CN1364748A

CN1364748A - 一种氮化铝与铜的结合方法

Info

Publication number: CN1364748A
Application number: CN 02110719
Authority: CN
Inventors: 陈立东; 柏胜强
Original assignee: Shanghai Institute of Ceramics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Ceramics of CAS
Priority date: 2002-01-31
Filing date: 2002-01-31
Publication date: 2002-08-21

Abstract

本发明涉及一种氮化铝与铜的结合方法,其特征在于将固相反应合成所得到的含有活泼金属的非氧化物共晶合金粉末置于AlN与Cu之间,然后经高温处理实现的。共晶合金粉末具体组分为(wt%)Ag:65－75%,Cu:8－22%,Ti:1.0－3.0%,余量为Al、Ni、Co、Zr、Hf、Mo中一种或一种以上;反应温度500－650℃,时间1－6小时。经研磨后得到2μm大小,涂布或喷涂在AlN基板上,然后将Cu箔(板)覆盖其上,最后在10^－2－10^－4乇真空或Ar气氛或微还原气氛下高温处理,温度900－1200℃,保温时间2－12小时,压力0－6MPa。本方法可以有效减缓AlN和Cu两者由热膨胀系数失配所产生的热应力,保证AlN－Cu结合的高强度和良好的抗热震性。

Description

一种氮化铝与铜的结合方法

技术领域

本发明涉及一种氮化铝与铜的结合方法，更确切地说涉及氮化铝(AlN)基板的金属化方法与工艺。属于陶瓷金属化领域。

背景技术

目前，电子器件中所使用的绝缘基板材料主要是氧化铝(Al₂O₃)陶瓷，Al₂O₃陶瓷具有机械强度高、热稳定性好、价格低廉等优点，并且Al₂O₃与电极材料铜(Cu)的直接结合(焊接)技术也比较成熟。但是Al₂O₃的热导率低，仅为15-20W/m·K，阻碍了电子元件的散热速度的进一步提高，不能满足高性能电子器件的要求。另外，在一般传热式能量转换器件(如热电转换器件)中因其热导率低，由基板所造成的温差热损耗大，严重影响了能量转换的效率。

AlN陶瓷具有优异的导热性能，其热导率k可达150-200W/m·K，且具有良好的电绝缘性，是理想的基板材料之一。若能用AlN替代现有的Al₂O₃充当电子元器件的基板材料，则可以大幅度提高现有电子器件的散热效率和降低其热损耗。但是由于AlN与电极材料铜(Cu)之间的界面润湿性差，因此结合强度低；并且AlN与Cu的热膨胀系数相差较大，由此产生的巨大的热应力而使得AlN-Cu的直接结合难以实现。

1992年公布的美国专利(U.S.5150830，U.S.5165986)中通过引入氧化物中间层的方法解决AlN与Cu的结合。但是氧化物中间层的热导率很低，大大降低了AlN基板的性能。

发明内容

本发明的目的在于通过引入非氧化物中间层的方法实现一种结合强度高，热稳定性好且工艺简单方便的AlN-Cu的直接结合。

AlN基板的金属化技术要求金属化层与基板有牢固的附着强度、优良的密封性和抗焊料浸蚀能力，并且要求金属/陶瓷界面保持高的热导率。

本发明通过引入的非氧化物中间层来提高AlN-Cu之间的化学润湿性，同时缓和热膨胀系数差异所产生的热应力，从而实现AlN-Cu的直接结合。

本发明的技术关键是通过引入的非氧化物中间层实现AlN-Cu的直接结合。将固相反应合成所得到的含有活泼金属的非氧化物共晶合金粉末置于AlN与Cu之间，然后经过高温处理实现AlN-Cu的直接结合。具体包括以下各步骤：

1.共晶合金的制备

本发明用固相反应法合成共晶合金。用含有Cu、Ag、Ti，余量为Al、Ni、Co、Zr、Hf、Mo的金属粉末制备共晶合金中间层。共晶合金由这些成分通过一定的比例固相反应合成得到。共晶合金的主要成分配比(wt％)为Ag：65-75％，Cu：18-22％，Ti：1.0-3.0％，其余为Al、Ni、Co、Zr、Hf、Mo中的一种或几种。固相反应是在惰性气体(如氩气等)或者微还原气氛下进行，如氩和氢的混和气体，体积比为Ar∶H₂＝95∶5，固相反应时间为1-6小时，温度为500-600℃，反应后再经研磨得到粒径为2μm左右的合金粉末。

2.涂层的制备

将固相反应合成的共晶合金粉末直接涂布于AlN基板表面；或将该粉末分散于本领域技术人员公知的由有机溶液和高分子粘结剂构成的溶解液中得到涂层浆料，然后将该浆料涂布于AlN基板表面，再经过干燥、脱脂后获得金属化的AlN基板；或者可将共晶合金粉末用物理喷涂(如等离子喷涂等)的方法直接喷涂在AlN基板表面获得金属化的AlN基板。不论何重方法，其共晶合金金属粉末层厚度为10-20μm，将Cu箔(板)覆盖在涂布(喷涂)有共晶合金中间层的AlN基板上，得到坯体。AlN基板表面和Cu表面可以预先经过表面处理，以获得具有一定粗糙度的表面。表面预处理方法有超声波表面处理、粉末离子溅射等，超声波处理用粒度为0.5-5μm的SiC(俗称金刚砂)颗粒处理，时间1-3分钟。

3.高温烧结

上述步骤所得坯体经过高温处理便可以得到AlN-Cu直接结合的复合基板材料。

高温处理可以是热压烧结，也可以是无压烧结。它是在真空或惰性气体(如氩气)或者微还原气氛下进行。真空度为10^-4-10^-2Torr；烧结的温度范围为900-1200℃；烧结时间范围为2-12小时。

热压烧结的压力范围为：0-6兆帕(MPa)。

本发明提供了一种结合强度高，热稳定性好且工艺简单方便的AlN-Cu的结合技术。覆盖有共晶合金中间层的AlN基板与Cu箔(板)经过高温处理可以得到AlN-Cu直接结合的复合基板材料。共晶合金中间层的引入，有效地缓解了AlN与Cu之间的界面失配(mismatch)现象。共晶合金在高温处理过程中能够产生金属液相改善AlN与Cu之间界面的润湿性。高温烧结过程中所生成的几种物质，其热膨胀系数、热导率等物理化学性能介于AlN和Cu之间，可以很好地减缓由热膨胀系数的差异而产生的热应力，从而增强AlN-Cu的抗热震性和热稳定性，保证AlN-Cu结合的高强度。

具体实施方式

实施例1 Cu-Ag-Ti-Hf体系(合金主要成分为Cu、Ag、Ti、Hf)

按比例(wt％)Cu：22％，Ag：75％，Ti：2.0％，Hf：1.0％。将这些粉末均匀混合后在微还原气氛(氩气与氢气的混合气体，体积比为Ar∶H₂＝95∶2)下，600℃固相反应5小时。反应后再经过研磨得到粒径为2μm左右的合金粉末。

将此粉末用含有机高分子粘结剂的溶剂溶解得到涂层浆料。

将AlN基板和Cu板用乙醇清洗后放入超声波处理器中，用粒度为3μm的SiC颗粒超声处理约2分钟，取出并用乙醇清洗。

将涂层浆料均匀涂布于AlN陶瓷基板经超声波处理过的表面上，涂层厚度约为10μm。

再将表面经过超声波处理过的Cu板盖于涂层上(方法同上)，Cu板上与涂层接触面应经过超声波处理，压紧Cu板并将气体排尽，得到坯体。

将坯体在真空下进行干燥、脱脂。

将坯体在氩气(Ar)气氛，1060℃，6MPa下热压烧结3小时。

所得到的AlN-Cu基板的抗弯强度为70MPa；抗热震性为1500cycles循环次数。

实施例2 Cu-Ag/Al-Ti/Hf体系(合金主要成分为Cu、Ag、Al、Ti、Hf)

按比例(wt％)Cu：21％，Ag：72％，Al：3.0％，Ti：3.0％，Hf：1.0％。

将Ag、Al粉末均匀混合后在微还原气氛(条件同实施例1)下，500℃固相反应2小时。反应后的粉末研磨均匀。

将上述固相反应后的Ag-Al合金粉末与Cu、Ti、Hf粉末均匀混合后在氩气(Ar)气氛，600℃下固相反应5小时，反应后的合金再经过研磨得到粒径2μm左右的粉末。

对AlN基板进行离子溅射。

将共晶合金粉末直接喷涂在AlN陶瓷基板的表面(此表面经离子溅射过)上，中间层厚度约为15μm。

将Cu板盖于喷涂有共晶合金中间层的AlN基板上，压紧得到坯体。

将坯体在微还原气氛(同实施例1)，1000℃，10MPa下热压烧结5小时。

所得到的AlN-Cu基板的抗弯强度为81MPa；抗热震性为1500cycles。

实施例3 Cu-Ag/Al-Ti-Ni/Co体系(合金主要成分为Cu、Ag、Al、Ti、Ni、Co)

按比例(wt％)Cu：21％，Ag：71％，Al：3.0％，Ti：3.0％，Ni：1.0％，Co：1.0％。

将Ag、Al粉末均匀混合后在氩气(Ar)气氛，500℃固相反应2小时。反应后的粉末研磨均匀。

将上述固相反应后的Ag-Al合金粉末与Cu、Ti、Ni、Co粉末均匀混合后在氩气(Ar)气氛，600℃下固相反应5小时，反应后的合金再经过研磨得到粒径2μm左右的粉末。

将此粉末用含有机高分子粘结剂的溶剂溶解得到涂层浆料。

将涂层浆料均匀涂布于AlN陶瓷基板的表面上，涂层厚度约为10μm。

再Cu板盖于涂布中间层的基板上，压紧Cu板并排尽气体，得到坯体。

将此坯体在氩气气氛，1100℃下无压烧结8小时。

所得到的AlN-Cu基板的抗弯强度为67MPa；抗热震性为1300cycles。

实施例4 Cu-Ag/Al-Ti/Zr/Hf-Co-Mo体系(共晶合金粉末的主要成分为Cu、Ag、Al、Ti、Zr、Hf、Co、Mo)

按比例(wt％)Cu：21％，Ag：69％，Al：3.0％，Ti：2.0％，Zr：2.0％，Hf：1.0％，Co：1.0％，Mo：1.0％。

将上述粉末均匀混合后在氩气(Ar)气氛，600℃固相反应5小时。反应后的合金经过研磨得到粒径2μm左右的粉末。

将共晶合金粉末直接均匀涂布于AlN陶瓷基板的表面上，中间层厚度约为10μm。

再将Cu板盖于涂布有共晶合金中间层的AlN基板上，压紧得到坯体。

将此坯体在氩气气氛，1000℃，4MPa条件下热压烧结7小时。

所得到的AlN-Cu基板的抗弯强度为76MPa；抗热震性为1350cycles。

Claims

1.一种氮化铝与铜的结合方法，包括氮化铝和铜的表面预处理、金属化和高温处理，其特征在于将固相反应合成所得到的含有活泼金属Ag、Cu、Ti的共晶合金粉末置于AlN与Cu之间，然后经高温处理实现的。

2.按权利要求1所述的氮化铝与铜的结合方法，其特征在于，所述的含有活泼金属的共晶合金粉末的具体组分(wt％)为Ag：65-75％，Cu：18-22％，Ti：1.0-3.0％，余量为Al、Ni、Co、Zr、Hf、Mo中的一种或一种以上；固相反应的温度500-650℃，时间为1-6小时；固相反应在惰性气体或微还原气氛下进行；反应后研磨成粒径为2μm左右的合金粉末。

3.按权利要求1所述的氮化铝与铜的结合方法，其特征在于，固相反应合成的共晶合金粉末，或直接涂布于AlN基板表面；或分散于有机溶液和高分子粘结剂构成的溶解液中制成涂层浆料，然后将浆料涂布于AlN基板表面，经干燥、脱脂后获得金属化的AlN基板；或共晶合金粉料用等离子喷涂方法直接喷涂在AlN基板上获得金属化基板；然后将Cu箔或Cu板覆盖在涂布或喷涂有共晶合金中间层的AlN基板上；涂布或喷涂层厚度10-15μm。

4.按权利要求3所述的氮化铝与铜的结合方法，其特征在于，AlN基板和Cu板表面的预先表面处理方法有超声波表面处理或粉末离子溅射；超声波处理用0.5-5μm的SiC颗粒时间1-3分钟。

5.按权利要求1或3所述的氮化铝与铜的结合方法，其特征在于，高温处理在10^-2-10^-4乇真空或Ar气氛或微还原气氛下进行，烧结温度范围900-1200℃，保温时间为2-12小时，压力范围0-6MPa。

6.按权利要求1或2所述的氮化铝与铜的结合方法，其特征在于，固相合成的共晶合金粉末组成(wt％)为Cu：22％，Ag：75％，Ti：2.0％，Hf：1.0％。

7.按权利要求1或2所述的氮化铝与铜的结合方法，其特征在于，固相合成的共晶合金粉末组成(wt％)Cu：21％，Ag：72％，Al：3.0％，Ti：3.0％，Hf：1.0％。

8.按权利要求1或2所述的氮化铝与铜的结合方法，其特征在于，固相合成的共晶合金粉末组成(wt％)Cu：21％，Ag：71％，Al：3.0％，Ti：3.0％，Ni：1.0％，Co：1.0％。

9.按权利要求1或2所述的氮化铝与铜的结合方法，其特征在于，固相合成的共晶合金粉末组成(wt％)Cu：21％，Ag：69％，Al：3.0％，Ti：2.0％，Zr：2.0％，Hf：1.0％，Co：1.0％，Mo：1.0％。