CN111403348B - 一种含微通道的陶瓷基板及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电子封装相关技术领域，其公开了一种含微通道的陶瓷基板及其制备方法，所述制备方法包括以下步骤：(1)采用电镀工艺在陶瓷基片相背的两个表面分别制备金属线路层及微通道立柱，所述微通道立柱的数量为多个，多个所述微通道立柱间隔设置；(2)在多个所述微通道立柱之间填充牺牲层材料后，在所述微通道立柱及所述牺牲层材料所形成的、远离所述金属线路层的表面上电镀制备金属底板；(3)去除所述牺牲层材料，所述金属底板及所述陶瓷基片分别覆盖所述微通道立柱相背的两端，以形成多个微通道，至此完成含微通道的陶瓷基板的制备。本发明在保证加工精度和微型化的同时，提高了陶瓷基板散热性能与器件可靠性，大幅度降低了生产成本。
Description
技术领域
本发明属于电子封装相关技术领域，更具体地，涉及一种含微通道的陶瓷基板及其制备方法。
背景技术
随着电子设计和制造工艺的不断进步，电子产品的多功能化和小型化，功率器件(包括LED、LD、IGBT、CPV等)不断发展，使得单位芯片的功耗迅速增大，单位体积的热流量增大，使得芯片温度迅速提高。芯片受温度的影响，寿命降低，同时，局部过热的温度可能导致芯片发生形变，因此，散热成为影响器件性能与可靠性的关键技术。对于电子器件而言，通常温度每升高10℃，器件有效寿命就降低30％～50％，因此选用合适的封装材料与工艺、提高器件散热能力就成为发展功率器件的技术瓶颈。
对于功率器件封装而言，封装基板除具备基本的布线(电互连)功能外，还要求具有较高的导热、耐热、绝缘、强度与热匹配性能。陶瓷材料本身具有热导率高、耐热性好、高绝缘、高强度、与芯片材料热匹配等性能，因此，非常适合作为功率器件封装基板，目前已在半导体照明、激光与光通信、航空航天、汽车电子、深海钻探等领域得到广泛应用。传统陶瓷基板多采用厚膜烧结(如厚膜陶瓷基板TPC)、高温键合(如直接键合陶瓷基板DBC)等工艺制备，金属线路层精度低，工艺成本高等缺点。电镀陶瓷基板(DPC)制备前端采用了半导体微加工技术(溅射镀膜、光刻、显影等)，后端则采用了印刷线路板(PCB)制备技术(图形电镀、填孔、表面研磨、刻蚀、表面处理等)，金属线路更加精细；采用激光打孔与电镀填孔技术，实现了陶瓷基板上/下表面垂直互联，可实现电子器件三维封装与集成；通过研磨降低线路层表面粗糙度，满足高温、大电流器件封装需求；低温制备工艺(300℃以下)避免了高温对基片材料和金属线路层的不利影响，同时也降低了生产成本，技术优势明显。
另一方面，随着器件封装集成度提高和功率不断增加，现有平面陶瓷基板也难以满足散热需求，必须采用含微通道结构的主动散热技术。近年来，基于微机电系统(MEMS)技术的微通道散热技术开始应用于功率器件散热，其采用半导体技术中的光刻、显影、腐蚀等工艺，在封装基板(如硅衬底、金属基板等)底面加工出尺寸为几十到上百微米的结构，然后通过焊接或粘接工艺将底板与微结构封闭制备出微通道，图1为传统微通道散热器结构。器件工作时，液体在微通道内流动，利用微结构的高效散热特性实现降温，但焊接或粘接工艺制备的微通道集成度差，影响了封装器件的可靠性。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种含微通道的陶瓷基板及其制备方法，其通过全电镀工艺制备微通道结构，在保证加工精度和微型化的同时，提高了陶瓷基板散热性能与器件可靠性，大幅度降低了生产成本。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种含微通道的陶瓷基板的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
(1)采用电镀工艺在陶瓷基片相背的两个表面分别制备金属线路层及微通道立柱，所述微通道立柱的数量为多个，多个所述微通道立柱间隔设置；
(2)在多个所述微通道立柱之间填充牺牲层材料后，在所述微通道立柱及所述牺牲层材料所形成的、远离所述金属线路层的表面上电镀制备金属底板；
(3)去除所述牺牲层材料，所述金属底板及所述陶瓷基片分别覆盖所述微通道立柱相背的两端，以形成多个微通道，至此完成含微通道的陶瓷基板的制备。
进一步地，所述陶瓷基片的材料为金属铜、镍或铜镍合金。
进一步地，步骤(1)中，提供陶瓷基片，在所述陶瓷基片相背的两个表面上溅射金属种子层后，采用光刻、显影和图形电镀工艺在所述陶瓷基片上制备金属线路层。
进一步地，所述牺牲层材料为金属、有机胶或者无机胶凝材料。
进一步地，所述金属底板的材料为金属铜、镍或者铜镍合金。
进一步地，腐蚀去掉牺牲层材料以得到含微通道的陶瓷基板。
按照本发明的另一个方面，提供了一种含微通道的陶瓷基板，所述陶瓷基板是采用如上所述的含微通道的陶瓷基板的制备方法制备而成的。
进一步地，所述微通道立柱的横截面为矩形，其高度为0.3～3.0mm，宽度为0.1～3mm，间距为0.1～3mm。
进一步地，所述陶瓷基片的厚度为0.3～1mm。
进一步地，所述金属底板的厚度为0.5～1mm。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的含微通道的陶瓷基板及其制备方法主要具有以下有益效果：
1.本发明提出的微通道采用全电镀工艺制备，避免采用焊接工艺，提高了基板集成度与可靠性。
2.本发明提出的微通道采用图形电镀工艺制备，结构精度高，提高了陶瓷电路板的散热能力。
3.采用电镀工艺可以提高陶瓷基板的集成度，降低了成本。
4.所述制备方法的工艺简单，易于实施，适用性较强。
附图说明
图1是现有的含微通道的封装基板的结构示意图；
图2是本发明提供的含微通道的陶瓷基板的结构示意图；
图3中的(a)～(f)是本发明实施例1提供的含微通道的陶瓷基板的制备方法的流程示意图；
图4中的(a)～(f)是本发明实施例2提供的含微通道的陶瓷基板的制备方法的流程示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-金属线路层，2-陶瓷基片，3-微通道立柱，4-微通道，5-微通道底板。
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仅用以解释本发明，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。
本发明提供了一种含微通道的陶瓷基板的制备方法，所述制备方法主要包括以下步骤：
步骤一，采用电镀工艺在陶瓷基片相背的两个表面分别制备金属线路层及微通道立柱，所述微通道立柱的数量为多个，多个所述微通道立柱间隔设置。
具体地，提供陶瓷基片，在所述陶瓷基片相背的两个表面上溅射金属种子层后，采用光刻、显影和图形电镀工艺在所述陶瓷基片上制备金属线路层。本实施方式中，所述金属线路层的制备材料为金属铜，其厚度为10～100μm；所述陶瓷基片的材料为金属铜、镍或铜镍合金等。
之后，采用多次贴膜、曝光、显影和图形电镀工艺在所述陶瓷基片的另一表面上制备多个微通道立柱。所述微通道立柱的横截面为矩形，其高度为0.3～3.0mm，优选尺寸为0.5～1.0mm，宽度为0.1～3mm，间距为0.1～3mm；所述金属线路层的材料为电镀铜；所述陶瓷基片的厚度为0.3～1mm。
步骤二，在多个所述微通道立柱之间填充牺牲层材料后，在所述微通道立柱及所述牺牲层材料所形成的、远离所述金属线路层的表面上电镀制备金属底板。
具体地，在所述微通道立柱之间填充牺牲层材料，接着对所述陶瓷基片的下表面(含微通道立柱及牺牲层材料)进行研磨，接着采用溅射工艺在所述陶瓷基片的下表面沉积金属种子层，并电镀增厚以得到金属底板，之后，对所述金属底板的表面进行研磨。本实施方式中，所述牺牲层材料为金属、有机胶或者无机胶凝材料。所述金属底板的材料为金属铜、镍或者铜镍合金，由电镀生长形成，厚度为0.5～1mm。
步骤三，去除所述牺牲层材料，所述金属底板及所述陶瓷基片分别覆盖所述微通道立柱相背的两端，以形成多个微通道，至此完成含微通道的陶瓷基板的制备。
具体地，腐蚀去掉牺牲层材料以得到含微通道的陶瓷基板，所述微通道的材料为金属铜、镍或铜镍合金等。
请参阅图2，本发明还提供了一种含微通道的陶瓷基板，所述陶瓷基板采用如上所述的制备方法制备而成，其包括金属线路层1、陶瓷基片2、多个微通道立柱3及微通道底板5，所述金属线路层1及所述微通道立柱3分别形成在所述陶瓷基片2相背的两个表面上，多个所述微通道立柱3间隔设置。所述微通道底板5形成在所述微通道立柱3远离所述金属线路层1的一端上，由此形成多个微通道4。
以下以几个实施例来对本发明进行进一步的详细说明。
实施例1
请参阅图3，本发明实施例1提供的含有微通道的陶瓷基板的制备方法，其在陶瓷基片的下表面制备铜微通道，微通道立柱的宽度Lc为0.3mm，高度Hb为1mm，微通道的宽度La为1mm，微通道底板的厚度Hd为0.5mm。所述制备方法主要包括以下步骤：
步骤一，制作铜线路层。
(a1)在氧化铝陶瓷基片表面溅射沉积金属钛和铜，作为种子层；
(a2)在陶瓷基片表面粘贴厚度为75μm的干膜，对干膜依次进行曝光、显影以形成线路层图形；
(a3)采用图形电镀工艺，电镀铜制作金属线路层。
步骤二，电镀生长制备铜立柱。
(b1)对完成金属线路层制作的陶瓷基片的下表面粘贴两层厚度为75μm的干膜，对干膜依次进行曝光和显影，露出立柱图形，宽度Lc为0.3mm，微通道的宽度La为1mm，长度与陶瓷基片相同；
(b2)在图形处电镀铜至干膜高度，研磨铜镀层和干膜表面；
(b3)重复步骤(b1)～(b2)，至铜立柱高度Hb为1mm；
(b4)除去铜立柱间的干膜。
步骤三，填充无机胶凝材料牺牲层。
(c1)制备液态无机胶凝材料，填满铜立柱间的沟槽，加热待其完全固化；
(c2)对平面陶瓷电路板下表面进行研磨，直至表面露出整齐分布的铜立柱和牺牲层材料(固态无机材料)。
步骤四，制作铜微通道底板。
(d1)在研磨面上溅射沉积总厚度为200nm的金属钛和铜，作为种子层。
(d2)在种子层上电镀沉积铜，至铜层厚度大于0.5mm；
(e1)研磨铜微通道底板，至底板厚度Hd为0.5mm。
步骤五，腐蚀去除无机材料牺牲层。
腐蚀去除铜立柱间填充的固态无机材料，以形成含微通道的陶瓷电路板。
实施例2
请参阅图4，本发明实施例2提供的含有微通道的陶瓷基板的制备方法，其在陶瓷电路板下表面制作镍微通道，微通道立柱的宽度Lc为0.5mm，高度Hb为2mm，微通道的宽度La为2mm，微通道底板的厚度Hd为1mm。所述制备方法主要包括以下步骤：
步骤一，制作铜线路层。
(a1)在氮化铝陶瓷基片表面溅射沉积金属钛和铜，作为种子层；
(a2)在陶瓷基片表面粘贴厚度为75μm的干膜，对干膜依次进行曝光、显影，以形成线路层图形；
(a3)采用图形电镀工艺，电镀铜制作金属线路层。
步骤二，电镀生长制备镍立柱。
(b1)对完成金属线路层制作的陶瓷基片下表面粘贴两层厚度为75μm的干膜，对干膜依次进行曝光和显影，露出立柱图形，宽度Lc为0.5mm，微通道宽度La为2mm，长度与陶瓷基片相同；
(b2)电镀沉积镍至干膜高度，研磨镍镀层和干膜表面；
(b3)重复步骤(b1)～(b2)，至镍立柱高度Hb为2mm；
(b4)除去镍立柱间的干膜。
步骤三，填充铜牺牲层。
(c1)电镀沉积铜以填充镍立柱之间的间隙，至完全覆盖镍立柱；
(d1)对平面陶瓷电路板下表面进行研磨，直至表面露出整齐分布的镍立柱和铜牺牲层。
步骤四，制作镍微通道底板。
(e1)在研磨后的表面上电镀沉积镍，至镍层厚度大于1mm；
(e2)研磨镍微通道底板，至底板厚度Hd为1mm。
步骤五，腐蚀去除铜牺牲层。
电化学腐蚀去除镍立柱间填充的铜牺牲层，以形成含微通道的陶瓷电路板。
本领域的技术人员容易理解，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 (10)
1.一种含微通道的陶瓷基板的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)采用电镀工艺在陶瓷基片相背的两个表面分别制备金属线路层及微通道立柱，所述微通道立柱的数量为多个，多个所述微通道立柱间隔设置；
(2)在多个所述微通道立柱之间填充牺牲层材料后，在所述微通道立柱及所述牺牲层材料所形成的、远离所述金属线路层的表面上电镀制备金属底板；
(3)去除所述牺牲层材料，所述金属底板及所述陶瓷基片分别覆盖所述微通道立柱相背的两端，以形成多个微通道，至此完成含微通道的陶瓷基板的制备。
2.如权利要求1所述的含微通道的陶瓷基板的制备方法，其特征在于：所述陶瓷基板微通道的材料为金属铜、镍或铜镍合金。
3.如权利要求1所述的含微通道的陶瓷基板的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，提供陶瓷基片，在所述陶瓷基片相背的两个表面上溅射金属种子层后，采用光刻、显影和图形电镀工艺在所述陶瓷基片上制备金属线路层。
4.如权利要求1所述的含微通道的陶瓷基板的制备方法，其特征在于：所述牺牲层材料为金属、有机胶或者无机胶凝材料。
5.如权利要求1所述的含微通道的陶瓷基板的制备方法，其特征在于：所述金属底板的材料为金属铜、镍或者铜镍合金。
6.如权利要求1所述的含微通道的陶瓷基板的制备方法，其特征在于：腐蚀去掉牺牲层材料以得到含微通道的陶瓷基板。
7.一种含微通道的陶瓷基板，其特征在于：所述陶瓷基板是采用权利要求1-6任一项所述的含微通道的陶瓷基板的制备方法制备而成的。
8.如权利要求7所述的含微通道的陶瓷基板，其特征在于：所述微通道立柱的横截面为矩形，其高度为0.3～3.0mm，宽度为0.1～3mm，间距为0.1～3mm。
9.如权利要求7所述的含微通道的陶瓷基板，其特征在于：所述陶瓷基片的厚度为0.3～1mm。
10.如权利要求7所述的含微通道的陶瓷基板，其特征在于：所述金属底板的厚度为0.5～1mm。
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