專利名稱：兩步法低能耗制備高絕緣性陽極氧化鋁薄膜的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制備高絕緣性陽極氧化鋁薄膜的方法，特別是一種兩步法、低能耗制備高絕緣性陽極氧化鋁薄膜的方法，屬于金屬表面處理技術(shù)領(lǐng)域，其應(yīng)用包括金屬表面的絕緣處理、微電子的芯片封裝基板以及鋁基電路板。
背景技術(shù)：
陽極氧化技術(shù)廣泛應(yīng)用于閥金屬，例如鋁、鎂、鈦、等及其合金，的表面處理中，特別是對金屬鋁及其合金的處理應(yīng)用最為普遍。陽極氧化處理可以顯著提高鋁材表面硬度、耐腐蝕性，以及進(jìn)行著色。除此之外，鋁經(jīng)過陽極氧化后，其表面生成的三氧化二鋁薄膜是一種多孔狀陶瓷薄膜材料，具有一定的電絕緣性，因此陽極氧化也可以應(yīng)用于金屬的絕緣
處理。 鋁板經(jīng)過陽極氧化后，其陽極氧化陶瓷薄膜層的絕緣性與金屬鋁的高導(dǎo)熱性結(jié)合在一起，形成了一種同時具有絕緣性與導(dǎo)熱性的材料，這使之特別適用于大功率電子器件與設(shè)備的絕緣散熱需要。相對于其他高導(dǎo)熱高絕緣電子材料，例如高溫?zé)Y(jié)的陶瓷基板，陽極氧化制備絕緣層的制程簡單，制造成本低，是一種理想的電子封裝、基板材料制備技術(shù)。基于以上思路，中國專利02123427. 2公開了一種采用陽極氧化制備鋁基覆銅板的方法。然而，專利公開至今，尚無此類產(chǎn)品真正應(yīng)用，且該專利已被放棄了保護(hù)。這主要是由于普通陽極氧化制備的氧化鋁薄膜的絕緣性較差，達(dá)不到應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。中國專利
經(jīng)過對陽極氧化薄膜絕緣性的大量實驗研究，我們發(fā)現(xiàn)更高的能耗并不是獲得高絕緣性氧化鋁薄膜的必然要求。研究表明不論是普通陽極氧化還是硬質(zhì)陽極氧化，鋁表面陽極氧化生成的氧化鋁薄膜實際上是一種雙層結(jié)構(gòu)，緊靠著金屬鋁表面的是一層薄而致密的氧化鋁，稱為阻擋層，在阻擋層之上是一層厚而疏松的多孔層，如圖I所示。對氧化鋁膜的耐壓研究顯示薄膜阻抗主要由其阻擋層決定，與多孔層厚度無關(guān)；其抗電強(qiáng)度也由阻擋層決定，與多孔層無關(guān)。因此，制備高絕緣性氧化鋁薄膜的關(guān)鍵在于制備陽極氧化薄膜的阻擋層。研究表明陽極氧化膜阻擋層的厚度與陽極氧化電壓正相關(guān)，氧化電壓越高，阻擋層厚度越大。陽極氧化膜阻擋層的致密性與電流密度反相關(guān)，電流密度越低，阻擋層的致密性越高。
基于以上研究，不難理解普通陽極氧化與硬質(zhì)陽極氧化的氧化層在絕緣性上的顯著不同(1)普通陽極氧化電壓低，溫度高，電流大，薄膜生長速度快，其阻擋層必然薄、致密性差，這導(dǎo)致其阻抗值、抗電強(qiáng)度極低，最后整個薄膜的耐壓值必然低。(2)硬質(zhì)陽極氧化電壓高，溫度低，電流小，薄膜生長速度慢，其阻擋層必然厚、致密性高。這導(dǎo)致其阻抗值、抗電強(qiáng)度較高，最后整個薄膜的耐壓值也較高?；谝陨涎芯?，我們提出了一種兩步法低能耗制備高絕緣性陽極氧化鋁薄膜的方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種兩步法、低能耗制備高絕緣性陽極氧化鋁薄膜的方法，該方法能以較低能耗制備高絕緣性陽極氧化鋁薄膜。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的金屬鋁經(jīng)過陽極氧化前處理后，陽極氧化過程分兩步完成，第一步陽極氧化采用的氧化電壓低，氧化溫度高，電流密度大，當(dāng)生成的陽極氧化薄膜接近預(yù)先設(shè)定的薄膜厚度時第一步陽極氧化結(jié)束；第二步陽極氧化采用氧化電壓高，氧化溫度低，電流密度小，當(dāng)?shù)谝徊疥枠O氧化所生產(chǎn)阻擋層完全變成多孔層時第二步陽極氧化結(jié)束。所述技術(shù)方案中的陽極氧化前處理一般包括以下過程1、壓片機(jī)整平；2、退火在200°C—600°C的溫度下退火消除鋁片內(nèi)應(yīng)力；3、除蠟、除油、酸洗、堿洗、去離子水清洗，消除鋁表面缺陷、氧化層；4、拋光化學(xué)或者電化學(xué)對鋁表面進(jìn)行鏡面拋光。所述技術(shù)方案中第一步陽極氧化的氧化電壓范圍10V-60V ;氧化溫度范圍10-600C ;電流密度范圍5-10A/dm2。所述技術(shù)方案中第一步陽極氧化結(jié)束的時間可通過預(yù)先實驗，得出陽極氧化時間與所得陽極氧化薄膜厚度的關(guān)系。之后，在相同陽極氧化條件下，通過控制陽極氧化的時間即可控制陽極氧化薄膜的厚度。所述技術(shù)方案中第二步陽極氧化的氧化電壓范圍100V-300V ;氧化溫度范圍:-20-00C ;電流密度范圍0. Ι-lA/dm2。所述技術(shù)方案中第二步陽極氧化結(jié)束的時間取決于第一步陽極氧化薄膜阻擋層的厚度與第二步陽極氧化時的電流密度，可通過預(yù)先實驗，測量第二步陽極氧化時間與所得薄膜耐壓值之間的關(guān)系曲線。開始，耐壓值隨第二步陽極氧化時間快速上升，隨后，耐壓值變化的速度急劇降低，該變化曲線的拐點對應(yīng)的時間即為第一步陽極氧化所生成阻擋層完全變成多孔層的時間。之后，在相同陽極氧化條件下，通過利用拐點對應(yīng)的時間即可控制第二步陽極氧化結(jié)束時間。通過本發(fā)明的方法，依據(jù)參數(shù)不同，一般60分鐘即可制備出耐壓值超過3000V的
陽極氧化鋁薄膜。本發(fā)明提出的一種兩步法、低能耗制備高絕緣性陽極氧化鋁薄膜的方法，其工作原理如下
第一步陽極氧化，采用高氧化溫度，低氧化電壓、大電流密度生成所需厚度的氧化鋁薄膜。由于電壓低，陽極氧化的能耗也隨之低。大電流又保證了氧化過程的快速進(jìn)行，從而可以快速獲得所預(yù)先設(shè)定的薄膜厚度。 第二步陽極氧化，提高氧化電壓、降低氧化溫度，小電流密度繼續(xù)進(jìn)行陽極氧化。這時，第一步已生成薄的、不致密的氧化鋁薄膜阻擋層將會被溶解，變成多孔層，新的厚的、致密的阻擋層將會產(chǎn)生。由于氧化電壓極高，這一步陽極氧化的能耗也極高，但由于阻擋層一般只有幾十納米厚，因此一般只需數(shù)分鐘即可完成第二步。采用該方法，由于第二步生成的阻擋層的阻抗高、抗電強(qiáng)度高，所以只要第一步生成的氧化鋁薄膜厚度足夠大，那么氧化鋁薄膜的整體耐壓值就可以隨著第一步生成的氧化鋁薄膜的厚度線性增長。本發(fā)明的意義單獨采取第一步、或者第二步陽極氧化的工藝條件，制備相同厚度的薄膜，其能耗比可達(dá)I 10。采用兩步陽極氧化法，通過第一步獲得所需陽極氧化薄膜的厚度，第二步獲得致密性與厚度較高的陽極氧化薄膜的阻擋層，其能耗與單獨采取第一步陽極氧化方法的能耗基本相當(dāng)。而所獲薄膜的絕緣性與單獨采取第二步陽極氧化方法的絕緣性相當(dāng)。因此，兩步陽極氧化法可以降低制備高絕緣性陽極氧化薄膜的能耗達(dá)80%。


圖I為氧化鋁薄膜示意圖。
具體實施例方式 以下結(jié)合實例進(jìn)一步說明本發(fā)明的內(nèi)容
實施例一
I.將純度為99. 99%，厚度為2mm的純鋁片，使用壓片機(jī)在IOMPa的壓力下對鋁片進(jìn)行均勻壓平。2.在500°C的溫度下退火3小時，以消除鋁片內(nèi)應(yīng)力。3.除蠟、除油、酸洗、堿洗、去離子水清洗。4.電化學(xué)拋光高氯酸和無水乙醇I :4的拋光液中進(jìn)行電化學(xué)拋光2min，電流密度 10A/dm2。5.第一步陽極氧化氧化電壓為24V，氧化溫度30°C，電流密度6A/dm2，陽極氧化時間50min，電解液10%硫酸。6.第二步陽極氧化氧化電壓200V，氧化溫度_10°C，電流密度O. 2 A/dm2,陽極氧化時間3min，電解液10%硫酸，25%乙二醇抗凍劑。
7.樣品清洗，120°C度30分鐘烘干。8.測量耐壓值，大于3000V。實施例二
I.將純度為99. 99%，厚度為2mm的純鋁片，使用壓片機(jī)在IOMPa的壓力下對鋁片進(jìn)行均勻壓平。2.在500°C的溫度下退火3小時，以消除鋁片內(nèi)應(yīng)力。3.除蠟、除油、酸洗、堿洗、去離子水清洗。4.電化學(xué)拋光高氯酸和無水乙醇I :4的拋光液中進(jìn)行電化學(xué)拋光2min，電流密度 10A/dm2。 5.第一步陽極氧化氧化電壓為10V,氧化溫度60°C,電流密度5A/dm2,陽極氧化時間60min，電解液10%硫酸。6.第二步陽極氧化氧化電壓100V，氧化溫度0°C，電流密度O. 3 A/dm2,陽極氧化時間3min，電解液10%硫酸，5%乙二醇抗凍劑。7.樣品清洗，120°C度30分鐘烘干。8.測量耐壓值，大于3000V。實施例三
I.將純度為99. 99%，厚度為2mm的純鋁片，使用壓片機(jī)在IOMPa的壓力下對鋁片進(jìn)行均勻壓平。2.在500°C的溫度下退火3小時，以消除鋁片內(nèi)應(yīng)力。3.除蠟、除油、酸洗、堿洗、去離子水清洗。4.電化學(xué)拋光高氯酸和無水乙醇I :4的拋光液中進(jìn)行電化學(xué)拋光2min，電流密度 10A/dm2。5.第一步陽極氧化氧化電壓為60V，氧化溫度20°C，電流密度ΙΟΑ/dm2，陽極氧化時間40min,電解液10%硫酸。6.第二步陽極氧化氧化電壓400V，氧化溫度_20°C，電流密度O. I A/dm2,陽極氧化時間lOmin，電解液10%硫酸，35%乙二醇抗凍劑。7.樣品清洗，120°C度30分鐘烘干。8.測量耐壓值，大于3000V。
權(quán)利要求
1.一種利用陽極氧化低能耗制備高絕緣性氧化鋁薄膜的方法，其特征在于金屬鋁經(jīng)過前處理后，對其進(jìn)行陽極氧化是分作兩步完成的； 第一步陽極氧化采用的氧化電壓在10V-60V之間，氧化溫度在10-60°c之間，電流密度在5-10A/dm2之間；當(dāng)生成的陽極氧化薄膜接近預(yù)先設(shè)定的薄膜厚度時第一步陽極氧化結(jié)束； 第二步陽極氧化采用的氧化電壓在100V-300V之間，氧化溫度在-20-0°C之間，電流密度在O. Ι-lA/dm2之間；當(dāng)?shù)谝徊疥枠O氧化所生成阻擋層完全變成多孔層后第二步陽極氧化結(jié)束。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種利用陽極氧化低能耗制備高絕緣性氧化鋁薄膜的方法，其特征在于，所述技術(shù)方案中第一步陽極氧化結(jié)束的時間通過預(yù)先實驗，得出陽極氧化時間與所得陽極氧化薄膜厚度的關(guān)系，之后，在相同陽極氧化條件下，通過控制陽極氧化的時間控制陽極氧化薄膜的厚度。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種利用陽極氧化低能耗制備高絕緣性氧化鋁薄膜的方法，其特征在于，所述技術(shù)方案中第二步陽極氧化結(jié)束的時間通過預(yù)先實驗，測量第二步陽極氧化時間與所得薄膜耐壓值之間的關(guān)系曲線，該變化曲線的拐點對應(yīng)的時間即為第一步陽極氧化所生成阻擋層完全變成多孔層的時間，之后，在相同陽極氧化條件下，通過利用拐點對應(yīng)的時間即可控制第二步陽極氧化結(jié)束時間。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種利用陽極氧化低能耗制備高絕緣性氧化鋁薄膜的方法，它是金屬鋁經(jīng)過前處理后，對其進(jìn)行陽極氧化分作兩步完成；第一步陽極氧化采用的氧化電壓在10V-60V之間，氧化溫度在10-60℃之間，電流密度在5-10A/dm2之間；當(dāng)生成的陽極氧化薄膜接近預(yù)先設(shè)定的薄膜厚度時第一步陽極氧化結(jié)束，開始第二步陽極氧化；第二步陽極氧化采用的氧化電壓在100V-300V之間，氧化溫度在-20-0℃之間，電流密度在0.1-1A/dm2之間；當(dāng)?shù)谝徊疥枠O氧化所生產(chǎn)阻擋層完全變成多孔層后第二步陽極氧化結(jié)束。采用本發(fā)明的兩步陽極氧化法制備高絕緣性陽極氧化薄膜的能耗比直接一步法制備高絕緣性陽極氧化薄膜的能耗節(jié)約達(dá)80%。
文檔編號C25D11/12GK102864479SQ201210353860
公開日2013年1月9日 申請日期2012年9月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月21日
發(fā)明者王文峰, 王存彬, 廖文翔, 張軍 申請人:湖北大學(xué)