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Publisher: Administrator Date：2023-01-09
本文涉及一種多層復(fù)合材料的制造方法，該方法優(yōu)選用作例如用于半導(dǎo)體元件的多層絕緣基板等。 另外，術(shù)語(yǔ)“鎳板”用于包括Ni板和Ni合金板，術(shù)語(yǔ)“鈦板”用于包括Ti板和Ti合金板，術(shù)語(yǔ)“鋁板”用于包括Al板和Al合金板。此外，在本說(shuō)明書中，術(shù)語(yǔ)“金屬板”的使用是為了包括由單一金屬和合金板制成的金屬板
術(shù)語(yǔ)“異種金屬材料”不僅包括組成金屬元素不同的金屬材料（例如，一個(gè)是Ni板，另一個(gè)是Ti板），而且包括組成金屬元素相同但組成比例不同的金屬材料（例如，一種是Al-Si合金材料，其中Si含量率為10質(zhì)量%且Al含量率為10質(zhì)量%為90質(zhì)量%，另一種是Al-Si合金材料，其中Si含量率為15質(zhì)量%，Al含量率為85質(zhì)量%）。
半導(dǎo)體模塊如功率半導(dǎo)體模塊等，配備有散熱頭部件（如散熱器、冷卻器），用于釋放半導(dǎo)體元件通過(guò)操作半導(dǎo)體元件產(chǎn)生的熱量。此外，在該半導(dǎo)體模塊中，用于將半導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量傳遞到散熱部件的散熱絕緣基板設(shè)置在半導(dǎo)體元件和散熱部件之間。該絕緣基板在熱上起到導(dǎo)體的作用，在電上用作絕緣材料，并且具體地設(shè)置有陶瓷層作為電絕緣層和金屬層，包括連接到陶瓷層一個(gè)表面的布線層（電路層）（參見，例如，專利文獻(xiàn)1至4）。半導(dǎo)體元件通過(guò)焊接連接到絕緣基板的金屬層上。
作為構(gòu)成金屬層的層，近年來(lái)，鋁層被采用Al或Al合金制成。原因是鋁層在電氣特性和熱特性方面具有優(yōu)異性，與使用Cu的傳統(tǒng)絕緣基板相比，使用鋁層可以減輕重量，還可以降低絕緣基板的生產(chǎn)成本。
但是，鋁層焊料連接性能較差。因此，在鋁層的表面上形成Ni鍍層，以便可以通過(guò)焊接將半導(dǎo)體元件連接到其中。然而，在這種情況下，在鋁層和鍍鎳層之間的連接界面處形成強(qiáng)度差的合金層。因此，由于冷熱循環(huán)產(chǎn)生的熱應(yīng)力（熱應(yīng)變），合金層容易出現(xiàn)裂紋和/或分離，鍍鎳層表面容易發(fā)生變形（不均勻）的問(wèn)題。
在這種情況下，本發(fā)明人構(gòu)思了一種使用材料作為布線層材料的策略，其中由Ni或Ni合金制成的鎳層具有連接半導(dǎo)體元件的表面，由Ti或Ti合金制成的鈦層以及由Al或Al合金制成的鋁層通過(guò)復(fù)合軋制方法或放電等離子燒結(jié)按此順序?qū)訅悍椒ā?
然而，在通過(guò)放電等離子燒結(jié)方法獲得的多層復(fù)合材料中，可以在進(jìn)行多層熔覆時(shí)進(jìn)行連接，而不管每種材料的厚度的結(jié)構(gòu)比如何。但是，該方法存在一個(gè)小批量方法的問(wèn)題，不適合批量生產(chǎn)，因此生產(chǎn)成本昂貴。
另一方面，通過(guò)復(fù)合軋制方法獲得的多層復(fù)合材料在大規(guī)模生產(chǎn)率方面具有優(yōu)異的性能。但是，在生產(chǎn)多層（三層或更多層）復(fù)合材料時(shí)，要布置在其中間的層由于要布置在中間的層與要布置在其外側(cè)的材料之間的物理性質(zhì)（強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率等）的差異，在可接受的結(jié)構(gòu)厚度比方面存在限制。例如，存在一個(gè)問(wèn)題，如果設(shè)計(jì)時(shí)不注意此限制，則在中間斷裂處布置的層（上述多層復(fù)合材料中的鈦層）或即使沒(méi)有發(fā)生斷裂，也無(wú)法控制厚度具有高精度的所需厚度。例如，在無(wú)法控制厚度以具有高精度所需厚度的情況下，無(wú)法獲得所需的熱特性。
另外，在復(fù)合軋制方法中，需要進(jìn)行擴(kuò)散熱處理以增加接頭界面的接頭強(qiáng)度。但是，由于原材料的差異，對(duì)連接了兩層或兩層以上不同金屬材料的復(fù)合材料進(jìn)行熱處理會(huì)導(dǎo)致材料出現(xiàn)曲線和/或起伏（特別是在寬材料中，明顯出現(xiàn)曲線和/或起伏），這使得復(fù)合材料難以卷成卷狀。特別是，當(dāng)通過(guò)復(fù)合軋制方法生產(chǎn)具有三層或更多層的多層復(fù)合材料時(shí)，材料中會(huì)發(fā)生明顯的曲線和/或起伏，從而防止多層復(fù)合材料被卷成卷狀。出于這個(gè)原因，實(shí)際上很難生產(chǎn)它。
本文是針對(duì)上述技術(shù)背景而制定的，旨在提供一種能夠以低成本大規(guī)模生產(chǎn)三層或更多層多層復(fù)合材料的多層復(fù)合材料的生產(chǎn)方法，其中多層復(fù)合材料沒(méi)有曲線，每個(gè)組成層的厚度被高度精確地控制，并且即使即使施加冷熱。
為了達(dá)到上述目的，本文的一些優(yōu)選實(shí)施例提供以下措施。
在按照第（1）項(xiàng)所述的實(shí)施例制備方法中，由于第一金屬板和第二金屬板在軋制步驟中以疊加方式以25%至85%的軋制還原方式軋制，因此可以低成本獲得其中第一金屬板和第二金屬板層壓的層壓板。
此后，在真空中，對(duì)層壓板的至少一個(gè)表附表面（以下，所述待接合板的金屬板將稱為“第二金屬板”）和至少一個(gè)接合的附表表面對(duì)第三金屬板進(jìn)行表面活化處理。這樣可以去除接合表面上的氧化物、吸收物質(zhì)等，露出清潔的表面，從而提高接合強(qiáng)度。
在冷壓焊接步驟中，在真空中，層壓板和第三金屬板通過(guò)一對(duì)壓力輥進(jìn)行疊加和冷壓焊接，使得軋制減少變得低至0.1%至15%。因此，即使在第三金屬板的厚度與第二金屬板的厚度明顯不同的情況下（例如，第三金屬板的厚度是第二金屬板厚度的兩倍或更多倍或小于0.5倍），也可以獲得多層復(fù)合材料，其中較薄的金屬板的厚度被高度精確地控制。此外，由于進(jìn)行冷壓焊接使軋制還原率低至0.1%至15%，因此具有第三金屬板和第二金屬板的接頭界面在平整度方面變得優(yōu)異且無(wú)合金層的優(yōu)點(diǎn)（合金層對(duì)機(jī)械特性（例如接頭強(qiáng)度，）產(chǎn)生負(fù)面影響， 等，和/或電特性）將在第三金屬板和第二金屬板的接合界面處形成。此外，進(jìn)行冷壓焊接時(shí)，軋制減速率低至0.1%至15%，此后無(wú)需擴(kuò)散熱處理（可以省略擴(kuò)散熱處理）。因此，即使在使用寬寬度材料的情況下，也可以獲得沒(méi)有曲線的多層復(fù)合材料。
在如第（2）項(xiàng)所述的實(shí)施例的制備方法中，盡管第三金屬板的厚度是第二金屬板厚度的2.0倍以上或小于0.5倍，并且兩塊金屬板的厚度差異顯著，但能夠獲得多層復(fù)合材料，其中較薄金屬板的厚度被高度精確地控制。
在如第（3）項(xiàng)所述的實(shí)施例的制備方法中，盡管第一金屬板和第二金屬板之間的至少一塊金屬板是厚度為100μm或更小的薄板，但能夠獲得多層復(fù)合材料，其中較薄的金屬板的厚度被高度精確地控制。
在如第（4）項(xiàng)所述的實(shí)施例的制備方法中，由于鎳板和鈦板在軋制步驟中以25%至85%的軋制還原率疊加并包覆，因此可以低成本獲得其中鎳板和鈦板層壓的層壓板。
此后，在真空中，至少對(duì)所述層壓板的鈦板表面和至少所述鋁板的預(yù)定表面進(jìn)行表面活化處理。因此，可以去除這些接縫表表面上的氧化物、吸收物質(zhì)等，露出清潔后的表面，從而可以提高接合強(qiáng)度。
在冷壓焊接步驟中，在真空中，層壓板和鋁板是疊加的，并且這些板通過(guò)一對(duì)壓力輥和一對(duì)壓力輥之間冷壓焊接，使得軋制減速率低至0.1%至15%。因此，即使在例如鋁板的厚度和鈦板的厚度明顯不同的情況下（例如，鋁板的厚度超過(guò)鈦板厚度的2.0倍或小于0.5倍），也可以獲得多層復(fù)合材料，其中較薄的金屬板的厚度被高度精確地控制。此外，進(jìn)行冷壓焊接，使軋制減速率低至0.1%至15%。因此，鋁板和鈦板的接合界面在平整度上變得優(yōu)異，并且在鋁板和鈦板的接合界面處沒(méi)有形成合金層（合金層對(duì)接頭強(qiáng)度等機(jī)械特性和/或電氣特性產(chǎn)生負(fù)面影響）的優(yōu)點(diǎn)。此外，進(jìn)行冷壓焊接時(shí)，軋制減速率低至0.1%至15%，此后無(wú)需擴(kuò)散熱處理（可以省略擴(kuò)散熱處理）。因此，即使在使用寬寬度材料的情況下，也可以獲得沒(méi)有曲線的多層復(fù)合材料。
在如第（5）項(xiàng)所述的實(shí)施例的制備方法中，盡管鋁板的厚度是鈦板厚度的2.0倍以上或小于鈦板厚度的0.5倍，并且兩塊板的厚度相差很大，但能夠得到多層復(fù)合材料，其中較薄的金屬板的厚度被高度精確地控制。
在按照第（6）項(xiàng)所述的實(shí)施例制備方法中，鎳板的厚度為10 μm至100 μm，鈦板的厚度為5 μm至30 μm，鋁板的厚度在60 μm至10 mm以上或更小的范圍內(nèi)。雖然如上所述，至少鈦板的厚度很薄，但可以獲得多層復(fù)合材料，其中這些鈦板，鎳板和鋁板的厚度被高精度控制。
在按照第（7）項(xiàng)所述的實(shí)施例的制備方法中，在第一軋制步驟中，將第一金屬板和第二金屬板疊加復(fù)合，以25%至85%的軋制還原度軋制。因此，可以以低成本獲得第一層壓板，其中第一金屬板和第二金屬板層壓。
在第二軋制步驟中，將第三金屬板和第四金屬板疊加復(fù)合軋制，軋制還原度為25%至85%。因此，可以以低成本獲得第二層壓板，其中第三金屬板和第四金屬板層壓。
此后，在真空中，將第一層壓板的接合預(yù)定表面（以下，待接合的第一層壓板的金屬板將稱為“第二金屬板”）和至少第二層壓板的接合附表表面（以下，待接合的第二層壓板的金屬板將稱為“第三金屬板”）進(jìn)行表面活化處理。因此，可以去除這些接合預(yù)定表面上的氧化物，吸收物質(zhì)等，以暴露清潔的表面，從而可以提高接合強(qiáng)度。
在冷壓焊接中，在真空中，第一層壓板和第二層壓板通過(guò)一對(duì)壓輥疊加和冷軋，使得軋制減速率低至0.1%至15%。因此，即使在第三金屬板的厚度與第二金屬板的厚度相差很大的情況下（例如，第三金屬板的厚度超過(guò)第二金屬板厚度的2.0倍或小于0.5倍），也可以獲得多層復(fù)合材料，其中較薄的金屬板的厚度被高精度控制。此外，進(jìn)行冷壓焊接使軋制還原率低至0.1%至15%，因此具有第三金屬板和第二金屬板的接頭界面在平整度方面變得優(yōu)異且無(wú)合金層的優(yōu)點(diǎn)（合金層對(duì)機(jī)械特性（例如接頭強(qiáng)度， 等，和/或電特性）在第三金屬板和第二金屬板的接合界面處形成。此外，進(jìn)行冷壓焊接時(shí)，軋制減速率低至0.1%至15%，此后無(wú)需擴(kuò)散熱處理（可以省略擴(kuò)散熱處理）。因此，即使在使用寬寬度材料的情況下，也可以獲得沒(méi)有曲線的多層復(fù)合材料。
在如第（8）項(xiàng)所述的實(shí)施例的制備方法中，即使在第三金屬板的厚度超過(guò)第二金屬板厚度的2.0倍或小于0.5倍的情況下，也可以獲得多層復(fù)合材料，其中較薄金屬板的厚度被高度精確地控制。
在如第（9）項(xiàng)所述的前述實(shí)施例的制備方法中，盡管在第至第四金屬板中包括至少一塊厚度為100μm或更小的薄板，但能夠獲得多層復(fù)合材料，其中薄金屬板的厚度被高度精確地控制。
在如第（10）項(xiàng)所述的實(shí)施例的制備方法中，在第一軋制步驟中，將鎳板和鈦板疊加復(fù)合，軋制還原度為25%至85%。因此，可以以低成本獲得鎳板和鈦板層壓的第一層壓板。
進(jìn)一步地，在第二軋制步驟中，將鋁板和釬焊板疊加復(fù)合軋制，軋制減少25%至85%。因此，可以以低成本獲得鋁板和釬焊板層壓的第二層壓板。
此后，在真空中，對(duì)第一層壓板的鈦板表面和第二層壓板的至少鋁板表面進(jìn)行表面活化處理，因此可以去除這些接合處上的氧化物、吸收物質(zhì)等，以暴露清潔后的表面， 這反過(guò)來(lái)又可以提高關(guān)節(jié)強(qiáng)度。
冷壓焊接步驟中，在真空中，第一層壓板和第二層壓板疊加，并且兩塊板通過(guò)一對(duì)壓輥進(jìn)行冷壓焊接，使得軋制減速率低至0.1%至15%。因此，例如，即使在鋁板的厚度和鈦板的厚度相差很大的情況下（例如，鋁板的厚度超過(guò)鈦板厚度的2.0倍或小于0.5倍），也可以獲得多層復(fù)合材料，其中較薄的金屬板的厚度被高度精確地控制。此外，進(jìn)行冷壓焊接，使軋制減速率低至0.1%至15%。因此，鋁板和鈦板的接合界面在平整度上變得優(yōu)異，并且在鋁板和鈦板的接合界面處沒(méi)有形成合金層（合金層對(duì)接頭強(qiáng)度等機(jī)械特性和/或電氣特性產(chǎn)生負(fù)面影響）的優(yōu)點(diǎn)。此外，進(jìn)行冷壓焊接時(shí)，軋制還原率低至0.1%至15%，此后不需要擴(kuò)散熱處理（可以省略處理），因此即使在使用寬寬度材料的情況下，也可以獲得沒(méi)有曲線的多層復(fù)合材料。
在項(xiàng)所述的實(shí)施例的制備方法中，盡管鋁板的厚度是鈦板厚度的2.0倍以上或小于鈦板厚度的0.5倍，并且兩塊板的厚度相差很大，但可以得到多層復(fù)合材料，其中較薄的金屬板的厚度被高度精確地控制。
在按照實(shí)施例所述的制備方法中，鎳板的厚度為10 μm至100 μm，鈦板的厚度為5 μm至30 μm，鋁板的厚度在60 μm至10 mm以上或更小的范圍內(nèi)， 釬焊板的厚度為10μm至60μm，至少鈦板的厚度很薄。但是，可以獲得多層復(fù)合材料，其中這些鈦板，鎳板，鋁板和釬焊板的厚度以高精度控制。，由于表面活化處理是通過(guò)等離子蝕刻處理進(jìn)行的，因此能夠去除接頭表表面上的氧化物、吸收物質(zhì)等，以暴露清潔后的表面，這反過(guò)來(lái)又可以進(jìn)一步提高接頭強(qiáng)度，由于在冷壓焊接步驟中進(jìn)行冷壓焊接時(shí)壓輥的溫度設(shè)定在10°C至80°C的范圍內(nèi)，因此能夠獲得多層復(fù)合材料，其中較薄的金屬板的厚度被控制得更高程度的精度，在軋制步驟中，由于復(fù)合軋制是在45%至65%的軋制下進(jìn)行的，因此能夠在不對(duì)設(shè)施施加過(guò)大負(fù)荷的情況下穩(wěn)定地生產(chǎn)多層復(fù)合材料（同時(shí)控制設(shè)施成本而不需要較大的設(shè)施容量）。
