本发明专利技术涉及陶瓷表面改性领域，为一种功率模块金属化陶瓷基板及其金属化的方法，首先采用磁控溅射或电弧离子镀在功率模块陶瓷基板表面沉积厚度为0.1-5微米铜或银；然后采用化学镀或电镀技术沉积厚度为50-1000微米的铜、银、铜合金或银合金；最后可采用磁控溅射或电弧离子镀技术沉积厚度为0.1-5微米的银、金、锡或镍，或者可采用化学镀或电镀的方法沉积厚度为2-5微米的锡或镍层。通过本方法获得的金属化陶瓷器件，具有载流能力大、导热及散热能力强、容易与其他金属或陶瓷及复合材料焊接、气密性好、质量可靠和稳定等特点，可用于真空器件、航天、航空、广播电视、通信、冶金、医药、高能物理等领域。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及陶瓷表面改性领域，具体地说是一种功率模块金属化陶瓷基板和采用磁控溅射和/或电弧离子镀技术以及化学镀和/或电镀技术在功率模块陶瓷基板上沉积厚度可达I毫米的复合金属涂层的功率模块陶瓷基板表面金属化方法，用以赋予陶瓷基板高导电(载流)、高导热以及良好焊接性能，实现改性目的。
技术介绍
在高新技术飞速发展的今天，电子器件的高性能、高可靠性、高密度要求所用的基板材料必须具有良好的机械性能、电性能、散热性能和焊接性能。实现这一目标的途径是对陶瓷基板进行金属化，即在片式陶瓷基板上接合一层具有一定厚度的粘合力强、热匹配性 能好、导电和导热性能好以及可焊接的金属。这种金属/陶瓷接合基扳的主要特点为高绝缘耐压、载流能力强、热导率高和焊接性好。目前可采用的陶瓷表面金属化的方法主要有离子注入、等离子喷涂、真空电子蒸镀、直接覆铜、化学镀、金属粉末烧结等。功率模块尤其是大功率、超大功率模块用基板的金属化对接合的金属层的粘合力、热匹配性能、导电性和导热性能提出了更高的要求。目前，应用于功率模块陶瓷(如Al2O3和AlN)金属化的方法主要是直接敷铜法和化学镀法。直接覆铜法(Direct Bonded Copper method ;DBC法)是基于Cu-CuO在共晶温度对于金属铜箔和Al2O3陶瓷基板都能很好地润湿这一技术特点发展起来的。DBC方法用于Al2O3陶瓷的最大优点是金属铜箔与陶瓷粘附力高；铜箔良好的导热能力可以充分发挥陶瓷基板的散热熊力。同时，由于铜箔厚度最大可达几个毫米，使载流能力大大增强。但是，采用该方法获得的金属化Al2O3陶瓷在Cu-Al2O3界面不可避免存在过渡层，降低了其导热和散热性能；同时，该方法还存在工艺控制难、成品率不理想等问题。将该方法用于AlN陶瓷表面金属化时以上问题将变得更加突出。当对AlN基板金属化时，必须事先对AlN陶瓷表面进行氧化预处理，以使其表面形成Al2O3薄层，然后重复Al2O3陶瓷基板金属化的步骤。因此，Cu-AlN界面不仅依旧存在着过渡层导致的降低导热和散热性能问题，同时引入的Al2O3层将严重降低整个体系的导热和散热性能。另外，在氧化预处理时要严格控制温度、气氛和时间，否则将出现结合强度差或Al2O3薄层过厚等问题。化学镀法是指利用还原剂溶液中的金属离子还原在呈催化活性的陶瓷基板表面，使之形成金属镀层。化学镀法金属化主要是机械联锁结合，结合强度很大程度上依赖于基体表面的粗糙度。在一定范围内，基体表面的粗糙度越大，结合强度越高。该方法的优点是设备简单、成本低廉、无需二次高温处理、易于大规模生产，但不足之处是结合强度较差、表面粗糙和可焊性不理想。
技术实现思路
针对现有技术中存在的不足，本专利技术提供了一种新型的功率模块陶瓷基板表面金属化的方法。为了实现上述目的，本专利技术的技术方案是 一种功率模块金属化陶瓷基板，包括陶瓷基板和陶瓷基板上的复合金属涂层，复合金属涂层从陶瓷基板开始依次为第一金属层和位于外层的第二金属层；其中第一金属层选自高导热、高导电金属材料铜或银，与陶瓷基板表面无过渡层为扩散结合，或扩散结合与化学键混合的结合方式结合，第一金属层为复合金属涂层与陶瓷基板提供了良好的结合；第二金属层，为具有大功率或超大功率载流能力以及高导热能力的金属材料铜、银、铜合金或银合金层，其与第一金属层之间为化学键结合。第一金属层的厚度为O. 1-5微米。第二金属层的厚度为50-1000微米。上述的功率模块金属化陶瓷基板中复合金属涂层还可包括第三金属层，第三金属层位于第一金属层外，材料选自抗氧化能力强和可焊接性高的金属材料银、金、锡或镍，厚 度为O. 1-5微米，第三金属层与第二金属层之间为化学键结合、扩散结合或扩散结合与化学键混合的结合方式。上述三层金属层加起来的总厚度小于I毫米。陶瓷基板为氧化物陶瓷材料、氮化物陶瓷材料或碳化物陶瓷材料，选自氮化铝、氧化铝、氮化硅、碳化硅以及氮化硼等。本专利技术提供一种功率模块陶瓷基板表面金属化的方法，两层金属层金属化的方法包括如下的步骤 (1)清洗超声清洗陶瓷基板，超声清洗前可对其进行单面或双面抛光处理或表面化学粗化处理； (2)采用磁控溅射或电弧离子镀在功率模块陶瓷基板表面沉积第一金属层； (3)采用化学镀或电镀技术沉积第二金属层； 第(I)步的工艺，超声清洗，单面或双面抛光处理或表面化学粗化处理均采用现有技术中常规的处理技术。步骤(2)中采用磁控溅射或电弧离子镀沉积第一金属层的工艺为，靶材材料选用铜或银；单面金属化时，陶瓷基板正对靶材固定放置。双面金属化时，陶瓷基板正对靶材旋转；真空室抽真空至3 X 10_4-8 X 10_2Pa后，将真空室内的陶瓷基板加热至20_400°C，然后对其表面进行辉光清洗5-30分钟，辉光清洗时，真空室内氩气压强控制在O. 2-5Pa，电源电压控制在-200 -800V ;采用电弧离子镀时，还需要进行弧光清洗3-20分钟，弧光清洗时，真空室内氩气压强控制在O. 2-3Pa，电源电压控制在-400 -1200V ;沉积时，真空室内氩气压强控制在O. Ι-lPa，沉积的金属铜或银的厚度为O. 1-5微米。步骤(3)中化学镀或电镀技术沉积第二金属层的工艺为现有技术中化学镀或电镀技术沉积金属化陶瓷所选用的常规技术，沉积的第二金属层厚度为50-1000微米，选自铜、银、铜合金或银合金。所沉积的铜或银层或者二者之一的合金层的厚度由化学镀或电镀的沉积速率和时间控制。当需要对陶瓷基板进行单面化学镀或电镀时，另一面加以保护。三层金属层金属化还包括采用磁控溅射或电弧离子镀沉积第三金属层的步骤，具体的工艺为，靶材选自银、金、或镍，真空室抽真空至3X 10_4-8X 10_2Pa后，将真空室内的待镀件加热至20-400°C，然后对其表面进行辉光清洗2-10分钟，电源电压控制在-200 -800V ;沉积金属层时，真空室内氩气压强控制在O. Ι-lPa，沉积层的厚度为O. 1-5微米；沉积厚度通过沉积速率和沉积时间控制，所形成的第三金属层与第二金属层之间的结合为扩散结合+化学键结合或扩散结合。或者，采用化学镀或电镀的方法沉积锡或镍层作为第三金属层，采用的化学镀或电镀的方法为常规沉积锡或镍层的方法，沉积厚度控制在2-5微米，所形成的第三金属层与第二金属层之间的结合为化学键结合。本专利技术中各步骤可选择的方法与其他步骤之间可根据实际的生产情况和设备选择适合的组合。采用本专利技术的方法用于处理的陶瓷基板最大长度为20cm,最大宽度为20cm。本专利技术采用磁控溅射技术与电弧离子镀技术的原理如下 磁控溅射技术的工作原理是真空室内，通过放电将氩原子电离成氩离子和电子，在磁场作用和束缚下的电子增加了与氩原子的进一步碰撞并产生更多的氩离子和二次电子。氩 离子在电场的作用下加速轰击金属靶材，溅射出大量的靶材原子并高速运动至基片表面成膜。该方法的优点是膜层质量高、结构致密、与基材附着力好。电弧离子镀技术是结合了蒸发与溅射技术而发展的一种PVD技术。在真空室内，金属靶材蒸发在气体放电中进行，通过碰撞和电子撞击形成气体和金属的离子，这些离子在电场作用下高速飞向衬底并形成涂层，其中金属离子的发射能量可达10 lOOeV。电弧离子镀的主要优点在于靶材的离化率高、涂层沉本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种功率模块金属化陶瓷基板，其特征在于：包括：陶瓷基板和陶瓷基板上的复合金属涂层，复合金属涂层从陶瓷基板开始依次为第一金属层和位于外层的第二金属层；其中：第一金属层选自高导热、高导电金属材料铜或银，与陶瓷基板表面无过渡层为扩散结合，或扩散结合与化学键混合的结合方式结合；第二金属层，为具有大功率或超大功率载流能力以及高导热能力的金属材料选自铜、银、铜合金或银合金层，其与第一金属层之间为化学键结合。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：杜昊，肖伯律，宋贵宏，赵彦辉，肖金泉，熊天英，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：
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