CN107891636B - 铜-钼铜-铜复合板的制备方法 - Google Patents

铜-钼铜-铜复合板的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及铜‑钼铜‑铜复合板的制备方法，包括以下步骤：对钼铜合金板的上下两个面进行电镀铜，电镀层成颗粒状；得到镀铜钼铜合金板；对铜板的一个面进行电镀铜，电镀层成颗粒状，得到镀铜铜板；镀铜铜板放置在镀铜钼铜合金板的两侧，镀铜铜板的电镀面与镀铜钼铜合金板的两个电镀面相贴合，得到复合板，然后将复合板用液压机压紧，将压紧后的复合板进行烧结，烧结后进行热轧，热轧后去除表面氧化层，再进行冷轧，最后进行校平得到成品铜‑钼铜‑铜复合板。本发明提供的铜‑钼铜‑铜复合板的制备方法工艺简单、适合批量生产、表层铜板厚度均匀、界面结合强度高、界面无分层现象、边部不开裂、产品合格率高、成本低。

Description

铜-钼铜-铜复合板的制备方法
技术领域
本发明涉及一种复合板的制备方法，尤其是铜-钼铜-铜复合板的制备方法。
背景技术
铜具有高的导热导电性能，易于加工成形，因而在电子工业中得到了广泛的应用，但是铜较软、热膨胀系数大，限制了它的进一步应用。难熔金属钼则具有强度高、热膨胀系数小、弹性模量大等特点。因此，将铜和钼铜复合，充分发挥各自的优势，可得到单一金属所不可能具有的特殊性能，如可设计的热膨胀系数和良好的导电导热性能。
钼铜复合材料具有膨胀系数低及高导热系数，并且膨胀系数及导热系数可以调节控制。由于其突出的优点，近年来该复合材料在大规模集成电路和大功率微波器件中获得广泛应用，特别是用于热沉、电子封装材料。
而铜-钼铜-铜的复合板因具有优良的导热性能和可调节的热膨胀系数，并能与Be0、Al203陶瓷匹配，是目前大功率电子元器件首选电子封装材料。此类材料由两面相对高导热的铜、中间低导热的钼层材料(钼或钼铜合金)，经热轧复合(例如中国专利CN1843691、CN1850436)爆炸成形等方法制得的平面叠层结构。作为封装材料主要散热方式，依靠纵向(厚度方向)传导散热，将承载其上的芯片等电子器件热量导出散热，即芯片将热量传导给封装在里层的铜层，经纵向热传导，最后通过封装在外层铜层向外散热。然而由于中间层为低导热层，所以其纵向传导散热效果不够理想，不能将热量快速带出，从而限制了作为更大功率密度芯片封装使用。有研究表明如果热导率提高10％，芯片功率密度可以提高10％，如果能提高其散热性能，则可以实现器件的小型化和高功率。其次，叠层式复合结构，界面结合强度有限，而使用过程中基板要经常承受热应力循环，铜和钼的热膨胀系数不同(铜的热膨胀系数约为钼的三倍)，在受热或降温时，铜钼沿复合界面方向伸长或收缩不同，从而产生拉应力，拉应力达到一定程度时，就会在结合界面上产生微裂纹，或者鼓泡，严重时使得界面大规模分离，使用寿命缩短，甚至导致复合热沉材料失效。同时还存在上下铜层厚度不均匀，当误差超过0.05mm后，由于两层铜的厚度不一致，和陶瓷框钎焊后产生应力，造成热沉材料变形弯曲。
目前制备复合金属板材的方法多数采用轧制复合的方法，就是将金属压力加工理论应用于金属复合板制备的一种方法，即通过大的压下量轧制两层、多层金属或合金，依靠原子间金属键的相互吸引使各组元层结合的一种复合方法。由于铜和钼的金属性质存在着较大的差异，铜具有高导电、高导热和易于加工、热膨胀系数高等性能，而难熔金属钼具有热膨胀系数低、强度高和弹性模量大等特性，因而通过复合轧制易存在铜和钼的界面缺陷等问题。
还有采用热压烧结生产铜-钼铜-铜复合板，但是这种方法通常是同时加热和加压，一次只能生产一张板，无法批量生产、生产成本高。
还包括包覆轧制，但是这种工艺复杂繁琐、还存在成品率低的问题、加工成本高。
因此也有改进的方法，如中国专利CN104289856A公布的一种钼铜复合材料的制备方法，该方法的步骤包括：首先以金属钼板作为基材，采用渗铜的方法使金属铜渗入到基材表层；然后通过电铸方法在钼板上覆铜使铜层加厚；最后经过轧制得到钼铜复合材料。该方法的特点是金属铜与基材的结合效果好，铜层厚度可控。该发明方法制备的钼铜复合材料可广泛应用于电了工业，特别是微电了工业中。
但是采用融渗的方法容易导致铜板融合后收缩，表层铜板厚度不均匀，局部厚度甚至接近零，而且工艺复杂。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种工艺简单、表层铜板厚度均匀、结合紧密、无分层现象的铜-钼铜-铜复合板的制备方法，具体技术方案为：
铜-钼铜-铜复合板的制备方法，包括以下步骤：
S1、钼铜合金板电镀，对钼铜合金板的上下两个面进行电镀铜，电镀层成颗粒状得到镀铜钼铜合金板；
S2、铜板电镀，对铜板的一个面进行电镀铜，电镀层成颗粒状，得到镀铜铜板；
S3、贴合，将面积不小于镀铜钼铜合金板的镀铜铜板放置在镀铜钼铜合金板的两侧，形成一级复合板，镀铜铜板的电镀面与镀铜钼铜合金板的两个电镀面相贴合；
S4、液压，将一级复合板放置到液压机上进行液压，通过液压使镀铜铜板与镀铜钼铜合金板紧密的贴合在一起，得到二级复合板；
S5、烧结，将液压后的二级复合板放置到电加热炉中进行烧结，在气氛保护状态下加热到1060～1080℃，保温2小时，得到三级复合板；
S6、热轧，在气氛保护状态下对三级复合板进行热轧，得到四级复合板，热轧温度为750～850℃；
S7、表面处理，采用皮带抛光机对四级复合板表面的氧化层进行去除，得到五级复合板；
S8、冷轧，对五级复合板进行冷轧，使五级复合板达到厚度要求，得到六级复合板；
S9、校平，对六级复合板进行校平，校平后得到成品铜-钼铜-铜复合板。
优选的，步骤S5和S6中所述的气氛保护状态为氢气气氛保护状态。
氢气具有还原性，以及氢气的密度小可增加保护气体的扩散性，防止氧化。
优选的，步骤S1和S2中的电镀厚度为0.01～0.02mm。
优选的，所述镀铜铜板的面积比镀铜钼铜合金板大，但不超过10％。
优选的，所述铜板为普通电解铜板，所述钼铜合金板为普通粉末冶金方法制备的钼铜合金板。
优选的，步骤S9中所述的铜-钼铜-铜复合板的厚度比为1:1:1～1:4:1。
优选的，步骤S4中的压力为20MPa。
一种铜-钼铜-铜复合板，所述铜-钼铜-铜复合板是根据本发明提供的制备方法得到的。
通过对铜板和钼铜合金板进行电镀铜，并且电镀出颗粒状的镀层，使贴合的表面粗糙、凹凸不平、增加表面积。电镀面相互贴合，然后进行液压，通过液压使电镀层的铜相互嵌合，连接紧密，减小板与板之间的间隙。液压后进行烧结，烧结温度低于铜的熔点，表层铜无大的收缩变形、厚度均匀，烧结后轧制可达到理想的致密，界面结合强度好、界面不易分层、边部不易开裂、且在机加工中不出现分层现象。
与现有技术相比本发明具有以下有益效果：
本发明提供的铜-钼铜-铜复合板的制备方法工艺简单、适合批量生产、表层铜板厚度均匀、界面结合强度高、界面无分层现象、边部不开裂、产品合格率高、成本低。
具体实施方式
现结合实施例对本发明作进一步说明。
实施例一
铜-钼铜-铜复合板的制备方法，包括以下步骤：
S1、钼铜合金板电镀，对粉末冶金方法制得的钼铜合金板的上下两个面进行电镀铜，电镀层成颗粒状得到镀铜钼铜合金板，电镀厚度为0.01mm；
S2、铜板电镀，对电解铜板的一个面进行电镀铜，电镀层成颗粒状，得到镀铜铜板，电镀厚度为0.01mm；
S3、贴合，将面积与镀铜钼铜合金板相同的镀铜铜板放置在镀铜钼铜合金板的两侧，形成一级复合板，镀铜铜板的电镀面与镀铜钼铜合金板的两个电镀面相贴合；
S4、液压，将一级复合板放置到液压机上进行液压，液压机的压力为20MPa，通过液压使镀铜铜板与镀铜钼铜合金板紧密的贴合在一起，得到二级复合板；
S5、烧结，将液压后的二级复合板放置到电加热炉中进行烧结，在氢气气氛保护状态下加热到1060℃，保温2小时，得到三级复合板；
S6、热轧，在氢气气氛保护状态下对三级复合板进行热轧，得到四级复合板，热轧温度为750℃；
S7、表面处理，采用皮带抛光机对四级复合板表面的氧化层进行去除，得到五级复合板；
S8、冷轧，对五级复合板进行冷轧，使五级复合板达到厚度要求，得到六级复合板；
S9、校平，对六级复合板进行校平，校平后得到成品铜-钼铜-铜复合板，铜-钼铜-铜复合板的厚度比为1:1:1。
实施例二
铜-钼铜-铜复合板的制备方法，包括以下步骤：
S1、钼铜合金板电镀，对粉末冶金方法制得的钼铜合金板的上下两个面进行电镀铜，电镀层成颗粒状得到镀铜钼铜合金板，电镀厚度为0.015mm；
S2、铜板电镀，对电解铜板的一个面进行电镀铜，电镀层成颗粒状，得到镀铜铜板，电镀厚度为0.015mm；
S3、贴合，将面积不小于镀铜钼铜合金板的镀铜铜板放置在镀铜钼铜合金板的两侧，形成一级复合板，镀铜铜板的电镀面与镀铜钼铜合金板的两个电镀面相贴合；
S4、液压，将一级复合板放置到液压机上进行液压，液压机的压力为20MPa，通过液压使镀铜铜板与镀铜钼铜合金板紧密的贴合在一起，得到二级复合板；
S5、烧结，将液压后的二级复合板放置到电加热炉中进行烧结，在氢气气氛保护状态下加热到1070℃，保温2小时，得到三级复合板；
S6、热轧，在氢气气氛保护状态下对三级复合板进行热轧，得到四级复合板，热轧温度为800℃；
S7、表面处理，采用皮带抛光机对四级复合板表面的氧化层进行去除，得到五级复合板；
S8、冷轧，对五级复合板进行冷轧，使五级复合板达到厚度要求，得到六级复合板；
S9、校平，对六级复合板进行校平，校平后得到成品铜-钼铜-铜复合板，铜-钼铜-铜复合板的厚度比为1:2:1。
实施例三
铜-钼铜-铜复合板的制备方法，包括以下步骤：
S1、钼铜合金板电镀，对粉末冶金方法制得的钼铜合金板的上下两个面进行电镀铜，电镀层成颗粒状得到镀铜钼铜合金板，电镀厚度为0.02mm；
S2、铜板电镀，对电解铜板的一个面进行电镀铜，电镀层成颗粒状，得到镀铜铜板，电镀厚度为0.02mm；
S3、贴合，将面积不小于镀铜钼铜合金板的镀铜铜板放置在镀铜钼铜合金板的两侧，形成一级复合板，镀铜铜板的电镀面与镀铜钼铜合金板的两个电镀面相贴合；
S4、液压，将一级复合板放置到液压机上进行液压，液压机的压力为20MPa，通过液压使镀铜铜板与镀铜钼铜合金板紧密的贴合在一起，得到二级复合板；
S5、烧结，将液压后的二级复合板放置到电加热炉中进行烧结，在氢气气氛保护状态下加热到1080℃，保温2小时，得到三级复合板；
S6、热轧，在氢气气氛保护状态下对三级复合板进行热轧，得到四级复合板，热轧温度为850℃；
S7、表面处理，采用皮带抛光机对四级复合板表面的氧化层进行去除，得到五级复合板；
S8、冷轧，对五级复合板进行冷轧，使五级复合板达到厚度要求，得到六级复合板；
S9、校平，对六级复合板进行校平，校平后得到成品铜-钼铜-铜复合板，铜-钼铜-铜复合板的厚度比为1:4:1。
传统方法加工出来的铜-钼铜-铜复合板的界面结合强度为80MPa，成品的合格率在50～60％，而本发明提供的制备方法加工出来的铜-钼铜-铜复合板的界面结合强度为95～100MPa，成品的合格率达到78～85％，机加工后的铜-钼铜-铜复合板在显微镜下无分层现象。

Claims (7)

1.铜-钼铜-铜复合板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、钼铜合金板电镀，对钼铜合金板的上下两个面进行电镀铜，电镀层成颗粒状得到镀铜钼铜合金板；
S2、铜板电镀，对铜板的一个面进行电镀铜，电镀层成颗粒状，得到镀铜铜板；
S3、贴合，将面积不小于镀铜钼铜合金板的镀铜铜板放置在镀铜钼铜合金板的两侧，形成一级复合板，镀铜铜板的电镀面与镀铜钼铜合金板的两个电镀面相贴合；
S4、液压，将一级复合板放置到液压机上进行液压，通过液压使镀铜铜板与镀铜钼铜合金板紧密的贴合在一起，得到二级复合板，压力为20MPa；
S5、烧结，将液压后的二级复合板放置到电加热炉中进行烧结，在气氛保护状态下加热到1060～1080℃，保温2小时，得到三级复合板；
S6、热轧，在气氛保护状态下对三级复合板进行热轧，得到四级复合板，热轧温度为750～850℃；
S7、表面处理，采用皮带抛光机对四级复合板表面的氧化层进行去除，得到五级复合板；
S8、冷轧，对五级复合板进行冷轧，使五级复合板达到厚度要求，得到六级复合板；
S9、校平，对六级复合板进行校平，校平后得到成品铜-钼铜-铜复合板。
2.根据权利要求1所述的铜-钼铜-铜复合板的制备方法，其特征在于，步骤S5和S6中所述的气氛保护状态为氢气气氛保护状态。
3.根据权利要求2所述的铜-钼铜-铜复合板的制备方法，其特征在于，步骤S1和S2中的电镀厚度为0.01～0.02mm。
4.根据权利要求1所述的铜-钼铜-铜复合板的制备方法，其特征在于，所述镀铜铜板的面积比镀铜钼铜合金板大，但不超过10％。
5.根据权利要求1所述的铜-钼铜-铜复合板的制备方法，其特征在于，所述铜板为普通电解铜板，所述钼铜合金板为普通粉末冶金方法制备的钼铜合金板。
6.根据权利要求1所述的铜-钼铜-铜复合板的制备方法，其特征在于，步骤S9中所述的铜-钼铜-铜复合板的厚度比为1:1:1～1:4:1。
7.一种铜-钼铜-铜复合板，其特征在于，所述铜-钼铜-铜复合板是根据权利要求1至6中任意一项所述的方法得到。
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