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一文了解AlN陶瓷表面金属化技术
2018月01月09日 发布 分类:粉体加工技术 点击量:53
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AlN陶瓷具有优异的热传导性、高温绝缘性、低介电常数以及与Si相近的热膨胀系数等性能,其作为基片材料,广泛应用于航空、航天及其它智能功率系统,被认为是新一代高集程度半导体基片和电子器件封装的理想材料,受到了国内外广泛重视。AlN作为基片材料用于微电子系统封装中,在其表面进行金属化是非常必要的。下面小编就AlN陶瓷表面金属化技术进行简要介绍。

 

一、AlN陶瓷表面金属化技术

 

目前, AlN陶瓷金属化的方法主要有薄膜法、厚膜法、直接敷铜法、化学镀法等。

 

1、薄膜法

 

薄膜法是采用真空蒸镀、离子镀、溅射镀膜等真空镀膜法将膜材料和AlN陶瓷表面结合在一起。在AlN陶瓷表面金属化过程中,金属膜层与陶瓷基板的热膨胀系数应尽量一致,以提高金属膜层的附着力。AlN陶瓷薄膜金属化主要是依靠固态置换反应使金属层和陶瓷基片连接在一起,对于Ti、Zr等活性金属,其反应吉布斯自由能为负值,反应容易实现。目前,研究最多的是Ti浆料系统,Ti层一般为几十纳米,对于多层薄膜,则在Ti层上沉积Ag、Pt、Ni、Cu等金属后进行热处理。

 

 

AlN陶瓷基片材料

 

薄膜法优点是:金属层均匀,结合强度高。

 

缺点是:设备投资大,制作困难,难以形成工业化规模。

 

2、直接敷铜法

 

直接敷铜法是在AlN基片上,通过Cu-O共晶液相与Al2O3发生化学键合反应而实现的。在制备AlN-DBC 基板之前,必须对AlN陶瓷表面进行热处理,以使其表面形成 Al2O3薄层,然后将铜箔贴于基板上,在1065℃左右形成Cu-O系共晶溶液,与Al2O3薄层发生键合反应,从而使AlN和Cu结合在一起。直接敷铜法工艺过程中,要严格控制铜箔和AlN陶瓷基片预氧化的温度、气氛和时间,以使铜氧化生成 Cu2O,在界区与Al2O3反应,提高 AlN 和 Cu 的结合强度。

 

 

 

氮化铝表面金属化-直接敷铜法工艺流程示意图

 

 

直接敷铜法-AlN陶瓷基片材料

 

直接敷铜法优点是:结合温度低(1065~1075℃ ),导热性好,附着强度高,机械性能优良,便于刻蚀,绝缘性及热循环能力高,有着广阔的应用前景。

 

缺点是:AlN陶瓷进行表面热处理形成的氧化物层会降低AlN 基板的热导率。

 

3、厚膜法

 

厚膜金属化技术一般采用含玻璃料的糊剂或印色,在陶瓷基板上通过丝网印刷形成封接用金属层、导体(电路布线)及电阻等,经烧结形成钎焊金属层、电路及引线接点等。AlN陶瓷厚膜金属化技术过程中,导体浆料起着至关重要的作用,厚膜浆料一般由粒度为 1-5µm 的金属粉末组成。目前,研究者采用Cu-Ag合金掺杂Ti作为金属化系统,以磷酸二丁酯(DBP)作有机载体,用丝网印刷工艺对AlN 陶瓷表面进行金属化处理。

 

 

 

厚膜法优点是:工艺简单,适于自动化和多品种小批量生产,且导电性能好。

 

缺点是:结合强度尚不够高,特别是高温结合强度低,且受温度影响大。

 

4、化学镀法

 

化学镀法是指在没有外电流通过,利用还原剂将溶液中的金属离子还原在呈催化活性的物体表面,使之形成金属镀层。化学镀法金属化机理主要是机械联锁结合,结合强度很大程度上依赖于基体表面的粗糙度,在一定范围内,基体表面的粗糙度越大,结合强度越高。在AlN陶瓷表面化学镀Ni-P合金,先将AlN基片用超声波清洗,去除表面杂质,置于NaOH溶液中腐蚀,再置于含镍盐的镀液中进行化学镀。

 

化学镀优点是:设备简单,成本低廉,无需二次高温处理,易于大规模生产。

 

缺点是:AlN陶瓷表面与金属层结合强度不高。

 

二、AlN陶瓷应用

 

1、氮化铝陶瓷基片具有热导率高、膨胀系数低、强度高、耐高温、耐化学腐蚀及介电损耗小等优点,是理想的大规模集成电路散热基板和封装材料。

 

 

氮化铝陶瓷基片应用于集成电路散热基板

 

2、氮化铝硬度高,超过传统氧化铝,可用于新型耐磨陶瓷材料。

 

3、利用氮化铝光学性能,可作红外线窗口。氮化铝薄膜可制成高频压电元件、超大规模集成电路基片等。

 

氮化铝薄膜应用于高频压电元件

 

4、氮化铝陶瓷具有耐热、耐熔融金属侵蚀,对酸稳定,可用作铝、铜、银、铅等金属熔炼的坩埚和烧铸模具材料。

 

 

氮化铝陶瓷坩埚

 

参考文献:1、高陇桥,陶瓷-金属材料实用封接技术。

2、夏章能,徐洁,AlN陶瓷化学镀法金属化机理。

3、刘正春,王志法,姜国圣等,金属基电子封装材料进展。

 

作者:李波涛


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