一种AMB陶瓷覆铜板生产方法技术

本发明专利技术属于陶瓷

【技术实现步骤摘要】
一种AMB陶瓷覆铜板生产方法


[0001]本专利技术属于陶瓷
‑
金属复合材料制造
，尤其涉及一种基于冷喷涂工艺的AMB（Active Metal Bonding, 活性金属钎焊)陶瓷覆铜板的制备方法。

技术介绍

[0002]在第三代半导体器件设计中，要求芯片尺寸越来越小，而且要求器件能够满足高频、高温、大功率的应用需求。芯片尺寸减小意味着功率密度急剧增加，而为了实现大功率电力电子器件高密度三维模块化封装，人们对模块散热封装可靠性提出了新的要求。以IGBT(绝缘栅双极型晶体管)功率模块为代表的高压大功率模块在轨道交通、航空航天、新能源汽车、风力发电、国防工业等战略性产业应用广泛。这些领域都需要用到高品质的陶瓷覆铜板，主要有Al2O3、AlN或Si3N4几种陶瓷基板。尤其是Si3N4和AlN陶瓷，由于其高强度、高散热性，可以将功率模组块的热量快速散发到外界，使它们成为电力电子领域IGBT功率模块最优良的封装材料。为此，开发出可靠性更高、耐温性能更好、载流能力更强的陶瓷覆铜基板成为业界共识。
[0003]在陶瓷表面金属化最主要的两种生产工艺中，直接覆铜陶瓷基板(DCB)是利用铜的含氧共晶液直接将铜敷接在陶瓷上；而活性金属钎焊覆铜陶瓷基板(AMB，Active Metal Bonding)则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。二者相比，活性金属钎焊覆铜陶瓷基板具有更高的综合性能。活性焊接工艺须先在陶瓷表面印刷膏状活性金属焊料，或采用活性金属箔片贴合在陶瓷表面上，然后与无氧铜装夹在一起，放入真空钎焊炉中进行高温钎焊；钎焊完毕后基板采用类似于PCB板的湿法刻蚀工艺在覆铜板表面制作出电路，最后经表面镀覆镍、金等金属薄膜，制备出性能可靠的陶瓷覆铜板产品。然而，AMB覆铜板在加工过程中因为金属铜和陶瓷材料的热膨胀系数有较大的差别，所以在高温条件下覆铜之后，容易在在陶瓷基板中产生较大的附加热应力。并且，由于电子封装基板自身的周期性使用特性，在频繁的升温和降温过程中也会陆续地在陶瓷基板上产生热应力。因此经过漫长时间使用后在基板内部很容易有微小的裂纹产生和扩展，故很容易让封装基板产生破裂或者覆铜层剥落从而失效，影响到大功率IGBT功率模块的可靠性。因此亟待寻求一种能将陶瓷和铜稳定有效地结合在一起，提高覆铜陶瓷基板冷热循环可靠性的新方法。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于：针对现有的AMB陶瓷覆铜板生产的工艺难题，而提供一种基于冷喷涂工艺的AMB陶瓷覆铜板的新的生产方法，首次创新性地将冷喷涂技术应用到陶瓷覆铜板的制造流程中。具体而言，采用超音速冷喷涂设备，将活性钎料层喷涂嵌合在陶瓷基板上、再将纯铜粉覆盖喷涂在活性钎料涂层之上，将覆铜板放置于真空钎焊炉中进行高温钎焊，使它们之间形成更加牢固可靠的界面融合，该工艺过程同时也能有效消除喷涂工艺形成的内应力。采用该工艺生产的覆铜板，活性钎料涂层与陶瓷基板以及纯铜涂层之间，彼此
扩散实现了冶金结合，涂层致密，界面无空洞、无脆性相、氧化相等缺陷产生；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。
[0005]为了达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种基于冷喷涂工艺的AMB陶瓷覆铜板的制备方法，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。
[0006]步骤三、将纯铜粉末输入冷喷涂系统的送粉系统，采用惰性气体为喷涂介质进行冷喷涂，在步骤二所获得的活性钎料涂层上面叠加喷涂一层铜涂层；工作时，送粉系统内的纯铜粉末被喷枪喷出的气流加速后高速撞向活性钎料涂层，覆盖在活性钎料表面上，形成复合涂层。
[0007]步骤四、将步骤三所获得的复合涂层陶瓷板置于真空钎焊炉中进行高温焊接，以实现陶瓷基板
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活性钎料涂层
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铜涂层三者之间的充分钎焊融合，得到陶瓷覆铜板；步骤五、对步骤四获得的陶瓷覆铜板表面进行研磨或电化学减薄，直至获得所需的铜涂层厚度及表面粗糙度；步骤六、在步骤五获得的覆铜板表面上印刷线路图，然后采用类似于PCB板的湿法刻蚀工艺在覆铜板表面制作出电路板，再经表面镀覆镍、金等金属薄膜等工艺流程，制备出性能可靠的陶瓷覆铜板产品。
[0008]作为本专利技术AMB陶瓷覆铜板的制备方法的一种改进，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16～30目。
[0009]作为本专利技术AMB陶瓷覆铜板的制备方法的一种改进，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，粉末含氧量<200ppm。
[0010]作为本专利技术AMB陶瓷覆铜板的制备方法的一种改进，步骤二和步骤三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，单层涂层厚度可调整控制在20
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100μm范围内。
[0011]作为本专利技术AMB陶瓷覆铜板的制备方法的一种改进，步骤二中活性钎料涂层的厚度控制在20
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80μm范围内。
[0012]作为本专利技术AMB陶瓷覆铜板制备方法的改进，步骤三所用的铜粉为球形粉末，纯度≧99.99%，含氧量<200ppm，铜粉粒径分布范围为5
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53微米，冷喷涂后形成的铜导电层，电导率>99.5% IACS，与铜箔带导电率接近，满足覆铜板导电层的技术要求。
[0013]作为本专利技术AMB陶瓷覆铜板的制备方法的一种改进，对陶瓷覆铜板可以单面喷涂覆铜，也可以双面喷涂本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种AMB陶瓷覆铜板的制备方法，基于冷喷涂工艺，其特征在于，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冷喷涂，在陶瓷基板上形成活性钎料涂层；步骤三、将高纯铜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冷喷涂，在步骤二所获得的活性钎料涂层上面叠加喷涂一层铜涂层；步骤四、将步骤三所获得的复合涂层陶瓷板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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铜涂层三者之间的充分钎焊融合，得到陶瓷覆铜板；步骤五、对步骤四获得的陶瓷覆铜板表面进行减薄，直至获得所设定的铜涂层厚度及合格的表面粗糙度；步骤六、在步骤五获得的覆铜板表面上采用油墨印刷电路图，采用湿法刻蚀工艺制造出线路板，再经表面镀覆工艺，制备出符合设计要求的AMB陶瓷覆铜板产品。2.根据权利要求1所述的基于冷喷涂工艺的AMB陶瓷覆铜板的制备方法，其特征在于，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，喷砂的粒度为16～30目。3.根据权利要求1所述的基于冷喷涂工艺的AMB陶瓷覆铜板的制备方法，其特征在于，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%；所述AMB活性钎料粉末的粒径分布范围为0.1
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53μm，粉末含氧量<200ppm。4.根据权利要求1所述的基于冷喷涂工艺的AMB陶瓷覆铜板的制备方法，其特征在于，步骤二和步骤三所述的冷喷涂系统包...

【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：