CN109904138A - 一种三维陶瓷基板及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三维陶瓷基板结构，包括围坝结构和平面陶瓷基板，其特征在于，所述围坝结构和平面陶瓷基板间采用耐高温无机胶粘接。本发明还提供一种三维陶瓷基板制备方法，首先在陶瓷基片上制作含独立线路层的平面陶瓷基板，接着在所述围坝结构材料上加工通孔形成镂空结构，随后采用耐高温无机胶，将所述含镂空孔的围坝结构材料与所述平面陶瓷基板对准后粘接，固化后切割得到一个或者多个含腔体结构或者围坝的三维陶瓷基板。本发明具有工艺简单、材料成本低、可批量制备含腔体结构的三维陶瓷基板，所述三维陶瓷基板导热和耐热性能良好，强度高、耐腐蚀，可满足电子器件气密封装要求。

Description

一种三维陶瓷基板及其制备方法

技术领域

本发明属于电子陶瓷基板制造领域，更具体的说，涉及一种三维陶瓷基板制备技术。

背景技术

陶瓷因其良好的耐高温、耐腐蚀、热导率高、机械强度高、热膨胀系数(CTE)与芯片材料匹配等特性，在电子封装中得到广泛应用。随着电子封装技术发展，对器件的可靠性、气密性和成本等提出了更高要求。传统平面陶瓷基板包括厚膜印刷陶瓷基板(TPC)、直接键合陶瓷基板(DBC)、活性金属焊接陶瓷基板(AMB)、直接电镀陶瓷基板(DPC)等无腔体结构，上述无空腔结构由于无法实现气密封装，难以满足应用需求。为此，业界开发了含腔体结构的三维陶瓷基板。

目前市场上的三维陶瓷基板主要包括：1)高温/低温共烧陶瓷基板，采用多层叠压共烧工艺，可制备出含腔体的多层陶瓷基板。但存在线路精度差，高温烧结收缩导致变形等问题，难以满足高精度电子器件封装需求；2)多层电镀增厚陶瓷基板。专利CN106783755A提出利用电镀增厚技术制备含金属围坝的三维陶瓷基板，其中厚度为0.5-0.7mm，虽然图形精度高，但由于多次采用光刻、图案化电镀工艺，制备时间长、成本高；3)采用有机胶将金属镂空板和陶瓷基板粘接，得到含金属围坝的三维陶瓷基板。其制作工艺简单，但有机粘胶耐热性差，材料为非气密性，无法满足应用需求。

综上所述，现有三维封装基板在性能、成本等方面都存在一些不足，限制了其广泛应用。另一方面，对于大功率白光LED、紫外/深紫外LED、高端传感器等器件封装，必须使用含腔体结构的三维陶瓷基板。因此，研发高性能、低成本的三维陶瓷基板制备技术意义重大。

发明内容

针对现有技术不足或改进需求，本发明提供了一种三维陶瓷基板及其制备方法。首先在陶瓷基片上制作独立线路层，在围坝结构材料上加工通孔形成镂空结构，接着采用耐高温无机胶将围坝结构与陶瓷基板对准后粘接，固化后切割得到含腔体结构的三维陶瓷基板。该方法采用无机胶粘接制备三维陶瓷基板，工艺简单、成本低，且制备的三维陶瓷基板耐热性、气密性良好。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种三维陶瓷基板。

具体包括围坝结构和平面陶瓷基板，其特征在于，所述平面陶瓷基板包括陶瓷基片以及所述陶瓷基片表面设有一个或者多个独立线路层，所述围坝结构通过胶体材料与所述平面陶瓷基板粘接，所述围坝结构为一个或者多个，其中所述胶体材料为无机胶。进一步地，所述围坝结构内部具有镂空孔，并且所述镂空孔与所述陶瓷基片表面设有的一个或者多个独立线路层的位置和尺寸相对应。；

进一步地，所述围坝结构材料为金属、陶瓷或玻璃；

进一步地，所述围坝结构厚度为0.3-3.0mm；

进一步地，所述平面陶瓷基板为厚膜陶瓷基板、直接键合陶瓷基板、活性金属焊接陶瓷基板或直接电镀陶瓷基板；

进一步地，所述耐高温无机胶中，包括重量比例为：Al₂O₃粉末50％-60％、碱金属硅酸盐35％-50％以及添加剂1％-5％，优选为：Al₂O₃粉末50％，碱金属硅酸盐48％，添加剂2％。

为实现上述目的，按照本发明的另一个方面，提供了一种三维陶瓷基板制备方法。

制备平面陶瓷基板，在所述平面陶瓷基板的表面布置一个或者多个独立线路层；制备围坝结构，在围坝结构内部设置镂空孔，所述镂空孔与所述平面陶瓷基片的表面设有的一个或者多个独立线路层的位置和尺寸相对应；将含镂空孔的所述围坝结构与所述平面陶瓷基板采用无机胶粘接，形成粘结体。

进一步地，将设有镂空孔的所述围坝结构与所述平面陶瓷基板采用无机胶粘接的步骤包括：将模具与所述围坝结构合模，在所述围坝结构表面涂覆所述无机胶，取下所述模具，将涂覆有无机胶的所述围坝结构与所述平面陶瓷基板对准后将所述无机胶固化，形成粘接体。进一步地，所述无机胶中，包括重量比例为：Al₂O₃粉末50％-60％、碱金属硅酸盐35％-50％以及添加剂1％-5％，其中优选重量比例为：Al₂O₃粉末50％，碱金属硅酸盐48％，添加剂2％。

进一步地，所述模具可以是硅胶模具。

进一步地，无机胶涂层厚度为0.1-0.2mm。

进一步地，无机胶固化体热膨胀系数调节范围为(3.0-12.0)×10^-6/K。

进一步地，所述方法还包括切割所述粘接体，形成一个或者多个含围坝结构的三维陶瓷基板。

总体而言，本发明所提供的以上技术方案与现有技术相比例，具有明显的优点和效果：

1)本发明采用无机胶粘接技术制备三维陶瓷基板，工艺简单、材料成本低、耗时短、可大批量制备含腔体结构的三维陶瓷基板。

2)本发明采用耐高温无机胶制备三维陶瓷基板，具有耐热性高、气密性好、热膨胀系数低、可靠性高等优点，满足电子器件气密封装要求。

3)本发明采用无机胶粘接技术制备三维陶瓷基板，其中围坝材料可以自由选择，围坝形状、厚度以及腔体尺寸可以自行调节，满足不同场合应用需求。

4)本发明制备工艺简单，不需要采用业内主流的电镀工艺，可以制备大尺寸，高密度围坝结构，并且不受电镀设备参数限制。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中需要使用的附图作简单介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例中的金属围坝结构示意图。

图2为本发明实施例中的三维陶瓷基板结构示意图。

图3为本发明实施例中的三维陶瓷基板结构示意图。

图4-1为本发明一个实施例中的三维陶瓷基板截面示意图。

图4-2为本发明另一个实施例中的三维陶瓷基板截面示意图。

图4-3为本发明另一个实施例中的三维陶瓷基板截面示意图。

图5为本发明实施例中的单颗三维陶瓷基板结构示意图。

图6为本发明实施例中三维陶瓷基板制备工艺流程图。

图7为本发明实施例中三维陶瓷基板制备工艺流程示意图。

图8为本发明另一个实施例中的三维陶瓷基板结构示意图。

附图标记：10-金属线路层11-陶瓷围坝结构12-无机胶粘层13-平面陶瓷基板14-模具15-金属围坝结构。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图4是按照本发明优选实施例所制备的三维陶瓷基板截面示意图。如图4所示，该三维陶瓷基板包括围坝结构和平面陶瓷基板，两者采用耐高温无机胶粘接在一起。

优选地，所述围坝结构内部具有镂空孔。

优选地，所示围坝结构材料为陶瓷、金属或玻璃。

优选地，所述围坝结构厚度为0.3-3.0mm。

优选地，所述平面陶瓷基板包括厚膜陶瓷基板(TFC)、直接键合陶瓷基板(DBC)、活性金属焊接陶瓷基板(AMB)或直接电镀陶瓷基板(DPC)。

优选地，所述耐高温无机胶主要成分为重量比例为：Al₂O₃粉末50％-60％、碱金属硅酸盐30％-50％以及添加剂1.0％-5.0％。

上述所述的低成本三维陶瓷基板制备方法，图6是按照本发明提出的三维陶瓷基板制备工艺流程图，图7是按照本发明提出的三维陶瓷基板制备工艺流程示意图。

具体包括以下步骤：

1)根据设计需求，加工含镂空孔的围坝结构和含金属线路层的平面陶瓷基板；

2)采用重量比例为：Al₂O₃粉末50％-60％、碱金属硅酸盐35％-50％以及添加剂1.0％-5.0％，混合后配制得到耐高温无机胶；

3)制备硅胶模具，将硅胶模具与围坝结构对准合模；

4)在围坝结构底面涂覆耐高温无机胶，取出硅胶模具；

5)将围坝结构含胶面与平面陶瓷基板对准后贴合，加热固化；

6)切割得到含围坝结构的三维陶瓷基板。

优选地，所述耐高温无机胶涂层厚度为0.1-0.2mm。

优选地，所述耐高温无机胶固化体热膨胀系数调节范围为(3.0-12.0)×10^-6/K；

优选地，所述耐高温无机胶固化体可长期耐受300℃以上高温。

本发明具有制备工艺简单、材料成本低、可批量制备含腔体结构的三维陶瓷基板等优点，所制备的三维陶瓷基板具有耐热性高、气密性好、可靠性高等技术优势，可满足电子器件气密封装要求。

下面结合具体实施例进一步说明本发明。

实施例1

本实施例提供一种三维陶瓷基板以及制备方法，如图4-1，具体包括以下步骤：

1)制备直接电镀陶瓷基板(DPC)和陶瓷围坝结构。其中直接电镀陶瓷基板(DPC)表面布置有多个独立的金属线路层；陶瓷围坝结构内部加工有镂空孔，并且镂空孔内径大于直接电镀陶瓷基板(DPC)上独立线路层尺寸；

2)采用重量比例为：Al₂O₃粉末50％，其中粉末平均粒径为10μm、硅酸铝溶液47％以及添加剂3％，混合后配制得到耐高温无机胶；

3)制备硅胶模具，将其与陶瓷围坝结构合模；在陶瓷围坝下表面涂覆一层0.2mm厚无机胶，随后取下硅胶模具；

4)将直接电镀陶瓷基板(DPC)与含无机胶层的陶瓷围坝对准后贴合，加热固化；

5)采用激光分切陶瓷基板与围坝粘接体，得到一个或者多个单一结构含陶瓷围坝的三维陶瓷基板。

优先的，在步骤1)中直接电镀陶瓷基板(DPC)中含有垂直通孔结构，可以用于实现DPC基板上下表面电连接。

实施例2

本实施例提供一种三维陶瓷基板以及制备方法，，如图4-1，具体包括以下步骤：

1)制备厚膜印刷陶瓷基板(TPC)和金属围坝结构。其中厚膜印刷陶瓷基板(TPC)表面布置有多个独立的金属线路层；金属围坝结构内部加工有镂空孔，且镂空孔内径大于厚膜印刷陶瓷基板(TPC)上独立线路层尺寸；

2)采用重量比例为：Al₂O₃粉末55％，其中粉末平均粒径为12μμm、硅酸纳溶液43％以及添加剂2％，混合后配制得到耐高温无机胶；

3)制备硅胶模具，将其与金属围坝结构合模；在金属围坝下表面涂覆一层0.1mm厚无机胶，随后取下硅胶模具；

4)将厚膜印刷陶瓷基板(TPC)与含无机胶层的金属围坝对准后贴合，加热固化；

5)采用砂轮分切陶瓷基板与围坝粘接体，得到一个或者多个单一结构含金属围坝的三维陶瓷基板。

实施例3

本实施例提供一种三维陶瓷基板以及制备方法，如图4-2，具体包括以下步骤：

1)制备直接键合陶瓷基板(DBC)和玻璃围坝结构。其中直接键合陶瓷基板(DBC)表面布置有多个独立的金属线路层；玻璃围坝结构内部加工有镂空孔，并且镂空孔内径大于直接键合陶瓷基板(DBC)上独立线路层尺寸；

2)采用重量比例为：Al₂O₃粉末60％其中平均粒径为15μm、硅酸钾溶液36％以及添加剂4％，混合后配制得到耐高温无机胶；

3)制备硅胶模具，将其与玻璃围坝结构合模；在玻璃围坝下表面涂覆一层0.2mm厚无机胶，随后取下硅胶模具；

4)将直接键合陶瓷基板(DBC)与含无机胶层的玻璃围坝对准后贴合，加热固化；

5)采用激光分切陶瓷基板与围坝粘接体，得到一个或者多个单一结构含玻璃围坝的三维陶瓷基板。

优先的，在步骤1)中玻璃围坝结构内缘部分具有一定坡度，可以进一步降低围坝和直接键合陶瓷基板(DBC)间的热应力。

实施例4

本实施例提供一种三维陶瓷基板以及制备方法，如图4-3，具体包括以下步骤：

1)制备直接电镀陶瓷基板(DPC)和金属围坝结构。其中直接电镀陶瓷基板(DPC)表面布置有多个独立的金属线路层；金属围坝结构内部加工有镂空孔，并且镂空孔内径大于直接电镀陶瓷基板(DPC)上独立线路层尺寸；

2)采用重量比例为：Al₂O₃粉末50％，其中平均粒径为12μm、硅酸铝溶液48％以及添加剂2％，混合后配制得到耐高温无机胶；

3)制备硅胶模具，将其与金属围坝结构合模；在金属围坝下表面涂覆一层0.2mm厚无机胶，随后取下硅胶模具；

4)将直接电镀陶瓷基板(DPC)与含无机胶层的金属围坝对准后贴合，加热固化；

5)采用激光分切陶瓷基板与围坝粘接体，得到一个或者多个单一结构含金属围坝的三维陶瓷基板。

优先的，在步骤1)中直接电镀陶瓷基板(DPC)围坝结构上具有台阶结构，可以进一步降低围坝与直接电镀陶瓷基板(DPC)间的热应力。

本领域技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种三维陶瓷基板，具体包括围坝结构和平面陶瓷基板，其特征在于，所述平面陶瓷基板包括陶瓷基片，所述陶瓷基片表面设有一个或者多个独立线路层，所述围坝结构通过胶体材料与所述平面陶瓷基板粘接，所述胶体材料为无机胶。

2.根据权利要求1所述的一种三维陶瓷基板，其特征在于，所述围坝结构内部具有镂空孔，并且所述镂空孔与所述陶瓷基片表面设有的一个或者多个独立线路层的位置和尺寸相对应。

3.根据权利要求1所述的一种三维陶瓷基板，其特征在于，所述围坝结构材料为金属、陶瓷或玻璃。

4.根据权利要求1所述的一种三维陶瓷基板，其特征在于，所述围坝结构厚度为0.3-3.0mm。

5.根据权利要求1所述的一种三维陶瓷基板，其特征在于，所述平面陶瓷基板为厚膜印刷陶瓷基板、直接键合陶瓷基板、活性金属焊接陶瓷基板或直接电镀陶瓷基板。

6.根据权利要求1所述的一种三维陶瓷基板，其特征在于，所述无机胶中，包括重量比例为：Al₂O₃粉末50％-60％、碱金属硅酸盐35％-50％以及添加剂1％-5％，其中优选重量比例为：Al₂O₃粉末50％，碱金属硅酸盐48％，添加剂2％。

7.根据权利要求6所述的一种三维陶瓷基板，其特征在于，Al₂O₃粉末平均粒径为10-15μm。

8.一种三维陶瓷基板制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

制备平面陶瓷基板，在所述平面陶瓷基板的表面布置一个或者多个独立线路层；

制备围坝结构，在围坝结构内部设置镂空孔，所述镂空孔与所述平面陶瓷基片的表面设有的一个或者多个独立线路层的位置和尺寸相对应；

将含镂空孔的所述围坝结构与所述平面陶瓷基板采用无机胶粘接，形成粘结体。

9.根据权利要求8所述的一种三维陶瓷基板制备方法，其特征在于，将设有镂空孔的所述围坝结构与所述平面陶瓷基板采用无机胶粘接的步骤包括：将模具与所述围坝结构合模，在所述围坝结构表面涂覆所述无机胶，取下所述模具，将涂覆有无机胶的所述围坝结构与所述平面陶瓷基板对准后将所述无机胶固化，形成粘接体。

10.根据权利要求8所述的一种三维陶瓷基板制备方法，其特征在于，所述无机胶中，包括重量比例为：Al₂O₃粉末50％-60％、碱金属硅酸盐35％-50％以及添加剂1％-5％，其中优选重量比例为：Al₂O₃粉末50％，碱金属硅酸盐48％，添加剂2％。

11.根据权利要求9所述的一种三维陶瓷基板制备方法，其特征在于，所述模具为硅胶模具。

12.根据权利要求8或9所述的一种三维陶瓷基板制备方法，其特征在于，所述无机胶涂层厚度为0.1-0.2mm。

13.根据权利要求8或9所述的一种三维陶瓷基板制备方法，其特征在于，所述无机胶固化体的热膨胀系数调节范围为(3.0-12.0)×10^-6/K。

14.根据权利要求8或9所述的一种三维陶瓷基板制备方法，其特征在于，所述方法还包括切割所述粘接体，形成一个或者多个含围坝结构的三维陶瓷基板。