CN111454080B - 一种敷铜或敷铜合金氧化铝陶瓷基板及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种敷铜或敷铜合金氧化铝陶瓷基板及其制备方法。所述制备方法选用金属铜或铜合金粉体，通过大气等离子喷涂技术将金属铜或铜合金粉体在熔融状态下喷涂在覆盖有特定图案掩模版的氧化铝陶瓷基板表面，调整诸多工艺参数和等离子体喷枪结构制备出铜或铜合金与氧化铝陶瓷界面结合强度高、电导率高的氧化铝陶瓷敷铜基板。本发明直接将金属铜或铜合金粉末喷涂在氧化铝陶瓷基板得到敷铜陶瓷基板，将金属铜或铜合金粉末喷涂在敷盖有电路图案的掩模的氧化铝陶瓷基板上，得到不同图案且线宽精度高的敷铜电路陶瓷基板。本发明是一种新的敷铜或铜合金氧化铝陶瓷基板及制备方法，该方法简单，可以实现快速、大面积制备，降低成本，具有广阔的应用前景。

Description

一种敷铜或敷铜合金氧化铝陶瓷基板及其制备方法
技术领域
本发明涉及氧化铝陶瓷基板，具体涉及到一种敷铜或敷铜合金氧化铝陶瓷基板及其制备方法。
背景技术
陶瓷金属化是目前电子器件封装技术中的关键工艺。其中氧化铝陶瓷具有机械强度高、绝缘性能好、介质损耗低等性能，抗弯强度大于等于300MPa，被广泛应用于微电子封装中。氧化铝陶瓷基板金属化成型工艺是制约其应用一个重要因素。
现阶段主流的金属化氧化铝陶瓷基板技术是用Mo-Mn法，直接覆铜法(DBC)，和薄膜法(DPC)。Mo-Mn法是以耐热金属Mo粉末为主，添加Mn粉，并通过丝网印刷在氧化铝陶瓷基板表面，再在加湿氢气气氛中高温烧结形成金属化层。这种方法烧结的覆层金属与陶瓷结合力比较强，但导电性能不理想，且高温下界面层容易产生较大的内应力。薄膜法就是采用真空蒸镀、溅射镀膜等物理镀膜技术，在高真空条件下，将金属溅射靶材镀到氧化铝陶瓷基板上。薄膜法的主要优点是金属层均匀，结合强度高，但不足之处是设备投资大，制作困难，成本较高。直接敷铜法(DBC)是在铜与陶瓷基板间引入适量的氧元素，在1065℃-1083℃的高温下烧结，利用铜的含氧共晶液将铜层敷接至陶瓷基板表面。但这种方法对温度的控制极其严格，且后续还需要对覆铜层进行退火和脱氧加工处理。
敷铜氧化铝陶瓷基板针是工作于苛刻工况条件下的单层或多层电路板。一般采用上述铜涂敷技术在陶瓷基板上制备一层厚度均匀，结合强度高，导电性能好的铜金属层。然后根据电子器件电路的具体要求刻蚀出所需要的铜电路。通常采用化学腐蚀刻蚀的方法得到陶瓷电路板。
发明内容
本发明旨在取代传统的氧化铝陶瓷铜金属化和敷铜及电路刻蚀工艺。
本发明提供了一种采用的大气等离子喷涂工艺进行氧化铝陶瓷金属化、氧化铝陶瓷基板敷铜、以及直接制备铜或铜合金电路氧化铝陶瓷基板。其制备效率高、原料利用率高、价格便宜、操作工艺简单方便、速度快，被喷涂的零件的尺寸范围可调、且铜金属化与电路层形成可以一步完成。在氧化铝陶瓷金属化和敷铜陶瓷电路板基板等方面具有巨大的应用前景。
本发明提供了一种在氧化铝陶瓷上敷铜或铜合金的方法，所述方法使用大气等离子喷涂技术在氧化铝陶瓷上敷铜或铜合金；
所述大气等离子喷涂技术中，铜粉或铜合金粉体由载气经喷枪喷嘴喷出，在喷枪喷嘴外产生等离子束；
所述喷枪喷嘴外围还设置有冷却气喷嘴，所述冷却气喷嘴喷出的冷却气包围所述等离子束；
所述载气和冷却气为惰性气氛气体。
在本发明提供的氧化铝陶瓷上敷铜或铜合金的方法中，等离子喷涂用喷枪进行了防氧化结构设计，喷枪工作过程中熔融铜或合金在由喷嘴喷出到陶瓷基板过程中由惰性气体保护，防止金属在高温环境下氧化(如图2中b 所示)。
在本发明中，喷枪的特点是：等离子束在喷嘴前面产生，不需要引弧，金属粉体由惰性气氛气体(氩气，氦气，氮气或氩-氢混合气)作为载气经喷嘴喷出，再由喷嘴前端的等离子束加热并喷射到氧化铝陶瓷基板上。
在本发明提供的氧化铝陶瓷上敷铜或铜合金的方法中，所述惰性气氛气体选自氩氢混合气、氮气和氩气中的一种或多种；
可选地，所述氩氢混合气中氢气含量为10vol.％以下。
在本发明提供的氧化铝陶瓷上敷铜或铜合金的方法中，所述铜合金选自铜的镍合金、铜的锡合金、铜的锌合金、铜的钛合金、铜的银合金、铜的镧合金、铜的钐合金、铜的钆合金、铜的钇合金、铜的钕合金和铜的钨合金中的一种或多种；
可选地，所述铜粉或铜合金粉其粒径分布在10-100um。
在本发明提供的氧化铝陶瓷上敷铜或铜合金的方法中，所选取金属铜粉或铜合金粉加入大气等离子喷涂设备中，采用惰性气体保护；
在本发明提供的氧化铝陶瓷上敷铜或铜合金的方法中，所述氧化铝陶瓷选自纯度为质量百分比99％、96％、95％和90％中的一种或多种；
可选地，所述氧化铝陶瓷基板粗糙度为2-20μm。
所述使用大气等离子喷涂技术在氧化铝陶瓷上敷铜或铜合金具体为：
1)将氧化铝陶瓷基板固定到平台上，将掩模板 覆盖在氧化铝陶瓷的待操作面；
2)送粉并进行大气等离子喷涂作业，制备特定图案的敷铜或铜合金氧化铝陶瓷电路基板。
所述大气等离子喷涂作业包括以下步骤：打开等离子电源，空气和惰性气氛气体气路，冷凝水，设定用等离子束吹扫预热基板次数，根据基板面积尺寸和位置设置等离子束吹扫起始和终止坐标(X，Y)，以及设定每次等离子喷枪吹扫移动间隔(mm)。
在本发明提供的氧化铝陶瓷上敷铜或铜合金的方法中，所述掩模板 的厚度为0.2-1毫米；
所述掩模板根据氧化铝陶瓷基板表面电路设计要求在喷涂电路时被覆盖在氧化铝陶瓷基板上，所述掩模板 可以为任何图案；所述特定图案基于掩模板制备而得。
可选地，所述掩模板 的材质选自不锈钢、铝合金、铜或铜合金；
可选地，所述掩模板的最小线宽为30μm。
在本发明提供的氧化铝陶瓷上敷铜或铜合金的方法中，步骤2)中，所述大气等离子喷涂作业中的喷涂电流为100-200A、喷涂距离为4-10cm、喷枪移动速率50-200mm/s；
可选地，送粉速率为3-10毫克/秒(30-60％)、载气流速3-7升/分钟；
可选地，喷涂次数视基板面积和涂层厚度要求为1～10次，喷涂时间为10 秒～1分钟。
在本发明提供的氧化铝陶瓷上敷铜或铜合金的方法中，在步骤2)大气等离子喷涂作业前，还包含使用载气等离子体对氧化铝陶瓷进行吹扫去除表面有机物以及杂质并预热。预热并吹扫操作完成后切换为送粉喷涂模式，进行喷涂作业。
在本发明提供的氧化铝陶瓷上敷铜或铜合金的方法中，所述预热并吹扫操作的设定电流值为100-200A，吹扫时间为5-10s；优选地，所述设定电流值为200A，吹扫时间为5s；
可选地，所述预热的预热温度为200～400℃；
可选地，预热时设置等离子体流速8-12升/分钟；优选地，所述等离子体的流速12升/分钟。
另一方面，本发明提供了一种氧化铝陶瓷电路板，所述氧化铝陶瓷电路板使用上述在氧化铝陶瓷上敷铜或铜合金的方法制备得到；可选地，所述铜或铜合金的喷涂厚度为10-300μm。
制得的所述氧化铝陶瓷电路板的电阻率为8×10-5Ω·mm～13×10-5Ω·mm；可选地，所述铜或铜合金与氧化铝陶瓷基板结合强度为4MPa～10MPa；
综上所述，本发明提供了一种制备敷铜或铜合金氧化铝陶瓷基板的方法，该方法制备步骤简单，成本低，可量产是一种制造新的敷铜氧化铝陶瓷基板，或氧化铝陶瓷基板金属化的方法，有望于取代传统技术。
本发明的特点在于：其一，通过可控的工艺条件参数及喷枪结构设计，可以制备出结合强度高，电性能优异，图案可控的铜金属或铜合金涂层；其二，采用大气等离子喷涂技术可以实现快速、大面积制备，原材料利用率高；其三，本发明适合使用多种金属粉及合金粉喷涂，涂层性能优异。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的其他优点可通过在说明书和说明书附图中所描述的方案来发明实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本发明技术方案的理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。
图1中(a)为本发明实施例中所用的粒径30μm原料铜粉形貌SEM图；图1中(b)为本发明实施例中所用的粒径30μm原料铜粉尺寸分布图。
图2中(a)为本发明实施例中采用的等离子体喷枪结构图(冷却气喷嘴未示出)。图2中(b)为本发明实施例中采用的等离子体喷枪结构图。
附图标记：1-冷凝水，2-粉体及载气，3-钨电极(钨锥头)，4-保护冷却气，5-喷枪喷嘴，6-冷却保护气喷嘴，7-中心炎流，8-冷却保护气。
图3为本发明各实施例制备覆铜(或铜合金)氧化铝陶瓷基板表面电子显微(SEM)照片。
图4为本发明对比例1制备覆铜氧化铝陶瓷基板表面电子显微镜(SEM) 照片。
图5为本发明实施例2所得到的覆铜板氧化铝陶瓷基板的XRD图谱。
图6为本发明实施例2制备的覆铜氧化铝陶瓷基板截面电子显微镜(SEM) 照片。
图7为本发明实施例制备的具有特定电极图案，不同线宽精度的氧化铝覆铜板。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
本发明实施例中一种在氧化铝陶瓷上敷铜或铜合金的方法，所述方法使用大气等离子喷涂技术在氧化铝陶瓷上敷铜或铜合金；
所述大气等离子喷涂技术中，铜粉或铜合金粉体由载气经喷枪喷嘴喷出，在喷枪喷嘴外产生等离子束；
所述喷枪喷嘴外围还设置有冷却气喷嘴，所述冷却气喷嘴喷出的冷却气包围所述等离子束；
所述载气和冷却气为惰性气氛气体。
在本发明实施例中，等离子喷涂用喷枪进行了防氧化结构设计，喷枪工作过程中熔融铜或合金在由喷嘴喷出到陶瓷基板过程中由惰性气体保护，防止金属在高温环境下氧化(如图2中b所示)。
在本发明实施例中，喷枪的特点是：等离子束在喷嘴前面产生，不需要引弧，金属粉体由惰性气氛气体(氩气，氦气，氮气或氩-氢混合气)作为载气经喷嘴喷出，再由喷嘴前端的等离子束加热并喷射到氧化铝陶瓷基板上。
在本发明实施例中，所述惰性气氛气体选自氩氢混合气、氮气和氩气中的一种或多种；
可选地，所述氩氢混合气中氢气含量为10vol.％以下。
在本发明实施例中，所述铜合金选自铜的镍合金、铜的锡合金、铜的锌合金、铜的钛合金、铜的银合金、铜的镧合金、铜的钐合金、铜的钆合金、铜的钇合金、铜的钕合金和铜的钨合金中的一种或多种；
可选地，所述铜粉或铜合金粉其粒径分布在10-100um。
在本发明实施例中，所选取金属铜粉或铜合金粉加入大气等离子喷涂设备中，采用惰性气体保护；
在本发明实施例中，所述氧化铝陶瓷选自纯度为质量百分比99％、96％、 95％和90％中的一种或多种；
可选地，所述氧化铝陶瓷基板粗糙度为2-20μm。
所述使用大气等离子喷涂技术在氧化铝陶瓷上敷铜或铜合金具体为：
1)将氧化铝陶瓷基板固定到平台上，将掩模板 覆盖在氧化铝陶瓷的待操作面；
2)送粉并进行大气等离子喷涂作业，制备特定图案的敷铜或铜合金氧化铝陶瓷电路基板。
所述大气等离子喷涂作业包括以下步骤：打开等离子电源，空气和惰性气氛气体气路，冷凝水，设定用等离子束吹扫预热基板次数，根据基板面积尺寸和位置设置等离子束吹扫起始和终止坐标(X，Y)，以及设定每次等离子喷枪吹扫移动间隔(mm)。
在本发明实施例中，所述掩模板 的厚度为0.2-1毫米；
所述掩模板根据氧化铝陶瓷基板表面电路设计要求在喷涂电路时被覆盖在氧化铝陶瓷基板上，所述掩模板 可以为任何图案；所述特定图案基于掩模板制备而得。
可选地，所述掩模板 的材质选自不锈钢、铝合金、铜或铜合金；
可选地，所述掩模板的最小线宽为30μm。
在本发明实施例中，步骤2)中，所述大气等离子喷涂作业中的喷涂电流为100-200A、喷涂距离为4-10cm、喷枪移动速率50-200mm/s；
可选地，送粉速率为3-10毫克/秒(30-60％)、载气流速3-7升/分钟；
可选地，喷涂次数视基板面积和涂层厚度要求为1～10次，喷涂时间为10 秒～1分钟。
在本发明实施例中，所述氧化铝陶瓷为纯度为质量百分比99％的氧化铝陶瓷，尺寸为：40mm×40mm×1mm(长，宽，厚)。
在本发明实施例中，所述掩模板的材质为06Cr19Mi10不锈钢，厚度为 0.5毫米，尺寸为：40mm×40mm×0.5mm(长，宽，厚)。
在本发明实施例中，在步骤2)大气等离子喷涂作业前，还包含使用载气等离子体对氧化铝陶瓷进行吹扫去除表面有机物以及杂质并预热。预热并吹扫操作完成后切换为送粉喷涂模式，进行喷涂作业。
在本发明实施例中，所述预热并吹扫操作的设定电流值为100-200A，吹扫时间为5-10s；优选地，所述设定电流值为200A，吹扫时间为5s；
可选地，所述预热的预热温度为200～400℃；
可选地，预热时设置等离子体流速8-12升/分钟；优选地，所述等离子体的流速12升/分钟。
另一方面，本发明实施例中提供了一种氧化铝陶瓷电路板，所述氧化铝陶瓷电路板使用上述在氧化铝陶瓷上敷铜或铜合金的方法制备得到；可选地，所述铜或铜合金的喷涂厚度为10-300μm。
制得的所述氧化铝陶瓷电路板的电阻率为8×10-5Ω·mm～13×10-5Ω·mm；可选地，所述铜或铜合金与氧化铝陶瓷基板结合强度为4MPa～10MPa；
在本发明实施例中，大气等离子喷涂技术使用的设备为 Micro-NanoparticleCoater-1700013，CMD-PA60型大气等离子喷涂设备， SX-80等离子喷涂设备，AT-300等离子喷涂设备，Axial III型等离子喷涂设备，Multicoat等离子喷涂设备，GTS等离子喷涂设备，APS-2000等离子喷涂设备的一种。对比例中所述普通喷枪为上述等离子喷涂设备所含喷枪。
在本发明实施例中，粉体等离子体喷枪由等离子体喷嘴和环绕冷却气道双重结构喷嘴构成，所述喷枪喷嘴设置有电极，所述电极设置在喷枪喷嘴内部，电极末端伸出喷枪喷嘴外；所述载气和铜粉通过喷枪喷嘴在电极的作用下在喷枪喷嘴外产生等离子束；所述环绕冷却气道环绕在喷枪喷嘴外侧，所述环绕冷却气道被配置成喷出环绕冷却气，所述冷却气完整包围等离子束。
本发明实施例中：XRD图谱使用日本理学公司产X射线衍射仪，型号 D/max-2500，采用Cu Kα1靶，扫描角度2θ范围为20～80°，扫描速度为5°/min。
实施例1
本实施例按以下步骤在氧化铝陶瓷表面敷铜，制备氧化铝陶瓷电路板。
(1)将平均粒径为30微米的金属铜粉加入到大气等离子喷涂送料系统中，并开启氩气开关。依次打开喷涂设备的总开关、电源开关、各路气体开关、空压机和吸尘器开关，设置运行程序使冷却水运行。安装指定的钨电极和定制粉体等离子体喷枪(如图2中a所示，冷却气喷嘴未示出)，在喷枪喷嘴外产生等离子束；
(2)将表面粗糙度约3μm的氧化铝陶瓷基板于酒精，丙酮中清洗，去除表面的有机物及杂质，随后固定在工作台上；
(3)设置喷涂工艺参数，喷涂起始坐标(X＝0mm，Y＝0mm)，终止坐标(X＝40mm，Y＝40mm)，喷涂电流为130A，喷枪口到陶瓷基板的距离为 5.5cm，喷涂速率为200mm/s，喷涂层数为5层(厚度约为50μm)，送粉速率设置为45％(5mg/s)，载气流速为5L/min；
(4)在等离子体电源箱设置等离子体流速为12升/分钟，设置等离子预热吹扫电流值为200A，吹扫时间为5s，基板温度达到250℃，随后喷涂作业开始，经20秒钟后得到表面形貌优异、附着力高的敷铜氧化铝陶瓷基板(如图7)；
(5)本发明制作敷铜氧化铝陶瓷基板的表面SEM图平整均匀(如图3)，电阻率为9.2×10-5Ω·mm，铜与氧化铝陶瓷基板结合强度为8.2MPa。
实施例2:
(1)将平均粒径为30微米的金属铜粉加入到大气等离子喷涂送料系统中，并开启氩气开关。依次打开喷涂设备的总开关、电源开关、各路气体开关、空压机和吸尘器开关，设置运行程序使冷却水运行。安装指定的钨电极和定制粉体等离子体喷枪(如图2中a所示，冷却气喷嘴未示出)，在喷枪喷嘴外产生等离子束。
(2)将表面粗糙度约3μm的氧化铝陶瓷基板于酒精，丙酮中清洗，去除表面的有机物及杂质，随后固定在工作台上。
(3)设置喷涂工艺参数，喷涂起始坐标(X＝0mm，Y＝0mm)，终止坐标(X＝40mm，Y＝40mm)喷涂电流为150A，等离子喷枪口到陶瓷基板距离为5.5cm，喷涂速率为200mm/s，喷涂层数为5层(厚度约为50μm)，送粉速率设置为45％(5mg/s)，载气流速为5L/min。
(4)在等离子体电源箱设置等离子体流速为12L/min，设置等离子预热吹扫电流值为200A，吹扫时间为5s，基板温度达到250℃，随后喷涂作业开始，经25秒钟后得到表面形貌优异、附着力高的敷铜氧化铝陶瓷基板(如图 7)。
(5)本发明制作的敷铜氧化铝陶瓷基板的表面SEM图平整均匀(如图3)， XRD显示覆铜板表面由铜和铜与氧化铝陶瓷界面由铝化亚铜组成(如图5)，说明铜层和基板除了物理结合外，还有化学结合的作用而使结合强度更高，从截面的SEM图看出铜层与氧化铝基板的粘结致密(如图6)，电阻率为 8.1×10-5Ω·mm，铜与氧化铝陶瓷基板结合强度为9.5MPa。
实施例3
(1)将平均粒径为50微米铜粉加入到大气等离子喷涂送料系统中，并开启氩-氢混合气开关，氢气含量为体积百分比5％。依次打开喷涂设备的总开关、电源开关、各路气体开关、空压机和吸尘器开关，设置运行程序使冷却水运行。安装指定的钨电极和定制粉体等离子体喷枪(如图2中a所示，冷却气喷嘴未示出)，在喷枪喷嘴外产生等离子束；
(2)将表面粗糙度约3μm的氧化铝陶瓷基板于酒精，丙酮中清洗，去除表面的有机物及杂质，随后固定在工作台上。
(3)设置喷涂工艺参数，喷涂起始坐标(X＝0mm，Y＝0mm)，终止坐标(X＝40mm，Y＝40mm)喷涂电流为150A，等离子喷枪口到陶瓷基板距离为5.0cm，喷涂速率为200mm/s，喷涂层数为5层(厚度约为50μm)，送粉速率设置为45％(5mg/s)，载气流速为5L/min。
(4)在等离子体电源箱设置等离子体流速为12L/min，设置等离子预热吹扫电流值为200A，吹扫时间为5s，基板温度达到250℃，随后喷涂作业开始，经15秒钟后得到表面形貌优异、附着力高的敷铜氧化铝陶瓷基板(如图 7)。
(5)本发明制作敷铜氧化铝陶瓷基板的表面SEM图平整均匀(如图3)，电阻率为9.5×10-5Ω·mm，铜与氧化铝陶瓷基板结合强度为8.2MPa。
实施例4
本实施例按以下步骤在氧化铝陶瓷表面敷铜，制备氧化铝陶瓷电路板。
(1)将平均粒径为30微米金属铜粉加入到大气等离子喷涂送料系统中，并开启氩气开关。依次打开喷涂设备的总开关、电源开关、各路气体开关、空压机和吸尘器开关，设置运行程序使冷却水运行。安装指定的钨电极和定制粉体等离子体喷枪(如图2中a所示，冷却气喷嘴未示出)，在喷枪喷嘴外产生等离子束。
(2)将表面粗糙度约3μm的氧化铝陶瓷基板于酒精，丙酮中清洗，去除表面的有机物及杂质，随后固定在工作台上。
(3)设置喷涂工艺参数，喷涂起始坐标(X＝0mm，Y＝0mm)，终止坐标(X＝40mm，Y＝40mm)喷涂电流为170A，等离子喷枪口到陶瓷基板距离为5.5cm，喷涂速率为50mm/s，喷涂层数为5层(厚度约为50μm)，送粉速率设置为45％(5mg/s)，载气流速为5L/min。
(4)在等离子体电源箱设置等离子体流速为12L/min，设置等离子预热吹扫电流值为200A，吹扫时间为5s，基板温度达到250℃，随后喷涂作业开始，经30后得到表面形貌优异、附着力高的敷铜氧化铝陶瓷基板(如图7)。
(5)本发明制作的敷铜氧化铝陶瓷基板的表面SEM图平整均匀(如图3)，电阻率为8.3×10-5Ω·mm，铜与氧化铝陶瓷基板结合强度为7.6MPa。
实施例5
本实施例按以下步骤在氧化铝陶瓷表面敷铜，制备氧化铝陶瓷电路板。
(1)将平均粒径为30微米的金属铜粉加入到大气等离子喷涂送料系统中，并开启氩气开关。依次打开喷涂设备的总开关、电源开关、各路气体开关、空压机和吸尘器开关，设置运行程序使冷却水运行。根据金属铜粉的特性，安装指定的钨电极和定制粉体等离子体喷枪(如图2)，在喷枪喷嘴外产生等离子束。
(2)将表面粗糙度约3μm的氧化铝陶瓷基板于酒精，丙酮中清洗，去除表面的有机物及杂质，随后固定在工作台上。
(3)设置喷涂工艺参数，喷涂起始坐标(X＝0mm，Y＝0mm)，终止坐标(X＝40mm，Y＝40mm),喷涂电流为150A，等离子喷枪口到陶瓷基板距离为5.5cm，喷涂速率为200mm/s，喷涂层数为5层(厚度约为50μm)，送粉速率设置为50％(5mg/s)，载气流速为5L/min。
(4)在等离子体电源箱设置等离子体流速为12L/min，设置等离子预热吹扫电流值为200A，吹扫时间为5s，随后喷涂作业开始，经25秒钟后得到表面形貌优异、附着力高的敷铜氧化铝陶瓷基板(如图7)。
(5)本发明制作敷铜氧化铝陶瓷基板的表面SEM图平整均匀(如图3)，电阻率为9.1×10-5Ω·mm，铜与氧化铝陶瓷基板结合强度为6.8MPa。
实施例6
本实施例按以下步骤在氧化铝陶瓷表面敷铜合金，制备氧化铝陶瓷电路板。
(1)将平均粒径为50微米的金属铜镍合金粉(镍含量质量百分比为20％) 加入到大气等离子喷涂送料系统中，并开启氩气开关。依次打开喷涂设备的总开关、电源开关、各路气体开关、空压机和吸尘器开关，设置运行程序使冷却水运行。根据金属铜镍合金粉的特性，安装指定的钨电极和定制粉体等离子体喷枪(如图2)，在喷枪喷嘴外产生等离子束。
(2)将表面粗糙度约3μm的氧化铝陶瓷基板于酒精，丙酮中清洗，去除表面的有机物及杂质，随后固定在工作台上。
(3)设置喷涂工艺参数，喷涂起始坐标(X＝0mm，Y＝0mm)，终止坐标(X＝40mm，Y＝40mm),喷涂电流为170A，等离子喷枪口到陶瓷基板距离为4.5cm，喷涂速率为180mm/s，喷涂层数为5层(厚度约为50μm)，送粉速率设置为60％(7mg/s)，载气流速为5L/min。
(4)在等离子体电源箱设置等离子体流速为12L/min，设置等离子预热吹扫电流值为200A，吹扫时间为5s，随后喷涂作业开始，经25秒钟后得到表面形貌优异、附着力高的敷铜镍合金氧化铝陶瓷基板(如图7)。
(5)本发明制作敷铜镍合金氧化铝陶瓷基板的表面SEM图平整均匀(如图3)，电阻率为9.4×10-5Ω·mm，铜镍合金层与氧化铝陶瓷基板结合强度为 7.8MPa。
对比例1
本对比例按以下步骤在氧化铝陶瓷表面敷铜，制备氧化铝陶瓷电路板。
(1)将平均粒径为30微米的金属铜粉加入到大气等离子喷涂送料系统中。依次打开喷涂设备的总开关、电源开关、空气和氩气气体开关、空压机和吸尘器开关，设置运行程序使冷却水运行。安装普通的等离子体喷枪，使等离子束在喷枪喷嘴内部产生。
(2)将表面粗糙度约3μm的氧化铝陶瓷基板于酒精，丙酮中清洗，去除表面的有机物及杂质，随后固定在工作台上。
(3)设置喷涂工艺参数，喷涂起始坐标(X＝0mm，Y＝0mm)，终止坐标(X＝15mm，Y＝15mm),喷涂电流为150A，等离子喷枪口到陶瓷基板距离为5.5cm，喷涂速率为200mm/s，喷涂层数为5层(厚度约为50μm)，送粉速率设置为50％(5mg/s)，载气流速为5L/min，涂层宽度为5mm。
(4)在等离子体电源箱设置等离子体流速为12L/min，设置等离子预热吹扫电流值为200A，吹扫时间为5s，随后喷涂作业开始，经25秒钟后得到覆铜氧化铝陶瓷基板。
(5)本发明制作覆铜氧化铝陶瓷基板，铜与氧化铝基板脱层严重(如图 4)，铜氧化含量达到70％以上。结合强度为0.1MPa，电阻率为3.1×103Ω·mm。
对比例2
氧化铝陶瓷覆铜板的生产方法包括传统的Mo-Mn法，高温烧结(HTCC), 低温烧结(LTCC)，薄膜法(DPC)，直接键合铜法(DBC)等。
现有技术1：陈波.基于大功率LED散热的陶瓷覆铜板研究[D].浙江大学, 硕士学位论文，2017.报道的用磁控溅射法制备的氧化铝覆铜板最优结合强度为6.2MPa。
现有技术2：钱斐，大功率LED用Al2O3陶瓷封装基板的金属化和致密化研究[D]，南京航空航天大学，硕士学位论文，2014.列出的化学镀方法制备的氧化铝覆铜板结合强度为2.9Mpa。
现有技术3：市场销售的台湾同欣公司生产的氧化铝覆铜板结合强度为 2.4MPa(https://www.theil.com/zh-TW/category/A.html)。
与现有技术相比，本发明采用大气等离子喷涂法直接在氧化铝陶瓷板上覆铜，且可以一步成型制成特定的铜电极电路，结合强度可以达到9.2MPa。
虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (17)

1.一种在氧化铝陶瓷上敷铜或铜合金的方法，所述方法使用大气等离子喷涂技术在氧化铝陶瓷上敷铜或铜合金；
所述大气等离子喷涂技术中，铜粉或铜合金粉体由载气经喷枪喷嘴喷出，在喷枪喷嘴外产生等离子束；
所用的大气等离子体喷枪由等离子体喷嘴和环绕冷却气道双重结构喷嘴构成，所述喷枪喷嘴设置有电极，所述电极设置在喷枪喷嘴内部，电极末端伸出喷枪喷嘴外；所述载气和铜粉通过喷枪喷嘴在电极的作用下在喷枪喷嘴外产生等离子束；所述环绕冷却气道环绕在喷枪喷嘴外侧，所述环绕冷却气道被配置成喷出环绕冷却气，所述冷却气完整包围等离子束；
所述载气和冷却气为惰性气氛气体；
喷涂作业中的喷涂电流为100-200A、喷涂距离为4-10cm、喷枪移动速率50-200mm/s；
送粉速率为3-10毫克/秒、载气流速3-7升/分钟；
喷涂次数为1~10次，喷涂时间为10秒~1分钟。
2.根据权利要求1所述的在氧化铝陶瓷上敷铜或铜合金的方法，其中，所述惰性气氛气体选自氩氢混合气、氮气和氩气中的一种或多种。
3.根据权利要求2所述的在氧化铝陶瓷上敷铜或铜合金的方法，其中，所述氩氢混合气中氢气含量为5vol.%-10vol.%。
4.根据权利要求1所述的在氧化铝陶瓷上敷铜或铜合金的方法，其中，所述铜合金选自铜的镍合金、铜的锡合金、铜的锌合金、铜的钛合金、铜的银合金、铜的镧合金、铜的钐合金、铜的钆合金、铜的钇合金、铜的钕合金和铜的钨合金中的一种或多种。
5.根据权利要求4所述的在氧化铝陶瓷上敷铜或铜合金的方法，其中，所述铜粉或铜合金粉其粒径分布在10-100μm。
6.根据权利要求1所述的在氧化铝陶瓷上敷铜或铜合金的方法，其中，所述氧化铝陶瓷选自纯度为质量百分比99%、96%、95%和90%中的一种。
7.根据权利要求6所述的在氧化铝陶瓷上敷铜或铜合金的方法，其中，所述氧化铝陶瓷粗糙度为2-20μm。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的在氧化铝陶瓷上敷铜或铜合金的方法，其中，所述使用大气等离子喷涂技术在氧化铝陶瓷上敷铜或铜合金为：
1）将氧化铝陶瓷基板固定到平台上，将掩模板 覆盖在氧化铝陶瓷的待操作面；
2）送粉并进行大气等离子喷涂作业，制备特定图案的敷铜或铜合金氧化铝陶瓷电路基板。
9.根据权利要求8所述的在氧化铝陶瓷上敷铜或铜合金的方法，其中，所述掩模板 的厚度为0.2-1毫米。
10.根据权利要求9所述的在氧化铝陶瓷上敷铜或铜合金的方法，其中，所述掩模板 的材质选自不锈钢、铝合金、铜或铜合金。
11.根据权利要求9所述的在氧化铝陶瓷上敷铜或铜合金的方法，其中，所述掩模板 的最小线宽为30μm。
12.根据权利要求8所述的在氧化铝陶瓷上敷铜或铜合金的方法，其中，在步骤2）所述喷涂作业前，还包含使用载气等离子体对氧化铝陶瓷进行吹扫并预热。
13.根据权利要求12所述的在氧化铝陶瓷上敷铜或铜合金的方法，其中，所述吹扫并预热操作的设定电流值为100-200A，吹扫时间为5-10s。
14.根据权利要求12所述的在氧化铝陶瓷上敷铜或铜合金的方法，其中，所述预热的预热温度为200~400℃。
15.根据权利要求12所述的在氧化铝陶瓷上敷铜或铜合金的方法，其中，预热时设置等离子体流速8-12升/分钟。
16.一种氧化铝陶瓷电路板，所述氧化铝陶瓷电路板使用权利要求1至15中任一项所述在氧化铝陶瓷上敷铜或铜合金的方法制备得到。
17.根据权利要求16所述的一种氧化铝陶瓷电路板，其中，所述铜或铜合金的喷涂厚度为10-300μm。
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