CN113636869B - 一种氮化铝陶瓷基板的丝网印刷浆料及金属化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种氮化铝陶瓷基板的丝网印刷浆料，浆料的主要组成为导电相粉体、玻璃相粉体和有机载体，玻璃相粉体包含第一玻璃粉体和第二玻璃粉体，第一玻璃粉体的粒径小于第二玻璃粉体的粒径，第一玻璃粉体具有铝镀层；玻璃相粉体的烧结温度为770～825℃。本发明氮化铝陶瓷基板的丝网印刷浆料利用第一玻璃粉体和第二玻璃粉体在浆料涂覆过程中的分布以及烧结过程中的流动差异，促使第一玻璃粉体更多的渗入基板的氮化铝晶界之间，使得玻璃相与基板的界面处无明显的气泡缺陷，增加金属化层与基板的粘接强度。本发明还公开了一种基于氮化铝陶瓷基板丝网印刷浆料的金属化方法。

Description

一种氮化铝陶瓷基板的丝网印刷浆料及金属化方法
技术领域
本发明涉及氮化铝陶瓷金属化技术领域，具体涉及一种氮化铝陶瓷基板的丝网印刷浆料及金属化方法。
背景技术
氮化铝基板具有绝缘电阻高、绝缘耐压高、介电常数低、热导率高、热膨胀系数与硅相匹配等特点，适于用作大功率半导体芯片的封装及高密度封装。为了封装结构的密封，元器件搭载及输入、输出端子的连接等目的，氮化铝陶瓷基板表面及内部需金属化。金属化层与基板之间需要具有牢固的附着强度、优良的密封性能和抗焊料浸蚀能力，以及接口的高导热率和低介电常数。
适于大规模自动化生产的金属化方法之一为丝网印刷金属化，是通过丝网印刷的方式在氮化铝表面涂布金属层、电极、导线等，然后经干燥高温热处理形成所需电路或导电层。金属化浆料的主要组分为金属粉末、粘接剂和有机载体，其中粘接剂中的氧化物和玻璃粘接剂易于氮化铝基板发生氧化还原反应，生成氮气，导致基板表面产生气泡，金属层粘接强度劣化。
发明内容
本发明的目的之一在于克服现有技术中存在的缺陷，提供一种氮化铝陶瓷基板的丝网印刷浆料，减少玻璃相与氮化铝界面面气泡的产生，提高金属化层的附着力。
为了实现上述目的，本发明的技术方案为：一种氮化铝陶瓷基板的丝网印刷浆料，浆料的主要组成为导电相粉体、玻璃相粉体和有机载体，所述玻璃相粉体包含第一玻璃粉体和第二玻璃粉体，第一玻璃粉体的粒径小于第二玻璃粉体的粒径，第一玻璃粉体具有铝镀层；所述玻璃相粉体的烧结温度为770～825℃。
烧结温度下粒径更小的第一玻璃粉体软化，铝随玻璃相流动，经由第二玻璃粉体的间隙润湿基板并渗入基板层中，铝与浆料以及基板中的氧反应生成氧化铝，阻隔氧与氮化铝表面的接触，降低氮化铝的氧化还原反应发生几率，减少玻璃相与氮化铝界面面气泡的产生，均有助于增强其与玻璃相以及氮化铝之间的附着力。由于铝镀层随玻璃微粉流动渗入基板中，铝氧化生成的氧化铝与氮化铝之间的内应力较低，降低烧结冷却后结合处应力过大劣化粘接强度的几率。
优选的技术方案为，所述玻璃相粉体由玻璃相组成相同的第一玻璃粉体和第二玻璃粉体混合而成，所述第一玻璃粉体的粒径为0.3～0.7μm，所述第二玻璃粉体的粒径为1.5～3.5μm。第一玻璃粉体和第二玻璃粉体的相同玻璃相组成有助于形成均匀的金属无机材料复合层。优选的第一玻璃粉体和第二玻璃粉体粒径能有效促进第一玻璃粉体渗入基板层中。
优选的技术方案为，所述玻璃相粉体中第一玻璃粉体的质量百分比为3%～15%。
优选的技术方案为，按质量份数计，所述浆料的组成包括导电相粉体50～75份、玻璃相粉体10～20份、有机载体10～20份。
优选的技术方案为，所述第二玻璃粉体中包含银镀层玻璃粉体，所述银镀层玻璃粉体为银镀层玻璃粉破碎料。金属化烧结基板的表面微观结构包括依次层叠的氮化铝基板层、氮化铝晶界被玻璃成分浸透的基板层、金属—无机材料复合结合层和烧结金属层，银镀层玻璃粉体破碎料具有局部玻璃相表面，银镀层之间的间隙容纳玻璃相受热流动，而上层的玻璃粉体流动填充于下层银镀层之间，银镀层与上层的烧结金属层连接，有助于在复合烧结层中银镀层嵌接于玻璃相之间形成网状连通结构，使复合烧结层与烧结金属层之间的连接更趋可靠，导热率高。
优选的技术方案为，所述玻璃相粉体中银镀层玻璃粉体的质量百分比为12～35%，所述银镀层玻璃粉体的银质量百分比为15～37%。进一步的，所述玻璃相粉体中银镀层玻璃粉体的质量百分比为17～25%，所述银镀层玻璃粉体的银质量百分比为20～28%。基于上述银镀层玻璃粉体的含量以及银质量百分比，银镀层玻璃粉体含量和银质量百分比过低则不利于形成连续的网状连通结构，而上述数值过高，会导致银与玻璃相的界面过大，不利于玻璃相的流动下渗，影响玻璃相粘接层的致密结构，导致结合层中空洞增加，降低粘接强度。
优选的技术方案为，所述第一玻璃粉体的铝质量百分比为0.3～3%。进一步的，所述第一玻璃粉体的铝质量百分比为1～1.9%。基于上述优选的第一玻璃粉体的铝质量百分比，铝质量百分比过高，未氧化的铝与氮化铝基板的附着面过大，会对金属化层与基板的粘接强度产生不利影响。
优选的技术方案为，按质量份数计，所述玻璃相粉体的玻璃相组成均为：SiO237～40份、B2O322～24份、K2O20～22份、Al2O316～18份；所述有机载体包含松油醇和聚乙烯醇缩醛，所述松油醇和聚乙烯醇缩醛的质量之比为（3.5～4）：1；所述导电相粉体为银铜钛合金。B2O3与铝镀层氧化生成的Al2O3反应生成Al4B2O9，进一步提高玻璃相内部的粘接强度。
优选的技术方案为，所述第一玻璃粉体的制备方法为：将玻璃微粉置于滚筒中，转动滚筒，真空条件下磁控溅射镀铝膜；破碎筛分得到预定粒径的玻璃粉体，置于氢气气氛下退火得第一玻璃粉体。
本发明的目的之二在于提供一种氮化铝陶瓷基板的金属化方法，包括以下步骤：将上述的氮化铝陶瓷基板的丝网印刷浆料丝网印刷到氮化铝基板上，升温至300～400℃惰性气体条件下预烧结，然后升温至770～825℃保温烧结10～30min。
本发明的优点和有益效果在于：
本发明氮化铝陶瓷基板的丝网印刷浆料中包含具有铝镀层的第一玻璃粉体，利用第一玻璃粉体和第二玻璃粉体在浆料涂覆过程中的分布以及烧结过程中的流动差异，促使第一玻璃粉体更多的渗入基板的氮化铝晶界之间，使得玻璃相与基板的界面处无明显的气泡缺陷，增加金属化层与基板的粘接强度；
通过采用优选的玻璃粉体制备丝网印刷浆料，提高金属化层与氮化铝基板的粘接强度，与薄膜金属化法、活性金属焊法等基板金属化方法相比，工艺简单快速，通用性强，适于规模生产。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例
玻璃相粉体的制备：
1、按照SiO237～40份、B2O322～24份、K2O20～22份、Al2O316～18份的质量配比配置氧化物粉体，研磨，混匀，将玻璃粉料置于800～950℃温度下熔融，冷却烘干，冷却后的玻璃料再经破碎、球磨、筛分，得到预定粒径的玻璃粉体；
2、将20～70μm粒径的玻璃粉体放入磁控溅射镀膜系统，通过滚筒的转动和抖动，保证玻璃粉体的流动性；溅射靶材为铝靶，纯度为99.999%，溅射参数为：本底真空为3*10- 3Pa，溅射氩气压力为0.35Pa，溅射功率密度为3W/cm2，溅射完成的玻璃粉体，经破碎、筛分以及在氢气气氛下退火处理，得预定粒径且具有铝镀层的玻璃粉体；
3、20～70μm粒径的玻璃粉体采用银氨溶液化学镀银，得到具有银镀层的玻璃粉体，经干燥、破碎、筛分以及在氢气气氛下退火处理，得预定粒径且具有银镀层的玻璃粉体；
4、将预定粒径的无镀层的玻璃粉体、铝镀层的玻璃粉体和银镀层的玻璃粉体按比例混合，得到用于金属化浆料中的玻璃相粉体。
丝网印刷浆料按照以下质量份数配制：银铜钛合金AgCuTi34.5-1.5 60份、玻璃相粉体15份、松油醇6份、聚乙烯醇缩醛1.5份，混合均匀。
丝网印刷浆料在基板表面的印刷涂覆：将氮化铝陶瓷基板和无氧铜板分别用丙酮擦洗干净，采用丝网印刷工艺在氮化铝陶瓷基板上形成印刷区域，印刷厚度为160μm。
具有丝网印刷浆料印刷图案基板的烧结工艺：惰性气体条件下以5℃/min的升温速率从室温升温至370～375℃，保温预烧结10min，然后以10℃/min的升温速率升温至780～785℃，保温烧结20min。
无氧铜板与基板的复合：清洗金属化氮化铝陶瓷基板，利用真空钎焊炉将无氧铜板焊接到氮化铝陶瓷基板的金属化表面，得覆铜板。
实施例1玻璃相粉体：0.1～0.5μm的铝镀层玻璃粉体10份（铝质量百分比2.27%）、无镀层的1.5～3.5μm玻璃粉体90份；
实施例2玻璃相粉体：0.1～0.5μm的铝镀层玻璃粉体10份（铝质量百分比5.04%）、无镀层的1.5～3.5μm玻璃粉体90份；
实施例3玻璃相粉体：0.1～0.5μm的铝镀层玻璃粉体17份（铝质量百分比0.2%）、无镀层的1.5～3.5μm玻璃粉体83份；
实施例4玻璃相粉体：0.1～0.5μm的铝镀层玻璃粉体10份（铝质量百分比2.27%）、1.5～3.5μm的银镀层玻璃粉体17份（银质量百分比为12%）、无镀层的1.5～3.5μm玻璃粉体73份；
实施例5玻璃相粉体：0.1～0.5μm的铝镀层玻璃粉体10份（铝质量百分比2.27%）、1.5～3.5μm的银镀层玻璃粉体17份（银质量百分比为40%）、无镀层的1.5～3.5μm玻璃粉体73份；
实施例6玻璃相粉体：0.1～0.5μm的铝镀层玻璃粉体10份（铝质量百分比2.27%）、1.5～3.5μm的银镀层玻璃粉体25份（银质量百分比为12%）、无镀层的1.5～3.5μm玻璃粉体50份；
对比例玻璃相粉体为无镀层的1.5～3.5μm玻璃粉体。
对金属化氮化铝陶瓷基板和覆铜板进行性能测试：
1、观察基板断面SEM照片中金属化层的致密程度；
2、采用剥离试验测试铜层与金属化层粘接强度。
实施例1-6和对比例的孔隙率和金属化层粘接强度如下：
1、对比例烧结后的金属化膜与基板界面处有大量的气泡，实施例1、2和4的气泡量均有所减少，无明显气泡缺陷，实施例3金属化膜与基板界面处具有少量气泡，实施例5-6的金属—无机材料复合结合层中具有少量气泡；
2、实施例1-6和对比例的金属化层粘接强度依次为：12.12Mpa、10.94 Mpa、10.15Mpa、13.37 Mpa、12.03 Mpa、11.48 Mpa、8.91 Mpa。
实施例1在对比例1的基础上，粘接强度提高；实施例4在玻璃相粉体中加入含有银镀层玻璃粉体，粘接强度进一步提高；实施例2中铝镀层玻璃粉体中铝含量过大，未氧化的铝与氮化铝基板的附着面过大，粘接强度较实施例1下降；实施例3中铝镀层玻璃粉体中含铝量过低，气泡量较实施例1多，粘接强度整体表现为下降；实施例5银镀层玻璃粉体中的银含量过高，实施例6中银镀层玻璃粉体在玻璃相粉体中的质量份数过大，玻璃相粘接层的致密程度下降，粘接强度下降。
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，在不脱离本发明技术原理的前提下，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 (5)

1.一种氮化铝陶瓷基板的丝网印刷浆料，其特征在于，浆料的主要组成为导电相粉体、玻璃相粉体和有机载体，所述玻璃相粉体包含第一玻璃粉体和第二玻璃粉体，第一玻璃粉体的粒径小于第二玻璃粉体的粒径，第一玻璃粉体具有铝镀层；所述玻璃相粉体的烧结温度为770～825℃；
所述玻璃相粉体中第一玻璃粉体的质量百分比为3%～15%；
按质量份数计，所述浆料的组成包括导电相粉体50～75份、玻璃相粉体10～20份、有机载体10～20份；
所述第二玻璃粉体中包含银镀层玻璃粉体，所述银镀层玻璃粉体为银镀层玻璃粉破碎料；
所述玻璃相粉体中银镀层玻璃粉体的质量百分比为12～35%，所述银镀层玻璃粉体的银质量百分比为15～37%；
所述第一玻璃粉体的铝质量百分比为0.3～3%。
2.根据权利要求1所述的氮化铝陶瓷基板的丝网印刷浆料，其特征在于，所述玻璃相粉体由玻璃相组成相同的第一玻璃粉体和第二玻璃粉体混合而成，所述第一玻璃粉体的粒径为0.3～0.7μm，所述第二玻璃粉体的粒径为1.5～3.5μm。
3.根据权利要求1所述的氮化铝陶瓷基板的丝网印刷浆料，其特征在于，按质量份数计，所述玻璃相粉体的玻璃相组成均为：SiO237～40份、B2O322～24份、K2O20～22份、Al2O316～18份；
所述有机载体包含松油醇和聚乙烯醇缩醛，所述松油醇和聚乙烯醇缩醛的质量之比为（3.5～4）：1；所述导电相粉体为银铜钛合金。
4.根据权利要求1所述的氮化铝陶瓷基板的丝网印刷浆料，其特征在于，所述第一玻璃粉体的制备方法为：将玻璃微粉置于滚筒中，转动滚筒，真空条件下磁控溅射镀铝膜；破碎筛分得到预定粒径的玻璃粉体，置于氢气气氛下退火得第一玻璃粉体。
5.一种氮化铝陶瓷基板的金属化方法，其特征在于，包括以下步骤：将权利要求1至4中任意一项所述的氮化铝陶瓷基板的丝网印刷浆料丝网印刷到氮化铝基板上，升温至300～400℃惰性气体条件下预烧结，然后升温至770～825℃保温烧结10～30min。
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