CN102452843B - 一种氧化铝陶瓷覆铜板及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种氧化铝陶瓷覆铜板的制备方法，该方法包括以下步骤：S1、在铜板的一表面形成氧化铜层；S2、将铜板的氧化铜层与氧化铝陶瓷板叠加，形成叠合体；S3、将叠合体在惰性气氛下加热到1000℃-1064℃热处理，使氧化铜还原为氧化亚铜，形成陶瓷覆铜板前躯体；S4、将陶瓷覆铜板前躯体进行烧结，制的氧化铝陶瓷覆铜板。本发明还提供了由该方法制备的氧化铝陶瓷覆铜板。本发明的制备方法可以用常用的方法在铜片表面形成一层氧化铜层，温度低且对含氧量没有特别的限制，只要在空气环境中即可。工艺简单且对设备的要求低并且金额以减少能源损耗。
Description
技术领域
本发明属陶瓷金属化领域，涉及一种陶瓷覆铜板的制备方法及其产品，尤其涉及一种氧化铝陶瓷覆铜板的制备方法及其氧化铝陶瓷覆铜板。
背景技术
随着电力电子技术的发展，新型电力电子器件的封装方向采用模块化，而其中导热的陶瓷覆铜板是关键材料。而陶瓷(AlN或Al2O3)覆铜板的生产常采用直接覆铜法DBC(Direct Bonding Copper)工艺，该工艺是利用Cu和Cu2O在1064℃-1083℃之间产生Cu-Cu2O共晶液相作为铜板和陶瓷板之间的粘接剂将二者覆接在一起。覆接后的陶瓷覆铜板的剥离强度达到60N/cm以上，并具有良好的导热性、耐冷热冲击性、较高的使用温度等优点，适用于各种功率模块中的芯片衬底。
陶瓷覆铜板的生产主要有原材料清洗、铜片预氧化、叠加烧结等工序，其中最复杂的便是铜片预氧化工序，传统的工艺要求铜片需要在800℃-1050℃且氧分压控制在100-200ppm的范围内保温10-30min的时间，才能达到较好的氧化效果，该工序对于设备的要求很高，尤其是氧含量，稍有偏差便无法获得较好的氧化效果。
发明内容
本发明要解决的技术问题是现有的制备氧化铝陶瓷覆铜板的方法工艺复杂、对设备要求高、工艺条件不易控制的缺陷，从而提供一种工艺简单、对设备要求低、工艺条件容易控制的陶瓷覆铜板的制备方法及其氧化铝陶瓷覆铜板。
本发明提供一种氧化铝陶瓷覆铜板的制备方法，该方法包括以下步骤：
S1、在铜板的一表面形成氧化铜层；
S2、将铜板的氧化铜层与氧化铝陶瓷板叠加，形成叠合体；
S3、将叠合体在惰性气氛下加热到1000℃-1064℃热处理，使氧化铜还原为氧化亚铜，形成陶瓷覆铜板前躯体；
S4、将陶瓷覆铜板前躯体进行烧结，制的氧化铝陶瓷覆铜板。
本发明还提供了一种氧化铝陶瓷覆铜板，所述氧化铝陶瓷覆铜板为本发明所述的方法制备。
本发明的制备方法可以用常用的方法在铜片表面形成一层氧化铜层，温度低且对含氧量没有特别的限制，只要在空气环境中即可。工艺简单且对设备的要求低并且金额以减少能源损耗。
具体实施方式
根据本发明所提供的制备方法，所述在铜板表面形成氧化铜层的方法是将铜板在空气中加热到200℃-300℃进行氧化；所述氧化时间没有特别的限制，只要能在铜板表面形成一层致密的氧化铜膜层即可，为了使铜板能够很好的与陶瓷结合，优选地，所述氧化时间为5-120min。此种方法是本领域技术人员所公知的制备氧化铜的方法，该方法简单且温度要求低，对氧气的含量没有特别的限制，在空气环境中即可完成。
根据本发明所提供的制备方法，为了只在铜片的一表面形成氧化铜层，在铜片入炉前，在其下面垫一块平整的玻璃板或陶瓷板即可保证其背面基本不氧化。
根据本发明所提供的制备方法，所述氧化铜的厚度没有特别的限制，为了使铜板能够很好的与氧化铝陶瓷结合，优选地，所述氧化铜层的厚度为1-30微米。如果氧化铜层的厚度太薄，则不能形成足够的Cu2O-Cu共晶液相以润湿氧化铝陶瓷板表面，如果氧化铜层的厚度太厚则会导致后期CuO在转变成Cu2O的转变不充分，如转变后有CuO存在，则会增加氧化铝陶瓷覆铜板的界面气孔率。
所述铜片和氧化铝陶瓷板的厚度没有特别限制，根据实际使用情况，所述铜片的厚度为150-300μm，所述氧化铝陶瓷板的厚度为300-1000μm。
根据本发明所提供的制备方法，所述热处理的温度为1000℃-1064℃，氧化铜在1000℃以上会发生如下的分解反应4CuO→2Cu2O+O2。所述热处理的时间没有特别的限制，只要能使氧化铜全部还原为氧化亚铜即可，为了使氧化铜完全还原为氧化亚铜且节约能源，优选地，所述热处理的时间为5-60min。
根据本发明所提供的制备方法，所述烧结的温度为1065℃-1082℃，所述烧结的温度高于低共熔点1065℃时，出现Cu-Cu2O共晶液相，其中的Cu2O相与Al2O3陶瓷有着良好的化学亲合性，使界面能降低，使共晶液相能很好的润湿铜和陶瓷。同时，液相中的Cu2O与Al2O3发生化学反应，形成CuAlO2，冷却后通过Cu-Al-O化学键，Cu2O与金属接触的一端，以Cu-O粒子键将Cu2O与铜层紧密联系起来。并且，反应体系中的气体(例如：氮气、多余的氧气)会顺着Cu2O液相逸出到并释放到外界环境中。所述烧结的时间没有特别的限制，只要能使形成的Cu-Cu2O共晶液相足够将铜与氧化铝陶瓷结合即可，为了使铜与氧化铝陶瓷充分的结合，优选地，所述烧结的时间为1-20min。
根据本发明所提供的制备方法，为了防止铜片的另一面被氧化，优选地，所述惰性气氛是氮气或氩气。所述氮气或氩气的纯度没有限制，为了保证共晶液不被污染，优选地，所述氮气或氩气的纯度为99.99％以上。
根据本发明所提供的制备方法，由于本发明的氧化铝陶瓷是与低温的有氧化铜层的铜片叠合的，所以在热处理之后就不必要再次降温后再升温烧结，而可以在热处理的高温的基础上直接加温到烧结的温度，然后进行烧结。这样不仅可以节约大量的能量而且可以节省低温及升温的时间。
本发明还提供了一种氧化铝陶瓷覆铜板，所述氧化铝陶瓷覆铜板为本发明所述的方法制备。
本发明由于是在低温将铜氧化为氧化铜后即将铜板与陶瓷板叠加，然后加热使氧化铜还原为氧化亚铜的，所以在氧化铜还原为氧化亚铜之后即可以直接加温到烧结温度后进行烧结，而不用像现有技术一样在高温下将铜氧化为氧化亚铜然后降温到室温以后将铜板与陶瓷板叠加后再进行烧结。可以节约能源。
下面通过实施例对本发明进行详细的说明。
实施例1
(1)将0.3mm的无氧铜带裁切成100*100mm大小，经过除油、酸洗、水洗、烘干，在其下面垫一块平整的玻璃板后放入到已升温到280℃的烘箱中，氧化5min后取出。使没有与玻璃板接触的那个表面形成一层为1微米的氧化铜层。
(2)将氧化铜层的一面与厚度为300μm的Al2O3陶瓷板接触叠加，形成叠合体；
(3)将叠合体放到气氛炉中，升温到1050℃，保温10min，使CuO完全转化成Cu2O，全过程通入纯度不小于99.99％的氮气；
(4)在步骤(3)的基础上再将温度升高到1073℃进行烧结，保温10min，然后降温到室温，制得氧化铝覆铜板A1，全过程通入纯度不小于99.99％的氮气。
实施例2
(1)将0.3mm的无氧铜带裁切成100*100mm大小，经过除油、酸洗、水洗、烘干，在其下面垫一块平整的玻璃板后放入到已升温到200℃的烘箱中，氧化120min后取出。使没有与玻璃板接触的那个表面形成一层为30微米的氧化铜层。
(2)将氧化铜层的一面与厚度为1000μm的Al2O3陶瓷板接触叠加，形成叠合体；
(3)将叠合体放到气氛炉中，升温到1000℃，保温60min，使CuO完全转化成Cu2O，全过程通入纯度不小于99.99％的氮气；
(4)在步骤(3)的基础上再将温度升高到1065℃进行烧结，保温20min，然后降温到室温，制得氧化铝覆铜板A12，全过程通入纯度不小于99.99％的氮气。
实施例3
(1)将0.3mm的无氧铜带裁切成100*100mm大小，经过除油、酸洗、水洗、烘干，在其下面垫一块平整的玻璃板后放入到已升温到300℃的烘箱中，氧化90min后取出。使没有与玻璃板接触的那个表面形成一层为20微米的氧化铜层。
(2)将氧化铜层的一面与厚度为500μm的Al2O3陶瓷板接触叠加，形成叠合体；
(3)将叠合体放到气氛炉中，升温到1064℃，保温5min，使CuO完全转化成Cu2O，全过程通入纯度不小于99.99％的氮气；
(4)在步骤(3)的基础上再将温度升高到1080℃进行烧结，保温15min，然后降温到室温，制得氧化铝覆铜板A13，全过程通入纯度不小于99.99％的氮气。
实施例4
(1)将0.3mm的无氧铜带裁切成100*100mm大小，经过除油、酸洗、水洗、烘干，在其下面垫一块平整的玻璃板后放入到已升温到250℃的烘箱中，氧化45min后取出。使没有与玻璃板接触的那个表面形成一层为10微米的氧化铜层。
(2)将氧化铜层的一面与厚度为300μm的Al2O3陶瓷板接触叠加，形成叠合体；
(3)将叠合体放到气氛炉中，升温到1040℃，保温20min，使CuO完全转化成Cu2O，全过程通入纯度不小于99.99％的氮气；
(4)在步骤(3)的基础上再将温度升高到1070℃进行烧结，保温5min，然后降温到室温，制得氧化铝覆铜板A4，全过程通入纯度不小于99.99％的氮气。
实施例5
(1)将0.3mm的无氧铜带裁切成100*100mm大小，经过除油、酸洗、水洗、烘干，在其下面垫一块平整的玻璃板后放入到已升温到280℃的烘箱中，氧化25min后取出。使没有与玻璃板接触的那个表面形成一层为5微米的氧化铜层。
(2)将氧化铜层的一面与厚度为1000μm的Al2O3陶瓷板接触叠加，形成叠合体；
(3)将叠合体放到气氛炉中，升温到1050℃，保温30min，使CuO完全转化成Cu2O，全过程通入纯度不小于99.99％的氮气；
(4)在步骤(3)的基础上再将温度升高到1082℃进行烧结，保温20min，然后降温到室温，制得氧化铝覆铜板A5，全过程通入纯度不小于99.99％的氮气。
对比例1
(1)将0.3mm后的无氧铜带裁切成100*100mm大小，经过除油、酸洗、水洗、烘干后放入管式炉中，升温到1050℃，保温30min，之后降温到室温取出，全过程均需通入氧含量为150ppm的氮气。氧化好的铜片为一面有均匀的一层Cu2O，一面没有氧化。
(2)将氧化后铜片中有Cu2O的一面与Al2O3陶瓷片接触叠加，放入管式炉中，升温到1073保温10min，然后降温到室温，制得氧化铝覆铜板D1，全过程通入纯度不小于99.99％的氮气。
性能测试
对以上制备的氮化铝覆铜膜A1-A5和D1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。将AlN覆铝板上的铝片蚀刻成5mm*10mm的长条，然后在剥离强度测试机上进行90°(垂直)方向撕下，测试其剥离强度，剥离速度50mm/min，测量频率10次/s。
3、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
由表1可以看出，用本发明的方法制备得到的氧化铝陶瓷覆铜板的剥离强度及热循环性能都比用对比例的方法制备得到的氧化铝陶瓷覆铜板好。同时通过实施例1-5和对比例1的制备过程的比较可以看出，本发明只需要在空气环境中在较低的温度下将铜氧化为氧化亚铜，工艺简单且对设备的要求低并且金额以减少能源损耗。
Claims (9)
1.一种氧化铝陶瓷覆铜板的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
S1、在铜板的一表面形成氧化铜层；
S2、将铜板的氧化铜层与氧化铝陶瓷板叠加，形成叠合体；
S3、将叠合体在惰性气氛下加热到1000℃-1064℃热处理，使氧化铜还原为氧化亚铜，形成陶瓷覆铜板前躯体；
S4、将陶瓷覆铜板前躯体进行烧结，制得氧化铝陶瓷覆铜板，所述烧结的温度为1065℃-1082℃。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述在铜板表面形成氧化铜层的方法是将铜板在空气中加热到200℃-300℃进行氧化。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述氧化时间为5-120min。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述热处理的时间为5-60min。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述氧化铜层的厚度为1-30微米。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述惰性气氛是氮气或氩气。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述烧结的时间为1-20min。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述烧结的方法为在S3的基础上直接加温到烧结的温度，然后进行烧结。
9.一种氧化铝陶瓷覆铜板，其特征在于：所述氧化铝陶瓷覆铜板为权利要求1-8任意一项所述的方法制备。
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