一种复合应力缓解结构的氮化铝覆铜基板及其制备方法与流程

本发明涉及电子封装材料，特指一种复合应力缓解结构的氮化铝覆铜基板及其制备方法。

背景技术：

1、活性金属钎焊（amb）陶瓷覆铜基板因其优异的导热性、高电流承载能力和良好的绝缘性能，已成为大功率绝缘栅双极型晶体管（igbt）模块等功率电子器件的关键部件。在众多陶瓷材料中，氮化铝（ain）陶瓷具有极高的本征热导率（理论值可达320w/mk），是理想的高功率密度器件散热基板材料。

2、然而，氮化铝陶瓷的推广应用面临一个重大挑战：其与键合铜层之间存在显著的热膨胀系数（cte）失配（ain cte约4.5×10-6/k，cu cte约17×10-6/k）。在功率模块频繁启停导致的剧烈热循环（如-55℃至150℃）过程中，这种失配会在铜-陶瓷界面产生巨大的剪切应力，容易引发界面分层、铜层翘曲甚至陶瓷破裂，导致器件早期失效。相比之下，虽然氮化硅（si3n4）陶瓷的热导率低于ain，但其断裂韧性（6.0-7.0 mpa·m1/2）远高于ain（约3.0mpa·m1/2），因此si3n4 amb基板在热循环可靠性方面表现更佳，这严重制约了高导热的ainamb基板在对可靠性要求极严苛的电动汽车等领域的应用。

3、为了缓解界面应力，现有技术提出了一些方案。例如，在直接覆铜（dbc）或amb基板的铜层边缘制作简单的边缘蚀刻（edge etching）、凹坑（dimple）或凹槽（groove）等结构，意图通过制造一个可控的局部薄弱区来分散应力集中。然而，对于ain这种本身断裂韧性较低的陶瓷，单一的应力缓解结构往往效果有限，无法满足数千次以上严苛热循环的要求。

4、因此，亟待开发一种能显著提升氮化铝覆铜基板热循环可靠性的新结构方案。

技术实现思路

1、本发明旨在克服现有技术的不足，提供一种复合应力缓解结构的氮化铝覆铜基板及其制备方法。该技术方案通过在多处引入应力缓冲机制，显著分散和吸收热循环应力，从而大幅提升基板，特别是以低断裂韧性ain为陶瓷层的amb基板的热可靠性。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种复合应力缓解结构的氮化铝覆铜基板，包括氮化铝陶瓷层和通过活性金属钎焊工艺键合于其至少一个表面的铜层；其创新之处在于，在所述铜层的边缘区域设置有复合应力缓解结构。

4、所述复合应力缓解结构至少包括两个功能区域：

5、边缘蚀刻区：通过蚀刻工艺去除部分铜层厚度所形成的局部减薄区域。该区域在热循环中作为主应力缓冲区域，通过其结构弱化特性，主动将铜层末端最大的应力集中点转移并分散至该蚀刻区域。

6、凸起结构区：采用光阻印刷及es（蚀刻/剥离），将部分铜层完全去除直至露出下层金属钎焊层，利用钎焊层材料原位形成凸起结构区。该区域在热循环中作为次级应力缓冲与能量耗散区域，其作用类似于一个微型的“塑性铰链”或“弹簧”，通过自身的弹塑性变形，有效吸收和耗散来自界面的变形能量。

7、优选地，所述复合应力缓解结构还可以包括位于铜层边缘区域的凹坑或凹槽结构，以进一步增强应力分散效果。

8、进一步地，为优化应力缓解效果，所述边缘蚀刻区的厚度宜为所述铜层原始厚度的20%至50%，最优选约为30%。其沿铜层边缘方向的长度应不小于铜层的厚度，典型范围为0.3mm至1.0mm, 实际达到 0.5mm 时效果可实现最大化。

9、本发明还提供一种功率模块，其包含上述任一项所述的复合应力缓解结构的氮化铝覆铜基板。

10、此外，本发明提供上述基板的制备方法，包括以下步骤：

11、s1、提供氮化铝陶瓷基板和铜箔；

12、s2、第一次活性金属钎焊：将活性金属钎料置于所述氮化铝陶瓷基板与所述铜箔之间，进行活性金属钎焊，使所述铜箔整体键合于所述氮化铝陶瓷基板上，形成覆铜基板前体；

13、s3、边缘蚀刻：在步骤s2所得的覆铜基板前体上，于所述铜层的边缘区域通过蚀刻工艺去除部分铜层厚度，形成边缘蚀刻区；

14、s4、光阻印刷及es形成凸起结构区：在步骤s3处理后的基板的所述边缘蚀刻区及铜层末端区域，通过光阻印刷形成图形化光阻层，再进行es（蚀刻/剥离），将未被光阻层保护的铜层完全去除直至露出下层活性金属钎焊层，利用钎焊层材料原位形成凸起结构区，从而获得具有复合应力缓解结构的氮化铝覆铜基板。

15、进一步地，步骤s4中，光阻印刷及es形成凸起结构区包括以下步骤：

16、s41. 光阻印刷：在所述边缘蚀刻区及铜层末端区域通过光阻印刷形成图形化光阻层，定义出预留凸起结构的图形区域，所述图形区域被光阻层覆盖，其余区域铜层暴露；

17、s42. 蚀刻：对步骤s41处理后的基板进行蚀刻，将所述图形区域外的铜层完全去除，直至暴露出下层的活性金属钎焊层；

18、s43. 剥离：去除剩余的光阻层，此时，被所述图形区域保护的铜层部分保留，其边缘与露出的活性金属钎焊层共同构成所述凸起结构区。

19、由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

20、1、显著的可靠性提升：通过“边缘蚀刻区”与“凸起结构区”的协同作用，构建了多级、复合的应力缓冲与能量耗散机制。实验表明，相较于无应力缓解结构的常规ain amb基板，本发明基板在-55℃至150℃的热循环条件下的寿命可提升10倍以上，从约60-100次循环即失效延长至800-1000次循环以上。

21、2、针对性解决行业痛点：本发明尤其适用于氮化铝这类高导热但低断裂韧性的陶瓷材料，有效弥补了其机械性能上的短板，使得ain amb基板能够满足电动汽车等超高可靠性应用场景的要求，拓展了其市场应用空间。

22、3、工艺创新，形貌可控：采用“一次键合、两次蚀刻”的创新工艺，通过纯减法加工，使凸起结构与基体一体成型，界面结合强度高、无热应力引入，工艺精准可控。

1.一种复合应力缓解结构的氮化铝覆铜基板，包含氮化铝陶瓷层和通过活性金属钎焊工艺键合于其至少一个表面的铜层，其特征在于，在所述铜层的边缘区域设置有复合应力缓解结构；所述复合应力缓解结构至少包括：

2.根据权利要求1所述的复合应力缓解结构的氮化铝覆铜基板，其特征在于：所述边缘蚀刻区被配置为在热循环中作为主应力缓冲区域，所述凸起结构区被配置为作为次级应力缓冲与能量耗散区域，二者协同作用以分散和吸收界面应力。

3.根据权利要求1所述的复合应力缓解结构的氮化铝覆铜基板，其特征在于：所述复合应力缓解结构还包括位于铜层边缘区域的凹坑或凹槽结构。

4.根据权利要求1所述的复合应力缓解结构的氮化铝覆铜基板，其特征在于：所述边缘蚀刻区的厚度为所述铜层原始厚度的20%至50%。

5.根据权利要求4所述的复合应力缓解结构的氮化铝覆铜基板，其特征在于：所述边缘蚀刻区的厚度为所述铜层原始厚度的30%左右。

6.根据权利要求1所述的复合应力缓解结构的氮化铝覆铜基板，其特征在于：所述边缘蚀刻区沿所述铜层边缘方向的长度不小于所述铜层的厚度。

7.根据权利要求6所述的复合应力缓解结构的氮化铝覆铜基板，其特征在于：所述边缘蚀刻区的长度为0.3mm至1.0mm。

8.一种功率模块，其特征在于，包括如权利要求1至8中任一项所述的复合应力缓解结构的氮化铝覆铜基板。

9.根据权利要求1所述的复合应力缓解结构的氮化铝覆铜基板的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

10.根据权利要求1所述的复合应力缓解结构的氮化铝覆铜基板的制备方法，其特征在于：步骤s4中，光阻印刷及es形成凸起结构区包括以下步骤：