CN107863436B - 一种含金属腔体的三维陶瓷基板及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种含金属腔体的三维陶瓷基板，包括平面陶瓷基板，该三维陶瓷基板还包括设于所述平面陶瓷基板上的金属腔体；所述平面陶瓷基板包括陶瓷基片，所述陶瓷基片的表面设有多个独立线路和环形铜镀层，呈多排多列布置；所述金属腔体包括电镀键合层和金属孔板，所述金属孔板包括金属片和镂空孔，所述镂空孔的结构和尺寸与所述环形铜镀层的内孔结构和尺寸相匹配；且所述金属孔板通过所述电镀键合层实现与所述平面陶瓷基板的连接。本发明还提供了一种该三维陶瓷基板的制备方法。本发明含金属腔体的三维陶瓷基板，强度高、耐热性好、耐腐蚀，制备工艺简单，材料成本低。
Description
技术领域
本发明属于电子制造技术领域，更具体地，涉及一种含金属腔体的三维陶瓷基板及其制备方法。
背景技术
白光LED(Light Emitting Diode，发光二极管)相比于传统照明光源(白炽灯、荧光灯等)，具有光效高、使用寿命长、节能环保等优点。目前白光LED一般采用蓝光LED芯片激发黄色荧光粉来获得白光，如图1所示。荧光粉胶层一般采用涂覆工艺制备，由于荧光粉沉淀(浓度不均匀)或胶层厚度不均匀，导致LED模组发光存在空间颜色均匀性等问题；此外，为了提高模组出光效率，通常采用模顶(Molding)工艺制备透镜。
为了降低白光LED封装成本，解决空间颜色均匀性等问题，研发人员提出采用高分子材料制备围坝，形成腔体结构(容纳LED芯片，并充填荧光粉胶)。由于封装工艺简单(无需制备透镜)，荧光粉胶层厚度均匀，特别适合COB(板上芯片封装)、多芯片集成封装等LED封装需求，但由于高分子材料耐热性差，热导率低，难以满足大功率LED或高温环境下LED器件封装需求。为此，研发人员提出采用具有陶瓷围坝结构的LTCC(低温共烧陶瓷基板)来封装白光LED。工程上为了降低LTCC制备温度，在陶瓷胚料中添加了玻璃粉，致使LTCC综合热导率低(2-3W/m.K)，且工艺成本高，难以在白光LED封装中广泛应用。
专利CN204102938提出采用丝网印刷+高温烧结技术在陶瓷基片上直接制备陶瓷围坝，如图2所示。由于丝网印刷图形精度差，且陶瓷浆料烧结温度高(一般大于850度)，该技术仅适用于在厚膜陶瓷基板TFC上制备陶瓷围坝；专利CN106783755提出通过电镀加厚直接制备含金属围坝的陶瓷基板方法，如图3所示。由于采用了多次“光刻+电镀”技术，工艺时间长(大于10小时)，成本高；此外，还有研究者提出在陶瓷基板上粘结金属或陶瓷围坝，制备三维封装基板。但粘胶材料耐热性与耐老化性能差(如抗紫外线等)，且陶瓷、金属、粘胶材料热膨胀系数(CTE)差较大，严重影响了LED器件可靠性。
综上所述，现有三维封装基板要么采用高温工艺制备，要么采用电镀和低温粘接工艺制备，都存在一些技术缺陷，限制了其批量生产与应用。另一方面，对于紫外/深紫外LED、加速度计、陀螺仪等精密电子器件，或在高温高湿等恶劣环境下使用的电子器件，必须选用具有腔体结构的三维基板，实现气密封装(芯片置于腔体中，防止外界水汽、氧气、灰尘等影响)，因此，开发三维封装基板制备技术意义重大。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种含金属腔体的三维陶瓷基板及其制备方法，其目的在于，通过电镀键合快速制备具有金属腔体的三维封装基板，满足电子器件气密封装需求。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供一种含金属腔体的三维陶瓷基板，包括平面陶瓷基板，该三维陶瓷基板还包括设于所述平面陶瓷基板上的金属腔体；
所述平面陶瓷基板包括陶瓷基片，所述陶瓷基片的表面设有多个独立线路和环形镀铜层，呈多排多列布置；
所述金属腔体包括电镀键合层和金属孔板，所述金属孔板设于所述环形镀铜层的上方，包括金属片和镂空孔，所述镂空孔的结构和尺寸与所述环形镀铜层内孔的结构和尺寸相匹配；且
所述金属孔板通过所述电镀键合层实现与所述平面陶瓷基板连接，从而形成含金属腔体的三维陶瓷基板。
进一步地，所述陶瓷基片上设有多个金属通孔。
进一步地，所述金属孔板由铜、铜合金、铝或铝合金制备而成。
进一步地，所述金属腔体结构为圆环形、正方环形、长方环形或其他闭合环形结构。
按照本发明的另一个方面，提供一种所述的含金属腔体的三维陶瓷基板制备方法，包括如下步骤：
(1)制备含独立线路和环形镀铜层的平面陶瓷基板；
(2)根据环形镀铜层的内孔结构和尺寸，设计和加工具有镂空孔结构的金属孔板；
(3)清洗平面陶瓷基板和金属孔板，并将平面陶瓷基板与金属孔板对准后夹紧，中间采用间隔片隔离；
(4)将对准夹紧后的平面陶瓷基板与金属孔板置于电镀槽中，通过电镀实现金属孔板与陶瓷基板环形镀铜层间键合；
(5)采用机械切割或激光划片得到含金属腔体的三维陶瓷基板。
进一步地，所述金属孔板厚度为0.1mm～3mm，优选厚度为0.3mm～1.0mm；
进一步地，所述间隔片的厚度为0.05～0.15mm；
进一步地，所述电镀槽安装有真空除气和射流装置；
进一步地，所述电镀槽设有脉冲电镀电源。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明含金属腔体的三维陶瓷基板，由平面陶瓷基板及设于其上的金属腔体组成，金属腔体由金属孔板通过电镀键合制备在平面陶瓷基板上，所形成的含腔体结构的三维陶瓷基板强度高(抗压强度大于30MPa)，耐热性好、耐腐蚀。
(2)本发明含金属腔体的三维陶瓷基板制备方法，采用电镀工艺实现金属孔板与平面陶瓷基板环形镀铜层间的直接键合(电镀填充两者间隙)，制备含金属腔体的三维陶瓷基板。
(3)本发明含金属腔体的三维陶瓷基板制备方法，通过加工具有不同结构(形状、尺寸和厚度)的金属孔板，可以快速制备具有不同腔体结构的三维陶瓷基板，具有材料成本低、工艺简单等优点，满足白光LED、紫外LED及其他电子器件气密封装需求。
附图说明
图1为现有技术中含透镜的白光LED模组结构示意图；图1中，11-封装基板、12-金属线路、13-金线、14-LED芯片、15-荧光粉胶、16-透镜。
图2是现有采用高温烧结技术制备的三维陶瓷基板结构示意图。21为平面陶瓷基板，22为陶瓷围坝(腔体)。
图3通过电镀加厚直接制备含金属围坝的陶瓷基板示意图。31是平面陶瓷基板，32为电镀增厚制备的金属围坝。
图4是现有采用粘接工艺制备的三维陶瓷基板示意图。41为金属或陶瓷围坝(腔体)，42为粘结材料，43为平面陶瓷基板。
图5(a)是本发明实施例含金属腔体的三维陶瓷基板结构示意图。51为平面陶瓷基板，52为独立线路，53为金属通孔，54为环形镀铜层，55为电镀键合层，56为金属孔板，57为金属围坝(54+55+56)；
图5(b)是本发明实施例含金属腔体的三维陶瓷基板三维示意图；其中，501为陶瓷基片；502为金属围坝；503为金属线路层。
图6为本发明实施例中平面陶瓷基板结构示意图。61为陶瓷基片，62为独立线路(电极)，63为环形镀铜层，64为金属通孔，65为干膜(电镀阻挡层)。
图7为本发明实施例中金属孔板结构。71为金属片，72为镂空孔。
图8(a)为本发明实施例中电镀键合示意图。81为电镀阴极，82为电镀槽，83为电镀电源，84为真空泵，85为射流装置，86为电镀阳极。
图8(b)为图8(a)中电镀阴极A处局部放大图示意图。801为透明塑料孔板，802为金属孔板，803为间隔片，804为光刻胶，805为DPC陶瓷基板。
图9为本发明实施例含金属腔体的三维陶瓷基板制备流程图。
图10为实施例1中含金属腔体的三维陶瓷基板示意图。101为平面DPC陶瓷基板，102为陶瓷基片，103为独立线路(电极)，104为金属通孔，105为金属腔体(围坝)。
图11为实施例1中三维陶瓷基板示意图。
图12为实施例2中含金属腔体的三维陶瓷基板示意图。121为平面DPC陶瓷基板，122为陶瓷基片，123为独立线路(电极)，124为金属腔体(围坝)。
图13为实施例2中三维陶瓷基板示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，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用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图5(a)是本发明实施例含金属腔体的三维陶瓷基板结构示意图。如图5a所示，该三维陶瓷基板结构包括平面陶瓷基板51、设于其上的独立线路52和金属腔体57，该金属腔体57包括环形镀铜层54、电镀键合层55和金属孔板56，金属孔板56通过电镀键合层55和环形镀铜层54与平面陶瓷基板51实现连接。在本发明的一个实施例中，平面陶瓷基板51上开设有多个金属通孔53。
图5(b)是本发明实施例含金属腔体的三维陶瓷基板三维示意图；如图5(b)所示，平面陶瓷基板51包括陶瓷片501和金属线路层503。
图6为本发明实施例中平面陶瓷基板结构示意图。在本发明的一个实施例中，平面陶瓷基板51为DPC陶瓷基板，如图6所示，该DPC陶瓷基板包括陶瓷基片61、独立线路62、环形镀铜层63、金属通孔64及干膜(电镀阻挡层)65。
图7为本发明实施例涉及的金属孔板结构示意图。如图7所示，金属孔板包括金属片71和镂空孔72，其中镂空孔72为多个，阵列布置于金属片71上。
图8(a)为本发明实施例涉及的电镀键合装置结构示意图。如图8a所示，该电镀键合装置包括电镀阴极81、电镀槽82、电镀电源83、真空泵84，射流装置85及电镀阳极86。其中，电镀阴极81和电镀阳极86分别设于电镀槽82两侧壁的内部，且电镀阴极81通过导线与电镀电源83的负极连接，电镀阳极86通过导线与电镀电源83的正极连接；射流装置85设于电镀阳极86一侧的外部，且穿过该侧壁，插入电镀槽82内。真空泵84设于射流装置85的上方，穿过该侧壁，插入电镀槽82内。
图8(b)为图8(a)中电镀阴极A处局部放大图示意图。如图8(b)所示，该电镀阴极81包括透明塑料孔板801、金属孔板802、间隔片803、光刻胶804及DPC陶瓷基板805。
本发明含金属腔体的三维陶瓷基板，由平面陶瓷基板及设于其上的金属腔体组成，金属腔体由金属孔板通过电镀键合制备在平面陶瓷基板上，所形成的含腔体结构的三维陶瓷基板的强度高(抗压强度大于30MPa)，耐热性好、耐腐蚀。
实施例1
图10为实施例1中含金属腔体的三维陶瓷基板示意图。如图10所示，实施例1提供了一种含金属腔体的三维陶瓷基板，包括平面陶瓷基板101和金属铜腔体结构105。其中，平面陶瓷基板由陶瓷基片102、独立线路103和金属通孔104组成；金属铜腔体位于平面陶瓷基板的环形镀铜层上，其结构为圆环形(内孔直径3mm，高度0.5mm)。
图9为本发明含实施例金属腔体的三维陶瓷基板制备流程图，如图9所示，具体制备过程包括：
(1)采用DPC工艺制备平面陶瓷基板(含电镀种子层)，表面布置有独立线路和圆环形镀铜层(根据金属腔体结构设计，圆环形镀铜层外径为5mm，内径为3mm，厚度为40um)，内部有金属通孔；
(2)采用光刻、显影等工艺，将光刻胶覆盖在DPC陶瓷基板的独立线路上(作为电镀阻挡层)，露出环形镀铜层；
(3)根据金属腔体结构要求，设计和加工含镂空孔铜板(厚度为0.3mm，孔径为3mm，孔间距与环形镀铜层的孔间距相同)和透明塑料孔板(厚度为2-3mm，孔径大于或等于金属孔径，孔位与金属通孔对应)；
(4)采用乙醇和去离子水分别清洗DPC陶瓷基板、含通孔铜板和透明塑料孔板，然后用氮气吹干；
(5)在DPC陶瓷基板和含通孔铜板间均匀放置3-4块间隔片(铜片，厚度为100um)，然后与透明塑料孔板一起对准(三者孔位对准)后夹紧，浸入电镀槽中的电镀液中；
(6)开启真空泵，去除平面陶瓷基板与含通孔铜板间的气泡；5分钟后，开启射流装置和脉冲电源，电镀填充环形镀铜层与含通孔铜板间隙，实现键合；
(7)去除平面陶瓷基板上的光刻胶，刻蚀种子层；
(8)采用砂轮切割，得到含金属铜腔体(围坝)的三维陶瓷基板，如图11所示。
实施例2
图12为实施例2中含金属腔体的三维陶瓷基板示意图，如图12所示，该三维陶瓷基板的结构与实施例1类似，区别在于DPC陶瓷基板无金属通孔，如图12所示。表面环形镀铜层结构为正方形环(边长为5mm，环宽为1mm，厚度为50um，金属孔板材料为金属铝，相应的金属铝板和透明塑料板上的通孔为方形孔，边长为5mm)，得到的含方形金属腔体的三维陶瓷基板如图13所示。
实施例3
该三维陶瓷基板的结构与实施例2类似，区别在于DPC陶瓷基板表面的环形镀铜层结构为长方形(长20mm，宽10mm，线宽2mm，厚度30um)，相应的金属孔板和塑料孔板上的通孔结构和尺寸也随之调整为长形孔。
本发明含金属腔体的三维陶瓷基板的制备方法，采用电镀工艺实现金属孔板与平面陶瓷基板环形镀铜层间的直接键合(电镀填充两者间隙)，制备含金属腔体的三维陶瓷基板。此外，通过加工具有不同结构(形状、尺寸和厚度)的金属孔板，可以快速制备具有不同腔体结构的三维陶瓷基板，具有材料成本低、工艺简单等优点，满足白光LED、紫外LED及其他电子器件气密封装需求。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，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 (9)
1.一种含金属腔体的三维陶瓷基板，包括平面陶瓷基板，其特征在于，该三维陶瓷基板还包括设于所述平面陶瓷基板上的金属腔体；
所述平面陶瓷基板包括陶瓷基片，所述陶瓷基片的表面设有多个独立线路和环形镀铜层，呈多排多列布置；
所述金属腔体包括电镀键合层和金属孔板，所述金属孔板设于所述环形镀铜层的上方，由铜、铜合金、铝或铝合金制备而成，包括金属片和镂空孔，所述镂空孔的结构和尺寸与所述环形镀铜层内孔的结构和尺寸相匹配；且，
所述金属孔板采用电镀工艺实现与所述环形镀铜层间的直接键合，通过所述电镀键合层实现与所述平面陶瓷基板连接，从而形成含金属腔体的三维陶瓷基板。
2.根据权利要求1所述的一种含金属腔体的三维陶瓷基板，其特征在于，所述陶瓷基片上设有多个金属通孔。
3.根据权利要求1所述的一种含金属腔体的三维陶瓷基板，其特征在于，所述金属腔体结构为圆环形、正方环形、长方环形或其他闭合环形结构。
4.一种如权利要求1-3中任一项所述的含金属腔体的三维陶瓷基板制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)制备含独立线路和环形镀铜层的平面陶瓷基板；
(2)根据环形镀铜层的内孔结构和尺寸，设计和加工具有镂空孔结构的金属孔板；
(3)清洗平面陶瓷基板和金属孔板，并将平面陶瓷基板与金属孔板对准后夹紧，中间采用间隔片隔离；
(4)将对准夹紧后的平面陶瓷基板与金属孔板置于电镀槽中，通过电镀实现金属孔板与陶瓷基板环形镀铜层间键合；
(5)采用机械切割或激光划片得到含金属腔体的三维陶瓷基板。
5.根据权利要求4所述的一种含金属腔体的三维陶瓷基板制备方法，其特征在于，所述金属孔板厚度为0.1mm～3mm。
6.根据权利要求4或5所述的一种含金属腔体的三维陶瓷基板制备方法，其特征在于，所述金属孔板厚度为0.3mm～1.0mm。
7.根据权利要求4所述的一种含金属腔体的三维陶瓷基板制备方法，其特征在于，所述间隔片厚度为0.05～0.15mm。
8.根据权利要求4所述的一种含金属腔体的三维陶瓷基板制备方法，其特征在于，所述电镀槽安装有真空除气和射流装置。
9.根据权利要求4或8所述的一种含金属腔体的三维陶瓷基板制备方法，其特征在于，所述电镀槽设有脉冲电镀电源。
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