一種AlN陶瓷敷銅基板及其制備方法
【專利摘要】本發明提供了一種AlN陶瓷敷銅基板，包括：AlN陶瓷基板、敷接于AlN陶瓷基板上的銅箔，其特征在于：所述AlN陶瓷基板與銅箔之間形成尖晶石結構化合物改性層，所述尖晶石結構化合物改性層中含有CuAlO2、CuAl2O4，以及Cu2O、CuO中的一種或兩種。本發明還提供上述AlN陶瓷敷銅基板的制備方法方法。本發明通過噴涂納米Cu2O在AlN基板表面，先后在微氧含量的惰性氣體以及空氣中燒結，后用酸洗的方式去除表面氧化物。所制備的改性層與基體陶瓷結合緊密，和Cu箔亦有良好的親和特性。所用Cu箔在配制的溶液中一定溫度下放置規定的時間可以在Cu箔表面形成均勻的氧化層，更有利于AlN-DBC工藝。
【專利說明】一種AIN陶瓷敷銅基板及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及到一種AlN陶瓷敷銅基板及其制備方法，屬于陶瓷金屬化領域。
【背景技術】
[0002]AlN陶瓷以其優異的導熱性能、較好的介電常數和Si匹配的熱膨脹系數等優點而廣泛應用在微電子、光電子等領域，AlN陶瓷表面金屬化方式多樣，如化學鍍、DPC、釬焊法等，對于電力電子來說直接敷銅法(DBC)是較為理想的選擇，AlN-DBC能滿足電力電子器件高熱導、高可靠、大電流等較為苛刻的要求。
[0003]AlN陶瓷一個顯著的特性是抗熔融金屬的侵蝕性，那么依靠液相直接潤濕AlN陶瓷就變得較為困難。因此，在DBC工藝中將AlN陶瓷表面改性是必要的。傳統的DBC工藝中通常需要將AlN陶瓷在1200°C以上高溫氧化使之表面生成一層Al2O3薄膜作為過渡層然后再和Cu在1065°C — 1083°C范圍內實現結合。但是大面積、連續的銅和Al2O3的結合相對困難，在銅和陶瓷結合處多存在氣泡、白點等缺陷，這些缺陷的存在顯然降低AlN-DBC基板的剝離強度、結合強度、耐熱沖擊、熱導率等性能。

【發明內容】

[0004]本發明的目的是為了解決現有技術中的AlN陶瓷敷銅基板的制備方法難以實現AlN陶瓷基板與銅箔的可靠敷接的技術問題。
[0005]為達到發明目的，本發明采用的技術方案為:一種AlN陶瓷敷銅基板，包括:A1N陶瓷基板、敷接于AlN陶瓷基板 上的銅箔，所述AlN陶瓷基板與銅箔之間形成尖晶石結構化合物改性層，所述尖晶石結構化合物改性層中含有CuA102、CuAl2O4,以及Cu20、CuO中的一種或兩種。
[0006]另外，本發明還提供了上述AlN陶瓷敷銅基板的制備方法，包括下述步驟:
51、噴涂納米Cu2O在AlN陶瓷基板表面上形成化合物鍍層；
52、對該具有化合物鍍層的AlN陶瓷基板，先后在微氧含量的惰性氣體和空氣中高溫燒結，后用酸洗的方式去除表面氧化物，然后烘干；
53、將尺寸合適的銅箔用化學氧化方法預氧化，預氧化溶液藥品包含Na2S208、K2S2O8中的一種，以及NaOH、KOH中的一種；
54、將步驟S2得到的AlN陶瓷基板和步驟S3得到的銅箔進行敷接，制得AlN陶瓷敷銅基板。
[0007]優選的，所述AlN陶瓷基板的厚度為0.38^1.0mm ;所述銅箔的厚度為0.2^0.3mm。
[0008]優選的，所述AlN陶瓷基板的厚度為0.63mm ;所述銅箔的厚度為0.3mm。
[0009]優選的，步驟SI中選用粒徑為100 nm以下的納米Cu2O,化合物鍍層厚度為
0.05^0.15mm。
[0010]優選的，步驟SI中化合物鍍層厚度為0.1mm。
[0011]優選的，步驟S2中所述的先后在微氧含量的惰性氣體和空氣中高溫燒結，是指先在微氧含量的惰性氣體Ar保護狀態下燒結到Tl溫度，保溫tl時間，再在空氣中以1-1.50C /min的升溫速率從Tl溫度升溫到T2溫度，保溫t2時間，其中Tl為900-l000℃，tl時間為l0-60Min，T2為1080~1100。。，t2時間為l(T60Min，然后在質量濃度為5%的HCl溶液中放置l0-60Min。
[0012]優選的，所述Tl為1000°C，tl時間為40Min，升溫速率為1°C /min，T2為1090°C，t2時間為40Min，酸洗時間為40min。
[0013]優選的，所述步驟S4在氣氛爐中進行，保護氣氛為純度大于或者等于99.99%的N2，溫度為 107(Tl080°C，時間為 5~20 Min。
[0014]優選的，所述步驟S4中溫度為1075°C，時間為15Min。
[0015]實施本發明的有益效果:
1、采用噴涂的方法可以控制AlN陶瓷基板表面的化合物鍍層的厚度。
[0016]2、通過高溫燒結，化合物鍍層在自身燒結致密的同時，化合物鍍層與AlN陶瓷基板緊密結合在一起，形成的均勻致密的尖晶石結構化合物改性層，可將AlN陶瓷基板與銅箔完全隔開，避免了 Cu-O共晶液相滲透到內部的AlN層與AlN反應生成氣泡，從而提高了成品率；
3、A1N陶瓷基板表面尖晶石結構化合物改性層的引入，在很大程度上改善了 Cu-O共晶液相對AlN陶瓷基板表面的潤濕程度，降低了潤濕角，使得Cu-O共晶液相能夠充分潤濕AlN陶瓷基板的表面，使得銅箔與AlN陶瓷基板的接合更容易實現；同時，化合物改性層也改善了由于銅箔與AlN陶瓷基板的熱應力不匹配導致的AlN陶瓷覆銅基板內部應力過大的缺陷。
【具體實施方式】
[0017]實施例1
本AlN陶瓷敷銅基板的制備方法，包括下述步驟:
51、噴涂:使用噴涂的方法在清洗過的厚度為0.63mmAlN陶瓷基板的表面進行噴涂鍍膜，使AlN陶瓷基板的表面形成一納米Cu2O鍍層，最終需要的鍍層厚度控制在0.1mm ；
52、燒結:將經過噴涂后，表面形成有化合物鍍層的AlN陶瓷基板先放在微氧含量的惰性氣體Ar保護狀態下燒結到1000°C溫度，保溫40Min，然后在空氣中1°C /min的升溫速率從1000°C溫度升溫到1090°C溫度，保溫40Min。再在質量濃度為5%的HCl溶液中放置40Min，去除表面氧化物。在燒結過程中，AlN陶瓷基板的表面氧化形成Al2O3薄層的同時，化合物鍍層也能發生相關反應，各種化學反應式具體如下:
Α1Ν+02 — Al2O3+ N2 個
Al2O3+ Cu2O — Cu AlO2
A1N+Cu20+02 — Cu AlO2+ N2 ?
由上可知，化合物鍍層在自身燒結致密的同時，還會與AlN陶瓷(或者AlN陶瓷表面的Al2O3層)緊密結合到一起。
[0018]S3、銅箔的化學預氧化:將裁剪合適尺寸的銅箔放入質量濃度為5%的Na2S208、10%的NaOH的溶液中在25°C下浸泡5Min銅箔表面生成Cu2O ;所述銅箔的厚度為0.3mm。具體化學方程式如下:Na2S208+2Cu+2 NaOH — Cu2O I +2 Na2S04+H20。
[0019]S4、銅箔與AlN陶瓷基板的敷接:將經過高溫燒結的AlN陶瓷基板與經過預氧化的銅箔疊合后放入管式氣氛爐中進行敷接，保護氣氛為N2 (純度> 99.99%)，敷接溫度為1075°C，銅箔的表面形成Cu-O共晶液相，保溫時間為15Min，然后冷卻到室溫，然后去除銅箔非結合面上的預氧化層，制得AlN陶瓷敷銅基板。
[0020]最后得到的AlN陶瓷敷銅基板中，剝離強度≥6N/mm ;氣泡率≤10%。
[0021]實施例2
本AlN陶瓷敷銅基板的制備方法，包括下述步驟:
51、噴涂:使用噴涂的方法在清洗過的厚度為0.38mmAlN陶瓷基板的表面進行噴涂鍍膜，使AlN陶瓷基板的表面形成一納米Cu2O鍍層，最終需要的鍍層厚度控制在0.05mm ；
52、燒結:將經過噴涂后，表面形成有化合物鍍層的AlN陶瓷基板先放在微氧含量的惰性氣體Ar保護狀態下燒結到900°C溫度，保溫lOMin，然后在空氣中1.5°C /min的升溫速率從900°C溫度升溫到1100°C溫度，保溫lOMin。再在質量濃度為5%的HCl溶液中放置lOMin，去除表面氧化物；
53、銅箔的化學預氧化:將裁剪合適尺寸的銅箔放入質量濃度為5%的Na2S208、10%的KOH的溶液中在25°C下浸泡5Min銅箔表面生成Cu2O ;所述銅箔的厚度為0.2mm。
[0022]S4、銅箔與AlN陶瓷基板的敷接:將經過高溫燒結的AlN陶瓷基板與經過預氧化的銅箔疊合后放入管 式氣氛爐中進行敷接，保護氣氛為N2 (純度> 99.99%)，敷接溫度為1070 V，銅箔的表面形成Cu-O共晶液相，保溫時間為20Min，然后冷卻到室溫，然后去除銅箔非結合面上的預氧化層，制得AlN陶瓷敷銅基板。
[0023]最后得到的AlN陶瓷敷銅基板剝離強度≥5N/mm ;氣泡率≤10%。
[0024]實施例3
本AlN陶瓷敷銅基板的制備方法，包括下述步驟:
51、噴涂:使用噴涂的方法在清洗過的厚度為1.0mmAlN陶瓷基板的表面進行噴涂鍍膜，使AlN陶瓷基板的表面形成一納米Cu2O鍍層，最終需要的鍍層厚度控制在0.15mm ；
52、燒結:將經過噴涂后，表面形成有化合物鍍層的AlN陶瓷基板先放在微氧含量的惰性氣體Ar保護狀態下燒結到1000°C溫度，保溫60Min，然后在空氣中1.2V /min的升溫速率從1000°C溫度升溫到1080°C溫度，保溫60Min。再在質量濃度為2.5%的HCl溶液中放置60Min,去除表面氧化物。
[0025]S3、銅箔的化學預氧化:將裁剪合適尺寸的銅箔放入質量濃度為5%的K2S208、10%的NaOH的溶液中在25°C下浸泡5Min銅箔表面生成Cu2O ;所述銅箔的厚度為0.25mm。
[0026]S4、銅箔與AlN陶瓷基板的敷接:將經過高溫燒結的AlN陶瓷基板與經過預氧化的銅箔疊合后放入管式氣氛爐中進行敷接，保護氣氛為N2 (純度> 99.99%)，敷接溫度為1080°C，銅箔的表面形成Cu-O共晶液相，保溫時間為5Min，然后冷卻到室溫，然后去除銅箔非結合面上的預氧化層，制得AlN陶瓷敷銅基板。
[0027]最后得到的AlN陶瓷敷銅基板≥5N/mm ;氣泡率≤13%。
[0028]實施例4
本AlN陶瓷敷銅基板的制備方法，包括下述步驟:
S1、噴涂:使用噴涂的方法在清洗過的厚度為1.0mmAlN陶瓷基板的表面進行噴涂鍍膜，使AlN陶瓷基板的表面形成一納米Cu2O鍍層，最終需要的鍍層厚度控制在0.1mm ；
S2、燒結:將經過噴涂后，表面形成有化合物鍍層的AlN陶瓷基板先放在微氧含量的惰性氣體Ar保護狀態下燒結到950°C溫度，保溫30Min，然后在空氣中1.3°C /min的升溫速率從950°C溫度升溫到1090°C溫度，保溫30Min。再在質量濃度為5%的HCl溶液中放置50Min,去除表面氧化物。
[0029]S3、銅箔的化學預氧化:將裁剪合適尺寸的銅箔放入質量濃度為5%的K2S208、10%的KOH的溶液中在25°C下浸泡5Min銅箔表面生成Cu2O ;所述銅箔的厚度為0.25mm。
[0030]S4、銅箔與AlN陶瓷基板的敷接:將經過高溫燒結的AlN陶瓷基板與經過預氧化的銅箔疊合后放入管式氣氛爐中進行敷接，保護氣氛為N2 (純度> 99.99%)，敷接溫度為1075°C，銅箔的表面形成Cu-O共晶液相，保溫時間為13Min，然后冷卻到室溫，然后去除銅箔非結合面上的預氧化層，制得AlN陶瓷敷銅基板。
[0031]最后得到的AlN陶瓷敷銅基板≤6N/mm ;氣泡率≤10%。
【權利要求】
1.一種AlN陶瓷敷銅基板，包括:A1N陶瓷基板、敷接于AlN陶瓷基板上的銅箔，其特征在于:所述AlN陶瓷基板與銅箔之間形成尖晶石結構化合物改性層，所述尖晶石結構化合物改性層中含有CuAlO2、CuAl2O4,以及Cu20、Cu0中的一種或兩種。
2.權利要求1或2所述的AlN陶瓷敷銅基板的制備方法，其特征在于: 51、噴涂納米Cu2O在AlN陶瓷基板表面上形成化合物鍍層； 52、對該具有化合物鍍層的AlN陶瓷基板，先后在微氧含量的惰性氣體以及空氣中高溫燒結，后用酸洗的方式去除表面氧化物，然后烘干； 53、將尺寸合適的銅箔用化學氧化方法預氧化，預氧化溶液藥品包含Na2S208、K2S2O8中的一種，以及NaOH、KOH中的一種； 54、將步驟S2得到的AlN陶瓷基板和步驟S3得到的銅箔進行敷接，制得AlN陶瓷敷銅基板。
3.根據權利要求2所述的AlN陶瓷敷銅基板的制備方法，其特征在于:所述AlN陶瓷基板的厚度為0.38^1.0mm ;所述銅箔的厚度為0.2^0.3mm。
4.根據權利要求3所述的AlN陶瓷敷銅基板的制備方法，其特征在于:所述AlN陶瓷基板的厚度為0.63mm ;所述銅箔的厚度為0.3mm。
5.根據權利要求3所述的AlN陶瓷敷銅基板的制備方法，其特征在于:步驟SI中選用粒徑為100 nm以下的納米Cu2O,化合物鍍層厚度為0.05~0.15mm。
6.根據權利要求5所述的AlN陶瓷敷銅基板的制備方法，其特征在于:步驟SI中化合物鍍層厚度為0.1mm。
7.根據權利要求5所述的AlN陶瓷敷銅基板的制備方法，其特征在于:步驟S2中所述的先后在微氧含量的惰性氣體和空氣中高溫燒結，是指先在微氧含量的惰性氣體Ar保護狀態下燒結到Tl溫度，保溫tl時間，再在空氣中以f 1.5°C/min的升溫速率從Tl溫度升溫到T2溫度，保溫t2時間，其中Tl為900~1000°C，tl時間為l0-60Min，T2為1080~1100°C，t2時間為l0-60Min，然后在質量濃度為5%的HCl溶液中放置l0-60Min。
8.根據權利要求7所述的AlN陶瓷敷銅基板的制備方法，其特征在于:所述Tl為10000C, 11時間為40Min，升溫速率為1°C /min，T2為1090℃，t2時間為40Min，酸洗時間為 40min。
9.根據權利要求7所述的AlN陶瓷敷銅基板的制備方法，其特征在于:所述步驟S4在氣氛爐中進行，保護氣氛為純度大于或者等于99.99%的N2，溫度為1070-1080°C，時間為5^20 Min。
10.根據權利要求9所述的AlN陶瓷敷銅基板的制備方法，其特征在于:所述步驟S4中溫度為1075°C，時間為15 Min。
【文檔編號】C04B37/02GK103819214SQ201410010989
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2014年1月10日 優先權日:2014年1月10日
【發明者】井敏, 黃禮侃, 趙建光, 黃列武 申請人:南京中江新材料科技有限公司