一种基于瞬态液相键合的功能氮化硅陶瓷基板及制备方法

1.本发明涉及陶瓷基板技术领域，尤其涉及一种基于瞬态液相键合的功能氮化硅陶瓷基板及制备方法。


背景技术：

2.近年来，以碳化硅(sic)为代表的第三代半导体相对硅有更大的禁带宽度、高临界击穿场强及高热导率等优势，使得以其为基础制造的功率电子器件如高功率激光器、基于绝缘栅双极型晶体管(igbt)的电源控制模块及高压输电模块能够承受更高的电压及电流和超过300℃的工作温度，是一系列高功率器件的核心。芯片的更新换代及服役环境的变化也对封装基板提出了更高的要求：传统的树脂基基板已经不能承受如此高的工作温度及电流和电压，此外，其覆铜层的厚度也偏薄(《100um)。电子陶瓷基板具有高导热性、耐热性、高击穿场强及优异的机械性能，并且热膨胀系数与芯片材料相匹配。是目前最适合应用于高功率电子器件的封装基板。目前，以氧化铝(al2o3)、氮化铝(aln)及氮化硅(si3n4)陶瓷为基础的金属化陶瓷基板已经广泛应用于电力控制及运输、高速铁路、电动汽车及航空航天等领域。氧化铝和氮化铝发展较早，已经形成了比较成熟的制备和工艺流程，在工程和电子器件领域已经有长远的发展；近些年来，随着氮化硅陶瓷制备工艺的逐渐成熟，尤其是高导热率的氮化硅陶瓷(》70w/(m
·
k))制备工艺的突破，氮化硅陶瓷开始在各方面性能超过氧化铝和氮化硅陶瓷，成为功率器件进一步发展的关键材料。
3.在高功率电子器件领域，最常用的陶瓷基板材料为氧化铝(al2o3)和氮化铝(aln)，氧化铝的成本最低，并且有良好的机械性能，目前应用最为广泛。主要问题是氧化铝的热导率偏低(20～30w/(m
·
k))，不能满足更高功率的电力电子器件的散热要求；相比而言，氮化铝的热导率有大幅度的提升(140～260w/(m
·
k))，是氧化铝的7～8倍，在较为高端的功率电子上使用更多。但其热循环及功能循环可靠性较差，不适用于对功率器件及系统可靠性要求高的应用场景，且制造成本高，为氧化铝的十倍。氮化硅的性能相对于氧化铝和氮化铝陶瓷更为全面，且在关键性能方面有质的提升：相对氧化铝更高的热导率(80～170w/(m
·
k))；超高的耐电压击穿及弯曲强度，以及大电流载荷和超过5000次循环的稳定可靠性。氮化硅拥有众多电子陶瓷材料中最优的综合性能，尤其适用于要求高可靠性、长使用寿命的应用环境。新一代氮化硅功率电子陶瓷基板已经成为全球电子陶瓷基板厂商的攻坚领域。
4.功率电子陶瓷基板的主要功能为提供芯片的工作平台，实现可靠的电连接及保护，同时将功率芯片工作时产生的热量及时导出，通常使用陶瓷片双面覆盖厚铜箔(200～300um)的结构，主要解决的工艺难题就是金属铜和陶瓷材料的异质结合。早期的氧化铝覆铜陶瓷基板使用直接覆铜工艺(dbc)，在铜箔表面生成一层氧化铜，利用氧化铝和氧化铜在高温下的共晶反应实现铜箔和氧化铝的键合。这种方式工艺简单且成本较低，但是生成的反应层会影响热导率。直接覆铜氧化铝陶瓷基板的可靠性较低，在长期的热循环中容易出现裂纹，在采用氮化铝陶瓷替代氧化铝陶瓷时，还需要对氮化铝表面进行预氧化。
5.目前工业上使用活性金属钎焊(amb)的方法进行氮化铝和氮化硅陶瓷的覆铜工
艺，其原理是使用含少量活性金属，如钛、锆等的活性反应钎料进行铜与陶瓷基板的键合，常用的钎焊体系为银-铜-钛焊膏，其中含有(2％～5％)的钛，钛可以在900℃左右时与氮化铝(aln)、氮化硅(si3n4)中的n、si等元素反应生成化合物。amb工艺操作较为简单，但是存在一些问题限制了其应用：1.由于钛元素及其容易氧化，对焊料和钎焊设备要求较高，烧结过程必须在高真空下进行，焊膏中含有的稀释剂及粘结剂等有机成分在长期钎焊过程中会影响真空钎焊炉的寿命；且焊料在烧结过程中的低温阶段(150℃～400℃)必须进行的排气过程会使界面存在气体逸散后的气泡或通道，使基板的热导率减小并降低界面结合强度。2.焊料成分对烧结界面的组织影响很大，当焊料中组分含量发生变化，如钛含量过高时，界面易生成粗大的化合物从而导致界面结合强度下降；钛含量过低时，又不能形成连续的键合界面。3.amb烧结的覆铜陶瓷基板界面结合力通常为15～25mpa，对于部分要求高界面结合强度、高可靠性的工作场景仍有不足。4.工艺温度较高，典型的钎焊温度为850～900℃。5.活性钎料成本较高，通常售价为每克20～30rmb。因此，亟需开发新型氮化硅基板覆铜工艺。


技术实现要素：

6.为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于瞬态液相键合的功能氮化硅陶瓷基板及制备方法。
7.根据本发明，瞬态液相键合工艺使用低熔点金属与高熔点金属薄层交替的三明治结构，可以在低温下实现低温金属的熔化并快速与高熔点金属生成相应的金属间化合物及固溶体，所生成的成分可以承受高得多的工作温度(》350℃)，可以实现低温键合、高温服役。常用的瞬态液相体系有au-sn、au-in、ag-in及cu-in、cu-sn等，主要使用in、sn等低熔点金属与au、ag、cu等电子封装常用金属相配合。其中，ag-in、cu-in瞬态液相体系反应物简单、反应速度较快、接头强度高且可靠性高、力学性能好，可以实现电力电子陶瓷基板与铜箔的键合。在国际市场中，银(～15usd/oz.)、铜和铟的原材料单价(～5usd/oz.)均远低于金，相对于传统的au-sn、au-ga体系在成本上有很大优势。和amb工艺相比，银铟、铜铟等瞬态液相工艺可将键合温度降低到200℃左右，这有效避免了基板在键合过程中的翘曲；满足了很多光电器件等对温度敏感器件低温封装的需求；且反应不必在高真空下进行，低真空即可满足键合需求；此外，银铟瞬态液相工艺不涉及钎焊过程中有机成分的分解及排气，因此可大大降低界面孔隙率，容易形成无空隙的连续键合界面，可生产出高可靠性的氮化硅覆铜陶瓷基板。以银铟瞬态液相键合技术为例，银铟体系具有反应速度快、银铟间反应体系简单且不会发生相变，可满足功率器件长期可靠性的技术要求。使用银铟瞬态液相键合的方法实现厚铜箔与氮化硅陶瓷的连接，最重要的为在氮化硅陶瓷及铜箔表面制备银/铟层。用于瞬态液相键合的银/铟层厚度一般为十几微米，整个键合层的厚度控制在50um以下。在氮化硅基板表面做出银/铟双层结构，并在另一侧的铜箔上也镀一层银，经过夹具装配后进入真空炉键合，将铜箔键合到氮化硅基板表面。
8.第一方面，本发明提供的基于瞬态液相键合的功能氮化硅陶瓷基板的制备方法，包括：
9.1)在氮化硅基板的表面依次制备钛层、银种子层、电镀银层和铟镀层；
10.2)在无氧铜箔的表面制备电镀银层；
11.3)将所述无氧铜箔的镀银一侧与所述氮化硅基板的镀铟一侧进行银铟瞬态液相
键合；
12.4)进行覆铜基板电路图形刻蚀。
13.作为优选，步骤1)中，在所述氮化硅基板表面磁控溅射沉积40～60nm的钛层，然后在所述钛层上磁控溅射沉积0.5～1.5um的银种子层，在所述银种子层表面电镀10～15um的第一电镀银层，在所述第一电镀银层表面电镀8～12um优选10
±
1um的铟镀层。
14.作为优选，步骤1)中，采用采用低温电镀方式制备铟镀层，在电镀铟后使用低温冰箱优选低于-20℃的温度存储；所述铟镀层的厚度优选控制在10um。
15.作为优选，步骤1)中，磁控溅射沉积时，钛的沉积速率为0.1～1.2nm/s，银的沉积速率为1～5nm/s，沉积钛时的工作气压控制在1～2pa，沉积银时的工作气压为0.2～0.4pa。
16.作为优选，还包括将所述氮化硅基板和所述无氧铜箔进行精细抛光和清洗的步骤。
17.进一步优选，精细抛光至表面粗糙度《1um；所述氮化硅基板使用丙酮、无水乙醇和去离子水清洗。
18.进一步优选，所述钛层和所述银种子层分别采用99.99％纯度的钛靶和银靶；优选的，沉积室的基础真空《3
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pa；优选的，电镀银液采用环保镀银液，阳极板使用99.99％银箔，阴极为氮化硅基板，阴极电流密度选用5～10ma/cm2。
19.作为优选，步骤2)中，在无氧铜箔的表面电镀8～12um的第二电镀银层。
20.进一步优选，步骤2)中，所述无氧铜箔进行压平处理，使用有机溶剂、除油剂和去离子水清洗表面。
21.作为优选，步骤3)中，将所述无氧铜箔的镀银一侧与所述氮化硅基板的镀铟一侧进行装配，施加0.5～1.5mpa的压力；键合过程使用真空加热，键合过程中真空度《0.1pa，目标键合温度在190℃～220℃；加热曲线采用快升温、缓降温的方式；优选的，升温速率》20℃/min，到达目标键合温度后保温10～20min优选10～15min后自然降温。
22.作为优选，还包括在氮化硅基板表面进行激光打孔，形成带有侧壁角度的锥孔，锥孔的直径为10～100um，锥孔角度为4～6
°
。
23.作为优选，采用小功率进行激光打孔，优选采用水下激光打孔的方式。
24.作为优选，步骤4)中，采用湿法刻蚀的方式加工，使厚铜箔表面的电路图形化；优选的，先刻蚀厚铜箔，再去掉图形化区域的键合层材料，刻蚀厚铜箔的药剂采用pcb板刻蚀剂，优选采用喷淋刻蚀液的方式；刻蚀键合层金属的药剂采用银的刻蚀剂，刻蚀优选采用短时多次的方式。
25.第二方面，本发明提供一种功能氮化硅陶瓷基板，由所述的基于瞬态液相键合的功能氮化硅陶瓷基板的制备方法制备。
26.第三方面，本发明提供所述的基于瞬态液相键合的功能氮化硅陶瓷基板的制备方法制备的功能氮化硅陶瓷基板在包括电动汽车功率控制模块、高功率激光器、电力运输控制模块、风力发电机组中的应用。
27.本发明提供的功能氮化硅陶瓷基板及制备方法，利用瞬态液相键合的方法实现氮化硅陶瓷的覆铜工艺，通过氮化硅陶瓷的金属化工艺、键合以及金属化陶瓷基板的电路图形化，本发明能够制备出高可靠性的高功率电子陶瓷基板，可很好地用于电动汽车电源控制模块、高功率激光器、电力运输控制模块、风力发电机组等高端功率电子产品。
附图说明
28.为了更清楚地说明本发明实施例以及现有技术中的技术方案，下面将对实施例或者现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
29.图1为本发明实施例提供的基于瞬态液相键合方法制备氮化硅覆铜陶瓷基板的示意图；
30.图2为本发明实施例提供的银铟相图；
31.图3为本发明实施例提供的氮化硅基板表面形成锥孔示意图；
32.图4为本发明实施例提供的厚铜箔表面的电路图形化示意图。
具体实施方式
33.为了使发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
34.除非另有说明，以下实施例中使用的原料和试剂均为市售商品，或者可以通过已知方法制备。实施例中未注明具体技术或条件者，均为常规方法或者按照本领域的文献所描述的技术或条件进行，或者按照产品说明书进行。所用试剂和仪器等未注明生产厂商者，均为可通过正规渠道商购买得到的常规产品。
35.在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“顶”、“底”、“内”、“外”、“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
36.在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。
37.本发明一些实施例提供的基于瞬态液相键合的功能氮化硅陶瓷基板的制备方法及功能氮化硅陶瓷基板。下面将进一步结合实施例和附图对本发明进行进一步说明。
38.本发明实施例中，图1示出了基于瞬态液相键合方法制备氮化硅覆铜陶瓷基板的全流程及技术要点。氮化硅基板预先经过精细抛光以降低表面粗糙度(《1um)，以增强后续金属化层的结合力。当氮化硅表面的粗糙度过大时，不易形成连续致密的溅射银层，这会影响到后续银层的加厚及键合过程。由于氮化硅基板与银的结合力比较差，因此在氮化硅基板表面磁控溅射沉积一层40～60nm优选50nm厚的钛层，作为沉积银的粘附层。然后在钛层上磁控溅射沉积0.5～1.5um优选1um厚的银种子层，作为后续第一电镀银层的种子层。第一电镀银层采用环保镀银液电镀制备，厚度为10～15um，最后在第一电镀银层上电镀一层8～12um优选10um厚的铟镀层。钛层和银种子层均采用磁控溅射的方式沉积，使用99.99％纯度
的钛靶和银靶，沉积前将氮化硅基板使用丙酮、无水乙醇和去离子水清洗以清洁表面，氮化硅陶瓷的表面清洁度和光洁度对于金属化层的质量和后续的键合效果是十分重要的，沉积室的基础真空《3
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pa。由于钛在空气中极易氧化，因此要选用双靶或多靶沉积系统，沉积过程中始终处于高真空环境下，沉积时打开样品台旋转系统以保证不同区域厚度均一性。沉积良好的银种子层为银白色，表面无浮泡或凸起，有良好的金属光泽。溅射银薄膜晶粒细致，表面颗粒大小为纳米或亚微米级别，高低起伏一致，粗糙度和氮化硅基板表面的初始粗糙度相似，无明显的晶粒过度长大等现象，可以使用扫描电镜及原子力显微镜评价其表面质量。沉积好银种子层的氮化硅基板即可用于后续电镀银以加厚银层。电镀银液采用环保镀银液，阳极板使用99.99％银箔，阴极为氮化硅基板，阴极电流密度选用5～10ma/cm2，使用阴极移动、镀液搅拌及镀液连续过滤保证电镀质量。使用台阶仪测量镀银层的厚度。铟镀层采用电镀方式制备，因其在高温下很容易与银发生扩散反应而过早消耗，所以通常采用低温工艺制备，并且在电镀铟后要及时使用低温冰箱(-15～-25℃)存储，以减缓银铟互扩散。保证后续瞬态液相键合时界面保持充足的液相填充界面孔隙，形成连续的键合界面。铟镀层的厚度控制在10um左右，因其含量会影响到键合界面的组织分布，维持铟一定的比例可以获得更为牢固可靠的键合接头。在无氧铜箔表面电镀一层8～12um优选10um厚的第二电镀银层。无氧铜箔在金属化之前也要经过精细抛光和清洗；工业制成的无氧铜箔通常以卷带的方式生产，在裁剪后通常表面是不平整的，要先用压平机进行压平处理，以保证后续键合过程中金属层的良好接触；使用有机溶剂、除油剂和去离子水清洗表面的灰尘和防锈剂等成分，可以保证第二电镀银层在无氧铜箔表面的良好粘附，保证其界面强度。
39.进一步优选实施例，在使用磁控工艺进行薄膜制备时，要控制其沉积速率以保持良好的薄膜质量。沉积速率主要由仪器功率决定，优选钛的沉积速率为0.1～1.2nm/s更优选0.2～1nm/s，而银的沉积速率为1～5nm/s。在沉积过程中需通入氩气以辉光放电产生溅射离子，氩气流速一方面影响入射离子的数量，同时也会影响沉积薄膜的致密程度。研究表明，氩气的流速较高时，气压加高，入射离子的分子自由程短，易在沉积过程中发生相互碰撞而降低动能。适当降低氩气流速即采用本领域采用的低氩气流速得到更致密的薄膜。沉积钛时的工作气压控制在1～2pa，沉积银时的工作气压为0.2～0.4pa优选0.3pa。在沉积较厚的薄膜时，由于入射离子对基底的长时间轰击，会导致基底温度的持续升高，研究表明，当基底温度过高时，沉积薄膜会比较疏松，且容易生成凸起，使得成膜质量变差，因此，工作一段时间后，可以暂停电源以冷却基底和靶材。由于高真空条件下的降温速率较为缓慢，因此当磁控时间较长时(》30min)，应延长冷却时间以使基底降温至60℃以下。
40.作为优选实施例，在上述沉积工艺结束后，如图1所示将无氧铜箔镀银一侧与氮化硅基板镀铟一侧进行装配、施加0.5～1.5mpa优选1mpa的压力以保持银铟界面的良好接触。键合过程使用真空加热炉，键合过程中真空度《0.1pa，以防止铟的氧化。加热曲线采用快升温、缓降温的方式；目标键合温度在190℃～220℃，升温速率》20℃/min。在升温曲线接近目标温度时降低升温速率，以防止超出目标温度，到达目标键合温度后保温10～20min后自然降温。
41.在银铟瞬态液相键合过程中，键合接头的反应物种类对键合效果影响很大。银铟之间的金属间化合物有agin2、ag2in以及银铟固溶体。由于银铟之间的常温扩散反应，在电镀银层表面制备电镀铟层时，银通过间隙扩散到铟中并形成agin2。这会导致in的消耗，键
合过程中液相的减少不利于形成无空隙的界面，因此在制备铟层时，需要采用较高的制备速率，为键合反应保留足够多的纯铟。在键合中的升温过程中，氮化硅基板上制备的铟层将首先发生与铜箔表面银层的固态相互扩散和反应，由于铟层下也有一层电镀银层，因此两层银与铟接触的界面均发生agin2金属间化合物的生长。如图2中的银铟相图所示，纯铟的熔点为156.6℃，当温度升高到160℃以上时，铟开始大量熔化生成液相，经由键合夹具所施加的压力，液相的流动性可以克服键合层表面的原始粗糙度，从而完全填补键合界面的空隙和间隙，这也是瞬态液相工艺最为显著的优势。在固态扩散反应期间生成的agin2此时将发生包晶分解反应，在166℃转化为液态铟和金属间化合物ag2in，这一部分形成的液相铟的量很少，并且与包晶反应生成的ag2in混杂在一起，因此无法在键合过程中在整个接头上形成连续的浸润层。因此，如果在液相形成前已经有过量的铟通过扩散反应与银生成agin2金属间化合物，是不利于液相反应中键合界面的无孔隙化。然而，一定厚度的agin2金属间化合物层可以充当银铟互扩散的阻挡层，从而避免过量互扩散现象发生。铟向银中进行扩散时，优先采取境界扩散的方式，当液态铟直接与银接触时，由于沿晶界的扩散过快，会导致键合接头多空化的微观结构，这会影响接头的强度及热导率，不利于高功率电子陶瓷基板的长期服役可靠性。因此设计agin2金属间化合物层和纯银层的体积配比，以达到最好的键合效果。可以通过常温时效工艺来控制agin2金属间化合物层的厚度，其与纯铟层的厚度比控制在1:1～3优选1:2，即优选10um厚的纯铟层，在键合前agin2金属间化合物层的厚度为2～4um优选3um厚。这在之前的研究中是可以达到的，在室温下电镀10um厚的铟时，常温放置3～4h即可生长2～3um厚的agin2imc层，本发明键合前的样品置于低于-20℃的低温冰箱中，以防止银铟的过量扩散。
42.在键合温度高于铟液相线后，发生固-液反应，液相铟不断与银反应生成ag2in及银铟固溶体，这个过程可以在几十秒至几分钟内完成，直至所有液相被完全固化，此时初始接头反应完成。此时再进行保温10～15min以促进反应继续进行和均质化，直到所有包晶反应均进行完成。在均质化阶段，接头材料将发生再结晶，键合界面两侧材料相互生长至完全融合，初始界面完全消失，此时形成可靠的冶金连接。
43.作为优选实施例，在电力电子陶瓷化金属基板中，常常需要对陶瓷基板进行打孔并进行金属化，以进行两侧电路布线的连接，或成为插装器件安装的通孔。如图3所示，氮化硅基板表面进行激光打孔形成带有侧壁角度的锥孔，锥孔的直径为10～100um不等，锥孔角度为4～6
°
优选5
°
，设置锥度的目的是方便后续的金属化工艺。金属化采用磁控溅射+电镀的方式，先在氮化硅表面沉积一层40～60nm优选50nm的钛作为粘附层，再进行金属化层银或铜的电镀，锥角的设置可以使钛等金属化层更容易在侧壁上实现沉积。由于使用薄膜工艺制造的钛薄层粘附性对孔壁粗糙度和清洁度敏感，因此，在使用激光对氮化硅基板进行打孔时，要使用本领域采用的小功率，避免材料快速气化而引入的残渣和氧化。当陶瓷表面发生氧化时，会严重影响粘附层的附着力。水下激光打孔由于可以避免材料的表面氧化和烧蚀，成为精密陶瓷激光打孔的首选方法，其方法为选用适当的水溶液作为介质，将陶瓷件直接置于溶液中进行打孔，由于水溶液的冷却性较好，可以及时将激光光斑产生的热量带走，避免激光对打孔区域的过分烧蚀，这些烧蚀区会带来材料气化飞溅产生残渣、表面氧化等问题。在制备高深宽比的孔时，要避免孔径方向的过分烧蚀，因此优选采用水下激光打孔的方式。
44.作为优选实施例，厚铜箔表面的电路图形化采用湿法刻蚀的方式加工。如图4所示，氮化硅基板上面的多层金属层主要为厚铜箔，在界面处有少量的键合层材料钛、银、铟等，湿法刻蚀的刻蚀剂一般是特异性的，可以保证对一种材料较大的刻蚀速率，同时不影响其他材料。本发明中，刻蚀分两步进行：第一步刻蚀厚铜箔，第二步去掉图形化区域的键合层材料。刻蚀厚铜的药剂采用环保的刻蚀剂pcb板刻蚀剂，相对于传统的硝酸或浓硫酸刻蚀，环保刻蚀剂刻蚀速率快、无污染且能刻蚀出高深宽比的侧壁，有利于细线宽电路图形的制造。刻蚀前需先对铜箔表面进行清洗和精细抛光，这样有助于掩蔽层材料的附着。对于掩蔽层材料，传统的pcb刻蚀采用热转印方式制造，将油墨通过热转印纸转印至覆铜板上充当刻蚀的掩蔽层，未覆盖掩蔽层的区域在刻蚀过程中会逐渐被刻蚀液腐蚀，形成最终的电路图形。采用电子喷墨打印机的方式直接在覆铜板表面制备掩蔽层。电子喷墨打印机可将掩蔽层材料通过喷墨打印的方式成型，再经过光固化，形成牢固粘附，其配备有对应的清洗液，克服了传统热转印方式油墨不易清除的缺点。在厚铜箔的刻蚀中，由于其大厚度(200～300um)，刻蚀需要进行较长时间，而湿法刻蚀通常是各向同性的，这会导致电路图形侧壁的腐蚀，在较细线宽的图形区域，可能会导致连接线侧壁的过分腐蚀。可以采用喷淋刻蚀液的方式，促进铜箔的纵向腐蚀，减少侧壁腐蚀。不过对于电力电子陶瓷基板，由于采用控制电路与功率电路分置的设计，电路图形通常结构简单，且须承受大电流的覆铜层也不会设计较细的线宽。
45.对于键合层金属的腐蚀，由于其厚度较薄(《30um)，且成分主要由银及其固溶体和金属间化合物构成，刻蚀时采用银的刻蚀剂来进行。刻蚀需采用短时多次的方式，避免过度腐蚀。
46.根据本发明实施例，银铟瞬态液相键合制备的键合接头具有良好的界面强度，形成无空隙的键合界面后，其剪切强度可达80mpa以上，对于传统活性金属钎焊方式，其剪切强度《40mpa，高强度的键合接头可以使陶瓷基板在服役过程中有更高的可靠性及寿命。基于银铟瞬态液相键合的接头具有良好的高温稳定性，典型高功率电子器件的工作温度最高达300℃以上，经过反应后的银铟界面，纯铟被完全消耗，生成的ag2in在600℃左右仍将保持固体形态。银铟键合接头在180℃左右形成，却可以耐受350℃以上的高温。低的键合温度和高服役温度即可以保护功率芯片在键合过程中不受损坏，又可以耐受更高的工作温度，这对于高功率器件的工作是非常有利的。ag2in可以承受功率器件工作时的高低温循环及热冲击，而不会产生明显的性能退化。
47.银铟键合接头具有良好的化学稳定性。银易在含硫的硫蒸气、硫化氢、二氧化硫等气体腐蚀腐蚀产物硫化银不利于电子器件的工作和长期服役，在形成ag2in及银铟固溶体后，由于银价带电子的变化，使得其具有良好的耐化学腐蚀性。可以承受长期在空气中的退火行为而不产生任何氧化或退化现象。
48.长期以来，银的电化学腐蚀是制约银在电子封装领域应用的一大原因。银具有常见电子封装金属中最高的电化学迁移率，在受到湿气和电流的耦合作用下极易生长晶须，这会导致严重的电流串联，影响电流电路的正常工作。研究发现，银铟固溶体具有良好的抗电化学迁移特性，一定比例含量的银铟固溶体可以完全抗电化学迁移。可以以其独特的化学稳定性保证功率电路的正常运行。
49.瞬态液相工艺产生的金属间化合物的机械性能对键合接头影响很大。接头成分的
变化往往会影响其力学性能。对于银铟瞬态液相键合体系，通过银铟之间体积的配比，可以在银铟瞬态液相键合过程中得到由ag2in及银铟固溶体构成的接头成分，可以在工作过程中保持长期稳定，不会发生金属间化合物的相转变，这对保持接头成分的稳定很重要。大部分金属间化合物由于其超晶格结构，都是脆性的，这会导致键合界面容易开裂；ag2in具有一定的韧性，在标准微米压痕测试中，ag2in表现出韧性材料的特点，在1000gf的最大载荷下都不会产生任何裂纹，而大多数的金属间化合物，如cu3sn、cu6sn5在压应力状态下均会发生破裂。因此，ag2in表现的高机械韧性使得其能够在长期的服役下保持机械连接的稳定性及可靠性。
50.本发明的氮化硅陶瓷覆铜工艺，包含氮化硅表面粘附层金属的选取、键合层材料银/铟的制备方法、银铟瞬态液相键合工艺控制及覆铜基板电路图形刻蚀等内容，完整包含氮化硅基板覆铜技术路线。预计将大大降低氮化硅基板覆铜的工艺难度及设备成本，采用的银铟瞬态液相键合方法可以制备高可靠性的键合界面，增加产品制造的良品率。对于产业应用方面，氮化硅覆铜基板可用于电动汽车功率控制模块、高功率激光器、风力发电机组等高端功率电子产品。高可靠、长寿命的氮化硅覆铜陶瓷基板可以使功率电子器件更好发挥其效能。
51.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

技术特征：
1.一种基于瞬态液相键合的功能氮化硅陶瓷基板的制备方法，其特征在于，包括：1)在氮化硅基板的表面依次制备钛层、银种子层、电镀银层和铟镀层；2)在无氧铜箔的表面制备电镀银层；3)将所述无氧铜箔的镀银一侧与所述氮化硅基板的镀铟一侧进行银铟瞬态液相键合；4)进行覆铜基板电路图形刻蚀。2.根据权利要求1所述的基于瞬态液相键合的功能氮化硅陶瓷基板的制备方法，其特征在于，步骤1)中，在所述氮化硅基板表面磁控溅射沉积40～60nm的钛层，然后在所述钛层上磁控溅射沉积0.5～1.5um的银种子层，在所述银种子层表面电镀10～15um的第一电镀银层，在所述第一电镀银层表面电镀8～12um优选10
±
1um的铟镀层。3.根据权利要求2所述的基于瞬态液相键合的功能氮化硅陶瓷基板的制备方法，其特征在于，步骤1)中，采用采用低温电镀方式制备铟镀层，在电镀铟后使用低温冰箱优选低于-20℃的温度存储；所述铟镀层的厚度优选控制在10um。4.根据权利要求3所述的基于瞬态液相键合的功能氮化硅陶瓷基板的制备方法，其特征在于，步骤1)中，磁控溅射沉积时，钛的沉积速率为0.1～1.2nm/s，银的沉积速率为1～5nm/s，沉积钛时的工作气压控制在1～2pa，沉积银时的工作气压为0.2～0.4pa。5.根据权利要求1所述的基于瞬态液相键合的功能氮化硅陶瓷基板的制备方法，其特征在于，步骤2)中，在无氧铜箔的表面电镀8～12um的第二电镀银层。6.根据权利要求1所述的基于瞬态液相键合的功能氮化硅陶瓷基板的制备方法，其特征在于，步骤3)中，将所述无氧铜箔的镀银一侧与所述氮化硅基板的镀铟一侧进行装配，施加0.5～1.5mpa的压力；键合过程使用真空加热，键合过程中真空度<0.1pa，目标键合温度在190℃～220℃；加热曲线采用快升温、缓降温的方式；优选的，升温速率>20℃/min，到达目标键合温度后保温10～20min优选10～15min后自然降温。7.根据权利要求1-6任一项所述的基于瞬态液相键合的功能氮化硅陶瓷基板的制备方法，其特征在于，还包括在氮化硅基板表面进行激光打孔，形成带有侧壁角度的锥孔，锥孔的直径为10～100um，锥孔角度为4～6
°
。8.根据权利要求1所述的基于瞬态液相键合的功能氮化硅陶瓷基板的制备方法，其特征在于，步骤4)中，采用湿法刻蚀的方式加工，使厚铜箔表面的电路图形化；优选的，先刻蚀厚铜箔，再去掉图形化区域的键合层材料，刻蚀厚铜箔的药剂采用pcb板刻蚀剂，优选采用喷淋刻蚀液的方式；刻蚀键合层金属的药剂采用银的刻蚀剂，刻蚀优选采用短时多次的方式。9.一种功能氮化硅陶瓷基板，其特征在于，由权利要求1-8任一项所述的基于瞬态液相键合的功能氮化硅陶瓷基板的制备方法制备。10.权利要求1-8任一项所述的基于瞬态液相键合的功能氮化硅陶瓷基板的制备方法制备的功能氮化硅陶瓷基板在包括电动汽车功率控制模块、高功率激光器、电力运输控制模块、风力发电机组中的应用。

技术总结
本发明涉及陶瓷基板技术领域，尤其涉及一种基于瞬态液相键合的功能氮化硅陶瓷基板及制备方法，该方法包括在氮化硅基板的表面依次制备钛层、银种子层、电镀银层和铟镀层，在无氧铜箔的表面制备电镀银层，将无氧铜箔的镀银一侧与氮化硅基板的镀铟一侧进行银铟瞬态液相键合，然后进行覆铜基板电路图形刻蚀。本发明提供的新型氮化硅基板覆铜工艺能够制备高可靠性的高功率电子陶瓷基板，更好地用于电动汽车电源控制模块、高功率激光器、电力运输控制模块和风力发电机组等高端功率电子产品。模块和风力发电机组等高端功率电子产品。模块和风力发电机组等高端功率电子产品。


技术研发人员：霍永隽 张栋林 宋佳麒 赵修臣 田鑫 徐涛
受保护的技术使用者：北京理工大学
技术研发日：2023.03.16
技术公布日：2023/7/26