一种陶瓷覆铜基板的制备方法技术

本发明专利技术于半导体材料领域，公开了一种陶瓷覆铜基板的制备方法

【技术实现步骤摘要】
一种陶瓷覆铜基板的制备方法


[0001]本专利技术属于半导体材料领域，本专利技术具体涉及一种陶瓷覆铜基板的制备方法
。

技术介绍

[0002]陶瓷覆铜基板是将高导电无氧铜在高温下直接键合到陶瓷表面而形成的一种复合金属陶瓷基板，它既有陶瓷的高导热性
、
高电绝缘性
、
高机械强度
、
低膨胀等特性，又兼具无氧铜金属的高导电性和优异的焊接性能，并且能够在其表面刻蚀出各种图形，是电力电子领域功率模块封装连接芯片与散热衬底的关键材料之一
。
[0003]传统的直接覆铜
(DBC)
技术，是指在含氧的氮气中
1063℃
左右的高温下加热，在陶瓷表面直接焊接上一层铜箔
。
但由于氮化硅基板与无氧铜表面润湿性差，并且在高温下，由于氧气的存在两者会反应产生
N2，在氮化硅陶瓷与无氧铜的界面处易存在小气泡导致铜层鼓包，最终得到的氮化硅陶瓷覆铜基板表面空洞率较高
、
结合强度较差
。
哈尔滨工业大学1在
2021
年在真空环境
(5
×
10
‑3Pa)
下，施加
2MPa
‑
5 MPa
的单轴压力下加热到
805℃
保温
30
分钟的条件下，研究了氮化硅陶瓷和铜直接粘合，结果氮化硅陶瓷与铜脱离键合并且在结合界面处出现了明显的裂纹，所以不能直接应用
。
[0004]参考文献：
[0005]1.Song Yanyu,et al."Fabrication of Si3N4/Cu direct
‑
bonded heterogeneous interface assistedby laser irradiation."Journal of Materials Science&Technology 99.(2022).doi:10.1016/J.JMST.2021.05.032.

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于克服上述现有技术中存在的问题，提供一种陶瓷覆铜基板及其制备方法，首先对氮化硅陶瓷和铜片进行真空包套的前处理后，再放入热等静压炉烧结而成
。
所述方法相较于传统的陶瓷直接覆铜技术，包套处理并限定具体的升温条件和速率保证最终所得氮化硅覆铜陶瓷基板内部均匀且结合紧密
。
且本专利技术的方法温度较现有技术的温度更低且稳定性好
。
[0007]本专利技术的上述目的是通过以下技术方案实现的：
[0008]一种陶瓷覆铜基板的制备方法，包括以下步骤：
[0009](1)
将经过超声清洗后的陶瓷
、
金属片，按照钛片
、
金属
、
陶瓷
、
金属
、
钛片的顺序依次放入包套模具中；
[0010](2)
使用无尘纸蘸取无水乙醇擦拭放电等离子烧结炉的整个炉膛，将步骤
(1)
中的包套模具，放入放电等离子烧结炉中抽真空并升温到
700
‑
750℃
保温
0.5h
后以
10
‑
30℃/min
的速率降至室温；
[0011](3)
待步骤
(2)
的包套达到高度真空状态后取出，得到内部高真空状态的待焊件，将高真空状态的待焊件放入热等静压烧结炉中升温至
700
‑
750℃
，并施加
150
‑
200Mpa
的压力，保温
0.5h
；
[0012](4)
待步骤
(3)
中热等静压处理后，取出包套样品，沿包套样品的边缘剪开，即可得到一种陶瓷覆铜基板
。
[0013]进一步的，步骤
(1)
中的包套材料为钛片
。
[0014]进一步的，步骤
(2)
中的升温速率为
20
‑
25℃/min
，优选的升温速率为
20℃/min。
[0015]步骤
(3)
中的升温速率为
20
‑
30℃/min
，优选的升温速率
20℃/min。
[0016]进一步的，步骤
(2)
中真空度需达
1.0x10
‑3～
1.0x10
‑2，优选的真空度为
1.0x10
‑3。
[0017]进一步的，陶瓷为氮化硅陶瓷，金属为无氧铜
。
[0018]本专利技术与现有技术相比的有益效果是：
[0019]本专利技术中，对氮化硅陶瓷和无氧铜片首先进行包套处理，起到隔绝氧气的作用，将包套样品放入放电等离子烧结炉抽真空至
1.0x10
‑3并加热到
700
‑
750℃
，得到密封且内部为高度真空状态的包套样品；最后放入热等静压炉中施加
150
‑
200Mpa
的均匀压力及
700
‑
750℃
，保证了氮化硅陶瓷基板内部组织均匀且结合紧密
。
[0020]传统的直接覆铜
(DBC)
技术需要在上千温度下才能使陶瓷与铜结合，但由于金属与陶瓷之间的润湿性较差，陶瓷与铜结合界面易形成空洞以及制备的陶瓷基板不稳定放置一段时间后易开裂
。2021
年哈尔滨工业大学在真空环境5×
10
‑3Pa
下，施加
2MPa
‑
5 MPa
的单轴压力下加热到
805℃
所制得的氮化硅陶瓷直接覆铜基板，氮化硅陶瓷与铜脱离键合并且在结合界面处出现了明显的裂纹
。
[0021]目前想要使用一种简单的方法实现陶瓷与铜结合并且结合紧密是很困难的，也是该领域里较难克服的一个问题
。
然而本专利技术所制得陶瓷直接覆铜基板，陶瓷与铜片之间互相扩散形成约2μ
m
厚的过渡层，通过陶瓷
‑
金属截面的
SEM
图
(
图
2)
可以看出氮化硅陶瓷与铜结合紧密
、
空洞率较低，并且经热循环
100
次测试后，本专利技术所制得的氮化硅陶瓷直接覆铜基板仍未开裂
。
附图说明
[0022]图1为包套顺序示意图
。
[0023]图2为陶瓷
‑
金属截面的
SEM
图
。
[0024]图3为陶瓷基板横截面线扫能谱图
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种陶瓷覆铜基板的制备方法，其特征是，包括以下步骤：
(1)
将经过超声清洗后的陶瓷
、
金属片，按照钛片
、
金属
、
陶瓷
、
金属
、
钛片的顺序依次放入包套模具中；
(2)
使用无尘纸蘸取无水乙醇擦拭放电等离子烧结炉的整个炉膛，将步骤
(1)
中的包套模具，放入放电等离子烧结炉中抽真空并升温到
700
‑
750℃
保温
0.5h
后以
10
‑
30℃/min
的速率降至室温；
(3)
待步骤
(2)
的包套达到高度真空状态后取出，得到内部高真空状态的待焊件，将高真空状态的待焊件放入热等静压烧结炉中升温至
700
‑
750℃
，并施加
150
‑
200Mpa
的压力，保温

【专利技术属性】
技术研发人员：王兴安，罗凌，韩霜，孙旭东，吕卉，任培，柏小龙，孙晶，李彦钊，惠宇，刘旭东，那兆霖，
申请(专利权)人：大连大学，
类型：发明
国别省市：