一种绝缘导热薄膜的制备方法及封装结构与流程

本发明属于纳米材料及器件领域，涉及一种绝缘导热薄膜的制备方法及封装结构。

背景技术：

随着电子电路中主开关频率、变换电源电压和功率的提高，对起控制作用的整流开关二极管提出了更高要求。功率型混合PiN肖特基二极管(Merged PiN/Schottky diode，MPS)开关二极管具有高阻断电压、低漏电流、更快的开关速度、更大的导通电流、更小的导通电压等特点。MPS二极管的铜基体不仅起到对芯片的支撑作用，而且是芯片工作的电极之一，所以需要在铜基体下表面镀上一层绝缘层，防止漏电。现代社会大功率MPS开关二极管使用的领域越来越多，应用的功率越来越大(100W以上)，大部分电能都转化成热量，使芯片的结温迅速上升，当温度超过最大允许温度时，大功率MPS就会因为过热而损坏，所以要求绝缘层要有较大的导热系数，以便产生的热量及时传递出去。散热问题是MPS封装的关键，是迫切需要解决的问题，在大功率MPS开关二极管设计中散热设计是一项主要目标。因此，在功率型MPS开关二极管铜基体上沉积一种电阻系数高，又能快速导热的绝缘层及其重要。

目前常用氧化铝导热绝缘涂层，但氧化铝的导热系数较低、一般不高于30W/m.K，电阻约为10MΩ。并且现有技术中，一般的物理气相沉积或化学气相沉积所得绝缘导热薄膜与铜、铝等基板的结合力较低，容易发生剥落，无法满足使用要求。

因此，如何提供一种绝缘导热薄膜的制备方法及封装结构，以提高绝缘导热薄膜与基板之间的结合力，并有效绝缘及导热，以便芯片产生的热量及时传递出去，并防止漏电或放电产生，成为本领域技术人员亟待解决的一个重要技术问题。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种绝缘导热薄膜的制备方法及封装结构，用于解决现有技术中类金刚石绝缘导热薄膜与基板结合力交底，容易发生剥落，无法满足使用要求的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种绝缘导热薄膜的制备方法，包括如下步骤：

S1：提供一基板，在所述基板上形成金属单质层；所述金属单质为铝或钛；

S2：在所述金属单质层上形成相应金属的掺硅化合物层；

S3：在所述掺硅化合物层上形成类金刚石绝缘导热薄膜。

可选地，所述基板的材质包括铜、铝、铝合金、不锈钢、锗、硅中的任意一种。

可选地，所述基板的材质为陶瓷或玻璃，且于所述步骤S1中，无需在所述基板上形成所述金属单质层，于所述步骤S2中，直接在所述基板上形成铝的掺硅化合层或钛的掺硅化合物层。

可选地，所述基板上连接有射频电源；在形成所述金属单质层、相应金属的掺硅化合物层或类金刚石绝缘导热薄膜时，开启所述射频电源，以提高所述金属单质层、相应金属的掺硅化合物层或类金刚石绝缘导热薄膜的均匀性与致密性。

可选地，于所述步骤S1中，在所述基板上形成金属单质层之前，首先对所述基板进行氩气等离子体清洗。

可选地，于所述步骤S1中，进行相应金属靶的磁控溅射，在所述基板上沉积得到所述金属单质层；所述金属靶连接有直流溅射电源或射频溅射电源。

可选地，于所述步骤S2中，往反应腔室内通入硅源，同时进行相应金属靶的磁控溅射，在所述金属单质层上形成所述掺硅化合物层。

可选地，所述类金刚石绝缘导热薄膜为含氢类金刚石绝缘导热薄膜或无氢类金刚石绝缘导热薄膜。

可选地，于所述步骤S3中，通过物理气相沉积或化学气相沉积法形成所述类金刚石绝缘导热薄膜。

可选地，于所述步骤S3中，在所述掺硅化合物层上形成类金刚石绝缘导热薄膜时通入硅源，得到掺硅类金刚石绝缘导热薄膜。

可选地，所述金属单质金属层的厚度范围是10-300nm；所述掺硅化合物层的厚度范围是20-300nm；所述类金刚石绝缘导热薄膜的厚度范围是100-4000nm。

本发明还提供一种封装结构，包括基板及结合于所述基板上表面的芯片，所述基板下表面依次形成有金属单质层、相应金属的掺硅化合物层以及类金刚石绝缘导热薄膜；所述金属单质为铝或钛。

可选地，所述基板的材质包括铜、铝、不锈钢、锗、硅中的任意一种。

可选地，所述基板的材质为陶瓷或玻璃，且所述基板下表面依次形成有铝的掺硅化合物层或钛的掺硅化合物层以及所述类金刚石绝缘导热薄膜，无需形成有所述金属单质层。

可选地，所述类金刚石绝缘导热薄膜为含氢类金刚石绝缘导热薄膜或无氢类金刚石绝缘导热薄膜。

可选地，所述类金刚石绝缘导热薄膜为掺硅类金刚石绝缘导热薄膜。

可选地，所述金属单质金属层的厚度范围是10-300nm；所述掺硅化合物层的厚度范围是20-300nm；所述类金刚石绝缘导热薄膜的厚度范围是100-4000nm。

可选地，所述芯片为混合PiN肖特基二极管。

可选地，所述基板作为所述混合PiN肖特基二极管的工作电极之一。

如上所述，本发明的绝缘导热薄膜的制备方法及封装结构，具有以下有益效果：本发明结合磁控溅射与射频化学气相沉积技术，在基板上沉积与基板结合力良好的类金刚石绝缘导热薄膜，达到高导热、高绝缘性的效果。本发明制备的类金刚石绝缘导热薄膜可以很好的应用于混合PiN肖特基二极管铜或铝基板上，作为封装结构中绝缘和导热散热层来使用，以代替现有的氧化铝绝缘层。并且本发明制备的绝缘导热薄膜的方法不局限于混合PiN肖特基二极管铜或铝合金基板上使用，还可以应用于其他类型的需要快速散热并需要绝缘的基板上面，具有广泛的工业前景。

附图说明

图1显示为本发明的绝缘导热薄膜的制备方法的工艺流程图。

图2显示为本发明的绝缘导热薄膜的制备方法在基板上制备金属单质层的示意图。

图3显示为本发明的绝缘导热薄膜的制备方法在所述金属单质层上形成相应金属的掺硅化合物层的示意图。

图4显示为本发明的绝缘导热薄膜的制备方法在所述掺硅化合物层上形成类金刚石绝缘导热薄膜的示意图。

图5显示为本发明的封装结构的示意图。

元件标号说明

S1～S3 步骤

1 基板

2 金属单质层

3 掺硅化合物层

4 类金刚石绝缘导热薄膜

5 芯片

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1至图5。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

实施例一

本发明提供一种绝缘导热薄膜的制备方法，请参阅图1，显示为该方法的工艺流程图，包括如下步骤：

S1：提供一基板，在所述基板上形成金属单质层；所述金属单质为铝或钛；

S2：在所述金属单质层上形成相应金属的掺硅化合物层；

S3：在所述掺硅化合物层上形成类金刚石绝缘导热薄膜。

其中，类金刚石(Diamond Like Carbon，DLC)绝缘导热膜具有很高的硬度、耐磨性、导热性、绝缘性、化学惰性强及其良好的生物相容性等特点，碳原子和碳原子之间以sp³和sp²键的形式结合，生成的无定形碳的一种亚稳定形态的非晶碳，薄膜电阻率可达108Ω.cm，硬度高于10GPa，导热系数可达450W/m.K。

首先请参阅图2，执行步骤S1：提供一基板1，在所述基板1上形成金属单质层2；所述金属单质为铝或钛。

具体的，所述基板1的材质包括但不限于铜、铝、铝合金、不锈钢、硅、锗中的任意一种。

本实施例中，通过磁控溅射法在所述基板1上形成所述金属单质层2，其中，所述磁控溅射法采用直流溅射电源或射频溅射电源，所述直流溅射电源或射频溅射电源连接于金属靶上。

特别的，所述基板1上可进一步连接有射频电源，在形成所述金属单质层、相应金属的掺硅化合物层或类金刚石绝缘导热薄膜时，可开启所述射频电源，以提高所述金属单质层、相应金属的掺硅化合物层或类金刚石绝缘导热薄膜的均匀性与致密性。这是因为加载在所述基板1上的射频信号可以将到达基板附近的靶材材料或反应性气体进一步碎片化和离子化，从而得到更为均匀、致密的沉积层。本实施例中，所述射频电源的功率密度范围优选为0.3-1.5W/cm²，

作为示例，在所述基板1上形成金属单质层2之前，首先在氩气压强为0.1-10Pa下，打开连接在所述基板上的射频电源，对所述基板1进行氩气等离子体清洗，以去除所述基板1表面的污染物，以利于后续金属单质在所述基板1上的沉积。

等离子体清洗完成后，保持所述射频电源处于打开状态的同时，进行铝靶或钛靶的直流或射频磁控溅射，在所述基板1上沉积得到铝金属单质层或钛单质金属层(也可称为纯铝层或纯钛层)。作为示例，所述金属单质金属层2的厚度范围是10-300nm，优选为50-150nm。

本步骤中通过磁控溅射法及基板射频辅助得到的金属单质层2与所述基板1之间具有很好的结合力。

然后请参阅图3，执行步骤S2：在所述金属单质层2上形成相应金属的掺硅化合物层3。

此处需要说明的是，所谓“相应金属的掺硅化合物层”是指：若步骤S1中所述金属单质层2为铝层，则本步骤中形成的为铝的掺硅化合物层；若步骤S1中所述金属单质层2为钛层，则本步骤中形成的为钛的掺硅化合物层。

作为示例，所述掺硅化合物层的厚度范围是20-300nm，优选为80-200nm。

所述化合物采用掺硅化合物有如下好处：一方面，在铝层或钛层中掺入硅原子，可以使金属性的铝层或钛层具备一定的非金属性，从而能够与后续制备的类金刚石绝缘导热薄膜具有较强的结合力；另一方面，掺硅的铝层或钛层因为其主体成分为铝或钛，其与纯铝层或纯钛层之间亦具有很好的结合力。

由于铝层或钛层与所述基板1具有很好的结合力，掺硅化合物层又同时与铝层、钛层及类金刚石绝缘导热薄膜具有很好的结合力，因此在所述基板1与类金刚石绝缘导热薄膜之间设置所述金属单质层2及所述掺硅化合物层3，可以显著提高类金刚石绝缘导热薄膜与所述基板1之间的结合力。

作为示例，结合磁控溅射与射频化学气相沉积技术，在所述金属单质层2上形成所述掺硅化合物层3。其中，射频化学气相沉积技术是指利用射频等离子体激活化学气相反应，进行气相沉积。在射频电磁场的作用下，自由电子的运动引起反应物气体分子的电离，产生等离子体，由此降低化学反应的势垒，使得一些难以进行的化学反应变得容易进行。

具体的，使连接在所述基板1上的射频电源处于打开状态，并往反应腔室内通入硅源，同时进行铝靶或钛靶的磁控溅射，在所述金属单质层2上形成所述掺硅化合物层。

本实施例中，所述硅源包括六甲基二硅氧烷或四甲基硅烷，其分压为0.05-10Pa。

再请参阅图4，执行步骤S3：在所述掺硅化合物层3上形成类金刚石绝缘导热薄膜4。

具体的，通过物理气相沉积或化学气相沉积法形成所述类金刚石绝缘导热薄膜。所述类金刚石绝缘导热薄膜的厚度范围是100-4000nm，优选为500-2500nm。

具体的，根据碳源及制备方法的不同，得到的类金刚石绝缘导热薄膜可以为含氢类金刚石绝缘导热薄膜或无氢类金刚石绝缘导热薄膜。含氢类金刚石绝缘导热薄膜或无氢类金刚石绝缘导热薄膜均具有良好的绝缘导热性能，不同之处在于含氢类金刚石绝缘导热薄膜具有更高的透光率，而无氢类金刚石绝缘导热薄膜具有较高的硬度、弹性模量以及低摩擦系数。

作为示例，通过化学气相沉积法在所述掺硅化合物层3上形成类金刚石绝缘导热薄膜4，所述化学气相沉积法采用的碳源包括但不限于甲苯、甲烷、苯、乙炔中的任意一种。本实施例中，所述碳源优选采用甲苯。

具体的，当所述掺硅化合物层3达到设计厚度后，在反应腔室内通入甲苯(分压为0.05-10Pa)，并停止铝靶或钛靶的磁控溅射、关闭氩气，以形成含氢类金刚石绝缘导热薄膜。

以上仅为示例，在其它实施例中，根据设备的不同，相应的工艺条件可以根据需要进行改变，此处不应过分限制本发明的保护范围。

特别的，在通入碳源的同时，可保持通入一定量的硅源(例如六甲基)，以沉积掺硅类金刚石绝缘导热薄膜，或停止通入硅源以沉积不掺硅的类金刚石绝缘导热薄膜。

掺硅类金刚石绝缘导热薄膜与不掺硅的类金刚石绝缘导热薄膜均具有良好的绝缘导热性能，其中，掺硅类金刚石绝缘导热薄膜可以减小薄膜的内应力，并可以显著提高薄膜的附着力、耐磨性、SP³键的含量、光学带隙宽度、热稳定性、耐腐蚀性，同时，掺硅类金刚石绝缘导热薄膜与步骤S2制备的掺硅化合物层的结合力更好，可以进一步提高薄膜的附着能力。

上述步骤S1、S2及S3可在同一反应腔室内完成。

至此，通过本发明的绝缘导热薄膜的制备方法在所述基板1上制备得到了绝缘导热薄膜，该绝缘导热薄膜由金属单质层、相应金属的掺硅化合物层以及类金刚石绝缘导热薄膜三层组成，其中，前两者可提高类金刚石绝缘导热薄膜与基板的结合力。所述单质金属层采用磁控溅射法制备，所述掺硅化合物层采用磁控溅射与射频化学气相沉积技术制备，可显著提高膜基结合力。

需要指出的是，在另一实施例中，当所述基板的材质为陶瓷或玻璃时，也可无需形成所述金属单质层，因为铝的掺硅化合物与钛的掺硅化合物本身与陶瓷或玻璃具有较强的结合力。因此，于所述步骤S1中，无需在所述基板上形成所述金属单质层，于所述步骤S2中，直接在所述基板上形成铝的掺硅化合层或钛的掺硅化合物层。

通过本发明的绝缘导热薄膜的制备方法制备的类金刚石绝缘导热薄膜可以很好地应用于MPS用铜或铝合金基板上，作为绝缘和导热散热层来使用，以代替现有的氧化铝绝缘层。

实施例二

本发明还提供一种封装结构，请参阅图5，显示为该封装结构的示意图，包括基板1及结合于所述基板1上表面的芯片5，所述基板1下表面依次形成有金属单质层2、相应金属的掺硅化合物层3以及类金刚石绝缘导热薄膜4；所述金属单质为铝或钛。

需要说明的是，所谓“相应金属的掺硅化合物层”是指：若所述金属单质层2为铝层，则相应金属的掺硅化合物层为铝的掺硅化合物层；若所述金属单质层2为钛层，则相应金属的掺硅化合物层为钛的掺硅化合物层。

具体的，所述基板1的材质包括但不限于铜、铝、铝合金、不锈钢、硅、锗中的任意一种。所述金属单质金属层的厚度范围是10-300nm；所述掺硅化合物层的厚度范围是20-300nm；所述类金刚石绝缘导热薄膜的厚度范围是100-4000nm。

具体的，所述掺硅化合物有如下好处：一方面，在铝层或钛层中掺入硅原子，可以使金属性的铝层或钛层具备一定的非金属性，从而能够与后续制备的类金刚石绝缘导热薄膜具有较强的结合力；另一方面，掺硅的铝层或钛层因为其主体成分为铝或钛，其与纯铝层或纯钛层之间亦具有很好的结合力。

由于铝层或钛层与所述基板1具有很好的结合力，掺硅化合物层又同时与铝层、钛层及类金刚石绝缘导热薄膜具有很好的结合力，因此在所述基板1与类金刚石绝缘导热薄膜之间设置所述金属单质层2及所述掺硅化合物层3，可以显著提高类金刚石绝缘导热薄膜与所述基板1之间的结合力。

需要指出的是，在另一实施例中，当所述基板1的材质为陶瓷或玻璃时，也可无需形成所述金属单质层，因为铝的掺硅化合物与钛的掺硅化合物本身与陶瓷或玻璃具有较强的结合力。因此所述基板1下表面依次形成有铝的掺硅化合物层或钛的掺硅化合物层以及所述类金刚石绝缘导热薄膜，无需形成有所述金属单质层。

具体的，所述类金刚石绝缘导热薄膜4为含氢类金刚石绝缘导热薄膜或无氢类金刚石绝缘导热薄膜。含氢类金刚石绝缘导热薄膜或无氢类金刚石绝缘导热薄膜均具有良好的绝缘导热性能，不同之处在于含氢类金刚石绝缘导热薄膜具有更高的透光率，而无氢类金刚石绝缘导热薄膜具有较高的硬度、弹性模量以及低摩擦系数。

进一步的，所述类金刚石绝缘导热薄膜4可以为掺硅类金刚石绝缘导热薄膜或不掺硅类金刚石绝缘导热薄膜。掺硅类金刚石绝缘导热薄膜与不掺硅的类金刚石绝缘导热薄膜均具有良好的绝缘导热性能，其中，掺硅类金刚石绝缘导热薄膜可以减小薄膜的内应力，并可以显著提高薄膜的附着力、耐磨性、SP³键的含量、光学带隙宽度、热稳定性、耐腐蚀性，同时，掺硅类金刚石绝缘导热薄膜与步骤S2制备的掺硅化合物层的结合力更好，可以进一步提高薄膜的附着能力。

作为示例，所述芯片为混合PiN肖特基二极管。混合PiN肖特基二极管(Merged PiN/Schottky diode，MPS)具有PIN二极管高阻断电压、低漏电流和肖特基二极管(SBD)小开启电压、大导通电流以及高开关速度的优点。对于垂直结构的MPS，其呈现深注入的交叉指状P+栅格与肖特基结相间隔的网状结构，MPS二极管正面电极形成用于肖特基区的与相对低掺杂区域的肖特基势垒(Schottky contact)，以及用于P-i-N区的与相对高掺杂区域的欧姆接触；MPS二极管背面电极与MPS二极管形成欧姆接触(Ohmic contact)。MPS开关管的主要结是PiN二极管区，PN结通过其耗尽层的宽度和两PN结之间的间隙来影响肖特基的导电沟道。

本实施例中，所述基板1优选采用铜基板，其不仅作为散热基板，还作为所述混合PiN肖特基二极管的工作电极之一。

采用本发明的封装结构可以有效解决大功率MPS开关二极管在使用过程中的散热降温问题，其中类金刚石绝缘导热薄膜与基板具有很好的结合能力，且具有较大的导热系数和电阻率，可以使得芯片产生的热量及时传递出去，并防止漏电和放电发生。

在其它实施例中，所述芯片也可以是其他类型的需要快速散热并需要基板背面绝缘的芯片，此处不应过分限制本发明的保护范围。

综上所述，本发明的绝缘导热薄膜的制备方法结合磁控溅射与射频化学气相沉积技术，在基板上沉积与基板结合力良好的类金刚石绝缘导热薄膜，达到高导热、高绝缘性的效果。本发明制备的类金刚石绝缘导热薄膜可以很好的应用于混合PiN肖特基二极管铜或铝合金基板上，作为封装结构中绝缘和导热散热层来使用，以代替现有的氧化铝绝缘层。并且本发明制备的绝缘导热薄膜的方法不局限于混合PiN肖特基二极管铜或铝合金基板上使用，还可以应用于其他类型的需要快速散热并需要绝缘的基板上面，具有广泛的工业前景。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。