一文了解AlN陶瓷表面金屬化技術

最新 01-12

AlN陶瓷具有優異的熱傳導性、高溫絕緣性、低介電常數以及與Si相近的熱膨脹係數等性能，其作為基片材料，廣泛應用於航空、航天及其它智能功率系統，被認為是新一代高集程度半導體基片和電子器件封裝的理想材料，受到了國內外廣泛重視。AlN作為基片材料用於微電子系統封裝中，在其表面進行金屬化是非常必要的。下面小編就AlN陶瓷表面金屬化技術進行簡要介紹。

一、AlN陶瓷表面金屬化技術

目前，AlN陶瓷金屬化的方法主要有薄膜法、厚膜法、直接敷銅法、化學鍍法等。

1、薄膜法

薄膜法是採用真空蒸鍍、離子鍍、濺射鍍膜等真空鍍膜法將膜材料和AlN陶瓷表面結合在一起。在AlN陶瓷表面金屬化過程中，金屬膜層與陶瓷基板的熱膨脹係數應盡量一致，以提高金屬膜層的附著力。AlN陶瓷薄膜金屬化主要是依靠固態置換反應使金屬層和陶瓷基片連接在一起，對於Ti、Zr等活性金屬，其反應吉布斯自由能為負值，反應容易實現。目前，研究最多的是Ti漿料系統，Ti層一般為幾十納米，對於多層薄膜，則在Ti層上沉積Ag、Pt、Ni、Cu等金屬後進行熱處理。

AlN陶瓷基片材料

薄膜法優點是：金屬層均勻，結合強度高。

缺點是：設備投資大，製作困難，難以形成工業化規模。

2、直接敷銅法

直接敷銅法是在AlN基片上，通過Cu-O共晶液相與Al2O3發生化學鍵合反應而實現的。在製備AlN-DBC基板之前，必須對AlN陶瓷表面進行熱處理，以使其表面形成Al2O3薄層，然後將銅箔貼於基板上，在1065℃左右形成Cu-O系共晶溶液，與Al2O3薄層發生鍵合反應，從而使AlN和Cu結合在一起。直接敷銅法工藝過程中，要嚴格控制銅箔和AlN陶瓷基片預氧化的溫度、氣氛和時間，以使銅氧化生成Cu2O，在界區與Al2O3反應，提高AlN和Cu的結合強度。

氮化鋁表面金屬化-直接敷銅法工藝流程示意圖

直接敷銅法-AlN陶瓷基片材料

直接敷銅法優點是：結合溫度低（1065～1075℃），導熱性好，附著強度高，機械性能優良，便於刻蝕，絕緣性及熱循環能力高，有著廣闊的應用前景。

缺點是：AlN陶瓷進行表面熱處理形成的氧化物層會降低AlN基板的熱導率。

3、厚膜法

厚膜金屬化技術一般採用含玻璃料的糊劑或印色，在陶瓷基板上通過絲網印刷形成封接用金屬層、導體(電路布線)及電阻等，經燒結形成釺焊金屬層、電路及引線接點等。AlN陶瓷厚膜金屬化技術過程中，導體漿料起著至關重要的作用，厚膜漿料一般由粒度為1-5μm的金屬粉末組成。目前，研究者採用Cu-Ag合金摻雜Ti作為金屬化系統，以磷酸二丁酯（DBP）作有機載體，用絲網印刷工藝對AlN陶瓷表面進行金屬化處理。

厚膜法優點是：工藝簡單，適於自動化和多品種小批量生產，且導電性能好。

缺點是：結合強度尚不夠高，特別是高溫結合強度低，且受溫度影響大。

4、化學鍍法

化學鍍法是指在沒有外電流通過，利用還原劑將溶液中的金屬離子還原在呈催化活性的物體表面，使之形成金屬鍍層。化學鍍法金屬化機理主要是機械聯鎖結合，結合強度很大程度上依賴於基體表面的粗糙度，在一定範圍內，基體表面的粗糙度越大，結合強度越高。在AlN陶瓷表面化學鍍Ni-P合金，先將AlN基片用超聲波清洗，去除表面雜質，置於NaOH溶液中腐蝕，再置於含鎳鹽的鍍液中進行化學鍍。

化學鍍優點是：設備簡單，成本低廉，無需二次高溫處理，易於大規模生產。

缺點是：AlN陶瓷表面與金屬層結合強度不高。

二、AlN陶瓷應用

1、氮化鋁陶瓷基片具有熱導率高、膨脹係數低、強度高、耐高溫、耐化學腐蝕及介電損耗小等優點，是理想的大規模集成電路散熱基板和封裝材料。