CN114769774B - 一种功率器件用陶瓷覆铝基板的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种功率器件用陶瓷覆铝基板的制备方法，涉及半导体制造技术领域。本发明的目的是为了解决传统的陶瓷覆铝板制备工艺在陶瓷与铝板连接前需要先对陶瓷表面进行金属化处理，铝在极低氧分压下表面存在氧化膜进而导致陶瓷与铝的界面存在连接缺陷的问题。方法：将预处理过的钎料置于预处理过的待焊陶瓷件和预处理过的待焊金属件之间，得到待焊接件；采用超声辅助瞬时液相扩散或超声钎焊的方式将待焊接件进行焊接处理，得到功率器件用陶瓷覆铝基板。本发明可获得一种功率器件用陶瓷覆铝基板的制备方法。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，具体涉及一种功率器件用陶瓷覆铝基板的制备方法。
背景技术
电子产品的小型化和高功率化发展，对功率器件的散热能力提出了更高的要求。金属陶瓷复合材料不仅具有陶瓷的高导热性、高电绝缘性和低膨胀等特性，而且具有金属的高导电性，是电子领域功率模块封装的不可或缺的关键基础材料。陶瓷覆铜板(DBC)由于其优良的电绝缘性能和高导热性能广泛应用于功率器件模块。然而，电子功率器件在经受高低温度苛刻循环冲击作用，陶瓷与铜之间存在较大的热应力，导致界面开裂；此外由于芯片和铜的热膨胀系数相差较大，导致覆铜板和芯片之间开裂。与陶瓷覆铜板(DBC)相比，陶瓷覆铝板(DBA)对于温度循环具有较高的可靠性，主要由于金属铝的弹性模量和屈服应力比铜低，在热循环时可以有效缓解应力。因此，陶瓷覆铝板(DBA)与陶瓷覆铜板(DBC)相比优良的抗热震疲劳性能、良好的热稳定性、结构质量轻(与同结构的DBC相比减轻44％)以及良好的Al线键合能力，在高功率及高密度功率器件均具有广阔的应用前景。但由于铝比较活泼，在大气环境下表面会覆盖一层稳定的氧化膜，即使在1000℃下及氧分压低于10-42MPa下，铝表面依然会存在氧化膜。此外，铝和陶瓷物理和化学性能方面存在较大差异，液态金属很难发生润湿，导致Al与陶瓷直接进行连接存在困难。
目前陶瓷覆铝板制备工艺主要方法首先对陶瓷表面金属化，将铝与陶瓷连接转变为铝与金属连接，随后将金属化后的陶瓷和铝进行真空钎焊、瞬时液相扩散连接、热压烧结。中国发明专利CN103508745A公开了一种陶瓷覆铝板的制备方法，将熔点相差50℃以上的两块铝板轧制在一起，将熔点较低的铝合金作为钎料和陶瓷组合成三明治真空钎焊。中国发明专利CN104485397A公布了一种陶瓷和铝复合基板的制备方法，通过在陶瓷表面烧结铜层，随后在铜层和铝表面镀Ni层后钎焊。中国发明专利CN113213972A公开了一种氮化铝覆铝陶瓷衬板的制备方法，在将氮化铝陶瓷浸入到表面改性溶液中充分润湿，进一步将表面附着改性溶液的氮化铝陶瓷放置在马弗炉中加热后，在其表面形成均匀的AlSi改性层，随后将金属化后的氮化铝陶瓷与铝进行真空钎焊。中国发明专利CN113511915A公开了一种陶瓷覆铝衬板的制备方法，在陶瓷表面烧结一层铝镁合金层，将金属化后的陶瓷与纯铝直接真空钎焊。中国发明专利CN102756515B公开了一种陶瓷覆铝板及其制备方法，采用物理气相陶瓷表面沉积一层铝膜，采用铝基钎料将铝基体和镀膜陶瓷进行真空钎焊得到陶瓷覆铝板。中国发明专利CN113501725A公开了一种覆铝陶瓷绝缘衬板的制备方法，首先在陶瓷表面烧结一层铝合金层，然后在纯铝基板表面电镀微米级Ni或Cu镀层，而后通过瞬间液相扩散焊接，将铝箔与陶瓷基板直接键合，制备覆铝陶瓷绝缘衬板。中国发明专利CN102875180A公布了一种连接陶瓷和铝金属的方法，在陶瓷表面制备数微米厚的铝或铝合金薄膜，随后在电场作用下将镀膜陶瓷和铝之局部熔化形成连接。中国发明专利CN103833404A公布了一种覆铝陶瓷基板的制备方法，首先在陶瓷表面制备一层Cu或Zn金属过渡层，随后将铝基体和陶瓷进行热压烧结，在烧结过程中通过形成Al-金属共晶液体，可以解决铝与陶瓷表面润湿性不佳的问题。中国发明专利CN102040393A公开了一种陶瓷和铝或铝合金表面金属化连接方法，将陶瓷表面热浸铝合金后与纯铝进行轧制。中国发明专利CN106278344A公开了一种陶瓷覆铝板的制备方法，首先在陶瓷双面制备镁铝合金层，随后将将金属铝板叠置在过渡金属层表面将其放入热压模具中，在20～22MPa、250～260℃条件下热压60～80min后冷却，制得陶瓷覆铝板。
综上，上述陶瓷覆铝板制备工艺都需要事先对陶瓷表面进行金属化处理，然后将金属化后的陶瓷与Al真空钎焊、瞬时液相扩散连接或真空热压。整个工艺过程比较繁琐，制造成本较高。此外，由于铝在极低氧分压下表面仍然存在氧化膜，将金属化后陶瓷与铝真空钎焊时界面仍然会存在未钎透缺陷。因此，亟需开发一种陶瓷覆铝板直接、高效以及低成本的制备技术。
发明内容
本发明的目的是为了解决传统的陶瓷覆铝板制备工艺在陶瓷与铝板连接前需要先对陶瓷表面进行金属化处理，铝在极低氧分压下表面存在氧化膜进而导致陶瓷与铝的界面存在连接缺陷的问题，而提供一种功率器件用陶瓷覆铝基板的制备方法。
一种功率器件用陶瓷覆铝基板的制备方法，按以下步骤进行：
将预处理过的钎料置于预处理过的待焊陶瓷件和预处理过的待焊金属件之间，得到待焊接件；采用超声辅助瞬时液相扩散或超声钎焊的方式将待焊接件进行焊接处理，得到功率器件用陶瓷覆铝基板。
本发明的原理：
①采用超声辅助瞬时液相扩散将待焊接件进行焊接处理时，当加热到Al和钎料共晶温度或10～20℃以上时，超声振动过程中在钎料和Al界面产生的横向摩擦破除钎料和Al氧化膜，此时Al和钎料直接接触产生瞬时共晶液相。超声在液相中产生的声流作用促进液相区域进一步扩大直至整个钎缝，同时超声加速母材Al向钎料中溶解扩散，当活性Al扩散到陶瓷侧在超声空化的作用下与陶瓷发生界面反应最终形成连接。
②采用超声钎焊将待焊接件进行焊接处理时，当加热到钎料熔点以上30～50℃时钎料熔化，超声空化破除钎料和铝表面氧化膜，超声加速母材Al向钎料中溶解扩散，Al扩散到陶瓷侧在超声作用下与陶瓷发生界面反应最终形成连接。
本发明的有益效果：
(1)本发明一种功率器件用陶瓷覆铝基板的制备方法，不需要事先对陶瓷表面进行金属化处理，并通过超声辅助瞬时液相扩散连接或超声钎焊方式连接方法，均可以实现陶瓷和铝基板一步直接形成有效连接，并且超声辅助焊接后陶瓷/钎料以及金属/钎料的界面均连接良好，不存在未连接区域，证明本发明成功解决传统的陶瓷覆铝板制备工艺中铝在极低氧分压下表面存在氧化膜进而导致陶瓷与铝的界面存在连接缺陷的问题。
(2)本发明在大气环境下即可进行钎焊，无需气氛保护和真空条件，有效地节约成本。本发明连接温度较低，可以有效缓解接头的残余应力。本发明利用常用的金属合金/非金属作为钎料，避免了活性钎料复杂制备工艺，钎料选择更为灵活，具有普适性。本发明工艺过程更为简单，可以实现快速、高效以及大面积的制备陶瓷覆铝基板。
本发明可获得一种功率器件用陶瓷覆铝基板的制备方法。
附图说明
图1为实施例1中制备的功率器件用陶瓷覆铝基板的钎焊接头的扫描电镜图。
图2为实施例2中制备的功率器件用陶瓷覆铝基板的钎焊接头的扫描电镜图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式一种功率器件用陶瓷覆铝基板的制备方法，按以下步骤进行：
将预处理过的钎料置于预处理过的待焊陶瓷件和预处理过的待焊金属件之间，得到待焊接件；采用超声辅助瞬时液相扩散或超声钎焊的方式将待焊接件进行焊接处理，得到功率器件用陶瓷覆铝基板。
本实施方式的有益效果：
(1)本实施方式一种功率器件用陶瓷覆铝基板的制备方法，不需要事先对陶瓷表面进行金属化处理，并通过超声辅助瞬时液相扩散连接或超声钎焊方式连接方法，均可以实现陶瓷和铝基板一步直接形成有效连接，并且超声辅助焊接后陶瓷/钎料以及金属/钎料的界面均连接良好，不存在未连接区域，证明本实施方式成功解决传统的陶瓷覆铝板制备工艺中铝在极低氧分压下表面存在氧化膜进而导致陶瓷与铝的界面存在连接缺陷的问题。
(2)本实施方式在大气环境下即可进行钎焊，无需气氛保护和真空条件，有效地节约成本。本实施方式连接温度较低，可以有效缓解接头的残余应力。本实施方式利用常用的金属合金/非金属作为钎料，避免了活性钎料复杂制备工艺，钎料选择更为灵活，具有普适性。本实施方式工艺过程更为简单，可以实现快速、高效以及大面积的制备陶瓷覆铝基板。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同点是：采用超声钎焊将待焊接件进行焊接处理的步骤如下：将待焊接件加热至高于其熔点30～50℃，然后施加0.1～1MPa压力，在20～100kHz超声频率、3～10μm超声振幅的条件下超声1～5s，最后随炉冷却，得到功率器件用陶瓷覆铝基板。
其他步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同点是：采用超声钎焊将待焊接件进行焊接处理的步骤如下：将待焊接件加热至380～640℃，然后施加0.1～1MPa压力，在20～100kHz超声频率、3～10μm超声振幅的条件下超声1～5s，最后随炉冷却，得到功率器件用陶瓷覆铝基板。
其他步骤与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同点是：采用超声辅助瞬时液相扩散将待焊接件进行焊接处理的步骤如下：将待焊接件加热至预处理过的待焊金属件和预处理过的钎料的共晶点温度或高于共晶点温度10～20℃，然后施加2～5MPa压力，在20～100kHz超声频率、10～25μm超声振幅的条件下超声5～10s，最后随炉冷却，得到功率器件用陶瓷覆铝基板。
其他步骤与具体实施方式一至三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同点是：采用超声辅助瞬时液相扩散将待焊接件进行焊接处理的步骤如下：将待焊接件加热至380～640℃，然后施加2～5MPa压力，在20～100kHz超声频率、10～25μm超声振幅的条件下超声5～10s，最后随炉冷却，得到功率器件用陶瓷覆铝基板。
其他步骤与具体实施方式一至四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同点是：所述的预处理过的待焊陶瓷件按以下步骤制备：使用金刚石内圆切割机将陶瓷切割成型，用金刚石进行打磨并抛光，然后放入丙酮溶液中超声清洗5～10min，最后使用无水乙醇超声清洗3～5min，烘干，得到预处理过的待焊陶瓷件。
其他步骤与具体实施方式一至五相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同点是：所述的预处理过的待焊金属件和预处理过的钎料按以下步骤制备：将金属和钎料利用砂纸打磨，放入丙酮溶液中清洗3～5min，烘干，得到预处理过的待焊金属件和预处理过的钎料。
其他步骤与具体实施方式一至六相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同点是：将待焊接件以3～10℃/min的升温速率进行加热。
其他步骤与具体实施方式一至七相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同点是：待焊陶瓷件为Si、Al2O3、AlN、SiC、BeO或Si3N4，待焊陶瓷件的厚度为0.5～3mm。
其他步骤与具体实施方式一至八相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同点是：待焊金属件为铝或铝合金，待焊金属件的厚度为0.1～3mm。
其他步骤与具体实施方式一至九相同。
具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式一至十之一不同点是：采用超声钎焊将待焊接件进行焊接处理时，钎料采用合金钎料；采用超声辅助瞬时液相扩散将待焊接件进行焊接处理时，钎料采用金属钎料或非金属钎料；钎料的形态为钎料箔、钎料膏或钎料粉，钎料的厚度为0.05～0.5mm。
其他步骤与具体实施方式一至十相同。
具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式一至十一之一不同点是：所述的金属钎料为Zn、Mg、Cu、Ni、Ag或La；所述的合金钎料为ZnAl、ZnAlCu、ZnSn、AlSi、AlSiMg、AlMgCu、AlSiCuZn或AlCuAgZn；所述的非金属钎料为Ge或Si。
其他步骤与具体实施方式一至十一相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例1：一种功率器件用陶瓷覆铝基板的制备方法，按以下步骤进行：
一、使用金刚石内圆切割机将厚度为3mm的SiC陶瓷切割成型，用金刚石进行打磨并抛光，然后放入丙酮溶液中超声清洗5min，最后使用无水乙醇超声清洗3min，烘干，得到预处理过的SiC待焊件。
二、将厚度为1mm的金属铝和厚度为50μm的钎料Zn箔利用砂纸打磨，放入丙酮溶液中清洗3min，烘干，得到预处理过的待焊铝件和预处理过的Zn箔。
三、将预处理过的Zn箔置于预处理过的SiC待焊件和预处理过的待焊铝件之间，并用卡具固定，放置到钎焊加热平台上，得到待焊接件；将待焊接件以10℃/min的升温速率加热至380℃，超声压头置于待焊接件上施加3MPa压力，在20kHz超声频率、15μm超声振幅的条件下超声8s，最后随炉冷却，得到功率器件用陶瓷覆铝基板。
图1为实施例1中制备的功率器件用陶瓷覆铝基板的钎焊接头的扫描电镜图。如图1所示，可以看出超声施加8s后Al/钎料和钎料/SiC界面均连接良好，不存在未连接区域，SiC/Al接头剪切强度为55±5MPa，证明本实施例采用超声辅助瞬时液相扩散将待焊接件进行焊接处理，成功解决传统的陶瓷覆铝板制备工艺中铝在极低氧分压下表面存在氧化膜进而导致陶瓷与铝的界面存在连接缺陷的问题。
实施例2：一种功率器件用陶瓷覆铝基板的制备方法，按以下步骤进行：
一、使用金刚石内圆切割机将厚度为3mm的SiC陶瓷切割成型，用金刚石进行打磨并抛光，然后放入丙酮溶液中超声清洗5min，最后使用无水乙醇超声清洗5min，烘干，得到预处理过的SiC待焊件；
二、将厚度为1mm的金属铝和厚度为100μm的Zn5Al合金钎料箔均用500#、800#、1000#和2000#砂纸依次打磨处理，随后将其放入丙酮溶液中清洗3min，烘干，得到预处理过的待焊铝件和预处理过的Zn5Al钎料箔。
三、将预处理过的Zn5Al合金钎料箔置于预处理过的SiC待焊件和预处理过的待焊铝件之间，并用卡具固定，放置到钎焊加热平台上，得到待焊接件；将待焊接件以3℃/min的升温速率加热至420℃，超声压头置于待焊接件上施加0.1MPa压力，在20kHz超声频率、5μm超声振幅的条件下超声2s，最后随炉冷却，得到功率器件用陶瓷覆铝基板。
图2为实施例2中制备的功率器件用陶瓷覆铝基板的钎焊接头的扫描电镜图。如图2所示，可以看出超声施加2s时SiC/钎料及Al/钎料界面连接良好没有出现未连接区域，钎缝中也没有出现气孔夹杂缺陷，接头剪切强度测试为45±5MPa满足使用要求，证明本实施例采用超声钎焊将待焊接件进行焊接处理，成功制备出接头强度较高的陶瓷覆铝基板。
Claims (4)
1.一种功率器件用陶瓷覆铝基板的制备方法，其特征在于该制备方法按以下步骤进行：
将预处理过的钎料置于预处理过的待焊陶瓷件和预处理过的待焊金属件之间，得到待焊接件；采用超声辅助瞬时液相扩散或超声钎焊的方式将待焊接件进行焊接处理，得到功率器件用陶瓷覆铝基板；
采用超声钎焊将待焊接件进行焊接处理的步骤如下：将待焊接件加热至420℃，然后施加0.1MPa压力，在20kHz超声频率、5μm超声振幅的条件下超声2s，最后随炉冷却，得到功率器件用陶瓷覆铝基板；
采用超声钎焊将待焊接件进行焊接处理时，待焊陶瓷件为SiC，厚度为3mm；待焊金属件为铝，厚度为1mm；钎料采用Zn5Al合金钎料，厚度为100μm；
采用超声辅助瞬时液相扩散将待焊接件进行焊接处理的步骤如下：将待焊接件加热至380℃，然后施加3MPa压力，在20kHz超声频率、15μm超声振幅的条件下超声8s，最后随炉冷却，得到功率器件用陶瓷覆铝基板；
采用超声辅助瞬时液相扩散将待焊接件进行焊接处理时，待焊陶瓷件为SiC，厚度为3mm；待焊金属件为铝，厚度为1mm；钎料采用Zn，厚度为50μm。
2.根据权利要求1所述的一种功率器件用陶瓷覆铝基板的制备方法，其特征在于所述的预处理过的待焊陶瓷件按以下步骤制备：使用金刚石内圆切割机将陶瓷切割成型，用金刚石进行打磨并抛光，然后放入丙酮溶液中超声清洗5～10min，最后使用无水乙醇超声清洗3～5min，烘干，得到预处理过的待焊陶瓷件。
3.根据权利要求1所述的一种功率器件用陶瓷覆铝基板的制备方法，其特征在于所述的预处理过的待焊金属件和预处理过的钎料按以下步骤制备：将金属和钎料利用砂纸打磨，放入丙酮溶液中清洗3～5min，烘干，得到预处理过的待焊金属件和预处理过的钎料。
4.根据权利要求1所述的一种功率器件用陶瓷覆铝基板的制备方法，其特征在于将待焊接件以3～10℃/min的升温速率进行加热。
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