CN117460174B - 一种图案化amb陶瓷覆铜板的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种图案化AMB陶瓷覆铜板的制备方法。该图案化AMB陶瓷覆铜板的制备方法包括如下步骤：S1.印刷和预烧结；S2.叠片和烧结；S3.冲贴；S4.对位和转移；S5.叠片和钎焊。该图案化AMB陶瓷覆铜板制备方法无需进行化学刻蚀，避免由此带来的高能耗和环境污染问题；制备过程中不会产生大的应力、界面空洞率低，进而使得产品的良率和应用可靠性高；而且得到的产品的设计精度高，利用率高；此外，该制备方法的各工艺加工难度小，同时该制备方法还非常适合批量生产，大大提高生产效率。
Description
技术领域
本发明涉及陶瓷金属化技术领域，更具体地，涉及一种图案化AMB陶瓷覆铜板的制备方法。
背景技术
陶瓷覆铜板兼具铜的出色导电性能和陶瓷的优良绝缘性能，是电力电子领域封装功率器件的重要衬板材料。陶瓷覆铜基板制备时采用的活性金属钎焊（AMB）工艺是陶瓷金属化的重要生产工艺之一，尤其适用于高可靠性领域常用的非氧化物陶瓷AlN、Si3N4，其利用活性钎料将陶瓷板和金属铜箔钎焊在一起，结合可靠性明显优于其他金属化工艺。
图案化AMB陶瓷覆铜板是指表面的铜进行了图案化的AMB陶瓷覆铜板，陶瓷起到绝缘介质的作用，其表面贴覆的铜线路图案起到导电线路的作用。受功率器件集成化、小型化发展趋势的影响，图案化AMB陶瓷覆铜板也朝着更高线路精度（细线路、小间距）的方向发展。
图案化AMB陶瓷覆铜板的传统做法主要是先通过大面积钎焊将铜板和陶瓷板钎焊到一起得到无图案的AMB陶瓷覆铜光板，再按所需线路图形通过化学蚀刻将整面铜板蚀刻出线路图案。传统做法存在以下几个问题：（1）大面积钎焊的界面空洞率极难控制，而空洞率直接关系到产品良率和应用可靠性；（2）陶瓷和铜为异种材料（金属和非金属），热膨胀系数差别较大，大面积钎焊后固有地会在陶瓷和铜界面产生较大的热膨胀失配应力， 而蚀刻线路后失配应力释放易导致板面翘曲甚至碎裂；（3）化学蚀刻固有地会产生较大的铜侧蚀，铜侧蚀的存在导致最小铜线宽和线条间距的设计明显受限；或设计规格较小时，会出现线条失真、间距蚀刻不开的情况，这会显著影响图案设计的精度，降低板面的利用率；（4）化学蚀刻使用的化学药水不可避免的会造成环境污染。
公开号为CN109360791A的专利公开了一种无需刻蚀的AMB直接成型方法，具体采用精雕的方式在铜板上图案周边雕刻出凹槽，烧结后再次采用雕刻的方式刻穿铜板凹槽位置，从而形成所需的图案。该方法无需进行化学刻蚀的步骤，避免了化学刻蚀带来的精度不高、环境污染等问题。然而，该方法存在以下问题：（1）精雕加工时机械应力大，极易导致烧结好的陶瓷产生裂纹，而陶瓷裂纹大大大降低产品的可靠性，精雕加工的产品质量隐患很大；（2）精雕加工对板面的平直度要求高，烧结导致的陶瓷覆铜板翘曲会显著影响精雕加工质量，加工难度大；（3）精雕加工为步进式加工，加工过程中局部铜被逐步去除导致图案失配产生的应力逐渐变大，一方面板面极易翘曲影响进一步加工，另一方面应力导致陶瓷碎裂的风险也大；（4）精雕为步进式加工，无法应对批量生产，效率低。
公开号为CN116847559A的专利也使用了精雕的方式来形成所需图案，无需进行化学刻蚀的步骤，避免了化学刻蚀带来的精度不高、环境污染等问题，但其同样存在精雕加工的加工难度大、无法应对批量生产的问题。此外，该专利采用喷涂工艺在铜板上喷涂活性钎料粉层，还存在以下问题：（1）钎料粉中不同金属粉的密度相差较大，喷涂工艺中钎料粉的均匀性较难控制；喷涂工艺对喷涂层的厚度的控制也较难；喷涂往往需要往复操作；这三个因素都不利于批量处理，生产效率低；（2）喷涂形成的钎料粉层的喷涂应力较大、表面的平整度差，虽然其后续进行了真空退火、铣磨和轧制压延等处理，但仍可能存在铜板翘曲的问题，同时因铜板和焊料变形能力有差别会使得轧制压延的加工难度大。
因此，需开发新技术解决图案化AMB陶瓷覆铜板现有生产工艺中存在的问题具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有图案化AMB陶瓷覆铜板生产工艺存在空洞率难控制或应力大或焊层平整度差导致产品的良率和可靠性低、环境污染、产品设计精度不高、加工难度大或无法应对批量生产的问题，提供一种图案化AMB陶瓷覆铜板的制备方法。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
一种图案化AMB陶瓷覆铜板的制备方法，包括如下步骤：
S1. 印刷和预烧结：将银铜钛活性焊膏印刷在铜板上，然后在保护气体下进行预烧结，得预处理铜板；
S2. 叠片和烧结：将预处理铜板和隔板交替叠加，然后进行装夹，烧结，得到焊料-铜板复合片材；
S3. 冲贴：采用冲贴模具，按所需图案对焊料-铜板复合片材进行冲裁成型并使冲裁后的焊料-铜板复合片材的焊料面排布贴附在软膜片上，得到图案化焊料-铜板复合片材；
S4. 对位和转移：贴附有图案化焊料-铜板复合片材的软膜片与隔板对位，将图案化焊料-铜板复合片材从软膜片转移到隔板上，得到隔板-图案化焊料-铜板复合片材；
S5. 叠片和钎焊：将陶瓷板和隔板-图案化焊料-铜板复合片材进行叠加处理，所述陶瓷板与隔板-图案化焊料-铜板复合片材的焊料面接触，再进行真空钎焊，即得所述图案化AMB陶瓷覆铜板。
本发明提供了一种新的图案化AMB陶瓷覆铜板制备方法，通过印刷和预烧结、叠片和烧结、冲贴、对位和转移以及叠片和钎焊工艺的配合，解决了目前图案化AMB陶瓷覆铜板生产工艺中存在的诸多问题，具体过程和原理如下：
首先，本发明先在铜板上印刷银铜钛活性焊膏，然后进行预烧结处理，预烧结的目的是将银铜钛活性焊膏中的溶剂尽可能完全排出以及将粘结剂初步排出，防止后续烧结过程中焊膏的有机成分大量集中排出导致焊料粉末溃散缺失或焊料产生大气孔，初步保证了后续钎焊中的低界面空洞率；同时实现焊料与铜板的初步粘合。此外，焊膏的均匀性较好，结合印刷的方式，不仅有利于批量处理，提高加工效率，且易于调控焊料层的厚度，以及焊料层的平整度好、应力小，后续无需进行轧制等处理，降低加工难度。
在本发明中，使用的焊料为焊膏，均匀性好，然后通过装夹的方式将交替叠加的预处理铜板和隔板压紧夹牢，可以使得焊料自身、焊料和铜板之间有一定的挤压倾向，再在装夹的条件下进行烧结，从而不仅能保证焊料与铜板的接触界面形成足够的结合强度，而且也可以实现焊料的致密化，保证烧结后的焊料自身具有足够的强度，避免在步骤S3中焊料因冲裁而粉化、脱落。如果不进行装夹和烧结，焊料容易因冲裁发生粉化、脱落，局部焊料缺失会导致后续钎焊界面空洞率变大，甚至后续无法进行钎焊。
在通过装夹和烧结实现焊料致密化的基础上，对焊料-铜板复合片材进行冲裁成型使得焊料-铜板复合片材形成所需图案。本发明使用的是冲贴模具，其是通过模具来进行冲裁和贴附，不仅可以使图案化焊料-铜板复合片材的侧面垂直度有保障，精度高，不会有化学蚀刻固有的侧蚀问题；而且可以将冲裁后的铜片准确地排布贴附在软膜片的相应位置上。冲贴工艺进一步与步骤S4的对位和转移、步骤S5的钎焊配合，实现高精度图案成型的铜准确地转移到陶瓷板的相应位置上，保证了最终的图案化AMB陶瓷覆铜板的精度。此外，冲裁往往产生的冲击力较大，先将冲裁后的焊料-铜板复合片材贴附在软膜片上，再转移到隔板，避免隔板受冲击导致破裂。
与精雕相比，冲裁具有更高的效率；并且，本发明采用了冲贴模具，其还可以实现铜片的批量成型和排布，通过步骤S1的印刷、步骤S2的叠片和烧结、步骤S3的冲贴和步骤S4的对位和转移的配合，可以实现批量施加焊料、批量烧结、批量铜图案成型和排布、批量转移，而步骤S5的叠片和钎焊则实现陶瓷板与铜的批量钎焊，进而实现图案化AMB陶瓷覆铜板的批量生产，大大提高了生产效率。
本发明的制备方法的图案化过程不涉及化学刻蚀，因此可以避免化学刻蚀过程的高能耗和化学药水导致的环境污染问题。此外，由于图案成型后再进行钎焊处理，钎焊面积小，大大减少了异种材料之间的内应力和失配应力，从而大大缓解了AMB陶瓷覆铜板的翘曲，还避免了大面积钎焊带来的空洞率难控制的问题，保证了产品的良率和应用可靠性。
另外，该制备方法的各步骤的工艺操作简便、容易控制，加工难度小。
即本发明的图案化AMB陶瓷覆铜板制备方法无需进行化学刻蚀，避免由此带来的高能耗和环境污染问题；制备过程中不会产生大的内应力或失配应力、界面空洞率低，进而使得产品的良率和应用可靠性高；而且得到的产品的设计精度高，利用率高；此外，该制备方法的各工艺的加工难度小，同时该制备方法还非常适合批量生产，大大提高生产效率。
优选地，步骤S1所述印刷的方式为网板印刷或辊涂；更为优选网板印刷，网版印刷更有利于批量处理的进行，进一步提高生产效率。
可选地，所述网版印刷的网板为丝网或者开口钢网。
通常地，步骤S1所述银铜钛活性焊膏包括如下质量分数的组分：金属成分5~10%、有机成分90~95%。
更为优选地，步骤S1所述银铜钛活性焊膏的金属成分包括如下质量分数的组分：银粉和银铜合金粉混合物95~99%、钛粉1~5%；所述银粉和银铜合金粉混合物包括如下质量分数的组分：银粉5~10%，银铜合金粉90~95%；所述银粉为银纳米粉。金属成分中加入纳米银粉，纳米银粉可以提供一定的粘结能力和增稠能力，进而不仅可以减少有机成分中粘结剂的用量，而且有利于焊料在装夹及烧结后的致密化程度的进一步提高。
进一步优选地，所述纳米银粉的粒径10~100nm。
进一步优选地，所述银铜合金粉的粒径为1~10μm。
更为优选地，步骤S1所述银铜钛活性焊膏的有机成分包括如下质量分数的组分：粘结剂5~10%，有机溶剂90~95%。
进一步优选地，所述粘结剂为松香、乙基纤维素或改性树脂中的至少一种。
进一步优选地，所述有机溶剂为正己烷、松油醇或二乙二醇丁醚中的至少一种。
优选地，步骤S1所述铜钛活性焊膏的印刷厚度为20~50μm。
优选地，步骤S1所述保护气体为惰性气体或还原性气体；其中，惰性气体可以选择氩气等。
优选地，步骤S1所述预烧结前还包括烘烤除去溶剂的步骤。
更为优选地，所述烘烤的温度为50~80℃。
更为优选地，所述烘烤的时间为10~60min。
优选地，步骤S1所述预烧结的温度为150~200℃。
优选地，步骤S1所述预烧结的时间为30~60min。
优选地，步骤S2所述隔板为陶瓷隔板、石英隔板或石墨隔板。
优选地，步骤S2所述装夹的过程为：采用石墨治具对交替叠加的预处理铜板和隔板进行装夹锁紧。现有的可以实现对工件进行装夹的石墨治具都可用于本发明，比如，石墨治具可以包括上板和下板，而上板和下板通过螺栓来实现对工件的装夹。
更为优选地，装夹之后，还包括施加压块的步骤。施加压块，可以进一步压紧交替叠加的预处理铜板和隔板。
优选地，步骤S2所述烧结在保护气体中进行。
更为优选地，所述保护气体为惰性气体或还原性气体。
优选地，步骤S2所述烧结温度为400~700℃。
优选地，步骤S2所述烧结的时间为60~120min。
本领域可以实现冲裁成型后的工件（焊料-铜板复合片材）的排布贴附的冲贴模具都可以用于本发明，比如专利CN213530366U提供的自动冲贴模具。
优选地，步骤S3所述软膜片为塑料膜片。
优选地，步骤S4所述对位和转移的具体过程为：在图案化焊料-铜板复合片材的铜板面上喷涂松香溶液，然后将贴附有图案化焊料-铜板复合片材的软膜片与隔板对位，使得喷涂有松香溶液的铜板面与隔板贴附，除去软膜片，实现图案化焊料-铜板复合片材从软膜片转移到隔板上。
更为优选地，所述喷涂松香溶液之后、贴附之前，还包括对松香溶液进行预烘的步骤；所述预烘的温度为50~100℃，时间为1~3min。
更为优选地，所述松香溶液中的松香的质量浓度为5~10%。
更为优选地，所述松香溶液的溶剂为乙醇或异丙醇中的至少一种。
优选地，步骤S4所述隔板为陶瓷隔板、石英隔板或石墨隔板。
优选地，步骤S4所述软膜片和隔板通过对位孔对位，从而实现图案化焊料-铜板复合片材更加精准地从软膜片转移到隔板上。
更为优选地，在所述软膜片的四个角和所述隔板的四个角都设置对位孔。
优选地，步骤S5所述陶瓷板为氧化铝陶瓷板、氮化铝陶瓷板或氮化硅陶瓷板。
步骤S5所述叠加的方式可以根据陶瓷板的覆铜实际需求进行选择：如果进行单面覆铜，则陶瓷板需要覆铜的一面与隔板-图案化焊料-铜板复合片材的焊料面接触，不需覆铜的一面不与隔板-图案化焊料-铜板复合片材的焊料面接触（可以与隔板接触）；如果进行双面覆铜，则陶瓷板的两面分别与隔板-图案化焊料-铜板复合片材的焊料面接触。
优选地，步骤S5所述陶瓷板和所述隔板-图案化焊料-铜板复合片材通过对位孔对位，从而实现图案化的铜板更加精准地钎焊在陶瓷板上。
更为优选地，在所述陶瓷板的四个角和所述隔板-图案化焊料-铜板复合片材的隔板的四个角都设置对位孔。
通常地，步骤S5所述真空钎焊的温度为800~950℃。
通常地，步骤S5所述真空钎焊的初始真空度≤5×10-3Pa。
通常地，根据实际需要，真空钎焊后还包括切割的步骤。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明的图案化AMB陶瓷覆铜板制备方法无需进行化学刻蚀，避免由此带来的高能耗和环境污染问题；制备过程中不会产生大的应力、界面空洞率低，进而使得产品的良率和应用可靠性高；而且得到的产品的设计精度高，利用率高；此外，该制备方法的各工艺加工难度小，同时该制备方法还非常适合批量生产，大大提高生产效率。
附图说明
图1为实施例1的图案化AMB陶瓷覆铜板的制备方法的流程示意图。
具体实施方式
为了更清楚、完整的描述本发明的技术方案，以下通过具体实施例进一步详细说明本发明，应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明，可以在本发明权利限定的范围内进行各种改变。
实施例1
本实施例提供一种图案化AMB陶瓷覆铜板的制备方法，包括如下步骤：
1）印刷和预烧结：通过网版印刷（网版印刷的网板为丝网）的方式将银铜钛活性焊膏印刷在铜板上，印刷的厚度为30μm，先在氩气气氛下以80℃烘烤10min以除去银铜钛活性焊膏中的溶剂，然后在氩气保护下以200℃预烧结30min，得预处理铜板；
其中，银铜钛活性焊膏的组成如下：金属成分10wt%，有机成分90wt%。金属成分的组成如下：银粉和银铜合金粉混合物95wt%，钛粉5wt%；银粉和银铜合金粉混合物的组成如下：银粉10wt%，银铜合金粉90wt%；银粉为银纳米粉，银纳米粉的粒径为1~100nm，银铜合金粉的粒径为1~10μm。有机成分的组成如下：粘结剂10wt%，有机溶剂为90wt%；粘结剂为乙基纤维素，有机溶剂为松油醇。
2）叠片和烧结：将预处理铜板按正反面统一朝向（印刷了银铜钛活性焊膏的为正面）与陶瓷隔板交替叠加起来，然后采用石墨治具对交替叠加起来的预处理铜板和陶瓷进行装夹锁紧，并在上方放置压块压紧交替叠加起来的预处理铜板和陶瓷，并在治具装夹和压块压紧的条件下置于氩气氛围下进行烧结，烧结的烧结温度为450℃、时间为120 min，得到焊料-铜板复合片材；其中，陶瓷隔板的面的大小与预处理铜板的铜板的大小相同。
3）冲贴：采用冲贴模具，按所需图案对焊料-铜板复合片材进行冲裁成型并使冲裁后的焊料-铜板复合片材的焊料面有序地排布贴附在软膜片的相应位置上，得到图案化焊料-铜板复合片材；其中，软膜片为塑料膜片。
4）对位和转移：在图案化焊料-铜板复合片材的铜板面上喷涂松香溶液，在100℃下预烘3min，软膜片与陶瓷隔板对位，使得喷涂有松香溶液铜板面与陶瓷隔板贴附，除去软膜片，实现图案化焊料-铜板复合片材从软膜片转移并有序排布在陶瓷隔板上，得到隔板-图案化焊料-铜板复合片材；其中，松香溶液的松香质量浓度为10%，溶剂为无水乙醇；
其中，陶瓷隔板上切割设置有与软膜片四角对位孔对应的4个对位孔，用于对位，从而实现图案化焊料-铜板复合片材更加精准地从软膜片转移并有序排布在隔板上。
5）叠片和钎焊：陶瓷板记为A，隔板-图案化焊料-铜板复合片材记为B，将陶瓷板和隔板-图案化焊料-铜板复合片材进行叠加处理，叠加的方式为“B-A-B-B-A-B-B-A-B……”（即以“B-A-B”为一个重复单元，“……”表示多个重复单元），隔板-图案化焊料-铜板复合片材的焊料面与陶瓷板接触，在900℃和初始真空度为1×10-3Pa下进行真空钎焊，即得图案化AMB陶瓷覆铜板；其中，陶瓷板为氧化铝陶瓷板。
本实施例的制备方法的流程示意图见图1。
本实施例的图案化AMB陶瓷覆铜板制备方法无需进行化学刻蚀，避免由此带来的高能耗和环境污染问题；制备过程中不会产生大的应力、界面空洞率低，进而使得产品的良率和应用可靠性高；而且得到的产品的设计精度高，利用率高；此外，该制备方法的各工艺加工难度小，同时该制备方法还非常适合批量生产，大大提高生产效率。
实施例2
本实施例一种图案化AMB陶瓷覆铜板的制备方法，其与实施例1基本相同，不同之处在于：第1）步的网版印刷的网板为开口钢网；银铜钛活性焊膏的金属成分的银粉和银铜合金粉混合物中：银粉5wt%，银铜合金粉95wt%；银铜钛活性焊膏的有机成分中：粘结剂为松香，有机溶剂为二乙二醇单丁醚。第2）步的烧结的烧结温度为500℃。第5）步的真空钎焊的温度为800℃。
实施例3
本实施例一种图案化AMB陶瓷覆铜板的制备方法，其与实施例1基本相同，不同之处在于：第1）步的银铜钛活性焊膏印刷的厚度为20μm；银铜钛活性焊膏有机成分的组成如下：粘结剂5wt%，有机溶剂为95wt%，粘结剂为松香，有机溶剂为正己烷。第2）步的烧结的烧结温度为700℃，烧结时间为60min。第5）步的真空钎焊的温度为850℃；真空钎焊之后，还包括对图案化AMB陶瓷覆铜板进行单片化切割的步骤。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种图案化AMB陶瓷覆铜板的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1. 印刷和预烧结：将银铜钛活性焊膏印刷在铜板上，然后在保护气体下进行预烧结，得预处理铜板；
S2. 叠片和烧结：将预处理铜板和隔板交替叠加，然后进行装夹，在所述装夹的条件下进行烧结，得到焊料-铜板复合片材；
S3. 冲贴：采用冲贴模具，按所需图案对焊料-铜板复合片材进行冲裁成型并使冲裁后的焊料-铜板复合片材的焊料面排布贴附在软膜片上，得到图案化焊料-铜板复合片材；
S4. 对位和转移：贴附有图案化焊料-铜板复合片材的软膜片与隔板对位，将图案化焊料-铜板复合片材从软膜片转移到隔板上，得到隔板-图案化焊料-铜板复合片材；
S5. 叠片和钎焊：将陶瓷板和隔板-图案化焊料-铜板复合片材进行叠加处理，所述陶瓷板与隔板-图案化焊料-铜板复合片材的焊料面接触，再进行真空钎焊，即得所述图案化AMB陶瓷覆铜板；
步骤S3所述冲贴模具为可实现冲裁成型后的焊料-铜板复合片材的排布贴附的冲贴模具。
2.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，步骤S1所述印刷的方式为网板印刷或辊涂。
3.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，步骤S1所述银铜钛活性焊膏包括如下质量分数的组分：金属成分5~10%、有机成分90~95%。
4.根据权利要求3所述制备方法，其特征在于，步骤S1所述银铜钛活性焊膏的金属成分包括如下质量分数的组分：银粉和银铜合金粉混合物95~99%、钛粉1~5%；所述银粉和银铜合金粉混合物包括如下质量分数的组分：银粉5~10%，银铜合金粉90~95%；所述银粉为纳米银粉。
5.根据权利要求3所述制备方法，其特征在于，步骤S1所述银铜钛活性焊膏的有机成分包括如下质量分数的组分：粘结剂5~10%，有机溶剂90~95%。
6.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，步骤S1所述预烧结前还包括烘烤除去溶剂的步骤。
7.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，步骤S1所述预烧结的温度为150~200℃。
8.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，步骤S2所述烧结温度为400~700℃。
9.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，步骤S4所述对位和转移的具体过程为：在图案化焊料-铜板复合片材的铜板面上喷涂松香溶液，然后将贴附有图案化焊料-铜板复合片材的软膜片与隔板对位，使得喷涂有松香溶液的铜板面与隔板贴附，除去软膜片，实现图案化焊料-铜板复合片材从软膜片转移到隔板上。
10.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，步骤S5所述真空钎焊的温度为800~950℃。
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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