CN113213972B - 一种氮化铝覆铝陶瓷衬板的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及半导体技术领域。一种氮化铝覆铝陶瓷衬板的制备方法，包括以下步骤：步骤一：氮化铝陶瓷表面改性层制备，制备表面改性溶液，将氮化铝陶瓷浸入到表面改性溶液中，充分润湿后烘干；步骤二：表面改性层固化，将氮化铝陶瓷置于马弗炉中烘烤，在氮化铝陶瓷表面形成均匀的固化改性层；步骤三：钎焊焊接，铝合金金属浆料制备，将浆料涂覆在具有固化改性层的氮化铝陶瓷上，烘干，再与高纯铝箔进行钎焊焊接，制备氮化铝覆铝陶瓷衬板。本发明克服了低温铝钎焊与氮化铝陶瓷润湿不良的难题，采用钎焊烧结成型，保持高纯铝面成分纯度，可以大大降低制造成本，且良率高，易于操作，易于成型，可批量生产。

Description

一种氮化铝覆铝陶瓷衬板的制备方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，具体是氮化铝覆铝陶瓷衬板的制备方法。
背景技术
直接键合铜基板是一种广泛应用于半导体模块电子电路板的陶瓷衬板。然而Cu2O在界面的形成引起了大量的残余应力，导致DBC衬板界面出现裂纹。直接结合铝(DBA)是一种以铝(Al)代替铜(Cu)作为电路金属的新型材料，为大功率半导体器件封装用绝缘衬板提供了一种新的选择。由于Al具有比铜更好的塑性，使得DBA基板在热循环的工作环境中表现出比DBC基板具有更高的可靠性。采用Al代替铜制备覆铝陶瓷基板，其中陶瓷主要以氮化铝陶瓷为主。
氮化铝覆铝陶瓷衬板的制备难点在于：铝与氮化铝陶瓷的润湿性很差，当温度低于700℃时，铝熔体与氮化铝陶瓷的润湿角大于90°基本不会对瓷片进行润湿，即无法有效键合；温度升高至900℃以上时，其浸润性明显增强，但此时温度高于铝的熔点，铝箔覆接成型困难。
目前公开相关技术专利如下；
US6183875 B1中提出采用一种特殊工装模具，将熔融的铝熔体倒入模具中，然后将瓷片浸入熔体，再通过特殊规格模具进行直接成型冷却。其熔体温度较高，可形成有效键合，但熔体纯度控制难，直接成型，铝面纯度难以达到高纯4N99级别。
CN102756515B中提出采用物理气相沉积的方法蒸镀铝膜再进行钎焊制备氮化铝覆铝陶瓷衬板。该方法设备投入大，且蒸镀层较薄，键合性能难以控制，成本高，效率低，难以形成量产；
CN103508745B中提出采用低熔点轧制金属复合板的工艺制备氮化铝覆铝陶瓷衬板，该方法采用金属复合板为合金板，其电导率较低。
CN109309065A中采用的是特殊模具进行渗铝，完成基板的制备，对熔体质量要求高。铸铝产生的气孔、氧化、夹杂等缺陷，直接影响基板的电导率等重要特征。
采用如上技术中制备的氮化铝覆铝陶瓷衬板工艺控制难，成本过高，难以大批量生产。
氮化铝覆铝陶瓷衬板在电力电子器件中的应用适用场合为大功率高温半导体器件，工作温度可达200℃-400℃，且可靠性明显优于氮化铝陶瓷覆铜基板。随着第三代半导体SiC，GaN的发展，大功率高温半导体器件的在高铁、新能源车、航空航天等领域的应用将越来越普及，亟待开发一种高效、低成本的氮化铝覆铝陶瓷衬板。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种直接钎焊的氮化铝覆铝陶瓷衬板的制备方法，以解决以上至少一个技术问题，克服了低温铝熔体与氮化铝陶瓷润湿不良的难题，钎焊烧结成型，保持铝面99.99％级纯度，可以大大降低制造成本，且良率高，易于操作，易于成型，可批量生产。
为了达到上述目的，本发明提供了一种氮化铝覆铝陶瓷衬板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：氮化铝陶瓷表面改性层制备；
制备表面改性溶液，将氮化铝陶瓷浸入到表面改性溶液中，充分润湿后烘干，在氮化铝陶瓷表面形成均匀膜层；
步骤二：表面改性层固化；
将氮化铝陶瓷置于马弗炉中烘烤，在氮化铝陶瓷表面形成均匀的固化改性层；
步骤三：钎焊焊接；
铝合金金属浆料制备，将浆料涂覆在具有固化改性层的氮化铝陶瓷上，烘干，再与高纯铝箔进行钎焊焊接，制备氮化铝覆铝陶瓷衬板。
进一步优选地，所述步骤一中表面改性溶液按照体积百分比配方为：3％-8％偶联剂；3％-5％冰醋酸，余量为无水乙醇。
进一步优选地，所述表面改性溶液中所述偶联剂为硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、锆酸酯偶联剂中的一种或几种。
进一步优选地，所述步骤一中润湿后烘干为3-5次重复润湿烘干。
进一步优选地，所述步骤二中烘烤为空气气氛，500℃-850℃，保温3-5h。
进一步优选地，所述步骤二中固化改性层厚度为0.5-10μm。
进一步优选地，所述步骤三中铝合金金属浆料为含Mg质量分数为2％-15％的铝合金钎料粉体与有机载体复配而成。
进一步优选地，所述有机载体按照质量百分比由1.5％～9％脂肪酸类、脂肪族酰胺类和酯类分散剂、5.6％～11％纤维素树脂、3.4％～5.6％酯类塑化剂、4.5％～11.36％成膜剂，其余为有机溶剂组成。
进一步优选地，所述步骤三中氮化铝陶瓷厚度为0.25-1.0mm，粗糙度Ra为0.2-0.6。其中优选为Ra为0.4-0.5。
进一步优选地，所述步骤三中所述高纯铝箔厚度为0.2-0.8mm。其中优选为0.2-0.4mm。
进一步优选地，步骤三中，烘干为采用氮气热风烘箱，烘干温度为80℃-120℃。烘干时间为20min-60min。
进一步优选地，所述步骤三中钎焊焊接温度为580℃-650℃，保温时间为5-120min。
本发明的关键在于采用偶联剂表面改性溶液对氮化铝陶瓷基板进行处理，固化后形成微米及亚微米牢固的表面改性层。以钛酸酯溶液为例，该表面改性层为TiO2，在真空钎焊温度580℃-650℃条件下，钎料蒸发或熔化，发生界面反应：Mg+TiO2→MgO+Ti；Al+TiO2→Al2O3+Ti，形成Ti/AlN陶瓷实现原位结合，同时低熔点铝焊料作为钎料与铝箔发生互扩散或界面反应，从而实现有效键合。
本发明克服了低温铝钎焊与氮化铝陶瓷润湿不良的难题，采用钎焊烧结成型，保持了高纯铝面成分纯度，可以大大降低制造成本，且良率高，易于操作，易于成型，可批量生产。
附图说明
图1是本发明的流程图；
图2是具体实施例1产品的界面切片SEM形貌；
图3是具体实施例1氮化铝覆铝陶瓷衬板整体图；
图4是图3结构的图形间距放大图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明。
参见图1，具体实施例1：
一种氮化铝覆铝陶瓷衬板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：氮化铝陶瓷表面改性层制备；制备表面改性溶液，将氮化铝陶瓷浸入到表面改性溶液中，充分润湿后烘干，在氮化铝陶瓷表面形成均匀膜层；具体如下：
A)制备钛酸酯偶联剂表面改性溶液；
按照液体体积比采用钛酸四丁酯5份、冰乙酸5份，余量为无水乙醇，进行配液，充分搅拌。
B)将清洗洁净的氮化铝陶瓷充分浸入到钛酸酯偶联剂溶液中，充分润湿2min。
C)烘干：置于热风烘箱中，采用50-80℃烘干，3-10min后，溶剂挥发，表面形成均匀膜层；
D)重复以上B)、C)的操作3-5次，在氮化铝陶瓷表面形成均匀且具有一定厚度的膜层；
步骤二：表面改性层固化；将氮化铝陶瓷置于马弗炉中烘烤，在氮化铝陶瓷表面形成均匀的固化改性层；
具体的：将附着均匀膜层的氮化铝陶瓷放置于空气气氛马弗炉中，设置120min升温至550℃，保温烘烤3h，随炉冷却，形成表面固化改性层的氮化铝陶瓷。
步骤三：钎焊焊接；铝合金金属浆料制备，将浆料涂覆在具有固化改性层的氮化铝陶瓷上，烘干，再与高纯铝箔进行钎焊焊接，制备覆铝氮化铝陶瓷衬板。
A)制备铝合金浆料；
采用4047AlSi合金钎焊粉与高纯Mg粉混合，其中Mg粉质量分数含量为5％，该球形铝合金粉末粒径为1-10μm，混合粉末重量90.0g，加入28.4g有机载体混合，采用玻璃棒进行搅拌10-15min后，经三辊研磨机将浆料充分研磨混合3-5遍，形成铝合金浆料。其中有机载体组成质量百分比含量为5.0％硬脂酸、6.0％乙基纤维素、3.8％DINP(邻苯二甲酸二异壬酯)、6.8％十二碳醇酯成膜剂，其余为松油醇作为有机溶剂组成。
B)采用丝网印刷工艺将铝合金浆料涂覆在氮化铝陶瓷基板上，烘干；
具体为：选用400目钢丝复合网，将铝合金浆料均匀的涂覆印刷在具有固化改性层的氮化铝陶瓷上，此时浆料膜厚约10-15μm再置于烘箱中，使用热风氮气进行烘干，设定烘干温度为100℃，时间为20min。
C)将陶瓷基板与高纯铝箔进行钎焊烧结。
具体为：采用0.4mm厚度高纯铝箔贴合，形成Al/AlN/Al的三明治结构，置于高真空炉中进行钎焊，钎焊真空度为0.0033Pa，钎焊温度为630℃，保温30min后随炉冷却，取出。
对比试验例1：
本对比试验例为本发明所述钎焊成型对比例，将具体实施例1中的表面具有固化改性层的氮化铝陶瓷替换为无改性层洁净的氮化铝瓷片，并采用丝网印刷工艺，印刷活性焊料于氮化铝陶瓷上，其余操作与具体实施例1均保持一致。
具体的：
A)制备活性焊料；
采用4047AlSi合金粉与高纯Mg粉、高纯TiH2粉末混合，其中高纯Mg粉质量分数含量为5％，TiH2含量2.5％，球形粉末粒径为1-10μm，重量约90g，加入28.4g有机载体混合，采用玻璃棒进行搅拌10-15min后，采用三辊研磨机将浆料充分研磨混合3-5遍，形成浆料。其中有机载体组成质量百分比含量为5.0％硬脂酸、6.0％乙基纤维素、3.8％DINP(邻苯二甲酸二异壬酯)、6.8％十二碳醇酯成膜剂，其余为松油醇作为有机溶剂组成。
B)采用丝网印刷工艺将活性焊料涂覆在氮化铝陶瓷基板上，烘干；
具体为：选用400目钢丝复合网，将铝合金浆料均匀的涂覆印刷在无改性层洁净的氮化铝陶瓷上，此时浆料膜厚约10-15μm再置于烘箱中，使用热风氮气进行烘干，设定烘干温度为100℃，时间为20min。
C)将陶瓷基板与高纯铝箔进行钎焊烧结。
具体为：采用0.4mm厚度高纯铝箔贴合，形成Al/AlN/Al的三明治结构，置于高真空炉中进行钎焊，钎焊真空度为0.0033Pa，钎焊温度为630℃，保温30min后随炉冷却，取出。
性能测试结果：
1)将具体实施例1和对比试验例1的样品进行比较：
氮化铝覆铝衬板经图形蚀刻后，制成剥离强度测试图样，采用90°剥离强度测试方法测试，可得具体实施例1的样品剥离强度为15N/mm，高于电力电子封装材料衬板的10N/mm的实际使用要求；对比试验例1的样品，高纯Al片与氮化铝瓷片浸润性差，无有效键合；具体实施例1获得的覆铝陶瓷衬板，采用图形蚀刻后，对截面进行切片研磨，抛光，再采用SEM电镜进行截面观察，见图2所示，上半部分为Al，下半部分为氮化铝陶瓷，可见其界面平整，润湿性良好。
主要原因是Ti源层在加热过程中就形成了TiO2/AlN的原位结合，其特有的原位性，使得高真空条件下，在500-660℃条件下，钎料蒸发或者熔化与TiO2反应Mg+TiO2→MgO+Ti；Al+TiO2→Al2O3+Ti，形成Ti/AlN陶瓷实现原位结合，同时低熔点铝合金焊料作为钎料与铝箔发生互扩散或界面反应，从而实现有效键合。对比例1中，Ti以钎料方式存在，优先与熔体Al及Si元素反应形成金属间化合物，失去键合活性。Al熔体在630℃条件下与氮化铝陶瓷润湿性差，无法有效键合。
2)具体实施例1的产物的氮化铝覆铝陶瓷衬板外观示例，参见图3，图中显示的是将氮化铝覆铝陶瓷衬板，铝面层进行图形蚀刻后的整体图，样品表面，保持铝面金属色，不存在气孔、氧化、夹杂等缺陷。图4为图3图形间距处局部放大图，刻蚀后铝箔层边缘平整，蚀刻后图形间距内氮化铝陶瓷表面干净，无蚀刻残留。
以上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)

1.一种氮化铝覆铝陶瓷衬板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：氮化铝陶瓷表面改性层制备；
制备表面改性溶液，将氮化铝陶瓷浸入到表面改性溶液中，充分润湿后烘干，在氮化铝陶瓷表面形成均匀膜层；表面改性溶液按照体积百分比配方为：3％-8％偶联剂；3％-5％冰醋酸，余量为无水乙醇；所述表面改性溶液中所述偶联剂为硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、锆酸酯偶联剂中的一种或几种；
步骤二：表面改性层固化；
将氮化铝陶瓷置于马弗炉中烘烤，在氮化铝陶瓷表面形成均匀的固化改性层；烘烤为空气气氛，500℃-850℃，保温3-5h；
步骤三：钎焊焊接；
铝合金金属浆料制备，将浆料涂覆在具有固化改性层的氮化铝陶瓷上，烘干，再与高纯铝箔进行钎焊焊接，制备氮化铝覆铝陶瓷衬板；
所述步骤三中铝合金金属浆料为含Mg质量分数为2％-15％的铝合金钎料粉体与有机载体复配而成。
2.根据权利要求1所述的一种氮化铝覆铝陶瓷衬板的制备方法，其特征在于：所述步骤一中润湿后烘干为3-5次重复润湿烘干。
3.根据权利要求1所述的一种氮化铝覆铝陶瓷衬板的制备方法，其特征在于：所述步骤二中固化改性层厚度为0.5-10μm。
4.根据权利要求1所述的一种氮化铝覆铝陶瓷衬板的制备方法，其特征在于：所述步骤三中氮化铝陶瓷厚度为0.25-1.0mm，粗糙度Ra为0.2-0.6。
5.根据权利要求1所述的一种氮化铝覆铝陶瓷衬板的制备方法，其特征在于：所述步骤三中所述高纯铝箔厚度为0.2-0.8mm。
6.根据权利要求1所述的一种氮化铝覆铝陶瓷衬板的制备方法，其特征在于：所述步骤三中所述钎焊焊接温度为580℃-650℃，保温时间为5-120min。
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