CN116409985A - 一种基板、制备方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基板、制备方法及应用，属于封装基板技术领域。其中，本发明基板的制备方法包括：制备Al2O3‑C的复相陶瓷素片；在所述复相陶瓷素片的表面引入氮化铝层，以得到Al2O3/AlN复相陶瓷基板。本发明的制备方法通过先形成Al2O3‑C的复相陶瓷素片，之后通过烧结在该复相陶瓷素片表面上形成氮化铝层，以提高基板的综合热导率与强度，尤其改善界面连接处的热传导能力，实现结构‑功能相互补偿的目的。
Description
技术领域
本发明属于封装基板技术领域，具体涉及一种基板、一种基板的制备方法、以及基板在第三代半导体功率器件与发光器件中的应用。
背景技术
氮化铝作为一种综合性能优良的先进陶瓷材料，具有较高的热传导性，可靠的电绝缘性，较低的介电常数和介电损耗，以及与硅相匹配的热膨胀系数等一系列优良特性，被认为是新一代高集程度半导体基片和电子器件封装的理想材料，但是，氮化铝存在成本较高且强度较差等缺点，这进一步限制了氮化铝陶瓷的应用。然而，氧化铝陶瓷具有优良的绝缘性能、化学稳定性、力学性能等特性，且来源丰富，成本较低，但其热导率差，无法满足高功率散热服役环境。
因此，有必要提出一种将氮化铝和氮化铝结合的复相陶瓷基板及其制备方法，以克服两者材料存在的缺点，实现结构-功能互补，提升综合性能。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种基板，一种基板的制备方法，以及基板在第三代半导体功率器件与发光器件中的应用。
本发明的一方面，提供一种基板的制备方法，具体步骤包括：制备Al2O3-C的复相陶瓷素片；
在所述复相陶瓷素片的表面引入氮化铝层，以得到Al2O3/AlN复相陶瓷基板。
进一步地，所述制备Al2O3-C的复相陶瓷素片，包括：
在Al2O3陶瓷素片上覆盖石墨纸，经冷等静压成型工艺以得到Al2O3-C的复相陶瓷素片。
进一步地，所述冷等静压成型工艺中的压力范围为150MPa～250MPa，保压时间范围为15min～25min。
进一步地，将氧化铝粉，氧化硅粉、氧化镁、碳酸镁、氧化钙、碳酸钙、氧化钇、氧化钛中至少一者，聚乙烯醇，聚乙二醇缩丁醛，聚乙二醇中至少一者以及甲苯、异丙醇、乙醇、丁酮中至少一者进行混合搅拌，以得到混合料浆；
将所述混合料浆进行球磨处理与过筛除泡得到流延浆料；
所述流延浆料经过流延工艺得到Al2O3陶瓷胶片，并经排胶处理以得到Al2O3陶瓷素片。
进一步地，所述氧化铝粉、所述氧化硅粉、所述氧化镁粉、所述碳酸镁粉、所述氧化钙粉、所述碳酸钙粉、所述氧化钇粉、所述氧化钛粉、所述聚乙烯醇、所述聚乙二醇缩丁醛、所述聚乙二醇、所述甲苯、所述异丙醇、所述乙醇、所述丁酮之间的质量比范围为(8-10):(0-1):(0-1):(0-1):(0-1):(0-1):(0-1):(0-1):(0-1.5):(0-1.5):(0-25):(0-25):(0-25):(0-25):(0-25)；和/或，
所述搅拌时间范围为0.5h～1.5h，所述排胶处理时间范围为7h～9h，所述排胶处理的温度范围为450℃～550℃。
进一步地，所述在所述复相陶瓷素片的表面引入氮化铝层，以得到所述Al2O3/AlN复相陶瓷基板，包括：
对所述复相陶瓷素坯在氮气气氛下进行无压烧结，以在所述复相陶瓷素坯的表面引入氮化铝层，以得到所述Al2O3/AlN复相陶瓷基板。
进一步地，烧结过程采用下述升温过程：第一升温阶段：0℃-900℃温度区间，升温速度为10℃/min，900℃保温1h；第二升温阶段：900℃-1200℃温度区间，升温速度为5℃/min，1200℃保温2h；第三升温阶段：1200℃-1650℃温度区间，升温速度为2℃/min，1650℃保温4h。
本发明的另一方面，提供一种基板，所述基板包括Al2O3基体层以及在所述Al2O3基体层上形成的AlN导热层。
本发明的另一方面，提供一种包含前文记载所述基板的第三代半导体功率器件，所述基板作为所述第三代半导体功率器件热电分离的载板。
本发明的另一方面，提供一种包含前文记载所述基板的发光器件，所述发光器件还包括线路层、发光芯片、荧光粉和围墙；其中，
所述发光芯片包括紫外芯片、紫光芯片以及蓝光芯片中的至少一种；
所述荧光粉包括钇铝石榴石系荧光粉、(Sr,Ca)AlSiN3:Eu红色荧光粉、KSF红色荧光粉、β-塞隆荧光粉、(Sr,Ba)2SiO4:Eu硅酸盐荧光粉中的至少一种。
本发明提供一种基板的制备方法，具体步骤包括：制备Al2O3-C的复相陶瓷素片；在所述复相陶瓷素片的表面引入氮化铝层，以得到所述Al2O3/AlN复相陶瓷基板。本发明通过先形成Al2O3-C的复相陶瓷素片，之后通过烧结在该复相陶瓷素片表面上形成氮化铝层，以提高基板的综合热导率与强度，尤其改善界面连接处的热传导能力，实现结构-功能相互补偿的目的。
附图说明
图1为本发明一实施例的一种Al2O3/AlN复相陶瓷基板制备方法的流程框图；
图2为本发明另一实施例的一种Al2O3/AlN复相陶瓷基板制备方法的流程示意图；
图3为本发明另一实施例的一种Al2O3/AlN复相陶瓷基板的X射线衍射图；
图4为本发明另一实施例的IGBT器件的结构示意图；
图5为本发明另一实施例的集成发光器件的结构示意图。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。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。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护范围。
除非另外具体说明，本发明中使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“包括”或者“包含”等既不限定所提及的形状、数字、步骤、动作、操作、构件、原件和/或它们的组，也不排除出现或加入一个或多个其他不同的形状、数字、步骤、动作、操作、构件、原件和/或它们的组。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示技术特征的数量与顺序。
如图1和图2所示，本发明的一方面，提供一种Al2O3/AlN复相陶瓷基板的制备方法S100，具体步骤包括S110～S120：
S110、制备Al2O3-C的复相陶瓷素片。
具体的，本实施例的Al2O3陶瓷素片采用下述方法形成：将氧化铝粉、氧化硅粉、氧化镁、碳酸镁、氧化钙、碳酸钙、氧化钇、氧化钛中至少一者，聚乙烯醇，聚乙二醇缩丁醛，聚乙二醇中至少一者以及甲苯、异丙醇、乙醇、丁酮中至少一者进行混合搅拌，以得到混合料浆。将混合料浆放入聚四氟乙烯罐中进行球磨处理，并将球磨处理后的料浆进行过筛除泡以得到流延浆料。流延浆料经过流延工艺得到Al2O3陶瓷胶片，并经空气中排胶处理以得到Al2O3陶瓷素片。
进一步的，在得到的Al2O3陶瓷素片单面覆盖同样尺寸的石墨纸，该石墨纸作为碳源，之后经冷等静压成型工艺以得到Al2O3-C的复相陶瓷素片。
需要说明的是，本实施例采用的石墨纸直接可用，省去中间转化环节，保证碳源的稳定性与均质性。另外石墨纸的使用可以减少小尺寸碳源碎屑对熟瓷造成的污染风险。
进一步需要说明的是，本实施例的冷等静压成型工艺中的压力范围为150MPa～250MPa，保压时间范围为15min～25min。
需要说明的是，本实施例上述步骤中搅拌处理的时间范围为0.5h～1.5h，以及，排胶处理时间范围为7h～9h，排胶处理的温度范围为450℃～550℃。
需要说明的是，本实施例将氧化硅粉、氧化镁、碳酸镁、氧化钙、碳酸钙、氧化钇、氧化钛作为烧结助剂，聚乙烯醇，聚乙二醇缩丁醛，聚乙二醇作为粘结剂，以及甲苯，异丙醇，乙醇，丁酮作为溶剂。
进一步需要说明的是，本实施例的氧化铝粉、氧化硅粉、氧化镁粉、碳酸镁粉、氧化钙粉、碳酸钙粉、氧化钇粉、氧化钛粉、聚乙烯醇、聚乙二醇缩丁醛、聚乙二醇、甲苯、异丙醇、乙醇、丁酮之间的质量比范围为(8-10):(0-1):(0-1):(0-1):(0-1):(0-1):(0-1):(0-1):(0-1.5):(0-1.5):(0-25):(0-25):(0-25):(0-25):(0-25)。
进一步地，本示例中的氧化铝粉、氧化硅粉、氧化钙粉、氧化镁粉、聚乙二醇以及聚乙二醇缩丁醛以及乙醇的质量比范围为(8～10):(0.1～0.5):(0.05～0.15):(0.08～0.12):(0.5～1.2):(0.6～1.3):(18～23)。
在一些优选实施例中，将各原料氧化铝粉、氧化硅粉、氧化钙粉、氧化镁粉、聚乙二醇以及聚乙二醇缩丁醛以及乙醇之间的质量比选择为9.6:0.2:0.1:0.1:1:1:20。
S120、对步骤S110得到的复相陶瓷素坯置于氮化硼模具中在氮气气氛下进行无压烧结，通过表面渗碳反应生成氮化铝层，以在复相陶瓷素坯的表面引入氮化铝层，得到Al2O3/AlN复相陶瓷基板，该复相陶瓷熟瓷的X射线衍射图如图3所示。
进一步地，本实施例的烧结温度范围为1600℃～1680℃。
具体的，本实施例的烧结过程采用下述升温过程：第一升温阶段：0℃-900℃温度区间，升温速度为10℃/min，900℃保温1h；第二升温阶段：900℃-1200℃温度区间，升温速度为5℃/min，1200℃保温2h；第三升温阶段：1200℃-1650℃温度区间，升温速度为2℃/min，1650℃保温4h。
基于Al2O3陶瓷基板虽然具有优异的力学性能和较低的成本，但其热导率差，无法满足高功率散热服役环境，本实施例通过碳热还原反应在Al2O3-C的复相陶瓷素片的表层引入高导热氮化铝层，也就是说，通过在Al2O3陶瓷素片单面覆盖同样尺寸石墨纸，之后进行冷等静压成型，以形成复相陶瓷素片，再将复相陶瓷素片置于氮化硼模具中在氮气气氛下进行无压烧结得制品，剩余的石墨纸层进行打磨去除。本实施例的复相陶瓷基板不仅提高基板的热导率，还改善了界面连接处的热传导能力，降低基板热阻，同时也克服了氮化铝陶瓷强度差的特点，实现了结构-功能相互补偿的目的。本实施例的制备方法既结合了氮化铝与氧化铝两者的优势以提升复相陶瓷基板的综合热导率，又进一步降低成本，有利于提升其应用范围。
本发明的另一方面，提供一种Al2O3/AlN复相陶瓷基板，采用前文记载的制备方法制得，具体制备过程参考前文记载，在此不再赘述。
结合图2所示，本实施例的基板为Al2O3/AlN复相陶瓷基板，该基板包括Al2O3基体层以及在Al2O3基体层上形成的AlN导热层。
本发明的另一方面，提供一种包含前文记载的基板的第三代半导体功率器件，该第三代半导体功率器件包括陶瓷基板、功率器件、热沉、热界面材料、丝焊等。其中，本实施例的基板为氮化铝陶瓷基板，将该氮化铝陶瓷基板作为第三代半导体功率器件热电分离的陶瓷载板。
本发明的另一方面，提供一种包含前文记载的基板的发光器件，该发光器件还包括线路层、发光芯片、荧光粉、围墙(或围坝)以及封装胶、键合线等外部封装材料。
具体的，本实施例的发光芯片包括紫外芯片、紫光芯片、绿光芯片、红光芯片、红外发光芯片以及蓝光芯片中的至少一种，对此不作具体限定。
需要说明的是，本实施例的发光芯片为紫外芯片、紫光芯片、蓝光芯片中的一种或多种时，还可以起激发芯片的作用，此时发光器件中还包括荧光粉，荧光粉受激发芯片激发而发光。
在一些优选实施例中，发光芯片阵列中的发光芯片采用蓝光芯片、绿光芯片和红色芯片组合，形成RGB全彩。
在另一些优选实施例中，发光芯片阵列中的发光芯片采用紫外芯片，用于杀菌。
在另一些优选实施例中，发光芯片阵列中的发光芯片采用蓝光芯片和红光芯片的组合，用于植物照明。
在另一些优选实施例中，发光芯片阵列中的发光芯片为红外芯片，用于设备图像识别。
在另一些优选实施例中，发光芯片阵列还可以为激发芯片和发光芯片的组合。
进一步的，本实施例的荧光粉包括钇铝石榴石系荧光粉、(Sr,Ca)AlSiN3:Eu红色荧光粉、KSF红色荧光粉、β-塞隆荧光粉、(Sr,Ba)2SiO4:Eu硅酸盐荧光粉中的至少一种，对此不作具体限定。
作为本发明的一个优选高显色白光应用方案，发光器件中的荧光粉采用钇铝石榴石系荧光粉和(Sr,Ca)AlSiN3:Eu红色荧光粉。
作为本发明的另一个优选高显色白光应用方案，发光器件中的荧光粉采用钇铝石榴石系荧光粉、(Sr,Ca)AlSiN3:Eu红色荧光粉和KSF红色荧光粉。
作为本发明的另一个优选高显色照明应用方案，发光器件中的荧光粉采用(Sr,Ca)AlSiN3:Eu氮化物红粉和(Sr,Ba)2SiO4:Eu硅酸盐荧光粉。
作为本发明的另一个优选高色域背光应用方案，发光器件中的荧光粉采用β-塞隆荧光粉和KSF红色荧光粉。
下面将以具体实施例对Al2O3/AlN复相陶瓷基板的制备方法及其应用进行说明：
实施例1
本发明提出一种Al2O3/AlN复相陶瓷基板的制备方法，如图1和图2所示，包括以下步骤：
S1、制备Al2O3-C的复相陶瓷素片。
具体地，将氧化铝粉、氧化硅粉、氧化钙粉、氧化镁粉、聚乙二醇、聚乙二醇缩丁醛和乙醇进行混合，搅拌1h后得到混合料浆；之后将混合料浆放入聚四氟乙烯罐中球磨8h，球磨后料浆进行过筛除泡后得到流延浆料，浆料经过流延工艺后得到Al2O3陶瓷胶片，空气中排胶8h后的得到Al2O3陶瓷素片；而后将Al2O3陶瓷素片单面覆盖同样尺寸石墨纸，之后进行冷等静压成型，以得到复相陶瓷素片。
其中，氧化铝粉、氧化硅粉、氧化钙粉、氧化镁粉、聚乙二醇、聚乙二醇缩丁醛和乙醇的质量比为9.6:0.2:0.1:0.1:1:1:20；排胶温度为500℃，排胶时间为8h；冷等静压压力为200MPa，保压时间20min。
S2、对步骤S1得到的复相陶瓷素坯置于氮化硼模具中在氮气气氛下进行无压烧结，以在所述复相陶瓷素坯的表面引入氮化铝层，通过表面渗碳反应生成氮化铝层，以得到所述Al2O3/AlN复相陶瓷基板。
具体地，烧结在1650℃的温度下进行，具体烧结的升温过程如下：升温速率为：0-900℃升温速度为10℃/min；900℃保温1h；900℃-1200℃升温速度为5℃/min；1200℃保温2h；1200℃-1650℃升温速度为2℃/min；1650℃保温4h。
实施例2
本发明还提出一种根据实施例1的制备方法所获得的氮化铝陶瓷基板在绝缘栅双极型晶体管器件(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)中的应用。
具体地，如图4所示，该器件主要包括热沉、陶瓷基板、芯片以及丝焊线等，其中，热沉与陶瓷基板之间通过基底粘结层连接，芯片与陶瓷基板通过芯片粘结层连接，以及，利用硅胶进行封装。本实施例的氮化铝陶瓷基板作为第三代半导体功率器件热电分离的陶瓷载板。
本实施例的IGBT器件由双极型三极管和绝缘栅型场效应管组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，其兼有金属-氧化物半导体场效应晶体管的高输入阻抗和电力晶体管的低导通压降两方面的优点。
实施例3
本发明还提出一种根据实施例1的制备方法所获得的氮化铝陶瓷基板在集成发光器件中的应用。
具体地，如图5所示，该发光器件包括陶瓷基板、导电金属层(线路层)，发光芯片阵列，围坝(或围墙)，固晶胶，外部封装材料等；其中，发光芯片阵列中的发光芯片可以为紫外、紫光、蓝光、绿光、红光或红外发光芯片中一种或多种。
需要说明的是，本实施例的发光芯片为紫外芯片、紫光芯片、蓝光芯片中的一种或多种时，还可以起激发芯片的作用，此时发光器件中还包括荧光粉，荧光粉受激发芯片激发而发光。
进一步需要说明的是，本实施例的线路层为导电金属层，位于陶瓷基板表面，通过磁控溅射沉积铜、钛等金属薄膜作为晶种层，再由光刻胶或干膜等图形化方式配合电镀进行铜厚膜沉积，并在铜金属表面进行化学镀镍和化学镀金等最终精饰。其中，金属层的材质一般为铜，镍，金等材料，一般来说，铜层厚度为0.05-1mm，镍层厚度为2-10μm，金层厚度为50-250nm。
此外，陶瓷基板表面可以进行直接覆铜DBC工艺制备得铜图案，铜图形厚度为0.05-3mm。之后，将发光芯片连接至导电金属层(线路层)，再采用固晶胶将激发芯片阵列粘结至陶瓷基板；并且，将外部封装材料用于封装激发芯片阵列和荧光粉，该外部封装材料一般为硅胶。
本发明提供一种基板、制备方法及应用，具有以下有益效果：
第一、本发明利用碳热还原反应在氧化铝陶瓷表面引入的AlN层可以大大提高基板的综合热导率，尤其改善界面连接处的热传导能力，降低基板热阻，形成的Al2O3/AlN复相陶瓷基不仅板赋予了Al2O3陶瓷基板更高的热导率，同时也克服了AlN陶瓷强度差的特点，这实现了结构-功能相互补偿的目的。
第二、本发明通过引入氧化铝，以降低原料组分成本，且制备工艺技术简单，工业化成本较低，具有较高的商业价值。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基板的制备方法，其特征在于，具体步骤包括：制备Al2O3-C的复相陶瓷素片；
在所述复相陶瓷素片的表面引入氮化铝层，以得到所述Al2O3/AlN复相陶瓷基板。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述制备Al2O3-C的复相陶瓷素片，包括：
在Al2O3陶瓷素片上覆盖石墨纸，经冷等静压成型工艺以得到Al2O3-C的复相陶瓷素片。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述冷等静压成型工艺中的压力范围为150MPa～250MPa，保压时间范围为15min～25min。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述Al2O3陶瓷素片采用下述方法形成：
将氧化铝粉，氧化硅粉、氧化镁、碳酸镁、氧化钙、碳酸钙、氧化钇、氧化钛中至少一者，聚乙烯醇，聚乙二醇缩丁醛，聚乙二醇中至少一者以及甲苯、异丙醇、乙醇、丁酮中至少一者进行混合搅拌，以得到混合料浆；
将所述混合料浆进行球磨处理与过筛除泡得到流延浆料；
所述流延浆料经过流延工艺得到Al2O3陶瓷胶片，并经排胶处理以得到Al2O3陶瓷素片。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述氧化铝粉、所述氧化硅粉、所述氧化镁粉、所述碳酸镁粉、所述氧化钙粉、所述碳酸钙粉、所述氧化钇粉、所述氧化钛粉、所述聚乙烯醇、所述聚乙二醇缩丁醛、所述聚乙二醇、所述甲苯、所述异丙醇、所述乙醇、所述丁酮之间的质量比范围为(8-10):(0-1):(0-1):(0-1):(0-1):(0-1):(0-1):(0-1):(0-1.5):(0-1.5):(0-25):(0-25):(0-25):(0-25):(0-25)；和/或，
所述搅拌时间范围为0.5h～1.5h，所述排胶处理时间范围为7h～9h，所述排胶处理的温度范围为450℃～550℃。
6.根据权利要求1至5任一项所述的方法，其特征在于，所述在所述复相陶瓷素片的表面引入氮化铝层，以得到所述Al2O3/AlN复相陶瓷基板，包括：
对所述复相陶瓷素坯在氮气气氛下进行无压烧结，以在所述复相陶瓷素坯的表面引入氮化铝层，以得到所述Al2O3/AlN复相陶瓷基板。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，烧结过程采用下述升温过程：第一升温阶段：0℃-900℃温度区间，升温速度为10℃/min，900℃保温1h；第二升温阶段：900℃-1200℃温度区间，升温速度为5℃/min，1200℃保温2h；第三升温阶段：1200℃-1650℃温度区间，升温速度为2℃/min，1650℃保温4h。
8.一种基板，其特征在于，所述基板包括Al2O3基体层以及在所述Al2O3基体层上形成的AlN导热层。
9.一种包含权利要求8所述基板的第三代半导体功率器件，其特征在于，所述基板作为所述第三代半导体功率器件热电分离的载板。
10.一种包含权利要求8所述基板的发光器件，其特征在于，所述发光器件还包括线路层、发光芯片、荧光粉和围墙；其中，
所述发光芯片包括紫外芯片、紫光芯片以及蓝光芯片中的至少一种；
所述荧光粉包括钇铝石榴石系荧光粉、(Sr,Ca)AlSiN3:Eu红色荧光粉、KSF红色荧光粉、β-塞隆荧光粉、(Sr,Ba)2SiO4:Eu硅酸盐荧光粉中的至少一种。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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