CN115124374A - 一种sbc陶瓷表面覆厚金属层技术及其陶瓷封装基板 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种SBC陶瓷表面覆厚金属层技术及其陶瓷封装基板。该技术包括步骤：提供陶瓷基板；采用DSC技术在所述陶瓷基板表面沉积一定厚度的金属导电层；采用真空镀膜技术在所述金属导电层表面沉积金属钎料层；在真空条件下将沉积有金属钎料层的陶瓷基板与金属箔进行钎焊，使所述金属箔与所述金属导电层形成高强度结合，得到所述陶瓷封装基板。本发明采用SBC技术制备的陶瓷封装基板具有以下技术优势：结合强度高，可制备较厚金属层(＞0.1mm)；无杂质，保证各层的致密度和纯度；加工温度低，大幅降低能耗，且不影响陶瓷自身性能；全真空加工环境、无需任何有机添加剂、绿色环保且生产效率高。
Description
技术领域
本发明涉及电子封装技术领域，尤其涉及一种SBC陶瓷表面覆厚金属层技术及其陶瓷封装基板。
背景技术
在电力电子领域中，伴随功率模块的高频化、高功率化和高集成化，导致来自功率模块的发热量不断增加。其中，陶瓷基覆铜板作为功率模块封装不可或缺的关键材料，具有高导热系数、低介电常数、以及与硅芯片相近的热膨胀系数和电绝缘性等优点，并可通过调控陶瓷基板表面覆铜层厚度(＞0.1mm)和质量，进一步提高其耐高压和载大电流的能力。因此，新一代的陶瓷基覆铜板被广泛应用于电动汽车、高铁机车、智能电网及航天航空等领域。
目前，在陶瓷基板表面制备厚铜层的工艺主要有直接键合法(DBC)和活性金属钎焊法(AMB)，其中，DBC法是在1060℃高温下，将铜箔直接压覆于陶瓷基板之上，通过在二者界面处形成共晶过渡层，进而实现陶瓷基板与铜箔之间的焊接。然而，采用DBC法对其加热和保温的工艺要求苛刻，制备出的陶瓷基覆铜板结合强度低、焊接质量差、电阻率高，并且不易制作精细电路。AMB技术是在DBC技术基础上发展而来，在800℃左右的温度下，通过将含有Ti、Zr和Ag等活性元素的钎料在陶瓷和金属界面润湿并反应，从而实现陶瓷与金属之间的异质键合。具体地，该AMB技术的一般制备工艺流程为：首先通过丝网印刷法在陶瓷基板的表面涂覆上活性金属焊料，再与铜箔装夹，然后在真空钎焊炉中进行高温焊接,最后通过掩膜、刻蚀、去膜制作出图形电路，得到陶瓷基覆铜板。由其制备的陶瓷基覆铜板不但具有更高的热导率、更高的结合强度，而且还有热阻小、可靠性高等优势。然而，AMB工艺的可靠性很大程度上取决于活性钎料成分、钎焊工艺以及钎焊层组织结构等诸多因素，制造工艺难度大、生产成本较高，焊接界面易出现缺陷。
如今有企业尝试首先使用磁控溅射技术或电镀技术先对陶瓷基板表面进行金属化，制备一定的薄金属层，而后采用钎焊的方法将金属层与金属箔层实现金属与金属之间的钎焊，从而增加金属层厚度。但是由于磁控溅射技术或电镀技术制备的金属层与陶瓷基体结合强度普遍偏低，往往导致钎焊过程中薄金属层从基体脱落，造成失效。因此，现有在陶瓷基板表面制备厚金属层的技术还有待于改进和发展。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种SBC陶瓷表面覆厚金属层技术及其陶瓷封装基板，旨在解决现有方法制备的金属层和陶瓷基板之间的结合强度低以及在后续钎焊较厚的金属箔的过程中容易发生剥落的问题。
本发明的技术方案如下：
本发明的第一方面，提供一种SBC陶瓷表面覆厚金属层技术，其中，包括步骤：
提供陶瓷基板；
采用DSC技术在所述陶瓷基板表面沉积金属导电层；
采用真空镀膜技术在所述金属导电层表面沉积金属钎料层；
在真空条件下将沉积有金属钎料层的陶瓷基板与金属箔进行钎焊，使所述金属箔通过金属钎料层与所述金属导电层形成高强度结合，得到所述陶瓷封装基板。
可选地，所述金属导电层的材料选自Cu、Ag、Ti、Au、Mg、Al、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Zn、Zr、Nb、Mo中的一种或多种组成的金属或合金；
所述金属导电层的厚度小于10μm。
可选地，在所述金属导电层表面沉积金属钎料层的步骤中，所述真空镀膜技术为以真空为工作环境，可以是真空蒸发镀膜、真空电弧离子镀、真空磁控溅射、真空脉冲激光沉积中的一种或几种。
可选地，所述金属箔与所述金属导电层形成高强度结合后，还包括步骤：在所述金属箔表面沉积表面功能层；
其中，所述表面功能层的材料选自Ru、Ti、Cr、Ni、Cu、Rh、Zr、Nb、Pd、Ag、Cd、Ta、Pt、Au中的一种或多种组成的金属或合金。
可选地，所述真空钎焊的温度为200-850℃，真空度低于5.0×10-2Pa。
可选地，所述金属箔的材料选自Cu、Ag、Ti、Au、Mg、Al、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Zn、Zr、Nb、Mo中的一种或多种组成的金属或合金；
所述金属箔的厚度为10-500μm。
可选地，所述金属钎料层的材料选自B-Ag72Cu、B-AgMn、B-Ag80Au、B-Ag90Pd、B-Ag90AlMn、B-Ag10CuZn、B-Ag42CuSn、B-Ag50CdZnCu中的一种或多种，或者选自B-Cu48ZnNi、B-Cu58ZnMn、B-Cu92PAg、B-Cu80ZnPAg中的一种或多种，或者选自B-Al86SiMg、B-Al67CuSi、B-Al88Si、B-Al79SiZnCu、HL401、HL402、HL403中的一种或多种，或者选自Sn95Sb、Sn43Pb43Bi14、Sn97.5Ag2Cu0.5中的一种或多种；
所述金属钎料层的厚度为0.01-10μm。
本发明的第二方面，提供一种陶瓷封装基板，其中，所述陶瓷封装基板采用本发明所述的SBC陶瓷表面覆厚金属层技术制备得到。
有益效果：本发明中，首先采用DSC技术在陶瓷基板表面快速沉积金属导电层，使陶瓷基板表面金属化。然后采用真空镀膜技术对金属或合金钎料靶材进行放电，沉积金属钎料层。采用该方法制备的金属层与金属导电层结合强度高、组织结构致密，导电性能优异，并且在后期钎焊厚的金属箔过程中，金属层不会脱落，从而可以达到在陶瓷基板表面制备较厚金属层的目的。
附图说明
图1为实施例1中制备陶瓷封装基板的流程示意图。
图2为实施例1中陶瓷封装基板的结合强度测试图。
具体实施方式
本发明提供一种SBC陶瓷表面覆厚金属层技术及其制备的陶瓷封装基板，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例提供一种SBC陶瓷表面覆厚金属层技术，其中，包括步骤：
S1、提供陶瓷基板；
S2、采用DSC技术在所述陶瓷基板表面沉积金属导电层；
S3、采用真空镀膜技术在所述金属导电层表面沉积金属钎料层；
S4、在真空条件下将沉积有金属钎料层的陶瓷基板与金属箔进行钎焊，使所述金属箔通过金属钎料层与所述金属导电层形成高强度结合，得到所述陶瓷封装基板。
本实施例采用SBC(Sputtering Bonding Ceramic)技术制备陶瓷封装基板，所述SBC技术指的是：首先采用DSC技术在陶瓷基板表面快速沉积金属导电层，然后采用真空镀膜技术在金属导电层表面沉积金属钎料层，而后在真空条件下将其与所需厚度的金属箔钎焊连接，达到在陶瓷基板表面制备较厚金属箔(＞0.1mm)的目的。相对传统工艺，采用SBC技术制备的陶瓷封装基板具有以下技术优势：结合强度高，可制备较厚金属层(＞0.1mm)；无杂质，保证各层的致密度和纯度；加工温度低，大幅降低能耗，且不影响陶瓷自身性能；整个制备过程为全真空环境、无需任何有机添加剂、绿色环保且生产效率高。
其中，DSC(Direct Sputtering Ceramic)技术指的是：使用持续高功率磁控溅射技术(C-HPMS)直接在陶瓷基板表面沉积一定厚度的金属导电层的新型金属化工艺，替代DPC工艺，实现高结合强度和绿色生产。
其中，DPC技术指的是，首先利用磁控溅射技术或其他技术使陶瓷基板表面金属化，再通过电镀工艺增厚至所需要的金属层厚度，其整个制备过程温度小于200℃，可有效避免高温对陶瓷基板性能产生的不利影响。但是，DPC技术制备的金属层与陶瓷基板之间结合强度普遍不高，使得电路板可靠性变差，同时电镀过程中一般会产生大量含有重金属离子和有毒物质的废液，对环境造成严重污染。与现有该DPC技术相比，本实施例采用DSC技术制备的金属导电层与陶瓷基板之间结合强度大幅度提高，且制备过程为全真空环境、绿色环保、生产效率高。
所述DSC技术还可以在大功率IGBT、层压电容(MLCC)、车载芯片、雷达芯片等以非金属单质或陶瓷化合物为基体的元器件的覆铜工艺中使用。
本实施例中，首先采用DSC技术在陶瓷基板表面快速沉积金属导电层至所需厚度，目的是使陶瓷基板表面金属化。然后采用真空镀膜技术对金属或合金钎料靶材进行放电，沉积焊接层(即金属钎料层)直至所需厚度。采用该方法制备的金属钎料层与金属导电层结合强度高、组织结构致密，导电性能优异，在后期钎焊厚的金属箔过程中，金属层不发生脱落现象，从而达到在陶瓷基板表面制备较厚金属层的目的。
步骤S1中，在一种实施方式中，所述陶瓷基板的材料可以是Al2O3、ZrO2、MgO、BeO、ZnO、Cr2O3、AlN、TiN、BN、TiC、SiC、Si3N4等金属或合金氧化物、氮化物、碳化物、硼化物陶瓷中的一种或几种。
步骤S2中，在一种实施方式中，所述采用DSC技术在所述陶瓷基板表面沉积金属导电层的步骤，具体包括：采用高离化率磁控溅射技术在所述陶瓷基板表面沉积金属过渡层，采用持续高功率磁控溅射技术在所述金属过渡层表面沉积所述金属导电层。也就是说，本实施例陶瓷封装基板还可包括金属过渡层，所述金属过渡层位于陶瓷基板和金属导电层之间，用于进一步提高陶瓷基板与金属导电层之间的结合强度。
本实施例在一个真空腔体内采用高离化、高沉积效率的磁控溅射技术和真空镀膜技术实现陶瓷基板表面多种功能层的连续、快速沉积，大幅度提高金属导电层与陶瓷基板的结合强度、控制金属导电层致密度、提高电导率。所制备的陶瓷封装基板组织结构致密、表面光滑、抗氧化性以及可焊性好，可靠性高。另外，与现有采用DPC技术(溅射/蒸发结合电镀制备多种功能层的技术)不同的是，本实施例陶瓷封装基板的所有层在一个真空腔体内采用高离化、高沉积效率的磁控溅射技术和真空镀膜技术制备得到，因此该制备过程为全真空环境、绿色环保、生产效率高。
在一种实施方式中，所述采用高离化率磁控溅射技术在所述陶瓷基板表面沉积金属过渡层的步骤，所述高离化率磁控溅射技术可以是高功率脉冲磁控溅射技术、持续高功率磁控溅射技术、以及其他辅助离化的磁控溅射技术等中的一种或几种。
在一种实施方式中，所述采用高离化率磁控溅射技术对金属过渡层金属靶材或合金靶材进行放电的同时，还包括：在陶瓷基板外设置离子加速栅，使离子能量为1-100keV。
在一种实施方式中，所述金属过渡层可以是单层或多层复合结构，其材料可以是Al、Ti、V、Cr、Ni、Cu、Zn、Zr、Nb、Pd、Ag、Cd、Ta、Pt、Au等金属及其合金中的一种或几种。
在一种实施方式中，所述金属过渡层的厚度为0.1-10μm。
在一种实施方式中，所述采用持续高功率磁控溅射技术在所述金属过渡层表面沉积所述金属导电层的步骤，具体包括：采用持续高功率磁控溅射技术对金属导电层金属靶材或合金靶材进行放电，在所述金属过渡层表面沉积所需厚度的金属导电层；其中放电参数包括：放电功率密度>80W/cm2，偏压为0-600V，进一步地优选偏压为50-100V。
在一种实施方式中，所述金属导电层的材料可以是Cu、Ag、Ti、Au、Mg、Al、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Zn、Zr、Nb、Mo等金属及其合金中的一种或多种。
在一种实施方式中，所述金属导电层的厚度一般小于10μm。进一步地，述金属导电层的厚度为0.1-10μm，如2μm、3μm、、5μm等。
步骤S3中，在一种实施方式中，在所述金属导电层表面沉积金属钎料层的步骤中，所述真空镀膜技术为以真空为工作环境，可以是真空蒸发镀膜、真空电弧离子镀、真空磁控溅射、真空脉冲激光沉积等中的一种或几种。
所述金属钎料层的材料为金属或合金钎料。在一种实施方式中，采用持续高功率磁控溅射技术对金属或合金钎料制备的活性金属或合金靶材进行放电，沉积金属钎料层直至所需厚度。在一种实施方式中，放电功率密度>80W/cm2，偏压为0-300V，进一步地优选偏压为50-100V。
在一种实施方式中，所述金属钎料层的材料可以是B-Ag72Cu、B-AgMn、B-Ag80Au、B-Ag90Pd、B-Ag90AlMn、B-Ag10CuZn、B-Ag42CuSn、B-Ag50CdZnCu等银基钎料中的一种或多种，也可以是B-Cu48ZnNi、B-Cu58ZnMn、B-Cu92PAg、B-Cu80ZnPAg等铜基钎料中的一种或多种，也可以是B-Al86SiMg、B-Al67CuSi、B-Al88Si、B-Al79SiZnCu、HL401、HL402、HL403等铝基钎料中的一种或多种，还可以是Sn95Sb、Sn43Pb43Bi14、Sn97.5Ag2Cu0.5等锡基钎料中的一种或多种。
在一种实施方式中，所述金属钎料层的厚度为0.01-10μm。进一步地，述金属钎料层的厚度为0.1-10μm，如0.5μm、1μm、3μm、5μm等。
步骤S4中，在一种实施方式中，所述金属箔与所述金属导电层结合之后，还包括步骤：采用真空镀膜技术在所述金属箔表面沉积表面功能层。也就是说，本实施例陶瓷封装基板还可包括表面功能层，所述表面功能层位于金属箔之上，用于提高其可焊性和焊接质量，并可防止金属箔表面发生氧化或腐蚀。
在一种实施方式中，所述表面功能层可以是单层或多层复合结构，其材料可以选自Ru、Ti、Cr、Ni、Cu、Rh、Zr、Nb、Pd、Ag、Cd、Ta、Pt、Au等中的一种或几种组成的金属或合金。
在一种实施方式中，所述钎焊的温度为200-850℃，如500-800℃，真空度低于5.0×10-2Pa。
在一种实施方式中，所述金属箔的厚度大于10μm，进一步地大于100μm，再进一步地为100-500μm。
在一种实施方式中，所述金属箔的材料选自Cu、Ag、Ti、Au、Mg、Al、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Zn、Zr、Nb、Mo等中的一种或多种组成的金属或合金。
在一种实施方式中，所述铜箔可以是88箔、90箔、电子级铜箔等工业常用铜箔中的一种或多种。
本发明实施例还提供一种陶瓷封装基板，其中，所述陶瓷封装基板采用本发明实施例所述的SBC陶瓷表面覆厚金属层技术制备得到。
本实施例陶瓷封装基板主要包括陶瓷基板、金属导电层、金属钎料层和金属箔。根据具体使用要求，所述陶瓷封装基板还可包括金属过渡层和表面功能层；其中金属过渡层位于陶瓷基板和金属导电层之间，用于进一步提高陶瓷封装基板的结合强度；表面功能层位于金属箔之上，用于提高其可焊性和焊接质量，并可防止金属箔表面发生氧化或腐蚀。
本实施例在一个真空腔体内采用高离化、高沉积效率的磁控溅射技术和真空镀膜技术实现陶瓷基板表面多种功能层的连续、快速沉积，而后通过真空钎焊技术将其与具有一定厚度的金属箔焊接，以达到制备较厚金属层的目的。采用SBC技术制备的陶瓷封装基板具有以下技术优势：结合强度高，可制备较厚金属层(＞0.1mm)；无杂质，保证各层的致密度和纯度；金属箔烧结温度低，大幅降低能耗，且不影响陶瓷自身性能；全真空加工环境、无需任何有机添加剂、绿色环保且生产效率高。
关于陶瓷封装基板各层的具体细节见上文，在此不再赘述。
下面通过具体的实施例对本发明作进一步地说明。
实施例1：陶瓷封装基板的制备
如图1所示，一种陶瓷封装基板，陶瓷基板表面设有金属过渡层，金属过渡层表面设有金属导电层，金属导电层表面设有金属钎料层，金属钎料层表面设有铜箔，铜箔表面按需要可设有表面功能层。采用SBC技术制备陶瓷封装基板的具体制备步骤包括：
采用DSC技术进行陶瓷表面金属化：首先采用高功率脉冲磁控溅射技术在Al2O3陶瓷基板表面沉积金属过渡层Ti层，高功率脉冲磁控溅射技术放电参数为：放电电压为800V，频率为100Hz，脉宽为200μs，Ti材料离化率为80％，其中Ti层厚度为1.0μm。而后采用持续高功率磁控溅射技术在金属过渡层Ti层表面沉积金属导电层Cu层，持续高功率磁控溅射放电参数为：放电功率密度为100W/cm2，偏压选择直流偏压，大小为100V，其中Cu层厚度为7μm。
金属钎料层沉积：采用持续高功率磁控溅射技术对B-Ag10CuZn银基钎料制备的活性金属靶材进行放电，放电功率密度>80W/cm2，偏压为100V，快速沉积金属钎料层直至厚度为7μm；
铜箔：在真空钎焊炉中，将沉积有金属钎料层的陶瓷基板与具有一定厚度的电子级铜箔进行真空焊接，最终成型得到所述陶瓷基覆铜板。其中焊接温度为650℃，真空度为10-3Pa，所用电子级铜箔厚度为0.1mm。利用拉拔法测试陶瓷基覆铜板结合力，图2结果表明膜基结合力约为4.15kg·f。
综上所述，本发明提供一种SBC陶瓷表面覆厚金属层技术及其制备的陶瓷封装基板。本发明中，通过采用高离化、高沉积效率的磁控溅射技术对金属或合金靶材进行放电，实现在陶瓷基板表面金属过渡层、金属导电层和金属钎料层的连续、快速生长。而后通过真空钎焊技术将其与具有一定厚度的金属箔焊接，以达到制备较厚铜层的目的。相对传统DBC和AMB工艺，采用SBC技术制备的陶瓷封装基板具有以下技术优势：结合强度高，可制备较厚金属层(＞0.1mm)；无杂质，保证各层的致密度和纯度；金属箔烧结温度低，大幅降低能耗，且不影响陶瓷自身性能；全真空加工环境、无需任何有机添加剂、绿色环保且生产效率高。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种SBC陶瓷表面覆厚金属层技术，其特征在于，包括步骤：
提供陶瓷基板；
采用DSC技术在所述陶瓷基板表面沉积金属导电层；
采用真空镀膜技术在所述金属导电层表面沉积金属钎料层；
在真空条件下将沉积有金属钎料层的陶瓷基板与金属箔进行钎焊，使所述金属箔通过金属钎料层与所述金属导电层结合，得到陶瓷封装基板。
2.根据权利要求1所述的SBC陶瓷表面覆厚金属箔技术，其特征在于，所述采用DSC技术在所述陶瓷基板表面沉积金属导电层的步骤，具体包括：采用高离化率磁控溅射技术在所述陶瓷基板表面沉积金属过渡层，采用持续高功率磁控溅射技术在所述金属过渡层表面沉积所述金属导电层。
3.根据权利要求2所述的SBC陶瓷表面覆厚金属层技术，其特征在于，所述采用高离化率磁控溅射技术在所述陶瓷基板表面沉积金属过渡层的步骤中，所述高离化率磁控溅射技术包括高功率脉冲磁控溅射技术、持续高功率磁控溅射技术中的一种或几种；
所述采用持续高功率磁控溅射技术在所述金属过渡层表面沉积所述金属导电层的步骤中，所述持续高功率磁控溅射技术的工艺参数包括：放电功率密度>80W/cm2，偏压为直流偏压，偏压大小为0-600V。
4.根据权利要求1所述的SBC陶瓷表面覆厚金属层技术，其特征在于，所述采用真空镀膜技术在所述金属导电层表面沉积金属钎料层的步骤中，所述真空镀膜技术为以真空为工作环境，选自真空蒸发镀膜、真空电弧离子镀、真空磁控溅射、真空脉冲激光沉积中的一种或几种。
5.根据权利要求1所述的SBC陶瓷表面覆厚金属层技术，其特征在于，所述金属箔与所述金属导电层结合之后，还包括步骤：在所述金属箔表面沉积表面功能层；
其中，所述表面功能层的材料选自Ru、Ti、Cr、Ni、Cu、Rh、Zr、Nb、Pd、Ag、Cd、Ta、Pt、Au中的一种或多种组成的金属或合金。
6.根据权利要求1所述的SBC陶瓷表面覆厚金属层技术，其特征在于，所述钎焊的温度为200-850℃，真空度低于5.0×10-2Pa。
7.根据权利要求1所述的SBC陶瓷表面覆厚金属层技术，其特征在于，所述金属箔的材料选自Cu、Ag、Ti、Au、Mg、Al、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Zn、Zr、Nb、Mo中的一种或多种组成的金属或合金；
所述金属箔的厚度为10-500μm。
8.根据权利要求1所述的SBC陶瓷表面覆厚金属层技术，其特征在于，所述金属导电层的材料选自Cu、Ag、Ti、Au、Mg、Al、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Zn、Zr、Nb、Mo中的一种或多种组成的金属或合金；
所述金属导电层的厚度小于10μm。
9.根据权利要求1所述的SBC陶瓷表面覆厚金属层技术，其特征在于，所述金属钎料层的材料选自B-Ag72Cu、B-AgMn、B-Ag80Au、B-Ag90Pd、B-Ag90AlMn、B-Ag10CuZn、B-Ag42CuSn、B-Ag50CdZnCu中的一种或多种，或者选自B-Cu48ZnNi、B-Cu58ZnMn、B-Cu92PAg、B-Cu80ZnPAg中的一种或多种，或者选自B-Al86SiMg、B-Al67CuSi、B-Al88Si、B-Al79SiZnCu、HL401、HL402、HL403中的一种或多种，或者选自Sn95Sb、Sn43Pb43Bi14、Sn97.5Ag2Cu0.5中的一种或多种；
所述金属钎料层的厚度为0.01-10μm。
10.一种陶瓷封装基板，其特征在于，所述陶瓷封装基板采用权利要求1-9任一项所述的SBC陶瓷表面覆厚金属层技术制备得到。
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