CN110843272B - 陶瓷覆铜板及其制备工艺和应用 - Google Patents

陶瓷覆铜板及其制备工艺和应用 Download PDF

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Abstract

本公开涉及一种陶瓷覆铜板及其制备工艺和应用，该工艺包括：S1、在陶瓷垫板表面形成铜层，然后对所述铜层的表面进行第一热氧化处理，得到氧化垫板；S2、将铜片放置于氧化垫板的经过第一热氧化处理后的铜层上，将氧化垫板与铜片一起进行第二热氧化处理，然后分离二者，得到氧化铜片；所述氧化铜片与氧化垫板分离的表面为第一表面，与第一表面相对的所述氧化铜片的表面为第二表面；S3、将第二表面与陶瓷基片贴合，然后进行覆接处理，得到陶瓷覆铜板。本公开陶瓷覆铜板铜片的表面晶粒小，自动识别率高。

Description

陶瓷覆铜板及其制备工艺和应用
技术领域
本公开涉及陶瓷覆铜板技术领域，具体地，涉及一种陶瓷覆铜板及其制备工艺和应用。
背景技术
陶瓷覆铜板(英文全称：Direct Bonded Copper，英文缩写DBC)是指压延铜片在高温下直接与陶瓷基片表面键合所得的产品，其中，氧化铝陶瓷基片作为绝缘基片，通过高温共晶键合铜片。陶瓷覆铜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，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，广泛应用于电力电子模块、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中。
现有陶瓷覆铜板制备工艺一般包括铜片氧化和铜片覆接两个步骤，由于铜片氧化时放置在陶瓷基片上，导致铜片上表面被氧化，而下表面没被氧化，覆接所得陶瓷覆铜板的上表面铜晶粒较大，影响外观以及后续产品使用。
发明内容
本公开的目的是提供一种陶瓷覆铜板及其制备工艺和应用，本公开陶瓷覆铜板的铜片表面晶粒小。
为了实现上述目的，本公开提供一种陶瓷覆铜板的制备工艺，该工艺包括：
S1、在陶瓷垫板表面形成铜层，然后对所述铜层的表面进行第一热氧化处理，得到氧化垫板；
S2、将铜片放置于氧化垫板的经过第一热氧化处理后的铜层上，将氧化垫板与铜片一起进行第二热氧化处理，然后分离二者，得到氧化铜片；所述氧化铜片与氧化垫板分离的表面为第一表面，与第一表面相对的所述氧化铜片的表面为第二表面；
S3、将第二表面与陶瓷基片贴合，然后进行覆接处理，得到陶瓷覆铜板。可选的，步骤S1中，所述陶瓷垫板的厚度为0.3-2mm，材料为氧化铝或氮化铝。
可选的，步骤S1中，所述在陶瓷垫板表面形成铜层的方式为磁控溅射或离子镀，所述铜层的厚度为0.5-50μm。
可选的，步骤S1中，所述第一热氧化处理的条件包括：在流动气氛中进行，流动气氛中氧分压为100-1000ppm，热氧化处理的温度为400-1000℃，时间为10-300min。
可选的，步骤S2中，所述第二热氧化处理的条件包括：在流动气氛中进行，流动气氛中氧分压为100-1000ppm，热氧化处理的温度为400-1000℃，时间为10-300min。
可选的，所述工艺还包括：将步骤S2中与氧化铜片分离后的氧化垫板返回步骤S2中重复使用。
可选的，步骤S3中，所述覆接处理的条件包括：氧分压为0-100ppm，温度为1065-1083℃，时间为10-180min；
所述陶瓷基片的厚度为0.3-2mm，材料为氧化铝或氮化铝。
本公开还提供所提供的工艺所制备的陶瓷覆铜板。
本公开还提供一种陶瓷覆铜板的应用，该应用包括：采用本公开所提供的陶瓷覆铜板制备电力电子模块、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、航天航空电子组件和军用电子组件。
本公开陶瓷覆铜板制备工艺将铜片的两表面采用不同的方式均进行氧化处理，然后再将氧化铜片与陶瓷基片进行覆接处理，所得陶瓷覆铜板的铜片表面晶粒小，自动识别率高。
本公开的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。在附图中：
图1是本公开形成铜层的陶瓷垫板一种具体实施方式的结构示意图；
图2是本公开氧化垫板一种具体实施方式的结构示意图；
图3是本公开贴合的氧化垫板和铜片一种具体实施方式的结构示意图；
图4是本公开氧化垫板和氧化铜片一种具体实施方式的结构示意图；
图5是本公开陶瓷覆铜板一种具体实施方式的结构示意图；
图6是本公开实施例所得陶瓷覆铜板的扫描电镜图；
图7是本公开对比例所得陶瓷覆铜板的扫描电镜图；
图8是本公开实施例所制备陶瓷覆铜板1进行蚀刻后所识别的图案；
图9是本公开对比例所制备陶瓷覆铜板2进行蚀刻后所识别的图案。
附图标记说明
A 陶瓷垫板 A1 陶瓷垫板上表面 A2 陶瓷垫板下表面
B 铜层 C 氧化后的铜层 D 铜片
D1 铜片上表面 D2 铜片下表面 E 氧化铜片
E1 氧化铜片上表面 E2 氧化铜片下表面 F 陶瓷基片
具体实施方式
以下结合附图对本公开的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本公开，并不用于限制本公开。
在本公开中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下”通常是指工艺实际操作时的“上、下”。
本公开提供一种陶瓷覆铜板的制备工艺，该工艺包括：
S1、在陶瓷垫板表面形成铜层，然后对所述铜层的表面进行第一热氧化处理，得到氧化垫板；
S2、将铜片放置于氧化垫板的经过第一热氧化处理后的铜层上，将氧化垫板与铜片一起进行第二热氧化处理，然后分离二者，得到氧化铜片；所述氧化铜片与氧化垫板分离的表面为第一表面，与第一表面相对的所述氧化铜片的表面为第二表面；
S3、将第二表面与陶瓷基片贴合，然后进行覆接处理，得到陶瓷覆铜板。
本公开工艺将铜片的两表面在不同的氧化环境中进行第二热氧化处理，铜片的其中一表面由氧化垫板所氧化，而另一表面由流动气氛所氧化，从而使氧化铜片上由氧化垫板所引入的氧在覆接处理过程中抑制再结晶的铜晶粒长大，使铜片表面晶粒细化。通过将铜片放置于氧化垫板上进行第二热氧化处理，可以使表面经第一热氧化处理的铜层对铜片其中一表面在第二热氧化处理过程中进行氧化，氧化垫板还可以防止铜片在氧化过程中因氧化过度而蜷曲。
根据本公开，步骤S1中，陶瓷垫板用于形成铜层并在第二热氧化处理中支撑铜片，所述陶瓷垫板的厚度可以为0.3-2mm，材料可以为氧化铝或氮化铝，优选为氧化铝。所述在陶瓷垫板表面形成铜层的方式可以采用各种方式，例如为本领域技术人员所熟知的磁控溅射或离子镀，优选为真空磁控溅射，所述铜层的厚度可以为0.5-50μm，优选将陶瓷垫板进行擦拭清洁后再形成铜层。
根据本公开，第一热氧化处理和第二热氧化处理用于使铜层、铜片表面被氧化，但优选不使二者熔化，即热氧化处理的温度一般低于铜的熔点，优选地，所述第一热氧化处理的条件可以包括：在流动气氛中进行，流动气氛中氧分压为100-1000ppm，流动气氛中其余气体为氮气，升温速度为2-50℃/min，优选为5-20℃/min，热氧化处理的温度为400-1000℃，时间为10-300min。所述第二热氧化处理的条件可以包括：在流动气氛中进行，流动气氛中氧分压为100-1000ppm，流动气氛中其余气体为氮气，升温速度为5-50℃/min，优选为2-20℃/min，热氧化处理的温度为400-1000℃，时间为10-300min。
根据本公开，覆接处理用于使氧化铜片与陶瓷基片在高温下共晶键合，其处理温度一般接近铜和氧化(亚)铜的熔点，例如，所述覆接处理的条件可以包括：氧分压为0-100ppm，温度为1065-1083℃，时间为10-180min；陶瓷基片的厚度可以为0.3-2mm，材料可以为氧化铝或氮化铝，优选为氧化铝。
根据本公开，本公开中的陶瓷垫板与陶瓷基片为独立的两种结构，陶瓷垫板并非陶瓷覆铜板的组成部分，所述工艺还可以包括：将步骤S2中与氧化铜片分离后的氧化垫板返回步骤S2中重复使用，在重复使用之前，所述氧化垫板可以再次进行热氧化处理，以在铜层表面补充氧元素。
本公开还提供所提供的工艺所制备的陶瓷覆铜板。
本公开还提供一种陶瓷覆铜板的应用，该应用包括：采用权利要求9所述的陶瓷覆铜板制备电力电子模块、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、航天航空电子组件和军用电子组件。
下面结合附图通过具体实施方式来进一步说明本公开的工艺，但是本公开并不因此而受到任何限制。
如图1所示，选取陶瓷垫板A，陶瓷垫板A具有陶瓷垫板上表面A1和陶瓷垫板下表面A2，在陶瓷垫板上表面A1上形成铜层B。
如图2所示，将铜层B进行第一热氧化处理，得到氧化后的铜层C。
如图3所示，将铜片D放置于氧化后的铜层C上方，使铜片下表面D2与氧化后的铜层C相贴合，而铜片上表面D1暴露出来。
如图4所示，对铜片D进行第二热氧化处理后，得到氧化铜片E，其中，氧化铜片上表面E1由氧气所氧化而得，氧化铜片下表面E2由氧化后的铜层C氧化所得。
如图5所示，将氧化铜片上表面E1与陶瓷基片F相贴合后进行覆接处理，得到陶瓷覆铜板。
下面通过实施例来进一步说明本公开，但是本公开并不因此而受到任何限制。
实施例
在陶瓷垫板上表面采用磁控溅射的方式进行镀铜，陶瓷垫板的厚度为0.63mm，材料为氧化铝，所镀铜层厚度为1μm，溅射镀铜靶为纯铜靶，磁控溅射的功率为1.2KW，时间为40min。将形成铜层后的陶瓷垫板置于链带气氛炉中在氧分压为600ppm的流动氮气气氛中，以40℃/min的升温速度从室温升温至800℃，然后保温15min，得到氧化垫板。将铜片的一表面贴合在氧化垫板的氧化后的铜层上，并置于链带气氛炉中在氧分压为600ppm的氮气气氛中，以40℃/min的升温速度从室温升温至800℃，然后保温15min，并将氧化铜片与氧化垫板分离。将陶瓷基片和氧化铜片的上表面贴合在一起，置于氧分压为4ppm的氮气气氛、1073℃下保温20min以进行覆接处理，得到陶瓷覆铜板1，其铜片表面的扫描电镜图如图6所示，采用万能试验机(东莞市恒工设备有限责任公司，型号GJ-1166A-Y)进行测定剥离强度为10N/m2。
对比例1
对比例1与实施例的区别在于铜层不进行第一热氧化处理，具体步骤如下：
在陶瓷垫板上表面采用磁控溅射的方式进行镀铜，陶瓷垫板的厚度为0.63mm，材料为氧化铝，所镀铜层厚度为1μm，溅射镀铜靶为纯铜靶，磁控溅射的功率为1.2KW，时间为40min。将铜片放置在陶瓷垫板的铜层上，并置于链带气氛炉在氧分压为600ppm的氮气气氛中，以40℃/min的升温速度从室温升温至800℃，然后保温15min，并将氧化铜片与垫板分离。将陶瓷基片和氧化铜片的上表面贴合在一起，置于氧分压为4ppm的氮气气氛、1073℃下保温20min以进行覆接处理，得到陶瓷覆铜板2，其铜片表面的扫描电镜图如图7所示。
如图6-7所示，在同样的放大倍数下，陶瓷覆铜板1表面铜片的大晶粒较少，且晶粒整体比陶瓷覆铜板2表面铜片的晶粒细，说明采用本公开的工艺可以明显抑制晶粒的长大。
对比例2
与实施例基本相同，不同之处在于：在氧化铜片与氧化垫板分离之后，将陶瓷基片与氧化铜片的下表面贴合在一起，即将由铜层所氧化的氧化铜片表面与陶瓷基片贴合，然后再进行覆接处理，所得陶瓷覆铜板3的氧化铜片与陶瓷基板连接强度不够，采用手即可剥离，采用万能试验机(东莞市恒工设备有限责任公司，型号GJ-1166A-Y)进行测定剥离强度为1N/m2，且非覆接面出现融化。
测试例
将陶瓷覆铜板1和陶瓷覆铜板2在50℃温度下、传送速度为1.3m/min的蚀刻液(比重：1.335g/mL；H+：1.68mol/L；Cl-：276.9g/L；Cu2+：162g/L)蚀刻10min后进行采用OE3600自动绑线设备进行识别实验。如图8-9所示，虚线框内黑色部分为识别的陶瓷基片，白色部分为所识别的氧化铜片，陶瓷覆铜板1的识别图案更加规整，容易被识别，而陶瓷覆铜板2的识别图案存在颗粒图案，不容易被识别，说明本公开的工艺可以提高陶瓷覆铜板的自动识别率，提高良品率和生产效率。
以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。

Claims (9)

1.一种陶瓷覆铜板的制备工艺，该工艺包括：
S1、在陶瓷垫板表面形成铜层，然后对所述铜层的表面进行第一热氧化处理，得到氧化垫板；
S2、将铜片放置于氧化垫板的经过第一热氧化处理后的铜层上，将氧化垫板与铜片一起进行第二热氧化处理，然后分离二者，得到氧化铜片；所述氧化铜片与氧化垫板分离的表面为第一表面，与第一表面相对的所述氧化铜片的表面为第二表面；
S3、将第二表面与陶瓷基片贴合，然后进行覆接处理，得到陶瓷覆铜板。
2.根据权利要求1所述的工艺，步骤S1中，所述陶瓷垫板的厚度为0.3-2mm，材料为氧化铝或氮化铝。
3.根据权利要求1所述的工艺，步骤S1中，所述在陶瓷垫板表面形成铜层的方式为磁控溅射或离子镀，所述铜层的厚度为0.5-50μm。
4.根据权利要求1所述的工艺，步骤S1中，所述第一热氧化处理的条件包括：在流动气氛中进行，流动气氛中氧分压为100-1000ppm，热氧化处理的温度为400-1000℃，时间为10-300min。
5.根据权利要求1所述的工艺，步骤S2中，所述第二热氧化处理的条件包括：在流动气氛中进行，流动气氛中氧分压为100-1000ppm，热氧化处理的温度为400-1000℃，时间为10-300min。
6.根据权利要求1所述的工艺，所述工艺还包括：将步骤S2中与氧化铜片分离后的氧化垫板返回步骤S2中重复使用。
7.根据权利要求1所述的工艺，步骤S3中，所述覆接处理的条件包括：氧分压为0-100ppm，温度为1065-1083℃，时间为10-180min；
所述陶瓷基片的厚度为0.3-2mm，材料为氧化铝或氮化铝。
8.权利要求1-7中任意一项所述的工艺所制备的陶瓷覆铜板。
9.一种陶瓷覆铜板的应用，该应用包括：采用权利要求8所述的陶瓷覆铜板制备电力电子模块、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、航天航空电子组件和军用电子组件。
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