CN110642644B - 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

本发明公开一种氮化铝陶瓷覆铜板的制备方法，其中，所述方法包括步骤：在氮化铝陶瓷基底表面沉积金属钛层，在所述金属钛层表面沉积金属银层，采用金属烧结3D打印法在所述金属银层表面打印金属铜层，制得所述氮化铝陶瓷覆铜板。本发明提供的制备方法在改善了金属铜层与氮化铝陶瓷基板间的粘结性能的同时，制备方法简单，易于操作，生产成本低，有利于工业生产。

Description

一种氮化铝陶瓷覆铜板及其制备方法
技术领域
本发明涉及陶瓷覆铜板的制造领域，特别涉及一种氮化铝陶瓷覆铜板及其制备方法。
背景技术
氮化铝陶瓷具有导热系数高、化学稳定性好等突出的优点，是高导热陶瓷覆铜板理想的材料，但是，氮化铝陶瓷的金属化问题一直没有解决，氮化铝很难在高温和氧气气氛下与Cu直接键合制成氮化铝陶瓷覆铜板。现有的氮化铝陶瓷覆铜板的制造工艺主要有直接键合法(DBC)和活性金属钎焊法(AMB)，其中，直接键合法是通过铜箔与氮化铝陶瓷直接压覆制得基板，由于其制备方式简单，在电力电子模块中有大量应用，但是这种方式制备的陶瓷覆铜板，金属铜层与陶瓷基板之间的粘结强度不高，同时金属铜层的厚度较大，铜层质量差，电阻率高，不易制作精细的电路，而活性金属钎焊法是依靠活性金属钎料实现氮化铝和金属铜层的高温冶金结合，具有结合强度高、冷热循环可靠性好等优点，但是，此种工艺的可靠性很大程度上取决于活性钎料成分、钎焊工艺以及钎焊层组织结构等诸多关键因素，工艺难度大，成本较高。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
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氮化铝陶瓷覆铜板及其制备方法，旨在解决现有的氮化铝陶瓷覆铜板的制备工艺难度大、成本高，以及金属铜层与陶瓷基板间的粘结性能较差的问题。
本发明的技术方案如下：
一种氮化铝陶瓷覆铜板的制备方法，其特征在于，包括步骤：
在氮化铝陶瓷基底表面沉积金属钛层；
在所述金属钛层表面沉积金属银层；
采用金属烧结3D打印法在所述金属银层表面打印金属铜层，制得所述氮化铝陶瓷覆铜板。
所述的氮化铝陶瓷覆铜板的制备方法，其中，所述在氮化铝陶瓷基底表面沉积金属钛层的步骤包括：
采用磁控溅射法在氮化铝陶瓷基底表面沉积金属钛层，所述磁控溅射法的溅射气压为：0.8-1.2Pa，溅射功率为：110-140W，溅射靶距为50-100mm。
所述的氮化铝陶瓷覆铜板的制备方法，其中，所述金属钛层的厚度为50-100nm。
所述的氮化铝陶瓷覆铜板的制备方法，其中，所述在所述金属钛层表面沉积金属银层的步骤包括：
采用磁控溅射法在所述金属钛层表面沉积金属银层，所述磁控溅射法的溅射气压为：0.8-1.2Pa，溅射功率为：110-140W，溅射靶距为50-100mm。
所述的氮化铝陶瓷覆铜板的制备方法，其中，所述金属银层的厚度为1-5um。
所述的氮化铝陶瓷覆铜板的制备方法，其中，所述采用金属烧结3D打印法在所述金属银层表面打印金属铜层的步骤包括：
在所述金属银层表面铺设铜粉，采用第一激光扫描速度对所述第一层铜粉进行烧结，形成第一层金属铜层；
在所述第一金属铜层表面依次铺设铜粉，每铺设一次铜粉均采用第二激光扫描速度对铺设的铜粉进行烧结，直至最终形成的金属铜层的厚度达到预设厚度阈值，则制得所述氮化铝陶瓷覆铜板，所述第二激光扫描速度大于所述第一激光扫描速度。
所述的氮化铝陶瓷覆铜板的制备方法，其中，所述第一激光扫描速度为30-60mm/s；和/或，所述第二激光扫描速度为60-120mm/s。
所述的氮化铝陶瓷覆铜板的制备方法，其中，每次铺设的铜粉厚度为20-50um。
所述的氮化铝陶瓷覆铜板的制备方法，其中，所述金属铜层厚度为0.1-1.5mm。
所述的氮化铝陶瓷覆铜板的制备方法，其中，铺设铜粉时测厚传感器实时监测铜粉厚度，当打印的铜粉厚度大于规定的覆铜厚度0.1mm，则停止3D打印。
所述的氮化铝陶瓷覆铜板的制备方法，其中，对制备的氮化铝陶瓷覆铜板进行机械加工，并采用测厚传感器进行实时测厚，当经过机械加工后的氮化铝陶瓷覆铜板厚度与规定的铜板厚度一致时，则停止加工。
一种氮化铝陶瓷覆铜板，其特征在于，包括从下至上依次层叠设置的氮化铝陶瓷基底、金属钛层、金属银层以及金属铜层。
有益效果：本发明中设计了一种氮化铝陶瓷覆铜板的制备方法，在陶瓷基底上依次沉积金属钛层和金属银层，其后，采用金属烧结3D打印法在所述金属银层表面打印金属铜层，制得所述氮化铝陶瓷覆铜板。本发明通过采用金属烧结3D打印法制备金属铜层，制备过程中激光的极大能量产生高温使铜粉与金属银层之间发生共晶反应生成银铜液相，所述高温还使得熔入银铜中的钛与氮化铝陶瓷基板在接触界面上发生化学反应，实现了各层之间的有效粘结，提高金属铜层与陶瓷基板的粘结性能，另外，本发明的制备工艺简单，易于操作，生产成本低，有利于工业生产。
附图说明
图1为本发明一种氮化铝陶瓷覆铜板的制备方法的较佳实施例的流程图。
图2为本发明一种氮化铝陶瓷覆铜板的结构示意图。
具体实施方式
本发明提供一种氮化铝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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图1，图1为本发明提供的一种氮化铝陶瓷覆铜板的制备方法的较佳实施例的流程图，如图所示，包括步骤：
S10、在氮化铝陶瓷基底表面沉积金属钛层；
S20、在所述金属钛层表面沉积金属银层；
S30、采用金属烧结3D打印法在所述金属银层表面打印金属铜层，制得所述氮化铝陶瓷覆铜板。
具体来讲，现有的氮化铝陶瓷覆铜板的制造工艺主要有直接键合法(DBC)和活性金属钎焊法(AMB)两种，其中，直接键合法是通过铜箔与氮化铝陶瓷直接压覆制得基板，制备方式简单，但是这种方式制备的氮化铝陶瓷覆铜板的质量差，金属铜层与氮化铝陶瓷的粘结强度不高，也不宜制作精细的电路，而活性金属钎焊法是依靠活性金属钎料实现氮化铝和铜箔的高温冶金结合，具有结合强度高、冷热循环可靠性好等优点，但是，此种工艺的可靠性很大程度上取决于活性钎料成分、钎焊工艺以及钎焊层组织结构等诸多关键因素，工艺难度大，成本较高，因此，现有的氮化铝陶瓷覆铜板的制造工艺存在金属铜层与氮化铝陶瓷的粘结强度差，制备工艺难度大，制备成本高等问题。
基于现有的氮化铝陶瓷覆铜板的制造工艺存在的问题，本实施例提供了一种氮化铝陶瓷覆铜板的制备方法，通过在氮化铝陶瓷基底依次沉积一层金属钛层和一层金属银层，最后在所述金属银层表面通过金属烧结3D打印法打印一层金属铜层，从而制得所述氮化铝陶瓷覆铜板，本实施例的制备工艺简单，制备成本低，其中，在金属铜层的制备过程中，激光的极大能量产生的高温使得金属钛层与氮化铝陶瓷基板之间发生化学反应Ti+AlN→Al+TiN，所述高温还使得所述金属银层与金属铜层发生共晶反应生成的银铜液相，同时，纳米级厚度的金属钛在高温下会迅速熔于金属银层与金属铜层生成的银铜液相中，因此，本发明中的氮化铝陶瓷覆铜板的制备方法实现了各层之间的有效粘结，提高金属铜层与陶瓷基板的粘结性能。
在一些实施方式中，所述在氮化铝陶瓷基底表面沉积金属钛层的步骤包括：采用磁控溅射法在氮化铝陶瓷基底表面沉积金属钛层，所述磁控溅射法的溅射气压为：0.8-1.2Pa，溅射功率为：110-140W，溅射靶距为50-100mm。
在一些实施方式中，所述金属钛层的厚度为50-100nm。所述金属钛层的厚度过小会降低氮化铝陶瓷与金属铜层之间的结合强度，而金属钛层的厚度过大，采用金属烧结3D打印法进行打印金属铜层的过程中，钛无法迅速全部熔于银铜液相中而影响结合性能，也容易造成与氮化铝陶瓷基板之间发生化学反应形成的反应层过厚，不利于制备的氮化铝陶瓷覆铜板在后续使用过程中的刻蚀工序的进行，影响陶瓷覆铜板的热疲劳性能。
在一些实施方式中，所述在所述金属钛层表面沉积金属银层的步骤包括：采用磁控溅射法在所述金属钛层表面沉积金属银层，所述磁控溅射法的溅射气压为：0.8-1.2Pa，溅射功率为：110-140W，溅射靶距为50-100mm。
在一些实施方式中，所述金属银层的厚度为1-5um。所述金属银层的厚度过小则形成的银铜液相中银的比例过低，导致金属银层与金属铜层以及金属银层与金属钛层之间的粘结性能差，而金属银层的厚度过大，则又会导致热量向下传递时散热过多，银无法全部形成银铜液相熔化，进而影响了钛元素的熔入，影响金属铜层与氮化铝陶瓷基板的粘结性能。
在一些实施方式中，所述采用金属烧结3D打印法在所述金属银层表面打印金属铜层的步骤包括：
S310、在所述金属银层表面铺设铜粉，采用第一激光扫描速度对所述第一层铜粉进行烧结，形成第一层金属铜层；
S320、在所述第一金属铜层表面依次铺设铜粉，每铺设一次铜粉均采用第二激光扫描速度对铺设的铜粉进行烧结，直至最终形成的金属铜层的厚度达到预设厚度阈值，则制得所述氮化铝陶瓷覆铜板，所述第二激光扫描速度大于所述第一激光扫描速度。
本实施例中，如图1所示，通过金属烧结3D打印机在金属银层表面打印金属铜层，所述金属烧结3D打印机通过在所述金属银层表面铺设铜粉，采用第一激光扫描速度对第一层铜粉进行烧结，形成第一层金属铜层，其中，第一激光扫描的过程中，金属钛会与氮化铝发生化学反应生成氮化钛和铝，使得金属钛层与氮化铝陶瓷基板之间形成有效粘结，与此同时，一部分未进行化学反应的金属钛熔于银铜液相，使得金属钛层与金属银层之间也形成有效粘结，在采用第一激光扫描速度进行扫描时，需要产生足够的热量确保化学反应的充分进行，因而选择较低的第一激光扫描速度，而在形成的所述第一层金属铜层表面依次铺设铜粉，采用第二激光扫描速度对铺设的铜粉进行烧结的过程中，由于金属钛层与氮化铝陶瓷基板之间，金属钛层与金属银层之间已经形成稳定的粘结结构，在满足各层铜粉能够实现充分烧结的前提下，可将第二激光扫描速度提高，从而进一步地，提高氮化铝陶瓷覆铜板工艺的生产效率。
在一些实施方式中，所述第一激光扫描速度为30-60mm/s；和/或，所述第二激光扫描速度为60-120mm/s。本发明中，在制备的金属铜层的品质不受影响的前提下，为提高生产的效率，将第一激光扫描速度设定为30-60mm/s，将第二激光扫描速度设定为60-120mm/s，若激光扫描速度过小，则会降低生产效率，若激光扫描速度过大则会影响到制备的金属铜层的品质。
在一些实施方式中，所述金属铜层的厚度为0.1-1.5mm。本发明中，根据实际生产的氮化铝陶瓷覆铜板的产品要求，以及后续氮化铝陶瓷覆铜板的使用过程中对金属层的刻蚀工序的需求，结合氮化铝陶瓷基底，金属钛层以及金属银层的厚度，将金属铜层的厚度设置为0.1-1.5mm。
在一些实施方式中，每次铺设的铜粉厚度为20-50um。本发明中，为了保证每一层铺设的铜粉在激光扫描的过程中，都能进行充分烧结，将每次铺设的铜粉的厚度设置为20-50um，当铜粉的厚度低于20um时，会影响激光3D打印制备陶瓷覆铜板的生产效率，而当铜粉的厚度高于50um时，则又会影响铺设的铜粉的烧结效果。
在一些实施方式中，在铺设铜粉时通过测厚传感器实时监测铜粉厚度，当打印的铜粉厚度大于规定的覆铜厚度0.1mm，则停止3D打印；最后对制备的氮化铝陶瓷覆铜板进行机械加工，并采用测厚传感器进行实时测厚，当氮化铝陶瓷覆铜板机械加工后的厚度与规定的铜板厚度一致时，则停止加工。
在一些实施方式中，还提供一种氮化铝覆铜板，其中，如图2所示，包括从下至上依次层叠设置的氮化铝陶瓷基底1，金属钛层2，金属银层3以及金属铜层4。
下面通过具体实施例对本发明一种氮化铝陶瓷覆铜板的制备方法做进一步的解释说明：
实施例1
将规格为100mm×100mm×0.5mm的纯度为99.9％的氮化铝陶瓷基片用丙酮浸泡10min除去表面的油污，其后，用水进行冲洗，放置在去离子水中超声清洗15min，取出后用吹风机吹干，放入烘箱中在130℃的温度下，加热15min。
使用TA13-10D型磁控溅射镀膜系统进行金属钛层的制备，其中，靶材为纯度为99.99％的钛靶，溅射气压为1.1Pa，溅射功率为120W，靶距为60mm，溅射过程中采用氩气进行保护。
使用TA13-10D型磁控溅射镀膜系统进行金属银层的制备，其中，靶材为纯度为99.99％的银靶，溅射气压为1.0Pa，溅射功率为110W，靶距为50mm，溅射过程中采用氩气进行保护。
使用SLM280型金属烧结3D打印机进行3D打印制备金属铜层，其中，激光功率为120W，第一激光扫描速度为50mm/s，第二激光扫描速度为100mm/s，铺设的铜粉厚度为40um，激光扫描间隔为0.008mm。利用测厚传感器对金属铜层的厚度进行实时检测，当金属铜层的厚度达到0.6mm时，停止3D打印，制得氮化铝陶瓷基覆铜板，对该氮化铝陶瓷基覆铜板进行机械加工，测厚传感器实时监测铜板厚度，当金属铜层的厚度达到0.5mm时，停止加工，制得成品。
实施例2
将规格为100mm×100mm×0.5mm的纯度为99.9％的氮化铝陶瓷基片用丙酮浸泡10min除去表面的油污，其后，用水进行冲洗，放置在去离子水中超声清洗15min，取出后用吹风机吹干，放入烘箱中在130℃的温度下，加热15min。
使用TA13-10D型磁控溅射镀膜系统进行金属钛层的制备，其中，靶材为纯度为99.99％的钛靶，溅射气压为1.0Pa，溅射功率为130W，靶距为60mm，溅射过程中采用氩气进行保护。
使用TA13-10D型磁控溅射镀膜系统进行金属银层的制备，其中，靶材为纯度为99.99％的银靶，溅射气压为0.8Pa，溅射功率为110W，靶距为60mm，溅射过程中采用氩气进行保护。
使用SLM280型金属烧结3D打印机进行3D打印制备金属铜层，其中，激光功率为120W，第一激光扫描速度为60mm/s，第二激光扫描速度为120mm/s，铺设的铜粉厚度为30um，激光扫描间隔为0.008mm。利用测厚传感器对金属铜层的厚度进行实时检测，当金属铜层的厚度达到0.7mm时，停止3D打印，制得氮化铝陶瓷基覆铜板，对该氮化铝陶瓷基覆铜板进行机械加工，测厚传感器实时监测铜板厚度，当金属铜层的厚度达到0.6mm时，停止加工，制得成品。
综上所述，本发明中设计了一种氮化铝陶瓷覆铜板的制备方法，在陶瓷基底上依次沉积金属钛层和金属银层，其后，采用金属烧结3D打印法在所述金属银层表面打印金属铜层，制得所述氮化铝陶瓷覆铜板，通过采用金属烧结3D打印法制备金属铜层，制备过程中激光的极大能量产生高温还使得金属熔入银铜中的钛与氮化铝陶瓷基板在相接触界面上发生化学反应，实现了各层之间的有效粘结，提高金属铜层与陶瓷基板的粘结性能，另外，本发明的制备工艺简单，易于操作，生产成本低，有利于工业生产应当理解的是，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 (2)

1.一种氮化铝陶瓷覆铜板的制备方法，其特征在于，包括步骤：
在氮化铝陶瓷基底表面沉积金属钛层；
在所述金属钛层表面沉积金属银层；
采用金属烧结3D打印法在所述金属银层表面打印金属铜层，制得所述氮化铝陶瓷覆铜板；
所述在氮化铝陶瓷基底表面沉积金属钛层的步骤包括：
采用磁控溅射法在氮化铝陶瓷基底表面沉积金属钛层，所述磁控溅射法的溅射气压为：0.8-1.2Pa，溅射功率为：110-140W，溅射靶距为50-100mm；
所述在所述金属钛层表面沉积金属银层的步骤包括：
采用磁控溅射法在所述金属钛层表面沉积金属银层，所述磁控溅射法的溅射气压为：0.8-1.2Pa，溅射功率为：110-140W，溅射靶距为50-100mm；
所述采用金属烧结3D打印法在所述金属银层表面打印金属铜层的步骤包括：
在所述金属银层表面铺设铜粉，采用第一激光扫描速度对所述铜粉进行烧结，形成第一层金属铜层；
在所述第一层金属铜层表面依次铺设铜粉，每铺设一次铜粉均采用第二激光扫描速度对铺设的铜粉进行烧结，直至最终形成的金属铜层的厚度达到预设厚度阈值，则制得所述氮化铝陶瓷覆铜板，所述第二激光扫描速度大于所述第一激光扫描速度；所述第一激光扫描速度为30-60mm/s；和/或，所述第二激光扫描速度为60-120mm/s，所述第二激光扫描速度不包括60mm/s；每次铺设的铜粉厚度为20-50μm；
所述金属钛层的厚度为50-100nm，所述金属银层的厚度为1-5μm，所述金属铜层厚度为0.1-1.5mm。
2.一种氮化铝陶瓷覆铜板，其特征在于，采用如权利要求1所述的氮化铝陶瓷覆铜板的制备方法制备而成。
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