01.引言
氮化鋁(AlN)陶瓷是近年來(lái)電子工業(yè)中一種十分熱門的材料，氮化鋁(AlN)的晶格結(jié)構(gòu)是由鋁原子和氮原子交替排列形成的，這種共價(jià)鍵的結(jié)構(gòu)使得氮化鋁具有優(yōu)異的熱電性能、導(dǎo)熱性能和機(jī)械性能，適用于各種高溫、高頻和高功率應(yīng)用。近些年來(lái)氮化鋁陶瓷基板因其優(yōu)異的熱電性能被廣泛應(yīng)用于航空電子領(lǐng)域。
氮化鋁陶瓷在綜合性能上表現(xiàn)出更加優(yōu)異的特點(diǎn)，具有以下顯著優(yōu)勢(shì)：高導(dǎo)熱率(比氧化鋁陶瓷高5-10倍)、出色的電絕緣性能、與硅的熱膨脹系數(shù)相近、較高的機(jī)械強(qiáng)度、優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和無(wú)毒等一系列優(yōu)良特性。此外，在極端溫度環(huán)境下，氮化鋁陶瓷表現(xiàn)出的抗熱沖擊性能，適用于各種惡劣的高溫工作環(huán)境，并且與氧化鈹陶瓷相比，氮化鋁粉體不具有毒性。因此氮化鋁陶瓷被視為新一代大功率電子器件封裝的理想材料[1-3]，并有逐步取代劇毒氧化鈹陶瓷和低性能氧化鋁陶瓷的強(qiáng)勁趨勢(shì)[1]。
AlN合成始于1862年，當(dāng)時(shí)曾作為一種固氮?jiǎng)┦褂茫?0世紀(jì)50年代出現(xiàn)了AlN陶瓷材料，70年代中后期，制備出致密的AlN陶瓷，90年代初，出現(xiàn)了高質(zhì)量的AlN封裝基片[4-5]。
為了封裝結(jié)構(gòu)的密封，元器件搭載及輸入、輸出端子的連接等目的，AlN陶瓷基板表面及內(nèi)部均需金屬化，AlN陶瓷的金屬化也是AlN陶瓷應(yīng)用研究的一項(xiàng)重要課題。
02.常見(jiàn)金屬化工藝及研究進(jìn)展
目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)出的AlN陶瓷金屬化方法主要有：薄膜金屬化(如Ti/Pt/Au)、厚膜金屬化(低溫金屬化、高溫金屬化)、化學(xué)鍍金屬化(如Ni)、直接覆銅法(DBC)等[1]。
2.1 薄膜金屬化[6]
薄膜金屬化是利用真空蒸鍍、濺射法等氣相沉積方法將金屬材料氣化并附著在陶瓷表面形成一層金屬薄膜，再經(jīng)過(guò)掩膜、刻蝕等流程形成金屬化電路圖案的工藝。
理論上，該工藝可以通過(guò)蒸鍍或?yàn)R射的方式在各種材料的基板上形成微米級(jí)的均勻金屬薄膜。但由于陶瓷與金屬銅之間的熱膨脹系數(shù)存在較大差異，直接在氮化鋁陶瓷上覆銅會(huì)使金屬層與陶瓷層存在較大的應(yīng)力，影響鍍層與陶瓷的粘結(jié)強(qiáng)度與基板的熱循環(huán)穩(wěn)定性。因此，近年來(lái)多層沉積方法逐漸流行，第 一層一般是Ti層，第二層選擇Cu、Ag、Au等金屬，當(dāng)位錯(cuò)在單層中的滑移與相互作用由于較大的內(nèi)應(yīng)力轉(zhuǎn)移到另一層時(shí)，金屬層內(nèi)的內(nèi)應(yīng)力也會(huì)得到釋放。
薄膜金屬化質(zhì)量高，粘結(jié)強(qiáng)度大，鍍層均勻，圖形加工精細(xì)，但這種方法只能加工很薄的金屬層，并且制備工藝相對(duì)復(fù)雜，包括表面處理、金屬沉積和后續(xù)處理等多個(gè)步驟，需要嚴(yán)格控制工藝參數(shù)，導(dǎo)致生產(chǎn)制造成本較高，嚴(yán)重制約了其發(fā)展。
2.2 厚膜金屬化
厚膜金屬化法，是在陶瓷基板上通過(guò)絲網(wǎng)印刷形成封接用金屬層、導(dǎo)體(電路布線)及電阻等，經(jīng)燒結(jié)形成釬焊金屬層、電路及引線接點(diǎn)等。厚膜漿料一般由粒度為1.5μm的金屬粉末，添加百分之幾的粘結(jié)劑，再加有機(jī)載體(包括有機(jī)溶劑、增稠劑和表面活性劑等)，經(jīng)球磨混煉而成。厚膜金屬化的步驟一般包括：圖案設(shè)計(jì)和原圖、漿料的制備、絲網(wǎng)印刷、干燥與燒結(jié)[11-12]。
厚膜金屬化利用絲網(wǎng)印刷的原理如圖所示，首先，在氮化鋁陶瓷基片附著上封裝所需的金屬層或電阻等電子元件。緊接著，金屬層與電阻等電子元件經(jīng)過(guò)高溫?zé)Y(jié)加工粘結(jié)在陶瓷基片表面，實(shí)現(xiàn)了各部分的牢固連接。這種工藝在電子器件封裝和電路布線中具有廣泛的應(yīng)用。導(dǎo)電漿料是影響厚膜金屬化質(zhì)量的關(guān)鍵，其成分主要由金屬粉末(1~5μm)玻璃、粘結(jié)劑、有機(jī)載體球磨混合組成[9]。
厚膜金屬化方法適用的陶瓷種類眾多，工藝簡(jiǎn)單[10]。受限于絲網(wǎng)尺寸以及導(dǎo)電漿料，難以加工60μm以下線寬的導(dǎo)線，金屬層電學(xué)性能與粘結(jié)性能較差，只適用于功率和尺寸要求較低的電子器件，氮化鋁厚膜金屬化所需的導(dǎo)電漿料仍然比較缺乏，市面上成熟的漿料配方并不適用，否則界面會(huì)出現(xiàn)起泡。
2.3 直接覆銅法(DBC)
直接覆銅法指通過(guò)熱壓或高溫壓合將銅箔直接鍵合在氮化鋁基板表面的金屬化技術(shù)。直接覆銅法技術(shù)首先由Sun和Burgess于1975年開(kāi)發(fā)。該方法被應(yīng)用于氧化鋁陶瓷的金屬化，隨著氮化鋁陶瓷的出現(xiàn)推廣，該工藝逐漸應(yīng)用到氮化鋁陶瓷的金屬化。
由于氮化鋁陶瓷的共價(jià)鍵較強(qiáng)，潤(rùn)濕性較差，該工藝的關(guān)鍵步驟就是引入氧元素在氮化鋁表面形成Al2O3薄層，因此粘結(jié)強(qiáng)度與氧化溫度和氧化時(shí)間密切相關(guān)。氮化鋁陶瓷直接覆銅法基本步驟是將銅箔放在氮化鋁基片表面，并在界面增加適量的O元素，將樣品置于1070℃左右的惰性氣體環(huán)境進(jìn)行中高溫熔煉如圖所示，在此過(guò)程中，銅箔的一側(cè)將形成一種Cu-O共晶熔體，使其能夠潤(rùn)濕Cu與Al2O3陶瓷。隨后反應(yīng)得到中間相(CuAlO2或CuAl2O4)從而實(shí)現(xiàn)陶瓷基板和銅箔的化學(xué)冶金結(jié)合[7-8]。
直接覆銅法制備的AlN陶瓷基板具備優(yōu)異的絕緣性、高散熱速率和較高的硬度等優(yōu)點(diǎn)，能夠承載較大電流，是主流的金屬化方法之一，廣泛應(yīng)用于大功率LED封裝領(lǐng)域。但這種金屬化方法也存在一定的不足：需要通過(guò)高溫預(yù)氧化陶瓷基片和金屬層表面，基板的粘結(jié)強(qiáng)度與對(duì)氧化層的厚度比較敏感，可能會(huì)因過(guò)厚的氧化層與陶瓷基片間的熱膨脹差異而導(dǎo)致微裂紋的產(chǎn)生，粘結(jié)強(qiáng)度也會(huì)因氧化層厚度的降低而減少。該工藝對(duì)加工設(shè)備的要求和加工工藝較高，這將提高加工成本[3]。
2.4 直接鍍Cu金屬化法(DPC)[12-14]
DPC是在陶瓷表面注入種子層再通過(guò)電鍍使銅層達(dá)到一定厚度，種子層的注入是利用物理氣相沉積(磁控濺射與真空蒸鍍等)方法在陶瓷表面沉積一層金屬層。物理氣相沉積屬于低溫工藝(300℃以下)，完全避免了高溫對(duì)材料或結(jié)構(gòu)的不利影響，也降低了制造工藝成本，但是此時(shí)制備的基板也有不足，例如，載流能力差，通常在幾至幾十安培。
金屬薄膜與陶瓷的結(jié)合力決定了陶瓷基板的實(shí)用性與可靠性，結(jié)合力則受到范德華力和化學(xué)鍵力等影響，其中，化學(xué)鍵力為主要因素。因此，選用鉻(Cr)、鈦(Ti)、鋁(Al)和銅(Cu)等一些活性較高、有一定擴(kuò)散率的金屬作為過(guò)渡層可以達(dá)到較好的附著性能。從導(dǎo)電性能考慮，應(yīng)選擇銅(Cu)、銀(Ag)和金(Au)等低電阻率的金屬;從焊接性能的要求來(lái)考慮，應(yīng)使用鎳(Ni)和銅(Cu)等高溫穩(wěn)定的金屬。
DPC有以下特點(diǎn)：工藝操作溫度低，一般在300℃以下，有效避免了高溫對(duì)材料的不利影響;電鍍沉積Cu層的厚度有限;鍍液對(duì)環(huán)境污染大;金屬層與陶瓷層的結(jié)合強(qiáng)度相對(duì)低，導(dǎo)致基板的可靠性較低。
2.5 氮化鋁激光活化
氮化鋁激光活化是指利用合適能量的激光的高溫分解氮化鋁陶瓷，從而在氮化鋁陶瓷基片表面析出鋁層的一種金屬化方法。激光活化后可經(jīng)過(guò)鍍銅等增厚方法增加金屬層厚度。該方法可以直接在氮化鋁陶瓷表面畫出金屬線路，并且通過(guò)該方法直接加工出的金屬線路無(wú)需二次處理，所以在氮化鋁陶瓷基板的生產(chǎn)中得到了廣泛使用。
03.結(jié)語(yǔ)
AlN陶瓷的金屬化方法上面提到許多，包括薄膜金屬化、厚膜金屬化、化學(xué)鍍金屬化、直接覆銅法及激光金屬化等。每種金屬化方法都有其各自的優(yōu)缺點(diǎn)，薄膜金屬化方法加工的金屬層質(zhì)量較高、均勻性良好，但是該工藝受限于高成本的缺點(diǎn)難以大批量加工;厚膜金屬化工藝較為簡(jiǎn)單適用于小批量生產(chǎn)，但是金屬層與氮化鋁陶瓷表面的粘合強(qiáng)度較低;直接覆銅法的金屬層導(dǎo)熱性能與機(jī)械強(qiáng)度較好，粘結(jié)強(qiáng)度較高、適用于大批量生產(chǎn)，但是加工條件較難控制[3];激光金屬化具有工藝步驟少、成本低、效率高、設(shè)備維護(hù)簡(jiǎn)單等諸多優(yōu)點(diǎn)，但是，激光金屬化也同樣面臨著許多問(wèn)題，如：金屬化層表面生成團(tuán)聚物并呈多孔性，金屬化層的附著性差和金屬厚度不均等[15]。
針對(duì)這些問(wèn)題，許多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究并提出了解決的辦法，如就激光金屬化的問(wèn)題，選用不同種類的激光器，選用平頂光束來(lái)改善能量分布以及改變實(shí)驗(yàn)的氣體氛圍，通過(guò)這些方法，激光金屬化的效果得到了明顯的改善[15]。因此，隨著研究的深入，AlN陶瓷金屬化的問(wèn)題有望逐一得到解決，相關(guān)技術(shù)在生產(chǎn)實(shí)踐中的應(yīng)用也會(huì)越來(lái)越廣泛。
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