CN103891421A - 具有铜结构的AlN印制电路板 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及制备在两面的至少一个面上具有印制电导线和接触点以及具有至少一个通孔敷镀-穿孔（Via）的陶瓷印制电路板的方法。根据本发明实施下列连续的方法步骤：a)制备氮化铝陶瓷基板，并将穿孔引入到为所述Via设计的位置；b)用由铜、钨、钼或它们的合金或混合物形成的第一粘合糊料填充所述穿孔；c)通过第一丝网印刷操作按照印制导线和接触点的所需线路设计使用第二粘合糊料一次性套印所述陶瓷基板的至少一个面；d)任选使用第二粘合糊料完全或部分重复所述套印过程；e)在具有N2（氮气）的拷版炉中拷版印制的陶瓷基板，其中将氧含量控制在0-50ppmO2；f）通过第二丝网印刷操作将玻璃含量低的覆盖糊料印制在所述第二粘合糊料上，直到达到印制导线和接触点的所需厚度；g)在具有N2（氮气）的拷版炉中拷版印制的陶瓷基板，其中将氧含量控制在0-50ppmO2。

Description

具有铜结构的AlN印制电路板
本发明涉及制备在两面的至少一个面上具有印制电导线和接触点以及具有至少一个通孔敷镀-穿孔（Via）的陶瓷印制电路板的方法。
本发明的目的在于，改进根据权利要求1的前述部分的方法，以便可以使在LED技术中通过该方法制备的印制电路板用于产生大量热和高电流的高功率光源。这种高功率光源例如用作体育场中的强力照明设备。
本发明的目的通过下列连续的方法步骤而实现：
a) 制备氮化铝陶瓷基板，并将穿孔引入到为所述Via设计的位置；
b) 用由铜、钨、钼或它们的合金或混合物形成的第一粘合糊料填充所述穿孔；和
c) 通过第一丝网印刷操作按照印制导线和接触点的所需线路设计使用第二粘合糊料一次性套印所述陶瓷基板的至少一个面；
d) 任选使用第二粘合糊料完全或部分重复所述套印过程；
e) 在具有N2（氮气）的拷版炉（Einbrennofen）中拷版（brennen）印制的陶瓷基板，其中将氧含量控制在0-50 ppm O2；
f） 通过第二丝网印刷操作将玻璃含量低的覆盖糊料印制在所述第二粘合糊料上，直到达到印制导线和接触点的所需厚度；
g) 在具有N2（氮气）的拷版炉中拷版印制的陶瓷基板，其中将氧含量控制在0-50 ppm O2。
该方法特别可以制备厚的或高的印制导线。
优选在每次丝网印刷操作之后进行陶瓷基材的后续干燥过程或拷版过程。这改善粘合性和长期稳定性。
在一个本发明的实施方案中，使用无电流的镍和无电流的金强化所述印制导线和接触点或所述拷版的覆盖糊料，该强化作用是耐腐蚀的和可焊接的。
所述的将穿孔引入到为Via设计的位置优选是在烧结前通过冲压或在烧结后通过激光辐射进行的。
在优选的实施方案中，使用高粘度的铜糊料作为第一粘合糊料，其粘度为800-1200 Pa∙s，优选900-1100 Pa∙s和特别优选1000 Pa∙s。
所述铜糊料优选含有CuO或Cu2O和适合于AlN的粘合玻璃，优选ZnO-SiO2粘合玻璃。
在一个实施方案中，优选在所述铜糊料中含有扩大体积的成分，例如Al或Ti，并且含有在加热时释放铜的物质，例如CuCl。
优选地，所述第二粘合糊料与所述第一粘合糊料除了在粘度方面外都相同，其中所述第二粘合糊料的粘度比所述第一粘合糊料的粘度低了大约一半。“大约一半”是指优选50%±10%，特别优选50%±5%和更特别优选50%±2%。
第二粘合糊料的粘度优选为500 Pa∙s。优选500 Pa∙s的粘度是指500±50 Pa∙s的粘度，特别优选500±10 Pa∙s的粘度。
在一个本发明的实施方案中，所述覆盖糊料与所述粘合糊料除了在缺少粘合玻璃方面外都相同，然后所述覆盖糊料具有比所述粘合糊料更低的粘度，其中覆盖糊料粘度为粘合糊料粘度的1/3-2/3，并且特别优选为粘合糊料粘度的40-60%。
优选地，在重复套印所述印制导线和接触点的情况下，实施套印时向周边减少0.01-0.05 mm。
对于根据上述方法制备的具有印制导线和接触点的陶瓷印制电路板，所述印制导线和接触点的垂直厚度或高度优选为20-125 μm，优选60-90 μm。
根据本发明，所述Via用铜、钨或钼或它们的混合物填充。由于太剧烈的合金反应，银不适用。
优选地，这些印制电路板在LED技术中可用于高效率光源，其中产生大量热量并流过高的电流。这种高功率光源例如用作体育场中的强力照明设备。
制备方法：
1） 使用氮化铝陶瓷基板用于制备，为了将Via引入其位置，在烧结前冲压该基板或在烧结后通过激光辐射激光钻孔该基板。
2） 根据本发明，在第一步骤中用由铜、钨或钼或其合金或混合物构成的粘合糊料填充所述Via。优选地，使用粘度为1000 Pa∙s的铜糊料作为粘合糊料。所述铜Via糊料可以含有CuO或Cu2O和适合于AlN的粘合玻璃，优选ZnO-SiO2粘合玻璃。此外，有利的是扩大体积的成分，例如Al或Ti，以及在加热时释放铜的物质，例如CuCl。
3） 然后，一次性通过丝网印刷操作使用在编号2中提到的铜糊料按照印制导线和接触点的所需线路设计完全套印所述陶瓷基板的至少一个面。
4） 如果制备特别厚的印制导线和接触点，则另外使用上述的铜糊料作为粘合糊料实施另一丝网印刷操作。所述铜糊料可以完全或部分地通过丝网印刷操作多次套印。
5） 然后，在优选80℃下干燥具有一个或多个印制的粘合糊料的陶瓷基板。
6） 然后，在900℃将印制的陶瓷基板穿过具有N2（氮气）的拷版炉，其中将氧含量控制在0-50 ppm O2。
7） 然后，在经拷版的粘合糊料上印刷合适粘度和合适组成的低玻璃含量的覆盖糊料，直到达到印制导线和接触点的上述铜厚度。所述覆盖糊料与所述粘合糊料除了在缺少粘合玻璃方面外都相同，然后所述覆盖糊料具有比所述粘合糊料更低的粘度。优选地，覆盖糊料粘度为粘合糊料粘度的1/3-2/3，并且特别优选为粘合糊料粘度的40-60%。
8） 然后，在优选80℃下干燥具有印制的覆盖糊料的陶瓷基板。
9） 然后，在900℃将印制的陶瓷基板穿过具有N2（氮气）的拷版炉，其中将氧含量控制在0-50 ppm O2。
10） 或者取消编号6，并且在没有之前的拷版过程的情况下将所述覆盖糊料在干燥之后立刻印制在粘合糊料上。
根据本发明，将优选由铜或铜合金构成的印制导线和接触点通过至少一个丝网印刷操作借助铜糊料施加到氮化铝陶瓷基板上，由此达到上述铜厚度。如果印制导线和接触点的厚度或高度在20-40 μm之间，一次施加就足够了。如果要求40-125 μm的更厚或更高的印制导线和接触点，则优选实施两次或更多次丝网印刷操作。通常，使用两种不同的糊料，即直接在陶瓷基板上的粘合糊料和在粘合糊料上的覆盖糊料。根据本发明，两种糊料仅仅通过一个丝网印刷操作施加。
在制备过程中，在陶瓷基板上的Via通过粘合糊料填充，并且按照所需线路设计使用粘合糊料一次或两次性地完全套印所述陶瓷基板的至少一个面。该粘合糊料可以另外通过另一丝网印刷操作套印。在每次施加之后，优选进行干燥。然后，在所述粘合糊料上印刷合适粘度和合适组成的覆盖糊料，直到达到印制导线和接触点的上述铜厚度。
印制电路板的另一面（即下面）可以用铜糊料一次或多次套印。
所述Via优选具有0.20 mm的直径，然而根据陶瓷基板的厚度可以具有适合的直径。较厚的陶瓷基板需要另外的Via，即具有更大直径的Via。对于1 mm的陶瓷基板厚度，需要0.3-0.4 mm的Via直径。优选使用粘度为1000 Pa∙s的高粘度铜糊料在丝网印刷机器上按照Via线路设计中的合适的丝网设计和印刷板填充所述Via。所述铜糊料（特别是直接在AlN基板上的粘合糊料）含有CuO或Cu2O和适合于AlN的粘合玻璃，优选ZnO-SiO2粘合玻璃。这是第一丝网印刷操作。然后优选在优选80℃下干燥印制的基板。
然后，使用相同的铜糊料（但稀释至优选500 Pa∙s）按照相同的线路设计在丝网印刷机器上实施另一丝网印刷操作。这是第二丝网印刷操作。第二丝网印刷操作正好在通过第一丝网印刷操作产生的印制导线和接触点上进行，从而增加其厚度或高度。
在900℃将如此准备的基板穿过具有N2（氮气）的拷版炉，其中将氧含量控制在0-50 ppm O2。铜无论如何不能碰触助燃剂。然后，在一面或两面借助另一低玻璃含量的铜糊料强化特定的区域或结构或整个已经印制的和拷版的结构。在相同的条件下重新拷版。铜层的厚度现在在本发明的厚度范围中。
然后优选使用4 μm的无电流的镍、任选0.05 μm的Pd和0.05 μm的无电流的金强化所述覆盖层或经拷版的铜层，该强化作用是耐腐蚀的和可焊接的。该金属化，即铜层如此紧密地连接在陶瓷上，从而使所述Via也没有漏洞，通过漏洞例如稀释的粘合剂可以渗透到上面的LED面。
通过丝网印刷印制的陶瓷基板在每次印刷过程之后，或者在所有印刷过程之后一起在合适的温度（通常6-10分钟在900℃）和具有优选0-50 ppm的非常低的残余氧气的氮气氛围下进行拷版。
本发明填补了在已知的DCB技术（最小200 μm）和厚膜技术（最多约20 μm）之间的对于AlN的空白，并且可以使用厚膜技术的填充的Via，由此可以触电接通两个面。
下面是一个具体的实施例：
尺寸为114×114×0.38 mm的烧结过的AlN陶瓷基板按照确切的线路设计进行激光钻孔。该Via的直径为0.20 mm。使用1000 Pa∙s的高粘度铜糊料在丝网印刷机器上按照Via线路设计中的合适的丝网设计和印刷板填充所述Via。铜糊料含有CuO和/或Cu2O，对AlN合适的ZnO-SiO2粘合玻璃和2%的Al粉以及少量的3%CuCl。在80℃干燥之后，用相同的糊料（但稀释至500 Pa∙s）在丝网印刷机器上在基板的每个面上实施平面印刷。在900℃将如此准备的基板穿过具有N2的拷版炉，其中将氧含量控制在0-50 ppm O2。铜无论如何不能碰触助燃剂。然后，在一面或两面借助另一低玻璃含量的铜糊料强化特定的结构或整个已经印制的和拷版的结构。在相同的条件下重新拷版。铜层的厚度现在为70 μm。使用4 μm的无电流的镍和0.05 μm的无电流的金强化所述铜层，该强化作用是耐腐蚀的和可焊接的。该金属化如此紧密地连接在陶瓷上，从而使所述Via也没有漏洞，通过漏洞例如稀释的粘合剂可以渗透到上面的LED面上。
本发明实施方案的特征：
• 具有拷版的由铜或铜合金构成的印制导线和接触点的氮化铝陶瓷印制电路板，其中印制导线和接触点的厚度或高度或铜厚度为20-500 μm，优选20-125 μm，特别优选60-90 μm。
• 在所述印制电路板上布置有用铜、钨或钼填充的Via。
• 为了制备而使用氮化铝陶瓷基板，为了将所述Via引入其位置而将该基板在烧结前进行冲压或在烧结后通过激光辐射进行激光钻孔。
• 通过至少两个丝网印刷操作和拷版操作使用铜或铜合金将印制导线和接触点施加在陶瓷基板上。
• 两种糊料被使用和进行拷版。直接与陶瓷基板相邻或位于其上的糊料是具有玻璃含量的粘合糊料，而位于其上的覆盖糊料具有低玻璃含量，因为所述印制导线和接触点应该是能够电镀的。
• 在两次丝网印刷操作过程中，使用完全相同的丝网印刷线路设计。如果在几个位置上不需要厚的印制导线或厚的接触点，则在这个或这些位置上可以不需要第二丝网印刷操作。
• 优选地，实施第二印刷时向周边减少约0.01-0.05 mm，以便第二糊料不会在第一层的“坡”上向下滑落而使该结构不可控地扩散。
• 在第一丝网印刷操作中，使用高粘度的铜糊料作为粘合糊料，其粘度为800-1200 Pa∙s。其优选900-1100 Pa∙s和特别优选1000 Pa∙s。
• 覆盖糊料的粘度低于粘合糊料的粘度，以便可以使表面更光滑和保持丝网印痕低。覆盖糊料的粘度优选小于粘合糊料的粘度。优选地，覆盖糊料粘度为粘合糊料粘度的1/3-2/3，并且特别优选为粘合糊料粘度的40-60%。粘合糊料和覆盖糊料的化学性质相同，除了玻璃含量外，其区别仅在于它们的粘度不同。
• 所述粘合糊料的铜糊料含有CuO和/或Cu2O和适合于AlN的ZnO-SiO2粘合玻璃。
• 在第一丝网印刷操作之后，在合适的温度（优选80℃）干燥所述陶瓷基板。
• AlN陶瓷基板的大小优选为114×114×0.38 mm。陶瓷基板的厚度为0.38 mm。
• 优选在900℃在具有N2（氮气）的拷版炉中进行拷版，其中将氧含量控制在6-10 ppm O2。
• 在拷版炉中，铜无论如何不能接触助燃剂。

Claims (12)

1.制备在两面的至少一个面上具有印制电导线和接触点以及具有至少一个通孔敷镀-穿孔（Via）的陶瓷印制电路板的方法，其特征在于下列连续的方法步骤：
a) 制备氮化铝陶瓷基板，并将穿孔引入到为所述Via设计的位置；
b) 用由铜、钨、钼或它们的合金或混合物形成的第一粘合糊料填充所述穿孔；和
c) 通过第一丝网印刷操作按照印制导线和接触点的所需线路设计使用第二粘合糊料一次性套印所述陶瓷基板的至少一个面；
d) 任选使用第二粘合糊料完全或部分重复所述套印过程；
e) 在具有N2（氮气）的拷版炉中拷版印制的陶瓷基板，其中将氧含量控制在0-50 ppm O2；
f） 通过第二丝网印刷操作将玻璃含量低的覆盖糊料印制在所述第二粘合糊料上，直到达到印制导线和接触点的所需厚度；
g) 在具有N2（氮气）的拷版炉中拷版印制的陶瓷基板，其中将氧含量控制在0-50 ppm O2。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，在每次丝网印刷操作之后进行陶瓷基板的后续干燥过程或拷版过程。
3.根据权利要求1或2的方法，其特征在于，使用无电流的镍和无电流的金强化所述印制导线和接触点或所述经拷版的覆盖糊料。
4.根据权利要求1至3之一的方法，其特征在于，所述的将穿孔引入到为所述Via设计的位置是在烧结前通过冲压或在烧结后通过激光辐射进行的。
5.根据权利要求1至4之一的方法，其特征在于，使用高粘度的铜糊料作为第一粘合糊料，其粘度为800-1200 Pa∙s，优选900-1100 Pa∙s和特别优选1000 Pa∙s。
6.根据权利要求5的方法，其特征在于，所述铜糊料含有CuO或Cu2O和适合于AlN的粘合玻璃，优选ZnO-SiO2粘合玻璃。
7.根据权利要求5或6的方法，其特征在于，在所述铜糊料中含有扩大体积的成分，例如Al或Ti，并且含有在加热时释放铜的物质，例如CuCl。
8.根据权利要求1至7之一的方法，其特征在于，所述第二粘合糊料与所述第一粘合糊料除了在粘度方面外都相同，其中所述第二粘合糊料的粘度比所述第一粘合糊料的粘度低了大约一半。
9.根据权利要求8的方法，其特征在于，所述第二粘合糊料的粘度为500 Pa∙s。
10.根据上述权利要求之一的方法，其特征在于，所述覆盖糊料与所述粘合糊料除了在缺少粘合玻璃方面外都相同，然后所述覆盖糊料具有比所述粘合糊料更低的粘度，其中覆盖糊料粘度为粘合糊料粘度的1/3-2/3，并且特别优选为粘合糊料粘度的40-60%。
11.根据上述权利要求之一的方法，其特征在于，在重复套印所述印制导线和接触点的情况下，实施套印时向周边减少0.01-0.05 mm。
12.具有印制导线和接触点的陶瓷印制电路板，其特别是根据权利要求1-11之一的方法制备，其特征在于，所述印制导线和接触点的垂直厚度或高度为20-125 μm，优选60-90 μm。
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