CN111785643A - 一种钛箔化学减薄方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种钛箔化学减薄方法,包括如下步骤:1)钛箔表面除油清洗:待处理钛箔依次在丙酮、无水乙醇、纯水中超声浸洗共计5min‑10min后烘干取出;2)氮化工艺:真空炉抽真空后通入氮气,氮化钛箔表面,氮化温度控制在500℃‑650℃,时间控制在90min‑150min,氮气分压控制在800Pa‑1200Pa,生成金黄色的氮化钛层;3)化学铣切:将经步骤2)处理后的钛箔浸没在化学铣切液中1min‑4min中进行铣切,将金黄色的氮化钛层铣除,该化学铣切液由下述组分组成:体积分数分别为15%~25%的氢氟酸溶液、1%~3%的硝酸溶液、5%~8%的的冰醋酸溶液,余量为纯水;4)表面清洗:铣切后的钛箔依次在丙酮、纯水中浸洗共计5min‑15min。

Description

一种钛箔化学减薄方法
技术领域
本发明属于半导体基板制备技术领域,涉及一种覆铜陶瓷基板钛箔焊片制备技术,具体而言涉及一种钛箔化学减薄方法。
背景技术
覆铜陶瓷基板是半导体领域高压大功率模块最为优良的封装材料,其具有高导热、优良的绝缘性能、优异的软钎焊性、载流能力大等特性。高温直接键合(DBC,又称DCB)技术、高温活性钎焊(AMB)技术、电镀(DPC)技术以及激光活化技术(LAM)是目前制作覆铜陶瓷基板的主要技术。其中,使用AMB技术制备的覆铜陶瓷基板具有抗冷热冲击性能优异、铜瓷剥离强度高、冷热循环可靠性高等优点,具有广阔的市场和应用前景。
烧结是AMB技术最关键的部分,在保证质量的前提下,降低生产成本对工业化量产具有重要意义。焊片/焊料是AMB烧结技术的核心之一,同时,因AMB工艺需求和质量控制,需要使用超薄的钛箔作为焊片,而超薄钛箔多应用于航空航天及扬声器音膜等领域,这类相对较厚的钛箔(≥10um)需经过多次轧制,对设备和加工工艺的要求较为严苛,因此生产成本较高,随之而来的问题是AMB覆铜板生产成本的增加。故如何通过简单工艺将较厚的钛箔减薄使之可应用于AMB覆铜板的烧结对AMB产品降本具有重要意义。
发明内容
为解决现有技术的不足,本发明提供了一种钛箔化学减薄方法替代钛箔轧制工艺,包括钛箔表面除油清洗、氮化工艺、化学铣切、表面清洗四道工序。本发明的技术关键在于钛箔的氮化工艺和可控性化学铣切:氮化工艺中,通过优选真空烧结炉烧结时间、氮气分压、温度等相关烧结制度来严格控制钛箔的氮化程度,生成可控厚度的金黄色氮化钛层;化学铣切工序中,使用HF-HNO3体系的化学铣切液铣切至金黄色氮化钛层刚刚完全消失。
为了实现目的,本发明所采用的技术方案如下:
本发明提供的钛箔化学减薄方法,具有如下技术特征,包括如下步骤:
1)钛箔表面除油清洗:待处理钛箔依次在丙酮、无水乙醇、纯水中超声浸洗共计5min-10min后烘干取出;
2)氮化工艺:真空炉抽真空后通入氮气,氮化钛箔表面,氮化温度控制在500℃-650℃,时间控制在90min-150min,氮气分压控制在800Pa-1200Pa,生成金黄色的氮化钛层;
3)化学铣切:将经步骤2)处理后的钛箔浸没在化学铣切液中1min-4min中进行铣切,将金黄色的氮化钛层铣除,该化学铣切液由下述组分组成:体积分数分别为15%~25%的氢氟酸溶液、1%~3%的硝酸溶液、5%~8%的的冰醋酸溶液,余量为纯水;
4)表面清洗:铣切后的钛箔依次在丙酮、纯水中浸洗共计5min-15min。
优选的,步骤1)中,待处理钛箔在丙酮溶液中超声浸洗3min-5min;在无水乙醇中超声浸洗1min-3min;在纯水中超声浸洗1min-3min。烘干条件为放置于80℃-100℃的干燥箱中10min-15min。
优选的,步骤2)中,氮化工艺包括抽真空阶段、氮化阶段、随炉冷却三个阶段。抽真空阶段中,真空炉的真空度为0.1Pa-0.001Pa。氮化阶段,氮化温度优选控制在550-640℃,时间优选控制在100-140min,氮气分压优选控制在900-1100Pa。
优选的,步骤3)中,氢氟酸溶液的化学质量分数为3%;硝酸溶液的化学质量分数为63%;冰醋酸溶液的化学质量分数为99.5%。在进行化学铣切时进行轻微超声震动,缩短铣切时间,增强铣切效果。
此外,本发明中,化学铣切液会随着产品加工数量增加而失效,未氮化钛箔表面呈银色,表面氮化钛层为金黄色,可通过颜色变化来判断铣切的程度以及铣切液是否失效。
优选的,步骤4)中,钛箔在丙酮溶液中浸洗(不能施加超声条件)3min-5min,在纯水中浸洗3min-5min。
本发明的有益效果如下:
本发明通过氮化工艺和化学铣切实现钛箔减薄,氮化工艺中,通过控制氮化温度、氮化时间以及氮气分压,在钛箔表面形成易铣切易识别的金黄色氮化层,化学铣切将生成的金黄色氮化层铣除,从而完成钛箔减薄。
本发明方法工艺简单,化学铣切液成本低廉,高效稳定、铣切均匀,同时在化铣时,可通过颜色变化来判断铣切程度及铣切液是否失效,简单适用、可控性强。相对轧制的超薄钛箔,使用本发明所述方法制备的超薄钛箔成本低廉,且能满足覆铜陶瓷基板对钛箔焊片的质量要求,有助于降低钛箔的制备成本,进一步降低了AMB覆铜板的制备成本。
附图说明
图1为本发明钛箔化学减薄方法的流程图;
图2为本发明钛箔氮化前(a)、氮化后(b)、铣切后(c)的表面状态对比图;
图3为铜瓷剥离强度测试条选取位置示意图。
具体实施方式
下面结合本发明的附图和实施例对本发明的实施作详细说明,以下实施例是在以本发明技术方案为前提下进行实施,给出了详细的实施方式和具体操作过程,但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
本发明所用试剂和原料均市售可得或可按文献方法制备。下列实施例中未注明具体条件的实验方法,通常按照常规条件或按照制造厂商所建议的条件。
实施例1钛箔化学减薄及AMB覆铜陶瓷基板制备
一、钛箔化学减薄
本实施例中的钛箔化学减薄工序流程如图1所示,包括如下四道工序:
1)钛箔表面除油清洗:待处理钛箔依次在丙酮、无水乙醇、纯水中超声浸洗共计5min-10min后烘干取出,具体为待处理钛箔在丙酮溶液中超声浸洗3min-5min,在无水乙醇中超声浸洗1min-3min,在纯水中超声浸洗1min-3min。烘干条件为放置于80℃-100℃的干燥箱中10min-15min。
2)氮化工艺:包括抽真空阶段、氮化阶段、随炉冷却三个阶段。真空炉抽真空至0.1Pa-0.001Pa后通入氮气,氮化钛箔表面,氮化温度控制在500℃-650℃,时间控制在90min-150min,氮气分压控制在800Pa-1200Pa,生成金黄色的氮化钛层。
3)化学铣切:将经步骤2)处理后的钛箔浸没在化学铣切液中1min-4min中进行铣切,将金黄色的氮化钛层铣除,该化学铣切液由下述组分组成:体积分数分别为15%~25%的氢氟酸溶液、1%~3%的硝酸溶液、5%~8%的的冰醋酸溶液,余量为纯水。
其中,氢氟酸溶液的化学质量分数为3%;硝酸溶液的化学质量分数为63%;冰醋酸溶液的化学质量分数为99.5%。在进行化学铣切时进行轻微超声震动,缩短铣切时间,增强铣切效果。
4)表面清洗:铣切后的钛箔依次在丙酮、纯水中浸洗共计5min-15min。具体为,钛箔在丙酮溶液中浸洗(不能施加超声条件)3min-5min,在纯水中浸洗3min-5min。
根据上述步骤,将厚度为10μm的钛箔化铣至5um,可适用于作为覆铜陶瓷基板的焊片。
图2显示了钛箔在化学减薄过程中表面状态的变化情况。钛箔在氮化前表面呈银色,有褶皱(图2a),将成卷的钛箔置于真空炉按照本发明所述氮化工艺进行处理后,表面形成均匀的可控厚度的氮化钛层,呈金黄色(图2b),将钛箔剪切后置于本发明所述的化铣溶液中,至金黄色氮化钛层完全消失,钛箔表面再次呈银色,无明显氧化现象,但伴随表面褶皱程度加剧(图2C)。
二、AMB覆铜陶瓷基板制备
采用上述5μm超薄钛箔作为焊片,按照AMB制程顺序进行真空烧结、贴膜、曝光、显影、蚀刻等工序,制得规定图形的覆铜陶瓷基板实验样品(铜瓷厚度0.3/0.325/0.3mm,氮化硅陶瓷)。
对比例1
本对比例将超薄轧制钛箔用作焊片制造覆铜陶瓷基板(铜瓷厚度0.3/0.325/0.3mm,氮化硅陶瓷),取厚度为5μm的轧制钛箔进行表面清洗除油后,按照实施例1中AMB制程顺序,制得规定图形的覆铜陶瓷基板实验样品(铜瓷厚度0.3/0.325/0.3mm,氮化硅陶瓷)。
实施例2覆铜陶瓷基板基本性能评价
本实施例为覆铜陶瓷基板基本性能的评价方法,用以判断化铣后的钛箔能否满足AMB工艺对焊片质量的要求。具体测试方法为铜瓷剥离强度测试、水冷冲击测试。
铜瓷剥离强度测试的测试条宽度均为5mm,选取位置如图3所示。水冷冲击测试,冲击温度设置为20℃-355℃,加热板355℃加热2min后迅速置于冷水中1min为一个循环,冷热循环前进行超声波扫描探伤(SAM)测试,之后前90次每10个循环进行一次SAM测试,90次后每5个循环进行一次SAM测试,直至从覆铜板SAM图像中发现明显翘曲,开裂现象。
针对实施例1和对比例1,测试结果如表1所示,测试结果表明:同等厚度下,采用本发明化铣后的超薄钛箔制成覆铜板与直接轧制的超薄钛箔制成的覆铜板(对比例1),基本性能差异较小。本发明化铣后超薄钛箔制成的覆铜板剥离强度能满足AMB覆铜板质量要求(>10N/mm)并且抗冷热冲击性能优异。
由此可知,本发明中的钛箔化学减薄方法合理可行,具备一定的实用价值。
表2铜瓷剥离强度测试、水冷冲击测试结果对比
编号 剥离强度/N·mm<sup>-1</sup> 出现翘曲、开裂失效时冷热冲击次数/次
实施例1 15.21 >120
对比例1 14.78 >120
以上已对本发明创造的较佳实施例进行了具体说明,但本发明创造并不限于所述实施例,熟悉本领域的技术人员在不违背本发明创造精神的前提下还可作出种种的等同的变型或替换,这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (7)

1.一种钛箔化学减薄方法,其特征在于,包括如下步骤:
1)钛箔表面除油清洗:待处理钛箔依次在丙酮、无水乙醇、纯水中超声浸洗共计5min-10min后烘干取出;
2)氮化工艺:真空炉抽真空后通入氮气,氮化钛箔表面,氮化温度控制在500℃-650℃,时间控制在90min-150min,氮气分压控制在800Pa-1200Pa,生成金黄色的氮化钛层;
3)化学铣切:将经步骤2)处理后的钛箔浸没在化学铣切液中1min-4min中进行铣切,将金黄色的氮化钛层铣除,该化学铣切液由下述组分组成:体积分数分别为15%~25%的氢氟酸溶液、1%~3%的硝酸溶液、5%~8%的的冰醋酸溶液,余量为纯水;
4)表面清洗:铣切后的钛箔依次在丙酮、纯水中浸洗共计5min-15min。
2.根据权利要求1所述的钛箔化学减薄方法,其特征在于:
其中,步骤1)中,待处理钛箔在丙酮溶液中超声浸洗3min-5min;在无水乙醇中超声浸洗1min-3min;在纯水中超声浸洗1min-3min,
烘干条件为放置于80℃-100℃的干燥箱中10min-15min。
3.根据权利要求1所述的钛箔化学减薄方法,其特征在于:
其中,步骤2)中,进行氮化工艺时,真空炉的真空度为0.1Pa-0.001Pa。
4.根据权利要求1所述的钛箔化学减薄方法,其特征在于:
其中,步骤2)中,氮化时,氮化温度控制在550-640℃,时间控制在100-140min,氮气分压控制在900-1100Pa。
5.根据权利要求2所述的钛箔化学减薄方法,其特征在于:
其中,步骤3)中,所述氢氟酸溶液的化学质量分数为3%;所述硝酸溶液的化学质量分数为63%;所述冰醋酸溶液的化学质量分数为99.5%。
6.根据权利要求1所述的钛箔化学减薄方法,其特征在于:
其中,步骤3)中,在进行化学铣切时进行轻微超声震动。
7.根据权利要求1所述的钛箔化学减薄方法,其特征在于:
其中,步骤4)中,钛箔在丙酮溶液中浸洗3min-5min,在纯水中浸洗3min-5min。
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