CN111943708B - 一种结合丝网印刷与激光表面熔敷的氮化铝陶瓷覆铜方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种结合丝网印刷与激光表面熔敷的氮化铝陶瓷覆铜方法，包括以下步骤，首先将氧化铜粉末与有机配料进行配比制成的浆料的制备，再对氮化铝基板进行清洗，并对氮化铝陶瓷表面进行氧化，然后将配置好的浆料印刷到氮化铝基板上并将基板放入炉中烘干，接着在氧化铜上铺铜板，利用激光表面熔敷在铜板上进行激光表面熔化，最后对所得材料表面进行机械加工抛光。本发明通过丝网印刷增大了焊层的接触面积，用于大面积焊接；通过激光表面熔敷利用激光熔融部分铜的同时将热量传递给铜板下的氧化铜使其熔融，进而使氧化铜与氧化铝进行有效的结合，解决了铜板与氧化铜熔融过程中密度不一导致氧化铜上浮现象。

Description

一种结合丝网印刷与激光表面熔敷的氮化铝陶瓷覆铜方法
技术领域
本发明属于金属加工领域，具体涉及一种结合丝网印刷与激光表面熔敷的氮化铝陶瓷覆铜方法。
背景技术
随着电子技术的发展，电路集成度不断提高，线路细密化，单位面积上的功耗越来越大，导致发热量的增加，更易造成器件的损坏。陶瓷覆铜板是指在陶瓷表面进行金属化的特殊工艺板。由于具有优良的导热特性，高绝缘性，大电流承载能力，优异的耐焊锡性及高附着强度并可像PCB一样能刻蚀出各种线路图形，现已成为重要的电子封装材料，并大量应用于电力电子、大功率模块、航天航空等领域。其目前的制备方法分为直接覆铜法与活性金属焊接法。
直接覆铜法是目前最经常采用的大功率模块用陶瓷覆铜基板的制造方法，基本要点是在弱氧化气氛下被敷接到陶瓷表面的金属铜周围形成一层Cu[O]共晶液相，该液相能够良好地润湿互相接触的Cu箔和陶瓷基板表面，并形成CuAlO2等界面产物，使二者牢固结合在一起，但此方法价格昂贵，熔合率与连接强度低；活性金属焊接是直接覆铜法的进一步发展，利用钎料中含有的少量活性元素(Ti、Zr)与陶瓷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接合的一种方法。但此方法对工艺参数要求很高，成本高，大面积熔合率不大，且有些活性钎料对铜板的侵蚀不够，难以紧密连接。
目前陶瓷覆铜板主要有DBC与AMB两种方式(1)DBC法不仅价格昂贵，且由于其为直接大块连接的方式，焊层易脱落失效，因此不能进行大面积的连接。(2)AMB 工艺在保证应力、润湿效果的情况下对工艺参数的要求很高，过高的温度将放大热膨胀系数的差异的影响，甚至造成失连；过大的压力及过长时间则容易导致焊料流出严重而影响焊合率，且活性钎料成分配比、焊层组织结构对其性能也有重大影响，工艺难度较大。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种结合丝网印刷与激光表面熔敷的氮化铝陶瓷覆铜方法，具有高的连接强度与融合率，近乎致密，成本低，操作工艺简单，周期短的特点。
实现本发明目的的技术方案为：
一种结合丝网印刷与激光表面熔敷的氮化铝陶瓷覆铜方法，包括如下步骤：
(1)氧化铜粉末与有机配料进行配比制成的浆料的制备；
(2)对氮化铝基板进行清洗，并对氮化铝陶瓷表面进行氧化；
(3)将配置好的浆料印刷到氮化铝基板上并将基板放入炉中烘干；
(4)利用激光表面熔敷对铜板进行激光表面熔化，控制激光扫描速度分别为 60-100mm/min；具体步骤为在氧化铜层表面铺盖厚度均匀的铜板，用激光扫描对铜板进行分层熔化，铜板保证每处厚度相等以使溶化后瞬时凝固均匀；确保激光打印后铜层的厚度在0.3～0.7mm；
(5)对熔敷后表面进行机械加工抛光。
进一步的，步骤(2)具体为：将氮化铝陶瓷进行丙酮、酒精的超声清洗，进而对氮化铝陶瓷表面进行氧化，氧化铝的厚度控制在1～4μm左右。
进一步的，在对氮化铝表面进行氧化时，将其置于氧分压为0.001～0.5atm的流动保护气氛中，气氛由氧气、氩气以1：4的比例混合而成，后升温至1100～1500℃再保温。
进一步的，步骤(3)具体为：将氧化后的氮化铝陶瓷作为承印物，通过丝网印刷将氧化铜粉制成的浆料印刷到氧化后的氮化铝陶瓷表面，印刷压力为50～100N，氧化铜粉厚度5～10μm；再放入到真空连接炉中，选用Ar气作为保护气，加热温度区间为 1100～1200℃，同时施压5MPa，压合时间1.5小时左右。
进一步的，激光表面熔敷的工艺参数为电流350A、脉冲为5.5ms、频率为7Hz、光斑的大小为2.4mm。
进一步的，浆料的配置：将氧化铜封接焊料研磨成粉状，然后将粉状的氧化铜封接焊料与有机配料进行混料，形成具有合适粘稠度，不粘附、不扩边的浆料，其可经网孔顺利转移到氮化铝基板，有机配料包括丁酮、PVB和酒精。
进一步的，丝网印刷用的目数为200，烘干温度为150～200℃，烘干时间为1～2小时。
进一步的，覆铜过程中，由厚度检测器实时测量铜板的厚度，由温度检测器测量熔池的温度，控制调节激光输出功率。
本发明与现有技术相比，其显著特点为：
1.本发明采用焊接的焊层由于其分层铺盖的方式，保证了其高的连接强度，且运用了丝网印刷，可以大面积的进行连接，并且连接强度高，价格成本低。
2.本发明采用分层覆盖的方式使焊料能达到近乎紧密结合，丝网印刷保护了焊层厚度，激光瞬时凝固又保证了焊料不易流出，相比于AMB工艺来说，其大大降低了工艺难度，缩短了制备周期。
附图说明
图1为本发明氮化铝陶瓷，陶瓷氧化层，氧化铜层，铜层合金装配示意图。
图2为本发明氮化铝陶瓷覆铜连接方法工艺流程图。
图3为本发明激光熔敷熔化铜板示意图。
图4为本发明的合金装配示意图。
图5为本发明的工艺流程图。
图6为本发明的激光熔敷图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明做进一步说明
结合图1，图2，图3，一种结合丝网印刷与激光表面熔敷的氮化铝陶瓷覆铜方法，步骤的具体为：
(1)浆料的制备：利用氧化铜粉末与有机配料制成浆料——将氧化铜粉末与丁酮、PVB、酒精的有机配料(氧化铜粉末与有机配料的质量比9：1)通过球磨机进行混料，经过充分的研磨与搅拌后，静置15min以排出搅拌中带入的空气气泡，形成具有合适粘稠度的浆料。
(2)对氮化铝基板进行丙酮、乙醇的超声清洗，将工件放入超声清洗槽，以丙酮、乙醇作为清洗液，控制清洗液温度40℃，启动超声波装置产生高于20kHz的高频电信号。高频振荡波使液体振荡并产生大量的非稳态微米级的小气泡和空泡。气泡的爆裂不断的轰击工件表面，使污垢迅速剥离，清洗时间控制在1～3分钟，达到清洗工件的效果。保证其表面清洁，无油污与杂质。
(3)对氮化铝陶瓷进行氧化，对氮化铝表面进行氧化时，将其置于氧分压为0.001～0.5atm 的流动保护气氛中，气氛由氧气、氮气、氩气混合而成。后升温至1100～1500℃再保温一段时间。控制氧化层厚度在1～4μm左右。
(4)采用丝网印刷机将浆料印刷到氮化铝基板上。丝网印刷用的目数为200，印刷压力为50～100N，烘干温度为150～200℃，烘干时间为1～2小时，印刷后氧化铜粉厚度为 2～6μm，印刷压力为50～100N。
(5)将上述印刷所得材料放入炉中烘干；选取烘干温度160℃，保温时间10min，升温速率3℃/min，选用Ar气作为保护气，加热温度区间为1100～1200℃，同时施压5MPa，压合时间为1.5小时。
(6)利用激光熔敷在氧化铜上铺铜板进行激光熔化扫描，控制每次铺铜粉的厚度为 30μm，保证铜粉铺盖均匀。用激光扫描对铜粉进行分层熔化，铜粉保证每处厚度相等以使溶化后瞬时凝固均匀。激光打印后铜层的厚度在0.3～0.7mm。
(7)对所得材料表面进行机械加工抛光，选用不同材质的抛光布固定于铸铁研磨盘上，压力和转速下，在抛光盘与加工件之间添加铜化学抛光液来实现铜板表面抛光，抛光液采用喷淋的方式均匀分布于抛光布上。抛光压力控制在(0.5～1)N/cm2，转速在 1200～1400(r/min)。使表面光亮平整，方便刻蚀。
最终得到的陶瓷覆铜板由于采用了丝网印刷使其焊层的接触面积可大大提高，适用于大面积焊接。同时激光表面熔敷利用激光熔融部分铜，同时将热量传递给铜板下的氧化铜使其熔融，进而使氧化铜与氧化铝进行有效的结合，并解决了铜板与氧化铜熔融过程中密度不一导致氧化铜上浮现象。激光打印成型快，可大大缩短生产时间。结合了两种方式的氮化铝陶瓷覆铜板，其材料成本低、精度高、表面质量优异、周期短，焊接强度与面积得到了提高。
结合图1，图2，图3，本发明激光熔敷覆铜基板连接方法。
图4-6所示，先利用激光熔敷在氧化铜上铺铜板进行激光熔化扫描。再对所得材料表面进行机械加工抛光。激光熔敷利用激光熔融部分铜，同时将热量传递给铜板下的氧化铜使其熔融，熔融过程中由温度检测器检测熔池的温度，厚度检测器检测铜板的实时厚度。进而将信息反馈至计算机中与之前针对最终铜板厚度设定的熔池温度进行对比并实时控制激光束的功率进而控制熔池温度。若熔池温度过高，继续保持原激光功率便会使最终铜板厚度变薄。这时及时的调节激光功率就显得尤为重要，保证了最终铜板厚度相等并使铜板下的氧化铜粉充分的熔融，使氧化铜与氧化铝进行有效的结合，并解决了铜板与氧化铜熔融过程中密度不一导致氧化铜上浮现象。用激光扫描对铜板进行分层熔化，铜板保证每处厚度相等以使溶化后瞬时凝固均匀。激光打印后铜层的厚度在 0.3～0.7mm。打印后的铜层具有很高的致密度与优良的力学性能。对打印后的铜表面进行机械抛光，使表面光亮平整，方便刻蚀。
实施例1
利用激光熔敷在氧化铜上铺铜板进行激光熔化扫描。铜层的厚度为0.5mm。采用激光电流为160A，脉冲宽度为3.5ms，脉冲频率为25Hz的激光参数，激光的扫描速度设定为100mm/min。对铜表面进行机械抛光，使表面光亮平整，方便刻蚀。对制成的陶瓷覆铜板进行SEM观察，其界面结合强度接近致密。对其接头进行抗拉强度测试，其剥离强度为6.2N/mm。
实施例2
利用激光熔敷在氧化铜上铺铜板进行激光熔化扫描。铜层的厚度为0.5mm。采用激光电流为170A，脉冲宽度为3.0ms，脉冲频率为25Hz的激光参数，激光的扫描速度设定为60mm/min。对铜表面进行机械抛光，使表面光亮平整，方便刻蚀。对制成的陶瓷覆铜板进行SEM观察，其界面结合强度接近致密。对其接头进行抗拉强度测试，其剥离强度为6.6N/mm。
实施例3
利用激光熔敷在氧化铜上铺铜板进行激光熔化扫描。铜层的厚度为0.5mm。采用激光电流为170A，脉冲宽度为3.5ms，脉冲频率为15Hz的激光参数，激光的扫描速度设定为80mm/min。对铜表面进行机械抛光，使表面光亮平整，方便刻蚀。对制成的陶瓷覆铜板进行SEM观察，其界面结合强度接近致密。对其接头进行抗拉强度测试，其剥离强度为6.4N/mm
实施例4
利用激光熔敷在氧化铜上铺铜板进行激光熔化扫描。铜层的厚度为0.5mm。采用激光电流为180A，脉冲宽度为3.5ms，脉冲频率为20Hz的激光参数，激光的扫描速度设定为60mm/min。对铜表面进行机械抛光，使表面光亮平整，方便刻蚀。对制成的陶瓷覆铜板进行SEM观察，其界面结合强度接近致密。对其接头进行抗拉强度测试，其剥离强度为6.8N/mm。
图1、图2、图3为不同激光扫描速度下的陶瓷铜板界面的SEM观察。
图1中上层是铜，下层是氮化铝陶瓷，中间层是氧化铜与氧化铝的结合层。铜层的厚度为0.5mm。采用的激光电流为160A，脉冲宽度为3.5ms，脉冲频率为25Hz，激光的扫描速度设定为100mm/min。对铜表面进行机械抛光，使表面光亮平整，方便刻蚀。此图为对制成的陶瓷覆铜板进行SEM观察图。对其接头进行抗拉强度测试，其剥离强度为6.2N/mm。
图2中上层是铜，下层是氮化铝陶瓷，中间层是氧化铜与氧化铝的结合层。铜层的厚度为0.5mm。采用的激光电流为170A，脉冲宽度为3.0ms，脉冲频率为25Hz，激光的扫描速度设定为60mm/min。此图为对制成的陶瓷覆铜板进行SEM观察图。对其接头进行抗拉强度测试，其剥离强度为6.6N/mm。
图3中上层是铜，下层是氮化铝陶瓷，中间层是氧化铜与氧化铝的结合层。铜层的厚度为0.5mm。采用的激光电流为180A，脉冲宽度为3.5ms，脉冲频率为20Hz，激光的扫描速度设定为60mm/min。此图为对制成的陶瓷覆铜板进行SEM观察图。对其接头进行抗拉强度测试，其剥离强度为6.8N/mm。

Claims (7)

1.一种结合丝网印刷与激光表面熔敷的氮化铝陶瓷覆铜方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）氧化铜粉末与有机配料进行配比制成的浆料的制备；
（2）对氮化铝基板进行清洗，并对氮化铝陶瓷表面进行氧化；
（3）将配置好的浆料通过丝网印刷，印刷到氮化铝基板上并将基板放入炉中烘干；
（4）利用激光表面熔敷对铜板进行激光表面熔化，控制激光扫描速度分别为60-100mm/min；具体步骤为在氧化铜层表面铺盖厚度均匀的铜板，用激光扫描对铜板进行分层熔化，铜板保证每处厚度相等以使溶化后瞬时凝固均匀；确保激光打印后铜层的厚度在0.3~0.7mm；
（5）对熔敷后表面进行机械加工抛光。
2.根据权利要求1所述的结合丝网印刷与激光表面熔敷的氮化铝陶瓷覆铜方法，其特征在于，步骤（2）具体为：将氮化铝陶瓷进行丙酮、酒精的超声清洗，进而对氮化铝陶瓷表面进行氧化，氧化铝的厚度控制在1~4μm。
3.根据权利要求2所述的结合丝网印刷与激光表面熔敷的氮化铝陶瓷覆铜方法，其特征在于，在对氮化铝表面进行氧化时，将其置于氧分压为0.001~0.5atm的流动保护气氛中，气氛由氧气、氩气以1：4的比例混合而成，后升温至1100~1500℃再保温。
4.根据权利要求1所述的结合丝网印刷与激光表面熔敷的氮化铝陶瓷覆铜方法，其特征在于，步骤（3）具体为：将氧化后的氮化铝陶瓷作为承印物，通过丝网印刷将氧化铜粉制成的浆料印刷到氧化后的氮化铝陶瓷表面，印刷压力为50~100N，氧化铜粉厚度5~10μm；再放入到真空连接炉中，选用Ar气作为保护气，加热温度区间为1100~1200℃，同时施压5MPa，压合时间1.5小时。
5.根据权利要求1所述的结合丝网印刷与激光表面熔敷的氮化铝陶瓷覆铜方法，其特征在于，激光表面熔敷的工艺参数为电流350A、脉冲为5.5ms、频率为7Hz、光斑的大小为2.4mm。
6.根据权利要求1所述的结合丝网印刷与激光表面熔敷的氮化铝陶瓷覆铜方法，其特征在于，浆料的配置：将氧化铜封接焊料研磨成氧化铜粉末，然后将氧化铜粉末与有机配料进行混料，形成具有合适粘稠度，不粘附、不扩边的浆料，其可经网孔顺利转移到氮化铝基板，有机配料包括丁酮、PVB和酒精。
7.根据权利要求1或4所述的结合丝网印刷与激光表面熔敷的氮化铝陶瓷覆铜方法，其特征在于，丝网印刷用的目数为200，烘干温度为150~200℃，烘干时间为1~2小时。
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