[發明專利]功率器件模塊封裝用高導熱氮化硅陶瓷基板與銅的連接方法

在審

• 申請號: 202010146105.3
• 申請日: 2020-03-05
• 公開（公告）號: CN111341666A
• 公開（公告）日: 2020-06-26
• 發明（設計）人: 劉多;宋延宇;胡勝鵬;宋曉國;曹健;馮吉才
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學（威海）
• 主分類號: H01L21/48
• 分類號: H01L21/48
• 代理公司: 北京怡豐知識產權代理有限公司 11293
• 代理人: 于振強

本發明提供一種功率器件模塊封裝用高導熱氮化硅陶瓷基板與銅的連接方法，包括將高導熱氮化硅陶瓷封裝基板和銅置于酒精中清洗，然后采用砂紙對高導熱氮化硅陶瓷封裝基板和銅逐級打磨，最后采用拋光液對高導熱氮化硅陶瓷封裝基板和銅逐級拋光，在真空狀態下，對待鍵合的高導熱氮化硅陶瓷封裝基板和銅表面進行離子轟擊表面活化處理，在真空狀態下將高導熱氮化硅陶瓷封裝基板與銅活化表面相互貼合，對連接結構施壓和加熱，從而實現高導熱氮化硅陶瓷基板與銅的連接等步驟。其解決了現有高導熱氮化硅陶瓷與銅的連接方法存在的連接界面處形成微米級厚度的反應層，阻礙熱量的傳遞的技術問題。該方法可廣泛應用于高導熱氮化硅陶瓷基板與銅的連接。

技術領域

本發明涉及功率器件封裝基板領域，具體涉及一種功率器件模塊封裝用高導熱氮化硅陶瓷基板與銅的連接方法。

背景技術

近年來，半導體器件沿著大功率化、高頻化、集成化的方向迅猛發展，高的功率和使用環境對封裝材料也提出了更高的要求。而半導體功率器件工作產生的熱量是引起整個半導體器件失效的關鍵因素，而絕緣陶瓷基板的導熱性又是影響整體半導體器件散熱的關鍵。此外，如在電動汽車和電力機車等領域，半導體器件在使用過程中往往要面臨顛簸、震動等特殊的力學環境，對基板材料的力學可靠性提出了嚴苛的要求。

當前氧化鋁和氮化鋁陶瓷基板具有較低的斷裂韌性，可靠性問題嚴重限制了氧化鋁和氮化鋁基板的性能，因此尋找具有高導熱性和高可靠性基板材料成為了高功率器件基板材料的關鍵。高導熱氮化硅陶瓷基板是綜合性能最好的結構陶瓷材料，優良的力學性能和良好的高導熱潛質使氮化硅陶瓷有望彌補現有氧化鋁和氮化鋁等基板材料的不足，在高端半導體器件，特別是大功率半導體器件基片的應用方面極具市場前景。

現有已應用的功率器件模塊封裝用基板主要采用活性金屬釬焊工藝(AMB)實現高導熱氮化硅陶瓷與銅的連接，這種方法需要在釬料中加入活性元素在較高的溫度下以實現釬料與陶瓷的冶金結合，一方面焊后會在連接界面處形成微米級厚度的反應層，阻礙熱量的傳遞；另一方面氮化硅陶瓷與銅的熱膨脹系數差異較大，高溫釬焊勢必會引入因熱失配帶來的應力問題，造成連接界面和基板內部破壞。

發明內容

本發明就是針對現有已應用的功率器件模塊封裝用基板主要采用活性金屬釬焊工藝(AMB)實現高導熱氮化硅陶瓷與銅的連接，需要在釬料中加入活性元素在較高的溫度下以實現釬料與陶瓷的冶金結合，一方面焊后會在連接界面處形成微米級厚度的反應層，阻礙熱量的傳遞的技術問題；另一方面氮化硅陶瓷與銅的熱膨脹系數差異較大，高溫釬焊勢必會引入因熱失配帶來的應力問題，造成連接界面和基板內部破壞的技術問題，提供一種功率器件模塊封裝用高導熱氮化硅陶瓷基板與銅的連接方法，該方法通過離子轟擊表面活化處理實現高導熱氮化硅陶瓷基板與銅的低溫直接鍵合，獲得具有高散熱性和高可靠性的功率模塊封裝用基板。

為此，本發明所采取的技術方案是，一種功率器件模塊封裝用高導熱氮化硅陶瓷基板與銅的連接方法，包括以下步驟：

(1)將高導熱氮化硅陶瓷封裝基板和銅置于酒精中清洗10-20min，然后分別采用400#、800#、1200#、2000#、3000#的砂紙對高導熱氮化硅陶瓷封裝基板和銅逐級打磨，最后分別采用1.5μm、1μm、0.5μm、0.1μm、0.05μm、0.02μm的拋光液對高導熱氮化硅陶瓷封裝基板和銅逐級拋光；

(2)將步驟(1)中處理后的高導熱氮化硅陶瓷封裝基板和銅放置在真空清洗室中，在真空狀態下，對待鍵合的高導熱氮化硅陶瓷封裝基板和銅表面進行離子轟擊表面活化處理；

(3)采用真空互聯系統的樣品運送架將步驟(2)中得到的表面活化的高導熱氮化硅陶瓷封裝基板和銅傳送到真空連接室中，在真空狀態下將高導熱氮化硅陶瓷封裝基板與銅活化表面相互貼合，對連接結構施壓和加熱，從而實現高導熱氮化硅陶瓷基板與銅的連接。

優選地，步驟(1)中選用的高導熱氮化硅陶瓷封裝基板，其熱導率為70W/(m·K)-100W/(m·K)。