一種陶瓷-金屬復(fù)合基板制備工藝的制作方法
【專利摘要】一種陶瓷?金屬復(fù)合基板制備工藝，涉及電子封裝領(lǐng)域。該復(fù)合材料基板由陶瓷片、金屬粘結(jié)層和金屬基板組成，其特征在于所述的制備工藝為，首先在陶瓷片和金屬片的一面分別制備出帶一定間距和尺寸的納米棒陣列結(jié)構(gòu)，然后向納米棒表面沉積或化學(xué)鍍低熔點(diǎn)金屬或合金，最后將兩個(gè)帶納米棒的表面在低溫下疊合壓緊，納米棒與納米棒在壓力的作用下，相互交錯(cuò)插入，納米棒表面低熔點(diǎn)金屬相互滲透擴(kuò)散形成熔化狀態(tài)的共晶合金熔體，隨后在室溫下固化形成結(jié)構(gòu)致密結(jié)合牢固的金屬粘接層。本發(fā)明制備的陶瓷?金屬復(fù)合基板不僅導(dǎo)熱性能、絕緣性能好，與芯片的熱匹配性能優(yōu)良，而且可實(shí)現(xiàn)陶瓷與金屬在低溫甚至常溫下直接粘合，粘接強(qiáng)度高，制備工藝簡單，適合大批量生產(chǎn)。
【專利說明】
一種陶瓷-金屬復(fù)合基板制備工藝
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及電子封裝領(lǐng)域，具體涉及一種陶瓷-金屬復(fù)合材料基板制備工藝。
【背景技術(shù)】
[0002]電子封裝基板可為芯片提供機(jī)械支撐、電連接、保護(hù)、散熱、組裝等功效。近年來，隨著電子封裝向高密度、高功率方向發(fā)展，不僅要求封裝基板具有高的機(jī)械強(qiáng)度、良好的電性能、高的可靠性，還必須具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性能以及良好的經(jīng)濟(jì)性。
[0003]目前常用的基板材料有硅、金屬、陶瓷以及復(fù)合材料等。硅(Si)是最早使用的基板材料，具有成本低、導(dǎo)熱性好等優(yōu)點(diǎn)，但是其機(jī)械強(qiáng)度低，容易產(chǎn)生龜裂，抗彎強(qiáng)度低，在淀積厚的介質(zhì)層和金屬化層后易產(chǎn)生較大的彎曲和翹曲。金屬基板具有導(dǎo)熱性好、機(jī)械力學(xué)性能優(yōu)良、易加工等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用廣泛，但由于金屬為電的良導(dǎo)體，在作為基板材料時(shí)，需要在表面涂覆樹脂等絕緣層，而樹脂等絕緣層的導(dǎo)熱性較差，同時(shí)金屬的熱膨脹系數(shù)與芯片不匹配，易產(chǎn)生熱應(yīng)力而造成芯片脫層開裂。陶瓷基板具有良好的介電性能、導(dǎo)熱性能，以及良好的絕緣性，并且與芯片的熱膨脹系數(shù)相匹配，是一種性能優(yōu)異的基板材料。將金屬與陶瓷材料相結(jié)合來制備金屬陶瓷復(fù)合材料基板，從而獲得兩者的綜合性能是一種理想的選擇，近年來也受到了廣泛的研究。
[0004]目前市場常見的金屬陶瓷復(fù)合材料封裝基板有DBC、DAB、DPC、LTCC、HTCC、Al/SiC
等。其中，DBC直接敷銅陶瓷基板導(dǎo)熱性能好，但是金屬與陶瓷需要在高達(dá)IlOOtC的溫度下敷接，制備工藝復(fù)雜，同時(shí)金屬與陶瓷潤濕性差。DAB直接敷鋁陶瓷基板，亦需在高溫下鍵合，同時(shí)抗熱震性能相對(duì)較差。DPC直接鍍銅陶瓷基板，采用濺鍍工藝，雖然降低了制備溫度，但金屬銅層與陶瓷層易發(fā)生熱循環(huán)剝離失效。HTCC高溫共燒陶瓷基板，其熱導(dǎo)率較高，同時(shí)機(jī)械力學(xué)性能優(yōu)良，然而其能耗巨大，同時(shí)對(duì)金屬材料有較大限制。LTCC低溫共燒陶瓷基板，雖然降低了燒結(jié)溫度，增大了金屬材料的選擇范圍，然而其熱導(dǎo)率也大大降低。采用熔滲工藝或粉末冶金法制備的Al/SiC復(fù)合材料基板雖然具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性能，然而其制備工藝復(fù)雜，成本較高，同時(shí)其絕緣性較差。
[0005]專利CN102922828A公布了一種銅箔鍵合陶瓷基板的復(fù)合板及其制備方法，其首先采用濺鍍工藝在陶瓷板表面濺鍍一薄層銅膜，然后在銅膜表面貼合銅箔，在900?1200°C，I?10kg/cm2的壓力下鍵合5?10分鐘。該基板制備工藝復(fù)雜，成本較高。專利CN103079339A提出了一種金屬陶瓷復(fù)合基板及其制造方法，其采用離子注入法在金屬基板表面與陶瓷層之間增加了一層金屬及金屬氮化物形成的金屬陶瓷過渡層，然后采用氣相沉積法在過渡層上形成陶瓷薄膜層，該方法雖然提高了陶瓷與金屬基板的結(jié)合強(qiáng)度，但制備工藝復(fù)雜、生產(chǎn)效率較低。因此，為了解決以上技術(shù)難題，本發(fā)明提出了一種陶瓷-金屬復(fù)合基板制備工藝。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種陶瓷-金屬復(fù)合材料基板制備工藝。以解決現(xiàn)有陶瓷-金屬復(fù)合材料基板界面熱阻大，導(dǎo)熱性能差，陶瓷-金屬結(jié)合強(qiáng)度低，制備工藝復(fù)雜，生產(chǎn)效率低等技術(shù)難題。
[0007]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:
一種陶瓷-金屬復(fù)合基板制備工藝，該復(fù)合基板由陶瓷片(I )、金屬粘接層(2)和金屬基板(3)組成。其特征在于所述的一種陶瓷-金屬復(fù)合材料基板制備工藝包括以下步驟:
1)首先，對(duì)陶瓷片(I)和金屬基板(3)的單面分別進(jìn)行拋光及清潔處理；
2)在金屬基板(3)及陶瓷片(I)的拋光表面上制備出一層納米棒陣列結(jié)構(gòu)；
3)分別在兩納米棒表面形成一層低熔點(diǎn)金屬；
4)將帶納米棒的陶瓷片(I)和帶納米棒的金屬基板(3)表面在一定的溫度及壓力下進(jìn)行疊合壓緊；
5)最后經(jīng)過后處理即可制得陶瓷-金屬復(fù)合基板。
[0008]作為優(yōu)選，所述的納米棒陣列結(jié)構(gòu)中，納米棒直徑為10?20nm，納米棒之間的間距為15?60nm。
[0009]作為優(yōu)選，所述的納米棒陣列結(jié)構(gòu)可以采用氣相沉積法制備。
[0010]作為優(yōu)選，所述的納米棒的制備材料可以為金、銀、錫、鉛、銦、鋁、銅、鉑等金屬及其合金或金屬氧化物中的一種或兩種。
[0011]作為優(yōu)選，所述的納米棒表面的低熔點(diǎn)金屬包括銦和鎵，可以采用氣相沉積、化學(xué)鍍等方法涂敷。
[0012]作為優(yōu)選，所述的低熔點(diǎn)金屬可以為銦、鎵、錫、鉛、鋁等金屬及其合金中的一種或多種。
[0013]作為優(yōu)選，所述的陶瓷片(I)為氧化鋁陶瓷、氮化鋁陶瓷、氮化硅陶瓷、堇青石陶瓷或多元電子陶瓷材料中的一種或多種。
[0014]作為優(yōu)選，所述的金屬基板(3)可以為鋁、銅、鐵、鎳、鉑、銀、金等金屬及其合金材料中的一種。
[0015]作為優(yōu)選，所述的一定的溫度及壓力下進(jìn)行疊合壓緊，其中溫度為18?150°C，壓力為0.5?5MPa，并保持溫度及壓力3~50min。
[0016]本發(fā)明的金屬粘接原理不同于傳統(tǒng)金屬-陶瓷復(fù)合基板靠化學(xué)粘接劑連接或普通的金屬低溫釬焊，它采用氣相沉積或?yàn)R鍍的方式在陶瓷片與金屬基板上分別制備出帶一定間距及尺寸的納米棒陣列結(jié)構(gòu)，利用氣相沉積或?yàn)R射或化學(xué)鍍的方法在納米棒上涂覆一層低熔點(diǎn)金屬，然后將帶納米棒陣列結(jié)構(gòu)的陶瓷片和金屬基板相對(duì)疊合壓緊，由于納米棒與納米棒之間具有足夠的間隙，納米棒棒狀突起形成的巨大表面積以及納米顆粒的高的表面活性，納米棒與納米棒在壓力的作用下，相互交錯(cuò)插入，納米棒表面低熔點(diǎn)金屬相互滲透擴(kuò)散形成熔化狀態(tài)的共晶合金熔體，隨后在室溫和無壓力條件下，固化形成結(jié)構(gòu)致密結(jié)合牢固的金屬粘接層，從而使陶瓷片與金屬基板緊密的粘接在一起。
[0017]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明的陶瓷-金屬復(fù)合基板制備工藝克服了傳統(tǒng)金屬陶瓷鍵合需要高溫高壓等復(fù)雜條件，采用低溫(低于200°C)低壓工藝，使陶瓷與金屬在低溫甚至常溫下直接鍵合，避免了熱應(yīng)力及變形等缺陷，同時(shí)制備工藝簡單，大大提高了生產(chǎn)效率。由于鍵合界面為金屬材質(zhì)，減少了熱阻，本發(fā)明制備的陶瓷-金屬復(fù)合基板不僅結(jié)合強(qiáng)度高，密封性能好、導(dǎo)熱性能、介電性能、絕緣性能優(yōu)良、與芯片的熱匹配性能好，并且生產(chǎn)效率高，適合大批量生產(chǎn)。
【附圖說明】
[0018]圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖，其中，I表示陶瓷片，2表示金屬粘接層，3表示金屬基板。
[0019]圖2是本發(fā)明陶瓷片與金屬基板沉積納米棒陣列后結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖3是本發(fā)明陶瓷片與金屬基板粘合后結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021]下面通過實(shí)施例，并結(jié)合附圖，對(duì)發(fā)明作進(jìn)一步的說明。實(shí)施例中所用的技術(shù)方案及工藝均為本領(lǐng)域內(nèi)的通用技術(shù)方案及工藝。
[0022]實(shí)施例1
本例為氧化鋁陶瓷與鋁金屬復(fù)合材料基板，具體制備工藝為:
1)首先，對(duì)氧化鋁陶瓷片(I)和鋁金屬基板(3)的單面分別進(jìn)行拋光及清潔處理；
2)采用物理氣相沉積法在鋁金屬基板(3)及氧化鋁陶瓷片(I)的拋光表面上分別沉積出一層直徑I Onm，間距15nm的金屬銀納米棒陣列結(jié)構(gòu)；
3)采用物理氣相沉積向氧化鋁陶瓷片(I)的納米棒表面沉積一層金屬銦；向鋁金屬基板(3)的納米棒表面沉積一層金屬鎵；
4)將氧化鋁陶瓷片(I)和鋁金屬基板(3)帶納米棒的表面在18°C溫度下、5MPa壓力下進(jìn)行疊合壓緊，并保壓3min;金屬銦和鎵在18°C溫度下相互擴(kuò)散，形成銦鎵共晶合金熔體，共晶合金熔體填充間隙，最終固化形成結(jié)合緊密牢固的金屬粘接層，從而使氧化鋁陶瓷片(I)和鋁金屬基板(3)牢固的粘接在一起；
5)最后經(jīng)過切割等后處理即可制得氧化鋁陶瓷與鋁金屬復(fù)合材料基板。
[0023]實(shí)施例2
本例為氧化鋁陶瓷與鋁合金復(fù)合基板，具體制備工藝為:
1)首先，對(duì)氧化鋁陶瓷片(I)和鋁合金基板(3)的單面分別進(jìn)行拋光及清潔處理；
2)采用化學(xué)氣相沉積法在鋁合金基板(3)及氧化鋁陶瓷片(I)的拋光表面上分別沉積出一層直徑15nm，間距30nm的金屬招納米棒陣列結(jié)構(gòu)；
3)采用化學(xué)氣相沉積向氧化鋁陶瓷片(I)的納米棒表面沉積一層金屬銦；向鋁合金基板(3)的納米棒表面沉積一層金屬錫；
4)將氧化鋁陶瓷片(I)和鋁合金金屬基板(3)帶納米棒的表面在120°C溫度下、3MPa壓力下進(jìn)行疊合壓緊，并保溫保壓30min，銦與錫發(fā)生相互滲透擴(kuò)散，形成低溫共晶合金熔體，低溫共晶合金熔體不斷填充間隙，最終固化形成結(jié)合緊密牢固的金屬粘接層，從而使氧化鋁陶瓷片(I)和鋁合金基板(3)牢固的粘接在一起；
5)最后經(jīng)過切割等后處理即可制得氧化鋁陶瓷與鋁合金復(fù)合材料基板。
[0024]實(shí)施例3
本例為氮化鋁陶瓷與銅金屬復(fù)合材料基板，具體制備工藝為:
1)首先，對(duì)氮化鋁陶瓷片(I)和銅金屬基板(3)的單面分別進(jìn)行拋光及清潔處理；
2)采用化學(xué)氣相沉積法在銅金屬基板(3)及氮化鋁陶瓷片(I)的拋光表面上分別沉積出一層直徑20nm，間距60nm的金屬銅納米棒陣列結(jié)構(gòu)； 3)采用物理氣相沉積向氮化鋁陶瓷片(I)的納米棒表面沉積一層金屬銦；向銅金屬基板(3)的納米棒表面沉積一層金屬鎵；
4)將氮化鋁陶瓷片(I)和銅金屬基板(3)帶納米棒的表面在150°C溫度下、0.5MPa壓力下進(jìn)行疊合壓緊，并保溫保壓50min;銦與鎵發(fā)生相互滲透擴(kuò)散，形成低溫共晶合金熔體，低溫共晶合金熔體不斷填充間隙，最終固化形成結(jié)合緊密牢固的金屬粘接層，從而使氮化鋁陶瓷片(I)和銅金屬基板(3)牢固的粘接在一起；
5)最后經(jīng)過切割等后處理即可制得氮化鋁陶瓷與銅金屬復(fù)合材料基板。
[0025]實(shí)施例4
本例為氮化硅陶瓷與銅合金復(fù)合材料基板，具體制備工藝為:
1)首先，對(duì)氮化硅陶瓷片(I)和銅合金基板(3)的單面分別進(jìn)行拋光及清潔處理；
2)采用化學(xué)氣相沉積法在銅合金基板(3)及氮化硅陶瓷片(I)的拋光表面上分別沉積出一層直徑20nm，間距60nm的金屬銅合金納米棒陣列結(jié)構(gòu)；
3)采用物理氣相沉積向氮化硅陶瓷片(I)的納米棒表面沉積一層金屬銦鎵合金；向銅合金基板(3)的納米棒表面沉積一層金屬錫；
4)將氮化硅陶瓷片(I)和銅合金基板(3)帶納米棒的表面在30°C溫度下、4MPa壓力下進(jìn)行疊合壓緊，并保溫保壓40min，銦鎵合金與錫發(fā)生相互滲透擴(kuò)散，形成低溫共晶合金熔體，低溫共晶合金熔體不斷填充間隙，最終固化形成結(jié)合緊密牢固的金屬粘接層，從而使氮化鋁陶瓷片(I)和銅合金基板(3)牢固的粘接在一起；
5)最后經(jīng)過切割等后處理即可制得氮化硅陶瓷與銅合金復(fù)合材料基板。
[0026]以上實(shí)施例僅僅是對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行描述，并非對(duì)本發(fā)明的范圍進(jìn)行限定，本領(lǐng)域技術(shù)人員在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上還可做多種修改和變化，在不脫離本發(fā)明設(shè)計(jì)精神的前提下，本領(lǐng)域普通工程技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作出的各種變型和改進(jìn)，均應(yīng)落入本發(fā)明的權(quán)利要求書確定的保護(hù)范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種陶瓷-金屬復(fù)合基板制備工藝，該復(fù)合基板由陶瓷片(I)、金屬粘接層(2)和金屬基板(3)組成，其特征在于所述的一種陶瓷-金屬復(fù)合材料基板制備工藝包括以下步驟: (1)首先，對(duì)陶瓷片(I)和金屬基板(3)的單面分別進(jìn)行拋光及清潔處理； (2)在金屬基板(3)及陶瓷片(I)的拋光表面上制備出一層納米棒陣列結(jié)構(gòu)；(3)分別在兩納米棒表面形成一層低熔點(diǎn)金屬； (4)將帶納米棒的陶瓷片(I)和帶納米棒的金屬基板(3)在一定的溫度及壓力下進(jìn)行疊合壓緊； (5)最后經(jīng)過后處理即可制得陶瓷-金屬復(fù)合基板。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種陶瓷-金屬復(fù)合基板制備工藝，其特征在于，所述的納米棒陣列結(jié)構(gòu)中，納米棒直徑為10~20nm，納米棒之間的間距為15~60nm。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種陶瓷-金屬復(fù)合基板制備工藝，其特征在于，所述的納米棒陣列結(jié)構(gòu)可以采用氣相沉積法制備。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種陶瓷-金屬復(fù)合基板制備工藝，其特征在于，所述的納米棒的制備材料可以為金、銀、錫、鉛、銦、鋁、銅、鉑等金屬及其合金或金屬氧化物中的一種或兩種。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種陶瓷-金屬復(fù)合基板制備工藝，其特征在于，所述的納米棒表面的低熔點(diǎn)金屬包括銦和鎵，可以采用氣相沉積、化學(xué)鍍等方法涂敷。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種陶瓷-金屬復(fù)合基板制備工藝，其特征在于，所述的低熔點(diǎn)金屬可以為銦、鎵、錫、鉛、鋁等金屬及其合金中的一種或多種。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種陶瓷-金屬復(fù)合基板制備工藝，其特征在于，所述的陶瓷片(I)為氧化鋁陶瓷、氮化鋁陶瓷、氮化硅陶瓷、堇青石陶瓷或多元電子陶瓷材料中的一種或多種。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種陶瓷-金屬復(fù)合基板制備工藝，其特征在于，所述的金屬基板(3)可以為招、銅、鐵、銀、鉬、銀、金等金屬及其合金材料中的一種。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種陶瓷-金屬復(fù)合基板制備工藝，其特征在于，所述的一定的溫度及壓力下進(jìn)行疊合壓緊，其中溫度為18?150°C，壓力為0.5?5MPa，并保持溫度及壓力3?50mino
【文檔編號(hào)】H01L21/48GK105845583SQ201610283005
【公開日】2016年8月10日
【申請(qǐng)日】2016年5月3日
【發(fā)明人】王文君, 王雙喜, 張丹, 歐陽雪瓊
【申請(qǐng)人】佛山市百瑞新材料技術(shù)有限公司