CN1396037A - 氮化铝与铜的高温钎焊方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种氮化铝和铜的高温钎焊工艺。其特征在于中间层组成为Ag 40－75％，Cu 10－45％，Ti 0.1－8％，其余为Al、Ni、Zr、Co、Mn、W中的一种或几种(质量)；高温钎焊温度不高于1000℃，时间不超过120分钟，压力不大于1兆帕，气氛为真空或非氧化性气氛。中间层以粉末直接均匀置于AlN基片和Cu之间；或将中间层粉末分散于由分散剂和有机粘结剂构成的溶液中得到涂层浆料再用丝网印刷法将涂层浆料涂布于AlN基板和Cu之间；或将中间层粉末压制成厚度不超过0.4mm的箔片后，置于AlN基片和Cu之间。本发明提供的钎焊工艺，保证了AlN和Cu结合强度，钎焊过程中没有引入氧化物和玻璃态物质，也没有氧化物或玻璃态物质生成，因此对AlN基板的性能基本无影响。

Description

氮化铝与铜的高温钎焊方法

技术领域

本发明涉及氮化铝(AlN)陶瓷与金属铜(Cu)的高温钎焊方法，更确切的说是涉及AlN基片与金属Cu的钎焊工艺，属于陶瓷和金属的钎焊工艺领域。

背景技术

随着信息技术和微电子技术的迅速发展，电子器件中集成电路不断向多功能、小型化、高度集成以及高效率等方向发展，导致了电子器件装置中散热量急剧增大，这就需要散热材料具有很高的热导率和良好的电绝缘性。目前电子器件中通常采用氧化铝(Al₂O₃)陶瓷作为散热材料，Al₂O₃陶瓷基板与电极材料铜(Cu)的直接结合(焊接)技术也比较成熟。但是，Al₂O₃的热导率很低，仅为15～20W/m·K，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κ可达150～200W/m·K，且具有良好的电绝缘性，是难得的基板材料。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，虽然AlN与Cu能够结合，但是引入的氧化物，其热导率都很低(小于10W/mK)，大大降低了AlN的导热性能。1996年公开的中国专利(申请号95108652.9，公开号CN 1121499A)中通过AlN素坯(即未烧结的陶瓷基片)涂覆金属层后培烧得到金属化的AlN陶瓷基片。但是这种方法烧结出的AlN陶瓷基片的性能(热导率)远远低于商业化使用的AlN陶瓷，且工艺十分复杂繁琐，还需要引入一些玻璃态化合物才能实现AlN基片的金属化，这些玻璃态化合物的热导率极低，仅为4～8W/mK，严重影响了AlN基片的导热性能。1997年公开的中国专利(申请号96110998.x，公开号CN 1146055A)中利用氧化膜实现AlN陶瓷基片的金属化，这种方法不仅引入了氧化物降低了基板的性能，而且金属化层需要的较多贵重金属，也使得制造成本大大提高。

本项发明的主要发明人曾就氮化铝与铜的结合方法提出了申请(申请号02110719.X，申请日2002年1月31日)，但在该申请中发明人使用的是利用Ag、Cu、Ti，余量为Al、Ni、Co、Zr、Hf、Mo的金属粉末之间的固相反应制备共晶合金中间层，然后研磨得到粒径2μm左右的合金粉末，再涂布在AlN和Cu表面于高温热压或无压烧结，显然其工艺过程繁琐。能否直接通过选择合理的配比，不通过共晶过程，直接用粉末混合涂布在AlN和Cu之间，借鉴金属材料领域已成熟的钎焊工艺来实现AlN和Cu之间的接合。

发明内容

本发明的目的旨在通过在AlN和Cu之间引入具有较高热导率的非氧化物中间层实现一种结合强度高、热稳定性好、工艺简单方便且成本低廉的AlN与Cu的直接结合(焊接)。

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，中间层与基板材料在高温下反应生成的热膨胀系数介于AlN和Cu之间的化合物，可以有效地缓和由热膨胀系数差异所产生的热应力。此外，在高温钎焊的同时对基板施加一定的压力，实现了AlN和Cu的良好结合。

本发明所使用的原料价格不高，制造成本较低，可应用于商业生产。

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。将一定成分的活泼金属粉末均匀置于AlN与Cu之间，经过一定压力下的高温钎焊实现AlN-Cu的直接结合。具体包括以下步骤：

1.中间层的制备

中间层由含有Ag、Cu、Ti，余量为Al、Ni、Zr、Co、Mn、W的金属粉末按一定比例均匀混合后得到。主要成分配比(质量百分比，如无特殊说明以下均为质量百分比)为Ag：40～75％，Cu：10～45％，Ti：0.1～8％，其余为Al、Ni、Zr、Co、Mn、W中的一种或几种。金属粉末平均粒径范围为50～500目。

本发明使用三种方式将中间层均匀分布于AlN基板和Cu之间。(1)将中间层粉末直接均匀置于AlN基板和Cu之间；(2)将中间层粉末分散于由分散剂(如羟乙基纤维素、二甘醇等)和有机粘结剂(如松油脂、聚丙稀酸甲脂等)构成的溶剂中得到涂层浆料，然后用丝网印刷法将涂层浆料均匀涂布于AlN基板和Cu之间；(3)将中间层粉末压制成厚度不超过0.4mm的箔片(foil)，然后将此箔片置于AlN和Cu之间。

将上述方法得到的“AlN-中间层-Cu”坯体水平放置，再在其垂直方向上施加一定的压力。AlN基板表面和Cu表面应预先经过表面处理，以获得具有一定粗糙度(不大于1.0μm)的表面。表面预处理方法有超声波表面处理、化学腐蚀等。

2.高温钎焊

上述步骤所得坯体(AlN-中间层-Cu，此结构为三明治型)经过高温钎焊可以得到AlN-Cu的复合基板材料。

高温处理在真空或非氧化性气氛(氮气、氩气、氩气和氢气的混合气体、氮气和氢气的混合气体)下进行。真空度为10^-4～10^-1Torr；钎焊的温度不高于1000℃；钎焊时间不超过120分钟(min)。钎焊时使用的压力不大于1兆帕(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的高温钎焊技术。AlN基板与Cu之间引入中间层后经过高温钎焊可以得到AlN-Cu的复合基板材料。中间层在高温钎焊过程中产生的金属液相改善了AlN与Cu之间界面的润湿性，缓解了AlN与Cu之间的界面失配(mismatch)现象。同时，在高温钎焊过程中中间层与基板材料反应所生成的化合物，其热膨胀系数、热导率等物理化学性能均介于AlN和Cu之间，有效地减缓了由热膨胀系数的差异而产生的热应力，从而增强了AlN-Cu复合基板材料的抗热振性和热稳定性，保证了AlN和Cu结合的高强度。此外，整个高温钎焊过程没有引入氧化物，也没有氧化物的生成，因此对AlN基板的性能基本没有影响。

具体实施方式

实施例1  中间层成分为Ag-Cu-Ti，比例为Ag-69.7％，Cu-28.6％，Ti-1.7％。

将平均粒径为300目的这三种金属粉末按比例混合均匀后，直接置于AlN和Cu之间，中间层厚度控制在0.1～0.3mm。将基板水平放置，在垂直方向上施加0.15MPa的压力。

钎焊在真空(约10^-2Torr)，850℃的条件下进行，钎焊时间为30min。

经过测试，基板抗拉强度为1.8kg/mm²，抗热振性为1150cycles(循环)。

或将均匀混合后的金属粉末分散于由磷酸二丁脂、松油脂、聚丙稀酸甲脂和二甘醇构成的溶液中形成涂层浆料，再用丝网印刷法将此浆料涂布于AlN基板和Cu板之间，然后进行高温钎焊；或将混合均匀的金属粉末压制成箔片后置于AlN和Cu之间，再进行高温钎焊。具体工艺条件见表1。

实施例2  中间层成分为Ag-Cu-Ti-Al，比例为Ag-64.5％，Cu-25.4％，Ti-7.9％，Al-2.2％。

将这四种金属粉末(平均粒径为300目)按比例混合均匀后，分散于由分散剂和有机粘结剂构成的溶液中得到涂层浆料，然后用丝网印刷法将此涂层浆料均匀涂布于AlN和Cu之间。将基板水平放置，在垂直方向上施加0.2MPa的压力，将涂层中气体排出。

经过干燥，脱脂后中间层厚度为0.05～0.2mm。(AlN基板和Cu预先经过平均粒度为0.5μm的金刚砂的表面超声波处理，表面粗糙度为0.25～0.3μm。)

钎焊在氩气气氛，900℃的条件下进行，钎焊时间为45min。

经过测试，基板抗拉强度为2.5kg/mm²，抗热振性为1350 cycles。

本实施例的其它工艺条件，详见表1所示。

实施例3  中间层成分为Ag-Cu-Ti-Al，比例为Ag-65.9％，Cu-26.7％，Ti-6.3％，Al-1.1％。

将这四种金属粉末(平均粒径为300目)按比例混合均匀后压制成厚度为0.05～0.2mm的箔片，置于AlN和Cu之间，得到“AlN-foil-Cu”(三明治结构)。将基板水平放置，在垂直方向上施加0.17MPa的压力。

AlN基板和Cu预先经过表面超声波处理(同实施例2的条件)，表面粗糙度为0.25～0.3μm。

钎焊在氮气气氛，875℃的条件下进行，钎焊时间为60min。

经过测试，基板抗拉强度为3.1kg/mm²，抗热振性为1450 cycles。

实施例4、5的中间层成分和工艺参数见表1。(实施方式类似于实施例1或2或3，其中中间层其它成分分别为Ni、Zr、Co、Mn、W中的一种或两种，加入量分别为0.7wt％和1.4wt％)

               表1    本发明的实施条件汇总

实施例	中间层成分(wt％)					真空(V)/气氛	直接(D)丝网(S)薄片(F)	压力(MPa)	温度(℃)	钎焊时间(min)
											Ag	Cu	Ti	Al	其它
	1	69.70	28.60	1.7	0											0	V	D	0.15	850	30
69.70						28.60	1.7	0	0	N2	D	0.15	850	60
		69.70	28.60	1.7	0										0	N2	S	0.20	845	120
69.70						28.60	1.7	0	0	Ar	F	0.15	850	90
		2	64.50	25.40	7.9										2.2	0	V	D	0.20	900	30
64.50	25.40					7.9	2.2	0	N2	S	0.30	900	60
			64.50	25.40	7.9									2.2	0	N2	F	0.20	900	30
64.50	25.40					7.9	2.2	0	Ar	S	0.20	900	45
			3	65.90	26.70									6.3	1.1	0	V	D	0.08	875	45
65.90	26.70	6.3				1.1	0	Ar	F	0.15	875	30
				65.90	26.70								6.3	1.1	0	Ar+H2	S	0.14	875	60
65.90	26.70	6.3				1.1	0	N2	F	0.17	875	60
				4	65.10								25.30	7.6	1.3	0.7	V	S	0.14	890	45
5	58.60	32.40	5.2			3.4	1.4	N2+H2	F	0.12	1000	15

Claims (4)

1.一种氮化铝和铜的高温钎焊方法，其特征在于：

(1)中间层组成为Ag 40-75％，Cu 10-45％，Ti 0.1-8％，其余为Al、Ni、Zr、Co、Mn、W中的一种或几种(质量)；

(2)高温钎焊温度不高于1000℃，时间不超过120分钟，压力不大于1兆帕，气氛为真空或非氧化性气氛。

2.按权利要求1所述的高温钎焊方法，其特征在于中间层以三种方式均匀分布于AlN基片和Cu之间：

(1)中间层粉末直接均匀置于AlN基片和Cu之间；

(2)将中间层粉末分散于由分散剂和有机粘结剂构成的溶液中得到涂层浆料，再用丝网印刷法将涂层浆料涂布于AlN基板和Cu之间；

(3)将中间层粉末压制成厚度不超过0.4mm的箔片后，置于AlN基板和Cu之间。

3.按权利要求1或2所述的高温钎焊方法，其特征在于中间层金属粉末平均粒径范围为50-500目；AlN基板和Cu表面经超声波处理或化学腐蚀等表面预处理，得到的表面粗糙度不大于1.0μm。

4.按权利要求1所述的高温钎焊方法，其特征在于真空钎焊的真空度为10^-4～10^-1乇；非氧化性气氛为氮气或氩气或氢气和氩气的混合气体或氢气和氮气的混合气体。