CN114501820A - 一种陶瓷基电路板的制备工艺及产品 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种陶瓷基电路板的制备工艺及产品，涉及电路板技术领域。一种陶瓷基电路板的制备工艺，包括以下步骤：在铜片的表面进行真空等离子体磁控溅射Cu2O，形成一层Cu2O膜；将陶瓷基片放置在铜片上，采用阶梯式间断升温法进行键合，得到电路基板；然后采用阶梯式间断降温法对电路基板进行降温；采用高低温交替法对电路基板铜面进行再结晶，冷却得到陶瓷基电路板。本发明采用阶梯式间断升温方法和阶梯式间断降温方法进行连续动态键合，可以使得铜片与陶瓷结合时的应力达到最大的释放，从而消除由于两种材料膨胀系数不同而产生的应力导致的弯曲现象。
Description
技术领域
本发明涉及电路板技术领域，具体而言，涉及一种陶瓷基电路板的制备工艺及产品。
背景技术
电路板适用于搭配电子元件使用，传统的电路板结构比较单一，使得电路板散热性能不好，电路板在长时间使用时，由于温度过高而导致内部组件损坏，需要不断更换电路板，增加成本，因此需要对电路板加以改进，使得电路板散热效果更好。
陶瓷基电路板由于其优异的导热性，极小的热膨胀系数以及低介电常数和接电损耗，广泛应用于各类电子产品中。传统陶瓷基板的制备方式可以分为HTCC、LTCC、DBC和DPC四大类。HTCC(高温共烧)制备方式需要1300℃以上的温度，但受电极选择的影响，制备成本相当昂贵；LTCC(低温共烧)的制备需要约850℃的煅烧工艺，但制备的线路精度较差，成品导热系数偏低；DBC的制备方式要求铜箔与陶瓷之间形成合金，需要严格控制煅烧温度在1065～1085℃温度范围内，由于DBC的制备方式对铜箔厚度有要求，一般不能低于150～300μm，因此限制了此类陶瓷线路板的导线宽深比；DPC的制备方式包含真空镀膜、湿法镀膜、曝光显影和蚀刻等工艺环节，因此其产品的价格比较高昂。因此，研究出一种各方面性能好的陶瓷基电路板具有重大意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种陶瓷基电路板的制备工艺，该制备工艺可以制备得到具有高剥离强度、低膨胀系数和低应力的陶瓷基电路板。
本发明的另一目的在于提供一种通过上述制备工艺制备得到的陶瓷基电路板。
本发明解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。
一方面，本申请实施例提供一种陶瓷基电路板的制备工艺，包括以下步骤：
在铜片的表面进行真空等离子体磁控溅射Cu2O，形成一层Cu2O膜；
将陶瓷基片放置在铜片上，采用阶梯式间断升温法进行键合，得到电路基板；
然后采用阶梯式间断降温法对电路基板进行降温；
采用高低温交替法对电路基板铜面进行再结晶，冷却得到陶瓷基电路板。
另一方面，本申请实施例提供一种陶瓷基电路板，其采用上述陶瓷基电路板的制备工艺制备而成。
相对于现有技术，本发明的实施例至少具有如下优点或有益效果：
本发明采用OFC无氧铜片，在其两面溅射有氧化亚铜层，然后将陶瓷片将其进行键合，得到陶瓷基电路板。本发明采用阶梯式间断升温方法和阶梯式间断降温方法进行连续动态键合，可以使得铜片与陶瓷结合时的应力达到最大的释放，从而消除由于两种材料膨胀系数不同而产生的应力导致的弯曲现象；然后采用高低温交替法，可以使铜面晶粒紧凑致密，在同一水平面增大焊接面积，以达到焊接牢固的特点。经过上述工艺制备得到的陶瓷基电路板具有高剥离强度、低膨胀系数、低应力以及良好可焊性的优点，相较于现有技术中的陶瓷基电路板具有较大的进步。
附图说明
图1为本发明实验例热应力实验测试前的各试样图；
图2为本发明实验例热应力实验测试后的各试样图；
图3为本发明实验例可焊性实验测试前的陶瓷基电路板；
图4为图3中陶瓷基电路板的20倍放大图；
图5为本发明实验例可焊性实验测试后的陶瓷基电路板；
图6为图5中陶瓷基电路板的20倍放大图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考具体实施例来详细说明本发明。
一种陶瓷基电路板的制备工艺，其包括以下步骤：
在铜片的表面进行真空等离子体磁控溅射Cu2O，形成一层Cu2O膜；
将陶瓷基片放置在铜片上，采用阶梯式间断升温法进行键合，得到电路基板；
然后采用阶梯式间断降温法对电路基板进行降温；
采用高低温交替法对电路基板铜面进行再结晶，冷却得到陶瓷基电路板。
本发明采用阶梯式间断升温方法和阶梯式间断降温方法进行连续动态键合，可以使得铜片与陶瓷结合时的应力达到最大的释放，从而消除由于两种材料膨胀系数不同而产生的应力导致的弯曲现象，采用高低温交替法，可以使铜面晶粒紧凑致密，在同一水平面增大焊接面积，以达到焊接牢固的效果。
在本发明的一些实施例中，上述铜片和陶瓷基片在使用前均进行纯水超声清洗和烘干处理。可以对陶瓷基片进行深层的预处理，降低表面的污染。
在本发明的一些实施例中，上述铜片为OFC无氧铜片，厚度为100μm～450μm。
在本发明的一些实施例中，上述Cu2O膜的厚度为1μm～3μm。
在本发明的一些实施例中，上述陶瓷基片是含量为量80％～99.6％的Al2O3，所述陶瓷基片的厚度为250μm～1520μm。
在本发明的一些实施例中，上述键合温度为800℃～1083℃。在该温度下进行阶梯式间断升温和阶梯式间断降温可以使得铜片与陶瓷在结合时具有更好的融合性。
在本发明的一些实施例中，上述阶梯式间断升温法具体为：以28～32℃/min的速度从室温升温至440～460℃，保温3～5min；以35～42℃/min的速度升温至790～810℃，保温3～5min；以18～22℃/min的速度升温至890～910℃，保温3～5min；以18～22℃/min的速度升温至990～1010℃，保温3～5min；以18～22℃/min的速度升温至1070～1083℃，保温1～3min。
在本发明的一些实施例中，上述阶梯式间断降温法具体为：以18～22℃/min的速度降温至990～1010℃，保温3～5min；以18～22℃/min的速度降温至890～910℃，保温3～5min；以18～22℃/min的速度降温至790～810℃，保温3～5min；以28～32℃/min的速度降温至440～460℃。
在本发明的一些实施例中，上述高低温交替法具体为：在440～460℃下保温4～6min，以11～13℃/min的速度降温至385～395℃，以5～7℃/min的速度升温至415～425℃，以11～13℃/min的速度降温至355～365℃，以5～7℃/min的速度升温至385～395℃，以11～13℃/min的速度降温至325～335℃，以5～7℃/min的速度升温至355～365℃，以11～13℃/min的速度降温至295～305℃，以5～7℃/min的速度升温至325～335℃，以11～13℃/min的速度降温至265～275℃，最后以22～25℃/min的速度降温至35～45℃后自然冷却。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
一种陶瓷基电路板，其制备工艺为：
采用尺寸为180mm×218mm，厚度为100μm的OFC无氧铜片，先将其采用纯水超声清洗干净后烘干，然后对铜片的两面进行真空等离子体磁控溅射镀Cu2O，使其表面形成1μm的致密Cu2O膜；
采用尺寸为184mm×222mm，厚度为1000μm，含量99％的Al2O3陶瓷片，采用纯水超声清洗后烘干，将陶瓷片与铜片叠放后置入传动式网带气氛隧道炉中，以采用阶梯式间断升温法进行升温，具体为：以30℃/min的速度从室温升温至450℃，保温3～5min；以40℃/min的速度升温至800℃，保温4min；以20℃/min的速度升温至900℃，保温4min；以21℃/min的速度升温至1000℃，保温4min；以20℃/min的速度升温至1083℃，保温2min；然后采用阶梯式间断降温法进行降温，具体为：以20℃/min的速度降温至1000℃，保温4min；以20℃/min的速度降温至900℃，保温4min；以20℃/min的速度降温至800℃，保温4min；以30℃/min的速度降温至450℃；再采用高低温交替法进行变温键合，具体为：在450℃下保温5min，以12℃/min的速度降温至390℃，以6℃/min的速度升温至420℃，以12℃/min的速度降温至360℃，以6℃/min的速度升温至380℃，以12℃/min的速度降温至330℃，以6℃/min的速度升温至360℃，以12℃/min的速度降温至300℃，以6℃/min的速度升温至330℃，以12℃/min的速度降温至270℃，最后以24℃/min的速度降温至40℃后自然冷却，得到本实施例的陶瓷基电路板。
实施例2
一种陶瓷基电路板，其制备工艺为：
采用尺寸为180mm×218mm，厚度为450μm的OFC无氧铜片，先将其采用纯水超声清洗干净后烘干，然后对铜片的两面进行真空等离子体磁控溅射镀Cu2O，使其表面形成3μm的致密Cu2O膜；
采用尺寸为184mm×222mm，厚度为1520μm，含量80％的Al2O3陶瓷片，采用纯水超声清洗后烘干，将陶瓷片与铜片叠放后置入传动式网带气氛隧道炉中，以采用阶梯式间断升温法进行升温，具体为：以28℃/min的速度从室温升温至440℃，保温3～5min；以42℃/min的速度升温至810℃，保温5min；以22℃/min的速度升温至910℃，保温4min；以20℃/min的速度升温至1000℃，保温5min；以18℃/min的速度升温至1070℃，保温3min；然后采用阶梯式间断降温法进行降温，具体为：以18℃/min的速度降温至1010℃，保温3min；以22℃/min的速度降温至890℃，保温4min；以20℃/min的速度降温至800℃，保温3min；以30℃/min的速度降温至440℃；再采用高低温交替法进行变温键合，具体为：在450℃下保温5min，以12℃/min的速度降温至390℃，以6℃/min的速度升温至420℃，以12℃/min的速度降温至360℃，以7℃/min的速度升温至380℃，以12℃/min的速度降温至330℃，以6℃/min的速度升温至360℃，以12℃/min的速度降温至300℃，以5℃/min的速度升温至320℃，以12℃/min的速度降温至270℃，最后以23℃/min的速度降温至35℃后自然冷却，得到本实施例的陶瓷基电路板。
实施例3
一种陶瓷基电路板，其制备工艺为：
采用尺寸为180mm×218mm，厚度为200μm的OFC无氧铜片，先将其采用纯水超声清洗干净后烘干，然后对铜片的两面进行真空等离子体磁控溅射镀Cu2O，使其表面形成2μm的致密Cu2O膜；
采用尺寸为184mm×222mm，厚度为1200μm，含量85％的Al2O3陶瓷片，采用纯水超声清洗后烘干，将陶瓷片与铜片叠放后置入传动式网带气氛隧道炉中，以采用阶梯式间断升温法进行升温，具体为：以32℃/min的速度从室温升温至460℃，保温5min；以41℃/min的速度升温至810℃，保温5min；以22℃/min的速度升温至910℃，保温4min；以20℃/min的速度升温至1010℃，保温5min；以22℃/min的速度升温至1070℃，保温5min；然后采用阶梯式间断降温法进行降温，具体为：以18℃/min的速度降温至990℃，保温3min；以22℃/min的速度降温至890℃，保温4min；以20℃/min的速度降温至810℃，保温3min；以30℃/min的速度降温至440℃；再采用高低温交替法进行变温键合，具体为：在450℃下保温5min，以13℃/min的速度降温至390℃，以6℃/min的速度升温至420℃，以12℃/min的速度降温至365℃，以7℃/min的速度升温至380℃，以12℃/min的速度降温至335℃，以6℃/min的速度升温至360℃，以12℃/min的速度降温至300℃，以5℃/min的速度升温至320℃，以12℃/min的速度降温至265℃，最后以25℃/min的速度降温至45℃后自然冷却，得到本实施例的陶瓷基电路板。
实施例4
一种陶瓷基电路板，其制备工艺为：
采用尺寸为180mm×218mm，厚度为180μm的OFC无氧铜片，先将其采用纯水超声清洗干净后烘干，然后对铜片的两面进行真空等离子体磁控溅射镀Cu2O，使其表面形成2μm的致密Cu2O膜；
采用尺寸为184mm×222mm，厚度为1100μm，含量92％的Al2O3陶瓷片，采用纯水超声清洗后烘干，将陶瓷片与铜片叠放后置入传动式网带气氛隧道炉中，以采用阶梯式间断升温法进行升温，具体为：以30℃/min的速度从室温升温至450℃，保温3min；以42℃/min的速度升温至810℃，保温5min；以22℃/min的速度升温至910℃，保温4min；以20℃/min的速度升温至1010℃，保温5min；以22℃/min的速度升温至1070℃，保温5min；然后采用阶梯式间断降温法进行降温，具体为：以18℃/min的速度降温至1000℃，保温3min；以22℃/min的速度降温至890℃，保温4min；以20℃/min的速度降温至810℃，保温3min；以30℃/min的速度降温至445℃；再采用高低温交替法进行变温键合，具体为：在455℃下保温5min，以12℃/min的速度降温至390℃，以6℃/min的速度升温至420℃，以13℃/min的速度降温至365℃，以7℃/min的速度升温至380℃，以13℃/min的速度降温至335℃，以6℃/min的速度升温至360℃，以12℃/min的速度降温至300℃，以5℃/min的速度升温至320℃，以12℃/min的速度降温至265℃，最后以25℃/min的速度降温至40℃后自然冷却，得到本实施例的陶瓷基电路板。
实施例5
一种陶瓷基电路板，其制备工艺为：
采用尺寸为180mm×220mm，厚度为250μm的OFC无氧铜片，先将其采用纯水超声清洗干净后烘干，然后对铜片的两面进行真空等离子体磁控溅射镀Cu2O，使其表面形成2.5μm的致密Cu2O膜；
采用尺寸为184mm×222mm，厚度为1200μm，含量96％的Al2O3陶瓷片，采用纯水超声清洗后烘干，将陶瓷片与铜片叠放后置入传动式网带气氛隧道炉中，以采用阶梯式间断升温法进行升温，具体为：以29℃/min的速度从室温升温至450℃，保温4min；以42℃/min的速度升温至810℃，保温5min；以22℃/min的速度升温至910℃，保温4min；以20℃/min的速度升温至1010℃，保温5min；以22℃/min的速度升温至1070℃，保温5min；然后采用阶梯式间断降温法进行降温，具体为：以18℃/min的速度降温至1000℃，保温3min；以22℃/min的速度降温至890℃，保温4min；以20℃/min的速度降温至810℃，保温3min；以30℃/min的速度降温至445℃；再采用高低温交替法进行变温键合，具体为：在455℃下保温5min，以12℃/min的速度降温至390℃，以6℃/min的速度升温至420℃，以13℃/min的速度降温至365℃，以7℃/min的速度升温至380℃，以13℃/min的速度降温至335℃，以6℃/min的速度升温至360℃，以12℃/min的速度降温至300℃，以5℃/min的速度升温至320℃，以12℃/min的速度降温至265℃，最后以25℃/min的速度降温至45℃后自然冷却，得到本实施例的陶瓷基电路板。
实验例
(一)导热系数实验
将实施例1～4制备的陶瓷基电路板进行导热系数实验，测试设备包括：导热系数仪的型号为LFA467，差示扫面量热仪的型号为DSC214，分析天平的型号为PX224ZH；实验环境条件为23.2℃，湿度52％RH；测试标准为：GB/T22588-2008，ASTME1269-11(Reapproved)，GB/T1423-1996；测试模量为Cowan模型+脉冲修正；测试结果如表1所示。
表1
从表1中可以看出，通过实施例1～4制备得到的陶瓷基电路板具有较好的导热系数，且性能稳定。其导热系统相比于现有技术中普通的陶瓷基电路板的导热系数(22～28W/(m*K))具有较大的提升。
(二)铜箔剥离强度实验
将实施例1～5制备的陶瓷基电路板切割成等大的试样进行铜箔剥离强度实验，采用的剥离强度试验机型号为5965；环境温度为23.5℃，湿度为49％RH，测试标准采用GB/T4722-2017，测试速率为50mm/min，测试结果如表2所示。
表2
从表2中可以看出，本实施例1～5制备的陶瓷基电路板稳定性好，且均具有高剥离强度。其剥离强度相比于现有技术中普通的陶瓷基电路板的剥离强度(4～8N/mm)具有较大的提升。
(三)热应力实验
将实施例1～3制备的陶瓷基电路板进行热应力测试，测试过程采用型号为TGK-FX320的无铅钛锡炉，环境温度为22.5℃，湿度为47％RH，测试标准为GB/T4677，测试过程为：将各样品放入125℃的条件下烘烤6h，然后取出放入干燥柜冷却至室温，然后再测试热应力，测试温度为288℃，测试时间为10s/3次。测试前的各试样图如图1所示，测试后的各试样图如图2所示，测试结果为本发明制备的陶瓷基电路板未发现有分层或者起泡现象。
(四)可焊性实验
将实施例1制备的陶瓷基电路板进行可焊性测试，测试设备采用型号为TGK-FX320的无铅钛锡炉，观察设备采用型号为VHX-700的3D数码显微镜，环境温度为22.5℃，湿度为47％RH，测试标准为GB/T4677，采用的助焊剂为2﹟助焊剂，焊接温度为255℃，测试时间为5s，测试前的陶瓷基电路板如图3所示，其20倍放大图如图4所示，测试后的陶瓷基电路板如图5所示，其20倍放大图如图6所示。从图3～图6中可以看出，经过电焊后的陶瓷基电路板测试位置表面沾锡光滑、无退润湿，且上锡面积≥98％，说明其具有较好的可焊性。
综上所述，本发明实施例提出一种陶瓷基电路板的制备工艺，以及通过该工艺制备出的陶瓷基电路板。本发明采用OFC无氧铜片，在其两面溅射有氧化亚铜层，然后将陶瓷片将其进行键合，得到陶瓷基电路板。本发明采用阶梯式间断升温方法和阶梯式间断降温方法进行连续动态键合，可以使得铜片与陶瓷结合时的应力达到最大的释放，从而消除由于两种材料膨胀系数不同而产生的应力导致的弯曲现象，采用高低温交替法，可以使铜面晶粒紧凑致密，在同一水平面增大焊接面积，以达到焊接牢固的特点。经过上述工艺制备得到的陶瓷基电路板具有高剥离强度、低膨胀系数、低应力以及良好可焊性的优点，相较于现有技术中的陶瓷基电路板具有较大的进步。
以上所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
Claims (10)
1.一种陶瓷基电路板的制备工艺，其特征在于，其包括以下步骤：
在铜片的表面进行真空等离子体磁控溅射Cu2O，形成一层Cu2O膜；
将陶瓷基片放置在铜片上，采用阶梯式间断升温法进行键合，得到电路基板；
然后采用阶梯式间断降温法对电路基板进行降温；
采用高低温交替法对电路基板铜面进行再结晶，冷却得到陶瓷基电路板。
2.根据权利要求1所述的陶瓷基电路板的制备工艺，其特征在于，所述铜片和陶瓷基片在使用前均进行纯水超声清洗和烘干处理。
3.根据权利要求1所述的陶瓷基电路板的制备工艺，其特征在于，所述铜片为OFC无氧铜片，厚度为100μm～450μm。
4.根据权利要求3所述的陶瓷基电路板的制备工艺，其特征在于，所述Cu2O膜的厚度为1μm～3μm。
5.根据权利要求4所述的陶瓷基电路板的制备工艺，其特征在于，所述陶瓷基片是含量为80％～99.6％的Al2O3，所述陶瓷基片的厚度为250μm～1520μm。
6.根据权利要求1所述的陶瓷基电路板的制备工艺，其特征在于，所述键合温度为800℃～1083℃。
7.根据权利要求6所述的陶瓷基电路板的制备工艺，其特征在于，所述阶梯式间断升温法具体为：以28～32℃/min的速度从室温升温至440～460℃，保温3～5min，以35～42℃/min的速度升温至790～810℃，保温3～5min；以18～22℃/min的速度升温至890～910℃，保温3～5min；以18～22℃/min的速度升温至990～1010℃，保温3～5min；以18～22℃/min的速度升温至1070～1083℃，保温1～3min。
8.根据权利要求7所述的陶瓷基电路板的制备工艺，其特征在于，所述阶梯式间断降温法具体为：以18～22℃/min的速度将温度降温至990～1010℃，保温3～5min；以18～22℃/min的速度降温至890～910℃，保温3～5min；以18～22℃/min的速度降温至790～810℃，保温3～5min；以28～32℃/min的速度降温至440～460℃。
9.根据权利要求8所述的陶瓷基电路板的制备工艺，其特征在于，所述高低温交替法具体为：在440～460℃下保温4～6min，以11～13℃/min的速度降温至385～395℃，以5～7℃/min的速度升温至415～425℃，以11～13℃/min的速度降温至355～365℃，以5～7℃/min的速度升温至385～395℃，以11～13℃/min的速度降温至325～335℃，以5～7℃/min的速度升温至355～365℃，以11～13℃/min的速度降温至295～305℃，以5～7℃/min的速度升温至325～335℃，以11～13℃/min的速度降温至265～275℃，最后以22～25℃/min的速度降温至35～45℃后自然冷却。
10.一种陶瓷基电路板，其特征在于，采用如权利要求1～9任一项所述的陶瓷基电路板的制备工艺制备而成。
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