功率电子器件用AlN陶瓷敷铜基板及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种功率电子器件用AlN陶瓷敷铜基板，其特征在于，包括AlN衬底、Cu、Ti、Al膜和Cu箔，所述Cu、Ti、Al膜涂敷在AlN表面，所述Cu箔敷接于Cu、Ti、Al膜之上。本发明专利技术还公开了一种功率电子器件用AlN陶瓷敷铜基板及其制备方法。本发明专利技术通过配制不含玻璃相的Cu、Ti、Al浆料经丝网印刷厚膜法刷涂在AlN表面经气氛烧结获得铜钛铝膜，然后在低于铜熔点的温度附近敷接Cu箔。本发明专利技术工艺简单，成本低且获得的AlN陶瓷敷铜基板具有热导率高，结合强度大，表面电阻小等优点。

AlN ceramic coated copper substrate for power electronic devices and preparation method thereof

The invention discloses a AlN ceramic coated copper substrate for power electronic devices, which is characterized by the inclusion of a AlN substrate, a Cu, a Ti, a Al film and a Cu foil. The Cu, Ti, and Al films are coated on the AlN surface, and the Cu foil is applied to the Cu, the diaphragm and the diaphragm. The invention also discloses a AlN ceramic coated copper substrate for power electronic devices and a preparation method thereof. By preparing a thick film of Cu, Ti and Al thick film printing thick film without glass phase, the invention can be coated on the surface of AlN to obtain copper, titanium and aluminum films by atmosphere sintering, and then apply Cu foil near the temperature below the melting point of copper. The invention has simple process and low cost, and the obtained AlN ceramic copper substrate has the advantages of high thermal conductivity, large bonding strength and small surface resistance.

【技术实现步骤摘要】
功率电子器件用AlN陶瓷敷铜基板及其制备方法
本专利技术涉及陶瓷敷铜基板，尤其涉及功率电子器件用AlN陶瓷敷铜基板及其制备方法。
技术介绍
随着电力电子技术的发展，大规模集成电路的发热功率密度相对以往大大提高。散热问题因为牵扯到力、光、电、热等一系列的问题，直接影响到功率电子器件的工作温度、电学特性及使用寿命等。随着输入功率的不断提高，如何从根本上解决散热问题成为普遍关注的热点。封装基板在电力电子系统散热中起到了决定性的作用，其中高性能的陶瓷覆铜基板是功率模块封装技术中的关键材料，其性能决定着模块的散热效率和可靠性。铜是良好的导体材料，具有电阻率低，抗电子迁移能力好，可以承受大电流，导热性能（398W/m·K）好可以将器件内产生的热量及时的传导出以降低器件的工作温度，提高器件的性能，非常适用于功率电路和高频电路。金属铜材料相对于其他厚膜金属材料，价格更便宜，可以极大地降低器件的制作成本。现阶段开发的高热导率陶瓷基有BeO、SiC、Al2O3和AlN，其中BeO具有毒性，不利于环保；SiC介电常数偏高，不适宜作基片，Al2O3的绝缘性好、化学稳定性好、强度高，且价格低，是陶瓷敷铜基板的优选材料，但是Al2O3的热导率低，并且与Si的热膨胀系数(约4.1×10-6／K)存在一定的热失配；AlN材料无毒，介电常数适中，热导率远高于Al2O3，和BeO接近，适用于大功率半导体基片，在散热过程中能起到决定性的作用。AlN热膨胀系数和Si较接近，各类Si芯片和功率电子器件可以直接附着在AlN基板上而不用其它材料的过渡层，同时AlN还具有较高的机械强度，优良的电气性能，所以选择AlN陶瓷基作为绝缘导热基板已是大势所趋。AlN属于强共价键化合物，作为非氧化型陶瓷，高温下难以与其他金属材料反应，实施金属化困难。业内最常用的方法就是对氮化铝基板进行预处理使得氮化铝表面形成氧化型过渡层，JurgenSchulz-Harder在氮化铝基板上溅射/蒸镀一层铜，铜的厚度须经过严格控制，并进行热氧化处理，制备的氮化铝DBC基板剥离强度≥50N/cm，孔洞率低，专利号US006066219A。专利CN101875569A在氮化铝表面形成4~10μm的铜、氧化铜或氧化亚铜等金属预烧层，并进行1250~1350℃热氧化处理，然后在550~650℃下热还原处理3~5h，制备的氮化铝基板性能较好。专利CN101445386A和CN103819214A涉及到通过氮化铝和Cu层之间引入Cu2O的方式形成Cu-O共晶层，从而在氮化铝陶瓷表面形成铜金属化层的方法。专利CN102208371A涉及到磁控溅射Ti改性层获得敷铜氮化铝基板工艺。由此看来，现已公布的氮化铝陶瓷金属化方法工艺复杂，条件苛刻，成本高。但如何简化工艺，降低成本获得高性能的氮化铝陶瓷敷铜基板仍是一个技术问题。
技术实现思路
为了克服现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种功率电子器件用AlN陶瓷敷铜基板及其制备方法，通过丝网印刷厚膜和敷接铜箔工艺，获得功率电子器件用AlN陶瓷敷铜基板。为了解决上述问题，本专利技术所采用的技术方案如下：功率电子器件用AlN陶瓷敷铜基板，包括AlN衬底、Cu、Ti、Al膜和Cu箔，所述Cu、Ti、Al膜涂敷在AlN表面，所述Cu箔敷接于Cu、Ti、Al膜之上。本专利技术通过配制不含玻璃相的Cu、Ti、Al浆料经丝网印刷厚膜法刷涂在AlN表面经气氛烧结获得铜钛铝膜，然后在低于铜熔点的温度附近敷接Cu箔。优选的，所述Cu、Ti、Al膜厚度为20~30μm，Cu箔厚度为300~400μm。功率电子器件用AlN陶瓷敷铜基板的制备方法，包括步骤1、合成有机载体工艺过程：将乙基纤维素，松油醇，卵磷脂按照一定的比例混合于烧杯中，在95℃水浴条件下不断搅拌溶解后获得有机载体。步骤2、无玻璃相Cu、Ti、Al浆料制备过程：将功能相Cu、Ti、Al粉体按比例称取与相应比例的有机载体混合均匀，制得Cu、Ti、Al浆料。步骤3、AlN衬底的清洗：对AlN衬底依次用丙酮、酒精、去离子水超声清洗。步骤4、通过手动丝网印刷机将步骤2)获得的浆料刷涂在步骤3)的AlN衬底两面。步骤5、将经双面印刷的AlN片在马弗炉中预烧后于管式炉中气氛烧结得Cu、Ti、Al膜，然后在氮气气氛管式炉中低于铜熔点的温度附近敷接Cu箔，即得所述功率电子器件用AlN陶瓷敷铜基板。优选的，所述有机载体为松油醇94.5%，乙基纤维素5%，卵磷脂0.5%，所述铜钛铝金属粉末比例为65%Cu+5%Ti+30%Al，所述浆料为功能相金属粉末76%和24%有机载体均匀混合。优选的，所述步骤5中的预烧工艺为：在马弗炉中以3℃/min升温至240℃~350℃保温1~3h。优选的，所述步骤5中的气氛烧结Cu、Ti、Al膜工艺条件为：在空气气氛管式炉中以通入氮气，气体流速为100~300sccm，通气时间1~3h，同时以3℃/min升温速率升温至1050℃~1070℃保温0.5h~2h，而后控制降温速率3℃/min降温至500℃。优选的，所述步骤5中的敷接铜箔工艺条件为：在氮气气氛纯度≥99.99%的管式炉中以3℃/min的升温速率升温至1070℃~1080℃保温10~60min，控制降温速率3℃/min降温至500℃后自然降温。相比现有技术，本专利技术的有益效果在于：1、本专利技术制备得到的功率电子器件用AlN陶瓷敷铜基板附着力好，表面电阻小，中间层未引入玻璃相散热能力较好。2、本专利技术简化了工艺，未直接引入Cu2O无需还原，成本低且独特易行，便于大规模生产。附图说明图为本专利技术功率电子器件用AlN陶瓷敷铜基板的结构示意图。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术做进一步说明：如图1所示，为本专利技术中功率电子器件用AlN陶瓷敷铜基板，包括AlN衬底、Cu、Ti、Al膜和Cu箔，所述Cu、Ti、Al膜是通过丝网印刷方式将其浆料涂敷在AlN表面然后经气氛烧结而成，所述Cu箔敷接于Cu、Ti、Al膜之上。优选方案中，所述铜钛铝金属粉末比例为65%Cu+5%Ti+30%Al，所述有机载体为松油醇94.5%，乙基纤维素5%，卵磷脂0.5%，所述浆料为功能相金属粉末76%和24%有机载体均匀混合，所述AlN衬底为0.5mm，所述Cu、Ti、Al膜厚度为20~30μm，Cu箔厚度为300~400μm。实施例1功率电子器件用AlN陶瓷敷铜基板的制备方法，包括如下步骤：步骤1、合成有机载体工艺过程：采用乙基纤维素作增稠剂，松油醇作溶剂，卵磷脂作为添加剂。将增稠剂、溶剂、添加剂按照一定的比例混合于烧杯中，在95℃水浴条件下不断搅拌溶解后获得有机载体。步骤2、Cu、Ti、Al浆料制备过程：将功能相Cu、Ti、Al粉体按比例称取与相应比例的有机载体混合于密封罐中，在罐磨机上150r/min研磨混合6h，制得Cu、Ti、Al浆料。步骤3、对0.5mmAlN衬底基片依次用丙酮、酒精、去离子水进行超声清洗各15min，吹干待用。步骤4、将步骤2所得铜钛铝浆料通过手动丝网印刷机均匀涂敷在步骤3所得AlN表面，然后置于60℃鼓风干燥箱干燥30min，干燥后以同样方法刷涂AlN衬底另一面干燥待用。步骤5、将步骤4所得双面印刷的AlN陶瓷片在马弗炉中以3℃/min升温至2本文档来自技高网...

【技术保护点】
功率电子器件用AlN陶瓷敷铜基板，其特征在于，包括AlN衬底、Cu、Ti、Al膜和Cu箔，所述Cu、Ti、Al膜涂敷在AlN表面，所述Cu箔敷接于Cu、Ti、Al膜之上。

【技术特征摘要】
1.功率电子器件用AlN陶瓷敷铜基板，其特征在于，包括AlN衬底、Cu、Ti、Al膜和Cu箔，所述Cu、Ti、Al膜涂敷在AlN表面，所述Cu箔敷接于Cu、Ti、Al膜之上。2.如权利要求1所述功率电子器件用AlN陶瓷敷铜基板，其特征在于，所述Cu、Ti、Al膜是将微米级(60%~80%)Cu+(1%~10%)Ti+(10%~30%)Al金属粉末与有机载体均匀混合得到不含玻璃相的铜钛铝浆料，通过丝网印刷方式涂敷于AlN陶瓷表面经气氛烧结而成，所述有机载体为松油醇、乙基纤维素、卵磷脂以一定比例均匀混合制备，所述铜钛铝浆料比例为60%~80%金属粉末功能相和20%~40%有机载体。3.如权利要求2所述功率电子器件用AlN陶瓷敷铜基板，其特征在于，所述气氛烧结是...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈科成，王疆瑛，张景基，
申请(专利权)人：中国计量大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33