哈工大《JMST》：激光辐照下陶瓷/金属直接键合异质界面的制备！

陶瓷/金属元件是半导体器件微电子封装技术的基石。它已被用于制造封装衬底，广泛用于高功率和高电流密度电子产品。然而，随着现代电力电子技术的快速发展，电子器件的小型化和集成化导致功率密度增加，对基板的热性能和机械可靠性提出了更高的要求。近年来，氮化硅(Si₃N₄)陶瓷因其固有的性能以及高导热性等性能的改善而引起人们的关注，有望作为下一代高功率电子器件衬底材料。在应用中，陶瓷/金属复合基片不仅在电路层和散热器之间提供具有低电阻率和电绝缘的导电路径，而且还提供散热器和芯片之间的热路径。然而，高功率器件引起的电流快速增加导致了陶瓷/金属复合基底界面的热积累。累积的热量将成为芯片向散热器传热的重要热屏障，导致设备失效。因此，研究陶瓷/金属复合基片的制备，特别是异质界面的设计，对于充分发挥高功率器件的优异性能至关重要。

 

哈尔滨工业大学的研究人员提出了一种新的方法，在陶瓷表面激光辐照辅助下，氮化硅陶瓷与Cu直接键合。探讨了脉冲激光辐照氮化硅陶瓷表层的分解过程，并结合陶瓷分解组分的变化探讨了其键合机理。相关论文以题为“Fabrication of Si₃N₄/Cu direct-bonded heterogeneous interface assisted by laser irradiation”发表在Journal of Materials Science & Technology。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.jmst.2021.05.032

本研究采用5%Al₂O₃和3% Y₂O₃烧结助剂的气压烧结氮化硅陶瓷基板，该方法简单地将激光聚焦在陶瓷表面，然后在真空室下将经过处理的陶瓷表面热压到金属上。采用激光诱导工艺，在高能脉冲激光辐照下实现陶瓷表面改性。由Nd:YAG激光系统(λ=1.064 μm)产生的激光束经过平凸透镜聚焦后照射到试样表面。

 

图1 氮化硅激光辐照及其与铜键合的原理图

 

研究发现激光束聚焦在氮化硅陶瓷表面，诱导陶瓷的分解，在基片上形成一层由α-氮化硅纳米晶堆叠而成的硅微晶层，在激光照射的表面上硅液凝固形成了硅微晶层。激光照射的硅层(fcc结构)和氮化硅衬底(hcp结构)之间有一个很强的hcp/fcc相干界面，硅微晶和陶瓷衬底与[001]_fcc-Si║[0001]_hcp-Si3N4和(220)_fcc-Si║(100)_hcp-Si3N4取向关系有共格界面，这是通过剪切和shuffle型位错滑移的耦合效应实现的。

 

图2 激光辐照前后氮化硅衬底的SEM图

 

图3 氮化硅样品TEM图

 

图4 (a) 805℃/30min/2MPa，(C) 850℃/30min/2MPa，(e) 900℃/30min/5MPa原始Si₃N₄/Cu结合界面和(b) 805℃/30min/2MPa，(d) 850℃/30min/2MPa，(f) 900℃/30min/5MPa的辐照后界面

 

图5 激光辐照后Si₃N₄/Cu键合界面的TEM图

 

本文提出了一种新的方法来制作直接连接陶瓷/金属异质界面。一个没有缺陷的焊接界面由稳定阶段的η′′-Cu₃Si和ε-Cu₁₅Si₄反应得到，激光温度805℃。本文结果证实，在激光的帮助下，氮化硅陶瓷和铜之间能够形成一个强大和稳定的键合界面，在制备高功率器件用的氮化硅/铜复合衬底方面具有潜在的应用前景。本研究为控制金属与陶瓷(如AlN/Cu和Si₃N₄/Al)之间的界面化学提供了一种新的方法，并将对陶瓷/金属异质界面的先进技术的重要应用具有指导意义。（文：破风）