一种覆铝陶瓷绝缘衬板的制备方法技术

本发明专利技术涉及覆铝陶瓷绝缘衬板的制备方法，包括：(1)陶瓷金属化层制备，在基板表面形成均匀铝金属化层；(2)表面镀，在高纯铝箔或陶瓷基板表面形成均匀微米级镀层；(3)瞬间液相扩散焊接，陶瓷基板双面贴合高纯铝箔，瞬间液相扩散焊接后得覆铝陶瓷绝缘衬板。本发明专利技术采用高温浸润性烧结制备铝金属化层，获得高纯度及高键合强度的铝金属化层；采用表面镀工艺，在铝面均匀形成微米级镀层，作为瞬间液相扩散焊接的中间层，同时消除了铝表面的氧化层；采用瞬间液相扩散焊接成型，中间层溶解、扩散至铝箔和金属化层中，避免了界面层产生金属间化合物，保持高纯铝面成分，可降低覆铝陶瓷绝缘衬板制造成本，工艺可控，且良率高，适宜进行批量生产。产。产。

【技术实现步骤摘要】
一种覆铝陶瓷绝缘衬板的制备方法


[0001]本专利技术属于陶瓷绝缘衬板制备
，具体涉及一种覆铝陶瓷绝缘衬板的制备方法。

技术介绍

[0002]直接键合铜基板(Direct Bonding Copper，DBC)具有陶瓷的高导热、高电绝缘、高机械强度、低膨胀等特性，又兼具无氧铜的高导电性和优异焊接性能，且能像PCB线路板一样刻蚀出各种图形，是一种广泛应用于半导体模块电子电路板的陶瓷衬板。然而，在铜和陶瓷基板界面处，Cu2O的形成引起了大量的残余应力，导致DBC衬板界面出现裂纹。
[0003]为了克服该缺陷，直接结合铝(DBA)以铝(Al)代替铜(Cu)作为电路金属的新型材料，为大功率半导体器件封装用绝缘衬板提供了一种新的选择。由于Al具有比铜更好的塑性，使得DBA基板在热循环的工作环境中表现出比DBC基板具有更高的可靠性。采用Al代替铜制备覆铝陶瓷基板时，陶瓷主要以氮化铝陶瓷为主。
[0004]相对于直接键合铜，氮化铝覆铝陶瓷衬板的制备难点在于：铝与氮化铝陶瓷的润湿性很差，当温度低于700℃时，铝熔体与氮化铝陶瓷的润湿角大于90
°
基本不会对瓷片进行润湿，即无法有效键合；温度升高至900℃以上时，其浸润性明显增强，但此时温度高于铝的熔点，铝箔覆接成型困难。
[0005]为了解决该技术问题，现有技术中进行了诸多探索，如下：
[0006]US6183875 B1中提出采用一种特殊工装模具，将熔融的铝熔体倒入模具中，然后将瓷片浸入熔体，再通过特殊规格模具进行直接成型冷却。其熔体温度较高，可形成有效键合，但熔体纯度控制难，直接成型，铝面纯度难以达到高纯1A99级别。
[0007]CN102756515B中提出采用物理气相沉积的方法蒸镀铝膜再进行钎焊制备氮化铝覆铝陶瓷衬板。该方法设备投入大，且蒸镀层较薄，键合性能难以控制，成本高，效率低，难以形成量产；
[0008]CN103508745B中提出采用低熔点轧制金属复合板的工艺制备氮化铝覆铝陶瓷衬板，该方法采用金属复合板为合金板，其电导率较低。
[0009]CN109309065A中采用的是特殊模具进行渗铝，完成基板的制备，对熔体质量要求高。铸铝产生的气孔、氧化、夹杂等缺陷，直接影响基板的电导率等重要特征。
[0010]尽管上述技术能够实现陶瓷绝缘衬板直接覆铝，但工艺控制难，成本过高，难以大批量生产。
[0011]以氮化铝覆铝陶瓷绝缘衬板为例，其在电力电子器件中的应用适用场合为大功率高温半导体器件，工作温度可达200℃
‑
400℃，且可靠性明显优于氮化铝陶瓷覆铜基板。随着第三代半导体SiC，GaN的发展，大功率高温半导体器件的在高铁、新能源车、航空航天等领域的应用将越来越普及，其对器件封装用绝缘衬板的要求越来越苛刻，亟待开发一种高效、低成本的覆铝陶瓷绝缘衬板。

技术实现思路

[0012]本专利技术依托上述研究进行，针对覆铝陶瓷绝缘衬板工艺控制难，成本过高的缺陷，对制备工艺进行改进，提供了一种覆铝陶瓷绝缘衬板的制备方法。
[0013]专利技术人前期已经提出两种改进工艺，本专利技术属于第三种改进方式，先在陶瓷基板表面形成一层高纯、高键合强度铝金属化层，然后在高纯铝箔或陶瓷基板表面形成均匀的微米级镀层，而后通过瞬间液相扩散焊接，将铝箔与陶瓷基板直接键合，制备覆铝陶瓷绝缘衬板。
[0014]本专利技术的改进原理如下：采用高温浸润性烧结，获得高纯、高键合强度的铝金属化层；在铝面引入微米级镀层，作为瞬间液相扩散焊接中间层，同时消除了铝面氧化层；利用瞬间液相扩散焊接技术，使得界面镀层金属原子，向铝箔及铝金属化层中充分溶解扩散，并且避免了界面产生金属间化合物，从而实现陶瓷与高纯铝箔的高强度键合。
[0015]为了实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案如下：
[0016]本专利技术提供的覆铝陶瓷绝缘衬板的制备方法，包括如下步骤：
[0017](1)陶瓷金属化层制备
[0018]制备铝浆料，将浆料涂覆在陶瓷基板上，高温浸润性烧结后，在陶瓷基板表面形成均匀铝金属化层；
[0019](2)表面镀
[0020]采用化学浸镀或电镀工艺，在高纯铝箔或步骤(1)的陶瓷基板表面形成均匀的微米级镀层；
[0021](3)瞬间液相扩散焊接
[0022]陶瓷基板双面贴合高纯铝箔，进行瞬间液相扩散焊接，制备得到覆铝陶瓷绝缘衬板。
[0023]优选的，步骤(1)中，铝浆料由铝含量大于99.9％的纯铝粉与有机载体复配而成，纯铝粉与有机载体的质量比为3～4:1。进行制备时，纯铝粉与有机载体混合，搅拌混匀10
‑
15min后，经三辊研磨机将浆料充分研磨混合3
‑
5遍，形成铝浆料。
[0024]进一步优选的，纯铝粉为球形铝粉，粒径为1
‑
10μm；有机载体包括质量百分比为5.0％硬脂酸、6.0％乙基纤维素、3.8％邻苯二甲酸二异壬酯、6.8％十二碳醇酯成膜剂，其余为松油醇。
[0025]优选的，步骤(1)中，陶瓷基板为氮化铝、氧化铝或氮化硅基板，优选氮化铝基板，厚度为0.25
‑
1.0mm，粗糙度Ra为0.15
‑
0.6。
[0026]优选的，步骤(1)中，铝浆料通过丝网印刷工艺涂覆在陶瓷基板上，使用热风氮气进行烘干；进行高温浸润性烧结时，烧结温度为850
‑
1200℃，烧结时间为10
‑
120min；形成的铝金属化层的厚度为10
‑
25μm。
[0027]优选的，步骤(2)中，高纯铝箔的厚度为0.2
‑
0.8mm，铝含量≥99.99％；微米级镀层成分为Ni、Cu、Ag、Si、Zn、Sn、Au中的任意一种或几种，镀层厚度为1.0
‑
2.5μm。
[0028]表面镀的具体工艺如下：所述高纯铝箔或表面形成有均匀铝金属化层的陶瓷基板通过碱洗、酸洗、浸锌、酸洗、二次浸锌，纯水洗工序后，浸入到镀液中，在表面均匀形成所述微米级镀层，纯水洗后，烘干，待用。
[0029]碱洗、酸洗、浸锌、酸洗、二次浸锌的工艺步骤如下：
[0030]碱洗时采用20
‑
40g/L的氢氧化钠溶液碱洗1
‑
2min；酸洗时采用200
‑
400ml/L硝酸溶液酸洗1
‑
2min；所述浸锌和二次浸锌处理时，按照10
‑
40g/L氢氧化钠与50
‑
100g/L氧化锌配置的浸锌液，浸泡20
‑
40s，上述各步骤中，药液温度均控制为20
‑
40℃。
[0031]优选的，步骤(3)中，瞬间液相扩散焊接的条件为：真空或保护气体气氛下，温度为580℃
‑
650℃，保温时间为30min
‑
240min，施加0.2...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种覆铝陶瓷绝缘衬板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)陶瓷金属化层制备制备铝浆料，将浆料涂覆在陶瓷基板上，高温浸润性烧结后，在陶瓷基板表面形成均匀铝金属化层；(2)表面镀采用化学浸镀或电镀工艺，在高纯铝箔或步骤(1)的陶瓷基板表面形成均匀的微米级镀层；(3)瞬间液相扩散焊接陶瓷基板双面贴合高纯铝箔，进行瞬间液相扩散焊接，制备得到所述覆铝陶瓷绝缘衬板。2.根据权利要求1所述的覆铝陶瓷绝缘衬板的制备方法，其特征在于：其中，步骤(1)中，铝浆料由铝含量大于99.9％的纯铝粉与有机载体复配而成，所述纯铝粉与所述有机载体的质量比为3～4:1，所述纯铝粉与所述有机载体混合，搅拌混匀10
‑
15min后，经三辊研磨机将浆料充分研磨混合3
‑
5遍，形成所述铝浆料。3.根据权利要求2所述的覆铝陶瓷绝缘衬板的制备方法，其特征在于：其中，所述纯铝粉为球形铝粉，粒径为1
‑
10μm；所述有机载体包括质量百分比为5.0％硬脂酸、6.0％乙基纤维素、3.8％邻苯二甲酸二异壬酯、6.8％十二碳醇酯成膜剂，其余为松油醇。4.根据权利要求1所述的覆铝陶瓷绝缘衬板的制备方法，其特征在于：其中，步骤(1)中，所述陶瓷基板为氮化铝、氧化铝或氮化硅基板，厚度为0.25
‑
1.0mm，粗糙度Ra为0.15
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0.6。5.根据权利要求1所述的覆铝陶瓷绝缘衬板的制备方法，其特征在于：其中，步骤(1)中，所述铝浆料通过丝网印刷工艺涂覆在陶瓷基板上，使用热风氮气进行烘干；进行高温浸润性烧结时，烧结温度为850
‑
1200℃，烧结时间为10
‑
120min；所述铝金属化层的厚度为10
‑
25...

【专利技术属性】
技术研发人员：欧阳鹏，贺贤汉，王斌，葛荘，张进，管鹏飞，
申请(专利权)人：江苏富乐德半导体科技有限公司，
类型：发明
国别省市：