CN116693315A - 一种AlN陶瓷覆铜基板的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于陶瓷金属化技术领域,涉及一种AlN陶瓷覆铜基板的制备方法。通过二次键合工艺方法实现AlN基板与铜箔的键合。在AlN陶瓷基板上涂覆活性金属钎焊层后与无氧铜箔贴合,使用邦定机在真空环境下加温加压进行预键合,将预键合后的产品放入真空钎焊炉中进行二次键合,由此制备得到的AlN陶瓷覆铜基板能够有效减少空洞、虚焊等缺陷,使铜箔与AlN陶瓷基板的接合更容易,更均匀,更牢靠。
Description
技术领域
本发明属于陶瓷金属化技术领域,尤其涉及一种AlN陶瓷覆铜基板的制备方法。
背景技术
随着第三代半导体的崛起与应用,半导体器件逐渐向大功率、小型化、集成化、多功能等方向发展,对封装基板性能也提出了更高要求。陶瓷基板(又称陶瓷电路板)具有热导率高、耐热性好、热膨胀系数低、机械强度高、绝缘性好、耐腐蚀、抗辐射等特点,在电子器件封装中得到广泛应用。
常用陶瓷基板材料包括Al2O3、AlN、Si3N4、BeO、SiC和BN等,其中ALN材料具有高热导率(理论值约320W/m·K),低热膨胀系数(4.5×10-6/℃),与Si(3.5~4×10-6/℃)和GaAs(6×10-6/℃)匹配,是一种优异的陶瓷基板材料。
AlN陶瓷覆铜基板的制备技术有直接键合铜陶瓷基板(DirectBondedCopperCeramicSubstrate,DBC)、活性金属焊接陶瓷基板(ActiveMetalBrazingCeramicSubstrate,AMB)、直接电镀铜陶瓷基板(DirectPlatedCopperCeramicSubstrate,DPC)和激光活化金属陶瓷基板(LaserActivatedMetallizationCeramicSubstrate,LAM)等。其中AMB技术是在DBC技术的基础上发展而来的。采用AMB工艺制备的陶瓷基板,不仅具有更高的热导率、更好的铜层结合力,而且还有热阻更小、可靠性更高等优势。
但是,传统AMB钎焊工艺的可靠性还不够好,产品性能波动大,容易产生空洞、虚焊等缺陷。这些缺陷使封装基板在长时间使用后易产生破裂或者覆铜层剥落失效,影响到最终产品的可靠性。
因此,如何提供一种能将陶瓷和铜箔层稳定、可靠地结合在一起的新工艺方法,生产出可靠性高、耐温性能好的优质陶瓷覆铜基板是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
为解决上述技术问题,本发明提出了一种AlN陶瓷覆铜基板的制备方法,通过二次键合的AMB工艺对于AlN陶瓷基板进行处理,使得铜箔与AlN陶瓷基板的接合更容易,更均匀,更牢靠。
为实现上述目的,本发明提供了一种AlN陶瓷覆铜基板的制备方法,包括:
在AlN陶瓷基板上涂覆活性金属钎焊层并在上面贴合铜箔,经预键合、二次键合制备得到AlN陶瓷覆铜基板。
进一步的,所述AlN陶瓷基板的厚度为0.25mm~1mm。
进一步的,所述活性金属钎焊层是由Ag-Cu-Ti组成的中温活性金属焊料构成,厚度为10~100μm。
优选的,所述Ag-Cu-Ti组成的中温活性金属焊料牌号为Ag72Cu26Ti2。
进一步的,所述铜箔为Cu-OFE,厚度为0.1mm-1mm。
优选的,所述Cu-OFE的铜含量大于99.99%,氧含量小于0.0005%。
进一步的,所述涂覆活性金属钎焊层的具体操作为:用丝网印刷的方式将活性金属钎焊料涂覆在AlN陶瓷基板上。
进一步的,所述贴合铜箔的方法为:将铜箔与陶瓷板对齐贴合到涂覆的活性金属焊料层上。
进一步的,所述预键合的方法为:将贴合铜箔的AlN陶瓷基板在邦定机上先抽真空,然后在真空环境下热压,得到预键合的AlN陶瓷覆铜板。
优选的,所述邦定机的型号为Taichi-30,购于崇文科技。
优选的,所述抽真空的真空度为-95KPa;所述热压的温度为400-500℃,压力为0.4-0.8MPa,时间为10-30min。
进一步的,所述二次键合的方法为:预键合的AlN陶瓷覆铜板在真空钎焊炉中保温20-120min进行二次键合。
优选的,所述真空钎焊炉的真空度为10-3Pa,温度为850℃-950℃。
另一方面,本发明还提供了一种由上述制备方法制得的AlN陶瓷覆铜基板。
另一方面,本发明还提供了一种上述AlN陶瓷覆铜基板在航空航天及半导体领域的应用。
一种提高AlN陶瓷覆铜基板可靠性的方法,包括:在AlN陶瓷基板上涂覆活性金属钎焊层并在上面贴合铜箔,经预键合、二次键合制备得到AlN陶瓷覆铜基板。
与现有技术相比,本发明具有如下优点和技术效果:
本发明使用邦定机进行预键合,在真空热压作用下使活性金属焊料与AlN陶瓷基板和铜箔获得致密可靠的结合,预键合后再到真空钎焊炉中进行烧结后能有效减少空洞,虚焊等缺陷,使铜箔与AlN陶瓷基板的接合更容易,更均匀,更牢靠。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解,本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请,并不构成对本申请的不当限定。在附图中:
图1为本发明AlN陶瓷覆铜基板的结构示意图,其中1为AlN陶瓷基板,2为活性金属焊料层,3为铜箔层。
具体实施方式
现详细说明本发明的多种示例性实施方式,该详细说明不应认为是对本发明的限制,而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式,并非用于限制本发明。
另外,对于本发明中的数值范围,应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值,以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
除非另有说明,否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料,但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等,均为开放性的用语,即意指包含但不限于。
实施例1
AlN陶瓷覆铜基板的制备:
S1、原料的准备
准备厚度为0.5mm的AlN陶瓷基板、由Ag-Cu-Ti组成的中温活性金属焊料、厚度为0.5mm的Cu-OFE。
S2、在AlN陶瓷基板上做活性金属钎焊层
用丝网印刷的方式将活性金属钎焊料涂覆在AlN陶瓷基板上,厚度为50μm。
S3、在活性金属钎焊层上面贴铜箔
将铜箔与陶瓷板对齐贴合到涂覆的活性金属焊料层上。
S4、预键合
将贴合铜箔的AlN陶瓷基板在邦定机上先抽真空,真空度为-95KPa,然后在真空环境下于450℃温度0.6MPa压力条件下热压20min,得到预键合的AlN陶瓷覆铜板。
S5、二次键合
预键合后的AlN陶瓷覆铜板在真空钎焊炉中以900℃,真空度为10-3Pa的条件进行二次键合,二次键合时间为80min,冷却后即得AlN陶瓷覆铜基板。
实施例2
AlN陶瓷覆铜基板的制备:
S1、原料的准备
准备厚度为0.25mm的AlN陶瓷基板、由Ag-Cu-Ti组成的中温活性金属焊料、厚度为0.1mm的Cu-OFE。
S2、在AlN陶瓷基板上做活性金属钎焊层
用丝网印刷的方式将活性金属钎焊料涂覆在AlN陶瓷基板上,厚度为10μm。
S3、在活性金属钎焊层上面贴铜箔
将铜箔与陶瓷板对齐贴合到涂覆的活性金属焊料层上。
S4、预键合
将贴合铜箔的AlN陶瓷基板在邦定机上先抽真空,真空度为-95KPa,然后在真空环境下于400℃温度0.4MPa压力条件下热压10min,得到预键合的AlN陶瓷覆铜板。
S5、二次键合
预键合后的AlN陶瓷覆铜板在真空钎焊炉中以850℃,真空度为10-3Pa的条件进行二次键合,二次键合时间为20min,冷却后即得AlN陶瓷覆铜基板。
实施例3
AlN陶瓷覆铜基板的制备:
S1、原料的准备
准备厚度为1mm的AlN陶瓷基板、由Ag-Cu-Ti组成的中温活性金属焊料、厚度为1mm的Cu-OFE。
S2、在AlN陶瓷基板上做活性金属钎焊层
用丝网印刷的方式将活性金属钎焊料涂覆在AlN陶瓷基板上,厚度为100μm。
S3、在活性金属钎焊层上面贴铜箔
将铜箔与陶瓷板对齐贴合到涂覆的活性金属焊料层上。
S4、预键合
将贴合铜箔的AlN陶瓷基板在邦定机上先抽真空,真空度为-95KPa,然后在真空环境下于500℃温度0.8MPa压力条件下热压30min,得到预键合的AlN陶瓷覆铜板。
S5、二次键合
预键合后的AlN陶瓷覆铜板在真空钎焊炉中以950℃,真空度为10-3Pa的条件进行二次键合,二次键合时间为120min,冷却后即得AlN陶瓷覆铜基板。
实施例4
AlN陶瓷覆铜基板的制备:
S1、原料的准备
准备厚度为1mm的AlN陶瓷基板、由Ag-Cu-Ti组成的中温活性金属焊料、厚度为0.5mm的Cu-OFE。
S2、在AlN陶瓷基板上做活性金属钎焊层
用丝网印刷的方式将活性金属钎焊料涂覆在AlN陶瓷基板上,厚度为70μm。
S3、在活性金属钎焊层上面贴铜箔
将铜箔与陶瓷板对齐贴合到涂覆的活性金属焊料层上。
S4、预键合
将贴合铜箔的AlN陶瓷基板在邦定机上先抽真空,真空度为-95KPa,然后在真空环境下于450℃温度0.6MPa压力条件下热压20min,得到预键合的AlN陶瓷覆铜板。
S5、二次键合
预键合后的AlN陶瓷覆铜板在真空钎焊炉中以900℃条件进行二次键合,二次键合时间为80min,冷却后即得AlN陶瓷覆铜基板。
对比例1
传统AMB钎焊工艺制备AlN陶瓷覆铜基板:
S1、原料的准备
准备AlN陶瓷基板、活性金属焊料、Cu-OFE等原材料。
S2、在AlN陶瓷基板上做活性金属钎焊层
用丝网印刷的方式涂覆一层活性金属钎焊料。
S3、在活性金属钎焊层上面贴铜箔
将铜箔与陶瓷板对齐贴合到涂覆的活性金属焊料层上固定好。
S4、钎焊
放入真空钎焊炉中进行钎焊,冷却后即得AlN陶瓷覆铜基板。
其中,对比例与实施例1相比减少预键合工序,贴合好铜箔后直接进行实施例1中的二次键合工序,其他工艺参数与实施例1相同。
试验例
1、对于实施例1-4以及对比例1制备得到的AlN陶瓷覆铜基板进行强度剥离测试,结果如下表1所示:
表1
剥离强度越高,AlN陶瓷覆铜基板的虚焊、空洞等缺陷越少,由表1数据可以看出,本发明实施例1-4的平均剥离强度明显高于对比例1,可见,本发明实施例1-4制备方法能够有效减少AlN陶瓷覆铜基板的空洞和虚焊等缺陷,使得铜箔与AlN陶瓷基板结合的更牢靠,能够有效提升AlN陶瓷覆铜基板的可靠度。
2、对于实施例1-4以及对比例制备得到的AlN陶瓷覆铜基板进行热冲击性能测试,热冲击温度条件为:-55℃~+150℃,每次循环保温15min,转换时间15s,测试结果如表2所示:
表2
实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 实施例4 | 对比例1 | |
热冲击性能 | ≥2000 | ≥1500 | ≥1500 | ≥2000 | ≥1000 |
热冲击性能和剥离强度的好坏,是贴合好坏的外在表现,由表2数据可以看出,通过实施例1-4制备得到的AlN陶瓷覆铜基板热冲击性能优于对比例1,表明通过二次键合工艺,提升了AlN陶瓷覆铜基板的可靠度。
以上,仅为本申请较佳的具体实施方式,但本申请的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此,本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种AlN陶瓷覆铜基板的制备方法,其特征在于,包括:
在AlN陶瓷基板上涂覆活性金属钎焊层并在上面贴合铜箔,经预键合、二次键合制备得到AlN陶瓷覆铜基板。
2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述AlN陶瓷基板的厚度为0.25mm~1mm;所述活性金属钎焊层是由Ag-Cu-Ti组成的中温活性金属焊料构成,厚度为10~100μm;铜箔为Cu-OFE,厚度为0.1mm-1mm。
3.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述涂覆活性金属钎焊层的具体操作为:用丝网印刷的方式将活性金属钎焊料涂覆在AlN陶瓷基板上;
所述贴合铜箔的方法为:将铜箔与陶瓷板对齐贴合到涂覆的活性金属焊料层上。
4.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述预键合的方法为:将贴合铜箔的AlN陶瓷基板在邦定机上先抽真空,然后在真空环境下热压,得到预键合的AlN陶瓷覆铜板。
5.根据权利要求4所述的制备方法,其特征在于,所述抽真空的真空度为-95KPa;所述热压的温度为400-500℃,压力为0.4-0.8MPa,时间为10-30min。
6.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述二次键合的方法为:预键合的AlN陶瓷覆铜板在真空钎焊炉中保温时间为20-120min。
7.根据权利要求6所述的制备方法,其特征在于,所述真空钎焊炉的真空度为10-3Pa,温度为850℃-950℃。
8.一种如权利要求1-7任一项所述的制备方法制得的AlN陶瓷覆铜基板。
9.一种如权利要求8所述的AlN陶瓷覆铜基板在航空航天及半导体领域中的应用。
10.一种提高AlN陶瓷覆铜基板可靠性的方法,其特征在于,包括:在AlN陶瓷基板上涂覆活性金属钎焊层并在上面贴合铜箔,经预键合、二次键合制备得到AlN陶瓷覆铜基板。
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