[发明专利]一种氮化铝与铜的结合方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种氮化铝与铜的结合方法，更确切地说涉及氮化铝(AlN)基板的金属化方法与工艺。属于陶瓷金属化领域。

背景技术

目前，电子器件中所使用的绝缘基板材料主要是氧化铝(Al₂O₃)陶瓷，Al₂O₃陶瓷具有机械强度高、热稳定性好、价格低廉等优点，并且Al₂O₃与电极材料铜(Cu)的直接结合(焊接)技术也比较成熟。但是Al₂O₃的热导率低，仅为15-20W/m·K，阻碍了电子元件的散热速度的进一步提高，不能满足高性能电子器件的要求。另外，在一般传热式能量转换器件(如热电转换器件)中因其热导率低，由基板所造成的温差热损耗大，严重影响了能量转换的效率。

AlN陶瓷具有优异的导热性能，其热导率k可达150-200W/m·K，且具有良好的电绝缘性，是理想的基板材料之一。若能用AlN替代现有的Al₂O₃充当电子元器件的基板材料，则可以大幅度提高现有电子器件的散热效率和降低其热损耗。但是由于AlN与电极材料铜(Cu)之间的界面润湿性差，因此结合强度低；并且AlN与Cu的热膨胀系数相差较大，由此产生的巨大的热应力而使得AlN-Cu的直接结合难以实现。

1992年公布的美国专利(U.S.5150830，U.S.5165986)中通过引入氧化物中间层的方法解决AlN与Cu的结合。但是氧化物中间层的热导率很低，大大降低了AlN基板的性能。

发明内容

本发明的目的在于通过引入非氧化物中间层的方法实现一种结合强度高，热稳定性好且工艺简单方便的AlN-Cu的直接结合。

AlN基板的金属化技术要求金属化层与基板有牢固的附着强度、优良的密封性和抗焊料浸蚀能力，并且要求金属/陶瓷界面保持高的热导率。

本发明通过引入的非氧化物中间层来提高AlN-Cu之间的化学润湿性，同时缓和热膨胀系数差异所产生的热应力，从而实现AlN-Cu的直接结合。

本发明的技术关键是通过引入的非氧化物中间层实现AlN-Cu的直接结合。将固相反应合成所得到的含有活泼金属的非氧化物共晶合金粉末置于AlN与Cu之间，然后经过高温处理实现AlN-Cu的直接结合。具体包括以下各步骤：

1.共晶合金的制备

本发明用固相反应法合成共晶合金。用含有Cu、Ag、Ti，余量为Al、Ni、Co、Zr、Hf、Mo的金属粉末制备共晶合金中间层。共晶合金由这些成分通过一定的比例固相反应合成得到。共晶合金的主要成分配比(wt％)为Ag：65-75％，Cu：18-22％，Ti：1.0-3.0％，其余为Al、Ni、Co、Zr、Hf、Mo中的一种或几种。固相反应是在惰性气体(如氩气等)或者微还原气氛下进行，如氩和氢的混和气体，体积比为Ar∶H₂＝95∶5，固相反应时间为1-6小时，温度为500-600℃，反应后再经研磨得到粒径为2μm左右的合金粉末。

2.涂层的制备

将固相反应合成的共晶合金粉末直接涂布于AlN基板表面；或将该粉末分散于本领域技术人员公知的由有机溶液和高分子粘结剂构成的溶解液中得到涂层浆料，然后将该浆料涂布于AlN基板表面，再经过干燥、脱脂后获得金属化的AlN基板；或者可将共晶合金粉末用物理喷涂(如等离子喷涂等)的方法直接喷涂在AlN基板表面获得金属化的AlN基板。不论何重方法，其共晶合金金属粉末层厚度为10-20μm，将Cu箔(板)覆盖在涂布(喷涂)有共晶合金中间层的AlN基板上，得到坯体。AlN基板表面和Cu表面可以预先经过表面处理，以获得具有一定粗糙度的表面。表面预处理方法有超声波表面处理、粉末离子溅射等，超声波处理用粒度为0.5-5μm的SiC(俗称金刚砂)颗粒处理，时间1-3分钟。

3.高温烧结

上述步骤所得坯体经过高温处理便可以得到AlN-Cu直接结合的复合基板材料。

高温处理可以是热压烧结，也可以是无压烧结。它是在真空或惰性气体(如氩气)或者微还原气氛下进行。真空度为10^-4-10^-2Torr；烧结的温度范围为900-1200℃；烧结时间范围为2-12小时。

热压烧结的压力范围为：0-6兆帕(MPa)。