CN111341666A - 功率器件模块封装用高导热氮化硅陶瓷基板与铜的连接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种功率器件模块封装用高导热氮化硅陶瓷基板与铜的连接方法，包括将高导热氮化硅陶瓷封装基板和铜置于酒精中清洗，然后采用砂纸对高导热氮化硅陶瓷封装基板和铜逐级打磨，最后采用抛光液对高导热氮化硅陶瓷封装基板和铜逐级抛光，在真空状态下，对待键合的高导热氮化硅陶瓷封装基板和铜表面进行离子轰击表面活化处理，在真空状态下将高导热氮化硅陶瓷封装基板与铜活化表面相互贴合，对连接结构施压和加热，从而实现高导热氮化硅陶瓷基板与铜的连接等步骤。其解决了现有高导热氮化硅陶瓷与铜的连接方法存在的连接界面处形成微米级厚度的反应层，阻碍热量的传递的技术问题。该方法可广泛应用于高导热氮化硅陶瓷基板与铜的连接。
Description
技术领域
本发明涉及功率器件封装基板领域，具体涉及一种功率器件模块封装用高导热氮化硅陶瓷基板与铜的连接方法。
背景技术
近年来，半导体器件沿着大功率化、高频化、集成化的方向迅猛发展，高的功率和使用环境对封装材料也提出了更高的要求。而半导体功率器件工作产生的热量是引起整个半导体器件失效的关键因素，而绝缘陶瓷基板的导热性又是影响整体半导体器件散热的关键。此外，如在电动汽车和电力机车等领域，半导体器件在使用过程中往往要面临颠簸、震动等特殊的力学环境，对基板材料的力学可靠性提出了严苛的要求。
当前氧化铝和氮化铝陶瓷基板具有较低的断裂韧性，可靠性问题严重限制了氧化铝和氮化铝基板的性能，因此寻找具有高导热性和高可靠性基板材料成为了高功率器件基板材料的关键。高导热氮化硅陶瓷基板是综合性能最好的结构陶瓷材料，优良的力学性能和良好的高导热潜质使氮化硅陶瓷有望弥补现有氧化铝和氮化铝等基板材料的不足，在高端半导体器件，特别是大功率半导体器件基片的应用方面极具市场前景。
现有已应用的功率器件模块封装用基板主要采用活性金属钎焊工艺(AMB)实现高导热氮化硅陶瓷与铜的连接，这种方法需要在钎料中加入活性元素在较高的温度下以实现钎料与陶瓷的冶金结合，一方面焊后会在连接界面处形成微米级厚度的反应层，阻碍热量的传递；另一方面氮化硅陶瓷与铜的热膨胀系数差异较大，高温钎焊势必会引入因热失配带来的应力问题，造成连接界面和基板内部破坏。
发明内容
本发明就是针对现有已应用的功率器件模块封装用基板主要采用活性金属钎焊工艺(AMB)实现高导热氮化硅陶瓷与铜的连接，需要在钎料中加入活性元素在较高的温度下以实现钎料与陶瓷的冶金结合，一方面焊后会在连接界面处形成微米级厚度的反应层，阻碍热量的传递的技术问题；另一方面氮化硅陶瓷与铜的热膨胀系数差异较大，高温钎焊势必会引入因热失配带来的应力问题，造成连接界面和基板内部破坏的技术问题，提供一种功率器件模块封装用高导热氮化硅陶瓷基板与铜的连接方法，该方法通过离子轰击表面活化处理实现高导热氮化硅陶瓷基板与铜的低温直接键合，获得具有高散热性和高可靠性的功率模块封装用基板。
为此，本发明所采取的技术方案是，一种功率器件模块封装用高导热氮化硅陶瓷基板与铜的连接方法，包括以下步骤：
(1)将高导热氮化硅陶瓷封装基板和铜置于酒精中清洗10-20min，然后分别采用400#、800#、1200#、2000#、3000#的砂纸对高导热氮化硅陶瓷封装基板和铜逐级打磨，最后分别采用1.5μm、1μm、0.5μm、0.1μm、0.05μm、0.02μm的抛光液对高导热氮化硅陶瓷封装基板和铜逐级抛光；
(2)将步骤(1)中处理后的高导热氮化硅陶瓷封装基板和铜放置在真空清洗室中，在真空状态下，对待键合的高导热氮化硅陶瓷封装基板和铜表面进行离子轰击表面活化处理；
(3)采用真空互联系统的样品运送架将步骤(2)中得到的表面活化的高导热氮化硅陶瓷封装基板和铜传送到真空连接室中，在真空状态下将高导热氮化硅陶瓷封装基板与铜活化表面相互贴合，对连接结构施压和加热，从而实现高导热氮化硅陶瓷基板与铜的连接。
优选地，步骤(1)中选用的高导热氮化硅陶瓷封装基板，其热导率为70W/(m·K)-100W/(m·K)。
优选地，步骤(2)中真空清洗室真空度范围为1.5×10-5Pa-5×10-7Pa。
优选地，步骤(2)中离子轰击的离子源为Ne、Ar、Kr、Xe中任意一种。
优选地，步骤(2)中离子轰击功率范围为10W-100W。
优选地，步骤(2)中离子轰击时间范围为60s-300s。
优选地，步骤(3)中真空连接室的真空度范围为5×10-5Pa-5×10-7Pa。
优选地，步骤(3)中高导热氮化硅陶瓷基板与铜的连接温度范围为25℃-300℃。
优选地，步骤(3)中高导热氮化硅陶瓷基板与铜的连接时间范围为5min-60min。
优选地，步骤(3)中高导热氮化硅陶瓷基板与铜的连接压力范围为30kg-320kg。
本发明的有益效果是，由于首先在真空环境下通过离子轰击高导热氮化硅陶瓷基板和铜表面，去除陶瓷基板和铜表面氧化层和污染物并使陶瓷基板和铜表面的具有高活性和反应性，然后在真空状态下将离子轰击活化后的陶瓷基板和铜转移至连接室中在较低温度下辅以适当的压力实现陶瓷基板与铜的连接,实现了高导热氮化硅陶瓷基板与铜的无中间层直接低温键合，能够有效提高功率器件模块封装用高导热氮化硅陶瓷基板与铜之间的热传递，提高功率器件的使用寿命，利用表面活化键合直接实现高导热氮化硅陶瓷基板与铜的紧密结合，可充分发挥封装基板的高散热性能，又进一步提高了功率器件使用寿命。
附图说明
图1是本发明高导热氮化硅陶瓷基板与铜连接工艺方法示意图。
图中符号说明
1.Ar离子束；2.真空转移装置；3.高导热氮化硅陶瓷；4.无氧铜；5.预键合基板；6.键合台。
具体实施方式
实施例1
本实施例的一种功率器件模块封装用高导热氮化硅陶瓷基板与铜的连接方法，包括以下步骤：
(1)将高导热氮化硅陶瓷封装基板和铜置于酒精中清洗10-20min，然后分别采用400#、800#、1200#、2000#、3000#的砂纸对高导热氮化硅陶瓷封装基板和铜逐级打磨，最后分别采用1.5μm、1μm、0.5μm、0.1μm、0.05μm、0.02μm的抛光液对高导热氮化硅陶瓷封装基板和铜逐级抛光；
(2)将步骤(1)中处理后的高导热氮化硅陶瓷封装基板和铜放置清洗室中，抽取真空度至5×10-7Pa后，对待键合的高导热氮化硅陶瓷封装基板和铜表面进行Ar离子轰击表面活化处理，离子轰击功率为10W，轰击时间为180s；
(3)采用真空互联系统的样品运送架将步骤(2)中得到的表面活化的高导热氮化硅陶瓷封装基板和铜传送到连接室中，在真空状态下(真空度为5×10-7Pa)将高导热氮化硅陶瓷封装基板与铜活化表面相互贴合，对连接结构施加300kg的工作压力，键合温室为25℃，键合时间为10min。
图1表示了本实施例高导热氮化硅陶瓷基板与铜连接工艺方法示意图，图中可看到，高导热氮化硅陶瓷3和无氧铜4待键合，经过Ar离子束1对高导热氮化硅陶瓷封装基板和铜表面进行轰击表面活化处理，再经过真空转移装置2，该实施例为样品运送架将得到的表面活化的高导热氮化硅陶瓷封装基板和铜形成的预键合基板5传送到连接室中的键合台6上，完成键合。
以上步骤降低了高温带来的应力问题，利用室温表面活化直接键合工艺实现高导热氮化硅陶瓷封装基板与铜的紧密结合，制得的功率器件模块封装基板可充分发挥陶瓷基板的高导热优势，同时也不会因为高温对键合界面和基板内部造成破坏。
本发明的有益效果是，由于首先在真空环境下通过离子轰击高导热氮化硅陶瓷基板和铜表面，去除陶瓷基板和铜表面氧化层和污染物并使陶瓷基板和铜表面的具有高活性和反应性，然后在真空状态下将离子轰击活化后的陶瓷基板和铜转移至连接室中在较低温度下辅以适当的压力实现陶瓷基板与铜的连接,实现了高导热氮化硅陶瓷基板与铜的无中间层直接低温键合，能够有效提高功率器件模块封装用高导热氮化硅陶瓷基板与铜之间的热传递，提高功率器件的使用寿命，利用表面活化键合直接实现高导热氮化硅陶瓷基板与铜的紧密结合，可充分发挥封装基板的高散热性能，又进一步提高了功率器件使用寿命。
实施例2
本实施例的一种功率器件模块封装用高导热氮化硅陶瓷基板与铜的连接方法，包括以下步骤：
(1)将高导热氮化硅陶瓷封装基板和铜置于酒精中清洗10-20min，然后分别采用400#、800#、1200#、2000#、3000#的砂纸对高导热氮化硅陶瓷封装基板和铜逐级打磨，最后分别采用1.5μm、1μm、0.5μm、0.1μm、0.05μm、0.02μm的抛光液对高导热氮化硅陶瓷封装基板和铜逐级抛光；
(2)将步骤(1)中处理后的高导热氮化硅陶瓷封装基板和铜放置清洗室中，抽取真空度至5×10-5Pa后，对待键合的高导热氮化硅陶瓷封装基板和铜表面进行Kr离子轰击表面活化处理，离子轰击功率为10W，轰击时间为180s；
(3)采用真空互联系统的样品运送架将步骤(2)中得到的表面活化的高导热氮化硅陶瓷封装基板和铜传送到连接室中，在真空状态下(真空度为1×10-6Pa)将高导热氮化硅陶瓷封装基板与铜活化表面相互贴合，对连接结构施加150kg的工作压力，键合温室为200℃，键合时间为20min。
实施例3
本实施例的一种功率器件模块封装用高导热氮化硅陶瓷基板与铜的连接方法，包括以下步骤：
(1)将高导热氮化硅陶瓷封装基板和铜置于酒精中清洗10-20min，然后分别采用400#、800#、1200#、2000#、3000#的砂纸对高导热氮化硅陶瓷封装基板和铜逐级打磨，最后分别采用1.5μm、1μm、0.5μm、0.1μm、0.05μm、0.02μm的抛光液对高导热氮化硅陶瓷封装基板和铜逐级抛光；
(2)将步骤(1)中处理后的高导热氮化硅陶瓷封装基板和铜放置清洗室中，抽取真空度至2.5×10-6Pa后，对待键合的高导热氮化硅陶瓷封装基板和铜表面进行Xe离子轰击表面活化处理，离子轰击功率为10W，轰击时间为180s；
(3)采用真空互联系统的样品运送架将步骤(2)中得到的表面活化的高导热氮化硅陶瓷封装基板和铜传送到连接室中，在真空状态下(真空度为8×10-7Pa)将高导热氮化硅陶瓷封装基板与铜活化表面相互贴合，对连接结构施加100kg的工作压力，键合温室为300℃，键合时间为5min。
实施例4
本实施例的一种功率器件模块封装用高导热氮化硅陶瓷基板与铜的连接方法，包括以下步骤：
(1)将高导热氮化硅陶瓷封装基板和铜置于酒精中清洗10-20min，然后分别采用400#、800#、1200#、2000#、3000#的砂纸对高导热氮化硅陶瓷封装基板和铜逐级打磨，最后分别采用1.5μm、1μm、0.5μm、0.1μm、0.05μm、0.02μm的抛光液对高导热氮化硅陶瓷封装基板和铜逐级抛光；
(2)将步骤(1)中处理后的高导热氮化硅陶瓷封装基板和铜放置清洗室中，抽取真空度至5×10-7Pa后，对待键合的高导热氮化硅陶瓷封装基板和铜表面进行Ar离子轰击表面活化处理，离子轰击功率为10W，轰击时间为180s；
(3)采用真空互联系统的样品运送架将步骤(2)中得到的表面活化的高导热氮化硅陶瓷封装基板和铜传送到连接室中，在真空状态下(真空度为5×10-7Pa)将高导热氮化硅陶瓷封装基板与铜活化表面相互贴合，对连接结构施加250kg的工作压力，键合温室为150℃，键合时间为60min。
实施例5
本实施例的一种功率器件模块封装用高导热氮化硅陶瓷基板与铜的连接方法，包括以下步骤：
(1)将高导热氮化硅陶瓷封装基板和铜置于酒精中清洗10-20min，然后分别采用400#、800#、1200#、2000#、3000#的砂纸对高导热氮化硅陶瓷封装基板和铜逐级打磨，最后分别采用1.5μm、1μm、0.5μm、0.1μm、0.05μm、0.02μm的抛光液对高导热氮化硅陶瓷封装基板和铜逐级抛光；
(2)将步骤(1)中处理后的高导热氮化硅陶瓷封装基板和铜放置清洗室中，抽取真空度至3×10-6Pa后，对待键合的高导热氮化硅陶瓷封装基板和铜表面进行Ar离子轰击表面活化处理，离子轰击功率为10W，轰击时间为180s；
(3)采用真空互联系统的样品运送架将步骤(2)中得到的表面活化的高导热氮化硅陶瓷封装基板和铜传送到连接室中，在真空状态下(真空度为5×10-7Pa)将高导热氮化硅陶瓷封装基板与铜活化表面相互贴合，对连接结构施加150kg的工作压力，键合温室为100℃，键合时间为30min。
本发明技术方案不局限于以上所举例的具体实施方式，还包括各具体实施方式之间的任意组合。
Claims (10)
1.一种功率器件模块封装用高导热氮化硅陶瓷基板与铜的连接方法，其特征是包括以下步骤：
(1)将高导热氮化硅陶瓷封装基板和铜置于酒精中清洗10-20min，然后分别采用400#、800#、1200#、2000#、3000#的砂纸对高导热氮化硅陶瓷封装基板和铜逐级打磨，最后分别采用1.5μm、1μm、0.5μm、0.1μm、0.05μm、0.02μm的抛光液对高导热氮化硅陶瓷封装基板和铜逐级抛光；
(2)将步骤(1)中处理后的高导热氮化硅陶瓷封装基板和铜放置在真空清洗室中，在真空状态下，对待键合的高导热氮化硅陶瓷封装基板和铜表面进行离子轰击表面活化处理；
(3)采用真空互联系统的样品运送架将步骤(2)中得到的表面活化的高导热氮化硅陶瓷封装基板和铜传送到真空连接室中，在真空状态下将高导热氮化硅陶瓷封装基板与铜活化表面相互贴合，对连接结构施压和加热，从而实现高导热氮化硅陶瓷基板与铜的连接。
2.根据权利要求1所述的功率器件模块封装用高导热氮化硅陶瓷基板与铜的连接方法，其特征在于：所述步骤(1)中选用的高导热氮化硅陶瓷封装基板，其热导率为70W/(m·K)-100W/(m·K)。
3.根据权利要求1所述的功率器件模块封装用高导热氮化硅陶瓷基板与铜的连接方法，其特征在于：所述步骤(2)中真空清洗室真空度范围为1.5×10-5Pa-5×10-7Pa。
4.根据权利要求1所述的功率器件模块封装用高导热氮化硅陶瓷基板与铜的连接方法，其特征在于：所述步骤(2)中离子轰击的离子源为Ne、Ar、Kr、Xe中任意一种。
5.根据权利要求1所述的功率器件模块封装用高导热氮化硅陶瓷基板与铜的连接方法，其特征在于：所述步骤(2)中离子轰击功率范围为10W-100W。
6.根据权利要求1所述的功率器件模块封装用高导热氮化硅陶瓷基板与铜的连接方法，其特征在于：所述步骤(2)中离子轰击时间范围为60s-300s。
7.根据权利要求1所述的功率器件模块封装用高导热氮化硅陶瓷基板与铜的连接方法，其特征在于：所述步骤(3)中真空连接室的真空度范围为5×10-5Pa-5×10-7Pa。
8.根据权利要求1所述的功率器件模块封装用高导热氮化硅陶瓷基板与铜的连接方法，其特征在于：所述步骤(3)中高导热氮化硅陶瓷基板与铜的连接温度范围为25℃-300℃。
9.根据权利要求1所述的功率器件模块封装用高导热氮化硅陶瓷基板与铜的连接方法，其特征在于：所述步骤(3)中高导热氮化硅陶瓷基板与铜的连接时间范围为5min-60min。
10.根据权利要求1所述的功率器件模块封装用高导热氮化硅陶瓷基板与铜的连接方法，其特征在于：所述步骤(3)中高导热氮化硅陶瓷基板与铜的连接压力范围为30kg-320kg。
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| US5534103A (en) * | 1993-10-15 | 1996-07-09 | Japan As Represented By Director General Of Agency Of Industrial Science And Technology | Method for bonding of a ceramic body and a metallic body |
| CN102339758A (zh) * | 2011-10-13 | 2012-02-01 | 华中科技大学 | 低温键合制备铜-陶瓷基板方法 |
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| CN109251054A (zh) * | 2018-09-30 | 2019-01-22 | 深圳嘉龙微电子有限公司 | 一种陶瓷覆铜基板及其制造方法 |
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2020
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