CN102208371B - 一种氮化铝陶瓷覆铜基板及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种氮化铝陶瓷覆铜基板，包括：氮化铝陶瓷基片、敷接于陶瓷基片的至少一表面上的铜箔，其中，所述陶瓷基片与铜箔之间形成有金属改性层，所述金属改性层中含有Cu2O、CuAlO2，并且还含有以下两组化合物中的至少一组：(1)、TixNy、TiO2，其中，X/Y＝0.25～1；(2)、MnO2。另外，本发明还提供了一种氮化铝陶瓷覆铜基板的制备方法。本发明通过磁控溅射的方法在氮化铝陶瓷基片的表面上形成金属混合物镀层，通过高温烧结使金属混合物镀层在自身烧结致密的同时，金属混合物镀层中的金属或其氧化物与陶瓷基片紧密结合，所形成的金属改性层能够改善氮化铝陶瓷基片的表面，从而与铜箔形成良好的敷接。
Description
技术领域
本发明涉及陶瓷金属化领域，具体涉及一种氮化铝陶瓷覆铜基板及其制备方法。
背景技术
绝大多数功率混合集成电路的封装材料一直沿用Al2O3和BeO陶瓷，但由于性能、环保、成本等因素，这些材料已不能完全适应功率电子器件发展的需要。因此，一种综合性能优越的新型陶瓷-AlN(氮化铝)陶瓷，无疑将成为传统Al2O3和BeO陶瓷的替代材料。与Al2O3和BeO陶瓷相比，AlN陶瓷不仅具有较高的热导率(理论导热系数达到320W/mK)，热膨胀系数与Si、Ge等半导体材料匹配良好，且具有良好的电学性能和机械强度，是理想的电力电子封装材料。
然而，由于AlN属于共价键较强的化合物，一般的钎料不能润湿AlN陶瓷的表面。要实现AlN与电子芯片的可靠连接，通常需要将AlN陶瓷进行表面金属化，因此，制作AlN陶瓷覆铜基板是AlN陶瓷得以应用的关键步骤。
直接覆铜法(DBC法)是目前最常用的大功率模块用覆铜陶瓷基板的制作方法，它主要是基于Al2O3陶瓷覆铜基板发展起来的陶瓷表面的金属化技术，与采用DBC法制备的Al2O3陶瓷覆铜基板相比，AIN-DBC基板除了具有铜箔的高导电特性外，还具有AIN陶瓷的高导热性能，在微电子工业中已部分取代了Al2O3陶瓷覆铜基板应用于大功率器件中。DBC法的基本要点是在微氧气氛下，被敷接到陶瓷基片表面的铜箔周围形成一层熔点低于纯铜熔点的铜氧共晶液相(Cu-Cu2O共晶液相)，该液相能够良好的润湿互相接触的铜箔和陶瓷基片表面，并形成CuAlO2等界面产物，使陶瓷基片与铜箔牢固的结合在一起。然而，由于AlN与Cu的界面润湿性差，Cu-O共晶液相对于AlN陶瓷表面的润湿角为142°(润湿性以润湿角来表征，润湿角越大表明该体系对AIN陶瓷的润湿性越差)，从而AIN陶瓷基片与铜箔不能形成牢固的结合。
目前，国外采用DBC法进行AlN覆铜工艺的AlN陶瓷都经过了特殊的预处理，目前常用的AlN陶瓷的预处理方法是将AlN陶瓷进行预氧化后，在AlN陶瓷表面形成一层薄而致密的Al2O3层，从而改善AlN陶瓷的表面状态，增大Cu-O共晶液相对其表面的润湿程度，从而达到更好的结合效果。然而，即使是经过氧化的AlN陶瓷基片，Cu-O共晶液相对于AlN陶瓷表面的润湿角也有92°，接合强度不高。并且AlN与Cu的热膨胀系数相差较大，在AlN陶瓷表面预氧化转变成Al2O3的过程中，表层的Al2O3由于膨胀而多孔、疏松，这就使得AlN与Al2O3的结合界面处产生较大的内应力，不利于陶瓷基片的热稳定，在Al2O3层会产生许多垂直于AlN陶瓷基片表面的裂缝，在Al2O3层与AlN层的结合界面处也会产生许多平行于AlN陶瓷基片表面的裂纹。同时，疏松的Al2O3表层容易使Cu-O共晶液相渗透到内部的AlN层，与AlN层发生反应生成N2，宏观上造成铜箔表面鼓泡，微观上表现为铜箔与陶瓷基片的结合界面处产生许多大小不一的气泡，降低二者的接合强度，增加了废品率。
发明内容
本发明为了解决现有技术中的氮化铝陶瓷覆铜基板的制备方法难以实现AlN陶瓷基片与铜箔的可靠敷接的技术问题。
本发明提供了一种氮化铝陶瓷覆铜基板，包括：氮化铝陶瓷基片、敷接于氮化铝陶瓷基片的至少一表面上的铜箔，其中，所述氮化铝陶瓷基片与铜箔之间形成有金属改性层，所述金属改性层中含有Cu2O、CuAlO2，并且还含有以下两组化合物中的至少一组：(1)、TixNy、TiO2，其中，X/Y＝0.25～1；(2)、MnO2。
优选地，所述TixNy中，X为2或3；Y为2或4；并且，当X＝2时，Y＝2；当X＝3时，Y＝4。
优选地，所述氮化铝陶瓷基片的厚度为200～1200μm；所述铜箔的厚度为200～600μm；所述金属改性层的厚度为1～1000nm。
优选地，所述金属改性层中含有Cu、Mn元素，并且Mn/Cu的摩尔比为0.23～0.78。
优选地，所述金属改性层中含有Cu、Ti元素，并且Ti/Cu的摩尔比为0.02～0.15。
优选地，所述金属改性层中含有Cu、Ti、Mn元素，并且Mn/Cu的摩尔比为0.06～0.74，Ti/Cu的摩尔比为0.02～0.23。
另外，本发明还提供了一种氮化铝陶瓷覆铜基板的制备方法，包括下述步骤：
S1、采用磁控溅射的方法在氮化铝陶瓷基片的表面上形成金属混合物镀层，所述金属混合物镀层中含有铜、并且还含有钛、锰中的至少一种元素；
S2、对该具有金属混合物镀层的氮化铝陶瓷基片进行高温烧结；
S3、将经过高温烧结的氮化铝陶瓷基片与经过预氧化的铜箔进行敷接，制得氮化铝陶瓷覆铜基板。
优选地，所述磁控溅射的靶材选用：Mn-Cu、Cu-Ti或者Cu-Mn-Ti体系，溅射时间为1～30min，电压为320～370V，电流为12～17A，形成的镀层厚度为1～1000nm。
优选地，所述金属混合物镀层中含有下述含量的金属元素：Cu60～98wt％；Mn 2～40wt％。
优选地，所述金属混合物镀层中含有下述含量的金属元素：Cu 90～98wt％；Ti 2～10wt％。
优选地，所述金属混合物镀层中含有下述含量的金属元素：Cu 60～90wt％；Mn 5～38wt％；Ti 2～10wt％。
优选地，所述高温烧结在空气或者含氧氮气气氛下进行，氧气含量为5～100％，烧结温度为1235～1300℃，保温时间为10～180min。
优选地，铜箔的预氧化在微氧惰性气体气氛下进行，含氧量为10～1000ppm，氧化温度为700～1050℃，时间为10～120min，在铜箔的表面生成Cu2O。
优选地，步骤S3在管式气氛炉中进行，保护气氛为纯度大于或者等于99.99％的N2，温度为1065～1083℃，时间为2～20min。
实施本发明的有益效果：
1)采用磁控溅射镀的方法可以精确控制AIN陶瓷基片表面的金属混合物镀层的厚度，可将镀层的厚度精确控制在1nm～2000nm，纳米级的镀层厚度能够最大限度的降低界面热阻；
2)通过高温烧结，金属混合物镀层在自身烧结致密的同时，金属混合物镀层中的金属(或其氧化物)与AlN陶瓷紧密结合到一起，形成的均匀致密的金属改性层，能够修复AlN氧化过程中产生的裂纹，并且该金属改性层可将AlN陶瓷基片与铜箔完全隔开，避免了Cu-O共晶液相渗透到内部的AlN层与AlN反应生成气泡，从而提高了成品率；
3)AlN陶瓷基片表面金属改性层的引入，在很大程度上改善了Cu-O共晶液相对陶瓷表面的润湿程度，降低了润湿角，使得Cu-O共晶液相能够充分润湿AlN陶瓷基片的表面，使得铜箔与AlN陶瓷基片的接合更容易实现；同时，金属改性层也改善了由于铜箔与AlN陶瓷基片的热应力不匹配导致的AlN陶瓷覆铜基板内部应力过大的缺陷；
4)Cu、Ti、Mn金属元素在高温烧结中起到的良好作用：
A、Cu元素：Cu在高温下生成Cu2O，并在1235℃熔化成液相，该液相可作为MnO2、TiO2等金属氧化物的中间粘结剂，使金属氧化物颗粒之间紧密粘结，从而增加颗粒之间的接合强度；并且，Cu2O可在很大程度上改善Cu-O共晶液相对AlN陶瓷基片表面的润湿性。
B、Ti元素：Ti元素可在高温下与AlN发生如下反应，AlN+Ti→TixNy+Al，增加表面金属层与AlN陶瓷基片的敷接强度，并氧化生成酸性氧化物TiO2。
C、Mn元素：Mn元素在空气中氧化生成MnO2，MnO2和TiO2作为酸性氧化物，可在很大程度上改善Cu-O共晶液相对对AlN陶瓷基片表面的润湿性。
具体实施方式
本发明提供了一种氮化铝陶瓷覆铜基板的制备方法，包括下述步骤：
步骤1、磁控溅射镀：使用磁控溅射的方法在清洗过的氮化铝陶瓷基片的表面进行溅射镀膜，使氮化铝陶瓷基片的表面形成一金属混合物镀层。
现有的磁控溅射法是在高真空中充入适量的氩气，在阴极靶材(柱状靶或平面靶)和阳极(镀膜室壁)之间施加几百伏的直流电压，在镀膜室内产生磁控型异常辉光放电，使氩气发生电离，氩离子被阴极加速并轰击阴极靶表面，将靶材表面的原子溅射出来沉积在基底表面上形成薄膜，通过更换不同材质的靶和控制不同的溅射时间，可以获得不同材质和不同厚度的镀膜层，磁控溅射法具有镀膜层与基材的结合力强、镀膜层致密、均匀等优点。
本发明磁控溅射的靶材选用：Mn-Cu、Cu-Ti、Cu-Mn-Ti体系中的一种，磁控溅射使AlN陶瓷基片的结合面(与铜箔相结合的表面)上形成一层薄而致密的金属混合物镀层，溅射时间为1～20min，电压为320～370V，电流为12～17A，氮化铝陶瓷基片的厚度为200～1200μm，其表面形成的镀层厚度为1nm～1000nm。在磁控溅射镀的过程中，通过控制不同靶材(例如：Mn-Cu体系使用Mn靶材和Cu靶材)的溅射时间或者通过在不同的靶材上施加不同的电压来控制溅射的速度，从而调节不同的金属元素在金属混合物镀层中的含量和比例。
根据具体需要，采用不同的靶材体系，磁控溅射后形成的金属混合物镀层中各金属元素的含量具体如下：
1)Mn-Cu体系：Mn 2wt％～40wt％；Cu 60wt％～98wt％；
2)Cu-Ti体系：Cu 90wt％～98wt％；Ti 2wt％～10wt％；
3)Cu-Mn-Ti体系：Cu 60wt％～90wt％；Mn 5wt％～38wt％；Ti 2wt％～10wt％。
本发明优选使用Cu-Mn体系进行磁控溅射镀，最终需要的镀层厚度优选100～500nm，而选用其他方法形成金属混合物镀层，例如：使用一般的涂覆、丝网印刷或者PVD(真空蒸镀)的方法很难实现精确控制，也很难达到纳米级的镀层厚度。
步骤2、对具有金属混合物镀层的AIN陶瓷基片进行高温烧结：将经过磁控溅射镀后，表面形成有金属混合物镀层的AlN陶瓷基片放入空气或含氧氮气(氧气含量为5％～100％)气氛下的箱式炉中进行烧结，烧结温度1235～1300℃，保温时间10～180min，使AlN陶瓷基片的表面氧化形成一Al2O3薄层的同时，金属混合物镀层也能发生相关的固相、液相反应(金属与陶瓷、以及金属与氧气的反应等)，各种化学反应式具体如下：
AlN+O2→Al2O3+N2↑；
Cu+O2→Cu2O；
AlN+Cu2O+O2→CuAlO2+N2↑；
Al2O3+Cu2O→CuAlO2；
AlN+Ti→TixNy+Al(其中，X＝1～3、Y＝1～4，并且X/Y＝0.25～1；优选当X＝2时，Y＝2，或者当X＝3时，Y＝4；因为AIN和Ti的反应主要为AlN+Ti→Ti2N2+Al，AlN+Ti→Ti3N4+Al反应；生成的TixNy主要为Ti2N2和Ti3N4的混合物)；
Ti+O2→TiO2；
Mn+O2→MnO2。
由上可知，金属混合物镀层在自身烧结致密的同时，金属混合物镀层中的金属(或其氧化物)会与AlN陶瓷(或AlN陶瓷表面的Al2O3层)紧密结合到一起，其特点在于：
1)、Cu金属会被氧化为Cu2O(Cu金属首先会被氧化为CuO，CuO在1000℃以上会发生分解，生成Cu2O和O2)，并在Cu2O的熔点1235℃以上形成液相，该液相作为中间粘结剂可增加金属混合物镀层的致密度，并为镀层体系提供了一个溶液平台，加速Ti与AIN的反应。同时，Cu2O会与AlN以及AIN氧化形成的Al2O3反应生成CuAlO2(Al2O3+Cu2O→CuAlO2；AlN+Cu2O+O2→CuAlO2+N2↑)，使得镀层与AlN陶瓷基片紧密结合，并且，在Cu2O液相且金属混合物镀层的厚度(1nm～1000nm)很薄的情况下，反应体系中的气体(例如：氮气、多余的氧气)会顺着Cu2O液相逸出到金属混合物镀层的表面并释放到外界环境中。由此，避免了在传统的AlN-DBC工艺中，因发生AlN+O2→Al2O3+N2↑；AlN+Cu2O+O2→CuAlO2+N2↑等反应，在Cu-AlN的结合界面处生成的N2，由于AIN的表面覆盖有较厚的铜箔(厚度为0.3mm左右)，而无法释放到外界环境中，残留在铜箔与AIN陶瓷基片的结合界面处产生气泡。
2)、Ti元素可与AlN发生反应生成TixNy(AlN+Ti→TixNy+Al)，正是由于这个生成TixNy的反应，可使金属混合物镀层与AlN陶瓷基片进一步紧密结合。与此同时，在金属混合物镀层表面分布的Ti元素会和环境中的O2反应生成TiO2，作为酸性氧化物的TiO2，可以在很大程度上改善Cu-O共晶液相对AlN陶瓷基片表面的润湿性。
3)、Mn元素在空气中会被氧化成MnO2，由于Cu2O和CuO是碱性氧化物，从酸碱中和角度而言，碱性氧化物的液相更倾向于润湿酸性氧化物表面，因而，作为酸性氧化物的MnO2和TiO2，可以在很大程度上改善Cu-O共晶液相对AlN陶瓷基片表面的润湿性。
步骤3、铜箔的预氧化：将清洗抛光后的铜箔放入气氛炉中，在微氧惰性气体气氛(含氧量为10～1000ppm，氮气为保护气体)下进行氧化，氧化温度为700～1050℃(当铜箔在微氧环境下氧化时，在低于1000℃的温度下也可以氧化成Cu2O)，保温10～120min，铜箔的表面经过预氧化生成Cu2O；所述铜箔的厚度为200～600μm，铜箔预氧化的方法为本领域的技术人员所公知，以达到在铜箔的表面生成Cu2O的目的。
步骤4、铜箔与AlN陶瓷基片的敷接：将经过高温烧结的AlN陶瓷基片与经过预氧化的铜箔叠合后放入管式气氛炉中进行敷接，保护气氛为N2(纯度≥99.99％)，敷接温度为1065～1083℃，铜箔的表面形成Cu-O共晶液相，保温时间为2～20min，然后冷却到室温，然后去除铜箔非结合面上的预氧化层，制得氮化铝陶瓷覆铜基板。
可以理解的是，采用上述制备方法制得的AlN陶瓷覆铜基板由于中间金属混合物镀层的引入，并经过高温烧结后，在AlN陶瓷基片表面形成一金属改性层，该金属改性层中的主要成分是CuO(由于CuO→Cu2O+O2为可逆反应，在高温烧结后的降温过程中，Cu2O与空气中的氧反应生成CuO)，并且还含有CuAlO2，以及选择性的含有以下两组化合物中的至少一组：(1)、TixNy、TiO2，其中，X/Y＝0.25～1；(2)、MnO2。在DBC敷接过程中，CuO会分解成Cu2O和O2(由于在DBC工艺中，对铜箔进行了弯曲弧度处理，铜箔与AlN陶瓷基片的接触面很小，因此生成的O2不会存留在界面，而是释放到环境中，达到敷接温度后，铜箔由于高温软化会慢慢的铺展到AlN陶瓷基片表面并进行敷接。)由于敷接过程在N2保护下进行，在DBC敷接后，AlN陶瓷基片与铜箔之间的金属改性层中含有Cu2O、CuAlO2，并且还含有以下两组化合物中的至少一组：(1)、TixNy、TiO2，其中，X/Y＝0.25～1；(2)、MnO2。
由上可知，在金属混合物镀层中的金属元素的含量在高温烧结和敷接过程中并不发生改变，因而可以估算出金属改性层中金属元素的摩尔比：
1)金属混合物镀层中含有Mn 2wt％～40wt％、Cu 60wt％～98wt％；最终形成的金属改性层中含有Cu2O、CuAlO2、MnO2，并且Mn/Cu的摩尔比为0.23～0.78。
2)金属混合物镀层中含有Cu 90wt％～98wt％、Ti 2wt％～10wt％；最终形成的金属改性层中含有Cu2O、CuAlO2、TixNy、TiO2，并且Ti/Cu的摩尔比为0.02～0.15。
3)金属混合物镀层中含有Cu 60wt％～90wt％、Mn 5wt％～38wt％；Ti 2wt％～10wt％；最终形成的金属改性层中含有Cu2O、CuAlO2、MnO2、TixNy、TiO2，并且Mn/Cu的摩尔比为0.06～0.74，Ti/Cu的摩尔比为0.02～0.23。
上述金属改性层的形成，降低了Cu-O共晶液相对AlN陶瓷基片表面的润湿角，增加了铜箔与陶瓷基片的接合强度，使得铜箔和陶瓷基片的接合更为容易实现，并且，由于Cu-O共晶液相直接接触的是AlN陶瓷基片表面的金属改性层，从而避免了普通DBC过程中界面气泡现象的出现，在很大程度上提高了成品率。其原因在于：1)，Cu-O共晶液相对于金属材料有较好的润湿性能；2)AlN陶瓷基片表面的金属改性层大多数成分为Cu2O，根据相近相容的原理，铜箔表面的Cu-O共晶液相会充分润湿AlN陶瓷基片表面，并且在AlN陶瓷基片侧也会形成Cu-O共晶液相，从而使AlN陶瓷基片与铜箔能够很好的敷接到一起。
下面通过具体实施例对本发明做进一步的具体描述。
实施例1
1、制备AlN陶瓷基片表面的金属混合物镀层
取15mm×15mm×600μm的氮化铝陶瓷基片(日本丸和公司)，使用多弧离子镀膜机(深圳市振恒昌实业有限公司)进行磁控溅射镀，将氮化铝陶瓷基片置于该设备中，镀膜时间为17min，电压为370V，电流为17A，选用Cu-Mn体系的靶材，通过控制Cu靶材、Mn靶材的溅射时间来控制Cu、Mn元素在镀层中的含量，本次试验制备的金属混合物镀层的成分：Cu 75wt％、Mn 25wt％，镀层厚度为500nm。
2、高温烧结处理
将表面具有金属混合物镀层的氮化铝陶瓷基片放置于高温炉中(宜兴市前锦炉业设备有限公司，SX2-10-13)加热，在1260℃下进行高温热处理60min，冷却至室温，得到表面处理后的氮化铝陶瓷基片A1，氮化铝陶瓷基片A1的表面经过高温烧结形成有金属改性层。
3、铜箔预氧化
取15mm×15mm×280μm厚的铜箔(上海昂科工业技术有限公司)置于管式炉中(上海祖发实业有限公司)，在氧气含量为300ppm的氮气气氛下进行加热，气体流量为200毫升/分钟，加热温度为960℃，加热时间为30分钟，得到预氧化后的铜箔B1，铜箔B1的表面经过预氧化形成预氧化(Cu2O)层。
4、DBC敷接处理
将经步骤1、2制得的氮化铝覆铜基板A1与经过步骤3制得的B1叠放在一起，使氮化铝覆铜基板A1的金属改性层与铜箔B1的预氧化层相接触，再放入气氛烧结炉中进行DBC敷接处理，DBC敷接处理的条件包括：在纯氮气氛下，氮气的流量为200毫升/分钟，温度为1075℃，时间为6分钟。之后将敷接处理后得到的产物浸泡在100毫升的硝酸溶液(浓度为60wt％的硝酸与蒸馏水以1∶5的比例混合)中6分钟，以除去铜箔的非结合面上的预氧化层，得到氮化铝覆铜基板C1。(氮化铝覆铜基板C1的陶瓷基片与铜箔之间的金属改性层中含有Cu2O、CuAlO2、MnO2，并且，Mn/Cu的摩尔比为0.39。)
实施例2
1、制备AlN陶瓷基片表面的金属混合物镀层
取15mm×15mm×600μm的氮化铝陶瓷基片(福建华清电子材料技术有限公司生产)，使用多弧离子镀膜机(深圳市振恒昌实业有限公司)进行磁控溅射镀试验，将氮化铝陶瓷基片置于该设备中，镀膜时间为27min，电压为320V，电流为16A，选用Cu-Ti体系的靶材，通过控制Cu靶材、Ti靶材的溅射时间来控制Cu、Ti元素在镀层中的含量，本次试验制备的金属混合物镀层的成分：Cu 93wt％、Ti 7wt％，镀层厚度为900nm。
2、高温烧结处理
将表面具有金属混合物镀层的氮化铝陶瓷基片放置于高温炉中(宜兴市前锦炉业设备有限公司，SX2-10-13)加热，在1240℃下进行高温热处理90min，冷却至室温，得到表面处理后的氮化铝陶瓷基片A2，氮化铝陶瓷基片A2的表面经过高温烧结形成有金属改性层。
3、铜箔预氧化
取15mm×15mm×280μm厚的铜箔(上海昂科工业技术有限公司)置于管式炉中(上海祖发实业有限公司)，在氧气含量为400ppm的氮气气氛下进行加热，气体流量为200毫升/分钟，加热温度为970℃，加热时间为30分钟，得到预氧化后的铜箔B2，铜箔B2的表面经过预氧化形成预氧化层。
4、DBC敷接处理
将经步骤1、2制得的氮化铝覆铜基板A2与经过步骤3制得的B2叠放在一起，使氮化铝覆铜基板A2的金属改性层与铜箔B2的预氧化层相接触，再放入气氛烧结炉中进行DBC敷接处理，DBC敷接处理的条件包括：在纯氮气氛下，氮气的流量为40毫升/分钟，温度为1080℃，时间为8分钟。之后将敷接处理后得到的产物浸泡在100毫升的硝酸溶液(浓度为60wt％的硝酸与蒸馏水以1∶5的比例混合)中5分钟，然后用去离子水冲洗干净，以除去铜箔的非结合面上的预氧化层，得到氮化铝覆铜基板C2。(氮化铝覆铜基板C2的陶瓷基片与铜箔之间的金属改性层中含有Cu2O、CuAlO2、TixNy、TiO2，并且，Ti/Cu的摩尔比为0.1。)
实施例3
1、制备AlN陶瓷基片表面的金属混合物镀层
取15mm×15mm×630μm的氮化铝陶瓷基片(日本丸和公司)，使用多弧离子镀膜机(深圳市振恒昌实业有限公司)进行磁控溅射镀，将氮化铝陶瓷基片置于该设备中，镀膜时间为12min，电压为350V，电流为12A，选用Cu-Mn-Ti体系的靶材，通过控制Cu靶材、Mn靶材、Ti靶材的溅射时间来控制Cu、Mn、Ti元素在镀层中的含量，本次试验制备的金属混合物镀层的成分：Cu 70wt％、Mn 25wt％、Ti 5wt％，镀层厚度为350nm。
2、高温烧结处理
将表面具有金属混合物镀层的氮化铝陶瓷基片放置于高温炉中(宜兴市前锦炉业设备有限公司，SX2-10-13)加热，在1290℃下进行高温热处理45min，冷却至室温，得到表面处理后的氮化铝陶瓷基片A3，氮化铝陶瓷基片A3的表面经过高温烧结形成有金属改性层。
3、铜箔预氧化
取15mm×15mm×280μm厚的铜箔(上海昂科工业技术有限公司)置于管式炉中(上海祖发实业有限公司)，在氧气含量为500ppm的氮气气氛下进行加热，气体流量为50毫升/分钟，加热的温度为930℃，加热时间为20分钟，得到预氧化后的铜箔B3，铜箔B3的表面经过预氧化形成预氧化层。
4、DBC敷接处理
将经步骤1、2制得的氮化铝覆铜基板A3与经过步骤3制得的B3叠放在一起，使氮化铝覆铜基板A3的金属改性层与铜箔B3的预氧化层相接触，再放入气氛烧结炉中进行DBC敷接处理，DBC敷接处理的条件包括：在纯氮气氛下，氮气的流量为40毫升/分钟，温度为1075℃，时间为7分钟。之后将敷接处理后得到的产物浸泡在100毫升的硝酸溶液(浓度为60wt％的硝酸与蒸馏水以1∶5的比例混合)中5分钟，然后用去离子水冲洗干净，以除去铜箔的非结合面上的预氧化层，得到氮化铝覆铜基板C3。(氮化铝覆铜基板C3的陶瓷基片与铜箔之间的金属改性层中含有Cu2O、CuAlO2、TixNy、TiO2、以及MnO2，并且Mn/Cu的摩尔比为0.42，Ti/Cu的摩尔比为0.1。)
对比例1
本对比例用于说明现有技术中的氮化铝覆铜基板。
采用常规的DBC法制备氮化铝覆铜基板，具体方法为：
1、将尺寸为15mm×15mm×600μm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、将尺寸为15mm×15mm×280μm的铜箔置于管式炉中(上海祖发实业有限公司，SXJ)加热，加热温度为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箔。
3、将步骤1得到具有三氧化二铝层的氮化铝陶瓷基片和步骤2得到具有氧化亚铜层的铜箔叠合在一起，再放入烧结炉中进行敷接处理，敷接处理的条件包括：在纯氮气氛下，氮气的流量为40毫升/分钟，温度为1075℃，时间为5分钟。之后将敷接处理得到的产物浸泡在100毫升的硝酸溶液(浓度为60wt％的硝酸与蒸馏水以1∶5的比例混合)中5分钟，然后用去离子水冲洗干净，以除去铜箔的非结合面上的氧化层，得到氮化铝覆铜基板C4。
性能测试
将上述实施例1～3制备的氮化铝覆铜基板C1-C3和对比例1制备的氮化铝覆铜基板C4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，对氮化铝覆铜基板中的铜箔进行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50mm/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-50℃保温30min、150℃保温30min为一个循环进行测试，记录氮化铝覆铜基板出现弯曲、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
| 样品 | 介电强度(kV/mm) | 导热性能W/(m·K) | 剥离强度N/mm | 抗拉强度MPa | 热循环cycles |
| C1 | 8.9 | 171 | 7.3 | 25.9 | 168 |
| C2 | 8.9 | 176 | 8.1 | 26.3 | 193 |
| C3 | 8.9 | 172 | 7.9 | 26.1 | 217 |
| C4 | 8.9 | 163 | 4.2 | 23.6 | 87 |
从表1的测试结果可以看出，相比于现有技术，本发明的氮化铝覆铜基板的导热性能、剥离强度、抗拉强度及热循环性能都得到了显著的提高。
Claims (14)
1.一种氮化铝陶瓷覆铜基板，包括：氮化铝陶瓷基片、敷接于氮化铝陶瓷基片的至少一表面上的铜箔，其特征在于，所述氮化铝陶瓷基片与铜箔之间形成有金属改性层，所述金属改性层中含有Cu2O、CuAlO2，并且还含有以下两组化合物中的至少一组：(1)、TixNy、TiO2，其中，X/Y＝0.25～1；(2)、MnO2。
2.根据权利要求1所述的氮化铝陶瓷覆铜基板，其特征在于，所述TixNy中，X为2或3；Y为2或4；并且，当X＝2时，Y＝2；当X＝3时，Y＝4。
3.根据权利要求1所述的氮化铝陶瓷覆铜基板，其特征在于，所述氮化铝陶瓷基片的厚度为200～1200μm；所述铜箔的厚度为200～600μm；所述金属改性层的厚度为1～1000nm。
4.根据权利要求1～3任意一项所述的氮化铝陶瓷覆铜基板，其特征在于，所述金属改性层中含有Cu、Mn元素，并且Mn/Cu的摩尔比为0.23～0.78。
5.根据权利要求1～3任意一项所述的氮化铝陶瓷覆铜基板，其特征在于，所述金属改性层中含有Cu、Ti元素，并且Ti/Cu的摩尔比为0.02～0.15。
6.根据权利要求1～3任意一项所述的氮化铝陶瓷覆铜基板，其特征在于，所述金属改性层中含有Cu、Ti、Mn元素，并且Mn/Cu的摩尔比为0.06～0.74，Ti/Cu的摩尔比为0.02～0.23。
7.一种氮化铝陶瓷覆铜基板的制备方法，其特征在于，
S1、采用磁控溅射的方法在氮化铝陶瓷基片的表面上形成金属混合物镀层，所述金属混合物镀层中含有铜、并且还含有钛、锰中的至少一种元素；
S2、对该具有金属混合物镀层的氮化铝陶瓷基片进行高温烧结；
S3、将经过高温烧结的氮化铝陶瓷基片与经过预氧化的铜箔进行敷接，制得氮化铝陶瓷覆铜基板。
8.根据权利要求7所述的氮化铝陶瓷覆铜基板的制备方法，其特征在于，所述磁控溅射的靶材选用：Mn-Cu、Cu-Ti或者Cu-Mn-Ti体系，溅射时间为1～30min，电压为320～370V，电流为12～17A，形成的镀层厚度为1～1000nm。
9.根据权利要求7或8所述的氮化铝陶瓷覆铜基板的制备方法，其特征在于，所述金属混合物镀层中含有下述含量的金属元素：Cu 60～98wt％；Mn 2～40wt％。
10.根据权利要求7或8所述的氮化铝陶瓷覆铜基板的制备方法，其特征在于，所述金属混合物镀层中含有下述含量的金属元素：Cu 90～98wt％；Ti 2～10wt％。
11.根据权利要求7或8所述的氮化铝陶瓷覆铜基板的制备方法，其特征在于，所述金属混合物镀层中含有下述含量的金属元素：Cu 60～90wt％；Mn 5～38wt％；Ti 2～10wt％。
12.根据权利要求7所述的氮化铝陶瓷覆铜基板的制备方法，其特征在于，所述高温烧结在空气或者含氧氮气气氛下进行，氧气含量为5～100％，烧结温度为1235～1300℃，保温时间为10～180min。
13.根据权利要求7所述的氮化铝陶瓷覆铜基板的制备方法，其特征在于，铜箔的预氧化在微氧惰性气体气氛下进行，含氧量为10～1000ppm，氧化温度为700～1050℃，时间为10～120min，在铜箔的表面生成Cu2O。
14.根据权利要求7所述的氮化铝陶瓷覆铜基板的制备方法，其特征在于，步骤S3在管式气氛炉中进行，保护气氛为纯度大于或者等于99.99％的N2，温度为1065～1083℃，时间为2～20min。
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