CN102922828B - 铜箔键合陶瓷基板的复合板及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铜箔键合陶瓷基板的复合板以及该复合板的制备方法，所述的复合板包括陶瓷基板，陶瓷基板的至少一个表面镀有铜膜，使该陶瓷基板表面形成铜介质层，将已镀薄铜膜层之陶瓷基板放于热处理炉中并进行还原工作，铜箔与陶瓷基板的铜介质层贴合，表面的铜原子与陶瓷基板表面的铝原子相互扩散形成结合层。相应的，本发明提供了上述复合板的制备方法。本发明公开的复合板及其制备方法技术先进，借助于扩散结合技术使得铜箔与陶瓷基板直接键合成复合板，制程简单且节约能源。

Description

铜箔键合陶瓷基板的复合板及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种复合板，尤其涉及铜箔键合陶瓷基板的复合板。

背景技术

目前广泛应用将铜箔与陶瓷基板键合的方式为直接键合铜技术(简称DBC，Direct Bonding Copper)，其主要制程为首先将铜箔表面生成氧化铜层，接着将含有氧化铜层的铜箔贴合于具氧化物表层的陶瓷基板表面，在1065～1083℃温度下于真空炉中共晶烧结，铜箔将直接键合于陶瓷基板表面。

已有的技术，如美国专利5490627号描述铜钨合金直接键合铜(DBC)于氧化铝陶瓷基板表面的方法，在1200℃温度下铜钨合金表面扩散铜原子，接着将铜原子于真空炉中在氧元素气氛下表面生成氧化铜，将表面生成氧化铜的铜钨合金与氧化铝陶瓷基板于1065～1083℃温度下进行热处理共晶键合。

美国专利3766634号公开了铜或其它金属直接键合(DBC)于陶瓷基板的方法，给出的实施例说明表面含有氧化铜的铜箔与氧化铝陶瓷基板于共晶熔点下烧结。

美国专利4505418号公开了一种方法，直接键合铜箔(DBC)与陶瓷基板于含氧气氛的真空炉中共晶烧结，真空炉中压力不超过1mbar，氧气分压介于0.001至0.1mbar之间。

台湾专利申请096148408号公开了一种铜箔与陶瓷基板制造复合板的方法，步骤包含：提供一陶瓷基板及一铜箔；将该铜箔的一表面以湿式氧化方式形成一氧化铜表层；将该铜箔的氧化铜表层与该陶瓷基板表面相对贴合后进行热处理，铜箔表面与陶瓷基板于高温直接键合(DBC)形成一复合板。

已有的类似技术公开的铜箔键合陶瓷基板方式，主要是先将铜箔表面生成氧化铜层，接着将铜箔与陶瓷基板贴合放入真空炉中，在高于共晶熔点却低于铜熔点的温度下直接键合(DBC)，所需制程繁琐，且经过铜表面生成氧化铜层，陶瓷基板材料若为氮化铝则表面需生成氧化铝层，接着铜箔再与陶瓷基板共晶烧结，此方式过程中有多道热处理工法，耗时且浪费能源。

发明内容

为了克服现有技术的缺陷，本发明公开了一种铜箔键合陶瓷基板的复合板及其制备方法，所公开的复合板，铜箔与陶瓷基板直接键合，制程简单，节约能源。

为实现上述目的，本发明是通过下述技术方案实现的：

铜箔键合陶瓷基板的复合板，所述的复合板包括陶瓷基板，陶瓷基板的至少一个表面镀有铜膜，使该陶瓷基板表面形成铜介质层，铜箔与陶瓷基板的铜介质层贴合，表面的铜原子与陶瓷基板表面的铝原子相互扩散形成结合层。

其中，至少一个表面代表铜膜可以镀于陶瓷基板的一个表面，或者两个相对的表面。

通过上述结构，本发明的复合板避免了使用氧化铜层，简化了结构以及相应的制备工艺。

进一步的，所述具有铜膜陶瓷基板放入热处理炉进行高温键结过程中，铜膜层表面易被氧化，由于氧化铜与氧化亚铜的熔点太低，且在温度600℃时会有10-4torr的蒸气压挥发的问题，因此无法做高温热处理，为改善此困扰，本发明的技术方案在高温键合前先经一道还原工艺制程，热处理炉内以氢气分压20torr、温度300℃的气氛进行还原，将铜膜表面氧化铜与氧化亚铜还原为铜，接着溅镀于陶瓷基板表面的铜膜直接与铜箔键合。

在本发明中，所述陶瓷基板由三氧化二铝或氮化铝粉末材料在大气或无氧高温下烧结，其中所用的高温一词可以由本领域技术人员合理掌握，通常是在1900℃的高温下烧结，利用薄带刮刀成型或粉末压制成型制程将粉末材料在大气或无氧高温(1900℃)下烧结成陶瓷基板。

相应的，本发明公开了上述铜箔键合陶瓷基板的复合板的制备方法，包括如下步骤：

1)将陶瓷基板在直流式电源溅镀机或射频溅镀机中将陶瓷基板的至少一个表面溅镀铜膜，使该陶瓷基板表面形成一铜介质层；

2)取表面洁净的铜箔，将所述陶瓷基板与铜箔以高应力贴合放入高温的热处理炉中键合，通过扩散结合使铜介质层与铜箔键合成铜片，铜片与陶瓷基板原子间相互扩散形成结合层，使得铜片表面与陶瓷基板紧密键合形成复合板。

其中的扩散结合是指相互接触的材料表面以高应力贴合，在高温的作用下相互靠近，局部发生塑性变形，原子与原子间产生相互扩散，在界面处形成了新的扩散层，进而产生可靠结合。本发明的方法键合过程中不需氧元素做中间层帮助结合，省略多道热处理工序，简化了制备流程。

其中，优选的，所述溅镀操作温度为150℃、真空度为1.33x10^-3torr，溅镀铜膜厚度小于1μm，在上述基础上本领域技术人员根据工艺探索的需要采用其他工艺参数组合也属于本发明的保护范围。

进一步的，所述具有铜膜的陶瓷基板放入热处理炉后，炉内以氢气分压20torr、温度300℃的气氛进行还原，将铜膜表面氧化铜与氧化亚铜还原为铜，溅镀于陶瓷基板表面的铜膜直接与铜箔键合。

其中，所述铜箔键合前先清洁，去除表面不纯物与油脂，清洁方式为先将铜箔浸入超音波震荡机去除油脂，去脂剂成分为三氯乙烷，接着以稀释过后的盐酸水溶液去除氧化层，以光泽剂清洗后放入保持温度于60℃以下去离子水中浸泡小于1分钟后取出，取出铜箔以常温去离子水洗净后以氮气吹干。

上述所称的光泽剂，又称光亮剂，是一种常见的金属处理所用的产品，主要作用表现在通过活性表面除去停留在金属表面的油污、氧化及未氧化的表面杂质，保持物体外部的洁净、光泽度、色牢度，本发明并不限制所用光泽剂的类型和种类，任意本领域已知的可用于金属产品处理的光泽剂均可用于本发明。

其中，稀释过后的盐酸水溶液浓度并不受到限制，具体的浓度变化只会影响处理时间，本领域技术人员可以合理选择浓度。

在本发明中，所述扩散结合适用的温度范围为900～1200℃，贴合陶瓷基板与铜箔应力为1～10kg/cm²，键结时间5～10分钟。

在本发明中，所述热处理炉内为高真空环境、惰性气体负压或含氢气分压气氛环境，当其为惰性气体环境时，真空度为1～＜760torr；为氢气分压气氛环境时，压力设定0.1～1torr。

通过上述方法，本发明将陶瓷基板溅镀薄的铜膜层，接着铜膜层于热处理炉中以氢气气氛进行还原，键合过程不需氧化物作结合层，简化了产品的结构，铜箔与陶瓷基板以高应力贴合放入高温的高真空、可为含惰性气体负压或含氢气分压气氛环境下的热处理炉中，通过扩散结合(Diffusion Bonding)技术使铜膜层与铜箔彼此接触面间原子相互扩散键结铜结合层形成铜片，铜片表面铜原子与陶瓷基板表面铝原子相互扩散形成结合层，直接将铜箔与陶瓷基板键合成复合板。

附图说明

图1为本发明的陶瓷基板示意图；

图2为双面溅镀铜膜的陶瓷基板示意图；

图3为陶瓷基板于热处理炉中以氢气气氛进行还原示意图；

图4为本发明利用铜箔与陶瓷基板高应力贴合，于高温的高真空环境、惰性气体负压或含氢气分压气氛环境下利用扩散结合技术制作复合板示意图；

图5为本发明中铜箔与陶瓷基板经扩散结合后，铜箔与陶瓷基板生成结合层形成复合板示意图；

图6为陶瓷基板示意图；

图7为单面溅镀铜膜陶瓷基板示意图；

图8为陶瓷基板于热处理炉中以氢气气氛进行还原示意图；

图9为本发明经制程二后铜箔与陶瓷基板高应力贴合，于高温的高真空环境、惰性气体负压或含氢气分压气氛环境下，利用扩散结合技术制作复合板示意图；

图10为本发明铜箔与陶瓷基板经扩散结合后，铜箔与陶瓷基板生成结合层而形成复合板示意图；

其中，陶瓷基板-1、铜膜-2、铜箔-3、铜片-4、结合层-5、复合板-6.

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的复合板的结构以及制备方法进行解释。

参考图1至图5所示，为本发明的铜箔键合陶瓷基板的复合板，其双面键合铜箔，包括陶瓷基板和铜箔，陶瓷基板由三氧化二铝或氮化铝粉末材料，利用薄带刮刀成型或粉末压制成型制程将粉末材料在大气或无氧高温(1900℃)下烧结成陶瓷基板1(图1)，复合板的制备方法如下：

步骤1，将陶瓷基板1于直流式电源溅镀机或射频溅镀机中将上下两表面溅镀铜膜2(图2)，使陶瓷基板表面形成厚度小于1μm铜膜，直流式電源溅镀机或射频溅镀机操作温度为150℃、真空度为1.33x10-3torr，溅镀铜膜厚度小于1μm。

步骤2：将步骤1的溅镀铜薄膜的陶瓷基板1放入热处理炉中(图3)，炉内以氢气分压20torr、温度300℃的气氛进行还原，将铜膜2表面氧化铜与氧化亚铜还原为铜。

步骤3：取表面洁净的铜箔3(清洗方法如发明内容部分所述)，将步骤2的陶瓷基板1与铜箔3以高应力贴合放入高温的热处理炉中键合(图4)，热处理炉内可为高真空、可为含惰性气体负压或含氢气分压气氛环境下，利用扩散结合的方式使铜膜2与铜箔3键合成铜片4，铜片4表层与陶瓷基板1原子间相互扩散形成结合层5，铜片4与陶瓷基板1紧密键合形成复合板6(图5)。

参考图6-图10所示，为本发明单面键合铜箔的步骤，首先利用粉末压制成型制程将粉末材料在大气或无氧高温(1900℃)下烧结成陶瓷基板1(图6)，然后：

步骤1：将陶瓷基板1于直流式电源溅镀机或射频溅镀机中将一表面溅镀铜膜2(图7)。单面溅镀铜，非镀面进行绝缘保护以保证陶瓷基板非镀面不会镀上铜层。

步骤2：将已镀铜膜2的陶瓷基板1放入热处理炉中(图8)，炉内以氢气分压20torr、温度300℃的气氛进行还原，将铜膜2表面氧化铜与氧化亚铜还原为铜。

步骤3：取表面洁净的铜箔3，将步骤2的陶瓷基板1与铜箔3以高应力贴合放入高温的热处理炉中键合(图9)，热处理炉内可为高真空、可为含惰性气体负压或含氢气分压气氛环境下，利用扩散结合技术使铜膜2与铜箔3键合成铜片4，铜片4表层与陶瓷基板1原子间相互扩散形成结合层5，铜片4与陶瓷基板1紧密键合形成复合板6(图10)。

基于上述结构，本发明的制备方法将铜箔3与陶瓷基板1制作成复合板6，由扩散结合方式使铜箔34与陶瓷基板1于高温的高真空环境、惰性气体负压或含氢气分压气氛环境下进行键合，陶瓷基板单面或双面键合铜箔，制备过程只需要进行一次扩散结合，减少热处理工艺，与一般直接键合铜的制备方法相比较，制程简化且省时省能，

本发明的制备方法只需进行一次热处理炉中高温烧结使铜箔与陶瓷基板键合热处理过程，与目前广泛使用的直接键合铜技术比较，本发明省略多道热处理工序，达到节省制程时间与能源的目的，并且本发明采用的扩散结合技术能使铜箔与陶瓷基板形成结合层产生很强的附着力，铜箔与陶瓷基板贴合在一起同时在热处理炉中进行高温烧结，陶瓷基板与铜箔直接键合，铜箔不易脱落。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或制备本发明的复合板，对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明实质精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围，即权利要求及其等同变换。

Claims (6)

1.一种铜箔键合陶瓷基板的复合板的制备方法，所述复合板包括陶瓷基板，陶瓷基板的至少一个表面镀有铜膜，使该陶瓷基板表面形成铜介质层，铜箔与陶瓷基板的铜介质层贴合，表面的铜原子与陶瓷基板表面的铝原子相互扩散形成结合层；所述铜膜经过一道还原制程后，溅镀于陶瓷基板表面的铜膜与铜箔键合，其特征在于，包括如下步骤：1)将陶瓷基板通过直流式电源溅镀机或射频溅镀机中将至少一个表面溅镀铜膜，使该陶瓷基板表面形成铜介质层；2)取表面洁净的铜箔，将所述陶瓷基板与铜箔以高应力贴合放入高温的热处理炉中键合，通过扩散结合使铜介质层与铜箔键合成铜片，铜片与陶瓷基板原子间相互扩散形成结合层，使得铜片表层与陶瓷基板紧密键合形成复合板；还包括陶瓷基板置入热处理炉中,以氢气分压20torr、温度300℃的气氛进行还原，使铜膜层表面被氧化生成的氧化铜与氧化亚铜还原为铜；

所述扩散结合使用的温度范围为900～1200℃，贴合陶瓷基板与铜箔应力为1～10kg/cm²，键结时间5～10分钟；

所述热处理炉内为高真空环境、惰性气体负压或含氢气分压气氛环境，其中惰性气体环境，真空度为1～760torr且不包括760torr；氢气分压气氛环境，压力设定0.1～1torr。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于陶瓷基板由三氧化二铝或氮化铝粉末材料在大气或无氧高温下烧结。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述溅镀操作温度为150℃、真空度为1.33x10^－3 torr，溅镀铜膜厚度小于1μm。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述陶瓷基板利用薄带刮刀成型或粉末压制成型在大气或无氧高温下烧结陶瓷基板。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述铜箔键合前先清洁，去除表面不纯物与油脂，清洁方式为先将铜箔浸入超音波震荡机去除油脂,去脂剂成分为三氯乙烷，接着以稀释过后的盐酸水溶液去除氧化层，以光泽剂清洗后放入保持温度于60℃以下去离子水中浸泡小于1分钟后取出，取出铜箔以常温去离子水洗净后以氮气吹干。

6.一种权利要求1至5中任一项所述的制备方法制备而成的铜箔键合陶瓷基板的复合板。