CN108484200B - 一种陶瓷覆铜板及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种陶瓷覆铜板及其制备方法。通过在氮化铝陶瓷片上以及铜箔上设置不同种类的活性金属层，在真空炉中烧结，在铜箔与氮化铝陶瓷片之间形成合金层，由于所述合金层具有良好的柔韧性以及附着力，使得所制备的氮化铝陶瓷覆铜板能够在‑50℃‑150℃的条件下冷热循环冲击500次无损伤，且能够耐电压5000V，载流量100A，极大地拓展了氮化铝陶瓷覆铜板的应用范围。

Description

一种陶瓷覆铜板及其制备方法
技术领域
本发明属于陶瓷基覆铜板制造技术领域，具体涉及一种陶瓷覆铜板及其制备方法。
背景技术
现有用于电力机车、风电、高压送电、电动汽车等的动力转换用AlN陶瓷基覆铜板还都是进口 ，现有国产产品大多是DPC、DBC工艺生产，DPC工艺铜层厚度较薄，耐电压与载流量达不到要求。DBC工艺是陶瓷片直接焊接0.3mm的铜片，但是因为焊接界面没有焊料因此附着力低（最高只能达到6N/mm)。还有扩散焊、钎焊等都因达不到在-50℃-150℃的条件下冷热循环冲击200次的要求，或耐不住400℃以上高温而不能使用。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种陶瓷覆铜板及其制备方法，旨在解决现有陶瓷覆铜板柔韧性差以及不能适用于高温环境的问题。
本发明的技术方案如下：
一种陶瓷覆铜板制备方法，其中，包括步骤：
在陶瓷片表面预金属化一层活性金属，作为第一活性金属层；
在所述第一活性金属层上镀一层活性金属，作为第二活性金属层；
在铜箔表面镀一层活性金属，作为第三活性金属层；
将所述铜箔放置在所述陶瓷片上使所述第三活性金属层与所述第二活性金属层互相接触，放入真空炉中烧制，得到陶瓷覆铜板。
所述的陶瓷覆铜板制备方法，其中，所述第一活性金属层、第二活性金属层、第三活性金属，各层之间所用活性金属的种类均不相同。
所述的陶瓷覆铜板制备方法，其中，所述活性金属包括：钾、钙、钠、镁、铝、锌、铁、锡、铅、铜、汞、银、铂、金、钛、钼。
所述的陶瓷覆铜板制备方法，其中，所述预金属化包括：预涂金属粉末烧结、电镀、化学镀、溅射。
所述的陶瓷覆铜板制备方法，其中，所述第一活性金属层的厚度为2nm-2um。
所述的陶瓷覆铜板制备方法，其中，所述第二活性金属层的厚度为2-10um。
所述的陶瓷覆铜板制备方法，其中，所述步骤在陶瓷片表面预金属化一层活性金属，作为第一活性金属层之前还包括：
采用超声波和蒸馏水对陶瓷片和铜箔表面进行清洗。
所述的陶瓷覆铜板制备方法，其中，在真空炉中烧制时，烧制条件为：真空度6.7×10-2Pa-6.7×10-5Pa，压力0.1Mpa-4Mpa。
所述的陶瓷覆铜板制备方法，其中，在真空炉中烧制时，烧制条件为：温度450-1000℃，压力0.1Mpa-4Mpa。
一种陶瓷覆铜板，其中，采用上述所述的陶瓷覆铜板制备方法制备而成。
有益效果：本发明所公开的陶瓷覆铜板及其制备方法，通过预金属化活性金属离子嵌入到陶瓷片表层，形成第一活性金属层，在所述活性金属层上电镀一层活性金属对第一活性金属层进行增厚；然后将表面镀有第三活性金属层的铜箔放置在陶瓷片上，放进真空炉中进行烧制，所述活性金属层在烧制的过程中形成合金，即陶瓷片与铜箔之间是通过合金层进行连接的，提升了铜箔与陶瓷片之间的粘结强度，从而使得陶瓷片与铜箔之间的附着力提升，也使得陶瓷覆铜板能够适用于高温环境中。
附图说明
图1为本发明一种陶瓷覆铜板的制备方法较佳实施例的流程图。
图2为本发明一种陶瓷覆铜板较佳实施例的结构示意图。
图3为本发明一种陶瓷覆铜板另一较佳实施例的结构示意图。
具体实施方式
本发明提供一种陶瓷覆铜板及其制备方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图1，其为本发明一种陶瓷覆铜板的制备方法较佳实施例的流程图。如图所示，方法包括步骤：
S100、在陶瓷片表面预金属化一层活性金属，作为第一活性金属层；
S200、在所述第一活性金属层上镀一层活性金属，作为第二活性金属层；
S300、在铜箔表面镀一层活性金属，作为第三活性金属层；
S400、将所述铜箔放置在所述陶瓷片上使所述第三活性金属层与所述第二活性金属层互相接触，放入真空炉中烧制，得到陶瓷覆铜板。
作为本发明一具体实施方式，所述陶瓷片为氮化铝陶瓷片。在所述步骤S100之前，用超声波和蒸馏水对陶瓷片和铜箔进行清洗，除去陶瓷片和铜箔表面的杂质，便于后期的活性金属层的制备。在表面清洗干净的氮化铝陶瓷片表面，可以包括但不限于涂覆一层厚度为2nm-2um（如2um）的钼粉末，所述钼粉末的粒径为0.5-2um，然后在氮气氛围中，90Mpa压力， 1200℃温度下等静压处理得到表面覆盖有钼金属的氮化铝陶瓷片。所述钼金属离子嵌入到氮化铝表层，使氮化铝陶瓷片表面具有较强的反应活性。将预金属化形成的金属层厚度设定为2nm-2um，是由于当膜厚低于2nm时会影响附着力，当膜厚高于2um时会影响到后续合金层的韧性。
进一步，在上述得到表面覆盖有钼金属的氮化铝陶瓷片上，可以包括但不限于电镀一层银金属，所述银层的厚度为2um。再将表面处理干净的铜箔电镀一层活性金属，如电镀一层钛金属，钛金属层的厚度控制在2-10um（如8um）。然后将所述电镀有一层钛金属的铜箔放置在所述氮化铝陶瓷片的银层上，放入真空炉中烧制。烧制条件为：真空炉的真空度6.7×10-2Pa，压力1Mpa，温度800℃，烧制时间8h。在该烧制条件下，可使得各金属活性层烧结形成新的合金层。由于形成合金层的金属为活性金属，合金层的韧性以及黏性较高，从而使得铜箔和氮化铝陶瓷片结合的更加密实。
在烧制的过程中，氮化铝陶瓷片表面上的钼金属、银金属与铜箔表面上的钛金属形成合金层。由于氮化铝陶瓷片与铜箔之间是通过合金层进行连接，相较于现有技术中通过钎焊将铜箔与氮化铝陶瓷片相连接的方式，具有更好的韧性和附着力。同时，钎焊工艺的可靠性很大程度上取决于活性钎料成分、钎焊层组织结构等诸多关键因素，工艺难度大。而本发明中通过合金层实现铜箔与氮化铝陶瓷片的结合，可以很好的避免钎焊工艺存在的上述问题。
基于上述方法，本发明还提供一种陶瓷覆铜板，其采用如上所述的制备方法制备而成。
进一步，如图2所示，所述陶瓷覆铜板从下至上依次包括陶瓷片10、合金层20及铜箔30。较佳地，所述陶瓷覆铜板另一结构如图3所示，包括铜箔301、合金层201、陶瓷片10、合金层202及铜箔302。
下面通过具体实施例与比较例对本发明进行进一步的解释说明。
实施例1
首先对氮化铝陶瓷片以及铜片进行超声波清洗，在清洗干净的氮化铝陶瓷片上再预涂钼金属粉末，在氮气保护环境中，90Mpa压力， 1200℃温度下等静压处理得到表面覆盖有钼金属的氮化铝陶瓷片，然后再在所述表面覆盖有钼金属的氮化铝陶瓷片上镀一层钾金属，钾金属层的厚度为2um。
在清洗干净的铜片上电镀一层铂金属，铂金属层的厚度为2nm。然后将所述铜片以及氮化铝陶瓷片叠合，放入真空压力烧结炉内在900℃，6.7×10-5Pa,1Mpa压力下烧结8h得到氮化铝陶瓷覆铜板。对所述氮化铝陶瓷覆铜板进行测试结果如下：
附着力＞50N/mm,-50℃- 150℃冷热冲击＞500次，耐电压5000V，载流量100A。
实施例2
首先对氮化铝陶瓷片以及铜片进行超声波清洗，在清洗干净的氮化铝陶瓷片上再预涂钙金属粉末，在氮气保护环境中，90Mpa压力， 1200℃温度下等静压处理得到表面覆盖有钙金属的氮化铝陶瓷片，然后再在所述表面覆盖有钙金属的氮化铝陶瓷片上镀一层锌金属，锌金属层的厚度为3um。
在清洗干净的铜片上电镀一层钛金属，钛金属层的厚度为1um。然后将所述铜片以及氮化铝陶瓷片叠合，放入真空压力烧结炉内在450℃，6.7×10-3Pa,0.1Mpa压力下烧结6h得到氮化铝陶瓷覆铜板。对所述氮化铝陶瓷覆铜板进行测试结果如下：
附着力＞30N/mm,-50℃- 150℃冷热冲击＞300次，耐电压2000V，载流量50A。
实施例3
首先对氮化铝陶瓷片以及铜片进行超声波清洗，在清洗干净的氮化铝陶瓷片上再预涂铁金属粉末，在氮气保护环境中，90Mpa压力， 1200℃温度下等静压处理得到表面覆盖有铁金属的氮化铝陶瓷片，然后再在所述表面覆盖有铁金属的氮化铝陶瓷片上镀一层铅金属，铅金属层的厚度为2um。
在清洗干净的铜片上电镀一层金，金层的厚度为100nm。然后将所述铜片以及氮化铝陶瓷片叠合，放入真空压力烧结炉内在1000℃，6.7×10-2Pa,1Mpa压力下烧结8h得到氮化铝陶瓷覆铜板。对所述氮化铝陶瓷覆铜板进行测试结果如下：
附着力＞40N/mm,-50℃- 150℃冷热冲击＞400次，耐电压3000V，载流量70A。
比较例1
将铜片在1000℃， 800ppm氧含量的氮气环境下预氧化，得到表面有氧化亚铜的铜片，将含氧化亚铜的铜片与表面超声波清洗的氮化铝陶瓷片叠合放入隧道炉中，在1100℃,80ppm氧含量的氮气环境下烧结4h得到氮化铝陶瓷覆铜板。对所述氮化铝陶瓷覆铜板进行测试结果如下：
附着力＜4N/mm，-50℃- 150℃冷热冲击＜5次，耐电压5000V，载流量100A。
比较例2
将铜片和氮化铝陶瓷片超声波清洗，然后在所述氮化铝陶瓷表面涂钎焊料，将所述铜片放置在所述钎焊料上面，进行叠合，放入真空烧结炉中在氮气环境下900℃烧结8h得到氮化铝陶瓷覆铜板。对所述氮化铝陶瓷覆铜板进行测试结果如下：
附着力＜6N/mm，-50℃- 150℃冷热冲击＜5次，耐电压5000V，载流量100A。
比较例3
将氮化铝陶瓷片预金属化表面形成50nm的铝金属层，然后再电镀槽中镀铜增厚4h得到铜厚20um氮化铝陶瓷覆铜板。对所述氮化铝陶瓷覆铜板进行测试结果如下：
附着力＜6N/mm，-50℃- 150℃冷热冲击＜5次，耐电压220V，载流量2A。
综上所述，与现有技术相比,本发明中通过在氮化铝陶瓷片上以及铜箔上设置不同种类的活性金属层，在真空炉中烧结，在铜箔与氮化铝陶瓷片之间形成合金层，由于所述合金层具有良好的柔韧性以及附着力，使得所制备的氮化铝陶瓷覆铜板能够在-50℃- 150℃的条件下冷热循环冲击500次无损伤，且能够耐电压5000V，载流量100A，极大地拓展了氮化铝陶瓷覆铜板的应用范围。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种陶瓷覆铜板制备方法，其特征在于，包括步骤：
在陶瓷片表面预金属化一层活性金属，作为第一活性金属层；
在所述第一活性金属层上镀一层活性金属，作为第二活性金属层；
在铜箔表面镀一层活性金属，作为第三活性金属层；
将所述铜箔放置在所述陶瓷片上使所述第三活性金属层与所述第二活性金属层互相接触，放入真空炉中烧制，得到陶瓷覆铜板；
所述在陶瓷片表面预金属化一层活性金属，作为第一活性金属层，具体包括：在陶瓷片表面涂覆一层厚度为2nm-2μm的钼粉末；在氮气氛围中，1200℃温度下等静压处理得到表面覆盖有钼金属的陶瓷片；
所述第二活性金属层的厚度为2-10μm；
在真空炉中烧制时，烧制条件为：温度450-1000℃，压力0.1MPa-4MPa；
所述第一活性金属层、第二活性金属层、第三活性金属，各层之间所用活性金属的种类均不相同。
2.根据权利要求1所述的陶瓷覆铜板制备方法，其特征在于，所述活性金属包括：钾、钙、钠、镁、铝、锌、铁、锡、铅、铜、银、铂、金、钛。
3.根据权利要求1所述的陶瓷覆铜板制备方法，其特征在于，所述步骤在陶瓷片表面预金属化一层活性金属，作为第一活性金属层之前还包括：
采用超声波和蒸馏水对陶瓷片和铜箔表面进行清洗。
4.根据权利要求1所述的陶瓷覆铜板制备方法，其特征在于，在真空炉烧中制时，烧制条件为：真空度6.7×10-2Pa-6.7×10-5Pa。
5.一种陶瓷覆铜板，其特征在于，采用如权利要求1-4任一项所述的陶瓷覆铜板制备方法制备而成。
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