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功率电子器件封装用氮化铝陶瓷基板覆铜的研究

功率电子器件封装用氮化铝陶瓷基板覆铜的研究

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作者：陈科成中国计量大学

学位级别：硕士

近年来制造功率电子器件都以细微加工和MOS工艺为基础,从而推动了功率电子器件向集成化、模块化方向发展;高压大功率需求的不断增加以及工艺技术的飞速革新,推动着功率器件向着小体积、高性能、速度快的方向发展,在封装时通过多芯片连... 详细信息

近年来制造功率电子器件都以细微加工和MOS工艺为基础,从而推动了功率电子器件向集成化、模块化方向发展;高压大功率需求的不断增加以及工艺技术的飞速革新,推动着功率器件向着小体积、高性能、速度快的方向发展,在封装时通过多芯片连接从而实现模块化是大势所趋,由此而引发的电路发热量也迅速提高,这将导致功率模块器件单位体积内所生成的热量急剧累积,使得芯片寿命下降。解决器件散热问题的关键在于选择合适的封装基板,aln陶瓷覆铜基板以其优良的导热和导电性能,在功率电子器件封装领域得到了广泛的关注与研究,具有非常广阔的应用前景。因此为了获得较高质量的aln陶瓷覆铜基板,本课题采用厚膜金属化工艺和薄膜金属化工艺制备了aln陶瓷金属化覆铜样品,通过对工艺的调节与研究,优化了aln陶瓷金属化覆铜的工艺且获得了性能优良的金属化覆铜基板。本论文主要研究成果如下:(1)在aln基板上通过丝网印刷的方式刷涂纯CuO浆料,然后在1000100℃下进行气氛热处理,成功获得了厚膜金属化覆铜样品。通过测试发现所获得金属化膜层厚度约为500μm,最优热处理温度为1075℃,在此温度下所获得的金属化样品性能最优,表面膜层孔隙率最低,膜层方阻为0.458mΩ/□,膜层附着力为15.315 MPa;经分析发现是由于结合界面处铜的氧化物和aln基板在氧气气氛下发生化学反应,生成CuAlO和CuAlO,对金属化基板结合强度有着重要的影响。(2)通过在aln基板上预先刷涂一层活性浆料,然后再刷涂CuO浆料的方式对aln金属化基板金属化膜层进行加厚处理,然后经950050℃气氛热处理,成功获得了活性厚膜金属化覆铜基板。通过测试可知所获样品膜层厚度有了较大的提升,约为14580μm;最优热处理温度为1000℃,此时表面膜层孔隙率最低,膜层方阻为4.008 mΩ/□,膜层附着力为23.691 MPa;经分析发现,活性浆料中的Al粉和Ti粉在增强结合力的方面起着较为重要的作用,Al粉发生反应生成的AlO高温下可以和铜的氧化物发生反应,在相对较低温度时即可生成CuAlO,以及Ti粉和aln基板反应生成TiN等物质均能够有效提高金属化覆铜基板的结合力。(3)通过调节不同金属靶材的工作气压和溅射功率,以台阶仪表征溅射薄膜层厚度,确定了各靶材的最优溅射工艺参数及相应的溅射速率;以最优工艺参数在aln基板表面分别溅射2μm的W、Mo、Ti、Al膜层,然后将预溅射不同金属膜层的aln基板再共同溅射金属铜膜层,经1000℃还原性气氛热处理实现了aln基板薄膜法覆铜。通过测试发现所获得薄膜金属层厚度约为1μm,中间层为W的金属化基板表面膜层状态最优,W的存在可以促进表面铜膜呈现相对强烈的能有效降低膜层缺陷的(111)织构,其表面方阻为5.840 mΩ/□,膜层附着力达25.452 MPa;经分析可知,钨的热膨胀系数较低,可起到缓解热应力的作用,且在热处理时钨和氮可形成高晶格能化合物,从而增强金属化膜层在aln表面的附着力。

关键词：功率器件散热问题封装基板陶瓷金属化 aln覆铜

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