直接覆銅陶瓷板界面及其高溫行為研究

  本研究利用大電流高密度等離子體濺射沉積技術,在Al_2O_3和AlN陶瓷板的表面沉積不同的過渡層和銅層,經(jīng)電鍍將真空濺射銅層進行加厚,實現(xiàn)陶瓷基板金屬化。通過界面結合強度測試,分析了不同過渡層對界面結合強度的影響;利用SEM、DTA、XRD等研究了直接覆銅陶瓷板截面形貌及在高溫退火后的界面行為。結果表明,與無過渡層和AlO_x過渡層相比Cr、Ti可大幅度提高界面粘附強度,在550℃退火后Cr和Ti在界面處和銅層發(fā)生合金化作用,甚至生成金屬間化合物,Cr和Ti元素與Al_2O_3和AlN基體以及銅層具有強的相互作用,過渡層的引入可大幅度提高覆銅層和陶瓷的結合強度,從而有效提高陶瓷覆銅板的使用可靠性。

直接鍍銅陶瓷基板是散熱基板的一個種類,該基板在功率型發(fā)射器、光伏器件、IGBT模塊、功率型晶閘管、諧振器基座、半導體封裝載板等大功率光電及半導體器件領域均有廣泛的應用。但受制于Cu鍍層與陶瓷基板間的結合強度及Cu鍍層氧化等問題,目前此項技術仍然處于基礎研究與試用階段。

直接鍍銅陶瓷基板的制造工藝是在高導熱Al2O3和AlN陶瓷板上以掩?？涛g的方式制備金屬線路,線路精度高、表面粗糙度小、線路對位精準度誤差值僅±1%,具備了高導熱系數(shù)、高線路精準度、高表面平整度的特性,非常適用于高功率且小尺寸的封裝基板[4]。該制造工藝結合了薄膜制備和電鍍工藝,與傳統(tǒng)陶瓷基板制作有很大不同。

但另一方面,由于該工藝需要在陶瓷表面直接形成金屬化銅層,兩層材料分別為金屬材料和非金屬材料,而二者具有完全不同的材料屬性[2],尤其是陶瓷和銅之間存在較大的熱膨脹系數(shù)差異以及較差的潤濕性能[5,6],這使得陶瓷基板在多次高低溫冷熱循環(huán)后極易出現(xiàn)氣泡、翹起、脫層等失效行為,影響器件的性能及使用范圍。

在界面處添加粘附層是解決陶瓷基板與銅層之間結合強度低的重要途徑,并且要求過渡層在界面處形成化學鍵合,從而促進界面結合,過渡層材料的選擇通常從提高金屬膜層與基板的結合力和陶瓷與金屬膜層反應性的高低的考慮,針對不同基底材料的表面金屬化,不同材料也有不同的特性,強度也會有較大差異。

到目前為止,關于過渡層在高溫情況下的行為及陶瓷覆銅板的可靠性研究報道較少,本研究在典型的Al2O3和AlN陶瓷基板與銅的界面處添加設計了Cr、Ti、AlOx三種過渡層,通過比較不同的過渡層體系對界面的作用及結合強度、過渡層在高溫熱處理的變化、研究過渡層的作用機理和高溫穩(wěn)定性,以達到提高覆銅基板可靠性的目的。結果表明Cr、Ti過渡層元素在550℃熱處理后在界面處發(fā)生明顯變化,與表面銅層反應形成合金,界面的粘接強度增加,提高了陶瓷基板的可靠性,為陶瓷基板可靠性的提高提供了新的途徑。

一，實驗

   1.1 制備方法

本項目利用大功率等離子體濺射技術在陶瓷表面沉積各種金屬及金屬氧化物涂層,然后經(jīng)電鍍方法對真空沉積的金屬涂層進行加厚,最終達到使用要求的導電層的厚度。圖1為真空室內(nèi)各靶材的布置示意圖。

圖1 真空沉積裝置示意圖

具體工藝流程如下:(1)用等離子體清洗刻蝕陶瓷片表面,使其達到原子級清潔;(2)分別沉積Ti、Cr、AlOx過渡層,厚度為20~200nm;(3)用2-4套濺射靶沉積Cu層,厚度大于6μm,為電鍍Cu提供種子層;(4)根據(jù)要求對濺射Cu種子層進行加厚至所需厚度。

通過以上工藝制備出Al2O3和AlN陶瓷基板,為表述方便,本文按過渡層種類和基板材料種類作如表1所示的樣品編號。

                        表1 過渡層、種子銅層及電鍍加厚銅層的制備工藝參數(shù)  

     注:An(n=1,2,3,4)表示Al2O3為基體樣品,Bn(n=1,2,3,4)表示AlN為基體的樣品;所有樣品鍍膜只是改變過渡層種類,其它工藝保持不變,沉積溫度為300℃。

     1.2 過渡層的選擇

本研究制備的覆銅基板在陶瓷與銅層之間加入的過渡層,以提高表面銅層與陶瓷基板間的粘接強度。Al2O3和AlN陶瓷中包含Al、O、N元素,在選擇過渡層的種類時應考慮過渡層元素與上述元素以及Cu元素的相互作用,也就是鍵合能或親和力。本研究選擇了Ti、Cr、AlOx為過渡層,各個元素間的鍵能如表2所示,由此可見,Ti、Cr、Al與Cu、N、O均具有很強的鍵合能。

                                       表2 不同元素之間的化學鍵能

    1.3 實驗方法

為研究銅層與陶瓷基板的結合強度,本文將銅線與不同過渡層試樣樣品銅層用錫焊連接牢固,分別固定在拉伸機兩端進行拉脫強度測試實驗,利用掃描電鏡(SEM)、X射線衍射(XRD)等對其截面形貌及熱處理界面結構進行了分析測試。

陶瓷基板以其高熱導率為特點,同時陶瓷基板常常在高溫下使用,有時使用溫度高于350℃,所以,陶瓷基板的熱穩(wěn)定性尤為重要。實驗中將不同過渡層的陶瓷基板進行了550℃的熱處理,利用XRD對其熱處理界面結構進行了分析測試,并通過表面顏色的變化觀察過渡層在金屬層中的擴散情況。

    二，結果和討論

    2.1 試樣的組織分析

利用場發(fā)射SEM,對等離子體真空鍍制的Al2O3覆銅板的樣品的界面進行組織和成分的分析。由圖2可知,濺射金屬層的組織均勻,未見明顯缺陷,由于過渡層濺射時間只有5min,在現(xiàn)有放大倍數(shù)下未顯現(xiàn)。由圖2(a)、(b)、(d)可知,在樣品的銅層和Al2O3陶瓷之間存在明顯的空隙,這說明過渡層與Al2O3陶瓷基體之間結合力較低,導致制作截面樣品時,銅層容易翹起。圖3(b)、(c)、(d)中觀察到了同樣的現(xiàn)象。由圖3的AlN截面形貌觀察可知組織形態(tài)與Al2O3基板形貌類似。

                  圖2 不同過渡層Al2O3覆銅陶瓷基板截面形貌對比

             圖3 不同過渡層AlN覆銅陶瓷基板斷口解理對比 

    2.2 陶瓷覆銅板界面粘結強度

本研究采用拉脫法測量金屬層與陶瓷的粘接強度,將直徑為3mm的銅線錫焊在覆銅陶瓷板金屬層表面,焊點直徑為4 mm。將樣品的陶瓷面和金屬面兩側(cè)分別固定在夾具上,再安裝在拉伸機的兩端,進行加載拉伸,當焊點斷開時記錄施加的拉力,用此拉力表征金屬層與陶瓷的粘接強度,各樣品的拉脫強度如表3所示。

 表3 Al2O3和AlN覆銅基板拉脫強度 

上述拉脫強度測試結果表明,對于Al2O3基體,Ti過渡層樣品的拉脫強度最高,沒有過渡層的拉脫強度最低,其拉脫強度排列順序:Ti>Cr>AlOx>無過渡層。對于AlN基體,其拉脫強度與Al2O3基體有所不同:Ti過渡層樣品與Cr過渡層樣品效果基本相同,AlOx過渡層樣品與無過渡層樣品基本相同,這表明過渡層與陶瓷基底的不同相互作用有直接相關。

對于無過渡層樣品,雖然Cu原子與Al、O原子均具有很強的鍵合能,但由于陶瓷內(nèi)的Al原子與O或N原子在制備陶瓷基板過程中已經(jīng)形成飽和鍵,加之Cu原子的金屬性較Al弱,很難與Cu原子再發(fā)生反應形成新的鍵合,所以顯示出較低的結合強度,本研究還設計了非化學計量的氧化鋁過渡層,由實驗表明,該過渡層對AlN基板具有明顯的作用,而對Al2O3基板的作用不明顯,這個現(xiàn)象反應出陶瓷基體內(nèi)的N、O原子與過渡層元素之間的作用不同。

2.3 陶瓷基板熱分析研究及熱處理對過渡層的影響

陶瓷基板以其高熱導率為特點,常常在高溫下使用,有時使用溫度高于350℃,所以陶瓷基板的熱穩(wěn)定性尤為重要。首先,對不同過渡層的基板進行差熱分析(DTA),圖4所示為不同過渡層Al2O3和AlN為基體的覆銅板的DTA曲線。

圖4 Al2O3和AlN覆銅基板的DTA曲線

上述測量結果表明,在低于550℃的情況下,基體和覆銅層均未發(fā)生明顯相變反應,加熱溫度高于550℃后,Al2O3和AlN覆銅板均出現(xiàn)明顯的放熱吸熱變化,說明其結構發(fā)生明顯的變化;當溫度達到1000℃時(銅的熔點為1083.4℃),所有覆銅基板都出現(xiàn)了吸熱峰。

為了研究覆銅陶瓷基板在高溫下的組織結構變化,以不同過渡層Al2O3覆銅板樣品為例在550℃在N2氣氛保護條件下進行熱處理保溫30min,觀察樣品的變化。如圖5所示,未電鍍加厚的陶瓷基板熱處理后的樣品表面顏色明顯不同,無過渡層和AlOX過渡層樣品仍保持原有的銅金屬色,而Cr、Ti過渡的樣品表面轉(zhuǎn)變?yōu)樯钌?。這說明Cr、Ti元素在表面銅層中發(fā)生了擴散,與銅合金化。

用XRD分析表面金屬層的結構,其衍射譜如圖6所示,在Ti過渡層樣品衍射譜中,出現(xiàn)了清晰的Cu3Ti衍射峰,由此可以明確的判斷,過渡區(qū)中的Ti原子已經(jīng)向表面銅層擴散,并且與Cu形成了新的合金相。由此可以推斷,Cr過渡層樣品雖然未出現(xiàn)新的衍射峰,表面銅層同樣的顏色變化說明Cr原子已經(jīng)向銅中擴散,形成新的固溶相或金屬間化合物。

圖5 未電鍍的Al2O3基板550℃退火樣品的表面顏色

圖6 未電鍍Al2O3基板在550℃退火后的XRD衍射譜 

圖7為經(jīng)過電鍍加厚銅層的Al2O3覆銅板樣品在550℃熱處理后的表面形貌,其中以Cr和Ti為過渡層的樣品表面完整平坦,未出現(xiàn)明顯變化,而Al過渡層和無過渡層樣品表面已經(jīng)出現(xiàn)明顯的凸起,特別是無過渡層的覆銅板凸起現(xiàn)象明顯,約占總面積的50%。 

結合前述未加厚樣品的實驗現(xiàn)象,可以推斷Cr和Ti為過渡層的加入,增強了金屬層與陶瓷的鍵合強度,金屬層的拉脫強度增強,界面的鍵合強度大于由于基體陶瓷與金屬層的熱膨脹系數(shù)差所產(chǎn)生的應力,沒有出現(xiàn)脫層現(xiàn)象;而無過渡層和AlOX過渡層的樣品,金屬層與陶瓷的鍵合較弱、拉脫強度低,在經(jīng)過550℃熱處理過程中,界面熱應力已經(jīng)達到或超過金屬層與陶瓷的鍵合強度,出現(xiàn)金屬層脫層凸起的現(xiàn)象。

如圖7(a)所示,無過渡層的樣品金屬層脫層凸起面積超過50%,在此情況下,覆銅基板出現(xiàn)嚴重失效,不能滿足器件的可靠性要求。

圖7 Al2O3覆銅基板電鍍1h后500℃熱處理結果 

 2.4 覆銅陶瓷板的耐熱沖擊性能

耐熱沖擊性是各種電子元器件的重要考核指標,將Al2O3和AlN陶瓷覆銅基板進行高低溫循環(huán)耐熱沖擊試驗,具體方式如下:-50~150℃各保持10min,共進行100個循環(huán),利用超聲波掃描成像技術觀察覆銅板的界面缺陷和空洞,如圖8所示,可知Ti過渡制備的Al2O3和AlN陶瓷覆銅板熱循環(huán)后界面無孔洞,無宏觀缺陷。

由此可見,加入Ti過渡層的Al2O3和AlN陶瓷覆銅板已滿足了器件的可靠性要求,具有良好耐熱沖擊性能。

圖8 經(jīng)過100次高低溫循環(huán)后的超生掃描圖像

  三，結論

(1)利用大功率等離子體濺射沉積和電鍍技術,成功制備了具有不同過渡層的Al2O3和AlN陶瓷覆銅板。

(2)通過實驗揭示過渡層的作用機理,即活性元素與陶瓷和導電層的原子均發(fā)生強鍵合作用,大幅度提高覆銅基板的拉脫強度和熱循環(huán)可靠性。

(3)金屬層拉脫強度的提高,促進了覆銅基板的耐熱沖擊性能,加強了陶瓷基板的可靠性。

(4)加入過渡層的陶瓷基板在550℃以下未見相結構的變化,從而滿足了陶瓷覆銅板的高溫使用性能。

(5)通過Al2O3陶瓷覆銅板在高溫550℃下退火熱處理,表明加入過渡層的樣品熱穩(wěn)定性好,過渡層和陶瓷基底之間的鍵能足以抵消由于熱膨脹系數(shù)差異引起的界面熱應力。

                                                                       來源：真空電子技術. 2016,(05)