CN117964348A - 一种陶瓷封装基座及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种陶瓷封装基座及其制备方法，涉及电子元件技术领域。本发明提供了一种陶瓷封装基座，包括陶瓷层和导电层，所述陶瓷层和导电层相邻；所述陶瓷层的原料包括陶瓷浆料，所述陶瓷浆料包括以下组分：陶瓷粉体A、光引发剂A、增塑剂A、分散剂A、光敏树脂A；所述导电层的原料包括导电浆料，所述导电浆料包括以下组分：金属粉体、陶瓷粉体B、光引发剂B、增塑剂B、分散剂B、光敏树脂B；所述导电浆料中，陶瓷粉体B与金属粉体的重量比为(0.05‑0.25)：1。本发明制备的陶瓷封装基座，成型精度较高，且不会出现翘曲、开裂、加工变形等问题。
Description
技术领域
本发明涉及电子元件技术领域，尤其是一种陶瓷封装基座及其制备方法。
背景技术
陶瓷材料因其耐高温、耐磨损、耐腐蚀等优异性能而被广泛用于制作芯片、晶体振荡器、声表面波滤波器、大功率LED等的封装基座。通常，陶瓷封装基座中需要连接金属部件、印刷金属线路图形以实现特定功能。现有的制备陶瓷封装基座的方法通常包括冲腔、叠压、刻槽、镀覆、蚀刻、烧结等工艺，工艺流程复杂，耗时长，陶瓷基体容易产生变形，不利于产品的小型化生产，而且针对复杂的陶瓷结构制备金属线路时(例如温度补偿型晶体振荡器用陶瓷封装基座)，往往容易受到已成型的陶瓷体结构的干涉，增大了金属线路的制备难度。
采用3D打印技术制造陶瓷封装基座，是一种新思路，然而将上述方法应用于陶瓷封装基座的制备时，存在着材料不相容、不匹配、导致产品易出现翘曲和开裂的问题。
发明内容
基于此，本发明的目的在于克服上述现有技术的不足之处而提供一种陶瓷封装基座及其制备方法。
为实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：一种陶瓷封装基座，包括陶瓷层和导电层，所述陶瓷层和导电层相邻；所述陶瓷层的原料包括陶瓷浆料，所述陶瓷浆料包括以下组分：陶瓷粉体A、光引发剂A、增塑剂A、分散剂A、光敏树脂A；所述导电层的原料包括导电浆料，所述导电浆料包括以下组分：金属粉体、陶瓷粉体B、光引发剂B、增塑剂B、分散剂B、光敏树脂B；所述导电浆料中，陶瓷粉体B与金属粉体的重量比为(0.05-0.25):1。
本发明创新地采用多材料光固化成型方法制备陶瓷封装基座，通过调控导电浆料与陶瓷浆料的配方成分，使两种材料的相容性较好，固化成型的行为较一致，成型精度较高，且不会导致翘曲、开裂、加工变形等问题，更有利于制备高精度、小型化的陶瓷封装基座。
发明人经过大量实验探究后发现，本发明通过向导电浆料中增加上述特定含量的陶瓷粉体B，能够在不影响导电浆料导电性能前提下，降低导电浆料吸光度，提高浆料总体固化能力。陶瓷粉体B与金属粉体的重量比过低时，不足以降低导电浆料的吸光度，提高固化能力，会导致产品的成型精度差、开裂比例、翘曲比例偏高；陶瓷粉体B与金属粉体的重量比过高时，会影响浆料导电性。
此外，导电浆料中的陶瓷粉体B在经过烧结之后仍存留在产品的导电层中，这些陶瓷粉体B还可以使陶瓷层和导电层的热膨胀系数更接近，使陶瓷层与金属的连接更加紧密，避免温度急剧变化时产品出现层间开裂、翘曲现象。
优选地，所述陶瓷浆料包括以下重量份的组分：陶瓷粉体A 60-95份、光引发剂A1-5份、增塑剂A 1-20份、分散剂A 1-6份、光敏树脂A 5-40份。
优选地，所述导电浆料包括以下重量份的组分：金属粉体40-90份、陶瓷粉体B 3-20份、光引发剂B1-6份、增塑剂B1-20份、分散剂B1-6份、光敏树脂B10-60份。
优选地，所述陶瓷浆料中增塑剂A的重量百分比、导电浆料中增塑剂B的重量百分比之比为1:(1-4)；进一步优选地，所述陶瓷浆料中增塑剂A的重量百分比、导电浆料中增塑剂B的重量百分比之比为1:(1.5-2.5)。
发明人经过大量实验探究后发现，本发明将上述增塑剂的用量控制在以上范围，能够提高固化后的导电浆料与陶瓷浆料的结合力，进一步改善开裂、翘曲的问题。重量比高于或低于上述范围时，陶瓷浆料与导电浆料的流变学特性不一致，在形成陶瓷封装基座的过程中收缩行为不一致，产品的开裂比例、翘曲比例上升。
优选地，所述陶瓷浆料中光敏树脂A的重量百分比、导电浆料中光敏树脂B的重量百分比的重量比为1:(1-4)；进一步优选地，所述陶瓷浆料中光敏树脂A的重量百分比、导电浆料中光敏树脂B的重量百分比之比为1:(1.5-2)。
发明人经过大量实验探究后发现，本发明通过将光敏树脂的用量控制在以上范围，能够提高成型精度。由于陶瓷与金属粉的吸光度不同，光在陶瓷浆料与导电浆料中的衰弱程度不同。通过控制陶瓷浆料与导电浆料中的光敏树脂比例，能够保证两种浆料的固化速度比较一致，从而提高材料的相容性，进一步提高成型精度。
优选地，所述的陶瓷封装基座，满足如下(a)-(f)中的至少一项：
(a)所述金属粉体包括钨粉、钼粉、锰粉中的至少一种；
(b)所述陶瓷粉体A、陶瓷粉体B包括氧化铝、氧化锆、氮化铝、氮化硅中的至少一种；进一步优选地，所述陶瓷粉体A、陶瓷粉体B为氧化铝；
(c)所述光引发剂A、光引发剂B包括2-二甲氨基-2-苄基-1-(4-哌丁苯基)-1-丁酮、1-羟基环己基苯甲酮、4,4-双(二乙氧基)苯甲酮、2,4,6-三甲基苯甲酰基-二苯基氧化膦、2-异丙基硫杂蔥酮中的至少一种；
(d)增塑剂A、增塑剂B包括聚乙二醇、油酸、柠檬酸三丁酯、柠檬酸三辛酯、甘油、邻苯二甲酸二辛脂、邻苯二甲酸二丁酯中的至少一种；
(e)所述分散剂A、分散剂B包括甲苯、丙酮、异丙醇中的至少一种；
(f)所述光敏树脂A、光敏树脂B包括环氧丙烯酸酯齐聚物、聚酯丙烯酸酯齐聚物、三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、季戊四醇四丙烯酸酯、1,6-己二醇二丙烯酸酯中的至少一种。
优选地，本发明所述陶瓷封装基座采用光固化成型的方法制备得到。
本发明还提供了所述陶瓷封装基座的制备方法，包括如下步骤：
(1)制备得到陶瓷浆料和导电浆料；
(2)将制所述陶瓷浆料和导电浆料分别装入光固化打印机的料槽中，按照设计好的陶瓷封装基座模型，通过程序控制制备过程；
(3)铺设所述陶瓷浆料，得到陶瓷层，反应光线照射使其固化；铺设所述导电浆料，得到导电层，反应光线照射使其固化；
或，铺设所述陶瓷浆料，得到陶瓷层，铺设所述导电浆料，得到导电层，反应光线照射使其固化；
(4)重复步骤(3)，光固化打印所述陶瓷层和导电层，形成陶瓷封装基座的坯体；
(5)将所述陶瓷封装基座的坯体进行干燥、排胶、烧结得到所述陶瓷封装基座。
优选地，所述步骤(4)中，陶瓷层光固化打印的工艺参数为：单层曝光厚度10-50μm，单层曝光时间1-10s；进一步优选地，所述陶瓷层光固化打印的工艺参数为：单层曝光厚度20-40μm，单层曝光时间2-3s；
所述步骤(4)中，导电层光固化打印的工艺参数为：单层曝光厚度10-50μm，单层曝光时间1-10s；进一步优选地，所述导电层光固化打印的工艺参数为：单层曝光厚度10-20μm，单层曝光时间4-6s。
优选地，所述陶瓷层的曝光厚度与导电层的曝光厚度之比为(1-4):1，所述陶瓷层的曝光时间与导电层的曝光时间之比为(0.3-0.7):1；优选地，所述陶瓷层的曝光厚度与导电层的曝光厚度之比为(1.5-2.5):1，所述陶瓷层的曝光时间与导电层的曝光时间之比为(0.4-0.6):1。
优选地，所述步骤(4)中，陶瓷层光固化打印时的刮刀高度为单层曝光厚度的3-5倍，刮刀速度为100-350mm/s；导电层光固化打印时的刮刀高度为单层曝光厚度的3-5倍，刮刀速度为50-350mm/s；优选地，所述陶瓷层光固化打印时的刮刀速度为150-200mm/s，所述导电层光固化打印时的刮刀速度为100-130mm/s。
发明人经过大量实验探究后发现，由于陶瓷浆料与导电浆料的吸光度不同，需要合理调控制备时的曝光厚度和曝光时间。单层曝光厚度是指软件单层切片厚度，打印机平台将根据此厚度在完成每一层打印后上移该数值厚度，若该数值高于实际固化深度则会出现下一层与上一层粘接不牢；同样的，曝光时间不足也会导致粘接不牢。因此，通过合理控制两种浆料的曝光厚度和曝光时间之比，能够使两种材料的固化行为一致，提高成型精度。
相对于现有技术，本发明的有益效果为：本发明创新地采用多材料光固化成型方法制备陶瓷封装基座，通过调控导电浆料与陶瓷浆料的配方成分以及控制制备过程中的工艺参数，使两种材料的相容性较好，固化成型的行为较一致，成型精度较高，且不会导致翘曲、开裂、加工变形等问题。有利于制备高精度、小型化的陶瓷封装基座。
具体实施方式
为更好的说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合具体实施例对本发明作进一步说明。实施例中，所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法，所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
本发明通过调控导电浆料与陶瓷浆料的配方成分以及控制制备过程中的工艺参数，制备得到所述陶瓷封装基座，实施例及对比例以H型TCXO封装基座为例具体描述本发明的实施方式，但本发明不局限于这一应用。每个实施例或对比例各制备一个批次共1000个产品，测试以下指标：
(1)成型精度合格率：测量外围长宽、内腔长宽、特定电极或凸台结构等与内腔的距离尺寸，并与结构件模型的设计尺寸对比来评估成型精度。测量得到的尺寸与设计尺寸的差值在±0.1mm以内视为合格。统计合格产品在同一批次产品中的比例作为成型精度合格率，一批次产品合格率应在95％以上。
(2)开裂比例：通过显微镜观察电子结构件的外观，统计有开裂的电子结构件在同一批次产品中的占比。开裂比例在0-0.01％视为合格。
(3)翘曲比例：将瓷体置于平面上，测量瓷体与平面间的最大间隙宽度。瓷体与平面间的最大间隙宽度低于0.1mm视为合格，统计翘曲不合格的产品在同一批次产品中的占比作为翘曲比例，一批次产品翘曲比例应低于0.5％。
(4)布线电阻：通过飞针测试仪测试产品各个金属部件间的布线电阻，设计上是相互电连接的部件，其布线电阻应小于(10Ω)，布线电阻过大则影响电连接，甚至可能出现断路问题。
实施例1-17和对比例1-3
实施例1
本发明实施例1制备H型TCXO封装基座的过程中，制备方法如下：
(1)制备得到陶瓷浆料和导电浆料；
(2)将制所述陶瓷浆料和导电浆料分别装入光固化打印机的料槽中，按照设计好的陶瓷封装基座模型，通过程序控制制备过程；
(3)铺设所述陶瓷浆料，得到陶瓷层，反应光线照射使其固化；铺设所述导电浆料，得到导电层，反应光线照射使其固化；
(4)重复步骤(3)，光固化打印所述陶瓷层和导电层，形成陶瓷封装基座的坯体；
(5)将所述陶瓷封装基座的坯体进行干燥、排胶、烧结得到所述陶瓷封装基座。
本发明实施例及对比例提供的陶瓷封装基座的制备方法与实施例1相同，仅导电浆料与陶瓷浆料的配方成分、用量以及控制制备过程中的工艺参数不同，实施例1-17及对比例1-2具体参数如表1-3所示。本实施例H型TCXO封装基座生坯中每层陶瓷层的厚度统一为0.24mm，导电层厚度统一为50μm，而每个实施例或对比例的陶瓷层/导电层的单层曝光厚度各有不同。当出现生坯陶瓷层/导电层厚度不能整除单层曝光厚度的情况，通过修改最后一次曝光的曝光厚度以满足产品要求。
对比例3不采用光固化方法，采用传统方法制备，步骤包括：
1、将陶瓷浆料流延成陶瓷生片，陶瓷浆料以重量份计，包括80份Al2O3、6份树脂粘结剂(具体是丙烯酸树脂PMMA)、5份增塑剂(邻苯二甲酸二辛脂DOP)、6份溶剂(异丙醇)、3份分散剂(硬脂酸)；进行冲孔和填孔，并印刷金属布线，金属布线所用浆料以重量份计，包括60份金属粉(钨钼质量比7:3)、10份陶瓷粉(Al2O3)、6份树脂粘结剂(乙基纤维素)、5份增塑剂(邻苯二甲酸二辛脂DOP)、6份溶剂(异丙醇)；
2、将印有金属布线的陶瓷生片叠压成陶瓷体；
3、对金属布线镀覆上镍层；
4、将陶瓷体烧结得到封装基座。
实施例1～17及对比例1～3的测试结果如表4所示。
表1
表2
表3
表4
由上表可知，本发明实施例制备得到的陶瓷封装基座均满足以下指标，成型精度合格率95％以上，开裂比例为0，翘曲比例低于0.5％，布线电阻小于10Ω。
本发明实施例10、实施例11所述陶瓷浆料中增塑剂A的重量百分比、导电浆料中增塑剂B的重量百分比之比不在本发明特定的1：(1-4)范围内，导致光固化时收缩行为不一致程度增加，开裂、翘曲比例上升。
本发明实施例12、实施例13所述陶瓷浆料中光敏树脂A的重量百分比、导电浆料中光敏树脂B的重量百分比之比不在本发明特定的1：(1-4)范围内，导致陶瓷层与导电层固化速率略有差异，开裂、翘曲比例上升。
本发明实施例14、实施例15所述陶瓷层的曝光厚度与导电层的曝光厚度之比不在本发明特定的(1-4)：1范围内，导致陶瓷层与导电层固化速率略有差异，开裂、翘曲比例上升。
本发明实施例16、实施例17所述陶瓷层的曝光时间与导电层的曝光时间之比不在本发明特定的(0.3-0.7)：1范围内，导致陶瓷层与导电层固化速率略有差异，开裂、翘曲比例上升。
对比例1中导电浆料中陶瓷粉体B与金属粉体的比例未达到本发明特定的(0.05-0.25):1范围，导致导电浆料吸光度过大，导电浆料和陶瓷浆料的固化行为不一致，开裂比例、成型精度合格率，翘曲比例等数据不合格。对比例2中导电浆料中陶瓷粉体B与金属粉体的比例超出了本发明特定的(0.05-0.25):1范围，导致浆料导电性偏低，布线电阻不合格。
对比例3不采用光固化方法而采用传统方法，制备得到的封装基座成型精度合格率89.9％，开裂比例为0.09，翘曲比例低于0.1，布线电阻小于5Ω，不合格。
最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
Claims (10)
1.一种陶瓷封装基座，其特征在于，包括陶瓷层和导电层，所述陶瓷层和导电层相邻；
所述陶瓷层的原料包括陶瓷浆料，所述陶瓷浆料包括以下组分：陶瓷粉体A、光引发剂A、增塑剂A、分散剂A、光敏树脂A；所述导电层的原料包括导电浆料，所述导电浆料包括以下组分：金属粉体、陶瓷粉体B、光引发剂B、增塑剂B、分散剂B、光敏树脂B；
所述导电浆料中，陶瓷粉体B与金属粉体的重量比为(0.05-0.25):1。
2.如权利要求1所述的陶瓷封装基座，其特征在于，所述陶瓷浆料包括以下重量份的组分：陶瓷粉体A 60-95份、光引发剂A 1-5份、增塑剂A 1-20份、分散剂A 1-6份、光敏树脂A5-40份。
3.如权利要求1所述的陶瓷封装基座，其特征在于，所述导电浆料包括以下重量份的组分：金属粉体40-90份、陶瓷粉体B 3-20份、光引发剂B 1-6份、增塑剂B 1-20份、分散剂B 1-6份、光敏树脂B 10-60份。
4.如权利要求1所述的陶瓷封装基座，其特征在于，所述陶瓷浆料中增塑剂A的重量百分比、导电浆料中增塑剂B的重量百分比之比为1:(1-4)；优选地，所述陶瓷浆料中增塑剂A的重量百分比、导电浆料中增塑剂B的重量百分比之比为1:(1.5-2.5)。
5.如权利要求1所述的陶瓷封装基座，其特征在于，所述陶瓷浆料中光敏树脂A的重量百分比、导电浆料中光敏树脂B的重量百分比之比为1:(1-4)；优选地，所述陶瓷浆料中光敏树脂A的重量百分比、导电浆料中光敏树脂B的重量百分比之比为1:(1.5-2)。
6.如权利要求1所述的陶瓷封装基座，其特征在于，满足如下(a)-(f)中的至少一项：
(a)所述金属粉体包括钨粉、钼粉、锰粉中的至少一种；
(b)所述陶瓷粉体A、陶瓷粉体B包括氧化铝、氧化锆、氮化铝、氮化硅中的至少一种；优选地，所述陶瓷粉体A、陶瓷粉体B为氧化铝；
(c)所述光引发剂A、光引发剂B包括2-二甲氨基-2-苄基-1-(4-哌丁苯基)-1-丁酮、1-羟基环己基苯甲酮、4,4-双(二乙氧基)苯甲酮、2,4,6-三甲基苯甲酰基-二苯基氧化膦、2-异丙基硫杂蔥酮中的至少一种；
(d)增塑剂A、增塑剂B包括聚乙二醇、油酸、柠檬酸三丁酯、柠檬酸三辛酯、甘油、邻苯二甲酸二辛脂、邻苯二甲酸二丁酯中的至少一种；
(e)所述分散剂A、分散剂B包括甲苯、丙酮、异丙醇中的至少一种；
(f)所述光敏树脂A、光敏树脂B包括环氧丙烯酸酯齐聚物、聚酯丙烯酸酯齐聚物、三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、季戊四醇四丙烯酸酯、1,6-己二醇二丙烯酸酯中的至少一种。
7.一种如权利要求1-6任一项所述陶瓷封装基座的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)制备得到陶瓷浆料和导电浆料；
(2)将所述陶瓷浆料和导电浆料分别装入光固化打印机的料槽中，按照设计好的陶瓷封装基座模型，通过程序控制制备过程；
(3)铺设所述陶瓷浆料，得到陶瓷层，反应光线照射使其固化；铺设所述导电浆料，得到导电层，反应光线照射使其固化；
或，铺设所述陶瓷浆料，得到陶瓷层，铺设所述导电浆料，得到导电层，反应光线照射使其固化；
(4)重复步骤(3)，光固化打印所述陶瓷层和导电层，形成陶瓷封装基座的坯体；
(5)将所述陶瓷封装基座的坯体进行干燥、排胶、烧结得到所述陶瓷封装基座。
8.如权利要求7所述的陶瓷封装基座的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中，陶瓷层光固化打印的工艺参数为：单层曝光厚度10-50μm，单层曝光时间1-10s；优选地，所述陶瓷层光固化打印的工艺参数为：单层曝光厚度20-40μm，单层曝光时间2-3s；所述步骤(4)中，导电层光固化打印的工艺参数为：单层曝光厚度10-50μm，单层曝光时间1-10s；优选地，所述导电层光固化打印的工艺参数为：单层曝光厚度10-20μm，单层曝光时间4-6s。
9.如权利要求8所述的陶瓷封装基座的制备方法，其特征在于，所述陶瓷层的曝光厚度与导电层的曝光厚度之比为(1-4):1，所述陶瓷层的曝光时间与导电层的曝光时间之比为(0.3-0.7):1；优选地，所述陶瓷层的曝光厚度与导电层的曝光厚度之比为(1.5-2.5):1，所述陶瓷层的曝光时间与导电层的曝光时间之比为(0.4-0.6):1。
10.如权利要求8所述的陶瓷封装基座的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中，陶瓷层光固化打印时的刮刀高度为单层曝光厚度的3-5倍，刮刀速度为100-350mm/s；导电层光固化打印时的刮刀高度为单层曝光厚度的3-5倍，刮刀速度为50-350mm/s；优选地，所述陶瓷层光固化打印时的刮刀速度为150-200mm/s，所述导电层光固化打印时的刮刀速度为100-130mm/s。
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