CN112151479B - 器件用热沉、半导体器件及器件用热沉的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种器件用热沉、半导体器件及器件用热沉的制备方法，本申请的器件用热沉包括：单晶碳化硅层、第一过渡层、第一金属堆叠层、第二过渡层和第二金属堆叠层，单晶碳化硅层具有两个相对设置的第一表面和第二表面，第一表面和第二表面均为毛面；第一过渡层设于第一表面上；第一金属堆叠层设于第一过渡层上；第二过渡层设于第二表面上；第二金属堆叠层设于第二过渡层上；其中，第一金属堆叠层与第二金属堆叠层的材质和层数不同。本申请采用单晶碳化硅层作为导热绝缘基板，导热率较高。再者，本申请通过单晶碳化硅层表面进行毛化处理，提高单晶碳化硅层的待加工表面与过渡层的结合强度。
Description
技术领域
本申请涉及半导体的技术领域，具体而言，涉及一种器件用热沉、半导体器件及器件用热沉的制备方法。
背景技术
半导体器件(semiconductor device)是导电性介于良导电体与绝缘体之间，利用半导体材料特殊电特性来完成特定功能的电子器件，可用来产生、控制、接收、变换、放大信号和进行能量转换。半导体器件中常需要设置热沉（heat sink）以帮助散热从而稳定工作温度。
现有技术，有将氮化铝（AlN）陶瓷表面金属化作为芯片封装热沉，它热导率约200W/（m·K），导热率不高，导致芯片节温升高，光电效率下降，可靠性下降，芯片功率不高。
发明内容
本申请的目的是提供一种器件用热沉、半导体器件及器件用热沉的制备方法，其采用单晶碳化硅层作为导热绝缘基板，导热率较高。
为了实现上述目的，
第一方面，本发明提供一种应用于半导体器件的器件用热沉，包括：单晶碳化硅层、第一过渡层、第一金属堆叠层、第二过渡层和第二金属堆叠层，所述单晶碳化硅层具有两个相对设置的第一表面和第二表面，所述第一表面和所述第二表面均为毛面；所述第一过渡层设于所述第一表面上；所述第一金属堆叠层设于所述第一过渡层上；所述第二过渡层设于所述第二表面上；所述第二金属堆叠层设于所述第二过渡层上；其中，所述第一金属堆叠层与第二金属堆叠层的材质和层数不同。
于一实施例中，所述第一金属堆叠层包括：第一铜层、第一镍层、第一金层和焊料附着层，第一铜层设于所述第一过渡层背离所述第一表面的表面上；第一镍层设于所述第一铜层背离第一过渡层的表面上；第一金层设于所述第一镍层背离第一铜层的表面上；焊料附着层设于所述第一金层背离第一镍层的表面上。
于一实施例中，所述第二金属堆叠层包括：第二镍层和第二金层，所述第二镍层设于所述第二过渡层背离第二表面的表面上；所述第二金层设于所述第二镍层背离第二过渡层的表面上。
于一实施例中，所述第一表面和所述第二表面上分别开设有至少一个加工槽，在每个所述加工槽内填充有填料。
于一实施例中，所述填料的材质包括铜，所述第一过渡层和所述第二过渡层的材质均包括钛。
第二方面，本发明提供一种半导体器件，包括功率部件以及前述实施例的器件用热沉，所述功率部件设于所述器件用热沉上。
第二方面，本发明提供一种器件用热沉的制备方法，包括：
提供单晶碳化硅层，所述单晶碳化硅层具有两个相对设置的待加工表面；
对两个所述待加工表面分别进行毛化处理；
在两个所述待加工表面分别形成过渡层；
在两个所述过渡层的表面分别形成金属堆叠层。
于一实施例中，所述对两个所述待加工表面分别进行毛化处理，包括：
对两个所述待加工表面分别进行紫外激光处理。
于一实施例中，所述对两个所述待加工表面分别进行毛化处理之后，所述在两个所述待加工表面分别形成过渡层之前，包括：
在两个所述待加工表面分别开设至少一个加工槽；
将所述加工槽填平。
于一实施例中，所述加工槽的槽宽由内至外依次成递减设置。
于一实施例中，所述加工槽的槽深为80~100um。
于一实施例中，所述将所述加工槽填平，包括：
对所述待加工表面进行表面金属化处理，使所述加工槽被金属填平。
于一实施例中，将所述加工槽填平的所述金属与所述过渡层的材质不同。
于一实施例中，两个所述待加工表面分别为第一表面和第二表面；所述在两个所述过渡层的表面分别形成金属堆叠层，包括：
在位于所述第一表面处的所述过渡层上依次形成第一铜层、第一镍层、第一金层和焊料附着层；
在位于所述第二表面处的所述过渡层上依次形成第二镍层和第二金层。
本申请与现有技术相比的有益效果是：
本申请采用单晶碳化硅层作为导热绝缘基板，它热导率约407W/（m·K），导热率较高。
再者，本申请通过单晶碳化硅层表面进行毛化处理，提高单晶碳化硅层的待加工表面与过渡层的结合强度。
进一步地，本申请通过紫外激光进行毛化处理，在光滑的第一表面和第二表面形成无数个微结构，将其加工成Ra微米级别的毛面，提高过渡层中金属的附着力，提高第一表面与第一过渡层之间，以及第二表面与第二过渡层之间的结合强度。
另外，本申请在经过紫外激光的单晶碳化硅层表面通过光刻或者腐蚀等方式开设加工槽，再通过对单晶碳化硅层的待加工表面进行表面金属化来填平加工槽，从而能够提高平面内应力的抑制力，可以进一步增强金属层的附着力。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本申请一实施例示出的半导体器件的结构示意图。
图2为本申请一实施例示出的器件用热沉的内部结构示意图。
图3为本申请一实施例示出的半导体器件的结构示意图。
图4为本申请一实施例示出的单晶碳化硅层的俯视图。
图5为本申请一实施例示出的单晶碳化硅层的剖视图。
图6为本申请一实施例示出的器件用热沉的制备方法的流程示意图。
图7为本申请一实施例示出的器件用热沉的制备方法的流程示意图。
图8为本申请一实施例示出的器件用热沉的制备方法的工艺过程示意图。
图标：1-器件用热沉；2-功率部件；10-半导体器件；200-单晶碳化硅层；200a-第一表面；200b-第二表面；300-第一过渡层；400-第一金属堆叠层；410-第一铜层；420-第一镍层；430-第一金层；440-焊料附着层；500-第二过渡层；600-第二金属堆叠层；610-第二金层；620-第二镍层；700-加工槽；800-填料；900-沟槽。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
在本申请的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
下面将结合附图对本申请的技术方案进行清楚、完整地描述。
请参照图1，其为本申请一实施例示出的半导体器件10的结构示意图。一种半导体器件10包括功率部件2以及器件用热沉1，功率部件2安装于器件用热沉1上，器件用热沉1用以帮助功率部件2散热从而稳定工作温度，功率部件2可以是半导体芯片。
请参照图2，其为本申请一实施例示出的器件用热沉1的内部结构示意图。一种器件用热沉1包括：单晶碳化硅层200、第一过渡层300、第一金属堆叠层400、第二过渡层500和第二金属堆叠层600，单晶碳化硅层200具有两个相对设置的第一表面200a和第二表面200b，第一表面200a和第二表面200b均为毛面；第一过渡层300设于第一表面200a上；第一金属堆叠层400设于第一过渡层300上；第二过渡层500设于第二表面200b上；第二金属堆叠层600设于第二过渡层500上；第一过渡层300和第二过渡层500的材质均包括钛。
本实施例采用单晶碳化硅层200作为导热绝缘基板，它热导率约407W/（m·K），导热率较高。再者，第一表面200a和第二表面200b均为毛面，即第一表面200a和第二表面200b均为经过毛化处理，在光滑的第一表面200a和第二表面200b形成无数个微结构，将其加工成Ra微米级别的毛面，提高过渡层中金属的附着力，提高第一表面200a与第一过渡层300之间，以及第二表面200b与第二过渡层500之间的结合强度。
第一金属堆叠层400包括：第一铜层410、第一镍层420、第一金层430和焊料附着层440，第一铜层410设于第一过渡层300背离第一表面200a的表面上；第一镍层420设于第一铜层410背离第一过渡层300的表面上；第一金层430设于第一镍层420背离第一铜层410的表面上；焊料附着层440设于第一金层430背离第一镍层420的表面上。第二金属堆叠层600包括：第二镍层620和第二金层610，第二镍层620设于第二过渡层500背离第二表面200b的表面上；第二金层610设于第二镍层620背离第二过渡层500的表面上。
其中将第一表面200a指向第二表面200b的方向定义为向左，则器件用热沉1包括由左至右依次叠层设置的第二金层610、第二镍层620、第二过渡层500、单晶碳化硅层200、第一过渡层300、第一铜层410、第一镍层420、第一金层430和焊料附着层440。其中，焊料附着层440的材质包括金锡合金，以便达到良好的焊料附着状态。第一过渡层300和第二过渡层500的材质均包括钛，从而利用钛的特性使单晶碳化硅层200表面金属化，利于附着第一金属堆叠层400与第二金属堆叠层600。
本实施例中，第一金属堆叠层400与第二金属堆叠层600的材质和层数不同，从而可以满足第一金属堆叠层400和第二金属堆叠层600的不同功效要求。例如本实施例中第一金属堆叠层400用于与功率部件2连接，对热膨胀特性、导电性能、散热性能和结构稳固性有一定要求，而第二金属堆叠层600用于与其他部件连接，从而可以将半导体器件10安装于其他部件上，主要对导电性能、散热性能和结构稳固性有一定要求。
其中，由于热沉中单晶碳化硅层200的热膨胀系数约为2.9ppm/ K，而半导体器件10中功率部件2的常用芯片材料砷化镓的热膨胀系数为6.4ppm/ K，故本实施例通过在第一金属堆叠层400增设第一铜层410来调整热膨胀系数，使器件用热沉1的热膨胀系数与功率部件2的砷化镓更为接近，减小功率部件2因与热沉热膨胀系数不匹配而造成的形变，以满足第一金属堆叠层400对热膨胀特性的要求，提高了功率部件2及半导体器件10的性能指标，延长了功率部件2及半导体器件10的寿命，再者，第一金属堆叠层400还包括第一镍层420和第一金层430，从而可以满足第一金属堆叠层400对导电性能、散热性能和结构稳固性的要求。
第二金属堆叠层600包括第二金层610和第二镍层620，从而可以满足第二金属堆叠层600对导电性能、散热性能和结构稳固性的要求。
于一实施例中，单晶碳化硅层200的厚度范围为400~600um，第一过渡层300和第二过渡层500厚度范围为0.04~0.1um，第一镍层420和第二镍层620的厚度范围为1~5um，第一铜层410的厚度范围为60~80um；第一金层430和第二金层610的厚度范围为0.2~1um；焊料附着层440的厚度范围为3~5um。
请参照图3，其为本申请一实施例示出的半导体器件10的结构示意图。本实施例中，单晶碳化硅层200横截面的面积最大，第二过渡层500和第二金属堆叠层600横截面的面积相等，第一铜层410、第一镍层420、第一金层430和第一过渡层300横截面的面积相等，焊料附着层440的横截面的面积最小，第二过渡层500横截面的面积大于第一过渡层300横截面的面积。
第一铜层410、第一镍层420、第一金层430和第一过渡层300各由两个间隔设置的层状结构组成，其中，将两个间隔设置的层状结构之间的间隔称作沟槽900，沟槽900可以用于绝缘隔电，沟槽900两侧的层状结构可以分别作为正极和负极。焊料附着层440设于沟槽900的一侧，用于与功率部件2连接。
请参照图4，其为本申请一实施例示出的单晶碳化硅层200的俯视图。第一表面200a和第二表面200b上分别开设有至少一个加工槽700，加工槽700可以是圆柱形、长方体形、正方体形、锥体、圆台形状或者其他异形结构。在每个加工槽700内填充有填料800。填料800可以是金属，例如，铜、钛或含铜或者钛的合金。本实施例中，填料800的材质包括铜或含铜合金。
本实施例通过在第一表面200a和第二表面200b上开设加工槽700，再通过对第一表面200a和第二表面200b进行表面金属化来填平加工槽700，从而能够提高第一表面200a和第二表面200b中内应力的抑制力，从而提高过渡层及金属堆叠层的牢固度，特别是抑制过渡层与单晶碳化硅层200之间因热膨胀系数不匹配而产生的内应力，降低过渡层及金属堆叠层脱落的风险。
本实施例中，在第一表面200a设有8个加工槽700，且均匀分布于第一表面200a。
请参照图5，其为本申请一实施例示出的单晶碳化硅层200的剖视图。加工槽700的槽宽T由内至外依次成递减设置。加工槽700的内侧壁带斜度。本实施例中，加工槽700的横截面为圆形，加工槽700为圆台形状，加工槽700的槽宽T为该圆形的直径。其中，加工槽700的槽深D的范围为80~100um，加工槽700的槽宽T为150-180um。于一实施例中，加工槽700的槽深D的范围为90um，加工槽700的槽宽T为160um。
请参照图6，其为本申请一实施例示出的器件用热沉1的制备方法的流程示意图。该方法可以用于制造如图2所示的器件用热沉1。该方法可以包括如下步骤：
步骤S101：提供单晶碳化硅层200。
本步骤的单晶碳化硅层200为透明的单晶碳化硅层200材料。单晶碳化硅层200具有两个相对的待加工表面。两个相对的待加工表面分别为第一表面200a和第二表面200b。第一表面200a和第二表面200b可以是平面或者曲面。
步骤S102：对两个待加工表面分别进行毛化处理。
本步骤的毛化处理可以是紫外激光处理，例如：采用超快高频脉冲激光对待加工表面进行毛化，在待加工表面形成无数个微结构，将第一表面200a和第二表面200b加工成Ra微米级别的毛面，提高过渡层中金属的附着力。例如可以采用紫外皮秒激光器对其待加工表面进行快速处理。
于一其他的实施例中，待加工表面毛化为采用浓酸腐蚀实现，但是该实施例效率较慢，待加工表面残存酸液经过清洗后还可能有一定的残留物，酸的残留物会对后续形成的过渡层等金属造成腐蚀，使待加工表面的金属粘附不牢固，容易脱落。故本实施例采用的超快高频脉冲激光进行毛化处理，可以无酸液残存，提高了第一表面200a与第一过渡层300之间，以及第二表面200b与第二过渡层500之间的结合强度。
步骤S103：在两个待加工表面分别形成过渡层。
本步骤中过渡层的材质为钛，可以采用蒸镀或者磁控溅射等方式。
步骤S104：在两个过渡层的表面分别形成金属堆叠层。
本步骤中，可以先在位于第一表面200a处的过渡层（第一过渡层300）上依次形成第一铜层410、第一镍层420、第一金层430和焊料附着层440；接着在位于第二表面200b处的过渡层（第二过渡层500）上依次形成第二镍层620和第二金层610。本步骤的产物可以如图2所示。
其中，第一镍层420和第二镍层620的材质为镍或者含镍合金，可以通过光刻及化学镀的方式完成制备；第一金层430和第二金层610的材质为金或者含金合金，可以通过光刻及化学镀的方式完成制备；第一铜层410的材质为铜或者含铜合金，也可以通过光刻及化学镀的方式完成制备；焊料附着层440的材质为AuSn合金，可以通过化学镀或者蒸镀方式完成制备。
请参照图7，其为本申请一实施例示出的器件用热沉1的制备方法的流程示意图。该方法可以用于制造如图2所示的器件用热沉1。该方法可以包括如下步骤：
步骤S201：提供单晶碳化硅层200。详细参见上述实施例中对步骤S101的描述。
步骤S202：对两个待加工表面分别进行毛化处理。详细参见上述实施例中对步骤S102的描述。
步骤S203：在两个待加工表面分别开设至少一个加工槽700。
本步骤的加工槽700可以如图8所示。本步骤在经过步骤S202紫外激光的单晶碳化硅层200表面通过光刻或者腐蚀等方式开设加工槽700，再通过步骤S204对单晶碳化硅层200的待加工表面进行表面金属化来填平加工槽700，从而能够提高平面内应力的抑制力，可以进一步增强金属层的附着力。
于一实施例中，本步骤的加工槽700可以通过在液体腐蚀（例如，浓酸腐蚀）过程中随着腐蚀时间越长，腐蚀深度越深而形成。其中，本步骤的加工槽700较毛面生成的槽深，液体腐蚀需要腐蚀出一个深槽，与毛化处理的微腐蚀作用效果是不同的，本步骤的加工槽700的槽深可以根据单晶碳化硅层200的体积、材质以及后续填平速度等方面进行确定，用以增强的第一表面200a和第二表面200b内应力的抑制力，提高结构稳固性。
步骤S204：将加工槽700填平。
本实施例中，可以通过对待加工表面进行表面金属化处理，使加工槽700被金属填平。其中表面金属化处理可以采用电镀等方式，由于控制了加工槽700的直径和深度，随着镀层的厚度越来越厚，加工槽700逐步填平，当金属化工艺完成，加工槽700也基本被填平。加工槽700填平过程如图8所示，先从加工槽700的内表面开始直至填平。
其中，将加工槽700填平的金属为铜，与过渡层的材质钛不同。不仅易于实施，而且采用铜还可以对器件用热沉1的热膨胀系数产生一定影响，使器件用热沉1的热膨胀系数与芯片的砷化镓更为接近。
于一其他的实施例中，当第一过渡层300和第二过渡层500的厚度小于加工槽700的槽深时，在生成第一过渡层300和第二过渡层500的同时，填平加工槽700，如此设置，则可以节约工序，当第一过渡层300和第二过渡层500的厚度大于加工槽700的槽深时，则可以采用其他金属，不仅节省成本，而且易于实施。于一其他的实施例中，可以通过激光3D打印的办法用钛填起来。
步骤S205：在两个待加工表面分别形成过渡层。详细参见上述实施例中对步骤S103的描述。
步骤S206：在两个过渡层的表面分别形成金属堆叠层。详细参见上述实施例中对步骤S104的描述。
故本实施例在经过步骤S202紫外激光的单晶碳化硅层200表面通过光刻或者腐蚀等方式开设加工槽700，再通过步骤S204对单晶碳化硅层200的待加工表面进行表面金属化来填平加工槽700，从而能够提高平面内应力的抑制力，可以进一步增强金属层的附着力。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例中的特征可以相互结合。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种器件用热沉，其特征在于，应用于半导体器件，所述器件用热沉包括：
单晶碳化硅层，具有两个相对设置的第一表面和第二表面，所述第一表面和所述第二表面均为毛面；
第一过渡层，设于所述第一表面上；
第一金属堆叠层，设于所述第一过渡层上；
第二过渡层，设于所述第二表面上；以及
第二金属堆叠层，设于所述第二过渡层上；
其中，所述第一金属堆叠层包括：
第一铜层，设于所述第一过渡层背离所述第一表面的表面上；
第一镍层，设于所述第一铜层背离第一过渡层的表面上；
第一金层，设于所述第一镍层背离第一铜层的表面上；以及
焊料附着层，设于所述第一金层背离第一镍层的表面上；
所述第二金属堆叠层包括：
第二镍层，设于所述第二过渡层背离第二表面的表面上；以及
第二金层，设于所述第二镍层背离第二过渡层的表面上。
2.根据权利要求1所述的器件用热沉，其特征在于，所述第一表面和所述第二表面上分别开设有至少一个加工槽，在每个所述加工槽内填充有填料。
3.根据权利要求2所述的器件用热沉，其特征在于，所述填料的材质包括铜，所述第一过渡层和所述第二过渡层的材质均包括钛。
4.一种半导体器件，其特征在于，包括功率部件以及权利要求1至3任一项所述的器件用热沉，所述功率部件设于所述器件用热沉上。
5.一种器件用热沉的制备方法，其特征在于，包括：
提供单晶碳化硅层，所述单晶碳化硅层具有两个相对设置的待加工表面；
对两个所述待加工表面分别进行毛化处理；
在两个所述待加工表面分别开设至少一个加工槽；
将所述加工槽填平；
在两个所述待加工表面分别形成过渡层；
在两个所述过渡层的表面分别形成金属堆叠层。
6.根据权利要求5所述的器件用热沉的制备方法，其特征在于，所述对两个所述待加工表面分别进行毛化处理，包括：
对两个所述待加工表面分别进行紫外激光处理。
7.根据权利要求5所述的器件用热沉的制备方法，其特征在于，所述加工槽的槽宽由内至外依次成递减设置。
8.根据权利要求7所述的器件用热沉的制备方法，其特征在于，所述加工槽的槽深为80~100um。
9.根据权利要求7所述的器件用热沉的制备方法，其特征在于，所述将所述加工槽填平，包括：
对所述待加工表面进行表面金属化处理，使所述加工槽被金属填平。
10.根据权利要求5至9任一项所述的器件用热沉的制备方法，其特征在于，两个所述待加工表面分别为第一表面和第二表面；
所述在两个所述过渡层的表面分别形成金属堆叠层，包括：
在位于所述第一表面处的所述过渡层上依次形成第一铜层、第一镍层、第一金层和焊料附着层；
在位于所述第二表面处的所述过渡层上依次形成第二镍层和第二金层。
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