CN114501857A - 一种多层陶瓷电路板制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多层陶瓷电路板制备方法，所述多层陶瓷电路板由多块电镀陶瓷基板(DPC)堆叠键合而成。首先通过图形电镀工艺制备含表面电路层和垂直互连金属柱的DPC陶瓷基板；然后在DPC陶瓷基板电路层上制备金属焊料，将多块DPC陶瓷基板堆叠对准后键合，实现DPC基板间机械稳固连接与电互连；最后在DPC基板间填充耐高温绝缘胶，固化后得到多层陶瓷电路板。本发明利用DPC陶瓷基板导热/耐热性好、图形精度高以及垂直互连等特性，通过金属键合实现DPC基板间机械连接与电互连，制备出高可靠、高精度的多层陶瓷电路板，满足功率器件小型化和集成化封装要求。

Description

一种多层陶瓷电路板制备方法

技术领域

本发明属于微电子封装技术领域，更具体地，涉及一种多层陶瓷电路板的备方法，有效提高了功率器件集成度。

背景技术

随着电子信息技术的不断发展，电子产品的应用和更新也在快速延伸，其功能也越来越多。以SiC、GaN为代表的第三代半导体材料因其禁带宽度大、击穿电压高等特点，在汽车、通信、航天、武器装备等领域具有重要的应用。伴随着应用需求的逐渐增大，芯片封装也逐渐向高可靠性、高集成密度、小型化等性能发展。而如今芯片在平面基板上的封装受到基板自身的大小等限制，因此需要对封装基板进行多层堆叠，以提高基板整体的集成度从而达到应用需求。

由于多层陶瓷电路板多用于搭载半导体元件等电子部件，需要针对这些电子元件进行布线，因此要求多层陶瓷电路板每层均为陶瓷绝缘层和符合电子元件的布线层。布线层既包括基板表面上与电子元件连通的电路层以及键合上下基板的图形层，也包括贯通陶瓷基板本身实现垂直互连的通孔导体。现微系统封装中常用的多层陶瓷电路板为低温/高温共烧陶瓷基板(LTCC/HTCC)，其集成度高、可垂直互连并且可靠性高，但是由于采用丝网印刷制备基板布线层，降低图形精度(＞100μm)，并且在多层陶瓷配料堆叠烧结时由于温度较高(＞800℃)导致其存在收缩比例差异等问题，影响LTCC/HTCC的成品率并提高了成本，严重阻碍了其在电子器件中的应用。

因此，本发明提出使用电镀陶瓷基板(DPC)，其平面图形以及通孔金属柱均由图形电镀工艺一体成型，无需平面图形与通孔填充分别制备，并且利用电镀图形容易设计并制备、图形精度高(＜50μm)、垂直互连的特性以及成熟的制备工艺，能够简单快速地满足多层陶瓷电路板的布线需求，实现基板的高精度和高集成度；通过金属焊料键合工艺(＜400℃)将DPC基板堆叠互连，提高陶瓷基板可靠性与成品率。

发明内容

为了克服现有多层陶瓷电路板在布线精度、成品率方面的不足，针对通信、汽车、航天等领域的应用需求，本发明提出了一种多层陶瓷电路板的制作方法，解决了传统基板的布线精度低、成品率低等问题，能够长期稳定耐受100-200℃，实现了多层陶瓷基板的小型化和高集成密度。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种多层陶瓷电路板由多块电镀陶瓷基板(DPC)堆叠键合而成。先通过图形电镀工艺制备含有表面电路层和通孔内垂直互连金属柱的DPC陶瓷基板，然后在DPC陶瓷基板电路层上制备金属焊料，将多块DPC陶瓷基板堆叠对准后键合，实现基板间机械连接与电互连，并在基板间填充耐高温绝缘胶，固化后得到多层陶瓷电路板。

在本发明的多层陶瓷电路板中，所述陶瓷基片材质为氧化铝、氮化铝或氮化硅中的一种，厚度为200-1000μm。

在本发明的多层陶瓷电路板中，所述DPC陶瓷基板表面电路层为电镀铜层，厚度为100-300μm。

在本发明的多层陶瓷电路板中，所述金属焊料为CuSn、AuSn、AgSn、SnAgCu、纳米银膏、纳米铜膏中的一种，通过丝网印刷或物理气相沉积工艺沉积在电路板待键合区，厚度为3-40μm。所述金属焊料键合工艺为焊料键合、热压键合或共晶键合中的一种，键合温度为200-400℃，键合压力为0-10MPa，键合时间为15-30分钟。

在本发明的多层陶瓷电路板制备方法中，两层陶瓷电路板制备工艺包括：

1)对上下两块DPC陶瓷基板及其电路层进行去油、去污和干燥处理；

2)将金属焊料制备在下面DPC基板的上表面电路层上；

3)将两块DPC陶瓷基板的电路层对准，通过键合技术使金属焊料融化，冷却后两块陶瓷基板已键合在一起，从而实现两块陶瓷基板间的机械连接与电互连。

在本发明的多层陶瓷电路板中，所述耐高温绝缘胶为PI聚酰亚胺、EPOXY环氧树脂、LCP液晶树脂、日本ABF树脂中的一种，通过真空吸附或压力注射等工艺填充在DPC陶瓷基板间隙并固化，厚度为200-600μm，固化工艺温度为100-300℃。

在本发明的多层陶瓷电路板中，实现两块陶瓷基板间耐热绝缘胶的填充包括以下步骤：

1)使用注射器拾取耐热胶并沿陶瓷基板层间隙外沿处进行填充，注射器填充方式为单边单向“I”型或者相邻两边单向“L”型注射；

2)将基板平放或根据耐热胶流向倾斜放置，利用压力注射使耐热胶填充整个层间；也可在另一端使用真空泵抽气，通过真空吸附将耐热胶填充整个层间；

3)填充后加热使耐热胶固化完全，从而在基板层间形成稳定的耐高温绝缘层。

在本发明的多层陶瓷电路板中，所述多层陶瓷电路板通过在最上层的金属层上制备金属焊料，堆叠对准后键合更多DPC基板，并在基板层间填充耐热胶并固化，最终提高基板堆叠层数，增加多层陶瓷电路板集成密度。

综上所述，本发明相比于现有的制作方法，主要具有以下优点：

1)本发明使用DPC基板作为每层的陶瓷电路板，通过图形电镀工艺制备表面图形层和通孔金属柱，既能实现垂直互连，同时电镀图形精度比现有多层基板制作方法高。DPC基板制作技术成熟，表面图形层更容易加工，可根据应用需求进行布线设计，成品率更高。而且表面图形层与基板内通孔填充金属由电镀工艺一体化制备成型，无需分别制备，既缩短工艺流程又提高表面图形与通孔金属的连接强度。

2)本发明使用金属焊料键合工艺实现多层陶瓷基板间连接，金属焊料制备方法多样，键合温度为200-400℃，键合压力为0-10MPa，低于现有多层陶瓷基板制备工艺温度(＞800℃)，既能够保证电镀金属层在键合过程中的图形精度，减少多层基板间收缩差异，又能够降低工艺条件，使多层基板制备更加简单快捷。

3)本发明使用耐热胶填充于多层陶瓷电路板间隙，不同于现有多层陶瓷基板制作方法中的热压，耐热胶将通过压力注射或真空吸附等方式填充层间隙，既与陶瓷基板相互粘连，提高多层基板间的粘接强度，又能密封焊接部位，防止焊料回流溢出以避免短路，从而提高了多层陶瓷基板的可靠性。

4)本发明使用的金属焊料与耐热胶能长期耐受100-200℃，满足多层陶瓷电路板高温应用需求，用于功率器件封装集成。

附图说明

图1是本发明的一种实施方式所涉及的多层陶瓷电路板剖视图。

图2是图1示出的多层陶瓷电路板制作工艺流程剖视图。

图3是实施例3的PI胶填充层间隙的多层陶瓷电路板实物横截面图。

图4是实施例4的EPOXY胶填充层间隙的多层陶瓷电路板实物横截面图。

所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的结构，其中：1、6、7、10-均为电镀铜层；2、8-均为电镀通孔铜柱；3、9-均为陶瓷基板；4-金属焊料；5-耐热绝缘层。

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。

下面将参照图2的工艺流程，并结合图1的多层陶瓷电路板结构以及以下多个实施例来进一步说明本发明。

本发明多层陶瓷电路板由DPC陶瓷基板3和DPC陶瓷基板9堆叠而成，DPC基板中上基板表面电镀铜层1、6与电镀通孔铜柱2，下基板表面电镀铜层7、10与电镀通孔铜柱8均通过半导体图形电镀工艺一体化制备成型，使1、6与2成为一体，7、10与8成为一体并导通形成基板内部电路。在下面陶瓷基板9的金属层7上制备金属焊料4，将基板表面金属层6和7通过堆叠对准并键合在一起形成层间电路互联，并在层间隙处填充耐热胶形成耐热绝缘层5。

在本多层陶瓷电路板发明中，两层DPC陶瓷基板材质可以为氧化铝或氮化铝或氮化硅等。优选的，上下两层基板选用氮化铝DPC陶瓷基板，其热膨胀系数为4.4×10^-6/℃，厚度均为500μm。所述多层陶瓷电路板的每块DPC基板的表面的金属铜层与通孔金属铜柱通过图形电镀工艺一体化制备成型。其上基板上表面设有电路层1，设有贴片区，用于贴装芯片并导电，也设有散热区，不通电仅用于固定芯片并传导芯片产热。下表面设有与下基板连接的图形层6，下基板上表面设有与上基板下表面连接的图形层7，下表面设有与外部电路连接的电路层10。电镀金属铜层在本实施方案中厚度为120μm。

在本多层陶瓷电路板发明中，在所述多层陶瓷电路板表面图形层上通过丝网印刷或物理气相沉积工艺(PVD)制备金属焊料于电路板待键合区；所述金属焊料为CuSn、AuSn、AgSn、SnAgCu、纳米银膏、纳米铜膏中的一种，厚度为3-40μm。采用的键合工艺为焊料键合、热压键合或共晶键合中的一种，键合温度为200-400℃，键合压力为0-10MPa，键合时间为15-30分钟。

参照图2的工艺流程，结合以下几个实施例来进一步说明在图形层上制备金属焊料的方法以及键合工艺。

实施例1

在本实施例中，金属焊料选用SnAgCu焊膏。

在本实施例中，实现DPC陶瓷基板3和DPC陶瓷基板9之间的键合包括以下步骤：

1)对陶瓷基板3和陶瓷基板9以及其金属层进行去油、去污和干燥处理；

2)将SnAgCu焊膏通过丝网印刷方式涂覆到陶瓷基板9的金属层7上，厚度为40μm；

3)将陶瓷基板3与陶瓷基板9上的金属层对准，采用焊料键合工艺，在键合最高温度为280℃，键合压力为2MPa，键合时间为15分钟的工艺条件下使SnAgCu焊料与基板键合在一起，从而实现两层陶瓷基板的机械连接与电互连。

实施例2

在本实施例中，金属焊料选用AuSn焊料。

在本实施例中，实现DPC陶瓷基板3和DPC陶瓷基板9之间的键合包括以下步骤：

1)对陶瓷基板3和陶瓷基板9以及其金属层进行去油、去污和干燥处理；

2)采用物理气相沉积(CVD)工艺将AuSn焊料沉积到陶瓷基板9的金属层7上，厚度为3μm；

3)将陶瓷基板3与陶瓷基板9上的金属层对准，采用共晶键合工艺，在键合最高温度为320℃，键合压力为10MPa，键合时间为15分钟的工艺条件下使AuSn焊料与基板键合在一起，从而实现两层陶瓷基板的机械连接与电互连。

在本多层陶瓷电路板发明中，所述耐高温绝缘胶为PI聚酰亚胺、EPOXY环氧树脂、LCP液晶树脂、日本ABF树脂中的一种，通过真空吸附或压力注射等工艺填充在DPC陶瓷基板间隙并固化，厚度为250-300μm，固化工艺温度为100-300℃。

参照图2的工艺流程，结合以下几个实施例来进一步说明耐高温绝缘胶耐热性能以及填充工艺。

实施例3

在本实施例中，耐高温绝缘胶选用PI聚酰亚胺。PI胶常温下呈现黄色透明液体，粘度为30-35Pa·s，热膨胀系数为3.6×10^-5/℃。

本实施例中，在使用SnAgCu焊料将陶瓷基板3和陶瓷基板9键合后，实现基板3和9之间的耐热胶的填充工艺包括以下步骤：

1)使用注射器拾取耐热胶并沿陶瓷基板层间缝隙边缘处进行填充，注射器填充方式为单边单向“I”型挤压；

2)由于PI胶粘度大，因此将基板平放，在另一端使用真空泵抽气，通过真空吸附将耐热胶填充整个层间；

3)按照加工过程依次升温至80℃、120℃、150℃、200℃、220℃和250℃，每个温度持续加热20分钟，直至耐热层中的PI胶完全固化成型，形成稳定的耐热绝缘层5。

图3为PI胶填充固化后的多层基板截面图，其中PI胶填充的耐热层5厚度为265μm。PI胶固化后呈现棕褐色，常温测试粘接强度为22.6MPa，经过200℃加热100小时后粘接强度依旧高达18.3MPa，仍能保持初始强度的81％。使用PI胶填充耐热层，完全固化后进行气密性测试，在氟油中浸泡时无气泡冒出，且在常温下氮气气氛高压(4个标准大气压)放置2小时后取出，氮气漏气率为1.9×10^-9Pa·m/s，说明PI胶在基板中填充完全并密封。经过200℃加热100小时后再进行气密性测试，在氟油中仍无气泡冒出，且在常温下氮气高压(4个标准大气压)放置2小时后取出，氮气漏气率只有3.8×10^-8Pa·m/s，仍能保持较高的气密性，同时填充于绝缘层的PI胶并没有溢出，说明PI胶作为绝缘层能够长期耐受200℃高温，并能够保持较高的粘接强度与气密性，表明PI胶填充的多层陶瓷基板具有较高的耐热能力与可靠稳定性。

实施例4

在本实施例中，耐高温绝缘胶选用EPOXY环氧树脂。EPOXY胶常温呈现白色透明液体，粘度为4-7Pa·s，热膨胀系数为3.2×10^-5/℃。

本实施例中，在使用SnAgCu焊料将陶瓷基板3和陶瓷基板9键合后，实现基板3和9之间的耐热胶的填充工艺包括以下步骤：

1)使用注射器拾取耐热胶并沿陶瓷基板层间缝隙边缘处进行填充，注射器填充方式为相邻两边单向“L”型挤压；

2)EPOXY胶粘度小，将基板根据耐热胶流向倾斜放置，利用压力注射的方式使耐热胶填充整个层间；

3)将EPOXY胶一步升温至150℃加热1小时，直至耐热层中的EPOXY胶完全固化成型，形成稳定的耐热绝缘层5。

图4为EPOXY胶填充固化后的多层基板截面图，其中EPOXY胶填充的耐热层5厚度为272μm。EPOXY胶固化后仍呈现白色，常温测试粘接强度为19.8MPa，经过200℃加热100小时后粘接强度为13.9MPa，仍能够将基板粘接稳固。使用EPOXY胶填充耐热层，完全固化后进行气密性测试，在氟油中浸泡时无气泡冒出，且在常温下氮气气氛高压(4个标准大气压)放置2小时后取出，氮气漏气率为2×10^-8Pa·m/s，说明EPOXY胶在基板中填充完全并密封。经过200℃加热100小时后再进行气密性测试，在氟油中仍无气泡冒出，且在常温下氮气高压(4个标准大气压)放置2小时后取出，氮气漏气率只有5.2×10^-8Pa·m/s，仍能保持较高的气密性。同时填充于绝缘层的EPOXY胶没有溢出，说明EPOXY胶作为绝缘层能够长期耐受200℃高温，虽然粘接强度与气密性保持程度弱于PI胶，但通过测试表明其仍能够保持较高的粘接强度与气密性，满足器件使用需求，表明EPOXY填充制备的多层陶瓷基板具有较高的耐热能力与可靠稳定性。

在本多层陶瓷电路板发明中，所述多层陶瓷电路板通过在最上层的金属层1上制备金属焊料4，堆叠对准并键合更多的DPC基板，然后在基板层间填充耐热胶并固化，最终提高基板堆叠层数，增加多层陶瓷电路板集成密度，制得更多层数的多层陶瓷电路板。

上述实施例只为说明本发明的技术构思以及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。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)

1.一种多层陶瓷电路板制备方法，其特征在于，所述多层陶瓷电路板由多块电镀陶瓷基板(DPC)堆叠键合而成，该方法先通过图形电镀工艺制备含表面电路层和垂直互连金属柱的DPC陶瓷基板，然后在DPC陶瓷基板电路层上制备金属焊料，将多块DPC陶瓷基板堆叠对准后键合，实现基板间的机械连接与电互连，最后在基板间填充耐高温绝缘胶，固化后得到多层陶瓷电路板。

2.根据权利要求1所述的一种多层陶瓷电路板制备方法，其特征在于：所述陶瓷基片材质为氧化铝、氮化铝或氮化硅中的一种，厚度为100-1000μm。

3.根据权利要求1所述的一种多层陶瓷电路板制备方法，其特征在于：所述DPC陶瓷基板表面电路层为电镀铜层，厚度为100-300μm。

4.根据权利要求1-3任一所述的一种多层陶瓷电路板制备方法，其特征在于：所述金属焊料为CuSn、AuSn、AgSn、SnAgCu、纳米银膏、纳米铜膏中的一种。

5.根据权利要求4所述的一种多层陶瓷电路板制备方法，所述金属焊料通过丝网印刷或物理气相沉积工艺(PVD)沉积在陶瓷基板电路层的待键合区，厚度为3-40μm。

6.根据权利要求1-3任一所述的一种多层陶瓷电路板制备方法，其特征在于：所述键合工艺为焊料键合、热压键合或共晶键合中的一种，键合温度为200-400℃，键合压力为0-10MPa，键合时间为15-30分钟。

7.根据权利要求1-6任一所述的一种多层陶瓷电路板制备方法，其特征在于：所述耐高温绝缘胶为PI聚酰亚胺、EPOXY环氧树脂、LCP液晶树脂、日本ABF树脂中的一种，通过真空吸附或压力注射等工艺填充在DPC陶瓷基板间隙并固化，厚度为200-600μm。

8.根据权利要求7所述的一种多层陶瓷电路板制备方法，其特征在于：所述固化工艺温度为100-300℃。

9.根据权利要求1-8任一所述的一种多层陶瓷电路板制备方法，其特征在于：所述多层陶瓷电路板通过在最上层DPC陶瓷基板电路层上制备金属焊料，堆叠对准后键合更多DPC基板，并在陶瓷基板层间填充耐高温绝缘胶并固化，增加陶瓷基板堆叠层数，提高陶瓷基板集成密度。

10.根据权利要求1-9任一所述的制备方法，其特征在于：还包括实现两块陶瓷基板间耐高温绝缘胶的填充步骤，具体如下：

1)使用注射器拾取耐热胶并沿陶瓷基板层间缝隙外沿处进行填充，注射器填充方式为单边单向“I”型或相邻两边单向“L”型注射；

2)将基板平放或根据耐热胶流向倾斜放置，利用压力注射方式使耐热胶填充整个层间；或在填充另一端使用真空泵抽气，通过真空吸附差将耐热胶填充整个层间；

3)将填充完后的陶瓷基板通过局部加热技术使耐热胶固化完全，从而形成稳定的耐热绝缘层。

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