CN108558413A - 一种陶瓷基电子线路的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种陶瓷基电子线路的制备方法，首先选用常规的陶瓷粉体制备陶瓷基体；然后在陶瓷基体表面沉积一层表面保护层；利用激光设备在陶瓷基体表面雕刻出电子线路的三维轮廓；将陶瓷基体浸泡在表面改性剂液相胶体中，完全去除残留的表面保护层；最后利用常规的化镀和/或电镀工艺制备电子线路本身。本发明通过优化激光输出功率、激光雕刻线间距大小、雕刻次数以及雕刻图案的组合设计，使得激光雕刻区域的陶瓷基体表面粗糙化，进而有利于提高电子线路与陶瓷基体的界面结合，同时最大程度减少雕刻过程中产生的碎屑。

Description

一种陶瓷基电子线路的制备方法
技术领域
本发明属于电子线路的技术领域，特别涉及一种陶瓷基电子线路的制备方法。
背景技术
对于本技术领域的人员而言，选用陶瓷作为电子线路的基板已经是一个很常见的方案。但在如何持续提高陶瓷基电子线路的精度、拓宽陶瓷基材料的适用范围以及降低制备成本等方面，将是本领域人员始终关注的问题。
关于陶瓷基电子线路的制备精度方面，已有很多方案被提出，例如DPC工艺，DPC工艺是利用真空溅射在陶瓷基体外表面预先沉积一层可镀薄层，然后利用“贴干膜—曝光—显影—刻蚀—去膜”的一整套工艺制备出电子线路，再利用化镀和/或电镀工艺对可镀薄层增厚，进而得到所需厚度的电子线路。这套工艺的特点是控制精度高，但流程长，成本高，适合二维的单面板或双面板，可用于那些对成本不太敏感、大批量、出货周期稳定的电子线路的制备。
关于陶瓷基材料的适用范围方面，也已有很多方案被提出。为了提高陶瓷基体和电子线路之间的界面结合，往往会在陶瓷基体的粉体原料中添加一些对应的活性金属元素。目的在于，一方面可提高陶瓷基体/电子线路之间的界面结合，另一方面是提高电子线路的可镀能力。但该方案的缺点在于，对陶瓷粉体原料的优化位于整个工艺流程的最上游，势必对后续所有工艺流程造成或多或少的影响，不利于提升成品的质量稳定性，也缺少工艺调整的灵活性，而且大大限制了陶瓷基体原料的适用范围。
CN104470235A、CN104377438A、CN 102695370A、CN 103188877A、CN 104561955A等已公开的专利，总体的制备流程都大同小异；但如何持续提高陶瓷基电子线路的精度、如何拓宽陶瓷基材料的适用范围，以及降低成本等问题将是本领域人员始终关心的；根据申请人已掌握的信息，如果仅仅按照已公开的方法来制备陶瓷基电子线路，将存在以下几个问题：
问题1.陶瓷基体与金属基电子线路之间的界面结合力很差。原因在于，陶瓷相对于金属、注塑塑料或其他材质而言，陶瓷对钯离子的吸附能力较弱，另外，除非额外添加具有催化活性的金属杂质元素，陶瓷基体一般也不具有还原钯离子的能力，因此，即便先采用激光雕刻对陶瓷基体表面进行粗糙化处理，然后在粗糙化的陶瓷基体表面上进行钯活化处理的效果也很差，进而在后续常规的化镀或电镀增厚金属电子线路时，陶瓷基体与电子线路的界面结合力差，严重情况下甚至造成线路脱落，无法满足实际需要。
问题2.目前没有对比文件专门提到，如何解决在激光雕刻时伴随产生的碎屑会污染陶瓷基体本身的问题。CN104470235A中提到的树脂油墨层和CN104377438A中提到的绝缘层客观上可以部分起到与本发明提到的表面保护层相同的作用，但还应注意到的问题是，CN104470235A中的树脂油墨层、CN104377438A中的绝缘层，它们与陶瓷基体之间仅仅起到临时键合的效果，而且需要在制备电子线路的同时或之后被很容易的去除，基于这一特点，决定了它们一般均优选有机高分子材料构成，因此也不会具有很高的耐热能力。而激光雕刻时产生的碎屑往往会在初始产生的瞬间达到超高的温度，这种瞬间超高温的碎屑很容易破坏树脂油墨层(或绝缘层、表面保护层)，并牢牢附着在陶瓷基体的表面，在后续工序中也难以彻底去除，增加了电子线路加工缺陷的可能，也增加了后续在化镀或电镀过程中出现溢镀的风险，降低了电子线路的制备精度。
发明内容
本发明提供一种陶瓷基电子线路的制备方法，在陶瓷基体表面沉积一层表面保护层，通过优化激光输出功率、激光雕刻线间距大小、雕刻次数以及雕刻图案的组合设计，最大程度减少了整个电子线路制备流程中对激光未雕刻区域的损伤，有效避免了化镀和/或电镀过程中的溢镀问题，从而提高了所制备的电子线路的尺寸精度。
本发明的技术方案如下：
一种陶瓷基电子线路的制备方法，包含如下步骤：
S1)制备陶瓷基体：将陶瓷粉体原料和相应的有机添加剂，利用挤出成型、流延成型、等静压成型、干压成型、注射成型工艺中的一种或几种的组合，制备层陶瓷基体的素胚；将素胚置高温烧结，得到所述陶瓷基体；再利用机械切割、打磨、抛光工艺中的一种或几种组合进行加工得到的陶瓷基体，所述陶瓷基体表面粗糙度的Ra值为0.02u～1u；
S2)制备表面保护层：利用有机和/或无机溶质在稀释剂中溶解稀释，制备得到保护层溶液，将所述保护层溶液均匀涂覆在步骤S1得到的所述陶瓷基体的外表面，并进行烘干固化以排除稀释剂，得到所述表面保护层；
S3)制备电子线路轮廓：按照电子线路的三维尺寸要求，利用激光器光源，对步骤S2所述陶瓷基体表面进行激光雕刻，将所需雕刻图案划分为中心区域和边框区域两部分；雕刻中心区域的激光输出功率为激光光源额定功率的40％～100％，激光雕刻次数为1～3次，激光雕刻线间距为0.01mm～0.1mm；雕刻边框区域的激光输出功率为激光光源额定功率的20％～40％，激光雕刻次数为3～6次，激光雕刻线间距为0.01mm～0.05mm；得到电子线路的三维轮廓；
S4)表面改性处理：配置表面改性剂，将步骤S3雕刻后的所述陶瓷基体浸泡入表面改性剂当中，去除残留的表面保护层，同时进一步增大陶瓷基体上被雕刻区域的粗糙度，以及使被雕刻区域表面吸附大量的羟基官能团，有利于提高陶瓷基体与后续所制备的电子线路之间的界面结合；
S5)利用常规的化镀和/或电镀工艺，在步骤S4表面改性后的所述陶瓷基体上制备电子线路本身。
优选的，步骤S1中，所述陶瓷粉体原料选自氧化锆、氧化铝、氧化钛、氧化镁、碳化硅、氮化硅、氮化硼、氮化铝、莫来石、堇青石、稀土锰氧化物、碱金属硅酸盐以及金属磷酸盐中的一种或几种的组合。
优选的，步骤S2中，所述有机和/或无机溶质选自烷基苯磺酸钠、脂肪醇硫酸钠、脂肪醇聚氧乙烯醚、聚醚、硅油、三聚磷酸钠、聚丙烯酸钠、硫酸钠、品红、EDTA、CMC和PVP中的一种或多种，所述稀释剂选自离子水、甲醇、乙醇、乙酸丁酯、丁酮、松油醇、乙基纤维素中的一种或多几种。
优选的，步骤S2中，所述表面保护层溶液浓度为1g/L～20g/L，所述表面保护层厚度为5um～100um。
优选的，步骤S3中，所述激光器的光源为中心波长为紫外248nm至红外1064nm波段的纳秒、皮秒或飞秒脉冲激光光源，激光输出功率范围优选为3W～100W。
优选的，步骤S4中，所述表面改性剂为液相胶体，其中，胶质粒子为聚碳酸酯系高分子和/或氨基硅烷偶联剂，所述聚碳酸酯系高分子为由带羟基官能团改性的聚碳酸酯系高分子，所述液相胶体的溶剂为去离子水、甲醇、乙醇、乙酸丁酯、丁酮、松油醇、乙基纤维素、氢氧化钠、硫酸、盐酸中的一种或多种。
优选的，所述胶质粒子的浓度为1g/L～50g/L，表面改性剂的温度为55℃～75℃，浸泡时间为30min～50min。
首先选用常规的陶瓷粉体制备陶瓷基体，其中无需额外添加对应的活性金属元素；然后在陶瓷基体表面沉积一层表面保护层，沉积所述表面保护层的目的在于，一方面，在后续激光雕刻陶瓷基体表面时，减轻所产生的碎屑对陶瓷基体表面的污染，另一方面，减轻后续浸泡表面改性剂时，所述表面改性剂对陶瓷基体未雕刻区域的侵蚀，从而最大限度保证后续化镀和/或电镀过程中制备电子线路的选择性，提高了电子线路的制备精度；利用激光设备在陶瓷基体表面雕刻出电子线路的三维轮廓，通过优化激光输出功率、激光雕刻线间距大小、雕刻次数以及雕刻图案的组合设计，对粗糙化的陶瓷基体表面进行可控设计，不仅使粗糙化的陶瓷基体的表面粗糙度适中，还充分增大了粗糙化表面的比表面积，进而有利于提高电子线路与陶瓷基体的界面结合力，同时最大程度减少雕刻过程中产生的碎屑；将陶瓷基体浸泡在表面改性剂液相胶体中，通过优化控制表面改性剂液相胶体的浓度、温度和浸泡时间，目的在于，完全去除残留的表面保护层，同时进一步增大陶瓷基体上被雕刻区域的粗糙度，以及使被雕刻区域表面吸附大量的羟基官能团，有利于提高陶瓷基体与后续所制备的电子线路之间的界面结合；最后利用常规的化镀和/或电镀工艺制备电子线路本身。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
(1)本发明通过在陶瓷基体表面先制备一层表面保护层，以及在后期的表面改性处理时再去除，以及通过优化激光输出功率、激光雕刻线间距大小、雕刻次数以及雕刻图案的组合设计，最大程度减少了整个电子线路制备流程中对激光未雕刻区域的损伤，有效避免了化镀和/或电镀过程中的溢镀问题，从而提高了所制备的电子线路的尺寸精度；
(2)本发明将激光雕刻区域划分为中心区域和边框区域两部分，其中中心区域的激光雕刻功率大，雕刻线间距大，雕刻次数少，而边框区域的激光雕刻功率小，雕刻线间距小，雕刻次数多，以便最大限度减少碎屑的影响范围，减轻对未雕刻区域的表面保护层的破坏，提高了电子线路的加工精度
(3)本发明未对陶瓷基体提出特殊材质要求，不需要在制备陶瓷基体的原料中额外添加活性金属元素，而是通过表面改性处理，使得陶瓷基体表面进一步粗糙化以及吸附大量的羟基官能团，从而保证在后续的化镀和/或电镀过程中顺利沉积电子线路，并且保证了电子线路与陶瓷基体之间具有优良的界面结合，因此，大大扩大了陶瓷基电子线路的材料优选范围，有利于保证工艺稳定性和降低制备成本；
(4)本发明未对陶瓷基体提出特殊材质要求，不需要在制备陶瓷基体的原料中额外添加活性金属元素，因此本发明所述陶瓷基体对射频信号的干扰将远远小于必须添加活性金属元素的陶瓷基体。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
图1为本发明实施例1的电子线路的结构设计俯视图；
图2为本发明实施例1的雕刻电子线路三维轮廓时的区域划分设计示意图；
图3为本发明实施例1的陶瓷基电子线路实物图；
图4为本发明实施例2的陶瓷基电子线路实物图；
图5为本发明的常规陶瓷基电子线路工艺制备的陶瓷基电子线路实物图；
图中标记：1-陶瓷基体；2-电子线路；21-电子线路的边框区域；22-电子线路的中心区域。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应该理解，这些实施例仅用于说明本发明，而不用于限定本发明的保护范围。在实际应用中本领域技术人员根据本发明做出的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。
为了更好的说明本发明，下方结合附图与实施例对本发明进行详细的描述。
实施例1
一种陶瓷基电子线路的制备方法，包括以下步骤：
S1)制备陶瓷基体：选用95氧化铝粉体(常规的市售粉体即可)作为原料，利用流延-层压-烧结工艺制备所需的陶瓷基体，利用机械切割将所述陶瓷基体切割成所需的尺寸，利用打磨和抛光，将陶瓷基体表面加工成粗糙度在0.2u±0.05u(Ra)，轮廓算术平均偏差Ra；
S2)制备表面保护层：选用品红:CMC＝50wt％:50wt％为混合溶质，以去离子水为稀释剂，配置浓度为5g/L的保护层溶液，利用喷涂工艺将保护层溶液均匀涂覆在步骤S1所述陶瓷基体表面，并在75℃下烘干1h；此处品红为碱性品红C20H20ClN3，CMC为羧甲基纤维素钠，C6H7O2(OH)2CH2COONa；
S3)制备电子电路轮廓：参见图1，按照图1所述的区域划分设计电子线路的结构，在步骤S2涂覆有表面保护层的陶瓷基体1上设计电子线路2，此处设计的电子线路为矩形框，框中心留有一圆形空心区域，其中矩形框内侧部分至圆形空心区域外侧围合的部分需要雕刻的电子线路，选用激光波长为1064nm的红外纳秒光纤激光器，激光额定功率为100W，继续参见图2，图2为雕刻电子线路三维轮廓时的区域划分设计，将所需雕刻电子线路图案划分为中心区域22和边框区域21两部分，边框区域21为需要雕刻的电子线路靠近外侧和内侧的边框的部分，其余部分为中心区域，设置电子线路边框区域21的激光雕刻功率为30W，雕刻线间距为0.02mm，雕刻次数为4次，设置电子线路中心区域22的激光雕刻功率为60W，雕刻线间距为0.07mm，雕刻次数为2次，雕刻所述陶瓷基体对应的表面位置；
S4)表面改性处理：选取组分质量配比为50wt％：50wt％的羟基改性聚碳酸酯系高分子和氨基硅烷偶联剂的混合液相胶体，以乙醇：丁酮：氢氧化钠＝48wt％:48wt％：4wt％的混合溶液为溶剂，配置浓度为5g/L的表面改性剂。将步骤S3中所述陶瓷基体完全浸入表面改性剂中，控制温度65℃，控制浸泡时间35min；
S5)制备电子线路：选用铜为电子线路材料，镍和金为电子线路表面保护材料，按照常规的化镀工艺在步骤S4经表面改性处理的所述陶瓷基体上制备所述电子线路。
本实施例1的制得的陶瓷基电子线路参见图3，可以看出，无溢镀问题，线路精度良好和界面结合力较好。
实施例2
S10)按照类似于实施例1所述方法，按照氧化铝：氧化锆：氧化镁：锰酸镧＝12wt％:80wt:5wt％：3wt％的比例为原料，制备陶瓷基体；并利用打磨和抛光工艺，将陶瓷基体的表面粗糙度控制在几种不同规格，具体统计如表1：
表1几种不同表面粗糙度的陶瓷基体
规格 表面加工流程 表面粗糙度范围Ra/um
A 粗磨 0.55～0.79
B 粗磨+精磨 0.05～0.09
C 粗磨+粗抛光 0.03～0.05
D 粗磨+粗抛光+精抛光 0.02～0.03
S20)制备表面保护层：按照表2的统计配置两种不同的表面保护层溶液；
表2：配置几种不同的表面保护层溶液
利用喷涂工艺，分别将保护层溶液a均匀涂覆在步骤S10中规格A和B的陶瓷基体表面，将保护层溶液b均匀涂覆在步骤S10规格C和D的陶瓷基体表面，并在75℃下彻底烘干，每组实验重复多组，并将膜厚仪检测得到的表面保护层厚度数据统计入表3：
表3几种不同厚度的表面保护层
S30)制备电子电路轮廓：电子线路的区域划分参照实施例1所述的区域划分设计，选用激光波长为355nm的紫外纳秒光纤激光器，激光额定功率为10W，电子线路三维轮廓的区域划分的设计也参见实施例1，以相同的雕刻参数分别雕刻表3得到的四种陶瓷基体的中心区域和边框区域，具体的激光雕刻参数设置如表4：
表4激光雕刻参数设置
以雕刻表3中的陶瓷基体A为例，先安装顺序(1)的参数，以激光功率4w、雕刻线间距0.01mm、雕刻2次来雕刻边框区域，以激光功率10w、雕刻线间距0.03mm、雕刻3次来雕刻中心区域；完成顺序1后，依次安装顺序2-5来雕刻电子线路；
S40)表面改性处理：将质量分数比为10％：90％的仲氨基硅烷系中的双(-三甲氧基甲硅烷基丙基)胺(迈图集团Momentive，A-1170)和PC改性剂(上海芮远化学，PT-2014)作为混合溶质，以异丙醇：去离子水：氢氧化钠＝60wt％:39wt％：1wt％的混合溶液为溶剂，配置浓度为35g/L的表面改性剂。将步骤S30中雕刻后的陶瓷基体完全浸入表面改性剂溶液中，控制温度55℃，浸泡时间45min；
S50)制备电子线路：选用铜为电子线路材料，镍和金为电子线路表面保护材料，按照常规的化镀工艺在步骤4所述陶瓷基体上制备所述电子线路，得到A陶瓷基电子线路、B陶瓷基电子线路、C陶瓷基电子线路和D陶瓷基电子线路。
本实施例2的表3制得的A陶瓷基电子线路参见图4，可以看出，无溢镀问题，线路精度良好和界面结合力较好。
对比例
采用常规的陶瓷基电子线路工艺制备的样品：
T1)制备陶瓷基体：选用95氧化铝粉体(常规的市售粉体即可)作为原料，利用流延-层压-烧结工艺制备所需的陶瓷基体，利用机械切割将所述陶瓷基体切割成所需的尺寸，利用打磨和抛光，将陶瓷基体表面加工成粗糙度在0.2u±0.05u(Ra)，轮廓算术平均偏差Ra；
T2)制备电子电路轮廓：参见图1，选用激光波长为1064nm的红外纳秒光纤激光器，激光额定功率为100W，设置电子线路区域的激光雕刻功率为60W，雕刻线间距为0.07mm，雕刻次数为2次，雕刻所述陶瓷基体对应的表面位置；
T3)制备电子线路：选用铜为电子线路材料，镍和金为电子线路表面保护材料，按照常规的化镀工艺在步骤S2所述经激光雕刻过陶瓷基体上制备所述电子线路。
本对比例制得的产品参见图5，从图中可看出，A处镀层脱落、结合力差，B处边缘溢镀、线路精度差。
本发明所述电子线路的应用领域包括但不限于天线辐射体，数据传输线以及射频传输线；所述数据传输线，射频传输线包括但不限于微带线，耦合微带线，带状线，耦合带状线，共面波导，槽线；所述天线辐射体包括但不限于移动通信终端天线，笔记本天线，可穿戴设备天线，汽车天线，基站天线。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (7)

1.一种陶瓷基电子线路的制备方法，其特征在于，包含如下步骤：
S1)制备陶瓷基体：将陶瓷粉体原料和相应的有机添加剂，利用挤出成型、流延成型、等静压成型、干压成型、注射成型工艺中的一种或几种的组合，制备层陶瓷基体的素胚；将素胚置高温烧结，得到所述陶瓷基体；再利用机械切割、打磨、抛光工艺中的一种或几种组合进行加工得到的陶瓷基体，所述陶瓷基体表面粗糙度的Ra值为0.02u～1u；
S2)制备表面保护层：利用有机和/或无机溶质在稀释剂中溶解稀释，制备得到保护层溶液，将所述保护层溶液均匀涂覆在步骤S1得到的所述陶瓷基体的外表面，并进行烘干固化以排除稀释剂，得到所述表面保护层；
S3)制备电子线路轮廓：按照电子线路的三维尺寸要求，利用激光器光源，对步骤S2所述陶瓷基体表面进行激光雕刻，将所需雕刻图案划分为中心区域和边框区域两部分；雕刻中心区域的激光输出功率为激光光源额定功率的40％～100％，激光雕刻次数为1～3次，激光雕刻线间距为0.01mm～0.1mm；雕刻边框区域的激光输出功率为激光光源额定功率的20％～40％，激光雕刻次数为3～6次，激光雕刻线间距为0.01mm～0.05mm；得到电子线路的三维轮廓；
S4)表面改性处理：配置表面改性剂，将步骤S3雕刻后的所述陶瓷基体浸泡入表面改性剂当中，去除残留的表面保护层，同时进一步增大陶瓷基体上被雕刻区域的粗糙度，以及使被雕刻区域表面吸附大量的羟基官能团，有利于提高陶瓷基体与后续所制备的电子线路之间的界面结合；
S5)利用常规的化镀和/或电镀工艺，在步骤S4表面改性后的所述陶瓷基体上制备电子线路本身。
2.根据权利要求1所述的陶瓷基电子线路的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述陶瓷粉体原料选自氧化锆、氧化铝、氧化钛、氧化镁、碳化硅、氮化硅、氮化硼、氮化铝、莫来石、堇青石、稀土锰氧化物、碱金属硅酸盐以及金属磷酸盐中的一种或几种的组合。
3.根据权利要求1所述的陶瓷基电子线路的制备方法，其特征在于，步骤S2中，所述有机和/或无机溶质选自烷基苯磺酸钠、脂肪醇硫酸钠、脂肪醇聚氧乙烯醚、聚醚、硅油、三聚磷酸钠、聚丙烯酸钠、硫酸钠、品红、EDTA、CMC和PVP中的一种或多种，所述稀释剂选自离子水、甲醇、乙醇、乙酸丁酯、丁酮、松油醇、乙基纤维素中的一种或多几种。
4.根据权利要求1所述的陶瓷基电子线路的制备方法，其特征在于，步骤S2中，所述表面保护层溶液浓度为1g/L～20g/L，所述表面保护层厚度为5um～100um。
5.根据权利要求1所述的陶瓷基电子线路的制备方法，其特征在于，步骤S3中，所述激光器的光源为中心波长为紫外248nm至红外1064nm波段的纳秒、皮秒或飞秒脉冲激光光源，激光输出功率范围优选为3W～100W。
6.根据权利要求1所述的陶瓷基电子线路的制备方法，其特征在于，步骤S4中，所述表面改性剂为液相胶体，其中，胶质粒子为聚碳酸酯系高分子和/或氨基硅烷偶联剂，所述聚碳酸酯系高分子为由带羟基官能团改性的聚碳酸酯系高分子，所述液相胶体的溶剂为去离子水、甲醇、乙醇、乙酸丁酯、丁酮、松油醇、乙基纤维素、氢氧化钠、硫酸、盐酸中的一种或多种。
7.根据权利要求6所述的陶瓷基电子线路的制备方法，其特征在于，所述胶质粒子的浓度为1g/L～50g/L，表面改性剂的温度为55℃～75℃，浸泡时间为30min～50min。
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