Publisher: Administrator Date：2023-01-09
本文涉及一种多层复合材料的制造方法，该方法优选用作例如用于半导体元件的多层绝缘基板等。 另外，术语“镍板”用于包括Ni板和Ni合金板，术语“钛板”用于包括Ti板和Ti合金板，术语“铝板”用于包括Al板和Al合金板。此外，在本说明书中，术语“金属板”的使用是为了包括由单一金属和合金板制成的金属板
术语“异种金属材料”不仅包括组成金属元素不同的金属材料（例如，一个是Ni板，另一个是Ti板），而且包括组成金属元素相同但组成比例不同的金属材料（例如，一种是Al-Si合金材料，其中Si含量率为10质量%且Al含量率为10质量%为90质量%，另一种是Al-Si合金材料，其中Si含量率为15质量%，Al含量率为85质量%）。
半导体模块如功率半导体模块等，配备有散热头部件（如散热器、冷却器），用于释放半导体元件通过操作半导体元件产生的热量。此外，在该半导体模块中，用于将半导体产生的热量传递到散热部件的散热绝缘基板设置在半导体元件和散热部件之间。该绝缘基板在热上起到导体的作用，在电上用作绝缘材料，并且具体地设置有陶瓷层作为电绝缘层和金属层，包括连接到陶瓷层一个表面的布线层（电路层）（参见，例如，专利文献1至4）。半导体元件通过焊接连接到绝缘基板的金属层上。
作为构成金属层的层，近年来，铝层被采用Al或Al合金制成。原因是铝层在电气特性和热特性方面具有优异性，与使用Cu的传统绝缘基板相比，使用铝层可以减轻重量，还可以降低绝缘基板的生产成本。
但是，铝层焊料连接性能较差。因此，在铝层的表面上形成Ni镀层，以便可以通过焊接将半导体元件连接到其中。然而，在这种情况下，在铝层和镀镍层之间的连接界面处形成强度差的合金层。因此，由于冷热循环产生的热应力（热应变），合金层容易出现裂纹和/或分离，镀镍层表面容易发生变形（不均匀）的问题。
在这种情况下，本发明人构思了一种使用材料作为布线层材料的策略，其中由Ni或Ni合金制成的镍层具有连接半导体元件的表面，由Ti或Ti合金制成的钛层以及由Al或Al合金制成的铝层通过复合轧制方法或放电等离子烧结按此顺序层压方法。
然而，在通过放电等离子烧结方法获得的多层复合材料中，可以在进行多层熔覆时进行连接，而不管每种材料的厚度的结构比如何。但是，该方法存在一个小批量方法的问题，不适合批量生产，因此生产成本昂贵。
另一方面，通过复合轧制方法获得的多层复合材料在大规模生产率方面具有优异的性能。但是，在生产多层（三层或更多层）复合材料时，要布置在其中间的层由于要布置在中间的层与要布置在其外侧的材料之间的物理性质（强度、伸长率等）的差异，在可接受的结构厚度比方面存在限制。例如，存在一个问题，如果设计时不注意此限制，则在中间断裂处布置的层（上述多层复合材料中的钛层）或即使没有发生断裂，也无法控制厚度具有高精度的所需厚度。例如，在无法控制厚度以具有高精度所需厚度的情况下，无法获得所需的热特性。
另外，在复合轧制方法中，需要进行扩散热处理以增加接头界面的接头强度。但是，由于原材料的差异，对连接了两层或两层以上不同金属材料的复合材料进行热处理会导致材料出现曲线和/或起伏（特别是在宽材料中，明显出现曲线和/或起伏），这使得复合材料难以卷成卷状。特别是，当通过复合轧制方法生产具有三层或更多层的多层复合材料时，材料中会发生明显的曲线和/或起伏，从而防止多层复合材料被卷成卷状。出于这个原因，实际上很难生产它。
本文是针对上述技术背景而制定的，旨在提供一种能够以低成本大规模生产三层或更多层多层复合材料的多层复合材料的生产方法，其中多层复合材料没有曲线，每个组成层的厚度被高度精确地控制，并且即使即使施加冷热。
为了达到上述目的，本文的一些优选实施例提供以下措施。
在按照第（1）项所述的实施例制备方法中，由于第一金属板和第二金属板在轧制步骤中以叠加方式以25%至85%的轧制还原方式轧制，因此可以低成本获得其中第一金属板和第二金属板层压的层压板。
此后，在真空中，对层压板的至少一个表附表面（以下，所述待接合板的金属板将称为“第二金属板”）和至少一个接合的附表表面对第三金属板进行表面活化处理。这样可以去除接合表面上的氧化物、吸收物质等，露出清洁的表面，从而提高接合强度。
在冷压焊接步骤中，在真空中，层压板和第三金属板通过一对压力辊进行叠加和冷压焊接，使得轧制减少变得低至0.1%至15%。因此，即使在第三金属板的厚度与第二金属板的厚度明显不同的情况下（例如，第三金属板的厚度是第二金属板厚度的两倍或更多倍或小于0.5倍），也可以获得多层复合材料，其中较薄的金属板的厚度被高度精确地控制。此外，由于进行冷压焊接使轧制还原率低至0.1%至15%，因此具有第三金属板和第二金属板的接头界面在平整度方面变得优异且无合金层的优点（合金层对机械特性（例如接头强度，）产生负面影响， 等，和/或电特性）将在第三金属板和第二金属板的接合界面处形成。此外，进行冷压焊接时，轧制减速率低至0.1%至15%，此后无需扩散热处理（可以省略扩散热处理）。因此，即使在使用宽宽度材料的情况下，也可以获得没有曲线的多层复合材料。
在如第（2）项所述的实施例的制备方法中，尽管第三金属板的厚度是第二金属板厚度的2.0倍以上或小于0.5倍，并且两块金属板的厚度差异显著，但能够获得多层复合材料，其中较薄金属板的厚度被高度精确地控制。
在如第（3）项所述的实施例的制备方法中，尽管第一金属板和第二金属板之间的至少一块金属板是厚度为100μm或更小的薄板，但能够获得多层复合材料，其中较薄的金属板的厚度被高度精确地控制。
在如第（4）项所述的实施例的制备方法中，由于镍板和钛板在轧制步骤中以25%至85%的轧制还原率叠加并包覆，因此可以低成本获得其中镍板和钛板层压的层压板。
此后，在真空中，至少对所述层压板的钛板表面和至少所述铝板的预定表面进行表面活化处理。因此，可以去除这些接缝表表面上的氧化物、吸收物质等，露出清洁后的表面，从而可以提高接合强度。
在冷压焊接步骤中，在真空中，层压板和铝板是叠加的，并且这些板通过一对压力辊和一对压力辊之间冷压焊接，使得轧制减速率低至0.1%至15%。因此，即使在例如铝板的厚度和钛板的厚度明显不同的情况下（例如，铝板的厚度超过钛板厚度的2.0倍或小于0.5倍），也可以获得多层复合材料，其中较薄的金属板的厚度被高度精确地控制。此外，进行冷压焊接，使轧制减速率低至0.1%至15%。因此，铝板和钛板的接合界面在平整度上变得优异，并且在铝板和钛板的接合界面处没有形成合金层（合金层对接头强度等机械特性和/或电气特性产生负面影响）的优点。此外，进行冷压焊接时，轧制减速率低至0.1%至15%，此后无需扩散热处理（可以省略扩散热处理）。因此，即使在使用宽宽度材料的情况下，也可以获得没有曲线的多层复合材料。
在如第（5）项所述的实施例的制备方法中，尽管铝板的厚度是钛板厚度的2.0倍以上或小于钛板厚度的0.5倍，并且两块板的厚度相差很大，但能够得到多层复合材料，其中较薄的金属板的厚度被高度精确地控制。
在按照第（6）项所述的实施例制备方法中，镍板的厚度为10 μm至100 μm，钛板的厚度为5 μm至30 μm，铝板的厚度在60 μm至10 mm以上或更小的范围内。虽然如上所述，至少钛板的厚度很薄，但可以获得多层复合材料，其中这些钛板，镍板和铝板的厚度被高精度控制。
在按照第（7）项所述的实施例的制备方法中，在第一轧制步骤中，将第一金属板和第二金属板叠加复合，以25%至85%的轧制还原度轧制。因此，可以以低成本获得第一层压板，其中第一金属板和第二金属板层压。
在第二轧制步骤中，将第三金属板和第四金属板叠加复合轧制，轧制还原度为25%至85%。因此，可以以低成本获得第二层压板，其中第三金属板和第四金属板层压。
此后，在真空中，将第一层压板的接合预定表面（以下，待接合的第一层压板的金属板将称为“第二金属板”）和至少第二层压板的接合附表表面（以下，待接合的第二层压板的金属板将称为“第三金属板”）进行表面活化处理。因此，可以去除这些接合预定表面上的氧化物，吸收物质等，以暴露清洁的表面，从而可以提高接合强度。
在冷压焊接中，在真空中，第一层压板和第二层压板通过一对压辊叠加和冷轧，使得轧制减速率低至0.1%至15%。因此，即使在第三金属板的厚度与第二金属板的厚度相差很大的情况下（例如，第三金属板的厚度超过第二金属板厚度的2.0倍或小于0.5倍），也可以获得多层复合材料，其中较薄的金属板的厚度被高精度控制。此外，进行冷压焊接使轧制还原率低至0.1%至15%，因此具有第三金属板和第二金属板的接头界面在平整度方面变得优异且无合金层的优点（合金层对机械特性（例如接头强度， 等，和/或电特性）在第三金属板和第二金属板的接合界面处形成。此外，进行冷压焊接时，轧制减速率低至0.1%至15%，此后无需扩散热处理（可以省略扩散热处理）。因此，即使在使用宽宽度材料的情况下，也可以获得没有曲线的多层复合材料。
在如第（8）项所述的实施例的制备方法中，即使在第三金属板的厚度超过第二金属板厚度的2.0倍或小于0.5倍的情况下，也可以获得多层复合材料，其中较薄金属板的厚度被高度精确地控制。
在如第（9）项所述的前述实施例的制备方法中，尽管在第至第四金属板中包括至少一块厚度为100μm或更小的薄板，但能够获得多层复合材料，其中薄金属板的厚度被高度精确地控制。
在如第（10）项所述的实施例的制备方法中，在第一轧制步骤中，将镍板和钛板叠加复合，轧制还原度为25%至85%。因此，可以以低成本获得镍板和钛板层压的第一层压板。
进一步地，在第二轧制步骤中，将铝板和钎焊板叠加复合轧制，轧制减少25%至85%。因此，可以以低成本获得铝板和钎焊板层压的第二层压板。
此后，在真空中，对第一层压板的钛板表面和第二层压板的至少铝板表面进行表面活化处理，因此可以去除这些接合处上的氧化物、吸收物质等，以暴露清洁后的表面， 这反过来又可以提高关节强度。
冷压焊接步骤中，在真空中，第一层压板和第二层压板叠加，并且两块板通过一对压辊进行冷压焊接，使得轧制减速率低至0.1%至15%。因此，例如，即使在铝板的厚度和钛板的厚度相差很大的情况下（例如，铝板的厚度超过钛板厚度的2.0倍或小于0.5倍），也可以获得多层复合材料，其中较薄的金属板的厚度被高度精确地控制。此外，进行冷压焊接，使轧制减速率低至0.1%至15%。因此，铝板和钛板的接合界面在平整度上变得优异，并且在铝板和钛板的接合界面处没有形成合金层（合金层对接头强度等机械特性和/或电气特性产生负面影响）的优点。此外，进行冷压焊接时，轧制还原率低至0.1%至15%，此后不需要扩散热处理（可以省略处理），因此即使在使用宽宽度材料的情况下，也可以获得没有曲线的多层复合材料。
在项所述的实施例的制备方法中，尽管铝板的厚度是钛板厚度的2.0倍以上或小于钛板厚度的0.5倍，并且两块板的厚度相差很大，但可以得到多层复合材料，其中较薄的金属板的厚度被高度精确地控制。
在按照实施例所述的制备方法中，镍板的厚度为10 μm至100 μm，钛板的厚度为5 μm至30 μm，铝板的厚度在60 μm至10 mm以上或更小的范围内， 钎焊板的厚度为10μm至60μm，至少钛板的厚度很薄。但是，可以获得多层复合材料，其中这些钛板，镍板，铝板和钎焊板的厚度以高精度控制。，由于表面活化处理是通过等离子蚀刻处理进行的，因此能够去除接头表表面上的氧化物、吸收物质等，以暴露清洁后的表面，这反过来又可以进一步提高接头强度，由于在冷压焊接步骤中进行冷压焊接时压辊的温度设定在10°C至80°C的范围内，因此能够获得多层复合材料，其中较薄的金属板的厚度被控制得更高程度的精度，在轧制步骤中，由于复合轧制是在45%至65%的轧制下进行的，因此能够在不对设施施加过大负荷的情况下稳定地生产多层复合材料（同时控制设施成本而不需要较大的设施容量）。
