CN116676555A - 一种覆铜氧化铝陶瓷基板及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种覆铜氧化铝陶瓷基板及其制备方法，包括两步溅射法金属化方式制备铜膜，所述两步溅射法需要通过先低气压溅射过渡层再高气压镀覆铜层的方法对铜膜进行制作，所述铜膜具有6.2MPa以上的平均抗拉强度。本发明通过基板前处理、磁控溅射两个步骤对氧化铝陶瓷基板进行覆铜处理，基板前处理可以将附着在陶瓷表面的油脂、无机盐、灰尘等污染物除去，生产不间断的过渡膜层，磁控溅射可以制备出大结合力、小电阻率，热阻约为1.38°C/W的氧化铝陶瓷覆铜基板，以弥补氧化铝陶瓷基板的低热导率、高热膨胀系数的缺陷，减少在特定的温度下其在电子器件内部积累的应力，降低芯片的失效几率。
Description
技术领域
本发明属于陶瓷金属化领域，尤其涉及一种通过两步溅射法金属化方式制备铜膜进而完成覆铜氧化铝陶瓷基板的制备。
背景技术
陶瓷基板是散热基板的一种，因为其特有的优点在繁多的散热基板中脱颖而出，受到市场宠爱的程度很高，BeO、SiC、AlN、BN、Al2O3等等是其主要的材料，与金属基覆铜板相比，不仅具有小介电常数、机械性能优异、热导率大、原料众多、化学性能稳定等优点，同时使用步骤简单，省去了绝缘层的制造。BeO是一种半导体，具有剧毒和较差的介电性能，与硅的膨胀系数相距较多；AlN的价格昂贵，其具有强劲的共价键，化学性质稳定，只能浸润小部分金属，与其他陶瓷相比，金属化难度更高；Al2O3虽然具有相对较低的热导率，但因为其价格较低、机械性能优异且具有成熟的制造方法，所以当前市场上众多LED陶瓷散热基板依然选用氧化铝。微型化、大密度、多功效和高可稳定性方向是当前电子封装技术发展的方向，电子系统越来越高的功率密度，引发了愈来愈严重的散热问题，良好的散热构造规划、封装制作手段和封装材料使用(热界面材料与散热基板)等在精良的器件散热中起着越来越重要的作用。其中的重要步骤是对于基板材料的选择使用，这将会对器件价格、稳定性和功能产生影响。所以，选用氧化铝陶瓷基板作为散热基板是一种不错的选择。
综上所述，当前的氧化铝陶瓷基板具有低热导率、高热膨胀系数等缺陷，为了节约成本，使陶瓷散热基板的制备工艺变得精简，增强氧化铝陶瓷在导热率、结合力和电阻率等方面的性能，可对氧化铝陶瓷基板进行覆铜处理，由于铜对氧化铝陶瓷具有较差的浸润性，大多数情况下不能直接对氧化铝陶瓷基板进行覆铜处理。目前对氧化铝陶瓷覆铜基板的制备方法有烧结金属粉末法、直接敷铜法、直接镀铜法，烧结金属粉末法中的金属化钼层与基底具有很强的结合度，但是需超高的温度下进行烧结，同时钼、锰粉颗粒的较大粒度导致膜层不延续、表面不匀称，粗糙度相对较高；直接敷铜法具有成熟的工艺流程，应用广泛，但是其生产的铜膜粘接性能较差，具有高厚度的铜箔、超高的电阻率和较差的膜层质量，对精细的电路的制造相对困难，不能满足高功率LED散热系统的要求；直接镀铜法需要运用独特的腐蚀剂或者刻蚀方法对电路图形进行制作，改动传统生产线价格昂贵。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种通过两步溅射法金属化工艺对氧化铝陶瓷基板进行覆铜处理的方法，其制作的膜层构造简单、结合力高，可以容纳固有的后续刻蚀工艺，可制备出具有6.2MPa以上的平均抗拉强度的铜膜，以及制备出热阻约为1.38℃/W的氧化铝陶瓷覆铜基板，解决了氧化铝陶瓷基板的低热导率、高热膨胀系数、难与硅基板匹配等问题，同时解决了氧化铝陶瓷基板在特定的温度下循环易在电子器件内部积累应力的问题，降低了芯片的失效几率。
本发明是这样实现的，一种氧化铝陶瓷覆铜基板的制备，包括对氧化铝陶瓷基板进行基板前处理和磁控溅射，所述基板前处理包括肥皂碱洗、去离子水冲洗、丙酮超声洗、酒精超声洗、氢氟酸超声洗、去离子水超声洗、酒精冲洗、烘干等过程，所述磁控溅射包括清洁和准备、抽真空、预溅射、低气压溅射、高气压溅射、冷却等过程。
所述肥皂碱洗使用温水进行除去表面附带的有机污染物，同时还可以提高处理效率，所述去离子水冲洗使用热的去离子水除去上一步骤中遗留的肥皂溶液，所述丙酮超声洗清洗15分钟除去存在于缝隙中的有机污染物，所述酒精超声洗清洗10分钟除去上一步骤样品上遗留的丙酮，所述氢氟酸超声洗对样品使用浓度为5‰的氢氟酸溶液酸洗5分钟左右，除去样品表面顽固的污染物，所述去离子水超声洗除去酸洗步骤中剩余的氢氟酸，所述酒精冲洗可将留在样品表面的水渍去除，所述烘干于120℃下加热30分钟除去样品表面的水分。
所述清洁和准备包括对靶材进行清洁与更换、对腔体进行清洁和将样品放到适当的位置，所述的抽真空需将预抽阀和机械泵打开使腔体内的气压到达50Pa以下，然后使用分子泵将腔体的本底真空气压降到5×10-3Pa以下，所述预溅射应在腔体内充入保护气体氩气使气压达到0.1Pa，溅射电源的溅射电流设置为1A，溅射电压设置为535V，预溅射10分钟左右除去附在靶材表面的杂质物质和靶材本身带有的氧化物，所述低气压溅射应调整溅射气压达到0.25Pa左右，起辉后应立刻将气压调至0.2Pa，溅射5分钟，所述高气压溅射将工作气压调到0.7Pa，溅射10分钟后，暂停溅射10分钟，一共溅射50分钟。
作为本发明优选的，所述的两步溅射法金属化工艺要通过先低气压溅射过渡层再高气压镀覆铜层的方法对铜膜进行制作。
作为本发明优选的，所述的低气压溅射可形成约为250nm厚度的过渡层。
作为本发明优选的，所述的高气压溅射可形成3μm的膜层厚度。
作为本发明优选的，所述的冷却应将样品置于真空中冷却2小时以免其暴露在大气中被氧化。
作为本发明优选的，所述的氧化铝陶瓷覆铜基板热阻约为1.38℃/W，结合力大，电阻率小，其形成的铜膜具有6.2MPa以上的平均抗拉强度。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1、本发明通过使用肥皂碱洗，可以对油脂进行乳化，让油脂在水中分散形成乳液，使用温水进行洗涤，可以增加肥皂的融解性，改良肥皂融液的胶体性，增加分子的分散性和增大清洁的面积。
2、本发明通过使用丙酮超声洗清洗15分钟，可以将缝隙中的留存有机污染物充分去除，同时丙酮是一种无色、易燃、易挥发的有机溶剂，同时具有脂溶性和水溶性，可以作为高效的脱脂剂。
3、本发明通过使用氢氟酸超声洗，可以在常温下去除硅垢、铁垢，同时氢氟酸是一种弱酸，对基体金属有着较小的损伤，具有比硫酸和盐酸低的腐蚀性，使用浓度为5‰的氢氟酸进行酸洗5分钟左右，可以有效除去顽固污染物，还可以使样品表面的粗糙度和膜层的结合力得到增加。
4、本发明通过使用去离子水冲洗，可以去除肥皂溶液，使用酒精超声洗，可以去除丙酮，使用去离子水超声洗，可以去除氢氟酸，使用酒精冲洗，可以去除水分。
5、本发明通过使用烘干，将样品放入温度设定为120摄氏度的烘箱中，进行烘干30分钟，可以有效除去样品表面的水蒸气，提升后续真空工艺的效率。
6、本发明通过使用预溅射，预溅射10分钟左右，可以除去附在靶材表面的杂质物质和靶材本身带有的氧化物。
7、本发明通过使用低气压溅射，溅射5分钟，可以形成厚度约为250nm的过渡层。
8、本发明通过使用高气压溅射，溅射10分钟后暂停溅射10分钟，进行冷却，一共溅射50分钟，可以溅射形成3um厚度的膜层。
9、本发明通过使用两步溅射法金属化工艺，可以制备热阻约为1.38℃/W，结合力大，电阻率小的氧化铝陶瓷覆铜基板，其形成的铜膜具有6.2MPa以上的平均抗拉强度。
附图说明
图1是本发明提供的基板前处理工艺流程图；
图2是本发明提供的磁控溅射工艺流程图；
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下。
下面结合附图对本发明的工艺流程作详细的描述。
如图1至图2所示，本发明提供的是一种覆铜氧化铝陶瓷基板及其制备方法，包括两步溅射法金属化方式制备铜膜，所述两步溅射法需要通过先低气压溅射过渡层再高气压镀覆铜层的方法对铜膜进行制作，所述铜膜具有6.2MPa以上的平均抗拉强度。本发明通过基板前处理、磁控溅射两个步骤对氧化铝陶瓷基板进行覆铜处理，基板前处理可以将附着在陶瓷表面的油脂、无机盐、灰尘等污染物除去，生产不间断的过渡膜层，磁控溅射可以制备出大结合力、小电阻率，热阻约为1.38℃/W的氧化铝陶瓷覆铜基板，以弥补氧化铝陶瓷基板的低热导率、高热膨胀系数的缺陷，减少特定的温度下其在电子器件内部积累的应力，降低芯片的失效几率。
参考图1，对基板进行肥皂碱洗、丙酮超声洗、氢氟酸超声洗等处理。
采用上述方案：通过设置肥皂碱洗、丙酮超声洗，可以去除基板表面的有机污染物，设置氢氟酸超声洗，可以去除顽固的污染物，增加膜层结合力。
参考图1，对基板进行去离子水冲洗、酒精超声洗、去离子水超声洗等处理。
采用上述方案：通过设置去离子水冲洗，可以去除肥皂溶液，设置酒精超声洗，可以去除丙酮，设置去离子水超声洗，可以去除氢氟酸。
参考图1，对基板进行酒精冲洗和烘干处理。
采用上述方案：通过设置酒精冲洗，可以去除水分，设置烘干，可以在烘箱中充分蒸发水分。
参考图2，对样品清洁准备后进行抽真空处理。
采用上述方案：通过设置将预抽阀和机器泵打开，可以使腔体的气压达到50Pa以下，设置将分子泵打开，可以将腔体本底真空气压降到5x10-3Pa以下。
参考图2，进行预溅射10分钟。
采用上述方案：通过设置溅射电流为1A，溅射电压设为535V，可以除去附在靶材表面的杂质物质和靶材本身带有的氧化物。
参考图2，低压溅射5分钟，高压溅射50分钟。
采用上述方案：通过设置溅射气压为0.25Pa左右，在起辉后设置气压为0.2Pa，可以形成厚度约为250nm的过渡层，设置工作电压调到0.7Pa，溅射10分钟后暂停溅射10分钟，进行冷却，可以溅射形成3um厚度的膜层。
本发明的工作原理：
在使用时，首先，对于表面污染较严重的的实验样品，需要首先使用肥皂液碱洗，对表面附带的有机污染物进行初阶的处理。此过程需要使用温水进行，可以有效的提高处理效率。如果基板表面污染程度较低，可以不进行该步骤。然后对基板表面使用热的去离子水进行冲洗，除去上一步骤中遗留的肥皂溶液。将样品浸透于纯丙酮中，放入超声波清洗机中清洗15分钟，除去存在于缝隙中的有机污染物。将样品浸没于纯酒精中，放入超声波清洗机中清洗10分钟，将上一步骤样品上遗留的丙酮除去。使用浓度为5‰的氢氟酸溶液，对样品进行酸洗5分钟左右，以除去样品表面顽固的污染物，通过此步骤还可以使样品表面的粗糙度以及膜层结合力得到提高。使用去离子水超声洗除去酸洗步骤中剩余的氢氟酸。竖起样品，沿样品的表面用酒精进行冲洗。酒精具有挥发性，可以将留在样品表面的水渍去除，减少对膜层结合力和外表美观造成的影响。将烘箱的温度设为120℃，将样品放入烘箱中进行加热30分钟，充分除去样品表面的水分，减少水蒸气散发出来对后续真空工艺的影响，加快抽真空的速度，提升后续真空工艺的效率。从烘箱中取出样品后，需立刻放入溅射腔体的内部，然后对靶材进行清洁与更换，对腔体进行清洁，将样品放到适当的位置。将预抽阀和机械泵打开，使腔体内的气压到达50Pa以下，然后将分子泵打开，将预抽阀切换至前级阀，将主阀打开。将腔体的本底真空气压通过使用分子泵降到5x10-3Pa以下。在腔体内充入保护气体氩气使气压达到0.1Pa，为防止对样品造成污染，需要将防护罩转动放到靶材的下方，溅射电源的溅射电流设置为1A，溅射电压设置为535V，开始进行预溅射，预溅射10分钟左右，除去附在靶材表面的杂质物质和靶材本身带有的氧化物。为了使溅射粒子能在样品上直接产生沉积，需要在预溅后转动防护罩，调整溅射气压达到0.25Pa左右，对工作气体进行直接电离，之后打开溅射电源按钮，在起辉后应立刻将气压调至0.2Pa。测试得到此气压下铜靶材具有54nm/min的溅射速率，将低气压溅射时间设置为5分钟，可形成约为250nm厚度的过渡层。将工作气压调到0.7Pa，将溅射电源打开，溅射10分钟后，暂停溅射10分钟，起到一定的冷却作用。该过程一共溅射50分钟，最后形成了3μm的膜层厚度。样品置于真空中冷却2小时以免其暴露在大气中被氧化，之后将大气充入腔体中，将样品取出。
综上所述：该发明实施例提供的一种使用两步溅射法金属化方式制备氧化铝陶瓷覆铜基板，通过进行基板前处理，可以将附着在陶瓷表面的油脂、无机盐、灰尘等污染物除去，使得铜粒子可以与氧化铝直接接触发生界面反应，以生产不间断的过渡膜层，同时也可以除去其他附着在陶瓷表面杂质，以避免影响金属化后表面的平整度，后来又通过进行磁控溅射，制备出了大结合力、小电阻率，热阻约为1.38℃/W的氧化铝陶瓷覆铜基板，本工艺所制造的覆铜板其铜膜具有6.2MPa以上的平均抗拉强度，同时该基板具有清楚的光刻线条，可将其线宽最小控制在10μm以内，能达到集成电路板的精细化要求，容纳传统电路制造方法，解决了氧化铝陶瓷基板的低热导率、高热膨胀系数、难与硅基板匹配等问题，同时解决了氧化铝陶瓷基板在特定的温度下循环易在电子器件内部积累应力的问题，降低了芯片的失效几率。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (9)
1.一种肥皂碱洗、丙酮超声洗去除基板表面的有机污染物，去离子水冲洗去除肥皂溶液，酒精超声洗去除丙酮，氢氟酸超声洗去除顽固的污染物，增加膜层结合力，去离子水超声洗去除氢氟酸，酒精冲洗去除水分，最后将基板放入烘箱中充分蒸发水分。利用以上步骤对氧化铝陶瓷基板进行基板前处理。
2.根据权利1要求所述的肥皂碱洗和丙酮超声洗，其特征在于：普通肥皂的成分主要包括高级脂肪酸的钠盐和钾盐，其一端是“亲水基团”，另一端是“亲脂性基团”，因为油基为亲脂性的，所以在洗涤过程中，肥皂可以乳化油脂，让油脂在水中分散形成乳液，以便充分洗涤，此过程可用温水进行洗涤，有利于使肥皂的融解性增加和肥皂融液的胶体性得到相应的改良，同时升高温度也可以增加分子的分散性，使清洁的面积增大。丙酮是一种无色、易燃、易挥发的有机溶剂，同时具有脂溶性和水溶性，可以作为高效的脱脂剂，将其放入超声波浴中可以有效的除去污染物，将样品浸透于丙酮中，在超声波清洗机中清洗15分钟，可将缝隙中的留存有机污染物充分去除。
3.根据权利1要求所述的酒精超声洗，其特征在于：酒精是乙醇的水溶液，含有疏水基碳基和亲水基羟基，是一个万能的溶剂，酒精和丙酮都是极性分子，两者可以互溶为无色水白透明有辛辣气味的极性溶液，在超声波下用酒精对样品清洗10分钟可除去丙酮。氢氟酸是一种弱酸，对基体金属有着较小的损伤，具有比硫酸和盐酸低的腐蚀性，在常温下去除硅垢、铁垢的能力较强，由于氢氟酸和氧化铝会发生强烈反应，该过程使用浓度为5‰的氢氟酸进行酸洗5分钟左右，不仅可以有效除去顽固污染物，还可以使样品表面的粗糙度和膜层的结合力得到增加。
4.一种将样品烘干后放入溅射腔体内清洁、准备，并进行抽真空处理，在腔体内充入氩气进行预溅射、低压溅射和高压溅射以完成铜膜的制作，溅射完毕后进行真空冷却，在腔内充入大气后取出样品，得到氧化铝陶瓷覆铜基板。
5.根据权利要求4所述的抽真空处理，其特征在于：需要将预抽阀和机器泵打开，使腔体的气压达到50Pa以下，之后应该利用分子泵将腔体本底真空气压降到5x10-3Pa以下。
6.根据权利要求4所述的预溅射，其特征在于：在腔体内充入保护气体氩气，使气压达到0.5Pa，之后将防护罩放在靶材的下方，将溅射电流设为1A，溅射电压设为535V，进行预溅射10分钟。
7.根据权利要求4所述的低气压溅射，其特征在于：需要先将溅射气压调至0.25Pa左右，在起辉后应立刻将气压调至0.2Pa，进行低压溅射5分钟，可以形成厚度约为250nm的过渡层。
8.根据权利要求4所述的高压溅射，其特征在于：需将工作电压调到0.7Pa，溅射10分钟后暂停溅射10分钟，进行冷却，一共溅射50分钟，可以溅射形成3um厚度的膜层。
9.根据权利要求4所述的冷却，其特征在于：需在真空中冷却2小时以防止暴露在大气中的样品表面氧化。
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| CN202310643560.8A CN116676555A (zh) | 2023-06-01 | 2023-06-01 | 一种覆铜氧化铝陶瓷基板及其制备方法 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117954330A (zh) * | 2024-03-27 | 2024-04-30 | 四川富乐华半导体科技有限公司 | 一种消除dcb氧化铝陶瓷基板岛间漏电流的方法 |
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2023
- 2023-06-01 CN CN202310643560.8A patent/CN116676555A/zh active Pending
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