用于制造铜陶瓷复合基片的方法

本发明涉及一种用于制造铜陶瓷复合基片的方法，该铜陶瓷复合 基片例如可以用作开关电路特别是功率开关电路的印制电路板。

制造这种铜陶瓷复合基片所使用的原材料是板状陶瓷材料(陶瓷 层或者陶瓷基体)以及由轧制的铜箔通过切割或者冲压获得的箔材坯 料，该箔材坯料通过DCB技术与陶瓷层复合。在由例如US-PS 37 44 120或US-PS 23 19 854已知的方法中，箔材坯料在其表面设置有一层 氧化铜。这个层形成了一种熔点比铜的熔点低的低共熔体，从而，通 过将铜箔放置到陶瓷上，并对所有的各层进行加热，可以将这些层复 合在一起，具体地说，是通过熔化基本上只处在氧化层区域的铜。

所述DCB方法包括如下步骤：

●氧化铜箔，而得到一均匀的氧化铜层；

●将铜箔放置到陶瓷层上；

●将复合体加热到一个约1065℃至1083℃的过程温度，例如大约 1071℃；

●冷却到室温。

已知一种特殊的制造铜陶瓷复合基片的方法(EP 0 335 679 B1)， 其中用于DCB过程的原材料包括具有极高硬度的铜制箔材坯料，即 维氏硬度在100到150kg/mm2。应当确保，在DCB过程之后由铜构成 的金属层仍然具有足够高的硬度。

本发明的目的在于，提出一种方法，该方法可以确保改善铜和陶 瓷之间的DCB复合的质量，特别是确保在这些材料连接的表面上没 有缺陷，并且在铜和陶瓷之间具有足够大的抗脱落强度。一种根据权 利要求1的方法用以实现这个目的。

本发明基于下述构思：DCB复合的质量相对于现有的方法的改善 可以这样实现，即，与现有方法不同的是，在实际的DCB过程开始 的时候，将箔材坯料的材料硬度设在低于70kg/mm2，这可以通过DCB 过程之前的一个回火步骤可靠地实现。

本发明的进一步改进方案是从属权利要求的内容。下面基于实施 例，借助于附图来详细阐述本发明，其中：

图1按本发明的方法制造的铜陶瓷复合基片的简化剖视图；

图2至图5根据本发明的各种方法的步骤；

图6箔材坯料仅进行单面氧化的步骤。

附图中用1总体地表示一铜陶瓷复合基片，其采用DCB过程进行 制造，并且具有一个陶瓷层2(例如由氮化铝-陶瓷构成)，该陶瓷层 在其两个表面上分别设有由铜箔形成的金属层3和4。

在图2中又给出的方法中，使用陶瓷层2以及由铜箔5形成的箔 材坯料3′和4′来制作基片1。铜箔5是轧制而成的，因此它具有大于 70kg/mm2的维氏硬度。箔材坯料3′和4′例如是通过铜箔5冲压得到的。

在图2中用A1表示的步骤中，将箔材坯料3′和4′氧化，特别是 也在其表面上氧化，例如通过一种合适的化学氧化方法来实现的，因 此作为这个步骤的结果，箔材坯料3′和4′在其表面上出现了氧化铜层 6，该层形成了后来的DCB过程中的低共熔(共晶)的熔化层。

在图2中另一用B1表示的步骤中，紧接着对具有氧化层6的箔 材坯料进行回火处理，具体地说，是处在一种保护气体氛围中，温度 范围在200℃到400℃之间，并且持续时间在2分钟到20分钟之间， 从而，作为回火处理的结果，箔材坯料3′和4′的维氏硬度明显地低于 70kg/mm2。就本发明来说，“保护气体氛围”应当理解成不含氧气或者 其中氧气含量可以忽略不计的气氛。

通过步骤B1去除了铜材中的应力，该应力例如说来源于铜箔5 的轧制和/或箔材坯料3′和4′的冲压。另外还表明，箔材坯料3′和4′ 的通过步骤B获得的大幅度减小的硬度在接下来的DCB过程中能使 DCB复合的质量大大提高。

在接下来的步骤C1中，经氧化和回火处理的箔材坯料3′与陶瓷 层2(陶瓷基体)结合在一起，从而在另一个步骤D1中，为了形成金 属层3，可以通过DCB过程将箔材坯料3′与陶瓷基体2平面地复合到 一起(第一DCB工步)。

在另一个步骤E1中，至此仅单面具有金属层3的陶瓷基体2和 经过氧化及回火处理的箔材坯料4′结合在一起，从而在另一个步骤F1 中，为了形成金属层4，同样可以通过DCB过程(第二DCB工步) 将箔材坯料4′与陶瓷层2复合到一起，这样就获得了所期望的铜陶瓷 复合基片1。

在上面所描述的方法中，特意选取具有小于70kg/mm2的低维氏硬 度的箔材坯料3′和4′用作为DCB过程(步骤D1和F1)的原材料。 这就大大提高了陶瓷和相应的由铜做成的金属层3和4之间的DCB 复合质量。这显然是因为铜材由于回火而去除了应力，箔材坯料的硬 度在相应的DCB过程之前业已减小，从而使箔材坯料紧紧贴合在陶 瓷层2的表面上。

图3示出了另外一种可能的制造铜陶瓷复合基片1的方法的实施形 式的各个步骤。这个方法采取下列步骤：

A2  氧化

B2  回火

C2  将陶瓷层2和箔材坯料3′结合

D2  第一DCB工步

E2  将已单面覆有金属层的陶瓷层2和箔材坯料4′结合

F2  第二DCB工步

在图3中示出的方法与图2中示出的方法的主要区别在于，由铜 箔5获得的箔材坯料3′和4′首先在步骤B2中回火，并且在回火时也 是处于一种保护气体氛围中，温度范围在200℃到400℃之间，持续时 间在2分钟到20分钟之间，从而作为回火处理的结果，箔材坯料3′ 和4′的维氏硬度明显地低于70kg/mm2(步骤B2)。在下面一个步骤 A2中才对经回火处理的箔材坯料3′和4′进行氧化，也就是说，图3 中的步骤A2和B2的顺序与它们在图2中的顺序是相反的。通过氧化 之前的回火处理，大大简化了氧化或者说是氧化层6的形成。其它的 各个步骤在图2和图3的方法中是一致的。

图4中示出了本发明方法的另外一种实施形式。在该方法中采用如 下的步骤：

A3  氧化

B3  回火

B3′回火

C3  将陶瓷层2和箔材坯料3′结合

D3  第一DCB工步

E3  将已单面覆有金属层的陶瓷层2和箔材坯料4′结合

F3  第二DCB工步

在该实施例中，也是在例如通过铜箔5冲压制得箔材坯料3′和4′ 之后，在步骤A3中对箔材坯料3′和4′进行氧化来形成氧化层6。

在本发明的该实施例中，在完成氧化过程(步骤A3)之后，将经 氧化的箔材坯料3′和陶瓷层2合并在一起。然后在步骤B3中对氧化 过的箔材坯料3′进行回火，其中，在该回火过程中，陶瓷层2用作氧 化过的箔材坯料3′的支撑面。该回火过程也是处于一种保护气体氛围 中，温度范围在200℃到400℃之间，并且持续时间在2分钟到20分 钟之间，从而作为回火过程B3的结果，箔材坯料3′的维氏硬度明显 地低于70kg/mm2，这样也就去除了箔材坯料3′材料中的应力。

在紧接着的步骤D3中，通过DCB过程将预氧化过的、经回火处 理的箔材坯料3′与陶瓷层2复合起来，以构成金属层3。在另一个步 骤E3中，将预氧化过的、经回火处理的箔材坯料4′放在陶瓷层2的 背离金属层3的表面上。在紧接着的步骤B3′中，对氧化过的箔材坯料 4′进行回火处理，该回火过程也是处于一种保护气体氛围中，温度范 围在200℃到400℃之间，并且持续时间在2分钟到20分钟之间，从 而在过程结束后，箔材坯料4′的维氏硬度无论如何都明显地低于 70kg/mm2。

在另一个步骤F3中，通过DCB过程将氧化过的、经回火处理的 箔材坯料4′与陶瓷层2复合起来，用以构成金属层4，这样最终就获 得了所期望的铜陶瓷复合基片1。

与图4类似，图5示出了本发明的铜陶瓷复合基片1的制造方法 的又一实施形式的各个步骤。

该方法采取下列步骤：

A4  氧化

A4′氧化

B4  回火

C4  将陶瓷层2和箔材坯料3′结合

D4  第一DCB工步

E4  将已单面覆有金属层的陶瓷层2和箔材坯料4′结合

F4  第二DCB工步

G4  翻转箔材坯料3′

G4′翻转箔材坯料4′

在图5中示出的方法与在图3中示出的方法类似，首先将由铜箔 5获得箔材坯料3′和4′在步骤B4中进行回火，并且，回火过程同样处 于一种保护气体氛围中，温度范围在200℃到400℃之间，并且持续时 间在2分钟到20分钟之间，从而作为该处理的结果，箔材坯料3′和 4′具有了一个低于70kg/mm2的维氏硬度。在接下来的步骤C4中，将 陶瓷层2和经回火的箔材坯料3′结合在一起。紧接着在步骤A4中， 对放在陶瓷层2上的箔材坯料3′进行氧化，即，至少在箔材坯料3′的 背对陶瓷层2的表面上形成铜氧化层6。在附加的步骤G4中，将箔材 坯料3′翻转过来放在陶瓷层2上，使该坯料的铜氧化层6贴着陶瓷层 2，在步骤D4中，可以通过DCB过程(第一DCB工步)将箔材坯料 3′与陶瓷基体2复合起来，形成金属层3。

在下面一个步骤E4中，将经回火的箔材坯料4′与单面已经金属 化的陶瓷层2结合在一起，从而在步骤A4′中，平放在陶瓷层2上的 箔材坯料4′至少在其背对陶瓷层2的表面上被氧化。紧接着在步骤G4′ 中，将箔材坯料4′翻转过来平放在陶瓷层2上，使箔材坯料4′以其氧 化层6贴着陶瓷层2，然后，在步骤F4中，通过DCB过程(第二DCB 工步)将箔材坯料4′与陶瓷基体2平面地复合起来，形成金属层4。

箔材坯料3′的氧化(步骤A4)及箔材坯料4′的氧化(步骤A4′) 例如是通过热氧化方法进行的。

如前所述，至少在图2-4的方法中，箔材坯料3′和4′分别在其两 个表面上都被氧化，即具有氧化层6。图6示出了一种方法，其中箔 材坯料3′和4′分别针对性地只在一个表面上具有氧化层6。原材料还 是铜箔5，然后由它通过切割或者冲压获得箔材坯料3′和4′。在步骤 H中，首先将箔材坯料3′的一面平放在一辅助体7上面，该辅助体7 是由平板状的具有橡胶弹性的材料制成的。在下面的一个步骤I中， 将箔材坯料4′平放在辅助体7的另外一面上。通过对形成在辅助体中 的空腔8抽真空，使箔材坯料3′和4′在真空作用下虽然可以再取下来、 但是紧紧贴住辅助体7，从而箔材坯料3′和4′各自只有一个表面暴露 在外面，这两个表面例如可以通过化学氧化的方法来形成铜氧化层6。

箔材坯料3′和4′的回火过程处于一种保护气体氛围中，温度范围 在200℃到400℃之间，并且持续时间在2分钟到20分钟之间，该回 火过程可以发生在步骤H之前，但也可以紧接着步骤A5。

经回火和氧化过的箔材坯料3′和4′的进一步处理例如与图2中的 方法一致，不过其中箔材坯料肯定是分别以其由氧化层形成的表面放 到陶瓷层2上。

以上示例性地通过各实施例对本发明进行了说明。不言而喻，还 可以作出多种修改及变动，而不脱离基于本发明的发明构思。

                     附图标记清单

1       铜陶瓷复合基片           5    铜箔

2       陶瓷层                   6    氧化层

3，4    铜金属层                 7    辅助体

3′，4′铜箔坯料