CN101875569A - 一种氮化铝覆铜膜前体的制备方法与氮化铝覆铜膜前体、氮化铝覆铜膜及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及陶瓷金属化领域，具体公开了一种氮化铝覆铜膜前体的制备方法与氮化铝覆铜膜前体、氮化铝覆铜膜及其制备方法。其中该氮化铝覆铜膜前体的制备方法，包括：a、在氮化铝基材表面形成厚度为4-10μm的金属预烧层，该金属预烧层含有铜、氧化铜或氧化亚铜中的一种或几种；b、将表面形成有金属预烧层的氮化铝基材置于氧化性气氛中，在1250-1350℃下进行高温热处理，得到覆铜膜半前体；c、将覆铜膜半前体置于还原性气氛中，在550-650℃下还原热处理3-5h，在氮化铝基材表面形成金属层，得到氮化铝覆铜膜前体。通过本发明提供的氮化铝覆铜膜前体制备的氮化铝覆铜膜的导热性能和抗拉强度得到了明显提高。

Description

一种氮化铝覆铜膜前体的制备方法与氮化铝覆铜膜前体、氮化铝覆铜膜及其制备方法

【技术领域】

一种氮化铝覆铜膜前体的制备方法与氮化铝覆铜膜前体和氮化铝覆铜膜及其制备方法，尤其是采用该氮化铝陶瓷覆铜膜前体的氮化铝覆铜膜及其制备方法。

【背景技术】

长期以来，绝大多数功率混合集成电路的陶瓷封装材料一直沿用氧化铝(Al₂O₃)和氧化铍(BeO)陶瓷，但由于性能、环保、成本等因素逐渐显露出已不能完全适合功率电子器件发展的需要；并且，大规模集成电路技术的发热功率密度相比以往大大提高，热控问题已成为该类器件、模块设计和制造上必需解决的技术关键，而氧化铝(Al₂O₃)和氧化铍(BeO)陶瓷并不能满足要求。高性能热管理材料的采用，是热控目标实现的重要手段。因此，一种综合性能优越的新型电子陶瓷-氮化铝(AlN)陶瓷，无疑将成为传统氧化铝(Al₂O₃)和氧化铍(BeO)封装以及基板的替代材料。

AlN陶瓷具有导热性能优越(单晶体理论导热系数达到320W/m.K)，约为Al₂O₃的10倍；热膨胀系数为4.3×10^-6℃^-1(r.t＝400℃)，与硅(Si)、锗(Ge)等半导体材料接近，电学性能及机械性能与氧化铝(Al₂O₃)陶瓷相近等特点，是理想的电子封装材料。AlN陶瓷在上述领域的应用中，通常需要将陶瓷表面进行金属化。

AlN覆Cu基板既具有AlN陶瓷的高导热性，又具有Cu箔的高导电性，在微电子工业中已部分取代了Al₂O₃覆Cu基板应用于大功率器件中。但是由于AlN与Cu之间的界面润湿性差，接合强度低，并且AlN与Cu的热膨胀系数相差较大，由此产生的巨大热应力而使得AlN-Cu的接合难以实现。目前国内外的AlN覆Cu基板均是采用直接敷铜法(Direct Bonded Copper method，简称DBC)进行生产，其利用Cu在微氧气氛下生成熔点低于纯Cu熔点的Cu-O液相，此液相能很好的润湿AlN及Cu板表面，从而实现AlN陶瓷基片与Cu板的稳固接合。

AlN陶瓷覆铜膜的DBC法烧结温度比较高，在高温下会发生如下反应：

Cu₂O+AlN→CuAlO₂+N₂↑

会在AlN与铜板的界面上生成N₂，使界面产生大量气泡，导致产品出现界面鼓泡问题，泡的直径为1μm-7mm不等，从而使金属化结合强度及导热性大幅度降低，严重时甚至导致产品报废。

【发明内容】

为了克服现有技术中氮化铝陶瓷覆铜膜在氮化铝陶瓷与铜板的结合界面上会产生大量气泡，导致氮化铝陶瓷覆铜膜的金属化结合强度及导热性大幅度降低的问题，本发明提供了一种氮化铝覆铜膜前体的制备方法，采用该制备方法制备的氮化铝覆铜膜前体生产出的氮化铝覆铜膜能极大的限制气泡的产生，提高金属化结合强度及导热性。

本发明提供的氮化铝覆铜膜前体的制备方法，包括：

a、在氮化铝基材表面形成厚度为4-10μm的金属预烧层，该金属预烧层含有铜、氧化铜或氧化亚铜中的一种或几种；

b、将表面形成有金属预烧层的氮化铝基材置于氧化性气氛中，在1250-1350℃下进行高温热处理，得到覆铜膜半前体；

c、将覆铜膜半前体置于还原性气氛中，在550-650℃下还原热处理3-5h，在氮化铝基材表面形成金属层，得到氮化铝覆铜膜前体。

同时本发明还提供了一种氮化铝覆铜膜前体，该氮化铝覆铜膜前体通过上述制备方法制得，该氮化铝覆铜膜前体包括氮化铝基材和位于氮化铝基材上的金属层，所述金属层的厚度为4-10μm。

为更清楚的揭示本发明公开的氮化铝覆铜膜前体的用途，本发明还公开了一种氮化铝覆铜膜，依次包括氮化铝覆铜膜前体、保护层、焊接层、铜板，所述氮化铝覆铜膜前体为上述氮化铝覆铜膜前体。

为便于本领域技术人员清楚的了解上述氮化铝覆铜膜的生产方式，本发明还提供了其制备方法，包括：根据上述方法制备氮化铝覆铜膜前体；

在氮化铝覆铜膜前体的金属层上依次形成保护层、焊接层及铜板。

通过本发明提供的氮化铝覆铜膜前体制备的氮化铝覆铜膜，尤其是本发明公开的氮化铝覆铜膜的导热性能得到了明显提高，并且氮化铝基材与金属化结构的连接强度增大，冷热循环次数增多，产品使用寿命增加。

【附图说明】

图1为实施例3中氮化铝覆铜膜前体B3的表面SEM(扫描电镜)照片；

图2为实施例3中氮化铝覆铜膜前体B3的断面SEM(扫描电镜)照片；

图3为实施例4中得到的B4的断面SEM(扫描电镜)照片；

【具体实施方式】

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下对本发明进行进一步详细说明。

本发明公开的氮化铝覆铜膜前体的制备方法，包括

a、在氮化铝基材表面形成厚度为4-10μm的金属预烧层，该金属预烧层含有铜、氧化铜或氧化亚铜中的一种或几种；

b、将表面形成有金属预烧层的氮化铝基材置于氧化性气氛中，在1250-1350℃下进行高温热处理，得到覆铜膜半前体；

c、将覆铜膜半前体置于还原性气氛中，在550-650℃下还原热处理3-5h，在氮化铝基材表面形成金属层，得到氮化铝覆铜膜前体。

本发明中采用的氮化铝基材为本领域常用的氮化铝陶瓷基材，可通过商购得到，如福建华清电子材料科技有限公司生产的氮化铝陶瓷。

根据本发明，上述形成金属层前体含有的铜、氧化铜或氧化亚铜为片状或颗粒状。当以片状形式存在时，对片材的形状尺寸没有太大的限制，只需片材与尺寸与氮化铝基材的尺寸相适应，并且形成的金属预烧层的厚度满足上述要求。若以颗粒形式存在，对铜、氧化铜或氧化亚铜颗粒没有要求，只需形成的金属预烧层的厚度满足上述要求。

本发明中形成金属预烧层的方法可以有多种，如：当采用片材时，可将尺寸满足要求的片材置于氮化铝基材表面，该片材即为金属预烧层；当采用上述物质的颗粒材料时，可将颗粒材料直接放置于氮化铝基材表面，形成4-10μm厚的金属预烧层，为了方便操作，也可以先将上述物质的颗粒材料制成浆料，再涂覆在氮化铝基材表面。制浆的方法可以为：将颗粒材料与本领域公知的增塑剂、粘结剂(如增塑剂为松油醇、粘结剂为乙基纤维素)混合，然后球磨调匀制成浆料。优选情况下，采用铜片作为制作金属预烧层的材料。形成4-10μm厚的金属预烧层，优选情况下，该金属预烧层厚度为7-10μm。相比于颗粒材料，采用铜箔作为制作金属预烧层的材料的优点在于：无需前期繁琐的调浆、丝网印刷等工艺，铜箔裁剪、清洗方便，来源广泛，比较容易使用，且可以精确控制金属预烧层的厚度。当金属预烧层厚度为4-10μm内时，通过本发明公开的方法制备的方法形成的金属层的厚度既有利于抑制气泡的产生，同时能保证产品的导热性及抗拉强度。

在氮化铝基材表面形成金属预烧层后，将其置于氧化性气氛中，在1250-1350℃下进行高温热处理，得到覆铜膜半前体。上述氧化性气氛可通过本领域常用的手段形成，如直接在空气中进行热处理，或者在氧气浓度大于50％的“惰性气体+氧气”的混合气氛环境中进行热处理，进一步优选氧气浓度大于85％，此时对解决本发明所要解决的问题，提高产品的导热性及抗拉强度更有利。热处理的温度优选为1250-1350℃，进一步优选为1250-1280℃。热处理的时间没有太大限制，可以为10-120min，优选为30-50min。

根据本发明，将经过上述处理后得到的覆铜膜半前体置于还原性气氛中，在550-650℃，优选为600-610℃的温度下进行还原热处理，该步骤中还原热处理的时间3-5h，优选为3-3.5h。经过上述还原热处理后，在氮化铝基材表面即形成厚度为4-10μm的金属层，得到氮化铝覆铜膜前体。通常，在制备过程中，无论采用片材还是颗粒材料制作金属预烧层，由于尺寸变化非常小，在本发明中，该尺寸的变化可以忽略不计，即，形成的金属预烧层的厚度在4-10μm内时，得到的金属层的厚度即可在该范围内。

上述还原性气氛也为本领域公知的，可通过多中方法得到，如可直接购买混合气：氢气含量在50％以下的氢气氩气混合气或氢气含量在50％以下的“氢气+氮气”混合气。在制备过程中将混合气通入反应装置即可。

通常，由于反应Cu₂O+AlN→CuAlO₂+N₂↑的发生，在铜板与氮化铝基材的结合界面处会产生气泡，该气泡无法溢出，而氮化铝基材非常硬，气泡逐渐撑起铜板，在外观上即表现为铜板表面鼓泡，泡的直径1μm-7mm不等，部分较大的气泡通过肉眼即可观察到。发明人通过大量实验发现，通过本发明公开的方法制得的氮化铝覆铜膜前体能很好的解决金属层上的鼓泡问题，大大提高了产品的良率、导热性以及抗拉强度。发明人通过进一步的分析，在1250-1350℃下热处理对解决本发明所要解决的问题，提高产品的导热性及抗拉强度能起到非常明显的效果。

根据本发明，上述还原热处理可以在高温热处理后降温至还原热处理所需的温度下，改变气氛后进行；也将高温热处理后得到的覆铜膜半前体冷却，置于还原气氛中，升温至550-650℃进行还原热处理。

另外，如本发明所述，在上述步骤c之后，还包括二次烧结的过程，即，将得到的氮化铝覆铜膜前体在压强不大于10^-3pa的环境中，950-1050℃下进行烧结热处理。优选情况下，上述烧结热处理的时间为1-3h。

上述压强不大于10^-3pa的环境可通过现有的形成真空环境的方法得到，如采用真空烧结炉附带的机械泵和扩散泵形成真空环境。烧结热处理温度为950-1050℃，优选为980-1010℃。通过本发明公开的二次烧结后的氮化铝覆铜膜前体，能在原氮化铝覆铜膜前体的基础上进一步提高其导热性及抗拉强度。

本发明还提供了一种氮化铝覆铜膜前体，即通过上述制备方法制备得到。根据本发明可知，该氮化铝覆铜膜前体包括氮化铝基材以及位于氮化铝基材上的金属层，所述金属层的厚度为4-10μm。

根据实际使用需要，通常需要将上述氮化铝覆铜膜前体制备成氮化铝覆铜膜产品。采用上述氮化铝覆铜膜前体制备氮化铝覆铜膜产品的方法可以为现有技术中的各种方法。

本发明提供了一种氮化铝覆铜膜，依次包括氮化铝覆铜膜前体、保护层、焊接层、铜板，所述氮化铝覆铜膜前体上述氮化铝覆铜膜前体。即保护层位于氮化铝覆铜膜前体的金属层上，焊接层位于所述保护层上，所述铜板位于焊接层上。

根据本发明所描述，上述氮化铝覆铜膜中，氮化铝基材厚度为300-1000μm，金属层的厚度为4-10μm，保护层厚度为5-10μm，焊接层厚度为10-40μm，铜板厚度为150-300μm。优选情况下氮化铝基材厚度为550-650μm，金属层的厚度为7-10μm，保护层厚度为6-8μm，焊接层厚度为10-25μm，铜板厚度为250-600μm。

氮化铝基材的厚度可以在购买时进行选择。

本发明公开的氮化铝覆铜膜的导热系数为170-190W/(m·K)，剥离强度为9-11N/mm，抗拉强度为25-28MPa，热循环次数为1300-1500cycles。

发明公开的氮化铝覆铜膜中的保护层含有镍、铝、铜、锌、金、银中的一种或几种。

为便于更清楚的理解本发明中公开的氮化铝覆铜膜是如何得到的，本发明还公开了该氮化铝覆铜膜的制备方法，包括：先制备氮化铝覆铜膜前体，然后在氮化铝覆铜膜前体的金属层上依次形成保护层、焊接层及铜板。其中，制备氮化铝覆铜膜前体的方法为本发明公开的氮化铝覆铜膜前体的制备方法，在此不再赘述。

另外，在氮化铝覆铜膜前体上形成保护层的方法，可以有多种，如采用本领域常用的化学镀或电镀的方法制作：将氮化铝覆铜膜前体放入化学镀溶液中(如：化学镀银、化学镀铜、化学镀镍、化学镀锌等)，依据氧化还原反应原理，利用强还原剂在含有金属离子的溶液中，将金属离子还原成金属而沉积在各种材料表面，从而形成致密的金属镀层。一般情况下，镀层的厚度可以通过化学镀时间来控制，控制方法为本领域技术人员所公知。上述化学镀所采用的材料可以为镍、铝、铜、锌、金、银中的一种或几种。

制备好保护层后，即可制备焊接层和铜板，具体的方法可以为本领域常用的真空焊接方法，通过焊片将铜板焊接至保护层上，焊片经过焊接处理后，即在保护层和铜板之间形成本发明公开的焊接层。上述真空焊接形成焊接层和铜板的方法为：在真空焊接炉中，炉内压强不大于10^-3pa，开始加热，焊接温度为910℃-1000℃，焊接保温时间为5-20min，在焊接完成后降温速率控制在3℃/min以下，控制降温速率到400℃后随炉冷却。其中所采用的真空焊接炉为本领域常用的真空焊接炉，如上海晨华电炉有限公司生产的。

真空焊接所采用的焊片为本领域常用的焊片，如Ag-Cu焊片(上海大华新型钎焊材料厂公司生产的Ag-Cu焊片)，所选用的焊片厚度为10-40μm，焊接后形成的焊接层的厚度即可在10-40μm范围内。同时，焊接时选用的铜板的厚度为150-300μm，从而保证在制备得到的氮化铝覆铜膜中铜板的厚度在150-300μm范围内。

通过上述处理即可得到本发明公开的氮化铝覆铜膜。该氮化铝覆铜膜具有良好的导热性和抗拉强度。

下面通过实施例对本发明作进一步的说明。

实施例1

本实施例用于说明本发明公开的氮化铝覆铜膜前体制备方法、氮化铝覆铜膜前体、氮化铝覆铜膜及其制备方法。

1、制备氮化铝覆铜膜前体

取15mm×15mm的氮化铝基材(福建华清电子材料科技有限公司生产，厚度为800μm)和8μm厚的铜片(上海昂科工业技术有限公司，ANK，铜片尺寸裁切为15mm×15mm)。

将铜片置于氮化铝基材表面。在空气中，将二者作为一个整体放置于高温炉中(宜兴市前锦炉业设备有限公司，SX2-10-13)加热，在1300℃下高温热处理80min，冷却至室温，得到覆铜膜半前体A1。

将覆铜膜半前体A1置于管式炉(上海祖发实业有限公司，SXJ)中，在氢气氩气混合气(氢气与氩气体积比为4∶6)的加热气氛下，以580℃的加热温度还原热处理4h。

冷却后得到氮化铝覆铜膜前体B1，其中，氮化铝基材厚度为800μm，金属层的厚度为8μm。

2、制备氮化铝覆铜膜

将上述氮化铝覆铜膜前体B1浸没于化学镀铜溶液(组成：2.5mol/l的硫酸铜、1.0mol/l的次亚磷酸钠、0.3mol/l的醋酸钠、0.1mol/l的氟化钠、0.5mol/l的正辛基硫酸钠溶液)中45min。在B1表面形成8μm厚的铜保护层。

在经过化学镀铜后的B1的保护层上放置35μm厚的Ag-Cu焊片(上海大华新型钎焊材料厂公司生产的Ag-Cu焊片，尺寸为15mm×15mm)，在Ag-Cu焊片上放置200μm厚的铜板(尺寸为15mm×15mm)。并在铜板上压放重量为4千克的铁块，然后在真空焊接炉(上海晨华电炉有限公司生产)进行真空钎焊。真空焊接炉内压强为10^-3pa，焊接温度为950℃，焊接保温时间为15min，在焊接完成后降温速率控制在2℃/min，控制降温速率到400℃后随炉冷却。

得到氮化铝覆铜膜S1。其中，氮化铝基材厚度为800μm，金属层的厚度为8μm，铜保护层厚度为8μm，焊接层厚度为32μm，铜板厚度为200μm。

实施例2

本实施例用于说明本发明公开的氮化铝覆铜膜前体制备方法、氮化铝覆铜膜前体、氮化铝覆铜膜及其制备方法。

1、制备氮化铝覆铜膜前体

取15mm×15mm的氮化铝基材(福建华清电子材料科技有限公司生产，厚度为500μm)和6μm厚的铜片(上海昂科工业技术有限公司，ANK，铜片尺寸裁切为15mm×15mm)。

将铜片置于氮化铝基材表面。在空气中，将二者作为一个整体放置于高温炉中(宜兴市前锦炉业设备有限公司，SX2-10-13)加热，在1270℃下高温热处理60min，冷却至室温，得到覆铜膜半前体A2。

将覆铜膜半前体A2置于管式炉(上海祖发实业有限公司，SXJ)中，在氢气氩气混合气(氢气与氩气体积比为4∶6)的加热气氛下，以630℃的加热温度还原热处理3.5h。

冷却后得到氮化铝覆铜膜前体B2，其中，氮化铝基材厚度为500μm，金属层的厚度为6μm。

2、制备氮化铝覆铜膜

将上述氮化铝覆铜膜前体B2浸没于化学镀银溶液(组成：3.0mol/l的硫酸银、1.0mol/l的硼氢化钠、0.3mol/l的醋酸钠、0.1mol/l的氟化钠、0.5mol/l的正辛基硫酸钠溶液)中30min。在B2表面形成6μm厚的银保护层。

在经过化学镀银后的B2的保护层上放置30μm厚的Ag-Cu焊片(上海大华新型钎焊材料厂公司生产的Ag-Cu焊片，尺寸为15mm×15mm)，在Ag-Cu焊片上放置250μm厚的铜板(尺寸为15mm×15mm)。并在铜板上压放重量为4千克的铁块，然后在真空焊接炉(上海晨华电炉有限公司生产)进行真空钎焊。真空焊接炉内压强为10^-3pa，焊接温度为980℃，焊接保温时间为10min，在焊接完成后降温速率控制在2℃/min，控制降温速率到400℃后随炉冷却。

得到氮化铝覆铜膜S2。其中，氮化铝基材厚度为500μm，金属层的厚度为6μm，银保护层厚度为6μm，焊接层厚度为27μm，铜板厚度为250μm。

实施例3

本实施例用于说明本发明公开的氮化铝覆铜膜前体制备方法、氮化铝覆铜膜前体、氮化铝覆铜膜及其制备方法。

1、制备氮化铝覆铜膜前体

取15mm×15mm的氮化铝基材(福建华清电子材料科技有限公司生产，厚度为600μm)和8μm厚的铜片(上海昂科工业技术有限公司，ANK，铜片尺寸裁切为15mm×15mm)。

将铜片置于氮化铝基材表面。在空气中，将二者作为一个整体放置于高温炉中(宜兴市前锦炉业设备有限公司，SX2-10-13)加热，在1260℃下高温热处理40min，冷却至室温，得到覆铜膜半前体A3。

将覆铜膜半前体A3置于管式炉(上海祖发实业有限公司，SXJ)中，在氢气氩气混合气(氢气与氩气体积比为4∶6)的加热气氛下，以600℃的加热温度还原热处理3.2h。

冷却后得到氮化铝覆铜膜前体B3，其中，氮化铝基材厚度为600μm，金属层的厚度为8μm。

2、制备氮化铝覆铜膜

将上述氮化铝覆铜膜前体B3浸没于化学镀镍溶液(组成：2.0mol/l的硫酸镍、1.0mol/l的次亚磷酸钠、0.3mol/l的焦磷酸钾、0.1mol/l的氟化钠、0.3mol/l的正辛基硫酸钠溶液)中35min。在B3表面形成6μm厚的镍保护层。

在经过化学镀镍后的B3的保护层上放置20μm厚的Ag-Cu焊片(上海大华新型钎焊材料厂公司生产的Ag-Cu焊片，尺寸为15mm×15mm)，在Ag-Cu焊片上放置280μm厚的铜板(尺寸为15mm×15mm)。并在铜板上压放重量为4千克的铁块，然后在真空焊接炉(上海晨华电炉有限公司生产)中进行真空钎焊。真空焊接炉内压强为10^-3pa，焊接温度为960℃，焊接保温时间为15min，在焊接完成后降温速率控制在2℃/min，控制降温速率到400℃后随炉冷却。

得到氮化铝覆铜膜S3。其中，氮化铝基材厚度为600μm，金属层的厚度为8μm，镍保护层厚度为6μm，焊接层厚度为18μm，铜板厚度为280μm。

对氮化铝覆铜膜前体B3的表面和断面进行SEM(扫描电镜)分析，具体的SEM照片见图1和图2。

如图2所示，从左至右，B3的断面分为三层，即金属层(铜)、高温热处理时形成的中间层、氮化铝基材。可以看出，金属层(铜)比较疏松。

实施例4

本实施例用于说明本发明公开的氮化铝覆铜膜前体制备方法、氮化铝覆铜膜前体、氮化铝覆铜膜及其制备方法。

氮化铝覆铜膜的制备方法与实施例3相同，不同的是，在制备得到氮化铝覆铜膜前体后，进行化学镀之前还包括对该氮化铝覆铜膜前体进行二次烧结的步骤。

二次烧结的工艺为：将氮化铝覆铜膜前体放置于真空焊接炉(上海晨华电炉有限公司生产)中，抽真空，使炉内压强不大于10^-3pa，在1000℃下烧结2h。得到B4。

得到氮化铝覆铜膜S4。其中，氮化铝基材厚度为600μm，金属层的厚度为8μm，镍保护层厚度为6μm，焊接层厚度为18μm，铜板厚度为280μm。

对B4的断面进行SEM(扫描电镜)分析，具体的SEM照片见图3。

如图3所示，从左至右，B4的断面分为三层，即氮化铝基材、高温热处理时形成的中间层、金属层(铜)。可以看出，金属层(铜)非常致密。

实施例5

本实施例用于说明本发明公开的氮化铝覆铜膜前体制备方法、氮化铝覆铜膜前体、氮化铝覆铜膜及其制备方法。

氮化铝覆铜膜的制备方法与实施例4相同，不同的是，二次烧结的工艺为：将氮化铝覆铜膜前体放置于真空焊接炉(上海晨华电炉有限公司生产)中，抽真空，使炉内压强不大于10^-3pa，在1020℃下烧结2.5h。

得到氮化铝覆铜膜S5。其中，氮化铝基材厚度为600μm，金属层的厚度为8μm，镍保护层厚度为6μm，焊接层厚度为18μm，铜板厚度为280μm。

实施例6

本实施例用于说明本发明公开的氮化铝覆铜膜前体制备方法、氮化铝覆铜膜前体、氮化铝覆铜膜及其制备方法。

氮化铝覆铜膜的制备方法与实施例3相同，不同的是，形成金属预烧层的方法为：将氧化铜颗粒与乙基纤维素球磨20h，得到金属预烧层浆料。将金属预烧层浆料涂覆于氮化铝基材表面，形成10μm厚的金属预烧层。

其他步骤与实施例3相同。得到氮化铝覆铜膜S6。其中，氮化铝基材厚度为600μm，金属层的厚度为8μm，镍保护层厚度为6μm，焊接层厚度为18μm，铜板厚度为280μm。

对比例1

本对比例用于说明现有技术中的氮化铝覆铜膜。

在600μm厚的氮化铝基材上放置20μm厚的Ag-Cu焊片(上海大华新型钎焊材料厂公司生产的Ag-Cu焊片，尺寸为15mm×15mm)，在Ag-Cu焊片上放置280μm厚的铜板(尺寸为15mm×15mm)。并在铜板上压放重量为4千克的铁块，然后在真空焊接炉(上海晨华电炉有限公司生产)中进行真空钎焊。真空焊接炉内压强为10^-3pa，焊接温度为960℃，焊接保温时间为15min，在焊接完成后降温速率控制在2℃/min，控制降温速率到400℃后随炉冷却。

得到氮化铝覆铜膜D1。其中，氮化铝基材厚度为600μm，焊接层厚度为18μm，铜板厚度为280μm。

对比例2

本对比例用于说明现有技术中的氮化铝覆铜膜。

采用DBC法制备氮化铝覆铜膜，具体方法为：

(1)将600μm厚、尺寸为15×15mm的氮化铝陶瓷基片置于高温炉中(宜兴市前锦炉业设备有限公司，SX2-10-13)加热，加热的温度为1300℃，加热时间为30分钟，得到表面具有三氧化二铝层的氮化铝陶瓷基片。

(2)将280μm厚、尺寸为15×15mm的铜板置于管式炉中(上海祖发实业有限公司，SXJ)加热，加热的温度为1000℃，加热时间为30分钟，加热在含有0.3体积％氧气的氮气气氛下进行，气体流量为50毫升/分钟，得到表面具有氧化亚铜层的铜板。

(3)将步骤(1)得到的表面具有三氧化二铝层的氮化铝陶瓷基片的结合界面和步骤(2)得到的表面具有氧化亚铜层铜板的结合界面结合在一起，并在氮化铝陶瓷基片和铜箔上压放重量为4千克的铁块；之后在纯氮气氛下放入烧结炉中进行共晶钎焊，共晶钎焊的条件包括温度为1075℃，时间为5分钟，氮气的流量为40毫升/分钟，之后将共晶钎焊得到的产物浸泡在100毫升的硝酸溶液(浓度为60重量％的硝酸与蒸馏水以1∶5的比例混合)中5分钟，以除去铜箔非结合面的氧化层。

得到氮化铝覆铜膜D2。其中，氮化铝基材厚度为600μm，铜板厚度为280μm。性能测试

对以上制备的氮化铝覆铜膜S1-S6、D1和D2进行如下性能测试：

1、导热性能测试

导热性能的测试由上海硅酸盐研究所测试中心进行测试。测试仪器为上海硅酸盐研究所自行研制的“计算机运控的机关脉冲导热系数测定仪”。测试温度为：425℃

2、剥离强度测试

使用剥离强度测试机(东莞市长安亚星精密仪器有限公司生产的YX-BL-01A型剥离强度测试仪)进行测试。对氮化铝覆铜膜中的铜板进行90°(垂直)方向撕下，测试其剥离强度。

3、抗拉强度测试

在样品上焊接可伐合金柱，然后在拉力试验机(上海申联试验机厂，LDS-50)上垂直拉伸，拉伸变形速度为1mm/min，计算拉伸断裂时最大拉力与受力面积的比值，即得到结合强度值。

4、热循环次数测试

使用冷热循环试验机(庆声科技股份有限公司生产的KSKB-415TBS型冷热循环试验机)进行测试。将样品放入热冲击试验机中，以-20℃保温2min～150℃保温2min为一个循环进行测试。记录氮化铝覆铜膜出现弯曲、列横、铜膜脱落翘曲现象时的循环次数。

得到的测试结果如表1所示。

表1

从表1的测试结果可以看出，相比于现有技术，本发明公开的氮化铝覆铜膜的导热性能、剥离强度、抗拉强度及热循环性能得到了显著的提高。尤其是经过二次烧结后，对提高氮化铝覆铜膜的性能更有利。

Claims (11)

1.一种氮化铝覆铜膜前体的制备方法，包括

a、在氮化铝基材表面形成厚度为4-10μm的金属预烧层，该金属预烧层含有铜、氧化铜或氧化亚铜中的一种或几种；

b、将表面形成有金属预烧层的氮化铝基材置于氧化性气氛中，在1250-1350℃下进行高温热处理，得到覆铜膜半前体；

c、将覆铜膜半前体置于还原性气氛中，在550-650℃下还原热处理3-5h，在氮化铝基材表面形成金属层，得到氮化铝覆铜膜前体。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其中，所述铜、氧化铜或氧化亚铜为片状或颗粒状。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其中，所述金属层的厚度为4-10μm。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其中，在步骤c完成后，还包括将所述氮化铝覆铜膜前体在不大于10^-3pa的环境中，950-1050℃下进行烧结热处理。

5.一种氮化铝覆铜膜前体，其特征在于，通过权利要求1-4中任意一项所述的制备方法制得，该氮化铝覆铜膜前体包括氮化铝基材和位于氮化铝基材上的金属层，所述金属层的厚度为4-10μm。

6.一种氮化铝覆铜膜，依次包括氮化铝覆铜膜前体、保护层、焊接层、铜板，所述氮化铝覆铜膜前体为权利要求5所述的氮化铝覆铜膜前体。

7.根据权利要求6所述的氮化铝覆铜膜，其中，所述氮化铝基材厚度为300-1000μm，金属层的厚度为4-10μm，保护层厚度为5-10μm，焊接层厚度为10-40μm，铜板厚度为150-600μm。

8.根据权利要求6或7所述的氮化铝覆铜膜，其中，所述氮化铝覆铜膜的导热系数为170-190W/(m·K)，剥离强度为9-11N/mm，抗拉强度为25-28MPa，热循环次数为1300-1500cycles。

9.根据权利要求6或7所述的氮化铝覆铜膜，其中，所述保护层含有镍、铝、铜、锌、金、银中的一种或几种。

10.根据权利要求6所述的氮化铝覆铜膜的制备方法，包括：

根据权利要求1或4所述的制备方法制备氮化铝覆铜膜前体；

在氮化铝覆铜膜前体的金属层上依次形成保护层、焊接层及铜板。

11.根据权利要求10所述的制备方法，其中，所述在氮化铝覆铜膜前体的金属层上形成保护层的方法为化学镀或电镀；形成焊接层及铜板的方法为：采用真空焊接的方法，通过焊片将铜板焊接至保护层上，即得到焊接层、铜板。

Images