CN107864560A - 一种陶瓷pcb的制造方法及制造得到的pcb - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种陶瓷PCB的制造方法及制造得到的PCB，其特征在于：包括如下步骤：将陶瓷基板进行清洗及烘干；将烘干后的陶瓷基板送入气氛加热炉中加热350°～400°，并保温设定的时间；在表面温度高于300°以上的陶瓷基板表面采用电弧喷涂方式依次喷涂底层金属涂层和铜涂层；将陶瓷基板的铜涂层磨平；进行激光刻蚀步骤。本发明的制造方法工序简便，处理温度低，陶瓷与金属结合强度高，对陶瓷材料种类没有限制，进一步降低了生产成本，提高了生产效率；通过本发明制备得到的PCB具备高分辨率、电流密度及过载功率等特点。

Description

一种陶瓷PCB的制造方法及制造得到的PCB
技术领域
本发明涉及陶瓷PCB板的加工技术领域，尤其涉及一种陶瓷PCB的制造方法及制造得到的PCB。
背景技术
随着电力电子电路向着集成化、模块化方向高速发展，各种新型的电力电子器件不断涌现，电力电子装置需求不断增加，导致高性能PCB的需求不断增加。同时随着电子、通信等设备向小型、轻量、高可靠和高速化方向发展，尤其是为适应表面组装技术(SMT)的需要，高性能PCB的制备趋于向小型化、片式化、多层化、薄膜化、高可靠方向发展，这就要求PCB具有高稳定性、高热导率、耐高温及高频损耗小等特点。
陶瓷因其高的绝缘性、高的化学稳定性、高的热导率及与多种半导体器件材料相匹配的热膨胀系数等优点，广泛的应用于大功率电力半导体模块、半导体致冷器、电子加热器及大功率电力电子电路中。
由于陶瓷材料表面结构与金属材料表面结构不同，加上陶瓷材料本身特殊的物理化学性能，在陶瓷表面制备高分辨率、电流密度及过载功率的金属电路图形存在不少的特点与难点。
目前陶瓷表面金属化有厚膜法、薄膜法及DBC。
厚膜法主要是高熔点金属法，包括Mo-Mn法、银基钎焊、丝网印刷、活性金属粉末烧结，它是通过在陶瓷表面涂覆膏剂经热处理炉烧结而成，部分工艺需要进行氢气还原二次处理，该类工艺对陶瓷材料没有限制，金属涂层与陶瓷结合强度高，但劣势非常明显，所需处理的温度在900℃以上，能耗高、生产周期长、效率低下，不能用来制作多层化、薄膜化高性能陶瓷PCB，主要用来作为陶瓷与金属之间封接，在陶瓷PCB领域中应用有限。
薄膜法主要是CVD/PVD、电镀/化学镀、溅射法，该类工艺可以在不同种类的陶瓷表面涂镀金属涂层，但是涂层薄，工序多、效率低下、成本高，该类工艺作为在陶瓷表面图形化金属层补充工艺，在陶瓷PCB领域中应用有限。
DBC是直接敷铜(Direct Bonded Copper)的简称，是在保护性气氛条件下，将铜箔直接放置在氧化铝、氮化铝陶瓷上，在1065℃保温40-60min，铜箔与陶瓷之间发生共晶反应形成过渡层，从而直接键合在陶瓷表面。该工艺工序少、既可以做金属图形也可以作为连接金属，结合强度高、载流大、可焊性强，是陶瓷PCB的主流工艺。该工艺虽有诸多优势，但是只能在特定种类的陶瓷(氮化铝、氧化铝)表面生成Cu(AlO2)2和Cu(AlO2)等复合氧化物共晶相，从而完成在陶瓷表面直接健合铜箔，工序复杂、成本偏高。
综上所述，作为制备高性能陶瓷PCB关键工序的陶瓷表面金属化存在一个难点：要么处理温度过高，要么陶瓷材料种类受限。因此，需要一种处理温度低，结合强度高，对陶瓷材料种类没有限制的一种高分辨率、电流密度及过载功率高性能陶瓷PCB工艺，用以替代目前陶瓷表面金属化中厚膜法、薄膜法、以及DBC工艺存在的劣势。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的不足提供一种处理温度低，结合强度高，工序简便的陶瓷PCB的制造方法及制造得到的PCB。
本发明所采用的技术方案为：一种陶瓷PCB的制造方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1、将陶瓷基板进行清洗及烘干；
S2、将烘干后的陶瓷基板送入气氛加热炉中加热350°～400°，并保温设定的时间；
S3、在表面温度高于300°以上的陶瓷基板表面采用电弧喷涂方式依次喷涂底层金属涂层和铜涂层；
S4、将陶瓷基板的铜涂层磨平；
S5、进行激光刻蚀步骤。
按上述技术方案，步骤二中，步骤二中，所述电炉中采用氢气、一氧化碳、氮气、氩气等一种或几种混合气体提供还原性气氛，保温时间为15～20min。
按上述技术方案，所述底层金属涂层为铝涂层或锌涂层或铝合金涂层或锌合金涂层。
按上述技术方案，所述底层金属涂层厚度为10～20μm，铜涂层厚度为15～30μm。
按上述技术方案，步骤三中，当陶瓷基板表面温度低于300°时，重复步骤二的工序。
按上述技术方案，步骤四中，采用平面磨的方式对铜涂层进行磨平。
按上述技术方案，步骤五中，采用纳秒紫外激光器在铜涂层表面刻蚀电路图。
一种陶瓷PCB板，其特征在于：由上述的陶瓷PCB的制造方法制造而成。
本发明所取得的有益效果为：1、本发明的制造方法工序简便，处理温度低，陶瓷与金属结合强度高，对陶瓷材料种类没有限制，进一步降低了生产成本，提高了生产效率；通过本发明制备得到的PCB具备高分辨率、电流密度及过载功率等特点。2、本发明采用气氛加热炉加热陶瓷基板，用以提高陶瓷表面的活化性能，从而取代目前喷砂的前处理工艺，节能环保；采用电弧喷涂方式依次在陶瓷基板表面喷涂底层金属涂层、铜涂层的方式完成在陶瓷表面制备高电流密度、过载功率的铜层，实现陶瓷表面涂镀铜层自动、批量化生产；3、由于传统PCB的制备要经过掩模、照影、电镀、退镀等工序，工序复杂、生产成本高、质量难以有效控制，对环境污染严重，本发明采用纳秒紫外激光器在铜层表面刻蚀高分辨率的电路图，从而完成高性能陶瓷PCB制备工艺，工序简单，成本低，质量能够有效的控制，可以满足大功率电力半导体模块、半导体致冷器、电子加热器及大功率电力电子电路对高性能陶瓷 PCB的需求，促进高性能陶瓷PCB的应用范围。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
本发明中的陶瓷基板的材质不受限制，例如可以选择为氮化铝陶瓷基板、氧化铝陶瓷基板或氮化硅陶瓷基板(导热性好、耐温性高等高性能电子陶瓷材料作为优先选项)。陶瓷基板的形状和厚度均不受限制，只要能够用于制备金属化陶瓷基板即可。
实施例1：
本实施例提供的一种氧化铝陶瓷PCB的工艺流程如图1所示,其包括如下步骤：
S1、将0.4mm厚的氧化铝陶瓷基板放入超声波清洗机中进行漂洗、清洗以及烘干，完成陶瓷基板的去油污工序；
S2、将烘干的陶瓷基板送入普通气氛加热炉中加热至350℃，保温10～15min，保证氧化铝陶瓷基板整体温度趋于一致性,以提高陶瓷基板表面的活化性能，其中，气氛加热炉中为一氧化碳80％+20％氮气混合气氛(采用氢气、一氧化碳、氮气、氩气等一种或几种混合气体，提供还原性气氛)，气氛加热炉可以为普通的工业电炉；
S3、采用工业传送带将氧化铝陶瓷基板送到下一个工序的位置，采用红外测温仪测试氧化铝陶瓷基板的表面温度，当氧化铝陶瓷表面的温度在300℃以上，进入喷涂工序，低于 300℃将再次返回普通气氛加热炉重新加热，重复步骤二的工序；接着在氧化铝陶瓷基板表面采用电弧喷涂依次喷涂20μm铝涂层、30μm的铜涂层，完成在氧化铝陶瓷表面制备铜层工序。其机理为：熔融的金属颗粒在压缩空气的作用下高速撞击高温的陶瓷基体，颗粒破碎、重熔，层层叠加，从而在陶瓷表面形成孔隙率小，结合强度高的金属涂层，强度高的原因是涂层粒子与陶瓷基体的润湿角小，容易浸润陶瓷表面，大部分粒子与陶瓷基板之间的距离在范德华作用力的范围内，形成分子作用力，另外一部分是涂层与颗粒之间形成化学反应，化学层也提高了涂层与陶瓷之间的结合力；
S4、采用平面磨将具有一定粗糙度的铜涂层磨平，从而提高铜层的电导率及降低铜层的电阻，有效的提高铜层的电流承载密度及过载功率；
S5、采用纳秒紫外激光器在铜层表面刻蚀高分辨率的电路图，从而得到高分辨率、电流密度及过载功率氧化铝陶瓷PCB；
S6、采用激光将大版面陶瓷PCB切割成所需规格的高性能陶瓷PCB，完成整个陶瓷PCB制备流程。
实施例2：
本实施例以制造绝缘性良好的氮化硅陶瓷PCB的方法为例进行说明，其包括如下步骤：
S1、将0.1mm厚的氮化硅陶瓷基板放入超声波清洗机中进行漂洗、清洗以及烘干，完成氮化硅陶瓷基板的清洗过程；
S2、将烘干的高稳定性氮化硅陶瓷送入普通的工业电炉中加热至360℃，保温5～8min，其中，气氛加热炉中为氩气20％+80％氮气混合气氛(体积比)；
S3、采用工业传送带将氮化硅陶瓷基板送到下一个工序的位置，采用红外测温仪测试氮化硅陶瓷基板表面的温度，当氮化硅陶瓷表面的温度在340℃以上，进入喷涂工序，低于 340℃将再次返回普通气氛加热炉重新加热，重复上次工序；接着在氮化硅陶瓷基板表面采用电弧喷涂依次喷涂10μm锌涂层、15μm的铜涂层，完成在氮化硅陶瓷表面制备铜层的工序；
S4、采用平面磨将铜层磨平，提高铜层电导率及降低涂层的电阻，有效的提高铜层的电流承载密度及过载功率，
S5、采用纳秒紫外激光器在铜层表面刻蚀高分辨率的电路图，从而得到高分辨率、电流密度及过载功率氮化硅陶瓷PCB；
S6、采用激光将大版面陶瓷PCB切割成所需规格的高性能陶瓷PCB，完成整个陶瓷PCB制备流程。
实施例3：
本实施例以制备导热性良好的氮化铝陶瓷PCB的方法为例进行说明，其包括如下步骤：
S1、将0.2mm氮化铝陶瓷基板放入超声波清洗机中进行漂洗、清洗以及烘干，完成氮化铝陶瓷的污渍清洗过程；
S2、将烘干的导热性良好的氮化铝基板送入普通的工业电炉中加热至395℃，保温7～10min，其中，气氛加热炉中为氢气5％+95％氮气混合气氛(体积比)；
S3、采用工业传送带将氮化铝陶瓷基板送到喷涂工序的位置，采用红外测温仪在线测试氮化铝陶瓷基板的表面温度，当氮化铝陶瓷基板表面温度在345℃以上，进入喷涂工序，低于345℃将再次返回普通气氛加热炉重新加热，重复上次工序；接着在氮化铝陶瓷基板表面采用电弧喷涂依次喷涂15μm铝合金(锌合金)涂层、25μm的铜涂层，完成在氮化铝陶瓷表面铜层制备工序；
S4、采用平面磨将具有一定粗糙度的铜层磨平，提高铜层表面的平整度及降低铜层的电阻率，有效的提高铜层的电流密度及过载功率，
S5、采用纳秒紫外激光器在铜层表面快速刻蚀高分辨率的电路图，从而得到高分辨率、电流密度及过载功率氮化铝陶瓷PCB；
S6、采用激光将大版面陶瓷PCB切割成所需规格的高性能陶瓷PCB，完成整个陶瓷PCB 制备流程。

Claims (8)

1.一种陶瓷PCB的制造方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1、将陶瓷基板进行清洗及烘干；
S2、将烘干后的陶瓷基板送入气氛加热炉中加热350°～400°，并保温设定的时间；
S3、在表面温度高于300°以上的陶瓷基板表面采用电弧喷涂方式依次喷涂底层金属涂层和铜涂层；
S4、将陶瓷基板的铜涂层磨平；
S5、进行激光刻蚀步骤。
2.根据权利要求1所述的陶瓷PCB的制造方法，其特征在于：步骤二中，所述电炉中采用氢气、一氧化碳、氮气、氩气等一种或几种混合气体提供还原性气氛，保温时间为15～20min。
3.根据权利要求1或2所述的陶瓷PCB的制造方法，其特征在于：所述底层金属涂层为铝涂层或锌涂层或铝合金涂层或锌合金涂层。
4.根据权利要求3所述的陶瓷PCB的制造方法，其特征在于：所述底层金属涂层厚度为10～20μm，铜涂层厚度为15～30μm。
5.根据权利要求1或2所述的陶瓷PCB的制造方法，其特征在于：步骤三中，当陶瓷基板表面温度低于300°时，重复步骤二的工序。
6.根据权利要求1或2所述的陶瓷PCB的制造方法，其特征在于：步骤四中，采用平面磨的方式对铜涂层进行磨平。
7.根据权利要求1或2所述的陶瓷PCB的制造方法，其特征在于：步骤五中，采用纳秒紫外激光器在铜涂层表面刻蚀电路图。
8.一种陶瓷PCB板，其特征在于：由权利要求1-7任一项所述的陶瓷PCB的制造方法制造而成。
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