一种覆铜硅基板制造技术

本实用新型专利技术属于电子封装技术，涉及一种功率器件封装用覆铜硅基板。该基板在硅片上表面设有热压键合而成的芯片焊接区铜层和上电极引线区铜层，在硅片下表面设有热压键合而成的导热和应力补偿铜层，以及下电极引线区铜层，上、下电极引线铜层通过硅片内孔中的铜柱实现互连，各铜层的厚度相等，且均为由铜箔表面选择性腐蚀后在硅片表面键合制备而成的铜层。本实用新型专利技术通过在铜箔表面选择性腐蚀得到纳米多孔铜层，并以此铜层作为铜箔与硅片间的热压键合层。由于纳米尺度效应，可以在较低温度和压力下实现铜箔-硅片间的高强度键合。并且由于纳米多孔结构的存在，可有效缓解金属铜层与硅片间的热应力，提高覆铜硅基板的使用性能与可靠性，满足功率器件封装散热需求。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术属于电子封装制造技术，具体涉及一种功率器件封装用覆铜硅基板。现有技术随着三维封装技术发展和系统集成度提高，以大功率发光二极管(LED)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)、激光器(LD)为代表的功率器件制造过程中，散热基板的选用成为关键的技术环节，并直接影响到器件的使用性能与可靠性。对于电子封装而言，散热基板主要是利用其材料本身具有的高热导率，将热量从芯片导出，实现与外界的电互连与热交换。但对于功率器件封装而言，基板除具备基本的布线(电互连)功能外，还要求具有较高的导热、绝缘、耐高温、耐电压能力与热匹配性能，一般采用陶瓷覆铜基板(就是金属铜层与陶瓷片的复合结构，该结构充分利用了铜层的高导电、导热能力与陶瓷基片的绝缘、耐热、耐电压能力)。常用的陶瓷覆铜板包括厚膜烧结工艺制备的陶瓷金属化基板、高温直接键合工艺制备的覆铜陶瓷板(DBC)和直接电镀工艺制备的覆铜陶瓷板(DPC)。而常用的陶瓷基片材料则·为氧化铝、氮化铝、碳化硅和氧化铍等。其中，氧化铝的热导率较低(20-30W/mK)，氮化铝和碳化硅的价格较高，而氧化铍具有一定的毒性，并且陶瓷材料与芯片材料(一般为半导体材料)的热膨胀系数相差较大，从而一定程度上影响了陶瓷覆铜基板的使用。作为一种半导体材料，硅片具有工艺成熟、成本低、热导率高(大于120W/mK)，热膨胀系数与芯片材料相当等优点，非常适合作为散热基板的基片材料。常用的硅片表面金属化方法包括蒸发、溅射、电镀等。但蒸发和溅射工艺难以制备出厚度较大(大于I μ m)的金属膜(但散热基板的金属膜厚度一般大于ΙΟμπι),且成本极高；电镀工艺在娃片表面制备金属层，存在要溅射种子层、金属与硅片间热应力大(由于热膨胀系数差较大)等问题，难以满足散热基板要求。图I显示了硅片与常用陶瓷材料的物理性能对比。
技术实现思路
针对陶瓷基板性能的不足及硅片表面金属化存在的问题，本技术提出一种覆铜硅基板，可有效缓解金属铜与硅片间的热应力，提高覆铜硅基板的使用性能与可靠性。本技术提供的覆铜硅基板，其特征在于，在硅片上表面设有热压键合而成的芯片焊接区铜层和上电极引线区铜层，在硅片下表面设有热压键合而成的导热和应力补偿铜层，以及下电极引线区铜层，上、下电极引线铜层通过硅片内孔中的铜柱实现互连，芯片焊接区铜层、导热和应力补偿铜层、上电极引线区铜层和下电极引线区铜层的厚度相等，且均为由铜箔表面选择性腐蚀后在硅片表面键合制备而成的铜层。作为上述技术方案的改进，所述芯片焊接区铜层、导热和应力补偿铜层、上电极引线区铜层和下电极引线区铜层的厚度为ΙΟμ 至500μπ 。本技术的有益效果是通过在铜箔表面选择性腐蚀得到纳米多孔铜层，并以此铜层作为铜箔与硅片间的键合层，得到覆铜硅基板。由于纳米尺度效应，可以在较低温度(300-400°C)和压力(3. 0-20. OMPa)下实现铜箔-硅片间的高强度键合。并且由于纳米多孔结构的存在，可有效缓解金属铜与硅片间的热应力，提高覆铜硅基板的使用性能与可靠性。本技术可以满足功率器件(如大功率LED、IGBT、LD等)封装散热需求。具体而目，本技术制备的覆铜娃基板具有如下特点(I)散热性能好，铜层与硅片间附着强度高、热应力小。硅片是高热导材料(硅片热导率为120-140W/mK)，而铜的热导率达398W/mK。特别是铜层与硅片间采用低温热压键合工艺结合，界面应力小、热阻小、粘结强度高；(2)抗热冲击性能强。覆铜硅基板的热膨胀系数(CTE)由硅片所决定，而硅片的CTE与功率器件芯片(一般为半导体材料)的CTE相近，避免了封装焊接后芯片与基板间的闻热应力；(3)铜层厚度取决于铜箔厚度，可在很宽范围内(10微米至500微米)选择，满足功率器件封装导电、散热要求；(4)可焊性好。铜层表面光滑，有利于功率器件芯片贴装与打线；(5)生产成本低，覆铜硅基板采用铜箔与硅片热压键合制备，工艺简单，适合大规模生产，并满足板上芯片封装技术(COB)发展。附图说明图I为本技术覆铜硅基板截面示意图。其中I为硅片，2为硅片上表面的芯片焊接区铜层，3、3’为上、下电极引线区铜层，4硅片下表面的导热和应力补偿铜层，5为上下互连铜柱。图2为本技术实施例的工艺流程图。具体实施方式下面通过借助实施例更加详细地说明本技术，但以下实施例仅是说明性的，本技术的保护范围并不受这些实施例的限制。如图I所示，本技术提供的覆铜硅基板包括硅片1，硅片上表面的芯片焊接区铜层2，上电极引线区铜层3，硅片下表面的导热和应力补偿铜层4，下电极引线区铜层3’，以及互连铜柱5。其中，硅片上下表面铜层的厚度相同。本技术的基板由硅片、上下表面的铜层及互连铜柱组成，铜层采用铜箔电镀、选择性腐蚀、热压键合等工艺制作在硅片上，其制备工艺流程如图2所示。下面举例予以具体说明1)4寸硅片(双面不抛光)经清洗/烘干后，采用激光打孔、电镀填铜等工艺，在硅片内形成上下互连的铜柱，然后在硅片上下表面各溅射20nm钛膜(Ti )和50nm铜膜(Cu)；2)将尺寸为IOOmmX 100mm，厚度为50 μ m的电解铜箔在丙酮中超声清洗10分钟，吹干后置于镀铜锌液中电镀一层厚度为5μηι的铜锌层,去离子水(DI)冲洗、吹干；然后将该铜箔放入浓度为8%的盐酸溶液中浸泡，直至无气体产生为止，在铜箔表面得到孔径尺寸约为20nm的纳米多孔铜结构，取出后用去离子水漂洗后用氮气吹干，储存在氮气柜中备用。3)将表面含有纳米多孔铜结构的铜箔倒置在上述填铜、镀膜后的硅片上下表面(纳米多孔铜层与硅片表面TiCu膜接触)，然后一起置于热压机中的加热板上，关闭腔门；开启真空泵和加热电源，抽真空到10_2Pa，当热板温度升高到200°C以上时，施加5MPa压力；继续将热板温度升高到350°C并保温30分钟后冷却，当热板温度低于IOCTC时，卸载压力，得到双面含铜层的铜-硅-铜基板； 4)将键合完成后的铜-硅样品从键合腔内取出，采用抗蚀剂作为掩膜，图形化腐蚀铜层得到覆铜硅基板。铜箔可为电解铜箔或压延铜箔，硅片表面铜层厚度取决于铜箔厚度，可在IOum至500um内选择，以满足不同器件封装时的导电和散热要求。以上所述，仅是本技术的一种覆铜硅基板的较佳实施例而已，并非对本技术技术范围作出任何限制。如所述铜箔可为电解铜箔或压延铜箔，其厚度为ΙΟμπι至500 μ m。凡是依据本技术的技术实质对上述实施例做任何修改或等同变化、修饰，均属于本技术
技术实现思路
之范围。表I常用基片材料的物理性能本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种覆铜硅基板，其特征在于，在硅片（1）上表面设有热压键合而成的芯片焊接区铜层（2）和上电极引线区铜层（3），在硅片（1）下表面设有热压键合而成的导热和应力补偿铜层（4），以及下电极引线区铜层（3’），上、下电极引线铜层（3、3’）通过硅片（1）内孔中的铜柱（5）实现互连，芯片焊接区铜层（2）、导热和应力补偿铜层（4）、上电极引线区铜层（3）和下电极引线区铜层（3’）的厚度相等，且均为由铜箔表面选择性腐蚀后在硅片表面键合制备而成的铜层。

【技术特征摘要】
1.一种覆铜硅基板，其特征在于，在硅片(I)上表面设有热压键合而成的芯片焊接区铜层(2)和上电极引线区铜层(3)，在硅片(I)下表面设有热压键合而成的导热和应力补偿铜层(4)，以及下电极引线区铜层(3’)，上、下电极引线铜层(3、3’)通过硅片(I)内孔中的铜柱(5)实现互连，芯片焊接区铜层(2)、导热和应力补偿铜层(4)、上电极引线区铜层(3)和下...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈明祥，黄瑾，
申请(专利权)人：武汉利之达科技有限公司，
类型：实用新型
国别省市：