Cu／Al2O3與Cu／AlN復(fù)合陶瓷基板材料制備研究*

謝建軍 王亞黎 施譽(yù)挺 李德善

丁毛毛1 翟甜蕾1 章 蕾1 吳志豪2 施 鷹1

（1上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院電子信息材料系 上海 200444）（2上海申和熱磁電子有限公司 上海 200444）

前言

隨著電子元器件功率密度的日益增大，陶瓷基板的應(yīng)用越來越廣泛。目前普遍使用的陶瓷基板材料主要有Al2O3、BeO、Si3N4、莫來石、AlN以及玻璃陶瓷。其中Al2O3和AlN陶瓷因無毒、原料來源廣泛，介電常數(shù)小，機(jī)械性能好，同時制備工藝性好，既可以用流延成形又可以常壓燒結(jié)，所以是兩種使用占比最高的電子封裝導(dǎo)熱基板。

但是若將Al2O3和AlN陶瓷材料應(yīng)用于電子封裝領(lǐng)域，首先要解決其和金屬的敷接問題。近幾年這方面的研究工作也很活躍，目前常見的金屬敷接方法主要有：Al2O3、AlN陶瓷和鎢、銅、鈦和鋁等金屬的結(jié)合［1～3］。在與不同金屬結(jié)合的方法過程中都有不可避免的缺點，如Al2O3、AlN陶瓷和金屬鎢的結(jié)合共燒溫度很高達(dá)1 900℃，工藝條件要求苛刻，而且形成的是厚膜電路，無法應(yīng)用在電力電子技術(shù)領(lǐng)域。它和金屬鋁的結(jié)合相對容易，但是鋁的化學(xué)性質(zhì)十分活潑，非常容易與空氣中的氧發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而在其表面上形成一層化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)致密的氧化膜，這層氧化膜的厚度通常在幾十納米左右。該氧化膜的存在嚴(yán)重阻礙了鋁和陶瓷的接合，使得其接合強(qiáng)度低而且牢固性差，所以在使Al2O3、AlN陶瓷敷鋁方法中，必須去除熔化的鋁液表面那層致密的氧化膜，鋁液才能夠濕潤Al2O3、AlN陶瓷基板，從而與Al2O3、AlN陶瓷基板牢固地粘結(jié)在一起。Al2O3、AlN陶瓷和金屬銅在敷接過程中，由于Cu與Al2O3、AlN陶瓷的浸潤性差異，所以通常需要采取不同的工藝進(jìn)行敷接，才能將Cu箔與Al2O3、AlN陶瓷緊密結(jié)合。由于Cu與AlN的浸潤性較差，首先要將AlN陶瓷氧化，使其表面形成一層薄薄的Al2O3陶瓷，然后利用直接敷銅（Direct Bond－ed Copper，DBC）技術(shù)將Cu箔和Al2O3陶瓷在1 060℃通過共晶反應(yīng)生成CuAlO2、Cu（AlO2）2等共晶過渡層化合物，從而實現(xiàn)Al2O3、AlN和金屬Cu箔的有效結(jié)合。

圖1 Cu／Al2O3與Cu／AlN復(fù)合陶瓷基板材料的DBC制備工藝流程圖Fig.1 The DBC preparation process flow chart of Cu／Al2O3and Cu／AlN composite ceramic substrate materials

筆者利用DBC技術(shù)在低于金屬銅熔點～20℃，分別在氧氣／氮氣氣氛下，將純Cu箔成功敷接在Al2O3、AlN陶瓷上而制備出Cu－Al2O3與Cu－AlN復(fù)合陶瓷基板材料，并使用SEM和機(jī)械剝離試驗機(jī)對其微觀形貌與界面結(jié)合強(qiáng)度性能進(jìn)行分析。圖1為Cu－Al2O3與Cu－AlN復(fù)合陶瓷基板材料的DBC制備工藝流程圖。

1 實驗

1.1 實驗用原材料

圖2 Cu／Al2O3和Cu／AlN復(fù)合陶瓷基板材料的外形圖Fig.2 Photograph of Cu／Al2O3and Cu／AlN composite ceramic substrate materials

實驗所用的原材料選用厚度為0.90mm 的Al2O3和AlN陶瓷和厚度為0.25mm的銅箔，首先在高溫下使Cu箔和AlN陶瓷表面先預(yù)氧化，隨后在高溫下分別使Cu箔與Al2O3、AlN陶瓷發(fā)生鍵合作用，形成牢固的鍵合，制成DBC鍵合試樣。圖2為按照圖1中的制備工藝流程通過DBC技術(shù)方法制備的Cu／（Al2O3，AlN）接合基板的實物圖片。

1.2 Cu和Al2O3、AlN陶瓷基板的結(jié)合強(qiáng)度測試

通過測試夾具將試樣裝夾在上海衡翼精密儀器有限公司生產(chǎn)的 HY－90BL剝離試驗機(jī)上對Cu／（Al2O3，AlN）復(fù)合陶瓷基板之間的結(jié)合強(qiáng)度進(jìn)行測試。研究使用的測試夾具是在車床上加工試樣所使用的裝夾夾具，這樣能夠保證HY－90BL剝離試驗機(jī)上試樣的裝夾同心度和垂直度等形位公差要求（＜0.02 mm），確保測試結(jié)果的準(zhǔn)確所測試的Cu／（Al2O3，AlN）陶瓷結(jié)合的界面面積是5mm×25mm，銅板以90°（垂直）方法剝離，速度為5.0mm／min，拉力單位為N／mm。

1.3 Cu／（Al2O3，AlN）基板的界面分析

利用Magellan 400場發(fā)射掃描電子顯微鏡（Magellan 400SEM）觀察Cu／Al2O3和Cu／AlN復(fù)合陶瓷基板界面的微觀形貌并分析界面的成分及組成。

2 實驗結(jié)果

2.1 Cu／Al2O3和Cu／AlN復(fù)合陶瓷基板界面結(jié)合狀況

圖3是使用Magellan 400場發(fā)射掃描電子顯微鏡拍攝的在～1 050℃敷結(jié)的Cu／（Al2O3，AlN）復(fù)合陶瓷基板界面放大16 000倍的顯微電鏡圖像。從圖3中的顯微圖像可以看出，在Cu箔和Cu／（Al2O3，AlN）陶瓷之間的結(jié)合致密，沒有絲毫的縫隙存在。但在金屬Cu箔和AlN陶瓷之間有一層厚度約為2μm的過度層生成。

圖3 Cu／Al2O3和Cu／AlN復(fù)合陶瓷基板材料界面SEM圖像Fig.3 SEM micrographs of Cu／Al2O3and Cu／AlN composite ceramic substrate materials

圖4是Cu／Al2O3封裝基板兩側(cè)Al2O3陶瓷和Cu箔內(nèi)部兩點（Spectrum1和Spectrum3）的能譜分析圖。從圖4可以看出，金屬Cu箔和Al2O3陶瓷之間的結(jié)合沒有任何新物質(zhì)生成。

圖5是Cu／AlN封裝基板界面Spectrum1、Spectrum2點和界面兩側(cè)AlN陶瓷與銅箔內(nèi)部Spec－trum3、Spectrum4點的能譜分析圖。從圖5可以看出，由于有中間過渡層的存在而使得金屬Cu和氮化鋁陶瓷之間的結(jié)合緊密，經(jīng)元素分析此過渡層Spectrum1、Spectrum2這兩點的組成主要是N、O、Al和Cu元素，根據(jù)其化學(xué)計量比推斷主要為Al2O3和CuAlO2，為DBC工藝過程中對AlN陶瓷基板和銅箔進(jìn)行預(yù)氧化處理和共晶反應(yīng)的結(jié)果，其中含有的N和Cu元素還有可能是由于過渡層界面兩側(cè)AlN陶瓷基底（Spectrum3點）和Cu箔（Spectrum4點）的影響造成的。在過渡層界面兩側(cè)Spectrum3、Spectrum4點的能譜分析結(jié)果表明，這分別是基底AlN陶瓷和銅箔金屬層，其中分別含有少量Cu和O，這是由于在高溫敷結(jié)過程中發(fā)生基底與中間過渡層和中間過渡層與金屬薄層的相互擴(kuò)散或反應(yīng)所致。除此之外，再沒有新物質(zhì)生成。

圖5 Cu／AlN復(fù)合陶瓷基板材料界面能譜分析Fig.5 EDS analysis of Cu／AlN composite ceramic substrate material interface

根據(jù)圖4、圖5對Cu／（Al2O3，AlN）復(fù)合陶瓷基板界面能譜分析可知，Cu／（Al2O3，AlN）陶瓷的鍵合機(jī)理主要是由于首先在高溫預(yù)氧化AlN陶瓷和Cu箔時，分別在表面產(chǎn)生一層Al2O3氧化鋁和Cu2O薄層，在溫度高于低共熔點時，會出現(xiàn)Cu－Cu2O共晶液相，其中Cu2O相與Al2O3陶瓷有著良好的化學(xué)親合性，能使界面降低，使共晶液相很好地濕潤銅和陶瓷。同時，液相中的Cu2O與 Al2O3發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成CuAlO2，冷卻后通過Cu－Al－O化學(xué)鍵、Cu2O與陶瓷牢固地鍵合在一起［4～5］。在Cu2O與金屬銅箔接觸的一端，以Cu2O離子鍵將Cu2O與銅層緊密聯(lián)結(jié)起來，但這一層的鍵合力比Cu2O與Al2O3反應(yīng)的鍵合力小一些，這是因為Cu2O和Al2O3是化學(xué)鍵合，而Cu2O和Cu是物理熔合，因而DBC材料的鍵合強(qiáng)度主要受Cu－Cu2O之間的結(jié)合力限制。因此，Cu表面的氧化層，特別是其中形成Cu2O的區(qū)域面積和致密程度對以后的鍵合作用有嚴(yán)重影響，它將直接影響DBC板的鍵合強(qiáng)度。

2.2 Cu／Al2O3和Cu／AlN復(fù)合陶瓷基板材料界面結(jié)合強(qiáng)度

表1是利用上海衡翼精密儀器有限公司生產(chǎn)的HY－90BL機(jī)械剝離試驗機(jī)測定Al2O3、AlN陶瓷基板和Cu箔金屬層之間結(jié)合強(qiáng)度的測試結(jié)果。

表1 Cu／Al2O3和Cu／AlN復(fù)合陶瓷基板材料界面結(jié)合力值Tab.1 Bonding strength of Cu／Al2O3，Cu／AlN composite ceramic substrate material

從表1可以看出，改變敷接溫度對Cu／（Al2O3，AlN）結(jié)合強(qiáng)度的測試結(jié)果有一定的影響，隨著敷結(jié)溫度的升高，結(jié)合強(qiáng)度有逐漸增大的趨勢。在DBC工藝過程中，首先由于通過預(yù)氧化在AlN和銅箔表面生成Al2O3和Cu2O薄層，然后在高溫敷結(jié)過程中由于Cu－Cu2O－Al2O3的共晶反應(yīng)作用，增加了Cu箔與Al2O3、AlN陶瓷基底的浸潤性和結(jié)合力；另外由于在高溫敷結(jié)過程中發(fā)生基底與中間過渡層以及中間過渡層與金屬薄層的互擴(kuò)散或反應(yīng)明顯，使得金屬薄膜與陶瓷基片的接合非常牢固。所以隨著敷結(jié)溫度的升高，Cu箔與（Al2O3、AlN陶瓷基底間的結(jié)合力越大。另外，由于高溫下金屬Cu與Al2O3陶瓷的浸潤性比Cu與AlN陶瓷的更好，因此Cu箔與Al2O3陶瓷的結(jié)合力更大。

3 結(jié)論

1）在1 000～1 060℃、氧氣／氮氣氣氛下，通過預(yù)氧化Cu箔和AlN陶瓷表面，然后利用DBC技術(shù)能夠濕潤C(jī)u和Al2O3、AlN陶瓷基板，從而將二者牢固地粘結(jié)在一起，界面結(jié)合力超過8.00N／mm。

2）在1 000～1 060℃，敷接溫度對Cu／（Al2O3，AlN）界面的結(jié)合強(qiáng)度有一定影響。

3）金屬銅在與氮化鋁表面結(jié)合過程中，由于Cu／AlN之間有Al2O3、CuAlO2中間過渡薄層存在，使得Cu箔與Al2O3、AlN陶瓷結(jié)合緊密。而在高溫下金屬Cu與Al2O3陶瓷的浸潤性比Cu與AlN陶瓷的更好，因此Cu箔與Al2O3陶瓷的結(jié)合力比Cu與AlN陶瓷更大。

1 岳瑞峰，王佑祥，陳春華，等.AlN陶瓷基板在空氣中的熱氧化行為探討［J］.硅酸鹽學(xué)報，1998，26（5）：555～562

2 秦明禮，曲選輝，黃棟生，等.氮化鋁（AlN）陶瓷的特性、制備及應(yīng)用［J］.陶瓷工程，2000（8）：39～42

3 彭榕，周和平，寧曉山，等.鋁／氮化鋁電子陶瓷基板的制備及性能的研究［J］.無機(jī)材料學(xué)報，2002，17（6）：1 203～1 208

4 Lee S K，Tuan W H，Wu Y Y，et al.Microstructurethermal proper－ties of Cu／Al2O3bilayer prepared by direct bonding［J］.J Eur Ceram Soc，2013，33：277～285

5 Wei－Hsing Tuan，Shao－Kuan Lee.Review Eutectic bonding of copper to ceramics for thermal dissipation applications－a review［J］.J Eur Ceram Soc，2014，34：4 117～4 130