CN113438804A - 一种amb陶瓷覆铜板生产方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于陶瓷‑金属复合材料制造技术领域，尤其涉及一种基于冷喷涂工艺的AMB陶瓷覆铜板的制备方法，包括如下步骤：将陶瓷基板进行超声清洗、烘干和喷砂处理；对AMB活性钎料粉末以惰性气体为介质进行冷喷涂，在陶瓷基板上先喷涂出一层活性钎料涂层；将高纯度铜粉末以惰性气体作为气动介质进行冷喷涂，在该活性钎料涂层上面叠加喷涂一层铜导电涂层；将复合涂层陶瓷板置于真空钎焊炉中进行高温钎焊，以实现陶瓷基板‑活性钎料涂层‑铜涂层三者之间的充分钎焊融合；对陶瓷覆铜板表面进行减薄直至获得设定的涂层厚度及符合工艺要求的表面粗糙度；在覆铜板表面上印刷线路图，采用湿法刻蚀工艺制造出线路板，再经表面镀覆工艺，制备出AMB陶瓷覆铜板产品。

Description

一种AMB陶瓷覆铜板生产方法
技术领域
本发明属于陶瓷-金属复合材料制造技术领域，尤其涉及一种基于冷喷涂工艺的AMB（Active Metal Bonding, 活性金属钎焊)陶瓷覆铜板的制备方法。
背景技术
在第三代半导体器件设计中，要求芯片尺寸越来越小，而且要求器件能够满足高频、高温、大功率的应用需求。芯片尺寸减小意味着功率密度急剧增加，而为了实现大功率电力电子器件高密度三维模块化封装，人们对模块散热封装可靠性提出了新的要求。以IGBT(绝缘栅双极型晶体管)功率模块为代表的高压大功率模块在轨道交通、航空航天、新能源汽车、风力发电、国防工业等战略性产业应用广泛。这些领域都需要用到高品质的陶瓷覆铜板，主要有Al2O3、AlN或Si3N4几种陶瓷基板。尤其是Si3N4和AlN陶瓷，由于其高强度、高散热性，可以将功率模组块的热量快速散发到外界，使它们成为电力电子领域IGBT功率模块最优良的封装材料。为此，开发出可靠性更高、耐温性能更好、载流能力更强的陶瓷覆铜基板成为业界共识。
在陶瓷表面金属化最主要的两种生产工艺中，直接覆铜陶瓷基板(DCB)是利用铜的含氧共晶液直接将铜敷接在陶瓷上；而活性金属钎焊覆铜陶瓷基板(AMB，Active MetalBonding)则是利用钎料中含有的少量活性元素与陶瓷高温下进行化学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之间高结合强度。二者相比，活性金属钎焊覆铜陶瓷基板具有更高的综合性能。活性焊接工艺须先在陶瓷表面印刷膏状活性金属焊料，或采用活性金属箔片贴合在陶瓷表面上，然后与无氧铜装夹在一起，放入真空钎焊炉中进行高温钎焊；钎焊完毕后基板采用类似于PCB板的湿法刻蚀工艺在覆铜板表面制作出电路，最后经表面镀覆镍、金等金属薄膜，制备出性能可靠的陶瓷覆铜板产品。然而，AMB覆铜板在加工过程中因为金属铜和陶瓷材料的热膨胀系数有较大的差别，所以在高温条件下覆铜之后，容易在在陶瓷基板中产生较大的附加热应力。并且，由于电子封装基板自身的周期性使用特性，在频繁的升温和降温过程中也会陆续地在陶瓷基板上产生热应力。因此经过漫长时间使用后在基板内部很容易有微小的裂纹产生和扩展，故很容易让封装基板产生破裂或者覆铜层剥落从而失效，影响到大功率IGBT功率模块的可靠性。因此亟待寻求一种能将陶瓷和铜稳定有效地结合在一起，提高覆铜陶瓷基板冷热循环可靠性的新方法。
发明内容
本发明的目的在于：针对现有的AMB陶瓷覆铜板生产的工艺难题，而提供一种基于冷喷涂工艺的AMB陶瓷覆铜板的新的生产方法，首次创新性地将冷喷涂技术应用到陶瓷覆铜板的制造流程中。具体而言，采用超音速冷喷涂设备，将活性钎料层喷涂嵌合在陶瓷基板上、再将纯铜粉覆盖喷涂在活性钎料涂层之上，将覆铜板放置于真空钎焊炉中进行高温钎焊，使它们之间形成更加牢固可靠的界面融合，该工艺过程同时也能有效消除喷涂工艺形成的内应力。采用该工艺生产的覆铜板，活性钎料涂层与陶瓷基板以及纯铜涂层之间，彼此扩散实现了冶金结合，涂层致密，界面无空洞、无脆性相、氧化相等缺陷产生；覆铜板的载流能力更强、可靠性更高、耐冷热循环性能也更好。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于冷喷涂工艺的AMB陶瓷覆铜板的制备方法，至少包括如下步骤：
步骤一、将陶瓷基板进行超声清洗、烘干和喷砂处理，以获得干净且表面凹凸的基板面，作为活性钎料与之嵌合的界面；
步骤二、将AMB活性钎料粉末输入冷喷涂***的送粉***，采用惰性气体作为气动介质进行冷喷涂，在陶瓷基板上形成一层活性钎料涂层；工作时，送粉***上的AMB活性钎料粉末被喷枪喷出的气流加速后高速撞向陶瓷基板，使粉体颗粒发生塑性变形，嵌合沉积在陶瓷基板表面上。
步骤三、将纯铜粉末输入冷喷涂***的送粉***，采用惰性气体为喷涂介质进行冷喷涂，在步骤二所获得的活性钎料涂层上面叠加喷涂一层铜涂层；工作时，送粉***内的纯铜粉末被喷枪喷出的气流加速后高速撞向活性钎料涂层，覆盖在活性钎料表面上，形成复合涂层。
步骤四、将步骤三所获得的复合涂层陶瓷板置于真空钎焊炉中进行高温焊接，以实现陶瓷基板-活性钎料涂层-铜涂层三者之间的充分钎焊融合，得到陶瓷覆铜板；
步骤五、对步骤四获得的陶瓷覆铜板表面进行研磨或电化学减薄，直至获得所需的铜涂层厚度及表面粗糙度；
步骤六、在步骤五获得的覆铜板表面上印刷线路图，然后采用类似于PCB板的湿法刻蚀工艺在覆铜板表面制作出电路板，再经表面镀覆镍、金等金属薄膜等工艺流程，制备出性能可靠的陶瓷覆铜板产品。
作为本发明AMB陶瓷覆铜板的制备方法的一种改进，步骤一中的陶瓷基板的材质为Al2O3、AlN或Si3N4；喷砂处理所用的材料为金刚石、碳化硼或立方氮化硼，这三种材料的硬度均高于陶瓷基板，可实现将基板表面粗糙化之目的；喷砂的粒度为16～30目。
作为本发明AMB陶瓷覆铜板的制备方法的一种改进，步骤二所用的AMB活性钎料粉末为AgCuTi系高温钎料，其典型成份为AgCuTiX，其中AgCu含量占重量百分比90%以上，Ti含量占重量百分比0.5-8%，其中的X组元为In、Zr、Sn、Zn、Cd、Ni中的至少一种，组元X与Ti的质量分数比总和为0-10%。该AMB活性钎料粉末可以是完全合金化的粉末，也可以是各组元金属粉末按配方比例混合而成。所述的金属组元粉末也包括在后续的高温工艺条件下分解后才生成相应金属单质的化合物粉末，如TiH2、ZrH2等。所述AMB活性钎料粉末的粒径分布范围为0.1-53μm，粉末含氧量<200ppm。
作为本发明AMB陶瓷覆铜板的制备方法的一种改进，步骤二和步骤三所述的冷喷涂***包括送粉***、高压气源、用于对高压气源进行加热的气体加热器、用于调节高压气源送出的气体的压力的气体调节控制***和喷枪，喷枪采用拉瓦尔喷枪，冷喷涂介质气体为高纯氩气或氦气，气压为1.5～3.5Mpa，介质气体的工作温度为室温～750℃，粉末输送量为0.1～200g/min；工作时，喷枪安装在机械臂上，按照预先设计的路径一边喷涂一边移动，单层涂层厚度可调整控制在20-100μm范围内。
作为本发明AMB陶瓷覆铜板的制备方法的一种改进，步骤二中活性钎料涂层的厚度控制在20-80μm范围内。
作为本发明AMB陶瓷覆铜板制备方法的改进，步骤三所用的铜粉为球形粉末，纯度≧99.99%，含氧量<200ppm，铜粉粒径分布范围为5-53微米，冷喷涂后形成的铜导电层，电导率>99.5% IACS，与铜箔带导电率接近，满足覆铜板导电层的技术要求。
作为本发明AMB陶瓷覆铜板的制备方法的一种改进，对陶瓷覆铜板可以单面喷涂覆铜，也可以双面喷涂制备成双面覆铜板。
作为本发明AMB陶瓷覆铜板的制备方法的一种改进，步骤四中高温焊接的真空度为10-2-10-4 Pa，钎焊温度为850-1000℃，保温时间10-60min,在该条件下实现陶瓷基板-活性钎料涂层-铜涂层三者之间的界面钎焊。
作为本发明AMB陶瓷覆铜板的制备方法的一种改进，步骤五中所需的纯铜涂层厚度为50-3000μm。
作为本发明AMB陶瓷覆铜板的制备方法的一种改进，对陶瓷覆铜板表面的减薄，采用的是机械研磨或电化学法减薄，直至获得所设定的铜涂层厚度及符合工艺要求的表面粗糙度，粗糙度Ra控制在0.1-0.3之间。
作为本发明AMB陶瓷覆铜板的制备方法的一种改进，第六步中，对获得的覆铜板表面印刷图案，采用类似于PCB板的湿法刻蚀工艺制成电路板。
作为本发明AMB陶瓷覆铜板的制备方法的一种改进，还包括如下步骤：将步骤六所获得的已完成湿法刻蚀工艺的覆铜板，可以以裸铜状态进入下一流程，也可以进行镀镍、镀金表面处理后再进入下一流程。
相对于现有技术，本发明是一种全新的AMB覆铜板生产工艺技术，它摒弃了目前的丝网印刷膏状活性金属焊料或者用活性金属焊片贴合在陶瓷基片上，而后与无氧铜装夹后放入真空钎焊炉内进行高温钎焊这一常规工艺路径，而是采用了一种基于气体动力学原理的“超音速冷喷涂”技术。具体而言，本发明将合适粒径的金属粉末加速至超音速后使其撞击到陶瓷基板表面,粉末发生塑性变形嵌合到基板上，并聚合形成涂层，其过程类似于塑性变形+冷焊合。先喷涂一层20-80μm厚度的活性钎料层，紧接着在活性钎料层上覆盖喷涂纯铜粉，形成致密的纯铜涂层，控制纯铜涂层厚度为50-3000μm；将喷涂后获得的复合陶瓷板置于真空钎焊炉中进行高温焊接，实现陶瓷-活性钎料-铜三者之间的充分钎焊融合；对完成钎焊后的覆铜板进行表面研磨或电化学减薄，直至获得所设定的铜涂层厚度，同时使铜涂层的表面粗糙度满足设计要求；在覆铜板上采用感光油墨印刷图案，采用类似于PCB板的湿法刻蚀工艺在表面制作电路，最后再对覆铜板表面进行镀镍、镀金等表面处理，制备出AMB陶瓷覆铜板产品。该工艺直接回避了目前AMB覆铜板生产中技术难度最大且极易造成产品稳定性波动的工艺路径，实现了陶瓷基板与铜导体层之间的致密、可靠的结合，减少了界面处金属层翘曲导致基板失效的状况，使覆铜板的冷热循环可靠性大幅提高，该AMB陶瓷覆铜板在电流承载能力、散热能力、力学性能、冷热循环可靠性等方面均具有明显优势。尤其是，该发明应用于高功率IGBT模块领域所使用的氮化硅陶瓷覆铜板时，由于冷喷涂工艺可以很方便地在陶瓷基板上喷涂出任意厚度的铜导电涂层，不再受制于目前覆铜板工艺条件下，铜箔层不能太厚的限制（铜箔层厚度一般不大于1.2 mm，铜箔越厚，热应力引起的翘曲问题就越严重），利用该特点可制作出高可靠性、超大功率的IGBT模块，特别是应用在有振动场合的严苛工作环境下的电机动力***中。该陶瓷覆铜板在高铁、大功率LED、电动汽车、5G通讯模组等领域应用前景十分广阔。因此，本发明具有重要的工业应用价值。
具体实施方式
以下以具体实施例来说明本发明的技术方案，但本发明的保护范围不限于此。
实施例1
本实施例提供了一种基于冷喷涂工艺的AMB陶瓷覆铜板的制备方法，至少包括如下步骤：
步骤一、将市售的日产AlN陶瓷标准基板进行超声清洗、烘干，用粒度为16～30目的碳化硼颗粒对陶瓷表面进行喷砂，获得干净且表面有一定凹凸的基板面，作为活性钎料与之嵌合的界面。
步骤二、将AgCuTi4.5活性钎料粉末输入冷喷涂设备的送粉***，该AgCuTi4.5粉末系惰性气体雾化法生产的，其粒径分布范围为5-53微米，球形度>80%，粉末含氧量<200ppm。冷喷涂***包括送粉***、高压气源、用于对高压气源进行加热的气体加热器、用于调节高压气源送出的气体的压力的气体调节控制***和喷枪。喷枪采用拉瓦尔喷枪，冷喷涂介质气体为高纯氩气，喷涂气压为1.5～3.5Mpa，介质气体的工作温度为150℃，粉末输送量为150～200g/min；工作时，喷枪安装在机械臂上，按照预先设计的路径一边喷涂一边移动，AlN陶瓷基板上即可获得相对均匀的活性钎料涂层，控制喷涂工艺条件，使该活性钎料涂层厚度为30-50μm。
步骤三、将高纯铜粉末输入冷喷涂***的送粉***，采用高纯氩气气体作为喷涂介质进行冷喷涂，在步骤二所获得的活性钎料涂层上面叠加喷涂一层较厚的铜涂层，步骤三所采用的冷喷涂设备及冷喷涂工艺条件，与步骤二基本相同。该工艺步骤所用的铜粉为球形粉末，纯度≧99.99%，含氧量<200ppm，铜粉粒径分布范围为5-53μm，优选粒径范围为8-３８μm。控制冷喷涂工艺条件，使获得的铜涂层厚度为850-900μm（此时覆铜板上各个位置点的铜涂层厚度有一定差异，厚度误差在50μm之内）。
步骤四、将步骤三所获得的复合涂层陶瓷板置于真空钎焊炉中，进行高温焊接，真空度为10-3-10-4 Pa，控制钎焊温度为950℃，保温时间50min,在该条件下实现AlN陶瓷基板-活性钎料涂层-铜涂层三者之间的界面融合。
步骤五、对步骤四获得的陶瓷覆铜板表面进行磨床研磨减薄，直至获得所设定的铜涂层厚度800μm，其表面粗糙度Ra控制在0.3。
步骤六、在步骤五获得的覆铜板表面上印刷图案，采用类似于PCB板的湿法刻蚀工艺，在AlN陶瓷覆铜板表面上按照设计制成电路板。
该AlN陶瓷覆铜板具有较好的综合性能，经优化后的覆铜板样品，剥离强度>190N/cm，焊料润湿性为100%；热循环1200次无裂纹（-40℃～+150℃）。
实施例2
本实施例提供了一种基于冷喷涂工艺的AMB陶瓷覆铜板的制备方法，至少包括如下步骤：
步骤一、将市售的德产Si3N4陶瓷标准基板进行超声清洗、烘干，用粒度为16～30目的碳化硼颗粒对陶瓷表面进行喷砂，获得干净且表面有一定凹凸的基板面，作为活性钎料与之嵌合的界面。
步骤二、将AgCuTi4.5活性钎料粉末输入冷喷涂设备的送粉***，该AgCuTi4.5粉末系惰性气体雾化法生产的，其粒径分布范围为5-38微米，球形度>80%，粉末含氧量<200ppm。冷喷涂***包括送粉***、高压气源、用于对高压气源进行加热的气体加热器、用于调节高压气源送出的气体的压力的气体调节控制***和喷枪。喷枪采用拉瓦尔喷枪，冷喷涂介质气体为高纯氦气，喷涂气压为1.5～3.5Mpa，介质气体的工作温度为350℃，粉末输送量为150～200g/min；工作时，喷枪安装在机械臂上，按照预先设计的路径一边喷涂一边移动，Si3N4陶瓷基板上即可获得相对均匀的活性钎料涂层，控制喷涂工艺条件，使活性钎料涂层厚度为40-60μm。
步骤三、将高纯铜粉末输入冷喷涂***的送粉***，采用高纯氦气作为喷涂介质进行冷喷涂，在步骤二所获得的活性钎料涂层上面叠加喷涂一层较厚的铜涂层，步骤三所采用的冷喷涂设备及冷喷涂工艺条件，与步骤二基本相同。该工艺步骤所用的铜粉为球形粉末，纯度≧99.99%，含氧量<150ppm，铜粉粒径分布范围为10-38μm。控制冷喷涂工艺条件，使获得的铜涂层厚度为1250-1300μm（此时覆铜板上各个位置点的铜涂层厚度有一定差异，厚度误差在50μm之内）。
步骤四、将步骤三所获得的复合涂层陶瓷板置于真空钎焊炉中，进行高温焊接，炉内真空度为10-3-10-4 Pa，钎焊温度为930℃，保温时间60min,在该条件下可实现Si3N4陶瓷基板-活性钎料涂层-铜涂层三者之间的界面融合。
步骤五、对步骤四获得的陶瓷覆铜板表面进行磨床研磨减薄，直至获得所设定的铜涂层厚度1200μm，其表面粗糙度Ra为0.3。
步骤六、在步骤五获得的覆铜板表面上印刷图案，采用类似于PCB板的湿法刻蚀工艺，在Si3N4陶瓷覆铜板表面上按照设计制成电路板。
该Si3N4陶瓷覆铜板具有很好的综合性能，经优化后的覆铜板样品，电流承载能力为280-350A，焊料润湿性为100%；可靠性测试（-40℃～+150℃热循环）大于5200次无裂纹无翘曲。
实施例3
本实施例提供了一种基于冷喷涂工艺的AMB陶瓷覆铜板的制备方法，至少包括如下步骤：
步骤一、将市售的国产Al2O3陶瓷标准基板进行超声清洗、烘干，用粒度为16～30目的碳化硼颗粒对陶瓷表面进行喷砂，获得干净且表面有一定凹凸的基板面，作为活性钎料与之嵌合的界面。
步骤二、将AgCuTi2.5活性钎料粉末输入冷喷涂设备的送粉***，该AgCuTi2.5粉末系惰性气体雾化法生产的，其粒径分布范围为5-38μm，球形度>80%，粉末含氧量<200ppm。冷喷涂***包括送粉***、高压气源、用于对高压气源进行加热的气体加热器、用于调节高压气源送出的气体的压力的气体调节控制***和喷枪。喷枪采用拉瓦尔喷枪，冷喷涂介质气体为高纯氩气，喷涂气压为1.5～3.5Mpa，介质气体的工作温度为350℃，粉末输送量为150～200g/min；工作时，喷枪安装在机械臂上，按照预先设计的路径一边喷涂一边移动，Al2O3陶瓷基板上即可获得相对均匀的活性钎料涂层，控制喷涂工艺条件，使活性钎料涂层厚度为40-60μm。
步骤三、将纯铜粉末输入冷喷涂***的送粉***，采用高纯氩气作为喷涂介质进行冷喷涂，在步骤二所获得的活性钎料涂层上面叠加喷涂一层较厚的铜涂层，步骤三所采用的冷喷涂设备及冷喷涂工艺条件，与步骤二基本相同。该工艺步骤所用的铜粉为球形粉末，纯度≧99.99%，含氧量<200ppm，铜粉粒径分布范围为8-25μm。控制冷喷涂工艺条件，使获得的铜涂层厚度为700-750μm（此时覆铜板上各个位置点的铜涂层厚度有一定差异，厚度误差在50μm之内）。
步骤四、将步骤三所获得的复合涂层陶瓷板置于真空钎焊炉中，进行高温焊接，真空度为10-3-10-4 Pa，钎焊温度为950℃，保温时间60min,在该条件下实现Al2O3陶瓷基板-活性钎料涂层-铜涂层三者之间的界面融合。
步骤五、对步骤四获得的陶瓷覆铜板表面进行磨床研磨减薄，直至铜涂层厚度为700μm，其表面粗糙度Ra控制在0.3。
步骤六、在步骤五获得的覆铜板表面上印刷图案，采用类似于PCB板的湿法刻蚀工艺，在Al2O3陶瓷覆铜板表面上按照设计制成电路板。
该Al2O3陶瓷覆铜板经优化后的样品，焊料润湿性为100%；可靠性测试（-40℃～+150℃热循环）>350次。
实施例4
本实施例提供了一种基于冷喷涂工艺的AMB陶瓷覆铜板的制备方法，至少包括如下步骤：
步骤一、将市售的德产Si3N4陶瓷标准基板进行超声清洗、烘干，用粒度为16～30目的金刚石颗粒对陶瓷表面进行喷砂，获得干净且表面有一定凹凸的基板面，作为活性钎料与之嵌合的界面。
步骤二、将AgCuTi3.5In0.5活性钎料粉末输入冷喷涂设备的送粉***，该AgCuTi3.5 In0.5粉末系惰性气体雾化法生产的，其粒径分布范围为5-38微米，球形度>80%，粉末含氧量<200ppm。冷喷涂***包括送粉***、高压气源、用于对高压气源进行加热的气体加热器、用于调节高压气源送出的气体的压力的气体调节控制***和喷枪。喷枪采用拉瓦尔喷枪，冷喷涂介质气体为高纯氦气，喷涂气压为1.5～3.5Mpa，介质气体的工作温度为350℃，粉末输送量为150～200g/min；工作时，喷枪安装在机械臂上，按照预先设计的路径一边喷涂一边移动，Si3N4陶瓷基板上即可获得相对均匀的活性钎料涂层，调整喷涂工艺条件，控制活性钎料涂层厚度为40-50μm。
步骤三、将纯铜粉末输入冷喷涂***的送粉***，采用高纯氦气作为喷涂介质进行冷喷涂，在步骤二所获得的活性钎料涂层上面叠加喷涂一层较厚的铜涂层，步骤三所采用的冷喷涂设备及冷喷涂工艺条件，与步骤二基本相同。该工艺步骤所用的铜粉为球形粉末，纯度≧99.99%，含氧量<200ppm，铜粉粒径分布范围为5-38μm。控制冷喷涂工艺条件，使获得的铜涂层厚度为1050-1100μm（此时覆铜板上各个位置点的铜涂层厚度有一定差异，厚度误差在50μm之内）。
步骤四、将步骤三所获得的复合涂层陶瓷板置于真空钎焊炉中，进行高温焊接，真空度为10-3-10-4 Pa，钎焊温度为950℃，保温时间50min,在该条件下实现Si3N4陶瓷基板-活性钎料涂层-铜涂层三者之间的界面融合。
步骤五、对步骤四获得的陶瓷覆铜板表面进行磨床研磨减薄，直至获得所设定的铜涂层厚度1000μm，其表面粗糙度Ra控制在0.3。
步骤六、在步骤五获得的覆铜板表面上印刷图案，采用类似于PCB板的湿法刻蚀工艺，Si3N4陶瓷覆铜板表面上按照设计制成电路板，然后在覆铜板上进行镀镍处理。
实施例5
本实施例提供了一种基于冷喷涂工艺的AMB陶瓷覆铜板的制备方法，至少包括如下步骤：
步骤一、将市售的日产AlN陶瓷标准基板进行超声清洗、烘干，用粒度为16～30目的立方氮化硼颗粒对陶瓷表面进行喷砂，获得干净且表面有一定凹凸的基板面，作为活性钎料与之嵌合的界面。
步骤二、将AgCuTi5.5Sn0.3活性钎料粉末输入冷喷涂设备的送粉***，该AgCuTi5.5Sn0.3粉末系惰性气体雾化法生产的，其粒径分布范围为5-38微米，球形度>80%，粉末含氧量<200ppm。冷喷涂***包括送粉***、高压气源、用于对高压气源进行加热的气体加热器、用于调节高压气源送出的气体的压力的气体调节控制***和喷枪。喷枪采用拉瓦尔喷枪，冷喷涂介质气体为高纯氦气，喷涂气压为1.5～3.5Mpa，介质气体的工作温度为350℃，粉末输送量为150～200g/min；工作时，喷枪安装在机械臂上，按照预先设计的路径一边喷涂一边移动，AlN陶瓷基板上即可获得相对均匀的活性钎料涂层，控制喷涂工艺条件，使该活性钎料涂层厚度为20-40μm。
步骤三、将纯铜粉末输入冷喷涂***的送粉***，采用氦气作为喷涂介质进行冷喷涂，在步骤二所获得的活性钎料涂层上面叠加喷涂一层较厚的铜涂层，步骤三所采用的冷喷涂设备及冷喷涂工艺条件，与步骤二基本相同。该工艺步骤所用的铜粉为球形粉末，纯度≧99.99%，含氧量<200ppm，铜粉粒径分布范围为１０-38μm。控制冷喷涂工艺条件，使获得的铜涂层厚度为900-920μm（此时覆铜板上各个位置点的铜涂层厚度有一定差异，厚度误差在50μm之内）。
步骤四、将步骤三所获得的复合涂层陶瓷板置于真空钎焊炉中，进行高温焊接，真空度为10-3-10-4 Pa，钎焊温度为920℃，保温时间45min,在该条件下实现AlN陶瓷基板-活性钎料涂层-铜涂层三者之间的界面融合。
步骤五、对步骤四获得的陶瓷覆铜板表面进行磨床研磨减薄，直至获得所设定的铜涂层厚度800μm，其表面粗糙度Ra控制在0.3。
步骤六、在步骤五获得的覆铜板表面上印刷图案，采用类似于PCB板的湿法刻蚀工艺，在AlN陶瓷覆铜板表面上按照设计制成电路板，然后在覆铜板上进行镀金处理。
实施例6
本实施例提供了一种基于冷喷涂工艺的AMB陶瓷覆铜板的制备方法，至少包括如下步骤：
步骤一、将市售的日产Si3N4陶瓷标准基板进行超声清洗、烘干，用粒度为16～30目的碳化硼颗粒对陶瓷表面进行喷砂，获得干净且表面有一定凹凸的基板面，作为活性钎料与之嵌合的界面。
步骤二、将AgCuTi2.5Zr1.2活性钎料粉末输入冷喷涂设备的送粉***，该AgCuTi2.5Zr1.2粉末系惰性气体雾化法生产，其粒径分布范围为2-25微米，球形度>80%，粉末含氧量<200ppm。冷喷涂***包括送粉***、高压气源、用于对高压气源进行加热的气体加热器、用于调节高压气源送出的气体的压力的气体调节控制***和喷枪。喷枪采用拉瓦尔喷枪，冷喷涂介质气体为高纯氩气，喷涂气压为1.5～3.5Mpa，介质气体的工作温度为250℃，粉末输送量为150～200g/min；工作时，喷枪安装在机械臂上，按照预先设计的路径一边喷涂一边移动，Si3N4陶瓷基板上即可获得相对均匀的活性钎料涂层，控制喷涂工艺条件，使活性钎料涂层厚度为40-50μm。
步骤三、将纯铜粉末输入冷喷涂***的送粉***，采用高纯氩气作为喷涂介质进行冷喷涂，在步骤二所获得的活性钎料涂层上面叠加喷涂一层较厚的铜涂层，步骤三所采用的冷喷涂设备及冷喷涂工艺条件，与步骤二基本相同。该工艺步骤所用的铜粉为球形粉末，纯度≧99.99%，含氧量<150ppm，铜粉粒径分布范围为10-38μm。控制冷喷涂工艺条件，使获得的铜涂层厚度为1850-1900μm（此时覆铜板上各个位置点的铜涂层厚度有一定差异，厚度误差在50μm之内）。
步骤四、将步骤三所获得的复合涂层陶瓷板置于真空钎焊炉中，进行高温焊接，炉内真空度为10-3-10-4 Pa，钎焊温度为910℃，保温时间55min,在该条件下可实现Si3N4陶瓷基板-活性钎料涂层-铜涂层三者之间的界面融合。
步骤五、对步骤四获得的陶瓷覆铜板表面进行磨床研磨减薄，直至获得所设定的铜涂层厚度1800μm，其表面粗糙度Ra控制在0.3。
步骤六、在步骤五获得的覆铜板表面上印刷图案，采用类似于PCB板的湿法刻蚀工艺，在Si3N4陶瓷覆铜板表面上按照设计制成电路板。
实施例7
步骤一、将市售的德产Si3N4陶瓷标准基板进行超声清洗、烘干，用粒度为16～30目的碳化硼颗粒对陶瓷表面进行喷砂，获得干净且表面有一定凹凸的基板面，作为活性钎料与之嵌合的界面。
步骤二、取符合要求的AgCu28合金粉末与纯Ti粉末按照质量百分比为AgCu28：Ti=96:4充分混合均匀后，将混合粉输入冷喷涂设备的送粉***；其中的AgCu28粉末系惰性气体雾化法生产，其粒径分布范围为5-38微米，球形度>80%，粉末含氧量<200ppm；纯Ti粉为等离子体喷涂法生产的球形粉末，其粒径分布范围为为5-38微米，含氧量<500ppm，球形度>95%。冷喷涂***包括送粉***、高压气源、用于对高压气源进行加热的气体加热器、用于调节高压气源送出的气体的压力的气体调节控制***和喷枪。喷枪采用拉瓦尔喷枪，冷喷涂介质气体采用高纯氦气，喷涂气压为1.5～3.5Mpa，介质气体的工作温度为350-450℃，粉末输送量为150～200g/min；工作时，喷枪安装在机械臂上，按照预先设计的路径一边喷涂一边移动，在Si3N4陶瓷基板面上即可获得相对均匀的活性钎料涂层，该涂层嵌合在陶瓷基板的粗糙表面上。控制喷涂工艺条件，使活性钎料涂层厚度为30-40μm。
步骤三、将高纯铜粉末输入冷喷涂***的送粉***，采用高纯氩气作为喷涂介质进行冷喷涂，在步骤二所获得的活性钎料涂层上面叠加喷涂一层较厚的铜涂层，步骤三所采用的冷喷涂设备及冷喷涂工艺条件，与步骤二基本相同。该工艺步骤所用的铜粉为球形粉末，纯度≧99.99%，含氧量<200ppm，铜粉粒径分布范围为10-38μm。控制冷喷涂工艺条件，使获得的铜涂层厚度为1250-1280μm（此时覆铜板上各个位置点的铜涂层厚度有一定差异，一般厚度误差在50μm之内）。
步骤四、将步骤三所获得的复合涂层陶瓷板置于真空钎焊炉中，进行高温焊接，炉内真空度为10-3-10-4 Pa，钎焊温度为930℃，保温时间60min,在该条件下可实现Si3N4陶瓷基板-活性钎料涂层-铜涂层三者之间的界面融合。钎焊后，活性钎料层与陶瓷基板以及铜涂层之间，均实现冶金级结合，界面无空洞、夹渣等缺陷，纯铜层致密度>99.5%。
步骤五、对步骤四获得的陶瓷覆铜板的铜涂层表面进行磨床研磨减薄，直至获得所设定的铜涂层厚度1200μm，其表面粗糙度Ra控制在0.3。
步骤六、在步骤五获得的覆铜板表面上印刷图案，采用类似于PCB板的湿法刻蚀工艺，在Si3N4陶瓷覆铜板表面上按照设计图案制成电路板。
该Si3N4陶瓷覆铜板具有优良的综合性能，经优化后的覆铜板样品，电流承载能力为280-350A，焊料润湿性为100%；可靠性测试（-40℃～+150℃热循环）大于5000次无裂纹，铜涂层无翘曲。该Si3N4陶瓷覆铜板进行后续表面镀金工艺后，即可成为覆铜板成品。
实施例8
步骤一、将市售的国产AlN陶瓷标准基板进行超声清洗、烘干，用粒度为16～30目的碳化硼颗粒对陶瓷表面进行喷砂，获得干净且表面有一定凹凸的基板面，作为活性钎料与之嵌合的界面。
步骤二、取符合要求的AgCu28合金粉末与TiH2粉末按照重量百分比为AgCu28：TiH2=97:3，将它们混合后进行低强度球磨，其中的AgCu28粉末系惰性气体雾化法生产，其粒径分布范围为5-38微米，球形度>80%，粉末含氧量<200ppm；TiH2粉末为市售化学纯超细粉末，其纯度>99.9%，粒径为0.1-0.5微米，经24hr球磨混合后，微细TiH2粉末粘附在AgCu28粉末表面形成复合粉。将AgCu28- TiH2复合粉输入冷喷涂设备的送粉***；冷喷涂***包括送粉***、高压气源、用于对高压气源进行加热的气体加热器、用于调节高压气源送出的气体的压力的气体调节控制***和喷枪。喷枪采用拉瓦尔喷枪，冷喷涂介质气体采用高纯氦气，喷涂气压为1.5～3.5Mpa，介质气体的工作温度为450-500℃，粉末输送量为150～200g/min；工作时，喷枪安装在机械臂上，按照预先设计的路径一边喷涂一边移动，在AlN陶瓷基板面上即可获得相对均匀的活性钎料涂层，该涂层嵌合在陶瓷基板的粗糙表面上。在喷涂工艺温度条件下，复合在AgCu28粉末表面的TiH2超细粉末分解为单质Ti和H2（H2随惰性气体一起逸散）这些新生成的Ti微粒具有极高的活性，它们较均匀地分布在钎料涂层内。控制喷涂工艺条件，使活性钎料涂层厚度为30-40μm。
步骤三、将纯铜粉末输入冷喷涂***的送粉***，采用高纯氩气作为喷涂介质进行冷喷涂，在步骤二所获得的活性钎料涂层上面叠加喷涂一层较厚的铜涂层，步骤三所采用的冷喷涂设备及冷喷涂工艺条件，与步骤二基本相同。该工艺步骤所用的铜粉为球形粉末，纯度≧99.99%，含氧量<200ppm，铜粉粒径分布范围为10-38μm。控制冷喷涂工艺条件，使获得的铜涂层厚度为880-900μm（此时覆铜板上各个位置点的铜涂层厚度有一定差异，一般厚度误差在50μm之内）。
步骤四、将步骤三所获得的复合涂层陶瓷板置于真空钎焊炉中，进行高温焊接，炉内真空度为10-3-10-4 Pa，钎焊温度为930℃，保温时间60min,在该条件下可实现AlN陶瓷基板-活性钎料涂层-铜涂层三者之间的界面融合。钎焊后，活性钎料层与陶瓷基板以及铜涂层之间，彼此扩散实现冶金结合，界面无空洞、夹渣等缺陷，涂层致密度可达到99.5%。
步骤五、对步骤四获得的陶瓷覆铜板的铜涂层表面进行磨床研磨减薄，直至获得所设定的铜涂层厚度800m m，其表面粗糙度Ra控制在0.3。
步骤六、在步骤五获得的覆铜板表面上印刷图案，采用类似于PCB板的湿法刻蚀工艺，在AlN陶瓷覆铜板表面上按照设计图案制成电路板。
该AlN陶瓷覆铜板进行后续表面镀金工艺后，即可成为覆铜板成品。
根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的配方范围内相关合金元素配比变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (10)

1.一种AMB陶瓷覆铜板的制备方法，基于冷喷涂工艺，其特征在于，至少包括如下步骤：
步骤一、将陶瓷基板进行超声清洗、烘干和喷砂处理，以获得干净且表面凹凸的基板面，作为活性钎料与之嵌合的界面；
步骤二、将AMB活性钎料粉末输入冷喷涂***的送粉***，以惰性气体为气动介质进行冷喷涂，在陶瓷基板上形成活性钎料涂层；
步骤三、将高纯铜粉末输入冷喷涂***的送粉***，以惰性气体为气动介质进行冷喷涂，在步骤二所获得的活性钎料涂层上面叠加喷涂一层铜涂层；
步骤四、将步骤三所获得的复合涂层陶瓷板置于真空钎焊炉中进行高温真空焊接，以实现陶瓷基板-活性钎料涂层-铜涂层三者之间的充分钎焊融合，得到陶瓷覆铜板；
步骤五、对步骤四获得的陶瓷覆铜板表面进行减薄，直至获得所设定的铜涂层厚度及合格的表面粗糙度；
步骤六、在步骤五获得的覆铜板表面上采用油墨印刷电路图，采用湿法刻蚀工艺制造出线路板，再经表面镀覆工艺，制备出符合设计要求的AMB陶瓷覆铜板产品。
2.根据权利要求1所述的基于冷喷涂工艺的AMB陶瓷覆铜板的制备方法，其特征在于，步骤一中的陶瓷基板的材质为Al2O3、AlN或Si3N4；喷砂处理所用的材料为金刚石、碳化硼或立方氮化硼，喷砂的粒度为16～30目。
3.根据权利要求1所述的基于冷喷涂工艺的AMB陶瓷覆铜板的制备方法，其特征在于，步骤二所用的AMB活性钎料粉末为AgCuTi系高温钎料，其典型成份为AgCuTiX，其中Ag、Cu含量之和占质量百分比90%以上，Ti含量占重量百分比0.5-8%，配方中的X为V、Zr、Hf、In、Cr、Sn、Zn、Cd、Si、Al和Ni中的至少一种，元素X与Ti的质量分数比总和为0-10%；所述AMB活性钎料粉末的粒径分布范围为0.1-53μm，粉末含氧量<200ppm。
4.根据权利要求1所述的基于冷喷涂工艺的AMB陶瓷覆铜板的制备方法，其特征在于，步骤二和步骤三所述的冷喷涂***包括送粉***、高压气源、用于对高压气源进行加热的气体加热器、用于调节高压气源送出的气体的压力的气体调节控制***和喷枪，喷枪采用拉瓦尔喷枪，冷喷涂的介质气体为高纯氩气或氦气，气压为1.5～3.5Mpa，介质气体的工作温度为室温～750℃，粉末输送量为0.1～300g/min；工作时，喷枪安装在机械臂上，按照预先设计的路径一边喷涂一边移动，喷涂后在基板上可获得与喷涂原料粉末成分相同的涂层。
5.根据权利要求1所述的基于冷喷涂工艺的AMB陶瓷覆铜板的制备方法，其特征在于，步骤三中所需的AMB活性钎料涂层厚度为20-80μm。
6.根据权利要求1所述的基于冷喷涂工艺的AMB陶瓷覆铜板的制备方法，其特征在于，步骤三所用的高纯铜粉为球形粉，纯度≧99.99%，含氧量<200ppm，纯铜粉粒径分布范围为5-53μm。
7.根据权利要求1所述的基于冷喷涂工艺的AMB陶瓷覆铜板的制备方法，其特征在于，步骤五中所需的铜涂层厚度为50-3000μm。
8.根据权利要求1所述的基于冷喷涂工艺的AMB陶瓷覆铜板的制备方法，其特征在于，步骤四中高温焊接的真空度为10-2-10-4 Pa，钎焊温度为850-1000℃，保温时间10-60min，在该条件下实现陶瓷基板-活性钎料涂层-铜涂层三者之间的界面钎焊。
9.根据权利要求1所述的基于冷喷涂工艺的AMB陶瓷覆铜板的制备方法，其特征在于，步骤五所述的减薄为机械研磨减薄或电化学减薄；减薄加工后的铜涂层表面粗糙度Ra控制在0.1-0.3之间。
10.根据权利要求1所述的基于冷喷涂工艺的AMB陶瓷覆铜板的制备方法，其特征在于，还包括如下步骤：对步骤六所获得的已完成湿法刻蚀工艺的覆铜板进行镀镍或镀金表面处理。
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