CN114804930A - 一种高功率半导体器件散热用单晶碳化硅金属化复合陶瓷片 - Google Patents
一种高功率半导体器件散热用单晶碳化硅金属化复合陶瓷片 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种高功率半导体器件散热用单晶碳化硅金属化复合陶瓷片，包括以下步骤，步骤一，基体处理；步骤二，沉积打底层；步骤三，沉积蓄热层；步骤四，沉积功能层；步骤五，沉积扩散阻挡层；步骤六，沉积焊接层；该发明安全、可靠，相比较传统的单晶碳化硅复合陶瓷片，本发明采用的单晶碳化硅金属化散热复合陶瓷片，能够完全满足芯片对高度可靠和稳定功能的需求，实现为元器件提供机械支持、保护、散热及焊接全流程国产化；一方面能够使得单晶碳化硅高散热性能得以发挥，另一方面能够使其与芯片进行连接，并且能够实现很好的导电效果，本结构能达到性能稳定而且环保的效果，而且沉积工艺易于大规模工业化量产。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件焊接技术领域，具体为一种高功率半导体器件散热用单晶碳化硅金属化复合陶瓷片。
背景技术
随着5G时代的到来以及信息技术的不断发展，半导体器件功率进一步提升，如激光器从原来的15W-20W激增至30W，甚至达到35W的超高功率，而目前接菌此类超高功率散热问题的散热基板，如氮化铝热沉，只有从日本进口，而价格高昂，成为国内高功率散热的卡脖子产品，我国急需一种更有效的国产替代方案，碳化硅作为第三代宽禁带半导体的核心材料之一,相对于传统的硅和砷化镓等半导体材料,具有禁带宽度大、载流子饱和迁移速度高、热导率高、临界击穿、场强高等诸多优异的性质，其良好的性能可以满足现代电子技术的新要求；单晶碳化硅作为在超高温环境下使用、耐辐射器件的新型才材料，其应用于高功率芯片半导体器件散热材料仍是空白；因此，现阶段发明出一种高功率半导体器件散热用单晶碳化硅金属化复合陶瓷片是非常有必要的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高功率半导体器件散热用单晶碳化硅金属化复合陶瓷片，以解决上述背景技术中提出的问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种高功率半导体器件散热用单晶碳化硅金属化复合陶瓷片，包括以下步骤，步骤一，基体处理；步骤二，沉积打底层；步骤三，沉积蓄热层；步骤四，沉积功能层；步骤五，沉积扩散阻挡层；步骤六，沉积焊接层；
其中上述步骤一中，根据实际需求将基体为单晶碳化硅的陶瓷片基体进行研磨与抛光，一般厚度为0.2-0.5mm；然后将研磨抛光后的单晶碳化硅基体做前清理处理，依次在丙酮、无水乙醇和去离子水中超声清洗并吹干；
其中上述步骤二中，采用磁控溅射技术，在单晶碳化硅基体上沉积打底层，打底层材料为钛或者铬，沉积厚度为0.05um-0.2um；
其中上述步骤三中，采用磁控溅射技术，在单晶碳化硅基体上沉积蓄热层，蓄热层材料为铜，沉积厚度为3um-80um；
其中上述步骤四中，采用磁控溅射技术，在单晶碳化硅基体上沉积功能层，功能层材料为镍和金，先在铜层上沉积镍层，厚度约为0.1um-3um；再在镍层上沉积金层，厚度为0.1um-1um；
其中上述步骤五中，采用磁控溅射技术，在单晶碳化硅基体上沉积扩散阻挡层，扩散阻挡层材料为铂，厚度为0.1-0.9um；
其中上述步骤六中，采用磁控溅射技术，在单晶碳化硅基体上沉积焊接层，焊接层材料为金锡合金，一般为Au20Sn80合金，厚度为4-8um。
根据上述技术方案，所述步骤二中钛和铬都是和陶瓷结合力较强的金属，而其他金属化层与陶瓷直接结合力较弱，钛和铬很好地提高了金属化层与单晶碳化硅基体的结合力。
根据上述技术方案，所述步骤三中沉积的铜层厚度主要取决于通过电流的大小和铜的热应力，通过电流越大，所需铜层厚度越厚；而铜层的热膨胀系数远大于基体单晶碳化硅，在沉积过程中若加工温度过高，则需减小铜层的厚度。
根据上述技术方案，所述步骤四中镍层和金层作为功能层，其致密度高、结合强度高、导热效能优异；而且能够提高工件的硬度、耐磨性、耐腐蚀性、承载性、抗热氧化性。
根据上述技术方案，所述步骤五中扩散阻挡层铂防止在高温环境下，尤其是在进行焊接时，每层物质之间由于热而产生扩散。
根据上述技术方案，所述步骤一中所述基体采用单晶碳化硅的陶瓷片基体，单晶碳化硅在热学、化学方面非常稳定，机械强度优异，耐辐射线方面强，而且与多晶碳化硅相比具有高的绝缘击穿电压、高的热导率的物性。
根据上述技术方案，所述步骤六中焊接材料金锡合金熔点低、致密度好、导热率高，无需助焊剂，可直接实现封装材料良好的倒装焊接。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：该发明安全、可靠，该单晶碳化硅金属化散热复合陶瓷片，能够完全满足芯片对高度可靠和稳定功能的需求，实现为元器件提供机械支持、保护、散热及焊接全流程国产化；一方面能够使得单晶碳化硅高散热性能得以发挥，另一方面能够使其与芯片进行连接，并且能够实现很好的导电效果，本结构能达到性能稳定而且环保的效果，而且沉积工艺易于大规模工业化量产。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明的方法流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明提供一种技术方案：一种高功率半导体器件散热用单晶碳化硅金属化复合陶瓷片，包括以下步骤，步骤一，基体处理；步骤二，沉积打底层；步骤三，沉积蓄热层；步骤四，沉积功能层；步骤五，沉积扩散阻挡层；步骤六，沉积焊接层；
其中上述步骤一中，根据实际需求将基体为单晶碳化硅的陶瓷片基体进行研磨与抛光，一般厚度为0.2-0.5mm；然后将研磨抛光后的单晶碳化硅基体做前清理处理，依次在丙酮、无水乙醇和去离子水中超声清洗并吹干；所述基体采用单晶碳化硅的陶瓷片基体，单晶碳化硅在热学、化学方面非常稳定，机械强度优异，耐辐射线方面强，而且与多晶碳化硅相比具有高的绝缘击穿电压、高的热导率的物性；
其中上述步骤二中，采用磁控溅射技术，在单晶碳化硅基体上沉积打底层，打底层材料为钛或者铬，沉积厚度为0.05um-0.2um，钛和铬都是和陶瓷结合力较强的金属，而其他金属化层与陶瓷直接结合力较弱，钛和铬很好地提高了金属化层与单晶碳化硅基体的结合力；
其中上述步骤三中，采用磁控溅射技术，在单晶碳化硅基体上沉积蓄热层，蓄热层材料为铜，沉积厚度为3um-80um，沉积的铜层厚度主要取决于通过电流的大小和铜的热应力，通过电流越大，所需铜层厚度越厚；而铜层的热膨胀系数远大于基体单晶碳化硅，在沉积过程中若加工温度过高，则需减小铜层的厚度；
其中上述步骤四中，采用磁控溅射技术，在单晶碳化硅基体上沉积功能层，功能层材料为镍和金，先在铜层上沉积镍层，厚度约为0.1um-3um；再在镍层上沉积金层，厚度为0.1um-1um，镍层和金层作为功能层，其致密度高、结合强度高、导热效能优异；而且能够提高工件的硬度、耐磨性、耐腐蚀性、承载性、抗热氧化性；
其中上述步骤五中，采用磁控溅射技术，在单晶碳化硅基体上沉积扩散阻挡层，扩散阻挡层材料为铂，厚度为0.1-0.9um，扩散阻挡层铂防止在高温环境下，尤其是在进行焊接时，每层物质之间由于热而产生扩散；
其中上述步骤六中，采用磁控溅射技术，在单晶碳化硅基体上沉积焊接层，焊接层材料为金锡合金，一般为Au20Sn80合金，厚度为4-8um，焊接材料金锡合金熔点低、致密度好、导热率高，无需助焊剂，可直接实现封装材料良好的倒装焊接。
基于上述，本发明的优点在于，该发明安全、可靠，该单晶碳化硅金属化散热复合陶瓷片，能够完全满足芯片对高度可靠和稳定功能的需求，实现为元器件提供机械支持、保护、散热及焊接全流程国产化；一方面能够使得单晶碳化硅高散热性能得以发挥，另一方面能够使其与芯片进行连接，并且能够实现很好的导电效果，本结构能达到性能稳定而且环保的效果，而且沉积工艺易于大规模工业化量产。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种高功率半导体器件散热用单晶碳化硅金属化复合陶瓷片，包括以下步骤，步骤一，基体处理；步骤二，沉积打底层；步骤三，沉积蓄热层；步骤四，沉积功能层；步骤五，沉积扩散阻挡层；步骤六，沉积焊接层；其特征在于：
其中上述步骤一中，根据实际需求将基体为单晶碳化硅的陶瓷片基体进行研磨与抛光，一般厚度为0.2-0.5mm；然后将研磨抛光后的单晶碳化硅基体做前清理处理，依次在丙酮、无水乙醇和去离子水中超声清洗并吹干；
其中上述步骤二中，采用磁控溅射技术，在单晶碳化硅基体上沉积打底层，打底层材料为钛或者铬，沉积厚度为0.05um-0.2um；
其中上述步骤三中，采用磁控溅射技术，在单晶碳化硅基体上沉积蓄热层，蓄热层材料为铜，沉积厚度为3um-80um；
其中上述步骤四中，采用磁控溅射技术，在单晶碳化硅基体上沉积功能层，功能层材料为镍和金，先在铜层上沉积镍层，厚度约为0.1um-3um；再在镍层上沉积金层，厚度为0.1um-1um；
其中上述步骤五中，采用磁控溅射技术，在单晶碳化硅基体上沉积扩散阻挡层，扩散阻挡层材料为铂，厚度为0.1-0.9um；
其中上述步骤六中，采用磁控溅射技术，在单晶碳化硅基体上沉积焊接层，焊接层材料为金锡合金，一般为Au20Sn80合金，厚度为4-8um。
2.根据权利要求1所述的一种高功率半导体器件散热用单晶碳化硅金属化复合陶瓷片，其特征在于：所述步骤二中钛和铬都是和陶瓷结合力较强的金属，而其他金属化层与陶瓷直接结合力较弱，钛和铬很好地提高了金属化层与单晶碳化硅基体的结合力。
3.根据权利要求1所述的一种高功率半导体器件散热用单晶碳化硅金属化复合陶瓷片，其特征在于：所述步骤三中沉积的铜层厚度主要取决于通过电流的大小和热应力，通过电流越大，所需铜层厚度越厚；而铜层的热膨胀系数远大于基体单晶碳化硅，在使用过程中若加工温度过高或温度循环较为剧烈，则需调整铜层的厚度。
4.根据权利要求1所述的一种高功率半导体器件散热用单晶碳化硅金属化复合陶瓷片，其特征在于：所述步骤四中镍层和金层作为功能层，其致密度高、结合强度高、导热效能优异；而且能够提高工件的硬度、耐磨性、耐腐蚀性、承载性、抗热氧化性。
5.根据权利要求1所述的一种高功率半导体器件散热用单晶碳化硅金属化复合陶瓷片，其特征在于：所述步骤五中扩散阻挡层铂防止在高温环境下，尤其是在进行焊接时，每层物质之间由于热而产生扩散。
6.根据权利要求1所述的一种高功率半导体器件散热用单晶碳化硅金属化复合陶瓷片，其特征在于：所述步骤一中所述基体采用单晶碳化硅的陶瓷片基体，单晶碳化硅在热学、化学方面非常稳定，机械强度优异，耐辐射线方面强，而且与多晶碳化硅相比具有高的绝缘击穿电压、高的热导率的物性。
7.根据权利要求1所述的一种高功率半导体器件散热用单晶碳化硅金属化复合陶瓷片，其特征在于：所述步骤六中焊接材料金锡合金熔点低、致密度好、导热率高，无需助焊剂，可直接实现封装材料良好的倒装焊接。
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| CN202210401281.6A CN114804930A (zh) | 2022-04-18 | 2022-04-18 | 一种高功率半导体器件散热用单晶碳化硅金属化复合陶瓷片 |
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| CN202210401281.6A Pending CN114804930A (zh) | 2022-04-18 | 2022-04-18 | 一种高功率半导体器件散热用单晶碳化硅金属化复合陶瓷片 |
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|---|---|---|---|---|
| CN117979541A (zh) * | 2024-04-01 | 2024-05-03 | 山东大学 | 一种功率模块用碳化硅单晶覆铜电路板及制备方法 |
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-
2022
- 2022-04-18 CN CN202210401281.6A patent/CN114804930A/zh active Pending
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