直接覆铜陶瓷板界面及其高温行为研究

本研究利用大电流高密度等离子体溅射沉积技术,在Al_2O_3和AlN陶瓷板的表面沉积不同的过渡层和铜层,经电镀将真空溅射铜层进行加厚,实现陶瓷基板金属化。通过界面结合强度测试,分析了不同过渡层对界面结合强度的影响;利用SEM、DTA、XRD等研究了直接覆铜陶瓷板截面形貌及在高温退火后的界面行为。结果表明,与无过渡层和AlO_x过渡层相比Cr、Ti可大幅度提高界面粘附强度,在550℃退火后Cr和Ti在界面处和铜层发生合金化作用,甚至生成金属间化合物,Cr和Ti元素与Al_2O_3和AlN基体以及铜层具有强的相互作用,过渡层的引入可大幅度提高覆铜层和陶瓷的结合强度,从而有效提高陶瓷覆铜板的使用可靠性。

直接镀铜陶瓷基板是散热基板的一个种类,该基板在功率型发射器、光伏器件、IGBT模块、功率型晶闸管、谐振器基座、半导体封装载板等大功率光电及半导体器件领域均有广泛的应用。但受制于Cu镀层与陶瓷基板间的结合强度及Cu镀层氧化等问题,目前此项技术仍然处于基础研究与试用阶段。

直接镀铜陶瓷基板的制造工艺是在高导热Al2O3和AlN陶瓷板上以掩模刻蚀的方式制备金属线路,线路精度高、表面粗糙度小、线路对位精准度误差值仅±1%,具备了高导热系数、高线路精准度、高表面平整度的特性,非常适用于高功率且小尺寸的封装基板[4]。该制造工艺结合了薄膜制备和电镀工艺,与传统陶瓷基板制作有很大不同。

但另一方面,由于该工艺需要在陶瓷表面直接形成金属化铜层,两层材料分别为金属材料和非金属材料,而二者具有完全不同的材料属性[2],尤其是陶瓷和铜之间存在较大的热膨胀系数差异以及较差的润湿性能[5,6],这使得陶瓷基板在多次高低温冷热循环后极易出现气泡、翘起、脱层等失效行为,影响器件的性能及使用范围。

在界面处添加粘附层是解决陶瓷基板与铜层之间结合强度低的重要途径,并且要求过渡层在界面处形成化学键合,从而促进界面结合,过渡层材料的选择通常从提高金属膜层与基板的结合力和陶瓷与金属膜层反应性的高低的考虑,针对不同基底材料的表面金属化,不同材料也有不同的特性,强度也会有较大差异。

到目前为止,关于过渡层在高温情况下的行为及陶瓷覆铜板的可靠性研究报道较少,本研究在典型的Al2O3和AlN陶瓷基板与铜的界面处添加设计了Cr、Ti、AlOx三种过渡层,通过比较不同的过渡层体系对界面的作用及结合强度、过渡层在高温热处理的变化、研究过渡层的作用机理和高温稳定性,以达到提高覆铜基板可靠性的目的。结果表明Cr、Ti过渡层元素在550℃热处理后在界面处发生明显变化,与表面铜层反应形成合金,界面的粘接强度增加,提高了陶瓷基板的可靠性,为陶瓷基板可靠性的提高提供了新的途径。

一，实验

1.1 制备方法

本项目利用大功率等离子体溅射技术在陶瓷表面沉积各种金属及金属氧化物涂层,然后经电镀方法对真空沉积的金属涂层进行加厚,最终达到使用要求的导电层的厚度。图1为真空室内各靶材的布置示意图。

图1 真空沉积装置示意图

具体工艺流程如下:(1)用等离子体清洗刻蚀陶瓷片表面,使其达到原子级清洁;(2)分别沉积Ti、Cr、AlOx过渡层,厚度为20~200nm;(3)用2-4套溅射靶沉积Cu层,厚度大于6μm,为电镀Cu提供种子层;(4)根据要求对溅射Cu种子层进行加厚至所需厚度。

通过以上工艺制备出Al2O3和AlN陶瓷基板,为表述方便,本文按过渡层种类和基板材料种类作如表1所示的样品编号。

表1 过渡层、种子铜层及电镀加厚铜层的制备工艺参数

注:An(n=1,2,3,4)表示Al2O3为基体样品,Bn(n=1,2,3,4)表示AlN为基体的样品;所有样品镀膜只是改变过渡层种类,其它工艺保持不变,沉积温度为300℃。

1.2 过渡层的选择

本研究制备的覆铜基板在陶瓷与铜层之间加入的过渡层,以提高表面铜层与陶瓷基板间的粘接强度。Al2O3和AlN陶瓷中包含Al、O、N元素,在选择过渡层的种类时应考虑过渡层元素与上述元素以及Cu元素的相互作用,也就是键合能或亲和力。本研究选择了Ti、Cr、AlOx为过渡层,各个元素间的键能如表2所示,由此可见,Ti、Cr、Al与Cu、N、O均具有很强的键合能。

表2 不同元素之间的化学键能

1.3 实验方法

为研究铜层与陶瓷基板的结合强度,本文将铜线与不同过渡层试样样品铜层用锡焊连接牢固,分别固定在拉伸机两端进行拉脱强度测试实验,利用扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)等对其截面形貌及热处理界面结构进行了分析测试。

陶瓷基板以其高热导率为特点,同时陶瓷基板常常在高温下使用,有时使用温度高于350℃,所以,陶瓷基板的热稳定性尤为重要。实验中将不同过渡层的陶瓷基板进行了550℃的热处理,利用XRD对其热处理界面结构进行了分析测试,并通过表面颜色的变化观察过渡层在金属层中的扩散情况。

二，结果和讨论

2.1 试样的组织分析

利用场发射SEM,对等离子体真空镀制的Al2O3覆铜板的样品的界面进行组织和成分的分析。由图2可知,溅射金属层的组织均匀,未见明显缺陷,由于过渡层溅射时间只有5min,在现有放大倍数下未显现。由图2(a)、(b)、(d)可知,在样品的铜层和Al2O3陶瓷之间存在明显的空隙,这说明过渡层与Al2O3陶瓷基体之间结合力较低,导致制作截面样品时,铜层容易翘起。图3(b)、(c)、(d)中观察到了同样的现象。由图3的AlN截面形貌观察可知组织形态与Al2O3基板形貌类似。

图2 不同过渡层Al2O3覆铜陶瓷基板截面形貌对比

图3 不同过渡层AlN覆铜陶瓷基板断口解理对比

2.2 陶瓷覆铜板界面粘结强度

本研究采用拉脱法测量金属层与陶瓷的粘接强度,将直径为3mm的铜线锡焊在覆铜陶瓷板金属层表面,焊点直径为4 mm。将样品的陶瓷面和金属面两侧分别固定在夹具上,再安装在拉伸机的两端,进行加载拉伸,当焊点断开时记录施加的拉力,用此拉力表征金属层与陶瓷的粘接强度,各样品的拉脱强度如表3所示。

表3 Al2O3和AlN覆铜基板拉脱强度

上述拉脱强度测试结果表明,对于Al2O3基体,Ti过渡层样品的拉脱强度最高,没有过渡层的拉脱强度最低,其拉脱强度排列顺序:Ti>Cr>AlOx>无过渡层。对于AlN基体,其拉脱强度与Al2O3基体有所不同:Ti过渡层样品与Cr过渡层样品效果基本相同,AlOx过渡层样品与无过渡层样品基本相同,这表明过渡层与陶瓷基底的不同相互作用有直接相关。

对于无过渡层样品,虽然Cu原子与Al、O原子均具有很强的键合能,但由于陶瓷内的Al原子与O或N原子在制备陶瓷基板过程中已经形成饱和键,加之Cu原子的金属性较Al弱,很难与Cu原子再发生反应形成新的键合,所以显示出较低的结合强度,本研究还设计了非化学计量的氧化铝过渡层,由实验表明,该过渡层对AlN基板具有明显的作用,而对Al2O3基板的作用不明显,这个现象反应出陶瓷基体内的N、O原子与过渡层元素之间的作用不同。

2.3 陶瓷基板热分析研究及热处理对过渡层的影响

陶瓷基板以其高热导率为特点,常常在高温下使用,有时使用温度高于350℃,所以陶瓷基板的热稳定性尤为重要。首先,对不同过渡层的基板进行差热分析(DTA),图4所示为不同过渡层Al2O3和AlN为基体的覆铜板的DTA曲线。

图4 Al2O3和AlN覆铜基板的DTA曲线

上述测量结果表明,在低于550℃的情况下,基体和覆铜层均未发生明显相变反应,加热温度高于550℃后,Al2O3和AlN覆铜板均出现明显的放热吸热变化,说明其结构发生明显的变化;当温度达到1000℃时(铜的熔点为1083.4℃),所有覆铜基板都出现了吸热峰。

为了研究覆铜陶瓷基板在高温下的组织结构变化,以不同过渡层Al2O3覆铜板样品为例在550℃在N2气氛保护条件下进行热处理保温30min,观察样品的变化。如图5所示,未电镀加厚的陶瓷基板热处理后的样品表面颜色明显不同,无过渡层和AlOX过渡层样品仍保持原有的铜金属色,而Cr、Ti过渡的样品表面转变为深色。这说明Cr、Ti元素在表面铜层中发生了扩散,与铜合金化。

用XRD分析表面金属层的结构,其衍射谱如图6所示,在Ti过渡层样品衍射谱中,出现了清晰的Cu3Ti衍射峰,由此可以明确的判断,过渡区中的Ti原子已经向表面铜层扩散,并且与Cu形成了新的合金相。由此可以推断,Cr过渡层样品虽然未出现新的衍射峰,表面铜层同样的颜色变化说明Cr原子已经向铜中扩散,形成新的固溶相或金属间化合物。

图5 未电镀的Al2O3基板550℃退火样品的表面颜色

图6 未电镀Al2O3基板在550℃退火后的XRD衍射谱

图7为经过电镀加厚铜层的Al2O3覆铜板样品在550℃热处理后的表面形貌,其中以Cr和Ti为过渡层的样品表面完整平坦,未出现明显变化,而Al过渡层和无过渡层样品表面已经出现明显的凸起,特别是无过渡层的覆铜板凸起现象明显,约占总面积的50%。

结合前述未加厚样品的实验现象,可以推断Cr和Ti为过渡层的加入,增强了金属层与陶瓷的键合强度,金属层的拉脱强度增强,界面的键合强度大于由于基体陶瓷与金属层的热膨胀系数差所产生的应力,没有出现脱层现象;而无过渡层和AlOX过渡层的样品,金属层与陶瓷的键合较弱、拉脱强度低,在经过550℃热处理过程中,界面热应力已经达到或超过金属层与陶瓷的键合强度,出现金属层脱层凸起的现象。

如图7(a)所示,无过渡层的样品金属层脱层凸起面积超过50%,在此情况下,覆铜基板出现严重失效,不能满足器件的可靠性要求。

图7 Al2O3覆铜基板电镀1h后500℃热处理结果

2.4 覆铜陶瓷板的耐热冲击性能

耐热冲击性是各种电子元器件的重要考核指标,将Al2O3和AlN陶瓷覆铜基板进行高低温循环耐热冲击试验,具体方式如下:-50~150℃各保持10min,共进行100个循环,利用超声波扫描成像技术观察覆铜板的界面缺陷和空洞,如图8所示,可知Ti过渡制备的Al2O3和AlN陶瓷覆铜板热循环后界面无孔洞,无宏观缺陷。

由此可见,加入Ti过渡层的Al2O3和AlN陶瓷覆铜板已满足了器件的可靠性要求,具有良好耐热冲击性能。