[发明专利]低温键合制备铜-陶瓷基板方法

说明书

技术领域

本发明属于电子制造领域，特别涉及一种低温键合制备金属化陶瓷基板的方法。

背景技术

随着三维封装技术的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)为代表的功率型器件制造过程中，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。以大功率LED器件为例，由于输入功率的80％-90％转变成为热量(只有大约10％-20％转化为光能)，且LED芯片面积小，器件功率密度很大(大于100W/cm²)，因此散热成为大功率LED封装必须解决的关键问题。如果不能及时将芯片发热导出并消散，大量热量将聚集在LED内部，芯片结温将逐步升高，一方面使LED性能降低(如发光效率降低、波长红移等)，另一方面将在LED封装体内产生热应力，引发一系列可靠性问题(如寿命降低、色温变化等)。

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。目前常用的散热基板主要包括MCPCB(金属核印刷电路板)、LTCC或HTCC(低温或高温共烧陶瓷基板)、DBC(直接键合铜-陶瓷基板)和DPC(直接镀铜-陶瓷基板)等。但对于功率型电子器件封装而言，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、耐热、耐压能力与热匹配性能。因此，常用的MCPCB基板难以满足功率型器件的封装散热要求；而对于LTCC和HTCC基板而言，由于内部金属线路层采用丝网印刷工艺制成，易产生线路粗糙、对位不精准、收缩比例问题，使用受到很大限制。以DBC和DPC为代表的金属化陶瓷基板在导热、绝缘、耐压与耐热等方面性能优良，已成为功率型器件封装的首选材料，并逐渐得到市场认可。

现有DBC基板制备工艺流程如图1所示。DBC基板由陶瓷片(Al₂O₃或AlN)和导电层(厚度大于0.1mm铜层)在高温下共晶烧结而成，最后根据布线要求，以刻蚀方式形成互连线路。由于铜层具有良好的导电、导热能力，而氧化铝能有效控制Cu-Al₂O₃-Cu复合体的膨胀，使DBC基板具有近似氧化铝的热膨胀系数(CTE)，因此，DBC具有导热性好、绝缘性强、可靠性高等优点。其不足之处主要体现在三个方面：1)DBC制备利用了高温下(1065℃)Cu与Al₂O₃间的共晶反应，对设备和工艺控制要求较高，生产成本高；2)由于Al₂O₃与Cu层间容易产生微气孔，降低了产品合格率与抗热冲击性；3)由于键合界面存在氧化铜(CuO)，界面热阻较大。

现有DPC基板制备工艺流程如图2所示。对于DPC制备而言，主要利用真空镀膜方式在陶瓷片上溅射铜作为种子层，接着以光刻、显影、刻蚀工艺完成线路制作，最后再以电镀/化学镀方式增加线路厚度，待光刻胶去除后完成基板制作。由于DPC工艺温度仅需300-400℃左右，完全避免了DBC、LTCC制作过程中高温对材料破坏或尺寸变形的影响，具有工艺温度低、成本低、线路精细等优点，非常适合对准精度要求较高的大功率LED封装要求。特别是采用激光打孔技术后，可实现大功率LED的垂直封装，降低器件体积，提高封装集成度。但DPC基板也存在一些不足：1)电镀沉积铜层厚度有限，沉积速度慢，且电镀废液污染大；2)金属铜与陶瓷间的结合强度较低，产品应用时可靠性较低。

由于尺度效应，纳米材料的熔点会随着颗粒尺寸的减小而降低。有鉴于此，并针对DBC和DPC制备工艺的不足，本发明提出将现有DBC基板制备过程中的铜片替换成多孔纳米铜结构，可大大降低键合过程中的温度和压力，从而制备出新型的铜-陶瓷散热基板。

发明内容

本发明的目的在于克服现有DBC(直接键合铜-陶瓷基板)和DPC(直接镀铜-陶瓷基板)制备技术的不足，提供一种低温键合制备铜-陶瓷基板的方法。

本发明提供的一种低温键合制备铜-陶瓷基板方法，首先将铜合金片选择性腐蚀得到含多孔纳米结构的铜片，然后在保护气氛作用下，将铜片热压键合到沉积有金属薄膜的陶瓷片上，得到单面或双面含铜层的金属化陶瓷基板，热压键合温度为200-400℃，压力为1.0-20.0MPa，最后通过图形腐蚀工艺制备出含金属线路的铜-陶瓷基板。