一種晶片級可焊陶瓷熱沉的製備方法

2023-05-23 11:08:11

專利名稱：一種晶片級可焊陶瓷熱沉的製備方法
技術領域：
本發明涉及半導體技術領域，尤其涉及一種晶片級可焊陶瓷熱沉的製備方法。
背景技術：
氮化鋁陶瓷基片具有優良的熱傳導性，可靠的電絕緣性，低的介電常數和介電損耗，熱膨脹係數與矽半導 體元件相匹配，高電阻率，良好的機械性能和耐腐蝕性能等優點，從而成為新一代大規模集成電路，半導體模塊電路及大功率光電器件的理想散熱和封裝材料。在微電子器件製造工藝中，考慮到由於晶片在工作中會產生大量的熱，其結構通常需要有一個良好的散熱通道，通常是採用釺料合金把晶片釺焊在管殼上來建立該通道。常見的釺料有兩種。即Sn-Pb系合金釺料和Au合金釺料。金基釺料比錫基或鉛基焊料具有較優良的熱導率，此外，在功率半導體器件中，釺接頭抗熱疲勞特性是人們關注的問題，同高鉛焊料相比，金基焊料具有較高的抗熱疲勞性能。熱沉，在工業上是指一種散熱裝置。目前在大功率光電器件的各種關鍵技術中，散熱問題的解決是一個極其關鍵的技術。以LED來說，LED的散熱已經越來越為人們所重視，目前LED的光電轉換效率大約為30%左右，其餘部分的電能全都轉化為熱能。而LED本身的熱容量很小，這種熱能如果不能夠儘快傳導到外界中去，將會使LED產生很高的結溫，從而影響LED的使用壽命及發光效率，甚至會使得LED的光譜移動，色溫升高，熱應力增高等一系列問題。

發明內容
本發明需要解決的技術問題是提供一種適用於半導體晶片散熱需求，且封裝熱傳導率是現有產品的20到100倍以上的晶片級可焊陶瓷熱沉的製備方法。本發明要解決的技術問題是通過以下技術方案實現的一種晶片級可焊氧化鋁或氮化鋁陶瓷熱沉的製備方法，步驟為A、清洗烘乾氧化鋁或氮化鋁陶瓷基片；B、將步驟A所得到的產品蒸發沉積Ti/Pt/Au過鍍層；C、將步驟B所得的產品進行光刻處理，所述的光刻處理包括印刷光刻膠、前烘、曝光、顯影、清洗、後烘過程，所述的光刻膠的厚度是2
20;D、將步驟C所得的產品進行金錫合金層的鍍膜，所述的金錫合金的質量比為I :9至9 :1，所述金錫合金層的厚度是2 Sum ;E、將步驟D所得的產品進行共晶熱處理和去光刻膠處理；F、將步驟E得到的產品進行切割分離，即可得晶片級可焊陶瓷熱沉。進一步在上述晶片級可焊陶瓷熱沉的製備方法中，所述步驟A的清洗烘乾是指將陶瓷基片放入洗液中浸潤5± I分鐘後再用水衝洗乾淨後，最後在純水中超聲清洗2± I遍，自然乾燥或烘乾。所述步驟B蒸發沉積Ti/Pt/Au過鍍層，Ti層的厚度為0. 05 0. 5 y m，Pt的厚度為0. I 0. 7 ii m，Au的厚度為0. 2 -0. 8 ii m,所述步驟B蒸發沉積Ti/Pt/Au過鍍層使用的設備是電子束蒸發與電阻蒸發複合鍍膜系統。所述步驟C印刷光刻膠是指採用絲網印刷的方式將光刻膠印刷到基片上，前烘溫度為70 150 ',時間為5 20min ;顯影的時間為20 200s ;清洗的時間為20 200s ;後烘的溫度為70 150°C，時間為5 30s。所述步驟E共晶熱處理的溫度採用的是250 330°C，時間為3 lOmin。所述步驟E去光刻膠是採用的重量百分濃度為I 10%的氫氧化鈉水溶液或螯合物等，水浴90 100°C，加熱2 6min。所述步驟F切割設備的選擇為工件移動，砂輪軸旋轉但其位置固定的切割機，選用厚度為0. Imm的軟刀進行切割，刀片轉速1000(T35000rpm，切割水流0. 4-1. 2mL/s，切割底膜厚度0. 06±0. 01mm，進刀速度1 5mm/s，進刀高度0. 05^0. 2mm。與現有技術相比，本發明的的陶瓷基片上蒸發沉積Ti/Pt/Au過鍍層和金錫合金層的鍍膜。該小尺寸熱沉(熱沉是指散熱裝置或散熱設備)，適用於半導體晶片有散熱需求的封裝。在0. 10到Imm厚度，直徑150mm或150*150mm的氧化鋁或氮化鋁基片上製造幾千到萬粒產品。採用光刻工藝，精確的控制了熱沉的圖形和線性，最小線寬可以做到10um。本發明準確控制Au-Sn合金的比例和百分比，在鍍膜過程中，利用膜厚控制儀，能夠精確的測量金屬層的厚度，精確度能夠達到5nm，通過我們的膜厚的精 準測量，從而保證了產品的材料比例質量。本發明的所有工藝流程都在潔淨間內進行的，本發明的熱處理是在真空或氮氣氛中進行。減少雜質和汙染，提高了產品的性能和熱傳導率。本發明借鑑了半導體的矽片的切割的工藝，在可以在標準的陶瓷基片上設計圖形，任意切割，提高了產品的產率。本發明的熱沉熱傳導率是現有產品的20到100倍以上。


圖I是本發明的產品表面放大1000倍的圖。
具體實施例方式本發明的主旨是利用金錫合金熱傳導率高，可焊性好的特點，在氧化鋁或氮化鋁陶瓷基片上鍍上金錫合金層的鍍膜，使得這種陶瓷熱沉廣泛適用於半導體晶片的散熱。下面結合實施例對本發明的內容作進一步詳述，實施例中所提及的內容並非對本發明的限定，材料中各個原材料的選擇可因地制宜而對結果並無實質性影響。
實施例I載體的選擇與清洗
選用聞純度的氧化招和氣化招基片載體，基片的厚度為0. 2 I. Omm,基片的尺寸為
40mmX 40mm-200mmX 200mm,陶瓷基片經過清洗溶液浸潤5_30分鐘,再用丙酮,酒精進行
水浴5到30分鐘，水浴過程中可以適當加溫至40-80°C左右，最後用去離子水超聲波清洗，氮氣吹乾，得到潔淨的載體材料。2載體的鍍覆過渡層及金層
利用電子束鍍膜設備，在潔淨的載體表面鍍上過渡層及金層，鍍膜時本底真空為5.0X10-4 -5. 0X10-3Pa，載體溫度50_250°C，載物臺轉速10_40rpm，鍍膜完成後，過渡層的選擇為Ti/Mo/Pt/Ag/Cu/Au，過渡層可以增強金錫合金與基片載體的結合力。3載體表面的圖形化
除印刷光刻膠外，還採用了旋轉塗覆光刻膠的方式進行光刻膠的圖形化，該方案與印刷光刻膠的方式有較大的不同。在純金層表面可以用旋轉塗覆的方法塗覆一層光刻膠，選用的光刻膠為負性光刻膠，該光刻膠經過曝光處理後會形成一定的圖形，光刻膠的粘度為100-450 cps，選用的塗膠顯影機為真空自動塗膠顯影機，採用的旋轉塗膠的工藝如下採用旋轉塗覆光刻膠採用的方式是勻膠旋轉塗膠室溫，(10-30seC)。前烘90°C X (10 30min),熱風烘箱曝光436nm波長的G-線曝光機，lOsec。顯影顯影劑23°C X60sec,超聲波震蕩浸泡。漂洗23°C X60sec,超聲波震蕩浸泡。後烘120°C X (10-30min),去膠硫酸雙氧水、濃硫酸或等離子去膠，浸泡10_30min。光刻膠的厚度為7_20um厚。光刻板的設計採用菲林底片的 4鍍覆金錫合金層
與鍍覆純金層的工藝一樣，在已經製作好圖形化的載體表面，採用電子束及電阻複合鍍膜設備直接鍍覆金錫合金層，合金層鍍覆完成後，其表面平整，均勻，呈現暗金色。5剝離光刻膠及其它
採用剝離法，用光刻膠專用的脫膜劑把載體表面的光刻 膠剝離掉，並清洗乾淨，最後經過切割分離，並清洗，得到具有一定圖案的，可耐焊接性能高，結合力，熱導率非常高的一個熱沉樣品。6 切割
本發明借鑑了半導體的矽片的切割的工藝，在可以在標準的陶瓷基片上設計圖形，任意切割，提聞了廣品的廣率。切割設備的選擇為工件移動，砂輪軸旋轉、但其位置固定的切割機，將切割基片粘連在切割底膜上，切割刀片告訴旋轉，用水對刀片進行冷卻，移動切割底膜，進行半自動切害I]，同時在攝像頭下進行控制和觀測，保證切割的完成。選用厚度為0. Imm的軟刀進行切割。切割的參數如下
刀片轉速1000(T35000rpm 切割水流0. 4-1. 2mL/s 切割底膜厚度0. 06mm±0. Olmm 進刀速度l 5mm/s 進刀高度0. 05 0. 2mm
經過上述步驟的樣品的表面樣貌採用採用最大放大倍數為1000倍的金相顯微鏡對樣品的表面形貌進行觀察，如圖I所示，通過顯微鏡所拍的照片可以看出，樣品表面的金錫合金層分布均勻，沒有孔洞，顆粒狀突起等缺陷。熱導率的測試試驗將上述熱沉進行了氮化鋁的晶片的熱導率測試，測試結果如下表I所述單位W/m k (熱導率=擴散係數*材料比熱容*材料密度)。
權利要求
1.一種晶片級可焊氧化鋁或氮化鋁陶瓷熱沉的製備方法，步驟為 A、清洗烘乾氧化鋁或氮化鋁陶瓷基片； B、將步驟A所得到的產品蒸發沉積Ti/Pt/Au過鍍層； C、將步驟B所得的產品進行光刻處理，所述的光刻處理包括印刷光刻膠、前烘、曝光、顯影、清洗、後烘過程，所述的光刻膠的厚度是2 20 μ m ; D、將步驟C所得的產品進行金錫合金層的鍍膜，所述的金錫合金的質量比為I:9至9 :I，所述金錫合金層的厚度是2 8 μ m ; E、將步驟D所得的產品進行共晶熱處理和去光刻膠處理； F、將步驟E得到的產品進行切割分離，即可得晶片級可焊陶瓷熱沉。
2.根據權利要求I所述的晶片級可焊陶瓷熱沉的製備方法，其特徵在於所述步驟A的清洗烘乾是指將陶瓷基片放入洗液中浸潤5± I分鐘後再用水衝洗乾淨後，最後在純水中超聲清洗2± I遍，自然乾燥或烘乾。
3.根據權利要求I所述的晶片級可焊陶瓷熱沉的製備方法，其特徵在於所述步驟B蒸發沉積Ti/Pt/Au過鍍層，Ti層的厚度為O. 05 O. 5 μ m, Pt的厚度為O. I O. 7 μ m, Au的厚度為O. 2 -O. 8μπι0
4.根據權利要求3所述的晶片級可焊陶瓷熱沉的製備方法，其特徵在於所述步驟B蒸發沉積Ti/Pt/Au過鍍層使用的設備是電子束蒸發與電阻蒸發複合鍍膜系統。
5.根據權利要求I所述的晶片級可焊陶瓷熱沉的製備方法，其特徵在於所述步驟C印刷光刻膠是指採用絲網印刷的方式將光刻膠印刷到基片上，前烘溫度為70 150tC，時間為5 20min ;顯影的時間為20 200s ;清洗的時間為20 200s ;後烘的溫度為70 150°C，時間為5 30s。
6.根據權利要求I所述的晶片級可焊陶瓷熱沉的製備方法，其特徵在於所述步驟E共晶熱處理的溫度採用的是250 330°C，時間為3 lOmin。
7.根據權利要求6所述的晶片級可焊陶瓷熱沉的製備方法，其特徵在於所述步驟E去光刻膠是採用的重量百分濃度為I 10%的氫氧化鈉水溶液或螯合物等，水浴90 100。。，加熱 2 6min。
8.根據權利要求7所述的晶片級可焊陶瓷熱沉的製備方法，其特徵在於所述步驟F切割設備的選擇為工件移動，砂輪軸旋轉但其位置固定的切割機，選用厚度為O. Imm的軟刀進行切割，刀片轉速1000(T35000rpm，切割水流0. 4-1. 2mL/s,切割底膜厚度O.06±0. Olmm,進刀速度I 5mm/s,進刀高度0. 05 O. 2mm。
全文摘要
本發明公開了一種晶片級可焊陶瓷熱沉的製備方法，步驟為A、清洗烘乾氧化鋁或氮化鋁陶瓷基片；B、將步驟A所得到的產品蒸發沉積Ti/Pt/Au過鍍層；C、將步驟B所得的產品進行光刻處理，所述的光刻處理包括印刷光刻膠、前烘、曝光、顯影、清洗、後烘過程，所述的光刻膠的厚度是2～20μm；D、將步驟C所得的產品進行金錫合金層的鍍膜，所述的金錫合金的質量比為19至91，所述金錫合金層的厚度是2～8μm；E、將步驟D所得的產品進行共晶熱處理和去光刻膠處理;F、將步驟E得到的產品進行切割分離，即可得晶片級可焊陶瓷熱沉。該陶瓷熱沉適用於半導體晶片散熱需求，且封裝熱傳導率是現有產品的20到100倍。
文檔編號H01L21/48GK102623356SQ20111045769
公開日2012年8月1日 申請日期2011年12月31日 優先權日2011年12月31日
發明者付振曉, 李旭傑, 楊丙文, 沓世我, 王建明, 陳國政 申請人:廣東風華高新科技股份有限公司