CN103741141A - 一种氮化铝陶瓷板金属化的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种氮化铝陶瓷板金属化的方法，所述的方法是：首先在氮化铝陶瓷板表面通过物理气相沉积方法形成一定厚度的钛导电层，然后通过化学方法在表面镀钛的氮化铝陶瓷板上电镀铜镀层，最后将表面先后镀覆了钛导电层和铜镀层的氮化铝陶瓷板置于热处理炉中,使先后形成TiN和TiCu冶金过渡层，从而实现氮化铝陶瓷的金属化。本发明与直接覆铜法相比控制条件简单、设备现成，同时铜与氮化铝的结合不是依靠氧化物的反应来实现，避免结合界面因气体排不出而出现鼓泡、工序复杂等问题，提高氮化铝陶瓷板覆铜金属化的成品率。

Description

一种氮化铝陶瓷板金属化的方法

技术领域

本发明属于陶瓷金属化领域，涉及一种在氮化铝陶瓷板表面包覆金属层的方法。

背景技术

在功率电子器件发展的今天，新型氮化铝陶瓷（AlN）由于其良好的导热性能（导热系数可达到150-300W/m·K，是氧化铝陶瓷的7~8倍）和机械强度、无毒副作用，以及与硅、锗等半导体材料的膨胀系数相似性，已经逐步代替了传统封装材料氧化铝和氧化铍陶瓷。

然而氮化铝陶瓷较难实现与电子芯片的直接连接，需将其表面金属化，而金属化一般都采用表面覆铜的方式。覆铜后的氮化铝陶瓷既有氮化铝陶瓷良好的导热性，同时又有金属铜良好的导电性。但由于氮化铝与铜的膨胀系数相差较大，即润湿角相差过大，氮化铝与铜的结合较难，为此选择合适的氮化铝陶瓷板金属化方法就显得尤为重要。

目前，国内外有关氮化铝陶瓷板金属化的技术报道很多，基本原理都是在直接覆铜法的基础上加以改进。所谓直接覆铜法是将表面氧化生成氧化亚铜（Cu₂O）的铜箔与表面氧化生成氧化铝（Al₂O₃）的氮化铝陶瓷板接触后在一定温度下生成CuAlO₂中间产物而结合。如发明专利申请号20101039347.6中提到用电化学氧化方法在含Cu²⁺的电解质溶液中使铜箔表面形成Cu₂O，然后与表面预先生成氧化铝的氮化铝在一定温度下实现氮化铝陶瓷板金属化；而发明专利申请号200710195406 发明专利中用将Cu₂O 粉溶解于有机溶液制成浆料并涂覆于铜箔或氮化铝陶瓷的结合界面上，从而通过共晶钎焊实现金属化。直接覆铜法要实现氮化铝和金属铜冶金结合的关键是形成CuAlO₂产物，而形成CuAlO₂产物是通过铜表面的氧化亚铜和氮化铝表面的氧化铝在一定的热处理条件产生铜氧共晶液相(Cu-Cu₂O 共晶液相)才能生成，但这种热处理条件所需的温度区间很窄（一般控制在1066~1083℃之间），以及在铜箔或氮化铝表面氧化生成Cu₂O或Al₂O₃过程中，对氧气气氛的控制难度很大。如果氧含量低，不能形成致密的氧化亚铜或氧化铝；含量高，则形成氧化物太厚，均会影响结合力，这些都导致传统的直接覆铜法工艺控制困难，成品率低下。另外，直接覆铜法采用的铜层是用铜箔，而铜箔的厚度精度偏低，且导热系数不高的氧化物中间层存在也可能使金属化后的氮化铝陶瓷的导热性能下降。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供了一种采用氮化铝基板先物理气相沉积方法覆钛，再化学电镀法覆铜最后通过热处理获得氮化铝陶瓷板金属化的方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：先在氮化铝基板上物理气相沉积方法覆钛导电层、再通过化学电镀法在钛表面覆铜，最后整体热处理。这种方法的理论依据是介于氮化铝与铜镀层的中间钛导电层，在热处理过程中，即能与氮化铝陶瓷板之间形成TiN冶金过渡层（AlN+Ti→TiN+Al），也与金属铜之间形成TiCu冶金过渡层（Cu+Ti→TiCu），这两种冶金过渡层的存在增强了氮化铝与铜之间的结合力；同时氮化铝陶瓷板覆钛后具有导电性，因此可在氮化铝覆钛的表面上通过化学电镀方法直接获得铜镀层，以取代直接覆铜法中的铜箔，从而确保铜镀层的厚度均匀性及与钛导电层之间的紧密性；而形成TiN和TiCu冶金过渡层所需要的热处理条件（包括温度和气氛）相对宽广，这可以提高金属化氮化铝陶瓷板的成品率。

本技术方案包括以下步骤：

（1）物理气相沉积方法镀钛：物理气相沉积方法是本领域技术所公知的方法，可采用磁控溅射镀，使清洗过的氮化铝陶瓷板表面形成钛导电层2，要求钛导电层厚度不小于0.5微米，当钛导电层厚度小于0.5微米时，钛就会与氮化铝完全扩散，使得与铜之间的扩散反应无法进行。

（2）化学方法电镀铜：根据金属钛的导电性，将表面镀钛的氮化铝陶瓷板作为阴极置于盛有酸性硫酸铜镀液的电解槽中，铜板为阳极，控制阴极电流密度和电镀时间获得相应厚度的铜镀层。

（3）热处理：将表面先后镀覆了钛导电层和铜镀层的氮化铝陶瓷板置于热处理炉中,在氩气气氛保护下加热,并控制相应热处理的温度和保温时间，先后实现氮化铝与钛的界面冶金结合和铜与钛的界面冶金结合，使之相应地生成TiN和TiCu冶金过渡层。

所述步骤（1）中物理气相沉积方法镀钛，主要是将氮化铝陶瓷板放在真空磁控溅射镀膜机内，以纯度（质量百分比）为99.99%纯钛为阴极靶材，氮化铝陶瓷板为阳极，在氩气气氛保护下，在阴极靶材和阳极之间施加100-300伏的直流电压，在镀膜机内产生磁控型异常辉光放电，使氩气电离成氩离子并经电场加速轰击在阴极钛靶材上，钛原子被溅射出来后沉积在阳极氮化铝陶瓷板表面并形成钛薄膜，通过控制溅射时间和溅射电压，来控制钛薄膜实际厚度。具体的条件参数，磁控溅射技术领域的技术人员比较容易设定，本发明只需要通过磁控溅射镀膜技术在氮化铝陶瓷板表面形成厚度不小于0.5微米的钛镀层。

所述步骤（2）中对表面镀覆钛导电层的氮化铝陶瓷板置于酸性硫酸铜镀液中进行化学方法电镀铜，酸性硫酸铜镀液的配方为：150 ~ 220g/L CuSO₄·5H₂O、50 ~ 80g/L质量浓度为98%的浓H₂SO₄，溶剂为水。。

步骤（2）中化学方法电镀铜是以磷铜板为阳极，控制阴极电流密度3 ~ 8A/dm²、温度30～50℃，镀液采用空气搅拌，使表面镀覆钛导电层的氮化铝陶瓷板表面形成厚度为5~100微米的铜镀层。通过控制具体的阴极电流密度和电镀时间，可以获得所需厚度的铜镀层。为了实现氮化铝表面覆铜厚度的均匀性，要求如下：①阴、阳极间距大于30cm；②阳极磷铜板表面积要比阴极氮化铝陶瓷板被镀面的表面积大一倍以上。

所述步骤（3）热处理方法是：将表面先后包覆了钛导电层和铜镀层的氮化铝陶瓷板置于气氛炉中，气氛炉抽真空后充入氩气，然后加热升温，当温度达到300~400℃时保温10~60min，此时促进钛导电层向氮化铝渗透形成TiN冶金过渡层。当保温时间结束后进一步升温到800~900℃，并保温30~90min，此时促进钛导电层向铜镀层渗透形成TiCu冶金过渡层。

本发明的有益效果主要体现在：（1）无论物理气相沉积方法镀钛，还是化学方法电镀铜及热处理技术，这些步骤都是工艺成熟、控制条件简单、设备现成，因此可提高覆铜氮化铝陶瓷板的成品率；（2）铜镀层通过电镀铜方式获得以取代直接覆铜法中的铜箔，这样可实现覆铜厚度的精确控制和调整；（3）以钛作为中间层，并通过热处理方式获得TiN和TiCu冶金过渡层，这样确保氮化铝陶瓷与金属层的结合力；（4）铜与氮化铝的结合不是依靠氧化物的反应来实现，这样避免了如直接覆铜法出现的因Al₂O₃产物不致密使氮化铝与Cu₂O反应生成的氮气难以排出而影响结合、铜箔氧化生成Cu₂O过程中另一侧非结合界面形成不同程度的氧化层而影响铜箔导电性及增加工序复杂性等问题。

附图说明

图1是本发明一种氮化铝陶瓷板金属化后的结构示意图；

图中：氮化铝陶瓷板1、钛导电层2、铜镀层3、TiN冶金过渡层4、TiCu冶金过渡层5。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述,但不能将方案中所涉及的方法及技术参数理解为对本发明的限制。

实施例1：

如图1所示，取长10cm、宽5cm、厚3mm的氮化铝陶瓷板1，其中一面覆盖高温导电胶，另一面用于镀钛膜。氮化铝陶瓷板1清洗烘干后置于真空磁控溅射镀膜机内，控制磁控溅射的真空度为0.5 Pa，工作气体为氩气，电源的功率为10 KW，电压为100伏的直流电压，溅射时间为20 min，从而在氮化铝陶瓷板1表面获得厚度为5微米的钛导电层2。然后将其清洗后置于含酸性硫酸铜镀液的电解槽中作为阴极，以磷铜板为阳极，其中磷铜板的表面积比氮化铝陶瓷板被镀面的表面积大一倍以上，两者间距大于30cm，酸性硫酸铜镀液的配方为：180g/L CuSO₄·5H₂O、60g/L H₂SO₄。电镀铜时控制阴极电流密度4 A/dm²、温度30℃，时间10min，通过搅拌镀液，使表面镀覆钛导电层2的氮化铝陶瓷板表面形成厚度为20微米的铜镀层3。将表面先后覆盖了钛导电层2和铜镀层3的氮化铝陶瓷板1清洗烘干后置于气氛炉内，气氛炉抽真空后充入氩气，然后控制以5℃/min的升温速度从室温升到350℃时保温20min，此时促进钛导电层2向氮化铝陶瓷板1渗透形成TiN冶金过渡层4，当保温时间结束后，控制以3℃/min的升温速度从350℃升到880℃，并保温60min进行热处理，此时促进钛导电层2向铜镀层3渗透形成TiCu冶金过渡层5。最后获得最外层覆铜且结合力优良的氮化铝陶瓷板。

实施例2：

如图1所示，取长10cm、宽5cm、厚3mm的氮化铝陶瓷板1，其中一面覆盖高温导电胶，另一面用于镀钛膜。氮化铝陶瓷板清洗烘干后置于真空磁控溅射镀膜机内，控制磁控溅射的真空度为0.5 Pa，工作气体为氩气，电源的功率为10 KW，电压为300伏的直流电压，溅射时间为5 min，从而在氮化铝陶瓷板1表面获得厚度为0.5微米的钛导电层2。然后将其清洗后置于含酸性硫酸铜镀液的电解槽中作为阴极，以磷铜板为阳极，其中磷铜板的表面积比氮化铝陶瓷板被镀面的表面积大一倍以上，两者间距大于30cm，酸性硫酸铜镀液的配方为：150g/L CuSO₄·5H₂O、50g/L H₂SO₄。电镀铜时控制阴极电流密度5A/dm²、温度50℃，时间5min，通过搅拌镀液，使表面镀覆钛导电层2的氮化铝陶瓷板表面形成厚度为5微米的铜镀层3。将表面先后覆盖了钛导电层2和铜镀层3的氮化铝陶瓷板清洗烘干后置于气氛炉内，气氛炉抽真空后充入氩气，然后控制以10℃/min的升温速度从室温升到300℃时保温60min，此时促进钛导电层2向氮化铝陶瓷板1渗透形成TiN冶金过渡层4，当保温时间结束后，控制以10℃/min的升温速度从300℃升到800℃，并保温90min进行热处理，此时促进钛导电层2向铜镀层3渗透形成TiCu冶金过渡层5。最后获得最外层覆铜且结合力优良的氮化铝陶瓷板。

实施例3：

如图1所示，取长10cm、宽5cm、厚3mm的氮化铝陶瓷板1，其中一面覆盖高温导电胶，另一面用于镀钛膜。氮化铝陶瓷板清洗烘干后置于真空磁控溅射镀膜机内，控制磁控溅射的真空度为0.5 Pa，工作气体为氩气，电源的功率为10 KW，溅射时间为30 min，从而在氮化铝陶瓷板表面获得厚度为10微米的钛导电层2。然后将其清洗后置于含酸性硫酸铜镀液的电解槽中作为阴极，以磷铜板为阳极，其中磷铜板的表面积比氮化铝陶瓷板被镀面的表面积大一倍以上，两者间距大于30cm，酸性硫酸铜镀液的配方为：220g/L CuSO₄·5H₂O、80g/L H₂SO₄。电镀铜时控制阴极电流密度8A/dm²、温度30℃，时间60min，通过搅拌镀液，使表面镀覆钛导电层2的氮化铝陶瓷板表面形成厚度为100微米的铜镀层3。将表面先后覆盖了钛导电层2和铜镀层3的氮化铝陶瓷板清洗烘干后置于气氛炉内，气氛炉抽真空后充入氩气，然后控制以10℃/min的升温速度从室温升到400℃时保温10min，此时促进钛导电层2向氮化铝陶瓷板1渗透形成TiN冶金过渡层4，当保温时间结束后，控制以10℃/min的升温速度从400℃升到900℃，并保温30min进行热处理，此时促进钛导电层2向铜镀层3渗透形成TiCu冶金过渡层5。最后获得最外层覆铜且结合力优良的氮化铝陶瓷板。

上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种氮化铝陶瓷板金属化的方法，其特征在于，所述的方法包括如下步骤：

（1）物理气相沉积方法镀钛：通过真空磁控溅射镀，使清洗过的氮化铝陶瓷板表面形成一定厚度的钛导电层；

（2）化学方法电镀铜：根据金属钛的导电性，将表面镀钛的氮化铝陶瓷板作为阴极置于盛有酸性硫酸铜镀液的电解槽中，磷铜板为阳极，控制阴极电流密度和电镀时间获得相应厚度的铜镀层；

（3）热处理：将表面先后镀覆了钛导电层和铜镀层的氮化铝陶瓷板置于热处理炉中,在氩气气氛保护下加热,并控制相应的热处理温度和保温时间，先后实现氮化铝与钛的界面冶金结合形成TiN冶金过渡层以及铜与钛的界面冶金结合形成TiCu冶金过渡层。

2.如权利要求1所述的一种氮化铝陶瓷板金属化的方法，其特征在于，所述步骤（1）中物理气相沉积方法镀钛，主要是将氮化铝陶瓷板放在真空磁控溅射镀膜机内，以纯度为99.99%纯钛为阴极靶材，氮化铝陶瓷板为阳极，在氩气气氛保护下，在阴极靶材和阳极之间施加100-300伏直流电压，在镀膜机内产生磁控型异常辉光放电，使氩气电离成氩离子并经电场加速轰击在阴极钛靶材上，钛原子被溅射出来后沉积在阳极氮化铝陶瓷板表面形成钛薄膜，通过控制溅射时间和溅射电压，来控制钛覆层的实际厚度，要求钛导电层厚度不小于0.5微米。

3.如权利要求1所述的一种氮化铝陶瓷板金属化的方法，其特征是所述步骤（2）中对表面镀覆钛导电层的氮化铝陶瓷板置于酸性硫酸铜镀液中电镀铜，酸性硫酸铜镀液的配方为：150 ~ 220g/L CuSO₄·5H₂O、50 ~ 80g/L质量浓度为98%的浓H₂SO₄，溶剂为水。

4.如权利要求1所述的一种氮化铝陶瓷板金属化的方法，其特征在于，步骤（2）中化学方法电镀铜是以磷铜板为阳极，控制阴极电流密度3 ~ 8A/dm²、温度30～50℃，时间10～30min，镀液采用空气搅拌，使表面镀覆钛导电层的氮化铝陶瓷板表面形成厚度为5~100微米的铜镀层。

5.如权利要求1所述的一种氮化铝陶瓷板金属化的方法，其特征在于，所述步骤（3）中对表面先后包覆了钛导电层和铜镀层的氮化铝陶瓷板置于气氛炉中热处理的方法是：气氛炉抽真空后充入氩气，然后加热升温，当温度达到300~400℃时保温30~60min，此时促进钛导电层向氮化铝渗透形成TiN冶金过渡层，当保温时间结束后进一步升温到800~900℃，并保温30~60min，此时促进钛导电层向铜镀层渗透形成TiCu冶金过渡层。