本發(fā)明涉及半導體領域，尤其涉及一種金屬化陶瓷基板及其制備方法和半導體器件。

背景技術：

1、金屬化陶瓷基板作為芯片封裝材料，主要包括直接覆銅陶瓷基板(direct?bondedcopper，dbc)、直接覆鋁陶瓷基板(direct?bonded?aluminum，dba)、活性金屬釬焊基板(active?metal?brazing，amb)。

2、dbc通常由銅金屬直接燒結到陶瓷基板表面制成，作為金屬化陶瓷基板中的代表性材料已廣泛應用于igbt芯片封裝。目前，商業(yè)化的dbc主要通過金屬層表面設計的電路圖形為igbt芯片導熱和絕緣，由于金屬化陶瓷基板內金屬和陶瓷的熱膨脹系數(shù)不一致，經受循環(huán)溫度沖擊后金屬和陶瓷會因內應力作用發(fā)生脫離現(xiàn)象，導致產品溫度循環(huán)特性不佳、可靠性較差。

3、傳統(tǒng)技術中的dbc金屬化陶瓷基板在提高可靠性方面，主要通過以下幾種方式：（1）在dbc兩面金屬層上蝕刻出圓形凹坑（即應力釋放孔）陣列，緩解內應力；（2）在dbc兩面圖形邊緣加工階梯結構，實現(xiàn)應力梯度變化；（3）采用高強度陶瓷（如zta基板、si3n4基板）或小晶粒銅等進行原材料性能改進，以提高產品強度。然而，蝕刻應力釋放孔或加工階梯結構不可避免地導致較大部分原本可印制圖形的金屬層面積犧牲、且溫度循環(huán)特性提升有限，而通過原材料性能改進則會導致生產成本急劇增加、且并不能減少金屬和陶瓷之間內應力。

4、針對上述，特提出本發(fā)明。

技術實現(xiàn)思路

1、本申請?zhí)峁┮环N金屬化陶瓷基板及其制備方法和半導體器件，旨在解決上述的問題或者至少緩解上述現(xiàn)有技術中所存在的缺陷。

2、本申請的第一方面提供一種金屬化陶瓷基板的制備方法，包括：

3、前處理工序，對金屬片與陶瓷基板進行預處理，制成具有陶瓷層及負載于陶瓷層表面的金屬層的基板前體；

4、去應力工序，對金屬層沿厚度方向的表面進行圖案化處理，基于圖案化處理形成位于金屬層上且朝向厚度方向凹陷的線槽，對線槽表面和/或線槽相鄰區(qū)域的表面進行噴砂處理以形成去應力區(qū)域，得到去應力后基板；

5、后處理工序，對去應力后基板進行后處理，得到金屬化陶瓷基板。

6、本申請通過對金屬化陶瓷基板的制備方法進行設計，前處理工序中將金屬片與陶瓷基板預處理后制成基板前體，基板前體中的金屬層與陶瓷層依次層疊且緊密結合，在去應力工序中，對金屬層沿厚度方向的表面進行圖案化處理，圖案化處理過程中可以通過對金屬層表面進行蝕刻，在金屬層上形成朝向厚度方向凹陷的線槽，線槽表面和/或線槽相鄰區(qū)域的表面經過噴砂處理后，金屬層被處理區(qū)域發(fā)生塑性變形，即失去彈性形變能力，以形成去應力區(qū)域，從而得到去應力后基板，結合清潔、切割等后處理操作后，制得的金屬化陶瓷基板外緣部分塑性變形、失去彈性，從而協(xié)調、緩解金屬化陶瓷基板受循環(huán)溫度沖擊過程中產生的內應力，促使金屬化陶瓷基板在循環(huán)溫度沖擊后金屬層和陶瓷層緊密結合。

7、由此，上述制備方法制得的金屬化陶瓷基板顯著地提高了溫度循環(huán)特性，避免了原本可印制圖形區(qū)域的金屬層面積犧牲，與傳統(tǒng)蝕刻應力釋放孔和采用階梯結構設計的相同規(guī)格金屬化陶瓷基板相比，在同樣的工作條件下，本申請?zhí)峁┑慕饘倩沾苫迥蜔釠_擊的次數(shù)提高約1.2~1.7倍，平均使用面積提高約10%。

8、本申請可選的方案中，去應力工序包括：第一強化步驟：對金屬層沿厚度方向的表面依次進行第一貼掩膜處理、第一曝光處理及第一顯影處理，使金屬層的部分表面按預設路徑沿厚度方向暴露于掩膜，隨后對暴露于掩膜部分的金屬層進行半蝕刻處理，基于半蝕刻處理形成的第一線槽表面進行第一噴砂處理，得到噴砂后基板；第二強化步驟：基于第一線槽路徑對金屬層進行全蝕刻處理以形成沿厚度方向能夠暴露陶瓷層的第二線槽，對第二線槽周圍的金屬層表面進行第二噴砂處理以形成去應力區(qū)域，得到去應力后基板；或者，基于噴砂后基板依次進行第二貼掩膜處理、第二曝光處理及第二顯影處理，并使第二顯影處理后的金屬層鄰近第一線槽邊緣部分沿厚度方向暴露于掩膜，對第一線槽周圍的金屬層表面進行第二噴砂處理以形成去應力區(qū)域，得到去應力后基板。

9、本申請可選的方案中，第一強化步驟中，第一噴砂處理包括對金屬層上第一線槽的側壁進行噴砂處理；第二強化步驟中，第二噴砂處理之前還包括對形成有第二線槽的金屬層表面依次進行第二貼掩膜處理、第二曝光處理及第二顯影處理，并使第二顯影處理后的金屬層鄰近第二線槽邊緣部分沿厚度方向暴露于掩膜；和/或，第二噴砂處理包括對第二顯影處理后金屬層沿厚度方向暴露于掩膜的部分進行噴砂處理。

10、本申請可選的方案中，全蝕刻處理包括：對第一線槽底部進行蝕刻以形成沿厚度方向穿透金屬層的第二線槽；或者，對第一線槽邊緣及第一線槽底部進行蝕刻以形成沿厚度方向穿透金屬層的第二線槽、且第二線槽邊緣形成有沿厚度方向凹陷的臺階。

11、本申請可選的方案中，后處理包括對去應力后基板依次進行去掩膜、清潔及切割處理，得到金屬化陶瓷基板。

12、本申請可選的方案中，第一線槽沿厚度方向的截面呈方形；和/或，第一線槽沿厚度方向呈網格狀排布，以使金屬層被全蝕刻處理后在陶瓷層上呈陣列排布。

13、本申請可選的方案中，預處理滿足以下條件中的任一者：

14、（1）對金屬片表面進行清潔及氧化處理，將金屬片層疊于經過或未經過表面改性處理的陶瓷基板上燒結制成基板前體；

15、（2）對金屬片及陶瓷基板進行清潔處理后，在金屬片和/或陶瓷基板表面覆蓋過渡金屬或非金屬薄膜，并將金屬片層疊于陶瓷基板上燒結制成基板前體；

16、（3）對金屬片及陶瓷基板進行清潔處理后，在金屬片和/或陶瓷基板表面印刷活性金屬焊料，經過排膠處理后將金屬片層疊于陶瓷基板上釬焊制成基板前體。

17、本申請可選的方案中，制備方法滿足以下條件中的至少一者：

18、a、金屬片的原料為單種金屬或多種金屬復合得到的合金；可選的，金屬片包括銅、鋁或鎳中至少一種金屬元素；

19、b、陶瓷基板包括陶瓷氧化鋁陶瓷基板、氮化鋁陶瓷基板、氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷基板、氮化硅陶瓷基板或碳化硅陶瓷基板中的任一種；

20、c、第一貼掩膜處理或第二貼掩膜處理中的掩膜為金屬保護感光膜，金屬保護感光膜包括負性干膜、正性干膜、濕膜中的任一種；

21、d、第一噴砂處理和第二噴砂處理過程中，半蝕刻處理后的基板前體及全蝕刻處理后的噴砂后基板均被工裝夾具所固定；

22、e、第一噴砂處理和第二噴砂處理中的砂料為無機粉體，無機粉體包括球形陶瓷粉或玻璃珠中的至少一種；可選的，無機粉體的粒度為160~200目。

23、本申請的第二方面提供一種金屬化陶瓷基板，采用上述的制備方法制得，金屬化陶瓷基板包括陶瓷層以及層疊連接于陶瓷層表面的金屬層，金屬層的外緣為去應力區(qū)域。

24、本申請的第三方面提供一種半導體器件，包括如上述的金屬化陶瓷基板。

技術特征：

1.一種金屬化陶瓷基板的制備方法，其特征在于，包括：

2.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述去應力工序包括：

3.根據權利要求2所述的制備方法，其特征在于，

4.根據權利要求3所述的制備方法，其特征在于，所述全蝕刻處理包括：

5.根據權利要求3所述的制備方法，其特征在于，所述后處理包括對所述去應力后基板依次進行去掩膜、清潔及沿線槽進行切割處理，得到金屬化陶瓷基板。

6.根據權利要求5所述的制備方法，其特征在于，

7.根據權利要求3所述的制備方法，其特征在于，所述預處理滿足以下條件中的任一者：

8.根據權利要求3~7任一項所述的制備方法，其特征在于，所述制備方法滿足以下條件中的至少一者：

9.一種金屬化陶瓷基板，其特征在于，采用權利要求1~8任一項所述的制備方法制得，所述金屬化陶瓷基板包括陶瓷層以及層疊連接于所述陶瓷層表面的金屬層，所述金屬層的外緣為去應力區(qū)域。

10.一種半導體器件，其特征在于，包括如權利要求9所述的金屬化陶瓷基板。

技術總結
本發(fā)明屬于半導體領域，涉及一種金屬化陶瓷基板及其制備方法和半導體器件。本申請?zhí)峁┑慕饘倩沾苫宓闹苽浞椒?，包括：前處理工序，對金屬片與陶瓷基板進行預處理，制成具有陶瓷層及負載于陶瓷層表面的金屬層的基板前體；去應力工序，對金屬層沿厚度方向的表面進行圖案化處理，基于圖案化處理形成位于金屬層上且朝向厚度方向凹陷的線槽，對線槽表面和/或線槽相鄰區(qū)域的表面進行噴砂處理以形成去應力區(qū)域，得到去應力后基板；后處理工序，對去應力后基板進行后處理，得到金屬化陶瓷基板。本申請制備方法制得的金屬化陶瓷基板顯著地提高了溫度循環(huán)特性，避免了原本可印制圖形區(qū)域的金屬層面積犧牲。

技術研發(fā)人員：井敏,黃禮侃,馮家云,林曉光,趙尉寧
受保護的技術使用者：南京中江新材料科技有限公司
技術研發(fā)日：
技術公布日：2025/1/9