[发明专利]高导热绝缘铜基板的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种铜表面陶瓷化方法。

背景技术

目前，高功率电子器件封装领域主要采用陶瓷覆铜板作为芯片和器件的承载体，其中陶瓷材料为Al₂O₃、Si₃N₄、AlN等。但是随着芯片功率的增大以及功率模块封装技术的快速发展，传统陶瓷覆铜板无法满足产业化对其提出的要求。现有的陶瓷覆铜板面临诸多的问题，比如Al₂O₃散热效率低下，AlN、Si₃N₄烧结制备温度高、成本高。

发明内容

为了满足高功率器件的封装技术发展，本发明提供一种简单、成本低廉的高导热绝缘铜基板的制备方法，利用铜的高效散热性能和陶瓷的优异电性能来解决所面临的问题。本发明于铜基板所制备的陶瓷材料主要为AlN和莫来石相。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

步骤一、将所需要的铜基板进行抛光处理；

步骤二、称取定量聚碳硅烷置于球磨罐中，然后向球磨罐中加入适量的二甲苯，得到聚碳硅烷-二甲苯溶液，其中控制聚碳硅烷质量分数小于60%；

步骤三、按照Si、Al原子比为1:1～1:30的比例称取经表面改性的氮化铝粉体，并置于球磨罐中，进行球磨混合，完成混合浆料制备；

步骤四、将步骤三所获得的混合浆料涂覆或流延到已抛光的铜基板表面，然后干燥，获得预制陶瓷铜基板坯料；

步骤五、将步骤四所获得的预制陶瓷铜基板坯料置于管式炉内完成热处理，所述热处理过程为：向管式炉内充入流动惰性气体，流量控制在0.1～0.8L/min，然后以1～5℃/min升温速率将管式炉加热到1020～1080℃，保温0.5h～2h，以2～4℃/min的降温速率降到400℃，最后自然冷却到室温，即可获得高导热绝缘铜基板；

步骤六、重复步骤四和步骤五，采用多次涂覆-干燥-烧结工艺制备出规定厚度、无针孔、无裂纹的高绝缘涂层。

反应制备机理：

1）在湿气气氛下，聚碳硅烷会在500℃或更低温度裂解生成非晶态的氧化硅，其反应活性很高；

2）在湿气气氛下，AlN粉体会在1000℃或更低温度氧化或水解生成γ-Al₂O₃，反应方程式如下：

。

3）上述所生成的非晶态氧化硅和γ-Al₂O₃会在烧结温度低于1000℃下反应，生成Al-Si-O玻璃，待温度升高Al-Si-O玻璃析晶生成莫来石相，其中莫来石相可以在1000℃下反应生成。

4）1065℃温度以上Al、O、Cu元素会在铜/陶瓷界面处反应，实现陶瓷与基体铜的完好结合，反应方程如下：

。

本发明具有如下优点：

1、本发明提供的铜表面陶瓷化方法，使得铜表面获得高导热绝缘陶瓷涂层，不仅可以降低金属铜的热膨胀系数，与半导体材料相匹配，以便将功率芯片直接贴装在绝缘铜基板电路上；同时还可以利用金属铜高热导率的性质来解决大功率器件和大功率LED器件封装散热难题。

2、本发明所提供的高导热氮化铝基陶瓷材料制备方法反应温度低，1000℃或以上即可实现陶瓷烧结，并且所制备的陶瓷材料致密度高、成本低，适合产业化生成。

3、本发明所制备的高导热绝缘铜基板陶瓷涂层厚度为10～100微米，热导率为5～100W/m·K，耐电压大于2000V，介电损耗低（1MHz下5.4~8.6），抗热震性能好（在空气中，将样品加热到300℃后直接投入室温的水中，循环1000次，陶瓷涂层不剥落）。

4、本发明采用湿气作为材料制备的保护气。一方面，可以防止基板铜过分氧化；另一方面，湿气中少量的水分可以除去多余的碳，并促进陶瓷反应烧结。

具体实施方式

下面对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

具体实施方式一：本实施方式按照如下步骤制备高导热绝缘铜基板：

步骤一、将所需要的铜基板进行抛光处理，所述铜基板的材质为纯铜或铜基复合材料（如W/Cu、Mo/Cu）；

步骤二、称取定量聚碳硅烷置于球磨罐中，然后向球磨罐中加入适量的二甲苯，得到聚碳硅烷-二甲苯溶液，其中控制聚碳硅烷质量分数小于60%；