專利名稱：一種金屬鋁基氮化鋁封裝基板及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微電子材料技術(shù)領(lǐng)域，主要應(yīng)用于大功率半導(dǎo)體芯片的封裝，特別是一種具備高絕緣性、高導(dǎo)熱性、高抗熱沖擊性的金屬鋁基氮化鋁封裝基板及其制備方法。
背景技術(shù)：
隨著半導(dǎo)體照明，動(dòng)力半導(dǎo)體電子的蓬勃發(fā)展，大功率半導(dǎo)體芯片的應(yīng)用越來越廣泛。對于大功率半導(dǎo)體芯片封裝而言，其封裝基板首先需要具備較高的抗電強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)電絕緣，同時(shí)需要具備高導(dǎo)熱性，使芯片產(chǎn)品的熱量及時(shí)傳導(dǎo)出去。如果散熱性能不佳，芯片壽命將大幅度縮短。
同時(shí)具備高導(dǎo)熱系數(shù)與高抗電強(qiáng)度的材料非常有限，陶瓷材料在該領(lǐng)域具有較明顯的優(yōu)勢。例如氮化鋁陶瓷片的熱導(dǎo)率可高達(dá)260W/m*K，抗電強(qiáng)度15ν/μπι，是一種理想的封裝基板。然而，其加工難度大，制備成本較高。
文獻(xiàn)“大功率LED的封裝及其散熱基板的研究”(李華平，中國科學(xué)院研究生院博士論文，2007年)研究了一種基于真空沉積氮化鋁薄膜的封裝基板，中國專利 “200910196566. 5”與“201010600737. 9”公開了類似基板的制備方法，該方法主要利用了氮化鋁的高絕緣性，采用真空沉積制備的氮化鋁薄膜抗電強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于燒制的氮化鋁陶瓷， 可達(dá)750V/ μ m,同時(shí)采用高導(dǎo)熱的基底材料，例如金屬材料，結(jié)合金屬的高導(dǎo)熱性與氮化鋁薄膜的高抗電性，這樣就實(shí)現(xiàn)了一種高導(dǎo)熱高絕緣的封裝基板。
基于該方法制備的大面積氮化鋁封裝基板的抗熱沖擊性能不太理想，特別是采用金屬基底的基板中，因此，不能很好地適用于芯片的后續(xù)封裝工序需要，例如無鉛回流焊， 需要滿足300°C的熱沖擊。這主要是由于氮化鋁薄膜的熱膨脹系數(shù)為5. 2X10_6/K，遠(yuǎn)小于金屬，例如鋁的熱膨脹系數(shù)23X10_6/K。熱膨脹系數(shù)的巨大差異，造成應(yīng)力的積累，最后薄膜發(fā)生破裂。在金屬與氮化鋁薄膜之間采用緩沖層，例如Cr，Ni, Ti等金屬，緩沖層一般為幾十到幾百納米，有助于提高氮化鋁薄膜與金屬基底結(jié)合強(qiáng)度，并且可以一定程度緩解氮化鋁薄膜與金屬基底熱膨脹系數(shù)差，但并不能完全解決該問題。
因此，解決金屬基底與氮化鋁薄膜之間熱膨脹系數(shù)失配問題成為這種新型封裝基板得到應(yīng)用的關(guān)鍵問題。發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種金屬鋁基氮化鋁封裝基板，其在金屬鋁基底與氮化鋁薄膜之間構(gòu)造一層緩沖層，釋放鋁與氮化鋁熱膨脹系數(shù)失配導(dǎo)致的熱應(yīng)力，從而提高該封裝基板的抗熱沖擊能力。
本發(fā)明的金屬鋁基氮化鋁封裝基板，包括一金屬鋁基底，在金屬鋁基底表面形成的多孔型陽極氧化鋁膜，和在陽極氧化鋁膜表面形成的氮化鋁薄膜，其中陽極氧化鋁膜的孔隙率由金屬鋁基底到氮化鋁薄膜方向逐漸降低?？紫堵适侵覆牧蟽?nèi)部孔隙體積占其總體積的 百分率。
該陽極氧化鋁膜為多孔型氧化鋁，其熱膨脹系數(shù)與其孔隙率、致密性有關(guān)，因此可以通過調(diào)節(jié)孔隙率、致密性來調(diào)節(jié)其熱膨脹系數(shù)。研究表明，陽極氧化鋁膜孔隙率高，薄膜疏松，熱膨脹系數(shù)大。陽極氧化鋁膜孔隙率低，薄膜致密，熱膨脹系數(shù)小。
優(yōu)選地，所述陽極氧化鋁膜的厚度為flOym。
優(yōu)選地，所述氮化鋁薄膜厚度大于O而不超過4 μ m。
優(yōu)選地，所述陽極氧化鋁膜與氮化鋁薄膜的厚度相同。優(yōu)選均為2μπι。
上述優(yōu)選的陽極氧化鋁膜和氮化鋁薄膜的厚度可以實(shí)現(xiàn)較好地過渡，比其它金屬過渡層(一般只有0.01、.1 μπι厚)熱應(yīng)力釋放更充分，兩者厚度相同為最佳。值得指出的是，在本發(fā)明的封裝基板中，主要利用的是氮化鋁薄膜的高抗電強(qiáng)度產(chǎn)生的絕緣性。由于其厚度只有幾個(gè)微米，氮化鋁薄膜的高導(dǎo)熱系數(shù)對于熱的橫向擴(kuò)散幾乎沒有意義?；谕瑯拥牡览恚m然陽極氧化鋁熱導(dǎo)率較低，但陽極氧化鋁緩沖層厚度只有幾微米，產(chǎn)生的熱阻在基板整體熱阻中的比例也極低，增加該緩沖層，對基板的熱阻影響不大。
本發(fā)明還提供了上述金屬鋁基氮化鋁封裝基板的制備方法，是以金屬鋁為基底， 在鋁金屬的一面進(jìn)行陽極氧化處理而產(chǎn)生一層多孔型的陽極氧化鋁膜，然后在陽極氧化鋁膜上通過真空沉積技術(shù)鍍氮化鋁薄膜，得到封裝基板。陽極氧化處理是一個(gè)常規(guī)工藝，過程包括機(jī)械預(yù)處理；除油、清洗和酸浸；發(fā)亮處理或者拋光；使用直流電或者交流電陽極化處理；著色或者后處理等。采用陽極氧化處理的方法，在金屬鋁基底與氮化鋁薄膜之間增加一層多孔陽極氧化鋁膜層，該膜層的熱膨脹系數(shù)由上至下遞增，同時(shí)還具備與氮化鋁薄膜可比擬的厚度，因此，能夠?qū)崿F(xiàn)熱應(yīng)力的釋放，顯著提高基板的抗熱沖擊能力。另一方面，氮化鋁薄膜生長過程中，氮化鋁會(huì)部分進(jìn)入到多孔陽極氧化鋁的納米尺度微孔中，增大氮化鋁薄膜與陽極氧化鋁膜的接觸面積，提高氮化鋁薄膜與基底的結(jié)合力。陽極氧化鋁膜的孔隙率、孔徑、疏松度會(huì)因?yàn)闇囟群碗妷旱淖兓兓?，因此可以通過控制這些條件實(shí)現(xiàn)對陽極氧化鋁膜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的調(diào)整。
優(yōu)選地，所述陽極氧化處理中的陽極氧化溫度控制采用漸變或多級(jí)梯度變化，變化范圍在_3(T4°C之間，起始溫度低，末期溫度高。
優(yōu)選地，所述陽極氧化處理中的陽極氧化電壓采用漸變或多級(jí)梯度變化，變化范圍在4(T200V之間，起始電壓高，末期電壓低。
陽極氧化初始時(shí)，在極低溫、避免燒蝕發(fā)生的情況下，盡可能提高電流密度，獲得高的氧化電壓。此時(shí)，陽極發(fā)生嚴(yán)重的氧氣析出，電流 利用率極低，實(shí)際應(yīng)用于鋁氧化過程的電流極少。陽極氧化末期，在避免燒蝕發(fā)生的情況下，提升陽極氧化溫度，降低電流密度， 實(shí)現(xiàn)低的氧化電壓。
通過控制陽極氧化的溫度與電壓，可以調(diào)節(jié)陽極氧化鋁膜的孔隙率與致密性。在低溫、高電壓工作條件下，陽極氧化鋁的孔隙率低，薄膜致密。在高溫、低電壓工作條件下， 陽極氧化鋁的孔隙率高，薄膜疏松。在陽極氧化過程中，漸變或梯度調(diào)節(jié)陽極氧化參數(shù)，使得陽極氧化鋁膜層由上至下，孔隙率逐漸上升，致密性逐漸下降；就樣就實(shí)現(xiàn)了陽極氧化鋁膜熱膨脹系數(shù)的漸變，從而起到緩沖層的效果。
真空沉積技術(shù)是已經(jīng)成熟且較為常用的鍍膜技術(shù)，包括物理氣相沉積和化學(xué)氣相沉積。其中物理氣相沉積是利用熱蒸發(fā)或輝光放電、弧光放電等物理過程，在基材表面沉積所需涂層的技術(shù)，包括真空蒸發(fā)鍍膜、離子鍍膜和濺射鍍膜。本發(fā)明中可以使用任何一種真空沉積技術(shù)進(jìn)行氮化鋁鍍膜操作。
本發(fā)明具有以下有益效果本發(fā)明的金屬鋁基氮化鋁封裝基板，通過對金屬鋁基底進(jìn)行陽極氧化處理，在鋁基底與氮化鋁薄膜之間形成一層陽極氧化鋁的緩沖層，從而顯著改善了該基板的抗熱沖擊能力，試驗(yàn)證明，該基板表面的氮化鋁薄膜在300°C熱沖擊下無開裂現(xiàn)象，能更好地應(yīng)用于半導(dǎo)體芯片封裝的后續(xù)工藝中。


圖1是本發(fā)明金屬鋁基氮化鋁封裝基板結(jié)構(gòu)示意圖，由上而下依次為氮化鋁薄膜、陽極氧化鋁膜和鋁。
圖2是圖1的局部放大圖，顯示陽極氧化鋁膜，陽極氧化鋁的孔隙率和疏松度由上至下(由氮化鋁至金屬鋁方向)上升。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，以使本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以更好地理解本發(fā)明并能予以實(shí)施，但所舉實(shí)施例不作為對本發(fā)明的限定。
實(shí)施例11.將厚度為2mm的鋁片，使用壓片機(jī)在IOMPa的壓力下對鋁片進(jìn)行均勻壓平。
2.在500°C的溫度下退火3小時(shí)，以消除鋁片內(nèi)應(yīng)力。
3.常規(guī)除蠟、除油、酸洗、堿洗、去離子水清洗。
4.電化學(xué)拋光高氯酸和無水乙醇1:4的拋光液中進(jìn)行電化學(xué)拋光2min，電流密度 10A/dm2。
5.陽極氧化電解液為O. 3mol/L的草酸，采取梯度調(diào)節(jié)陽極氧化溫度與陽極氧化電壓第一級(jí):溫度_30°C，電壓200V,時(shí)間10分鐘；第—二級(jí):溫度_15°C，電壓100V,時(shí)間10分鐘；第-三級(jí):溫度4°C，電壓40V,時(shí)間20分鐘，陽極氧化結(jié)束。陽極氧化鋁膜約為I μ m厚。
6.去尚子水清洗，120°C, 60分鐘烘干，然后，等尚子體清洗。
7.氮化鋁薄膜射頻濺射沉積條件工作壓強(qiáng)IPa，靶基距6. 5cm，基片溫度為200°C，N2/Ar=4/12，濺射時(shí)間為 30min，薄膜厚度 O. 5 μ m。
8.取樣，300°C熱沖擊試驗(yàn)，氮化鋁薄膜無開裂。
實(shí)施例21.將厚度為2mm的鋁片，使用壓片機(jī)在IOMPa的壓力下對鋁片進(jìn)行均勻壓平。
2.在500°C的溫度下退火3小時(shí)，以消除鋁片內(nèi)應(yīng)力。
3.常規(guī)除蠟、除油、酸洗、堿洗、去離子水清洗。
4.電化學(xué)拋光高氯酸和無水乙醇1:4的拋光液中進(jìn)行電化學(xué)拋光2min，電流密度 IOA/dm2。
5.陽極氧化電解液為O. 3mol/L的草酸，采取梯度調(diào)節(jié)陽極氧化溫度與陽極氧化電壓；第一級(jí)溫度_30°C，電壓200V，時(shí)間30分鐘；第二級(jí)溫度_15°C，電壓100V，時(shí)間60分鐘；第三級(jí)溫度4°C，電壓40V，時(shí)間120分鐘，陽極氧化結(jié)束。陽極氧化鋁膜約為10 μ m厚。
6.去離子水清洗，120°C，60分鐘烘干，然后，等離子體清洗。
7.氮化鋁薄膜射頻濺射沉積條件工作壓強(qiáng)IPa，靶基距6. 5cm，基片溫度為 200°C，N2/Ar=4/12，濺射時(shí)間為 200min，薄膜厚度 4 μ m。
8.取樣，300°C熱沖擊試驗(yàn)，氮化鋁薄膜無開裂。
實(shí)施例31.將厚度為2mm的鋁片，使用壓片機(jī)在IOMPa的壓力下對鋁片進(jìn)行均勻壓平。
2.在500°C的溫度下退火3小時(shí)，以消除鋁片內(nèi)應(yīng)力。
3.常規(guī)除蠟、除油、酸洗、堿洗、去離子水清洗。
4.電化學(xué)拋光高氯酸和無水乙醇1:4的拋光液中進(jìn)行電化學(xué)拋光2min，電流密度 10A/dm2。
5.陽極氧化電解液為O. 3mol/L的草酸，采取梯度調(diào)節(jié)陽極氧化溫度與陽極氧化電壓第一級(jí)溫度_30°C，電壓200V，時(shí)間10分鐘；第二級(jí)溫度_15°C，電壓100V,時(shí)間20分鐘； 第三級(jí)溫度4°C，電壓40V,時(shí)間40分鐘，陽極氧化結(jié)束。陽極氧化鋁膜約為2 μ m厚。
6.去離子水清洗，120°C，60分鐘烘干，然后，等離子體清洗。
7.氮化鋁薄膜射頻濺射沉積條件工作壓強(qiáng)IPa，靶基距6. 5cm，基片溫度為 200°C，N2/Ar=4/12，濺射時(shí)間為 lOOmin，薄膜厚度 2 μ m。
8.取樣，300°C熱沖擊試驗(yàn)，氮化鋁薄膜無開裂。
實(shí)施例41.將厚度為2mm的鋁片，使用壓片機(jī)在IOMPa的壓力下對鋁片進(jìn)行均勻壓平。
2.在500°C的溫度下退火3小時(shí)，以消除鋁片內(nèi)應(yīng)力。
3.常規(guī)除蠟、除油、酸洗、堿洗、去離子水清洗。
4.電化學(xué)拋光高氯酸和無水乙醇1:4的拋光液中進(jìn)行電化學(xué)拋光2min，電流密度 10A/dm2。
5.陽極氧化電解液為O. 3mol/L的草酸，采取漸變調(diào)節(jié)陽極氧化溫度與電壓電壓漸變200V到100V,每分鐘下降4V,時(shí)間25分鐘；100V到40V,每分鐘下降IV，時(shí)間60分鐘。
溫度漸變-30°C到_15°C，每分鐘下降O. 6°C，時(shí)間25分鐘「15。。到3°C，每分鐘下降O. 3°C，時(shí)間60分鐘。陽極氧化結(jié)束。陽極氧化鋁膜約為2μπι厚。
6.去離子水清洗，120°C度60分鐘烘干，然后，等離子體清洗。
7.氮化鋁薄膜射頻濺射沉積條件工作壓強(qiáng)IPa，靶基距6. 5cm，基片溫度為 200°C，N2/Ar=4/12，濺射時(shí)間為 lOOmin，薄膜厚度 2 μ m。
8.取樣，300°C熱沖擊試驗(yàn)，氮化鋁薄膜無開裂。
以上所述實(shí)施例僅是為充分說明本發(fā)明而所舉的較佳的實(shí)施例，本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于此。本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明基礎(chǔ)上所作的等同替代或變換，均在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。本發(fā)明的保護(hù)范圍以權(quán)利要求書為 準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種金屬鋁基氮化鋁封裝基板，其特征在于，該封裝基板包括一金屬鋁基底，在金屬鋁基底表面形成的多孔型陽極氧化鋁膜，和在陽極氧化鋁膜表面形成的氮化鋁薄膜，其中陽極氧化鋁膜的孔隙率由金屬鋁基底到氮化鋁薄膜方向逐漸降低。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬鋁基氮化鋁封裝基板，其特征在于，所述陽極氧化鋁膜的厚度為I IOii m。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬鋁基氮化鋁封裝基板，其特征在于，所述氮化鋁薄膜厚度大于0而不超過4 ii m。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬鋁基氮化鋁封裝基板，其特征在于，所述陽極氧化鋁膜與氮化鋁薄膜的厚度相同。
5.權(quán)利要求f4任一所述的金屬鋁基氮化鋁封裝基板的制備方法，其特征在于，以金屬鋁為基底，在鋁金屬的一面進(jìn)行陽極氧化處理而產(chǎn)生一層多孔型陽極氧化鋁膜，然后在陽極氧化鋁膜上通過真空沉積技術(shù)鍍氮化鋁薄膜，得到封裝基板。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的金屬鋁基氮化鋁封裝基板的制備方法，其特征在于，所述陽極氧化處理中，陽極氧化溫度控制采用漸變或多級(jí)梯度變化，變化范圍在_3(T4°C之間，起始溫度低，末期溫度聞。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的金屬鋁基氮化鋁封裝基板的制備方法，其特征在于，所述陽極氧化處理中，陽極氧化電壓采用漸變或多級(jí)梯度變化，變化范圍在4(T200V之間，起始電壓高，末期電壓低。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種金屬鋁基氮化鋁封裝基板及其制備方法，屬于微電子材料領(lǐng)域。該封裝基板包括一金屬鋁基底，在金屬鋁基底表面形成的多孔型陽極氧化鋁膜，和在陽極氧化鋁膜表面形成的氮化鋁薄膜，其中陽極氧化鋁膜的孔隙率由金屬鋁基底到氮化鋁薄膜方向逐漸降低。該封裝基板的制備方法是以金屬鋁為基底，在鋁的一面進(jìn)行陽極氧化產(chǎn)生一層多孔型陽極氧化鋁膜，然后在陽極氧化鋁膜上真空沉積氮化鋁薄膜。本發(fā)明的金屬鋁基氮化鋁封裝基板，通過對金屬鋁基底進(jìn)行陽極氧化處理，在鋁基底與氮化鋁薄膜之間形成一層熱膨脹系數(shù)漸變的陽極氧化鋁熱應(yīng)力緩沖層，顯著改善了抗熱沖擊能力，在300℃熱沖擊下無開裂現(xiàn)象，能更好地應(yīng)用于半導(dǎo)體芯片封裝的后續(xù)工藝。
文檔編號(hào)H01L23/14GK103035585SQ20121053390
公開日2013年4月10日 申請日期2012年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月12日
發(fā)明者王文峰, 張軍, 李明鶴, 彭雷 申請人:武漢鉑巖科技有限公司