[發明專利]一種納米銀漿提高陶瓷覆銅板可靠性的方法

有效

• 申請號: 201810445499.5
• 申請日: 2018-05-11
• 公開（公告）號: CN108520855B
• 公開（公告）日: 2020-09-11
• 發明（設計）人: 張珊珊;楊會生;高克瑋;顏魯春;龐曉露;楊理航;萬曉玲;靳衛超
• 申請（專利權）人: 北京科技大學
• 主分類號: H01L21/02
• 分類號: H01L21/02
• 代理公司: 北京金智普華知識產權代理有限公司 11401
• 代理人: 皋吉甫

本發明公一種納米銀漿提高陶瓷覆銅板可靠性的方法，包括以下步驟：（1）將陶瓷基片進行清洗（2）依次在陶瓷上下表面采用真空磁控濺射或離子鍍Ti、Zr、Hf或Cr金屬層，Cu金屬層，并化學鍍銀；（3）在沉積了金屬層的陶瓷基板兩側涂覆納米銀焊膏層，和化學鍍銀銅箔裝卡后在真空爐中進行燒結。由于采用上述技術方案，本發明方法利用納米銀漿使陶瓷基板實現厚銅連接，銀粉粒度達到納米級別，其表面效應會使納米銀漿的熔點遠低于與銀塊體材料。與現有Ag?Cu合金真空釬焊工藝相比，本發明可實現低溫下燒結后，可以在低于銀的熔點以下高溫使用，燒結后形成的微孔結構對緩解陶瓷基板由于熱脹系數不匹配造成的熱應力有重要作用。

技術領域

本發明屬于覆銅基板制造技術領域，具體涉及高壓大功率用高可靠性陶瓷金屬可靠性連接方法。

背景技術

高壓大功率模塊所產生的熱量主要是通過陶瓷覆銅板傳導到外殼而散發到外界，因此陶瓷覆銅板是電力電子領域功率模塊封裝的不可或缺的關鍵基礎材料。目前半導體器件的最高允許工作溫度不僅取決于半導體材料的性質，還受封裝技術的限制，陶瓷覆銅板是指在陶瓷表面進行金屬化的特殊工藝板。但由于陶瓷和金屬之間存在較大的熱膨脹系數差異，冷卻過程和使用過程中會產生較大的應力而產生微裂紋，并且一般的金屬對陶瓷潤濕性較差，達不到連接要求從而影響了基板的使用的效果。傳統銀漿厚膜金屬化采用玻璃相作為粘結劑，玻璃粉在陶瓷表面金屬化層中的作用有兩個方面：第一，主要是金屬對于陶瓷的潤濕性較差，添加玻璃成分的存在可以提高金屬在陶瓷表面的潤濕性能；第二，玻璃粉熔融后可以充當粘結劑的作用，將銀粉粘結，并能夠降低燒結溫度，作為助燒劑。但是玻璃相會增加熱阻，且在玻璃相和氮基陶瓷反應的過程中會產生氮氣，使得界面產生氣泡，降低金屬化的結合強度和使用可靠性。目前廣泛應用的高壓大功率陶瓷覆銅板主要采用活性金屬釬焊法。此方法線路刻蝕過程復雜，且焊接殘余應力較大。納米材料及納米技術作為21世紀最有前途的研究方向之一，其在焊接領域的應用才剛剛起步，將會使傳統的焊接技術發生質的飛躍。

目前陶瓷基板存在焊接殘余應力較大且在使用過程中極易產生裂紋失效開裂，從而影響整個功率模塊的使用可靠性。傳統的純銀焊料存在著釬焊溫度高，高溫強度低等特點，本發明采用真空磁控濺射或離子鍍等工藝方法鍍制預金屬化層，采用不含玻璃相的納米銀焊膏燒結工藝，使銀漿納米銀焊膏作為中間連接層，含銀量約為80%-85%，不含鉛、鎘等有毒元素，具有附著力強、耐焊性和抗老化性能良好、導電性能好等特點。當材料顆粒達到納米級時，其具有很高的表面活性和表面能，這使得納米顆粒的熔點或者說燒結溫度遠低于塊體材料，燒結后形成的材料具有和塊體材料相似的熔點和性能，且燒結后得到含有納米級微孔結構的中間層，這種微孔結構對于緩解界面熱錯配應力起著關鍵性的作用，并且可以得到界面結合強度良好的界面。

發明內容

本發明的目的是提供一種納米銀漿提高陶瓷覆銅板可靠性的方法，采用真空磁控濺射或離子鍍預金屬化和化學鍍銀層，其中預鍍銅層用以保護活性金屬層不被氧化，樣品易于存儲，化學鍍銀層可以提高納米銀焊膏對基板的，增強界面結合強度，同時由于納米銀焊膏的微孔結構起到緩解應力的作用。制備的陶瓷覆銅板具有承載電流大導熱性能好，以及高的結合強度和高的耐熱循環能力。

本發明的技術方案是：一種納米銀漿提高陶瓷覆銅板可靠性的方法，具體工藝步驟如下：

（1）將陶瓷基片和金屬銅片在有機溶劑中進行超聲波清洗20-30min，去除陶瓷基片表面粘附的油漬污垢，然后進行100-200℃干燥1-5h，使陶瓷基片表面的有機物和水份充分揮發，并對陶瓷基片表面進行離子轟擊，使陶瓷基片表面達到原子級清潔；

（2）采用真空磁控濺射或離子鍍的方法在步驟（1）中清潔過的氮化鋁陶瓷基片表面依次沉積Ti、Zr、Hf或Cr金屬層和Cu金屬層，并電鍍銀層，得到預金屬化的氮化鋁陶瓷基片；

對金屬銅片進行酸洗，去除表面氧化物膜，得到具有新鮮表面的金屬銅片并化學鍍銀層；