Cu／Al2O3与Cu／AlN复合陶瓷基板材料制备研究*

谢建军 王亚黎 施誉挺 李德善

丁毛毛1 翟甜蕾1 章 蕾1 吴志豪2 施 鹰1

（1上海大学材料科学与工程学院电子信息材料系 上海 200444）（2上海申和热磁电子有限公司 上海 200444）

前言

随着电子元器件功率密度的日益增大，陶瓷基板的应用越来越广泛。目前普遍使用的陶瓷基板材料主要有Al2O3、BeO、Si3N4、莫来石、AlN以及玻璃陶瓷。其中Al2O3和AlN陶瓷因无毒、原料来源广泛，介电常数小，机械性能好，同时制备工艺性好，既可以用流延成形又可以常压烧结，所以是两种使用占比最高的电子封装导热基板。

但是若将Al2O3和AlN陶瓷材料应用于电子封装领域，首先要解决其和金属的敷接问题。近几年这方面的研究工作也很活跃，目前常见的金属敷接方法主要有：Al2O3、AlN陶瓷和钨、铜、钛和铝等金属的结合［1～3］。在与不同金属结合的方法过程中都有不可避免的缺点，如Al2O3、AlN陶瓷和金属钨的结合共烧温度很高达1 900℃，工艺条件要求苛刻，而且形成的是厚膜电路，无法应用在电力电子技术领域。它和金属铝的结合相对容易，但是铝的化学性质十分活泼，非常容易与空气中的氧发生化学反应而在其表面上形成一层化学性质稳定、结构致密的氧化膜，这层氧化膜的厚度通常在几十纳米左右。该氧化膜的存在严重阻碍了铝和陶瓷的接合，使得其接合强度低而且牢固性差，所以在使Al2O3、AlN陶瓷敷铝方法中，必须去除熔化的铝液表面那层致密的氧化膜，铝液才能够湿润Al2O3、AlN陶瓷基板，从而与Al2O3、AlN陶瓷基板牢固地粘结在一起。Al2O3、AlN陶瓷和金属铜在敷接过程中，由于Cu与Al2O3、AlN陶瓷的浸润性差异，所以通常需要采取不同的工艺进行敷接，才能将Cu箔与Al2O3、AlN陶瓷紧密结合。由于Cu与AlN的浸润性较差，首先要将AlN陶瓷氧化，使其表面形成一层薄薄的Al2O3陶瓷，然后利用直接敷铜（Direct Bond－ed Copper，DBC）技术将Cu箔和Al2O3陶瓷在1 060℃通过共晶反应生成CuAlO2、Cu（AlO2）2等共晶过渡层化合物，从而实现Al2O3、AlN和金属Cu箔的有效结合。

图1 Cu／Al2O3与Cu／AlN复合陶瓷基板材料的DBC制备工艺流程图Fig.1 The DBC preparation process flow chart of Cu／Al2O3and Cu／AlN composite ceramic substrate materials

笔者利用DBC技术在低于金属铜熔点～20℃，分别在氧气／氮气气氛下，将纯Cu箔成功敷接在Al2O3、AlN陶瓷上而制备出Cu－Al2O3与Cu－AlN复合陶瓷基板材料，并使用SEM和机械剥离试验机对其微观形貌与界面结合强度性能进行分析。图1为Cu－Al2O3与Cu－AlN复合陶瓷基板材料的DBC制备工艺流程图。

1 实验

1.1 实验用原材料

图2 Cu／Al2O3和Cu／AlN复合陶瓷基板材料的外形图Fig.2 Photograph of Cu／Al2O3and Cu／AlN composite ceramic substrate materials

实验所用的原材料选用厚度为0.90mm 的Al2O3和AlN陶瓷和厚度为0.25mm的铜箔，首先在高温下使Cu箔和AlN陶瓷表面先预氧化，随后在高温下分别使Cu箔与Al2O3、AlN陶瓷发生键合作用，形成牢固的键合，制成DBC键合试样。图2为按照图1中的制备工艺流程通过DBC技术方法制备的Cu／（Al2O3，AlN）接合基板的实物图片。

1.2 Cu和Al2O3、AlN陶瓷基板的结合强度测试

通过测试夹具将试样装夹在上海衡翼精密仪器有限公司生产的 HY－90BL剥离试验机上对Cu／（Al2O3，AlN）复合陶瓷基板之间的结合强度进行测试。研究使用的测试夹具是在车床上加工试样所使用的装夹夹具，这样能够保证HY－90BL剥离试验机上试样的装夹同心度和垂直度等形位公差要求（＜0.02 mm），确保测试结果的准确所测试的Cu／（Al2O3，AlN）陶瓷结合的界面面积是5mm×25mm，铜板以90°（垂直）方法剥离，速度为5.0mm／min，拉力单位为N／mm。

1.3 Cu／（Al2O3，AlN）基板的界面分析

利用Magellan 400场发射扫描电子显微镜（Magellan 400SEM）观察Cu／Al2O3和Cu／AlN复合陶瓷基板界面的微观形貌并分析界面的成分及组成。

2 实验结果

2.1 Cu／Al2O3和Cu／AlN复合陶瓷基板界面结合状况

图3是使用Magellan 400场发射扫描电子显微镜拍摄的在～1 050℃敷结的Cu／（Al2O3，AlN）复合陶瓷基板界面放大16 000倍的显微电镜图像。从图3中的显微图像可以看出，在Cu箔和Cu／（Al2O3，AlN）陶瓷之间的结合致密，没有丝毫的缝隙存在。但在金属Cu箔和AlN陶瓷之间有一层厚度约为2μm的过度层生成。

图3 Cu／Al2O3和Cu／AlN复合陶瓷基板材料界面SEM图像Fig.3 SEM micrographs of Cu／Al2O3and Cu／AlN composite ceramic substrate materials

图4是Cu／Al2O3封装基板两侧Al2O3陶瓷和Cu箔内部两点（Spectrum1和Spectrum3）的能谱分析图。从图4可以看出，金属Cu箔和Al2O3陶瓷之间的结合没有任何新物质生成。

图5是Cu／AlN封装基板界面Spectrum1、Spectrum2点和界面两侧AlN陶瓷与铜箔内部Spec－trum3、Spectrum4点的能谱分析图。从图5可以看出，由于有中间过渡层的存在而使得金属Cu和氮化铝陶瓷之间的结合紧密，经元素分析此过渡层Spectrum1、Spectrum2这两点的组成主要是N、O、Al和Cu元素，根据其化学计量比推断主要为Al2O3和CuAlO2，为DBC工艺过程中对AlN陶瓷基板和铜箔进行预氧化处理和共晶反应的结果，其中含有的N和Cu元素还有可能是由于过渡层界面两侧AlN陶瓷基底（Spectrum3点）和Cu箔（Spectrum4点）的影响造成的。在过渡层界面两侧Spectrum3、Spectrum4点的能谱分析结果表明，这分别是基底AlN陶瓷和铜箔金属层，其中分别含有少量Cu和O，这是由于在高温敷结过程中发生基底与中间过渡层和中间过渡层与金属薄层的相互扩散或反应所致。除此之外，再没有新物质生成。

图5 Cu／AlN复合陶瓷基板材料界面能谱分析Fig.5 EDS analysis of Cu／AlN composite ceramic substrate material interface

根据图4、图5对Cu／（Al2O3，AlN）复合陶瓷基板界面能谱分析可知，Cu／（Al2O3，AlN）陶瓷的键合机理主要是由于首先在高温预氧化AlN陶瓷和Cu箔时，分别在表面产生一层Al2O3氧化铝和Cu2O薄层，在温度高于低共熔点时，会出现Cu－Cu2O共晶液相，其中Cu2O相与Al2O3陶瓷有着良好的化学亲合性，能使界面降低，使共晶液相很好地湿润铜和陶瓷。同时，液相中的Cu2O与 Al2O3发生化学反应，形成CuAlO2，冷却后通过Cu－Al－O化学键、Cu2O与陶瓷牢固地键合在一起［4～5］。在Cu2O与金属铜箔接触的一端，以Cu2O离子键将Cu2O与铜层紧密联结起来，但这一层的键合力比Cu2O与Al2O3反应的键合力小一些，这是因为Cu2O和Al2O3是化学键合，而Cu2O和Cu是物理熔合，因而DBC材料的键合强度主要受Cu－Cu2O之间的结合力限制。因此，Cu表面的氧化层，特别是其中形成Cu2O的区域面积和致密程度对以后的键合作用有严重影响，它将直接影响DBC板的键合强度。

2.2 Cu／Al2O3和Cu／AlN复合陶瓷基板材料界面结合强度

表1是利用上海衡翼精密仪器有限公司生产的HY－90BL机械剥离试验机测定Al2O3、AlN陶瓷基板和Cu箔金属层之间结合强度的测试结果。

表1 Cu／Al2O3和Cu／AlN复合陶瓷基板材料界面结合力值Tab.1 Bonding strength of Cu／Al2O3，Cu／AlN composite ceramic substrate material

从表1可以看出，改变敷接温度对Cu／（Al2O3，AlN）结合强度的测试结果有一定的影响，随着敷结温度的升高，结合强度有逐渐增大的趋势。在DBC工艺过程中，首先由于通过预氧化在AlN和铜箔表面生成Al2O3和Cu2O薄层，然后在高温敷结过程中由于Cu－Cu2O－Al2O3的共晶反应作用，增加了Cu箔与Al2O3、AlN陶瓷基底的浸润性和结合力；另外由于在高温敷结过程中发生基底与中间过渡层以及中间过渡层与金属薄层的互扩散或反应明显，使得金属薄膜与陶瓷基片的接合非常牢固。所以随着敷结温度的升高，Cu箔与（Al2O3、AlN陶瓷基底间的结合力越大。另外，由于高温下金属Cu与Al2O3陶瓷的浸润性比Cu与AlN陶瓷的更好，因此Cu箔与Al2O3陶瓷的结合力更大。

3 结论

1）在1 000～1 060℃、氧气／氮气气氛下，通过预氧化Cu箔和AlN陶瓷表面，然后利用DBC技术能够湿润Cu和Al2O3、AlN陶瓷基板，从而将二者牢固地粘结在一起，界面结合力超过8.00N／mm。

2）在1 000～1 060℃，敷接温度对Cu／（Al2O3，AlN）界面的结合强度有一定影响。

3）金属铜在与氮化铝表面结合过程中，由于Cu／AlN之间有Al2O3、CuAlO2中间过渡薄层存在，使得Cu箔与Al2O3、AlN陶瓷结合紧密。而在高温下金属Cu与Al2O3陶瓷的浸润性比Cu与AlN陶瓷的更好，因此Cu箔与Al2O3陶瓷的结合力比Cu与AlN陶瓷更大。

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