本發(fā)明屬于納米材料及器件領域，涉及一種絕緣導熱薄膜的制備方法及封裝結構。

背景技術：

隨著電子電路中主開關頻率、變換電源電壓和功率的提高，對起控制作用的整流開關二極管提出了更高要求。功率型混合PiN肖特基二極管(Merged PiN/Schottky diode，MPS)開關二極管具有高阻斷電壓、低漏電流、更快的開關速度、更大的導通電流、更小的導通電壓等特點。MPS二極管的銅基體不僅起到對芯片的支撐作用，而且是芯片工作的電極之一，所以需要在銅基體下表面鍍上一層絕緣層，防止漏電?，F代社會大功率MPS開關二極管使用的領域越來越多，應用的功率越來越大(100W以上)，大部分電能都轉化成熱量，使芯片的結溫迅速上升，當溫度超過最大允許溫度時，大功率MPS就會因為過熱而損壞，所以要求絕緣層要有較大的導熱系數，以便產生的熱量及時傳遞出去。散熱問題是MPS封裝的關鍵，是迫切需要解決的問題，在大功率MPS開關二極管設計中散熱設計是一項主要目標。因此，在功率型MPS開關二極管銅基體上沉積一種電阻系數高，又能快速導熱的絕緣層及其重要。

目前常用氧化鋁導熱絕緣涂層，但氧化鋁的導熱系數較低、一般不高于30W/m.K，電阻約為10MΩ。并且現有技術中，一般的物理氣相沉積或化學氣相沉積所得絕緣導熱薄膜與銅、鋁等基板的結合力較低，容易發(fā)生剝落，無法滿足使用要求。

因此，如何提供一種絕緣導熱薄膜的制備方法及封裝結構，以提高絕緣導熱薄膜與基板之間的結合力，并有效絕緣及導熱，以便芯片產生的熱量及時傳遞出去，并防止漏電或放電產生，成為本領域技術人員亟待解決的一個重要技術問題。

技術實現要素：

鑒于以上所述現有技術的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種絕緣導熱薄膜的制備方法及封裝結構，用于解決現有技術中類金剛石絕緣導熱薄膜與基板結合力交底，容易發(fā)生剝落，無法滿足使用要求的問題。

為實現上述目的及其他相關目的，本發(fā)明提供一種絕緣導熱薄膜的制備方法，包括如下步驟：

S1：提供一基板，在所述基板上形成金屬單質層；所述金屬單質為鋁或鈦；

S2：在所述金屬單質層上形成相應金屬的摻硅化合物層；

S3：在所述摻硅化合物層上形成類金剛石絕緣導熱薄膜。

可選地，所述基板的材質包括銅、鋁、鋁合金、不銹鋼、鍺、硅中的任意一種。

可選地，所述基板的材質為陶瓷或玻璃，且于所述步驟S1中，無需在所述基板上形成所述金屬單質層，于所述步驟S2中，直接在所述基板上形成鋁的摻硅化合層或鈦的摻硅化合物層。

可選地，所述基板上連接有射頻電源；在形成所述金屬單質層、相應金屬的摻硅化合物層或類金剛石絕緣導熱薄膜時，開啟所述射頻電源，以提高所述金屬單質層、相應金屬的摻硅化合物層或類金剛石絕緣導熱薄膜的均勻性與致密性。

可選地，于所述步驟S1中，在所述基板上形成金屬單質層之前，首先對所述基板進行氬氣等離子體清洗。

可選地，于所述步驟S1中，進行相應金屬靶的磁控濺射，在所述基板上沉積得到所述金屬單質層；所述金屬靶連接有直流濺射電源或射頻濺射電源。

可選地，于所述步驟S2中，往反應腔室內通入硅源，同時進行相應金屬靶的磁控濺射，在所述金屬單質層上形成所述摻硅化合物層。

可選地，所述類金剛石絕緣導熱薄膜為含氫類金剛石絕緣導熱薄膜或無氫類金剛石絕緣導熱薄膜。

可選地，于所述步驟S3中，通過物理氣相沉積或化學氣相沉積法形成所述類金剛石絕緣導熱薄膜。

可選地，于所述步驟S3中，在所述摻硅化合物層上形成類金剛石絕緣導熱薄膜時通入硅源，得到摻硅類金剛石絕緣導熱薄膜。

可選地，所述金屬單質金屬層的厚度范圍是10-300nm；所述摻硅化合物層的厚度范圍是20-300nm；所述類金剛石絕緣導熱薄膜的厚度范圍是100-4000nm。

本發(fā)明還提供一種封裝結構，包括基板及結合于所述基板上表面的芯片，所述基板下表面依次形成有金屬單質層、相應金屬的摻硅化合物層以及類金剛石絕緣導熱薄膜；所述金屬單質為鋁或鈦。

可選地，所述基板的材質包括銅、鋁、不銹鋼、鍺、硅中的任意一種。

可選地，所述基板的材質為陶瓷或玻璃，且所述基板下表面依次形成有鋁的摻硅化合物層或鈦的摻硅化合物層以及所述類金剛石絕緣導熱薄膜，無需形成有所述金屬單質層。

可選地，所述類金剛石絕緣導熱薄膜為含氫類金剛石絕緣導熱薄膜或無氫類金剛石絕緣導熱薄膜。

可選地，所述類金剛石絕緣導熱薄膜為摻硅類金剛石絕緣導熱薄膜。

可選地，所述金屬單質金屬層的厚度范圍是10-300nm；所述摻硅化合物層的厚度范圍是20-300nm；所述類金剛石絕緣導熱薄膜的厚度范圍是100-4000nm。

可選地，所述芯片為混合PiN肖特基二極管。

可選地，所述基板作為所述混合PiN肖特基二極管的工作電極之一。

如上所述，本發(fā)明的絕緣導熱薄膜的制備方法及封裝結構，具有以下有益效果：本發(fā)明結合磁控濺射與射頻化學氣相沉積技術，在基板上沉積與基板結合力良好的類金剛石絕緣導熱薄膜，達到高導熱、高絕緣性的效果。本發(fā)明制備的類金剛石絕緣導熱薄膜可以很好的應用于混合PiN肖特基二極管銅或鋁基板上，作為封裝結構中絕緣和導熱散熱層來使用，以代替現有的氧化鋁絕緣層。并且本發(fā)明制備的絕緣導熱薄膜的方法不局限于混合PiN肖特基二極管銅或鋁合金基板上使用，還可以應用于其他類型的需要快速散熱并需要絕緣的基板上面，具有廣泛的工業(yè)前景。

附圖說明

圖1顯示為本發(fā)明的絕緣導熱薄膜的制備方法的工藝流程圖。

圖2顯示為本發(fā)明的絕緣導熱薄膜的制備方法在基板上制備金屬單質層的示意圖。

圖3顯示為本發(fā)明的絕緣導熱薄膜的制備方法在所述金屬單質層上形成相應金屬的摻硅化合物層的示意圖。

圖4顯示為本發(fā)明的絕緣導熱薄膜的制備方法在所述摻硅化合物層上形成類金剛石絕緣導熱薄膜的示意圖。

圖5顯示為本發(fā)明的封裝結構的示意圖。

元件標號說明

S1～S3 步驟

1 基板

2 金屬單質層

3 摻硅化合物層

4 類金剛石絕緣導熱薄膜

5 芯片

具體實施方式

以下通過特定的具體實例說明本發(fā)明的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所揭露的內容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點與功效。本發(fā)明還可以通過另外不同的具體實施方式加以實施或應用，本說明書中的各項細節(jié)也可以基于不同觀點與應用，在沒有背離本發(fā)明的精神下進行各種修飾或改變。

請參閱圖1至圖5。需要說明的是，本實施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發(fā)明的基本構想，遂圖式中僅顯示與本發(fā)明中有關的組件而非按照實際實施時的組件數目、形狀及尺寸繪制，其實際實施時各組件的型態(tài)、數量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態(tài)也可能更為復雜。

實施例一

本發(fā)明提供一種絕緣導熱薄膜的制備方法，請參閱圖1，顯示為該方法的工藝流程圖，包括如下步驟：

S1：提供一基板，在所述基板上形成金屬單質層；所述金屬單質為鋁或鈦；

S2：在所述金屬單質層上形成相應金屬的摻硅化合物層；

S3：在所述摻硅化合物層上形成類金剛石絕緣導熱薄膜。

其中，類金剛石(Diamond Like Carbon，DLC)絕緣導熱膜具有很高的硬度、耐磨性、導熱性、絕緣性、化學惰性強及其良好的生物相容性等特點，碳原子和碳原子之間以sp³和sp²鍵的形式結合，生成的無定形碳的一種亞穩(wěn)定形態(tài)的非晶碳，薄膜電阻率可達108Ω.cm，硬度高于10GPa，導熱系數可達450W/m.K。

首先請參閱圖2，執(zhí)行步驟S1：提供一基板1，在所述基板1上形成金屬單質層2；所述金屬單質為鋁或鈦。

具體的，所述基板1的材質包括但不限于銅、鋁、鋁合金、不銹鋼、硅、鍺中的任意一種。

本實施例中，通過磁控濺射法在所述基板1上形成所述金屬單質層2，其中，所述磁控濺射法采用直流濺射電源或射頻濺射電源，所述直流濺射電源或射頻濺射電源連接于金屬靶上。

特別的，所述基板1上可進一步連接有射頻電源，在形成所述金屬單質層、相應金屬的摻硅化合物層或類金剛石絕緣導熱薄膜時，可開啟所述射頻電源，以提高所述金屬單質層、相應金屬的摻硅化合物層或類金剛石絕緣導熱薄膜的均勻性與致密性。這是因為加載在所述基板1上的射頻信號可以將到達基板附近的靶材材料或反應性氣體進一步碎片化和離子化，從而得到更為均勻、致密的沉積層。本實施例中，所述射頻電源的功率密度范圍優(yōu)選為0.3-1.5W/cm²，

作為示例，在所述基板1上形成金屬單質層2之前，首先在氬氣壓強為0.1-10Pa下，打開連接在所述基板上的射頻電源，對所述基板1進行氬氣等離子體清洗，以去除所述基板1表面的污染物，以利于后續(xù)金屬單質在所述基板1上的沉積。

等離子體清洗完成后，保持所述射頻電源處于打開狀態(tài)的同時，進行鋁靶或鈦靶的直流或射頻磁控濺射，在所述基板1上沉積得到鋁金屬單質層或鈦單質金屬層(也可稱為純鋁層或純鈦層)。作為示例，所述金屬單質金屬層2的厚度范圍是10-300nm，優(yōu)選為50-150nm。

本步驟中通過磁控濺射法及基板射頻輔助得到的金屬單質層2與所述基板1之間具有很好的結合力。

然后請參閱圖3，執(zhí)行步驟S2：在所述金屬單質層2上形成相應金屬的摻硅化合物層3。

此處需要說明的是，所謂“相應金屬的摻硅化合物層”是指：若步驟S1中所述金屬單質層2為鋁層，則本步驟中形成的為鋁的摻硅化合物層；若步驟S1中所述金屬單質層2為鈦層，則本步驟中形成的為鈦的摻硅化合物層。

作為示例，所述摻硅化合物層的厚度范圍是20-300nm，優(yōu)選為80-200nm。

所述化合物采用摻硅化合物有如下好處：一方面，在鋁層或鈦層中摻入硅原子，可以使金屬性的鋁層或鈦層具備一定的非金屬性，從而能夠與后續(xù)制備的類金剛石絕緣導熱薄膜具有較強的結合力；另一方面，摻硅的鋁層或鈦層因為其主體成分為鋁或鈦，其與純鋁層或純鈦層之間亦具有很好的結合力。

由于鋁層或鈦層與所述基板1具有很好的結合力，摻硅化合物層又同時與鋁層、鈦層及類金剛石絕緣導熱薄膜具有很好的結合力，因此在所述基板1與類金剛石絕緣導熱薄膜之間設置所述金屬單質層2及所述摻硅化合物層3，可以顯著提高類金剛石絕緣導熱薄膜與所述基板1之間的結合力。

作為示例，結合磁控濺射與射頻化學氣相沉積技術，在所述金屬單質層2上形成所述摻硅化合物層3。其中，射頻化學氣相沉積技術是指利用射頻等離子體激活化學氣相反應，進行氣相沉積。在射頻電磁場的作用下，自由電子的運動引起反應物氣體分子的電離，產生等離子體，由此降低化學反應的勢壘，使得一些難以進行的化學反應變得容易進行。

具體的，使連接在所述基板1上的射頻電源處于打開狀態(tài)，并往反應腔室內通入硅源，同時進行鋁靶或鈦靶的磁控濺射，在所述金屬單質層2上形成所述摻硅化合物層。

本實施例中，所述硅源包括六甲基二硅氧烷或四甲基硅烷，其分壓為0.05-10Pa。

再請參閱圖4，執(zhí)行步驟S3：在所述摻硅化合物層3上形成類金剛石絕緣導熱薄膜4。

具體的，通過物理氣相沉積或化學氣相沉積法形成所述類金剛石絕緣導熱薄膜。所述類金剛石絕緣導熱薄膜的厚度范圍是100-4000nm，優(yōu)選為500-2500nm。

具體的，根據碳源及制備方法的不同，得到的類金剛石絕緣導熱薄膜可以為含氫類金剛石絕緣導熱薄膜或無氫類金剛石絕緣導熱薄膜。含氫類金剛石絕緣導熱薄膜或無氫類金剛石絕緣導熱薄膜均具有良好的絕緣導熱性能，不同之處在于含氫類金剛石絕緣導熱薄膜具有更高的透光率，而無氫類金剛石絕緣導熱薄膜具有較高的硬度、彈性模量以及低摩擦系數。

作為示例，通過化學氣相沉積法在所述摻硅化合物層3上形成類金剛石絕緣導熱薄膜4，所述化學氣相沉積法采用的碳源包括但不限于甲苯、甲烷、苯、乙炔中的任意一種。本實施例中，所述碳源優(yōu)選采用甲苯。

具體的，當所述摻硅化合物層3達到設計厚度后，在反應腔室內通入甲苯(分壓為0.05-10Pa)，并停止鋁靶或鈦靶的磁控濺射、關閉氬氣，以形成含氫類金剛石絕緣導熱薄膜。

以上僅為示例，在其它實施例中，根據設備的不同，相應的工藝條件可以根據需要進行改變，此處不應過分限制本發(fā)明的保護范圍。

特別的，在通入碳源的同時，可保持通入一定量的硅源(例如六甲基)，以沉積摻硅類金剛石絕緣導熱薄膜，或停止通入硅源以沉積不摻硅的類金剛石絕緣導熱薄膜。

摻硅類金剛石絕緣導熱薄膜與不摻硅的類金剛石絕緣導熱薄膜均具有良好的絕緣導熱性能，其中，摻硅類金剛石絕緣導熱薄膜可以減小薄膜的內應力，并可以顯著提高薄膜的附著力、耐磨性、SP³鍵的含量、光學帶隙寬度、熱穩(wěn)定性、耐腐蝕性，同時，摻硅類金剛石絕緣導熱薄膜與步驟S2制備的摻硅化合物層的結合力更好，可以進一步提高薄膜的附著能力。

上述步驟S1、S2及S3可在同一反應腔室內完成。

至此，通過本發(fā)明的絕緣導熱薄膜的制備方法在所述基板1上制備得到了絕緣導熱薄膜，該絕緣導熱薄膜由金屬單質層、相應金屬的摻硅化合物層以及類金剛石絕緣導熱薄膜三層組成，其中，前兩者可提高類金剛石絕緣導熱薄膜與基板的結合力。所述單質金屬層采用磁控濺射法制備，所述摻硅化合物層采用磁控濺射與射頻化學氣相沉積技術制備，可顯著提高膜基結合力。

需要指出的是，在另一實施例中，當所述基板的材質為陶瓷或玻璃時，也可無需形成所述金屬單質層，因為鋁的摻硅化合物與鈦的摻硅化合物本身與陶瓷或玻璃具有較強的結合力。因此，于所述步驟S1中，無需在所述基板上形成所述金屬單質層，于所述步驟S2中，直接在所述基板上形成鋁的摻硅化合層或鈦的摻硅化合物層。

通過本發(fā)明的絕緣導熱薄膜的制備方法制備的類金剛石絕緣導熱薄膜可以很好地應用于MPS用銅或鋁合金基板上，作為絕緣和導熱散熱層來使用，以代替現有的氧化鋁絕緣層。

實施例二

本發(fā)明還提供一種封裝結構，請參閱圖5，顯示為該封裝結構的示意圖，包括基板1及結合于所述基板1上表面的芯片5，所述基板1下表面依次形成有金屬單質層2、相應金屬的摻硅化合物層3以及類金剛石絕緣導熱薄膜4；所述金屬單質為鋁或鈦。

需要說明的是，所謂“相應金屬的摻硅化合物層”是指：若所述金屬單質層2為鋁層，則相應金屬的摻硅化合物層為鋁的摻硅化合物層；若所述金屬單質層2為鈦層，則相應金屬的摻硅化合物層為鈦的摻硅化合物層。

具體的，所述基板1的材質包括但不限于銅、鋁、鋁合金、不銹鋼、硅、鍺中的任意一種。所述金屬單質金屬層的厚度范圍是10-300nm；所述摻硅化合物層的厚度范圍是20-300nm；所述類金剛石絕緣導熱薄膜的厚度范圍是100-4000nm。

具體的，所述摻硅化合物有如下好處：一方面，在鋁層或鈦層中摻入硅原子，可以使金屬性的鋁層或鈦層具備一定的非金屬性，從而能夠與后續(xù)制備的類金剛石絕緣導熱薄膜具有較強的結合力；另一方面，摻硅的鋁層或鈦層因為其主體成分為鋁或鈦，其與純鋁層或純鈦層之間亦具有很好的結合力。

由于鋁層或鈦層與所述基板1具有很好的結合力，摻硅化合物層又同時與鋁層、鈦層及類金剛石絕緣導熱薄膜具有很好的結合力，因此在所述基板1與類金剛石絕緣導熱薄膜之間設置所述金屬單質層2及所述摻硅化合物層3，可以顯著提高類金剛石絕緣導熱薄膜與所述基板1之間的結合力。

需要指出的是，在另一實施例中，當所述基板1的材質為陶瓷或玻璃時，也可無需形成所述金屬單質層，因為鋁的摻硅化合物與鈦的摻硅化合物本身與陶瓷或玻璃具有較強的結合力。因此所述基板1下表面依次形成有鋁的摻硅化合物層或鈦的摻硅化合物層以及所述類金剛石絕緣導熱薄膜，無需形成有所述金屬單質層。

具體的，所述類金剛石絕緣導熱薄膜4為含氫類金剛石絕緣導熱薄膜或無氫類金剛石絕緣導熱薄膜。含氫類金剛石絕緣導熱薄膜或無氫類金剛石絕緣導熱薄膜均具有良好的絕緣導熱性能，不同之處在于含氫類金剛石絕緣導熱薄膜具有更高的透光率，而無氫類金剛石絕緣導熱薄膜具有較高的硬度、彈性模量以及低摩擦系數。

進一步的，所述類金剛石絕緣導熱薄膜4可以為摻硅類金剛石絕緣導熱薄膜或不摻硅類金剛石絕緣導熱薄膜。摻硅類金剛石絕緣導熱薄膜與不摻硅的類金剛石絕緣導熱薄膜均具有良好的絕緣導熱性能，其中，摻硅類金剛石絕緣導熱薄膜可以減小薄膜的內應力，并可以顯著提高薄膜的附著力、耐磨性、SP³鍵的含量、光學帶隙寬度、熱穩(wěn)定性、耐腐蝕性，同時，摻硅類金剛石絕緣導熱薄膜與步驟S2制備的摻硅化合物層的結合力更好，可以進一步提高薄膜的附著能力。

作為示例，所述芯片為混合PiN肖特基二極管。混合PiN肖特基二極管(Merged PiN/Schottky diode，MPS)具有PIN二極管高阻斷電壓、低漏電流和肖特基二極管(SBD)小開啟電壓、大導通電流以及高開關速度的優(yōu)點。對于垂直結構的MPS，其呈現深注入的交叉指狀P+柵格與肖特基結相間隔的網狀結構，MPS二極管正面電極形成用于肖特基區(qū)的與相對低摻雜區(qū)域的肖特基勢壘(Schottky contact)，以及用于P-i-N區(qū)的與相對高摻雜區(qū)域的歐姆接觸；MPS二極管背面電極與MPS二極管形成歐姆接觸(Ohmic contact)。MPS開關管的主要結是PiN二極管區(qū)，PN結通過其耗盡層的寬度和兩PN結之間的間隙來影響肖特基的導電溝道。

本實施例中，所述基板1優(yōu)選采用銅基板，其不僅作為散熱基板，還作為所述混合PiN肖特基二極管的工作電極之一。

采用本發(fā)明的封裝結構可以有效解決大功率MPS開關二極管在使用過程中的散熱降溫問題，其中類金剛石絕緣導熱薄膜與基板具有很好的結合能力，且具有較大的導熱系數和電阻率，可以使得芯片產生的熱量及時傳遞出去，并防止漏電和放電發(fā)生。

在其它實施例中，所述芯片也可以是其他類型的需要快速散熱并需要基板背面絕緣的芯片，此處不應過分限制本發(fā)明的保護范圍。

綜上所述，本發(fā)明的絕緣導熱薄膜的制備方法結合磁控濺射與射頻化學氣相沉積技術，在基板上沉積與基板結合力良好的類金剛石絕緣導熱薄膜，達到高導熱、高絕緣性的效果。本發(fā)明制備的類金剛石絕緣導熱薄膜可以很好的應用于混合PiN肖特基二極管銅或鋁合金基板上，作為封裝結構中絕緣和導熱散熱層來使用，以代替現有的氧化鋁絕緣層。并且本發(fā)明制備的絕緣導熱薄膜的方法不局限于混合PiN肖特基二極管銅或鋁合金基板上使用，還可以應用于其他類型的需要快速散熱并需要絕緣的基板上面，具有廣泛的工業(yè)前景。所以，本發(fā)明有效克服了現有技術中的種種缺點而具高度產業(yè)利用價值。

上述實施例僅例示性說明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術領域中具有通常知識者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應由本發(fā)明的權利要求所涵蓋。