[发明专利]一种铜-氧化铝陶瓷基板及其制备方法

说明书

本发明提供一种铜‑氧化铝陶瓷基板，包括铜片、氧化铝陶瓷和铜片与氧化铝陶瓷之间的连接层；所述连接层由氧化亚铜、过渡元素的氧化层、尖晶石结构的偏铝酸盐三者形成的化合物构成；在铜‑陶瓷界面引入具有变价的过渡族元素A的氧化物,烧结后形成新的界面形态Cu(Cu₂O)‑(Cu₂O)_m(A_xO_y)_n(AL₂O₃)_l‑Al₂O₃的界面结构，用于改善覆铜陶瓷基板抗弯强度。

技术领域

本发明属于半导体制造、LED、光通讯领域，特别适用于半导体制冷器、LED、功率半导体等的覆铜陶瓷基板制造。

背景技术

覆铜陶瓷基板是利用氧化亚铜共晶液润湿相互接触的铜片和氧化铝陶瓷表面，使两者牢固地结合在一起。烧结的温度通常在1065-1082℃，由于在烧结后降温的过程中，陶瓷与铜的热膨胀系数失配，使得铜与陶瓷之间存在很大的热应力，该应力会造成陶瓷表面形成损伤，进而降低覆铜陶瓷基板的抗弯强度。

常规的覆铜陶瓷基板制作工艺中，首先要在铜片表面形成一层氧化亚铜层，然后将带有氧化层的铜片放置在氧化铝陶瓷板上进行烧结，最终得到覆铜陶瓷基板。铜片上形成氧化亚铜的方法通常是热氧化法，即在高温的条件下，将铜片放置在特定氧分压的环境中，使铜片逐步氧化表面生成氧化亚铜。接着进行烧结工艺，在烧结工艺中，含氧化亚铜的铜片放置于氧化铝陶瓷上，在高温的条件下氧化亚铜与铜形成液态的共熔物，铜-氧化亚铜共晶液与瓷片中的氧化铝发生反应，在氧化铝的表面形成固态的CuAlO₂层，该层与陶瓷表面紧密接触, 并形成了一定的镶嵌结构, 提供了机械互锁作用。在降温的过程中，铜-氧化亚铜共晶液逐渐凝固，在铜-陶瓷的界面上形成了结合强度较高的C u / C u AlO₂、Al₂O₃ /C uAlO₂、Cu₂O / CuAlO₂的结合面, 通过上述反应，在金属C u和Al₂O₃之间形成牢固连接。

在降温的过程中，由于铜和陶瓷的热膨胀系数不同，在铜-瓷界面上会产生较大的热应力。界面层是铜和陶瓷相连接的桥梁，同时是应力的传递介质。界面层的设计对覆铜陶瓷板的力学性能有非常重要的影响。要获得较好陶瓷-金属连接性能，必须对界面层的材料进行设计。通常认为界面层材料的厚度、剪切模量、熔点、物理化学性质、是否与连接材料产生冶金反应和电化学反应、是否产生脆性相及不希望的共晶相等性质非常重要。

由于Al₂O₃在Cu-Cu₂O共晶熔液中的溶解度小，且生成的CuAlO₂会阻碍后续共晶反应的进行，考虑到生产工艺条件，通常的生成的CuAlO₂厚度较薄（约1-50nm）。由于界面层的CuAlO₂厚度较小，不容易产生足够的形变来吸收热应力，热应力会对瓷片及铜片造成损伤，进而降低覆铜陶瓷板的抗弯强度及冷热循环性能。

为了获得更好力学性能的覆铜陶瓷基板，必须对铜-陶瓷的界面进行优化设计。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种铜-氧化铝陶瓷基板及其制备方法，在铜-陶瓷界面引入具有变价的过渡族元素A的氧化物,烧结后形成新的界面形态Cu（Cu₂O）-（Cu₂O）_m（A_xO_y）_n（Al₂O₃）_l - Al₂O₃的界面结构，用于改善覆铜陶瓷基板抗弯强度。