高可靠性氮化铝陶瓷覆铝陶瓷基板及其制备方法和应用 |
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| 申请号 | CN202410124432.7 | 申请日 | 2024-01-29 | 公开(公告)号 | CN117984628A | 公开(公告)日 | 2024-05-07 |
| 申请人 | 哈尔滨工业大学; 哈尔滨邦定科技有限责任公司; | 发明人 | 林铁松; 徐瑞; 何鹏; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及陶瓷材料技术领域，提供了一种高可靠性氮化 铝 陶瓷覆铝陶瓷 基板 及其制备方法和应用。本发明在氮化铝陶瓷与铝之间加入铝 合金 ，在压 力 为0.1‑0.3Mpa， 焊接 温度 为580℃‑620℃，保温时间30min的工艺参数下，实现了氮化铝陶瓷与铝的高性能键合，所获得的陶瓷基板可靠性高，经测试，陶瓷基板强度在60MPa以上。并且，本发明的焊接温度较低，在580℃至620℃的低温范围下实现了氮化铝与铝箔的有效键合，且 精度 较高，符合绿色节能的生产原则。此外，本发明直接将 表面处理 后的氮化铝陶瓷、 铝合金 和铝箔三层叠放好后进行 热压 即可，不需要对氮化铝陶瓷表面进行改性，工艺简单、成本可控，能够实现大规模批量生产。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种高可靠性氮化铝陶瓷覆铝陶瓷基板的制备方法，其特征在于，包括： |
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| 说明书全文 | 高可靠性氮化铝陶瓷覆铝陶瓷基板及其制备方法和应用技术领域[0001] 本发明涉及陶瓷材料技术领域，具体而言，涉及一种高可靠性氮化铝陶瓷覆铝陶瓷基板及其制备方法和应用。 背景技术[0003] 为防止电子元件因热量聚集而损害，具有高热稳定性、化学稳定性等的陶瓷材料作为电子基板材料而广泛应用。其中，Al2O3陶瓷基板是目前应用最为广泛的陶瓷基板，但Al2O3陶瓷导热性较差，导热系数仅约为25W/(m·K)。而直接覆铜(Direct Bond Copper，DBC)陶瓷基板由于具有良好的导热性能和导电性能成为重要的电子封装材料。DBC工艺的原理为是利用铜的含氧共晶液直接将铜敷接在陶瓷上，铜与陶瓷基板之间发生化学反应生成CuAlO2或CuAl2O4相，但这些生成相的形成会引起较大的残余应力，导致DBC衬板界面出现裂纹。直接覆铝(DBA)工艺是从DBC工艺发展起来的金属直接覆接陶瓷基板的新工艺，铝相较于铜具有更好的塑性与可加工性，并且DBA基板相较于DBC基板具有更高的耐冷热冲击性与可靠性。 [0004] 但是，直接覆铝氮化铝陶瓷基板工艺存在以下问题：低温时，铝在氮化铝陶瓷表面润湿性较差，无法形成有效键合，而当温度高于950℃时，铝在氮化铝陶瓷表面润湿性增强，润湿角小于90°，但此时温度远高于铝的熔点，铝箔覆接在氮化铝陶瓷表面成型较为困难。 发明内容[0005] 本发明所要解决的问题是如何实现氮化铝与铝箔的有效键合。 [0006] 为解决上述问题，本发明提供一种高可靠性氮化铝陶瓷覆铝陶瓷基板的制备方法，包括： [0008] 将所述第一氮化铝陶瓷、所述第一铝合金和铝箔依次层叠放置，得到层叠体，将所述层叠体置于真空环境中加热，同时对所述层叠体施加0.3‑1Mpa的压力，加热速度为5‑10℃/min，加热至580℃‑620℃并保温30‑35min，冷却后得到高可靠性氮化铝陶瓷覆铝陶瓷基板。 [0011] 可选地，使用氢氧化钠溶液对所述铝合金进行表面碱洗。 [0012] 可选地，使用硝酸溶液对所述铝合金进行表面酸洗。 [0013] 可选地，对所述铝合金进行表面处理还包括，将表面酸洗后的铝合金置于丙酮中。 [0014] 可选地，所述铝合金为4004铝合金。 [0015] 可选地，在扩散炉中对所述层叠体进行加热，所述扩散炉中的真空度为1×10‑4Pa。 [0016] 本发明还提供一种高可靠性氮化铝陶瓷覆铝陶瓷基板，采用如上所述的高可靠性氮化铝陶瓷覆铝陶瓷基板的制备方法得到。 [0017] 本发明还提供一种高可靠性氮化铝陶瓷覆铝陶瓷基板的应用，包括如上所述的高可靠性氮化铝陶瓷覆铝陶瓷基板在电子封装领域的应用。 [0018] 本发明在氮化铝陶瓷与铝之间加入铝合金中间层，在压力为0.1‑0.3Mpa，焊接温度为580℃‑620℃，保温时间30min的工艺参数下，实现了氮化铝陶瓷与铝的高性能键合，所获得的陶瓷基板可靠性高，经测试，陶瓷基板强度在60MPa以上。并且，本发明的焊接温度较低，在580℃至620℃的低温范围下实现了氮化铝与铝箔的有效键合，且精度较高，符合绿色节能的生产原则。此外，本发明直接将表面处理后的氮化铝陶瓷、铝合金和铝箔三层叠放好后进行热压即可，不需要对氮化铝陶瓷表面进行改性，工艺简单、成本可控，能够实现大规模批量生产。附图说明 [0019] 图1为本发明实施例1制备的高可靠性氮化铝陶瓷覆铝陶瓷基板的扫描电镜图； [0020] 图2为本发明实施例1制备的高可靠性氮化铝陶瓷覆铝陶瓷基板的剪切应力应变图。 具体实施方式[0021] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。 [0022] 本发明实施例的一种高可靠性氮化铝陶瓷覆铝陶瓷基板的制备方法，包括： [0023] 分别对氮化铝陶瓷和铝合金进行表面处理，得到第一氮化铝陶瓷和第一铝合金； [0024] 将所述第一氮化铝陶瓷、所述第一铝合金和铝箔依次层叠放置，得到层叠体，将所述层叠体置于真空环境中加热，同时对所述层叠体施加0.3‑1Mpa的压力，加热速度为5‑10℃/min，加热至580℃‑620℃并保温30‑35min，冷却后得到高可靠性氮化铝陶瓷覆铝陶瓷基板(以下可简称为陶瓷基板)。 [0025] 本实施例以铝合金为中间层，通过加压使得铝箔和氮化铝陶瓷形成有效键合，键和性能好，所获得的陶瓷基板可靠性高，经测试，陶瓷基板强度在60MPa以上。并且，本实施例的焊接温度较低，在580℃至620℃的低温范围下实现了氮化铝与铝箔的有效键合，且精度较高，符合绿色节能的生产原则。此外，本实施例直接将表面处理后的氮化铝陶瓷、铝合金和铝箔三层叠放好后进行热压即可，不需要对氮化铝陶瓷表面进行改性，工艺简单、成本可控，能够实现大规模批量生产；而相关技术中为了解决铝在氮化铝陶瓷表面难以润湿的问题，研究人员通过真空蒸发镀膜、溅射镀膜以及离子镀膜等物理气相沉积镀膜的方法在氮化铝陶瓷进行表面改性，工艺复杂。 [0026] 本实施例的制备方法，在氮化铝陶瓷与铝之间加入铝合金中间层，在压力为0.1‑0.3Mpa，焊接温度为580℃‑620℃，保温时间30min的工艺参数下，实现了氮化铝陶瓷与铝的高性能键合。本实施例通过焊接工艺参数的调控，实现了三层直接叠放焊接，并获得高可靠性接头(即陶瓷基板)，而不用为了焊接质量而将中间层预先与铝基板等通过例如轧制工艺制成一体，避免一体处理过程中对铝合金造成裂纹、分层等缺陷，提高陶瓷基板的性能，且减少一体处理工艺，也大大降低了生产成本，提高生产效率。 [0027] 其中一些实施方式中，对所述氮化铝陶瓷进行表面处理包括：分别采用200目、400目、800目、1200目、2000目、3000目的砂纸对氮化铝陶瓷片进行打磨，然后抛光清洗，得到所述第一氮化铝陶瓷。 [0028] 本实施例通过打磨可以去除氮化铝陶瓷表面的粗糙度和微小缺陷，使表面更加平整光滑，减少表面粗糙度对连接质量的影响，提高连接的可靠性。此外，打磨和抛光可以有效清除氮化铝陶瓷表面的污垢、杂质和油脂等有机物，提高表面的清洁度，且通过打磨和抛光还可以增加氮化铝陶瓷表面的粘附性，有利于后续的焊接工艺，确保连接部位的质量和稳定性。 [0029] 其中一些实施方式中，对所述铝合金进行表面处理包括：对所述铝合金进行表面打磨并抛光，然后进行表面碱洗和表面酸洗。 [0030] 优选地，使用氢氧化钠溶液对所述铝合金进行表面碱洗；使用硝酸溶液对所述铝合金进行表面酸洗。 [0031] 通过对铝合金进行表面碱洗，可以去除铝合金表面的油污、脏物和其他有机物，还原表面的清洁度，同时也有助于去除氧化膜和其他杂质，确保铝合金表面在后续热压工艺步骤中能够更好地与其它材料接触，并提高接触面的清洁度和粘附性。 [0032] 通过对铝合金进行表面酸洗，可以去除铝合金表面的氧化物、锈迹等，从而改善铝合金表面的清洁度和粗糙度，此外，酸洗还可以增加铝合金表面的活性，提高铝合金表面的可焊性和粘附性，有利于后续的焊接工艺。 [0033] 其中一些实施方式中，对所述铝合金进行表面处理还包括，将表面酸洗后的铝合金置于丙酮中，避免生成氧化膜。 [0034] 其中一些实施方式中，所述铝合金为4004铝合金。 [0035] 4004铝合金具有良好的焊接性能，且4004铝合金与氮化铝陶瓷具有良好的相容性，可以与氮化铝陶瓷和高纯铝箔有效地实现键合，确保连接的可靠性和稳定性。同时，4004铝合金还具有较高的抗腐蚀性能，能够在复杂的工作环境中保持连接部位的稳定性和耐久性；4004铝合金还具有适中的机械性能，能够满足连接部位对于强度和韧性的要求，同时不至于过于僵硬或过于柔软，有利于连接部位的稳定性和可靠性。 [0036] 其中一些实施方式中，在扩散炉中对所述层叠体进行加热，所述扩散炉中的真空‑4度为1×10 Pa。 [0038] 本发明还提供一种高可靠性氮化铝陶瓷覆铝陶瓷基板，采用如上所述的高可靠性氮化铝陶瓷覆铝陶瓷基板的制备方法得到。 [0039] 本发明还提供一种高可靠性氮化铝陶瓷覆铝陶瓷基板的应用，包括如上所述的高可靠性氮化铝陶瓷覆铝陶瓷基板在电子封装领域的应用。 [0040] 下面通过具体实施例对本发明进行详细说明。 [0041] 实施例1 [0042] 对氮化铝陶瓷进行表面处理，采用200目、400目、800目、1200目、2000目、3000目的砂纸对氮化铝陶瓷片进行打磨，然后抛光清洗； [0043] 对中间层4004铝合金进行表面打磨并抛光，然后使用氢氧化钠溶液进行表面碱洗、硝酸溶液进行表面酸洗，然后放入丙酮中保存； [0044] 将氮化铝陶瓷、4004铝合金中间层以及与高纯铝箔紧贴并平放置于扩散炉中，施‑4加1Mpa的压力，将炉子中的真空度抽至1×10 Pa后进行加热，加热速度为5℃/min，焊接温度为580℃℃，保温30分钟后随炉冷却取出。 [0045] 实施例2、3以及对比例1、2与实施例1的区别如表1所示。 [0046] [0047] 对实施例1获得的陶瓷基板(焊接接头)进行SEM扫描电镜，结果如图1所示，由图可以看出，氮化铝陶瓷与铝的焊接界面紧密结合，界面清晰，没有明显的裂纹和间隙；且焊缝均匀，没有凹凸不平或者不均匀的现象；此外，焊接接头不存在气孔、夹杂物或者其他缺陷，表明焊接接头的质量较好。 [0048] 图2为实施例1的接头剪切应力应变图，由图2可以看到，剪切应力随着行程应变的增加而逐渐增加，表明在受力过程中，氮化铝陶瓷基板能够承受较大的剪切应力而不发生塑性变形或破坏；且剪切应力与行程应变呈线性关系，并且线性范围较宽，表明该陶瓷基板具有较大的弹性变形范围，能够在受力时保持较好的弹性恢复性；且剪切应力与行程应变的变化趋势中没有出现明显的断裂点，表明该陶瓷基板具有较高的韧性和延展性，能够在受力过程中保持相对稳定的性能；此外，还可以看到图中存在一个明显的剪切应力峰值，表明在受力过程中，该氮化铝陶瓷基板能够承受较大的临界剪切应力，具有较高的强度和抗拉伸性能。 [0049] 采用GB11363‑89《钎焊接头强度试验方法》测定实施例1‑3以及对比例1‑2的接头剪切强度，结果如表2所示。 [0050] [0051] [0052] 由表2可以看出，实施例1‑3中氮化铝陶瓷、铝合金和铝箔层叠后在压力0.1‑0.3Mpa、温度580℃‑620℃下焊接，并保温30‑35min，由此制备的陶瓷基板具有较高的剪切强度。 |
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