阅读说明：本技术 一种氮化铝陶瓷基板表面处理方法 (Surface treatment method for aluminum nitride ceramic substrate ) 是由 王斌 贺贤汉 孙泉 欧阳鹏 葛荘 于 2020-04-28 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种氮化铝陶瓷基板表面处理方法,包括如下工序：1)前处理：去除基板表面的油污和杂质后,将其浸没于有机溶剂液中,处理后取出烘干；2)界面偶联剂处理：将经步骤1)处理后的氮化铝陶瓷基板浸没于界面偶联剂和无水乙醇的混合溶液中常温处理5～10min,而后取出烘干,界面偶联剂和无水乙醇的体积比为1:100～200。本发明中的方法针对陶瓷表面进行化学改性,可改善焊料的附着性,显著提高焊料层与陶瓷表面的化学结合力从而减少焊料结合层的空洞和空隙,提高覆铜板的抗热冲击性能且处理效率高、成本低。且该方法可在对陶瓷表面进行粗化的基础上使用,进一步提高活性金属焊料附着性。(The invention relates to a surface treatment method of an aluminum nitride ceramic substrate, which comprises the following steps: 1) pretreatment: after removing oil stains and impurities on the surface of the substrate, immersing the substrate in organic solvent liquid, taking out and drying the substrate after treatment; 2) interface coupling agent treatment: immersing the aluminum nitride ceramic substrate treated in the step 1) in a mixed solution of an interface coupling agent and absolute ethyl alcohol, treating at normal temperature for 5-10 min, taking out and drying, wherein the volume ratio of the interface coupling agent to the absolute ethyl alcohol is 1: 100-200. The method of the invention carries out chemical modification on the surface of the ceramic, can improve the adhesiveness of the solder, and obviously improves the chemical bonding force between the solder layer and the surface of the ceramic, thereby reducing the cavities and the gaps of the solder bonding layer, improving the thermal shock resistance of the copper-clad plate, and having high treatment efficiency and low cost. The method can be used on the basis of roughening the surface of the ceramic, and the adhesiveness of the active metal solder is further improved.)

一种氮化铝陶瓷基板表面处理方法

技术领域

本发明属于陶瓷基板表面处理技术领域，具体涉及一种氮化铝陶瓷基板表面处理方法。

背景技术

氮化铝陶瓷基板(ALN)因其介电常数低、导热性能优良、与芯片匹配的热膨胀系数低等优点，被广泛应用于半导体器件功率模块的衬板。当采用活性金属钎焊技术(AMB)实现氮化铝陶瓷基板金属化时，需要在氮化铝陶瓷片表面印刷活性金属焊料。

活性金属焊料在氮化铝陶瓷片表面的附着性是决定覆铜陶瓷基板焊料结合层质量的重要因素之一。AMB工艺中，活性金属焊料中会加入成膜剂等有机物，而ALN陶瓷的表面性质与有机基体相差很大，无法直接结合。为了实现二者结合，目前使用NaOH溶液、混合酸溶液、甚至等离子体轰击的技术粗化陶瓷表面，增强金属焊料与瓷片机械嵌合力，从而间接解决陶瓷与有机基体相容性差的问题。

按照化学键合理论，若在氮化铝瓷片表面涂覆表面改性剂或许可直接增强瓷片和有机基体的相容性。相比来说，陶瓷片表面采用表面改性的处理方法时，效率更高，成本更低，因此，在AMB技术领域，亟待开发一种针对氮化铝陶瓷基板表面处理方法。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明提供了一种氮化铝陶瓷基板表面处理方法，包括杂质去除、界面偶联剂处理两道处理工序，通过该处理方法，增强氮化铝陶瓷基板和有机基体间的直接相容性。

为了实现上述目的，本发明通过以下技术方案实施：

本发明提供的氮化铝陶瓷基板表面处理方法，包括如下工序：

1)前处理

去除基板表面的油污和杂质后，将其浸没于有机溶剂液中，处理后取出烘干；

2)界面偶联剂处理

将经步骤1)处理后的氮化铝陶瓷基板浸没于界面偶联剂和无水乙醇的混合溶液中常温处理5～10min，而后取出烘干，界面偶联剂和无水乙醇的体积比为1:100～200。

优选的，本发明的处理方法还能够和陶瓷基板的表面粗化处理工序连用，在步骤1)前，先进行粗化处理，使陶瓷基板表面粗糙度达到0.3-0.4。

氮化铝陶瓷基板表面粗化处理方式包括：碱性溶液处理或混合酸溶液处理氮化铝陶瓷片表面。碱性溶液为质量分数15％～25％的NaOH或KOH强碱溶液，混合酸溶液包括质量分数为25％～65％硫酸、5％～8％的氢氟酸，余量为水。

优选的，步骤1)中，采用除油剂和纯水去除氮化铝陶瓷基板表面的油污和杂质。除油剂包括40～70g/L氢氧化钠、20～50g/L碳酸钠、10～20g/L磷酸三钠，其余为水；除油温度设置为80～90℃，处理时间为3～5min，除油后纯水浸洗时间为1～2min，温度为15～25℃。

优选的，步骤1)中，有机溶剂为异丙醇和丙酮的混合液，体积比为3：1，具体的处理条件为将氮化铝陶瓷基板浸没于异丙醇和丙酮的混合液中，常温超声3～5min；烘干时，烘箱温度设置为100℃，烘干时间为5～10min。。

优选的，步骤2)中，界面偶联剂包括有机硅、钛酸酯、铝酸酯中的一种或几种。其中，有机硅和无水乙醇的体积比为1:100，钛酸酯和无水乙醇的体积比为1:200，铝酸酯和无水乙醇的体积比为1:100。

烘干条件为：烘箱温度设置为100℃，烘干时间为5～10min，优选10min。

优选的，本发明中的氮化铝陶瓷基板为活性钎焊陶瓷基板。

本发明的有益效果如下：

在本发明提供的氮化铝陶瓷基板表面处理方法中，氮化铝陶瓷基板经界面偶连剂和无水乙醇的混合溶液处理后，实现氮化铝陶瓷基板表面化学改性。界面偶联剂同时具有亲有机基团和亲无机基团，亲有机基团通过交联固化反应与金属焊料层结合，亲无机基团通过水解缩聚反应与陶瓷基板表面结合，进而实现金属焊料层和陶瓷基板表面之间的结合；无水乙醇作为界面偶联剂的稀释剂，易于挥发，且和界面偶联剂不会发生明显反应，有助于界面偶联剂发挥功效。

因此，本发明中的方法针对陶瓷表面进行化学改性，可改善焊料的附着性，显著提高焊料层与陶瓷表面的化学结合力从而减少焊料结合层的空洞和空隙，提高覆铜板的抗热冲击性能且处理效率高、成本低。且该方法可在对陶瓷表面进行粗化的基础上使用，进一步提高活性金属焊料附着性。

附图说明

图1为本发明中的氮化铝陶瓷基板表面处理流程图；

图2为本发明界面偶联剂的作用机理简化示意图，其中(1)显示了界面偶联剂实现活性金属焊料层和AlN陶瓷基板间的结合，1为铜箔，2为活性金属焊料层，3为界面偶联剂层，4为AlN陶瓷基板；(2)为界面偶联剂实现金属焊料层和AlN陶瓷基板间的结合的作用机理示意图。

图3为本发明氮化铝陶瓷基板产品制造流程图。

具体实施方式

下面结合本发明的附图和实施例对本发明的实施作详细说明，以下实施例是在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本发明所用试剂和原料均市售可得或可按文献方法制备。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件或按照制造厂商所建议的条件。

实施例一

本实施例中的氮化铝陶瓷基板表面处理方法，根据图1，包括如下工序：

A、前处理

(1)采用除油剂和纯水去除氮化铝陶瓷基板表面的油污和杂质，该除油剂包括40～70g/L氢氧化钠、20～50g/L碳酸钠、10～20g/L磷酸三钠，其余为水；除油温度设置为80～90℃，处理时间为3～5min，除油后纯水浸洗时间为1～2min，温度为15～25℃。

(2)将经步骤(1)处理过的氮化铝陶瓷基板浸没于体积比为3:1的异丙醇、丙酮混合液中，常温超声3～5min，去除基板表面的有机物杂质，而后取出；

(3)将经步骤(2)处理过的氮化铝陶瓷基板置于烘箱中，烘箱温度设置为100℃，烘干时间为5min，取出。

B、界面偶联剂处理

(4)将经步骤(3)处理后的氮化铝陶瓷基板浸没于铝酸酯与无水乙醇体积比为1:100表面改性剂中，常温处理10min，取出；

(5)将经步骤(4)处理后的氮化铝陶瓷基板置于烘箱中，温度设置为100℃，时间为10min。

对比例一

本对比例中的氮化铝陶瓷基板表面处理方法，与实施例一的区别在于，不经过界面偶联剂处理，包括如下工序：

A、杂质去除

(1)采用除油剂和纯水去除氮化铝陶瓷基板表面的油污和杂质，该除油剂包括40～70g/L氢氧化钠、20～50g/L碳酸钠、10～20g/L磷酸三钠，其余为水，除油温度设置为80～90℃，处理时间为3～5min，纯水浸洗时间为1～2min，温度为15～25℃；

(2)将经步骤(1)处理过的氮化铝陶瓷基板浸没于体积比为3:1的异丙醇、丙酮混合液中，常温超声3～5min，去除基板表面的有机物杂质，而后取出；

(3)将经步骤(2)处理过的氮化铝陶瓷基板置于烘箱中，烘箱温度设置为100℃，烘干时间为5min，取出。

实施例二

本实施例二中，与实施例一处理步骤的唯一不同在于步骤(4)，将界面偶联剂更换为体积比1:200的钛酸酯与无水乙醇混合溶液。

实施例三

本实施例三中，与实施例一处理步骤的唯一不同在于步骤(4)，将界面偶联剂更换为体积比1:100的有机硅与无水乙醇混合溶液。

在上述三个实施例中，界面偶连剂实现金属焊料层和AlN陶瓷基板间的结合的作用机理示意图如图2所示：界面偶连剂3同时具有亲有机基团和亲无机基团，亲有机基团通过交联固化反应与金属焊料层2结合，亲无机基团通过水解缩聚反应与AlN陶瓷基板4表面结合，进而实现金属焊料层和陶瓷基板表面之间的结合。

界面偶连剂处理时与无水乙醇溶液混用，由于界面偶联剂一般用量较少，无水乙醇作为界面偶联剂的稀释剂使用，并且无水乙醇易于挥发和界面偶联剂不会发生明显反应。

实施例四

本实施例四为实施例一、二或三与陶瓷基板的表面粗化处理工序连用，在工序A前，先进行基板表面粗化处理，使陶瓷基板表面粗糙度达到0.3-0.4，然后进行实施例一、二或三中的表面处理方法。

氮化铝陶瓷基板表面粗化处理方式包括：碱性溶液处理或混合酸溶液处理氮化铝陶瓷片表面。碱性溶液为浓度为15％-25％的NaOH或KOH等强碱溶液，混合酸溶液包括质量百分比为25％～65％硫酸、5％～8％的氢氟酸、余量为水。

本实施例中的具体产品为实施二与20％NaOH溶液表面粗化联用。

实施例五

本实施例对表面改性效果进行评价，覆铜陶瓷板产品的结构参考图2，制造流程如图3所示。表面处理AlN陶瓷基板后，在基板双面进行焊料双面丝网印刷并覆铜，而后进行AMB真空钎焊和图形化工艺，最后进行清洗除杂和激光切割，得到最终产品。

对表面处理过程为实施例一至四产品进行拉力测试和抗冷热冲击测试。测试条件为，将产品交替置于冷水(20℃)中和加热板(300℃)上，前十次每五次进行SAM测试、之后每两次进行SAM测试，SAM图形中出现明显的白点、白线构成白色区域即为翘曲、开裂失效)。

拉力及SAM测试结果如表1所示：

表1拉力及SAM测试结果

测试结果表明：氮化铝瓷片表面改性后不会明显提高铜瓷剥离强度，但能增加产品的抗热冲击性能，瓷片表面粗化后再进行表面改性提高产品热冲击效果更为明显。

以上已对本发明创造的较佳实施例进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明创造精神的前提下还可作出种种的等同的变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。