CN118400866A - 一种无银低cte氮化硅覆铜陶瓷基板结构及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无银低CTE氮化硅覆铜陶瓷基板结构及制备方法，包括氮化硅陶瓷层（4），所述氮化硅陶瓷层（4）的顶部设置有焊料反应层一（3），所述焊料反应层一（3）的上方通过焊料连接层一（2）连接有铜合金层一（1），所述氮化硅陶瓷层（4）的底部设置有焊料反应层二（5），所述焊料反应层二（5）的下方通过焊料连接层二（6）连接铜合金层二（7），将各层装夹成叠层结构，叠层结构放置在真空钎焊炉中钎焊成氮化硅覆铜陶瓷基板，本发明使焊缝界面结构更易成型，能够减少焊料中IMC金属间化合物脆性材料的生成，更易形成特定的焊缝结构，对焊接覆铜陶瓷基板有较高的适配度。
Description
技术领域
本发明属于陶瓷覆铜基板技术领域，特别涉及一种无银低CTE氮化硅覆铜陶瓷基板结构及制备方法。
背景技术
陶瓷基板覆铜是将高导电率无氧铜在高温下直接键合到陶瓷基板表面而形成的一种复合金属陶瓷基板，它既具有陶瓷的高导热性、高电绝缘性、高机械强度、低膨胀等特性，又具有无氧铜的高导电性和优异的焊接性能，是电力电子领域功率模块封装连接芯片与散热衬底的关键材料。
通常采用AgCuTi焊料与铜片和氮化硅，装夹成三明治结构后进行真空钎焊。由于焊料的厚度、焊料中银扩散问题、焊料熔融状态的流动等因素的影响，使用AgCuTi浆料钎焊的焊料层结构不均匀，在使用状态下，银的电迁移和焊料的CTE（热膨胀系数）都对后续产品的可靠性有很大影响，Ag迁移造成焊料层不均匀，对后续蚀刻和可靠性都有影响，贵金属Ag使得物料成本提高，并且在后段蚀刻工艺中存在有环境污染的风险。
发明内容
发明目的：本发明的目的是为了解决现有技术中的不足，提供一种无银低CTE氮化硅覆铜陶瓷基板结构及制备方法。
一种无银低CTE氮化硅覆铜陶瓷基板结构，包括氮化硅陶瓷层，氮化硅陶瓷层的顶部设置有焊料反应层一，焊料反应层一的上方通过焊料连接层一连接有铜合金层一，氮化硅陶瓷层的底部设置有焊料反应层二，焊料反应层二的下方通过焊料连接层二连接铜合金层二；
铜合金层一和铜合金层二为铜与低熔点金属的合金；焊料反应层一和焊料反应层二为活性金属与氮化硅陶瓷反应生成的氮化层，氮化层由接近陶瓷的多活性金属合金焊料或焊片层与陶瓷反应所得；焊料连接层一和焊料连接层二为少或无活性金属焊料或焊片层与铜和少量的活化金属合金反应所得，焊料连接层一和焊料连接层二无Ag合金。
本发明的进一步改进在于，活性金属为Ti、Zr、Hf中的一种元素，主要为Ti元素。
本发明的进一步改进在于，低熔点金属为Sn, Al, In, Bi中的一种元素。
本发明的进一步改进在于，焊料连接层一和焊料连接层二加入适量的同源氮化物陶瓷粉。
本发明的进一步改进在于，氮化层的厚度为1～3μm。
本发明的进一步改进在于，焊料连接层一和焊料连接层二的厚度为3～6μm。
本发明的进一步改进在于，焊料连接层一、焊料连接层二为铜钛和低熔点金属合金，焊料连接层一、焊料连接层二的热膨胀系数为9-12 ppm/℃。
本发明的进一步改进在于，铜合金层一和铜合金层二将焊料中的低熔点金属在烧结过程中迁移至铜中，铜合金层一和铜合金层二的热膨胀系数为12～15 ppm/℃。
一种制备无银低CTE氮化硅覆铜陶瓷基板的方法，具体步骤包括：
步骤一、将多成分活性金属合金层一与Si3N4层反应生成焊料反应层一，将少成分活性金属合金层一与Cu层一下方的低熔点Cu合金层一反应得到焊料连接层一；
与此同时，将多成分活性金属合金层二与Si3N4层反应生成焊料反应层二，将少成分活性金属合金层二与Cu层二上方的低熔点Cu合金层二反应得到焊料连接层二；
步骤二、装夹成铜合金层一-焊料连接层一-焊料反应层一-氮化硅陶瓷层-焊料反应层二-焊料连接层二-铜合金层二的叠层结构，将叠层结构放置在工装夹具中，给叠层结构施加均匀的压力；
步骤三、将步骤二中的叠层结构放置在真空钎焊炉中钎焊成氮化硅覆铜陶瓷基板。
与现有技术相比，本发明提供的一种无银低CTE氮化硅覆铜陶瓷基板结构及制备方法，至少实现了如下的有益效果：
1.通过两层及以上膏状或片状的合金焊料使焊缝界面结构更易成型，可以减少焊料中IMC金属间化合物脆性材料的生成，且钎焊机理为达到一定温度条件，较低熔点的焊料液化使得更多的合金融入，使其活化后可以更好的浸润陶瓷与陶瓷反应，多层焊料对应的工艺参数较单层焊料更低，更易形成特定的焊缝结构，对焊接覆铜陶瓷基板有较高的适配度；
2.形成CTE递减的覆铜陶瓷基板结构，提高了覆铜陶瓷基板的可靠性，弥补了Cu材与Si3N4陶瓷间较大的CTE差值，起到缓冲和消除残余应力的作用；
3.解决了银基覆铜陶瓷基板的银的电迁移影响，其铜-焊料-陶瓷区的CTE呈递减趋势，减小了成本，避免了贵金属污染问题，无贵金属Ag对产品图形化和后端性能应用有优势。
附图说明
被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同其说明一起用于解释本发明的原理。
图1是铜基无银焊料覆铜陶瓷基板产品界面结构图；
图2是产品烧结焊料叠放次序成分结构图。
附图标记：1-铜合金层一、2-焊料连接层一、3-焊料反应层一、4-氮化硅陶瓷层、5-焊料反应层二、6-焊料连接层二、7-铜合金层二、a-Cu层一、b-低熔点Cu合金层一、c-少成分活性金属合金层一、d-多成分活性金属合金层一、e-Si3N4层、f-多成分活性金属合金层二、g-少成分活性金属合金层二、h-低熔点Cu合金层二、i-Cu层二。
具体实施方式
现详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。
实施例
如图1-2所示，一种无银低CTE氮化硅覆铜陶瓷基板结构，包括氮化硅陶瓷层4，氮化硅陶瓷层4的顶部设置有焊料反应层一3，焊料反应层一3的上方通过焊料连接层一2连接有铜合金层一1，氮化硅陶瓷层4的底部设置有焊料反应层二5，焊料反应层二5的下方通过焊料连接层二6连接铜合金层二7；
铜合金层一1和铜合金层二7为铜与低熔点金属的合金；焊料反应层一3和焊料反应层二5为活性金属与氮化硅陶瓷反应生成的氮化层，该氮化物层具有致密性，脆性大并且硬度大，氮化层由接近陶瓷的多活性金属合金焊料或焊片层与陶瓷反应所得；焊料连接层一2和焊料连接层二6为少或无活性金属焊料或焊片层与铜和少量的活化金属合金反应所得，焊料连接层一2和焊料连接层二6无Ag合金。
本发明的进一步改进在于，活性金属为Ti、Zr、Hf中的一种元素，主要为Ti元素。
本发明的进一步改进在于，低熔点金属为Sn, Al, In, Bi中的一种元素。
本发明的进一步改进在于，焊料连接层一2和焊料连接层二6加入适量的同源氮化物陶瓷粉，既可降低焊料层的CTE，又可起到弥散强化去除烧结残余应力的作用。
本发明的进一步改进在于，氮化层的厚度为1～3μm。
本发明的进一步改进在于，焊料连接层一2和焊料连接层二6的厚度为3～6μm。
本发明的进一步改进在于，焊料连接层一2、焊料连接层二6为铜钛和低熔点金属合金，焊料连接层一2、焊料连接层二6的热膨胀系数为9-12 ppm/℃。
本发明的进一步改进在于，铜合金层一1和铜合金层二7将焊料中的低熔点金属在烧结过程中迁移至铜中，铜合金层一1和铜合金层二7的热膨胀系数为12～15 ppm/℃。
一种制备无银低CTE氮化硅覆铜陶瓷基板的方法，具体步骤包括：
步骤一、将多成分活性金属合金层一d与Si3N4层e反应生成焊料反应层一3，将少成分活性金属合金层一c与Cu层一a下方的低熔点Cu合金层一b反应得到焊料连接层一2；
与此同时，将多成分活性金属合金层二f与Si3N4层e反应生成焊料反应层二5，将少成分活性金属合金层二g与Cu层二i上方的低熔点Cu合金层二h反应得到焊料连接层二6；
步骤二、装夹成铜合金层一1-焊料连接层一2-焊料反应层一3-氮化硅陶瓷层4-焊料反应层二5-焊料连接层二6-铜合金层二7的叠层结构，将叠层结构放置在工装夹具中，给叠层结构施加均匀的压力；
步骤三、将步骤二中的叠层结构放置在真空钎焊炉中钎焊成氮化硅覆铜陶瓷基板。
对比例1：
使用通过印刷方式将AgCuTi活性钎焊料涂装在氮化硅陶瓷基板表面，活性钎焊层厚度约20微米。将铜与氮化硅陶瓷装夹成铜-活性焊料-氮化硅陶瓷-活性焊料-铜的叠层结构，将叠层结构放置在工装夹具中，还是通过Cu+印刷后的陶瓷+Cu三明治结构进行叠放烧结，烧结条件: 压强为10Kg/cm2 ，使用热压烧结炉，以10℃/min的速率升温到860℃的条件下进行烧结，整个烧结时间为10min，烧结过程在真空条件下进行，真空度为5×10 -3 Pa，保温30min降至室温，烧结完成后降温至室温取出样品。
本申请的烧结条件：烧结温度为920℃，保温80min 。
对比例2：
使用厚度为10微米的铜锆合金薄片作为预制成型焊片，放置在铜与氮化硅陶瓷之间，装夹成铜-铜锆合金焊片-氮化硅陶瓷-铜锆合金焊片-铜的叠层结构，将叠层结构放置在工装夹具中，在叠层结构的铜面上施加均匀的压力，压强为1kg/cm 2 。将上述的叠层结构放置在真空烧结炉中以10℃/min的速率升温到980℃，保温60min，降温至室温。其中，使用的铜锆合金薄片中，活性金属元素锆的含量为50wt％。制备得到的氮化硅覆铜陶瓷基板自上而下分别为铜，连接层，反应层，氮化硅陶瓷，反应层，连接层和铜，反应层厚度为1-2微米，连接层厚度为4-7微米，连接层中活性金属元素锆的含量为37wt％,氮元素2wt％。
对比例3：
使用厚度为20微米的铜铪合金薄片作为预制成型焊片，放置在铜与氮化硅陶瓷之间，装夹成铜-铜铪合金焊片-氮化硅陶瓷-铜铪合金焊片-铜的叠层结构，将叠层结构放置在工装夹具中，在叠层结构的铜面上施加均匀的压力，压强为0.6kg/cm 2 。将上述的叠层结构放置在真空烧结炉中以10℃/min的速率升温到1060℃，保温60min，降温至室温。其中，使用的铜铪合金薄片中，活性金属元素铪的含量为25wt％。制备得到的氮化硅覆铜陶瓷基板自上而下分别为铜，连接层，反应层，氮化硅陶瓷，反应层，连接层和铜，反应层厚度为2-3微米，连接层厚度为11-18微米，连接层中活性金属元素铪的含量为16wt％,氮元素6wt％。
对比实验结果如表1：
| 对比例1 | 对比例2 | 对比例3 | 实施例1 | |
| 铜瓷界面的剥离强度 | 10-18N/mm | 9-14N/mm | 9-14N/mm | 9-12N/mm |
| 产品可靠性（-55-150℃） | >3000次 | >5000次 | >5000次 | >6000次 |
综上所述，本发明提供的一种无银低CTE氮化硅覆铜陶瓷基板结构及制备方法，通过两层及以上膏状或片状的合金焊料使焊缝界面结构更易成型，减少焊料中IMC金属间化合物脆性材料的生成，且钎焊机理为达到一定温度条件，较低熔点的焊料液化使得更多的合金融入，使其活化后可以更好的浸润陶瓷与陶瓷反应，多层焊料对应的工艺参数较单层焊料更低，更易形成特定的焊缝结构，对焊接覆铜陶瓷基板有较高的适配度；形成CTE递减的覆铜陶瓷基板结构，提高了覆铜陶瓷基板的可靠性，弥补了Cu材与Si3N4陶瓷间较大的CTE差值，起到缓冲和消除残余应力的作用；解决了银基覆铜陶瓷基板的银的电迁移影响，其铜-焊料-陶瓷区的CTE呈递减趋势，减小了成本，避免了贵金属污染问题。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (9)
1.一种无银低CTE氮化硅覆铜陶瓷基板结构，其特征在于，包括氮化硅陶瓷层（4），所述氮化硅陶瓷层（4）的顶部设置有焊料反应层一（3），所述焊料反应层一（3）的上方通过焊料连接层一（2）连接有铜合金层一（1），所述氮化硅陶瓷层（4）的底部设置有焊料反应层二（5），所述焊料反应层二（5）的下方通过焊料连接层二（6）连接铜合金层二（7）；
所述铜合金层一（1）和铜合金层二（7）为铜与低熔点金属的合金；所述焊料反应层一（3）和焊料反应层二（5）为活性金属与氮化硅陶瓷反应生成的氮化层，所述氮化层由接近陶瓷的多活性金属合金焊料或焊片层与陶瓷反应所得；所述焊料连接层一（2）和焊料连接层二（6）为少或无活性金属焊料或焊片层与铜和少量的活化金属合金反应所得，所述焊料连接层一（2）和焊料连接层二（6）无Ag合金。
2.根据权利要求1所述的一种无银低CTE氮化硅覆铜陶瓷基板结构，其特征在于，
所述活性金属为Ti、Zr、Hf中的一种元素，主要为Ti元素。
3.根据权利要求1所述的一种无银低CTE氮化硅覆铜陶瓷基板结构，其特征在于，
所述低熔点金属为Sn, Al, In, Bi中的一种元素。
4.根据权利要求1所述的一种无银低CTE氮化硅覆铜陶瓷基板结构，其特征在于，
所述焊料连接层一（2）和焊料连接层二（6）加入适量的同源氮化物陶瓷粉。
5.根据权利要求1所述的一种无银低CTE氮化硅覆铜陶瓷基板结构，其特征在于，
所述氮化层的厚度为1～3μm。
6.根据权利要求1所述的一种无银低CTE氮化硅覆铜陶瓷基板结构，其特征在于，
所述焊料连接层一（2）和焊料连接层二（6）的厚度为3～6μm。
7.根据权利要求6所述的一种无银低CTE氮化硅覆铜陶瓷基板结构，其特征在于，
所述焊料连接层一（2）、焊料连接层二（6）为铜钛和低熔点金属合金，所述焊料连接层一（2）、焊料连接层二（6）的热膨胀系数为9-12 ppm/℃。
8.根据权利要求1所述的一种无银低CTE氮化硅覆铜陶瓷基板结构，其特征在于，
所述铜合金层一（1）和铜合金层二（7）由焊料中的低熔点金属在烧结过程中迁移至铜中，所述铜合金层一（1）和铜合金层二（7）的热膨胀系数为12～15 ppm/℃。
9.一种制备权利要求1-8任一所述的一种无银低CTE氮化硅覆铜陶瓷基板的方法，其特征在于，具体步骤包括：
步骤一、将多成分活性金属合金层一（d）与Si3N4层（e）反应生成焊料反应层一（3），将少成分活性金属合金层一（c）与Cu层一（a）下方的低熔点Cu合金层一（b）反应得到焊料连接层一（2）；
与此同时，将多成分活性金属合金层二（f）与Si3N4层（e）反应生成焊料反应层二（5），将少成分活性金属合金层二（g）与Cu层二（i）上方的低熔点Cu合金层二（h）反应得到焊料连接层二（6）；
步骤二、装夹成铜合金层一（1）-焊料连接层一（2）-焊料反应层一（3）-氮化硅陶瓷层（4）-焊料反应层二（5）-焊料连接层二（6）-铜合金层二（7）的叠层结构，将叠层结构放置在工装夹具中，给叠层结构施加均匀的压力；
步骤三、将步骤二中的叠层结构放置在真空钎焊炉中钎焊成氮化硅覆铜陶瓷基板。
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|---|---|---|---|---|
| CN119517748A (zh) * | 2024-11-12 | 2025-02-25 | 江苏富乐华功率半导体研究院有限公司 | 一种高可靠性氮化硅amb基板的界面结构及其制备方法 |
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