CN107640961A

CN107640961A - 一种高导热氧化铝陶瓷覆铜板的制备方法

Info

Publication number: CN107640961A
Application number: CN201710900324.4A
Authority: CN
Inventors: 肖翔鹏; 许海; 陈金水; 王俊峰; 卢娇; 张建波
Original assignee: Jiangxi University of Science and Technology
Current assignee: Jiangxi University of Science and Technology
Priority date: 2017-09-28
Filing date: 2017-09-28
Publication date: 2018-01-30
Anticipated expiration: 2037-09-28
Also published as: CN107640961B

Abstract

本发明公开了一种高导热氧化铝陶瓷覆铜板的制备方法，先对废铜铝合金熔液进行水雾制粉，然后在粉末中加入双氧水溶液，然后进行离心脱水干燥后静电分离获得铜粉和氢氧化铝粉，然后将氢氧化铝粉进行干燥、焙烧后在热等静压中烧结，制得氧化铝陶瓷预制板，然后将铜粉喷涂在氧化铝陶瓷预制板上，然后烧结，制得氧化铝陶瓷覆铜板。本发明可以将废铜铝复合接触线中的铜、铝金属完全分离，达到节能回收的目的；使用双氧水作为氧化剂来制备氢氧化铝，保证了铝颗粒更为均匀的反应，提高了生产效率，降低了对设备的要求；铜粉均匀喷涂在氧化铝陶瓷预制板上，减少了铜与陶瓷预制板之间的空洞缺陷，提高了氧化铝陶瓷覆铜板的导热性能。

Description

一种高导热氧化铝陶瓷覆铜板的制备方法

技术领域

本发明涉及覆铜板技术领域，尤其是涉及一种高导热氧化铝陶瓷覆铜板的制备方法。

背景技术

DBC(Direct Bonded Copper)陶瓷覆铜板是指铜箔在高温下直接键合到氧化铝(Al₂O₃)陶瓷基片表面(单面或双面)上的特殊工艺方法的制成品。陶瓷覆铜板是一种采用氧化铝板作为绝缘基片，两侧通过高温共晶键合0.3mm无氧紫铜箔的复合材料。所制成的超薄复合基板既具有优良电绝缘性能，又有高导热特性，还具有优异的软钎焊性和高的附着强度，并可像PCB板一样能刻蚀出各种图形，同时具有很大的载流能力。因此，DBC陶瓷覆铜板已成为大功率电力电子电路结构技术和互连技术的基础材料。DBC陶瓷覆铜板是电力电子模块、半导体致冷器、大功率LED散热基板、太阳能电池组件、汽车电子、航天航空及军用电子组件的基础材料。

随着IGBT和功率MOSFET高频开关器件的急剧发展和使用，装置的频率由工频(50Hz)提高到高频(20kHz以上)，由于装置的体积和重量与供电频率的平方根成反比地减少，因而使高频装置的体积缩小到工频装置的25％左右，并可节电40％，大量节省材料(铜、矽钢片)近70％，所以大力发展作为IGBT模块封装关键材料的高频场控IGBT器件用陶瓷覆铜板，对实现国家的节能、节电、节材，提高劳动生产率的方针、政策具有重要现实意义。

目前国外生产的DBC陶瓷覆铜板中的Al₂O₃陶瓷厚度为0.25mm、0.38mm及0.63mm。现有产品的技术发展趋势是陶瓷覆铜板集成引出端技术，即对铜箔作处理，在所有工艺制作过程中，其键合温度始终使铜箔处于固体状态，因此铜箔的尺寸可以大于陶瓷片，而大于覆盖陶瓷面的铜箔可用作集成引出端，而这些引出端可从陶瓷片周边无铜区悬空引出。采用这种集成引出端的优点是：无焊接失效，免除焊引出端工序，使铜基板有更多的可用空间，降低电阻抗和提高温度循环可靠性。

但上述制备工艺中，由于铜箔与陶瓷预制片的接触面存在缝隙，导致在铜箔和预制陶瓷片间存在着空洞，而空洞的存在会影响IGBT电路板中的导热效率，进而影响IGBT电路板的质量。

因此，如何制备少空洞甚至无空洞、高导热的陶瓷覆铜板是目前本领域技术人员亟需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种高导热氧化铝陶瓷覆铜板的制备方法，该制备方法能够制备少空洞甚至无空洞、高导热的陶瓷覆铜板。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种高导热氧化铝陶瓷覆铜板的制备方法，包括以下步骤：

1)废铜铝合金的预处理：将废铜铝合金依次进行破碎、筛选、清洗、干燥；

2)水雾制粉处理：将步骤1)中干燥后得到的产物在真空感应炉中进行熔炼，然后将熔液进行水雾制粉处理，得到粉末；

3)双氧水氧化处理：向步骤2)中得到的粉末中加入双氧水溶液，得到混合浆料；

4)离心脱水处理：将步骤3)中得到的混合浆料进行离心脱水干燥，得到铜粉与氢氧化铝粉的混合粉料；

5)静电分离处理：将步骤4)中得到的铜粉与氢氧化铝粉的混合粉料通过静电分离器，分别获得铜粉和氢氧化铝粉；

6)将步骤5)中得到的氢氧化铝粉先进行干燥处理，然后进行焙烧处理，得到氧化铝粉；

7)烧结氧化铝陶瓷预制板：将步骤6)中得到的氧化铝粉中掺入玻璃助熔剂和粘接剂后在热等静压中烧结，形成氧化铝陶瓷预制板；

8)烧结氧化铝陶瓷覆铜板：将步骤5)中得到的铜粉喷涂在步骤7)中得到的氧化铝陶瓷预制板上，然后在真空中频感应烧结炉中烧结，完成后制得氧化铝陶瓷覆铜板。

优选的，所述步骤1)中，所述废铜铝合金为废铜铝复合接触线，对废铜铝合金依次进行机械破碎、筛选并剔除杂质、在去离子水和酒精溶液中清洗去除粉尘、在150～200℃干燥箱中干燥2～6h。

优选的，所述步骤2)中，将步骤1)中干燥后得到的产物放入真空感应炉中，熔炼温度为1100～1150℃，保温2～4h，水雾喷粉温度为950～1000℃，雾化压力为20～40MPa，喷射顶角为30～50度，得到粉末，所述粉末的粒径大小为20～30微米。

优选的，所述步骤3)中，双氧水溶液的体积浓度在40～60％，粉末在双氧水溶液中的反应时间为4～8h。

优选的，所述步骤4)中，离心脱水干燥温度为50～100℃，离心转速为2000～4000r/min。

优选的，所述步骤5)中，静电分离的输出电压为100～160KV，转速为100～300r/min。

优选的，所述步骤6)中，干燥处理是在100℃～150℃的真空干燥箱中干燥6h～8h；焙烧温度为1000℃～1200℃，焙烧时间为4h～8h。

优选的，所述步骤7)中，热等静压烧结温度为1400～1600℃，烧结压力为150～200MPa，炉内气氛为氩气，保温时间为2～4h。

优选的，所述步骤8)中，表层铜粉的厚度为5～10微米，真空中频感应烧结温度为900℃～1100℃，烧结保温时间为4h～10h。

本发明的有益的技术效果：

1.针对现有废铜铝复合接触线回收时铜、铝时难完全分离的现状，本发明利用熔液喷雾然后双氧水氧化制成氢氧化铝粉和铜粉，后通过静电分离，达到铜、铝完全分离的效果，该方法具有良好的铜、铝金属分离的效果，而且制备方法无污染、简单、易操作、工艺容易控制。

2.本发明的制备过程中，使用双氧水作为氧化剂来制备氢氧化铝，相比于铝在水中通过电解加热的方式制备氢氧化铝，该方法具有更高的反应效率，提高了生产效率，保证了铝颗粒更为均匀的反应，降低了对设备的要求。

3.本发明中，先制备氧化铝陶瓷预制板，然后将铜粉均匀喷涂在氧化铝陶瓷预制板上，烧结成氧化铝陶瓷覆铜板，此方法能有效地减小覆铜层与陶瓷预制板之间的缝隙，因此能减少覆铜层与陶瓷预制板之间的空洞缺陷，显著地提高了陶瓷覆铜板的导热性能。

具体实施方式

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是进一步说明本发明的特征及优点，而不是对本发明权利要求的限制。

实施例1

一种高导热氧化铝陶瓷覆铜板的制备方法，包括以下步骤：

1)废铜铝合金的预处理：将废铜铝合金依次在破碎机破碎后筛选材料并剔除其他杂质、在去离子水和酒精溶液中清洗去除粉尘、在150℃干燥箱中干燥6h；

2)水雾制粉处理：在真空感应炉中进行熔炼，熔炼温度为1100℃，保温时间为4h，后在950℃进行水雾喷粉，雾化压力为30MPa，喷射顶角45度，得到粉末；

3)双氧水氧化处理：向步骤2)中得到的粉末中加入40％双氧水溶液，反应时间为4h，得到混合浆料；

4)离心脱水处理：将步骤3)中得到的混合浆料进行80℃、2000r/min的离心脱水干燥，获得干燥的铜粉与氢氧化铝粉的混合粉料；

5)静电分离处理：将步骤4)中的铜粉与氢氧化铝粉的混合粉料在输出电压为160KV，转速为200r/min的静电分离器中分离，分别获得铜粉和氢氧化铝粉；

6)将步骤5)中得到的氢氧化铝粉在150℃的真空干燥箱中干燥6h，后在700℃中焙烧6h，得到氧化铝粉；

7)烧结氧化铝陶瓷预制板：将步骤6)中获得氧化铝粉中掺入玻璃助熔剂和粘接剂在1500℃的热等静压中烧结4h，烧结压力为200MPa，形成氧化铝陶瓷预制板；

8)烧结氧化铝陶瓷覆铜板：将步骤5)中得到的铜粉均匀喷涂在步骤7)中获得的氧化铝陶瓷预制板上，铜粉的厚度为6微米，并在1000℃真空中频感应烧结炉中烧结6h，完成后制得氧化铝陶瓷覆铜板。

经导热系数测定仪、剥离强度测试仪、冷热循环试验机测试导热性能、剥离性能、热循环次数的测试结果如表1中实施例1所示。

实施例2

一种高导热氧化铝陶瓷覆铜板的制备方法，包括以下步骤：

1)废铜铝合金的预处理：将废铜铝合金依次在破碎机破碎后筛选材料并剔除其他杂质、在去离子水和酒精溶液中清洗去除粉尘、在200℃干燥箱中干燥6h；

2)水雾制粉处理：在真空感应炉中进行熔炼，熔炼温度为1150℃，保温时间为4h，后在960℃进行水雾喷粉，雾化压力为20MPa，喷射顶角50度，得到粉末；

3)双氧水氧化处理：向步骤2)中得到的粉末中加入50％双氧水溶液，反应时间为4h，得到混合浆料；

4)离心脱水处理：将步骤3)中得到的混合浆料进行100℃、2000r/min的离心脱水干燥，得到铜粉与氢氧化铝粉的混合粉料；

5)静电分离处理：将步骤4)中得到的铜粉与氢氧化铝粉的混合粉料在输出电压为150KV，转速为150r/min的静电分离器中分离，分别获得铜粉和氢氧化铝粉；

6)将步骤5)中得到的氢氧化铝粉在150℃的真空干燥箱中干燥6h，后在1200℃中焙烧6h，得到氧化铝粉；

7)烧结氧化铝陶瓷预制板：将步骤6)中获得的氧化铝粉中掺入玻璃助熔剂和粘接剂在1600℃的热等静压中烧结4h，烧结压力为300MPa，形成氧化铝陶瓷预制板；

8)烧结氧化铝陶瓷覆铜板：将步骤5)中得到的铜粉均匀喷涂在步骤7)中获得的氧化铝陶瓷预制板上，铜粉的厚度为10微米，并在1050℃真空中频感应烧结炉中烧结6h，完成后制得氧化铝陶瓷覆铜板。

经导热系数测定仪、剥离强度测试仪、冷热循环试验机测试导热性能、剥离性能、热循环次数的测试结果如表1中实施例2所示。

实施例3

一种高导热氧化铝陶瓷覆铜板的制备方法，包括以下步骤：

1)废铜铝合金的预处理：将废铜铝合金依次在破碎机破碎后筛选材料并剔除其他杂质、在去离子水和酒精溶液中清洗去除粉尘、在180℃干燥箱中干燥2h；

2)水雾制粉处理：在真空感应炉中进行熔炼，熔炼温度为1100℃，保温时间为4h，后在960℃进行水雾喷粉，雾化压力为35MPa，喷射顶角47度，得到粉末；

3)双氧水氧化处理：向步骤2)中得到的粉末中加入55％双氧水溶液，反应时间为4h，得到混合浆料；

4)离心脱水处理：将步骤3)中得到的混合浆料进行100℃、3000r/min的离心脱水干燥，得到铜粉与氢氧化铝粉的混合粉料；

5)静电分离处理：将步骤4)中得到的铜粉与氢氧化铝粉的混合粉料在输出电压为140KV，转速为300r/min的静电分离器中分离，分别获得铜粉和氢氧化铝粉；

6)将步骤5)中得到的氢氧化铝粉在150℃的真空干燥箱中干燥6h，后在1100℃中焙烧6h，得到氧化铝粉；

7)烧结氧化铝陶瓷预制板：将步骤6)中获得的氧化铝粉中掺入玻璃助熔剂和粘接剂在1400℃的热等静压中烧结4h，烧结压力为150MPa，形成氧化铝陶瓷预制板；

8)烧结氧化铝陶瓷覆铜板：将步骤5)中得到的铜粉均匀喷涂在步骤7)中获得的氧化铝陶瓷预制板上，铜粉的厚度为5微米，并在900℃真空中频感应烧结炉中烧结6h，完成后制得氧化铝陶瓷覆铜板。

经导热系数测定仪、剥离强度测试仪、冷热循环试验机测试导热性能、剥离性能、热循环次数的测试结果如表1中实施例3所示。

实施例4

一种高导热氧化铝陶瓷覆铜板的制备方法，包括以下步骤：

2)水雾制粉处理：在真空感应炉中进行熔炼，熔炼温度为1100℃，保温时间为2h，后在1000℃进行水雾喷粉，雾化压力为30MPa，喷射顶角45度，得到粉末；

3)双氧水氧化处理：向步骤2)中得到的粉末中加入60％双氧水溶液，反应时间为4h，得到混合浆料；

4)离心脱水处理：将步骤3)中得到的混合浆料进行90℃、2500r/min的离心脱水干燥，得到铜粉与氢氧化铝粉的混合粉料；

5)静电分离处理：将步骤4)中得到的铜粉与氢氧化铝粉的混合粉料在输出电压为130KV，转速为250r/min的静电分离器中分离，分别获得铜粉和氢氧化铝粉；

6)将步骤5)中得到的氢氧化铝粉在150℃的真空干燥箱中干燥6h，后在1000℃中焙烧6h，得到氧化铝粉；

7)烧结氧化铝陶瓷预制板：将步骤6)中获得的氧化铝粉中掺入玻璃助熔剂和粘接剂在1400℃的热等静压中烧结4h，烧结压力为200MPa，形成氧化铝陶瓷预制板；

8)烧结氧化铝陶瓷覆铜板：将步骤5)中得到的铜粉均匀喷涂在步骤7)中获得的氧化铝陶瓷预制板上，铜粉的厚度为7微米，并在1020℃真空中频感应烧结炉中烧结6h，完成后制得氧化铝陶瓷覆铜板。

经导热系数测定仪、剥离强度测试仪、冷热循环试验机测试导热性能、剥离性能、热循环次数的测试结果如表1中实施例4所示。

实施例5

一种高导热氧化铝陶瓷覆铜板的制备方法，包括以下步骤：

1)废铜铝合金的预处理：将废铜铝合金依次在破碎机破碎后筛选材料并剔除其他杂质、在去离子水和酒精溶液中清洗去除粉尘、在170℃干燥箱中干燥4h；

2)水雾制粉处理：在真空感应炉中进行熔炼，熔炼温度为1070℃，保温时间为4h，后在980℃进行水雾喷粉，雾化压力为30MPa，喷射顶角45度，得到粉末；

3)双氧水氧化处理：向步骤2)中得到的粉末中加入45％双氧水溶液，反应时间为4h，得到混合浆料；

4)离心脱水处理：将步骤3)中得到的混合浆料进行80℃、2500r/min的离心脱水干燥，得到铜粉与氢氧化铝粉的混合粉料；

5)静电分离处理：将步骤4)中的铜粉与氢氧化铝粉的混合粉料在输出电压为160KV，转速为300r/min的静电分离器中分离，分别获得铜粉和氢氧化铝粉；

7)烧结氧化铝陶瓷预制板：将步骤6)中获得的氧化铝粉中掺入玻璃助熔剂和粘接剂在1600℃的热等静压中烧结4h，烧结压力为200MPa，形成氧化铝陶瓷预制板；

8)烧结氧化铝陶瓷覆铜板：将步骤5)中得到的铜粉均匀喷涂在步骤7)中获得的氧化铝陶瓷预制板上，铜粉的厚度为9微米，并在1000℃真空中频感应烧结炉中烧结6h，完成后制得氧化铝陶瓷覆铜板。

经导热系数测定仪、剥离强度测试仪、冷热循环试验机测试导热性能、剥离性能、热循环次数的测试结果如表1中实施例5所示。

实施例6

一种高导热氧化铝陶瓷覆铜板的制备方法，包括以下步骤：

1)废铜铝合金的预处理：将废铜铝合金依次在破碎机破碎后筛选材料并剔除其他杂质、在去离子水和酒精溶液中清洗去除粉尘、在180℃干燥箱中干燥6h；

2)水雾制粉处理：在真空感应炉中进行熔炼，熔炼温度为1100℃，保温时间为4h，后在960℃进行水雾喷粉，雾化压力为30MPa，喷射顶角48度，得到粉末；

6)将步骤5)得到的氢氧化铝粉在150℃的真空干燥箱中干燥6h，后在1100℃中焙烧6h，得到氧化铝粉；

7)烧结氧化铝陶瓷预制板：将步骤6)中获得的氧化铝粉中掺入玻璃助熔剂和粘接剂在1400℃的热等静压中烧结4h，烧结压力为250MPa，形成氧化铝陶瓷预制板；

8)烧结氧化铝陶瓷覆铜板：将步骤5)中得到的铜粉均匀喷涂在步骤7)中获得的氧化铝陶瓷预制板上，铜粉的厚度为8微米，并在1020℃真空中频感应烧结炉中烧结6h，完成后制得氧化铝陶瓷覆铜板。

经导热系数测定仪、剥离强度测试仪、冷热循环试验机测试导热性能、剥离性能、热循环次数的测试结果如表1中实施例6所示。

表1性能测试表

由表1可以看出，用本发明的方法制备得到的氧化铝陶瓷覆铜板的导热性能、剥离性能和热循环性能都比市场某公司产品好。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对于这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说是显而易见的，本文所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽范围。

Claims

1.一种高导热氧化铝陶瓷覆铜板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中，所述废铜铝合金为废铜铝复合接触线，对废铜铝合金依次进行机械破碎、筛选并剔除杂质、在去离子水和酒精溶液中清洗去除粉尘、在150～200℃干燥箱中干燥2～6h。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中，将步骤1)中干燥后得到的产物放入真空感应炉中，熔炼温度为1100～1150℃，保温2～4h，水雾喷粉温度为950～1000℃，雾化压力为20～40MPa，喷射顶角为30～50度，得到粉末，所述粉末的粒径大小为20～30微米。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤3)中，双氧水溶液的体积浓度在40～60％，粉末在双氧水溶液中的反应时间为4～8h。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤4)中，离心脱水干燥温度为50～100℃，离心转速为2000～4000r/min。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤5)中，静电分离的输出电压为100～160KV，转速为100～300r/min。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤6)中，干燥处理是在100℃～150℃的真空干燥箱中干燥6h～8h；焙烧温度为1000℃～1200℃，焙烧时间为4h～8h。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤7)中，热等静压烧结温度为1400～1600℃，烧结压力为150～200MPa，炉内气氛为氩气，保温时间为2～4h。

9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤8)中，表层铜粉的厚度为5～10微米，真空中频感应烧结温度为900℃～1100℃，烧结保温时间为4h～10h。