专利名称：GaN器件封装用底座结构及其制造方法
技术领域：
本发明涉及半导体器体的底座结构及其制造方法，尤其是一种散热效果好的SiC/Al底座结构及其制造方法，具体地说是一种GaN器件封装用底座结构及其制造方法。
背景技术：
钨铜(W/Cu)、钼铜(Mo/Cu)等封装合金，是应用较为广泛、热物理性能优异的电子封装用合金，目前军用电子元器件较多采用其作为封装底座。然而，钨铜(W/Cu)、钼铜(Mo/Cu)不仅工艺复杂、成本较高，最大的缺点是其比重高达17g/cm3，对当今搭载电子元器件数量急剧膨胀的空间装备来说，这将无法满足航空航天微电子系统的轻量化发展要求、不适合在空间电子装备系统中采用。相比之下，无氧铜与Kovar合金作为封装底座的另外两种候选材料，分别由于过高的热膨胀系数(17ppm)和过低的热耗散能力(14～17W/m·K)，以及比重较高这一共同缺点，更难以在可靠性要求高的军事电子工程中广泛应用。
高碳化硅颗粒含量铝基复合材料(SiC/Al)，它的热胀系数在一定范围内精确可控，可以与Si、GaAs、GaN、SiC等半导体芯片很好地热匹配，比重在3g/cm3以下，热导率大于200W/m·K，且成本较低，同时具有低膨胀、高导热、轻质、低成本等优点，以之替代传统的封装金属，可以满足先进军用电子器件的轻量化、低成本化及高可靠、长寿命设计要求。SiC/Al电子封装复合材料目前在国内已开始应用于军事工程，并形成了批产能力、颁布了国军标、通过了中国军用电子元器件质量认证委员会的鉴定。该材料密度不到W/Cu的20％、Mo/Cu的30％、Kovar合金的2/3，故而轻量化优势极为显著。该复合材料与电子陶瓷基片有着良好的膨胀匹配性，其热导率已接近240W/mK。
但是随着信息技术的高速发展，当今电子元器件中的芯片的集成度越来越高，功率越来越大，器件体积更小，尤其是随着第三代宽禁带半导体器件的发展，器件的功率密度更是达到了1000W/cm2以上，对封装的散热要求越来越高。(SiC/Al)复合材料200W/m·K的热导率，已经不能满足器件热耗散的需要。
金刚石材料可以具有极高的热导率，适于作为电子元器件的热沉。目前国内作为热沉金刚石热导率可高达1500W/mK。然而，高端的金刚石热沉产品造价很高，以常用的厚度约为0.5mm的产品为例，每平方毫米的售价约为10元人民币。因此，大面积地采用金刚石作为电子元器件的热沉，成本是较难接受的。故而，在安装芯片的位置采用面积较小的金刚石散热片是一种发展趋势，它可以大幅度提高封装产品的散热能力。
电子器件用金刚石散热片往往需要与金属(也可以是包括SiC/Al在内的金属基复合材料)接合在一起而形成组合件，两者不仅都要有高热导率，而且要求高可靠的结合方式。然而，金刚石散热片与封装合金传统的结合方式是钎焊。钎焊不仅工艺较为复杂，且可靠性也不高，尤其是易于出现钎焊料的流散不够、充填不全等缺陷。这不仅使得界面热阻很大，影响热耗散，也影响结合强度，元器件在长期工作中由于温度变化产生的热应力较大，这将会导致钎焊料疲劳性破坏而使元器件失效。因此，亟待开发全新的高可靠、低热阻、高结合强度金刚石散热片与封装合金(或SiC/Al复合材料)的结合方法。
发明内容
本发明的目的是针对目前半导体器体中普遍采用的钨铜(W/Cu)、钼铜(Mo/Cu)等封装合金所存在的散热性不能满足要求的现状，发明一种利用SiC/Al作为底装基体同时镶嵌有金刚石散热片的新型GaN器件封装用底座结构，同时发明一种工艺易于实现、结合强度高和高可靠性的金刚石散热片与底座基体的连接方法和底座结构的整体制造方法。
本发明的技术方案是一种GaN器件封装用底座结构，包括上表面带有台阶或不带有台阶的SiC/Al底座基体，该底座整体电镀有镍层和金层，其特征是在所述的底座基体表面镶嵌有金刚石散热片，其面积与所安装的GaN器件相匹配，其表面制作有有利于对底座基体和金刚石散热片整体电镀的金属化层。
所述的金刚石散热片的上表面与底座基体的上表面齐平或略低于底座基体的上表面。
所述的金刚石散热片的表面的金属化层由镍层和金层组成，且镍层与金刚石表面相接触，金层覆盖在镍层之上。
本发明的制造GaN器件封装用底座结构的方法，主要包括以下工艺步骤首先，在SiC/Al底座基体表面镶嵌金刚石散热片；其次，使上述金刚石散热片的表面金属化；第三，对底座基体和金刚石散热片整体电镀金属镍层和金层，可采用常规电镀工艺加以实现。
其中在SiC/Al底座基体表面镶嵌金刚石散热片的工艺步骤主要包括第一步，配料，按照所要制备的SiC/Al底座基体的组分选取铝合金锭块及碳化硅颗粒；第二步，将碳化硅颗料放入模具中形成SiC颗粒堆积体，将金刚石散热片放置在该堆积体的下表面即底面的设定位置处；第三步，将铝合金锭块置于模具中的SiC颗粒堆积体上表面，将上述模具放入有氮气氛炉的炉中加热到800℃～950℃的复合温度，保温1～5小时，得到镶嵌有金刚石散热片的SiC/Al复合底座。
使金刚石热沉片的表面金属化的工艺步骤主要包括第一步，在射频磁控溅射台中分别装入镍靶和金靶；第二步，将所需溅射的底座擦试、吹干后置于真空室中；可分别采用甲苯、丙酮和无水乙醇棉球擦试，并用氮气吹干后装入设备；第三步，将真空室气压抽到0.20～0.30Pa；第四步，加200W的射频功率对镍靶进行溅射，持续5～10分钟时间，使镍层厚度达到1000±100；加120W的射频功率对金靶进行溅射，持续1～3分钟时间，使金层厚度达到1000±100。
金属化结束后，可采用常规电镀工艺对底座基体和金刚石散热片整体电镀镍层和金层，也可采用图3所示的电镀工艺进行电镀。
本发明具有以下优点本发明采用SiC/Al复合底座制作器件外壳，很好地解决了GaN器件的散热问题。对于热流密度为1108W/cm2的器件，采用SiC/Al基材镶嵌金刚石散热片作为底座的管壳进行封装，使器件满负荷工作时的结温比用W-Cu材料底座的外壳降低了100℃以上，可以保证器件工作时的最高温度小于451K(178℃)。同时，由于采用了SiC/Al作为基材，外壳的重量比常规的W-Cu底座减轻了许多，特别适合对重量有严格要求的空间环境使用。本发明所使用的主要原材料SiC颗粒及铝合金成本低廉，仅在产品的局部采用尺寸较小金刚石散热片，因此可在增加产品性能的同时，大幅度降低成本。本发明提出的工艺方法简单、工序简洁，将SiC/Al电子封装复合材料的制备同金刚石散热片的复合两道工序合二为一，不仅省去了钎焊步骤，而且获得的原位复合界面热阻更低。用本发明所得制品具有轻质、热耗散能力强的优点，且适用面广、成本低、制作简便、适于工业化生产。
图1是本发明的GaN器件封装用底座结构示意图。
图2是图1的俯视结构示意图。
图3是本发明实施例中的电镀工艺流程示意图。
具体实施例方式
下面结构附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图1、2、3所示。
一种GaN器件封装用底座结构，包括SiC/Al底座基体1，在所述的底座基体1上有一高出其上表面的台阶2，在台阶2上镶嵌有金刚石散热片3，金刚石散热片3的面积与所安装的GaN器件相匹配，金刚石散热片3的上表面与台阶2(或底座基体1)的上表面齐平或略低于台阶2(或底座基体)的上表面。在所述的金刚石散热片3的表面制作有金属化层，金属化层由镍层和金层组成，且镍层与金刚石表面相接触，金层覆盖在镍层之上，如图1，2所示，最终GaN器件固定安装在所述的金刚石散热片3的镀层之上。
所述的GaN器件封装用底座结构的制造方法，主要包括以下工艺步骤首先，在SiC/Al底座基体表面镶嵌金刚石散热片，其步骤主要包括第一步，配料，按照所要制备的SiC/Al底座基体的组分选取铝合金锭块及碳化硅颗粒；第二步，将碳化硅颗料放入模具中形成SiC颗粒堆积体，将金刚石散热片放置在该堆积体的下表面即底面的设定位置处；第三步，将铝合金锭块置于模具中的SiC颗粒堆积体上表面，将上述模具放入有氮气氛炉的炉中加热到800℃～950℃的复合温度，保温1～5小时，得到镶嵌有金刚石散热片的SiC/Al复合底座。
其次，使上述金刚石散热片的表面金属化，主要工艺步骤包括第一步，在射频磁控溅射台中分别装入镍靶和金靶；第二步，将所需溅射的底座擦试、吹干后置于真空室中；可分别采用甲苯、丙酮和无水乙醇棉球擦试，并用氮气吹干后装入设备；第三步，将真空室气压抽到0.20～0.30Pa；第四步，加200W的射频功率对镍靶进行溅射，持续5～10分钟时间，使镍层厚度达到1000±100；加120W的射频功率对金靶进行溅射，持续1～3分钟时间，使金层厚度达到1000±100。
最后，对由SiC/Al底座基体和镶嵌了金刚石散热片的复合底座进行整体电镀镍层和金层，以便为下一步器件焊接奠定基础，电镀既可采用常规工艺加以实现，也可采用图3所示的电镀工艺进行电镀，详述如下如图3所示，先用有机溶剂(航空汽油或甲苯、丙酮)除油，再用中性化学去油。浸蚀(出光)用酸再加HF，注意控制时间小于15秒。因SiC/Al材料为复合材料，如图4中，黑色区域为SiC颗粒，白色区域为Al，SiC颗粒在酸中几乎不腐蚀，而Al剧烈腐蚀，因此浸蚀控制不好容易在工件表面造成点状蚀坑(如图5)。因为是含有非金属成分的复合材料，所以预镀镍不用电镀而用化学镀镍，并选用中磷低应力镍配方，厚度不要超过3um，以免镀层应力太大影响和基体间的结合力.退火在氢气气氛中随炉升降温，450℃保温2分钟，可以很好地消除底镀层的应力，增强和基体金属的结合力.因基材中的Al在酸中剧烈腐蚀，因此不能进行酸洗活化，退火出炉后为避免酸洗活化，立即再进行化学镀镍(＜5分钟)，然后直接电镀低应力镍、预镀金、镀金，退火(450℃)。镀金溶液为中性柠檬酸盐体系。
所使用的电镀配方为化学镀镍配方低应力镍配方硫酸镍 30-40g/l硫酸镍 220-260g/l柠檬酸钠30-40g/l氯化镍 30-40g/l次亚磷酸钠 12-16g/l硼酸35-50g/l添加剂F 2g/l硫酸镁 60-70g/lPH 8-10十二烷基硫酸钠 0.01g/l温度70-90 PH 3-4 电流0.6-1A/dm2本发明未涉及部分均与现有技术相同。
权利要求
1.一种GaN器件封装用底座结构，包括上表面带有台阶或不带有台阶的SiC/Al底座基体，其特征是在所述的底座基体表面镶嵌有金刚石散热片，其面积与所安装的GaN器件相匹配，其表面制作有有利于对底座基体和金刚石散热片复合结构进行整体电镀的金属化层。
2.根据权利要求1所述的GaN器件封装用底座结构，其特征是所述的金刚石散热片的上表面与底座基体的上表面齐平或略低于底座基体的上表面。
3.根据权利要求1所述的GaN器件封装用底座结构，其特征是所述的金刚石散热片的表面的金属化层由镍层和金层组成，且镍层与金刚石表面相接触，金层覆盖在镍层之上。
4.一种制造权利要求1所述的GaN器件封装用底座结构的方法，其特征是它包括以下工艺步骤(1)在SiC/Al底座基体表面镶嵌金刚石散热片；(2)使上述金刚石散热片的表面金属化；(3)对底座基体和金刚石散热片复合结构整体电镀金属镍层和金层。
5.根据权利要求4所述的制造GaN器件封装用底座结构的方法，其特征是所述的在SiC/Al底座基体表面镶嵌金刚石散热片的工艺步骤主要包括第一步，配料，按照所要制备的SiC/Al底座基体的组分选取铝合金锭块及碳化硅颗粒；第二步，将碳化硅颗粒放入模具中形成SiC颗粒堆积体，将金刚石散热片放置在该堆积体的下表面即底面的设定位置处；第三步，将铝合金锭块置于模具中的SiC颗粒堆积体上表面，将上述模具放入有氮气氛炉的炉中加热到800℃～950℃的复合温度，保温1～5小时，得到镶嵌有金刚石散热片的SiC/Al底座。
6.根据权利要求4所述的制造GaN器件封装用底座结构的方法，其特征是所述的使金刚石散热片表面金属化的工艺步骤主要包括a)在射频磁控溅射台中分别装入镍靶和金靶；b)将所需溅射的复合底座擦试、吹干后置于真空室中；c)将真空室气压抽到0.20～0.30Pa；d)加200W的射频功率对镍靶进行溅射，持续5～10分钟时间，使镍层厚度达到1000±100；e)加120W的射频功率对金靶进行溅射，持续1～3分钟时间，使金层厚度达到1000±100。
全文摘要
本发明针对目前半导体器体中普遍采用的钨铜(W/Cu)、钼铜(Mo/Cu)等封装合金所存在的散热性不能满足要求的现状，公开了一种利用SiC/Al作为底装基体同时镶嵌有金刚石散热片的新型GaN器件封装用底座结构及其制造方法，所述的底座结构包括上表面带有台阶或不带有台阶的SiC/Al底座基体，在所述的底座基体表面镶嵌有金刚石散热片，其面积与所安装的GaN器件相匹配，其表面制作有有利于对底座基体和金刚石散热片复合结构进行整体电镀的金属化层。所得制品具有轻质、热耗散能力强的优点，且适用面广、成本低、制作简便、适于工业化生产。
文档编号H01L21/48GK1937212SQ200610096639
公开日2007年3月28日 申请日期2006年10月16日 优先权日2006年10月16日
发明者王子良, 崔岩, 程凯, 杨建 , 张韧, 戴雷 申请人:中国电子科技集团公司第五十五研究所