一种AMB陶瓷-金属钎焊方法技术

本发明专利技术属于陶瓷

【技术实现步骤摘要】
一种AMB陶瓷
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金属钎焊方法


[0001]本专利技术属于陶瓷
‑
金属复合材料制造
，尤其涉及一种基于超音速冷气动力喷涂工艺的AMB（Active Metal Bonding, 活性金属钎焊)陶瓷
‑
金属钎焊方法。

技术介绍

[0002]第三代半导体工业中大量使用的IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，即绝缘栅双极型晶体管) 是实现电能转换和控制的最先进的电力电子器件，具有输入阻抗大、驱动功率小、开关速度快、工作频率高、饱和压降低、安全工作区大和可耐高电压和大电流等一系列优点，被誉为现代工业变流装置的“CPU”，在轨道交通、航空航天、新能源汽车、风力发电、国防工业等战略性产业广泛应用。陶瓷覆铜板是IGBT模块中的重要组成部件，其中用到的高品质陶瓷基板主要有Al2O3、AlN或Si3N4基覆铜板。
[0003]制备陶瓷电路板时首先要将实现陶瓷表面金属化，即将作为导体层的铜箔和陶瓷基板牢固地结合在一起。陶瓷表面金属化有两种典型工艺：一是直接覆铜陶瓷基板(DCB)技术，即利用高温下铜的含氧共晶液直接将铜敷接在陶瓷上。二是活性金属钎焊覆铜陶瓷基板(AMB)，其原理是利用钎料中含有的少量活性元素与陶瓷高温下进行化学反应生成能被液态钎料润湿的反应层，从而实现陶瓷与金属之间高结合强度。传统的活性金属钎焊工艺流程为：先在陶瓷表面印刷膏状的活性金属焊料浆料，烘干后，再与无氧铜箔装夹在一起，放入真空钎焊炉中进行高温钎焊。
[0004]传统AMB钎焊工艺的可靠性很大程度上取决于活性钎料成分、钎焊工艺、钎焊层组织结构等诸多关键因素，工艺难度较大。焊膏对于焊接的可靠性影响极大，目前高可靠活性金属焊膏技术仍掌握在日本、德国等几家公司手中，国产AMB焊膏的常见的问题是钎焊的可靠度还不够好，产品性能波动大，容易产生空洞、虚焊、焊接强度不够等缺陷。这些缺陷使封装基板在长时间使用后易产生破裂或者覆铜层剥落失效，影响到大功率IGBT功率模块的可靠性。这一品质不足严重限制了陶瓷覆铜板在高速铁路、城市轨道交通、新能源汽车、智能电网和风能发电等领域的国产化供应，因为这些高压大功率IGBT模块要求封装材料散热性能更好、可靠性更高、载流量更大，对产品稳定性的要求更为苛刻。
[0005]因此，寻求一种能将陶瓷和铜箔层稳定、有效、牢固地结合在一起的新工艺方法，生产出可靠性高、耐温性能好、载流能力强的优质陶瓷覆铜基板成为业界共识。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于：针对现有AMB陶瓷覆铜板传统钎焊的工艺难题，提出一种基于超音速冷气动力喷涂工艺的AMB陶瓷
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金属钎焊方法，将超音速冷气动力喷涂技术应用到陶瓷与铜箔之间的真空钎焊中。本专利技术所提出的钎焊工艺摒弃了传统的焊膏丝网印刷工艺流程，在钎焊过程中完全避免了有机物参与，因而无需考虑原工艺中存在的焊膏中所含有机物的挥发、分解以及避免了分解残余物对钎焊质量造成的负面影响。此外，由于冷气动力喷涂在较低温度下即可实现焊料粉末之间的冶金级结合，在钎焊粉末的选择上具有更大的灵
活性：既可以使用完全合金化的AgCuTi系粉末作为钎焊料，也可以使用按照配方比例将各组元混合后的金属粉末作为钎焊料，依然可获得较为理想的钎焊效果，该特性可降低焊料成本。具体而言，采用超音速冷气动力喷涂设备，先将活性钎料金属粉喷涂在陶瓷基板上形成涂层，随后用磨床将涂层磨至合适厚度，再将洁净无氧铜箔放置在该活性钎料涂层上，将覆铜板放置于真空钎焊炉中进行高温钎焊，使钎料熔化，彼此之间形成牢固可靠的界面融合。采用该工艺钎焊制造的覆铜板，陶瓷基板与无氧铜箔之间实现了牢固的结合，界面无空洞、无脆性相、氧化相等缺陷产生。采用本专利技术的钎焊工艺所生产的覆铜板的载流能力更强、可靠性更高、耐冷热循环性能也更好。
[0007]本专利技术采用的技术方案如下：一种基于超音速冷气动力喷涂工艺的AMB陶瓷
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金属钎焊方法，至少包括如下步骤：步骤一、将陶瓷基板进行超声清洗、烘干和喷砂处理，以获得干净且表面凹凸的基板面，作为活性钎料涂层与之嵌合的界面；步骤二、将AMB活性钎料粉末输入冷喷涂系统的送粉系统，采用惰性气体作为气动介质进行冷喷涂，在陶瓷基板上形成一层活性钎料涂层；工作时，送粉系统上的AMB活性钎料粉末被喷枪喷出的气流加速后高速撞向陶瓷基板，使粉体颗粒发生塑性变形，嵌合沉积在陶瓷基板表面上。
[0008]步骤三、用磨床将陶瓷基板上的活性钎料涂层磨至所需的厚度；步骤四、将洁净的无氧铜箔置于步骤三所获得的复合基板上，且活性钎料涂层位于无氧铜箔与陶瓷基板之间，再置于真空钎焊炉中进行高温真空焊接，以实现陶瓷基板
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活性钎料涂层
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铜箔三者之间的充分钎焊融合，即可获得AMB陶瓷覆铜板。
[0009]作为本专利技术基于超音速冷气动力喷涂工艺的AMB陶瓷
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金属钎焊方法的一种改进，步骤一中的陶瓷基板的材质为Al2O3、AlN或Si3N4；喷砂处理所用的材料为金刚石、碳化硼或立方氮化硼，这三种材料的硬度均高于陶瓷基板，可实现将基板表面粗糙化之目的；喷砂的粒度为16～60目范围内。
[0010]作为本专利技术基于超音速冷气动力喷涂工艺的AMB陶瓷
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金属钎焊方法的一种改进，步骤二所用的AMB活性钎料粉末为AgCuTi系高温钎料，其典型成份为AgCuTiX，其中AgCu含量占重量百分比90%以上，Ti含量占重量百分比0.5
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8%，其中的X组元为In、Zr、Sn、Zn、Cd、Ni中的至少一种，组元X与Ti的质量分数比总和为0
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10%。该AMB活性钎料粉末可以是完全合金化的粉末，也可以是各组元金属粉末按配方比例混合而成。所述的金属组元粉末也包括在后续的高温工艺条件下分解后才生成相应金属单质的化合物粉末，如TiH2、ZrH2等。所述AMB活性钎料粉末的粒径分布范围为0.1
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53μm，粉末平均含氧量<500ppm。
[0011]作为本专利技术基于超音速冷气动力喷涂工艺的AMB陶瓷
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金属钎焊方法的一种改进，步骤二所述的冷喷涂系统包括送粉系统、高压气源、用于对高压气源进行加热的气体加热器、用于调节高压气源送出的气体的压力的气体调节控制系统和喷枪，喷枪采用拉瓦尔喷枪，冷喷涂的介质气体为高纯氩气或氦气，气压为1.5～3.5Mpa，介质气体的工作温度为室温～750℃，粉末输送量为0.1～200g/min；工作时，喷枪安装在机械臂上，按照预先设计的路径一边喷涂一边移动，喷涂后在基板上可获得与喷涂原料粉末成分相同的涂层。
[0012]作为本专利技术基于超音速冷气动力喷涂工艺的AMB陶瓷
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金属钎焊方法的一种改进，
步骤二中AMB活性钎料的喷涂厚度为30
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100μm，优选为70
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80μm，步骤三中磨床研磨减薄后的活性钎料涂本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种AMB陶瓷
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金属钎焊方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一、将陶瓷基板进行超声清洗、烘干和喷砂处理，以获得干净且表面凹凸的基板面，作为活性钎料粉末与之嵌合的界面；步骤二、将AMB活性钎料粉末输入冷喷涂系统的送粉系统，以惰性气体为气动介质进行超音速冷气动力喷涂，在陶瓷基板上形成活性钎料涂层，获得复合基板；步骤三、将洁净的无氧铜箔置于步骤二所获得的复合基板上，且活性钎料涂层位于无氧铜箔与陶瓷基板之间，再置于真空钎焊炉中进行高温真空焊接，以实现陶瓷基板
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活性钎料涂层
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铜箔三者之间的充分钎焊融合，即可获得AMB陶瓷覆铜板。2.根据权利要求1所述的AMB陶瓷
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金属钎焊方法，其特征在于，所述方法还包括用磨床将步骤二所得的复合基板上的活性钎料涂层研磨减薄至所需的厚度，然后再进行步骤三。3.根据权利要求1所述的AMB陶瓷
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金属钎焊方法，其特征在于，步骤一中的陶瓷基板的材质为Al2O3、AlN或Si3N4；步骤一中的喷砂处理所用的材料为金刚石、碳化硼或立方氮化硼，喷砂的粒度为16～60目。4.根据权利要求1所述的AMB陶瓷
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金属钎焊方法，其特征在于，步骤二所述的AMB活性钎料粉末为AgCuTi系的高温钎料，其典型成份为AgCuTiX，其中Ag、Cu含量之和占质量百分比90%以上，Ti含量占重量百分比0.5
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8%，配方中的X为V、Zr、Hf、In、Cr、Sn、Zn、Cd、Si、Al和Ni元素中的至少一种，元素X与Ti的质量分数比总和为0
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10%。5.根据权利要求1所述的AMB陶瓷
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金属钎焊方法，其特征在于，步骤...

【专利技术属性】
技术研发人员：黎铭坚，
申请(专利权)人：黎铭坚，
类型：发明
国别省市：