AlN薄膜覆Al基板的物理特性.pdf

第26卷 第10期 电子元件与材料 Vol 26 No 10 2007 年 10 月 ELECTRONIC COMPONENTS AND MATERIALS Oct 2007 AlN 薄膜覆 Al 基板的物理特性 李华平 1 2 3 柴广跃3 彭文达3 刘 文3 牛憨笨3 1 中国科学院 西安光学精密机械研究所 陕西 西安 710068 2 中国科学院 研究生院 北京 100864 3 深圳大学 光电子学研究所 广东 深圳 518060 摘要 利用磁控溅射系统在 6061 铝材上制备了 3 m 的 AlN 薄膜 XRD 椭偏测试及耐压测试结果表明 AlN 膜 为具有良好取向的多晶薄膜 击穿电压高达 100 V m 利用自动划痕仪对 AlN 膜进行剥离实验 临界载荷为 6 N 左右 AlN 和铝基体间的结合主要是物理吸附和机械锚合 用有限元方法对基于 AlN 膜 Al 热沉的 LED 发光二极管 封装 结构的散热性能进行了分析 模型的内通道热阻约 2 K W 关键词 无机非金属材料 AlN 薄膜 LED 封装 有限元法 中图分类号 TB43 文献标识码 A 文章编号 1001 2028 2007 10 0054 03 Physical properties of AlN Al packaging substrate LI Hua ping1 2 3 CHAI Guang yue3 PENG Wen da3 LIU Wen3 NIU Han ben3 1 Xi an Institute of Optics and Precision Mechanics Chinese Academy of Sciences Xi an 710068 China 2 Graduate School of the Chinese Academy of Sciences Beijing 100864 China 3 Institute of Optoelectronics Shenzhen University Shenzhen 518060 Guangdong Province China Abstract AlN films with thickness of approximately 3 m were deposited by magnetron sputtering system on 6061 Al substrates Preferential orientation polycrystalline AlN films were discriminated by XRD and spectroscopic ellipsometry Potential resistance testing show that breakdown voltage of the AlN film is 100 V m The coating substrate interfacial was investigated by a scratch tester and the critical load is 6 N Reasons of strong adhesion was presented by SEM The package model of LED was analyzed by FEM results show the internal thermal resistance is 2 K W Key words non metallic inorganic materials AlN thin film LED package FEM 在大功率 LED 散热通道中 金属芯线路板 metal core printed circuit boards MCPCB 是连接内外散热通 路关键环节 兼有散热通道 电气连接和物理支撑的 功能 大功率 LED 基板的电绝缘材料必须具有高稳定 性 高热导率 与芯片相近的热膨胀系数以及平整度 和较高的强度 1 铝是廉价的轻质散热材料 AlN 的击穿场强很高 120 150 V m 文献 2 表明薄层介质具有更高的 击穿场强 采用 AlN Al 散热结构可减少封装工序从而 降低成本 特别适用于一些对紧凑性和平面化有特殊 要求的场合 笔者用磁控溅射系统在 6061 合金铝上沉 积 AlN 薄膜 重点对膜的击穿电压 结晶形态和附着 性进行了测试 并对基于此种热沉的多芯片 LED 封装 的散热性能进行模拟和分析 1 实验 基材为6061 铝合金 厚 1 5 mm 先用细砂纸打磨 机械粗磨 然后用氧化铈 420 目 25 m 抛光 用丙酮 超声清洗 最后用去离子水冲洗干净 干燥氮气吹干 AlN 薄膜的制备采用中国科学院沈阳科学仪器厂 JGP800 型超高真空多功能磁控溅射镀膜设备 溅射靶 为高纯 Al 靶 高纯 Ar 和 N2分别作溅射气体和反应 气体 为得到含氧低的 AlN Ar 气氛下预溅射 Al 靶 10 min 然后充入 N2再混气溅射 Al 靶 5 min 主要通 过调整分压比和溅射功率来优化膜层的各种性能 调 整制备时间来获得不同厚度的 AlN 薄膜 采用 Philips 公司 X pert MPD X 射线衍射仪分析 薄膜结晶状态 Oxford JEOL JSM 5910 LV 型扫描电 收稿日期 2007 05 21 通讯作者 彭文达 作者简介 李华平 1978 男 湖北公安人 博士研究生 主要从事光电子器件和封装技术研究 TelE mail sblihp 彭文达 1948 男 江西吉安人 研究员 主要从事电子器件等研究 Tel 0755 26538592 E mail pwd 研研 究 与 试究 与 试 制制 第26卷 第 10 期 55 李华平等 AlN 薄膜覆 Al 基板的物理特性研究 子显微镜附带的电子能谱 EDS 系统对薄膜的元素 种类和粒子数分数进行定量分析 AlN 膜的厚度采用 牛津膜厚测试仪 CMI200 测试 美国 J A Woollam 公 司的 M 2000Uxe 椭圆偏振仪测量薄膜的折射率 吸 收系数曲线和薄膜厚度 击穿场强采用江苏扬中电子 仪器厂半导体管特性图示仪 YB4810A 测试 大载 荷划痕仪 CSM Revetest 测试 AlN 膜的结合力 2 结果与讨论 2 1 试样的组分和结构分析 图1为试样的XRD谱 从图1可以看到 2 33 2 为六方纤锌矿结构 AlN 的 100 衍射峰 其半峰宽 0 37 依据谢乐公式计算得到AlN晶粒度大约25 nm 图 1 AlN Al 试样的 XRD 谱 Fig 1 XRD spectrum of the AlN Al sample 牛津膜厚仪 CMI200 多点测试 AlN 膜的厚度 膜 厚 3 0 5 m 仪器误差为 0 1 m 椭圆偏振仪模拟 膜厚的结果与之吻合 椭偏模拟时考虑 Al 基板表面自 然氧化的影响 在建立模型时在 Al 基板上设立一层 Al2O3 采用 空气 AlN Al2O3 Al 四相结构对实验数 据进行拟合 模拟结果显示 表面 Al2O3的厚度为 3 1 nm 文献 3 指出 AlN 薄膜 632 8 nm 的折射率与其 薄膜的生长结构有关 一般无定形膜为 1 8 1 9 多晶 膜为 1 9 2 1 样品 AlN 膜折射率与波长的关系如图 2 所示 其折射率为 1 93 结合 XRD 测试结果可以说明 笔者所得到的 AlN 薄膜为 100 取向的多晶 AlN 薄膜 图 2 椭偏仪模拟的折射率 波长关系 Fig 2 Relationship between refractive index and 2 2 膜层的绝缘性 试样的击穿场强可以达到 100 V m 膜厚 2 5 m 膜层中非化学计量比的铝 未与 N 或 O 结合的 铝元素 可能会在绝缘膜中形成导电通道 使 AlN 膜 的击穿特性变坏 实验通过比较不同试样的击穿场强 和 EDS 测试的结果 探索反应功率 靶基距 分压比 和供气量对膜层中的元素含量与击穿场强的影响 寻 求提高击穿场强的途径 图3为典型的EDS测试结果 图 3 典型试样的能谱分析数据 Fig 3 Typical EDS data of the sample 实验表明 可以比较稳定地控制 AlN 膜中非化学 计量比的铝含量 实验观察发现 元素化学计量比稍 微相对的偏移会使试样颜色加深 这给随后膜的附着 力测试时的显微观察带来了方便 2 3 膜层附着性测试 为了便于观察 显微测试选取了颜色加深的试样 对于硬膜软基结构 基体的变形以塑性为主 薄膜在 基体大变形时会发生脆断 4 观察声发射 AE Acoustic Emission 信号的相对强度 IAE 特别是 摩擦系数的变化 在相应的加载位置观察 显微照片 有明显变化 图 4 为试样的摩擦力 Fr和声发射信号IAE 随正压力 Fn变化的曲线图 图 5 是在薄膜刚开始剥离 和薄膜几乎完全剥离时的光学显微镜照片 两个载荷 值分别为 6 3 N 第一临界载荷 和 9 5 N 图 4 试样的摩擦力 Fr和声发射信号 IAE随正压力 Fn的变化曲线 Fig 4 Curves of Fn vs Fr and IAE 左 裂纹开始产生 右 薄膜完全剥离 图 5 薄膜在两个临界载荷点的显微照片 Fig 5 Micrographs of the thin film at two critical positions respectively 30 32 34 36 38 40 2 Al 111 2 000 1 500 1 000 500 0 I CPS AlN 100 300 400 500 600 700 800 900 nm 2 10 2 05 2 00 1 95 1 90 n 0 2 4 6 8 10 12 14 16 keV w X 元素 N K O K Al K 总计 IAE Fr N 2 6 10 14 18 22 26 30 Fn N 7 6 5 4 3 2 1 0 70 60 50 40 30 20 10 0 IAE Fr N 20 m磨抛后的痕迹 裂纹 薄膜部分剥离后 露出光亮铝表面 56 李华平等 AlN 薄膜覆 Al 基板的物理特性研究 Vol 26 No 10 Oct 2007 从图 4 可以明显发现 在正压力大约在 6 N 到 12 N 的区域 曲线的斜率 与摩擦系数近似 逐渐变化 摩擦系数在此压力区间前后比较 变化非常明显 图 中虚线区间为 6 12 N 是摩擦系数渐进变化的区域 加载还没到薄膜剥离的位置 而仅仅在金刚石压头 半 径 200 m 压破薄膜产生脆断裂纹 宽度尺寸在 1 m 以下 薄膜自身发生断裂时所释放的能量就会引起声 发射 摩擦力变大却是在薄膜脱离基体以后 声发射 信号反映了裂纹产生和扩展的过程 摩擦系数变化更 能反映薄膜剥离的过程 从有关文献报导来看 Si 基体上沉积 200 nm 厚 度 AlN 薄膜 临界载荷为 9 8 N 5 钢表面氮化后沉积 1 mCrN 膜 临界载荷小于 10 N 6 文献 7 指出临界 载荷受很多因素如基体硬度 薄膜厚度 界面结合及 薄膜系统其他力学性能的影响 一般膜厚越大 薄膜 剥离的倾向越大 临界载荷也就越小 AlN 膜与 Al2O3非晶化膜间没有化学反应 可能 有少量 AlON 没有化合键的相互作用 AlN 和铝基 体间的结合主要是物理吸附和机械锚合 有关文献表 明 粗化基板材料的表面 增大膜层与基板之间的实 际结合面积 可以提高膜层与基板之间的结合力 8 通过对 6061 铝材表面粗磨和抛光 使其表面产生一定 数量的锚合位置 使化学镀层与基板之间产生相互机 械锁合 提高了镀层与基体之间的结合力 从图 5 可 以看出 在铝材表面有很多杂乱的宽 4 m 左右为主 的沟槽 少数可能深至 0 5 m 和大量凹凸表面 应 该是 420 目 25 m 的氧化铈颗粒抛光导致的效果 扩散附着和机械锁合 形成了溅射膜与基体间的类扩 散界面 25 nm AlN 小颗粒部分地嵌入到沟槽内 使 AlN 和铝基体间形成机械锚合 有利于 AlN 薄膜附着 力的提高 3 散热性能分析 分析所用材料和模型的数据如表 1 所示 用对称 表 1 基于复合基板 LED 封装的相关数据 Tab 1 Data related to package model of LED 材料 SiC GaN AuSn AlN Al L mm 1 1 1 6 3 3 W mm 1 1 1 6 3 3 D m 100 3 2 4 800 W m K 1 250 130 57 200 200 的方式截取 1 4 建立有限元模型 选取 Cree 垂直结 构芯片 外部环境温度设为 20 采用稳态条件来 模拟出芯片的温度场分布 见图 6 根据芯片最高温 度来推算封装结构模型的内部通道热阻 约 2 K W AlN 膜很薄 热导率即便降低一个数量级 对散热效 果的影响也很小 图 6 温度场分布等值线图 Fig 6 Temperature field distribution of the package model 4 结论 AlN 薄膜的 XRD 椭偏模拟和电绝缘性测试表 明 可以在严格的工艺条件下 得到结晶良好的 100 取向的AlN多晶膜 而且其击穿电压和单晶比较接近 划痕测试说明 AlN 膜和铝基体有较高的结合强度 根 据有限元分析 其内热通道的热阻约 2 K W 适合用 于大功率 LED 的封装 AlN 薄膜覆 Al 基板可以使内 热通道的设计变得非常简单 实用化要解决以下 3 个 主要问题 1 AlN 和 Al 的热膨胀系数相差悬殊 分别 3 2 10 6 K 23 2 10 6 K 0 300 膜厚度增加时 附着性会大幅降低 拟进一步采用低膨胀系数的金属 或者合金来解决此问题 2 不同于 AlN 块体基片 AlN 膜表面金属化 镀膜和后续工艺过程对介质层绝缘效果和应力的影响 要充分考虑 3 目前成膜的速率太低 保障薄膜附着性和击 穿场强的情况下 低于 2 m h 要想大量投入应用 必须探索高速成膜工艺 参考文献 1 李华平 柴广跃 彭文达 大功率 LED 的封装及其散热基板研究 J 半导体光电 2007 28 1 47 50 2 关振铎 张中太 焦金生 无机材料物理 M 北京 清华大学出版社 2004 344 3 Meng W J Properties of group III nitrides C London INSPEC Short Run Press 1994 222 341 4 Bull S J Berasetegui E G An overview of the potential of quantitative coating adhesion measurement by scratch test