濺射覆銅陶瓷基板表面研磨技術(shù)研究*

王 哲，劉松坡，呂 銳，陳紅勝，陳明祥

（1.武漢利之達(dá)科技股份有限公司，武漢 430206；2.華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，武漢 430074）

1 引言

隨著半導(dǎo)體功率器件（包括發(fā)光二極管LED、激光器LD、絕緣柵雙極晶體管IGBT、聚焦光伏CPV等）技術(shù)的不斷發(fā)展，散熱逐漸成為影響其器件工作性能與可靠性的重要因素。如大功率LED器件，由于輸入電功率的70%～80%都轉(zhuǎn)換成了廢熱[1]，且芯片面積小，發(fā)熱功率密度很大，如果不采用合適的封裝散熱技術(shù)，將導(dǎo)致大量熱量聚集在器件內(nèi)部，造成結(jié)溫上升，器件性能與可靠性降低等。因此，選擇合適的封裝材料與結(jié)構(gòu)，提高器件散熱能力，是提升半導(dǎo)體功率器件性能的關(guān)鍵。

在功率器件封裝過(guò)程中，封裝基板的選擇是其中的重要環(huán)節(jié)。目前常用的電子封裝基板主要分為樹脂基板（PCB）、金屬基板（MCPCB）和陶瓷基板[2]。其中，陶瓷基板在導(dǎo)熱、耐熱、絕緣性能等方面具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，非常適合作為功率器件封裝基板。常見的陶瓷基板包括厚膜印刷陶瓷（TPC）基板、直接鍵合陶瓷（DBC）基板、濺射覆銅（DPC）陶瓷基板、活性金屬焊接（AMB）陶瓷基板和低溫/高溫共燒陶瓷基板（LTCC/HTCC）等。其中，DPC陶瓷基板采用半導(dǎo)體微加工（光刻/顯影）和圖形電鍍等工藝制備，具有導(dǎo)熱/耐熱性好、圖形精度高、可垂直互連等技術(shù)優(yōu)勢(shì)[3]，廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體照明（白光LED）、殺菌消毒（深紫外LED）、激光與光通信（LD&VCSEL）、熱電制冷（TEC）等領(lǐng)域。

在DPC陶瓷基板制備過(guò)程中，由于電鍍電流分布不均勻，導(dǎo)致基板表面電鍍銅層厚度不均勻（厚度差可超過(guò)100μm），必須采用研磨工藝控制銅層厚度及其均勻性。由于銅材料延展性好，研磨過(guò)程中容易產(chǎn)生塑性變形（出現(xiàn)劃痕或銅皮），研磨工藝挑戰(zhàn)性極大。DPC基板生產(chǎn)過(guò)程中究竟選用何種研磨設(shè)備，不同研磨技術(shù)對(duì)基板性能的影響如何，還沒(méi)有開展過(guò)深入研究。本文旨在通過(guò)對(duì)不同研磨技術(shù)的對(duì)比研究，探索各種研磨工藝對(duì)DPC陶瓷基板的適用性，為DPC陶瓷基板制備工藝優(yōu)化提供參考。

2 實(shí)驗(yàn)

DPC陶瓷基板制備工藝見圖1[4]，主要包括：1）在陶瓷基片上濺射金屬種子層（Ti/Cu）；2）貼感光干膜；3）通過(guò)曝光、顯影，形成圖形；4）采用圖形電鍍工藝增厚銅層；5）基板表面研磨（控制銅層厚度與均勻性）；6）去干膜，刻蝕種子層，最后表面處理（如化學(xué)鍍銀或鎳金等）。

圖1 DPC陶瓷基板制備工藝流程

實(shí)驗(yàn)選用厚度為0.38 mm的氧化鋁陶瓷基片，電鍍銅層厚度設(shè)計(jì)值為65μm，表面處理為化學(xué)鍍鎳金，所制備的DPC陶瓷基板樣品如圖2所示。

圖2 DPC陶瓷基板樣品

對(duì)DPC基板表面銅層進(jìn)行研磨，可用的研磨技術(shù)主要有3種：砂帶研磨、數(shù)控研磨和陶瓷刷磨。其中，砂帶研磨是一種常用的金屬表面粗磨技術(shù)，使用表面含磨料的砂帶滾輪，對(duì)傳送帶上的樣品進(jìn)行快速研磨，研磨效率較高。根據(jù)TAO等人的研究[5]，此種研磨方式可用于純銅基板研磨，故陶瓷基片表面鍍銅的DPC基板也可以采用該研磨技術(shù)，工作原理如圖3（a）所示。

圖3 砂帶研磨與數(shù)控研磨工作原理示意圖

數(shù)控研磨主要使用數(shù)控磨床，首先在磨床刀頭上貼附砂紙，通過(guò)刀頭快速旋轉(zhuǎn)，研磨吸附在平臺(tái)上的陶瓷基板，數(shù)控研磨示意圖如圖3（b）所示。數(shù)控研磨的特點(diǎn)在于工序簡(jiǎn)單，研磨較為均勻，但砂紙消耗量大，且需要手工更換。根據(jù)TAKEKAZU等人的研究[6]，在研磨銅表面時(shí)采用陶瓷/金剛石復(fù)合磨料具有較好的結(jié)果，因此也可采用陶瓷刷磨進(jìn)行DPC基板表面研磨。這種研磨方式使用高速旋轉(zhuǎn)的滾輪表面陶瓷/金剛石復(fù)合磨料，對(duì)傳送帶上以一定速度運(yùn)動(dòng)的陶瓷基板進(jìn)行磨削，陶瓷刷磨工作原理及所使用的滾輪如圖4所示。由于滾軸上的壓力傳感器可以控制研磨壓力及橡膠層的緩沖作用，陶瓷刷磨可有效控制基板表面銅層厚度及其均勻性。

圖4 陶瓷刷磨工作原理示意圖及所使用滾輪

實(shí)驗(yàn)采用上述3種研磨設(shè)備（砂帶研磨、數(shù)控研磨和陶瓷刷磨）分別對(duì)DPC基板表面銅層進(jìn)行研磨。考慮到DPC基板銅層表面粗糙度對(duì)固晶質(zhì)量有較大影響（如銅層表面粗糙度越低，固晶后的芯片電氣性能越高[7-8]）。因此，對(duì)于DPC陶瓷基板表面研磨，主要評(píng)價(jià)指標(biāo)如下。

1）研磨速率：主要反映研磨過(guò)程中的銅層去除效率，通過(guò)將研磨前后樣品厚度差除以研磨時(shí)間得到。

2）銅層厚度均勻性：主要反映研磨前后基板表面銅層厚度的均勻性。在同一基板上選取9個(gè)點(diǎn)（4個(gè)角點(diǎn)+4個(gè)邊中點(diǎn)+1個(gè)面中點(diǎn)），使用高度儀測(cè)量厚度，計(jì)算厚度極差（基板表面銅層最厚與最薄處的高度差，是衡量表面銅層厚度均勻度的主要指標(biāo)）。

3）表面粗糙度Ra：使用粗糙度儀測(cè)量研磨后樣品表面粗糙度。每個(gè)試樣取5處進(jìn)行測(cè)量，再取平均值。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，砂帶研磨機(jī)使用800目砂紙，運(yùn)行速度為1.6 m/min，每次研磨由2個(gè)滾輪分別研磨1次（單次研磨時(shí)間為9 s），研磨3次后進(jìn)行測(cè)量；數(shù)控研磨同樣使用800目砂紙，研磨3次后進(jìn)行測(cè)量，總耗時(shí)50 s；陶瓷刷磨使用1500目磨料，運(yùn)行速度為0.8 m/min，單次研磨耗時(shí)為9 s，也是研磨3次后進(jìn)行測(cè)量。需要說(shuō)明的是，由于陶瓷刷磨過(guò)程包括清洗、烘干等步驟，其研磨時(shí)間僅以研磨工序消耗時(shí)間計(jì)算。

3 結(jié)果與討論

實(shí)驗(yàn)采用3種研磨技術(shù)對(duì)DPC基板表面銅層進(jìn)行研磨處理，得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1。

表1 DPC基板表面研磨技術(shù)對(duì)比

為了更好地反映研磨質(zhì)量，取4種樣品（含原始未研磨樣品）使用光學(xué)顯微鏡（日本Keyence公司，型號(hào)為VHX-600）觀察樣品表面形貌，樣品形貌如圖5所示。

圖5 DPC基板樣品表面顯微圖像

從表1和圖5可以看出，砂帶研磨的研磨速率明顯高于數(shù)控研磨和陶瓷刷磨，但研磨表面粗糙度較大，厚度均勻度也較差。此外，從圖5（b）中還可以看出，砂帶研磨樣品中，銅層邊緣出現(xiàn)明顯的塑性變形導(dǎo)致的殘缺現(xiàn)象。

從表1可知，經(jīng)過(guò)陶瓷刷磨后的陶瓷基板具有表面粗糙度低、厚度均勻性好（銅厚極差小）的特點(diǎn)，但研磨速率較低。不同研磨技術(shù)的樣品在500倍光學(xué)顯微鏡下的對(duì)比如圖6所示。相對(duì)而言，陶瓷刷磨和數(shù)控研磨在表面粗糙度和銅厚均勻性方面沒(méi)有明顯差距，但將顯微圖片進(jìn)一步放大后，由圖6可以看出，數(shù)控研磨加工后銅層邊緣出現(xiàn)毛刺狀突起，且加工劃痕較深，影響了銅層的圖形精度與表面粗糙度；而陶瓷刷磨后銅層邊緣平整，加工痕跡較淺，保證了研磨質(zhì)量。實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于LED倒裝共晶貼片而言，一般要求陶瓷基板固晶區(qū)表面粗糙度小于0.3μm，銅厚極差小于30μm，因此，采用數(shù)控研磨和陶瓷刷磨加工后的DPC陶瓷基板可以滿足應(yīng)用需求。

圖6 不同研磨技術(shù)的樣品對(duì)比

雖然這3種研磨技術(shù)都屬于固結(jié)研磨法（研磨顆粒固結(jié)在砂紙或滾輪上），但陶瓷刷磨加工后的基板質(zhì)量明顯提高。原因在于，陶瓷刷磨滾輪上的壓力傳感器可以控制滾軸向基板施加恒定的研磨壓力，使研磨過(guò)程更加穩(wěn)定，不會(huì)發(fā)生竄動(dòng)。同時(shí)，陶瓷刷磨使用的磨料顆粒被樹脂粘合劑粘結(jié)后固化，可以選用粒度更小、硬度更高的磨料，從而提高了研磨精度。

此外，除了以上3種研磨加工技術(shù)外，部分光電器件（如激光器LD和VCSEL）對(duì)陶瓷基板固晶區(qū)質(zhì)量要求進(jìn)一步提高（要求表面粗糙度低于0.1μm，厚度極差小于10μm），則必須采用化學(xué)機(jī)械拋光法（CMP）進(jìn)行處理。CMP主要應(yīng)用于半導(dǎo)體行業(yè)（用于硅片或硅轉(zhuǎn)接板表面研磨拋光），是一種將機(jī)械研磨和化學(xué)腐蝕相結(jié)合的精密研磨/拋光技術(shù)，具有研磨均勻性好、拋光精度高、可避免材料形變等優(yōu)點(diǎn)[9]。CMP技術(shù)原理如圖7所示，借助研磨液的化學(xué)腐蝕和磨粒的機(jī)械研磨作用，在化學(xué)成膜和機(jī)械去膜的交替過(guò)程中去除材料，實(shí)現(xiàn)超精密平面加工。

圖7 CMP技術(shù)原理示意圖[10]

由于CMP對(duì)于研磨樣品表面平整度要求較高，實(shí)驗(yàn)用CMP初始樣品為陶瓷刷磨DPC基板（采用1500目磨料刷磨3次），研磨時(shí)間為8100 s，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示，經(jīng)CMP加工后的DPC陶瓷基板樣品如圖8所示。

表2 DPC基板CMP處理后結(jié)果

由表2可知，經(jīng)過(guò)陶瓷刷磨和CMP加工后的DPC陶瓷基板表面銅層厚度均勻（銅厚極差小于10μm），表面粗糙度低（小于0.1μm[11]，如鏡面般光滑，見圖8）。因此，當(dāng)對(duì)DPC陶瓷基板表面要求較高時(shí)，CMP加工是首選研磨技術(shù)。但另一方面，CMP加工效率很低，這是因?yàn)镃MP研磨液中的磨料顆粒粒徑較?。ㄒ话銥榧{米二氧化硅顆粒），研磨去銅速率較低（研磨液的化學(xué)腐蝕只填平研磨銅層表面溝槽，主要起拋光作用）。因此，CMP僅適用于對(duì)表面質(zhì)量要求較高的精磨處理，且必須結(jié)合數(shù)控研磨和陶瓷刷磨等前處理工藝進(jìn)行。

圖8 CMP加工后DPC基板表面狀況

4 結(jié)論

在DPC陶瓷基板制備過(guò)程中，表面研磨是控制電鍍銅層厚度，提高銅層厚度均勻性的關(guān)鍵工藝，直接影響陶瓷基板性能和器件封裝質(zhì)量。本文對(duì)比分析了多種研磨技術(shù)（包括砂帶研磨、數(shù)控研磨、陶瓷刷磨和CMP）對(duì)DPC陶瓷基板研磨質(zhì)量的影響。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，砂帶研磨效率最高，但銅層表面粗糙度高，只適用于DPC基板表面粗磨加工；數(shù)控研磨與陶瓷刷磨加工的銅層厚度均勻，表面粗糙度低，滿足光電器件倒裝共晶封裝需求（粗糙度低于0.3μm，厚度極差小于30μm）；對(duì)于表面質(zhì)量要求更高的陶瓷基板（粗糙度低于0.1μm，厚度極差小于10μm），必須采用粗磨+CMP的組合研磨工藝。