Способ изготовления плат на подложках из алюмонитридной керамики Российский патент 2024 года по МПК H05K3/06 

Изобретение относится к области получения металлических покрытий на подложках из алюмонитридной керамики и может найти применение в электронной, электротехнической и радиотехнической промышленности при производстве, например, металлизированных подложек для силовых модулей и теплоотводящих элементов СВЧ транзисторов и микросхем.

Известна металлизация подложки из алюмонитридной керамики для электронных силовых модулей методом DBC [Юрген Шульц-Хардер. Медно-керамические подложки - основа современной силовой электроники. Новые возможности технологии DBC, перспективы и проблемы создания нового поколения изделий силовой электроники. Компоненты и технологии, 2005, № 3, стр.72]. Сущность метода DBC состоит в том, что предварительно проводят окисление поверхности AlN керамики, после чего керамику соединяют с медью при температуре 1064°C эвтектикой Cu-CuO₂.

Одним из недостатков метода DBC является то, что процесс требует очень точного температурного режима, поскольку проводится при температуре близкой к температуре плавления меди равной 1084°C. Кроме того, поскольку эвтектика Cu-CuO₂ отличается повышенной хрупкостью, то следует ожидать пониженную стойкость соединения в условиях циклического изменения температур. Также в изделиях из алюмонитридной керамики, металлизированной по данному способу, спаянных высокотемпературными припоями в среде водорода из-за восстановления до меди CuO₂, возможно нарушение соединения меди с керамикой.

Известен способ металлизации подложек из алюмонитридной керамики, в котором адгезионный слой наносят вакуумным осаждением слоя титана толщиной 0,1-0,5 мкм и осаждением на него слоя меди толщиной 0,1-0,5 мкм, с последующим нанесением на адгезионный слой гальванического слоя меди толщиной 5-15 мкм, гальванического слоя серебра толщиной 3-12 мкм, прижимом к покрытым серебром поверхностям пластин из медной фольги и проведением термообработки в вакууме [Патент РФ № 2 558 323, опубл. 27.07.2015]. В процессе термообработки при температуре 800-850°C между покрытым серебром гальваническим слоем меди и медной фольгой образуется припой на основе серебра, поскольку температура эвтектики, содержащей 72% серебра и 28% меди, равна 778°C. Таким образом, пластина из медной фольги присоединяется к гальванически осажденному слою меди посредством высокотемпературной пайки. При этом часть меди, как со стороны гальванически осажденного слоя, так и со стороны медной фольги переходит в припой. Толщина гальванического слоя меди при этом должна быть достаточной, чтобы не произошел полный переход этого слоя в припой, что приведет к присоединению медной фольги к подложке из нитрида алюминия активной пайкой (активный металл - титан). При активной пайке образуется переходный слой между алюмонитридной керамикой и медью, представляющий собой сложный сплав меди, серебра и титана, который при фотолитографическом травлении не удается полностью удалить. Между электрически изолированными элементами топологического рисунка будут оставаться включения, снижающие электрическое сопротивление электроизолирующих зазоров и приводящие к их заращиванию при последующих химических покрытиях элементов топологического рисунка металлизации, что подтверждается результатами испытаний, приведенными в таблице описания данного патента.

Основным недостатком данного технического решения является низкая адгезия металлизации к керамической подложке, составляющая 0,3-0,5 кг/мм².

Наиболее близким техническим решением является способ изготовления плат на подложках из алюмонитридной керамики [патент EP0480038 A1, 15.04.1992] в котором к подложке припоем, содержащем титан, серебро и медь, припаяна медная пластина при температуре 880°С в вакууме. Топологический рисунок металлизации, согласно данному техническому решению, проводят методом фотолитографического травления. Величина адгезии медной пластины к керамике, припаянной припоем ПСр-72, содержащим титан, составляет 7-8 кг/мм² [Катаев С.В. Корпуса изделий мощной СВЧ и силовой электроники из новых материалов с высокой теплопроводностью. Диссертация. 2018 г., с. 71].

Основным недостатком данного способа изготовления плат на подложках из алюмонитридной керамики, как указывалось в предыдущем техническом решении, является то, что при активной пайке образуется переходный слой между алюмонитридной керамикой и медью, представляющий собой сложный сплав меди, серебра и титана, который после фотолитографического травлении не удается полностью удалить с поверхности освобожденных от металлизации электроизолирующих зазоров, что может привести при последующих операциях химического и электрохимического покрытия платы к заращиванию осаждаемым металлом электроизолирующих зазоров.

Техническим результатом предложенного технического решения является изготовление металлизированных керамических плат на основе керамики из нитрида алюминия с адгезионным слоем, состоящим из нитрида титана и сплава серебра, меди и титана, в которых после формирования топологического рисунка металлизации фотолитографическим травлением исключена возможность заращивания электроизолирующих зазоров при последующих операциях химического и электрохимического покрытия плат.

Технический результат, обеспечиваемый изобретением, достигается тем, что в способе изготовления плат из керамики на основе нитрида алюминия с адгезионным слоем, состоящим из нитрида титана и сплава серебра, меди и титана, включающим фотолитографическое формирование рисунка металлизации, после формирования рисунка металлизации удаляют травлением в щелочных растворах слой керамики из нитрида алюминия, содержащего включения материалов адгезионного слоя.

Травление слоя керамики из нитрида алюминия, содержащего включения материалов адгезионного слоя предпочтительно проводить в 40-ка процентном растворе NaOH при кипячении в течение 10-20 минут.

Технических решений, содержащих признаки, сходные с отличительными, не выявлено, что позволяет сделать выводы о соответствии заявленного технического решения критерию новизны.

Для получения адгезии между напыляемым металлом и материалом диэлектрика одним из условий является возможность между ними химической реакции. Химическая реакция между напыляемым металлом и материалом диэлектрика термодинамически возможна в том случае, если величина ΔН образования соединения материала диэлектрика (в данном случае с азотом) менее отрицательна, чем величина ΔН образования нитрида напыляемого металла [Ю.Д. Третьяков. Твердофазные реакции // М., “Химия”,1978 г., с.359]. В данном случае между титаном и подложкой из керамики на основе нитрида алюминия химическая реакция происходит поскольку ΔН AlN =-57,7 ккал/моль менее отрицательна чем ΔН TiN =-73,0 ккал/моль [Справочник химика, Т.1 ГНТИХЛ, Ленинград-Москва, 1962, с. 1071].

Данное условие выполнено в способе металлизации керамики в приведенном выше патенте № 2 558 323, отличающемся невысокой адгезией. Более высокую адгезию металлизации к аюмонитридной керамике обеспечивает металлизация с использованием активной пайки.

Но при этом образуется переходный слой между алюмонитридной керамикой и металлизацией, представляющий собой сложный сплав меди, серебра, титана и нитрида титана, который при фотолитографическом травлении не удается полностью удалить. Между электрически изолированными элементами топологического рисунка будут оставаться включения, приводящие к заращиванию электроизолирующих зазоров при последующих химических покрытиях металлических элементов топологического рисунка. Удалить включения, состоящие из материалов адгезионного слоя и приводящие к заращиванию электроизолирующих зазоров можно, например, с помощью сухого травления нитрида алюминия ионным пучком [Д.М. Демидов, Р.В. Леус, В.П. Чалый. Исследование процесса сухого травления нитрида алюминия ионным пучком. Письма в ЖТФ, 1997, том 23, № 12, с. 1-6]. В данной статье отмечается, что решение этой задачи методом традиционной фотолитографии, основанным на обработке образцов в жидкостных растворах, затруднено из-за высокой химической стойкости нитридов. Поэтому авторы использовали процесс сухого травления AlN с помощью широкого частично нейтрализованного коллимированного пучка ионов аргона с энергией до 1 КэВ. Но использование данного способа травления нитрида алюминия требует наличия сложного оборудования и высокой квалификации обслуживающего персонала.

В то же время, проведенные эксперименты показали, что травление алюмонитридной керамики в электроизолирующих зазорах в растворах щелочей с водой могут удалять включения, приводящие к заращиванию электроизолирующих зазоров при последующих химических покрытиях металлических элементов топологического рисунка в течение сравнительно непродолжительного времени. Положительные результаты были получены с использованием водных растворов NaOH и KOH, но за основу были взяты водные растворы едкого натрия (NaOH), обычно входящего в состав растворов для обезжиривания деталей перед гальваническими покрытиями, например, часто используют кипячение в растворе для обезжиривания, состоящем из NaOH - 20 г/л; Na₂CO₃ -25 г/л; Na₃PO₄ - 80 г/л.

Были опробованы водные растворы, содержащие NaOH - 20 г/л, 30 г/л, 40 г/л, 60 г/л, 80 г/л и 100 г/л. В растворе, содержащим NaOH - 20 г/л полностью очистка от нежелательных включений поверхности изолирующих зазоров не происходит даже при длительном кипячении (40 минут). В растворе, содержащим NaOH 40 г/л очистка от нежелательных включений поверхности изолирующих зазоров происходит при кипячении в течение 10-15 минут. В растворах, содержащим NaOH 60-100 г/л очистка от нежелательных включений поверхности изолирующих зазоров происходит при кипячении в течение 7-10 минут. Из экономических соображений (расход NaOH) предпочтителен раствор, содержащий NaOH 40 г/л. В Таблице 1 приведены результаты удаления включений, приводящие к заращиванию электроизолирующих зазоров в растворе, содержащем NaOH 40 г/л, при последующем покрытии химическим никелем металлических элементов топологического рисунка, которые показывают, что при различных содержаниях титана, меди и серебра в адгезионном слое после покрытия платы химическим никелем заращивание электроизолирующих зазоров отсутствует.

Растворы кислот также могут удалять слой алюмонитридной керамики, но при этом возможно их нежелательное взаимодействие с металлизацией.

Изобретение относится к области получения металлических покрытий на подложках из алюмонитридной керамики и может найти применение в электронной, электротехнической и радиотехнической промышленности. Предлагается способ изготовления металлизированной подложки из керамики на основе нитрида алюминия с адгезионным слоем. Адгезионный слой состоит из нитрида титана и сплава серебра, меди и титана. После фотолитографического формирования рисунка металлизации удаляют травлением в щелочных растворах слой керамики из нитрида алюминия, содержащий включения материалов адгезионного слоя. Изобретение позволяет изготавливать металлизированные керамические платы на основе алюмонитридной керамики, в которых после формирования топологического рисунка металлизации исключена возможность заращивания электроизолирующих зазоров при последующих операциях химического и электрохимического покрытия плат. 1 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Способ изготовления металлизированной подложки из керамики на основе нитрида алюминия с адгезионным слоем, состоящим из нитрида титана и сплава серебра, меди и титана, включающий фотолитографическое формирование рисунка металлизации, отличающийся тем, что после формирования рисунка металлизации травлением в щелочных растворах удаляют слой керамики из нитрида алюминия, содержащий включения материалов адгезионного слоя.

2. Способ изготовления металлизированной подложки из керамики на основе нитрида алюминия по п.1, отличающийся тем, что травление слоя керамики из нитрида алюминия, содержащего включения материалов адгезионного слоя, проводят в 40%-ном растворе NaOH.