CN104072186A

CN104072186A - 一种陶瓷覆铜板的制备方法

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Publication number: CN104072186A
Application number: CN201310101343.2A
Authority: CN
Inventors: 徐强; 林信平
Original assignee: BYD Co Ltd
Current assignee: BYD Co Ltd
Priority date: 2013-03-27
Filing date: 2013-03-27
Publication date: 2014-10-01
Anticipated expiration: 2033-03-27
Also published as: CN104072186B

Abstract

本发明提供了一种陶瓷覆铜板的制备方法，包括以下步骤：S10、对厚度为0.2-0.6mm的铜箔的一个表面在微氧氮气环境中进行氧化；S20、然后将铜箔具有氧化层的一个表面与氧化铝陶瓷基板贴合，并在1060-1080℃下共烧结，冷却后得到陶瓷覆铜基材；S30、对陶瓷覆铜基材的铜箔表面进行刷磨，然后进行一次蚀刻对铜层减薄；S40、然后进行贴膜、曝光、显影处理，并通过二次蚀刻形成线路图形，得到所述陶瓷覆铜板。采用本发明提供的制备方法制备得到的陶瓷覆铜板，其表面线路具有较高的精度，同时表面线路层与陶瓷基板具有良好的附着力。

Description

一种陶瓷覆铜板的制备方法

技术领域

本发明属于陶瓷金属化基板领域，尤其涉及一种陶瓷覆铜板的制备方法。

背景技术

总所周知，作为电子材料而被广泛使用的陶瓷金属化基板的制造方法镀膜法和直接焊铜法。其中，镀膜法形成的线路板与陶瓷基板的结合较差，而直接焊铜法虽然能保证铜层与陶瓷基板具有较高的结合力，又无法保证后续蚀刻时形成精度较高的金属线路。

例如CN101483217A中公开一种LED高导热陶瓷覆铜散热电路板的制备方法，通过将10-100微米的铜箔表面先采用热风氧化，然后与陶瓷基板复合并进行1060-1080℃共烧结，然后通过线路蚀刻，得到表面具有精细线路的陶瓷覆铜板。该方法中，采用厚度为10-100微米的铜箔与陶瓷基板进行共烧结，在烧结过程中铜箔会产生翘曲，难以得到良好良率的产品，制约其大规模的生产。

发明内容

本发明解决了现有技术中制备陶瓷覆铜板存在的铜层与陶瓷基板之间的良好附着力、以及陶瓷覆铜板表面线路高精度无法同时保证的技术问题。

因此，本发明提供了一种陶瓷覆铜板的制备方法，包括以下步骤：

S10、对厚度为0.2-0.6mm的铜箔的一个表面进行氧化，在该表面形成氧化层；所述氧化的条件包括：氧化氛围为含氧氮气环境，所述氮气中氧浓度为50-500ppm，氧化温度为500-1000℃；

S20、将铜箔具有氧化层的一个表面与氧化铝陶瓷基板贴合，然后在1060-1080℃下共烧结，冷却后得到表面具有铜箔的陶瓷覆铜基材；

S30、对陶瓷覆铜基材的铜箔表面进行刷磨至表面平整，然后采用蚀刻液进行一次蚀刻，至陶瓷覆铜基材表面的铜层厚度为50-150微米；

S40、将经过一次蚀刻的陶瓷覆铜基材进行贴膜、曝光、显影处理，然后采用蚀刻液进行二次蚀刻，形成线路图形，得到所述陶瓷覆铜板。

本发明提供的陶瓷覆铜板的制备方法，实际仍为直接焊铜法，其采用厚度较大（0.2-0.6mm）的铜箔与氧化铝陶瓷基板进行共烧结，能有效防止烧结过程中铜箔发生翘曲、鼓起的现象产生；然后对共烧结形成的陶瓷覆铜基材先采用一次蚀刻，使表面铜箔的厚度整体减薄至50-150微米，然后再通过二次蚀刻形成线路图形，防止直接一次蚀刻时产生较大侧蚀而使得线路精度降低。采用本发明提供的制备方法制备得到的陶瓷覆铜板，其表面线路具有较高的精度，同时表面线路层与陶瓷基板具有良好的附着力。

具体实施方式

本发明提供了一种陶瓷覆铜板的制备方法，包括以下步骤：

发明人发现，现有技术中，采用镀膜法制备陶瓷覆铜板时，由于表面线路层通过真空蒸发、溅射、化学镀以及印刷金属浆料等各种方法形成，形成的镀层与陶瓷基板的附着力非常低。而采用直接焊铜法时，若直接采用厚度较小的铜箔与陶瓷基板共烧结，则烧结时铜箔会产生翘曲变形，大大降低铜箔层与陶瓷基板的附着力，导致产品良率较低。而采用厚度较大的铜箔与陶瓷基板共烧结后，得到的陶瓷覆铜基材表面的铜箔厚度较大，在后续蚀刻形成线路时所需蚀刻时间较长，侧蚀现象严重，无法保证线路精度。

而本发明提供的陶瓷覆铜板的制备方法，实际仍为直接焊铜法，然后对后续形成线路的方法进行改进，保证其表面线路精度。具体地，本发明提供的制备方法包括先采用厚度较大（0.2-0.6mm）的铜箔与氧化铝陶瓷基板进行共烧结，得到陶瓷覆铜基材，然后对该陶瓷覆铜基材表面的所有铜箔层进行一次蚀刻，使表面铜箔的厚度整体减薄至50-150微米，然后再通过二次蚀刻（即铜层表面选择性蚀刻）形成线路图形，防止直接一次蚀刻时产生较大侧蚀而使得线路精度降低。采用本发明提供的制备方法制备得到的陶瓷覆铜板，其表面线路具有较高的精度，同时表面线路层与陶瓷基板具有良好的附着力。

具体地，根据本发明的方法，先对厚铜箔的一个表面进行氧化，其步骤包括：将铜箔的一面放置于一个陶瓷垫板上，然后整体放入网带烧结炉中进行氧化；其中，所述陶瓷垫板为氧化铝陶瓷片。本发明中，所述氧化的条件包括：氧化氛围为含氧氮气环境，所述氮气中氧浓度为50-500ppm。所述氧化温度为本领域技术人员公知的能将铜箔表面轻微氧化形成氧化膜层的温度，本发明没有特殊限定。优选情况下，氧化温度为500-1000℃；在此氧化温度下，陶瓷垫板与铜箔之间不会发生反应，从而可对铜箔的一个表面起到保护、防止其被氧化的作用。所述铜箔的厚度为0.2-0.6mm，优选为0.2-0.4mm。

本发明中，对铜箔的一个表面进行氧化时，采用的氧化氛围为微氧氮气环境（氮气中氧浓度为50-500ppm），相对于现有技术中采用的直接热风氧化，此氧化氛围更均匀，形成的氧化膜质量较高，便于后续与陶瓷基板进行共晶液相润湿层。优选情况下，氮气中氧浓度为100-200ppm。

然后将一个表面具有氧化膜层的铜箔与氧化铝陶瓷基板贴合，贴合时使铜箔上具有氧化膜层的一面与氧化铝陶瓷基板接触，然后在1060-1080℃下共烧结，优选共烧结的温度为1064-1073℃。在本发明的共烧结温度下，铜箔中的铜与氧化膜形成微量的铜-氧化亚铜共晶液相，该液相与陶瓷基板中的铝、镁、锆、氧等元素形成铜铝尖晶石共晶结合界面，从而使铜箔与陶瓷基板形成牢固的复合结构，即得到所述陶瓷覆铜基材。本发明中，所述氧化铝陶瓷基板的厚度在常规厚度范围即可，本发明没有特殊要求，例如其厚度可为0.1-1.5mm，优选为0.38-1mm，但不局限于此。本发明中，所述氧化和共烧结均可在网带烧结炉中进行。

根据本发明的方法，然后对陶瓷覆铜基材的铜箔表面进行刷磨处理。发明人发现，虽然本发明中所采用的铜箔的厚度较大，其在共烧时不会产生翘曲现象，但可能会导致铜箔表面厚度不均匀的现象产生。为了保证后续蚀刻时铜层表面的平整性，因此，在一次蚀刻之前，先对铜箔表面进行刷磨处理，至铜箔表面平整。所述刷磨采用刷磨机进行，该刷磨机为本领域技术人员常用的刷磨机，其包括两个刷辊。优选情况下，第一个刷辊的尺寸为100-300目，第二个刷辊的尺寸为500-800目。通过两个尺寸不同的刷辊对铜箔表面的刷磨，能基本去除铜箔表面厚度不均匀的情况。

优选情况下，步骤S30中，在对陶瓷覆铜基材进行刷磨之前，还包括将陶瓷覆铜基材放入5wt%硫酸中清洗的步骤，清洗时间为0.5-3min ，优选为1-2min。采用稀硫酸对陶瓷覆铜基材进行清洗的主要目的是防止铜箔氧化时另一面也发生微氧化，从而通过稀硫酸腐蚀去除该表面的轻微氧化膜。

然后，对经过刷磨的陶瓷覆铜基材采用蚀刻液进行一次蚀刻处理。如前所述，本发明中，一次蚀刻的作用是对陶瓷覆铜基材表面的铜箔层的厚度整体减薄，便于后续二次蚀刻的进行，即一次蚀刻是不具有选择性的，而是针对铜箔的整个表面进行。所述一次蚀刻的方法采用蚀刻机进行，所述蚀刻机为本领域技术人员所公知，本发明中不再赘述。优选情况下，一次蚀刻采用的蚀刻机的蚀刻头长度为1-4m，优选为1-3m。蚀刻时走板速度为0.1-0.5m/min。蚀刻压力为0.1-0.4MPa ，优选为0.15-0.25MPa。

根据本发明的方法，通过一次蚀刻至陶瓷基板表面铜层厚度为50-150微米后，即可进行二次蚀刻，形成线路图形。二次蚀刻的目的是使陶瓷基板表面的铜层形成所需图形线路，因此，二次蚀刻是具有选择性的，即需形成线路部分不能被蚀刻去除，而非线路部分则需被蚀刻去掉。选择性二次蚀刻是通过贴膜、曝光、显影实现的。所述贴膜、曝光、显影的步骤为本领域技术人员所公知，本发明中没有特殊限定。最后，曝光区的金属铜在二次蚀刻时被保护，成为线路图案，未曝光区域的金属铜裸露于蚀刻液中被蚀刻去除。

所述二次蚀刻液也采用蚀刻机进行。优选情况下，二次蚀刻采用的蚀刻机的蚀刻头长度为1-4m，优选为1-3m。蚀刻时走板速度为0.1-0.5m/min，蚀刻压力为0.1-0.4MPa ，优选为0.15-0.25MPa。

本发明中，无论一次蚀刻、二次蚀刻，都是去除蚀刻区域的金属铜，因此一次蚀刻、二次蚀刻时采用能将与金属铜反应将其去除的各种蚀刻液即可，例如可以选自CuCl₂溶液、FeCl₃溶液、过硫酸铵溶液、硫酸/铬酸混合液、硫酸/双氧水混合液。一次蚀刻、二次蚀刻时采用的蚀刻液可以相同，也可以不同，本发明没有特殊限定。

作为本发明的一种优选实施方式，在对陶瓷覆铜基材进行贴膜之前，还包括将该陶瓷覆铜基材采用刷磨机进行二次刷磨的步骤，其作用与步骤S30中刷磨的作用相同，都是使铜层表面平整。所述二次刷磨采用的刷磨机包括一个刷辊，该刷辊的尺寸为800目。二次刷磨时也可直接采用第一次刷磨时采用的刷磨机进行，只打开其中一个刷辊刷一次即可。

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

（1）将铜片（厚度为0.3mm，尺寸为38mm×38mm）的一面与氧化铝陶瓷垫板材料接触，然后整体放在网带烧结炉内的网带上，炉内为微氧氮气环境下（氮气中氧浓度为200ppm），在800℃下对铜片的一个表面进行氧化；然后将铜片的氧化面与氧化铝陶瓷片（厚度为0.38mm，尺寸为40mm×40mm）贴合，然后整体在1073℃进行共烧结，冷却后得到单面覆铜的陶瓷覆铜基材S1。

（2）将该陶瓷覆铜基材S1放入5wt%硫酸溶液中清洗1min，然后放入刷磨机中进行表面刷磨平整化处理（刷磨机的先后两个刷辊的目数分别为240目、600目），再放入蚀刻头为2m长的蚀刻机中进行一次蚀刻减薄处理，蚀刻液为FeCl₃溶液，走板速度为0.12m/min，蚀刻压力为0.2Mpa，蚀刻时间为16min；水洗干燥，得到减薄后的陶瓷覆铜基材J1。

（3）将减薄后的陶瓷覆铜基材J1再放入刷磨机中进行二次刷磨处理（刷磨机仅打开一个刷辊，其目数为800目），刷磨次数为1次，水洗干燥；然后在黄光环境下，对经过二次刷磨处理的陶瓷覆铜基材J1表面进行贴膜、曝光、显影处理，然后再放入蚀刻头为2m长的蚀刻机中进行二次蚀刻处理，蚀刻液为FeCl₃溶液，走板速度为0.25m/min，蚀刻压力为0.2Mpa，蚀刻时间为8min；水洗干燥，得到本实施例的陶瓷覆铜板Y1。

实施例2

采用与实施例1相同的步骤制备本实施例的陶瓷覆铜板Y2，不同之处在于：

步骤（1）中，铜片厚度为0.2mm，得到的陶瓷覆铜基材记为S2；步骤（2）中，一次蚀刻时的走板速度为0.16m/min；步骤（3）中，二次蚀刻时的走板速度为0.24m/min；

通过上述步骤，步骤（2）得到的减薄后的陶瓷覆铜基材记为J2，步骤（3）最终得到的陶瓷覆铜板记为Y2。

实施例3

采用与实施例1相同的步骤制备本实施例的陶瓷覆铜板Y3，不同之处在于：

步骤（1）中，铜片厚度为0.4mm ，得到的陶瓷覆铜基材记为S3；步骤（2）中，一次蚀刻时的走板速度为0.08m/min；步骤（3）中，二次蚀刻时的走板速度为0.26m/min；

通过上述步骤，步骤（2）得到的减薄后的陶瓷覆铜基材记为J3，步骤（3）最终得到的陶瓷覆铜板记为Y3。

实施例4

采用与实施例1相同的步骤制备本实施例的陶瓷覆铜板Y4，不同之处在于：

步骤（1）中，氮气中氧浓度为60ppm，氧化温度为1000℃，共烧结温度为1080℃，得到的陶瓷覆铜基材记为S4；步骤（2）中，将陶瓷覆铜基材S4直接放入刷磨机先进行刷磨平整化处理，然后进行一次蚀刻，蚀刻液为硫酸/双氧水混合液，走板速度为0.1m/min；步骤（3）中，二次蚀刻时的走板速度为0.4m/min；

通过上述步骤，步骤（2）得到的减薄后的陶瓷覆铜基材记为J4，步骤（3）最终得到的陶瓷覆铜板记为Y4。

对比例1

采用与实施例1相同的步骤制备本对比例的陶瓷覆铜板DY1，不同之处在于：

步骤（2）中，将陶瓷覆铜基材S1放入5wt%硫酸溶液中清洗1min，然后放入刷磨机中进行表面刷磨平整化处理（刷磨机的先后两个刷辊的目数分别为240目、600目），然后在黄光环境下，对经过刷磨处理的陶瓷覆铜基材表面进行贴膜、曝光、显影处理，然后再放入蚀刻头为2m长的蚀刻机中进行蚀刻处理，蚀刻液为FeCl₃溶液，走板速度为0.08m/min，蚀刻压力为0.2Mpa，蚀刻时间为25min；水洗干燥，得到本对比例的陶瓷覆铜板DY1。

对比例2

采用与实施例2相同的步骤制备本对比例的陶瓷覆铜板DY2，不同之处在于：

步骤（2）中，将陶瓷覆铜基材S2放入5wt%硫酸溶液中清洗1min，然后放入刷磨机中进行表面刷磨平整化处理（刷磨机的先后两个刷辊的目数分别为240目、600目），然后在黄光环境下，对经过刷磨处理的陶瓷覆铜基材表面进行贴膜、曝光、显影处理，然后再放入蚀刻头为2m长的蚀刻机中进行蚀刻处理，蚀刻液为FeCl₃溶液，走板速度为0.1m/min，蚀刻压力为0.2Mpa，蚀刻时间为20min；水洗干燥，得到本对比例的陶瓷覆铜板DY2。

对比例3

采用与实施例3相同的步骤制备本对比例的陶瓷覆铜板DY3，不同之处在于：

步骤（2）中，将陶瓷覆铜基材S3放入5wt%硫酸溶液中清洗1min，然后放入刷磨机中进行表面刷磨平整化处理（刷磨机的先后两个刷辊的目数分别为240目、600目），然后在黄光环境下，对经过刷磨处理的陶瓷覆铜基材表面进行贴膜、曝光、显影处理，然后再放入蚀刻头为2m长的蚀刻机中进行蚀刻处理，蚀刻液为FeCl₃溶液，走板速度为0.06/min，蚀刻压力为0.2Mpa，蚀刻时间为33min；水洗干燥，得到本对比例的陶瓷覆铜板DY3。

对比例4

采用与实施例4相同的步骤制备本对比例的陶瓷覆铜板DY4，不同之处在于：

步骤（2）中，将陶瓷覆铜基材S4直接放入刷磨机中进行表面刷磨平整化处理（刷磨机的先后两个刷辊的目数分别为240目、600目），然后在黄光环境下，对经过刷磨处理的陶瓷覆铜基材表面进行贴膜、曝光、显影处理，然后再放入蚀刻头为2m长的蚀刻机中进行蚀刻处理，蚀刻液为硫酸/双氧水混合液，走板速度为0.08m/min，蚀刻压力为0.2Mpa，蚀刻时间为25min；水洗干燥，得到本对比例的陶瓷覆铜板DY4。

性能测试

1、一次蚀刻后铜厚测试

采用螺旋测微仪作为侧厚工具，对实施例1-4中步骤（2）得到的减薄后的陶瓷覆铜基材J1-J4的总厚度（t1）进行测试，各基材中陶瓷片的厚度为t2，则一次蚀刻后得到的陶瓷覆铜基材表面铜厚t=t1-t2。测试时采用多点测试的方法，每组测试均在待测基材的边角和中心分别取5点（A、B、C、D、F）进行测试。测试结果如表1所示。

表1

。

由上表1的测试结果可以看出，采用本发明提供的制备方法得到的陶瓷覆铜基材经过一次蚀刻减薄后，铜层表面能基本保持厚度一致，且平整性良好，为后续的贴膜以及二次蚀刻提供了良好的前提条件。

2、陶瓷覆铜板侧蚀量测试

在带有标尺的光学显微镜XJG-05下，对蚀刻后的覆铜线路板Y1-Y4和DY1-DY4进行了对比标准图形的侧蚀量测试，标准图形线距为d1，实际线路图形线距为d2，则侧蚀量d=(d2-d1)/2。测试中选用的标准图形的线距d1为0.6mm，每组测试都测5组数据后取其平均值，测试结果如表2所示。

表2

。

由上表2的测试结果可知，采用本发明提供的制备方法先对铜层进行一次蚀刻减薄后再进行二次蚀刻形成线路图形时，其侧蚀量明显减小，即得到的蚀刻后的线路精度越高。同时采用本发明提供的制备方法制备得到的陶瓷覆铜板中，铜层与陶瓷基板之间具有铜-陶瓷界面层，其通过铜氧共晶覆接而成，使得铜层与陶瓷基板之间结合力非常牢固，使得其在应用领域中可靠性高。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种陶瓷覆铜板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S10中，所述铜箔的厚度为0.2-0.4mm；氮气中氧浓度为100-200ppm。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，对铜箔的一个表面进行氧化的步骤包括：将铜箔的一面放置于一个陶瓷垫板上，然后整体放入网带烧结炉中进行氧化；所述陶瓷垫板为氧化铝陶瓷片。

4.根据权利要求1-3任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤S20中，所述氧化铝陶瓷基板的厚度为0.1-1.5mm。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤S20中，所述氧化铝陶瓷基板的厚度为0.38-1mm。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S20中，共烧结的温度为1064-1073℃。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S30中，所述刷磨时采用的刷磨机包括两个刷辊，第一个刷辊的尺寸为100-300目，第二个刷辊的尺寸为500-800目。

8.根据权利要求1或7所述的制备方法，其特征在于，步骤S30中，在对陶瓷覆铜基材进行刷磨之前，还包括将陶瓷覆铜基材放入5wt%硫酸中清洗的步骤，清洗时间为0.5-3min。

9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S40中，在对陶瓷覆铜基材进行贴膜之前，还包括将该陶瓷覆铜基材采用刷磨机进行二次刷磨的步骤；所述二次刷磨采用的刷磨机包括一个刷辊，该刷辊的尺寸为800目。

10.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S30和S40中，所述蚀刻液各自独立地选自CuCl₂溶液、FeCl₃溶液、过硫酸铵溶液、硫酸/铬酸混合液、硫酸/双氧水混合液。

11.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S30中，一次蚀刻采用的蚀刻机的蚀刻头长度为1-4m，蚀刻时走板速度为0.1-0.5m/min，蚀刻压力为0.1-0.4MPa。

12.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S40中，二次蚀刻采用的蚀刻机的蚀刻头长度为1-4m，蚀刻时走板速度为0.1-0.5m/min，蚀刻压力为0.1-0.4MPa。