一种纳米金属膜辅助基板及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种纳米金属膜辅助基板及其制备方法，其结构包括基底、纳米金属辅助连接层、金属层、金属表面镀层；同时提供了其制备方法，其中使用物理冲击的方式将纳米级金属颗粒打入纳米金属辅助连接层中，使得小尺寸纳米金属颗粒填充到大尺寸金属颗粒的间隙，避免原有厚铜陶瓷基板高孔隙率、低键合强度等问题，同时，混入纳米金属颗粒可以降低金属平均粒径，从而降低工艺温度，减少生产成本。

A nano-metal film assistant substrate and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种纳米金属膜辅助基板及其制备方法
本专利技术涉及芯片封装互连领域，更具体地涉及复合基板的制备技术。
技术介绍
在功率电子、光电通讯等半导体领域中，半导体器件在工作时往往需承载高电压、大电流、高开关速率、高工作节温度等极端条件，随着近年来功率器件的工作电压和电流记录不断刷新，以及芯片尺寸的不断减小，功率器件整体所承受的功率密度将随之急剧增加，这对芯片封装的各个部件提出了新的挑战。作为与芯片直接接触的部分，基板(substrate)起着机械支撑、导电互联、散热管理和防止击穿等多种功能，其发展与芯片性能紧密相关。传统柔性基板或金属基板已无法满足宽禁带半导体高性能要求；与之相比金属-陶瓷复合基板(metal-ceramicsubstrate)具有良好的导热性、高绝缘性、低热膨胀系数、以及高机械强度，是功率电子关键材料。其中覆铜陶瓷基板(copper-ceramicsubstrate)因结合了铜的高导电、高导热、低成本特点，以及陶瓷高介电系数、高断裂韧性等优势，在电力电子行业获得了广泛的应用。制备金属陶瓷基板主流方案目前主要有：直接覆铜工艺(DCB或DBC)和活性金属钎焊(AMB)。其中DCB工艺是利用铜和氧化铝在低氧气浓度(低于5ppm)和1065℃左右的共晶反应在界面形成共晶相而实现金属陶瓷连接的。DCB工艺相对简单，但缺点是工艺温度过高，铜与氧化铝有较大的热膨胀系数差异，使得在制备工艺和使用过程中，金属陶瓷界面处都有产生较大热应力并导致裂纹产生的风险；同时氧化铝材料的导热率、抗弯强度、断裂韧性相对较差，导致其并不适用于未来汽车电子、电动机车和智能电网的应用。AMB工艺是利用活性金属焊料在真空或保护性气氛条件下将金属和陶瓷焊接在一起的。此工艺提高了金属陶瓷连接层的强度，并且通过使用含钛的钎焊料，使得焊接铜和具有更高性能的氮化硅陶瓷成为了可能。然而由于AMB活性钎料极易氧化，使得真空条件必不可少，因而限制了其大规模生产中的应用。现有技术一为专利公开号为EP0085914A的专利申请。其技术方案介绍了目前较为广泛使用的直接覆铜(DCB)工艺。其是通过铜与氧化铝陶瓷在高温下(约1065℃)的共晶接合原理，形成例如CuAl2O4的键合层来实现金属陶瓷的封接。然而因为金属、陶瓷本征热膨胀系数不同，在芯片高工作节温以及高开关频率逐条件下，往往会在金属-陶瓷界面处产生热应力，产生裂纹、分层风险，并最终导致失效。现有技术二为专利公开号为DE4318241A1的专利申请。其技术方案介绍了可以在基板金属层的边缘区域中引入小凹洞(dimple)结构，通过该结构释放热应力，从而延迟裂纹的出现。现有技术三为专利公开号为DE102012024063A1的专利申请，其公开了一种在铜层和陶瓷基板之间设置铝-镁层或铝-硅层作为辅助烧结层的思路，制造金属化陶瓷基板，而是附加层能够将烧接温度降低到600-700℃的范围，由此在降低制备复杂度的前提下，所得的金属陶瓷基板的稳定性也得到了改善。现有技术四为专利公开号为US2005/0051253A的专利申请，其公开了直接涂覆有若干金属导电涂层的陶瓷基板。在这些金属涂层之间印刷陶瓷浆料从而填充金属导电涂层之间的间隙。现有技术五为专利公开号为US2004/0163555A的专利申请，其公开了具有金属导电涂层的陶瓷基板，其中额外使用陶瓷浆料填充在金属导电涂层形成的电路之间的间隙。相应的陶瓷浆料的制备，是将陶瓷粉末与有机载体混合而获得。然而实验验证可知，该方案的基板仍存在基板和金属分层的问题。现有技术六为专利公开号为EP3419390A1的专利申请，其公开了一种在铜箔与陶瓷之间使用导电铜浆作为连接层的键合工艺，其中使用玻璃等作为键合辅助添加剂。在烘烤过程中，有机添加剂和溶剂将会挥发，使铜浆形成致密的铜层。其中铜浆中的铜颗粒具有D50＝0.1到20μm的粒径。在烧结过程中，玻璃添加剂会通过扩散或流动等方式到达金属-陶瓷界面，并润湿二者表面，从而形成键合。通过该工艺，热循环可靠性得到十倍以上的提升。然而该方案制备的铜层往往有过高的孔隙率、并与Si3N4高性能陶瓷暂时无法实现良好键合。根据上述公开专利，现有技术存在烧结温度高，孔隙率高，热导率差，工艺复杂，工艺条件苛刻的技术问题。
技术实现思路
为克服现有技术的不足，避免烧结温度高，孔隙率高，热导率差、工艺复杂，工艺条件苛刻的技术问题，提高功率器件整体可靠性性能，本专利技术提供了一种纳米金属膜辅助基板，包括：基底、纳米金属辅助层、金属箔层、金属表面镀层；所述纳米金属辅助层、金属层、镀层置于基底一侧、两侧或完全包覆；所述第一金属辅助层包括第一金属颗粒及第二金属颗粒，所述第一金属颗粒与第二金属颗粒直径不同。优选的，所述第一金属颗粒直径为0.1μm～100μm；所述第二金属颗粒直径为0.5nm～100nm。优选的，所述基底材料为陶瓷、玻璃、有机聚合物、金属材料；所述陶瓷基底包括氧化铝、氮化铝、氮化硅、碳化硅、氧化锆增韧氧化铝、铝碳化硅、氮化硼。优选的，所述纳米金属辅助层还包括连接辅助添加剂、有机载体和溶剂。所述第一金属颗粒，占有辅助层材料的45wt.％～95wt.％；所述第二金属颗粒，占有辅助层材料的5wt.％～55wt.％；所述连接辅助添加剂占有辅助层材料的0.1wt％～9.9wt％。优选的，所述第一金属颗粒及所述第二金属颗粒材料为：包括铝、铟的三族元素，包括碳、硅、锡、铅的四族元素，包括磷、铋、锑的五族元素，包括铜、金、银的第一副族，包括钛、锆的第四副族，包括锰、钨、钼的第六副族，银钯合金、金钯合金、铜银合金、铜银镍合金、银铜钛、银铜铟、银铜锡、铝硅铜、铝硅、铝铜、铟锡。所述连接辅助添加剂包括：氧化铋、氧化硅、氧化铝、氧化钙、氧化钠、氧化铯、氧化钇、氧化锌、氧化镁、氧化硼、氧化钛组成的玻璃或陶瓷相；或/和包括：银、铜、钛、锡、铟、铅；所述金属箔层包括：铜、银、铝、金，及其合金组合；所述镀层包括：金、钯、银、铜、铝、银钯合金、金钯合金、铜银合金、铜银镍合金或铜铝合金。优选的，所述第一金属颗粒及所述第二金属颗粒为：球型、纤维状、雪花状、片状和/或线状形状。优选的，所述纳米金属辅助层位于金属层和基底之间，所述纳米金属辅助层包括多个纳米金属小片；所述纳米金属小片之间水平间隔排列；所述N个小片按照长A1个，宽B1个排列；和/或，所述纳米金属小片垂直方向具有一层或多层结构。一种纳米金属膜辅助基板的制备方法，包括：步骤1：制备第一金属颗粒及第二金属颗粒；使用所述第一金属颗粒与玻璃或陶瓷添加剂、有记载体和溶剂混合制备第一膏体；所述第一金属颗粒与所述第二金属颗粒具有不同的直径；步骤2：将第二金属颗粒打入第一膏体，获得混合金属浆；步骤3：将所述混合金属浆置于载体基板表面；步骤4：将合适尺寸的无氧铜箔置于纳米金属辅助层表面；步骤5：烘烤及冷却获得纳米金属辅助层的金属陶瓷基板。优选的，所述方法还包括：步骤6：对无氧铜表面进行刻蚀处理，得到所需线路图形；步骤7：在无氧铜表面施加镀层金属。优选的，所述步骤2包括：采用机械混合的方法将第二金属颗粒混入第一膏体；或，利用电场、磁场或气流给第二纳米金属颗粒赋予动能，以物理冲击方式将第二纳米金属颗粒打入所述第一膏体，填充第一高体中第一金属颗粒之间的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种纳米金属膜辅助基板，其特征在于，包括：基底、纳米金属辅助层、金属箔层、金属表面镀层；所述纳米金属辅助层、金属层、镀层置于基底一侧、两侧或完全包覆；纳米金属辅助层包括第一金属颗粒及第二金属颗粒，所述第一金属颗粒与第二金属颗粒直径不同。

【技术特征摘要】
1.一种纳米金属膜辅助基板，其特征在于，包括：基底、纳米金属辅助层、金属箔层、金属表面镀层；所述纳米金属辅助层、金属层、镀层置于基底一侧、两侧或完全包覆；纳米金属辅助层包括第一金属颗粒及第二金属颗粒，所述第一金属颗粒与第二金属颗粒直径不同。2.根据权利要求1所述纳米金属膜辅助基板，其特征在于，所述第一金属颗粒直径为0.1μm～100μm；所述第二金属颗粒直径为0.5nm～100nm。3.根据权利要求1所述纳米金属膜辅助基板，其特征在于，所述基底材料为陶瓷、玻璃、有机聚合物、金属材料；所述陶瓷基底包括氧化铝、氮化铝、氮化硅、碳化硅、氧化锆增韧氧化铝、铝碳化硅、氮化硼。4.根据权利要求1所述纳米金属膜辅助基板，其特征在于，所述纳米金属辅助层还包括连接辅助添加剂、有机载体和溶剂。5.根据权利要求1所述纳米金属膜辅助基板，其特征在于，所述第一金属颗粒，占有辅助层材料的45wt.％～95wt.％；所述第二金属颗粒，占有辅助层材料的5wt.％～55wt.％；所述连接辅助添加剂占有辅助层材料的0.1wt％～9.9wt％。6.根据权利要求1所述纳米金属膜辅助基板，其特征在于，所述第一金属颗粒及所述第二金属颗粒材料为：包括铝、铟的三族元素，包括碳、硅、锡、铅的四族元素，包括磷、铋、锑的五族元素，包括铜、金、银的第一副族，包括钛、锆的第四副族，包括锰、钨、钼的第六副族，银钯合金、金钯合金、铜银合金、铜银镍合金、银铜钛、银铜铟、银铜锡、铝硅铜、铝硅、铝铜、铟锡；所述连接辅助添加剂包括：氧化铋、氧化硅、氧化铝、氧化钙、氧化钠、氧化铯、氧化钇、氧化锌、氧化镁、氧化硼、氧化钛组成的玻璃或陶瓷相；或/和包括：银、铜、钛、锡、铟、铅；所述金属箔层包括：铜、银、铝、金，及其合金组合；所述镀层包括：金、钯、银、铜、铝、银钯合金、金钯合金、铜银合金、铜银镍合金或铜铝合金。7.根据权利要求1所述纳米金属膜辅助基板，其特征在于，所述第一金属颗粒及所述第二金属颗粒为：球型、纤维状、雪花状、片状和/或线状形状。8.根据权利要求1所述纳米金属膜辅助基板，其特征在于，所述纳米金属辅助层位于金属层和基底之间，所述纳米金属辅助层包括多个纳米金属小片。所...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘旭，叶怀宇，张卫红，敖日格力，李俊，张国旗，
申请(专利权)人：深圳第三代半导体研究院，
类型：发明
国别省市：广东,44