一种陶瓷覆铜基板及其制造方法与流程

本发明涉及陶瓷基板金属化技术领域，尤其涉及一种陶瓷覆铜基板及其制造方法。

背景技术：

陶瓷覆铜基板是使用dbc(directbondcopper)技术将铜箔直接烧结在陶瓷表面而制成的一种电子基础材料。由于陶瓷覆铜基板既具有陶瓷的高导热系数、高耐热、高电绝缘性、高机械强度、与硅芯片相近的热膨胀系数以及低介质损耗等特点，又具有无氧铜的高导电性和优异焊接性能，是当今电力电子领域功率模块封装、连接芯片与散热衬底的关键材料，广泛应用于各类电气设备及电子产品。

目前，陶瓷基覆铜板的制造方法主要有两种：(1)直接键合铜技术(dbc)、(2)直接镀铜技术(dpc)。

dbc是将al2o3或aln陶瓷基板的单面或双面覆上cu板后，经由高温1065-1085℃的环境加热，使cu板表面因高温氧化、扩散与al2o3基板产生cu-cu2o共晶相，使铜板与陶瓷基板黏合，形成陶瓷基覆铜板。dbc对工艺温度的控制要求十分严苛，必须于温度极度稳定的1065-1085℃温度范围下，才能使铜层表面熔解为共晶相，实现与陶瓷基板的紧密结合，其制造成本高且不易解决al2o3与cu板间存在的微气孔或孔洞等问题，影响产品的强度，进而使得产品的性能受到极大影响，同时，反应温度较高，致使设备和工艺条件较难控制，从而使得制得的产品的性能受到影响。

比如中国专利申请200710195406.x(申请号：2007年11月27日)公开了一种陶瓷覆铜基板的制备方法，该方法包括在氧化气氛下将氮化铝陶瓷进行加热，之后在惰性气体气氛下将氮化铝陶瓷结合界面与铜箔的结合界面结合并进行共晶钎焊，其中，该方法还包括在氧化气氛下将氮化铝陶瓷进行加热后，在氮化铝陶瓷的结合界面和/或铜箔的结合界面上涂覆氧化亚铜。该方法加热温度为1150-1300℃，加热温度较大，不易控制，且过高的加热温度会造成al2o3与cu板间产生的微气孔或孔洞，同时，该方法通过涂覆的方式，会造成cu2o颗粒在铜箔表面分布不够均匀，排列也不够致密，造成敷接的分散性和重复性差；其次，涂覆厚度很难控制，涂覆的cu2o层过厚或过薄，都会降低敷接强度；另外，涂覆的cu2o会造成环境的污染。

而dpc是一种把真空镀膜与电镀技术结合在一起的覆铜板制造技术，其原理是先利用真空镀膜技术在al2o3或aln陶瓷基板上沉积一层铜膜，再用电镀技术进行铜膜的增厚。dpc的工艺温度一般低于400℃，避免了高温对于材料所造成的破坏或尺寸变异的现象。dpc陶瓷基覆铜板具有高散热、高可靠度、高精准度及制造成本低等优点。dpc陶瓷基覆铜板的金属线路解析度上限约在10-50um之间(以深宽比1:1为标准)，甚至可以更细，且表面平整度高，因此非常适合于要求高线路精准度与高平整度的覆晶/共晶工艺使用。但是使用电镀技术一方面会造成环境的污染，另一方面通过电镀镀上的铜膜与陶瓷基板的结合力不是很强，且电镀过程中会产生微气孔或孔洞。

比如在中国专利申请201310042928.1(申请日：2013年2月4日)公开了一种陶瓷覆铜板及其制备方法，该陶瓷覆铜板，包括有一陶瓷基板，该陶瓷基板上依次设置钛层、镍层以及铜层，该钛层附着于陶瓷基板上，该镍层附着于钛层上，该铜层附着于镍层上，所述铜层上还电镀有一铜加厚层。该方法电镀的一铜加厚层与镍层的结合力不足，且电镀时，铜层与镍层会产生些许的微气孔或孔洞，从而影响了陶瓷覆铜板的强度，同时，铜层与镍层贴合过程中会发生相变，造成内部应力的生成，从而影响陶瓷覆铜板的性能。

基于此，有必要提供一种陶瓷覆铜基板及其制造方法，以解决现有技术中存在的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服现有的陶瓷覆铜基板制备方法中存在的工序复杂以及制备得到的陶瓷覆铜基板中陶瓷和铜箔的结合由于发生相变不可避免的产生内应力以及强度差的缺点，提供一种工序简单并且能够使得到的陶瓷覆铜基板中陶瓷和铜箔的结合强度高的陶瓷覆铜基板的制备方法，可降低陶瓷覆铜基板的孔隙率，且制备过程中没有发生相变过程，没有内部应力产生，可以有效提高陶瓷覆膜基板的强度。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种陶瓷覆铜基板的制造方法，包括以下步骤：

(1)陶瓷基板清洗：对陶瓷基板先用乙醇进行超声除油，然后使用去离子水进行清洗，最后使用压缩空气吹干；

(2)陶瓷基板活化：采用离子束辐射到陶瓷基板表面的选定区域，在选定区域形成真空溅镀活性中心；

(3)陶瓷基板真空溅镀：将经过活化处理的陶瓷基板及靶材置于真空腔体内，并将惰性气体通入该腔体中，在4.5×10^-6torr高真空环境与气体流速10cm³/min的惰性气体作用下，启动靶材，形成离子束溅击，溅击出的靶材原子挥发形成等离子体状态而被吸附沉积于陶瓷基板的选定区域上，形成镀膜陶瓷基板；

(4)扩散焊接：将镀膜陶瓷基板与清洗后的铜箔待焊接部位以相对形式贴合，然后置于真空扩散炉中，关闭真空室，打开抽真空系统，当真空度不低于4.0×10^-3pa，开启加热系统，将真空扩散炉温度升温至500-600℃，在保温开始前，对贴合后的材料施加3-10mpa的压力，然后在温度为500-600℃下及压力为3-10mpa的条件下，保温20-40min，保温后卸载压力，关闭加热系统，随炉温冷却至室温，得到陶瓷覆铜基板。

作为优选方案，所述陶瓷基板的主要成分为具有高导热系数的氧化铝和氮化铝。

作为优选方案，所述步骤(1)中的超声除油条件为：超声功率为200-300w，超声处理时间为20-40min。

作为优选方案，所述步骤(2)中的离子束为采用气体离子源对陶瓷基板表面进行活性处理，气体为ar、n2、惰性气体或它们的混合气，且离子束辐射的离子束能量10^-1-10^-4ev。

作为优选方案，所述步骤(3)中的惰性气体为零族元素气体和氮气中的一种或几种。

作为优选方案，所述步骤(3)中的靶材选自钛钯、钨钯、镍钯及铜钯中的一种。

作为优选方案，所述步骤(3)中启动靶材时，需将陶瓷基板负偏压在-350～-550volt，并控制靶材的电流密度在0.2-0.7w/cm²，进行离子冲击并植入靶材的时间4-8min。

作为优选方案，所述步骤(4)中的加热，先按5-10℃/min的升温速率升温至300-400℃，然后再以2-8℃/min的升温速率升至500-600℃。

本发明与现有技术相比，具有如下的有益效果：

(1)本发明通过采用低温工艺，使得设备和工艺条件较易控制，有利于提高产品的质量；通过采用真空溅镀的方式进行陶瓷表面金属化，使得镀层内部晶粒致密度高，分布均匀，与陶瓷基板具有较高的结合力，且无任何化学制剂，无环保问题；而通过采用真空扩散焊接，可以消除焊接过程中相变的产生，从而消除陶瓷覆铜基板内壁的应力，并降低了陶瓷覆铜基板的孔隙率，提高了陶瓷覆铜基板的强度，

(2)本发明通过离子束辐射的方式对陶瓷基板进行活化处理，从而增强陶瓷基板与镀膜之间的结合力，进而提高该陶瓷覆铜基板的强度。

附图说明

图1为本发明的制造方法程序图。

具体实施方式

下面通过具体的实施例对本发明进一步说明，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干变型和改进，这些也应视为属于本发明的保护范围。

实施例1

本实施例的陶瓷覆铜基板的制造方法，包括以下步骤：

(1)陶瓷基板清洗：对陶瓷基板先用乙醇进行超声除油，然后使用去离子水进行清洗，最后使用压缩空气吹干；

(2)陶瓷基板活化：采用离子束辐射到陶瓷基板表面的选定区域，在选定区域形成真空溅镀活性中心；

(3)陶瓷基板真空溅镀：将经过活化处理的陶瓷基板及靶材置于真空腔体内，并将惰性气体通入该腔体中，在4.5×10^-6torr高真空环境与气体流速10cm³/min的惰性气体作用下，启动靶材，形成离子束溅击，溅击出的靶材原子挥发形成等离子体状态而被吸附沉积于陶瓷基板的选定区域上，形成镀膜陶瓷基板；

(4)扩散焊接：将镀膜陶瓷基板与清洗后的铜箔待焊接部位以相对形式贴合，然后置于真空扩散炉中，关闭真空室，打开抽真空系统，当真空度不低于4.0×10^-3pa，开启加热系统，将真空扩散炉温度升温至500℃，在保温开始前，对贴合后的材料施加3mpa的压力，然后在温度为500℃下及压力为3mpa的条件下，保温20min，保温后卸载压力，关闭加热系统，随炉温冷却至室温，得到陶瓷覆铜基板。

其中，所述陶瓷基板的主要成分为具有高导热系数的氧化铝和氮化铝。

其中，所述步骤(1)中的超声除油、清洗的条件：

其中，所述步骤(2)中的离子束为采用气体离子源对陶瓷基板表面进行活性处理，气体为ar、n2、惰性气体或它们的混合气，且离子束辐射的离子束能量10^-1-10^-4ev。

其中，所述步骤(3)中的惰性气体为零族元素气体和氮气中的一种或几种。

其中，所述步骤(3)中的靶材选自钛钯、钨钯、镍钯及铜钯中的一种。

其中，所述步骤(3)中启动靶材时，需将陶瓷基板负偏压在-350volt，并控制靶材的电流密度在0.2w/cm²，进行离子冲击并植入靶材的时间4min。

其中，所述步骤(4)中的加热，先按5℃/min的升温速率升温至300℃，然后再以2℃/min的升温速率升至500℃。

实施例2

本实施例的陶瓷覆铜基板的制造方法，包括以下步骤：

(1)陶瓷基板清洗：对陶瓷基板先用乙醇进行超声除油，然后使用去离子水进行清洗，最后使用压缩空气吹干；

(2)陶瓷基板活化：采用离子束辐射到陶瓷基板表面的选定区域，在选定区域形成真空溅镀活性中心；

(3)陶瓷基板真空溅镀：将经过活化处理的陶瓷基板及靶材置于真空腔体内，并将惰性气体通入该腔体中，在4.5×10^-6torr高真空环境与气体流速10cm³/min的惰性气体作用下，启动靶材，形成离子束溅击，溅击出的靶材原子挥发形成等离子体状态而被吸附沉积于陶瓷基板的选定区域上，形成镀膜陶瓷基板；

(4)扩散焊接：将镀膜陶瓷基板与清洗后的铜箔待焊接部位以相对形式贴合，然后置于真空扩散炉中，关闭真空室，打开抽真空系统，当真空度不低于4.0×10^-3pa，开启加热系统，将真空扩散炉温度升温至600℃，在保温开始前，对贴合后的材料施加10mpa的压力，然后在温度为600℃下及压力为10mpa的条件下，保温40min，保温后卸载压力，关闭加热系统，随炉温冷却至室温，得到陶瓷覆铜基板。

其中，所述陶瓷基板的主要成分为具有高导热系数的氧化铝和氮化铝。

其中，所述步骤(1)中的超声除油、清洗的条件：

其中，所述步骤(2)中的离子束为采用气体离子源对陶瓷基板表面进行活性处理，气体为ar、n2、惰性气体或它们的混合气，且离子束辐射的离子束能量10^-1-10^-4ev。

其中，所述步骤(3)中的惰性气体为零族元素气体和氮气中的一种或几种。

其中，所述步骤(3)中的靶材选自钛钯、钨钯、镍钯及铜钯中的一种。

其中，所述步骤(3)中启动靶材时，需将陶瓷基板负偏压在-550volt，并控制靶材的电流密度在0.7w/cm²，进行离子冲击并植入靶材的时间8min。

其中，所述步骤(4)中的加热，先按10℃/min的升温速率升温至400℃，然后再以8℃/min的升温速率升至600℃。

实施例3

本实施例的陶瓷覆铜基板的制造方法，包括以下步骤：

(1)陶瓷基板清洗：对陶瓷基板先用乙醇进行超声除油，然后使用去离子水进行清洗，最后使用压缩空气吹干；

(2)陶瓷基板活化：采用离子束辐射到陶瓷基板表面的选定区域，在选定区域形成真空溅镀活性中心；

(3)陶瓷基板真空溅镀：将经过活化处理的陶瓷基板及靶材置于真空腔体内，并将惰性气体通入该腔体中，在4.5×10^-6torr高真空环境与气体流速10cm³/min的惰性气体作用下，启动靶材，形成离子束溅击，溅击出的靶材原子挥发形成等离子体状态而被吸附沉积于陶瓷基板的选定区域上，形成镀膜陶瓷基板；

(4)扩散焊接：将镀膜陶瓷基板与清洗后的铜箔待焊接部位以相对形式贴合，然后置于真空扩散炉中，关闭真空室，打开抽真空系统，当真空度不低于4.0×10^-3pa，开启加热系统，将真空扩散炉温度升温至550℃，在保温开始前，对贴合后的材料施加7mpa的压力，然后在温度为550℃下及压力为7mpa的条件下，保温30min，保温后卸载压力，关闭加热系统，随炉温冷却至室温，得到陶瓷覆铜基板。

其中，所述陶瓷基板的主要成分为具有高导热系数的氧化铝和氮化铝。

其中，所述步骤(1)中的超声除油、清洗的条件：

其中，所述步骤(2)中的离子束为采用气体离子源对陶瓷基板表面进行活性处理，气体为ar、n2、惰性气体或它们的混合气，且离子束辐射的离子束能量10^-1-10^-4ev。

其中，所述步骤(3)中的惰性气体为零族元素气体和氮气中的一种或几种。

其中，所述步骤(3)中的靶材选自钛钯、钨钯、镍钯及铜钯中的一种。

其中，所述步骤(3)中启动靶材时，需将陶瓷基板负偏压在-450volt，并控制靶材的电流密度在0.5w/cm²，进行离子冲击并植入靶材的时间6min。

其中，所述步骤(4)中的加热，先按7℃/min的升温速率升温至350℃，然后再以5℃/min的升温速率升至550℃。

实施例4

本实施例的陶瓷覆铜基板的制造方法，包括以下步骤：

(1)陶瓷基板清洗：对陶瓷基板先用乙醇进行超声除油，然后使用去离子水进行清洗，最后使用压缩空气吹干；

(2)陶瓷基板活化：采用离子束辐射到陶瓷基板表面的选定区域，在选定区域形成真空溅镀活性中心；

(3)陶瓷基板真空溅镀：将经过活化处理的陶瓷基板及靶材置于真空腔体内，并将惰性气体通入该腔体中，在4.5×10^-6torr高真空环境与气体流速10cm³/min的惰性气体作用下，启动靶材，形成离子束溅击，溅击出的靶材原子挥发形成等离子体状态而被吸附沉积于陶瓷基板的选定区域上，形成镀膜陶瓷基板；

(4)扩散焊接：将镀膜陶瓷基板与清洗后的铜箔待焊接部位以相对形式贴合，然后置于真空扩散炉中，关闭真空室，打开抽真空系统，当真空度不低于4.0×10^-3pa，开启加热系统，将真空扩散炉温度升温至530℃，在保温开始前，对贴合后的材料施加5mpa的压力，然后在温度为530℃下及压力为5mpa的条件下，保温25min，保温后卸载压力，关闭加热系统，随炉温冷却至室温，得到陶瓷覆铜基板。

其中，所述陶瓷基板的主要成分为具有高导热系数的氧化铝和氮化铝。

其中，所述步骤(1)中的超声除油、清洗的条件：

其中，所述步骤(2)中的离子束为采用气体离子源对陶瓷基板表面进行活性处理，气体为ar、n2、惰性气体或它们的混合气，且离子束辐射的离子束能量10^-1-10^-4ev。

其中，所述步骤(3)中的惰性气体为零族元素气体和氮气中的一种或几种。

其中，所述步骤(3)中的靶材选自钛钯、钨钯、镍钯及铜钯中的一种。

其中，所述步骤(3)中启动靶材时，需将陶瓷基板负偏压在-400volt，并控制靶材的电流密度在0.3w/cm²，进行离子冲击并植入靶材的时间5min。

其中，所述步骤(4)中的加热，先按6℃/min的升温速率升温至330℃，然后再以4℃/min的升温速率升至530℃。

实施例5

本实施例的陶瓷覆铜基板的制造方法，包括以下步骤：

(1)陶瓷基板清洗：对陶瓷基板先用乙醇进行超声除油，然后使用去离子水进行清洗，最后使用压缩空气吹干；

(2)陶瓷基板活化：采用离子束辐射到陶瓷基板表面的选定区域，在选定区域形成真空溅镀活性中心；

(3)陶瓷基板真空溅镀：将经过活化处理的陶瓷基板及靶材置于真空腔体内，并将惰性气体通入该腔体中，在4.5×10^-6torr高真空环境与气体流速10cm³/min的惰性气体作用下，启动靶材，形成离子束溅击，溅击出的靶材原子挥发形成等离子体状态而被吸附沉积于陶瓷基板的选定区域上，形成镀膜陶瓷基板；

(4)扩散焊接：将镀膜陶瓷基板与清洗后的铜箔待焊接部位以相对形式贴合，然后置于真空扩散炉中，关闭真空室，打开抽真空系统，当真空度不低于4.0×10^-3pa，开启加热系统，将真空扩散炉温度升温至580℃，在保温开始前，对贴合后的材料施加8mpa的压力，然后在温度为580℃下及压力为8mpa的条件下，保温35min，保温后卸载压力，关闭加热系统，随炉温冷却至室温，得到陶瓷覆铜基板。

其中，所述陶瓷基板的主要成分为具有高导热系数的氧化铝和氮化铝。

其中，所述步骤(1)中的超声除油、清洗的条件：

其中，所述步骤(2)中的离子束为采用气体离子源对陶瓷基板表面进行活性处理，气体为ar、n2、惰性气体或它们的混合气，且离子束辐射的离子束能量10^-1-10^-4ev。

其中，所述步骤(3)中的惰性气体为零族元素气体和氮气中的一种或几种。

其中，所述步骤(3)中的靶材选自钛钯、钨钯、镍钯及铜钯中的一种。

其中，所述步骤(3)中启动靶材时，需将陶瓷基板负偏压在-500voltvolt，并控制靶材的电流密度在0.6w/cm²，进行离子冲击并植入靶材的时间7min。

其中，所述步骤(4)中的加热，先按8℃/min的升温速率升温至380℃，然后再以7℃/min的升温速率升至580℃。

对比例1

参照中国专利申请200710195406.x制备得到的陶瓷覆铜基板。

对比例2

参照中国专利申请201310042928.1制备得到的陶瓷覆铜基板。

对比例3

除了将基板活化处理步骤省去外，其它步骤同实施例5一致。

试验例

将实施例1-5及对比例1-3制得的陶瓷覆铜基板进行结合强度、剥离强度、热导率、界面层气孔、热循环测试，具体的测试方法如下：

结合强度：分别在实施例1-5及对比例1-3得到的陶瓷覆铜基板上焊接可伐合金柱，然后在拉力试验机(上海申联试验机厂，lds-50)上垂直拉伸，拉伸变形速度为1mm/min，计算拉伸断裂时最大拉力与受力面积的比值，即得到结合强度值。

剥离强度：使用剥离强度测试机(东莞市长安亚星精密仪器有限公司生产的yx-bl-01a型剥离强度测试仪)进行测试，对氮化铝覆铜基板中的铜箔进行90°(垂直)方向撕下，测试其剥离强度。

热导率测试：导热性能的测试由上海硅酸盐研究所测试中心进行测试，测试仪器为上海硅酸盐研究所自行研制的“计算机运控的机关脉冲导热系数测定仪”，测试温度为425℃。

热循环次数测试：使用冷热循环试验机(庆声科技股份有限公司生产的kskb-415tbs型冷热循环试验机)进行测试。将样品放入热冲击试验机中，以-50℃保温30min、150℃保温30min为一个循环进行测试，记录氮化铝覆铜基板出现弯曲、列横、铜膜脱落翘曲现象时的循环次数。

观察界面层气孔：将实施例1-5及对比例1-3得到的陶瓷覆铜基板上铜箔从陶瓷基板上剥离，在1000倍的金像显微镜下观察，观察陶瓷覆铜基板的剥离界面上的气孔数量。

经过上述性能测试，将实施例1-5与对比例1-3制备的陶瓷覆铜基板的性能参数列于表1中。

由表1的测试结果可以看出，相比于现有技术，本发明的陶瓷覆铜基板的结合强度、剥离强度、热导率、界面层气孔及热循环性能都得到了显著的提高；并且由对比例3可知，通过对陶瓷基板进行活化处理，可以提高陶瓷基板与镀膜之间的结合力，进而提高该陶瓷覆铜基板的强度，从而提高陶瓷覆铜基板的结合强度、剥离强度、热导率、界面层气孔及热循环性能。

综上所述，本发明的创造性主要体现在以下几点：

(1)本发明通过采用低温工艺，使得设备和工艺条件较易控制，有利于提高产品的质量；通过采用真空溅镀的方式进行陶瓷表面金属化，使得镀层内部晶粒致密度高，分布均匀，与陶瓷基板具有较高的结合力，且无任何化学制剂，无环保问题；而通过采用真空扩散焊接，可以消除焊接过程中相变的产生，从而消除陶瓷覆铜基板内壁的应力，并降低了陶瓷覆铜基板的孔隙率，提高了陶瓷覆铜基板的强度，

(2)本发明通过离子束辐射的方式对陶瓷基板进行活化处理，从而增强陶瓷基板与镀膜之间的结合力，进而提高该陶瓷覆铜基板的强度。

(3)本发明制备方法重复性好、成本较低，散热性能较好，本发明满足特殊产品要求的大电流通过，产品在功率半导体器件封装领域具有广阔的应用前景。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。