直接覆銅技術(shù)(DBC)是一種基于氧化鋁陶瓷基板金屬化的技術(shù),最早出現(xiàn)于20世紀(jì)70年代。DBC技術(shù)是利用銅的含氧共晶液將銅直接與陶瓷進(jìn)行敷接的一項(xiàng)技術(shù),其基本原理是先通過預(yù)氧化的方法在銅箔中引入氧,在1065~1083℃范圍內(nèi),銅與氧會(huì)形成Cu-O共晶液。該共晶液一方面與氧化鋁發(fā)生化學(xué)應(yīng),生成中間相(CuAlO2或CuAl2O4),另一方面浸潤(rùn)銅箔,實(shí)現(xiàn)陶瓷基板與銅箔的良好結(jié)合。
一、DBC陶瓷基板銅箔預(yù)氧化的難點(diǎn)
直接覆銅法要實(shí)現(xiàn)銅箔和陶瓷基片的可靠敷接,必須在二者之間形成一層銅氧共晶液相,這就需要在銅箔和陶瓷基片之間引入氧。通常在DBC工藝中采用熱氧化的方法在銅中引入氧,生成一層很薄(大約幾個(gè)微米)的氧化層。這種方法雖然能夠?qū)崿F(xiàn)銅箔和Al2O3(或AlN)陶瓷基片的敷接,但是:● 采用這種方法對(duì)氧氣氣氛的控制難度很大,并且很難得到足夠的Cu2O,形成的氧化層往往是CuO和Cu2O的混合物,在DBC過程中,CuO在高溫下會(huì)分解為Cu2O,釋放出氧氣,形成微小氣孔,影響敷接強(qiáng)度;● 其次,高溫氧化銅箔很難實(shí)現(xiàn)單面氧化,在銅箔的另一側(cè)的非結(jié)合面也會(huì)形成不同程度的氧化層,影響銅箔的導(dǎo)電性能,降低其表面的鍍鎳性能以及芯片焊接強(qiáng)度,需要進(jìn)一步的還原處理,從而增加了工序的復(fù)雜性;● 同時(shí),銅箔經(jīng)過一次高溫處理晶粒會(huì)長(zhǎng)大,使后期芯片的焊接性能進(jìn)一步下降。二、銅箔預(yù)氧化層的影響因素
直接敷銅技術(shù)中銅箔預(yù)氧化過程需要通過控制氧化氣氛中的氧含量來控制氧化產(chǎn)物的物相,同時(shí)氧化膜的厚度也需要控制。國(guó)內(nèi)學(xué)者研究了預(yù)氧化溫度、氧分壓對(duì)銅箔氧化層物相和厚度影響。1、預(yù)氧化溫度
下圖為相同條件下(氧分壓為500×10-6,時(shí)間1h),銅箔在不同溫度(400~900℃)條件下預(yù)氧化處理后銅箔表面氧化物的拉曼光譜圖。400~800℃預(yù)氧化處理,拉曼光譜對(duì)應(yīng)Cu2O,900℃進(jìn)行預(yù)氧化處理,拉曼光譜對(duì)應(yīng)CuO。如下圖所示,在400~600℃范圍內(nèi),隨著溫度的上升,氧化膜厚度基本上是隨著溫度的升高而線性增加,當(dāng)預(yù)氧化溫度上升到600℃以上時(shí),由于最初生成的氧化層阻礙氧化進(jìn)程,氧化膜的厚度增長(zhǎng)速度開始減慢,氧化速率決定因素從化學(xué)反應(yīng)機(jī)制轉(zhuǎn)變?yōu)殡x子擴(kuò)散機(jī)制。
2、氧分壓
下圖為在相同條件下(溫度為600℃,時(shí)間為1h),不同氧分壓(100×10-6~800×10-6)氧化的銅箔表面氧化膜拉曼光譜圖。對(duì)銅箔在不同氧分壓下進(jìn)行預(yù)氧化處理,100×10-6~700×10-6范圍內(nèi),銅箔預(yù)氧化得到的表面氧化膜為Cu2O,提高氧分壓至800×10-6時(shí),銅箔樣品表面出現(xiàn)CuO物相。
下圖為銅箔表面氧化膜厚度隨著氧分壓變化曲線。氧化膜的厚度隨著氧分壓的增加呈現(xiàn)線性規(guī)律的增加。
隨著氧分壓增高銅箔表面的氧化速度加快,氧化膜持續(xù)增厚,銅箔表面出現(xiàn)的Cu2O薄膜與基體Cu之間由于熱膨脹系數(shù)差異所產(chǎn)生的應(yīng)力來不及釋放,導(dǎo)致銅箔表面的氧化膜開始出現(xiàn)鼓泡和疏松,并導(dǎo)致部分氧化亞銅薄膜脫落。據(jù)文獻(xiàn)資料,通常界面反應(yīng)層的厚度控制在2~6μm范圍內(nèi),能夠得到導(dǎo)熱性和界面結(jié)合性良好的基板。
DBC陶瓷基板在實(shí)際應(yīng)用中有諸多優(yōu)勢(shì),但在制備過程中要嚴(yán)格控制共晶溫度及氧含量,對(duì)設(shè)備和工藝控制要求較高。