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AlN 陶瓷金属化研究进展 纪成光，杨德安 天津大学材料科学与工程学院，天津（300072 ） E-mail：sdjcg2008@163.com 摘 要：本文论述了 AlN 陶瓷表面金属化技术的进展，介绍了金属化的主要方法及其基本 原理，比较了各种方法的优缺点，并扼要阐述了AlN 陶瓷的金属化机理。 关键词：AlN 陶瓷，金属化，气密性，结合强度 1. 引言 近年来，随着大规模集成电路以及电子设备向着高速化、多功能、小型化、高功率的方 [1～4] 向发展，各种应用对高性能、高密度电路的需求日益增加 。然而，电路密度和功能的不 断提高导致电路工作温度不断上升，为了防止元件因热聚集和热循环作用而损坏，对基板材 料的低介电常数、低热膨胀系数、高热导率等方面提出的要求越来越严格。目前，市场上高 热导率材料主要有BeO 、SiC 和AlN 。 BeO作为封装材料性能优良，遗憾的是，BeO是一种有毒物质，目前许多国家已将BeO 列入禁用材料，对含有BeO 的元件或系统的使用也有诸多限制；SiC导热率虽然高达 270W/m·K，但其介电常数大（约40 ，1MHz），大大限制了其在高频领域的应用，不宜作基 板材料；AlN不仅有高的热导率（约为Al O 的10倍），单晶AlN高达320 W/m·K，而且具有 2 3 优异的高温绝缘性、低介电常数以及与Si相近的热膨胀系数（4.5×10-6/ ℃,可以减少因热应力 作用引起的元件/基片界面的剥离故障），另外，从结构上看，A1N陶瓷基片在简化结构设 计、降低总热阻、提高可靠性、增加布线密度、使基板与封装一体化以及降低封装成本等方 面均具有更大的优势。因而，随着航空、航天及其它智能功率系统对大功率耗散要求的提高， A1N基片已成为大规模集成电路及大功率模块的一种重要的新型无毒基片材料，以加强散 热、提高器件的可靠性[4～9] 。 AlN 作为基片材料用于微电子系统封装中，在其表面进行金属化是必要的。但是，AlN 瓷是由强共价键化合物烧结而成，与其他物质的反应能力低，润湿性差，金属化存在一定的 [4,10,11] 困难 。近年来，随着研究的不断深入，AlN 陶瓷金属化取得了一定的成效。目前，应 用于AlN 陶瓷金属化的方法主要有薄膜法、厚膜法、直接敷铜(DBC)法、化学镀法等。 2. 薄膜法 薄膜法是采用真空蒸镀、离子镀、溅射镀膜等真空镀膜法将膜材料和AlN瓷结合在一起。 由于为气相沉积，原则上讲无论任何金属都可以成膜，无论对任何基板都可以金属化。但是， 金属膜层与陶瓷基板的热膨胀系数应尽量一致，以设法提高金属膜层的附着力。目前，研究 最多的是Ti浆料系统，Ti层一般为几十纳米，对于多层薄膜，则在Ti层上沉积Ag 、Pt、Ni 、 Cu等金属后进行热处理。鲁燕萍[12]等人针对AlN 陶瓷在微波管中的应用特点，采用磁控溅射 镀膜方法在AlN 陶瓷表面溅射不同的金属薄膜，并与无氧铜焊接，测试焊接体的抗拉强度并 对陶瓷－金属接合界面用EDX谱进行了微观分析。研究发现：在真空度优于2×10-3Pa 的条件 下，溅射Ti，Cu，Mo和Ni层会发生不同程度的氧化，影响了焊接强度和气密性。采用Ti ／ Au双层膜金属化可以起到防止Ti膜氧化的作用，但不能阻止焊料对Ti膜的溶解粘附，因而虽 保证了焊接气密性，但强度较低；Ti ／Ag金属化可以阻止焊料对Ti层的侵蚀，但其本身和 - 1 - Ti膜作用较差。电镀Ni层可以起到很好的防氧化保护作用，甚至不需Cu，Mo等第二金属化 层，直接镀Ni 即可同时保证气密性和高焊接强度。对于Ti ／电镀Ni样品，焊接强度随Ni层厚 度增加而增加，电镀Ni(50 min)层可以覆盖A1N陶瓷的表面缺陷，起到表面改性的作用。 安