CN104409425A - 高导热氮化硅陶瓷覆铜板及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高导热氮化硅陶瓷覆铜板及其制备方法，涉及覆铜板制造技术领域。包括高导热氮化硅陶瓷基板和无氧铜层，所述高导热氮化硅陶瓷基板上下两个表面分别与无氧铜层焊接连接，所述的焊接为通过活性金属焊膏在真空钎焊炉中高温焊接。本发明采用高强度高导热氮化硅基板的弯曲强度是氮化铝陶瓷基板的2-3倍，可以实现其与厚铜基板的覆接；热导率是氧化铝陶瓷基板3-4倍，大幅提高基板的散热性能；采用的活性焊铜工艺与直接覆铜工艺相比界面结合力更高、空洞更少、可靠性更高。因此，具有高强度、高导热、高可靠的特点。
Description
技术领域
本发明属于覆铜板制造技术领域，具体涉及一种高导热氮化硅陶瓷覆铜板及其制备方法。
背景技术
绝缘栅双极晶体管（IGBT）是电力电子领域中最重要的大功率器件，大规模应用于电动汽车、电力机车等领域。陶瓷覆铜板是将高导电无氧铜在高温下直接键合到陶瓷表面而形成的一种复合金属陶瓷基板，它既具有陶瓷的高导热性、高电绝缘性、高机械强度、低膨胀等特性，又具有无氧铜金属的高导电性和优异的焊接性能，并能像PCB线路板一样刻蚀出各种图形，是电力电子领域功率模块封装的不可或缺的关键基础材料。
目前，已应用作为陶瓷覆铜板基板材料共有两种陶瓷，分别是氧化铝陶瓷基板、氮化铝陶瓷基板。然而，无论是氧化铝还是氮化铝陶瓷基板，其抗弯强度和断裂韧性都相对较低，导致焊接无氧铜后在热循环过程中易于开裂，影响整个功率模块的可靠性。
发明内容
本发明的目的是提供一种高导热氮化硅陶瓷覆铜板及其制备方法，制备的该高导热氮化硅陶瓷覆铜板具有导热性好、强度和抗冲击能力高、承载电流能力强、散热性好、热阻低、耐温度冲击能力高、可靠性高等优点。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种高导热氮化硅陶瓷覆铜板，包括高导热氮化硅陶瓷基板和无氧铜层，所述高导热氮化硅陶瓷基板上下两个表面分别与无氧铜层焊接连接，所述的焊接为通过活性金属焊膏在真空钎焊炉中高温焊接。
本发明所述的高导热氮化硅陶瓷覆铜板的制备方法，步骤如下：
（1）将陶瓷粉体、烧结助剂混合成瓷粉，采用干压成型、流延成型或凝胶注模成型工艺制备出薄板型氮化硅陶瓷坯体；
（2）薄板型氮化硅陶瓷坯体经气氛压力烧结制备出高导热氮化硅陶瓷，陶瓷表面进行磨抛制得高导热氮化硅陶瓷基板；
（3）将金属Ag、Cu、Ti或Ag、Cu、Zr粉末搅拌混合后加入有机粘结剂搅拌制备Ti-Ag-Cu或Zr-Ag-Cu活性金属焊膏；
（4）在高导热氮化硅陶瓷基板上下表面印刷活性金属焊膏；
（5）将涂覆有活性金属焊膏的高导热氮化硅陶瓷基板与无氧铜装夹后在真空钎焊炉中高温焊接，从而实现高导热氮化硅陶瓷基板与无氧铜的覆接。
优选的，所述陶瓷粉体成分重量含量为90％～96％，所述烧结助剂成分为氧化钇、氧化铝、氧化镁、氧化钙中的一种或几种，其成分重量含量为4％～10％。
优选的，所述金属Ag粉重量含量为65～95wt%，所述Cu粉重量含量为5～25wt%，所述Ti或Zr粉重量含量为0～10wt%，其搅拌混合时间为20～30小时；加入有机粘结剂固相重量含量为10～50wt%，搅拌时间为10～20小时。
优选的，真空高温焊接的焊接温度为800～900℃，真空度为1×10-4～9×10-4Pa。
采用上述技术方案所制备的氮化硅陶瓷覆铜板与氧化铝覆铜板和氮化铝覆铜板相比，所产生的有益效果在于：采用高强度高导热氮化硅基板将氧化铝或氮化铝基板替换，其高强度高导热氮化硅基板的弯曲强度是氮化铝陶瓷基板的2-3倍，可以提高氮化硅陶瓷覆铜板强度和抗冲击能力，焊接更厚的无氧铜而不会产生瓷裂现象，提高了基板的可靠性；通过与厚铜基板的覆接，其热导率是氧化铝陶瓷基板3-4倍，大幅提高基板的散热性能；基板承载电流能力更强、基板整体散热性能更好、热阻更低、耐温度冲击能力更强；氮化硅陶瓷覆铜板焊接方法采用活性焊铜工艺，与直接覆铜工艺相比界面结合力更高、空洞更少，可以实现多层无氧铜与陶瓷的焊接以及无氧铜通孔制备。因此，具有高强度、高导热、高可靠的特点，可用湿法刻蚀工艺在表面制作电路，经表面镀覆后制得的一种用于高可靠IGBT模块封装的基板材料，是新型电动汽车用IGBT功率控制模块的首选基板材料。
附图说明
图1是本发明表面结构示意图；
图2是图1的侧视图；
图3是本发明的工艺流程图；
其中，1高导热氮化硅陶瓷基板，2无氧铜层，3无氧铜层刻蚀端口3。
具体实施方式
下面结合附图1、附图2和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明是一种高导热氮化硅陶瓷覆铜板，包括高导热氮化硅陶瓷基板1和无氧铜层2，所述高导热氮化硅陶瓷基板1上下两个表面分别与无氧铜层2焊接连接，所述的焊接为通过活性金属焊膏在真空钎焊炉中高温焊接。活性金属焊膏是利用钎料中含有的少量活性元素（Ti、Zr）与陶瓷反应生成能被液态钎料润湿的反应层，从而实现陶瓷与金属覆接的一种方法。
如图3所示，本发明一种高导热氮化硅陶瓷覆铜板的制备方法包括以下步骤：
（1）将陶瓷粉体、烧结助剂混合成瓷粉，所述陶瓷粉体成分重量含量为90％～96％，所述烧结助剂成分为氧化钇、氧化铝、氧化镁、氧化钙中的一种或几种，其成分重量含量为4％～10％，采用干压成型、流延成型或凝胶注模成型工艺制备出薄板型氮化硅陶瓷坯体；
（2）薄板型氮化硅陶瓷坯体经气氛压力烧结制备出高导热氮化硅陶瓷，陶瓷表面进行磨抛制得高导热氮化硅陶瓷基板；
（3）将金属Ag、Cu、Ti或Ag、Cu、Zr粉末搅拌混合后加入有机粘结剂搅拌制备Ti-Ag-Cu或Zr-Ag-Cu活性金属焊膏，所述金属Ag粉含量为重量65～95wt%，所述Cu粉重量含量为5～25wt%，所述Ti粉含量为重量0～10wt%，其混合时间为20～30小时，所述有机粘结剂固相重量含量为10～50wt%，其搅拌时间为10～20小时；
（4）在高导热氮化硅陶瓷基板上下表面印刷活性金属焊膏；
（5）将涂覆有活性金属焊膏的高导热氮化硅陶瓷基板与无氧铜装夹后在真空钎焊炉中高温焊接，其焊接温度为800～900℃，真空度为1×10-4～9×10-4Pa从而实现高导热氮化硅陶瓷基板与无氧铜的覆接；
（6）覆接完成的基板，可用湿法刻蚀工艺得到图1所示导体图形，最后表面镀覆镍制备出性能可靠产品。
具体实施例如下：
实施例1：上述步骤相同，陶瓷粉体成分重量含量为90％所述烧结助剂成分为氧化钇、氧化铝、氧化镁、氧化钙中的一种或几种，其成分重量含量为10％。
实施例2：上述步骤相同，陶瓷粉体成分重量含量为96％所述烧结助剂成分为氧化钇、氧化铝、氧化镁、氧化钙中的一种或几种，其成分重量含量为4％。
实施例3：上述步骤相同，其陶瓷粉体成分重量含量为93％所述烧结助剂成分为氧化钇、氧化铝、氧化镁、氧化钙中的一种或几种，其成分重量含量为7％。
实施例4：上述步骤相同，所述金属Ag粉重量含量为65wt%，所述Cu粉重量含量为25wt%，所述TiZ或Zr粉重量含量为10wt%，其搅拌混合时间为20～30小时；加入有机粘结剂固相重量含量为10wt%，搅拌时间为10～20小时。
实施例5：上述步骤相同，所述金属Ag粉重量含量为95wt%，所述Cu粉重量含量为5wt%，所述TiZ或Zr粉重量含量为0wt%，其搅拌混合时间为20～30小时；加入有机粘结剂固相重量含量为10wt%，搅拌时间为10～20小时。
实施例6：上述步骤相同，所述金属Ag粉重量含量为65wt%，所述Cu粉重量含量为25wt%，所述TiZ或Zr粉重量含量为10wt%，其搅拌混合时间为20～30小时；加入有机粘结剂固相重量含量为50wt%，搅拌时间为10～20小时。
实施例7：上述步骤相同，所述金属Ag粉重量含量为95wt%，所述Cu粉重量含量为5wt%，所述TiZ或Zr粉重量含量为0wt%，其搅拌混合时间为20～30小时；加入有机粘结剂固相重量含量为50wt%，搅拌时间为10～20小时。
实施例8：上述步骤相同，所述金属Ag粉重量含量为75wt%，所述Cu粉重量含量为20wt%，所述TiZ或Zr粉重量含量为5wt%，其搅拌混合时间为20～30小时；加入有机粘结剂固相重量含量为10wt%，搅拌时间为10～20小时。
实施例9：上述步骤相同，所述金属Ag粉重量含量为75wt%，所述Cu粉重量含量为20wt%，所述TiZ或Zr粉重量含量为5wt%，其搅拌混合时间为20～30小时；加入有机粘结剂固相重量含量为50wt%，搅拌时间为10～20小时。
本发明提供一种高导热氮化硅陶瓷覆铜板的制备工艺方法是采用高强度高导热氮化硅基板将氧化铝或氮化铝基板替换，其高强度高导热氮化硅基板的弯曲强度是氮化铝陶瓷基板的2-3倍，可以提高氮化硅陶瓷覆铜板强度和抗冲击能力，焊接更厚的无氧铜而不会产生瓷裂现象，提高了基板的可靠性；通过与厚铜基板的覆接，其热导率是氧化铝陶瓷基板3-4倍，大幅提高基板的散热性能；基板承载电流能力更强、基板整体散热性能更好、热阻更低、耐温度冲击能力更强；氮化硅陶瓷覆铜板焊接方法采用活性焊铜工艺，与直接覆铜工艺相比界面结合力更高、空洞更少，可以实现多层无氧铜与陶瓷的焊接以及无氧铜通孔制备。因此，具有高强度、高导热、高可靠的特点，可用湿法刻蚀工艺在表面制作电路，经表面镀覆后制得的一种用于高可靠IGBT模块封装的基板材料，是新型电动汽车用IGBT功率控制模块的首选基板材料。
Claims (6)
1.一种高导热氮化硅陶瓷覆铜板，其特征在于：包括高导热氮化硅陶瓷基板（1）和无氧铜层（2），所述高导热氮化硅陶瓷基板（1）上下两个表面分别与无氧铜层（2）焊接连接。
2.根据权利要求1所述的一种高导热氮化硅陶瓷覆铜板，其特征在于：所述的焊接为通过活性金属焊膏在真空钎焊炉中高温焊接。
3.一种高导热氮化硅陶瓷覆铜板的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）将陶瓷粉体、烧结助剂混合成瓷粉，采用干压成型、流延成型或凝胶注模成型工艺制备出薄板型氮化硅陶瓷坯体；
（2）薄板型氮化硅陶瓷坯体经气氛压力烧结制备出高导热氮化硅陶瓷，陶瓷表面进行磨抛制得高导热氮化硅陶瓷基板；
（3）将金属Ag、Cu、Ti或Ag、Cu、Zr粉末搅拌混合后加入有机粘结剂搅拌制备Ti-Ag-Cu或Zr-Ag-Cu活性金属焊膏；
（4）在高导热氮化硅陶瓷基板上下表面印刷活性金属焊膏；
（5）将涂覆有活性金属焊膏的高导热氮化硅陶瓷基板与无氧铜装夹后在真空钎焊炉中高温焊接，从而实现高导热氮化硅陶瓷基板与无氧铜的覆接。
4.根据权利要求3所述的一种高导热氮化硅陶瓷覆铜板的制备方法，其特征在于步骤（1）中所述陶瓷粉体成分重量含量为90％～96％，所述烧结助剂成分为氧化钇、氧化铝、氧化镁、氧化钙中的一种或几种，其成分重量含量为4％～10％。
5.根据权利要求3所述的一种高导热氮化硅陶瓷覆铜板的制备方法，其特征在于步骤（3）中所述金属Ag粉重量含量为65～95wt%，所述Cu粉重量含量为5～25wt%，所述Ti或Zr粉重量含量为0～10wt%，其搅拌混合时间为20～30小时；加入有机粘结剂固相重量含量为10～50wt%，搅拌时间为10～20小时。
6.根据权利要求3所述的一种高导热氮化硅陶瓷覆铜板的制备方法，其特征在于步骤（5）中真空高温焊接的焊接温度为800～900℃，真空度为1×10-4～9×10-4Pa。
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| CN104409425B (zh) | 2018-03-13 |
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