一种陶瓷/铜复合基板及其制备方法与流程

1.本发明属于功能涂层制备技术领域，具体涉及一种陶瓷/铜复合基板及其制备方法。


背景技术：

2.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，是一种优良的电力功率模块的封装材料。传统的电力功率模块散热器上包含一个陶瓷覆铜基板。在基板的顶部，电子设备通过cu层被连接起来。高功率的电力模块可以处理数百安培的电流。陶瓷覆铜基板需要承受数千次-50～200℃的热循环而不失效，以保证功率模块的可靠性。
3.传统的直接覆铜工艺dbc(direct bonded copper)是将陶瓷基板的一面或者两面覆上cu箔后，利用高温、微氧化条件下在陶瓷基片表面产生的cu-cu2o共晶相与陶瓷产生良好润湿，进而形成陶瓷覆铜基板。dbc对工艺温度和氧分的控制要求十分严苛，必须在相图所示的温度和氧分范围内，才能使铜层表面形成共晶相，实现与陶瓷基片的紧密结合。该方法制造成本高，并且由于cu与陶瓷的热膨胀系数相差大，冷却后热应力大，影响产品的强度和稳定性(抗热循环能力)。同时，该方法反应温度较高，设备和工艺条件较难控制，从而使得影响制得产品的使用性能。因此，开发出一种新型、简单、可靠的陶瓷基片覆铜及其制造方法，以解决现有技术中存在的问题，具有重大的应用价值。


技术实现要素：

4.为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种陶瓷/铜复合基板及其制备方法，通过等离子喷涂或者火焰喷涂在纯cu板材表面制备陶瓷沉积层(可为al2o3、aln、si3n4等)，再通过冷气动力喷涂技术在陶瓷沉积层表面制备高纯cu沉积层。
5.本发明的技术方案如下：
6.一种陶瓷/铜复合基板，陶瓷/铜复合基板包括：纯铜板材、喷涂于纯铜板材表面的陶瓷沉积层、喷涂于陶瓷沉积层表面的纯铜沉积层，其中：陶瓷沉积层通热喷涂工艺制备，陶瓷沉积层的成分为al2o3、aln或si3n4，纯铜沉积层通过冷气动力喷涂工艺制备。
7.所述的陶瓷/铜复合基板，纯铜板材厚度为1000～1500μm，陶瓷沉积层的厚度为100～400μm，纯铜沉积层的厚度为50～2000μm。
8.所述的陶瓷/铜复合基板，热喷涂为等离子喷涂或者火焰喷涂。
9.所述的陶瓷/铜复合基板的制备方法，包括以下步骤：
10.(1)采用等离子喷涂或者火焰喷涂工艺，将陶瓷沉积层使用的粉末喷涂到纯铜板材表面形成陶瓷沉积层；
11.(2)采用冷气动力喷涂设备，在已制备的陶瓷沉积层表面喷涂高纯铜粉末，形成纯铜沉积层，进而获得陶瓷/铜复合基板。
12.所述的陶瓷/铜复合基板的制备方法，步骤(1)中，陶瓷沉积层使用的粉末形貌为球形或不规则状，粒度范围为20～100μm。
13.所述的陶瓷/铜复合基板的制备方法，步骤(1)中，纯铜板材在喷涂前需进行喷砂处理使其具有表面粗糙度，并依次使用丙酮、无水乙醇、去离子水进行清洗。
14.所述的陶瓷/铜复合基板的制备方法，步骤(1)中，等离子喷涂工艺参数为：电流500～700a，电压50～80v，喷涂距离80～300mm，ar流量30～50l/min，h2流量5～20l/min，送粉速率20～50g/min。
15.所述的陶瓷/铜复合基板的制备方法，步骤(1)中，火焰喷涂的工艺参数为：氧气流量20～40l/min，丙烷流量30～40l/min，空气流量30～50l/min，喷涂距离100～400mm，送粉速率30～60g/min。
16.所述的陶瓷/铜复合基板的制备方法，步骤(2)中，冷气动力喷涂使用压缩空气或氮气作为推进气体，气体加热温度180～600℃，气体工作压力0.5～3.5mpa，喷涂距离10～40mm。
17.所述的陶瓷/铜复合基板的制备方法，步骤(2)中，高纯铜粉的纯度大于或者等于99.99wt％，形貌为类球形或枝晶状，粒度范围为3～50μm。
18.本发明的设计思想是：一方面利用等离子喷涂或火焰喷涂的高温熔化制备陶瓷沉积层，不仅可以方便的制备不同种类的陶瓷沉积层，而且可以方便的控制陶瓷沉积层的厚度，从而制备不同类型的陶瓷/铜复合基板；另一方面，利用冷喷涂制备纯铜沉积层，无化学刻蚀等步骤，可直接制备出图形化的陶瓷覆铜板，制备工艺简单可控。
19.本发明的优点及有益效果是：
20.1.相对于dbc等工艺，本发明方法操作简单，工艺条件易于控制，无需特定的高温、微氧条件，制备成本低，成品率高。
21.2.本发明在冷喷涂纯cu沉积层的过程中可以通过加入掩膜的方法直接制备出带有图形电路的覆铜层，无需再经过化学刻蚀等工艺。
22.3.本发明采用冷气动力喷涂进行陶瓷/铜复合基板制备过程中，冷喷涂温度较低，有效的避免了热应力的引入，可制备较厚的覆铜层，且与陶瓷沉积层的合强度高、抗热震性能好。
23.4.本发明工艺可以直接在cu制散热器表面制备陶瓷/铜复合基板，继而省去了传统基板和散热器之间的焊接结构，可以有效的提升陶瓷/铜复合基板的可靠性。
附图说明
24.图1为本发明所制备的陶瓷/铜复合基板的结构示意图；
25.图中：1-纯铜沉积层，2-陶瓷沉积层，3-纯铜板材。
具体实施方式
26.在具体实施过程中，本发明采用喷涂法制备陶瓷/铜复合基板的方法，首先，通过等离子喷涂或者火焰喷涂在纯cu板材表面制备陶瓷沉积层(可为al2o3、aln、si3n4等)，再通过冷气动力喷涂技术在陶瓷沉积层表面制备高纯cu沉积层，进而实现陶瓷/铜复合基板的制备。该方法的具体步骤如下：
27.步骤1喷砂、清洗：纯cu板材在喷涂前需进行喷砂处理使其具有一定的表面粗糙度，依次使用丙酮、无水乙醇、去离子水进行超声清洗。
28.步骤2陶瓷沉积层的喷涂：采用等离子喷涂或者火焰喷涂工艺，将陶瓷粉末(可为al2o3、aln、si3n4等)在一定条件下喷涂到纯cu板材表面形成陶瓷沉积层。
29.步骤3纯cu沉积层的制备：采用冷气动力喷涂设备，将纯铜粉末在一定条件下喷涂沉积到陶瓷沉积层的表面，形成纯铜沉积层。
30.其中，步骤2中陶瓷粉末的形貌为球形或不规则状，粒度范围为20～100μm；等离子喷涂工艺参数为：电流500～700a，电压50～80v，喷涂距离80～150mm，ar流量30～50l/min，h2流量5～20l/min，送粉速率20～50g/min；火焰喷涂的工艺参数为：氧气流量20～40l/min，丙烷流量30～40l/min，空气流量30～50/min，喷涂距离100～300mm，送粉速率30～60g/min。
31.步骤3中cu粉末的纯度大于或等于99.99wt％，形貌为类球形或枝晶状，粒度范围为25～50μm；冷气动力喷涂使用压缩空气或氮气作为推进气体，气体加热温度180～500℃，气体工作压力0.5～3.5mpa，喷涂距离10～30mm；
32.冷喷涂设备请参见中国发明专利(专利号：01128130.8，授权公告号：cn1161188c)提到的一种冷气动力喷涂装置或其他商用冷喷涂、动力喷涂或低压冷喷涂设备。喷枪采用金属材质拉瓦尔(de laval)喷枪，沉积过程中喷枪长时间出粉顺畅，未堵塞。
33.如图1所示，本发明所制备的陶瓷/铜复合基板，包括：纯铜板材3、喷涂于纯铜板材3表面的陶瓷沉积层2、喷涂于陶瓷沉积层2表面的纯铜沉积层1。其中，纯铜板材厚度为1000～1500μm，陶瓷沉积层的厚度为100～400μm，纯铜沉积层的厚度为200～2000μm。
34.下面对本发明的实施例作详细说明，在以发明技术方案为前提下进行实施，给出详细的实施方式和具体操作过程，但本发明的保护范围不限于下面的实施例。
35.实施例1
36.本实施例中，al2o3陶瓷/铜复合基板的制备方法，包括以下步骤：
37.(1)先对厚度为1200μm的纯cu板材进行喷砂处理，使其具有一定的表面粗糙度ra为18μm，依次使用丙酮、无水乙醇、去离子水进行超声清洗；
38.(2)将粒度为30～50μm的球形al2o3粉末，通过等离子喷涂沉积在纯cu板材的表面，工艺参数为：电流620a，电压72v，喷涂距离110mm，ar流量45l/min，h2流量10l/min，送粉速率35g/min，形成厚度～300μm的al2o3沉积层；
39.(3)将粒度为25～40μm的电解枝晶cu粉，通过冷气动力喷涂沉积在上述al2o3沉积层表面，cu粉的纯度为99.996wt％，冷喷涂加速气体为n2，加速气体加热温度为600℃，加速气体工作压力为2.2mpa，喷涂距离20mm，纯铜沉积层的厚度为1000μm，即制得一个al2o3陶瓷/铜复合基板。
40.实施例2
41.本实施例中，aln陶瓷/铜复合基板的制备方法，包括以下步骤：
42.(1)先对厚度为1000μm的纯cu板材进行喷砂处理，使其具有一定的表面粗糙度ra为18μm，依次使用丙酮、无水乙醇、去离子水进行超声清洗；
43.(2)将粒度为30～60μm的不规则aln粉末，通过超音速火焰喷涂沉积在纯cu板材的表面，工艺参数为：氧气流量30l/min，丙烷流量35l/min，空气流量40l/min，喷涂距离
230mm，送粉速率45g/min，形成厚度～350μm的aln沉积层；
44.(3)将粒度为30～50μm的气雾化球形cu粉，通过冷气动力喷涂沉积在上述al2o3沉积层表面，cu粉的纯度为99.996wt％，冷喷涂加速气体为n2，加速气体加热温度为600℃，加速气体工作压力为2.2mpa，喷涂距离30mm，纯铜沉积层的厚度为～1000μm，即制得一个aln陶瓷/铜复合基板。
45.实施例3
46.本实施例中，si3n4陶瓷/铜复合基板的制备方法，包括以下步骤：
47.(1)先对厚度为1500μm的纯cu板材进行喷砂处理，使其具有一定的表面粗糙度ra为16μm，依次使用丙酮、无水乙醇、去离子水进行超声清洗；
48.(2)将粒度为30～60μm的不规则si3n4粉末，通过超音速火焰喷涂沉积在纯cu板材的表面，工艺参数为：氧气流量30l/min，丙烷流量35l/min，空气流量40l/min，喷涂距离230mm，送粉速率45g/min，形成厚度～350μm的si3n4沉积层；
49.(3)将粒度为30～50μm的气雾化球形cu粉，通过冷气动力喷涂沉积在上述al2o3沉积层表面，cu粉的纯度为99.996wt％，冷喷涂加速气体为n2，加速气体加热温度为600℃，加速气体工作压力为2.2mpa，喷涂距离10mm，纯铜沉积层的厚度为1200μm，即制得一个si3n4陶瓷/铜复合基板。
50.实施例结果表明，本发明方法制成的陶瓷沉积层较薄，热阻较小，且具有良好的力学性能；制得的纯cu沉积层氧含量低，可满足电力电子器件中功率模块的封装材料的要求。