CN102503579A - 低温烧结制备金属化陶瓷基板方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种低温烧结制备金属化陶瓷基板的方法。首先将纳米金属粉与有机物混合均匀，得到纳米金属膏；然后通过丝网印刷工艺，将纳米金属膏印刷在陶瓷基板表面形成金属膏层，最后在一定的温度和气氛环境下烧结，得到单面或双面带金属层的金属化陶瓷基板。由于纳米尺度效应，可以在较低温度下烧结实现金属-陶瓷间高强度键合。与现有厚膜法(金属颗粒直径为微米级)和DBC(直接键合铜-陶瓷基板)工艺相比，本方法工艺温度低，基板性能高(附着力大、热应力小)，特别适合于批量制备金属化陶瓷基板。
Description
技术领域
本发明属于电子制造领域，特别涉及一种低温烧结制备陶瓷散热基板的方法。
背景技术
随着三维封装技术发展和系统集成度提高，以大功率发光二极管(LED)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)、激光器(LD)为代表的功率型器件封装过程中，散热材料的选用成为关键的技术环节，并直接影响到器件的使用性能与可靠性。以大功率LED器件为例，由于输入功率的80％-90％转变成为热量(只有大约10％-20％转化为光能)，且LED芯片面积小，器件功率密度很大(大于100W/cm2)，因此散热成为大功率LED封装必须解决的关键问题。如果不能及时将芯片产生的热量导出并消散，大量热量将聚集在LED内部，芯片结温将逐步升高，一方面使LED性能降低(如发光效率降低、波长红移等)，另一方面将在LED封装体内产生热应力，引发一系列可靠性问题(如寿命、色温变化等)。
对于电子封装而言，散热基板主要是利用其材料本身具有的高热导率，将热量从芯片导出，实现与外界的电互连与热交换。目前常用的散热基板主要包括MCPCB(金属核印刷电路板)、LTCC或HTCC(低温共烧陶瓷或高温共烧陶瓷基板)和金属化陶瓷基板等。但对于功率型电子器件封装而言，基板除具备基本的布线(电互连)功能外，还要求具有较高的导热、绝缘、耐热、耐压能力与热匹配性能。因此，常用的MCPCB基板难以满足功率型器件的封装散热要求；而对于LTCC和HTCC基板而言，由于内部金属线路层采用丝网印刷工艺制成，易产生线路粗糙、对位不精准、收缩比例问题，使用受到很大限制。而金属化陶瓷基板在导热、绝缘、耐压与耐热等方面性能优良，已成为功率型器件封装的首选材料，并逐渐得到了市场认可。
常用的金属化陶瓷基板制备方法包括薄膜法、厚膜法、钼锰法、直接键合法(DBC)、直接电镀法(DPC)等。其中，薄膜法采用蒸发或溅射工艺在陶瓷基板(Al2O3或AlN)上沉积金属层，由于金属层厚度较小，导电载流能力有限；厚膜法是将金属粉末与玻璃粉压接在一起，烧结后粘附到陶瓷上，导电性较差，并且由于金属粉颗粒的直径较大(平均粒径大于10μm)，烧结温度较高(一般大于800℃)；钼锰法则采取在陶瓷基板上沉积金属钼或锰层，虽然可提高电导率，但由于金属层厚度较薄(小于25μm)，限制了基板的电流通过能力。现有DBC基板制备工艺流程如图1所示。DBC基板由陶瓷片和铜层(厚度大于0.1mm)在高温下共晶烧结而成，最后根据布线要求，以刻蚀方式形成线路。由于铜片具有良好的导电、导热能力，而氧化铝能有效控制Cu-Al2O3-Cu复合体的膨胀，使DBC基板具有近似氧化铝的热膨胀系数(CTE)，因此，DBC具有导热性好、绝缘性强、可靠性高等优点。其不足主要体现在两个方面：1)工艺温度高(1065℃)，氧化铝与铜层间容易产生微气孔，影响了产品的合格率与抗热冲击性，因此对设备和工艺控制要求较高，生产成本高；2)由于铜层较厚并涉及化学腐蚀工艺，DBC基板上金属图形的最小线宽一般大于150μm。DPC基板则利用真空镀膜方式在陶瓷片上溅射铜作为种子层，接着以光刻、显影、刻蚀工艺完成线路制作，最后再以电镀/化学镀方式增加线路厚度，去除光刻胶后完成基板制作。由于DPC工艺温度仅需300-400℃左右，完全避免了厚膜法、DBC制作过程中高温对材料破坏或尺寸变形的影响，具有工艺温度低、成本低、线路精细等优点，非常适合对准精度要求较高的大功率LED封装要求。但DPC基板也存在一些不足：1)电镀沉积铜层厚度有限，沉积速度慢，且电镀废液污染大；2)金属铜与陶瓷间的结合强度较低，产品应用时可靠性较低。
几种金属化陶瓷基板制备方法比较如下：
针对现有金属化陶瓷基板制备技术的不足，在厚膜工艺的基础上，本发明提出将纳米金属粉与有机物混合制备成膏状，通过丝网印刷工艺印刷或涂覆在陶瓷基片上，低温烧结制备出新型的金属-陶瓷基板。
发明内容
本发明的目的在于克服现有金属化陶瓷基板制备技术的不足，提供一种低温烧结制备金属化陶瓷基板的方法。
本发明提供的一种低温烧结制备金属化陶瓷基板方法，首先将纳米金属粉配制成纳米金属膏；然后通过丝网印刷工艺，将纳米金属膏印刷在陶瓷基板表面形成金属层，最后在300℃-400℃下烧结，得到单面或双面含金属层的陶瓷基板。
本发明公布的一种低温烧结制备金属化陶瓷基板的方法，首先将纳米金属粉配制成纳米金属膏；其次通过丝网印刷工艺将纳米金属膏印刷或涂覆在陶瓷片上；最后在一定的温度下烧结，得到单面或双面含金属层的金属化陶瓷基板。由于纳米尺度效应，纳米金属膏可以在较低温度(300℃-400℃)下烧结，实现金属-陶瓷间高强度键合，与现有厚膜工艺(金属颗粒直径为微米级)和DBC(直接键合铜-陶瓷基板)工艺相比，本方法生产成本低，基板性能高(热应力小)，特别适合于批量制备金属化陶瓷基板。
附图说明
图1为现有DBC基板制备工艺流程图。其中11为铜片，12为陶瓷片，13为键合压力，14为加热板，15为金属图形。
图2为本发明低温烧结制备金属-陶瓷基板工艺流程图。其中21为纳米金属粉，22为有机物，23为纳米金属膏，24为陶瓷片，25为金属层，26为丝网印刷孔板，27为丝网印刷刮板，28为纳米金属膏图形；29为金属图形。
具体实施方式
本发明方法的工艺流程如图2所示，首先将纳米金属粉与有机物混合均匀，得到纳米金属膏；然后通过丝网印刷工艺，将纳米金属膏印刷在陶瓷片表面形成金属膏层，最后在一定的温度和气氛环境下烧结，得到单面或双面含金属层的陶瓷基板。
所述纳米金属粉为纳米铜粉或纳米银粉。所述纳米金属粉直径为1-100nm，优选值为5-30mm。所述有机物组成为：3-10％wt乙基纤维素，1-5％wt三乙醇胺或卵磷脂，用余量松油醇充分溶解。所述纳米金属膏中金属粉含量为60-90％wt。所述陶瓷基板为氧化铝、氮化铝、氧化铍、碳化硅。所述金属膏层厚度为50-500微米，优选值为100-300微米。所述烧结温度为300℃-400℃，时间30-60分钟。当采用纳米铜膏时，所述烧结气氛为氮气或惰性气体保护；当采用纳米银膏时，所述烧结气氛为大气环境。
下面借助实施例更加详细地说明本发明，但以下实施例仅是说明性的，本发明的保护范围并不受这些实施例的限制。
实施例1：
材料准备：铜粉：粒径5-30nm，外观球状；有机物配方(质量比)：5％乙基纤维素，1％三乙醇胺，用余量松油醇充分溶解。
制作工艺为：
(1)将纳米铜粉与有机物按质量比70∶30混合搅拌均匀，制成纳米铜膏；
(2)陶瓷片金属化：采用丙酮超声清洗96％氧化铝基板10分钟，吹干；采用多靶溅射机在氧化铝陶瓷片上沉积30nm钛膜和50nm铜膜；
(3)印刷和涂覆导体图形：采用不锈钢孔板和手动丝网印刷机，在氧化铝基板上形成纳米铜膏图形；在100℃下干燥30分钟，获得厚度为100微米的铜膏层；
(4)烧结：将带铜膏层的氧化铝陶瓷基板置于氮气保护烧结炉中(炉内氧气含量低于100ppm)，在350℃温度下保温60分钟后冷却，得到铜-氧化铝陶瓷基板。
(5)腐蚀：采用湿法腐蚀工艺，去除多余钛膜和铜膜，在陶瓷片上形成铜线路层；
(6)表面机械抛光后，化学镀0.5微米金层；
(7)激光切割与加工。
实施例2：
材料准备：铜粉：粒径2-20nm，外观球状；有机物配方(质量比)：8％乙基纤维素，2％三乙醇胺，用余量松油醇充分溶解。
制作工艺为：
(1)将纳米铜粉与有机物按质量比80∶20混合搅拌均匀，制备成纳米铜膏；
(2)陶瓷片金属化：采用丙酮超声清洗氮化铝基板10分钟，吹干；采用多靶溅射机在氮化铝陶瓷片上沉积20nm钛膜和50nm铜膜；
(3)印刷和涂覆导体图形：采用不锈钢孔板和手动丝网印刷机，在氮化铝基板上制备纳米铜膏图形；在100℃下干燥30分钟，获得厚度为300微米的铜膏层；翻转氮化铝基板，在反面重复丝网印刷工艺，同样获得厚度为300微米的铜膏层；
(4)烧结：将带铜膏层的氮化铝陶瓷基板置于氮气保护烧结炉中(炉内氧气含量低于100ppm)，在300℃温度下保温60分钟后冷却，得到铜-氮化铝-铜陶瓷基板；
(5)在正反两面铜层上电镀5微米银层，表面机械抛光；
(6)腐蚀：采用湿法腐蚀工艺，去除多余钛膜和铜膜；
(7)激光切割与加工。
实施例3：
材料准备：银粉：粒径2-20nm，外观球状；有机物配方(质量比)：6％乙基纤维素，2％三乙醇胺，用余量松油醇充分溶解。
制作工艺为：
(1)将纳米银粉与有机物按质量比70∶30混合搅拌均匀，制备成纳米银膏；
(2)陶瓷片金属化：采用丙酮超声清洗99％氧化铝基板10分钟，吹干；采用多靶溅射机在氧化铝陶瓷片上沉积20nm钛膜和50nm银膜；
(3)印刷和涂覆导体图形：采用不锈钢孔板和手动丝网印刷机，在氧化铝基板上形成纳米银膏图形；在100℃下干燥30分钟，获得厚度为200微米的银膏层；
(4)烧结：将带银膏层的氧化铝陶瓷基板置于烧结炉中，在300℃温度、大气环境下保温40分钟后冷却，得到银-氧化铝陶瓷基板；
(5)腐蚀：采用湿法腐蚀工艺，去除多余钛膜和铜膜；
(6)表面机械抛光后，化学镀0.5微米金层；
(7)激光切割与加工。
实施例4～6：
实施例4、5、6的工艺条件如下表一。采用表一中的工艺参数，按照上述实施例的步骤进行实施，就可以实现本发明的技术方案，并达到本发明的技术效果。
以上所述为本发明的较佳实施例，但本发明不应局限于该实施例和附图所公开的内容。凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效方法或修改，都落入本发明保护的范围。
表一
Claims (7)
1.一种低温烧结制备金属化陶瓷基板方法，首先将纳米金属粉配制成纳米金属膏；然后通过丝网印刷工艺，将纳米金属膏印刷在陶瓷基板表面形成金属膏层，最后在300℃-400℃下烧结，得到单面或双面含金属层的陶瓷基板。
2.如权利要求1所述的一种低温烧结制备金属化陶瓷基板方法，其特征在于，所述纳米金属粉直径为1-100nm，优选值为5-30nm。
3.如权利要求1所述的一种低温烧结制备金属化陶瓷基板方法，其特征在于，所述纳米金属粉为纳米铜粉或纳米银粉。
4.如权利要求1至3中任一所述的一种低温烧结制备金属化陶瓷基板方法，其特征在于，配制纳米金属膏所用材料为：3-10wt％乙基纤维素，1-5wt％三乙醇胺或卵磷脂，余量为松油醇，三者充分混合溶解。
5.如权利要求1至3中任一所述的一种低温烧结制备金属化陶瓷基板方法，其特征在于，所述纳米金属膏中金属粉含量为60-90％wt。
6.如权利要求1至3中任一所述的一种低温烧结制备金属化陶瓷基板方法，其特征在于，所述陶瓷基板为氧化铝、氮化铝、氧化铍或碳化硅。
7.如权利要求1至3中任一所述的一种低温烧结制备金属化陶瓷基板方法，其特征在于，所述金属膏层厚度为50-500微米，优选值为100-300微米。
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