一种AlN陶瓷敷铜基板及其制备方法
【专利摘要】本发明提供了一种AlN陶瓷敷铜基板，包括：AlN陶瓷基板、敷接于AlN陶瓷基板上的铜箔，其特征在于：所述AlN陶瓷基板与铜箔之间形成尖晶石结构化合物改性层，所述尖晶石结构化合物改性层中含有CuAlO2、CuAl2O4，以及Cu2O、CuO中的一种或两种。本发明还提供上述AlN陶瓷敷铜基板的制备方法方法。本发明通过喷涂纳米Cu2O在AlN基板表面，先后在微氧含量的惰性气体以及空气中烧结，后用酸洗的方式去除表面氧化物。所制备的改性层与基体陶瓷结合紧密，和Cu箔亦有良好的亲和特性。所用Cu箔在配制的溶液中一定温度下放置规定的时间可以在Cu箔表面形成均匀的氧化层，更有利于AlN-DBC工艺。
【专利说明】一种AIN陶瓷敷铜基板及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及到一种AlN陶瓷敷铜基板及其制备方法，属于陶瓷金属化领域。
【背景技术】
[0002]AlN陶瓷以其优异的导热性能、较好的介电常数和Si匹配的热膨胀系数等优点而广泛应用在微电子、光电子等领域，AlN陶瓷表面金属化方式多样，如化学镀、DPC、钎焊法等，对于电力电子来说直接敷铜法(DBC)是较为理想的选择，AlN-DBC能满足电力电子器件高热导、高可靠、大电流等较为苛刻的要求。
[0003]AlN陶瓷一个显著的特性是抗熔融金属的侵蚀性，那么依靠液相直接润湿AlN陶瓷就变得较为困难。因此，在DBC工艺中将AlN陶瓷表面改性是必要的。传统的DBC工艺中通常需要将AlN陶瓷在1200°C以上高温氧化使之表面生成一层Al2O3薄膜作为过渡层然后再和Cu在1065°C — 1083°C范围内实现结合。但是大面积、连续的铜和Al2O3的结合相对困难，在铜和陶瓷结合处多存在气泡、白点等缺陷，这些缺陷的存在显然降低AlN-DBC基板的剥离强度、结合强度、耐热冲击、热导率等性能。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是为了解决现有技术中的AlN陶瓷敷铜基板的制备方法难以实现AlN陶瓷基板与铜箔的可靠敷接的技术问题。
[0005]为达到发明目的，本发明采用的技术方案为:一种AlN陶瓷敷铜基板，包括:A1N陶瓷基板、敷接于AlN陶瓷基板 上的铜箔，所述AlN陶瓷基板与铜箔之间形成尖晶石结构化合物改性层，所述尖晶石结构化合物改性层中含有CuA102、CuAl2O4,以及Cu20、CuO中的一种或两种。
[0006]另外，本发明还提供了上述AlN陶瓷敷铜基板的制备方法，包括下述步骤:
51、喷涂纳米Cu2O在AlN陶瓷基板表面上形成化合物镀层；
52、对该具有化合物镀层的AlN陶瓷基板，先后在微氧含量的惰性气体和空气中高温烧结，后用酸洗的方式去除表面氧化物，然后烘干；
53、将尺寸合适的铜箔用化学氧化方法预氧化，预氧化溶液药品包含Na2S208、K2S2O8中的一种，以及NaOH、KOH中的一种；
54、将步骤S2得到的AlN陶瓷基板和步骤S3得到的铜箔进行敷接，制得AlN陶瓷敷铜基板。
[0007]优选的，所述AlN陶瓷基板的厚度为0.38^1.0mm ;所述铜箔的厚度为0.2^0.3mm。
[0008]优选的，所述AlN陶瓷基板的厚度为0.63mm ;所述铜箔的厚度为0.3mm。
[0009]优选的，步骤SI中选用粒径为100 nm以下的纳米Cu2O,化合物镀层厚度为
0.05^0.15mm。
[0010]优选的，步骤SI中化合物镀层厚度为0.1mm。
[0011]优选的，步骤S2中所述的先后在微氧含量的惰性气体和空气中高温烧结，是指先在微氧含量的惰性气体Ar保护状态下烧结到Tl温度，保温tl时间，再在空气中以1-1.50C /min的升温速率从Tl温度升温到T2温度，保温t2时间，其中Tl为900-l000℃，tl时间为l0-60Min，T2为1080~1100。。，t2时间为l(T60Min，然后在质量浓度为5%的HCl溶液中放置l0-60Min。
[0012]优选的，所述Tl为1000°C，tl时间为40Min，升温速率为1°C /min，T2为1090°C，t2时间为40Min，酸洗时间为40min。
[0013]优选的，所述步骤S4在气氛炉中进行，保护气氛为纯度大于或者等于99.99%的N2，温度为 107(Tl080°C，时间为 5~20 Min。
[0014]优选的，所述步骤S4中温度为1075°C，时间为15Min。
[0015]实施本发明的有益效果:
1、采用喷涂的方法可以控制AlN陶瓷基板表面的化合物镀层的厚度。
[0016]2、通过高温烧结，化合物镀层在自身烧结致密的同时，化合物镀层与AlN陶瓷基板紧密结合在一起，形成的均匀致密的尖晶石结构化合物改性层，可将AlN陶瓷基板与铜箔完全隔开，避免了 Cu-O共晶液相渗透到内部的AlN层与AlN反应生成气泡，从而提高了成品率；
3、A1N陶瓷基板表面尖晶石结构化合物改性层的引入，在很大程度上改善了 Cu-O共晶液相对AlN陶瓷基板表面的润湿程度，降低了润湿角，使得Cu-O共晶液相能够充分润湿AlN陶瓷基板的表面，使得铜箔与AlN陶瓷基板的接合更容易实现；同时，化合物改性层也改善了由于铜箔与AlN陶瓷基板的热应力不匹配导致的AlN陶瓷覆铜基板内部应力过大的缺陷。
【具体实施方式】
[0017]实施例1
本AlN陶瓷敷铜基板的制备方法，包括下述步骤:
51、喷涂:使用喷涂的方法在清洗过的厚度为0.63mmAlN陶瓷基板的表面进行喷涂镀膜，使AlN陶瓷基板的表面形成一纳米Cu2O镀层，最终需要的镀层厚度控制在0.1mm ；
52、烧结:将经过喷涂后，表面形成有化合物镀层的AlN陶瓷基板先放在微氧含量的惰性气体Ar保护状态下烧结到1000°C温度，保温40Min，然后在空气中1°C /min的升温速率从1000°C温度升温到1090°C温度，保温40Min。再在质量浓度为5%的HCl溶液中放置40Min，去除表面氧化物。在烧结过程中，AlN陶瓷基板的表面氧化形成Al2O3薄层的同时，化合物镀层也能发生相关反应，各种化学反应式具体如下:
Α1Ν+02 — Al2O3+ N2 个
Al2O3+ Cu2O — Cu AlO2
A1N+Cu20+02 — Cu AlO2+ N2 ?
由上可知，化合物镀层在自身烧结致密的同时，还会与AlN陶瓷(或者AlN陶瓷表面的Al2O3层)紧密结合到一起。
[0018]S3、铜箔的化学预氧化:将裁剪合适尺寸的铜箔放入质量浓度为5%的Na2S208、10%的NaOH的溶液中在25°C下浸泡5Min铜箔表面生成Cu2O ;所述铜箔的厚度为0.3mm。具体化学方程式如下:Na2S208+2Cu+2 NaOH — Cu2O I +2 Na2S04+H20。
[0019]S4、铜箔与AlN陶瓷基板的敷接:将经过高温烧结的AlN陶瓷基板与经过预氧化的铜箔叠合后放入管式气氛炉中进行敷接，保护气氛为N2 (纯度> 99.99%)，敷接温度为1075°C，铜箔的表面形成Cu-O共晶液相，保温时间为15Min，然后冷却到室温，然后去除铜箔非结合面上的预氧化层，制得AlN陶瓷敷铜基板。
[0020]最后得到的AlN陶瓷敷铜基板中，剥离强度≥6N/mm ;气泡率≤10%。
[0021]实施例2
本AlN陶瓷敷铜基板的制备方法，包括下述步骤:
51、喷涂:使用喷涂的方法在清洗过的厚度为0.38mmAlN陶瓷基板的表面进行喷涂镀膜，使AlN陶瓷基板的表面形成一纳米Cu2O镀层，最终需要的镀层厚度控制在0.05mm ；
52、烧结:将经过喷涂后，表面形成有化合物镀层的AlN陶瓷基板先放在微氧含量的惰性气体Ar保护状态下烧结到900°C温度，保温lOMin，然后在空气中1.5°C /min的升温速率从900°C温度升温到1100°C温度，保温lOMin。再在质量浓度为5%的HCl溶液中放置lOMin，去除表面氧化物；
53、铜箔的化学预氧化:将裁剪合适尺寸的铜箔放入质量浓度为5%的Na2S208、10%的KOH的溶液中在25°C下浸泡5Min铜箔表面生成Cu2O ;所述铜箔的厚度为0.2mm。
[0022]S4、铜箔与AlN陶瓷基板的敷接:将经过高温烧结的AlN陶瓷基板与经过预氧化的铜箔叠合后放入管 式气氛炉中进行敷接，保护气氛为N2 (纯度> 99.99%)，敷接温度为1070 V，铜箔的表面形成Cu-O共晶液相，保温时间为20Min，然后冷却到室温，然后去除铜箔非结合面上的预氧化层，制得AlN陶瓷敷铜基板。
[0023]最后得到的AlN陶瓷敷铜基板剥离强度≥5N/mm ;气泡率≤10%。
[0024]实施例3
本AlN陶瓷敷铜基板的制备方法，包括下述步骤:
51、喷涂:使用喷涂的方法在清洗过的厚度为1.0mmAlN陶瓷基板的表面进行喷涂镀膜，使AlN陶瓷基板的表面形成一纳米Cu2O镀层，最终需要的镀层厚度控制在0.15mm ；
52、烧结:将经过喷涂后，表面形成有化合物镀层的AlN陶瓷基板先放在微氧含量的惰性气体Ar保护状态下烧结到1000°C温度，保温60Min，然后在空气中1.2V /min的升温速率从1000°C温度升温到1080°C温度，保温60Min。再在质量浓度为2.5%的HCl溶液中放置60Min,去除表面氧化物。
[0025]S3、铜箔的化学预氧化:将裁剪合适尺寸的铜箔放入质量浓度为5%的K2S208、10%的NaOH的溶液中在25°C下浸泡5Min铜箔表面生成Cu2O ;所述铜箔的厚度为0.25mm。
[0026]S4、铜箔与AlN陶瓷基板的敷接:将经过高温烧结的AlN陶瓷基板与经过预氧化的铜箔叠合后放入管式气氛炉中进行敷接，保护气氛为N2 (纯度> 99.99%)，敷接温度为1080°C，铜箔的表面形成Cu-O共晶液相，保温时间为5Min，然后冷却到室温，然后去除铜箔非结合面上的预氧化层，制得AlN陶瓷敷铜基板。
[0027]最后得到的AlN陶瓷敷铜基板≥5N/mm ;气泡率≤13%。
[0028]实施例4
本AlN陶瓷敷铜基板的制备方法，包括下述步骤:
S1、喷涂:使用喷涂的方法在清洗过的厚度为1.0mmAlN陶瓷基板的表面进行喷涂镀膜，使AlN陶瓷基板的表面形成一纳米Cu2O镀层，最终需要的镀层厚度控制在0.1mm ；
S2、烧结:将经过喷涂后，表面形成有化合物镀层的AlN陶瓷基板先放在微氧含量的惰性气体Ar保护状态下烧结到950°C温度，保温30Min，然后在空气中1.3°C /min的升温速率从950°C温度升温到1090°C温度，保温30Min。再在质量浓度为5%的HCl溶液中放置50Min,去除表面氧化物。
[0029]S3、铜箔的化学预氧化:将裁剪合适尺寸的铜箔放入质量浓度为5%的K2S208、10%的KOH的溶液中在25°C下浸泡5Min铜箔表面生成Cu2O ;所述铜箔的厚度为0.25mm。
[0030]S4、铜箔与AlN陶瓷基板的敷接:将经过高温烧结的AlN陶瓷基板与经过预氧化的铜箔叠合后放入管式气氛炉中进行敷接，保护气氛为N2 (纯度> 99.99%)，敷接温度为1075°C，铜箔的表面形成Cu-O共晶液相，保温时间为13Min，然后冷却到室温，然后去除铜箔非结合面上的预氧化层，制得AlN陶瓷敷铜基板。
[0031]最后得到的AlN陶瓷敷铜基板≤6N/mm ;气泡率≤10%。
【权利要求】
1.一种AlN陶瓷敷铜基板，包括:A1N陶瓷基板、敷接于AlN陶瓷基板上的铜箔，其特征在于:所述AlN陶瓷基板与铜箔之间形成尖晶石结构化合物改性层，所述尖晶石结构化合物改性层中含有CuAlO2、CuAl2O4,以及Cu20、Cu0中的一种或两种。
2.权利要求1或2所述的AlN陶瓷敷铜基板的制备方法，其特征在于: 51、喷涂纳米Cu2O在AlN陶瓷基板表面上形成化合物镀层； 52、对该具有化合物镀层的AlN陶瓷基板，先后在微氧含量的惰性气体以及空气中高温烧结，后用酸洗的方式去除表面氧化物，然后烘干； 53、将尺寸合适的铜箔用化学氧化方法预氧化，预氧化溶液药品包含Na2S208、K2S2O8中的一种，以及NaOH、KOH中的一种； 54、将步骤S2得到的AlN陶瓷基板和步骤S3得到的铜箔进行敷接，制得AlN陶瓷敷铜基板。
3.根据权利要求2所述的AlN陶瓷敷铜基板的制备方法，其特征在于:所述AlN陶瓷基板的厚度为0.38^1.0mm ;所述铜箔的厚度为0.2^0.3mm。
4.根据权利要求3所述的AlN陶瓷敷铜基板的制备方法，其特征在于:所述AlN陶瓷基板的厚度为0.63mm ;所述铜箔的厚度为0.3mm。
5.根据权利要求3所述的AlN陶瓷敷铜基板的制备方法，其特征在于:步骤SI中选用粒径为100 nm以下的纳米Cu2O,化合物镀层厚度为0.05~0.15mm。
6.根据权利要求5所述的AlN陶瓷敷铜基板的制备方法，其特征在于:步骤SI中化合物镀层厚度为0.1mm。
7.根据权利要求5所述的AlN陶瓷敷铜基板的制备方法，其特征在于:步骤S2中所述的先后在微氧含量的惰性气体和空气中高温烧结，是指先在微氧含量的惰性气体Ar保护状态下烧结到Tl温度，保温tl时间，再在空气中以f 1.5°C/min的升温速率从Tl温度升温到T2温度，保温t2时间，其中Tl为900~1000°C，tl时间为l0-60Min，T2为1080~1100°C，t2时间为l0-60Min，然后在质量浓度为5%的HCl溶液中放置l0-60Min。
8.根据权利要求7所述的AlN陶瓷敷铜基板的制备方法，其特征在于:所述Tl为10000C, 11时间为40Min，升温速率为1°C /min，T2为1090℃，t2时间为40Min，酸洗时间为 40min。
9.根据权利要求7所述的AlN陶瓷敷铜基板的制备方法，其特征在于:所述步骤S4在气氛炉中进行，保护气氛为纯度大于或者等于99.99%的N2，温度为1070-1080°C，时间为5^20 Min。
10.根据权利要求9所述的AlN陶瓷敷铜基板的制备方法，其特征在于:所述步骤S4中温度为1075°C，时间为15 Min。
【文档编号】C04B37/02GK103819214SQ201410010989
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2014年1月10日 优先权日:2014年1月10日
【发明者】井敏, 黄礼侃, 赵建光, 黄列武 申请人:南京中江新材料科技有限公司