CN104064478A - 一种铜/氮化铝陶瓷复合导热基板的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种铜/氮化铝陶瓷复合导热基板的制作方法，包括以下步骤：（1）在氮化铝基板表面打出贯穿孔；（2）在氮化铝基板双面涂敷铜系电子浆料层；（3）向贯穿孔填充预氧化铜柱；（4）整体烧结30min；（5）双面涂敷锡银铜钎料后进行钎焊；（6）表面抛光；（7）直接进行镀铜处理，形成均匀的铜层，即获得铜/氮化铝陶瓷复合导热基板；以本发明方法制造出的铜/氮化铝陶瓷复合导热基板贯穿孔上下导通，孔内金属化层与陶瓷基板的结合强，中间铜柱可实现上下表面铜层的导通，方便电信号的传输，兼具理想的导热效果、低的热膨胀系数和良好的导电性能等优点。
Description
技术领域
本发明涉及化学领域，特别是一种铜/氮化铝陶瓷复合导热基板的制作方法。
背景技术
随着电子行业的发展，单位电子器件功率的不断升高，其对电路基板散热的要求相应提高，适合做散热基板的材料有金属基板、陶瓷金属化基板、金属基复合材料等；相比于金属基板，陶瓷本身具有电阻高、绝缘性能好，导热率高，化学稳定性好，热稳定性优良，熔点高、可在高温下使用等优点，特别是氮化铝陶瓷基板由于其高的热导率、无毒等特点点，被公认为是最有发展前景的散热基板材料。
目前适合于封装应用的氮化铝陶瓷基板工艺有：薄膜法、厚膜法、直接敷铜法等，薄膜法附着能力差、成本也较高且不易在贯穿孔内壁实现金属化的缺点；厚膜法虽然在一定程度上解决了上述问题，但是依然无法满足贯穿孔内壁金属化的要求，这是因为氮化铝基板表面布满了许多贯穿孔，这些贯穿孔在金属化时，常常因为形成气孔或气泡使得基板的表面和孔壁不能够完全的导通，造成孔内金属化层与陶瓷基板的结合力差、大功率电流通过性差的问题。
传统的AlN（氮化铝）表面金属化是通过直接敷铜技术(Direct bonding Copper, DBC)在AlN表面敷接导电铜层，在DBC基板的应用中，德国Schulz Harder J.等提出采用双面DBC基板导电通道技术可以使陶瓷基板的上下电路相连(Schulz Harder J. Advantages and new development of DBC (Direct Bond Copper) substrates. Adv. Microelectron, 2005; 32 (6) : 8～12)，其所提出的通道技术是由内置金属小球、单面冲压通道成型、内置金属焊盘并进行冲压和双面冲压通道成型四种方式，这些通道构造方式成本高、工艺复杂，而且通道都需要占用较大空间，且上层铜箔容易变形导致铜箔不平整；因此如何解决贯穿孔氮化铝陶瓷基板制备困难，实现氮化铝陶瓷基板贯穿孔内壁金属化，一直是本领域亟待解决的技术难题。
发明内容
针对上述问题，提供一种铜/氮化铝陶瓷复合导热基板的制作方法，以实现解决贯穿孔氮化铝陶瓷基板制备困难，孔内金属化层与陶瓷基板的结合力差、大功率电流通过性差的技术难题，本发明是这样实现的：
一种铜/氮化铝陶瓷复合导热基板的制作方法，包括以下步骤：
（1）根据实际需要，利用激光在氮化铝基板表面打出贯穿孔；
（2）在氮化铝基板双面涂敷铜系电子浆料，于1000℃-1100℃空气气氛中烧结45min，形成厚度为5-50μm的铜氧化物层，为基板的电连接做处理；
（3）将经过预氧化处理的铜柱填充于氮化铝基板的贯穿孔中，所述铜柱直径小于贯穿孔直径0.05~0.1mm；
（4）在800℃-900℃还原气氛下对氮化铝基板和铜柱进行整体还原烧结30min；
（5）在氮化铝基板双面涂敷锡银铜钎料在真空钎焊炉中250℃条件下进行钎焊；
（6）对氮化铝基板双面进行机械研磨和抛光处理，增加基板的平整度；
（7）对氮化铝陶瓷基板双面进行镀铜处理，在氮化铝陶瓷基板双面形成均匀的铜层，即获得铜/氮化铝陶瓷复合导热基板。
优选的，本发明中，步骤3中所述经过预氧化处理的铜柱是指：将铜柱在350℃空气下预氧化30min，使铜柱表面形成均匀的氧化膜。
优选的，本发明中，步骤4所述还原气氛是由N2和H2构成，其中H2占混合气体体积百分比5~20%。
优选的，本发明中，步骤5中钎焊时间为30min。
优选的，本发明中，步骤7所述镀铜处理是指化学镀铜或磁控溅射镀铜处理铜层厚度为20-200μm。
优选的，本发明中，步骤2所述铜系电子浆料为氧化亚铜水系电子浆料，步骤5所述锡银铜钎料为无铅锡银铜锡膏。
本发明利用铜系电子浆料氧化后和陶瓷间发生化学反应，实现铜氧化物在陶瓷基板的沉积；预氧化后的铜柱和基板表面的铜氧化物层的在还原气氛下被还原成铜，且由于铜原子的热扩散实现陶瓷基板和填充铜柱的连接，实现贯穿孔填铜氮化铝基板整体金属化，再通过钎焊工艺增强铜柱和基板的连接，最后经过磨削和直接镀铜实现实现基板的最终金属化。
本发明采用铜系电子浆料在AlN表面和通道孔壁低成本实现铜金属化，利用低温钎焊技术将金属铜柱与AlN陶瓷内壁金属化的孔道有效连接，AlN陶瓷双面铜层连接的通道不受冲压工艺的影响，可以在保证上下铜层电流通流能力的前提下，尽可能减小，而且经研磨和抛光后再进行化学镀铜或磁控溅射镀铜，可以保证AlN上下表面的平整，方便器件的固晶和封装，因此本发明与传统金属化工艺相比，不仅具有工艺和成本优势，而且金属铜层直接和通道铜柱互联，保证了复合基板表面金属铜层和通道铜柱的通流能力和低热膨胀性能。
以本发明方法制造出的铜/氮化铝陶瓷复合导热基板贯穿孔上下导通，孔内金属化层与陶瓷基板的结合强，剥离强度大于等于3N/mm，水平方向导热性能大于等于280W/mK，厚度方向的热导率大于等于180W/mK，水平方向的热膨胀系数小于等于7.2 ppm/K，厚度方向的热膨胀系数小于等于9 ppm/K。中间铜柱可实现上下表面铜层的导通，其导电性能与纯铜相当，大于等于纯铜导电率的80%，方便电信号的传输，兼具理想的导热效果、低的热膨胀系数和良好的导电性能等优点。
附图说明
图1为本发明实施例制备流程示意图。
图2为本发明实施例结构示意图。
1、氮化铝陶瓷基板；2、铜氧化物层；3、预氧化铜柱；4、还原铜层；5、铜柱；6、钎料层；7、铜层；8、贯穿孔。
具体实施方式
实施例1 制备铜/氮化铝陶瓷复合导热基板
（1）如图2A所示，以激光打孔的方法在氮化铝陶瓷基板1上形成贯穿孔8，本实施例中贯穿孔8直径为2mm，具体实施中可以根据需要控制贯穿孔8的直径大小；
（2）在氮化铝基板1双面涂敷铜系电子浆料，于1000℃-1100℃与空气中烧结45min，如图2B所示，形成铜氧化物层2，实现铜氧化物层2和氮化铝陶瓷基板1的连接，本实施例中铜氧化物层2厚度为20μm，具体实施过程中，可以根据需要控制铜氧化物层2的厚度在5-50μm范围内；
本实施例所述铜系电子浆料，是根据专利号“ZL201010565232.3”，发明名称“一种基于电子浆料的敷铜陶瓷基板制造方法”实施例2步骤1所述方法制备的氧化亚铜水系电子浆料，具体实施过程中，还可以需要以不同方法制备。
（3）将将铜柱在350℃空气下预氧化30min，使铜柱表面形成均匀的氧化膜，将预氧化铜柱3填充于氮化铝基板1的贯穿孔8中，实现贯穿孔8内电导通，如图2C所示，本实施例中铜柱直径为1.95mm，具体实施中，可以根据实际需要确定铜柱的尺寸；
（4）在含有体积百分比5~20% H2的N2-H2混合气体的气氛条件下，于800℃-900℃的还原气氛下对氮化铝基板1和预氧化铜柱3进行整体还原烧结30min，将铜氧化物还原成金属铜，在氮化铝基板1双面形成通过高温扩散使铜柱5和基板结合起来，如图2D所示；
（5）在氮化铝基板双面涂敷锡银铜钎料在真空钎焊炉中250℃条件下进行钎焊30min，如图2E所示，形成钎料层6，以增强铜柱5和氮化铝基板1的连接作用；
本实施例中所使用的锡银铜钎料为深圳市华城锡业科技有限公司生产的无铅锡银铜锡膏Sn-Ag3.0-Cu0.5。
（6）对氮化铝基板1双面进行机械研磨和抛光处理，增加表面金属化层的平整度；
（7）以直接镀铜法处理氮化铝陶瓷基板1，如图2F所示，在氮化铝陶瓷基板1双表面形成均匀的铜层7，完成最终金属化，获得铜/氮化铝陶瓷复合导热基板；本实施例中铜层7的厚度为200μm，具体操作实施过程中可以根据需要在20-200μm的范围内调整铜层7的厚度。
图1为本发明实施例制备流程示意图。
以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进，这些改进都属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种铜/氮化铝陶瓷复合导热基板的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）利用激光在氮化铝基板表面打出贯穿孔；
（2）在氮化铝基板双面涂敷铜系电子浆料，于1000℃-1100℃空气气氛中烧结45min，形成厚度为5-50μm的铜氧化物中间层；
（3）对铜柱进行预氧化处理后，将其填充于氮化铝基板的贯穿孔中，所述铜柱直径比贯穿孔直径小0.05~0.1mm；
（4）在800℃-900℃还原气氛下对氮化铝基板和铜柱进行整体烧结30min；
（5）在氮化铝基板双面涂敷锡银铜钎料后，在250℃条件下进行钎焊；
（6）对氮化铝基板双面进行机械研磨和抛光处理；
（7）对氮化铝基板双面进行镀铜处理，氮化铝基板双面形成均匀铜层，即为铜/氮化铝陶瓷复合导热基板。
2.根据权利要求1所述铜/氮化铝陶瓷复合导热基板的制作方法 ，其特征在于，步骤3中所述经过预氧化处理的铜柱是指：将铜柱在350℃空气下预氧化30min，使铜柱表面形成均匀的氧化膜。
3.根据权利要求2所述铜/氮化铝陶瓷复合导热基板的制作方法，其特征在于步骤4所述还原气氛是由N2和H2构成的混合气体，其中H2占混合气体体积百分比5~20%。
4.根据权利要求3所述铜/氮化铝陶瓷复合导热基板的制作方法，其特征在于步骤5中钎焊时间为30min。
5.根据权利要求4所述铜/氮化铝陶瓷复合导热基板的制作方法，其特征在于步骤7所述镀铜处理是指化学镀铜或磁控溅射镀铜处理，铜层厚度为20-200μm。
6.根据权利要求1-5所述铜/氮化铝陶瓷复合导热基板的制作方法，其特征在于，步骤2所述铜系电子浆料为氧化亚铜水系电子浆料，步骤5所述锡银铜钎料为无铅锡银铜锡膏。
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