CN105777210A - 一种氮化铝陶瓷覆铜板及其制备方法 - Google Patents

一种氮化铝陶瓷覆铜板及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种氮化铝陶瓷覆铜板，该覆铜板依次由氮化铝陶瓷基底、激光活化层、高能溅射铜层、低能铜层四层结构组成。本发明还公开了该种氮化铝陶瓷覆铜板的制备方法，步骤如下：A、对氮化铝陶瓷基底进行清洗；B、使用激光束扫射氮化铝陶瓷基底表面，制备激光活化层；C、在上述激光活化层上利用磁控溅射在低气压高电压条件下沉积高能溅射铜层；D、在高能溅射铜层上采用溅射镀铜法、化学镀铜法或蒸发镀铜法制备低能铜膜，得到氮化铝陶瓷覆铜板。本发明相比一般氮化铝陶瓷金属化的结构，具有制备过程无污染，膜层质量高，结合强度大，结构简单稳定，工艺兼容性强等优点。

Description

一种氮化铝陶瓷覆铜板及其制备方法
技术领域
本发明属于陶瓷金属化领域，涉及一种氮化铝陶瓷金属化技术，尤其涉及一种氮化铝陶瓷覆铜板及其制备方法。
背景技术
随着微电子技术的发展，各类型的电子器件功率越来越大，集成度越来越高，功能越来越复杂，同时LED高功率照明的需求也日益增高，这一切都对电路板的散热性能提出了更高的要求。
传统的FR-4环氧树脂覆铜板的热导率仅为0.8W/m·K，有一些使用金属铝作为基材，在上面生成绝缘膜后用来制作覆铜板，这种方法使用的绝缘介质层热阻很大，也不适合作为大功率电路的基板使用。目前广为使用的氧化铝陶瓷板的热导率也只达到20W/m·K左右，已无法满足高功率电路的要求。
氮化铝陶瓷由于其高热导率(理论值320W/m·K)，低介电常数，化学稳定性等等优势，受到了越来越多的关注。但是，能够浸润氮化铝的物质非常少，仅有钛和融化的硅能浸润，而钛金属不容易刻蚀。目前市面上的氮化铝陶瓷覆铜板普遍存在着膜层结合强度低、膜层质量差、过渡层热膨胀系数不匹配等等问题，这使得氮化铝陶瓷基板的发展受到了制约，因此，如何解决氮化铝陶瓷的金属化问题便成为了一个重大难题。
中国专利CN103762181公开了一种氮化铝覆铜陶瓷的制备方法，其包括以下步骤：
a、对氮化铝陶瓷和铜片进行清洗。
b、对氮化铝陶瓷进行预氧化处理，使陶瓷表面生成氧化铝层。
c、对预氧化后的氮化铝陶瓷表面添加金属改性层，所述金属改性层包括金属铜或含铜氧化物或含铜化合物或三者的混合物，并进行烧结。
d、铜片表面进行热氧化处理，使铜片表面生成氧化亚铜。
e、将铜片放置在经过改性处理的氮化铝陶瓷表面进行第一面烧结，完成之后再进行第二面烧结。
上述氮化铝陶瓷金属化技术是将铜层和氮化铝陶瓷预氧化，利用类似于DBC陶瓷的敷接技术，将铜层与氮化铝陶瓷结合在一起。该方法制备的覆铜板具有一定的缺陷，如铜金属层厚度较大，刻蚀时容易产生侧蚀，无法制备较细线条的电路，不适合高集成度的电路制备；铜层质量较差，使得电阻率较高；铜层和氮化铝陶瓷的结合强度较低，金属层容易脱落等，无法满足日益增加的生产生活要求。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种生产成本低、金属化膜层结合力强、便于光刻的氮化铝陶瓷覆铜板及其制备方法。
本发明的氮化铝陶瓷覆铜板，依次由氮化铝陶瓷基底层、激光活化层、高能溅射铜膜、低能铜膜组成。所述的激光活化层由激光束在氮化铝陶瓷基底层上扫射而成，激光束的扫射速度为0.5～100mm/s，扫描间隔为0.001～0.01mm；所述的高能溅射铜膜采用磁控溅射法在低气压高电压下沉积得到，上述低气压高电压是指：溅射气压为0.2～0.3Pa，溅射电压为350～600V；所述的低能铜膜由常规的溅射镀铜法、化学镀铜法或蒸发镀铜法制得，常规的溅射镀铜法是指采用常规的磁控溅射法制备铜膜，其溅射气压通常为0.5～0.7Pa。
上述技术方案中，所述的激光活化层厚度为50-500nm。所述的高能溅射铜膜厚度为500nm-2μm。
上述氮化铝陶瓷覆铜板的制备方法，包括如下步骤：
A、对氮化铝陶瓷基底进行清洗；
B、使用激光束以扫射速度为0.5～100mm/s、扫描间隔为0.001～0.01mm扫射氮化铝陶瓷基底表面，制备激光活化层；
C、在上述激光活化层上利用磁控溅射在低气压高电压条件下沉积高能溅射铜层，所述的低气压高电压指溅射气压为0.2～0.3Pa，溅射电压为350～600V；
D、在高能溅射铜层上采用溅射镀铜法、化学镀铜法或蒸发镀铜法制备低能铜膜，得到氮化铝陶瓷覆铜板。
上述技术方案中，所述的激光为波长为157nm到10.6um之间的一种或多种激光混合。
所述的激光束对整个氮化铝陶瓷基底可以进行一次扫射或多次扫射，以获得不同厚度的激光活化层。
所述的激光光斑大小为0.005～0.01mm，使用功率为10～500W。
在低气压高电压下制备高能溅射铜膜时的溅射电流为0.5～2A。
本发明具有的有益效果是：
本发明的覆铜板利用激光在局部产生高温并可以打断分子键的特性，令氮化铝陶瓷基底表面生成一层铝氧化物或氮氧化物过渡层，同时利用高能量的铜粒子轰击陶瓷表面，使得过渡处的铜夺取铝氧化物或氮氧化物中的氧，形成铜氧共晶相，增加膜层的结合力。激光活化层主要为铝氧化物或氮氧化物、铝单质等物质，可以同时浸润铜层和氮化铝层，高能量的铜层与其发生界面反应，使其具有非常好的结合强度，低能铜层由常规溅射或者化学或者蒸发方式生长，膜系质量好，可制作高精度电路。本发明的覆铜板膜层质量高，结合强度大，结构简单稳定，其制备方法非常简单，过程无污染，工艺兼容性强，便于工业生产。
附图说明
图1是该氮化铝陶瓷覆铜板的结构示意图；
图中：1-低能铜膜，2-高能溅射铜膜，3-激光活化层，4-氮化铝陶瓷基底层。
图2是激光扫射氮化铝陶瓷基片的示意图。其中l表示激光的扫描间隔。
具体实施方式
如图1所示，本发明的氮化铝陶瓷覆铜板自下而上依次由氮化铝陶瓷基底层4、激光活化层3、高能溅射铜膜2、低能铜膜1组成，其制备方法如下：
A、对氮化铝陶瓷基底进行清洗；
B、使用激光扫射氮化铝陶瓷基底表面制备激光活化层；
C、在上述激光活化层上利用磁控溅射在低气压高电压条件下沉积高能溅射铜层，所述的低气压高电压指溅射气压为0.2～0.3Pa，溅射电压为350～600V；
D、在高能溅射铜层上采用常规溅射镀铜法、化学镀铜法或蒸发镀铜法制备低能铜膜，得到氮化铝陶瓷覆铜板。
实施例1
(1)将规格为10mm×10mmm×0.3mm的纯度99％氮化铝陶瓷基片用丙酮、酒精体积比1:1混合溶液浸泡15min；去离子水冲洗后用质量浓度5％HF溶液浸泡1min；去离子水超声清洗20min；高纯度氮气枪吹干后放入烘箱，120℃加热20min；
(2)使用深圳大族激光EP-12A风冷式端面泵浦激光打标机进行处理。该打标机的激光波长为1064nm，使用功率为12W，调整激光斑点大小为0.006mm左右。将清洗干燥后的陶瓷基片放置于激光台上，设置打标机参数，电流大小为20A，有效矢量步长为0.001mm，有效矢量延时60us，空矢量步长0.03mm，空矢量延时20us，激光开时间120us，激光关时间500us，跳转延时500us，拐弯延时5us，Q频率3kHZ，Q释放时间8us；对陶瓷基片表面进行一次激光扫射处理，如图2所示，使得激光在陶瓷基片表面扫射直至扫过整个基片表面，激光扫描速度为1mm/s，扫描间隔l为0.001mm，扫射后在陶瓷基片上生成激光活化层，激光活化层厚度约为100nm。
(3)采用磁控溅射方式，进行溅射镀膜，靶材为纯度99.99％的铜靶，本底真空度5×10-3Pa，溅射气体为Ar气(纯度99.99％)，首先调整溅射气压0.2Pa，溅射电流电压分别为1A和435V，溅射膜厚为1μm左右获得高能溅射铜膜；然后调整溅射气压至0.7Pa，继续溅射低能铜膜，至总铜膜层厚度为3um左右。冷却后取出，得到氮化铝陶瓷覆铜板。

Claims (8)

1.一种氮化铝陶瓷覆铜板，其特征在于，依次由氮化铝陶瓷基底层、激光活化层、高能溅射铜膜、低能铜膜组成，所述的激光活化层由激光束在氮化铝陶瓷基底层上扫射而成，激光束的扫射速度为0.5～100mm/s，扫描间隔为0.001～0.01mm；所述的高能溅射铜膜采用磁控溅射法在低气压高电压下沉积得到，上述低气压高电压是指：溅射气压为0.2～0.3Pa，溅射电压为350～600V；所述的低能铜膜由溅射镀铜法、化学镀铜法或蒸发镀铜法制得。
2.根据权利要求1所述的氮化铝陶瓷覆铜板，其特征在于，所述的激光活化层厚度为50-500nm。
3.根据权利要求1所述的氮化铝陶瓷覆铜板，其特征在于，所述的高能溅射铜膜厚度为500nm-2μm。
4.一种氮化铝陶瓷覆铜板的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
A、对氮化铝陶瓷基底进行清洗；
B、使用激光束以扫射速度为0.5～100mm/s、扫描间隔为0.001～0.01mm扫射氮化铝陶瓷基底表面，制备激光活化层；
C、在上述激光活化层上利用磁控溅射在低气压高电压条件下沉积高能溅射铜层，所述的低气压高电压指溅射气压为0.2～0.3Pa，溅射电压为350～600V；
D、在高能溅射铜层上采用溅射镀铜法、化学镀铜法或蒸发镀铜法制备低能铜膜，得到氮化铝陶瓷覆铜板。
5.根据权利要求4所述的氮化铝陶瓷覆铜板的制备方法，其特征在于，所述的激光为波长为157nm到10.6um之间的一种或多种激光混合。
6.根据权利要求4所述的氮化铝陶瓷覆铜板的制备方法，其特征在于，所述的激光束对整个氮化铝陶瓷基底进行一次扫射或多次扫射。
7.根据权利要求4所述的氮化铝陶瓷覆铜板的制备方法，其特征在于，所述的激光光斑大小为0.005～0.01mm，激光功率为10～500W。
8.根据权利要求4所述的氮化铝陶瓷覆铜板的制备方法，其特征在于，在低气压高电压下制备高能溅射铜膜时的溅射电流为0.5～2A。
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