CN116410018A - 一种基板、制备方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种AlN/Si3N4陶瓷基板及其制备方法、应用，包括以下步骤：选择氮化硅陶瓷基板；对所述氮化硅陶瓷基板进行表面处理；在所述氮化硅陶瓷基板表面生长氮化铝薄膜，得到复相陶瓷基板；将所述复相陶瓷基板进行退火处理，获得AlN/Si3N4陶瓷基板。本发明提出的氮化硅与氮化铝陶瓷的复合基板，利用了各自的优点，获得具有高强度、高导热率的封装基板。适用于第三代半导体器件及发光器件。
Description
技术领域
本发明涉及封装基板领域，具体地涉及一种高导热高强度的AlN/Si3N4陶瓷基板及其制备方法。
背景技术
随着大规模集成电路的发展，人们对于封装用基板的要求也越来越高。其中，高热导率、高强度、低介电常数是集成电路对封装用基板的最基本要求。
封装用基片还应与硅片具有良好的热匹配、易成型、高表面平整度、易金属化、易加工、低成本等特点和一定的力学性能。
氮化硅陶瓷力学性能优异，弯曲强度可达600～800MPa，断裂任性为7～9MPa·m1/2。氮化铝(A1N)作为一种综合性能优良新型的先进陶瓷材料，具有优良的热传导性，可靠的电绝缘性，低的介电常数和介电损耗，无毒以及与硅相匹配的热膨胀系数等一系列优良特性，被认为是新一代高集程度半导体基片和电子器件封装的理想材料，受到了国内外研究者的广泛重视。在理论上，A1N的热导率为320W/(m·K)，工业上实际制备的多晶氮化铝的热导率也可达100～250W/(m)，该数值是传统基板材料氧化铝热导率的5倍～10倍。
如何充分利用氮化硅与氮化铝陶瓷的各自的优异性能，来制备一种具有高强度、高导热率的封装基板是值得研究的技术问题。
发明内容
针对以上技术问题，本发明拟提出一种氮化硅与氮化铝陶瓷的复合基板，利用各自的优点，制备一种具有高强度、高导热率的封装基板。
具体地，本发明所提出的技术方案如下：
一种A1N/Si3N4陶瓷基板的制备方法，包括以下步骤：
选择氮化硅陶瓷基板；
对所述氮化硅陶瓷基板进行表面处理；
在所述氮化硅陶瓷基板表面生长氮化铝薄膜，得到复相陶瓷基板；
将所述复相陶瓷基板进行退火处理，获得AlN/Si3N4陶瓷基板。
可选地，所述表面处理包括对所述氮化硅陶瓷基板的表面进行打磨、抛光、清洗。
可选地，采用磁控溅射生长所述氮化铝薄膜。
可选地，所述磁控溅射生长包括：
将所述氮化硅陶瓷基板置于磁控溅射腔体中；
选择Al作为溅射靶材；
通入氮气，进行薄膜生长。
可选地，所述磁控溅射生长的工艺参数包括薄膜生长温度约为420℃，溅射气压约为6.2mTorr，氮气流量比约为85％，溅射功率约为520W。
可选地，所述退火包括在氮气气氛中、气压约为3MPa，约960℃的温度下进行。
可选地，所述退火包括如下升温速率及保温过程：
升温速率为：0-500℃升温速度为10℃/min；500℃保温0.5h；500℃-650℃升温速度为5℃/min；650℃保温0.5h；650℃-960℃升温速度为2℃/min；960℃保温2h。
本发明还提出一种AlN/Si3N4陶瓷基板，包括氮化硅陶瓷基板及生长在氮化硅陶瓷基板表面的氮化铝层。
可选地，所述氮化铝膜层的厚度为0.1-2微米。
本发明还提出一种第三代半导体功率器件，包括本发明所提出的AlN/Si3N4陶瓷基板。
本发明还提出一种发光器件，包括本发明所提出的AlN/Si3N4陶瓷基板。
本发明具有以下优势：
(1)很大程度上改善Si3N4陶瓷等基板或结构件的导热率问题，提高材料整体的散热能效，防止热失配的发生；
(2)基材Si3N4陶瓷具有优异的力学性能，结合高导热的AlN薄膜，以实现两种材料的相互补充，实现性能复合优化，使其综合性能由于其中任何一种；
(3)用金属Al靶材取代A1N靶材的涂层工艺可降低工艺的复杂度，控制成本；
(4)磁控溅射和N2气氛退火工艺的联用可以明显改善AlN膜层的纯度，可使氮化铝镀层的含氧量从2.8at.％降至0.8at.％，从而进一步提升器件的导热率，降低接触界面热阻。
附图说明
图1是本发明其中一实施例的AlN/Si3N4陶瓷基板制备工艺流程图。
图2是本发明其中一实施例的AlN/Si3N4陶瓷基板应用于第三代半导体器件的结构示意图。
图3是本发明其中一实施例的AlN/Si3N4陶瓷基板应用于发光器件的结构示意图。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护范围。
除非另外具体说明，本发明中使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“包括”或者“包含”等既不限定所提及的形状、数字、步骤、操作、构件、原件和/或它们的组，也不排除出现或加入一个或多个其他不同的形状、数字、步骤、动作、操作、构件、原件和/或它们的组。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示技术特征的数量与顺序。
实施例1
本发明提出一种AlN/Si3N4陶瓷基板的制备方法，如图1所示，包括以下步骤：
S1：选择氮化硅陶瓷基板；
S2：对所述氮化硅陶瓷基板进行表面处理；
其中，表面处理包括对所述氮化硅陶瓷基板的表面进行打磨、抛光、清洗。具体地，：将氮化硅基板表面进行打磨、抛光，而后在丙酮、酒精、去离子水中进行超声清洗各5分钟。
S3：在所述氮化硅陶瓷基板表面生长氮化铝薄膜，得到复相陶瓷基板；可选的，本实施例的生长选用磁控溅射生长。具体地，将氮化硅基板放入磁控溅射腔体中，溅射靶材为Al靶，进行AlN薄膜的反应溅射生长；薄膜生长温度为420℃，溅射气压为6.2mTorr，氮气流量比为85％，溅射功率分别为520W，最终AlN膜层厚度可调节范围为0.1至-2微米，表面粗糙度控制在0.15微米。
S4：将所述复相陶瓷基板进行退火处理，获得AlN/Si3N4陶瓷基板。
具体地，将步骤S3获得的复相陶瓷基板置于氮化硼模具中在氮气中进行960℃退火获得制品。
其中，退火在氮气中，气压为3MPa，并在960℃的温度下进行。
退火过程包括如下升温速率及保温时间：0-500℃升温速度为10℃/min；500℃保温0.5h；500℃-650℃升温速度为5℃/min；650℃保温0.5h；650℃-960℃升温速度为2℃/min；960℃保温2h。
在表面粗糙度为0.15微米时，产品与同样粗糙度的铜箔在1MPa压力贴合下，表面接触内阻为7.2×10-4m2K/W，优于纯氮化硅标样值(1.5×10-2m2K/W)。
实施例2
本发明还提出一种根据实施例1的制备方法所获得的A1N/Si3N4陶瓷基板，该陶瓷基板包括氮化硅陶瓷基板及生长在氮化硅陶瓷基板表面的氮化铝层。磁控溅射氮化铝膜层可覆盖工件表面，厚度在0.1到2微米之间可调，表面粗糙度控制在0.15微米。
实施例3
如图2所示，作为本发明的一个实施例，公开一种第三代半导体功率器件，其组成一般包括：陶瓷基板、功率器件、热沉、热沉上热界面材料、丝焊等；所述陶瓷基板作为第三代半导体功率器件热电分离的陶瓷载板。其中该陶瓷基板采用本发明实施例2所提出的陶瓷基板。该功率器件例如是IGBT器件。
实施例4
如图3所示，作为本发明的一个实施例，公开了一种发光器件，其组成一般包括：陶瓷基板、导电金属层(线路层)，发光芯片，围坝(或围墙)，外部封装材料。
其中，导电金属层(线路层)位于陶瓷基板表面，通过磁控溅射沉积铜、钛等金属薄膜作为晶种层，再由光刻胶或干膜等图形化方式配合电镀进行铜厚膜沉积，并在铜金属表面进行化学镀镍和化学镀金等最终精饰。金属层的材质一般为铜，镍，金等材料。铜层厚度为0.05-1mm，镍层厚度为2-10μm，金层厚度为50-250nm。此外陶瓷基底表面可以进行直接覆铜DBC工艺制备得铜图案，铜图形厚度为0.05-3mm。发光芯片连接至导电金属层(线路层)；可以采用固晶胶将激发芯片阵列粘结至陶瓷基板；外部封装材料用于封装激发芯片阵列和荧光粉，其材料一般为硅胶。
作为本发明的一个优选高显色白光应用方案，发光器件中的荧光粉采用钇铝石榴石系荧光粉和(Sr，Ca)AlSiN3：Eu红色荧光粉；
作为本发明的另一个优选高显色白光应用方案，发光器件中的荧光粉采用钇铝石榴石系荧光粉、(Sr，Ca)A1SiN3：Eu红色荧光粉和KSF红色荧光粉；
作为本发明的另一个优选高显色照明应用方案，发光器件中的荧光粉采用(Sr，Ca)AlSiN3：Eu氮化物红粉和(Sr，Ba)2SiO4：Eu硅酸盐荧光粉；
作为本发明的一个优选高色域背光应用方案，发光器件中的荧光粉采用β-塞隆荧光粉和KSF红色荧光粉。
其中，发光芯片阵列中的发光芯片可以为紫外、紫光、蓝光、绿光、红光或红外发光芯片中一种或多种。
例如：发光芯片阵列中的发光芯片采用蓝光芯片、绿光芯片和红色芯片组合，形成RGB全彩；发光芯片阵列中的发光芯片采用紫外芯片，用于杀菌；发光芯片阵列中的发光芯片采用蓝光芯片和红光芯片的组合，用于植物照明；发光芯片阵列中的发光芯片为红外芯片用于设备图像识别。
发光芯片阵列中的发光芯片为紫外、紫光、蓝光芯片中一种或多种时，还可以起激发芯片的作用，此时发光器件中还包括荧光粉，荧光粉受激发芯片激发而发光。荧光粉可以为钇铝石榴石系荧光粉、(Sr，Ca)AlSiN3：Eu红色荧光粉、KSF红色荧光粉，β-塞隆荧光粉，(Sr，Ba)2SiO4：Eu硅酸盐荧光粉中的一种或多种。
发光芯片阵列还可以为激发芯片和发光芯片的组合。
本发明相对于现有技术具有如下优势：
(1)很大程度上改善Si3N4陶瓷等基板或结构件的导热率问题，提高材料整体的散热能效，防止热失配的发生；
(2)基材Si3N4陶瓷具有优异的力学性能，结合高导热的AlN薄膜，以实现两种材料的相互补充，实现性能复合优化，使其综合性能由于其中任何一种；
(3)用金属Al靶材取代AlN靶材的涂层工艺可降低工艺的复杂度，控制成本；
(4)磁控溅射和N2气氛退火工艺的联用可以明显改善AlN膜层的纯度。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。
Claims (11)
1.一种AlN/Si3N4陶瓷基板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
选择氮化硅陶瓷基板；
对所述氮化硅陶瓷基板进行表面处理；
在所述氮化硅陶瓷基板表面生长氮化铝薄膜，得到复相陶瓷基板；
将所述复相陶瓷基板进行退火处理，获得AlN/Si3N4陶瓷基板。
2.根据权利要求1所述的AlN/Si3N4陶瓷基板的制备方法，其特征在于，所述表面处理包括对所述氮化硅陶瓷基板的表面进行打磨、抛光、清洗。
3.根据权利要求1所述的AlN/Si3N4陶瓷基板的制备方法，其特征在于，采用磁控溅射生长所述氮化铝薄膜。
4.根据权利要求3所述的AlN/Si3N4陶瓷基板的制备方法，其特征在于，所述磁控溅射生长包括：
将所述氮化硅陶瓷基板置于磁控溅射腔体中；
选择Al作为溅射靶材；
通入氮气，进行薄膜生长。
5.根据权利要求4所述的A1N/Si3N4陶瓷基板的制备方法，其特征在于，所述磁控溅射生长的工艺参数包括薄膜生长温度约为420℃，溅射气压约为6.2mTorr，氮气流量比约为85％，溅射功率约为520W。
6.根据权利要求1所述的AlN/Si3N4陶瓷基板的制备方法，其特征在于，所述退火包括在氮气气氛中、气压约为3MPa，约960℃的温度下进行。
7.根据权利要求6所述的AlN/Si3N4陶瓷基板的制备方法，其特征在于，所述退火包括如下升温速率及保温过程：
升温速率为：0-500℃升温速度为10℃/min；500℃保温0.5h；500℃-650℃升温速度为5℃/min；650℃保温0.5h；650℃-960℃升温速度为2℃/min；960℃保温2h。
8.一种AlN/Si3N4陶瓷基板，其特征在于，包括氮化硅陶瓷基板及生长在氮化硅陶瓷基板表面的氮化铝层。
9.根据权利要求8所述的AlN/Si3N4陶瓷基板，其特征在于，所述氮化铝膜层的厚度为0.1-2微米。
10.一种第三代半导体功率器件，其特征在于，包括权利要求8-9任一项所述的AlN/Si3N4陶瓷基板。
11.一种发光器件，其特征在于，所述发光器件包括权利要求8-9任一项所述的AlN/Si3N4陶瓷基板。
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