[发明专利]功率器件模块封装用高导热氮化硅陶瓷基板与铜的连接方法

说明书

本发明提供一种功率器件模块封装用高导热氮化硅陶瓷基板与铜的连接方法，包括将高导热氮化硅陶瓷封装基板和铜置于酒精中清洗，然后采用砂纸对高导热氮化硅陶瓷封装基板和铜逐级打磨，最后采用抛光液对高导热氮化硅陶瓷封装基板和铜逐级抛光，在真空状态下，对待键合的高导热氮化硅陶瓷封装基板和铜表面进行离子轰击表面活化处理，在真空状态下将高导热氮化硅陶瓷封装基板与铜活化表面相互贴合，对连接结构施压和加热，从而实现高导热氮化硅陶瓷基板与铜的连接等步骤。其解决了现有高导热氮化硅陶瓷与铜的连接方法存在的连接界面处形成微米级厚度的反应层，阻碍热量的传递的技术问题。该方法可广泛应用于高导热氮化硅陶瓷基板与铜的连接。

技术领域

本发明涉及功率器件封装基板领域，具体涉及一种功率器件模块封装用高导热氮化硅陶瓷基板与铜的连接方法。

背景技术

近年来，半导体器件沿着大功率化、高频化、集成化的方向迅猛发展，高的功率和使用环境对封装材料也提出了更高的要求。而半导体功率器件工作产生的热量是引起整个半导体器件失效的关键因素，而绝缘陶瓷基板的导热性又是影响整体半导体器件散热的关键。此外，如在电动汽车和电力机车等领域，半导体器件在使用过程中往往要面临颠簸、震动等特殊的力学环境，对基板材料的力学可靠性提出了严苛的要求。

当前氧化铝和氮化铝陶瓷基板具有较低的断裂韧性，可靠性问题严重限制了氧化铝和氮化铝基板的性能，因此寻找具有高导热性和高可靠性基板材料成为了高功率器件基板材料的关键。高导热氮化硅陶瓷基板是综合性能最好的结构陶瓷材料，优良的力学性能和良好的高导热潜质使氮化硅陶瓷有望弥补现有氧化铝和氮化铝等基板材料的不足，在高端半导体器件，特别是大功率半导体器件基片的应用方面极具市场前景。

现有已应用的功率器件模块封装用基板主要采用活性金属钎焊工艺(AMB)实现高导热氮化硅陶瓷与铜的连接，这种方法需要在钎料中加入活性元素在较高的温度下以实现钎料与陶瓷的冶金结合，一方面焊后会在连接界面处形成微米级厚度的反应层，阻碍热量的传递；另一方面氮化硅陶瓷与铜的热膨胀系数差异较大，高温钎焊势必会引入因热失配带来的应力问题，造成连接界面和基板内部破坏。

发明内容

本发明就是针对现有已应用的功率器件模块封装用基板主要采用活性金属钎焊工艺(AMB)实现高导热氮化硅陶瓷与铜的连接，需要在钎料中加入活性元素在较高的温度下以实现钎料与陶瓷的冶金结合，一方面焊后会在连接界面处形成微米级厚度的反应层，阻碍热量的传递的技术问题；另一方面氮化硅陶瓷与铜的热膨胀系数差异较大，高温钎焊势必会引入因热失配带来的应力问题，造成连接界面和基板内部破坏的技术问题，提供一种功率器件模块封装用高导热氮化硅陶瓷基板与铜的连接方法，该方法通过离子轰击表面活化处理实现高导热氮化硅陶瓷基板与铜的低温直接键合，获得具有高散热性和高可靠性的功率模块封装用基板。

为此，本发明所采取的技术方案是，一种功率器件模块封装用高导热氮化硅陶瓷基板与铜的连接方法，包括以下步骤：

(1)将高导热氮化硅陶瓷封装基板和铜置于酒精中清洗10-20min，然后分别采用400#、800#、1200#、2000#、3000#的砂纸对高导热氮化硅陶瓷封装基板和铜逐级打磨，最后分别采用1.5μm、1μm、0.5μm、0.1μm、0.05μm、0.02μm的抛光液对高导热氮化硅陶瓷封装基板和铜逐级抛光；

(2)将步骤(1)中处理后的高导热氮化硅陶瓷封装基板和铜放置在真空清洗室中，在真空状态下，对待键合的高导热氮化硅陶瓷封装基板和铜表面进行离子轰击表面活化处理；

(3)采用真空互联系统的样品运送架将步骤(2)中得到的表面活化的高导热氮化硅陶瓷封装基板和铜传送到真空连接室中，在真空状态下将高导热氮化硅陶瓷封装基板与铜活化表面相互贴合，对连接结构施压和加热，从而实现高导热氮化硅陶瓷基板与铜的连接。

优选地，步骤(1)中选用的高导热氮化硅陶瓷封装基板，其热导率为70W/(m·K)-100W/(m·K)。