CN103319208A - 一种Al2O3陶瓷基板金属化工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及陶瓷材料金属化生产技术领域，具体是涉及一种Al₂O₃陶瓷基板金属化工艺。Al₂O₃陶瓷基板依次经过粗化处理、敏化活化处理、化学镀处理和电镀金属或合金处理，使其表面形成金属或合金薄膜。本发明的工艺方法保证了陶瓷基板表面粗化均匀，微观粗糙颗粒细小，吸附力强，非常有利于后续敏化活化工序吸附还原核心，最终实现化学镀。经过粗化的陶瓷基板不仅可以通过后续的银氨溶液进行敏化活化处理、化学镀铜工序得到镀铜层，而且也可以通过胶态钯敏化活化处理进行镀镍工序得到化学镍镀层，后续可以进行电镀铜或电镀镍或其他电镀金属或合金，实现陶瓷基板的金属化。

Description

一种Al2O3陶瓷基板金属化工艺

技术领域

本发明涉及陶瓷材料金属化生产技术领域，具体是涉及一种Al₂O₃陶瓷基板金属化工艺。

背景技术

陶瓷材料可分成结构陶瓷、电子陶瓷、生物陶瓷三类。陶瓷材料以抗高温、超强度、多功能等优良性能在新材料世界独领风骚。先进陶瓷或新型陶瓷有可能在很大的范围内代替钢铁以及其他金属而得到广泛应用，达到节约能源、提高效率、降低成本的目的。

近年来陶瓷材料在电子行业获得广泛应用，如随着电子封装业向高密度、高速度的方向发展，封装体的快速有效散热成为关键问题之一。为此，出现了以金属铝为基体的印制线路板。由于金属铝的的导电性，铝基板并不直接与器件接触，现行的生产工艺是铝经过表面氧化处理后，涂敷环氧树脂等高分子材料，再将铜箔压合，制成铜箔铝基板。

但是，由于在铜箔和铝基板间使用了高分子材料，铝基板的导热性能得不到充分发挥。目前国内外开展了在陶瓷基板上直接镀铜的相关研究。这样做的主要目的是：一、抛弃了传统的中间层高分子材料，线路板的传热性得到改善；二、由于在陶瓷基板的表面进行化学镀铜，可以有选择性地进行图形镀铜，从而节约了大量金属铜。又如LED的应用日渐多元化，由早期的电源指示灯发展至具有省电、寿命长、可视度高等优点的LED照明产品。目前高功率LED黏着基板有硅基板与陶瓷基板，陶瓷基板又分为氧化铝基板与氮化铝基板。然而由于高功率LED输入功率仅有15至20%转换成光，其余80至85%则转换成热，若这些热量未适时排出，将会使LED晶粒界面温度过高而影响发光效率及发光寿命。故电路基板一方面扮演着承载LED模块结构，另一方面，随着LED输出功率越来越高，基板还必须扮演散热的角色，在材料选择上，必须兼顾结构强度及散热需求。

实用新型专利201020163077.8“一种用于LED灯的陶瓷基板”从结构设计角度出发，为解决LED灯中的封装基板存在的导热性能差的缺点，设计了LED灯中的一个部件，即在陶瓷基座中设置有一个圆柱状的安装腔，该安装腔的底部设置有两个圆柱形穿线通孔，希望实现良好的导热、耐高压性能，提升LED灯整体性能。

另一个可行的途径就是进行陶瓷基板表面金属化。陶瓷表面金属化可以使陶瓷与金属连接起来制成复合材料，结合陶瓷材料优良的力学性能以及金属材料优异的导热、导电性能。陶瓷表面金属化的方法主要有：Mo-Mn法，活性金属法，化学镀，真空蒸发法，化学气相沉积法等。针对陶瓷基板金属化，国内蔡勇等人用磁控溅射的方法使基板表面金属化；宋秀峰等利用阳极氧化技术在氧化铝陶瓷基板上化学镀铜，但是通过阳极氧化的氧化铝与氧化铝陶瓷不同；徐丽娜等研究了一种无需氯化亚锡敏化、基于分子自组装膜吸附钯的活化方法，引发了在氧化铝粉末表面的化学镀铜；増田誠治研究了通过咪唑硅烷和氯化钯使氧化铝粉体活化，实施了在其表面进行化学镀铜；陈智栋等尝试了铝基板表面氧化铝的硅烷化处理，探索了在铝基板表面氧化铝上化学镀铜的工艺条件，取得了一些进展。可见陶瓷基板金属化的研究报道只限于能镀上铜，而且一般都采用了中间过渡层，并不是直接镀上，目前必须克服的难点是在陶瓷基板直接镀覆附着良好的金属镀层，达到一定面积，同时具有所要求的优良性能，所以上述研究方法还无法真正在实际中得到应用。

目前，中国专利CN86103987“陶瓷玻璃常温化学镀铜、镍、钴”的方法是对陶瓷、玻璃体表面涂覆一层具有催化特性的铝、硅酸盐催化胶体，常温干燥后直接进行常温化学镀铜或化学镀镍、钴。中国专利CN200510047855.0“陶瓷基片溅射铜箔生产方法”公开了陶瓷基片溅射铜箔生产方法，是采用非平衡磁控溅射方法生产陶瓷覆铜基片。中国专利CN200510029905.2公开了在SiC陶瓷颗粒表面化学镀铜方法；日本住友电气工业株式会社发明专利CN95108652.9“具有光滑镀层的金属化陶瓷基片及其制造方法”在氮化铝陶瓷基片素坯上涂敷和W／或Mo的金属化料浆，压平、烧结，并形成上述的一层或多层镀层等等。美国专利U.A pat NO.4008343使用一种胶体钯预处理液使化学镀能顺利进行，但基体与镀层的附着力不强。

上述方法不同程度地存在一些问题，如：W-Mn法工艺流程复杂，工序多，生产周期长；活性金属法质量不稳定，高温连接强度低；真空法虽易上马，但价格贵、不易批量生产；化学气相沉积法，设备复杂，不易生产等等；而化学镀法设备简单，价格便宜，便于批量自动化生产。

金属化后的陶瓷基板的主要功能是作为互连器件的电导体和将器件上的热传出去的热导体。直接金属化得到的氧化铝基板其铜层（或其他金属层）直接与基板结合，镀层均匀、完整，附着强度高，大大改善基板散热效率，工艺稳定，力学性能较好。尤其是化学镀铜，其镀层具有良好的延展性、导热性和导电性以及特有的无边缘效应，并且可以直接在陶瓷表面沉积金属镀层，解决陶瓷与金属基体的浸润问题，实现陶瓷与金属的紧密结合，当然陶瓷表面进行化学镀铜或镍后可以进行电镀铜或其他金属或合金，以实现其他功能化需要。因此陶瓷表面金属化对工业的发展具有重要意义。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明所要解决的技术问题是提供一种Al₂O₃陶瓷基板金属化工艺。Al₂O₃陶瓷表面经过特别的前处理，再进行化学镀铜或镍，然后经过电镀铜或其他金属或合金进行精饰，并经过特定的后处理工艺，最终得到附着力好、表面平整光洁的一层铜或其他金属或合金薄膜。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种Al₂O₃陶瓷基板金属化工艺，其特征在于，Al₂O₃陶瓷基板依次经过粗化处理、敏化活化处理、化学镀处理和电镀金属或合金处理，使其表面形成金属或合金薄膜。

作为第一种具体的实施方式，Al₂O₃陶瓷基板依次经过第一次清洗处理、粗化处理、第二次清洗处理、敏化活化处理、第三次清洗处理、化学镀铜处理、电镀铜处理和防氧化处理，使其表面形成铜薄膜。

进一步，所述粗化处理是在室温条件下处理75～90min，1L粗化处理液中含有：

氢氟酸      100～110g；

氟化铵      205～215g；

余量为去离子水。

进一步，所述敏化活化处理是室温条件下利用银氨溶液活化15～20min。

进一步，所述化学镀铜处理的工艺是在55～58℃条件下处理20～30min，处理液pH为12～12.5，1L处理液中含有：

五水硫酸铜          8～12g；

酒石酸钾钠          13～15g；

乙二胺四乙酸二钠    24～26g；

37%甲醛溶液         15～20ml；

氢氧化钠            10～15g；

2,2’-联吡啶        18～22mg；

余量为去离子水。

进一步，所述电镀铜处理是在室温条件下处理10～20min，阳极电流密度为0.5～2.5A/dm²，阴极电流密度为1.5～7.5A/dm²，阳极为磷铜板，1L电镀液中含有：

五水硫酸铜    200～240g；

98%硫酸       55～75g；

盐酸          50～80mg；

开缸剂        3.5～4.5ml；

光亮剂        0.3～0.5ml；

余量为去离子水。

进一步，所述防氧化处理是置于防氧化保护剂中浸泡2～3min，漂洗烘干。

作为第二种具体的实施方式，Al₂O₃陶瓷基板依次经过第一次清洗处理、粗化处理、第二次清洗处理、敏化活化处理、第三次清洗处理、化学镀镍处理、电镀铜处理和防氧化处理，使其表面形成铜薄膜。

进一步，所述敏化活化处理是在室温条件下处理3～10min，1L处理液中含有：

37%盐酸         270～290mL；

氯化亚锡        5.5～6.5g；

胶体钯浓缩液    8～10mL；

余量为去离子水。

进一步，所述化学镀镍处理是在38～42℃条件下处理8～15min，处理液pH为8～9，1L处理液中含有：

NiSO₄·6H₂O    10～20g；

NH₄Cl          20～30g；

柠檬酸三钠     20～30g；

次亚磷酸钠     10～20g；

余量为去离子水。

另外，粗化处理、电镀铜处理和防氧化处理同第一种实施方式。

与现有技术相比，本发明Al₂O₃陶瓷基板金属化工艺的有益效果表现在：

1、其工艺方法保证了陶瓷基板表面粗化均匀，微观粗糙颗粒细小，吸附力强，非常有利于后续敏化活化工序吸附还原核心，最终实现化学镀。经过粗化的陶瓷基板不仅可以通过后续的银氨溶液进行敏化活化处理、化学镀铜工序得到镀铜层，而且也可以通过胶态钯敏化活化处理进行镀镍工序得到化学镍镀层，后续可以进行电镀铜或电镀镍或其他电镀金属或合金，实现陶瓷基板的金属化。

2、化学镀铜溶液和实施条件经过了优化，甲醛含量控制在15～20mL/L，实施温度控制在60℃以下，既能保证和促进铜的还原，又能保持溶液的稳定，同时减少对人员的刺激和环境的污染。

3、电镀铜溶液配方中含有开缸剂和光亮剂，能够保证得到光亮、致密、平整的铜镀层，同时镀液能长期稳定。

4、电镀铜后的防氧化剂处理简单易行，效果好，保证电镀铜层长时间不变色，而且不影响陶瓷基板的后续焊接、图形蚀刻。

5、本发明的实施基本遵守一般化学镀、电镀的工艺过程，方便易行，操作人员不需特别培训，无需额外的设备投入，容易实现技术转化。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步的说明，需要说明的是，仅仅是对本发明构思所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的构思或者超越本权利要求书所定义的范围，均应视为落入本发明的保护范围。

下述提及的各种物质为购自市场，或通过现有技术制备。

实施例1

Al₂O₃陶瓷基板依次经过流水清洗、除油、热水洗、冷水洗、蒸馏水洗、粗化处理、热水洗、冷水洗、超声波水洗、盐酸浸蚀、敏化活化处理、流水洗、蒸馏水洗、化学镀铜处理、电镀铜处理和防氧化处理，使其表面形成铜薄膜，其中：

①、粗化处理是在室温条件下处理80min，1L粗化处理液中含有：

氢氟酸      100g；

氟化铵      205g；

余量为去离子水。

②、敏化活化处理是室温条件下利用银氨溶液活化15min。

③、化学镀铜处理的工艺是在55℃条件下处理30min，处理液pH为12～12.5，1L处理液中含有：

五水硫酸铜        10g；

酒石酸钾钠        14g；

乙二胺四乙酸二钠  25g；

37%甲醛溶液       20ml；

氢氧化钠          12g；

2,2’-联吡啶      20mg；

余量为去离子水。

④、电镀铜处理是在室温条件下处理15min，阳极电流密度为1.5A/dm²，阴极电流密度为4.5A/dm²，阳极为磷铜板，1L电镀液中含有：

五水硫酸铜      220g；

98%硫酸         65g；

盐酸            65mg；

开缸剂          4ml；

光亮剂          0.4ml；

余量为去离子水。

⑤、防氧化处理是置于防氧化保护剂中浸泡3min，漂洗烘干。

实施例2

Al₂O₃陶瓷基板依次经过流水清洗、除油、热水洗、冷水洗、蒸馏水洗、粗化处理、热水洗、冷水洗、超声波水洗、盐酸浸蚀、敏化活化处理、流水洗、蒸馏水洗、化学镀铜处理、电镀金处理，使其表面形成金薄膜，其中：

①、粗化处理是在室温条件下处理90min，1L粗化处理液中含有：

氢氟酸      105g；

氟化铵      215g；

余量为去离子水。

②、敏化活化处理是室温条件下利用银氨溶液活化20min。

③、化学镀铜处理的工艺是在58℃条件下处理25min，处理液pH为12～12.5，1L处理液中含有：

五水硫酸铜        12g；

酒石酸钾钠        13g；

乙二胺四乙酸二钠  26g；

37%甲醛溶液       20ml；

氢氧化钠          15g；

2,2’-联吡啶      18mg；

余量为去离子水。

④、电镀金处理可通过现有的电镀金技术生产，在此不再赘述。

实施例3

Al₂O₃陶瓷基板依次经过流水清洗、除油、热水洗、冷水洗、蒸馏水洗、粗化处理、热水洗、冷水洗、超声波水洗、盐酸浸蚀、敏化活化处理、流水洗、蒸馏水洗、化学镀镍处理、电镀铜处理和防氧化处理，使其表面形成铜薄膜，其中：

①、粗化处理是在室温条件下处理85min，1L粗化处理液中含有：

氢氟酸      110g；

氟化铵      215g；

余量为去离子水。

②、敏化活化处理是在室温条件下处理8min，1L处理液中含有：

37%盐酸      280mL；

氯化亚锡     6g；

胶体钯浓缩液 9mL；

余量为去离子水。

③、化学镀镍处理是在38℃条件下处理8min，处理液pH为8～9，1L处理液中含有：

NiSO₄·6H₂O      15g；

NH₄Cl            25g；

柠檬酸三钠       25g；

次亚磷酸钠       15g；

余量为去离子水。

④、电镀铜处理是在室温条件下处理10min，阳极电流密度为2.5A/dm²，阴极电流密度为7.5A/dm²，阳极为磷铜板，1L电镀液中含有：

五水硫酸铜    200g；

98%硫酸       55g；

盐酸          50mg；

开缸剂        3.5ml；

光亮剂        0.3ml；

余量为去离子水。

⑤、防氧化处理是置于防氧化保护剂中浸泡2min，漂洗烘干。

实施例4

Al₂O₃陶瓷基板依次经过流水清洗、除油、热水洗、冷水洗、蒸馏水洗、粗化处理、热水洗、冷水洗、超声波水洗、盐酸浸蚀、敏化活化处理、流水洗、蒸馏水洗、化学镀镍处理、电镀金处理，使其表面形成金薄膜，其中：

①、粗化处理是在室温条件下处理75min，1L粗化处理液中含有：

氢氟酸      105g；

氟化铵      210g；

余量为去离子水。

②、敏化活化处理是在室温条件下处理5min，1L处理液中含有：

37%盐酸      270mL；

氯化亚锡     6.5g；

胶体钯浓缩液 10mL；

余量为去离子水。

③、化学镀镍处理是在42℃条件下处理10min，处理液pH为8～9，1L处理液中含有：

NiSO₄·6H₂O     10g；

NH₄Cl           20g；

柠檬酸三钠      30g；

次亚磷酸钠      10g；

余量为去离子水。

④、电镀金处理可通过现有的电镀金技术生产，在此不再赘述。

Claims (10)

1.一种Al₂O₃陶瓷基板金属化工艺，其特征在于，Al₂O₃陶瓷基板依次经过粗化处理、敏化活化处理、化学镀处理和电镀金属或合金处理，使其表面形成金属或合金薄膜。

2.根据权利要求1所述的Al₂O₃陶瓷基板金属化工艺，其特征在于，Al₂O₃陶瓷基板依次经过第一次清洗处理、粗化处理、第二次清洗处理、敏化活化处理、第三次清洗处理、化学镀铜处理、电镀铜处理和防氧化处理，使其表面形成铜薄膜。

3.根据权利要求2所述的Al₂O₃陶瓷基板金属化工艺，其特征在于，所述敏化活化处理是室温条件下利用银氨溶液活化15～20min。

4.根据权利要求2所述的Al₂O₃陶瓷基板金属化工艺，其特征在于，所述化学镀铜处理的工艺是在55～58℃条件下处理20～30min，处理液pH为12～12.5，1L处理液中含有：

五水硫酸铜        8～12g；

酒石酸钾钠        13～15g；

乙二胺四乙酸二钠  24～26g；

37%甲醛溶液       15～20ml；

氢氧化钠          10～15g；

2,2’-联吡啶      18～22mg；

余量为去离子水。

5.根据权利要求1所述的Al₂O₃陶瓷基板金属化工艺，其特征在于，Al₂O₃陶瓷基板依次经过第一次清洗处理、粗化处理、第二次清洗处理、敏化活化处理、第三次清洗处理、化学镀镍处理、电镀铜处理和防氧化处理，使其表面形成铜薄膜。

6.根据权利要求5所述的Al₂O₃陶瓷基板金属化工艺，其特征在于，所述敏化活化处理是在室温条件下处理3～10min，1L处理液中含有：

37%盐酸       270～290mL；

氯化亚锡      5.5～6.5g；

胶体钯浓缩液  8～10mL；

余量为去离子水。

7.根据权利要求5所述的Al₂O₃陶瓷基板金属化工艺，其特征在于，所述化学镀镍处理是在38～42℃条件下处理8～15min，处理液pH为8～9，1L处理液中含有：

NiSO₄·6H₂O     10～20g；

NH₄Cl           20～30g；

柠檬酸三钠      20～30g；

次亚磷酸钠      10～20g；

余量为去离子水。

8.根据权利要求2～7任一项所述的Al₂O₃陶瓷基板金属化工艺，其特征在于，所述粗化处理是在室温条件下处理75～90min，1L粗化处理液中含有：

氢氟酸      100～110g；

氟化铵      205～215g；

余量为去离子水。

9.根据权利要求2～7任一项所述的Al₂O₃陶瓷基板金属化工艺，其特征在于，所述电镀铜处理是在室温条件下处理10～20min，阳极电流密度为0.5～2.5A/dm²，阴极电流密度为1.5～7.5A/dm²，阳极为磷铜板，1L电镀液中含有：

五水硫酸铜    200～240g；

98%硫酸       55～75g；

盐酸          50～80mg；

开缸剂        3.5～4.5ml；

光亮剂        0.3～0.5ml；

余量为去离子水。

10.根据权利要求2～7任一项所述的Al₂O₃陶瓷基板金属化工艺，其特征在于，所述防氧化处理是置于防氧化保护剂中浸泡2～3min，漂洗烘干。