Cu／Al2O3與Cu／AlN復合陶瓷基板材料制備研究*

謝建軍 王亞黎 施譽挺 李德善

丁毛毛1 翟甜蕾1 章 蕾1 吳志豪2 施 鷹1

（1上海大學材料科學與工程學院電子信息材料系 上海 200444）（2上海申和熱磁電子有限公司 上海 200444）

前言

隨著電子元器件功率密度的日益增大，陶瓷基板的應用越來越廣泛。目前普遍使用的陶瓷基板材料主要有Al2O3、BeO、Si3N4、莫來石、AlN以及玻璃陶瓷。其中Al2O3和AlN陶瓷因無毒、原料來源廣泛，介電常數小，機械性能好，同時制備工藝性好，既可以用流延成形又可以常壓燒結，所以是兩種使用占比最高的電子封裝導熱基板。

但是若將Al2O3和AlN陶瓷材料應用于電子封裝領域，首先要解決其和金屬的敷接問題。近幾年這方面的研究工作也很活躍，目前常見的金屬敷接方法主要有：Al2O3、AlN陶瓷和鎢、銅、鈦和鋁等金屬的結合［1～3］。在與不同金屬結合的方法過程中都有不可避免的缺點，如Al2O3、AlN陶瓷和金屬鎢的結合共燒溫度很高達1 900℃，工藝條件要求苛刻，而且形成的是厚膜電路，無法應用在電力電子技術領域。它和金屬鋁的結合相對容易，但是鋁的化學性質十分活潑，非常容易與空氣中的氧發生化學反應而在其表面上形成一層化學性質穩定、結構致密的氧化膜，這層氧化膜的厚度通常在幾十納米左右。該氧化膜的存在嚴重阻礙了鋁和陶瓷的接合，使得其接合強度低而且牢固性差，所以在使Al2O3、AlN陶瓷敷鋁方法中，必須去除熔化的鋁液表面那層致密的氧化膜，鋁液才能夠濕潤Al2O3、AlN陶瓷基板，從而與Al2O3、AlN陶瓷基板牢固地粘結在一起。Al2O3、AlN陶瓷和金屬銅在敷接過程中，由于Cu與Al2O3、AlN陶瓷的浸潤性差異，所以通常需要采取不同的工藝進行敷接，才能將Cu箔與Al2O3、AlN陶瓷緊密結合。由于Cu與AlN的浸潤性較差，首先要將AlN陶瓷氧化，使其表面形成一層薄薄的Al2O3陶瓷，然后利用直接敷銅（Direct Bond－ed Copper，DBC）技術將Cu箔和Al2O3陶瓷在1 060℃通過共晶反應生成CuAlO2、Cu（AlO2）2等共晶過渡層化合物，從而實現Al2O3、AlN和金屬Cu箔的有效結合。

圖1 Cu／Al2O3與Cu／AlN復合陶瓷基板材料的DBC制備工藝流程圖Fig.1 The DBC preparation process flow chart of Cu／Al2O3and Cu／AlN composite ceramic substrate materials

筆者利用DBC技術在低于金屬銅熔點～20℃，分別在氧氣／氮氣氣氛下，將純Cu箔成功敷接在Al2O3、AlN陶瓷上而制備出Cu－Al2O3與Cu－AlN復合陶瓷基板材料，并使用SEM和機械剝離試驗機對其微觀形貌與界面結合強度性能進行分析。圖1為Cu－Al2O3與Cu－AlN復合陶瓷基板材料的DBC制備工藝流程圖。

1 實驗

1.1 實驗用原材料

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

實驗所用的原材料選用厚度為0.90mm 的Al2O3和AlN陶瓷和厚度為0.25mm的銅箔，首先在高溫下使Cu箔和AlN陶瓷表面先預氧化，隨后在高溫下分別使Cu箔與Al2O3、AlN陶瓷發生鍵合作用，形成牢固的鍵合，制成DBC鍵合試樣。圖2為按照圖1中的制備工藝流程通過DBC技術方法制備的Cu／（Al2O3，AlN）接合基板的實物圖片。

1.2 Cu和Al2O3、AlN陶瓷基板的結合強度測試

通過測試夾具將試樣裝夾在上海衡翼精密儀器有限公司生產的 HY－90BL剝離試驗機上對Cu／（Al2O3，AlN）復合陶瓷基板之間的結合強度進行測試。研究使用的測試夾具是在車床上加工試樣所使用的裝夾夾具，這樣能夠保證HY－90BL剝離試驗機上試樣的裝夾同心度和垂直度等形位公差要求（＜0.02 mm），確保測試結果的準確所測試的Cu／（Al2O3，AlN）陶瓷結合的界面面積是5mm×25mm，銅板以90°（垂直）方法剝離，速度為5.0mm／min，拉力單位為N／mm。

1.3 Cu／（Al2O3，AlN）基板的界面分析

利用Magellan 400場發射掃描電子顯微鏡（Magellan 400SEM）觀察Cu／Al2O3和Cu／AlN復合陶瓷基板界面的微觀形貌并分析界面的成分及組成。

2 實驗結果

2.1 Cu／Al2O3和Cu／AlN復合陶瓷基板界面結合狀況

圖3是使用Magellan 400場發射掃描電子顯微鏡拍攝的在～1 050℃敷結的Cu／（Al2O3，AlN）復合陶瓷基板界面放大16 000倍的顯微電鏡圖像。從圖3中的顯微圖像可以看出，在Cu箔和Cu／（Al2O3，AlN）陶瓷之間的結合致密，沒有絲毫的縫隙存在。但在金屬Cu箔和AlN陶瓷之間有一層厚度約為2μm的過度層生成。

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

圖4是Cu／Al2O3封裝基板兩側Al2O3陶瓷和Cu箔內部兩點（Spectrum1和Spectrum3）的能譜分析圖。從圖4可以看出，金屬Cu箔和Al2O3陶瓷之間的結合沒有任何新物質生成。

圖5是Cu／AlN封裝基板界面Spectrum1、Spectrum2點和界面兩側AlN陶瓷與銅箔內部Spec－trum3、Spectrum4點的能譜分析圖。從圖5可以看出，由于有中間過渡層的存在而使得金屬Cu和氮化鋁陶瓷之間的結合緊密，經元素分析此過渡層Spectrum1、Spectrum2這兩點的組成主要是N、O、Al和Cu元素，根據其化學計量比推斷主要為Al2O3和CuAlO2，為DBC工藝過程中對AlN陶瓷基板和銅箔進行預氧化處理和共晶反應的結果，其中含有的N和Cu元素還有可能是由于過渡層界面兩側AlN陶瓷基底（Spectrum3點）和Cu箔（Spectrum4點）的影響造成的。在過渡層界面兩側Spectrum3、Spectrum4點的能譜分析結果表明，這分別是基底AlN陶瓷和銅箔金屬層，其中分別含有少量Cu和O，這是由于在高溫敷結過程中發生基底與中間過渡層和中間過渡層與金屬薄層的相互擴散或反應所致。除此之外，再沒有新物質生成。

圖5 Cu／AlN復合陶瓷基板材料界面能譜分析Fig.5 EDS analysis of Cu／AlN composite ceramic substrate material interface

根據圖4、圖5對Cu／（Al2O3，AlN）復合陶瓷基板界面能譜分析可知，Cu／（Al2O3，AlN）陶瓷的鍵合機理主要是由于首先在高溫預氧化AlN陶瓷和Cu箔時，分別在表面產生一層Al2O3氧化鋁和Cu2O薄層，在溫度高于低共熔點時，會出現Cu－Cu2O共晶液相，其中Cu2O相與Al2O3陶瓷有著良好的化學親合性，能使界面降低，使共晶液相很好地濕潤銅和陶瓷。同時，液相中的Cu2O與 Al2O3發生化學反應，形成CuAlO2，冷卻后通過Cu－Al－O化學鍵、Cu2O與陶瓷牢固地鍵合在一起［4～5］。在Cu2O與金屬銅箔接觸的一端，以Cu2O離子鍵將Cu2O與銅層緊密聯結起來，但這一層的鍵合力比Cu2O與Al2O3反應的鍵合力小一些，這是因為Cu2O和Al2O3是化學鍵合，而Cu2O和Cu是物理熔合，因而DBC材料的鍵合強度主要受Cu－Cu2O之間的結合力限制。因此，Cu表面的氧化層，特別是其中形成Cu2O的區域面積和致密程度對以后的鍵合作用有嚴重影響，它將直接影響DBC板的鍵合強度。

2.2 Cu／Al2O3和Cu／AlN復合陶瓷基板材料界面結合強度

表1是利用上海衡翼精密儀器有限公司生產的HY－90BL機械剝離試驗機測定Al2O3、AlN陶瓷基板和Cu箔金屬層之間結合強度的測試結果。

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

從表1可以看出，改變敷接溫度對Cu／（Al2O3，AlN）結合強度的測試結果有一定的影響，隨著敷結溫度的升高，結合強度有逐漸增大的趨勢。在DBC工藝過程中，首先由于通過預氧化在AlN和銅箔表面生成Al2O3和Cu2O薄層，然后在高溫敷結過程中由于Cu－Cu2O－Al2O3的共晶反應作用，增加了Cu箔與Al2O3、AlN陶瓷基底的浸潤性和結合力；另外由于在高溫敷結過程中發生基底與中間過渡層以及中間過渡層與金屬薄層的互擴散或反應明顯，使得金屬薄膜與陶瓷基片的接合非常牢固。所以隨著敷結溫度的升高，Cu箔與（Al2O3、AlN陶瓷基底間的結合力越大。另外，由于高溫下金屬Cu與Al2O3陶瓷的浸潤性比Cu與AlN陶瓷的更好，因此Cu箔與Al2O3陶瓷的結合力更大。

3 結論

1）在1 000～1 060℃、氧氣／氮氣氣氛下，通過預氧化Cu箔和AlN陶瓷表面，然后利用DBC技術能夠濕潤Cu和Al2O3、AlN陶瓷基板，從而將二者牢固地粘結在一起，界面結合力超過8.00N／mm。

2）在1 000～1 060℃，敷接溫度對Cu／（Al2O3，AlN）界面的結合強度有一定影響。

3）金屬銅在與氮化鋁表面結合過程中，由于Cu／AlN之間有Al2O3、CuAlO2中間過渡薄層存在，使得Cu箔與Al2O3、AlN陶瓷結合緊密。而在高溫下金屬Cu與Al2O3陶瓷的浸潤性比Cu與AlN陶瓷的更好，因此Cu箔與Al2O3陶瓷的結合力比Cu與AlN陶瓷更大。

1 岳瑞峰，王佑祥，陳春華，等.AlN陶瓷基板在空氣中的熱氧化行為探討［J］.硅酸鹽學報，1998，26（5）：555～562

2 秦明禮，曲選輝，黃棟生，等.氮化鋁（AlN）陶瓷的特性、制備及應用［J］.陶瓷工程，2000（8）：39～42

3 彭榕，周和平，寧曉山，等.鋁／氮化鋁電子陶瓷基板的制備及性能的研究［J］.無機材料學報，2002，17（6）：1 203～1 208

4 Lee S K，Tuan W H，Wu Y Y，et al.Microstructurethermal proper－ties of Cu／Al2O3bilayer prepared by direct bonding［J］.J Eur Ceram Soc，2013，33：277～285

5 Wei－Hsing Tuan，Shao－Kuan Lee.Review Eutectic bonding of copper to ceramics for thermal dissipation applications－a review［J］.J Eur Ceram Soc，2014，34：4 117～4 130