CN102452844A - 一种氮化铝覆铝基板及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种氮化铝覆铝基板及其制备方法，该基板包括氮化铝陶瓷基片、位于氮化铝陶瓷基片的至少一表面上的铝层，所述氮化铝陶瓷基片与铝层之间依次设置有氧化物改性层和铝硅合金焊片层，所述改性层中含有Cu₂O，并且还含有以下两组化合物中的至少一组：(1)、CuAlO₂、CuAl₂O₄、Al₂O₃；(2)、CuSiO₂、SiO₂。本发明氮化铝覆铝基板的结合力很好，且耐热冲击能力强。

Description

一种氮化铝覆铝基板及其制备方法

技术领域

本发明涉及氮化铝覆铝基板及其制备方法，属陶瓷金属化领域。

背景技术

随着电子器件发展，作为传统的功率混合集成电路的封装材料的Al₂O₃和BeO陶瓷，由于自身的性能、环保、成本等因素，已不能满足需要。因此，一种综合性能优越的新型陶瓷-AlN(氮化铝)陶瓷，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)，良好的电学性能和机械强度，并且他的热膨胀系数与Si、Ge等半导体材料匹配良好，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，最常用的AlN金属化方法便是AlN覆铜，但是AlN覆铜板耐冷热冲击性较差的缺点严重制约它的应用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是现有的氮化铝覆铜基板的耐冷热冲击性较差，从而提供一种耐冷热冲击性好的氮化铝覆铝基板及其制备方法。

本发明提供了一种氮化铝覆铝基板，该基板包括氮化铝陶瓷基片、位于氮化铝陶瓷基片的至少一表面上的铝层，所述氮化铝陶瓷基片与铝层之间依次设置有氧化物改性层和铝硅合金焊片层，所述氧化物改性层中含有Cu₂O，并且还含有以下两组化合物中的至少一组：(1)、CuAlO₂、CuAl₂O₄、Al₂O₃；(2)、CuSiO₂、SiO₂。

本发明还提供了一种氮化铝陶瓷覆铝基板的制备方法，包括以下步骤：

S1、在氮化铝陶瓷基片的表面上形成含有陶瓷粉体和烧结助剂的改性基层，所述陶瓷粉体为SiO₂、Al₂O₃中的至少一种；所述烧结助剂为Cu粉、Cu₂O粉、CuO粉中的至少一种；

S2、对该具有改性基层的氮化铝陶瓷基片在真空或含有惰性气氛下进行高温烧结，得到含有氧化物改性层的氮化铝覆铝基板的前躯体；

S3、将氮化铝覆铝基板的前躯体与铝片通过铝硅焊片进行真空钎焊，制得氮化铝覆铝基板。

本发明氮化铝覆铝基板，Al的弹性模量为70GPa，而Cu的弹性模量为150GPa，因此，AlN覆Al板的耐冷热冲击性能要远远大于AlN覆Cu板。同时本发明的氮化铝覆铝基板的结合力很好，剥离强度达15N/mm以上，本发明的方法在氮化铝陶瓷基片上形成陶瓷粉体和烧结助剂的改性基层，然后通过真空烧结使这陶瓷粉体和烧结助剂与AlN陶瓷烧结致密，同时改善了AlN陶瓷表面状态，更好的改善Al-Si焊片液相对陶瓷表面的润湿性。

具体实施方式

本发明提供了一种氮化铝覆铝基板，该基板包括氮化铝陶瓷基片、位于氮化铝陶瓷基片的至少一表面上的铝层，所述氮化铝陶瓷基片与铝层之间依次设置有氧化物改性层和铝硅合金焊片层，所述氧化物改性层中含有Cu₂O，并且还含有以下两组化合物中的至少一组：(1)、CuAlO₂、CuAl₂O₄、Al₂O₃；(2)、CuSiO₂、SiO₂。

根据本发明所提供的氮化铝陶瓷覆铝基板，所述氮化铝陶瓷基片的厚度为没有特别的限制，一般市场上能够采购到的即可，但是为了节约成本，优选地，所述氮化铝陶瓷基片的厚度为300-1000μm，进一步优选为300-500μm。

因铝和陶瓷的热膨胀系数差异很大，所以使铝层和氮化铝铝陶瓷基片之间产生内应力，为了减小内应力，优选地，所述铝层的厚度为150-800μm，更优选为150-500μm。

所述氧化物改性层的厚度为0.1-10μm，优选为1-5μm；如果氧化物改性层太厚反应不充分，太薄生产上工艺不容易控制。

所述铝硅合金焊片层的厚度为10-300μm，优选为20-100μm。焊片太薄在焊接过程中提供的液相不够是铝片和氮化铝结合紧密，太厚会造成焊接过程中液相太多，四处漫流。

根据本发明所提供的氮化铝陶瓷覆铝基板，在氧化物改性层中如果氧化铝和氧化硅含量过低，就会影响最终的铝硅焊片的焊接效果，如果氧化亚铜含量太少，又不能提供足够的液相将氧化铝颗粒粘接到一起。优选地，以氧化物改性层的总量为基准，所述氧化亚铜的含量为10-50wt％，所述氧化铝和所述氧化硅的总含量为50-90wt％；所述氧化亚铜含量是以氧化物改性层中的铜元素含量按照氧化亚铜的形态存在时计算得到的含量，所述氧化铝的含量是以氧化物改性层中的铝元素含量按照氧化铝的形态存在时计算得到的含量，所述氧化硅的含量是以氧化物改性层中的硅元素含量按照氧化硅的形态存在时计算得到的含量。由于在烧结过程中，会发生各种反应，但是变化很小，所以忽略不计。

根据本发明所提供的氮化铝陶瓷覆铝基板，如果氧化铝的含量太低，会导致氧化物改性层的硬度大，会影响焊接强度，所以为了使其硬度小并尽可能的节约成本，优选地，所述氧化物改性层中氧化铝和氧化硅的重量比为1-4∶1，所述氧化铝的重量是以氧化物改性层中的铝元素重量按照氧化铝的形态存在时计算得到的重量，所述氧化硅的重量是以氧化物改性层中的硅元素重量按照氧化硅的形态存在时计算得到的重量。

根据本发明所提供的氮化铝陶瓷覆铝基板，以所述焊片层的总重量为基准，所述铝的含量为80-95wt％，所述硅的含量为5-20wt％。铝硅焊片是一种合金焊片，根据铝硅合金相图，当铝硅合金中铝的含量为87.4％时(硅含量12.6％)，该合金熔点最低为577℃，因此合金焊片中铝的含量应在87.4％左右，不能偏差太大，否则合金的熔点太高，一旦接近或超过铝的熔点(660℃)将没有焊接的意义了。

本发明还提供了一种氮化铝陶瓷覆铜基板的制备方法，包括以下步骤：

S1、在氮化铝陶瓷基片的表面上形成含有陶瓷粉体和烧结助剂的改性基层，所述陶瓷粉体为SiO₂、Al₂O₃中的至少一种；所述烧结助剂为Cu粉、Cu₂O粉、CuO粉中的至少一种；

S2、对该具有改性基层的氮化铝陶瓷基片在真空或含有惰性气氛下进行高温烧结，得到含有氧化物改性层的氮化铝覆铝基板的前躯体；

S3、将氮化铝覆铝基板的前躯体与铝片通过铝硅合金焊片进行真空钎焊，制得氮化铝覆铝基板。

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。

本发明中烧结助剂为Cu粉时，需要将改性基层中铜粉氧化成氧化铜或氧化亚铜，将铜粉氧化成氧化铜或氧化亚铜的方法为本领域技术人员所公知，所以在此不再赘述。

根据本发明所提供的制备方法，其中，所述形成改性基层的方法为：将陶瓷粉体和烧结助剂采用物理气相沉积的方法形成到氮化铝基材表面，得到所述改性基层。

物理气相沉积方法可以精确控制表面陶瓷层的厚度，最大限度的降低了界面热阻，以及普通制备方法中出现的Al₂O₃和AlN热应力不匹配导致的陶瓷基片内部应力过大的缺陷。

所述物理气相沉积的方法是本领域技术人员所公知的技术，包括真空蒸镀、磁控溅射。

所述真空蒸镀的方法可以为：将该氮化铝基材置于真空离子镀膜机(深圳振恒昌生产JIL型真空镀膜机)中，以真空作为工作环境，所述真空蒸镀的条件为：真空度不大于10^-3帕，电源偏压为100-300V，电源功率为1500-2000W，电源的占空比为40-70％，靶材为所述陶瓷粉体和烧结助剂，真空蒸镀时间为5-10分钟。上述各条件的选择只需使真空蒸镀后，在氮化铝基材表面形成0.1-10μm厚的氧化物改性层即可。

根据本发明所提供的制备方法，所述真空气氛的真空度为不大于10^-3Pa；所述惰性气体为氮气或氩气；所述高温烧结温度为1250-1300℃，保温时间为0.1-1h。在惰性气体气氛或真空气氛中可以保证氧化亚铜不被氧化或氧化铜被还原为氧化亚铜，而且在真空化境下烧结可以保证改性基层相互反应生成的一些气体及时排出，或被真空抽出，不至于表面改性层本身的强度太低。

根据本发明所提供的制备方法，所述陶瓷粉体为SiO₂、Al₂O₃中的至少一种；所述烧结助剂为Cu粉、Cu₂O粉、CuO粉中的至少一种。在烧结过程中，Cu₂O熔化后形成液相包裹于陶瓷颗粒之间，并与陶瓷颗粒反应，生成CuAlO₂、CuAl₂O₄、CuSiO₂，之后冷却成固相后CuAlO₂、CuAl₂O₄、CuSiO₂将陶瓷颗粒、氧化亚铜和氮化铝陶瓷基片粘接到一起，而未反应的SiO₂、Al₂O₃改善了氮化铝陶瓷基片表面的性质，使之更适合于焊接工艺。铝片与氮化铝陶瓷表面的润湿性能很差，一般是没办法进行结合的，但是本发明在氮化铝陶瓷基片的表面形成了一层SiO₂和/或Al₂O₃，铝硅合金焊片能够很好的润湿SiO₂和/或Al₂O₃表面，实现氮化铝陶瓷表面覆铝。

根据本发明所提供的制备方法，所述真空钎焊在真空度不大于10^-3Pa下进行，将氮化铝氧化物改性层一面依次与铝硅合金焊片及铝片叠加在一起进行焊接，形成合金焊片层及铝层，焊接温度为577-660℃，焊接时间为5-10min。

所述氮化铝陶瓷基片的厚度为没有特别的限制，一般市场上能够采购到的即可，但是为了节约成本，优选地，所述氮化铝陶瓷基片的厚度为300-1000μm，进一步优选为300-500μm。

因铝和陶瓷的热膨胀系数差异很大，所以使铝层和氮化铝铝陶瓷基片之间产生内应力，为了减小内应力，优选地，所述铝层的厚度为150-800μm，更优选为150-500μm。

所述氧化物改性层的厚度为0.1-10μm，优选为15μm；如果氧化物改性层太厚反应不充分，太薄生产上工艺不容易控制。

所述铝硅合金焊片层的厚度为10-300μm，优选为20-100μm。焊片太薄在焊接过程中提供的液相不够是铝片和氮化铝结合紧密，太厚会造成焊接过程中液相太多，四处漫流。所述铝硅合金焊片在焊接过程中与铝层及氮化铝覆铝基板的前躯体之间进行液固相的物理扩散互溶。在一定温度下熔化成液相，将铝片粘接到改性后的AlN表面，之后随着温度的降低，熔化后的焊片冷却固化后便将铝片和陶瓷片牢牢粘接到一起了。

根据本发明所提供的制备方法，如果氧化铝和氧化硅含量过低，就会影响最终的铝硅焊片的焊接效果，如果氧化亚铜含量太少，又不能提供足够的液相将氧化铝颗粒粘接到一起。以陶瓷粉体和烧结助剂的总重量为基准，所述烧结助剂的含量为10-50wt％，所含陶瓷粉体的含量为50-90wt％。

根据本发明所提供的制备方法，如果氧化铝的含量太低，会导致氧化物改性层的硬度大，会影响焊接强度，所以为了使其硬度小并尽可能的节约成本，优选地，所述陶瓷粉体中氧化铝和氧化硅的重量百分比为1-4∶1。

下面通过实施例对本发明作进一步的说明。

实施例1

1、制备改性基层

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)。

将该氮化铝基材置于真空离子镀膜机(深圳振恒昌生产JIL型真空镀膜机)中，真空度为5*10^-4帕，偏压电源的偏压为200V，偏压电源的功率为1500W，偏压电源的占空比为40％，靶材为上述陶瓷粉体和烧结助剂，陶瓷粉体为氧化铝，烧结助剂为氧化亚铜，氧化铝为70重量份，氧化亚铜30重量份，离子镀时间为5分钟。得到1.5μm厚的改性基层。

2、烧结

将表面具有改性基层的氮化铝基材放置于高温炉中(宜兴市前锦炉业设备有限公司，SX2-10-13)烧结，高温炉中的真空度为5×10^-4帕，在1250℃下高温热处理1h，冷却至室温即可。

得到表面覆接有氧化物改性层的氮化铝覆铝膜前体S1，氧化物改性层的厚度为1.5μm。

3、真空钎焊

将上述得到的氮化铝覆铝膜前体S1在真空度为6*10^-4的情况下进行焊接，得到氮化铝覆铝基板A1，其中S1和铝片之间有铝硅合金焊片。焊接温度为590℃，焊接时间为10min。其中，铝片的厚度为150μm，铝硅合金焊片的厚度为200μm。

实施例2

1、制备改性基层

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700μm)。

将该氮化铝基材置于真空离子镀膜机(深圳振恒昌生产JIL型真空镀膜机)中，真空度为6*10^-4帕，偏压电源的偏压为250V，偏压电源的功率为1600W，偏压电源的占空比为50％，靶材为上述陶瓷粉体和烧结助剂，陶瓷粉体为氧化硅和氧化铝，烧结助剂为氧化铜，氧化硅为30重量份，氧化铝为60重量份，氧化铜10重量份，离子镀时间为10分钟。得到2μm厚的改性基层。

2、烧结

将表面具有改性基层的氮化铝基材放置于高温炉中(宜兴市前锦炉业设备有限公司，SX2-10-13)烧结，高温炉中的真空度为4×10^-4帕，在1300℃下高温热处理0.5h，冷却至室温即可。

得到表面覆接有氧化物改性层的氮化铝覆铝膜前体S2，氧化物改性层的厚度为2μm。

3、真空钎焊

将上述得到的氮化铝覆铝膜前体S2在真空度为4*10^-4的情况下进行焊接，其中S2和铝片之间有铝硅合金焊片，得到氮化铝覆铝基板A2。焊接温度为660℃，焊接时间为6min。其中，铝片的厚度为500μm，铝硅合金焊片的厚度为10μm。

实施例3

1、制备改性基层

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)。

将该氮化铝基材置于真空离子镀膜机(深圳振恒昌生产JIL型真空镀膜机)中，真空度为4*10^-4帕，偏压电源的偏压为270V，偏压电源的功率为1800W，偏压电源的占空比为70％，靶材为上述陶瓷粉体和烧结助剂，陶瓷粉体为氧化铝和氧化硅，烧结助剂为氧化亚铜，氧化铝为68重量份，氧化硅为17重量份，氧化亚铜15重量份，离子镀时间为8分钟。得到3μm厚的改性基层。

2、烧结

将表面具有改性基层的氮化铝基材放置于高温炉中(宜兴市前锦炉业设备有限公司，SX2-10-13)烧结，在氮气气氛中烧结，氮气纯度为99.9％，在1260℃下高温热处理0.1h，冷却至室温即可。

得到表面覆接有氧化物改性层的氮化铝覆铝膜前体S3，氧化物改性层的厚度为3μm。

3、真空钎焊

将上述得到的氮化铝覆铝膜前体S3在真空度为2*10^-4的情况下进行焊接，其中S3和铝片之间有铝硅合金焊片，得到氮化铝覆铝基板A3。焊接温度为610℃，焊接时间为5min。其中，铝片的厚度为800μm，铝硅合金焊片的厚度为300μm。

实施例4

1、制备改性基层

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)。

将该氮化铝基材置于真空离子镀膜机(深圳振恒昌生产JIL型真空镀膜机)中，真空度为7*10^-4帕，偏压电源的偏压为100V，偏压电源的功率为1750W，偏压电源的占空比为65％，靶材为上述陶瓷粉体和烧结助剂，陶瓷粉体为氧化铝，烧结助剂为氧化亚铜和氧化铜，氧化铝为50重量份，氧化亚铜30重量份，氧化铜20重量份，离子镀时间为13分钟。得到4μm厚的改性基层。

2、烧结

将表面具有改性基层的氮化铝基材放置于高温炉中(宜兴市前锦炉业设备有限公司，SX2-10-13)烧结，高温炉中的真空度为2×10^-4帕，在1280℃下高温热处理0.1h，冷却至室温即可。

得到表面覆接有氧化物改性层的氮化铝覆铝膜前体S4，氧化物改性层的厚度为4μm。

3、真空钎焊

将上述得到的氮化铝覆铝膜前体S4在真空度为3*10^-4的情况下进行焊接，其中S4和铝片之间有铝硅合金焊片，得到氮化铝覆铝基板A4。焊接温度为577℃，焊接时间为8min。其中，铝片的厚度为300μm，铝硅合金焊片的厚度为150μm。

实施例5

1、制备改性基层

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)。

将该氮化铝基材置于真空离子镀膜机(深圳振恒昌生产JIL型真空镀膜机)中，真空度为6*10^-4帕，偏压电源的偏压为150V，偏压电源的功率为2000W，偏压电源的占空比为50％，靶材为上述陶瓷粉体和烧结助剂，陶瓷粉体为氧化铝和氧化硅，烧结助剂为铜，氧化铝为40重量份，氧化硅40重量份，铜20重量份，离子镀时间为9分钟。得到3.5μm厚的改性基层。

2、氧化

将离子镀好的AlN基材放入箱式炉(宜兴前锦窑炉公司的OPH1350型箱式炉)氧化，氧化温度为1250℃，氧化时间为2小时，将离子镀的铜氧化为氧化铜。

3、烧结

将表面具有改性基层的氮化铝基材放置于高温炉中(宜兴市前锦炉业设备有限公司，SX2-10-13)烧结，高温炉中的真空度为4×10^-4帕，在1260℃下高温热处理0.5h，冷却至室温即可。

得到表面覆接有氧化物改性层的氮化铝覆铝膜前体S5，氧化物改性层的厚度为3.5μm。

4、真空钎焊

将上述得到的氮化铝覆铝膜前体S5在真空度为4*10^-4的情况下进行焊接，其中S5和铝片之间有铝硅合金焊片，得到氮化铝覆铝基板A5。焊接温度为620℃，焊接时间为5min。其中，铝片的厚度为600μm，铝硅焊片的厚度为50μm。

实施例6

1、制备改性基层

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)。

将该氮化铝基材置于真空离子镀膜机(深圳振恒昌生产JIL型真空镀膜机)中，真空度为9*10^-4帕，偏压电源的偏压为150V，偏压电源的功率为1500W，偏压电源的占空比为60％，靶材为上述陶瓷粉体和烧结助剂，陶瓷粉体为氧化铝，烧结助剂为氧化亚铜和氧化铜，氧化铝为50重量份，氧化亚铜30重量份，氧化铜20重量份，离子镀时间为0.5分钟。得到0.1μm厚的改性基层。

2、烧结

将表面具有改性基层的氮化铝基材放置于高温炉中(宜兴市前锦炉业设备有限公司，SX2-10-13)烧结，高温炉中的真空度为2×10^-4帕，在1280℃下高温热处理0.1h，冷却至室温即可。

得到表面覆接有氧化物改性层的氮化铝覆铝膜前体S6，氧化物改性层的厚度为0.1μm。

3、真空钎焊

将上述得到的氮化铝覆铝膜前体S6在真空度为3*10^-4的情况下进行焊接，其中S6和铝片之间有铝硅合金焊片，得到氮化铝覆铝基板A6。焊接温度为577℃，焊接时间为8min。其中，铝片的厚度为300μm，铝硅合金焊片的厚度为150μm。

实施例7

1、制备改性基层

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)。

将该氮化铝基材置于真空离子镀膜机(深圳振恒昌生产JIL型真空镀膜机)中，真空度为5*10^-4帕，偏压电源的偏压为200V，偏压电源的功率为1700W，偏压电源的占空比为65％，靶材为上述陶瓷粉体和烧结助剂，陶瓷粉体为氧化铝，烧结助剂为氧化亚铜和氧化铜，氧化铝为60重量份，氧化亚铜25重量份，氧化铜15重量份，离子镀时间为15分钟，得到5μm厚的改性基层。

2、烧结

将表面具有改性基层的氮化铝基材放置于高温炉中(宜兴市前锦炉业设备有限公司，SX2-10-13)烧结，高温炉中的真空度为2×10^-4帕，在1280℃下高温热处理0.1h，冷却至室温即可。

得到表面覆接有氧化物改性层的氮化铝覆铝膜前体S7，氧化物改性层的厚度为5μm。

3、真空钎焊

将上述得到的氮化铝覆铝膜前体S7在真空度为3*10^-4的情况下进行焊接，其中S7和铝片之间有铝硅合金焊片，得到氮化铝覆铝基板A7。焊接温度为577℃，焊接时间为8min。其中，铝片的厚度为300μm，铝硅合金焊片的厚度为150μm。

实施例8

1、制备改性基层

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)。

将该氮化铝基材置于真空离子镀膜机(深圳振恒昌生产JIL型真空镀膜机)中，真空度为8*10^-4帕，偏压电源的偏压为180V，偏压电源的功率为1800W，偏压电源的占空比为60％，靶材为上述陶瓷粉体和烧结助剂，陶瓷粉体为氧化铝，烧结助剂为氧化亚铜和氧化铜，氧化铝为50重量份，氧化亚铜40重量份，氧化铜10重量份，离子镀时间为30分钟。得到10μm厚的改性基层。

2、烧结

将表面具有改性基层的氮化铝基材放置于高温炉中(宜兴市前锦炉业设备有限公司，SX2-10-13)烧结，高温炉中的真空度为2×10^-4帕，在1280℃下高温热处理0.1h，冷却至室温即可。

得到表面覆接有氧化物改性层的氮化铝覆铝膜前体S8，氧化物改性层的厚度为10μm。

3、真空钎焊

将上述得到的氮化铝覆铝膜前体S8在真空度为3*10^-4的情况下进行焊接，其中S8和铝片之间有铝硅合金焊片，得到氮化铝覆铝基板A8。焊接温度为577℃，焊接时间为8min。其中，铝片的厚度为300μm，铝硅合金焊片的厚度为150μm。

实施例9

1、制备改性基层

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)。

将该氮化铝基材置于真空离子镀膜机(深圳振恒昌生产JIL型真空镀膜机)中，真空度为3*10^-4帕，偏压电源的偏压为200V，偏压电源的功率为1700W，偏压电源的占空比为50％，靶材为上述陶瓷粉体和烧结助剂，陶瓷粉体为氧化铝，烧结助剂为氧化亚铜和氧化铜，氧化铝为60重量份，氧化亚铜30重量份，氧化铜10重量份，离子镀时间为3分钟。得到1μm厚的改性基层。

2、烧结

将表面具有改性基层的氮化铝基材放置于高温炉中(宜兴市前锦炉业设备有限公司，SX2-10-13)烧结，高温炉中的真空度为2×10^-4帕，在1280℃下高温热处理0.1h，冷却至室温即可。

得到表面覆接有氧化物改性层的氮化铝覆铝膜前体S9，氧化物改性层的厚度为1μm。

3、真空钎焊

将上述得到的氮化铝覆铝膜前体S9在真空度为3*10^-4的情况下进行焊接，其中S9和铝片之间有铝硅合金焊片，得到氮化铝覆铝基板A9。焊接温度为577℃，焊接时间为8min。其中，铝片的厚度为300μm，铝硅合金焊片的厚度为150μm。

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DBC法制备氮化铝覆铜基板，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的铜箔置于管式炉中(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箔。

(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箔的结合界面结合在一起，之后在纯氮气氛下放入烧结炉中进行熔接处理，熔接处理的条件包括温度为1075℃，时间为5分钟，氮气的流量为40毫升/分钟，之后将熔接处理得到的产物浸泡在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，然后去除用去离子水冲洗干净，以除去铜箔非结合面的氧化层。

得到氮化铝覆铜基板D1。其中，氮化铝基材厚度为600μm，铜箔厚度为280μm。

性能测试

对以上制备的氮化铝覆铜膜A1-A9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

从表1中可以看出，本发明的氮化铝覆铝基板的剥离强度达15N/mm，而对比例1的氮化铝覆铜基板的剥离强度为4N/mm；本发明的氮化铝覆铝基板热循环次数达3200次以上，而对比例的氮化铝覆铜基板的热循环次数仅为1400次，说明本发明的氮化铝覆铝基板具有很好的耐热冲击性能并且剥离强度也很好。

Claims (16)

1.一种氮化铝覆铝基板，其特征在于：该基板包括氮化铝陶瓷基片、位于氮化铝陶瓷基片的至少一表面上的铝层，所述氮化铝陶瓷基片与铝层之间依次设置有氧化物改性层和铝硅合金焊片层，所述氧化物改性层中含有Cu₂O，并且还含有以下两组化合物中的至少一组：(1)、CuAlO₂、CuAl₂O₄、Al₂O₃；(2)、CuSiO₂、SiO₂。

2.根据权利要求1所述的氮化铝覆铝基板，其特征在于，所述氮化铝陶瓷基片的厚度为300-1000μm；所述铝层的厚度为150-800μm；所述氧化物改性层的厚度为0.1-10μm；所述铝硅合金焊片层的厚度为10-300μm。

3.根据权利要求2所述的氮化铝覆铝基板，其特征在于：以氧化物改性层的总量为基准，所述氧化亚铜的含量为10-50wt％，所述氧化铝和所述氧化硅的总含量为50-90wt％；所述氧化亚铜含量是以氧化物改性层中的铜元素含量按照氧化亚铜的形态存在时计算得到的含量，所述氧化铝的含量是以氧化物改性层中的铝元素含量按照氧化铝的形态存在时计算得到的含量，所述氧化硅的含量是以氧化物改性层中的硅元素含量按照氧化硅的形态存在时计算得到的含量。

4.根据权利要求3所述的氮化铝覆铝基板，其特征在于：所述氧化物改性层中氧化铝和氧化硅的重量比为1-4∶1，所述氧化铝的重量是以氧化物改性层中的铝元素重量按照氧化铝的形态存在时计算得到的重量，所述氧化硅的重量是以氧化物改性层中的硅元素重量按照氧化硅的形态存在时计算得到的重量。

5.根据权利要求4所述的氮化铝覆铝基板，其特征在于：以所述焊片层的总重量为基准，所述铝的含量为80-95wt％，所述硅的含量为5-20wt％。

6.一种氮化铝覆铝基板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、在氮化铝陶瓷基片的表面上形成含有陶瓷粉体和烧结助剂的改性基层，所述陶瓷粉体为SiO₂、Al₂O₃中的至少一种；所述烧结助剂为Cu粉、Cu₂O粉、CuO粉中的至少一种；

S2、对该具有改性基层的氮化铝陶瓷基片在真空或含有惰性气氛下进行高温烧结，得到含有氧化物改性层的氮化铝覆铝基板的前躯体；

S3、将氮化铝覆铝基板的前躯体与铝片通过铝硅合金焊片进行真空钎焊，制得氮化铝覆铝基板。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其中，所述形成改性基层的方法为：将陶瓷粉体和烧结助剂采用物理气相沉积的方法形成到氮化铝基材表面，得到所述改性基层。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其中，所述形成所述改性基层的方法为真空蒸镀。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其中，所述真空蒸镀的条件为：真空度不大于10-3帕，电源偏压为100-300V，电源功率为1500-2000W，电源的占空比为40-70％，靶材为所述陶瓷粉体和烧结助剂，真空蒸镀时间为5-10分钟。

10.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述真空气氛的真空度为不大于10^-3Pa。

11.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述惰性气氛为氮气或氩气。

12.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述高温烧结温度为1250-1300℃，保温时间为0.1-1h。

13.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述真空钎焊在真空度不大于10^-3Pa下进行，将氮化铝氧化物改性层一面依次与铝硅合金焊片及铝片叠加在一起进行焊接，形成合金焊片层及铝层，焊接温度为577-660℃，焊接时间为5-10min。

14.根据权利要求13所述的制备方法，其特征在于：所述氮化铝陶瓷基片的厚度为300-1000μm；所述铝片的厚度为150-800μm；所述氧化物改性层的厚度为0.1-10μm；所述铝硅焊片的厚度为10-300μm。

15.根据权利要求14所述的制备方法，其特征在于：以陶瓷粉体和烧结助剂的总重量为基准，所述烧结助剂的含量为10-50wt％，所含陶瓷粉体的含量为50-90wt％。

16.根据权利要求15所述的制备方法，其特征在于：所述陶瓷粉体中氧化铝和氧化硅的重量百分比为1-4∶1。