CN111403347B - 一种高可靠性氮化硅覆铜陶瓷基板的铜瓷界面结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高可靠性氮化硅覆铜陶瓷基板的铜瓷界面结构，自上而下分别为铜，连接层，反应层，氮化硅陶瓷，反应层，连接层和铜；所述反应层是活性金属元素与氮化硅反应形成的活性金属的氮化物，用于实现焊料与氮化硅陶瓷和铜的浸润及连接；所述连接层为连接铜与氮化硅陶瓷的应力缓冲层，所述应力缓冲层为铜与活性金属元素的铜合金层；通过对焊接界面的优化设计及使用不含Ag焊片，可以有效提高焊接层的均匀性，降低铜‑瓷界面之间的残余应力，从而提高铜瓷界面的结合力，同时减少环境污染的风险。
Description
技术领域
本发明属于功率半导体制造领域，具体涉及一种高可靠性氮化硅覆铜陶瓷基板的铜瓷界面设计方法，特别适用于半导体制冷器、功率半导体等覆铜陶瓷基板制造。
背景技术
氮化硅覆铜陶瓷基板是氮化硅陶瓷与铜通过活性钎焊工艺形成的铜-陶瓷复合材料，是大功率电力电子电路结构技术和互连技术的一种新的基础材料。覆铜陶瓷基板的可靠性与陶瓷材料的性能密切相关。通常陶瓷材料多采用96％氧化铝陶瓷、氮化铝陶瓷或氧化锆增韧氧化铝陶瓷，但这些陶瓷的抗弯强度及断裂韧性较低，影响了覆铜陶瓷基板的可靠性。氮化硅陶瓷具有优秀的力学性能，同时它的导热系数较高。使用氮化硅陶瓷制作的覆铜陶瓷基板具有优异的可靠性，可使电力电子模块的寿命延长10倍之多。
生产氮化硅覆铜陶瓷基板的技术关键是获得高可靠性的铜-瓷连接。但由于氮化硅陶瓷与铜之间的热膨胀系数差别较大，在键合的过程中会产生较大的残余应力，不易获得优良的结合性能。氮化硅覆铜陶瓷基板实现铜-瓷的连接的常用方法是使用活性金属钎焊，其中AgCuTi是常用的活性金属钎焊焊膏。AgCuTi应用广泛，钎焊性能好，但AgCuTi活性金属钎焊焊膏应用于覆铜陶瓷基板的钎焊工艺中会带来一些问题：
1.使用AgCuTi活性金属钎焊焊膏不容易获得均匀的焊缝，通常AgCuTi焊料采用浆料的方式涂装在氮化硅的表面，与铜片装夹成三明治结构后进行真空钎焊。由于焊料的涂装厚度、焊料熔化后流动、焊料中银向铜中扩散、焊料凝固时析晶等因素的影响，使用AgCuTi浆料钎焊的铜瓷界面均匀性较差，如图1所示。均匀性较差的焊料会影响后续的蚀刻工艺，并影响产品的尺寸精度及可靠性。
2.AgCuTi焊料中的Ag作为重金属，在覆铜陶瓷基板的后续蚀刻工艺中会带来环境污染的风险。
3.含银的钎焊层会影响刻蚀线路的精准度，含银焊料会造成蚀刻不净，影响电路板的绝缘性能。
4.银的电迁移系数较大，在恶劣的使用环境下，AgCuTi焊料中银的电迁移会影响产品的可靠性。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种高可靠性氮化硅覆铜陶瓷基板的铜瓷界面结构及其制备方法，通过对焊接界面的优化设计及使用不含Ag焊片，可以有效提高焊接层的均匀性，降低铜-瓷界面之间的残余应力，从而提高铜瓷界面的结合力，同时减少环境污染的风险。
本发明的技术方案是：一种高可靠性氮化硅覆铜陶瓷基板的铜瓷界面结构，自上而下分别为铜，连接层，反应层，氮化硅陶瓷，反应层，连接层和铜；
所述反应层是活性金属元素与氮化硅反应形成的活性金属的氮化物，用于实现焊料与氮化硅陶瓷和铜的浸润及连接；所述连接层为连接铜与氮化硅陶瓷的应力缓冲层，所述应力缓冲层为铜与活性金属元素的铜合金层。
进一步的，所述活性金属元素为Ti、Zr、Hf、Cr、V、Si、Al中的一种或者两种以上的组合。
进一步的，所述铜合金层中活性金属元素的总含量介于3-40wt％之间，铜元素含量为50-90wt％，氮元素为含量为2-10wt％，其中，氮是反应过程中形成的氮元素。
进一步的，所述反应层的氮化物厚度为0.05-3μm。
进一步的，所述连接层的厚度为2-50μm。
进一步的，所述连接层的热膨胀系数为6-12ppm/℃。
本发明还提供一种制备所述的一种高可靠性氮化硅覆铜陶瓷基板的铜瓷界面结构的方法，具体步骤如下：
步骤一、选取预制成型焊片；所述焊片为含活性金属元素的铜合金，所述铜合金为无Ag合金；所述无Ag指的是铜合金中不选用银为主要的合金元素，Ag的含量小于0.5％；
步骤二、将步骤一中选取的焊片放置在铜与氮化硅陶瓷之间，装夹成铜-焊片-氮化硅陶瓷-焊片-铜的叠层结构，将叠层结构放置在工装夹具中，在叠层结构的铜面上施加均匀的压力；
步骤三、将步骤二中叠层结构放置在真空钎焊炉中钎焊成氮化硅覆铜陶瓷基板。
进一步的，所述焊片中活性金属元素总含量介于3-40wt％之间，其余的元素为铜。
进一步的，所述焊片厚度为10-50微米。
进一步的，步骤三中所述在真空钎焊炉中钎焊为在常压烧结炉中在氩气氛保护下钎焊。
本发明的有益效果是：
1、使用预成型焊片贴装工艺代替焊料印刷工艺，钎焊后焊接层均匀，不易形成应力集中。其中，焊片的主要成分为含活性金属元素Ti、Zr、Hf、Cr、V、Si、Al等的铜合金，其中，活性金属元素可为上述元素的一种或数种，其中焊料中活性金属元素的总含量介于10-99.9wt％之间，其余的元素为铜。
2、使用无Ag的钎焊焊片用于氮化硅陶瓷基板与铜的连接，制作覆铜陶瓷基板。其中无Ag指的是焊片合金不选用银为主要的合金元素，Ag的含量小于0.5％。使用该无银活性焊片制作的覆铜陶瓷基板的钎焊层中不含银，能有在蚀刻及加工工艺中效避免重金属带来的环境污染。
3、在铜-瓷连接界面上形成特定厚度反应层和连接层。反应层是活性金属元素与氮化硅反应形成的活性金属的氮化物，作用是实现焊料与氮化硅陶瓷和铜的浸润及连接，有效的降低氮化硅与铜连接产生的热应力。当反应层厚度小于0.05μm时，氮化硅表面不易被焊料浸润；当反应层厚度大于4μm时，会对产品的可靠性产生影响。铜与氮化硅在焊料的作用下形成如下结构：在靠近氮化硅陶瓷处形成活性金属元素的氮化物，该层活性金属的氮化物厚度为0.05-3μm。其中，氮化物的种类为Ti、Zr、Hf、Cr、V、Si、Al等活性金属元素的氮化物，氮化物的种类可以为一种或数种氮化物。在反应层与铜之间存在有连接层，该层的作用是连接铜与氮化硅陶瓷，是应力缓冲层，它可以缓冲陶瓷与铜热失配的应力。其中，该连接层主要成分为铜与活性元素的铜合金，如Ti-Cu合金、Zr-Cu合金、Hf-Cu合金、或者含Ti、Zr、Hf、Cr、V、Si、Al等一种或几种元素的铜合金。该合金层中活性金属含量为3-95wt％。该层的厚度设计为2-50μm。
4、连接层的热膨胀系数要在氮化硅陶瓷与铜之间。连接层的热膨胀系数位于铜和陶瓷之间可以有效的缓冲铜与陶瓷之间连接产生的热应力，提高覆铜陶瓷基板的可靠性。该连接层的热膨胀系数为6-12ppm/℃。
附图说明
图1为对比实施例中使用AgCuTi浆料钎焊的铜瓷界面，均匀性较差。
图2为用于氮化硅覆铜陶瓷基板的铜-氮化硅陶瓷连接的界面结构。
图3为实施例1中制备得到的氮化硅覆铜陶瓷基板的铜-氮化硅陶瓷连接的界面结构。
图4为实施例2中制备得到的氮化硅覆铜陶瓷基板的铜-氮化硅陶瓷连接的界面结构。
图5为实施例3中制备得到的氮化硅覆铜陶瓷基板的铜-氮化硅陶瓷连接的界面结构。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明。
对比实施例
使用通过印刷方式将AgCuTi活性钎焊料涂装在氮化硅陶瓷基板表面，活性钎焊层厚度约20微米。将铜与氮化硅陶瓷装夹成铜-活性焊料-氮化硅陶瓷-活性焊料-铜的叠层结构，将叠层结构放置在工装夹具中，以10℃/min的速率升温到830℃的条件下进行烧结，整个烧结时间为10min，烧结过程在真空条件下进行，真空度为5×10-3Pa，烧结完成后降温至室温取出样品。图1为对比实施例中使用AgCuTi浆料钎焊的铜瓷界面，均匀性较差。
实施例1
本发明提供一种用于氮化硅覆铜陶瓷基板的铜-氮化硅陶瓷连接的界面结构，该界面结构使用图2所示的方法烧结制作。具体的实施方法是使用厚度为10微米的铜锆合金薄片作为预制成型焊片，放置在铜与氮化硅陶瓷之间，装夹成铜-铜锆合金焊片-氮化硅陶瓷-铜锆合金焊片-铜的叠层结构，将叠层结构放置在工装夹具中，在叠层结构的铜面上施加均匀的压力，压强为1kg/cm2。将上述的叠层结构放置在真空烧结炉中以10℃/min的速率升温到980℃，保温60min，降温至室温。其中，使用的铜锆合金薄片中，活性金属元素锆的含量为50wt％。制备得到的氮化硅覆铜陶瓷基板自上而下分别为铜，连接层，反应层，氮化硅陶瓷，反应层，连接层和铜，反应层厚度为1-2微米，连接层厚度为4-7微米，连接层中活性金属元素锆的含量为37wt％,氮元素2wt％。制备得到的氮化硅覆铜陶瓷基板的铜-氮化硅陶瓷连接的界面结构如图3所示。
实施例2
本发明提供一种用于氮化硅覆铜陶瓷基板的铜-氮化硅陶瓷连接的界面结构，该界面结构使用图2所示的方法烧结制作。具体的实施方法是使用厚度为20微米的铜铪合金薄片作为预制成型焊片，放置在铜与氮化硅陶瓷之间，装夹成铜-铜铪合金焊片-氮化硅陶瓷-铜铪合金焊片-铜的叠层结构，将叠层结构放置在工装夹具中，在叠层结构的铜面上施加均匀的压力，压强为0.6kg/cm2。将上述的叠层结构放置在真空烧结炉中以10℃/min的速率升温到1060℃，保温60min，降温至室温。其中，使用的铜铪合金薄片中，活性金属元素铪的含量为25wt％。制备得到的氮化硅覆铜陶瓷基板自上而下分别为铜，连接层，反应层，氮化硅陶瓷，反应层，连接层和铜，反应层厚度为2-3微米，连接层厚度为11-18微米，连接层中活性金属元素铪的含量为16wt％,氮元素6wt％。制备得到的氮化硅覆铜陶瓷基板的铜-氮化硅陶瓷连接的界面结构如图4所示。
实施例3
本发明提供一种用于氮化硅覆铜陶瓷基板的铜-氮化硅陶瓷连接的界面结构，该界面结构使用图2所示的方法烧结制作。具体的实施方法是使用厚度为5微米的铜钛合金薄片作为预制成型焊片，放置在铜与氮化硅陶瓷之间，装夹成铜-铜钛合金焊片-氮化硅陶瓷-铜钛合金焊片-铜的叠层结构，将叠层结构放置在工装夹具中，在叠层结构的铜面上施加均匀的压力，压强为0.1kg/cm2。将上述的叠层结构放置在常压烧结炉中以10℃/min的速率升温到1050℃，在氩气氛保温60min，降温至室温。其中，使用的铜钛合金薄片中，活性金属元素钛的含量25wt％。制备得到的氮化硅覆铜陶瓷基板自上而下分别为铜，连接层，反应层，氮化硅陶瓷，反应层，连接层和铜，反应层厚度为1-2微米，连接层厚度为6-9微米，连接层中活性金属元素钛的含量为17wt％，氮元素2wt％。制备得到的氮化硅覆铜陶瓷基板的铜-氮化硅陶瓷连接的界面结构如图5所示。
对比实验结果如表1：
表1
综上，对焊接界面的优化设计及使用不含Ag焊片，可以有效提高焊接层的均匀性，降低铜-瓷界面之间的残余应力，从而提高铜瓷界面的结合力，同时减少环境污染的风险。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种高可靠性氮化硅覆铜陶瓷基板的铜瓷界面结构，其特征在于：自上而下分别为铜，连接层，反应层，氮化硅陶瓷，反应层，连接层和铜；
所述反应层是活性金属元素与氮化硅反应形成的活性金属的氮化物，用于实现焊料与氮化硅陶瓷和铜的浸润及连接；所述连接层为连接铜与氮化硅陶瓷的应力缓冲层，所述应力缓冲层为含铜与活性金属元素的铜合金层；所述铜合金层中的铜合金为无Ag合金；所述无Ag指的是铜合金中不选用银为主要的合金元素，Ag的含量小于0.5％；即所述铜瓷界面是由无Ag焊片钎焊得到的；
所述活性金属元素为Ti、Zr、Hf中的一种；
所述反应层的氮化物厚度为1-3μm，所述连接层的厚度为4-18μm；
所述连接层的热膨胀系数为6-12ppm/℃。
2.根据权利要求1所述的一种高可靠性氮化硅覆铜陶瓷基板的铜瓷界面结构，其特征在于：所述活性金属元素为Zr时，所述反应层厚度为1-2微米，所述连接层厚度为4-7微米。
3.根据权利要求1所述的一种高可靠性氮化硅覆铜陶瓷基板的铜瓷界面结构，其特征在于：所述活性金属元素为Hf时，所述反应层厚度为2-3微米，所述连接层厚度为11-18微米。
4.根据权利要求1所述的一种高可靠性氮化硅覆铜陶瓷基板的铜瓷界面结构，其特征在于：所述活性金属元素为Ti时，反应层厚度为1-2微米，所述连接层厚度为6-9微米。
5.一种制备权利要求1-4任一所述的一种高可靠性氮化硅覆铜陶瓷基板的铜瓷界结构的方法，其特征在于：具体步骤如下：
步骤一、选取预制成型焊片；所述焊片为含活性金属元素的铜合金，所述铜合金为无Ag合金；所述无Ag指的是铜合金中不选用银为主要的合金元素，Ag的含量小于0.5％；
步骤二、将步骤一中选取的焊片放置在铜与氮化硅陶瓷之间，装夹成铜-焊片-氮化硅陶瓷-焊片-铜的叠层结构，将叠层结构放置在工装夹具中，在叠层结构的铜面上施加均匀的压力；
步骤三、将步骤二中叠层结构放置在真空钎焊炉中钎焊成氮化硅覆铜陶瓷基板；
所述焊片中活性金属元素总含量介于3-40wt％之间，其余的元素为铜；所述焊片厚度为10-50微米。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：步骤三中所述在真空钎焊炉中钎焊为在常压烧结炉中在氩气氛保护下钎焊。
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