CN112469199A - 一种氮化铝陶瓷电路板的制备方法 - Google Patents

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刘毅
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武海军
陈登权
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付全
马丽华
戴华
张健康
卢绍平
姚亮
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Abstract

本发明公开了一种氮化铝陶瓷电路板的制备方法，包括：1)在电路板编辑软件中编辑电路图形，2)将编辑的图形文件转移到激光雕刻机软件中，3)将表面清理好的氮化铝陶瓷片放在激光雕刻机上，设置参数，使用激光雕刻机在氮化铝陶瓷表面扫描出电路图并构成分解层，设置参数包括，扫描功率(0‑100W)、扫描速度(0‑1000mm/s)，扫描间距(0.01‑1mm)。其中所述的清理好的氮化铝陶瓷片，包括除油，除杂质，水洗，烘干过程，4)将雕刻好的氮化铝陶瓷片进行化学镀铜，然后化学镀银(或金)，5)将镀银或镀金后的电路板清理烘干密封保存待用，同时，本方法从设计到制备，均使用电脑软件和机器完成，自动化程度高，从而保证了电路板的精度，成本低，适用于大规模生产。

Description

一种氮化铝陶瓷电路板的制备方法
技术领域
本发明属于陶瓷金属化领域，涉及一种氮化铝陶瓷电路板的制备方法，尤其是一种高精度、快速制备氮化铝陶瓷电路板的方法。
背景技术
氮化铝(AlN)陶瓷电路板具有很高的热导率、可靠的电绝缘性、低的介电常数和介电损耗以及无毒等优良特性，被广泛应用于大功率LED、混合集成电路(HIC)和多芯片模块(MCM)等技术领域。人们预计，在封装领域，AlN陶瓷电路板最终将取代目前的Al2O3和BeO陶瓷。
氮化铝陶瓷电路板的基础是陶瓷表面金属化技术，其最初应用于陶瓷-金属封接，是将陶瓷材料与金属材料牢固连接的技术。
陶瓷金属化方法从工艺的角度分析，包括丝网印刷法、直接覆铜法(DBC)、活性焊料法等等，这些方法的主要特点及不足可简要概括如下：
(1)丝网印刷法由于导电浆料中含有大量的玻璃相、陶瓷相及有机粘结剂，加工后形成的玻璃层和弥散玻璃陶瓷相，会拉低陶瓷电路板(PCB)器件其的整体导热性和集成度；
(2)直接覆铜法(DBC)是现代较为常用的一种氮化铝陶瓷金属化方法，但存在一些缺点，首先氮化铝陶瓷基板和铜箔表面需要进行氧化处理，形成氧化铝和氧化铜层，加工后，形成一个中间反应层，其导热率大大低于氮化铝陶瓷和金属层的导热率，故整体器件的热导率被降低，另外，由于反应过程中气体需要排出，铜片表面还需要加工排气孔，且共晶合成温度需精细控制，成本较高，工艺复杂；
(3)活性焊料法同样有一个中间反应层，主要是焊料中的金属Ti与氮化铝陶瓷发生化学反应，这个反应层一般在10-15μm之间，因此也大大降低了器件的整体导热性；
同时，上述现有技术的方法，在浆料固化、烧结等过程中，会产生测流等现象，这将降低电路的精度，难以满足业界不断增长的需求。
发明内容
针对以上陶瓷电路板制备方法的在导热性及精度方面的不足，本发明的目的是提供一种氮化铝陶瓷电路板的制备方法，采用新颖的激光扫描制备氮化铝陶瓷电路板方法，能够在室温下快速制备出高精度氮化铝陶瓷电路板，解决了导热性和精度不足的难题。
本发明采用激光直写技术，精度可得到显著提高，最小线宽可达到10微米(激光焦点10微米)。
本发明的具体方法如下：
首先，在电路板编辑软件(Protel99、Altium Designer等)中编辑电路图形；第二，将编辑的图形文件转移到激光雕刻机软件(Ezcad)中；第三，将表面清理好的氮化铝陶瓷片放在激光雕刻机工作台上，设置参数，使用激光雕刻机在氮化铝陶瓷表面扫描出所需电路，经过激光扫描的氮化铝在激光高温轰击下分解出单质铝并构成激光分解层；第四，将雕刻好的氮化铝陶瓷片进行化学镀铜，然后化学镀银(或金)；最后，将镀银或镀金后的电路板清理烘干密封保存待用。
本发明的氮化铝陶瓷电路板制备方法包括如下步骤：
(1)在电路板编辑软件(Protel99、Altium Designer等)中编辑电路图形；
(2)将编辑的图形文件转移到激光雕刻机软件(Ezcad)中；
(3)将表面清理好的氮化铝陶瓷片放在激光雕刻机工作台上，设置参数，进行激光雕刻；使用激光雕刻机在氮化铝陶瓷表面扫描出所需电路，经过激光扫描的氮化铝在激光高温轰击下分解出单质铝并构成激光分解层；
(4)将雕刻好的氮化铝陶瓷片进行化学镀铜，然后化学镀银(或金)；
(5)将镀银或镀金后的电路板清理烘干密封保存待用。
本发明所具有的增益效果如下：
相比于其他陶瓷电路板制备方法，本发明方法可在软件中设计电路图，然后直接根据软件中的图纸，使用激光雕刻机在氮化铝陶瓷表面扫描出电路图，此层为激光分解层，由氮化铝经过激光高温轰击分解出单质铝等物质构成。
相比于现有的陶瓷电路板制备方法，由于其金属层与陶瓷基板之间通常具有一个低导热层(化学反应层，物理连接层)，这个低导热层会导致整个系统导热性的显著降低，而本发明采用激光分解直接制得，不存在低导热层，显著提高整个器件系统的导热性。
进一步进行化学镀铜，形成导电层，为了保护导电层氧化，再化学镀银(或金)形成抗氧化保护层，由于各层之间都由高导热材料构成，保证了电路板的高导热率，同时，本方法从设计到制备，均使用电脑软件和机器完成，自动化程度高，从而保证了电路板的精度，成本低，适用于大规模生产。
附图说明
图1：利用本方法制备的氮化铝陶瓷电路板的正面电路图。
图2：利用本方法制备的氮化铝陶瓷电路板的背面电路图。
图3：氮化铝陶瓷片经高能激光轰击后雕刻出呈现金属光泽的“氮化铝分解层”图案。
具体实施方式
实施例一
(1)在电路板编辑软件Altium Designer中编辑电路图形；
(2)将编辑的图形文件转移到激光雕刻机软件(Ezcad)中；
(3)将表面清理好的氮化铝陶瓷片放在激光雕刻机工作台上，设置参数，进行激光雕刻；使用激光雕刻机在氮化铝陶瓷表面扫描出所需电路，经过激光扫描的氮化铝在激光高温轰击下分解出单质铝并构成激光分解层。设置参数包括，扫描功率(20W)、扫描速度(200mm/s)，扫描间距(0.05mm)。其中所述的清理好的氮化铝陶瓷片，包括除油，除杂质，水洗，烘干过程；
(4)将雕刻好的氮化铝陶瓷片进行化学镀铜，然后化学镀银；
(5)将镀银或镀金后的电路板清理烘干密封保存待用。
如图3所示，氮化铝陶瓷片经高能激光轰击后雕刻出图案“氮化铝分解层”，可见轰击区域表现出金属光泽。而氮化铝只有两种元素构成，一种是金属铝，另一种是非金属氮，由逻辑关系可以推定，金属光泽区域是分解生成的单质铝。
需要说明说的是，由于高能激光轰击后雕刻生成的激光分解层是在瞬间完成的，因此通常在激光雕刻时不需要进行惰性气体保护。当然，若采用惰性气体(如氮气)保护也不违背本发明的技术方案。
实施例二
(1)在电路板编辑软件Protel99中编辑电路图形；
(2)将编辑的图形文件转移到激光雕刻机软件(Ezcad)中；
(3)将表面清理好的氮化铝陶瓷片放在激光雕刻机工作台上，设置参数，进行激光雕刻；使用激光雕刻机在氮化铝陶瓷表面扫描出所需电路，经过激光扫描的氮化铝在激光高温轰击下分解出单质铝并构成激光分解层设置参数包括，扫描功率(30W)、扫描速度(300mm/s)，扫描间距(0.03mm)。其中所述的清理好的氮化铝陶瓷片，包括除油，除杂质，水洗，烘干过程；
(4)将雕刻好的氮化铝陶瓷片进行化学镀铜，然后化学镀金；
(5)将镀银或镀金后的电路板清理烘干密封保存待用。

Claims (6)

1.一种氮化铝陶瓷电路板的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)在电路板编辑软件中编辑电路图形；
(2)将编辑的图形文件转移到激光雕刻机软件中；
(3)将表面清理好的氮化铝陶瓷片放在激光雕刻机工作台上，设置参数，使用激光雕刻机在氮化铝陶瓷表面扫描出所需电路，经过激光扫描的氮化铝在激光高温轰击下分解出单质铝并构成激光分解层；
(4)将雕刻好的氮化铝陶瓷片进行化学镀铜，然后化学镀银或者镀金；
(5)将镀银或镀金后的电路板清理烘干密封保存待用。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：
所述的电路板编辑软件为Protel99或Altium Designer。
3.根据权利要求1所述的氮化铝陶瓷电路板，其特征在于：
所述的激光雕刻机软件为Ezcad。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：
所述的表面清理好的氮化铝陶瓷片，清理包括除油、除杂质、水洗及烘干过程。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：
所述的设置参数包括设置的扫描功率为1-100W、扫描速度为1-1000mm/s，扫描间距为0.01-1mm。
6.根据权利要求1至5任一项所述的制备方法，其特征在于：
所述的激光雕刻机为光纤激光雕刻机，其激光波长为1.06微米。
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