CN102695370A - 一种陶瓷电路板的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及陶瓷表面改性技术，特别涉及一种陶瓷异型材表面金属化的方法，具体为一种陶瓷电路板的制备方法。一种陶瓷电路板的制备方法，制备步骤为：（1）制备陶瓷基板；（2）在陶瓷基板表面用激光雕刻需要的电路图案；（3）将步骤（2）得到的陶瓷基板置于化学镀中化镀铜打底；（4）在镀层表面化镀镍，或者化镀金或银。防止铜氧化。本发明采用激光雕刻技术与化学镀铜相结合，使陶瓷板上有选择的覆上铜，选择性更好。由于采用激光雕刻技术，导电层与陶瓷基体的结合力好，生产设备较便宜易得，而且可以容易地生产三维的陶瓷电路板，电路图案设计变得非常简单，电路精度高。另外本发明相比其它工艺，生产过程三废排放少。
Description
技术领域
本发明涉及陶瓷表面改性技术，特别涉及一种陶瓷异型材表面金属化的方法，具体为一种陶瓷电路板的制备方法。
背景技术
陶瓷表面金属化是一种方兴未艾的技术，所生产的陶瓷线路板可以应用于大功率IGBT模块产品，大功率LED照明产品，大功率高频微波等产品中。这种线路板具有很高的热导率和大电流负载能力；耐高温耐高压性能优良；能适应高温、高压、高磨损、强腐蚀的恶劣工作环境，满足产品在各种场合的应用要求。在陶瓷表面金属化的方法很多，试列举部分专利进行说明。
CN101460014是关于一种基板的直接镀铜(DPC)金属化制造工艺，主要于一基板上先进行凿孔、穿孔电连接等先前处理步骤后，于基板表面以溅镀方式依序形成钛层及铜层，并于贴上干膜后而进行曝光、显影等步骤，随后于线路图案上镀铜以形成铜线路，完成后即剥离干膜，再依序于铜线路上镀镍及镀金，即完成金属化制造工艺。这种穿孔-溅射-贴膜-显影-镀铜-剥离膜-镀镍的工艺，流程比较长，良率不高。且所用的溅射设备非常昂贵，不利于大规模应用。类似的技术还有CN101135051，其实施步骤为：将金属或陶瓷基材表面以PVD技术(Physical Vapor Deposition)按批次连续进行表面处理镀覆导热绝缘层，于导热绝缘层上再以PVD技术按批次连续进行表面处理镀覆导电层，该导电层包含铬(Cr)、铝(Al)、钛(Ti)、铜(Cu)实施金属化处理，于导电层表面再施以电镀处理技术，使电镀层结合于导电层上并达到导电层增厚目的。以及CN102208352A涉及一种陶瓷镀铜基板制造方法及其结构，其包含：选定一陶瓷基板；利用溅镀制程在陶瓷基板表面形成一镍金属层；将一铜金属层镀膜于镍金属层上；应用压膜、曝光显影与蚀刻制程等方式来形成线路图案；以及把铜金属层上的抗蚀刻干膜剥除形成陶瓷镀铜基板。本发明的陶瓷基板表面先进行溅镀镍金属层，使其表面金属化或完成镀通孔壁作用，而镍金属层可与铜金属层共享相同的蚀刻药水来制作线路图案，故具有一般性印刷电路板的制程考虑，有效减化制程并且降低材料及制造成本，亦有效地提升陶瓷基板与各金属镀层之间的抗撕离或黏合强度，藉以强化整体的结构强度。
CN1639085是一种湿法化学金属化钛酸盐基陶瓷的方法，包括如下步骤：浓硫酸粗化陶瓷；胶体钯活化在；将得到的陶瓷进行化学金属化。这种技术方案流程较长，而且所用浓硫酸会造成严重污染排放并恶化工厂环境。类似的方案还有 CN101798238A提供一种减少重金属离子的使用及残余，降低污染、节约资源、操作简便的陶瓷金属化的方法。本发明是采用下述技术方案实现的：它包括以下步骤：A)将陶瓷基体先置入NaOH粗化处理；再置入HF和H2SO4中粗化处理；以及 CN1362536是在陶瓷基底上沉积一层化学镀铜层，然后再浸镀银，具体的过程为先除油、粗化、敏化、活化和化学镀铜，然后在银浸镀液中浸镀，浸镀后水洗、烘干。 CN102409322A涉及一种陶瓷元件局部表面化学镀NiP-Cu电极的制造工艺。该工艺包括陶瓷元件制备、清洗干燥、粗化、印刷、活化、浸泡、预镀、镀铜、脱水干燥、热处理、焊接、测试等步骤。 CN1740382在SiC陶瓷颗粒表面化学镀铜方法，首先对SiC陶瓷颗粒表面进行硝酸粗化处理，用钨粉、双氧水，无水乙醇和冰乙酸制备得到溶胶，然后将粗化处理后的SiC陶瓷颗粒泡入溶胶之中并辅以超声振荡，使在陶瓷颗粒表面形成溶胶薄层，再经干燥及氢气还原，得到镀覆钨的SiC陶瓷颗粒后，再进行化学镀铜处理。由于铜对钨良好的润湿性和钨自身的催化活性，从而可以得到铜包裹均匀的陶瓷。
CN1919515是一种表面合金化陶瓷的应用方法。利用本发明方法设计的复合靶，在加弧辉光炉中对普通陶瓷进行表面合金化，复合靶由活性金属钛(或锆、铪)和其它所需金属材料(如铁、 铬、镍、锰、钼、铜、铝、银等)一种或几种按一定比例机械组合，复合靶在电弧热的作用下蒸发或熔化，金属离子在高电场的作用下高速撞击在陶瓷表面。其优点是渗镀速度快，金属结合强度高，合金层厚度可达100μm以上。这种方法可实现多种类型表面合金化陶瓷和层状复合材料的制备。这种方法所得金属化层与基材的结合力差。
CN102432346A提供一种用于大功率LED封装的陶瓷基板的制备方法,包括以下步骤：准备表面经过处理的陶瓷基板，在其上覆设预制好的氧化亚铜浆料，并形成线路图形，然后，通过烘干、烧结、还原及镀膜工艺，制备出表面金属层光滑致密的陶瓷基板。本发明通过在陶瓷基板表面采用厚膜技术结合敷铜原理实现金属化。这种方法的优点是实现形成需要的图案，具有设计上的灵活性，但是化学还原氧化铜至铜单质是高耗能工艺，而且有些基材不能和氧化铜反应形成良好的界面，导致结合力差的问题。
CN102339758A提供了一种低温键合制备铜-陶瓷基板的方法。首先将铜合金片选择性腐蚀得到含多孔纳米结构的铜片，然后在一定的温度、压力和保护气氛作用下，将铜片热压键合到沉积有金属薄膜的陶瓷片上，得到单面或双面含铜层的铜-陶瓷基板，最后通过图形腐蚀工艺制备出含金属线路的金属化陶瓷基板。由于纳米尺度效应，可以在较低的温度和压力下实现铜-陶瓷间高强度键合。此种方案的优点是可以形成结合力较好的铜层，但是烧结过程需要在保护气氛，对烧结炉的要求非常高，是一种不太经济的方案；另外，所形成的铜层一般达上百微米，不能做比较薄的铜层；图形腐蚀也会产生大量污染排放；陶瓷基板种类有限制，适用面窄。
CN102254832A的步骤是在陶瓷基板上先贴附干膜层，并对干膜层进行曝光显影而形成预设线路布局的路径，再于陶瓷基板与干膜层上涂布第一金属层，则第一金属层上为镀设铜层，且对陶瓷基板上的干膜层、第一金属层及铜层进行研磨、切割并整平，即可将干膜层由陶瓷基板上移除，而在陶瓷基板上形成适当高度的铜层后，由陶瓷基板的铜层表面进行电镀第二金属层，即完成陶瓷基板的制造，可制作高精密度的陶瓷基板但结合力差。
CN101003439将铜、镍离子注入陶瓷表面再化学镀铜的工艺。首先清洗陶瓷表面；将清洗干净的陶瓷放入至离子注入设备中，对离子注入设备抽真空，对工件进行气体溅射清洗,进行离子注入；选择的离子注入元素为铜、或镍、或铁，注入的能量为：6KeV～30KeV，注入的剂量为0.2×1017～4.2×1017ions/cm2；将已完成注入的陶瓷置于化学镀镀液中直接进行化学镀铜或镀镍或镀铁。本发明的工艺没有选择性，注入离子成本较高。
综上，现有的专利技术往往具有几个劣势：1. 没有选择性；2. 生产过程产生不必要的污水排放；3. 导电层与陶瓷基体的结合力较差；4. 生产设备较昂贵。
发明内容
有鉴于此，本发明所要解决的技术问题是提供一种陶瓷电路板的制备方法，该方法在陶瓷异型材上采用激光雕刻技术及化学镀铜技术相结合，选择性好，生产过程三废排放少，导电层与陶瓷基体的结合力好，生产设备较便宜易得，而且可以容易地生产三维的陶瓷电路板，电路图案设计变得非常简单，电路精度高。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种陶瓷电路板的制备方法，制备步骤为：
（1）制备陶瓷基板；
（2）在陶瓷基板表面用激光雕刻需要的电路图案；
（3）将步骤（2）得到的陶瓷基板置于化学镀中化镀铜打底；
（4）在镀层表面化镀镍，或者化镀金或银。
作为上述技术方案的改进，步骤（3）化镀铜打底后，再电镀铜增厚铜层厚度。
进一步的，步骤（4）中化学镀镍镀液的配方为：硫酸镍 30~35 g/L，次亚磷酸钠 12~18 g/L，柠檬酸钠 80~88 g/L，氯化铵 45~55 g/L，NH4OH 55~65 g/L；pH=9.0~9.6；操作温度为87~92℃。
步骤（4）中化学镀金液配方为：三氯化金4~6g/L；氯化铵70~80g/L；柠檬酸钠45~55g/L；次磷酸钠15~25g/L；氯化镍12~16g/L，用氨水或柠檬酸调节上述溶液，使pH值至5～6；操作温度为80~90℃。
进一步的，步骤（1）所述陶瓷基板的制备方法为：
（1）采用注射成形或挤出成形或热压铸成形工艺制备陶瓷生坯；
（2）陶瓷生坯冷却后，在三氯乙烯溶剂中萃取1～5小时，萃取温度为40～90℃；其作用是溶解陶瓷生坯中的石蜡和巴西棕榈蜡，防止陶瓷生坯在烧结过程中变形、开裂等。
（3）然后置于烧结炉中烧结1～12hr，从而制得陶瓷基板。
所述陶瓷生坯的制备方法为：将70%～90%的无机粉体与10%～30%的粘结剂体系按照合适的重量比例在高速混料机中混合均匀，然后通过双螺杆挤出造粒机进行造粒，制得米粒状的喂料，喂料通过注塑机或者挤出机获得一定形状的陶瓷生坯。
所述无机粉体为Al2O3、AlN、SiO2、ZrO2、TiO2、Cr2O3、ZnO、CuO、Cu2O、Fe2O3、Fe3O4、FeO、MnOx（x=1，1.5，2）、Ni2O3、Co2O3、SiC、SiN、WC中的至少一种。
所述粘结剂由下述组分组成：高密度聚乙烯（HDPE）18-35%，聚丙烯（PP）6-15%，硬脂酸（SA）3-6%，微晶石蜡(PW)20-40%，巴西棕榈蜡15-30%，润滑剂MP2～6%。
本专利提到的激光雕刻所用的设备为红外激光器、紫外激光器、绿光激光器、蓝光激光器，由上海镭天激光设备有限公司提供。激光雕刻所产生的作用主要为将陶瓷基体粗化，所谓粗化就是在陶瓷表面形成凹凸不平的区域，使得化镀时铜原子陷入到该区域，增加金属层与基体的结合能力，激光雕刻的另一目的是使陶瓷基体表面产生一定的物理化学变化，这种变化对化镀铜工艺具有重要的促进作用。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1.本发明采用激光雕刻技术与化学镀铜相结合，使陶瓷板上有选择的覆上铜，即在化学镀铜这个过程中，被激光粗化的部位就可以沉积铜，其他未被激光粗化的区域就不会沉积铜，这样就可以根据激光粗化的图案制备出铜的图案（图案一般是线路），因此选择性更好。
2.本发明由于采用激光雕刻技术，导电层与陶瓷基体的结合力好，生产设备较便宜易得，而且可以容易地生产三维的陶瓷电路板，电路图案设计变得非常简单，电路精度高。
3.本发明相比其它工艺，生产过程三废排放少。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员理解，下面将结合实施例对本发明做进一步的描述。
实施例1 LED用陶瓷电路的制备方法
将70g的无机粉体Al2O3与粘结剂体系（高密度聚乙烯（HDPE）9g，聚丙烯（PP）3g，硬脂酸（SA）1.2g，微晶石蜡(PW)9g，巴西棕榈蜡6.9g，润滑剂MP（致为化工有限公司的维可素 MP 20000 ）0.9g）在高速混料机中混合均匀，然后通过双螺杆挤出造粒机进行造粒，制得米粒状的喂料。喂料通过注塑机注塑出一种LED用陶瓷生坯。陶瓷生坯冷却后，在三氯乙烯溶剂中萃取4小时，萃取温度为65℃，然后置于1600℃烧结炉中烧结2hr，从而获得LED用陶瓷异型材。
该陶瓷异型材用激光雕刻的方法在上面雕刻图案，图案由LED组装厂家设计并提供，一般由AutoCAD画图软件设计而成。
图案雕刻完毕后，将加工件置于Copper Gleam 2001镀液中镀铜，反应温度60℃，时间6hr，镀覆结束后获得约15微米厚的铜层。然后将镀件置于镍镀液中，89℃镀覆10min，获得2微米厚的镍层。从而获得LED用陶瓷电路。
化镀镍镀液自主配制，其配方如下：硫酸镍：32 g/l ；次亚磷酸钠：15 g/l ；柠檬酸钠：84 g/l ；氯化铵：50 g/l ；NH4OH：60 g/l ；pH=9.3。
实施例2 半导体器件陶瓷电路板的制备方法
80g的SiC，20g的粘结剂及润滑剂，其中高密度聚乙烯（HDPE）6g，聚丙烯（PP）2g，硬脂酸（SA）0.8g，微晶石蜡(PW)6g，巴西棕榈蜡4.6g，润滑剂MP（致为化工有限公司的维可素 MP 20000 ）0.6g。无机粉体与粘结剂体系在高速混料机中混合均匀，然后通过双螺杆挤出造粒机进行造粒，制得米粒状的喂料。喂料通过注塑机注塑获得一种半导体器件陶瓷生坯。陶瓷生坯冷却后，在三氯乙烯溶剂中萃取4小时，萃取温度为70℃，然后置于2000℃压力烧结炉中烧结3hr，从而获得半导体器件陶瓷基板。
余下步骤与实施例1相同，最终获得半导体器件陶瓷电路板。
实施例3 大功率用异型陶瓷电路的制备方法
将66g的Al2O3 粉末和4g玻璃粉末混合，然后与粘结剂体系（高密度聚乙烯（HDPE）8g，聚丙烯（PP）3g，硬脂酸（SA）1.4g，微晶石蜡(PW)10g，巴西棕榈蜡6.2g，润滑剂MP（致为化工有限公司的维可素 MP 20000 ）1.4g）在高速混料机中混合均匀，然后通过双螺杆挤出造粒机进行造粒，制得米粒状的喂料。喂料通过挤出成形机挤出一种大功率用陶瓷生坯。陶瓷生坯冷却后，在三氯乙烯溶剂中萃取4小时，萃取温度为65℃，然后置于1600℃烧结炉中烧结2hr，从而获得大功率用陶瓷管材。
该陶瓷管材用激光雕刻的方法在其外表面上雕刻图案，图案由使用陶瓷电路的厂家设计并提供，一般由AutoCAD画图软件设计而成。
图案雕刻完毕后，将加工件置于Copper Gleam 2001镀液中镀铜，反应温度60℃，时间1hr，镀覆结束后获得约2微米厚的铜层。然后将镀件置于Copper Gleam PPR电镀液中进行电镀铜，25℃镀覆30min，电流密度30ASF，获得50微米厚的铜层。最后将镀件置于化学金镀液中，化学镀金液配方：三氯化金5g/L；氯化铵75g/L；柠檬酸钠50g/L；次磷酸钠20g/L；氯化镍14g/L，用氨水或柠檬酸调节上述溶液，pH值至5～6。85℃镀覆60min，获得0.5微米厚的金层。从而获得大功率用异型陶瓷电路。
Claims (8)
1.一种陶瓷电路板的制备方法，其特征在于制备步骤为：
（1）制备陶瓷基板；
（2）在陶瓷基板表面用激光雕刻需要的电路图案；
（3）将步骤（2）得到的陶瓷基板置于化学镀中化镀铜打底；
（4）在镀层表面化镀镍，或者化镀金或银。
2.根据权利要求1所述的陶瓷电路板的制备方法，其特征在于：步骤（3）化镀铜打底后，再电镀铜增厚铜层厚度。
3.根据权利要求1所述的陶瓷电路板的制备方法，其特征在于步骤（4）中化学镀镍镀液的配方为：硫酸镍 30~35 g/L，次亚磷酸钠 12~18 g/L，柠檬酸钠 80~88 g/L，氯化铵 45~55 g/L，NH4OH 55~65 g/L；pH=9.0~9.6；操作温度为87~92℃。
4.根据权利要求1所述的陶瓷电路板的制备方法，其特征在于步骤（4）中化学镀金液配方：三氯化金4~6g/L；氯化铵70~80g/L；柠檬酸钠45~55g/L；次磷酸钠15~25g/L；氯化镍12~16g/L，用氨水或柠檬酸调节上述溶液，使pH值至5～6；操作温度为80~90℃。
5.根据权利要求1所述的陶瓷电路板的制备方法，其特征在于：步骤（1）所述陶瓷基板的制备方法为：
（1）采用注射成形或挤出成形或热压铸成形工艺制备陶瓷生坯；
（2） 陶瓷生坯冷却后，在三氯乙烯溶剂中萃取1～5小时，萃取温度为40～90℃；
（3）然后置于烧结炉中烧结1～12hr，从而制得陶瓷基板。
6.根据权利要求5所述的陶瓷电路板的制备方法，其特征在于：所述陶瓷生坯的制备方法为：将重量百分比为70%～90%的无机粉体与10%～30%的粘结剂体系在高速混料机中混合均匀，然后通过双螺杆挤出造粒机进行造粒，制得米粒状的喂料，喂料通过注塑机或者挤出机获得一定形状的陶瓷生坯。
7.根据权利要求6所述的陶瓷电路板的制备方法，其特征在于：所述无机粉体为Al2O3、AlN、SiO2、ZrO2、TiO2、Cr2O3、ZnO、CuO、Cu2O、Fe2O3、Fe3O4、FeO、MnOx（x=1，1.5，2）、Ni2O3、Co2O3、SiC、SiN、WC中的至少一种。
8.根据权利要求6所述的陶瓷电路板的制备方法，其特征在于所述粘结剂体系由下述重量百分比的组分组成：高密度聚乙烯18～35%，聚丙烯6～15%，硬脂酸3～6%，微晶石蜡20～40%，巴西棕榈蜡15～30%，润滑剂MP2～6%。
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