素自身高扩散性可以获得较高的粘附强度，而高散热性是本发明的重要目标之一，因而选用了高自扩散性和高导热率集一身的Au、Ag、Cu、Al作为金属中间层的金属元素。
本发明采用的表面活化键合方法对待键合表面具有较高的要求，如果沉积的金属层较厚，则会使其表面产生较大的粗糙度，影响键合质量。经过多次试验验证，5nm及5nm以下厚度的金属粘附层、10nm及10nm以下厚度的金属中间层表面平整度较高，且在前述厚度条件下，无氧铜表面沉积的金属中间层与高导热氮化硅陶瓷基板表面沉积的金属中间层之间的接触面积更大，二者的表面吸附力更强，具有较高的键合强度。
尽管本发明方法亦适用于无氧铜与氧化铝陶瓷基板、氮化铝两种陶瓷基板材料的键合，但由于氮化硅陶瓷基板具有超高的硬度和断裂韧性，故优选高导热氮化硅陶瓷基板作为基材。与前两种陶瓷基板相比，采用本发明方法，利用高导热氮化硅陶瓷基板制备得到的封装基板产品，具有更高的强度、抗冲击能力和可靠性。
与现有技术相比，本发明方法通过真空磁控溅射在高导热氮化硅陶瓷基板、无氧铜表面沉积纳米金属层，即纳米级厚度的金属粘附层和金属中间层，利用纳米金属层的高活性和高自扩散性，实现高导热氮化硅陶瓷基板与无氧铜的室温键合，降低现有陶瓷与金属连接由于高温引起的应力问题，并降低了能耗。同时，利用本发明方法获得的基板产品具有界面结合力更高、导电(载流)更高、导热性能更好、抗热冲击能力更强的特点，有效提高了封装基板材料的可靠性，进一步提高了功率器件的使用寿命。本发明方法操作简便，产品性能可靠，适用于高导热要求的功率器件模块封装上的使用。
附图说明
图1是本发明高导热氮化硅陶瓷基板的金属化方法的工艺示意图；
图2是本发明实施例1处理得到的封装基板的高导热氮化硅陶瓷基板与无氧铜的连接界面扫描电子显微镜照片。
具体实施方式
下面结合附图1、附图2和具体实施例进一步描述本发明的具体技术方案，以便于本领域的技术人员进一步地理解本发明，而不构成对其权利的限制。
实施例1，一种用于高导热氮化硅陶瓷基板的表面金属化方法，包括以下步骤：
(一)、将高导热氮化硅陶瓷基板和无氧铜清洗、打磨、抛光，去除基底表面吸附颗粒和污染物，其中，高导热氮化硅陶瓷基板的热导率为60W/(m·K)；
(二)、采用真空Ar离子束轰击活化待键合的高导热氮化硅陶瓷基板和无氧铜表面，Ar离子束轰击活化的真空度为5×10-5Pa；
(三)、采用真空磁控溅射方式，使用纯金属靶材Ti靶，分别在经步骤(二)处理后的高导热氮化硅陶瓷基板上表面、无氧铜下表面沉积纳米级厚度的金属粘附层——Ti层，Ti层厚度为4nm；
(四)、采用真空磁控溅射方式，使用纯金属靶材Au靶，分别在经步骤(三)得到的高导热氮化硅陶瓷基板和无氧铜表面的金属粘附层表面上，再沉积纳米级厚度的金属中间层——Au层，Au层厚度为7nm；
步骤(三)、(四)中，真空磁控溅射方式的真空度为5×10-5Pa；
(五)、在真空度为5×10-5Pa的真空环境下，将高导热氮化硅陶瓷基板和无氧铜沉积有金属中间层的一侧相互贴合，并在室温(25℃)下施加20MPa的压力，使无氧铜下表面沉积的金属中间层与高导热氮化硅陶瓷基板的上表面沉积的金属中间层实现化学键结合，得到高导热氮化硅陶瓷封装基板。
实施例2，一种用于高导热氮化硅陶瓷基板的表面金属化方法，包括以下步骤：
(一)、将高导热氮化硅陶瓷基板和无氧铜清洗、打磨、抛光，去除基底表面吸附颗粒和污染物，其中，高导热氮化硅陶瓷基板的热导率为70W/(m·K)；
(二)、采用真空Ar离子束轰击活化待键合的高导热氮化硅陶瓷基板和无氧铜表面，Ar离子束轰击活化的真空度为5×10-7Pa；
(三)、采用真空磁控溅射方式，使用纯金属靶材Ti靶，分别在经步骤(二)处理后的高导热氮化硅陶瓷基板上表面、无氧铜下表面沉积纳米级厚度的金属粘附层——Ti层，其厚度为3nm；
(四)、采用真空磁控溅射方式，使用纯金属靶材Ag靶，分别在经步骤(三)得到的高导热氮化硅陶瓷基板和无氧铜表面的金属粘附层表面上，再沉积纳米级厚度的金属中间层——Ag层，Ag层厚度为8nm；
步骤(三)、(四)中，真空磁控溅射方式的真空度为5×10-7Pa；
(五)、在真空度为5×10-7Pa的真空环境下，将高导热氮化硅陶瓷基板和无氧铜沉积有金属中间层的一侧相互贴合，并在室温(25℃)下施加10MPa的压力，使无氧铜下表面沉积的金属中间层与高导热氮化硅陶瓷基板的上表面沉积的金属中间层实现化学键结合，得到高导热氮化硅陶瓷封装基板。
实施例3，一种用于高导热氮化硅陶瓷基板的表面金属化方法，包括以下步骤：
(一)、将高导热氮化硅陶瓷基板和无氧铜清洗、打磨、抛光，去除基底表面吸附颗粒和污染物，其中，高导热氮化硅陶瓷基板的热导率为90W/(m·K)；
(二)、采用真空Ar离子束轰击活化待键合的高导热氮化硅陶瓷基板和无氧铜表面，Ar离子束轰击活化的真空度为5×10-6Pa；
(三)、采用真空磁控溅射方式，使用纯金属靶材W靶，分别在经步骤(二)处理后的高导热氮化硅陶瓷基板上表面、无氧铜下表面沉积纳米级厚度的金属粘附层——W层，W层厚度为3nm；
(四)、采用真空磁控溅射方式，使用纯金属靶材Au靶，分别在经步骤(三)处理后的高导热氮化硅陶瓷基板和无氧铜表面的金属粘附层表面上，再沉积纳米级厚度的金属中间层——Au层，Au层厚度为7nm；
步骤(三)、(四)中，真空磁控溅射方式的真空度为5×10-6Pa；
(五)、在真空度为5×10-6Pa的真空环境下，将高导热氮化硅陶瓷基板和无氧铜沉积有金属中间层的一侧相互贴合，并在室温(25℃)下施加1MPa的压力，使无氧铜下表面沉积的金属中间层与高导热氮化硅陶瓷基板的上表面沉积的金属中间层之间实现化学键结合，得到高导热氮化硅陶瓷封装基板。
实施例4，实施例1-3任何一项所述的高导热氮化硅陶瓷基板的表面金属化方法中，步骤(三)中所述的金属粘附层为Cr层，其厚度为5nm；步骤(四)中所述的金属中间层为Al层，其厚度为9nm；其余步骤相同。
实施例5，实施例1-3任何一项所述的高导热氮化硅陶瓷基板的表面金属化方法中，步骤(三)中所述的金属粘附层为Cr层，其厚度为3nm；步骤(四)中所述的金属中间层为Au层，其厚度为9nm；其余步骤相同。
实施例6，实施例1-3任何一项所述的高导热氮化硅陶瓷基板的表面金属化方法中，步骤(三)中所述的金属粘附层为Ti层，其厚度为3nm；步骤(四)中所述的金属中间层为Al层，其厚度为9nm；其余步骤相同。
实施例7，实施例1-3任何一项所述的高导热氮化硅陶瓷基板的表面金属化方法中，步骤(三)中所述的金属粘附层为Ta层，其厚度为1nm；步骤(四)中所述的金属中间层为Cu层，其厚度为9nm；其余步骤相同。
实施例8，实施例1-3任何一项所述的高导热氮化硅陶瓷基板的表面金属化方法中，步骤(三)中所述的金属粘附层为Ta层，其厚度为4nm；步骤(四)中所述的金属中间层为Ag层，其厚度为10nm；其余步骤相同。
实施例9，实施例1-3任何一项所述的高导热氮化硅陶瓷基板的表面金属化方法中，步骤(三)中所述的金属粘附层为W层，其厚度为3nm；步骤(四)中所述的金属中间层为Cu层，其厚度为1nm；其余步骤相同。
实施例10，实施例1-3任何一项所述的高导热氮化硅陶瓷基板的表面金属化方法中，步骤(三)中所述的金属粘附层为Cr层，其厚度为2nm；步骤(四)中所述的金属中间层为Cu层，其厚度为6nm；其余步骤相同。
实施例11，实施例1-10任何一项所述的高导热氮化硅陶瓷基板的表面金属化方法中，步骤(五)中所述的真空状态的真空度范围为5×10-7Pa，施加的压力为15MPa，键合温度为24℃；其余步骤相同。
实施例12，实施例1-10任何一项所述的高导热氮化硅陶瓷基板的表面金属化方法中，步骤(五)中所述的真空状态的真空度范围为5×10-6Pa，施加的压力为10MPa，键合温度为26℃；其余步骤相同。
实施例1-12所述的本发明方法的步骤(五)中，真空键合时的温度为室温，约为25℃，但在实际操作中，允许±1℃的上下波动。同时，在操作该步骤时，可以利用夹具将步骤(四)处理的高导热氮化硅陶瓷封装基板和无氧铜转移至真空一体化装置中进行室温键合，施加的压力可以通过任何一种适用于本发明方法的施压装置进行，也可以是真空一体化装置配套的施加装置，该施压装置以促使无氧铜上沉积的金属中间层和高导热氮化硅陶瓷基板上沉积的金属中间层相互靠近、直至接触贴合的方式进行施压。本发明所述的真空一体化装置可以是市面上销售的或现有技术中公开的任何一种能够应用于本发明方法的装置，例如真空键合机。
实施例13，利用实施例1-12任何一项的方法制得的封装基板，该封装基板包括自上而下依次相接的无氧铜层、纳米金属层和高导热氮化硅陶瓷基板，纳米金属层包括通过真空磁控溅射方式分别在无氧铜层下表面和高导热氮化硅陶瓷基板上表面依次沉积纳米级厚度的金属粘附层、纳米级厚度的金属中间层，无氧铜层下表面沉积的金属中间层与高导热氮化硅陶瓷基板上表面沉积的金属中间层键合连接，所述的金属粘附层为Ti层、Cr层、W层、Ta层中的任意一种，所述的金属中间层为Au层、Ag层、Cu层、Al层中的任意一种。
实施例14，实施例13所述的封装基板中，所述的金属粘附层的厚度不大于5nm。
实施例15，实施例13所述的封装基板中，所述的金属中间层的厚度不大于10nm。
本发明方法采用表面溅射纳米金属层的金属化预处理实现高导热氮化硅陶瓷基板与无氧铜的室温键合，经本方法处理后制备的封装基板可以减少传统高温键合/连接引起的应力问题，大幅度提高基板的可靠性，从而延长功率器件的使用寿命。
Claims (10)
1.一种用于高导热氮化硅陶瓷基板的表面金属化方法，其特征在于，包括以下步骤：
(一)、将高导热氮化硅陶瓷基板和无氧铜清洗、打磨、抛光，去除基底表面吸附颗粒和污染物；
(二)、采用真空Ar离子束轰击活化待键合的高导热氮化硅陶瓷基板和无氧铜的表面；
(三)、采用真空磁控溅射方式，分别在经步骤(二)得到的高导热氮化硅陶瓷基板上表面和无氧铜下表面沉积纳米级厚度的金属粘附层，金属粘附层为Ti层、Cr层、W层、Ta层中的任意一种；
(四)、采用真空磁控溅射方式，分别在经步骤(三)得到的高导热氮化硅陶瓷基板和无氧铜表面的金属粘附层表面上沉积纳米级厚度的金属中间层，金属中间层为Au层、Ag层、Cu层、Al层中的任意一种；
(五)、在真空状态下，将高导热氮化硅陶瓷基板和无氧铜沉积有金属中间层的一侧相互贴合，并在室温下施加压力，使无氧铜键合至高导热氮化硅陶瓷基板上。
2.根据权利要求1所述的用于高导热氮化硅陶瓷基板的表面金属化方法，其特征在于：步骤(一)中所述的高导热氮化硅陶瓷基板的热导率为60W/(m·K)～90W/(m·K)。
3.根据权利要求1所述的用于高导热氮化硅陶瓷基板的表面金属化方法，其特征在于：步骤(二)所述的真空Ar离子束轰击活化的真空度为5×10-5Pa～5×10-7Pa。
4.根据权利要求1所述的用于高导热氮化硅陶瓷基板的表面金属化方法，其特征在于：步骤(三)、(四)中所述的真空磁控溅射方式的真空度为5×10-5Pa～5×10-7Pa。
5.根据权利要求1所述的用于高导热氮化硅陶瓷基板的表面金属化方法，其特征在于：步骤(三)所述的纳米级厚度的金属粘附层的厚度不大于5nm。
6.根据权利要求1所述的用于高导热氮化硅陶瓷基板的表面金属化方法，其特征在于：步骤(四)所述的纳米级厚度的金属中间层的厚度不大于10nm。
7.根据权利要求1所述的用于高导热氮化硅陶瓷基板的表面金属化方法，其特征在于：步骤(五)中所述的真空状态的真空度为5×10-5Pa～5×10-7Pa，施加的压力为1MPa～20MPa，键合温度为室温25±1℃。
8.使用权利要求1至7任意一项所述的用于高导热氮化硅陶瓷基板的表面金属化方法制得的封装基板，其特征在于：包括自上而下依次相接的无氧铜层、纳米金属层、高导热氮化硅陶瓷基板，纳米金属层包括通过真空磁控溅射方式分别在无氧铜层下表面和高导热氮化硅陶瓷基板上表面依次沉积的纳米级厚度的金属粘附层、纳米级厚度的金属中间层，无氧铜层下表面沉积的金属中间层与高导热氮化硅陶瓷基板上表面沉积的金属中间层之间键合连接，所述金属粘附层为Ti层、Cr层、W层、Ta层中的任意一种，所述金属中间层为Au层、Ag层、Cu层、Al层中的任意一种。
9.根据权利要求8所述的封装基板，其特征在于：所述的金属粘附层的厚度不大于5nm。
10.根据权利要求8所述的封装基板，其特征在于：所述的金属中间层的厚度不大于10nm。
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