[發明專利]一種相對介電系數可調氮化鋁涂層的制備方法

有效

• 申請號: 201610399691.6
• 申請日: 2016-06-07
• 公開（公告）號: CN105803407B
• 公開（公告）日: 2018-04-10
• 發明（設計）人: 王周成;吳正濤;張東方;魏斌斌
• 申請（專利權）人: 廈門大學
• 主分類號: C23C14/34
• 分類號: C23C14/34;C23C14/06;C23C14/16
• 代理公司: 廈門南強之路專利事務所(普通合伙)35200
• 代理人: 馬應森

技術領域

本發明涉及銅-碳合金表面處理，尤其是涉及一種在銅-碳合金基體表面制備相對介電系數可調AlN涂層的方法。

背景技術

在集成電路領域，由于集成度迅猛增加，導致芯片發熱量急劇上升，使得芯片壽命迅速下降，其原因是因為在微電子集成電路以及大功率整流器件中，材料之間散熱性能不佳而導致的熱疲勞，以及熱膨脹系數不匹配而引起的熱應力造成的，因此要求封裝材料必須滿足散熱優異、與硅材料熱膨脹系數匹配等要求[1]。解決該問題的關鍵是進行合理的封裝。從目前電子封裝技術發展趨勢來看，單一基體的各種封裝材料無法滿足各方面性能的綜合要求，而金屬基復合材料可以滿足如上的要求。金屬基復合封裝材料具有較高的機械強度、散熱性能優良等優點。其中Cu基復合材料被廣泛地應用于熱沉材料及電觸頭材料。此外，金屬基復合封裝材料尤其適于現代化高速發展的功率HIC、微波毫米波MMIC、MCM和大電流功率模塊的功率封裝及作為散熱片應用[2]。

由于電子封裝對基座的絕緣要求，因此在使用銅-碳合金材料的同時，需要開發相應的絕緣材料，在保持基材良好的散熱基礎上，還需要起到絕緣作用。在高頻電路中,信號傳輸速度可以表示為：

其中，V為信號闡述速度，c為真空中光速，ε_r為基板介電系數。可以看出，基板介電常數越低，信號傳播得越快，因此要得到高的信號傳輸速率，就必須研究開發低介電常數的基板材料。介電常數除了直接影響信號的傳輸速度以外，還在很大程度上決定特性阻抗，它可以表示為：

其中，Z₀為印制導線的特性阻抗，ε_r為基板介電系數，h為印制導線與基準面之間的介質厚度，w為印制導線的寬度，t為印制導線的厚度。可以看出，影響特性阻抗的主要因素是：基板的介電常數ε_r、介質厚度h、導線寬度w以及導線厚度t。基板介電常數越小，特性阻抗就越大。因此，在高速電路中需要高的特性阻抗值，必須研究開發低介電常數的材料以實現信號的高速傳輸并降低信號損耗。同時為了實現高速數字電路PCB中的阻抗連續穩定，要求基板材料有穩定的介電常數。

AlN材料由于其優異的電絕緣及導熱性能，被認為是替代現有SiO₂的理想柵極絕緣材料，并廣泛應用于高溫高功率半導體器件絕緣層[3]。對于AlN絕緣層而言，其AlN絕緣層的制備方法很多，如磁控濺射、反應蒸發、分子束外延、脈沖激光沉積等物理氣相沉積方法及化學氣相沉積方法。相比較而言，反應蒸發、分子束外延、脈沖激光沉積，這些方法膜層沉積速度較慢，膜基結合欠佳，化學氣相沉積也存在速率較慢問題，且設備復雜，反應氣體一般有毒性及污染性。而磁控濺射具有使用靈活，使用范圍廣，膜層純度高，沉積速率快，基體涂覆性好，以及膜層致密度高、均勻性好、膜基結合力強、膜層平整性好等特點。在電子封裝材料領域，反應磁控濺射制備AlN薄膜成為近年來的研究熱點。Randolph在1996年使用磁控濺射方法，在1:1的N₂：Ar環境中濺射Al靶，產生Al原子或原子團與N原子化合形成AlN涂層，涂層介電強度可達到幾兆伏/厘米。Wolborski使用PVD方法制備出AlN薄膜的相對介電系數為8.8[4]。Marauska等使用PVD方法制備出較低介電損耗角正切的AlN薄膜[5]。需要指出的是以上研究報道制備出的AlN介電涂層其相對介電系數約為10，對于頻段不同的電子器件而言其適用能力有限。如何在保持AlN優良絕緣性能的基礎上，根據電子器件工作頻率調節AlN涂層的介電系數，最大化實現信號的傳輸以及將信號損失減小到最低程度，成為研究的重點與難點。

參考文獻：

[1]G.R.Blackwell.The electronic packaging handbook,CRC Press,2002.

[2]T.Schubert,B.Trindade,T.B.Kieback.Materials Science and Engineering:A,475(2008)39.

[3]A.Fathimulla,A.A.Lakhani.J.Appl.Phys.,54(1983)4586.

[4]M.Wolborski,D.Rosén,A.Hallén,M.Bakowski.Thin Solid Films,515(2006)456.

[5]S.Marauska,V.Hrkac,T.Dankwort.Microsystem technologies,18(2012)787.