CN213818363U - 陶瓷覆铜板以及陶瓷电路板 - Google Patents
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Abstract
一种陶瓷覆铜板以及陶瓷电路板，属于覆铜板技术领域。陶瓷覆铜板包括层叠设置的陶瓷基板和导电铜板，陶瓷基板的至少一侧设置导电铜板，导电铜板包括单晶畴铜层和退火电镀铜层，其结构能够改善陶瓷覆铜板中的铜层出现裂纹和容易翘曲剥离的问题。
Description
技术领域
本申请涉及覆铜板技术领域，具体而言，涉及一种陶瓷覆铜板以及陶瓷电路板。
背景技术
陶瓷覆铜板材料相较于有机覆铜板具有更好的耐热稳定性、尺寸稳定性和散热能力。现有技术中一般通过将陶瓷基板和导电铜板直接高温键合成陶瓷覆铜板，在高温键合过程中，温度热传导于陶瓷覆铜板，加之铜与陶瓷热膨胀差异(铜17×10-6/K，陶瓷3～8×10-6/K)较大，陶瓷覆铜板界面将产生热应力，容易导致陶瓷覆铜板的导电铜板出现裂纹并容易翘曲剥离剥离。
实用新型内容
本申请提供了一种陶瓷覆铜板以及陶瓷电路板，其能够改善陶瓷覆铜板和陶瓷电路板中的铜层出现裂纹和容易翘曲剥离剥离的问题。
本申请的实施例是这样实现的：
第一方面，本申请实施例提供一种陶瓷覆铜板，包括：层叠设置的陶瓷基板和导电铜板，陶瓷基板的至少一侧设置导电铜板，导电铜板包括单晶畴铜层，单晶畴铜层靠近所述陶瓷基板的表面设置。
第三方面，本申请实施例提供陶瓷电路板，其包括：层叠设置的陶瓷基板和导电铜线路，陶瓷基板的至少一侧设置导电铜线路，导电铜线路包括单晶畴铜层，单晶畴铜层靠近所述陶瓷基板的表面设置。
本申请实施例的陶瓷覆铜板以及陶瓷电路板有益效果包括：
申请人研究发现，铜板晶粒尺寸小，晶界数量多，将无法抑制热应力对陶瓷覆铜板铜层的位错，会加剧铜层的裂纹、翘曲剥离可靠性问题的产生。因而，本申请实施例中的陶瓷覆铜板采用具有单晶畴铜层的导电铜板，陶瓷电路板采用具有单晶畴铜层的导电铜线路，单晶畴铜层中的铜为单晶畴铜，单晶畴铜不存在晶界，能够显著改善陶瓷电路板的铜层裂纹和容易翘曲剥离的问题，提高导电性能和可靠性，较好满足大电流的功率模块、电力电子元器件等领域的性能要求。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本申请实施方式的第一种陶瓷覆铜板的结构示意图；
图2为本申请实施方式的第二种陶瓷覆铜板的结构示意图；
图3为本申请实施方式的第三种陶瓷覆铜板的结构示意图；
图4为本申请实施方式的第四种陶瓷覆铜板的结构示意图；
图5为本申请实施例1的单晶畴铜层的电子显微镜图；
图6为本申请实施例1的多晶铜板的电子显微镜图。
图标：10-陶瓷覆铜板；11-陶瓷基板；12-导电铜板；121-单晶畴铜层；122-退火电镀铜层；13-钎料层。
具体实施方式
下面将结合实施例对本申请的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本申请，而不应视为限制本申请的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
陶瓷覆铜板10一般包括陶瓷基板11和导电铜板12，陶瓷覆铜板10在制备过程中因高温容易产生热应力，另外，陶瓷覆铜板10在使用过程中，反复的通电、停电而产生的升温、降温热传导于陶瓷覆铜板10，加之铜与陶瓷热膨胀差异较大，陶瓷覆铜板10界面将反复产生热应力，申请人研究发现，铜板晶粒尺寸小，晶界数量多会导致内应力增大，从而加剧陶瓷覆铜板10和陶瓷电路板中的铜层出现裂纹和翘曲剥离。基于此，本申请实施例提供一种陶瓷覆铜板10及其制备方法、陶瓷电路板，以改善陶瓷覆铜板10和陶瓷电路板中的铜层出现裂纹和容易翘曲剥离的问题。
以下针对本申请实施例的陶瓷覆铜板以及陶瓷电路板进行具体说明：
第一方面，本申请实施例提供一种陶瓷覆铜板10，请参照图1-图4，其包括：层叠设置的陶瓷基板11和导电铜板12，陶瓷基板11的至少一侧设置导电铜板12，导电铜板12包括单晶畴铜层121，单晶畴铜层121靠近陶瓷基板11的表面设置。
其中，可以是陶瓷基板11的一侧设置导电铜板12(参照图1和图3)，也可以是陶瓷基板11的相对两侧均设置导电铜板12(参照图2和图4)。需要说明的是，当陶瓷基板11的至少一侧设置导电铜板12时，可以是导电铜板12的单晶畴铜层121直接与陶瓷基板11的表面接触，也可以在陶瓷基板11和导电铜板12设置其他功能层。
本申请实施例中采用具有单晶畴铜层121的导电铜板12，单晶畴铜层121中的铜为单晶畴铜，每个单晶晶畴不存在晶界，可显著改善陶瓷覆铜板10中的铜层出现裂纹和翘曲剥离的问题，并能够提高陶瓷覆铜板10的导电性能。
在一种可能的实施方案中，单晶畴铜层121的单晶晶畴尺寸≥200*200mm，该晶粒尺寸较大，能够更好地降低陶瓷覆铜板10中的铜层出现裂纹和翘曲剥离的几率。可选地，单晶畴铜层121的单晶晶畴尺寸为200*200mm～400*400mm，例如为200*200mm、210*230mm、220*230mm、220*250mm、250*250mm、300*250mm、280*250mm、280*280mm、300*280mm、330*280mm、300*300mm、350*280mm、330*330mm、350*300mm、350*350mm、350*380mm、350*400mm和400mm*400mm中的任一者。
示例性地，单晶畴铜层121由多晶铜板经退火后得到。多晶铜板中含有多晶铜，多晶铜经退火处理后晶粒尺寸变大，同一面积的铜板内所含有的晶界变少，可能会变成只含有一个单晶。可选地，多晶铜板退火处理后，还可以进行裁剪，以将大尺寸、无晶界的单晶铜保留，其余的部分裁剪掉，从而保证单晶畴铜层121中只含有一个晶畴的单晶铜，从而显著改善陶瓷覆铜板10中的铜层出现裂纹和翘曲剥离的问题。
可选地，导电铜板12除了包括单晶畴铜层121，还包括退火电镀铜层122。当多晶铜板较厚时，增加晶粒尺寸、消除铜晶界的退火难度极大，消除可靠性风险的难度将更大。在导电铜板12厚度相同的情况下，相较于导电铜板12只包括单晶畴铜层121的方案，导电铜板12包括单晶畴铜层121和退火电镀铜层122，能够降低得到单晶畴铜层121的难度，另外，由于电镀铜层经退火后也会使得铜晶粒变大，也能显著改善陶瓷覆铜板10中的铜层出现裂纹和翘曲剥离的问题。
示例性地，单晶畴铜层121的厚度为25～75um。厚度为25～75um单晶畴铜层121由于厚度较薄，是比较容易经多晶铜板退火后得到的。可选地，单晶畴铜层121的厚度为25um、30um、35um、40um、45um、50um、55um、60um、65um、70um和75um中的任一者或者任意两者之间的范围。
进一步地，导电铜板12的厚度为100～600um。当导电铜板12的厚度为100～600um时，由于厚度较厚，如果导电铜板12只含有单晶畴铜层121，则由于退火难度极大是很难得到该厚度的单晶畴铜层121的。厚度为100～600um导电铜板12包括单晶畴铜层121和退火电镀铜层122，不仅降低了退火难度，而且退火电镀铜层122是经电镀铜层退火后得到，在退火过程中也会使得铜晶粒变大，含有单晶畴铜层121和退火电镀铜层122的导电铜板12也能显著改善陶瓷覆铜板10中的铜层出现裂纹和翘曲剥离的问题。
可选地，陶瓷基板11包括Al2O3、AlN、Si3N4、BeO、SiC和BN中的任一中。
示例性地，导电铜板12的铜晶格取向为Cu(111)、Cu(110)、Cu(211)和Cu(100)中的任一种。可以理解的是，当导电铜板12包括单晶畴铜层121和退火电镀铜层122时，单晶畴铜层121和退火电镀铜层122中的铜晶格取向均为Cu(111)、Cu(110)、Cu(211)和Cu(100)中的任一种。其中，单晶畴铜层121和退火电镀铜层122中的铜晶格，优选为是同一种晶格取向。
经申请人研究发现，这些铜晶格取向均能够缓和热应力导致的导电铜板12层的晶格位错，从而降低陶瓷覆铜板10中的铜层出现裂纹和翘曲剥离的几率。
进一步地，在一种可能的实施方案中，陶瓷基板11和导电铜板12之间还设置有钎料层13(参照图3和图4)。相较于导电铜板12形成与陶瓷基板11表面的方案，陶瓷基板11和导电铜板12之间还设置有钎料层13，钎料层13能够降低直接键合温度，从而进一步减小高温热应力的产生。另外，钎料层13的存在，能够减弱陶瓷基板11与导电铜板12之间的热膨胀系数相差过大而带来的热应力问题，从而提高陶瓷覆铜板10的热稳定性。能够显著改善陶瓷电路板的铜层裂纹和容易翘曲剥离的问题，提高导电性能和可靠性，较好满足大电流的功率模块、电力电子元器件等领域的性能要求。
第二方面，本申请实施例提供一种陶瓷覆铜板10的制备方法，包括：将陶瓷基板11和导电铜板12在加热条件下进行直接键合。
经陶瓷基板11和导电铜板12在加热条件下进行键合得到的陶瓷覆铜板10，由于导电铜板12包括了单晶畴铜层121，单晶畴铜层121中的铜为单晶畴铜，每个单晶晶畴不存在晶界，可显著改善陶瓷覆铜板10中的铜层出现裂纹和翘曲剥离的问题，并能够提高陶瓷覆铜板10的导电性能。示例性地，键合时的加热温度为1050～1100℃，例如为1050℃、1060℃、1070℃、1080℃、1090℃和1100℃中的任一者或者任意两者之间的范围。
在一种可能的实施方案中，导电铜板12的制作工艺包括：将多晶铜板进行第一次退火得到单晶畴铜层121，将单晶畴铜层121进行电镀增厚后在单晶畴铜层121表面形成电镀铜层，然后进行第二次退火得到导电铜板12。
多晶铜板进行退火后铜晶粒尺寸变大，所含有的晶界变少，最后铜板只含有一个铜单晶。通过电镀增厚的方式在单晶畴铜层121表面形成电镀铜层，进行第二次退火，单晶畴铜层121的晶粒尺寸进一步变大，电镀铜层经退火后会使得铜晶粒变大，单晶畴铜层121和退火电镀铜层122的晶粒尺寸变大，单晶畴铜层121没有晶界，能显著改善陶瓷覆铜板10中的铜层出现裂纹和翘曲剥离的问题，同时也降低了得到单晶畴铜层121的退火难度。
示例性地，电镀过程的电流密度为0.3-4ASD。在电镀增厚的过程中，如果电流密度太大容易造成增厚不均匀，如果电流密度太小不容易成功镀上铜，电流密度选择为0.3-4ASD，能够使得单晶畴铜层121表面比较均匀地形成电镀铜层。
另外，示例性地，第一次退火的温度范围为800～1075℃，例如为800℃、850℃、900℃、950℃、1000℃、1050℃和1075℃中的任一者或者任意两者之间的范围。可选地，第一次退火的时间范围为1～4h，例如为1h、2h、3h或4h。
示例性地，第二次退火的温度范围为500～1075℃，例如为500℃、600℃、700℃、800℃、900℃、1000℃和1075℃中的任一者或者任意两者之间的范围。退火电镀铜层122的退火难度比得到单晶畴铜层121的退火难度小，因而，第二次退火温度可小于第一次退火温度。可选地，第二退火时间为1～2h。
进一步地，当陶瓷覆铜板10包括钎料层13时，先采用钎料在陶瓷基板11上进行钎料形成钎料层13，然后再将导电铜板12与表面具有钎料层13的陶瓷基板11在加热的条件下进行键合。
第三方面，本申请实施例还提供一种陶瓷电路板，其由第一方面实施例的陶瓷覆铜板10经线路刻蚀得到。
陶瓷覆铜板10经线路刻蚀后去掉部分导电铜板12，在陶瓷基板11表面形成导电铜线，由于导电铜线的单晶畴铜层121不存在晶界，可显著改善陶瓷电路板中的铜层出现裂纹和翘曲剥离的问题。
以下结合实施例对本申请的陶瓷覆铜板10及其制备方法、陶瓷电路板作进一步的详细描述。
实施例1
本实施例提供一种陶瓷覆铜板，其包括层叠设置的陶瓷基板和导电铜板，陶瓷基板的一侧设置导电铜层，其制备工艺包括：
将厚度为50um的多晶铜板在1050℃的条件下进行第一次退火得到单晶畴铜层，将单晶畴铜层进行电镀增厚后在单晶畴铜层表面形成厚度为200um的电镀铜层，然后在700℃的条件下进行第二次退火得到具有单晶畴铜层和退火电镀铜层的导电铜板。
将导电铜板与厚度为200um的陶瓷基板在1050℃的温度条件下进行键合并使得单晶畴铜层与陶瓷基板接触。
实施例2
本实施例提供一种陶瓷覆铜板，其包括层叠设置的陶瓷基板和导电铜板，陶瓷基板的两侧均设置导电铜层，其制备工艺包括：
将厚度为75um多晶铜板进行在1000℃的条件下第一次退火得到单晶畴铜层，将单晶畴铜层进行电镀增厚后在单晶畴铜层121表面形成厚度为400um电镀铜层，然后进行800℃的条件下第二次退火得到具有单晶畴铜层和退火电镀铜层的导电铜板。
将导电铜板与厚度为400um陶瓷基板在1050℃的温度条件下进行键合并使得单晶畴铜层与陶瓷基板接触。
实施例3
本实施例提供一种陶瓷覆铜板，其包括层叠设置的陶瓷基板和导电铜板，陶瓷基板的一侧设置导电铜层，陶瓷基板和导电铜板之间设置钎料层，其制备工艺包括：
将厚度为50um的多晶铜板在1050℃的条件下进行第一次退火得到单晶畴铜层，将单晶畴铜层进行电镀增厚后在单晶畴铜层表面形成厚度为200um的电镀铜层，然后在700℃的条件下进行第二次退火得到具有单晶畴铜层和退火电镀铜层的导电铜板。
将含有银的钎料钎焊在厚度为200um陶瓷基板的一侧表面形成钎料层，然后将具有钎料层的陶瓷基板与导电铜板在1050℃的温度条件下进行键合并使得单晶畴铜层与钎料层接触。
实施例4
本实施例提供一种陶瓷覆铜板，其包括层叠设置的陶瓷基板和导电铜板，陶瓷基板的一侧设置导电铜层，其制备工艺包括：
将厚度为75um多晶铜板在1000℃的条件下进行退火得到单晶畴铜层，将单晶畴铜层进行电镀增厚后在单晶畴铜层表面形成厚度为400um电镀铜层以得到导电铜板。
将导电铜板与厚度为400um陶瓷基板在1050℃的温度条件下进行键合并使得单晶畴铜层与陶瓷基板接触。
实施例5
本实施例提供一种陶瓷覆铜板，其包括层叠设置的陶瓷基板和导电铜板，陶瓷基板的一侧设置导电铜层，其制备工艺包括：
将厚度为20um的多晶铜板在1050℃的条件下进行第一次退火得到单晶畴铜层，将单晶畴铜层进行电镀增厚后在单晶畴铜层表面形成厚度为200um的电镀铜层，然后在700℃的条件下进行第二次退火得到具有单晶畴铜层和退火电镀铜层的导电铜板。
将导电铜板与厚度为200um的陶瓷基板在1050℃的温度条件下进行键合并使得单晶畴铜层与陶瓷基板接触。
对比例1
本对比例提供一种陶瓷覆铜板，其包括层叠设置的陶瓷基板和导电铜板，陶瓷基板的一侧设置导电铜层，其制备工艺包括：
将厚度为250um的多晶铜板与厚度为200um的陶瓷基板在1050℃的温度条件下进行键合。
试验例1
将实施例1、实施例2制得的单晶畴铜层和实施例1和实施例2的多晶铜板进行性能检测，结果记录在表1中，其检测方法如下：
(1)晶界数量检测：金相显微镜观察，随机取250*400mm范围内的晶界数量。
(2)硬度：《GB-T4340.1-2009》。
(3)导电率：《GB-T351-2009》。
(4)铜纯度和氧含量检测：《GB/T 5121.1-2008》。
表1.单晶畴铜层和多晶铜板的性能测试结果
从表1的结果可以看出，本申请实施例的单晶畴铜层和多晶铜板相比，导电率更高，导电性能更好。
试验例2
将实施例1的单晶畴铜层和多晶铜板在电子显微镜下观察，观察到的照片如图5和图6所示。
试验例3
对实施例1-实施例5以及对比例1制得的陶瓷覆铜板的可靠性性能进行测试，其测试方法如下：每种试样准备5个，样品交替地投入-65℃的乙醇与干冰的混合冷冻剂中和150℃的高温油浴中，按各保持5min设为1个循环，反复进行500次循环后，确认每种试样的陶瓷覆铜板是否产生裂纹，翘曲高度，导电铜板是否从陶瓷基板发生剥离和分层起泡问题。其中，测试结果记录在表2中。
表2.可靠性性能测试结果
从表2的结果可以看出，本申请实施例1-5的陶瓷覆铜板中只有实施例4的陶瓷覆铜板出现了裂纹和剥离起泡，但是与对比例1相比，其出现裂纹和剥离起泡的几率也较低。说明了本申请实施例1～5制得的陶瓷覆铜板均能够改善铜层出现裂纹和翘曲剥离的问题。将实施例4与实施例1进行对比，实施例4在单晶畴铜层表面形成电镀铜层后没有进行退火，其出现裂纹和剥离起泡的几率比实施例1高，说明了导电铜板包括退火电镀铜层能够更好地改善铜层出现裂纹和翘曲剥离的问题。
以上所述仅为本申请的具体实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种陶瓷覆铜板，其特征在于，包括：层叠设置的陶瓷基板和导电铜板，所述陶瓷基板的至少一侧设置所述导电铜板，所述导电铜板包括单晶畴铜层，所述单晶畴铜层靠近所述陶瓷基板的表面设置。
2.根据权利要求1所述的陶瓷覆铜板，其特征在于，所述单晶畴铜层的单晶晶畴尺寸≥200*200mm。
3.根据权利要求1所述的陶瓷覆铜板，其特征在于，所述导电铜板还包括退火电镀铜层。
4.根据权利要求3所述的陶瓷覆铜板，其特征在于，所述单晶畴铜层的厚度为25～75um。
5.根据权利要求4所述的陶瓷覆铜板，其特征在于，所述导电铜板的厚度为100～600um。
6.根据权利要求1-4任一项所述的陶瓷覆铜板，其特征在于，所述导电铜板的铜晶格取向为Cu(111)、Cu(110)、Cu(211)和Cu(100)中的任一种。
7.根据权利要求1-4任一项所述的陶瓷覆铜板，其特征在于，所述陶瓷基板和所述导电铜板之间还设置有钎料层。
8.一种陶瓷电路板，其特征在于，其包括：层叠设置的陶瓷基板和导电铜线路，所述陶瓷基板的至少一侧设置所述导电铜线路，所述导电铜线路包括单晶畴铜层，所述单晶畴铜层靠近所述陶瓷基板的表面设置。
9.根据权利要求8所述的陶瓷电路板，其特征在于，所述单晶畴铜层的单晶晶畴尺寸≥200*200mm。
10.根据权利要求8所述的陶瓷电路板，其特征在于，所述导电铜线路还包括退火电镀铜层。
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| CN202023351264.1U CN213818363U (zh) | 2020-12-31 | 2020-12-31 | 陶瓷覆铜板以及陶瓷电路板 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112738988A (zh) * | 2020-12-31 | 2021-04-30 | 松山湖材料实验室 | 陶瓷覆铜板及其制备方法、陶瓷电路板 |
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2020
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