专利名称：一种金属铝基氮化铝封装基板及其制备方法
技术领域：
本发明涉及微电子材料技术领域，主要应用于大功率半导体芯片的封装，特别是一种具备高绝缘性、高导热性、高抗热冲击性的金属铝基氮化铝封装基板及其制备方法。
背景技术：
随着半导体照明，动力半导体电子的蓬勃发展，大功率半导体芯片的应用越来越广泛。对于大功率半导体芯片封装而言，其封装基板首先需要具备较高的抗电强度，实现电绝缘，同时需要具备高导热性，使芯片产品的热量及时传导出去。如果散热性能不佳，芯片寿命将大幅度缩短。
同时具备高导热系数与高抗电强度的材料非常有限，陶瓷材料在该领域具有较明显的优势。例如氮化铝陶瓷片的热导率可高达260W/m*K，抗电强度15ν/μπι，是一种理想的封装基板。然而，其加工难度大，制备成本较高。
文献“大功率LED的封装及其散热基板的研究”(李华平，中国科学院研究生院博士论文，2007年)研究了一种基于真空沉积氮化铝薄膜的封装基板，中国专利 “200910196566. 5”与“201010600737. 9”公开了类似基板的制备方法，该方法主要利用了氮化铝的高绝缘性，采用真空沉积制备的氮化铝薄膜抗电强度远远高于烧制的氮化铝陶瓷， 可达750V/ μ m,同时采用高导热的基底材料，例如金属材料，结合金属的高导热性与氮化铝薄膜的高抗电性，这样就实现了一种高导热高绝缘的封装基板。
基于该方法制备的大面积氮化铝封装基板的抗热冲击性能不太理想，特别是采用金属基底的基板中，因此，不能很好地适用于芯片的后续封装工序需要，例如无铅回流焊， 需要满足300°C的热冲击。这主要是由于氮化铝薄膜的热膨胀系数为5. 2X10_6/K，远小于金属，例如铝的热膨胀系数23X10_6/K。热膨胀系数的巨大差异，造成应力的积累，最后薄膜发生破裂。在金属与氮化铝薄膜之间采用缓冲层，例如Cr，Ni, Ti等金属，缓冲层一般为几十到几百纳米，有助于提高氮化铝薄膜与金属基底结合强度，并且可以一定程度缓解氮化铝薄膜与金属基底热膨胀系数差，但并不能完全解决该问题。
因此，解决金属基底与氮化铝薄膜之间热膨胀系数失配问题成为这种新型封装基板得到应用的关键问题。发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种金属铝基氮化铝封装基板，其在金属铝基底与氮化铝薄膜之间构造一层缓冲层，释放铝与氮化铝热膨胀系数失配导致的热应力，从而提高该封装基板的抗热冲击能力。
本发明的金属铝基氮化铝封装基板，包括一金属铝基底，在金属铝基底表面形成的多孔型阳极氧化铝膜，和在阳极氧化铝膜表面形成的氮化铝薄膜，其中阳极氧化铝膜的孔隙率由金属铝基底到氮化铝薄膜方向逐渐降低。孔隙率是指材料内部孔隙体积占其总体积的 百分率。
该阳极氧化铝膜为多孔型氧化铝，其热膨胀系数与其孔隙率、致密性有关，因此可以通过调节孔隙率、致密性来调节其热膨胀系数。研究表明，阳极氧化铝膜孔隙率高，薄膜疏松，热膨胀系数大。阳极氧化铝膜孔隙率低，薄膜致密，热膨胀系数小。
优选地，所述阳极氧化铝膜的厚度为flOym。
优选地，所述氮化铝薄膜厚度大于O而不超过4 μ m。
优选地，所述阳极氧化铝膜与氮化铝薄膜的厚度相同。优选均为2μπι。
上述优选的阳极氧化铝膜和氮化铝薄膜的厚度可以实现较好地过渡，比其它金属过渡层(一般只有0.01、.1 μπι厚)热应力释放更充分，两者厚度相同为最佳。值得指出的是，在本发明的封装基板中，主要利用的是氮化铝薄膜的高抗电强度产生的绝缘性。由于其厚度只有几个微米，氮化铝薄膜的高导热系数对于热的横向扩散几乎没有意义。基于同样的道理，虽然阳极氧化铝热导率较低，但阳极氧化铝缓冲层厚度只有几微米，产生的热阻在基板整体热阻中的比例也极低，增加该缓冲层，对基板的热阻影响不大。
本发明还提供了上述金属铝基氮化铝封装基板的制备方法，是以金属铝为基底， 在铝金属的一面进行阳极氧化处理而产生一层多孔型的阳极氧化铝膜，然后在阳极氧化铝膜上通过真空沉积技术镀氮化铝薄膜，得到封装基板。阳极氧化处理是一个常规工艺，过程包括机械预处理；除油、清洗和酸浸；发亮处理或者抛光；使用直流电或者交流电阳极化处理；着色或者后处理等。采用阳极氧化处理的方法，在金属铝基底与氮化铝薄膜之间增加一层多孔阳极氧化铝膜层，该膜层的热膨胀系数由上至下递增，同时还具备与氮化铝薄膜可比拟的厚度，因此，能够实现热应力的释放，显著提高基板的抗热冲击能力。另一方面，氮化铝薄膜生长过程中，氮化铝会部分进入到多孔阳极氧化铝的纳米尺度微孔中，增大氮化铝薄膜与阳极氧化铝膜的接触面积，提高氮化铝薄膜与基底的结合力。阳极氧化铝膜的孔隙率、孔径、疏松度会因为温度和电压的变化而变化，因此可以通过控制这些条件实现对阳极氧化铝膜内部结构的调整。
优选地，所述阳极氧化处理中的阳极氧化温度控制采用渐变或多级梯度变化，变化范围在_3(T4°C之间，起始温度低，末期温度高。
优选地，所述阳极氧化处理中的阳极氧化电压采用渐变或多级梯度变化，变化范围在4(T200V之间，起始电压高，末期电压低。
阳极氧化初始时，在极低温、避免烧蚀发生的情况下，尽可能提高电流密度，获得高的氧化电压。此时，阳极发生严重的氧气析出，电流 利用率极低，实际应用于铝氧化过程的电流极少。阳极氧化末期，在避免烧蚀发生的情况下，提升阳极氧化温度，降低电流密度， 实现低的氧化电压。
通过控制阳极氧化的温度与电压，可以调节阳极氧化铝膜的孔隙率与致密性。在低温、高电压工作条件下，阳极氧化铝的孔隙率低，薄膜致密。在高温、低电压工作条件下， 阳极氧化铝的孔隙率高，薄膜疏松。在阳极氧化过程中，渐变或梯度调节阳极氧化参数，使得阳极氧化铝膜层由上至下，孔隙率逐渐上升，致密性逐渐下降；就样就实现了阳极氧化铝膜热膨胀系数的渐变，从而起到缓冲层的效果。
真空沉积技术是已经成熟且较为常用的镀膜技术，包括物理气相沉积和化学气相沉积。其中物理气相沉积是利用热蒸发或辉光放电、弧光放电等物理过程，在基材表面沉积所需涂层的技术，包括真空蒸发镀膜、离子镀膜和溅射镀膜。本发明中可以使用任何一种真空沉积技术进行氮化铝镀膜操作。
本发明具有以下有益效果本发明的金属铝基氮化铝封装基板，通过对金属铝基底进行阳极氧化处理，在铝基底与氮化铝薄膜之间形成一层阳极氧化铝的缓冲层，从而显著改善了该基板的抗热冲击能力，试验证明，该基板表面的氮化铝薄膜在300°C热冲击下无开裂现象，能更好地应用于半导体芯片封装的后续工艺中。
图1是本发明金属铝基氮化铝封装基板结构示意图，由上而下依次为氮化铝薄膜、阳极氧化铝膜和铝。
图2是图1的局部放大图，显示阳极氧化铝膜，阳极氧化铝的孔隙率和疏松度由上至下(由氮化铝至金属铝方向)上升。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
实施例11.将厚度为2mm的铝片，使用压片机在IOMPa的压力下对铝片进行均匀压平。
2.在500°C的温度下退火3小时，以消除铝片内应力。
3.常规除蜡、除油、酸洗、碱洗、去离子水清洗。
4.电化学抛光高氯酸和无水乙醇1:4的抛光液中进行电化学抛光2min，电流密度 10A/dm2。
5.阳极氧化电解液为O. 3mol/L的草酸，采取梯度调节阳极氧化温度与阳极氧化电压第一级:温度_30°C，电压200V,时间10分钟；第—二级:温度_15°C，电压100V,时间10分钟；第-三级:温度4°C，电压40V,时间20分钟，阳极氧化结束。阳极氧化铝膜约为I μ m厚。
6.去尚子水清洗，120°C, 60分钟烘干，然后，等尚子体清洗。
7.氮化铝薄膜射频溅射沉积条件工作压强IPa，靶基距6. 5cm，基片温度为200°C，N2/Ar=4/12，溅射时间为 30min，薄膜厚度 O. 5 μ m。
8.取样，300°C热冲击试验，氮化铝薄膜无开裂。
实施例21.将厚度为2mm的铝片，使用压片机在IOMPa的压力下对铝片进行均匀压平。
2.在500°C的温度下退火3小时，以消除铝片内应力。
3.常规除蜡、除油、酸洗、碱洗、去离子水清洗。
4.电化学抛光高氯酸和无水乙醇1:4的抛光液中进行电化学抛光2min，电流密度 IOA/dm2。
5.阳极氧化电解液为O. 3mol/L的草酸，采取梯度调节阳极氧化温度与阳极氧化电压；第一级温度_30°C，电压200V，时间30分钟；第二级温度_15°C，电压100V，时间60分钟；第三级温度4°C，电压40V，时间120分钟，阳极氧化结束。阳极氧化铝膜约为10 μ m厚。
6.去离子水清洗，120°C，60分钟烘干，然后，等离子体清洗。
7.氮化铝薄膜射频溅射沉积条件工作压强IPa，靶基距6. 5cm，基片温度为 200°C，N2/Ar=4/12，溅射时间为 200min，薄膜厚度 4 μ m。
8.取样，300°C热冲击试验，氮化铝薄膜无开裂。
实施例31.将厚度为2mm的铝片，使用压片机在IOMPa的压力下对铝片进行均匀压平。
2.在500°C的温度下退火3小时，以消除铝片内应力。
3.常规除蜡、除油、酸洗、碱洗、去离子水清洗。
4.电化学抛光高氯酸和无水乙醇1:4的抛光液中进行电化学抛光2min，电流密度 10A/dm2。
5.阳极氧化电解液为O. 3mol/L的草酸，采取梯度调节阳极氧化温度与阳极氧化电压第一级温度_30°C，电压200V，时间10分钟；第二级温度_15°C，电压100V,时间20分钟； 第三级温度4°C，电压40V,时间40分钟，阳极氧化结束。阳极氧化铝膜约为2 μ m厚。
6.去离子水清洗，120°C，60分钟烘干，然后，等离子体清洗。
7.氮化铝薄膜射频溅射沉积条件工作压强IPa，靶基距6. 5cm，基片温度为 200°C，N2/Ar=4/12，溅射时间为 lOOmin，薄膜厚度 2 μ m。
8.取样，300°C热冲击试验，氮化铝薄膜无开裂。
实施例41.将厚度为2mm的铝片，使用压片机在IOMPa的压力下对铝片进行均匀压平。
2.在500°C的温度下退火3小时，以消除铝片内应力。
3.常规除蜡、除油、酸洗、碱洗、去离子水清洗。
4.电化学抛光高氯酸和无水乙醇1:4的抛光液中进行电化学抛光2min，电流密度 10A/dm2。
5.阳极氧化电解液为O. 3mol/L的草酸，采取渐变调节阳极氧化温度与电压电压渐变200V到100V,每分钟下降4V,时间25分钟；100V到40V,每分钟下降IV，时间60分钟。
温度渐变-30°C到_15°C，每分钟下降O. 6°C，时间25分钟「15。。到3°C，每分钟下降O. 3°C，时间60分钟。阳极氧化结束。阳极氧化铝膜约为2μπι厚。
6.去离子水清洗，120°C度60分钟烘干，然后，等离子体清洗。
7.氮化铝薄膜射频溅射沉积条件工作压强IPa，靶基距6. 5cm，基片温度为 200°C，N2/Ar=4/12，溅射时间为 lOOmin，薄膜厚度 2 μ m。
8.取样，300°C热冲击试验，氮化铝薄膜无开裂。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为 准。
权利要求
1.一种金属铝基氮化铝封装基板，其特征在于，该封装基板包括一金属铝基底，在金属铝基底表面形成的多孔型阳极氧化铝膜，和在阳极氧化铝膜表面形成的氮化铝薄膜，其中阳极氧化铝膜的孔隙率由金属铝基底到氮化铝薄膜方向逐渐降低。
2.根据权利要求1所述的金属铝基氮化铝封装基板，其特征在于，所述阳极氧化铝膜的厚度为I IOii m。
3.根据权利要求1所述的金属铝基氮化铝封装基板，其特征在于，所述氮化铝薄膜厚度大于0而不超过4 ii m。
4.根据权利要求1所述的金属铝基氮化铝封装基板，其特征在于，所述阳极氧化铝膜与氮化铝薄膜的厚度相同。
5.权利要求f4任一所述的金属铝基氮化铝封装基板的制备方法，其特征在于，以金属铝为基底，在铝金属的一面进行阳极氧化处理而产生一层多孔型阳极氧化铝膜，然后在阳极氧化铝膜上通过真空沉积技术镀氮化铝薄膜，得到封装基板。
6.根据权利要求5所述的金属铝基氮化铝封装基板的制备方法，其特征在于，所述阳极氧化处理中，阳极氧化温度控制采用渐变或多级梯度变化，变化范围在_3(T4°C之间，起始温度低，末期温度闻。
7.根据权利要求5所述的金属铝基氮化铝封装基板的制备方法，其特征在于，所述阳极氧化处理中，阳极氧化电压采用渐变或多级梯度变化，变化范围在4(T200V之间，起始电压高，末期电压低。
全文摘要
本发明公开了一种金属铝基氮化铝封装基板及其制备方法，属于微电子材料领域。该封装基板包括一金属铝基底，在金属铝基底表面形成的多孔型阳极氧化铝膜，和在阳极氧化铝膜表面形成的氮化铝薄膜，其中阳极氧化铝膜的孔隙率由金属铝基底到氮化铝薄膜方向逐渐降低。该封装基板的制备方法是以金属铝为基底，在铝的一面进行阳极氧化产生一层多孔型阳极氧化铝膜，然后在阳极氧化铝膜上真空沉积氮化铝薄膜。本发明的金属铝基氮化铝封装基板，通过对金属铝基底进行阳极氧化处理，在铝基底与氮化铝薄膜之间形成一层热膨胀系数渐变的阳极氧化铝热应力缓冲层，显著改善了抗热冲击能力，在300℃热冲击下无开裂现象，能更好地应用于半导体芯片封装的后续工艺。
文档编号H01L23/14GK103035585SQ20121053390
公开日2013年4月10日 申请日期2012年12月12日 优先权日2012年12月12日
发明者王文峰, 张军, 李明鹤, 彭雷 申请人:武汉铂岩科技有限公司