CN110734295B - 一种氮化铝陶瓷覆铜板的制备方法 - Google Patents

一种氮化铝陶瓷覆铜板的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种陶瓷覆铜板的制备方法，其中，所述制备方法包括步骤：对氮化铝基板进行氧化处理；在所述氮化铝基板的双面依次制备氧化亚铜层和铜层，在铜板的单面依次制备氧化亚铜层和铜层；将所述氮化铝基板和铜板按照铜板/氮化铝基板/铜板的方式进行叠放，并在所述铜板与所述氮化铝基板之间设置Al/Ni纳米多层膜，形成多层叠合结构，所述铜板制备有氧化亚铜层和铜层的一面朝向所述氮化铝基板；在垂直方向上对所述多层叠合结构施加压力，并点燃所述Al/Ni纳米多层膜，制得所述氮化铝陶瓷覆铜板。本发明中利用Al/Ni纳米多层膜点燃后产生的自蔓延反应释放的热量进行焊接，对设备的要求低，易于操作，陶瓷基板与铜板的连接强度高。

Description

一种氮化铝陶瓷覆铜板的制备方法
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的制备方法。
背景技术
陶瓷覆铜板是指在陶瓷表面进行金属化的特殊工艺板，由于其具有优良的导热特性，高绝缘性，大电流承载能力，优异的耐焊锡性以及高附着强度，同时可以刻蚀出各种路线图形，已经成为重要的电子封装材料，大量应用于电子领域。
目前，陶瓷覆铜板的制备方法分为直接覆铜法与活性金属焊接法，其中，直接覆铜法是在大功率模块领域经常采用的制造方法，通过在弱氧化气氛下被敷接到陶瓷表面的金属铜表面形成有一层Cu[O]共晶液相，该液相能够良好地湿润互相接触的铜板和陶瓷基板表面，并形成CuAlO2等界面产物，使铜板和陶瓷基板牢固结合，但此种方法制造成本高，熔合率与连接强度低；活性金属焊接法是直接覆铜法的进一步发展，利用钎料中含有的少量活性元素(如Ti和Zr)与陶瓷基板反应生成能被液态钎料湿润的反应层，从而实现陶瓷基板与铜板结合的一种方法，但此种方法对工艺参数的要求很高，制备成本也高，大面积融合率差，并且有些活性钎料对铜板的湿润不够，难以紧密连接。
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的制备方法，旨在解决现有的陶瓷覆铜板的制备工艺复杂、生产成本高，大面积融合率差的问题。
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，其中，包括步骤：
对氮化铝基板进行氧化处理；
在所述氮化铝基板的双面依次制备氧化亚铜层和铜层，在铜板的单面依次制备氧化亚铜层和铜层；
将所述氮化铝基板和铜板按照铜板/氮化铝基板/铜板的方式进行叠放，并在所述铜板与所述氮化铝基板之间设置Al/Ni纳米多层膜，形成多层叠合结构，所述铜板制备有氧化亚铜层和铜层的一面朝向所述氮化铝基板；
在垂直方向上对所述多层叠合结构施加压力，并点燃所述Al/Ni纳米多层膜，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，所述对氮化铝基板进行氧化处理的步骤包括：
将所述氮化铝基板加热至700-1000℃，通入氧气进行氧化处理，在所述氮化铝基板表面形成一层氧化铝层。
所述的氮化铝陶瓷覆铜板的制备方法，其中，所述氧化铝层的厚度为1-4um。
所述的氮化铝陶瓷覆铜板的制备方法，其中，所述氧化亚铜层的厚度为6-10um。
所述的氮化铝陶瓷覆铜板的制备方法，其中，所述铜层的厚度为5-8um。
所述的氮化铝陶瓷覆铜板的制备方法，其中，所述Al/Ni纳米多层膜的厚度为40-180um。
所述的氮化铝陶瓷覆铜板的制备方法，其中，所述压力的范围为10-40MPa。
所述的氮化铝陶瓷覆铜板的制备方法，其中，所述氮化铝基板的横向宽度小于所述Al/Ni纳米多层膜的横向宽度。
所述的氮化铝陶瓷覆铜板的制备方法，其中，所述在所述氮化铝基板的双面依次制备氧化亚铜层和铜层的步骤包括：
将粉状的氧化亚铜与铜粉分别与有机配料进行混合，形成具有粘稠度的氧化亚铜浆料与铜浆料；
在所述经过氧化处理的氮化铝基板双面印刷所述氧化亚铜浆料，生成氧化亚铜层；
在所述氧化亚铜层表面印刷所述铜浆料，生成铜层。
所述的氮化铝陶瓷覆铜板的制备方法，其中，所述有机配料为乙醇、丙酮和二甲苯中的一种或多种。
有益效果：本发明提供的氮化铝陶瓷覆铜板的制备方法，对设备要求低，简化了操作流程，制备成本低，制备的氮化铝陶瓷覆铜板中陶瓷基板与铜板间的连接强度高，进一步地，通过在氮化铝基板双面以及铜板单面制备氧化亚铜层及铜层，增大了焊接层的接触面积，有利于大面积的焊接。
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在Al/Ni纳米多层膜燃烧前的结构示意图
具体实施方式
本发明提供一种氮化铝陶瓷覆铜板的制备方法，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。现有的陶瓷覆铜板通常采用活性金属焊接法制备，即利用钎料中含有的少量活性元素与陶瓷基板反应生成能被液态钎料湿润的反应层，从而实现陶瓷基板与铜板结合的一种方法，但此种方法对工艺参数的要求很高，制备成本也高，且大面积融合率差，并且有些活性钎料对铜板的湿润不够，难以紧密连接。
基于现有氮化铝陶瓷覆铜板的制备方法存在的问题，本发明实施例提供一种氮化铝陶瓷覆铜板的制备方法，如图1所示，其包括步骤：
S10、对氮化铝基板进行氧化处理；
S20、在所述氮化铝基板的双面依次制备氧化亚铜层和铜层，在铜板的单面依次制备氧化亚铜层和铜层；
S30、将所述氮化铝基板和铜板按照铜板/氮化铝基板/铜板的方式进行叠放，并在所述铜板与所述氮化铝基板之间设置Al/Ni纳米多层膜，形成多层叠合结构，所述铜板制备有氧化亚铜层和铜层的一面朝向所述氮化铝基板；
S40、在垂直方向上对所述多层叠合结构施加压力，并点燃所述Al/Ni纳米多层膜，制得所述氮化铝陶瓷覆铜板。
本实施例通过预先对氮化铝基板进行氧化处理，使得氮化铝基板的表面形成一层氧化铝层，其后，在所述氮化铝基板的双面以及所述铜板的单面上依次制备一层氧化亚铜层与一层铜层，将所述铜板制备有氧化亚铜层和铜层的一面朝向所述氮化铝基板，并将所述氮化铝基板和铜板按照铜板/氮化铝基板/铜板的方式进行叠放，在所述铜板与所述氮化铝基板之间设置Al/Ni纳米多层膜，形成如图2所示的多层叠合结构；最后在垂直方向上对所述多层叠合结构施加压力，并点燃所述Al/Ni纳米多层膜，即可制得所述氮化铝陶瓷覆铜板。本实施例利用所述Al/Ni纳米多层膜点燃后产生的自蔓延反应释放的热量对氮化铝基板和铜板进行焊接，该方法对设备要求低，简化了操作流程，降低了制备成本，其制备的氮化铝陶瓷覆铜板中陶瓷基板与铜板间的连接强度高；进一步地，通过在氮化铝基板双面以及铜板单面制备氧化亚铜层及铜层，增大了焊接层的接触面积，有利于大面积的焊接。
在本实施例中，所述Al/Ni纳米多层膜与所述铜层直接接触，所述Al/Ni纳米多层膜点燃后自身会发生化学反应Al+Ni→AlNi，同时释放大量的热量，使得所述Al/Ni纳米多层膜附近的所述铜层和所述氧化亚铜层均由固相转变为液相，形成液相混合金属，由于燃烧过程时间很短，所述液相混合金属又会立即凝固，从而使得所述氧化亚铜层和所述铜层以及燃烧后形成的AlNi层之间具有强粘结性能。
进一步地，由于液相的铜浆料对所述氮化铝基板的润湿性能差，本实施例通过预先对所述氮化铝基板进行氧化处理，使其表面形成一层氧化铝层，所述氮化铝基板上通过氧化形成的氧化铝层也会在Al/Ni纳米多层膜点燃后释放的热量下与所述氧化亚铜层之间发生如下所示的化学反应：Cu2O+Al2O3→2CuAlO2，通过所述氧化亚铜层与所述氧化铝层之间的化学反应，从而可有效提高所述氮化铝基板与所述铜板之间的粘结性能。
本实施例通过点燃所述Al/Ni纳米多层膜，利用瞬间产生的巨大热量使得所述铜板与所述氮化铝基板之间具有好的粘结性能，其制备方法简单、材料成本低、对设备的要求低、操作方便，进一步地，由于燃烧反应时间短，所述液相混合金属从固相转变为液相以及从液相转变为固相的时间均很短，作为焊料层的氧化亚铜层、铜层以及燃烧生成的AlNi层在液相时，均来不及发生外溢从而避免了制备的陶瓷覆铜板被焊料所污染。
在一些实施方式中，所述Al/Ni纳米多层膜为Al薄层和Ni薄层交替复合而成的薄膜，所述Al薄层及Ni薄层的厚度均为纳米级，形成的所述Al/Ni纳米多层膜的厚度为微米级。在一些实施方式中，所述Al/Ni纳米多层膜的厚度为40-180um，在该厚度范围内，其点燃后产生的自蔓延反应释放的热量能够使所述铜板与所述氮化铝基板之间具有较佳的粘结性能。
在一些实施方式中，将所述氮化铝基板用水清洗，然后依次置于丙酮溶液和酒精中进行超声处理，得到清洗后的所述氮化铝基板；将所述清洗后的氮化铝基板加热至700-1000℃，通入氧气进行氧化处理，在所述氮化铝基板表面形成一层氧化铝层。
本实施例，先用水对所述氮化铝基板进行清洗，去除表面杂质，其后，依次放置于丙酮溶液和酒精中进行超声处理15-20min，进一步地清除所述氮化铝基板表面的油类物质，超声处理后用氮气吹干，即得清洗干净的所述氮化铝基板；进一步地，对清洗后的所述氮化铝基板进行氧化处理，其中，所述氧化处理可以在炉管内进行，将清洗后的所述氮化铝基板放置于炉管内，抽真空至炉管内的压力达到1*10-4-3*10-4Pa，其后，向炉管内通入惰性气体，使炉管内部压力达到3*10-3-7*10-3Pa，升高炉管温度至700-1000℃，持续通入100-200sccm的氧气以及100sccm的惰性气体进行氧化，氧化时间1-4h，即得表面形成有一层氧化铝层的氮化铝基板。
在一些实施方式中，所述氧化铝层的厚度为1-4um。本实施例中，由于要提高所述氮化铝基板和所述铜板之间的结合强度，采用的所述氮化铝基板和所述铜板的表面粗糙度Ra值为0.2-0.7um，氧化铝层的厚度至少需要达到1um，才能满足后续与氧化亚铜层发生反应的条件，但是，氧化铝层的厚度超过4um时，又会对陶瓷覆铜板的导热性能造成影响，因此，氧化铝层的厚度设定为1-4um，既可以满足氧化铝层与氧化亚铜层之间化学反应的充分进行，从而提高氮化铝基板与氧化亚铜层之间的粘结性能，又可以使制备的陶瓷覆铜板具有优良的导热性能。
在一些实施方式中，在所述氮化铝基板的双面依次制备氧化亚铜层和铜层的步骤包括：
将粉状的氧化亚铜与铜粉分别与有机配料进行混合，形成具有粘稠度的氧化亚铜浆料与铜浆料；在所述经过氧化处理的氮化铝基板双面印刷所述氧化亚铜浆料，生成氧化亚铜层；在所述氧化亚铜层表面印刷所述铜浆料，生成铜层。
在本实施例中，氧化亚铜为一价铜的氧化物不溶于水，铜粉也不溶于水，本发明中，通过将粉状的氧化亚铜与铜粉分别与有机配料进行混合，通过搅拌形成具有粘稠度的氧化亚铜浆料与铜浆料。所述有机配料为乙醇、丙酮和二甲苯中的一种或多种，但不限于此。
本实施例采用印刷的方式在所述氮化铝基板双面制备氧化铜层和铜层，将配置好的氧化亚铜浆料印刷到氮化铝基板上，丝网印刷用的目数为200-400，在氮化铝基板上形成氧化亚铜层；待所述氧化亚铜层干燥后，继续采用印刷的方式在所述氧化亚铜层表面印刷铜浆料，印刷压力为50-100N，自然干燥或30℃-50℃低温烘干30min，形成铜层。
在一些实施方式中，同样采用印刷的方式在所述铜板的单面依次制备氧化亚铜层和铜层。
在一些实施方式中，所述氧化亚铜层的厚度为6-10um。本实施例中，所述氧化亚铜层的厚度与所述氧化铝层的厚度是相关联的，当所述氧化铝的厚度在1-4um，所述氧化亚铜层的厚度在6-10um时，既能够满足所述氧化铝层与所述氧化亚铜层之间化学反应的充分进行，从而提高所述氮化铝基板与所述氧化亚铜层之间的粘结性能，又可以使制备的所述陶瓷覆铜板具有优良的导热性能。
在一些实施方式中，所述铜层的厚度为5-8um。本实施例中，由于所述氧化亚铜层和所述氧化铝层的反应物CuAlO2对所述Al/Ni纳米多层膜燃烧后形成的AlNi层的润湿性能差，因此在所述氧化亚铜层上印刷一层所述铜层作为过渡层，利用铜对AlNi优异的润湿性能来提高所述氮化铝基板与所述铜板之间的粘结性能，当所述铜层的厚度为5-8um时，既可以实现对AlNi的润湿，又可以避免在施加的压力条件下，溢出陶瓷边缘，对所述陶瓷覆铜板造成污染，若所述铜层的厚度过大(大于8um)，则会在液相状态时，溢出陶瓷边缘对所述陶瓷覆铜板造成污染，若所述铜层的厚度过小(小于5um)，则对AlNi的润湿不足，导致所述氮化铝基板与所述铜板之间的粘结性能差。
在一些实施方式中，所述Al/Ni纳米多层膜的厚度为40-180um。本发明中，当制备厚度范围为0.1mm-1mm的陶瓷覆铜板时，优选厚度为40-180um的所述Al/Ni纳米多层膜，在此厚度条件下的所述Al/Ni纳米多层膜即可通过自蔓延反应提供的热量满足陶瓷覆铜板制备需求，避免造成制备原料的浪费。
在一些实施方式中，所述Al/Ni纳米多层膜采用电火花点燃，电火花电压为10-30V。在本发明中，采用电火花点燃所述Al/Ni纳米多层膜，其中，电火花的电压为10-30V时，即可点燃所述Al/Ni纳米多层膜。
在一些实施方式中，所述压力的范围为10-40MPa。在本发明中，压力过小，则导致热量散失大，对制备造成影响，压力过大，则容易损坏所述氮化铝基板。
在一些实施方式中，所述氮化铝基板的横向宽度小于所述Al/Ni纳米多层膜的横向宽度。本实施例中，采用的是电火花点燃所述Al/Ni纳米多层膜，所述Al/Ni纳米多层膜的横向宽度大于所述陶瓷基板的横向宽度时，方便电火花点燃所述Al/Ni纳米多层膜，若所述Al/Ni纳米多层膜的横向宽度小于所述陶瓷基板的横向宽度，则会对电火花点燃所述Al/Ni纳米多层膜造成困难。
综上所述，本发明中设计了一种陶瓷覆铜板的制备方法，通过将所述Al/Ni纳米多层膜设置于所述氮化铝基板与所述铜板之间，并利用所述Al/Ni纳米多层膜点燃后产生的自蔓延反应释放的热量进行焊接，这种焊接方式对设备要求低，简化了操作流程，制备成本低，制备的氮化铝陶瓷覆铜板中陶瓷基板与铜板间的连接强度高，进一步地，采用在氮化铝基板及铜板表面印刷氧化亚铜层及铜层，增大了焊接层的接触面积，有利于大面积的焊接。
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 (7)

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：
对氮化铝基板进行氧化处理；
在所述氮化铝基板的双面依次制备氧化亚铜层和铜层，在铜板的单面依次制备氧化亚铜层和铜层；
将所述氮化铝基板和铜板按照铜板/氮化铝基板/铜板的方式进行叠放，并在所述铜板与所述氮化铝基板之间设置Al/Ni纳米多层膜，形成多层叠合结构，所述铜板制备有氧化亚铜层和铜层的一面朝向所述氮化铝基板；
在垂直方向上对所述多层叠合结构施加压力，并点燃所述Al/Ni纳米多层膜，制得所述氮化铝陶瓷覆铜板；
所述氧化亚铜层的厚度为6-10um，所述铜层的厚度为5-8um，所述Al/Ni纳米多层膜的厚度为40-180um。
2.根据权利要求1所述的氮化铝陶瓷覆铜板的制备方法，其特征在于，所述对氮化铝基板进行氧化处理的步骤包括：
将所述氮化铝基板加热至700-1000℃，通入氧气进行氧化处理，在所述氮化铝基板表面形成一层氧化铝层。
3.根据权利要求1所述的氮化铝陶瓷覆铜板的制备方法，其特征在于，所述氧化铝层的厚度为1-4um。
4.根据权利要求1所述的氮化铝陶瓷覆铜板的制备方法，其特征在于，所述压力的范围为10-40MPa。
5.根据权利要求1所述的氮化铝陶瓷覆铜板的制备方法，其特征在于，所述氮化铝基板的横向宽度小于所述Al/Ni纳米多层膜的横向宽度。
6.根据权利要求1所述的氮化铝陶瓷覆铜板的制备方法，其特征在于，所述在所述氮化铝基板的双面依次制备氧化亚铜层和铜层的步骤包括：
将粉状的氧化亚铜与铜粉分别与有机配料进行混合，形成具有粘稠度的氧化亚铜浆料与铜浆料；
在所述经过氧化处理的氮化铝基板双面印刷所述氧化亚铜浆料，生成氧化亚铜层；
在所述氧化亚铜层表面印刷所述铜浆料，生成铜层。
7.根据权利要求6所述的氮化铝陶瓷覆铜板的制备方法，其特征在于，所述有机配料为乙醇、丙酮和二甲苯中的一种或多种。
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