CN117769163A - 一种铝薄膜电路基板制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种铝薄膜电路基板制备方法。本发明通过步骤S1：基材金属介质层制备，步骤S2：通孔填充铝‑金刚石导电浆料，步骤S3：基材表面印刷图形，步骤S4薄膜电路基板烧结成型，步骤S5：蚀刻裸露的钛、铜层，步骤S6：铝薄膜电路基板表面镀，完成铝薄膜电路基板的制备。本发明制备的铝薄膜电路基板具有良好的直接表面化学镀镍或者镍金的能力，不仅满足基板的封装要求，还满足电性连接且可靠性高，可控制丝网膜厚以满足载流量需求，制备过程简单，易于量产。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种铝薄膜电路基板制备方法。
背景技术
在金属层上搭载有半导体元件的铜薄膜电路基板被广泛应用。然而，随着半导体发热元件密集化、大功率的发展需求，铜薄膜电路基板的耐高温应用可靠性受到了限制(耐温200℃以下)。因此，铜薄膜电路基板已经不能满足诸多高温场景的使用需求。
制备薄膜电路基板最重要的工艺是实现通孔互连以实现电性连接，实心孔较空心孔具有载流量大、导热性更好的特性，铜薄膜电路基板实心孔互连的方式主要有以下几种：
(一)通过溅射、蒸发等方式实现孔壁和基材附着铜层后电镀加厚实现孔内填充，然而，此种方式成型的薄膜电路高温可靠性差。
(二)通孔及表面填充导电浆料，烧结固化后，铜浆料固化成型温度高，烧结体积收缩严重会导致孔内填充不饱满，降低了产品的导电性及可靠性。
(三)金属浆料对通孔填充烧结固化后使用溅射、电镀等方法对不饱满的通孔及表面进一步填充孔，此种方式孔内和表面沉积速率差异，后续需要对基板表面研磨，效率低、成本高。
现有技术制程复杂，成本高，可靠性差，亟待开发一种新型薄膜电路基板，进而解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种铝薄膜电路基板制备方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
一种铝薄膜电路基板制备方法，包括以下步骤：
步骤S1：基材金属介质层制备：根据制备铝薄膜电路的电路图设计基材上定位点、通孔位置，表面清洗后，在氮化铝基材通孔和表面沉积钛、铜层，作为介质层；
步骤S2：通孔填充铝-金刚石导电浆料：配置铝-金刚石导电浆料；将步骤S1制得的氮化铝基材通孔内填充铝-金刚石导电浆料，烘干；
步骤S3：基材表面印刷图形：配置高纯铝浆料；将步骤S2制得的氮化铝基材锚定定位点，图形化丝网印刷高纯铝浆料，烘干；
步骤S4：薄膜电路基板烧结成型：将步骤S3制得的氮化铝基材，在真空条件下烧结成型，随炉冷却至室温，完成氮化铝陶瓷通孔浆料和表面铝薄膜图形烧结成型；
步骤S5：蚀刻裸露的钛、铜层：将步骤S4制得的铝薄膜电路基板铺设感光膜，锚定定位点后曝光、显影、蚀刻裸露的钛、铜层，去除剩余的感光膜，清洗、烘干；
步骤S6：铝薄膜电路基板表面镀：将步骤S5制得的铝薄膜电路依次进行表面研磨、清洗、表面化学镀镍金。
进一步的，所述步骤S1中通孔采用激光打孔成型，通孔为直径0.05-1.5mm圆形或矩形，孔间距为0.2-15.0mm。
进一步的，所述步骤S1中表面清洗工艺条件为：清洗温度30-50℃，经过5-10wt％NaOH水溶液清洗20-30min后，转移至3-5wt％硝酸水溶液清洗10-15min后，转移至超声纯水清洗10-15min，烘干。
进一步的，所述步骤S1中沉积钛层厚度为10-30nm、铜层厚度为20-100nm。
进一步的，所述步骤S2中铝-金刚石导电浆料由80-85wt％铝/金刚石混合粉体和15-20wt％有机载体复配而成，铝/金刚石粉混合粉体由75-80wt％铝粉和20-25wt％金刚石粉组成。
进一步的，所述步骤S3中高纯铝浆料为由75-85wt％铝粉和15-25wt％有机载体复配而成。
进一步的，所述有机载体包括以下质量百分比成分：4.5-5.5wt％硬脂酸、5.5-6.5wt％乙基纤维素、3.5-4.0wt％邻苯二甲酸二异壬酯(DINP)、6.5-7.0wt％十二碳醇酯，余量为松油醇。
进一步的，所述烘干的工艺条件为：采用氮气烘箱，烘干温度80-120℃，烘干时间15-90min。
进一步的，所述步骤S3中图形化丝网印刷浆料膜厚为15-65μm。
进一步的，所述步骤S4中烧结工艺条件为：真空度0.00001-0.001Pa，温度300-500℃，保温2-5h，继续升温至560-650℃，保温2-5h。
进一步的，所述步骤S5中蚀刻工艺条件为：蚀刻温度25-30℃，蚀刻时间10-15min，蚀刻溶液的配方包括：10-20wt％过硫酸盐、1-2wt％氢氟酸、1-10wt％的无机酸、3-7wt％缓蚀剂，余量为水。
进一步的，所述步骤S5中去除工艺使用的药水为3-15wt％氨水溶液。
进一步的，所述步骤S6中表面研磨工艺条件为：使用2000-6000目水磨砂纸。
进一步的，所述步骤S6中清洗工艺条件为：配置3-5wt％NaOH溶液浸泡1-3min，转移至纯水清洗10-15min，配置浸锌液(40-50g/LNaOH和10-15g/LZnO)浸泡30-50S，转移至纯水清洗10-15min，转移至30-40wt％硝酸溶液浸泡30-50S，转移至浸锌液二次浸泡30-50S，转移至纯水清洗15-30min。
进一步的，所述步骤S6中化学镀镍金层的工艺条件为：温度80-90℃，镀镍液浸泡30-40min，镀金液浸泡25-35min。
进一步的，所述步骤S6中化学镀镍金层的厚度包括3-9μm的镍层和0.05-1.00μm金层厚度。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1.本发明的一种铝薄膜电路基板制备方法，通过含有金刚石的铝基浆料填充通孔，并在低于铝熔点温度下与孔壁铜层扩散焊接固化成型，钛层提高键合强度，铜铝相低温扩散焊接与金刚石低热膨胀的特性有助于避免铝液流动收缩，造成孔内填充不满的问题，从而满足了电性连接的需求并提高了可靠性高。
2.本发明的一种铝薄膜电路基板制备方法，可控制丝网膜厚匹配薄膜基板载流量需求，线路精度高，操作简单。
3.本发明的一种铝薄膜电路基板制备方法，制程简单，基板为铝特性，具有良好的直接表面化学镀镍或者镍金的能力，满足基板的封装要求，易于量产。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明中实施例1的流程图；
图2是本发明中实施例1中步骤2通孔填充铝-金刚石导电浆料示意图；
图3是本发明中实施例1中步骤3基材表面印刷成型示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
本实施例中氮化铝基材：型号DCPCB-PCB，来源于深圳市点成电路板有限公司；铝粉：粒度为1-10μm，来源于山东富旺化工有限公司；金刚石粉：1-5μm，来源于北京国瑞升科技集团股份有限公司；镀镍金液：日本上村化学化学镍金药水，来源于上村化学(上海)有限公司。
实施例1：一种铝薄膜电路基板制备方法，包括以下步骤：
步骤S1：基材金属介质层制备：根据制备薄膜电路的电路图上通孔位置和数量及定位点位置，激光打孔成型，通孔为直径0.15mm圆形，孔间距10mm，表面清洗后，工艺条件为：清洗温度35℃，经过8wt％NaOH水溶液清洗25min后，转移至4wt％硝酸水溶液清洗12min后，转移至超声纯水清洗13min，在氮气气氛下，100℃烘干60min，采用磁控溅射的方式，在氮化铝基材通孔和表面沉积钛、铜层，作为介质层(钛层厚度20nm，铜层厚度60nm)；
步骤S2：通孔填充铝-金刚石导电浆料：称取83g铝/金刚石混合粉，加入17g有机载体混合，搅拌10min，使用三辊研磨机研磨3遍，配置铝-金刚石导电浆料，其中铝/金刚石混合粉由75wt％铝粉和25wt％金刚石粉混合搅拌3min制成，有机载体包括以下质量百分比成分：5.0wt％硬脂酸、6.0wt％乙基纤维素、3.8wt％邻苯二甲酸二异壬酯、6.8wt％十二碳醇酯，余量为松油醇；将步骤S1制得的氮化铝基材通孔内填充铝-金刚石导电浆料，在氮气气氛下，100℃烘干20min；
步骤S3：基材表面印刷图形：称取80g铝粉，加入20g有机载体混合，搅拌10min，使用三辊研磨机研磨3遍，配置高纯铝浆料；将步骤S2制得的氮化铝基材锚定定位点，图形化丝网印刷高纯铝浆料，在氮气气氛下，100℃烘干20min；
步骤S4：铝薄膜电路基板烧结成型：将步骤S3制得的氮化铝基材，在真空条件下烧结成型，工艺条件为：真空度0.001Pa，温度400℃，保温4h，继续升温至630℃，保温3h，随炉冷却至室温，完成氮化铝陶瓷通孔浆料和表面铝薄膜图形烧结成型；
步骤S5：蚀刻裸露的钛、铜层：将步骤S4制得的铝薄膜电路基板铺设感光膜，锚定定位点后曝光、显影、蚀刻裸露的钛、铜层，工艺条件为：蚀刻温度28℃，蚀刻时间12min，蚀刻溶液的配方包括：15wt％过硫酸钠、1.5wt％氢氟酸、8wt％的无机酸、5wt％缓蚀剂，余量为水；放入配置的定量一体化的药水体系进行去膜，药水为5wt％氨水溶液，去除剩余的感光膜；经去离子水清洗、烘干后，得到成型后的金属图形；
步骤S6：铝薄膜电路基板表面镀：将步骤S5制得的铝薄膜电路基板依次进行4000目水磨砂纸表面研磨、清洗，清洗过程包括：配置3wt％NaOH溶液浸泡1min，转移至纯水清洗10min，配置浸锌液(50g/LNaOH和10g/LZnO)浸泡30S，转移至纯水清洗10min，转移至30wt％硝酸溶液浸泡30S，转移至浸锌液二次浸泡30S，转移至纯水清洗15min，再进行表面化学镀镍金，工艺条件为：镀镍液浸泡35min，温度85℃，镀金液浸泡30min，镍层为5.5μm，金层厚度为0.06μm。
实施例2：一种铝薄膜电路基板制备方法，包括以下步骤：
步骤S1：根据制备薄膜电路的电路图上通孔位置和数量及定位点位置，激光打孔成型，通孔为直径1.5mm圆形，孔间距0.5mm，表面清洗后，工艺条件为清洗温度30℃，经过5wt％NaOH水溶液清洗20min后，转移至3wt％硝酸水溶液清洗10min后，转移至超声纯水清洗10min，在氮气气氛下，80℃烘干30min，采用磁控溅射的方式，在氮化铝基材通孔和表面沉积钛、铜层，作为介质层(钛层厚度10nm，铜层厚度100nm)；
步骤S2：通孔填充铝-金刚石导电浆料：称取80g铝/金刚石混合粉，加入20g有机载体混合，搅拌10min，使用三辊研磨机研磨4遍，配置铝-金刚石导电浆料，其中铝/金刚石混合粉由80wt％铝粉和20wt％金刚石粉混合搅拌3min制成，有机载体包括以下质量百分比成分：4.5wt％硬脂酸、5.5wt％乙基纤维素、3.5wt％邻苯二甲酸二异壬酯、6.5wt％十二碳醇酯，余量为松油醇；将步骤S1制得的氮化铝基材通孔内填充铝-金刚石导电浆料，在氮气气氛下，80℃烘干60min；
步骤S3：基材表面印刷图形：称取75g铝粉，加入25g有机载体混合，搅拌10min，使用三辊研磨机研磨3遍，配置高纯铝浆料；将步骤S2制得的氮化铝基材锚定定位点，图形化丝网印刷高纯铝浆料，在氮气气氛下，80℃烘干60min；
步骤S4：铝薄膜电路基板烧结成型：将步骤S3制得的氮化铝基材，在真空条件下烧结成型，工艺条件为：真空度0.0005Pa，温度300℃，保温5h，继续升温至560℃，保温5h，随炉冷却至室温，完成氮化铝陶瓷通孔浆料和表面铝薄膜图形烧结成型；
步骤S5：蚀刻裸露的钛、铜层：将步骤S4制得的铝薄膜电路基板铺设感光膜，锚定定位点后曝光、显影、蚀刻裸露的钛、铜层，工艺条件为：蚀刻温度25℃，蚀刻时间10min，蚀刻溶液的配方包括：10wt％过硫酸钠、1wt％氢氟酸、1wt％的无机酸、3wt％缓蚀剂，余量为水；放入配置的定量一体化的药水体系进行去膜，药水为3wt％氨水溶液，去除剩余的感光膜；经去离子水清洗、烘干后，得到成型后的金属图形；
步骤S6：铝薄膜电路基板表面镀：将步骤S5制得的铝薄膜电路基板依次进行5000目水磨砂纸表面研磨、清洗，清洗过程包括：配置4wt％NaOH溶液浸泡3min，转移至纯水清洗12min，配置浸锌液(40g/LNaOH和15g/LZnO)浸泡40S，转移至纯水清洗12min，转移至40wt％硝酸溶液浸泡40S，转移至浸锌液二次浸泡40S，转移至纯水清洗20min、再进行表面化学镀镍金，其工艺条件为：镀镍液浸泡30min，温度80℃，镀金液浸泡25min，镍层为3μm，金层厚度为0.05μm。
实施例3：一种铝薄膜电路基板制备方法，包括以下步骤：
步骤S1：根据制备薄膜电路的电路图上通孔位置和数量及定位点位置，激光打孔成型，通孔为直径0.05mm圆形，孔间距5mm，表面清洗后，工艺条件为：清洗温度50℃，经过10wt％NaOH水溶液清洗30min后，转移至5wt％硝酸水溶液清洗15min后，转移至超声纯水清洗15min，在氮气气氛下，120℃烘干15min，采用磁控溅射的方式，在氮化铝基材通孔和表面沉积钛、铜层，作为介质层(钛层厚度30nm，铜层厚度50nm)；
步骤S2：通孔填充铝-金刚石导电浆料：称取85g铝/金刚石混合粉，加入15g有机载体混合，搅拌10min，使用三辊研磨机研磨5遍，配置铝-金刚石导电浆料，其中铝/金刚石混合粉由85wt％铝粉和15wt％金刚石粉混合搅拌3min制成，有机载体包括以下质量百分比成分：5.5wt％硬脂酸、6.5wt％乙基纤维素、4.0wt％邻苯二甲酸二异壬酯、7.0wt％十二碳醇酯，余量为松油醇；将步骤S1制得的氮化铝基材通孔内填充铝-金刚石导电浆料，在氮气气氛下，120℃烘干15min；
步骤S3：基材表面印刷图形：称取85g铝粉，加入15g有机载体混合，搅拌10min，使用三辊研磨机研磨5遍，配置高纯铝浆料；将步骤S2制得的氮化铝基材锚定定位点，图形化丝网印刷高纯铝浆料，在氮气气氛下，120℃烘干15min；
步骤S4：铝薄膜电路基板烧结成型：将步骤S3制得的氮化铝基材，在真空条件下烧结成型，工艺条件为：真空度0.0008Pa，温度500℃，保温2h，继续升温至650℃，保温2h，随炉冷却至室温，完成氮化铝陶瓷通孔浆料和表面铝薄膜图形烧结成型；
步骤S5：蚀刻裸露的钛、铜层：将步骤S4制得的铝薄膜电路基板铺设感光膜，锚定定位点后曝光、显影、蚀刻裸露的钛、铜层，工艺条件为：蚀刻温度30℃，蚀刻时间15min，蚀刻溶液的配方包括：20wt％过硫酸钠、2wt％氢氟酸、10wt％的无机酸、7wt％缓蚀剂，余量为水，放入配置的定量一体化的药水体系进行去膜，药水为7wt％氨水溶液，去除剩余的感光膜；经去离子水清洗、烘干后，得到成型后的金属图形；
步骤S6：铝薄膜电路基板表面镀：将步骤S5制得的铝薄膜电路基板依次进行3000目水磨砂纸表面研磨、清洗，清洗过程包括：配置5wt％NaOH溶液浸泡2min，转移至纯水清洗15min，配置浸锌液(45g/LNaOH和12g/LZnO)浸泡50S，转移至纯水清洗12min，转移至35wt％硝酸溶液浸泡50S，转移至浸锌液二次浸泡50S，转移至纯水清洗30min，再进行表面化学镀镍金，工艺条件为：镀镍液浸泡40min，温度90℃，镀金液浸泡35min，镍层为9μm，金层厚度为1μm。
对比例1：通过溅射附着铜层后电镀加厚，即PCB板制造的方式，其制备工艺如下：
根据制备薄膜电路的电路图上通孔位置和数量及定位点位置，激光打孔成型，通孔为直径0.15mm圆形，孔间距10mm，表面清洗后，工艺条件为：清洗温度35℃，经过8wt％NaOH水溶液清洗25min后，转移至4wt％硝酸水溶液清洗12min后，转移至超声纯水清洗13min，在氮气气氛下，烘干温度100℃，烘干时间60min，采用磁控溅射的方式，在氮化铝基材通孔和表面沉积钛、铜层，作为介质层(钛层厚度20nm，铜层厚度60nm)；通孔内及表面电镀铜至孔内填充至150μm，进行5000目水磨砂纸表面研磨至25μm，表面化学镀镍金，工艺条件为：镀镍液浸泡30min，温度80℃，镀金液浸泡25min，镍层为3μm，金层厚度为0.05μm。
实验：抽样取实施例1-3、对比例1中得到的电路基板，制得剥离强度试样，进行以下性能检测并记录检测结果：
根据上表中的数据，可以清楚得到以下结论：本发明公开了一种铝薄膜基板成型方法，工艺设计合理，制程简单，基板为铝特性，具有良好的直接表面化学镀镍或者镍金的能力，满足基板的封装要求，易于量产，具有较高的实用性。
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。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改等同替换改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种铝薄膜电路基板制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：基材金属介质层制备：根据制备铝薄膜电路的电路图设计基材上定位点、通孔位置，表面清洗后，在氮化铝基材通孔和表面沉积钛、铜层，作为介质层；
步骤S2：通孔填充铝-金刚石导电浆料：配置铝-金刚石导电浆料；将步骤S1制得的氮化铝基材通孔内填充铝-金刚石导电浆料，烘干；
步骤S3：基材表面印刷图形：配置高纯铝浆料；将步骤S2制得的氮化铝基材锚定定位点，图形化丝网印刷高纯铝浆料，烘干；
步骤S4：薄膜电路基板烧结成型：将步骤S3制得的氮化铝基材，在真空条件下烧结成型，随炉冷却至室温，完成氮化铝陶瓷通孔浆料和表面铝薄膜图形烧结成型；
步骤S5：蚀刻裸露的钛、铜层：将步骤S4制得的铝薄膜电路基板铺设感光膜，锚定定位点后曝光、显影、蚀刻裸露的钛、铜层，去除剩余的感光膜，清洗、烘干；
步骤S6：铝薄膜电路基板表面镀：将步骤S5制得的铝薄膜电路依次进行表面研磨、清洗、表面化学镀镍金。
2.根据权利要求1所述的一种铝薄膜电路基板制备方法，其特征在于：所述步骤S1中表面清洗工艺条件为：清洗温度30-50℃，经过5-10wt％NaOH水溶液清洗20-30min后，转移至3-5wt％硝酸水溶液清洗10-15min后，转移至超声纯水清洗10-15min，烘干。
3.根据权利要求1所述的一种铝薄膜电路基板制备方法，其特征在于：所述步骤S2中铝-金刚石导电浆料由80-85wt％铝/金刚石混合粉体和15-20wt％有机载体复配而成，铝/金刚石粉混合粉体由75-80wt％铝粉和20-25wt％金刚石粉组成。
4.根据权利要求1所述的一种铝薄膜电路基板制备方法，其特征在于：所述步骤S3中高纯铝浆料由75-85wt％铝粉和15-25wt％有机载体复配而成。
5.根据权利要求3所述的一种铝薄膜电路基板制备方法，其特征在于：所述有机载体包括以下质量百分比成分：4.5-5.5wt％硬脂酸、5.5-6.5wt％乙基纤维素、3.5-4.0wt％邻苯二甲酸二异壬酯、6.5-7.0wt％十二碳醇酯，余量为松油醇。
6.根据权利要求1所述的一种铝薄膜电路基板制备方法，其特征在于：所述烘干的工艺条件为：采用氮气烘箱，烘干温度80-120℃，烘干时间15-90min。
7.根据权利要求1所述的一种铝薄膜电路基板制备方法，其特征在于：所述步骤S4中烧结工艺条件为：真空度0.00001-0.001Pa，温度300-500℃，保温2-5h，继续升温至560-650℃，保温2-5h。
8.根据权利要求1所述的一种铝薄膜电路基板制备方法，其特征在于：所述步骤S5中蚀刻工艺条件为：蚀刻温度25-30℃，蚀刻时间10-15min，蚀刻溶液的配方包括：10-20wt％过硫酸盐、5-10wt％氢氟酸、1-10wt％的无机酸、3-7wt％缓蚀剂，余量为水。
9.根据权利要求1所述的一种铝薄膜电路基板制备方法，其特征在于：所述步骤S6中清洗工艺条件为：配置3-5wt％NaOH溶液浸泡1-3min，转移至纯水清洗10-15min，配置浸锌液，浸锌液由40-50g/LNaOH和10-15g/LZnO组成，浸泡30-50S，转移至纯水清洗10-15min，转移至30-40wt％硝酸溶液浸泡30-50S，转移至浸锌液二次浸泡30-50S，转移至纯水清洗15-30min。
10.根据权利要求1所述的一种铝薄膜电路基板制备方法，其特征在于：所述步骤S6中化学镀镍金层的工艺条件为：温度80-90℃，镀镍液浸泡30-60min，镀金液浸泡20-60min。
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