CN116426911A - 一种直接敷铝陶瓷基板的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于陶瓷表面金属化技术领域，具体涉及一种直接敷铝陶瓷基板的制造方法，至少包括如下步骤：将纯铝粉末输入喷涂设备的送粉系统，采用喷涂工艺，在陶瓷基板上形成一定厚度的铝涂层，获得陶瓷‑铝复合板；对复合板进行真空或气氛保护退火，以消除铝喷涂层中的应力；对复合板的敷铝面进行机加工，使铝涂层获得所设定的厚度及表面光洁度；对敷铝基板进行蚀刻，实现铝层的图形化；将已图形化的敷铝基板进行切割，即可获得直接敷铝(DBA)陶瓷板成品单元。
Description
技术领域
本发明属于陶瓷表面金属化技术领域，具体涉及一种利用喷涂工艺在陶瓷基板上直接喷涂铝粉形成涂层，制备出直接敷铝(DBA)陶瓷基板的技术，即本发明涉及一种直接敷铝陶瓷基板的制造方法。
背景技术
随着电子技术的迅猛发展，电子装备日益趋于集成化、小型化和轻型化。其中功率模块正朝着高频、高可靠性、低损耗方向发展，从而对导热基板的性能提出了更苛刻的要求。目前常见的大功率导热基板多为陶瓷覆铜板，其代表性覆铜工艺有直接敷铜法(DirectBonded Copper，DBC)和活性金属钎焊法(Active Metal Bonding，AMB)。而直接敷铝陶瓷基板(Direct Bonded Aluminum，DBA)是基于DBC工艺技术发展起来的新型金属敷接陶瓷基板，是铝与陶瓷层键合而形成的基板，其结构与DBC相似，但铝和陶瓷基板在敷接界面无化学反应。
相比于DBC，DBA中的金属铝具有良好的塑性和比铜更低的屈服强度，其塑性变形速率更平缓。在受到热循环作用时，金属铝层能够缓解界面因热膨胀系数不同引起的热应力，有效降低铝和陶瓷之间的内应力，具有更优良的抗热震疲劳性能和良好的热稳定性，对提高在极端温度下工作器件的稳定性作用十分明显。而且金属铝重量轻，与同结构的DBC相比重量可减轻44％。因此它在功率电子电路，如混合动力汽车和产业机器的变频器的绝缘电路基板等对高可靠性有特殊要求的器件上具有巨大的潜力。
目前商用DBA陶瓷基板敷接工艺是利用铝在液态对陶瓷有较好的润湿性能来实现的：在660℃以上液态Al和陶瓷润湿后，随着温度的降低，Al直接在陶瓷表面形成晶核并结晶生长，冷却到室温实现两者结合。目前敷铝基板技术有液铝敷接法和金属过渡法。由于金属铝在空气中极易氧化，当铝液表面生成一层致密的氧化铝膜后，会大大降低铝液与陶瓷的润湿性，影响陶瓷基板敷铝过程及敷接强度，因此改善铝与陶瓷的润湿性是制备DBA陶瓷基板的必要条件。常规技术思路是采用一定的措施隔绝氧气减少铝表面氧化层，或通过在陶瓷表面形成一层金属过渡层，通过Al-金属共晶液相，来解决铝与陶瓷界面润湿性不佳的问题。由于DBA工艺对氧含量有严格限制，DBA对设备以及工艺控制的要求较高，故而基板制作成本较高，且表面键合铝厚度一般在100μm以上，不适合精细线路的制作，使其推广和应用受到限制。
本发明创造出一种新的直接敷铝陶瓷基板生产工艺：将喷涂工艺引入到金属铝与陶瓷板的直接敷接中，不再使用液相Al与陶瓷板敷接，而是使用纯铝粉为原料，利用喷涂工艺在陶瓷基板上喷涂沉积形成一定厚度的铝涂层，获得陶瓷-铝复合板；对复合板进行真空或气氛保护退火，消除铝喷涂层中的应力；对复合胚板的敷铝面进行CNC机加工，使铝层获得精确可控的加工厚度及表面光洁度；随后对敷铝基板进行蚀刻，实现铝层的图形化；再将敷铝基板激光切割，即可获得DBA陶瓷基板成品单元。该发明技术直接避开了高温下液态Al在敷接界面处易发生氧化从而影响敷接强度的工艺控制难题。以本发明优选的超音速冷气动力喷涂工艺为例：利用中高压氮气(2MPa-10MPa)携带高纯铝粉，通过拉瓦尔喷管产生超音速气流(800m/s-2000m/s)，使铝粉颗粒以完全固态从轴向撞击到陶瓷基板表面上，铝粉颗粒发生较大流动塑性变形并嵌合在陶瓷表面上，形成结合紧密的涂层。采用该工艺可获得低含氧量、低孔隙率、可任意设计厚度的高品质铝涂层，其密度可达到99.5％以上。随后对该复合板进行真空或气氛保护退火，以消除铝喷涂层中的应力；对复合板的敷铝面进行机加工，使铝涂层获得所设定的厚度及表面光洁度；随后对敷铝基板进行常规蚀刻实现铝层的图形化、再对其进行激光切割，获得DBA陶瓷板成品单元。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明旨在提出一种直接敷铝陶瓷基板的制造方法，将喷涂工艺引入到金属铝与陶瓷板的直接敷接中，不再使用液相Al与陶瓷板敷接，而是使用纯铝粉为原料，直接避开了高温下液态Al在敷接界面处易发生氧化从而影响敷接强度的工艺控制难题。采用该工艺可获得低含氧量、低孔隙率、可任意设计厚度的高品质铝涂层，其密度可达到99.5％以上。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种直接敷铝陶瓷基板的制造方法，至少包括如下步骤：
步骤一，将高纯铝粉末输入喷涂设备的送粉系统，采用喷涂工艺，在陶瓷基板上形成一定厚度的铝涂层，获得复合胚板；
步骤二，对步骤一获得的复合胚板进行真空退火处理，消除涂层中的喷涂应力；
步骤三，对步骤二获得的复合胚板进行机加工，使其获得符合设计要求的厚度及表面平整度；
步骤四，对步骤三获得的复合板进行蚀刻，实现铝涂层的图形化；
步骤五，对步骤四的复合板进行激光切割，使之成为直接敷铝(DBA)陶瓷板成品单元。
作为本发明直接敷铝陶瓷基板的制造方法的一种改进，步骤一所述的铝粉末为氮气雾化法生产的纯度为99.9％以上的球形铝粉。
作为本发明直接敷铝陶瓷基板的制造方法的一种改进，步骤一所述的喷涂工艺包含超音速冷气动力喷涂工艺、等离子喷涂工艺或激光熔覆工艺。喷涂工艺优选超音速冷气动力喷涂，涂层的含氧量低，结合强度好。
作为本发明直接敷铝陶瓷基板的制造方法的一种改进，所述超音速冷气动力喷涂工艺具体为：利用压力为2MPa-10Mpa的氮气携带高纯铝粉，通过拉瓦尔喷管产生速度为800m/s-2000m/s的超音速气流，使高纯铝粉以完全固态的形式从轴向撞击到陶瓷基板表面上，高纯铝粉发生较大流动塑性变形并嵌合在陶瓷基板表面上形成结合紧密的涂层。
作为本发明直接敷铝陶瓷基板的制造方法的一种改进，步骤二所述的退火处理的温度为350～650℃，退火时间为0.5～1.5小时。
作为本发明直接敷铝陶瓷基板的制造方法的一种改进，步骤二所述的退火处理采用真空退火工艺，或者在惰性气体保护下退火。
作为本发明直接敷铝陶瓷基板的制造方法的一种改进，步骤三所述的机加工采用铣磨或CNC工艺。步骤三获得的复合胚板中铝涂层厚度在0.03-1.0mm之间，其目的是获得预期的敷铝层厚度及表面平整度。
作为本发明直接敷铝陶瓷基板的制造方法的一种改进，步骤四所述的蚀刻液，包含三氯化铁系列腐蚀液、氯化铜腐蚀液、混合酸腐蚀液等体系，蚀刻目的是去除部分铝涂层，实现敷铝层的图形化。
作为本发明直接敷铝陶瓷基板的制造方法的一种改进，所述陶瓷基板的材质为Al2O3、AlN、ZTA(锆铝复合陶瓷)、Si3N4。
相对于现有技术，本发明将喷涂工艺引入到金属铝与陶瓷板的直接敷接中，不再使用液相Al与陶瓷板敷接，而是使用纯铝粉为原料，利用喷涂工艺在陶瓷基板上喷涂沉积形成一定厚度的铝涂层，获得陶瓷-铝复合板；对复合板进行真空或气氛保护退火，消除铝喷涂层中的应力；对复合胚板的敷铝面进行CNC机加工，使铝层获得精确可控的加工厚度及表面光洁度；随后对敷铝基板进行蚀刻，实现铝层的图形化；再将敷铝基板激光切割，即可获得DBA陶瓷基板成品单元。该发明技术直接避开了高温下液态Al在敷接界面处易发生氧化从而影响敷接强度的工艺控制难题。以本发明优选的超音速冷气动力喷涂工艺为例：利中高压氮气或氩气(2MPa-10MPa)携带高纯铝粉，通过拉瓦尔喷管产生超音速气流(800m/s-2000m/s)，使铝粉颗粒以完全固态从轴向撞击到陶瓷基板表面上，铝粉颗粒发生较大流动塑性变形并嵌合在陶瓷表面上形成结合紧密的涂层。采用该工艺可获得低含氧量、低内应力、可任意设计厚度的致密铝涂层，其密度可达到99.5％以上。随后对该复合板进行真空或气氛保护退火，以消除铝喷涂层中的应力；对复合板的敷铝面进行机加工，使铝涂层获得所设定的厚度及表面光洁度；随后对敷铝基板进行常规蚀刻实现铝层的图形化、再对其进行激光切割，获得DBA陶瓷板成品单元。
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直接敷铝陶瓷基板的制造方法，至少包括如下步骤：
第一步，将粒径范围为300-600目，纯度为99.9％的氮气雾化铝粉末输入冷喷涂设备的送粉系统，以N2作为喷涂介质气体，采用中压超音速冷气动力喷涂，在Al2O3陶瓷基板上喷涂形成一定厚度的铝涂层。具体的，利用压力为3.0Mpa的氮气或氩气携带高纯铝粉，通过拉瓦尔喷管产生速度为1000m/s的超音速气流，使高纯铝粉以完全固态的形式从轴向撞击到陶瓷基板表面上，高纯铝粉发生较大流动塑性变形并嵌合在陶瓷基板表面上形成结合紧密的涂层。
第二步，对获得的陶瓷-铝复合板进行真空退火，退火温度400℃，退火时间为0.6小时，退火目的是消除铝涂层中的应力。
第三步，对退火后的复合板进行CNC加工，使其获得精确的铝层厚度及表面平整度。铝层厚度可控制在0.03-1.0mm范围内。
第四步，对加工后的复合板进行酸液图形蚀刻，去除部分铝涂层后，获得预先设计的图形化敷铝陶瓷基板。
第五步，对上述已完成图形化的复合板进行激光切割，使之成为直接敷铝Al2O3陶瓷基板成品单元。
实施例2
本实施例提供了一种直接敷铝陶瓷基板的制造方法，至少包括如下步骤：
第一步，将粒径范围为300-600目，纯度为99.9％的氮气雾化铝粉末输入冷喷涂设备的送粉系统，采用中压超音速冷气动力喷涂，以N2作为喷涂介质气体，在AlN陶瓷基板上喷涂形成一定厚度的铝涂层。具体的，利用压力为3.5Mpa的氮气携带高纯铝粉，通过拉瓦尔喷管产生速度为1200m/s的超音速气流，使高纯铝粉以完全固态的形式从轴向撞击到陶瓷基板表面上，高纯铝粉发生较大流动塑性变形并嵌合在陶瓷基板表面上形成结合紧密的涂层。
第二步，对获得的陶瓷-铝复合板进行惰性气体保护下的退火，退火温度380℃，退火时间为0.7小时，退火目的是消除铝涂层中的应力。
第三步，对退火后的复合板进行加工，使其获得精确的铝层厚度及表面平整度。铝层厚度可控制在0.03-1.0mm范围内。
第四步，对加工后的复合板进行蚀刻，去除部分铝涂层后，获得预先设计的图形化敷铝陶瓷基板。
第五步，对上述已完成图形化的复合板进行激光切割，使之成为直接敷铝AlN陶瓷基板成品单元。
实施例3
本实施例提供了一种直接敷铝陶瓷基板的制造方法，至少包括如下步骤：
第一步，将粒径为200-300目，纯度为99.9％的氮气雾化铝粉末输入等离子体喷涂设备的送粉系统，以Ar为工作气体，将粉末颗粒送入高温等离子体，在高温等离子射流中瞬间加热至半熔化状态，然后撞击在已预热至200-300℃之间的AlN陶瓷基板基体表面形成一定厚度的涂层。
第二步，对获得的陶瓷-铝复合板进行真空退火，退火温度380-430℃，退火时间为0.5～1.0小时，退火目的是消除铝涂层中的应力。
第三步，对退火后的复合板进行CNC加工，使其获得精确的铝层厚度及表面平整度。铝层厚度可控制在0.3-1.0mm范围内。
第四步，对加工后的复合板进行图形蚀刻，去除部分铝涂层后，获得预先设计的图形化敷铝陶瓷基板。
第五步，对上述已完成图形化的复合板进行激光切割，使之成为直接敷铝AlN陶瓷基板成品单元。
实施例4
本实施例提供了一种直接敷铝陶瓷基板的制造方法，至少包括如下步骤：
第一步，将粒径为100-250目，纯度为99.9％的氮气雾化铝粉末输入超高速激光熔覆设备的送粉系统，喷涂在已预热至200-300℃之间的AlN陶瓷基板基体表面形成一定厚度的涂层。
第二步，对涂层复合板进行真空退火，退火温度380-430℃，退火时间为0.5～0.8小时，退火目的是消除铝涂层中的应力。超高速激光熔覆铝层的表面粗糙度较小，层厚控制较为精准。
第三步，对退火后的复合板进行CNC加工后，可获得精确的铝层厚度及表面平整度。铝层厚度可控制在0.3-1.0mm范围内。
第四步，对加工后的复合板进行酸液图形蚀刻，去除部分铝涂层后，获得预先设计的图形化敷铝陶瓷基板。
第五步，对上述已完成图形化的复合板进行激光切割，使之成为直接敷铝AlN陶瓷基板成品单元。
实施例5
本实施例提供了一种直接敷铝陶瓷基板的制造方法，至少包括如下步骤：
第一步，将粒径为100-250目，纯度为99.9％的氮气雾化铝粉末输入超高速激光熔覆设备的送粉系统，喷涂在已预热至200-300℃之间的ZTA陶瓷基板基体表面形成一定厚度的涂层。
第二步，对涂层复合板进行真空退火，退火温度380-430℃，退火时间为0.5～1.0小时，退火目的是消除铝涂层中的应力。
第三步，对退火后的复合板进行铣磨加工后，可获得精确的铝层厚度及表面平整度。铝层厚度可控制在0.3-1.0mm范围内。
第四步，对加工后的复合板进行电化学腐蚀实现图形蚀刻，去除部分铝涂层后，获得预先设计的图形化敷铝陶瓷基板。
第五步，对上述已完成图形化的复合板进行激光切割，使之成为直接敷铝ZTA陶瓷基板成品单元。
实施例6
本实施例提供了一种直接敷铝陶瓷基板的制造方法，至少包括如下步骤：
第一步，将粒径范围为300-600目，纯度为99.9％的氮气雾化铝粉末输入冷喷涂设备的送粉系统，以氮气作为喷涂介质气体，采用中压超音速冷气动力喷涂，在Si3N4陶瓷基板上喷涂形成一定厚度的铝涂层。具体的，利用压力为3.5Mpa的氮携带高纯铝粉，通过拉瓦尔喷管产生速度为1200m/s的超音速气流，使高纯铝粉以完全固态的形式从轴向撞击到陶瓷基板表面上，高纯铝粉发生较大流动塑性变形并嵌合在陶瓷基板表面上形成结合紧密的涂层。
第二步，对获得的陶瓷-铝复合板进行真空退火，退火温度550℃，退火时间为0.5小时，退火目的是消除铝涂层中的应力。
第三步，对退火后的复合板进行CNC加工，使其获得精确的铝层厚度及表面平整度。铝层厚度可控制在0.2-0.5mm范围内。
第四步，对加工后的复合板进行酸液图形蚀刻，去除部分铝涂层后，获得预先设计的图形化敷铝陶瓷基板。
第五步，对上述已完成图形化的复合板进行激光切割，使之成为直接敷铝Si3N4陶瓷基板成品单元。
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适当的变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和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)
1.一种直接敷铝陶瓷基板的制造方法，其特征在于，至少包括如下步骤：
步骤一，将高纯铝粉末输入喷涂设备的送粉系统，采用喷涂工艺，在陶瓷基板上形成一定厚度的铝涂层，获得复合胚板；
步骤二，对步骤一获得的复合胚板进行真空退火处理，消除涂层中的喷涂应力；
步骤三，对步骤二获得的复合胚板进行机加工，使其获得符合设计要求的厚度及表面平整度；
步骤四，对步骤三获得的复合板进行蚀刻，实现铝涂层的图形化；
步骤五，对步骤四的复合板进行激光切割，使之成为直接敷铝(DBA)陶瓷板成品单元。
2.根据权利要求1所述的直接敷铝陶瓷基板的制造方法，其特征在于，步骤一所述的铝粉末为氮气雾化法生产的纯度为99.9％以上的球形铝粉。
3.根据权利要求1所述的直接敷铝陶瓷基板的制造方法，其特征在于，步骤一所述的喷涂工艺为超音速冷气动力喷涂工艺、等离子喷涂工艺或激光熔覆工艺。
4.根据权利要求3所述的直接敷铝陶瓷基板的制造方法，其特征在于，所述超音速冷气动力喷涂工艺具体为：利用压力为2MPa-10Mpa的氮气或氩气携带高纯铝粉，通过拉瓦尔喷管产生速度为800m/s-2000m/s的超音速气流，使高纯铝粉以完全固态的形式从轴向撞击到陶瓷基板表面上，高纯铝粉发生较大流动塑性变形并嵌合在陶瓷基板表面上形成结合紧密的涂层。
5.根据权利要求1所述的直接敷铝陶瓷基板的制造方法，其特征在于，步骤二所述的退火处理的温度为350～650℃，退火时间为0.5～1.5小时。
6.根据权利要求5所述的直接敷铝陶瓷基板的制造方法，其特征在于，步骤二所述的退火处理采用真空退火工艺，或者在惰性气体保护下退火。
7.根据权利要求1所述的直接敷铝陶瓷基板的制造方法，其特征在于，步骤二所述的机加工采用铣磨或CNC工艺。
8.根据权利要求1所述的直接敷铝陶瓷基板的制造方法，其特征在于，步骤二获得的复合胚板中铝涂层厚度在0.03-1.0mm之间。
9.根据权利要求1所述的直接敷铝陶瓷基板的制造方法，其特征在于，步骤四所述的蚀刻为采用酸液或碱液腐蚀，或者采用电化学法腐蚀。
10.根据权利要求1所述的直接敷铝陶瓷基板的制造方法，其特征在于，所述陶瓷基板的材质为Al2O3、AlN、ZTA、Si3N4。
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