CN108054106A - 一种制备高散热陶瓷封装基板的方法 - Google Patents

一种制备高散热陶瓷封装基板的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种制备高散热的陶瓷封装基板的方法，包括以下步骤：在清洗后的陶瓷基板上激光标刻形成金属化线路图案，获得厚度为0.5~30μm的混合物层，该混合物层由氧化物与单质金属构成；在金属化线路图案区域进行化学镀铜，形成厚度为0.1～50μm的粘结层；在粘结层上镀厚度为5～500μm的导电层；然后将陶瓷基板放入烧结炉进行烧结；最后对陶瓷基板进行表面处理，得到附着有光亮的金属导线的陶瓷封装基板。本发明在陶瓷基板上直接制备导电线路，有效简化工艺流程，提高产品良率与可靠性，是一种低成本制备半导体器件封装基板的途径。

Description

一种制备高散热陶瓷封装基板的方法
技术领域
本发明涉及一种制备高散热的陶瓷封装基板的方法。
背景技术
氮化铝陶瓷以其良好的导热性、气密性、绝缘性，以及与硅材料接近的热膨胀系数的特性，成为大功率LED、大规模集成电路模块电子封装的理想材料。
陶瓷材料基底上制备导电金属线路，即金属化工艺，是电子封装产业的关键技术。目前陶瓷基板金属化方法主要有两种。一种是通过高温烧结使Al2O3与Cu-O发生共晶液相反应形成中间相的CuAlO2而实现Cu层与陶瓷的牢固结合。但是，该工艺需要多次烧结，对氧含量要求极高难以控制，工艺流程繁琐导致产品良率难以提高。另外一种是通过溅射等方式在陶瓷金基板上形成金属薄膜，然后采用电镀等方式对金属薄膜进行加厚，通过刻蚀形成金属线路。该工艺需要昂贵的溅射设备使生产成本居高不下。同时，这两种工艺都属于减法操作，需要进行光刻或者化学刻蚀等后续工序才能形成电路图案，不但增加了制造成本，而且不利于环保。
利用激光能量集中、定向性准确等特点进行精密加工是近几年发展起来的陶瓷基板金属化方法。激光的高能量辐射使陶瓷基板中的单晶相分解而在陶瓷表面产生单质金属和氧化物的导电线路图案。但是，激光的烧蚀效应以及陶瓷单晶相高温分解时产生的气相容易导致陶瓷基体和金属化线路的结构不够致密。而通过化学镀铜形成铜与氧化亚铜的混合层可有效改善这种疏松结构得到陶瓷基板金属化产品。中国专利CN106312300A用激光处理铝化物基板得到铝层，然后在铝表面镀金属而实现金属化线路。但是，由于形成的铝层非常薄且不够致密，所以会有导电线路与陶瓷基板结合力差的问题；中国专利CN102452843B通过预先氧化铜板表面形成氧化铜，然后再与预先氧化表面形成氧化铝层的氮化铝陶瓷基板叠加，在惰性气氛下烧结，使氧化铜还原为氧化亚铜形成陶瓷覆铜板的前驱体，之后再次烧结而形成线路。但是，这种方法存在多次烧结的调控问题，同时还需要后续蚀刻工艺才能得到导电线路，工艺路线复杂会导致生产成本居高不下。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种制备高散热的陶瓷封装基板的方法，有效简化工艺流程，提高产品良率与可靠性，是一种低成本制备半导体器件封装基板的途径。
为了解决上述技术问题，本发明采取以下技术方案：
一种制备高散热的陶瓷封装基板的方法，包括以下步骤：
在清洗后的陶瓷基板上激光标刻形成金属化线路图案，获得厚度为0.5～30μm的混合物层，该混合物层由氧化物与单质金属构成；
在金属化线路图案区域进行化学镀铜，形成厚度为0.1～50μm的粘结层；
在粘结层上镀厚度为5～500μm的导电层；
然后将陶瓷基板放入烧结炉进行烧结；
最后对陶瓷基板进行表面处理，得到附着有光亮的金属导线的陶瓷封装基板。
所述陶瓷基板为氧化铝、氮化铝或氧化锆陶瓷材料制成。
所述激光标刻金属化线路图案，是采用激光器在清洗后的陶瓷基板上按照设定好的线路图案来回扫描，在预定线路上形成导电混合层。
所述对金属化线路区域进行化学镀铜，是将陶瓷基板放置在20～70℃的化学镀铜液中浸泡5～45min，使金属化线路区域形成粘结层，化学镀铜液为硫酸铜5～20g/L、硫酸镍0.2～0.6g/L、酒石酸甲钠10～30g/L以及甲醛8～30ml/L构成的混合液，pH值为8～14，粘结层厚度为0.1～50μm。
所述在粘结层上镀导电层，是将陶瓷基板浸泡在镀液中，浸泡时间为55～500min，导电层厚度为55～500μm，镀导电层方式为化学镀和/或电镀，导电层材料为金、银、铜、铁、镍、铬、钨、钛、钯和铂中任一种单质金属材料，或者多种混合材料。
所述陶瓷基板烧结采用的烧结温度为200～2000度，烧结气氛为真空，或者空气、氮气、氢气、氧气和氩气中的任一种或至少两种的混合。
所述对陶瓷基板进行表面处理具体为机械研磨、化学研磨抛光或光化学研磨抛光，抛光时使用的抛光液为中性或碱性悬浮液。
所述激光标刻中采用的激光波长为193～1064nm，激光光斑包括高斯光斑、方形光斑或平顶光斑。
所述激光标刻气氛包括空气、氧气、氮气和氩气中的任一种或至少两种的混合。
所述激光标刻中采用的激光能量密度大于使陶瓷基板高温分解形成单质金属的能量密度，为0.1～1000J/cm2。
本发明是采用加法方式在陶瓷基板上制备导电线路的方式，相对于制作整版金属膜层然后刻蚀线路的减法制备方式，大大简化了工艺流程，保证产品良率的同时降低了生产成本，同时，有效避免了导电金属与陶瓷间因热胀不匹配而产生的陶瓷开裂与导电线路脱落等问题，提高了产品的可靠性，是一种低成本制备半导体器件封装基板的途径。
附图说明
附图1为本发明的实施例一和实施例二中激光标刻后陶瓷基板的俯视示意图；
附图2为本发明的实施例一和实施例二中化学镀铜后陶瓷基板的俯视示意图；
附图3为本发明的实施例一和实施例二中以电镀铜方式镀导电层后陶瓷基板的俯视示意图；
附图4为本发明的实施例一和实施例二中工艺流程的示意图。
附图标注说明：
11：初始的陶瓷基板；12：金属化线路图案；13：混合物层中的氧化物；14：混合物层中的单质金属；21：形成粘结层的陶瓷基板；22：化学镀铜后的金属化线路图案；23：化学镀铜在金属化线路图案上形成的氧化物；24：化学镀铜在金属化线路图案上形成的单质金属；31：镀上导电层后的陶瓷基板；32：具有导电层的金属化线路图案；33：导电层；41：初始陶瓷基板；42：混合物层；43：粘结层；44：导电层。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的特征、技术手段以及所达到的具体目的、功能，下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
如附图4所示，本发明揭示了一种制备高散热的陶瓷封装基板的方法，在陶瓷基板上通过激光金属化处理和化学镀铜形成图案化的粘结层，并结合上镀导电层和烧结工艺来直接形成导电线路。主要为：
先在清洗后的陶瓷基板41上形成具有金属化线路图案的混合物层42，然后对陶瓷基板进行化学镀处理，在混合物层42上形成粘结层43，接着再在粘结层43上电镀形成导电层。然后对陶瓷基板进行烧结，烧结完成后进行表面抛光处理，完成加工。
下面以具体实施例进行阐述。
实施例一
一种制备高散热的陶瓷封装基板的方法，包括以下步骤：
S1，如附图1所示，将清洗后的氮化铝陶瓷基板11放置在激光为355nm的标刻机的平台上，按照设定好的线路图案，以5J/cm2的激光能量密度，在空气气氛下标刻陶瓷基板10次，使标刻线路上形成具有金属化线路图案12的混合物层，混合物层厚度为4μm，混合物层由氧化铝13和铝14构成。陶瓷基板上未经激光标刻的区域仍然保持绝缘状态。
S2，如附图2所示，将标刻完成形成了金属化线路图案的混合物层的氮化铝陶瓷基板21浸泡在55℃的化学镀铜液中进行化学镀铜，浸泡时间为18分钟，使金属化线路图案区域形成约2μm的由氧化物与单质金属构成的粘结层，氧化物为氧化亚铜23，单质金属为铜24。使用的化学镀铜液为：硫酸铜12g/L，硫酸镍0.4g/L，酒石酸甲钠13g/L，pH值为13，甲醛16ml/L，稳定剂0.7g/L。
S3，如附图3所示，对陶瓷基板31进行电镀处理，镀导电层33形成导电线路，使导电线路区域的厚度达到60μm。
S4，然后，将已布好导电线路的陶瓷基板，置于高温烧结炉中进行恒温烧结，烧结温度为1075℃，保温时间为20min，使得Al2O3与Cu-O发生共晶液相反应形成中间相的CuAlO2而实现线路区的Cu层与陶瓷的牢固结合，粘结强度为52N/cm。
S5，最后，将经过烧结的布好导电线路的陶瓷基板置于研磨铜盘用1微米钻石液进行研磨平整，然后做化学抛光处理，获得表面平整、光亮的线路。
实施例二：
S1，如附图1所示，将清洗后的氮化铝陶瓷基板11放置在激光为355nm的标刻机的平台上，按照设定好的线路图案，以20J/cm2的激光能量密度，在空气气氛下雕刻陶瓷基板5次，使标刻线路上形成金属化线路图案12的混合物层，混合物层厚度为3μm，混合物层由氧化铝13和铝14构成。陶瓷基板上未经激光标刻的区域仍然保持绝缘状态。
S2,如附图2所示，将标刻完成形成了金属化线路图案的混合物层的氮化铝陶瓷基板浸泡在60℃的化学镀铜液中进行化学镀铜，浸泡时间为25分钟，使标刻线路区形成约6μm厚的由氧化物和单质金属构成的粘结层，该氧化物为氧化亚铜23，单质金属为铜24。使用的化学镀铜液为：硫酸铜16g/L，硫酸镍0.6g/L，酒石酸甲钠15g/L，pH值为14，甲醛20ml/L，稳定剂0.9g/L。
S3，将经过粘结层处理的的氮化铝陶瓷先用常规化学镀铜的方式上镀5μm然后采用常规的电镀铜方式上镀导电层33形成导电线路，使导电线路处厚度达到100μm，如附图3所示。
S4，然后，将已布好导电线路的陶瓷基板，置于高温烧结炉中进行恒温烧结，烧结温度为1070℃，保温时间为25min，使得Al2O3与Cu-O发生共晶液相反应形成中间相的CuAlO2而实现线路区的Cu层与陶瓷的牢固结合，粘结强度为62N/cm。
S5，最后，将经过烧结的布好导电线路的陶瓷基板先置于研磨铜盘用1μm钻石液进行研磨平整，然后做化学抛光处理，获得表面平整、光亮的线路。
需要说明的是，以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但是凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种制备高散热的陶瓷封装基板的方法，包括以下步骤：
在清洗后的陶瓷基板上激光标刻形成金属化线路图案，获得厚度为0.5～30μm的混合物层，该混合物层由氧化物与单质金属构成；
在金属化线路图案区域进行化学镀铜，形成厚度为0.1～50μm的粘结层；
在粘结层上镀厚度为5～500μm的导电层；
然后将陶瓷基板放入烧结炉进行烧结；
最后对陶瓷基板进行表面处理，得到附着有光亮的金属导线的陶瓷封装基板。
2.根据权利要求1所述的制备高散热的陶瓷封装基板的方法，其特征在于，所述陶瓷基板为氧化铝、氮化铝或氧化锆陶瓷材料制成。
3.根据权利要求1所述的制备高散热的陶瓷封装基板的方法，其特征在于，所述激光标刻金属化线路图案，是采用激光器在清洗后的陶瓷基板上按照设定好的线路图案来回扫描，在预定线路上形成导电混合层。
4.根据权利要求1所述的制备高散热的陶瓷封装基板的方法，其特征在于，所述对金属化线路图案区域进行化学镀铜，是将陶瓷基板放置在20～70℃的化学镀铜液中浸泡5～45min，使金属化线路区域形成粘结层，化学镀铜液为硫酸铜5～20g/L、硫酸镍0.2～0.6g/L、酒石酸甲钠10～30g/L以及甲醛8～30ml/L构成的混合液，pH值为8～14，粘结层厚度为0.1～50μm。
5.根据权利要求1所述的制备高散热的陶瓷封装基板的方法，其特征在于，所述在粘结层上镀导电层，是将陶瓷基板浸泡在镀液中，浸泡时间为55～500min，导电层厚度为55～500μm，镀导电层方式为化学镀和/或电镀，导电层材料为金、银、铜、铁、镍、铬、钨、钛、钯和铂中任一种单质金属材料，或者多种混合材料。
6.根据权利要求1所述的制备高散热的陶瓷封装基板的方法，其特征在于，所述陶瓷基板烧结采用的烧结温度为200～2000度，烧结气氛为真空，或者空气、氮气、氢气、氧气和氩气中的任一种或至少两种的混合。
7.根据权利要求1所述的制备高散热的陶瓷封装基板的方法，其特征在于，所述对陶瓷基板进行表面处理具体为机械研磨、化学研磨抛光或光化学研磨抛光，抛光时使用的抛光液为中性或碱性悬浮液。
8.根据权利要求3所述的制备高散热的陶瓷封装基板的方法，其特征在于，所述激光标刻中采用的激光波长为193～1064nm，激光光斑包括高斯光斑、方形光斑或平顶光斑。
9.根据权利要求3所述的制备高散热的陶瓷封装基板的方法，其特征在于，所述激光标刻气氛包括空气、氧气、氮气和氩气中的任一种或至少两种的混合。
10.根据权利要求3所述的制备高散热的陶瓷封装基板的方法，其特征在于，所述激光标刻中采用的激光能量密度大于使陶瓷基板高温分解形成单质金属的能量密度，为0.1～1000J/cm2。
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