[发明专利]AlN膜表面金属化层制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种AlN膜表面的金属化层制备方法，该方法可用于AlN膜表面与多种金属形成表面金属化层，特别适用于微电子工业中电路基板和封装领域。 

背景技术

近年来，随着大规模集成电路以及电子设备向着高频化、高功率化、超高集成化的方向发展，各种应用对高性能、高密度电路的需求日益增加。然而，电路密度和功能的不断提高导致电路功率不断上升、单位时间的产热量不断升高，从而使电路的工作温度也不断上升。为了防止电路元件因热聚集和热循环作用而损坏，这就对基板材料的低介电常数、低热膨胀系数、高热导率、高耐热等性能提出了更加严格的要求。 

功率器件中芯片产生的热主要通过作为衬底的绝缘基板传导到外壳而散发出去。当基板无法满足自然冷却的要求时，则必须实行强制冷却，就会导致以下问题的出现：冷却扇大型化,导致电子设备重量大大增加；噪音大；利用散热片,则必须有散热结构件；封装成本提高,体积增大,可靠性降低。因此要求基板导热率尽可能的高,以满足自然冷却的需要。 

市场上高热导率材料主要有BeO、SiC和AlN等。BeO作为基板封装材料性能优良，但BeO是一种有毒物质，目前许多国家已将BeO列入禁用材料，对含有BeO的元件或系统的使用也有诸多限制；SiC热导率虽然高达270W/(m??K)，但其介电常数高，大大限制了其在高频领域的应用，不宜作基板材料；AlN不仅有高的热导率，而且具有优异的高温绝缘性、低介电常数以及与Si相近的热膨胀系数（4.5×10^-6/℃），且具有良好的电学性能和机械强度，是理想的电力电子封装材料。因此，AlN基片已成为大规模集成电路及大功率模块的一种重要的新型无毒基板材料，用以加强散热、提高器件的可靠性。 

目前，可商业使用的AlN基板都是烧结形成的AlN片材，其生产流程是先制备AlN粉体，再对粉体进行压制成型和高温烧结。烧结过程需要的温度高达1500℃，会消耗较多能量，且容易掺入杂质，影响AlN的纯度，进而影响AlN基板的导热、绝缘等性能。而且，受到成型和烧结等工艺条件的限制，目前还很难获得大尺寸的AlN陶瓷片。而当前的主流半导体设备比较适合在大面积的基板上开展器件工艺流程。同时，在很多应用场合需要大尺寸的散热基板。 

由于AlN属于共价键较强的化合物，一般的钎料不能润湿AlN陶瓷的表面。要实现AlN与电子芯片的可靠连接，通常需要将AlN陶瓷进行表面金属化，因此，AlN陶瓷表面金属化是AlN陶瓷得到应用的首要条件。 

AlN陶瓷金属化多数使用金属铜，因为铜具有优良的导电性能和导热性能，而陶瓷基板具有高机械强度和低介电损耗的优点，所以使得金属化的AlN基板在电力电子，大功率电路等方面有着广泛的应用前景。 

由于金属化的AlN基板具有很好的导热性能，功率器件中芯片产生的大量热量能够通过衬底的陶瓷绝缘基片传导到外壳而散发出去。这样能有效地降低功率器件的温度，确保芯片的正常工作。在电路中如果基片与芯片热膨胀系数差异很大会使产生的热应力急剧增加，从而使得互连线、芯片、基片可能出现失效，它们的可靠性会降低。功率越大，芯片集成度越高，可靠性问题也越严重。针对这种问题，以往是通过增加钨铂等金属过渡层，或是胶贴，或是将大基片划小后拼接来解决，但均造成工艺和结构复杂化、热阻增加、成本提高、成品率和可靠性降低。而表面金属化的AlN基板与Si有相匹配的热膨胀系数使得这一问题得到了解决，大大提高了器件的稳定性。 

现在氮化铝陶瓷基板的主流封装方法是直接覆铜技术（DBC）。DBC方法的基本特点是在微氧气氛下，在敷接到氮化铝基板的铜箔表面形成一层熔点低于纯铜熔点的氧铜共晶相（Cu-O共晶相），该共晶相对互相接触的铜箔和氮化铝表面都具有良好的润湿性，并形成CuAlO₂等界面产物，使氮化铝与铜箔牢固地结合在一起。然而，由于AlN与铜的界面润湿性差，Cu-O共晶相对AlN表面的润湿角为142°（润湿性用润湿角来表征，润湿角越大表明该体系对AlN基板的润湿性越差），从而使得AlN基板与铜箔不能形成牢固的结合，并且Cu-O共晶相与Al反应生成的CuAlO₂导热性能较差，造成氮化铝与铜箔结合界面处较大的热阻。