一种氮化铝基板及其制备方法

1.本技术涉及半导体的散热技术领域，具体而言，涉及一种氮化铝基板及其制备方法。

背景技术：

2.光模块是进行光电和电光转换的光电子器件。光模块的发送端把电信号转换为光信号，接收端把光信号转换为电信号。光模块应用于数据通信领域，发展至今，光纤已取代电通信成为全球最重要的有线通信方式。
3.由于大数据、区块链、云计算、物联网、人工智能、5g的兴起，使得数据流量迅猛增长，数据流量的增加对光模块的传输速率提出了更高要求，使得光模块速率由初期的1.25gb/s发展到2.5gb/s，再到10gb/s、40gb/s、100gb/s、单波长100gt/s、400gb/s乃至1t/s。高速率使得光模块中的激光芯片、数据转换芯片等单元的功率增加，产热量也显著增加，因此高速率的光模块对散热也提出了更严格的要求。
4.当前，光模块中最为常用的散热基板是纯铜基板，利用纯铜的高散热特性以维持光模块器件在适当的温度工作区间。但是，在利用纯铜散热基板对光模块器件中的芯片等进行散热时，光模块等器件的寿命和传输性能较低。

技术实现要素：

5.基于上述的不足，本技术提供了一种氮化铝基板及其制备方法，以部分或全部地改善相关技术中半导体器件的散热问题。
6.本技术是这样实现的：
7.在第一方面，本技术的示例提供了一种氮化铝基板的制备方法，包括：
8.获得混合粉体；混合粉体包含氮化铝粉和添加剂，添加剂含有金属钼粉；金属钼粉与氮化铝粉的体积之比的比值为3-8％。
9.成型步骤：将混合粉体进行预压，获得生坯；在惰性气氛下，对生坯进行烧结。
10.在上述实现过程中，向氮化铝粉中加入3-8％vol的mo形成混合粉体，并对混合粉体进行预压后再惰性气氛下对生坯进行烧结，可以获得氮化铝基板。由于向氮化铝粉中加入有3-8％vol的mo，因此可以在保证烧结后获得的氮化铝基板的散热性能的前提下，使氮化铝基板的热膨胀系数降低，以便于利用氮化铝基板对器件中的硅芯片等进行散热，并减小氮化铝基板与硅芯片等之间的热应力，提高硅芯片及器件的耐用性和传输性能。
11.结合第一方面，在第一方面的第一种可能的实施方式中，制备方法还包括金属化步骤：
12.在成型步骤中烧结获得的氮化铝陶瓷片的表面，沉积形成活性金属层；再在活性金属层的表面电镀铜层；
13.可选的，活性金属层中的活性金属为ni、nicr、ti和tiw中的一种。
14.在上述实现过程中，在氮化铝基板的表面电镀铜层，铜层具有良好的导电性，可以
8％；氮化铝陶瓷板的热膨胀系数不高于3.4ppm/℃，热传导系数大于150w/mk；
31.可选的，氮化铝陶瓷板的化学成分含有与氮化铝的体积之比的比值为5％-6％的mo、0.4％-0.6％的cao和0.2％-0.6％的sio2。
32.在上述实现过程中，氮化铝陶瓷板的化学成分含有3-8vol％的金属钼，可以在保证氮化铝陶瓷板的热传到系数大于150w/mk的同时，使氮化铝陶瓷板的热膨胀系数不高于3.4ppm/℃，以便于利用氮化铝陶瓷基板对芯片等进行散热。在利用本示例提供的氮化铝基板进行散热时，还能减少氮化铝陶瓷基板与芯片等之间的热应力，提高芯片等的使用寿命和性能。
33.结合第三方面，在本第三方面的第一种可能的实施方式中，氮化铝基板还包括叠层设置于所述氮化铝陶瓷板表面的活性金属层和铜层；
34.可选的，活性金属层的中的活性金属为ni、nicr、ti和tiw中的一种。
35.在上述实现过程中，在氮化铝陶瓷板的表面设置叠层设置的活性金属层内和铜层，铜层具有一定的导电性，在氮化铝陶瓷基板应用于器件进行散热时，便于器件的电力路线设置，利用活性金属层可以避免铜层与氮化铝陶瓷板直接接触，提高氮化铝陶瓷基板的结构稳定性和适用性。
附图说明
36.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
37.图1为本技术示例提供的氮化铝陶瓷基板的制备工艺流程图；
38.图2为本技术示例提供的氮化铝陶瓷基板的结构示意图；
39.图3为本技术实施例1-4提供的氮化铝陶瓷基板的热膨胀系数测试曲线图；
40.图4为本技术实施例5-7以及对比例1和2提供的陶瓷基板的热导率测试曲线图。
41.图标：1-氮化铝陶瓷层；2-金属薄膜层；3-镀铜层。
具体实施方式
42.下面将结合实施例对本技术的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本技术，而不应视为限制本技术的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
43.以下针对本技术示例提供的氮化铝基板及其制备方法进行具体说明：
44.光模块是进行光电和电光转换的光电子器件。光模块的发送端把电信号转换为光信号，接收端把光信号转换为电信号。光模块应用于数据通信领域，发展至今，光纤已取代电通信成为全球最重要的有线通信方式。随着光模块的速率的增高，光模块的产热量也显著增加，因此高速率的光模块对散热也提出了更严格的要求。
45.当前光模块中最为常用的散热基板是纯铜基板，利用纯铜的高散热特性以维持光模块器件在适当的温度工作区间。
46.但是，发明人发现，利用纯铜基板对光模块进行散热，会影响光模块的使用寿命和传输性能。
47.发明人认为，铜的热膨胀系数较大，常见的铜例如有：康铜，热膨胀系数为15.2ppm/℃；青铜，热膨胀系数为17.5ppm/℃；黄铜，热膨胀系数为19ppm/℃。光模块中的各种芯片以及激光发射组件位于铜散热基板上，当芯片工作发热时，铜基板吸收热量会发生膨胀，至少会导致以下量方面的问题：
48.(1)、铜和芯片的热膨胀系数差异较大，易造成较大热应力，影响光模块寿命。芯片大多基于硅，si的热膨胀系数为2.5ppm/℃，铜在受热膨胀时会对芯片产生拉应力，影响芯片与基板的结合，长期较大热应力作用下也会影响光模块的寿命。
49.(2)、铜基板上方集成制备了芯片及激光发射模块，受激光传播特性的影响，为保障传输距离和传输速率特性，激光的发射角度要求非常精确，仅允许在极小的范围内变化。然而，一旦底部的铜基板发生热膨胀，会导致激光发射角度发生偏移，从而影响光模块的传输性能。
50.发明人认为，理想的散热基板应该本身具有高的热传导系数，且与芯片的热膨胀系数相近，以降低基板与芯片之间的热应力，以及减少热应变导致的激光角度的变化。
51.发明人发现，氮化铝陶瓷具有较高的热传导系数(热传导系数为150-200w/mk)，与铜基板相比，氮化铝陶瓷还具有较低的热膨胀系数。但是，目前氮化铝陶瓷基板的制备成本较高，并且常规的氮化铝陶瓷基板的热膨胀系数大概为4-4.5ppm/℃，与硅的热膨胀系数仍然具有一定差距，应用现有的氮化铝陶瓷散热基板，会对光模块的使用寿命和传输性能产生一定影响。
52.基于此，发明人提供了一种氮化铝基板，氮化铝基板包括氮化铝陶瓷板；氮化铝陶瓷板的化学成分含有金属钼和氮化铝；金属钼的体积含量为3-8％；氮化铝陶瓷板的热膨胀系数不高于3.4ppm/℃，热传导系数大于150w/mk。
53.进一步的，氮化铝陶瓷板的化学成分还含有氧化物烧结助剂。氧化物烧结助剂和金属mo形成添加剂。添加剂中，金属mo的质量含量不低于80％，能够进一步的提高氮化铝陶瓷板的导热性。
54.示例性的，氧化物烧结助剂为cao和/或sio2。
55.进一步的，氮化铝基板还包括叠层设置于氮化铝陶瓷板表面的活性金属层和铜层。
56.氮化铝陶瓷板的上下表面形成一层具有良好的导电率的铜层。可以利用铜层，与所需要散热的芯片的电力线进行匹配。并且，在铜层和氮化铝陶瓷板之间设置一层活性金属层，可以增强铜层在氮化铝陶瓷基板处的结合稳定性。
57.示例性的，活性金属层的中的活性金属为ni、nicr、ti和tiw中的一种。
58.进一步的，发明人提供了一种氮化铝陶瓷基板的制备方法，在保证氮化铝陶瓷满足散热性能的同时，降低氮化铝陶瓷的热膨胀性以及制备成本。
59.请参阅图1，氮化铝陶瓷基板的制备方法包括：
60.s1、获得混合粉体：
61.获得包含氮化铝粉和添加剂的混合粉体。添加剂含有mo；混合粉体中，mo与氮化铝粉的体积之比的比值为3-8％。
62.向氮化铝粉体中加入3-8vol％的mo，以便于后续对含有金属钼粉和氮化铝粉的混合粉体，进行烧结后获得热膨胀系数低的氮化铝陶瓷板。
63.示例性的，mo与氮化铝粉的体积之比的比值为3％、4％、6％、7％和8％中的一者或任意两者之间的范围。
64.进一步的，mo与氮化铝粉的体积之比的比值为5％-6％。
65.进一步的，添加剂还包括氧化物烧结助剂。添加剂中，mo的质量含量不低于80％。添加氧化物烧结助剂可以降低氮化铝陶瓷的烧结温度，以及提高氮化铝陶瓷的导热性。
66.示例性的，氧化物烧结助剂为cao和sio2中的一者或两者。
67.示例性的，添加剂为mo和sio2。
68.示例性的，添加剂为mo和cao。
69.示例性的，添加剂为mo、cao和sio2。
70.进一步的，本技术不限制获得如何获得包含氮化铝粉和添加剂的混合粉体。在一些可能的实施方式中，本技术的示例还提供一种混合粉体的制备方法，包括：
71.利用去离子水作为湿磨介质，将氮化铝粉末和添加剂的混合物，以100-200r/min的转速湿磨2-3h，烘干。
72.与干磨相比，本示例以去离子水作为湿磨介质，对氮化铝粉末和添加剂的混合物以100-200r/min的转速湿磨2-3h，可以使氮化铝粉末和添加剂分散更加均匀，以进一步降低后续烧结获得的氮化铝陶瓷片的热膨胀系数。
73.示例性的，湿磨的转速包括但不限于为100r/min、110r/min、150r/min、170r/min和200r/min中的一种或任意两者之间的范围。
74.并且，与乙醇等湿磨介质相比，本示例以去离子水作为湿磨介质，可以避免引入新的杂质，影响氮化铝陶瓷片的热膨胀系数和散热性。
75.进一步的，取出湿磨混合后的粉体，进行烘干。
76.示例性的，将湿磨混合后的粉体置入烘箱中，在110℃下烘干24h，去除湿磨介质。
77.进一步的，为了提高氮化铝陶瓷基板的散热均匀性和热膨胀均匀性，在一些可能的实施方式中，对湿磨混合均匀后的粉体过筛，选取粒径位于2-80μm的粉体作为后续成型步骤的混合粉体。
78.s2、成型步骤：
79.将s1获得的混合粉体进行预压，获得生坯；在惰性气氛下，对生坯进行烧结。
80.对混合粉体进行预压，可以获得预定形状的生坯，以便于后续烧结处理后，获得预定形状的氮化铝陶瓷板。
81.本技术不限制预压的具体条件，相关人员可以根据需要进行相应的调整。
82.示例性的，可以将混合粉体放入圆柱形或多边棱柱形的预压模具内，以获得圆柱形或多边棱柱形的生坯。
83.示例性的，可以利用热压机对装有混合粉体的模具进行预压，预压的压力可以为20-50mpa，压制10min。
84.或者，可以利用冷等静压机进行预压。
85.在惰性气氛下，对生坯进行烧结，可以获得相对致密的氮化铝陶瓷板。
86.本技术不限制具体的烧结工艺，相关人员可以根据需要进行相应的调整。
87.在一些可能的实施方式中，可以在惰性气氛下进行常压烧结。
88.发明人认为，烧结获得的氮化铝陶瓷板的致密度会影响氮化铝陶瓷板的导热性能。但是，发明人发现，如果进行常压烧结，为了获得适宜致密度的氮化铝陶瓷板，需要在较高的温度下进行长时间烧结。
89.例如，进行无压烧结时，烧结温度通常为1900℃或2000℃，烧结10h以上。
90.在一些可能的实施方式中，可以通过热压烧结、振荡热压烧结、放电等离子烧结或微波辅助烧结等烧结方式对生坯进行烧结。
91.示例性的，可以通过热压烧结，在1750-1850℃、压力不低于25mpa的条件下，烧结3-4h。
92.示例性的，可以以10℃/min的升温速率升温至1750℃，保温3h，并在升温至1400℃时，开始以1mpa/min的加压速率施加35mpa的压力，保压。烧结完成后，降温和卸压的速率可以分别与升温和加压的速率相同。
93.进一步的，可以在氮气气氛下，对生坯进行热压烧结。
94.在氮气气氛下对生坯进行烧结，氮气中的氮元素可以补偿生坯在高温烧结过程中烧损的氮元素，提高烧结获得的氮化铝陶瓷板的质量。
95.或者，可以采用其它惰性气氛，例如工业上常用的氦气或氩气等。
96.进一步的，为了便于氮化铝基板在光模块等领域的适用性，可以在烧结获得的氮化铝陶瓷板的上下表面进行图形化。
97.在一种可能的实施方式中，可以在烧结获得的氮化铝陶瓷板的上下表面沉积一层具有良好的导电率的铜层。可以利用铜层，与所需要散热的芯片的电力线进行匹配。
98.但是，发明人发现，直接在氮化铝陶瓷板的表面沉积一层铜层，铜层与氮化铝陶瓷板之间的结合力较差，影响氮化铝基板的散热性和相应器件的传输性能。
99.基于此，发明人进一步提供了一种对氮化铝陶瓷板进行金属化的方法，包括：
100.在成型步骤中烧结获得的氮化铝陶瓷板的表面，沉积形成活性金属层；再在活性金属层的表面电镀铜层。
101.在铜层和氮化铝陶瓷板之间先沉积一层活性金属层，可以避免铜层与氮化铝陶瓷板直接接触，改善铜层在氮化铝基板处的结合强度。
102.进一步的，活性金属层中的活性金属为ni、nicr、ti、tiw中的一种。
103.示例性的，可以通过等离子蒸镀或磁控溅射的方法，在氮化铝陶瓷板的表面沉积活性金属层。
104.金属化以后的氮化铝基板的结构示意图如图2所示。图2中，在氮化铝陶瓷层1的上下表面均沉积一层金属薄膜层2，再在每个金属薄膜层2的表面形成一层镀铜层3。
105.进一步的，可以对金属化后的氮化铝基板进行激光切割，以适应不同芯片及器件对散热基板形状的要求。
106.以下结合实施例对本技术提供的作进一步的详细描述。
107.实施例1
108.实施例1提供一种氮化铝基板，包括氮化铝陶瓷板。氮化铝陶瓷板通过下述方法制备获得：
109.(1)、准备添加剂与氮化铝粉末：氮化铝粉末的粒径为20-80μm。添加剂为mo金属粉
末和sio2。mo金属粉末的纯度99.99％，粒径为2～3μm。mo金属粉末与氮化铝粉末的体积之比的比值为4％，sio2与氮化铝粉末的体积之比的比值为0.6％。
110.(2)、混合添加剂与氮化铝粉末：利用球磨机将步骤(1)获得的原料粉末进行混合，混合条件为：将原料粉末装入球磨罐，采用超纯水(去离子水，电阻率＞18mω)做湿磨介质，混合3h，转速为200r/min。
111.(3)、干燥：将湿磨混合均匀后的粉末放入托盘中，在110℃烘箱中烘干24h。烘干后，过筛选取粒径位为2-80um的粉体作为可使用的粉体。
112.(4)、预压成型：将步骤(3)选取的粉体装入石墨模具，并将石墨模具置于热压炉内的热压机中，以20mpa的压力预压10min成型，得到柱状的生坯。
113.(5)、热压烧结：生坯保留在石墨模具中原位不动，在热压机中开始烧结，其中热压炉以10℃/min升温到1750℃。其中，在炉温升温到1400℃时，开始以1mpa/min的速度施加压力，经过35min后，炉温升温到1750℃，压力增加到35mpa，进行保温保压3h。保温3h后，以1mpa/min的卸压速度卸压，同时以10℃/min的降温速度降温至室温。
114.实施例2
115.实施例2提供一种氮化铝基板，包括氮化铝陶瓷板。氮化铝陶瓷板的制备方法与实施例1的区别在于：
116.步骤(1)中，添加剂为mo金属粉末和cao。mo金属粉末与氮化铝粉末的体积之比的比值为4％，cao与氮化铝粉末的体积之比的比值为0.6％。
117.实施例3
118.实施例3提供一种氮化铝基板，包括氮化铝陶瓷板。氮化铝陶瓷板的制备方法与实施例1的区别在于：
119.步骤(1)中，添加剂为mo金属粉末、sio2和cao。mo金属粉末与氮化铝粉末的体积之比的比值为4％，sio2与氮化铝粉末的体积之比的比值为0.2％，cao与氮化铝粉末的体积之比的比值为0.4％。
120.实施例4
121.实施例4提供一种氮化铝基板，包括氮化铝陶瓷板。氮化铝陶瓷板的制备方法与实施例3的区别在于：
122.步骤(1)中，mo金属粉末与氮化铝粉末的体积之比的比值为6％，sio2与氮化铝粉末的体积之比的比值为0.3％，cao与氮化铝粉末的体积之比的比值为0.6％。
123.实施例5
124.实施例5提供一种氮化铝基板，包括氮化铝陶瓷板。氮化铝陶瓷板的制备方法与实施例1的区别在于：
125.步骤(1)中，添加剂为mo金属粉末。mo金属粉末与氮化铝粉末的体积之比的比值为3％。
126.实施例6
127.实施例6提供一种氮化铝基板，包括氮化铝陶瓷板。氮化铝陶瓷板的制备方法与实施例5的区别在于：
128.步骤(1)中，添加剂为mo金属粉末。mo金属粉末与氮化铝粉末的体积之比的比值为5％。
129.实施例7
130.实施例7提供一种氮化铝基板，包括氮化铝陶瓷板。氮化铝陶瓷板的制备方法与实施例5的区别在于：
131.步骤(1)中，添加剂为mo金属粉末。mo金属粉末与氮化铝粉末的体积之比的比值为7％。
132.对比例1
133.对比例1提供一种氮化铝基板，包括氮化铝陶瓷板。氮化铝陶瓷板的制备方法与实施例5的区别在于：
134.步骤(1)中，添加剂为mo金属粉末。mo金属粉末与氮化铝粉末的体积之比的比值为1％。
135.对比例2
136.对比例2提供一种氮化铝基板，包括氮化铝陶瓷板。氮化铝陶瓷板的制备方法与实施例5的区别在于：
137.步骤(1)中，添加剂为mo金属粉末。mo金属粉末与氮化铝粉末的体积之比的比值为9％。
138.试验例1
139.将实施例1-4的获得的氮化铝陶瓷板切割成6mm
×
6mm
×
3mm的长方体。测试其热传导性能，采用单杆垂直热膨胀仪测试其热膨胀系数，热膨胀系数的测试温度为25-100℃。测试数据如表1所示。图3为热膨胀测试曲线图。
140.表1
[0141][0142]
结果分析：实施例1-4获得的氮化铝陶瓷板的密度大于3.2，热传导系数为171-187w/mk、热膨胀系数为2.727-3.13ppm/℃。实施例1-4获得的氮化铝陶瓷板在具有较高的导热性的同时，还具有较低的热膨胀系数。
[0143]
试验例2
[0144]
将实施例5-7以及对比例1-2的获得的氮化铝陶瓷板切割成6mm
×
6mm
×
3mm的长方体。测试其热传导性能和热膨胀系数，测试数据如表2所示。热膨胀系数的测试温度为25-100℃。图4为热传导性能的拟合曲线图。
[0145]
表2
[0146][0147]
结果分析：在制备氮化铝陶瓷板时，金属mo粉与氮化铝粉的体积之比的比值为3-8％，能够提高烧结获得的氮化铝陶瓷板的导热性，和降低热膨胀性。在氮化铝粉中添加过量的金属mo，会降低烧结获得的氮化铝陶瓷板的导热性，以及增大热膨胀系数。
[0148]
以上所述仅为本技术的优选实施例而已，并不用于限制本技术，对于本领域的技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。

技术特征：

1.一种氮化铝基板的制备方法，其特征在于，包括：获得混合粉体；所述混合粉体包含氮化铝粉和添加剂；所述添加剂含有金属钼粉；所述金属钼粉与所述氮化铝粉的体积之比的比值为3-8％；以及成型步骤：将所述混合粉体进行预压，获得生坯；在惰性气氛下，对所述生坯进行烧结。2.根据权利要求1所述的氮化铝基板的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括金属化步骤：在所述成型步骤中烧结获得的氮化铝陶瓷片的表面，沉积形成活性金属层；再在所述活性金属层的表面电镀铜层；可选的，所述活性金属层中的活性金属为ni、nicr、ti和tiw中的一种。3.根据权利要求1所述的氮化铝基板的制备方法，其特征在于，所述成型步骤中，在惰性气氛下，对所述生坯进行热压烧结；热压烧结的温度为1750-1850℃，压力不低于25mpa；可选的，热压烧结的温度为1750℃，压力为40mpa。4.根据权利要求1所述的氮化铝基板的制备方法，其特征在于，在所述成型步骤中，在氮气气氛下，对所述生坯进行烧结。5.根据权利要求1所述的氮化铝基板的制备方法，其特征在于，所述添加剂含有所述金属钼粉和氧化物烧结助剂；所述添加剂中，所述金属钼粉的质量含量不低于80％；可选的，所述氧化物烧结助剂为cao和/或sio2；可选的，所述混合粉体包括与所述氮化铝粉的体积之比的比值为5％-6％的mo、0.4％-0.6％的cao和0.2％-0.6％的sio2。6.根据权利要求1所述的氮化铝基板的制备方法，其特征在于，所述混合粉体的制备方法包括：利用去离子水作为湿磨介质，将所述氮化铝粉和所述添加剂的混合物，以100-200r/min的转速湿磨2-3h，烘干。7.根据权利要求1所述的氮化铝基板的制备方法，其特征在于，所述混合粉体的粒径为2-80μm。8.一种氮化铝基板，其特征在于，根据权利要求1-7任一项所述的氮化铝基板的制备方法制得。9.一种氮化铝基板，其特征在于，所述氮化铝基板包括氮化铝陶瓷板；所述氮化铝陶瓷板的化学成分含有金属钼和氮化铝；所述金属钼与所述氮化铝的体积之比的比值为3-8％；所述氮化铝陶瓷板的热膨胀系数不高于3.4ppm/℃，热传导系数大于150w/mk；可选的，所述氮化铝陶瓷板的化学成分含有与所述氮化铝的体积之比的比值为5％-6％的mo、0.4％-0.6％的cao和0.2％-0.6％的sio2。10.根据权利要求9所述的氮化铝基板，其特征在于，所述氮化铝基板还包括叠层设置于所述氮化铝陶瓷板的表面的活性金属层和铜层；可选的，所述活性金属层的中的活性金属为ni、nicr、ti和tiw中的一种。

技术总结

一种氮化铝基板及其制备方法，属于半导体的散热技术领域。氮化铝基板包括氮化铝陶瓷板，且氮化铝陶瓷板的化学成分含有金属钼和氮化铝，金属钼与氮化铝的体积之比的比值为3-8％。本申请提供的氮化铝陶瓷板具有2.7-3.2ppm/℃的较低的热膨胀系数，和大于150W/mk的较高的热传导系数。利用本申请提供的氮化铝陶瓷基板进行芯片的散热，可以在提高芯片的散热性的同时，还能减小基板与芯片之间的热应力。力。力。