CN107473774A - 铜‑陶瓷基板的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种铜‑陶瓷基板的制备方法，包括以下步骤：将纳米铜粉、纳米二氧化硅与有机溶剂混合，得到纳米铜膏；将所述纳米铜膏涂覆于陶瓷基板表面，再进行烧结，最后依次进行光刻、显影、电镀和蚀刻，得到铜‑陶瓷基板。本申请制备铜‑陶瓷基板的过程中，由于纳米铜粉、纳米二氧化硅的纳米尺寸效应与其中的纳米SiO2可与陶瓷基板中的三氧化二铝、氮化铝反应，从而可在较低的烧结温度下实现铜‑陶瓷间的高强度键合。
Description
技术领域
本发明涉及电子封装技术领域，尤其涉及铜-陶瓷基板的制备方法。
背景技术
对于电力电子封装而言，陶瓷基板由于具有的高热导率，使热量从芯片导出，实现与外界的电互连与热交换，同时还兼具布线(点互连)和机械支撑的功能。目前常用的散热基板主要包括LTCC、HTCC、DBC以及DPC陶瓷基板等。LTCC和HTCC基板内部金属线路层采用丝网印刷工艺制成，易产生线路粗糙、对位不精准、收缩比例问题，在高导热、高功率密度、高压以及大电流环境下的应用受限。
DBC基板各项性能良好，适用于高耐压大功率。然而，陶瓷基板裸片与金属材料的反应能力低、润湿性差，因此陶瓷基板与铜片之间易产生气孔最终使得结合强度降低；加之金属化工艺复杂，烧结温度相对较高(烧结温度大约为1065℃)，成本一直难以得到有效控制，目前只能应用于有特殊需求的领域。DPC基板是利用薄膜技术完成线路及图形的种子层，再用电化学沉积的方式加厚线路及图形，进而完成整个基板的金属化。但目前DPC基板需要克服的问题是种子层与陶瓷基板反应能力低，易产生气孔使得结合强度降低。
申请号201110310121.2的中国专利公开了低温烧结制备金属化陶瓷基板的方法，其是先在陶瓷基板表面镀一层金属层，然后通过丝网印刷工艺，将纳米金属膏印刷在陶瓷基板表面形成金属膏层，最后在一定的温度和气氛环境下烧结。该方法同样存在DPC基板种子层与陶瓷基板结合强度不足的问题。
发明内容
本发明解决的技术问题在于提供一种铜-陶瓷基板的制备方法，本申请提供的铜-陶瓷基板的制备方法，可在较低的温度下实现铜-陶瓷间的高强度键合。
有鉴于此，本申请提供了一种铜-陶瓷基板的制备方法，包括以下步骤：
将纳米铜粉、纳米二氧化硅与有机溶剂混合，得到纳米铜膏；
将所述纳米铜膏涂覆于陶瓷基板表面，再进行烧结，最后依次进行光刻、显影、电镀和蚀刻，得到铜-陶瓷基板。
优选的，所述纳米铜粉的粒径为1～100nm，所述纳米二氧化硅的粒径为1～100nm。
优选的，所述纳米铜粉的粒径为5～50nm，所述纳米二氧化硅的粒径为5～30nm。
优选的，所述纳米铜膏涂覆于陶瓷基板表面形成的纳米铜膏层的厚度为0.05～0.5mm。
优选的，所述纳米铜膏中纳米铜粉的含量为70wt％～85wt％，纳米二氧化硅的含量为1wt％～5wt％。
优选的，所述有机溶剂为甲苯、二甲苯、甲醇、乙醇、异丙醇、丙二醇、乙醚、丙酮、甲基丁酮、醋酸甲酯、醋酸乙酯和乙酸乙酯中的一种或多种。
优选的，所述陶瓷基板的材质为氧化铝、氮化铝、氧化铍或碳化硅。
优选的，所述烧结在氮气的保护气氛下进行，所述烧结的温度为200～450℃，时间为30～90min。
本申请提供了一种铜-陶瓷基板的制备方法，其是将纳米铜粉、纳米二氧化硅与有机溶剂混合，得到纳米铜膏；再将纳米铜膏涂覆于陶瓷基板表面，然后进行烧结，最后依次进行光刻、显影、电镀和蚀刻，得到铜-陶瓷基板。在制备铜-陶瓷基板的过程中，本申请通过添加具有纳米尺寸效应的纳米铜粉与纳米二氧化硅，同时由于纳米SiO2可以与陶瓷基板中的Al2O3与AlN发生反应，因此可在较低烧结温度(200～450℃)实现铜-陶瓷间的高强度键合。
附图说明
图1为本发明制备铜-陶瓷基板的流程图。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
目前，DPC基板需要克服种子层与陶瓷基板反应能力低，易产生气孔使得结合强度降低的问题，由此本申请提供了一种铜-陶瓷基板的制备方法，该制备方法通过采用纳米铜粉、纳米二氧化硅，实现了在较低的温度和压力下铜与陶瓷间的高强度键合。由此，本申请提供了本发明实施例公开了一种铜-陶瓷基板的制备方法，包括以下步骤：
将纳米铜粉、纳米二氧化硅与有机溶剂混合，得到纳米铜膏；
将所述纳米铜膏涂覆于陶瓷基板表面，再进行烧结，最后依次进行光刻、显影、电镀和蚀刻，得到铜-陶瓷基板。
按照本发明，在制备铜-陶瓷基板的过程中，首先将纳米铜粉、纳米二氧化硅与有机溶剂混合，得到纳米铜膏；所述有机溶剂为本领域技术人员熟知的，对此本申请没有特别的限制，示例的，所述有机溶剂选自甲苯、二甲苯、甲醇、乙醇、异丙醇、丙二醇、乙醚、丙酮、甲基丁酮、醋酸甲酯、醋酸乙酯和乙酸乙酯中的一种或多种；在具体实施例中，所述有机溶剂选自乙酸乙酯与异丙醇。所述纳米铜粉的粒径为1～100nm，在具体实施例中，所述纳米铜粉的粒径为5～50nm；所述纳米二氧化硅的粒径为1～100nm，在具体实施例中，所述纳米二氧化硅的粒径为5～30nm。本申请在制备铜-陶瓷基板的过程中，引入了纳米铜粉与纳米二氧化硅，利用上述两种原料的纳米尺寸效应降低了铜-陶瓷基板的烧结温度与压力；上述纳米尺寸效应是指纳米材料的小尺寸效应，即当金属颗粒的尺寸减小到纳米尺寸时，金属颗粒的熔点将有明显的降低，能很好的实现纳米铜膏的低温烧结。
在纳米铜膏中，所述纳米铜粉的含量为70～85wt％，在具体实施例中，所述纳米铜粉的含量为75～80wt％，所述纳米二氧化硅的含量为1～5wt％，在具体实施例中，所述纳米二氧化硅的含量为2～5wt％；余量为有机溶剂；通过控制纳米二氧化硅的质量分数以避免其影响烧结后线路的导电性能，若比例过大将导致烧结后的金属线路与陶瓷基板的结合强度不高，过小则将影响烧结后线路的导电性能。
在得到纳米铜膏后，为了避免引入杂质，所述陶瓷基板预先进行了表面清洁，再将纳米铜膏涂覆于陶瓷基板表面，真空干燥后得到纳米铜膏层。在此过程中，所述涂覆或涂覆的方式可按照本领域技术人员熟知的方式进行即可；所述真空干燥的时间为10～20min，所述纳米铜膏层的厚度为0.05～0.5mm，在具体实施例中，所述纳米铜膏层的厚度为100～350μm。所述陶瓷基板的材质可以为氧化铝，可以为氮化铝，还可以为氧化铍或碳化硅。根据使用需要，可以在陶瓷基板的一个表面涂覆纳米铜膏层，也可以在陶瓷基板的两个表面均涂覆纳米铜膏层，对此本申请没有特别的限制。
按照本发明，然后将陶瓷基板进行烧结，使纳米铜膏层在界面处形成过渡层，所述烧结的温度为200～450℃，时间为30～90min。由于纳米铜粉与纳米二氧化硅的存在，使得陶瓷基板的烧结温度降低，且进行普通烧结即可。
本申请最后将制备的含纳米铜金属线路层的铜-陶瓷基板依次进行光刻、显影、电镀与蚀刻，得到铜-陶瓷基板；所述光刻、显影、电镀与蚀刻均为本领域技术人员熟知的技术手段，此处不进行特别的限制。
如图1所示，图1为本发明铜-陶瓷基板的制备流程示意图，其中1为陶瓷片，2为纳米铜膏层，3微纳米铜金属层，4为光刻胶，5为铜线路图形，6为金属线路图形，由图1可以清楚地看出，铜-陶瓷基板的制备流程。
本申请提供的铜-陶瓷基板的制备过程中，由于纳米铜粉与纳米二氧化硅的纳米尺寸效应以及纳米SiO2可与陶瓷基板中的Al2O3/AlN发生反应，因此，本申请在制备铜-陶瓷基板的过程中可在较低的温度实现铜-陶瓷间的高强度键合。
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的Cu/SiO2复合材料的制备方法与铜-陶瓷基板的制备方法进行详细说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。
实施例1
材料：5nm～50nm的纳米铜粉，5nm～30nm的纳米SiO2粉末，有机溶剂为乙酸乙酯、异丙醇；
制作工艺：
1)把纳米铜粉、纳米SiO2粉末和有机溶剂按质量比80:2:18混合搅拌均匀，制成纳米铜膏；
2)表面清洁：将氧化铝陶瓷基板进行超声清洗10分钟后烘干；
3)涂覆和干燥：将纳米铜膏涂覆在氧化铝陶瓷基板表面，真空干燥20分钟后，得到厚度为200微米的纳米铜膏层；
4)烧结：将带有纳米铜膏层的氧化铝陶瓷基板放进烧结炉内，在氮气的保护下350℃烧结60分钟后冷却，得到铜-陶瓷基板；
5)制作线路：在陶瓷基板上涂覆光刻胶，再按照线路进行显影处理，之后进行图形电镀，最后将线路之外的光刻胶去除，就可以获得有线路的陶瓷基板；
6)蚀刻：通过蚀刻工艺去除多余的纳米铜膏层；
7)清洗：将陶瓷基板放入等离子清洗机中清洗，对线路表面进行清洁。
实施例2
材料：5nm～20nm的纳米铜粉，5nm～20nm的纳米SiO2粉末，有机溶剂为乙酸乙酯、异丙醇；
制作工艺：
1)把纳米铜粉、纳米SiO2粉末和有机溶剂按质量比75:5:20混合搅拌均匀，制成纳米铜膏；
2)表面清洁：将氮化铝陶瓷基板进行超声清洗10分钟后烘干；
3)涂覆和干燥：将纳米铜膏涂覆在氮化铝陶瓷基板表面，真空干燥20分钟后，得到厚度为300微米的纳米铜膏层；
4)烧结：将带有纳米铜膏层的氮化铝陶瓷基板放进烧结炉内，在氮气的保护下300℃烧结60分钟后冷却，得到铜-陶瓷基板；
5)制作线路：在陶瓷基板上涂覆光刻胶，再按照线路进行显影处理，之后进行图形电镀，最后将线路之外的光刻胶去除，就可以获得有线路的陶瓷基板；
6)蚀刻：通过蚀刻工艺去除多余的纳米铜膏层；
7)清洗：将陶瓷基板放入等离子清洗机中清洗，对线路表面进行清洁。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (8)
1.一种铜-陶瓷基板的制备方法，包括以下步骤：
将纳米铜粉、纳米二氧化硅与有机溶剂混合，得到纳米铜膏；
将所述纳米铜膏涂覆于陶瓷基板表面，再进行烧结，最后依次进行光刻、显影、电镀和蚀刻，得到铜-陶瓷基板。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述纳米铜粉的粒径为1～100nm，所述纳米二氧化硅的粒径为1～100nm。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述纳米铜粉的粒径为5～50nm，所述纳米二氧化硅的粒径为5～30nm。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述纳米铜膏涂覆于陶瓷基板表面形成的纳米铜膏层的厚度为0.05～0.5mm。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述纳米铜膏中纳米铜粉的含量为70wt％～85wt％，纳米二氧化硅的含量为1wt％～5wt％。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述有机溶剂为甲苯、二甲苯、甲醇、乙醇、异丙醇、丙二醇、乙醚、丙酮、甲基丁酮、醋酸甲酯、醋酸乙酯和乙酸乙酯中的一种或多种。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述陶瓷基板的材质为氧化铝、氮化铝、氧化铍或碳化硅。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述烧结在氮气的保护气氛下进行，所述烧结的温度为200～450℃，时间为30～90min。
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