一种纳米金属膜模块制备方法及其基板制备方法技术

本发明专利技术提供一种纳米金属膜模块制备方法及其基板制备方法，所述纳米金属膜模块包括纳米金属辅助连接模块，基底，所述纳米金属辅助连接模块包括第一金属颗粒、第二金属颗粒；所述制备步骤包括：步骤1：采用微米级金属颗粒或微米/纳米级混合金属颗粒配置金属浆料；步骤2：将所述金属浆料印制在无粘性基底上，形成待干燥厚膜；步骤3：通过干燥形成厚膜预制件。本发明专利技术可按照需求从预制件制造商定制、更新预制件，避免了新丝网产生的浪费，具有改善热稳定性、提升散热效率、提升键合强度和改善封装可靠性的技术效果。

A preparation method of nano-metal film module and its substrate preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种纳米金属膜模块制备方法及其基板制备方法
本专利技术涉及芯片封装互连领域，更具体地涉及复合基板的制备技术。
技术介绍
在功率电子、光电通讯等半导体领域中，半导体器件在工作时往往需承载高电压、大电流、高开关速率、高工作节温度等极端条件，随着近年来功率器件的工作电压和电流记录不断刷新，以及芯片尺寸的不断减小，功率器件整体所承受的功率密度将随之急剧增加，这对芯片封装的各个部件提出了新的挑战。作为与芯片直接接触的部分，基板(substrate)起着机械支撑、导电互联、散热管理和防止击穿等多种功能，其发展与芯片性能紧密相关。传统柔性基板或金属基板已无法满足宽禁带半导体高性能要求；与之相比金属-陶瓷复合基板(metal-ceramicsubstrate)具有良好的导热性、高绝缘性、低热膨胀系数、以及高机械强度，是功率电子关键材料。其中覆铜陶瓷基板(copper-ceramicsubstrate)因结合了铜的高导电、高导热、低成本特点，以及陶瓷高介电系数、高断裂韧性等优势，在电力电子行业获得了广泛的应用。制备金属陶瓷基板主流方案目前主要有：直接覆铜工艺(DCB或DBC)和活性金属钎焊(AMB)。其中DCB工艺是利用铜和氧化铝在低氧气浓度(低于5ppm)和1065℃左右的共晶反应在界面形成共晶相而实现金属陶瓷连接的。DCB工艺相对简单，但缺点是工艺温度过高，铜与氧化铝有较大的热膨胀系数差异，使得在制备工艺和使用过程中，金属陶瓷界面处都有产生较大热应力并导致裂纹产生的风险；同时氧化铝材料的导热率、抗弯强度、断裂韧性相对较差，导致其并不适用于未来汽车电子、电动机车和智能电网的应用。AMB工艺是利用活性金属焊料在真空或保护性气氛条件下将金属和陶瓷焊接在一起的。此工艺提高了金属陶瓷连接层的强度，并且通过使用含钛的钎焊料，使得焊接铜和具有更高性能的氮化硅陶瓷成为了可能。然而由于AMB活性钎料极易氧化，使得真空条件必不可少，因而限制了其大规模生产中的应用。金属陶瓷基板(metal-ceramicsubstrate)作为与功率芯片直接接触的部分，起着机械支撑、导电互联、散热管理和防止击穿等多种功能，因而直接影响着器件的性能表现和工作寿命。覆铜陶瓷基板(copper-ceramicsubstrate)因结合了铜的高导电、高导热、低成本特点，以及陶瓷高介电系数、高断裂韧性等优势，在电力电子行业获得了广泛的应用。其中利用厚铜技术(thickfilm)制备金属陶瓷基板的工艺因其操作简易性、设计灵活性、材料节约等特点被广泛使用。现有技术一为专利公开号为US2005/0051253A的专利申请，其公开了直接涂覆有若干金属导电涂层的陶瓷基板。在这些金属涂层之间印刷陶瓷浆料从而填充金属导电涂层之间的间隙。现有技术二为专利公开号为US2004/0163555A的专利申请，其公开了具有金属导电涂层的陶瓷基板，其中额外使用陶瓷浆料填充在金属导电涂层形成的电路之间的间隙。相应的陶瓷浆料的制备，是将陶瓷粉末与有机载体混合而获得。现有技术三为专利公开号为EP3419390A1的专利申请，其公开了一种在铜箔与陶瓷之间使用导电铜浆作为连接层的键合工艺，其中使用玻璃等作为键合辅助添加剂。在烘烤过程中，有机添加剂和溶剂将会挥发，使铜浆形成致密的铜层。其中铜浆中的铜颗粒具有D50＝0.1到20um的粒径。在烧结过程中，玻璃添加剂会通过扩散或流动等方式到达金属-陶瓷界面，并润湿二者表面，从而形成键合。通过该工艺，热循环可靠性得到十倍以上的提升。然而上述覆铜基板制备工艺一方面受到工艺限制，印刷、干燥、烘烤等步骤需连续不间断进行；且厚铜基板制备单位需不断购置新的印刷丝网以满足其图案设计更新的需要，而旧的设计丝网会产生不必要的浪费。
技术实现思路
传统覆铜陶瓷基板制备工艺一方面受到工艺限制，印刷、干燥、烘烤等步骤需连续不间断进行；且厚铜基板制备单位需不断购置新的印刷丝网以满足其图案设计更新的需要，而旧的设计丝网会产生不必要的浪费。为解决上述技术问题，本专利技术提供一种纳米金属膜模块，包括：纳米金属辅助连接模块，基底，所述纳米金属辅助连接模块包括第一金属颗粒、第二金属颗粒，所述第一金属颗粒与所述第二金属颗粒直径不同。优选的，所述第一金属颗粒直径为0.1um～100μm；所述第二金属颗粒直径为0.5nm～100nm。优选的，所述纳米金属辅助连接模块是连续式，或，非连续式的离散排布的小块；所述纳米金属辅助连接模块具有单层、双层、三层或多层结构。优选的，所述纳米金属辅助连接模块厚度为：1微米～500微米厚度。优选的，所述纳米金属膜模块还包括连接辅助添加剂、有机载体和溶剂。优选的，所述第一金属颗粒，占有辅助模块材料的45wt.％～95wt.％；所述第二金属颗粒，占有辅助层材料的5wt.％～55wt.％；所述连接辅助添加剂占有辅助层材料的0.1wt％～9.9wt％。优选的，所述第一金属颗粒及所述第二金属颗粒材料为：包括铝、铟的三族元素，包括碳、硅、锡、铅的四族元素，包括磷、铋、锑的五族元素，包括铜、金、银的第一副族，包括钛、锆的第四副族，包括锰、钨、钼的第六副族，银钯合金、金钯合金、铜银合金、铜银镍合金、银铜钛、银铜铟、银铜锡、铝硅铜、铝硅、铝铜、铟锡；所述连接辅助添加剂包括：氧化铋、氧化硅、氧化铝、氧化钙、氧化钠、氧化铯、氧化钇、氧化锌、氧化镁、氧化硼、氧化钛组成的玻璃或陶瓷相；或/和包括：银、铜、钛、锡、铟、铅。优选的，所述第一金属颗粒及所述第二金属颗粒形状为：球型、纤维状、雪花状、片状和/或线状形状。优选的，所述基底材料与所述纳米金属辅助连接模块有微弱粘结力、或完全无粘结力。一种纳米金属膜模块的制备方法，包括：步骤1：采用微米级金属颗粒或微米/纳米级混合金属颗粒配置金属焊料的浆料；步骤2：将所述金属浆料印制在基底上，形成厚膜；步骤3：通过丝网印刷方式或激光切割方式，形成厚膜预制件；步骤4：通过防氧化喷涂或包装所述厚膜预制件。优选的，所述步骤1的配置方法为：采用机械混合的方法将第二金属颗粒混入第一膏体；所述机械混合方法为通过磁力搅拌、真空去泡，蒸发制备所述金属浆料；或，利用电场、磁场或气流给第二纳米金属颗粒赋予动能，以物理冲击方式将第二纳米金属颗粒打入所述第一膏体，填充第一膏体中第一金属颗粒之间的间隙，形成多尺寸纳米颗粒混合的金属浆料。优选的，所述基底为碳化玻璃、陶瓷、金属、或有机聚合基材。优选的，通过丝网印刷方式，所述步骤2包括：步骤2.1：根据所需离散型预制件的形状、尺寸设计印刷丝网；步骤2.2：将所述浆料通过丝网印刷方式印制在所述基底上。优选的，通过激光切割方式，所述步骤2包括：将所述浆料通过丝网印制在所述基底上；所述步骤3为：激光切割或锻压方式切割所述厚膜预制模块。优选的，所述丝网为印制非特定面积金属膜的丝网。优选的，所述步骤1的金属浆料包含第一金属颗粒、第二金属颗粒、连接辅助添加剂、有机载体和溶剂。优选的，所述步骤1还包括金属浆料预处理过程，所述金属浆料预处理过程包括：使用脱泡、搅拌、研磨方式处理所述金属浆料。优选的，所述步骤3还包括干燥过程。优选的，所述干燥过程为：干燥温度100～150℃，持续时间5～30分钟。一种使用纳米金属膜模块的基板制备方法，包括：步骤1：将所本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种纳米金属膜模块，其特征在于，包括：纳米金属辅助连接模块，基底，所述纳米金属辅助连接模块包括第一金属颗粒、第二金属颗粒，所述第一金属颗粒与所述第二金属颗粒直径不同。

【技术特征摘要】
1.一种纳米金属膜模块，其特征在于，包括：纳米金属辅助连接模块，基底，所述纳米金属辅助连接模块包括第一金属颗粒、第二金属颗粒，所述第一金属颗粒与所述第二金属颗粒直径不同。2.根据权利要求1所述纳米金属膜模块，其特征在于，所述第一金属颗粒直径为0.1μm～100μm；所述第二金属颗粒直径为0.5nm～100nm。3.根据权利要求1所述纳米金属膜模块，其特征在于，所述纳米金属辅助连接模块是连续式，或，非连续式的离散排布的小块；所述纳米金属辅助连接模块具有单层、双层、三层或多层结构。4.根据权利要求1所述纳米金属膜模块，其特征在于，所述纳米金属辅助连接模块厚度为：1μm～500μm厚度。5.根据权利要求1所述纳米金属膜模块，其特征在于，所述纳米金属膜模块还包括连接辅助添加剂、有机载体和溶剂。6.根据权利要求1所述纳米金属膜模块，其特征在于，所述第一金属颗粒，占有辅助模块材料的45wt.％～95wt.％；所述第二金属颗粒，占有辅助层材料的5wt.％～55wt.％；所述连接辅助添加剂占有辅助层材料的0.1wt％～9.9wt％。7.根据权利要求1所述纳米金属膜模块，其特征在于，所述第一金属颗粒及所述第二金属颗粒材料为：包括铝、铟的三族元素，包括碳、硅、锡、铅的四族元素，包括磷、铋、锑的五族元素，包括铜、金、银的第一副族；包括钛、锆的第四副族，包括锰、钨、钼的第六副族，银钯合金、金钯合金、铜银合金、铜银镍合金、银铜钛、银铜铟、银铜锡、铝硅铜、铝硅、铝铜、铟锡；所述连接辅助添加剂为：氧化铋、氧化硅、氧化铝、氧化钙、氧化钠、氧化铯、氧化钇、氧化锌、氧化镁、氧化硼、氧化钛组成的玻璃或陶瓷相；或/和包括：银、铜、钛、锡、铟、铅；所述基底材料为：碳化玻璃、陶瓷、金属、或有机聚合基材。8.根据权利要求1所述纳米金属膜模块，其特征在于，所述第一金属颗粒及所述第二金属颗粒形状为：球型、纤维状、雪花状、片状和/或线状形状。9.根据权利要求1所述纳米金属膜模块，其特征在于，所述基底材料与所述纳米金属辅助连接模块有微弱粘结力、或完全无粘结力。10.一种纳米金属膜模块的制备方法，其特征在于，包括：步骤1：采用微米级金属颗粒或微米/纳米级混合金属颗粒配置金属焊料的浆料；步骤2：将所述金属浆料印制在基底上，形成厚膜；步骤3：通过丝网印刷方式或激光切割方式，形成厚膜预制件；步骤4：通过防氧化喷涂或包装所述厚膜预制件。11.根据权利要求10所述纳米金属膜模块的制备方法，其特征在于，所述步骤1的配置方法为：采用机械混合的方法将第二金属颗粒混入第一膏体；所述机械混...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘旭，叶怀宇，张卫红，敖日格力，李俊，张国旗，
申请(专利权)人：深圳第三代半导体研究院，
类型：发明
国别省市：广东,44