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(shù),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(jié)合強度測試,分析了不同過渡層對界面結(jié)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(jié)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(jié)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(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用。但受制于Cu鍍層與陶瓷基板間的結(jié)合強度及Cu鍍層氧化等問題,目前此項技術(shù)仍然處于基礎(chǔ)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(jié)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(jié)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(jié)合,過渡層材料的選擇通常從提高金屬膜層與基板的結(jié)合力和陶瓷與金屬膜層反應(yīng)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(guān)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(shè)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(jié)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(jié)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(yīng)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(shù)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(yīng)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(jié)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)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(jié)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(jié)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(jié)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(guān)。

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(yīng)形成新的鍵合,所以顯示出較低的結(jié)合強度,本研究還設(shè)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(yīng)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(jié)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(yīng),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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu),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(jié)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(yīng)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(yīng)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(jié)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(shù)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(jié)論

(1)利用大功率等離子體濺射沉積和電鍍技術(shù),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(jié)構(gòu)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(yīng)力。

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