CN102762037A - 一种陶瓷电路板及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种陶瓷电路板的制造方法，该方法包括以下步骤：S1在陶瓷板表面沉积铜层；S2将铜层完全氧化，形成氧化铜层；S3用激光根据预先设计的电路图在该氧化铜层上蚀刻形成正相图形；所述激光蚀刻的深度与氧化铜层的厚度相同；S4将形成有正相图形的陶瓷板放入化学镀铜溶液中进行化学镀铜；S5将镀有一定厚度铜的陶瓷板表面的将氧化铜全部去除而保留表面的铜，即在陶瓷板表面形成了电路。本发明还提供了该陶瓷电路板。该方法简单，并且制备的陶瓷电路板精度高。

Description

一种陶瓷电路板及其制造方法

技术领域

本发明属陶瓷金属化领域，主要涉及一种陶瓷电路板及其制造方法。

背景技术

随着微电子技术的迅速发展，电子器件趋于大功率、高密度、多功能化，电子线路的集成程度越来越高，电路工作时不可避免地产生大量热量，传统的有机树脂电路板已经不能满足这些领域的应用。传统的有机树脂电路板表面金属化是靠有机粘接剂在高温高压条件下压合在一起。高功率电路必须具有优异的热传导能力，所以在金属和陶瓷之间不能用有机粘结剂粘接到一起，这是因为有机粘接剂热导率一般都很低，大概为0.2-6W/mK。陶瓷材料因其机械强度高、击穿强度大、介电常数小、热导率高等优异的性能被广泛应用于大功率、高集成度和高可靠性电路中。

中国专利CN101699931公开了一种高导热陶瓷电路板的生产方法，其包括以下步骤：

a、基材前处理

对经过检查的陶瓷覆铜基板进行表面清洗，然后烘干；

b、图形转移

在经过上述基板的铜层上覆盖一层感光介质，在感光介质上放置带预定图形的菲林进行曝光，然后进行显影，蚀刻，退膜后用自动光学设备检测去除不良品；

c、印刷防焊油墨

在电路板不需要焊接电子元件的地方印刷防焊油墨；

d、丝印文字

根据设计要求在电路板相应的地方丝印文字；

e、化学沉镍、金

利用化学沉镍、金的方法在裸露铜的地方镀一层镍，然后镀一层金；

f、切割成型

利用激光切割设备把电路板切割成预定的规格，经电子检测，合格的即为本发明产品。

上述制备陶瓷电路板的方法是在整个陶瓷表面覆盖铜，然后通过丝印感光油墨、曝光、显影及蚀刻，退膜等复杂的工艺完成，蚀刻时铜线路侧蚀，导致线路精度差，不能满足要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是现有陶瓷电路板的精度低、制备方法复杂的缺陷，从而提供一种精度高的陶瓷电路板的简单制造方法。

本发明提供了一种陶瓷电路板的制造方法，该方法包括以下步骤：

S1 在陶瓷板表面沉积铜层；

S2 将铜层完全氧化，形成氧化铜层；

S3 用激光根据预先设计的电路图在该氧化铜层上蚀刻形成正相图形；所述激光蚀刻的深度与氧化铜层的厚度相同；

S4 将形成有正相图形的陶瓷板放入化学镀铜溶液中进行化学镀铜；

S5 将镀有一定厚度铜的陶瓷板表面的氧化铜全部去除而保留表面的铜，即在陶瓷表面形成了电路。

本发明还提供了一种陶瓷电路板，所述陶瓷电路板由本发明所述的方法制造得到。

该方法制备的陶瓷电路板精度高，并且方法简单。应用激光对部分金属氧化物具有活化能力的特性，对预先形成氧化铜表面的陶瓷进行选择性活化，然后化学镀铜，由于激光精度较高，所以可以形成精度较高的电路，此后再经在稀硫酸或盐酸中溶解氧化铜制做出大功率，高集成度的微电路所需的精细、高热导的电路基板。

具体实施方式

本发明提供了一种陶瓷电路板的制造方法，该方法包括以下步骤：

S1 在陶瓷板表面沉积铜层；

S2 将铜层完全氧化，形成氧化铜层；

S3 用激光根据预先设计的电路图在该氧化铜层上蚀刻形成正相图形；所述激光蚀刻的深度与氧化铜层的厚度相同；

S4 将形成有正相图形的陶瓷板放入化学镀铜溶液中进行化学镀铜；

S5 将镀有一定厚度铜的陶瓷板表面的氧化铜全部去除而保留表面的铜，即在陶瓷表面形成了电路。

根据本发明所提供的方法，在所述陶瓷表面沉积铜的方法没有特别的限制，一般常用化学镀铜、蒸发镀铜或溅射镀铜。

所述在陶瓷表面沉积铜的方法为初步化学镀铜。所述初步化学镀铜是将陶瓷放置在化学镀铜溶液中于45℃-50℃镀铜10-60min。镀铜溶液配方如下：CuSO₄·5H₂O₄ 10g/L，EDTA·2Na 30g/L，NaOH 15g/L，HCHO 15ml/L，

N，Nˊ，N，Nˊ-四羟基丙基乙二胺 15g/L， α，αˊ联吡啶 10mg/L，

K₄[Fe（CN）]₆  100mg/L，pH 12.5-12.8。

在初步化学镀铜之前对陶瓷进行活化。所述活化是将陶瓷片浸入如下酸基胶体钯活化液中活化0.5-1min，然后用清水冲洗干净。

酸基胶体钯活化液配制过程如下：

配制A溶液：称1g的PdCl₂加入100ml去离子水和200ml盐酸，搅拌溶解。然后在30℃恒温水浴条件下加入2.54g的固体SnCl₂·2H₂O，搅拌反应12min。

配制B溶液：将70g的SnCl₂·2H₂O和100ml的HCl混合，再加入7g的Na₂SnO₃·7H₂O混合在一起形成B溶液，配制后的B液不要求全部溶解。

最后将A溶液和B溶液混合，搅拌至全部溶解。然后在45℃恒温水浴中处理3h，最后加去离子水稀释至1L即可使用。

所述在陶瓷表面沉积铜的方法为蒸发镀铜或溅射镀铜。所述蒸发镀铜或溅射镀铜的方法为本领域公知，再次仅以溅射镀铜为例进行说明。溅射镀铜的方法为：将陶瓷板用胶带粘接到溅射镀腔体的柱体上，开始溅射镀膜前，先在纯度为99.99%的Ar气产生的等离子体中清洗靶材2 min。在环境温度下，当工作气压2.7 Pa、背底真空< 1.7×10^-4Pa、Ar气流量为36 mL/min，功率24W，改变沉积时间，可以改变铜膜厚度。 

根据本发明所提供的制造方法，优选地，所述沉积铜层的厚度为0.2-2μm。铜层经过氧化后形成的氧化铜要求致密、连续、与基体结合紧密。太薄的氧化铜不能保护被活化的陶瓷表面，有可能在激光活化区域之外再次镀铜，太厚的氧化铜和陶瓷的热膨胀差异易造成氧化铜层剥落。

根据本发明所提供的方法，为了能使上述沉积的铜层全部被氧化成氧化铜，优选地，步骤S2是将沉积有铜的陶瓷放置在300-800℃空气中氧化10-30min。

根据本发明所提供的方法，所述步骤S3中所用激光的波长为1064nm，功率为12-17W，频率为2-10KHz，速度为3-5m/s。将上述处理好的陶瓷片放入激光器样品台上，导入预先设计好的电路图到激光控制系统，设定好激光参数进行激光活化。被激光蚀刻的电路部分，氧化铜大部分被气化掉，只剩余极少数激发离子留在陶瓷表面。

根据本发明所提供的方法，为了使电路的宽度更加精细，优选地，所述激光的光斑为0.05-0.01 mm。

本发明利用氧化物吸收激光后，吸收的高能光束使氧化物被激活，处于激发态，可以诱导镀液中铜离子在还原剂甲醛的作用下还原为铜，同时激光为单色光源，线性传播，不会产生杂散光，可以防止设计之外的区域被激发，目前激光束斑可以达到0.01mm，所以我们可以利用激光制作达到0.02mm宽度的电路，可以满足目前微电路对大功率小尺寸电路的要求。

所述S4中的化学镀铜，是将上述激光活化后的陶瓷板置于化学镀铜溶液中进行化学镀铜，化学镀铜时间为4-6小时，所述化学镀铜的配方及操作条件上述所述。

根据本发明所提供的制造方法，优选地，所述化学镀铜层的厚度为10-15μm。

根据本发明所提供的方法，去除陶瓷板表面的氧化铜的方法为：将其放入稀硫酸或盐酸中进行蚀刻。具体步骤为：将已经镀有一定厚度铜的陶瓷电路板放入5% H₂SO₄或2%HCl溶液中，待氧化铜全部溶解完之后将其拿出，并用清水漂洗干净，吹干，这样就在陶瓷表面形成了精细线路。利用稀硫酸和盐酸溶液对铜不溶解而对氧化亚铜溶解的性质，可以将剩余的氧化铜除掉。 

根据本发明所提供的方法，优选地，在步骤S1之前对陶瓷板进行除油、粗化和清洗。所述除油、粗化和清洗是本领域的公知技术，如将陶瓷片浸入除油剂超声清洗3min，之后用清水漂洗。然后将陶瓷片放入0.1mol/L的NaOH溶液中，在80℃粗化30-90min，粗化后陶瓷表面粗糙度为0.3-0.6μm。粗化完成之后，用去离子水漂洗陶瓷片，尽量清洗掉残留NaOH溶液，吹干待用。粗化的目的是为了提高陶瓷与金属的结合力。

本发明还提供了一种陶瓷电路板，所述陶瓷电路板由本发明所述的方法制造得到。

本发明铜和陶瓷之间没有任何中间层，减少了芯片热量传递的热阻，同时利用激光焦斑小，定位精确，可以形成精细线路。 与其它陶瓷金属化方法相比，本发明制作的电路基板解析度高，导热能力强，介电损耗小，绝缘强度高，制作工艺简单，成本低廉。

下面通过实施例对本发明进行详细的说明。

 实施例1

（1）将厚度为0.635mm，大小为40×40mm²氧化铝片用除油剂超声清洗3min，然后在0.1mol/l的NaOH溶液中粗化60min，粗化后陶瓷表面粗糙度约为0.5μm。最后在清水中漂洗2次，吹干；

（2）将上述步骤处理后的陶瓷片浸入预先配制好的酸基胶体钯活化液中活化半分钟，之后拿出用清水冲洗干净；

（3）将已活化了的氧化铝基片放入镀铜溶液中，操作温度为46℃，镀铜时间为20min，铜层厚度为0.35μm；

（4）镀完铜的氧化铝陶瓷片置于马弗炉中在300℃氧化30min，将铜层完全氧化为氧化铜；

（5）根据LED电路封装要求，绘制电路图并导入激光控制系统，调整好激光焦距及激光参数进行激光绘图。本实验使用的激光波长为1064nm，频率为20KHz，功率为15W，速率为3m/s，光斑为0.05mm；

（6）将上述激光激发后的氧化铝陶瓷片置于镀铜溶液中在46℃下化学镀铜4小时，铜层厚度为10μm；

（7）镀完铜之后将上述电路基片放入5%稀硫酸溶液中，待陶瓷表面氧化铜完全溶解，此时只剩余电路部分。

 实施例2

（1）将厚度为2mm，直径φ15mm的氧化锆陶瓷片用除油剂超声清洗3min，然后在0.1mol/l的NaOH溶液中粗化60min，粗化后陶瓷表面粗糙镀约为0.3μm。最后在清水中漂洗3次，吹干；

（2）将上述步骤处理后的陶瓷片浸入预先配制好的酸基胶体钯活化液中活化半分钟，之后拿出用清水冲洗干净；

（3）将已活化了的氧化锆片放入镀铜溶液中，操作温度为46℃，镀铜时间为30min，铜层厚度为0.8μm；

（4）镀完铜的氧化铝陶瓷片置于马弗炉中在800℃氧化10min；

（5）绘制电路图并导入激光控制系统，调整好激光焦距及激光参数后，进行激光绘图。本实验使用的激光波长为1064nm，频率为20KHz，功率为15W，速率为3m/s，光斑为0.05mm；

（6）将上述激光激发后的氧化铝陶瓷片置于镀铜溶液中在46℃下镀5小时，铜层厚度为12.5μm；

（7）镀完铜之后将上述电路基片放入5%稀硫酸溶液中，待陶瓷表面氧化铜完全溶解，此时只剩余电路部分。

 实施例3

（1）将厚度为0.635mm，大小为40×40mm²流延氧化铝片用除油剂超声清洗3min，然后在0.1mol/l的NaOH溶液中粗化60min，粗化后陶瓷表面粗糙镀约为0.5μm。最后在清水中漂洗2次，吹干；

（2）将上述步骤处理好的陶瓷片用真空溅射的方法镀膜，开始溅射镀膜前,先在纯度为99.99%的Ar气产生的等离子体中清洗靶材2 min。在环境温度下,当工作气压2.7 Pa、背底真空< 1.7×10^-4Pa、Ar气流量为36 mL/min，功率24W，沉积时间为15min，厚度为0.3μm；

（3）镀完铜的氧化铝陶瓷片置于马弗炉中在600℃氧化20min；

（4）绘制电路图并导入激光控制系统，调整好激光焦距及激光参数进行激光绘图。本实验使用激光波长为1064nm，频率为20KHz，功率为15W，速率为3m/s，光斑为0.05mm； 

（5）将上述激光激发后的氧化铝陶瓷片置于镀铜溶液中在46℃下镀4小时，铜层厚度为10μm；

（6）镀完铜之后将上述电路基片放入2%盐酸溶液中，待陶瓷表面氧化铜完全溶解，最后只有铜电路。

 实施例4

（1）将厚度为0.635mm，大小为40×40mm²流延氧化铝片用除油剂超声清洗3min，然后在0.1mol/l的NaOH溶液中粗化60min，粗化后陶瓷表面粗糙镀约为0.5μm。最后在清水中漂洗3次，吹干；

（2）将上述步骤处理好的陶瓷片用真空溅射的方法镀膜，开始溅射镀膜前,先在纯度为99.99%的Ar气产生的等离子体中清洗靶材2 min。在环境温度下,当工作气压2.7 Pa、背底真空< 1.7×10^-4Pa、Ar气流量为36 mL/min，功率24W，沉积时间为54min，厚度为2μm；

（3）镀完铜的氧化铝陶瓷片置于马弗炉中在600℃氧化20min；

（4）绘制电路图并导入激光控制系统，其中最小线路宽度为0.02mm，调整好激光焦距及激光参数进行激光绘图。本实验使用激光波长为1064nm，频率为20KHz，功率为12W，速率为2m/s，光斑为0.01mm；

（5）将上述激光激发后的氧化铝陶瓷片置于本发明提供的镀铜溶液中在46℃下镀6小时，铜层厚度为15μm；

（6）镀完铜之后将上述电路基片放入2%盐酸溶液中，待陶瓷表面氧化铜完全溶解，最后只有铜电路。

（7）在带刻度的显微镜下观察，最小的线宽0.02mm，与设计的电路要求一致。

 对比例1

本对比例说明高导热陶瓷电路板的生产方法，其包括以下步骤:

a、基板的前处理

主要包括:来料检查一除油一酸洗一烘干等工序；

具体的做法是：对经过检查合格的陶瓷覆铜基板进行表面清洗，具体做法是用过硫酸钠或者过硫酸按对陶瓷覆铜基板的覆铜层进行微蚀，去除覆铜层上的油污和表面的氧化物，经过微蚀的陶瓷覆铜基板酸洗后烘干进入下一道工序；

b、图形转移

主要包括：压膜一曝光一显影一蚀刻一去膜一烘干一检验等工序；

具体做法是：在上述陶瓷覆铜基板的覆铜层上印刷一层感光油墨或贴感光膜，待感光油墨或感光膜干燥以后，用已制作好的光绘电路图形菲林放置在陶瓷覆铜基板上下两面上，进行电路图形曝光，对曝光后的陶瓷覆铜基板进行显影，显影显示出经曝光光固的电路图形，采用蚀刻液或者蚀刻机对上述曝光后的陶瓷覆铜基板进行蚀刻，其中要进行三次蚀刻，第一次蚀刻按1. 5m/min进行，第二次蚀刻按2. 0m/min，第三次蚀刻按5. 5m/min进行，退膜烘干后用自动光学设备检测去除不良品；然后清洗烘干进入下一步工序；

c、印刷防焊油墨

主要包括：前处理一印刷油墨一预烘干一曝光一显影一热固化等工序；

具体做法是：在上述陶瓷覆铜基板进行清洗烘干，在不需要焊接电子元件的地方印刷防焊油墨；在烘干箱中低温预烘干后进行曝光和显影，然后在进行热固化；印刷防焊油墨可以有效防止焊接电子元件时，焊锡粘在非焊区，同时印刷防焊油墨可也可以保护电路板上的一些导通层不受潮蚀同时增加产品的美观程度;然后清洗烘干进入下一步工序；

d、丝印文字

主要包括：丝印文字一热固化等工序；

具体做法是：根据设计要求在上述基板相应的地方上丝印文字然后热固化；以便于生产加工再在相应的地方焊接电子元件：为电路板的组装生产带来方便；然后清洗烘干进入下一步工序；

e、化学沉镍、金

主要包括：除油一酸洗一微蚀一预浸一沉镍一沉金一烘干等工序；

具体做法是：对上述基板进行除油清洗，然后酸洗，在过硫酸钠或者过硫酸按溶液中进行微蚀，清洗后在镍镀液中进行预浸，然后利用化学沉镍、金的方法在需要焊接电子元件的覆铜层上沉积一层厚度为200 u的化学镍，然后电镀一层厚度为3u的金；然后清洗烘干进入下一步工序；

f、切割成型

主要包括：激光切割一清洗一检验一包装等工序；

具体做法是：利用8W以上的激光切割设备把经过化学沉镍、金的基板切割成预定的规格，用清水清洁烘干后经电子检测，合格的即为本发明产品，然后包装即可。

对比例中的铜层在蚀刻过程中导电铜层横向和纵向都会被蚀刻，精度低，本发明的激光活化不存在侧蚀，加工精度高。并且对比例中加工的电路的线宽较大，一般会在0.1 mm毫米以上，没有办法制造精细电路，而本发明的制造方法由于激光束斑可以达到0.01mm，所以我们可以利用激光制作达到0.02mm宽度的电路，可以满足目前微电路对大功率小尺寸电路的要求。

Claims (11)

1.一种陶瓷电路板的制造方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

S1 在陶瓷板表面沉积铜层；

S2 将铜层完全氧化，形成氧化铜层；

S3 用激光根据预先设计的电路图在该氧化铜层上蚀刻形成正相图形，所述激光蚀刻的深度与氧化铜层的厚度相同；

S4 将形成有正相图形的陶瓷板放入化学镀铜溶液中进行化学镀铜；

S5 将镀有一定厚度铜的陶瓷板表面的将氧化铜全部去除而保留表面的铜，即在陶瓷板表面形成了电路。

2.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于：所述在陶瓷板表面沉积铜的方法为初步化学镀铜。

3.根据权利要求2所述的制造方法，其特征在于：在初步化学镀铜之前对陶瓷板进行活化。

4.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于：所述在陶瓷板表面沉积铜的方法为蒸发镀铜或溅射镀铜。

5.根据权利要求1-4任意一项所述的制造方法，其特征在于：所述沉积铜层的厚度为0.2-2μm。

6.根据权利要求1-4任意一项所述的制造方法，其特征在于：步骤S2是将沉积有铜的陶瓷板放置在300-800℃空气中氧化10-30min。

7.根据权利要求1-4任意一项所述的制造方法，其特征在于：所述步骤S3中所用激光的波长为1064nm，功率为12-17W，频率为2-10KHz，速度为3-5m/s。

8.根据权利要求1-4任意一项所述的制造方法，其特征在于：所述激光的光斑为0.05-0.01 mm。

9.根据权利要求1-4任意一项所述的制造方法，其特征在于：所述化学镀铜层的厚度为10-15μm。

10.根据权利要求1-4任意一项所述的制造方法，其特征在于：去处陶瓷板表面的氧化铜的方法为，将其放入稀硫酸或盐酸中进行蚀刻。

11.一种陶瓷电路板，其特征在于：所述陶瓷电路板由权利要求1所述的方法制造得到。