CN103508745A - 一种陶瓷覆铝板的制备方法以及由该方法得到的陶瓷覆铝板 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种陶瓷覆铝板的制备方法，该方法包括以下步骤：S1、轧制预处理：将金属铝板A和金属铝板B使用轧制的方法进行复合预处理得到金属复合铝板C；S2、钎焊连接：将金属复合铝板C的金属铝板A的一面朝向陶瓷板，叠置于陶瓷板上，将两者一起放入真空钎焊炉中进行钎焊即得到陶瓷覆铝基板；其中，所述金属铝板A的熔点低于金属铝板B的熔点至少50℃。采用本发明提供的制备方法制备得到的陶瓷覆铝板界面连续性好，剥离强度高，可达180N/cm以上。

Description

一种陶瓷覆铝板的制备方法以及由该方法得到的陶瓷覆铝板

技术领域

本发明涉及陶瓷金属化领域，更具体地说，涉及一种陶瓷覆铝板及其制备方法。

背景技术

随着微电子技术的迅速发展，电子器件趋于大功率、高密度、多功能化，电子线路的集成程度越来越高，电路工作时不可避免地产生大量热量。为了防止电子元件因热量聚集而损害，具有与半导体Si相匹配的热膨胀系数、高热稳定性、化学稳定性和低介电常数的陶瓷材料已成为目前业界应用最广泛的电子基板材料。金属陶瓷复合材料综合了陶瓷的绝缘、高导热，耐磨，耐腐蚀，耐高温的特性，和金属的导电，高导热特性。

目前应用较为成熟的是陶瓷覆铜技术，该方法是在Cu-O共晶点很小的温度范围内将表面预氧化的铜板与陶瓷基板直接焊接在一起。如公开号CN101445386A的专利公开了一种陶瓷覆铜基板的制备方法，该方法包括在氧化气氛下降氮化铝陶瓷进行加热，之后在惰性气体气氛下降氮化铝陶瓷结合界面与铜箔的结合界面结合并进行共晶钎焊，其特征在于，该方法还包括在氧化气氛下降氮化铝陶瓷进行加热后，在氮化铝陶瓷的结合界面和/或铜箔的结合界面上涂敷氧化亚铜。该方法只能焊接0.3-0.6mm的铜板，无法对更厚或者更薄的铜板或其他金属板进行焊接，DBC基板的耐冷热冲击、冷热循环性能差，限制了其运用。

公开号为CN102040393A的中国专利公开了一种连接陶瓷和铝或铝合金的方法，包括如下步骤：1）使陶瓷的连接面上形成铝合金1液膜，得到连接面覆有所述铝合金1液膜的陶瓷；2）在所述连接面覆有所述铝合金1液膜的陶瓷的铝合金1液膜上放置纯铝或铝合金2钎焊在一起；所述钎焊的温度高于所述铝合金1的熔化温度且低于所述纯铝的熔点，或所述钎焊的温度高于所述铝合金1的熔化温度且低于所述铝合金2的熔化温度。但是该方法需要采用特殊的专用设备，且步骤1中工艺温度要求远高于铝的熔点，工艺控制非常复杂，铝合金1液膜不仅需要二次加工，且其内部不致密，影响基板的散热，导电性能。

发明内容

本发明为解决现有的陶瓷覆铝板的剥离强度低的技术问题，提供一种剥离强度高的陶瓷覆铝板的制备方法及该陶瓷覆铝板。

本发明提供了一种陶瓷覆铝板的制备方法，该方法包括以下步骤：

S1、轧制预处理：将金属铝板A和金属铝板B使用轧制的方法进行复合预处理得到金属复合铝板C；

S2、钎焊连接：将金属复合铝板C的金属铝板A的一面朝向陶瓷板，叠置于陶瓷板上，将两者一起放入真空钎焊炉中进行钎焊即得到陶瓷覆铝板；

其中，所述金属铝板A的熔点低于金属铝板B的熔点至少50℃。

本发明的方法将金属铝板B（铝基板）和金属铝板A（俗称焊料）轧制成整体板材，引入金属铝板的轧制预处理以后，焊料和铝基板的总表面积比未轧制时降低了50%，清洗完之后表面形成氧化层的面积和概率大幅度降低。由于铝基板和焊料已轧制成整体，在钎焊时，由传统的三层叠放，变成两层叠放，使焊接更有保障。因此制备的陶瓷覆铝板界面连续性好，剥离强度高，可达180N/cm以上。    

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供了一种陶瓷覆铝板的制备方法，该方法包括以下步骤：

S1、轧制预处理：将金属铝板A和金属铝板B使用轧制的方法进行复合预处理得到金属复合铝板C；

S2、钎焊连接：将金属复合铝板C的金属铝板A的一面朝向陶瓷板，叠置于陶瓷板上，将两者一起放入真空钎焊炉中进行钎焊即得到陶瓷覆铝板；

其中，所述金属铝板A的熔点低于金属铝板B的熔点至少50℃。

根据本发明所提供的陶瓷覆铝板的制备方法，优选地，所述陶瓷板的厚度为0.3-1.5mm。

根据本发明所提供的陶瓷覆铝板的制备方法，为了保证陶瓷覆铝板的良好性能，优选地，所述金属复合铝板C的厚度为陶瓷板厚度的30-90%。由于陶瓷和金属铝的膨胀系数并不匹配，铝层太厚则会使产品中积聚较大的应力，大大增加失效风险（一般是在进行冷热冲击时陶瓷断裂，或者发生连接分离失效）。

根据本发明所提供的陶瓷覆铝板的制备方法，优选地，所述金属铝板A的厚度为金属复合铝板C的厚度的5-20%。这是因为在真空高温连接过程中A层处于熔融状态，A层太薄则难以产生牢固连接；A层太厚，会使B层太薄，整体铝层会产生变形； 且A层有可能完全扩散到B层，导致B也熔融或者膨胀。

根据本发明所提供的陶瓷覆铝板的制备方法，优选地，所述金属铝板A的各组分含量和杂质要求为，硅5%-20%， 铁＜0.8%，铜＜0.3%，锰＜0.15%，镁＜0.1%，锌＜0.2%，其他单杂质组份＜0.05%，杂质总和＜0.15%，铝余量。

根据本发明所提供的陶瓷覆铝板的制备方法，优选地，所述钎焊的条件为：在金属铝板C上施加0.03-0.1N/cm² 的压力，在真空度不大于10^-2 Pa的环境中，升温速度8-20℃/min，升温至600℃-635℃，保温2-20min后停止加热，样品随炉冷却，至200℃以下时，启用风冷至室温。

根据本发明所提供的陶瓷覆铝板的制备方法，优选地，所述轧制的温度为200-330℃。

根据本发明所提供的陶瓷覆铝板的制备方法，优选地，所述金属复合铝板C的面积小于陶瓷板。

根据本发明所提供的陶瓷覆铝板的制备方法，优选地，在钎焊之前对金属复合铝板及陶瓷板进行前处理。所述金属复合铝板C的前处理为：先进行除油，可用丙酮、酒精，或者市场上的金属万能除油剂；再进行去氧化膜处理，可用碱洗、酸洗法去氧化膜，或者用市场上专卖的金属铝去氧化膜的系列清洗剂。碱洗采用10%的烧碱溶液超声波清洗1-2min，清水冲洗之后再使用30%的硝酸溶液超声波清洗1-2min，之后再清水冲洗，烘干待装配。对陶瓷板前处理为：进行除油，可用丙酮、酒精，或者市场上的万能除油剂；再进行粗化，本领域的人都知道可以使用喷砂或者化学溶液浸泡的方法进行粗化，不同类型的陶瓷需要不同的化学溶液。氧化铝陶瓷多使用碱性溶液粗化，氮化铝陶瓷则需要使用酸性溶液粗化。完成粗化后对陶瓷基板进行再次清洗，烘干待用。

根据本发明所提供的陶瓷覆铝板的制备方法，优选地，所述金属铝板B为纯铝板或防锈铝板。如：1060和3003。这两种铝板的机械性能，均能满足作为制备陶瓷覆铝板的铝基板使用要求，而且其生产工艺成熟，正规厂家均能生产合格产品，市场供应量大。

根据本发明所提供的陶瓷覆铝板的制备方法，优选地，所述陶瓷板为氧化铝陶瓷、氮化铝陶瓷中的一种。

本发明还提供了一种陶瓷覆铝板，所述陶瓷覆铝板由本发明所述的方法制备得到。

下面通过具体实施例对本发明做进一步详细描述：

实施例1

   金属铝板B为铝3003，熔点为668℃；金属铝板A成份为：硅11.7%， 铁＜0.8%，铜＜0.3%，锰＜0.15%，镁＜0.1%，锌＜0.2%，其他单杂质组份＜0.05%，杂质总和＜0.15%，铝余量，熔点为585℃；轧制时预热温度为300℃；轧制后的总体厚度为0.8mm；A层占总体厚度的10%；陶瓷为1mm厚氧化铝陶瓷；清洗之后金属复合铝板C的金属铝板A的一面朝向陶瓷板；上部施加的压力为0.05N/cm2，真空度达到3.3x10^-3 Pa时开始10℃/min升温，至625℃保温5min。保温结束后停止加热，随炉冷却至200℃以下开启风冷。得到陶瓷覆铝板A1。 

实施例2

金属铝板B为铝3003，熔点为668℃；金属铝板A成份为：硅10%， 铁＜0.8%，铜＜0.3%，锰＜0.15%，镁＜0.1%，锌＜0.2%，其他单杂质组份＜0.05%，杂质总和＜0.15%，铝余量，熔点为590℃；轧制时预热温度为330℃；轧制后的总体厚度为0.5mm；A层占总体厚度的20%；陶瓷为1mm厚氧化铝陶瓷；清洗之后装配；上部施加的压力为0.04N/cm2，真空度达到3.3x10^-3 Pa时开始15℃/min升温，至620℃保温4min。保温结束后停止加热，随炉冷却至200℃以下开启风冷。得到陶瓷覆铝板A2。

实施例3

金属铝板B为铝3003，熔点为668℃；金属铝板A成份为：硅7%， 铁＜0.8%，铜＜0.25%，锰＜0.10%，镁＜0.1%，锌＜0.2%，其他单杂质组份＜0.05%，杂质总和＜0.15%，铝余量，熔点为600℃；轧制时预热温度为200℃；轧制后的总体厚度为0.45mm；A层占总体厚度的15%；陶瓷为1.5mm厚氧化铝陶瓷；清洗之后装配；上部施加的压力为0.05N/cm2，真空度达到3.3x10^-3 Pa时开始20℃/min升温，至630℃保温3min。保温结束后停止加热，随炉冷却至200℃以下开启风冷。得到陶瓷覆铝板A3。

实施例4

金属铝板B为铝1060，熔点为660℃；金属铝板A成份为：硅11.7%， 铁＜0.8%，铜＜0.3%，锰＜0.15%，镁＜0.1%，锌＜0.2%，其他单杂质组份＜0.05%，杂质总和＜0.15%，铝余量，熔点为585℃；轧制时预热温度为250℃；轧制后的总体厚度为0.27mm；A层占总体厚度的5%；陶瓷为0.3mm厚氧化铝陶瓷；清洗之后装配；上部施加的压力为0.03N/cm2，真空度达到3.3x10^-3 Pa时开始8℃/min升温，至635℃保温2min。保温结束后停止加热，随炉冷却至200℃以下开启风冷。得到陶瓷覆铝板A4。

实施例5

金属铝板B为铝1060，熔点为660℃；金属铝板A成份为：硅10%， 铁＜0.8%，铜＜0.3%，锰＜0.15%，镁＜0.1%，锌＜0.2%，其他单杂质组份＜0.05%，杂质总和＜0.15%，铝余量，熔点为590℃；轧制时预热温度为300℃；轧制后的总体厚度为0.3mm；A层占总体厚度的10%；陶瓷为0.5mm厚氧化铝陶瓷；清洗之后装配；上部施加的压力为0.1N/cm2，真空度达到3.3x10^-3 Pa时开始10℃/min升温，至600℃保温20min。保温结束后停止加热，随炉冷却至200℃以下开启风冷。得到陶瓷覆铝板A5。

实施例6

金属铝板B为铝1060，熔点为660℃；金属铝板A成份为：硅7%， 铁＜0.8%，铜＜0.25%，锰＜0.10%，镁＜0.1%，锌＜0.2%，其他单杂质组份＜0.05%，杂质总和＜0.15%，铝余量，熔点为600℃；轧制时预热温度为280℃；轧制后的总体厚度为0.4mm；A层占总体厚度的18%；陶瓷为0.8mm厚氧化铝陶瓷；清洗之后装配；上部施加的压力为0.08N/cm2，真空度达到3.3x10^-3 Pa时开始15℃/min升温，至610℃保温20min。保温结束后停止加热，随炉冷却至200℃以下开启风冷。得到陶瓷覆铝板A6。

对比例1

按照专利CN101445386A的方法制备陶瓷覆铜板B1。

性能测试

对以上实施例1-6制备的陶瓷覆铝板A1-A6及对比例1制备的产品B1进行如下性能测试，结果见表1。

1、90°剥离强度测试：

使用万能试验机，配合剥离强度测试夹具进行测试。B1的陶瓷覆铜板的铜板尺寸和陶瓷覆铝板A1-A6中金属铝板C的尺寸均为5*50mm，连接陶瓷基板，然后在万能试验机上进行90°（垂直）剥离测试，测试其剥离强度，剥离速度5mm/min。 

2、耐冷热冲击性能：

将常温的样品先放入冰水混合物中，保存2min，然后迅速移入沸水中煮2min，接下来迅速移入冰水混合物中，一个循环结束。重复此循环3000次。观察样品表面。

表1

。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种陶瓷覆铝板的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

S1、轧制预处理：将金属铝板A和金属铝板B使用轧制的方法进行复合预处理得到金属复合铝板C；

S2、钎焊连接：将金属复合铝板C的金属铝板A的一面朝向陶瓷板，叠置于陶瓷板上，将两者一起放入真空钎焊炉中进行钎焊即得到陶瓷覆铝基板；

其中，所述金属铝板A的熔点低于金属铝板B的熔点至少50℃。

2.根据权利要求1所述的陶瓷覆铝板的制备方法，其特征在于，所述陶瓷板的厚度为0.3-1.5mm。

3.根据权利要求1所述的陶瓷覆铝板的制备方法，其特征在于，所述金属复合铝板C的厚度为陶瓷板厚度的30-90%。

4.根据权利要求1所述的陶瓷覆铝板的制备方法，其特征在于，所述金属铝板A的厚度为金属复合铝板C的厚度的5-20%。

5.根据权利要求1所述的陶瓷覆铝板的制备方法，其特征在于，所述金属铝板A的各组分含量和杂质要求为，硅5%-20%， 铁＜0.8%，铜＜0.3%，锰＜0.15%，镁＜0.1%，锌＜0.2%，其他单杂质组份＜0.05%，杂质总和＜0.15%，铝余量。

6.根据权利要求1所述的陶瓷覆铝板的制备方法，其特征在于，所述钎焊的条件为：在金属铝板C上施加0.03-0.1N/cm² 的压力，在真空度不大于10^-2 Pa的环境中，升温速度8-20℃/min，升温至600℃-635℃，保温2-20min后停止加热，样品随炉冷却，至200℃以下时，启用风冷至室温。

7.根据权利要求1所述的陶瓷覆铝板的制备方法，其特征在于，所述轧制的温度为200-330℃。

8.根据权利要求1所述的陶瓷覆铝板的制备方法，其特征在于，所述金属复合铝板C的面积小于陶瓷板。

9.根据权利要求1所述的陶瓷覆铝板的制备方法，其特征在于，在钎焊之前对金属复合铝板及陶瓷板进行前处理。

10.根据权利要求1所述的陶瓷覆铝板的制备方法，其特征在于，所述金属铝板B为纯铝板或防锈铝板。

11.根据权利要求1所述的陶瓷覆铝板的制备方法，其特征在于，所述陶瓷板为氧化铝陶瓷、氮化铝陶瓷中的一种。

12.一种陶瓷覆铝板，其特征在于，所述陶瓷覆铝板由权利要求1-11任意一项所述的方法制备得到。