CN114075664A - 一种冷喷涂制备图形化陶瓷覆铜板的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于陶瓷表面金属化技术领域,具体涉及一种冷喷涂制备图形化陶瓷覆铜板的方法。该方法包括:(1)采用冷气动力喷涂设备,将金属粉末(可为Al、Ti、Ni‑Al、Ta‑Al、Ag‑Cu‑Ti、NiCrAl等)在一定条件下喷涂到陶瓷基片(可为Al2O3、AlN、Si3N4等)表面形成过渡层。(2)采用冷气动力喷涂设备,在已制备的过渡层表面喷涂高纯Cu粉末,从而在陶瓷基片表面获得纯Cu涂层,结合激光切割钢制电路图案掩膜可以制备图形化陶瓷覆铜板。该方法制成的Cu层和陶瓷基片结合良好,且无需刻蚀过程,可以直接形成图形电路。
Description
技术领域
本发明属于陶瓷表面金属化技术领域,具体涉及一种冷喷涂制备图形化陶瓷覆铜板的方法。
背景技术
陶瓷覆铜板拥有优良的散热能力、良好的电流承载能力、可靠的力学性能,广泛应用于电力电子器件中功率模块的封装。传统的DBC(Direct Bonded Copper)陶瓷覆铜工艺,需在较高的温度下进行键合,而Cu与陶瓷的热膨胀系数相差大,冷却后热应力大。在经受~200次热循环后,可能出现Cu层脱落等现象;且DBC工艺步骤复杂,一般需经铜箔预处理→铜箔与陶瓷基片的高温键合→冷热阶梯循环冷却→按要求刻蚀图形→化学镀镍等步骤。故传统的DBC工艺制备的陶瓷覆铜板,成本高,可靠性(热循环次数)差,开发出一种新型、简单、可靠的陶瓷基片覆铜技术的应用价值重大。
发明内容
为了克服现有技术的不足,本发明的目的在于提供一种冷喷涂制备图形化陶瓷覆铜板的方法,通过冷气动力喷涂在陶瓷基片(可为Al2O3、AlN、Si3N4等)表面制备一个金属过渡层(可为纯金属、二元或三元金属混合物、合金等,如Al、Ti、Ni-Al、Ta-Al、Ag-Cu-Ti、NiCrAl等),且通过掩膜技术在陶瓷基片表面制备冷喷涂图形化Cu涂层。
本发明的技术方案如下:
一种冷喷涂制备图形化陶瓷覆铜板的方法,陶瓷覆铜板包括:陶瓷基片、喷涂于陶瓷基片一面或者两面的金属过渡层、喷涂于金属过渡层一面或者两面的纯Cu层,其中:纯Cu层通过冷喷涂工艺制备,通过放置钢制电路图案掩膜直接得到图形电路;纯Cu层与陶瓷基片之间含有金属过渡层,金属过渡层通过冷喷工艺制备;金属过渡层的成分为纯金属、二元金属混合物、三元金属混合物、二元合金或三元合金。
所述的冷喷涂制备图形化陶瓷覆铜板的方法,陶瓷基片为Al2O3、AlN或Si3N4,金属过渡层为Al、Ti、Ni-Al、Ta-Al、Ag-Cu-Ti或NiCrAl。
所述的冷喷涂制备图形化陶瓷覆铜板的方法,陶瓷基片的厚度为250~1200μm,金属过渡层的厚度为20~100μm,纯Cu层的厚度为50~2000μm。
所述的冷喷涂制备图形化陶瓷覆铜板的方法,包括以下步骤:
(1)采用冷气动力喷涂设备,将金属过渡层使用的粉末喷涂到陶瓷基片表面形成金属过渡层;
(2)采用冷气动力喷涂设备,在已制备金属过渡层的表面喷涂高纯Cu粉末,形成纯Cu层,进而获得陶瓷覆铜板。
所述的冷喷涂制备图形化陶瓷覆铜板的方法,步骤(1)中,金属过渡层使用的粉末形貌为球形或不规则状,粒度范围为3~60μm。
所述的冷喷涂制备图形化陶瓷覆铜板的方法,步骤(1)中,陶瓷基片在喷涂前需进行喷砂处理使其具有表面粗糙度,喷砂处理后依次使用丙酮、无水乙醇、去离子水进行清洗。
所述的冷喷涂制备图形化陶瓷覆铜板的方法,步骤(1)中,陶瓷基片在喷涂前使用电阻丝对其预热至200~600℃。
所述的冷喷涂制备图形化陶瓷覆铜板的方法,步骤(1)及步骤(2)中,冷气动力喷涂使用压缩空气或氮气作为推进气体,气体加热温度为180~600℃,气体工作压力为0.5~3.5MPa,喷涂距离为10~40mm。
所述的冷喷涂制备图形化陶瓷覆铜板的方法,步骤(1)及步骤(2)中,在冷气动力喷涂时,在陶瓷片上放置钢制电路图案掩膜以直接获得图形电路。
所述的冷喷涂制备图形化陶瓷覆铜板的方法,步骤(2)中,高纯Cu粉末的纯度大于或者等于99.99%,形貌为类球形或枝晶状,粒度范围为3~50μm。
本发明的设计思想是:
冷气动力喷涂,又称冷喷涂,是一种固态粉末涂层制备技术,冷喷涂制备涂层有无氧化、无相变、应力低等一系列优点。一方面,使用冷气动力喷涂可在较低的温度下制备覆铜板,所制备出的覆铜板热应力低,可制备较厚的覆铜层,且能承受较高的热循环次数;另一方面,冷气动力喷涂工艺简单可控,无化学刻蚀等步骤,可直接制备出图形化的陶瓷覆铜板,成品率高,成本低。
本发明的优点及有益效果是:
1.本发明方法操作简单,条件易控制。相对于DBC等工艺,冷喷涂图形化陶瓷覆铜板无需高温、微氧条件,制备成本低,成品率高。
2.本发明可以直接制备具有电路图形的陶瓷覆铜板,无需再经过化学刻蚀等工艺。
3.采用冷气动力喷涂进行陶瓷覆铜板制备过程中,冷喷涂温度较低,有效的避免了热应力的引入,可制备较厚的覆铜层。
4.以冷喷涂纯金属、二元或三元金属混合物、合金等,如:Al、Ti、Ni-Al、Ta-Al、Ag-Cu-Ti、NiCrAl等作为过渡层,所得到的陶瓷覆铜板的结合强度高、抗热震性能好。
附图说明
图1为本发明冷喷涂制备图形化陶瓷覆铜板的原理示意图。
图2为本发明所制备的陶瓷覆铜板的结构示意图。
图中:1-冷喷涂控制器,2-送粉器,3-气体加热器,4-拉瓦尔喷枪,5-电路图案掩膜,6-沉积层,7-陶瓷基片,8-电阻丝加热器,9-金属中间层,10-纯Cu层。
具体实施方式
如图1-图2所示,本发明冷喷涂制备图形化陶瓷覆铜板的原理如下:
压缩空气或氮气进入冷喷涂控制器1,冷喷涂控制器1分出两个管路:一个管路与拉瓦尔喷枪4的进粉口相连,该管路上设有送粉器2;另一个管路与拉瓦尔喷枪4的进气口相连,该管路上设有气体加热器3;未加热的压缩空气或氮气经送粉器2携带粉体进入拉瓦尔喷枪4,与加热后的气体混合后,经拉瓦尔喷枪4的出口喷出。
拉瓦尔喷枪4的出口下方设置电阻丝加热器8,电阻丝加热器8顶部设置陶瓷基片7,陶瓷基片7的上方与拉瓦尔喷枪4的出口之间设置电路图案掩膜5,粉体通过电路图案掩膜5后,在陶瓷基片7表面形成沉积层6。沉积层6可以分别形成于陶瓷基片7的上下表面,沉积层6为陶瓷基片7表面依次沉积金属中间层9和纯Cu层10。
在具体实施过程中,本发明采用冷喷涂制备图形化陶瓷覆铜板的方法,首先,在陶瓷基片(可为Al2O3、AlN、Si3N4等)的表面固定一个掩膜,在陶瓷基片的一个或者两个表面采用冷气动力喷涂制备金属过渡层(可为纯金属、二元或三元金属混合物、合金等,如Al、Ti、Ni-Al、Ta-Al、Ag-Cu-Ti、NiCrAl等);其次,在金属过渡层表面冷喷涂纯Cu层。进而获得图形化陶瓷覆铜板。该方法的具体步骤如下:
步骤1清洗:依次使用丙酮、无水乙醇、去离子水,通过超声清洗、脱水等工艺对陶瓷基片进行清洗。
步骤2掩膜的固定:通过螺栓、螺母将带有电路电子图案的掩膜固定在陶瓷基片的表面。
步骤3陶瓷基片的预热:使用电阻对陶瓷基片进行预热,预热温度为200~600℃。
步骤4金属过渡层的制备:采用冷气动力喷涂设备,将金属粉末(可为纯金属、二元或三元金属混合物、二元或三元合金等,如:Al、Ti、Ni-Al、Ta-Al、Ag-Cu-Ti、NiCrAl等)在一定条件下喷涂沉积到陶瓷基片的上下表面,形成金属过渡层,过渡层的厚度为30~100μm。
步骤5纯Cu层的制备:采用冷气动力喷涂设备,将纯铜粉末在一定条件下喷涂沉积到金属过渡层的表面,形成纯Cu层,纯Cu层的厚度为50~2000μm。
其中,步骤4中的金属粉末的形貌为球形或不规则状,粒度范围为10~40μm;步骤5中的Cu粉末的纯度大于或等于99.99wt%,形貌为类球形或枝晶状,粒度范围为3~60μm;冷气动力喷涂使用压缩空气或氮气作为推进气体,气体加热温度180~500℃,气体工作压力0.5~3.5MPa,喷涂距离10~40mm;冷喷涂设备请参见中国发明专利(专利号:01128130.8,授权公告号:CN1161188C)提到的一种冷气动力喷涂装置或其他商用冷喷涂、动力喷涂或低压冷喷涂设备。喷枪采用金属材质拉瓦尔(De Laval)喷枪,沉积过程中喷枪长时间出粉顺畅,未堵塞。
下面,对本发明的实施例作详细说明,在以发明技术方案为前提下进行实施,给出详细的实施方式和具体操作过程,但本发明的保护范围不限于下面的实施例。
实施例1
本实施例中,冷喷制备图形化Al2O3陶瓷覆铜板的方法,包括以下步骤:
(1)使用激光切割的方法制备钢制所需的电路图案掩膜;
(2)在喷涂前,对厚度为800μm的Al2O3陶瓷基片进行喷砂处理,使其具有表面粗糙度Ra为13μm,喷砂处理后依次使用丙酮、无水乙醇、去离子水进行超声清洗;
(3)通过螺栓螺母将电路图案掩膜固定在Al2O3陶瓷基片表面;
(4)通过电阻丝将Al2O3陶瓷基片预热至400℃;
(5)将粒度为30~40μm的气雾化Al粉,通过冷气动力喷涂沉积在Al2O3基片表面,Al粉的纯度大于或等于99.96wt%,冷喷涂加速气体为N2,加速气体温度为220℃,加速气体压力为2.2MPa,喷涂距离20mm,形成厚度~60μm的Al金属过渡层;
(6)将粒度为25~40μm的电解枝晶Cu粉,通过冷气动力喷涂沉积在上述Al金属过渡层表面,Cu粉的纯度大于或等于99.996wt%,冷喷涂加速气体为N2,加速气体温度为600℃,加速气体压力为2.2MPa,喷涂距离20mm,形成厚度~1000μm的纯Cu层;
(7)取下钢制掩膜,即可获得图形化的Al2O3陶瓷覆铜板。
实施例2
本实施例中,冷喷制备图形化AlN陶瓷覆铜板的方法,包括以下步骤:
(1)使用激光切割的方法制备钢制所需的电路图案掩膜;
(2)在喷涂前,对厚度为600μm的AlN陶瓷基片进行喷砂处理,使其具有表面粗糙度Ra为13μm,喷砂处理后依次使用丙酮、无水乙醇、去离子水进行超声清洗;
(3)通过螺栓螺母将电路图案掩膜固定在AlN陶瓷基片表面;
(4)通过电阻丝将AlN陶瓷基片预热至500℃;
(5)将粒度为30~40μm的球形Al粉,与粒度为30~40μm的不规则Ta粉在混粉设备中混合5h,其中:Al粉的体积分数为50%,折合质量分数为14%;
(6)将混合的Ta-Al粉末,通过冷气动力喷涂沉积在AlN基片表面,冷喷涂加速气体为N2,加速气体温度为300℃,加速气体压力为2.2MPa,喷涂距离10mm,形成厚度~60μm的Ta-Al金属过渡层;
(7)将粒度为25~40μm的气雾化Cu粉,通过冷气动力喷涂沉积在上述Ta-Al金属过渡表面,Cu粉的纯度大于或等于99.996wt%,冷喷涂加速气体为N2,加速气体温度为600℃,加速气体压力为2.2MPa,喷涂距离10mm,形成厚度~1200μm的纯Cu层;
(8)取下钢制掩膜,即可获得图形化的AlN陶瓷覆铜板。
实施例3
本实施例中,冷喷制备图形化Si3N4陶瓷覆铜板的方法,包括以下步骤:
(1)使用激光切割的方法制备钢制所需的电路图案掩膜;
(2)在喷涂前,对厚度为1000μm的Si3N4陶瓷基片进行喷砂处理,使其具有表面粗糙度Ra为15μm,喷砂处理后依次使用丙酮、无水乙醇、去离子水进行超声清洗;
(3)通过螺栓螺母将电路图案掩膜固定在Si3N4陶瓷基片表面;
(4)通过电阻丝将Si3N4陶瓷基片预热至500℃;
(5)将粒度为30~40μm的球形Al粉,纯度大于或等于99.96wt%与粒度为10~30μm的球形Ni粉,纯度大于或等于99.99wt%,在混粉设备中混合5h,其中:Al粉的体积分数为50%,折合质量分数为8.9%;
(6)将混合的Ni-Al粉末,通过冷气动力喷涂沉积在Si3N4基片表面,冷喷涂加速气体为N2,加速气体温度为260℃,加速气体压力为2.2MPa,喷涂距离30mm,形成厚度~50μm的Ni-Al金属过渡层;
(7)将粒度为25~40μm的气雾化Cu粉,通过冷气动力喷涂沉积在上述Ni-Al金属过渡表面,Cu粉的纯度大于或等于99.996wt%,冷喷涂加速气体为N2,加速气体温度为600℃,加速气体压力为2.2MPa,喷涂距离30mm,形成厚度~1200μm的纯Cu层;
(8)取下钢制掩膜,即可获得图形化的Si3N4陶瓷覆铜板。
实施例结果表明,本发明结合激光切割钢制电路图案掩膜可以制备图形化陶瓷覆铜板。该方法制成的Cu层、金属过渡层和陶瓷基片结合良好,且无需刻蚀过程,可以直接形成图形电路。
Claims (10)
1.一种冷喷涂制备图形化陶瓷覆铜板的方法,其特征在于,陶瓷覆铜板包括:陶瓷基片、喷涂于陶瓷基片一面或者两面的金属过渡层、喷涂于金属过渡层一面或者两面的纯Cu层,其中:纯Cu层通过冷喷涂工艺制备,通过放置钢制电路图案掩膜直接得到图形电路;纯Cu层与陶瓷基片之间含有金属过渡层,金属过渡层通过冷喷工艺制备;金属过渡层的成分为纯金属、二元金属混合物、三元金属混合物、二元合金或三元合金。
2.根据权利要求1所述的冷喷涂制备图形化陶瓷覆铜板的方法,其特征在于,陶瓷基片为Al2O3、AlN或Si3N4,金属过渡层为Al、Ti、Ni-Al、Ta-Al、Ag-Cu-Ti或NiCrAl。
3.根据权利要求1所述的冷喷涂制备图形化陶瓷覆铜板的方法,其特征在于,陶瓷基片的厚度为250~1200μm,金属过渡层的厚度为20~100μm,纯Cu层的厚度为50~2000μm。
4.根据权利要求1至3之一所述的冷喷涂制备图形化陶瓷覆铜板的方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)采用冷气动力喷涂设备,将金属过渡层使用的粉末喷涂到陶瓷基片表面形成金属过渡层;
(2)采用冷气动力喷涂设备,在已制备金属过渡层的表面喷涂高纯Cu粉末,形成纯Cu层,进而获得陶瓷覆铜板。
5.根据权利要求4所述的冷喷涂制备图形化陶瓷覆铜板的方法,其特征在于,步骤(1)中,金属过渡层使用的粉末形貌为球形或不规则状,粒度范围为3~60μm。
6.根据权利要求4所述的冷喷涂制备图形化陶瓷覆铜板的方法,其特征在于,步骤(1)中,陶瓷基片在喷涂前需进行喷砂处理使其具有表面粗糙度,喷砂处理后依次使用丙酮、无水乙醇、去离子水进行清洗。
7.根据权利要求4所述的冷喷涂制备图形化陶瓷覆铜板的方法,其特征在于,步骤(1)中,陶瓷基片在喷涂前使用电阻丝对其预热至200~600℃。
8.根据权利要求4所述的冷喷涂制备图形化陶瓷覆铜板的方法,其特征在于,步骤(1)及步骤(2)中,冷气动力喷涂使用压缩空气或氮气作为推进气体,气体加热温度为180~600℃,气体工作压力为0.5~3.5MPa,喷涂距离为10~40mm。
9.根据权利要求4所述的冷喷涂制备图形化陶瓷覆铜板的方法,其特征在于,步骤(1)及步骤(2)中,在冷气动力喷涂时,在陶瓷片上放置钢制电路图案掩膜以直接获得图形电路。
10.根据权利要求4所述的冷喷涂制备图形化陶瓷覆铜板的方法,其特征在于,步骤(2)中,高纯Cu粉末的纯度大于或者等于99.99%,形貌为类球形或枝晶状,粒度范围为3~50μm。
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