CN1323054C - 用于制造铜陶瓷复合基片的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于制造铜陶瓷复合基片的方法。根据这种方法，箔材坯料至少在一个表面上被氧化，接下来被氧化过的箔材坯料在一种保护气体氛围中进行回火处理，然后通过DCB过程将箔材坯料与陶瓷复合在一起。

Description

用于制造铜陶瓷复合基片的方法
技术领域
本发明涉及一种用于制造铜陶瓷复合基片的方法，该铜陶瓷复合基片例如可以用作开关电路特别是功率开关电路的印制电路板。
背景技术
制造这种铜陶瓷复合基片所使用的原材料是板状陶瓷材料(陶瓷层或者陶瓷基体)以及由轧制的铜箔通过切割或者冲压获得的箔材坯料，该箔材坯料通过DCB技术与陶瓷层复合。在由例如US-PS 37 44120或US-PS 23 19 854已知的方法中，箔材坯料在其表面设置有一层氧化铜。这个层形成了一种熔点比铜的熔点低的低共熔体，从而，通过将铜箔放置到陶瓷上，并对所有的各层进行加热，可以将这些层复合在一起，具体地说，是通过熔化基本上只处在氧化层区域的铜。
所述DCB方法包括如下步骤：
●氧化铜箔，而得到一均匀的氧化铜层；
●将铜箔放置到陶瓷层上；
●将复合体加热到一个约1065℃至1083℃的过程温度，例如大约1071℃；
●冷却到室温。
已知一种特殊的制造铜陶瓷复合基片的方法(EP 0 335 679 B1)，其中用于DCB过程的原材料包括具有极高硬度的铜制箔材坯料，即维氏硬度在100到150kg/mm2。应当确保，在DCB过程之后由铜构成的金属层仍然具有足够高的硬度。
发明内容
本发明的目的在于，提出一种方法，该方法可以确保改善铜和陶瓷之间的DCB复合的质量，特别是确保在这些材料连接的表面上没有缺陷，并且在铜和陶瓷之间具有足够大的抗脱落强度。
为此，本发明提供一种用于制造铜陶瓷复合基片的方法，具有下列步骤：(a)由铜箔制造箔材坯料；(b)在箔材坯料的至少一个表面上对其进行氧化，以便在此表面上形成一铜氧化层；(c)在一种保护气体氛围中对经过氧化的箔材坯料进行回火处理，温度范围在200℃到400℃之间，并且持续时间在2分钟到20分钟之间，而使箔材得到小于70kg/mm2的维氏硬度；(d)制造铜陶瓷复合基片，其中，将至少一个平放在陶瓷层(2)的至少一个表面上的、经过氧化以及回火处理的箔材坯料与陶瓷层复合起来，该复合通过在一保护气体氛围中加热到一低于铜的熔点、但高于铜/氧系统的低共熔温度的DCB温度来实现；以及，(e)将得到的铜陶瓷复合基片冷却到室温，其中所述保护气体氛围是不含氧气或者其中氧气含量可以忽略不计的气氛。
本发明还提供一种用于制造铜陶瓷复合基片的方法，具有下列步骤：(a)由铜箔制造箔材坯料；(b)在一种保护气体氛围中对箔材坯料进行回火处理，温度范围在200℃到400℃之间，并且持续时间在2分钟到20分钟之间，而使箔材得到小于70kg/mm2的维氏硬度；(c)在箔材坯料的至少一个表面上对其进行氧化，以便在此表面上形成一铜氧化层；(d)制造铜陶瓷复合基片，其中，将至少一个平放在陶瓷层(2)的至少一个表面上的、经过氧化以及回火处理的箔材坯料与陶瓷层复合起来，该复合通过在一保护气体氛围中加热到一低于铜的熔点、但高于铜/氧系统的低共熔温度的DCB温度来实现；以及，(e)将得到的铜陶瓷复合基片冷却到室温，其中所述保护气体氛围是不含氧气或者其中氧气含量可以忽略不计的气氛。
本发明基于下述构思：DCB复合的质量相对于现有的方法的改善可以这样实现，即，与现有方法不同的是，在实际的DCB过程开始的时候，将箔材坯料的材料硬度设在低于70kg/mm2，这可以通过DCB过程之前的一个回火步骤可靠地实现。
各箔材坯料可以分别在其两个表面上都进行氧化以形成一氧化层。
或者，各箔材坯料分别在其一个表面上进行氧化以形成一氧化层。
优选地，在陶瓷层的两个表面上，通过DCB过程分别敷设至少一个经过氧化和回火处理的箔材坯料。
其中，箔材坯料的回火可以在氧化之前进行。
或者，箔材坯料的回火在氧化之后进行。
优选地，总是在箔材坯料平放在陶瓷层上的情况下对箔材坯料进行回火。
可以通过湿化学氧化方法对箔材坯料进行氧化。
也可以通过热氧化方法对箔材坯料进行氧化。
优选地，箔材坯料的氧化是通过使用氧气实现的。
优选箔材坯料的回火在氧化过程中进行。
优选地，在箔材坯料平放在陶瓷层上的情况下对箔材坯料进行氧化。
优选地，在DCB过程之前，在仅仅单面氧化的情况下翻转箔材坯料。
箔材坯料的氧化可以在一种含氧气达到20％的氮气气氛中进行。
附图说明
下面基于实施例，借助于附图来详细阐述本发明，其中：
图1按本发明的方法制造的铜陶瓷复合基片的简化剖视图；
图2至图5根据本发明的各种方法的步骤；
图6箔材坯料仅进行单面氧化的步骤。
具体实施方式
附图中用1总体地表示一铜陶瓷复合基片，其采用DCB过程进行制造，并且具有一个陶瓷层2(例如由氮化铝-陶瓷构成)，该陶瓷层在其两个表面上分别设有由铜箔形成的金属层3和4。
在图2中又给出的方法中，使用陶瓷层2以及由铜箔5形成的箔材坯料3′和4′来制作基片1。铜箔5是轧制而成的，因此它具有大于70kg/mm2的维氏硬度。箔材坯料3′和4′例如是通过铜箔5冲压得到的。
在图2中用A1表示的步骤中，将箔材坯料3′和4′氧化，特别是也在其表面上氧化，例如通过一种合适的化学氧化方法来实现的，因此作为这个步骤的结果，箔材坯料3′和4′在其表面上出现了氧化铜层6，该层形成了后来的DCB过程中的低共熔(共晶)的熔化层。
在图2中另一用B1表示的步骤中，紧接着对具有氧化层6的箔材坯料进行回火处理，具体地说，是处在一种保护气体氛围中，温度范围在200℃到400℃之间，并且持续时间在2分钟到20分钟之间，从而，作为回火处理的结果，箔材坯料3′和4′的维氏硬度明显地低于70kg/mm2。就本发明来说，“保护气体氛围”应当理解成不含氧气或者其中氧气含量可以忽略不计的气氛。
通过步骤B1去除了铜材中的应力，该应力例如说来源于铜箔5的轧制和/或箔材坯料3′和4′的冲压。另外还表明，箔材坯料3′和4′的通过步骤B获得的大幅度减小的硬度在接下来的DCB过程中能使DCB复合的质量大大提高。
在接下来的步骤C1中，经氧化和回火处理的箔材坯料3′与陶瓷层2(陶瓷基体)结合在一起，从而在另一个步骤D1中，为了形成金属层3，可以通过DCB过程将箔材坯料3′与陶瓷基体2平面地复合到一起(第一DCB工步)。
在另一个步骤E1中，至此仅单面具有金属层3的陶瓷基体2和经过氧化及回火处理的箔材坯料4′结合在一起，从而在另一个步骤F1中，为了形成金属层4，同样可以通过DCB过程(第二DCB工步)将箔材坯料4′与陶瓷层2复合到一起，这样就获得了所期望的铜陶瓷复合基片1。
在上面所描述的方法中，特意选取具有小于70kg/mm2的低维氏硬度的箔材坯料3′和4′用作为DCB过程(步骤D1和F1)的原材料。这就大大提高了陶瓷和相应的由铜做成的金属层3和4之间的DCB复合质量。这显然是因为铜材由于回火而去除了应力，箔材坯料的硬度在相应的DCB过程之前业已减小，从而使箔材坯料紧紧贴合在陶瓷层2的表面上。
图3示出了另外一种可能的制造铜陶瓷复合基片1的方法的实施形式的各个步骤。这个方法采取下列步骤：
A2  氧化
B2  回火
C2  将陶瓷层2和箔材坯料3′结合
D2  第一DCB工步
E2  将已单面覆有金属层的陶瓷层2和箔材坯料4′结合
F2  第二DCB工步
在图3中示出的方法与图2中示出的方法的主要区别在于，由铜箔5获得的箔材坯料3′和4′首先在步骤B2中回火，并且在回火时也是处于一种保护气体氛围中，温度范围在200℃到400℃之间，持续时间在2分钟到20分钟之间，从而作为回火处理的结果，箔材坯料3′和4′的维氏硬度明显地低于70kg/mm2(步骤B2)。在下面一个步骤A2中才对经回火处理的箔材坯料3′和4′进行氧化，也就是说，图3中的步骤A2和B2的顺序与它们在图2中的顺序是相反的。通过氧化之前的回火处理，大大简化了氧化或者说是氧化层6的形成。其它的各个步骤在图2和图3的方法中是一致的。
图4中示出了本发明方法的另外一种实施形式。在该方法中采用如下的步骤：
A3  氧化
B3  回火
B3′回火
C3  将陶瓷层2和箔材坯料3′结合
D3  第一DCB工步
E3  将已单面覆有金属层的陶瓷层2和箔材坯料4′结合
F3  第二DCB工步
在该实施例中，也是在例如通过铜箔5冲压制得箔材坯料3′和4′之后，在步骤A3中对箔材坯料3′和4′进行氧化来形成氧化层6。
在本发明的该实施例中，在完成氧化过程(步骤A3)之后，将经氧化的箔材坯料3′和陶瓷层2合并在一起。然后在步骤B3中对氧化过的箔材坯料3′进行回火，其中，在该回火过程中，陶瓷层2用作氧化过的箔材坯料3′的支撑面。该回火过程也是处于一种保护气体氛围中，温度范围在200℃到400℃之间，并且持续时间在2分钟到20分钟之间，从而作为回火过程B3的结果，箔材坯料3′的维氏硬度明显地低于70kg/mm2，这样也就去除了箔材坯料3′材料中的应力。
在紧接着的步骤D3中，通过DCB过程将预氧化过的、经回火处理的箔材坯料3′与陶瓷层2复合起来，以构成金属层3。在另一个步骤E3中，将预氧化过的、经回火处理的箔材坯料4′放在陶瓷层2的背离金属层3的表面上。在紧接着的步骤B3′中，对氧化过的箔材坯料4′进行回火处理，该回火过程也是处于一种保护气体氛围中，温度范围在200℃到400℃之间，并且持续时间在2分钟到20分钟之间，从而在过程结束后，箔材坯料4′的维氏硬度无论如何都明显地低于70kg/mm2。
在另一个步骤F3中，通过DCB过程将氧化过的、经回火处理的箔材坯料4′与陶瓷层2复合起来，用以构成金属层4，这样最终就获得了所期望的铜陶瓷复合基片1。
与图4类似，图5示出了本发明的铜陶瓷复合基片1的制造方法的又一实施形式的各个步骤。
该方法采取下列步骤：
A4  氧化
A4′氧化
B4  回火
C4  将陶瓷层2和箔材坯料3′结合
D4  第一DCB工步
E4  将已单面覆有金属层的陶瓷层2和箔材坯料4′结合
F4  第二DCB工步
G4  翻转箔材坯料3′
G4′翻转箔材坯料4′
在图5中示出的方法与在图3中示出的方法类似，首先将由铜箔5获得箔材坯料3′和4′在步骤B4中进行回火，并且，回火过程同样处于一种保护气体氛围中，温度范围在200℃到400℃之间，并且持续时间在2分钟到20分钟之间，从而作为该处理的结果，箔材坯料3′和4′具有了一个低于70kg/mm2的维氏硬度。在接下来的步骤C4中，将陶瓷层2和经回火的箔材坯料3′结合在一起。紧接着在步骤A4中，对放在陶瓷层2上的箔材坯料3′进行氧化，即，至少在箔材坯料3′的背对陶瓷层2的表面上形成铜氧化层6。在附加的步骤G4中，将箔材坯料3′翻转过来放在陶瓷层2上，使该坯料的铜氧化层6贴着陶瓷层2，在步骤D4中，可以通过DCB过程(第一DCB工步)将箔材坯料3′与陶瓷基体2复合起来，形成金属层3。
在下面一个步骤E4中，将经回火的箔材坯料4′与单面已经金属化的陶瓷层2结合在一起，从而在步骤A4′中，平放在陶瓷层2上的箔材坯料4′至少在其背对陶瓷层2的表面上被氧化。紧接着在步骤G4′中，将箔材坯料4′翻转过来平放在陶瓷层2上，使箔材坯料4′以其氧化层6贴着陶瓷层2，然后，在步骤F4中，通过DCB过程(第二DCB工步)将箔材坯料4′与陶瓷基体2平面地复合起来，形成金属层4。
箔材坯料3′的氧化(步骤A4)及箔材坯料4′的氧化(步骤A4′)例如是通过热氧化方法进行的。
如前所述，至少在图2-4的方法中，箔材坯料3′和4′分别在其两个表面上都被氧化，即具有氧化层6。图6示出了一种方法，其中箔材坯料3′和4′分别针对性地只在一个表面上具有氧化层6。原材料还是铜箔5，然后由它通过切割或者冲压获得箔材坯料3′和4′。在步骤H中，首先将箔材坯料3′的一面平放在一辅助体7上面，该辅助体7是由平板状的具有橡胶弹性的材料制成的。在下面的一个步骤I中，将箔材坯料4′平放在辅助体7的另外一面上。通过对形成在辅助体中的空腔8抽真空，使箔材坯料3′和4′在真空作用下虽然可以再取下来、但是紧紧贴住辅助体7，从而箔材坯料3′和4′各自只有一个表面暴露在外面，这两个表面例如可以通过化学氧化的方法来形成铜氧化层6。
箔材坯料3′和4′的回火过程处于一种保护气体氛围中，温度范围在200℃到400℃之间，并且持续时间在2分钟到20分钟之间，该回火过程可以发生在步骤H之前，但也可以紧接着步骤A5。
经回火和氧化过的箔材坯料3′和4′的进一步处理例如与图2中的方法一致，不过其中箔材坯料肯定是分别以其由氧化层形成的表面放到陶瓷层2上。
以上示例性地通过各实施例对本发明进行了说明。不言而喻，还可以作出多种修改及变动，而不脱离基于本发明的发明构思。
附图标记清单
1铜陶瓷复合基片    5铜箔
2陶瓷层            6氧化层
3，4铜金属层       7辅助体
3′，4′铜箔坯料

Claims (15)

1.一种用于制造铜陶瓷复合基片的方法，具有下列步骤：
(a)由铜箔制造箔材坯料(3′，4′)；
(b)在箔材坯料(3′，4′)的至少一个表面上对其进行氧化，以便在此表面上形成一铜氧化层(6)；
(c)在一种保护气体氛围中对经过氧化的箔材坯料(3′，4′)进行回火处理，温度范围在200℃到400℃之间，并且持续时间在2分钟到20分钟之间，而使箔材得到小于70kg/mm2的维氏硬度；
(d)制造铜陶瓷复合基片，其中，将至少一个平放在陶瓷层(2)的至少一个表面上的、经过氧化以及回火处理的箔材坯料(3′，4′)与陶瓷层复合起来，该复合通过在一保护气体氛围中加热到一低于铜的熔点、但高于铜/氧系统的低共熔温度的DCB温度来实现；以及，
(e)将得到的铜陶瓷复合基片冷却到室温，
其中所述保护气体氛围是不含氧气或者其中氧气含量可以忽略不计的气氛。
2.一种用于制造铜陶瓷复合基片的方法，具有下列步骤：
(a)由铜箔制造箔材坯料(3′，4′)；
(b)在一种保护气体氛围中对箔材坯料(3′，4′)进行回火处理，温度范围在200℃到400℃之间，并且持续时间在2分钟到20分钟之间，而使箔材得到小于70kg/mm2的维氏硬度；
(c)在箔材坯料(3′，4′)的至少一个表面上对其进行氧化，以便在此表面上形成一铜氧化层(6)；
(d)制造铜陶瓷复合基片，其中，将至少一个平放在陶瓷层(2)的至少一个表面上的、经过氧化以及回火处理的箔材坯料(3′，4′)与陶瓷层复合起来，该复合通过在一保护气体氛围中加热到一低于铜的熔点、但高于铜/氧系统的低共熔温度的DCB温度来实现；以及，
(e)将得到的铜陶瓷复合基片冷却到室温，
其中所述保护气体氛围是不含氧气或者其中氧气含量可以忽略不计的气氛。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，各箔材坯料分别在其两个表面上都进行氧化以形成一氧化层(6)。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，各箔材坯料(3′，4′)分别在其一个表面上进行氧化以形成一氧化层(6)。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在陶瓷层(2)的两个表面上，通过DCB过程分别敷设至少一个经过氧化和回火处理的箔材坯料(3′，4′)。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，箔材坯料(3′，4′)的回火在氧化之前进行。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，箔材坯料(3′，4′)的回火在氧化之后进行。
8.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，总是在箔材坯料平放在陶瓷层(2)上的情况下对箔材坯料(3′，4′)进行回火。
9.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，通过湿化学氧化方法对箔材坯料进行氧化。
10.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，通过热氧化方法对箔材坯料(3′，4′)进行氧化。
11.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，箔材坯料(3′，4′)的氧化是通过使用氧气实现的。
12.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，箔材坯料(3′，4′)的回火在氧化过程中进行。
13.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在箔材坯料(3′，4′)平放在陶瓷层(2)上的情况下对箔材坯料(3′，4′)进行氧化。
14.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在DCB过程之前，在仅仅单面氧化的情况下翻转箔材坯料(3′，4′)。
15.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，箔材坯料(3′，4′)的氧化在一种含氧气达到20％的氮气气氛中进行。
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