CN102786324A

CN102786324A - 一种叠烧制备金属化陶瓷致冷基片的方法

Info

Publication number: CN102786324A
Application number: CN2012102639307A
Authority: CN
Inventors: 林贵洪; 韩有权; 黄灵; 易建文; 林志坚; 雷德群
Original assignee: YIBIN HONGXING ELECTRONIC CO Ltd
Current assignee: YIBIN HONGXING ELECTRONIC CO Ltd
Priority date: 2012-07-27
Filing date: 2012-07-27
Publication date: 2012-11-21
Anticipated expiration: 2032-07-27
Also published as: CN102786324B

Abstract

本发明公开了一种叠烧制备金属化陶瓷致冷基片的方法，首先将金属粉配制成金属浆料；接着用丝网印刷工艺将金属浆料印刷到陶瓷基片上，并放入烘箱中烘干；将上一步骤中所制得的印刷有金属浆料的陶瓷基片进行叠片后放入钼舟，送入温度为1375℃~1385℃的氮氢保护气氛中烧结制得外表面含有金属层的陶瓷致冷基片；将上述所制得的存在翘边的外表面含有金属层的陶瓷致冷基片放入1380℃~1420℃的高温中进行校平。本发明解决了陶瓷致冷基片在金属化叠烧中陶瓷基片与金属层膨胀系数不一致而造成金属层附着不稳定的问题；解决了金属化叠烧中挥发物扩散不畅的问题，同时还解决了产量低、能耗高和合格率低等问题。

Description

一种叠烧制备金属化陶瓷致冷基片的方法

技术领域

本发明涉及电子制造领域，具体涉及一种叠烧制备金属化陶瓷致冷基片的方法。

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。

目前，行业内陶瓷致冷基片金属化方法是将产品摆放于钼片上，装入钼舟推入保护气氛条件下烧结。单层烧结因受温度（1480℃）和钼片平整度影响，一次通过率几乎为0；只有通过返烧校平后才能进行一次分检；且产品在金属化叠烧中陶瓷基片与金属层膨胀系数不一致而带来金属层附着不稳定的情况且在金属化叠烧中因挥发物不畅而出现“黄团”和“气泡”等缺陷；在生产过程中，产品质量因受捡坯、进出钼舟因素影响，具有产量小、合格率低，生产效率低，员工操作劳动强度大等问题。

发明内容

针对现有技术中存在的上述不足，本发明提供了一种解决陶瓷致冷基片在金属化叠烧中陶瓷基片与金属层膨胀系数不一致、金属化叠烧中挥发物扩散不畅等问题的制备金属化陶瓷致冷基片的方法。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：提供一种叠烧制备金属化陶瓷致冷基片的方法，包括如下步骤：

A、首先将金属粉配制成金属浆料；

B、接着用丝网印刷工艺将金属浆料印刷到陶瓷基片上，并放入烘箱中烘干；

C、将步骤B中所制得的印刷有金属浆料的陶瓷基片进行叠片后放入钼舟，送入温度为1375℃~1385℃的氮氢保护气氛中烧结制得外表面含有金属层的陶瓷致冷基片；

D、将步骤C中所制得的存在翘边的外表面含有金属层的陶瓷致冷基片放入1380℃~1420℃的高温中进行校平。

优选地，所述金属浆料为金属粉和悬浮剂混合物，其中金属粉和悬浮剂的质量分别占金属浆料的80%~90%，10%~20%。

优选地，所述步骤A中的金属粉所用材料为：90%~92%的钨粉，4%~5%的锰粉，3%~6%的Al₂O₃、SiO₂、CaCO₃和MgO混合物。

优选地，所述悬浮剂为松油醇和乙基纤维素的混合物，其重量比为19:1。

优选地，所述Al₂O₃、SiO₂、MgO和CaCO₃的重量比为1：3：1：0.5。

优选地，所述步骤A中的金属粉的粒度为1-3μm。

优选地，所述步骤C中金属层厚度为0.02mm~0.05mm。

优选地，所述步骤B中的陶瓷基片为96%氧化铝陶瓷基片。

本发明的有益效果为，金属浆料配方的设计和烧结温度的控制，使得陶瓷致冷基片在金属化叠烧中陶瓷基片与金属层膨胀系数相匹配从而解决金属层附着不稳定的问题；在丝网印刷过程中，对印刷有金属浆料的陶瓷基片的烘干及烧结过程中低温段的控制，解决了金属化叠烧中挥发物扩散不畅而出现“黄团”和“气泡”的问题，同时采用该方法生产陶瓷致冷基片还具有能耗低、合格率高、适合批量生产及生产成本低等优点。

具体实施方式

本发明的工艺流程为：A、首先将金属粉配制成金属浆料；B、接着用丝网印刷工艺将金属浆料印刷到陶瓷基片上，并放入烘箱中烘干；C、将步骤B中印刷有金属浆料的陶瓷基片进行叠片后放入钼舟，送入温度为1375℃~1385℃的氮氢保护气氛中烧结，最后得外表面含有金属层的陶瓷致冷基片；D、将步骤C中所制得的存在翘边的外表面含有金属层的陶瓷致冷基片放入1380℃~1420℃的高温中进行校平；其中陶瓷基片为96%氧化铝陶瓷基片。

所述步骤A中的金属粉的粒度为1-3μm，主体是难熔金属W，MnO、SiO₂、Al₂O₃、MgO、CaCO₃为活化剂，MnO的引入主要是降低玻璃相的黏度，SiO₂是改善浸润，而Al₂O₃是提高金属化强度。

下面对本发明的操作步骤做详细地说明：

金属浆料的制备：首先制备悬浮剂，将松油醇和乙基纤维素按重量比为19：1称取于搪瓷盘中，将松油醇倒入烧杯内，水浴加热到60℃-70℃，再加入乙基纤维素且边搅拌边加入，直到完全溶解、无气泡后，用200目/吋纱布过滤备用；接着碾磨金属粉，先将钨粉和锰粉分别装入振动球磨机的橡胶斗内，分别振动18-20小时、20-24小时，然后用200目/吋筛分别放入干燥器内备用；接着将金属粉（金属粉所用材料为：90%~92%的钨粉，4%~5%的锰粉，3%~6%的Al₂O₃、SiO₂、CaCO₃和MgO混合物，其中Al₂O₃、SiO₂、MgO和CaCO₃的重量比为1：3：1：0.5）与Φ5-20的A-75氧化铝瓷球按重量比为1:1.5的比例加入振动球磨机的橡胶斗内振动混合3小时；接着将金属粉和悬浮剂按重量比为(80~90)%:(10~20)%的比例加入振动球磨机的橡胶漏斗中振动混合4小时，取出经200目筛网过滤。

采用丝网工艺印刷：装夹好筛网，按要求调整好筛网上的图案与磨加工好的陶瓷基片的相对位置。第一次使用金属浆料前必须搅拌20-30分钟，印刷中添加金属浆料时必须再次搅拌金属浆料5-10分钟，接着取适量的金属浆料于筛网上，轻轻刮动金属浆料，使金属浆料印在陶瓷基片上，印刷后的陶瓷基片经180℃-200℃的烘箱烘干，烘片时间为30-35分钟，然后在40-80℃的烘箱再烘3-5小时，使印刷后的金属层厚度控制在0.02mm-0.05mm。

陶瓷基片的叠片烧结：首先将陶瓷基片按每墩为30-50片堆叠好（叠片时必须将金属化图形面对面、电堆对电堆）放入钼舟中，并在叠好的陶瓷基片上放上外形与陶瓷基片相同、厚度为30mm-40mm的压块，每墩陶瓷基片之间设置有隔片，最后在钼舟上盖上钼片后送入温度为1375℃~1385℃的氮氢保护气氛中烧结，烧结后得到外表面含有金属层的陶瓷致冷基片，其中部分外表面含有金属层的陶瓷致冷基片存在翘边的现象，接着将翘边的陶瓷致冷基片放入1380℃~1420℃的高温中进行校平。

金属化陶瓷致冷基片的力学性能测试：

首先将陶瓷致冷基片进行化学镀镍；接着对镀镍后的陶瓷致冷基片进行力学性能测试，用30W～50W的烙铁将熔化的焊料均匀的涂复在需测试的金属层上，然后用烙铁将长度为20mm～40mm，直径为Φ1mm的铜丝垂直焊接在金属层上；最后将铜丝挂在拉力机上，缓慢的沿拉力机轴向加负荷，直到金属层焊接处脱落，并记下脱落时拉力机的读数，用公式σ=F/S计算出瞬时拉脱强度σ，当σ≥7.84×10⁶N/m²，则判定陶瓷致冷基片的金属层附着力稳定，即为合格产品，下表为作用于不同表面积的陶瓷致冷基片上的金属层所测试出的瞬时拉脱强度：

F（N）	82	44	130
				S(m²)	6.4×10^-6	3.6×10^-6	10×10^-6
σ(N/m²)	12.8×10⁶	12.2×10⁶	13×10⁶

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：

材料的准备：金属粉粒度：1μm，金属粉配比：91%的钨粉，4%的锰粉，5%的Al₂O₃、SiO₂、MgO和CaCO₃混合物；悬浮剂：95%松油醇，5%的乙基纤维素。

制作工艺为：

A、将金属粉和悬浮剂按重量比为4:1的比例加入振动球磨机的橡胶漏斗中振动混合4小时后制成金属浆料；

B、接着用丝网印刷工艺将金属浆料印刷到陶瓷基片上，经180℃-200℃的烘箱烘烤30-35分钟，然后在40-80℃的烘箱再烘3-5小时，使印刷后的金属层厚度控制在0.02mm-0.05mm；

C、将步骤B中印刷有金属浆料的陶瓷基片进行叠片（叠片时必须将金属化图形面对面、电堆对电堆叠放）后放入钼舟，送入温度为1375℃~1385℃的氮氢保护气氛中烧结，最后得外表面含有金属层的陶瓷致冷基片；

实施例2：

材料的准备：金属粉粒度：2μm，金属粉配比：92%的钨粉，5%的锰粉，3%的Al₂O₃、SiO₂、MgO和CaCO₃混合物；悬浮剂：95%松油醇，5%的乙基纤维素。

制作工艺为：

A、将金属粉和悬浮剂按重量比为17:3的比例加入振动球磨机的橡胶漏斗中振动混合4小时后制成金属浆料；

实施例3：

材料的准备：金属粉粒度：3μm，金属粉配比：90%的钨粉，5%的锰粉，5%的Al₂O₃、SiO₂、MgO和CaCO₃混合物；悬浮剂：95%松油醇，5%的乙基纤维素。

制作工艺为：

A、将金属粉和悬浮剂按重量比为9:1的比例加入振动球磨机的橡胶漏斗中振动混合4小时后制成金属浆料；

Claims

1.一种叠烧制备金属化陶瓷致冷基片的方法，其特征在于：包括如下步骤：

A、首先将金属粉配制成金属浆料；

2.根据权利要求1所述的叠烧制备金属化陶瓷致冷基片的方法，其特征在于：所述金属浆料为金属粉和悬浮剂混合物，其中金属粉和悬浮剂的质量分别占金属浆料的80%~90%，10%~20%。

3.根据权利要求1或2所述的叠烧制备金属化陶瓷致冷基片的方法，其特征在于：所述步骤A中的金属粉所用材料为：90%~92%的钨粉，4%~5%的锰粉，3%~6%的Al₂O₃、SiO₂、CaCO₃和MgO混合物。

4.根据权利要求1或2所述的叠烧制备金属化陶瓷致冷基片的方法，其特征在于：所述悬浮剂为松油醇和乙基纤维素的混合物，其重量比为19:1。

5.根据权利要求3所述的叠烧制备金属化陶瓷致冷基片的方法，其特征在于：所述Al₂O₃、SiO₂、MgO和CaCO₃的重量比为1：3：1：0.5。

6.根据权利要求3所述的叠烧制备金属化陶瓷致冷基片的方法，其特征在于：所述步骤A中的金属粉的粒度为1-3μm。

7.根据权利要求1所述的叠烧制备金属化陶瓷致冷基片的方法，其特征在于：所述步骤C中金属层厚度为0.02mm~0.05mm。

8.根据权利要求1所述的叠烧制备金属化陶瓷致冷基片的方法，其特征在于：所述步骤B中的陶瓷基片为96%氧化铝陶瓷基片。