專利名稱：GaN器件封裝用底座結構及其制造方法
技術領域：
本發明涉及半導體器體的底座結構及其制造方法，尤其是一種散熱效果好的SiC/Al底座結構及其制造方法，具體地說是一種GaN器件封裝用底座結構及其制造方法。
背景技術：
鎢銅(W/Cu)、鉬銅(Mo/Cu)等封裝合金，是應用較為廣泛、熱物理性能優異的電子封裝用合金，目前軍用電子元器件較多采用其作為封裝底座。然而，鎢銅(W/Cu)、鉬銅(Mo/Cu)不僅工藝復雜、成本較高，最大的缺點是其比重高達17g/cm3，對當今搭載電子元器件數量急劇膨脹的空間裝備來說，這將無法滿足航空航天微電子系統的輕量化發展要求、不適合在空間電子裝備系統中采用。相比之下，無氧銅與Kovar合金作為封裝底座的另外兩種候選材料，分別由于過高的熱膨脹系數(17ppm)和過低的熱耗散能力(14～17W/m·K)，以及比重較高這一共同缺點，更難以在可靠性要求高的軍事電子工程中廣泛應用。
高碳化硅顆粒含量鋁基復合材料(SiC/Al)，它的熱脹系數在一定范圍內精確可控，可以與Si、GaAs、GaN、SiC等半導體芯片很好地熱匹配，比重在3g/cm3以下，熱導率大于200W/m·K，且成本較低，同時具有低膨脹、高導熱、輕質、低成本等優點，以之替代傳統的封裝金屬，可以滿足先進軍用電子器件的輕量化、低成本化及高可靠、長壽命設計要求。SiC/Al電子封裝復合材料目前在國內已開始應用于軍事工程，并形成了批產能力、頒布了國軍標、通過了中國軍用電子元器件質量認證委員會的鑒定。該材料密度不到W/Cu的20％、Mo/Cu的30％、Kovar合金的2/3，故而輕量化優勢極為顯著。該復合材料與電子陶瓷基片有著良好的膨脹匹配性，其熱導率已接近240W/mK。
但是隨著信息技術的高速發展，當今電子元器件中的芯片的集成度越來越高，功率越來越大，器件體積更小，尤其是隨著第三代寬禁帶半導體器件的發展，器件的功率密度更是達到了1000W/cm2以上，對封裝的散熱要求越來越高。(SiC/Al)復合材料200W/m·K的熱導率，已經不能滿足器件熱耗散的需要。
金剛石材料可以具有極高的熱導率，適于作為電子元器件的熱沉。目前國內作為熱沉金剛石熱導率可高達1500W/mK。然而，高端的金剛石熱沉產品造價很高，以常用的厚度約為0.5mm的產品為例，每平方毫米的售價約為10元人民幣。因此，大面積地采用金剛石作為電子元器件的熱沉，成本是較難接受的。故而，在安裝芯片的位置采用面積較小的金剛石散熱片是一種發展趨勢，它可以大幅度提高封裝產品的散熱能力。
電子器件用金剛石散熱片往往需要與金屬(也可以是包括SiC/Al在內的金屬基復合材料)接合在一起而形成組合件，兩者不僅都要有高熱導率，而且要求高可靠的結合方式。然而，金剛石散熱片與封裝合金傳統的結合方式是釬焊。釬焊不僅工藝較為復雜，且可靠性也不高，尤其是易于出現釬焊料的流散不夠、充填不全等缺陷。這不僅使得界面熱阻很大，影響熱耗散，也影響結合強度，元器件在長期工作中由于溫度變化產生的熱應力較大，這將會導致釬焊料疲勞性破壞而使元器件失效。因此，亟待開發全新的高可靠、低熱阻、高結合強度金剛石散熱片與封裝合金(或SiC/Al復合材料)的結合方法。
發明內容
本發明的目的是針對目前半導體器體中普遍采用的鎢銅(W/Cu)、鉬銅(Mo/Cu)等封裝合金所存在的散熱性不能滿足要求的現狀，發明一種利用SiC/Al作為底裝基體同時鑲嵌有金剛石散熱片的新型GaN器件封裝用底座結構，同時發明一種工藝易于實現、結合強度高和高可靠性的金剛石散熱片與底座基體的連接方法和底座結構的整體制造方法。
本發明的技術方案是一種GaN器件封裝用底座結構，包括上表面帶有臺階或不帶有臺階的SiC/Al底座基體，該底座整體電鍍有鎳層和金層，其特征是在所述的底座基體表面鑲嵌有金剛石散熱片，其面積與所安裝的GaN器件相匹配，其表面制作有有利于對底座基體和金剛石散熱片整體電鍍的金屬化層。
所述的金剛石散熱片的上表面與底座基體的上表面齊平或略低于底座基體的上表面。
所述的金剛石散熱片的表面的金屬化層由鎳層和金層組成，且鎳層與金剛石表面相接觸，金層覆蓋在鎳層之上。
本發明的制造GaN器件封裝用底座結構的方法，主要包括以下工藝步驟首先，在SiC/Al底座基體表面鑲嵌金剛石散熱片；其次，使上述金剛石散熱片的表面金屬化；第三，對底座基體和金剛石散熱片整體電鍍金屬鎳層和金層，可采用常規電鍍工藝加以實現。
其中在SiC/Al底座基體表面鑲嵌金剛石散熱片的工藝步驟主要包括第一步，配料，按照所要制備的SiC/Al底座基體的組分選取鋁合金錠塊及碳化硅顆粒；第二步，將碳化硅顆料放入模具中形成SiC顆粒堆積體，將金剛石散熱片放置在該堆積體的下表面即底面的設定位置處；第三步，將鋁合金錠塊置于模具中的SiC顆粒堆積體上表面，將上述模具放入有氮氣氛爐的爐中加熱到800℃～950℃的復合溫度，保溫1～5小時，得到鑲嵌有金剛石散熱片的SiC/Al復合底座。
使金剛石熱沉片的表面金屬化的工藝步驟主要包括第一步，在射頻磁控濺射臺中分別裝入鎳靶和金靶；第二步，將所需濺射的底座擦試、吹干后置于真空室中；可分別采用甲苯、丙酮和無水乙醇棉球擦試，并用氮氣吹干后裝入設備；第三步，將真空室氣壓抽到0.20～0.30Pa；第四步，加200W的射頻功率對鎳靶進行濺射，持續5～10分鐘時間，使鎳層厚度達到1000±100；加120W的射頻功率對金靶進行濺射，持續1～3分鐘時間，使金層厚度達到1000±100。
金屬化結束后，可采用常規電鍍工藝對底座基體和金剛石散熱片整體電鍍鎳層和金層，也可采用圖3所示的電鍍工藝進行電鍍。
本發明具有以下優點本發明采用SiC/Al復合底座制作器件外殼，很好地解決了GaN器件的散熱問題。對于熱流密度為1108W/cm2的器件，采用SiC/Al基材鑲嵌金剛石散熱片作為底座的管殼進行封裝，使器件滿負荷工作時的結溫比用W-Cu材料底座的外殼降低了100℃以上，可以保證器件工作時的最高溫度小于451K(178℃)。同時，由于采用了SiC/Al作為基材，外殼的重量比常規的W-Cu底座減輕了許多，特別適合對重量有嚴格要求的空間環境使用。本發明所使用的主要原材料SiC顆粒及鋁合金成本低廉，僅在產品的局部采用尺寸較小金剛石散熱片，因此可在增加產品性能的同時，大幅度降低成本。本發明提出的工藝方法簡單、工序簡潔，將SiC/Al電子封裝復合材料的制備同金剛石散熱片的復合兩道工序合二為一，不僅省去了釬焊步驟，而且獲得的原位復合界面熱阻更低。用本發明所得制品具有輕質、熱耗散能力強的優點，且適用面廣、成本低、制作簡便、適于工業化生產。
圖1是本發明的GaN器件封裝用底座結構示意圖。
圖2是圖1的俯視結構示意圖。
圖3是本發明實施例中的電鍍工藝流程示意圖。
具體實施例方式
下面結構附圖和實施例對本發明作進一步的說明。
如圖1、2、3所示。
一種GaN器件封裝用底座結構，包括SiC/Al底座基體1，在所述的底座基體1上有一高出其上表面的臺階2，在臺階2上鑲嵌有金剛石散熱片3，金剛石散熱片3的面積與所安裝的GaN器件相匹配，金剛石散熱片3的上表面與臺階2(或底座基體1)的上表面齊平或略低于臺階2(或底座基體)的上表面。在所述的金剛石散熱片3的表面制作有金屬化層，金屬化層由鎳層和金層組成，且鎳層與金剛石表面相接觸，金層覆蓋在鎳層之上，如圖1，2所示，最終GaN器件固定安裝在所述的金剛石散熱片3的鍍層之上。
所述的GaN器件封裝用底座結構的制造方法，主要包括以下工藝步驟首先，在SiC/Al底座基體表面鑲嵌金剛石散熱片，其步驟主要包括第一步，配料，按照所要制備的SiC/Al底座基體的組分選取鋁合金錠塊及碳化硅顆粒；第二步，將碳化硅顆料放入模具中形成SiC顆粒堆積體，將金剛石散熱片放置在該堆積體的下表面即底面的設定位置處；第三步，將鋁合金錠塊置于模具中的SiC顆粒堆積體上表面，將上述模具放入有氮氣氛爐的爐中加熱到800℃～950℃的復合溫度，保溫1～5小時，得到鑲嵌有金剛石散熱片的SiC/Al復合底座。
其次，使上述金剛石散熱片的表面金屬化，主要工藝步驟包括第一步，在射頻磁控濺射臺中分別裝入鎳靶和金靶；第二步，將所需濺射的底座擦試、吹干后置于真空室中；可分別采用甲苯、丙酮和無水乙醇棉球擦試，并用氮氣吹干后裝入設備；第三步，將真空室氣壓抽到0.20～0.30Pa；第四步，加200W的射頻功率對鎳靶進行濺射，持續5～10分鐘時間，使鎳層厚度達到1000±100；加120W的射頻功率對金靶進行濺射，持續1～3分鐘時間，使金層厚度達到1000±100。
最后，對由SiC/Al底座基體和鑲嵌了金剛石散熱片的復合底座進行整體電鍍鎳層和金層，以便為下一步器件焊接奠定基礎，電鍍既可采用常規工藝加以實現，也可采用圖3所示的電鍍工藝進行電鍍，詳述如下如圖3所示，先用有機溶劑(航空汽油或甲苯、丙酮)除油，再用中性化學去油。浸蝕(出光)用酸再加HF，注意控制時間小于15秒。因SiC/Al材料為復合材料，如圖4中，黑色區域為SiC顆粒，白色區域為Al，SiC顆粒在酸中幾乎不腐蝕，而Al劇烈腐蝕，因此浸蝕控制不好容易在工件表面造成點狀蝕坑(如圖5)。因為是含有非金屬成分的復合材料，所以預鍍鎳不用電鍍而用化學鍍鎳，并選用中磷低應力鎳配方，厚度不要超過3um，以免鍍層應力太大影響和基體間的結合力.退火在氫氣氣氛中隨爐升降溫，450℃保溫2分鐘，可以很好地消除底鍍層的應力，增強和基體金屬的結合力.因基材中的Al在酸中劇烈腐蝕，因此不能進行酸洗活化，退火出爐后為避免酸洗活化，立即再進行化學鍍鎳(＜5分鐘)，然后直接電鍍低應力鎳、預鍍金、鍍金，退火(450℃)。鍍金溶液為中性檸檬酸鹽體系。
所使用的電鍍配方為化學鍍鎳配方低應力鎳配方硫酸鎳 30-40g/l硫酸鎳 220-260g/l檸檬酸鈉30-40g/l氯化鎳 30-40g/l次亞磷酸鈉 12-16g/l硼酸35-50g/l添加劑F 2g/l硫酸鎂 60-70g/lPH 8-10十二烷基硫酸鈉 0.01g/l溫度70-90 PH 3-4 電流0.6-1A/dm2本發明未涉及部分均與現有技術相同。
權利要求
1.一種GaN器件封裝用底座結構，包括上表面帶有臺階或不帶有臺階的SiC/Al底座基體，其特征是在所述的底座基體表面鑲嵌有金剛石散熱片，其面積與所安裝的GaN器件相匹配，其表面制作有有利于對底座基體和金剛石散熱片復合結構進行整體電鍍的金屬化層。
2.根據權利要求1所述的GaN器件封裝用底座結構，其特征是所述的金剛石散熱片的上表面與底座基體的上表面齊平或略低于底座基體的上表面。
3.根據權利要求1所述的GaN器件封裝用底座結構，其特征是所述的金剛石散熱片的表面的金屬化層由鎳層和金層組成，且鎳層與金剛石表面相接觸，金層覆蓋在鎳層之上。
4.一種制造權利要求1所述的GaN器件封裝用底座結構的方法，其特征是它包括以下工藝步驟(1)在SiC/Al底座基體表面鑲嵌金剛石散熱片；(2)使上述金剛石散熱片的表面金屬化；(3)對底座基體和金剛石散熱片復合結構整體電鍍金屬鎳層和金層。
5.根據權利要求4所述的制造GaN器件封裝用底座結構的方法，其特征是所述的在SiC/Al底座基體表面鑲嵌金剛石散熱片的工藝步驟主要包括第一步，配料，按照所要制備的SiC/Al底座基體的組分選取鋁合金錠塊及碳化硅顆粒；第二步，將碳化硅顆粒放入模具中形成SiC顆粒堆積體，將金剛石散熱片放置在該堆積體的下表面即底面的設定位置處；第三步，將鋁合金錠塊置于模具中的SiC顆粒堆積體上表面，將上述模具放入有氮氣氛爐的爐中加熱到800℃～950℃的復合溫度，保溫1～5小時，得到鑲嵌有金剛石散熱片的SiC/Al底座。
6.根據權利要求4所述的制造GaN器件封裝用底座結構的方法，其特征是所述的使金剛石散熱片表面金屬化的工藝步驟主要包括a)在射頻磁控濺射臺中分別裝入鎳靶和金靶；b)將所需濺射的復合底座擦試、吹干后置于真空室中；c)將真空室氣壓抽到0.20～0.30Pa；d)加200W的射頻功率對鎳靶進行濺射，持續5～10分鐘時間，使鎳層厚度達到1000±100；e)加120W的射頻功率對金靶進行濺射，持續1～3分鐘時間，使金層厚度達到1000±100。
全文摘要
本發明針對目前半導體器體中普遍采用的鎢銅(W/Cu)、鉬銅(Mo/Cu)等封裝合金所存在的散熱性不能滿足要求的現狀，公開了一種利用SiC/Al作為底裝基體同時鑲嵌有金剛石散熱片的新型GaN器件封裝用底座結構及其制造方法，所述的底座結構包括上表面帶有臺階或不帶有臺階的SiC/Al底座基體，在所述的底座基體表面鑲嵌有金剛石散熱片，其面積與所安裝的GaN器件相匹配，其表面制作有有利于對底座基體和金剛石散熱片復合結構進行整體電鍍的金屬化層。所得制品具有輕質、熱耗散能力強的優點，且適用面廣、成本低、制作簡便、適于工業化生產。
文檔編號H01L21/48GK1937212SQ200610096639
公開日2007年3月28日 申請日期2006年10月16日 優先權日2006年10月16日
發明者王子良, 崔巖, 程凱, 楊建 , 張韌, 戴雷 申請人:中國電子科技集團公司第五十五研究所