陶瓷覆銅基板及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于陶瓷金屬化技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種Si3N4陶瓷覆銅基板及其制備方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著功率電子器件的發(fā)展，電路板集成度與工作頻率不斷提高，散熱問題已成為 功率電子器件發(fā)展中必須要解決的關(guān)鍵問題。陶瓷基板是大功率電子器件、集成電路基板 的封裝材料，是功率電子、電子封裝與多芯片模塊等技術(shù)中的關(guān)鍵配套材料，其性能決定著 模塊的散熱效率和可靠性。電動(dòng)汽車等的發(fā)展對(duì)基板的抗熱震性等力學(xué)性能提出了更嚴(yán)格 的要求。
[0003] 目前廣泛應(yīng)用的的Al2〇3陶瓷基板不僅熱導(dǎo)率(22~40W/m · K)很低，而且抗彎強(qiáng)度 (380~385MPa)低，已不能滿足日益增長(zhǎng)的需求;A1N陶瓷基板雖然具有優(yōu)異的熱導(dǎo)率（190 ~260W/m · K)，但抗彎強(qiáng)度（392~490MPa)也相對(duì)較低。Si3N4陶瓷具有高強(qiáng)度（600~ 900MPa)、高韌性、耐腐蝕、耐高溫、抗熱震性好等優(yōu)良性能。2002年，Hirosaki等人采用分子 動(dòng)力學(xué)方法模擬了 a_Si3N4和i3_Si3N4單晶中的能量傳遞，預(yù)測(cè)i3_Si 3N4沿晶軸c軸方向的熱導(dǎo) 率為450W/m · K;2011年，You Zhou等人制備出熱導(dǎo)率為177W/m · K的Si3N4陶瓷，為Si3N4陶 瓷覆銅基板的發(fā)展提供了基礎(chǔ)?？梢姡琒i 3N4陶瓷覆銅基板是理想的陶瓷基板材料。
[0004] 目前關(guān)于Si3N4陶瓷覆銅基板的研究還較少。由于Si3N4與Cu之間的潤濕性很差， Si3N4與Cu的結(jié)合較困難，因此選擇合適的氮化硅陶瓷基板金屬化方法至關(guān)重要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種Si3N4陶瓷覆銅基板及其制備方 法。本發(fā)明通過在氮化硅陶瓷表面形成一層Ti中間層，并通過熱壓方式獲得TiN與TiCu過渡 層，以確保氮化硅與銅的結(jié)合。
[0006] 本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：
[0007] 本發(fā)明的第一目的在于提供一種Si3N4陶瓷覆銅基板，包括:Si3N 4陶瓷基板、TiN過 渡層、Ti金屬層、TiCu過渡層和銅層，所述Si3N4陶瓷基板的上表面和下表面均覆有TiN過渡 層，所述TiN過渡層的表面設(shè)有Ti金屬層，所述Ti金屬層的表面設(shè)有TiCu過渡層，以及所述 TiCu過渡層的表面設(shè)有銅層。
[0008] 所述Si3N4陶瓷覆銅基板是先在Si3N 4陶瓷基板的上表面和下表面均涂覆TiH2層進(jìn) 行熱處理;然后在TiH2層的表面放置銅片，經(jīng)熱壓處理后形成所述Si 3N4陶瓷覆銅基板。 [0009]所述的Ti金屬層的厚度為0.5~ΙΟμL?;優(yōu)選Ti金屬層的厚度為6~9μηι。
[0010]本發(fā)明的第二目的在于提供一種Si3N4陶瓷覆銅基板的制備方法，包括：
[0011]第一步，對(duì)Si3N4陶瓷基板及銅片進(jìn)行清洗；
[0012]第二步，將TiH2粉與粘結(jié)劑的水溶液混合均勻得混合漿料，在Si3N4陶瓷基板的上 表面和下表面均涂覆TiH2層，于烘干箱內(nèi)100~300°C烘干1~2h;
[0013] 第三步，將涂覆有TiH2層的Si3N4陶瓷基板在保護(hù)氣氛下進(jìn)行熱處理，溫度500~ 900°C，時(shí)間0.5~lh，使Si3N4陶瓷基板的表面形成Ti金屬層；
[0014]第四步，將清洗過的銅片置于步驟三所得的Si3N4陶瓷基板表面，于熱壓模具內(nèi)進(jìn) 行熱壓處理，真空度IX 10-4~10X10-4Pa，壓力0.5~30MPa，溫度800~1080 °C，保溫lh; [0015] 第五步，取出經(jīng)熱壓處理的Si 3N4陶瓷覆銅基板，冷卻至室溫，即得。
[0016]進(jìn)一步的，步驟二中所述的混合漿料中，TiH2粉、粘結(jié)劑、水所占比重分別為65~ 69.9wt%、0.1 ~5wt%、30wt%。
[0017]進(jìn)一步的，步驟二中所述的粘結(jié)劑為聚乙稀醇粘結(jié)劑。
[0018] 進(jìn)一步的，步驟二中所述的TiH2層的厚度為0.1~20μπι;優(yōu)選TiH 2層的厚度為10~ 15μπι〇
[0019] 進(jìn)一步的，步驟三中所述的保護(hù)氣氛為惰性氣體保護(hù)氣氛;優(yōu)選氬氣保護(hù)氣氛。
[0020] 進(jìn)一步的，步驟三中所述的Ti金屬層的厚度為0.5~ΙΟμπι;優(yōu)選Ti金屬層的厚度為 6 ~9μπι〇
[0021] 進(jìn)一步的，步驟三中所述的溫度為600~800°C。
[0022]進(jìn)一步的，步驟四中所述的溫度為1000°C。
[0023] 進(jìn)一步的，步驟四中所述的壓力為4~5MPa。
[0024] 熱壓處理時(shí)，溫度在上升過程中，發(fā)生Ti與Cu的擴(kuò)散，形成TiCu過渡層；當(dāng)溫度達(dá) 到1000 °C以上時(shí)，保溫1 h，以促進(jìn)Ti向氮化硅擴(kuò)散，使Ti與Si3N4反應(yīng)形成TiN過渡層。關(guān)于溫 度控制，溫度低于800°C時(shí)，Si 3N4與Ti的反應(yīng)速率很低，主要是Ti與Cu的擴(kuò)散，形成TiCu過渡 層;溫度高于1080°C時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致銅片變形，不利于刻蝕圖形以及銅表面的管理。
[0025] 本發(fā)明通過先在氮化娃表面制備一層Ti金屬層，再通過熱壓法在Ti金屬層表面覆 銅。原理是:處于氮化硅與銅之間的鈦金屬層在熱壓過程中，與金屬銅之間形成TiCu過渡層 (Cu+Ti-TiCu)，與氮化硅瓷片之間形成TiN過渡層(Si 3N4+Ti-TiN+TixSiy)，這兩種過渡層 實(shí)現(xiàn)了氮化硅與銅之間的結(jié)合。
[0026] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的積極效果如下：
[0027] (1)熱壓法工藝成熟、條件易控制，可以提高Si3N4陶瓷覆銅基板的成品率；
[0028] (2)以金屬Ti作為中間層，熱壓過程中獲得TiN、TiCu過渡層，所得Si3N4陶瓷覆銅基 板的結(jié)合強(qiáng)度高、導(dǎo)熱性能好、抗熱震性優(yōu)良。
【附圖說明】
[0029]圖1為本發(fā)明Si3N4陶瓷覆銅基板的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0030]圖2為本發(fā)明Si3N4陶瓷覆銅基板的熱壓燒結(jié)結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0031]下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，這些實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明 而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人 員可以對(duì)本發(fā)明作各種改動(dòng)或修改，這些等價(jià)形式同樣落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求書所限定 的范圍。
[0032] 實(shí)施例1
[0033]第一步：用酸堿溶液、去離子水，通過超聲清洗、噴淋、預(yù)脫水等工藝對(duì)銅片、Si3N4 陶瓷基板進(jìn)行清洗去除材料表面的雜質(zhì)。
[0034] 第二步：將TiH2粉體（69 · 7wt % )、聚乙烯醇（0 · 3wt % )、水（30wt % )混合均勻制得 混合漿料，并在Si3N4陶瓷基板的上下兩個(gè)表面各涂覆厚ΙΟμπι的TiH2層，置于烘干箱內(nèi)300°C 烘干2h。
[0035] 第三步:在氬氣保護(hù)氣氛下對(duì)涂覆有TiH2層的Si3N4陶瓷基板進(jìn)行熱處理，設(shè)定溫 度900°C，時(shí)間lh，使涂覆的TiH 2分解，形成厚度為6μπι的Ti金屬層。
[0036] 第四步:將經(jīng)過清洗的銅片放置于覆有Ti金屬層的陶瓷基板表面，并將其放入熱 壓模具內(nèi)，在真空環(huán)境下，真空度2 X 10_4Pa，施加壓力5MPa，從室溫升溫至1000°C，發(fā)生Ti與 Cu的擴(kuò)散，形成TiCu過渡層;當(dāng)溫度達(dá)到1000°C時(shí)，保溫lh，以促進(jìn)Ti向氮化硅擴(kuò)散，使Ti與 Si3N4反應(yīng)形成TiN過渡層。
[0037] 第五步:取出經(jīng)熱壓處理的Si3N4