CN109037421A - 一种大功率led用陶瓷覆铜板的低温制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大功率LED用陶瓷覆铜板的低温制备方法，包括以下步骤：步骤1、利用化学镀铜法在陶瓷基片表面进行镀铜，得到陶瓷镀铜片；步骤2、在保护气氛下对陶瓷镀铜片进行退火处理；步骤3、利用铜铜键合法将经过退火处理的陶瓷镀铜片与铜箔进行热压键合，得到大功率LED用陶瓷覆铜板。本发明同时采用化学镀铜和铜铜键合法，解决键合温度过高(1000℃以上)、界面气孔等关键的技术难题，降低键合温度、增加键合强度、改善键合界面气孔并提高产品的抗热冲击性。
Description
技术领域
本发明属于LED封装基板制备技术领域，尤其是涉及一种大功率LED用陶瓷覆铜板的低温制备方法。
背景技术
国家中长期科学和技术发展规划纲要中将高效节能、长寿命的半导体照明列入第一重点领域(能源)的第一优先主题(工业节能)，在国内外引起广泛关注。节能减排将是贯穿今后发展中的重中之重，LED照明以其显著的节能效果必将受到各级政府及市场的重视。我国照明用电约占全国用电量的13％左右，推广使用高效照明产品意义重大。
散热是大功率LED封装的关键所在，纵观LED封装技术发展，就是功率不断增加、热阻不断降低及光效不断提高的过程。随着LED芯片功率不断增加和封装集成度提高，大耗散功率带来的高热量及要求高出光效率给LED封装材料提出了更新、更高的要求。在LED散热通道中，封装基板是承上启下、连接内外散热通路的关键环节，兼有散热、电互连(绝缘)和机械支撑等功能。对大功率LED器件而言，其封装基板要求具有高导热性、高绝缘性、高耐热性、与芯片匹配的热膨胀系数及较高的强度。目前常用的LED封装基板材料包括树脂、金属、陶瓷、硅和复合材料等，基板产品则包括MCPCB(金属基板)、LTCC(低温共烧陶瓷基板)、TFC(厚膜陶瓷基板)、DBC(直接键合铜陶瓷基板)和DPC(直接镀铜陶瓷基板)等。
其中，陶瓷具有强度高、绝缘性好、导热和耐热性能优异、热膨胀系数小等优点，非常适合作为LED封装基板。目前常用的陶瓷基片材料及性能如表1所示，从表中性能对比可以看出，Al2O3和AlN是比较合适的大功率LED基板材料。
在制作方法上，有以Al2O3为主体的高温共烧、低温共烧陶瓷，它们成本较高、成品率差且无法热电分离等因素导致其较少用于LED封装。采用丝网印刷术将金属浆料涂覆在陶瓷表面的厚膜陶瓷基板(TFC)，技术成熟、工艺简单且成本较低，在图形精度要求不高的LED封装中得到一定的应用。直接键合覆铜板(DBC)是一种高导热、高耐热的覆铜陶瓷基片。由陶瓷基片(Al2O3或AlN)与铜箔在高温(1000℃以上)下共晶烧结而成，然后以刻蚀方式形成布线。DBC结构具有热导率高、绝缘性强、可靠性高等优点，目前已经开始应用于大功率LED封装，随着技术进步和成本的下降，DBC目前在业界具有很大的发展潜力。当前DBC技术的不足之处体现在：Cu和Al2O3高温共晶反应对设备和工艺控制要求高，基板成本较高；共晶键合层面之间易产生微气孔，降低产品抗热冲击性。
国内功率型LED封装方面，MCPCB技术比较成熟，但由于热导率较低、耐温性差，在高密度集成的大功率LED封装和灯具应用方面受到限制。欧美和日韩企业在DBC基板方面占有一定的技术和市场优势，国内虽然也有一些机构开展了研究，但目前仅有少数企业取得了部分技术突破，产品性能也与国际水平存在一定差异。DBC基板产品主要用于IGBT(绝缘栅双极二极管)、LD(激光二极管)以及高集成度LED封装上，其技术尚有开发空间，且国内技术开发进度完全满足不了需求的日益上升。目前氧化铝-铜箔键合技术已经较为成熟，但如前所述，氧化铝的热导率大约只有氮化铝的八分之一，且键合温度在1000℃以上。在大功率、集成度高、对冷热交替循环要求高的LED芯片中，必须采用氮化铝陶瓷基底。而AlN与Cu的高温键合工艺中，必须首先在AlN和Cu表面构成氧化层之后，才能进行高温(1000℃以上)共晶键合，这样就存在着界面增多、界面气孔生成率高以及热失配等问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种大功率LED用陶瓷覆铜板的低温制备方法，同时采用化学镀铜和铜铜键合法，解决键合温度过高(1000℃以上)、界面气孔等关键的技术难题，降低键合温度、增加键合强度、改善键合界面气孔并提高产品的抗热冲击性。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种大功率LED用陶瓷覆铜板的低温制备方法，包括以下步骤：
步骤1、利用化学镀铜法在陶瓷基片表面进行镀铜，得到陶瓷镀铜片；
步骤2、在保护气氛下对陶瓷镀铜片进行退火处理；
步骤3、利用铜铜键合法将经过退火处理的陶瓷镀铜片与铜箔进行热压键合，得到大功率LED用陶瓷覆铜板。
优选地，在所述步骤1中，利用化学镀铜法在陶瓷基片表面进行镀铜的方法如下：
S1.对陶瓷基板进行前处理，得其符合化学镀铜法的要求；
S2.配制化学镀铜法所需镀铜液；
S3.将经过前处理已获得洁净和具有自催化活性的陶瓷基板放入镀铜液中进行化学镀铜，得到陶瓷镀铜片。
优选地，在所述S1步骤中，对陶瓷基板进行的前处理包括清洗、粗化、去除金属杂质和活化；
清洗：用丙酮浸泡或者超声5-10分钟，再用无水乙醇浸泡或者超声5-10分钟，然后用去离子水清洗；
粗化：配制质量分数为3-6％的NaOH或者KOH溶液粗化液，将盛有粗化液的烧杯置于30℃-60℃恒温水浴锅中，放入经过清洗的陶瓷片浸泡10-30分钟，取出后用无水乙醇超声5-10分钟，并用去离子水清洗；
去除金属杂质(氧化铝基片不经过此步骤)：将上述处理过的基片放入质量分数为30％-35％的稀硝酸溶液中浸泡10-20分钟，取出后用无水乙醇超声5-10分钟，并用去离子水清洗；
活化：配置胶体钯活化液(注：活化液配方非本发明所有，乃论文公开配方，无需保护)。先将75g SnCl2加入200ml盐酸(37％)中，再加入7g Na2SnO3，形成混合液1；将1gPdCl2溶于300ml盐酸(12％-13％)中,维持溶液温度在30℃，加入2.53g SnCl2，搅拌10-15分钟时，将混合液1缓慢倒入并搅拌；将配制好的溶液放于40℃-50℃的恒温水浴锅中保持2-4小时，最后加入去离子水稀释到1-2L，即为活化液。将上述处理过的陶瓷基板放入活化液，维持25℃-30℃恒温浸泡15-30分钟即完成活化。
优选地，在所述S2步骤中，配制化学镀铜法所需镀液的方法如下：
a)根据化学镀铜液中的各成分，分别称量适量的化学试剂；
b)用适量去离子水将已称量的硫酸铜、氯化镍、碳酸钠溶解，再搅拌均匀混合为A液；
c)用适量去离子水将已称量的酒石酸钾钠溶解，再搅拌均匀混合为B液；
d)用适量去离子水将甲醛溶液稀释，摇匀后即为C液；
e)将A、B、C液混合均匀，在搅拌的情况下，加入适量已配制好的一定浓度的氢氧化钠溶液，将混合溶液的pH值调节至试验所需值，充分搅拌后即得镀铜液。
优选地，在所述S3步骤中，盛有镀铜液的容器放入30℃-50℃恒温水浴锅中，将经过前处理已获得洁净和具有自催化活性的陶瓷基板放入盛有镀铜液的容器内进行5-20分钟化学镀铜处理。
优选地，在所述步骤2中，退火处理的温度为150℃-350℃，保护气氛为氮气、氦气或者氩气。
优选地，在所述步骤3中，利用铜铜键合法将经过退火处理的陶瓷镀铜片与铜箔进行热压键合的方法如下：
1)将铜箔展平，裁剪为和陶瓷镀铜片一样尺寸，并对铜箔进行清洗：用丙酮浸泡或者超声5-10分钟，再用无水乙醇浸泡或者超声5-10分钟，然后用去离子水清洗；使用1:1的稀盐酸对铜箔进行表面氧化层去除，然后用去离子水清洗；
2)对陶瓷镀铜片和100-300μm厚的铜箔进行键合前表面处理；
3)然后将陶瓷镀铜片和铜箔在键合台上贴合放置，并利用键合台的压杆或者夹具施加3E4Pa的压强，键合室抽真空到1E-3Pa以上或者充入氮气或氩气，待陶瓷镀铜片和铜箔紧密贴合后，压强增加到1E5Pa，键合台从室温开始以30-50℃/min的速率升温，待温度达到350-400℃以后维持恒温，并增大键合压强到4E5Pa，维持30-60min；然后以3-5℃/min的速率降温至室温，之后在N2气氛保护下，350-450℃退火30-60分钟；最终得到铜箔厚度在110-310μm、结合力强、导热性和导电性能优良的陶瓷覆铜板。
优选地，在所述步骤2)中，对陶瓷镀铜片和100-300μm厚的铜箔进行键合前表面处理工艺为：将陶瓷镀铜片和100-300μm厚的铜箔放入1-己硫醇中5-10分钟进行钝化处理以防止表面氧化，或者利用等离子体活化设备对铜面进行N等离子/Ar等离子处理10-30s。
优选地，所述陶瓷基片为氧化铝陶瓷基片或者氮化铝陶瓷基片。
优选地，整个制备过程中的工艺温度不超过500℃。
本发明的有益效果是：
本发明针对中高端大功率LED封装首选基板——陶瓷基板中的直接键合覆铜板工艺温度过高、界面气孔多等问题，本发明开发化学镀+铜铜键合法，提高DBC板性能，改善热失配，其具体表现在：
(1)本发明巧妙的结合了陶瓷基片化学镀铜法和铜铜热压键合法，将陶瓷基片陶瓷覆铜工艺温度从上千度降低到400℃左右，在保证铜层厚度和陶瓷覆铜板性能的前提下，大大降低了工艺温度，降低生产成本。
(2)本发明的陶瓷基片化学镀铜法避免了界面氧化层的产生，从而可以极大的减少界面微气孔，铜铜键合又可以补充化学镀铜法铜层厚度过薄的问题，两项技术各取所长，得到理想的高端陶瓷覆铜板产品。
(3)本发明关键技术在于化学镀铜与铜铜键合的技术衔接，在获得理想的化学镀铜层以后，通过陶瓷基片陶瓷表面镀铜层与铜箔键合技术，获得完整无分界的Cu-Cu键合层。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
图1为本发明化学镀铜前处理流程图；
图2为本发明初步获得的化学镀铜板扫描电镜图像。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
氮化铝陶瓷基片为例，一种大功率LED用陶瓷覆铜板的低温制备方法，包括以下步骤：
步骤1、利用化学镀铜法在陶瓷基片表面进行镀铜，得到陶瓷镀铜片；
步骤2、在保护气氛下对陶瓷镀铜片进行退火处理；
步骤3、利用铜铜键合法将经过退火处理的陶瓷镀铜片与铜箔进行热压键合，得到大功率LED用陶瓷覆铜板。
在所述步骤1中，利用化学镀铜法在陶瓷基片表面进行镀铜的方法如下：
S1.对陶瓷基板进行前处理，得其符合化学镀铜法的要求；
S2.配制化学镀铜法所需镀铜液；
S3.将经过前处理已获得洁净和具有自催化活性的陶瓷基板放入镀铜液中进行化学镀铜，得到陶瓷镀铜片。
如图1所示，在所述S1步骤中，对陶瓷基板进行的前处理包括清洗、粗化、去除金属杂质和活化；
清洗：用丙酮浸泡或者超声5分钟，再用无水乙醇浸泡或者超声5分钟，然后用去离子水清洗；
粗化：配制质量分数为3％的NaOH或者KOH溶液粗化液，将盛有粗化液的烧杯置于30℃恒温水浴锅中，放入经过清洗的陶瓷片浸泡10分钟，取出后用无水乙醇超声5分钟，并用去离子水清洗；
去除金属杂质(氧化铝基片不经过此步骤)：将上述处理过的基片放入质量分数为30％的稀硝酸溶液中浸泡10分钟，取出后用无水乙醇超声5分钟，并用去离子水清洗；
活化：配置胶体钯活化液，先将75g SnCl2加入200ml盐酸(37％)中，再加入7gNa2SnO3，形成混合液1；将1g PdCl2溶于300ml盐酸(12％)中,维持溶液温度在30℃，加入2.53g SnCl2，搅拌10分钟时，将混合液1缓慢倒入并搅拌；将配制好的溶液放于40℃的恒温水浴锅中保持2小时，最后加入去离子水稀释到1L，即为活化液，将上述处理过的陶瓷基板放入活化液，维持25℃恒温浸泡15分钟即完成活化。
在所述S2步骤中，配制化学镀铜法所需镀液的方法如下：
a)根据化学镀铜液中的各成分，分别称量适量的化学试剂；
b)用适量去离子水将已称量的硫酸铜、氯化镍、碳酸钠溶解，再搅拌均匀混合为A液；
c)用适量去离子水将已称量的酒石酸钾钠溶解，再搅拌均匀混合为B液；
d)用适量去离子水将甲醛溶液稀释，摇匀后即为C液；
e)将A、B、C液混合均匀，在搅拌的情况下，加入适量已配制好的一定浓度的氢氧化钠溶液，将混合溶液的pH值调节至试验所需值，充分搅拌后即得镀铜液。
在所述S3步骤中，盛有镀铜液的容器放入30℃恒温水浴锅中，将经过前处理已获得洁净和具有自催化活性的陶瓷基板放入盛有镀铜液的容器内进行5分钟化学镀铜处理，如图2所示为本实施例中初步获得的化学镀铜板扫描电镜图像。
在所述步骤2中，退火处理的温度为150℃，保护气氛为氮气。
在所述步骤3中，利用铜铜键合法将经过退火处理的陶瓷镀铜片与铜箔进行热压键合的方法如下：
1)将铜箔展平，裁剪为和陶瓷镀铜片一样尺寸，并对铜箔进行清洗：用丙酮浸泡或者超声5分钟，再用无水乙醇浸泡或者超声5分钟，然后用去离子水清洗；使用1:1的稀盐酸对铜箔进行表面氧化层去除，然后用去离子水清洗；
2)对陶瓷镀铜片和100μm厚的铜箔进行键合前表面处理；
3)然后将陶瓷镀铜片和铜箔在键合台上贴合放置，并利用键合台的压杆或者夹具施加3E4Pa的压强，键合室抽真空到1E-3Pa以上，待陶瓷镀铜片和铜箔紧密贴合后，压强增加到1E5Pa，键合台从室温开始以30℃/min的速率升温，待温度达到350℃以后维持恒温，并增大键合压强到4E5Pa，维持30min；然后以3℃/min的速率降温至室温，之后在N2气氛保护下，350℃退火30分钟；最终得到铜箔厚度在110μm、结合力强、导热性和导电性能优良的陶瓷覆铜板。
优选地，在所述步骤2)中，对陶瓷镀铜片和100μm厚的铜箔进行键合前表面处理工艺为：将陶瓷镀铜片和100μm厚的铜箔放入1-己硫醇中5分钟进行钝化处理以防止表面氧化。
整个制备过程中的工艺温度不超过500℃。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种大功率LED用陶瓷覆铜板的低温制备方法，其特征在于,包括以下步骤：
步骤1、利用化学镀铜法在陶瓷基片表面进行镀铜，得到陶瓷镀铜片；
步骤2、在保护气氛下对陶瓷镀铜片进行退火处理；
步骤3、利用铜铜键合法将经过退火处理的陶瓷镀铜片与铜箔进行热压键合，得到大功率LED用陶瓷覆铜板。
2.根据权利要求1所述的一种大功率LED用陶瓷覆铜板的低温制备方法，其特征在于：在所述步骤1中，利用化学镀铜法在陶瓷基片表面进行镀铜的方法如下：
S1.对陶瓷基板进行前处理，得其符合化学镀铜法的要求；
S2.配制化学镀铜法所需镀铜液；
S3.将经过前处理已获得洁净和具有自催化活性的陶瓷基板放入镀铜液中进行化学镀铜，得到陶瓷镀铜片。
3.根据权利要求2所述的一种大功率LED用陶瓷覆铜板的低温制备方法，其特征在于：在所述S1步骤中，对陶瓷基板进行的前处理包括清洗、粗化、去除金属杂质和活化。
4.根据权利要求2所述的一种大功率LED用陶瓷覆铜板的低温制备方法，其特征在于：在所述S2步骤中，配制化学镀铜法所需镀液的方法如下：
a)根据化学镀铜液中的各成分，分别称量适量的化学试剂；
b)用适量去离子水将已称量的硫酸铜、氯化镍、碳酸钠溶解，再搅拌均匀混合为A液；
c)用适量去离子水将已称量的酒石酸钾钠溶解，再搅拌均匀混合为B液；
d)用适量去离子水将甲醛溶液稀释，摇匀后即为C液；
e)将A、B、C液混合均匀，在搅拌的情况下，加入适量已配制好的一定浓度的氢氧化钠溶液，将混合溶液的pH值调节至试验所需值，充分搅拌后即得镀铜液。
5.根据权利要求2所述的一种大功率LED用陶瓷覆铜板的低温制备方法，其特征在于：在所述S3步骤中，盛有镀铜液的容器放入30℃-50℃恒温水浴锅中，将经过前处理已获得洁净和具有自催化活性的陶瓷基板放入盛有镀铜液的容器内进行5-20分钟化学镀铜处理。
6.根据权利要求1所述的一种大功率LED用陶瓷覆铜板的低温制备方法，其特征在于：在所述步骤2中，退火处理的温度为150℃-350℃，保护气氛为氮气、氦气或者氩气。
7.根据权利要求1所述的一种大功率LED用陶瓷覆铜板的低温制备方法，其特征在于：在所述步骤3中，利用铜铜键合法将经过退火处理的陶瓷镀铜片与铜箔进行热压键合的方法如下：
1)将铜箔展平，裁剪为和陶瓷镀铜片一样尺寸，并对铜箔进行清洗：用丙酮浸泡或者超声5-10分钟，再用无水乙醇浸泡或者超声5-10分钟，然后用去离子水清洗；使用1:1的稀盐酸对铜箔进行表面氧化层去除，然后用去离子水清洗；
2)对陶瓷镀铜片和100-300μm厚的铜箔进行键合前表面处理；
3)然后将陶瓷镀铜片和铜箔在键合台上贴合放置，并利用键合台的压杆或者夹具施加3E4Pa的压强，键合室抽真空到1E-3Pa以上或者充入氮气或氩气，待陶瓷镀铜片和铜箔紧密贴合后，压强增加到1E5Pa，键合台从室温开始以30-50℃/min的速率升温，待温度达到350-400℃以后维持恒温，并增大键合压强到4E5Pa，维持30-60min；然后以3-5℃/min的速率降温至室温，之后在N2气氛保护下，350-450℃退火30-60分钟；最终得到铜箔厚度在110-310μm、结合力强、导热性和导电性能优良的陶瓷覆铜板。
8.根据权利要求7所述的一种大功率LED用陶瓷覆铜板的低温制备方法，其特征在于：在所述步骤2)中，对陶瓷镀铜片和100-300μm厚的铜箔进行键合前表面处理工艺为：将陶瓷镀铜片和100-300μm厚的铜箔放入1-己硫醇中5-10分钟进行钝化处理以防止表面氧化，或者利用等离子体活化设备对铜面进行N等离子/Ar等离子处理10-30s。
9.根据权利要求1至7任一项所述的一种大功率LED用陶瓷覆铜板的低温制备方法，其特征在于：所述陶瓷基片为氧化铝陶瓷基片或者氮化铝陶瓷基片。
10.根据权利要求1至7任一项所述的一种大功率LED用陶瓷覆铜板的低温制备方法，其特征在于：整个制备过程中的工艺温度不超过500℃。
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