CN109574713A - 用于氮化铝陶瓷封装基板的表面金属化方法及其封装基板 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了用于氮化铝陶瓷封装基板的表面金属化方法及其封装基板，步骤A，对氮化铝陶瓷封装基板进行等离子活化处理；步骤B，采用真空磁控溅射方式，在氮化铝陶瓷封装基板的表面镀制氧化铝涂层；步骤C，采用真空磁控溅射方式，在经过步骤B处理的氮化铝陶瓷封装基板的表面镀制钛钨涂层。通过真空磁控溅射方式在氮化铝陶瓷封装基板的表面先后镀覆了氧化铝涂层、钛钨涂层和铜涂层，代替传统的化学铜湿法金属化技术以及真空溅射钛金属化技术，适用于高导热要求的氮化铝材质陶瓷封装基板，特别是在大功率光电陶瓷封装基板上使用，能够显著提高产品的可靠性及使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及封装基板领域，尤其涉及用于氮化铝陶瓷封装基板的表面金属化方法及其封装基板。
背景技术
近几年电子产业飞速发展，汽车LED头灯、大功率紫外LED灯、光通信激光器等产品需求不断增加，使得光电芯片等大功率器件应用范围越来越广，尺寸越来越小，功率越来越高，导致器件散热问题日益突出。而用于承载光电芯片的封装基板，如果无法解决芯片热量有效传导的问题，必然导致产品使用寿命缩短，甚至烧毁芯片。传统的光电封装基板一般是采用氧化铝陶瓷，热导率只有16～17W/m.K，对于大功率器件的高导热要求已经不能满足，而热传导率达到150～190W/m.K的AlN材料(氮化铝材料)才是合适的选择。
高导热要求的陶瓷基板除了选用AlN材料外，还要结合其材料特性以及大功率、大电流的特点对芯片和封装基板进行整体结构设计，包括镀层结构，线路设计和孔互联等方面，这样才能满足要求。而在封装基板制作过程中的陶瓷金属化方面，传统的湿法金属化包括化学沉积法和导电涂覆法，无论在结合力还是在镀层性能方面都无法满足高导热的要求。
利用真空磁控溅射技术溅射纯金属如钛、银等，已经在氧化铝材质的陶瓷上有所使用；但氮化铝材质的陶瓷是非氧化陶瓷，具有与氧化铝陶瓷不同的特性，如果按照氧化铝陶瓷的方法进行金属化，在后期的线路光刻制作中容易产生金属铝，导致线路间的绝缘电阻减小甚至短路；加上其更高的导热要求，用真空磁控溅射单纯金属的金属化方法尚无法满足该要求。
发明内容
本发明的目的在于提出一种用于氮化铝陶瓷封装基板的表面金属化方法及其封装基板，热导率在160W/m.K以上，耐热性和高压电阻性能良好，稳定可靠，使用寿命长。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种用于氮化铝陶瓷封装基板的表面金属化方法，包括以下步骤：
步骤A，对氮化铝陶瓷封装基板进行等离子活化处理；
步骤B，采用真空磁控溅射方式，在氮化铝陶瓷封装基板的表面镀制氧化铝涂层；
步骤C，采用真空磁控溅射方式，在经过步骤B处理的氮化铝陶瓷封装基板的表面镀制钛钨涂层；
步骤D，采用真空磁控溅射方式，在经过步骤C处理的氮化铝陶瓷封装基板的表面镀制铜涂层，制得表面先后镀覆了氧化铝涂层、钛钨涂层和铜涂层的氮化铝陶瓷封装基板；
所述步骤B、C和D中，所述真空磁控溅射的真空度为5×100～7.5×103Pa，溅射电流为10～30A。
所述用于氮化铝陶瓷封装基板的表面金属化方法，通过真空磁控溅射方式在氮化铝陶瓷封装基板的表面先后镀覆了氧化铝涂层、钛钨涂层和铜涂层，代替传统的化学铜湿法金属化技术以及真空溅射钛金属化技术，适用于高导热要求的氮化铝材质陶瓷封装基板，特别是在大功率光电陶瓷封装基板上使用，能够显著提高产品的可靠性及使用寿命。
使用的氮化铝陶瓷封装基板具有高热传导率；采用真空磁控溅射方式，先在氮化铝陶瓷封装基板的表面镀覆氧化铝涂层，氧化铝涂层用做线路加工时激光与氮化铝陶瓷封装基板的隔离层，防止氮化铝陶瓷封装基板的表层因激光激发而产生金属铝，导致电阻值减小甚至短路的现象；然后镀覆钛钨涂层，钛钨涂层用作金属涂层与陶瓷材料之间的应力缓冲层；最后镀覆铜涂层，铜涂层是导电层，用作后续电镀铜层的底层，保证层间结合力。从而制得的封装基板热导率良好，热导率在160W/m.K以上，耐热性良好，高压电阻性能测试合格，性能稳定，使用寿命长。
优选地，步骤C中，所述钛钨涂层中钛的质量百分比为50～98％，钨的质量百分比为2～50％。钛钨涂层中钛的质量百分比不小于钨的质量百分比，以保证其硬度、耐氧化性和附着力，钛的质量百分比优选为72％，钨的质量百分比优选为28％。
优选地，所述步骤B中，氧化铝涂层的镀制厚度为0.05～1.00μm。
优选地，所述步骤C中，钛钨涂层的镀制厚度为0.05～1.00μm。
优选地，所述步骤D中，铜涂层的镀制厚度为0.10～10.00μm。
铜涂层用作后续电镀铜层的底层，厚度要比钨涂层和氧化铝涂层的大，钨涂层和氧化铝涂层的厚度可设置为相同。
优选地，所述步骤B、C和D中，氧化铝涂层、钛钨涂层和铜涂层均为分两次真空磁控溅射到氮化铝陶瓷封装基板上。
即氧化铝涂层分两次真空磁控溅射到氮化铝陶瓷封装基板上，钛钨涂层分两次真空磁控溅射到氮化铝陶瓷封装基板上，铜涂层分两次真空磁控溅射到氮化铝陶瓷封装基板上；从而保证氮化铝陶瓷封装基板的整个表面包括通孔内壁均被完全且均匀地涂覆，提高加工可靠性。
优选地，所述步骤A中，先通过激光机在氮化铝陶瓷封装基板上形成通孔，然后对氮化铝陶瓷封装基板进行等离子活化处理。
优选地，使用所述用于氮化铝陶瓷封装基板的表面金属化方法制得的封装基板，由氮化铝陶瓷封装基板、氧化铝涂层、钛钨涂层和铜涂层组成，通过真空磁控溅射方式在所述氮化铝陶瓷封装基板的表面先后镀覆所述氧化铝涂层、钛钨涂层和铜涂层；所述真空磁控溅射的真空度为5×100～7.5×103Pa，溅射电流为10～30A。
所述用于氮化铝陶瓷封装基板的表面金属化方法制得的封装基板，使用的氮化铝陶瓷封装基板具有高热传导率；采用真空磁控溅射方式，先在氮化铝陶瓷封装基板的表面镀覆氧化铝涂层，氧化铝涂层用做线路加工时激光与氮化铝陶瓷封装基板的隔离层，防止氮化铝陶瓷封装基板的表层因激光激发而产生金属铝，导致电阻值减小甚至短路的现象；然后镀覆钛钨涂层，钛钨涂层用作金属涂层与陶瓷材料之间的应力缓冲层；最后镀覆铜涂层，铜涂层是导电层，用作后续电镀铜层的底层，保证层间结合力。从而制得的封装基板热导率良好，热导率在160W/m.K以上，耐热性良好，高压电阻性能测试合格，性能稳定，使用寿命长。
优选地，所述钛钨涂层中钛的质量百分比为50～98％，钨的质量百分比为2～50％。钛钨涂层中钛的质量百分比不小于钨的质量百分比，以保证其硬度、耐氧化性和附着力，钛的质量百分比优选为72％，钨的质量百分比优选为28％。
优选地，所述氧化铝涂层的厚度为0.05～1.00μm，钛钨涂层的厚度为0.05～1.00μm，铜涂层的厚度为0.10～10.00μm。铜涂层用作后续电镀铜层的底层，厚度要比钨涂层和氧化铝涂层的大，钨涂层和氧化铝涂层的厚度可设置为相同。
附图说明
附图对本发明做进一步说明，但附图中的内容不构成对本发明的任何限制。
图1是本发明其中一个实施例的用于氮化铝陶瓷封装基板的表面金属化方法制得的封装基板结构示意图。
其中：氮化铝陶瓷封装基板1；氧化铝涂层2；钛钨涂层3；铜涂层4。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
实施例1
本实施例的用于氮化铝陶瓷封装基板的表面金属化方法，包括以下步骤：
步骤A，先通过激光机在氮化铝陶瓷封装基板1上形成通孔，然后对氮化铝陶瓷封装基板1进行等离子活化处理；
步骤B，采用真空磁控溅射方式，在氮化铝陶瓷封装基板1的表面镀制氧化铝涂层2，氧化铝涂层2分两次真空磁控溅射到氮化铝陶瓷封装基板1上，氧化铝涂层2的镀制厚度为0.05μm，真空磁控溅射的真空度为5Pa，溅射电流为10A；
步骤C，采用真空磁控溅射方式，在经过步骤B处理的氮化铝陶瓷封装基板1的表面镀制钛钨涂层3，钛钨涂层3分两次真空磁控溅射到氮化铝陶瓷封装基板1上，钛钨涂层3的镀制厚度为0.05μm，所述钛钨涂层3中钛的质量百分比为50％，钨的质量百分比为50％，真空磁控溅射的真空度为5Pa，溅射电流为10A；
步骤D，采用真空磁控溅射方式，在经过步骤C处理的氮化铝陶瓷封装基板1的表面镀制铜涂层4，铜涂层4分两次真空磁控溅射到氮化铝陶瓷封装基板1上，铜涂层4的镀制厚度为0.10μm，真空磁控溅射的真空度为150Pa，溅射电流为12A；
制得表面先后镀覆了氧化铝涂层2、钛钨涂层3和铜涂层4的氮化铝陶瓷封装基板1，如图1所示。
实施例2
本实施例的用于氮化铝陶瓷封装基板的表面金属化方法，包括以下步骤：
步骤A，先通过激光机在氮化铝陶瓷封装基板1上形成通孔，然后对氮化铝陶瓷封装基板1进行等离子活化处理；
步骤B，采用真空磁控溅射方式，在氮化铝陶瓷封装基板1的表面镀制氧化铝涂层2，氧化铝涂层2分两次真空磁控溅射到氮化铝陶瓷封装基板1上，氧化铝涂层2的镀制厚度为0.5μm，真空磁控溅射的真空度为500Pa，溅射电流为15A；
步骤C，采用真空磁控溅射方式，在经过步骤B处理的氮化铝陶瓷封装基板1的表面镀制钛钨涂层3，钛钨涂层3分两次真空磁控溅射到氮化铝陶瓷封装基板1上，钛钨涂层3的镀制厚度为0.05μm，所述钛钨涂层3中钛的质量百分比为72％，钨的质量百分比为28％，真空磁控溅射的真空度为500Pa，溅射电流为15A；
步骤D，采用真空磁控溅射方式，在经过步骤C处理的氮化铝陶瓷封装基板1的表面镀制铜涂层4，铜涂层4分两次真空磁控溅射到氮化铝陶瓷封装基板1上，铜涂层4的镀制厚度为5μm，真空磁控溅射的真空度为3500Pa，溅射电流为25A；
制得表面先后镀覆了氧化铝涂层2、钛钨涂层3和铜涂层4的氮化铝陶瓷封装基板1，如图1所示。
实施例3
本实施例的用于氮化铝陶瓷封装基板的表面金属化方法，包括以下步骤：
步骤A，先通过激光机在氮化铝陶瓷封装基板1上形成通孔，然后对氮化铝陶瓷封装基板1进行等离子活化处理；
步骤B，采用真空磁控溅射方式，在氮化铝陶瓷封装基板1的表面镀制氧化铝涂层2，氧化铝涂层2分两次真空磁控溅射到氮化铝陶瓷封装基板1上，氧化铝涂层2的镀制厚度为1μm，真空磁控溅射的真空度为1000Pa，溅射电流为20A；
步骤C，采用真空磁控溅射方式，在经过步骤B处理的氮化铝陶瓷封装基板1的表面镀制钛钨涂层3，钛钨涂层3分两次真空磁控溅射到氮化铝陶瓷封装基板1上，钛钨涂层3的镀制厚度为1μm，所述钛钨涂层3中钛的质量百分比为98％，钨的质量百分比为2％，真空磁控溅射的真空度为1000Pa，溅射电流为20A；
步骤D，采用真空磁控溅射方式，在经过步骤C处理的氮化铝陶瓷封装基板1的表面镀制铜涂层4，铜涂层4分两次真空磁控溅射到氮化铝陶瓷封装基板1上，铜涂层4的镀制厚度为10μm，真空磁控溅射的真空度为7500Pa，溅射电流为30A；
制得表面先后镀覆了氧化铝涂层2、钛钨涂层3和铜涂层4的氮化铝陶瓷封装基板1，如图1所示。
对比例1
本对比例的用于氮化铝陶瓷封装基板的表面金属化方法，包括以下步骤：
步骤A，先通过激光机在氮化铝陶瓷封装基板1上形成通孔，然后对氮化铝陶瓷封装基板1进行等离子活化处理；
步骤B，采用真空磁控溅射方式，在经过步骤B处理的氮化铝陶瓷封装基板1的表面镀制钛钨涂层3，钛钨涂层3分两次真空磁控溅射到氮化铝陶瓷封装基板1上，钛钨涂层3的镀制厚度为1μm，所述钛钨涂层3中钛的质量百分比为98％，钨的质量百分比为2％，真空磁控溅射的真空度为1000Pa，溅射电流为20A；
步骤C，采用真空磁控溅射方式，在经过步骤B处理的氮化铝陶瓷封装基板1的表面镀制铜涂层4，铜涂层4分两次真空磁控溅射到氮化铝陶瓷封装基板1上，铜涂层4的镀制厚度为10μm，真空磁控溅射的真空度为7500Pa，溅射电流为30A；
制得表面先后镀覆了钛钨涂层3和铜涂层4的氮化铝陶瓷封装基板1。
对比例2
本实施例的用于氮化铝陶瓷封装基板的表面金属化方法，包括以下步骤：
步骤A，先通过激光机在氮化铝陶瓷封装基板1上形成通孔，然后对氮化铝陶瓷封装基板1进行等离子活化处理；
步骤B，采用真空磁控溅射方式，在氮化铝陶瓷封装基板1的表面镀制氧化铝涂层2，氧化铝涂层2分两次真空磁控溅射到氮化铝陶瓷封装基板1上，氧化铝涂层2的镀制厚度为1μm，真空磁控溅射的真空度为1000Pa，溅射电流为20A；
步骤C，采用真空磁控溅射方式，在经过步骤B处理的氮化铝陶瓷封装基板1的表面镀制铜涂层4，铜涂层4分两次真空磁控溅射到氮化铝陶瓷封装基板1上，铜涂层4的镀制厚度为10μm，真空磁控溅射的真空度为7500Pa，溅射电流为30A；
制得表面先后镀覆了氧化铝涂层2和铜涂层4的氮化铝陶瓷封装基板1。
对比例3
本实施例的用于氮化铝陶瓷封装基板的表面金属化方法，包括以下步骤：
步骤A，先通过激光机在氮化铝陶瓷封装基板1上形成通孔，然后对氮化铝陶瓷封装基板1进行等离子活化处理；
步骤B，采用真空磁控溅射方式，在氮化铝陶瓷封装基板1的表面镀制钛涂层，钛涂层分两次真空磁控溅射到氮化铝陶瓷封装基板1上，钛涂层的镀制厚度为1μm，真空磁控溅射的真空度为1000Pa，溅射电流为20A；
制得表面镀覆了钛涂层的氮化铝陶瓷封装基板1。
对比例4
本实施例的用于氮化铝陶瓷封装基板的表面金属化方法，包括以下步骤：
步骤A，先通过激光机在氮化铝陶瓷封装基板1上形成通孔，然后对氮化铝陶瓷封装基板1进行等离子活化处理；
步骤B，采用化学沉铜方式，在氮化铝陶瓷封装基板1的表面沉积一层铜，铜层的厚度为1.0μm，具体为吸附胶体钯，经过解胶后，在钯的催化下进行化学铜的沉积；制得表面沉积了铜层的氮化铝陶瓷封装基板1。
分别对实施例1～3和对比例1～4制得的氮化铝陶瓷封装基板1进行涂层结合力、基板热导率和高压电阻性能测试，结果如下表1所示：
表1
由实施例1～3和对比例1～4可知，用于氮化铝陶瓷封装基板的表面金属化方法，通过真空磁控溅射方式在氮化铝陶瓷封装基板1的表面先后镀覆了氧化铝涂层2、钛钨涂层3和铜涂层4，代替传统的化学铜湿法金属化技术以及真空溅射钛金属化技术，适用于高导热要求的氮化铝材质陶瓷封装基板，特别是在大功率光电陶瓷封装基板上使用，能够显著提高产品的可靠性及使用寿命。
使用的氮化铝陶瓷封装基板1具有高热传导率；采用真空磁控溅射方式，先在氮化铝陶瓷封装基板1的表面镀覆氧化铝涂层2，氧化铝涂层2用做线路加工时激光与氮化铝陶瓷封装基板1的隔离层，防止氮化铝陶瓷封装基板1的表层因激光激发而产生金属铝，导致电阻值减小甚至短路的现象；然后镀覆钛钨涂层3，钛钨涂层用作金属涂层与陶瓷材料之间的应力缓冲层；最后镀覆铜涂层4，铜涂层4是导电层，用作后续电镀铜层的底层，保证层间结合力。从而制得的封装基板热导率良好，热导率在160W/m.K以上，耐热性良好，高压电阻性能测试合格，性能稳定，使用寿命长。
以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于氮化铝陶瓷封装基板的表面金属化方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤A，对氮化铝陶瓷封装基板进行等离子活化处理；
步骤B，采用真空磁控溅射方式，在氮化铝陶瓷封装基板的表面镀制氧化铝涂层；
步骤C，采用真空磁控溅射方式，在经过步骤B处理的氮化铝陶瓷封装基板的表面镀制钛钨涂层；
步骤D，采用真空磁控溅射方式，在经过步骤C处理的氮化铝陶瓷封装基板的表面镀制铜涂层，制得表面先后镀覆了氧化铝涂层、钛钨涂层和铜涂层的氮化铝陶瓷封装基板；
所述步骤B、C和D中，所述真空磁控溅射的真空度为5×100～7.5×103Pa，溅射电流为10～30A。
2.根据权利要求1所述的用于氮化铝陶瓷封装基板的表面金属化方法，其特征在于：步骤C中，所述钛钨涂层中钛的质量百分比为50～98％，钨的质量百分比为2～50％。
3.根据权利要求1所述的用于氮化铝陶瓷封装基板的表面金属化方法，其特征在于：所述步骤B中，氧化铝涂层的镀制厚度为0.05～1.00μm。
4.根据权利要求1所述的用于氮化铝陶瓷封装基板的表面金属化方法，其特征在于：所述步骤C中，钛钨涂层的镀制厚度为0.05～1.00μm。
5.根据权利要求1所述的用于氮化铝陶瓷封装基板的表面金属化方法，其特征在于：所述步骤D中，铜涂层的镀制厚度为0.10～10.00μm。
6.根据权利要求1所述的用于氮化铝陶瓷封装基板的表面金属化方法，其特征在于：所述步骤B、C和D中，氧化铝涂层、钛钨涂层和铜涂层均为分两次真空磁控溅射到氮化铝陶瓷封装基板上。
7.根据权利要求1所述的用于氮化铝陶瓷封装基板的表面金属化方法，其特征在于：所述步骤A中，先通过激光机在氮化铝陶瓷封装基板上形成通孔，然后对氮化铝陶瓷封装基板进行等离子活化处理。
8.使用权利要求1至7任意一项所述的用于氮化铝陶瓷封装基板的表面金属化方法制得的封装基板，其特征在于：由氮化铝陶瓷封装基板、氧化铝涂层、钛钨涂层和铜涂层组成，通过真空磁控溅射方式在所述氮化铝陶瓷封装基板的表面先后镀覆所述氧化铝涂层、钛钨涂层和铜涂层；
所述真空磁控溅射的真空度为5×100～7.5×103Pa，溅射电流为10～30A。
9.根据权利要求8所述的用于氮化铝陶瓷封装基板的表面金属化方法制得的封装基板，其特征在于：所述钛钨涂层中钛的质量百分比为50～98％，钨的质量百分比为2～50％。
10.根据权利要求8所述的用于氮化铝陶瓷封装基板的表面金属化方法制得的封装基板，其特征在于：所述氧化铝涂层的厚度为0.05～1.00μm，钛钨涂层的厚度为0.05～1.00μm，铜涂层的厚度为0.10～10.00μm。
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