CN118086827A - 一种陶瓷基板的金属电路制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种陶瓷基板的金属电路制备方法，对氮化铝陶瓷的表面处理、以及过渡层的选择和对金属层晶向的制备，通过制备绝缘氧化物、导电氧化物、金属导电层的多层结构，并引入Cu(111)层的制备，提升薄层金属导电能力；包括以下制备步骤：步骤一：用硝酸和/或去离子水清洗氮化铝陶瓷基板毛坯，在相应浓度的HF溶液中，以及相应摄氏度的加热温度条件下在相应的时间段进行化学反应，以制备缓冲层；步骤二：通过磁控溅射制备导电氧化物和或金属导电层的多层结构；步骤三：完成步骤二后再将陶瓷基板通过光刻胶光刻，形成电路图形化；步骤四：对陶瓷基板图形化电路进行电镀处理，以形成电连接表层；步骤五：对完成步骤四的陶瓷基板进行退火处理。
Description
技术领域
本发明涉及金属电路制备方法，具体是一种陶瓷基板的金属电路制备方法。
背景技术
陶瓷基板由于其良好的导热性、耐热性、绝缘性、低热膨胀系数和成本的不断降低，在电子封装特别是功率电子器件如IGBT(绝缘栅双极晶体管)、LD(激光二极管)、大功率LED(发光二极管)、CPV(聚焦型光伏)、传感器封装中的应用越来越广泛。
从结构与制造工艺而言，陶瓷基板又可分为HTCC、LTCC、TFC、DBC、DPC等。其中除DPC工艺以外的其他工艺由于工艺特点，金属电路的制备往往精度不高，对于集成度较高或者特殊应用的器件封装来说，无法满足精度要求。
而DPC制作首先将陶瓷基片进行前处理清洗，利用真空溅射方式在基片表面沉积金属层作为种子层，接着以光刻、显影、刻蚀工艺完成线路制作，最后再以电镀/化学镀方式增加线路厚度，待光刻胶去除后完成基板制作。半导体芯片工艺的引入为DPC工艺带来的优势有：采用薄膜与光刻显影技术，使基板上的金属线路更加精细，因此DPC基板非常适合对准精度要求较高的电子器件封装。
但DPC基板也存在一些不足：电镀沉积铜层厚度有限，且电镀废液污染大；金属层与陶瓷间的结合强度较低，产品应用时可靠性较低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种陶瓷基板的金属电路制备方法，通过对氮化铝陶瓷的表面处理、过渡层的选择和金属层的特殊晶向的制备，通过制备绝缘氧化物-导电氧化物-金属导电层的多层结构，改善原有直接溅射金属电路造成的结合力弱的问题，同时引入Cu(111)层的制备，提升薄层金属导电能力。
本发明的目的是这样实现的：
一种陶瓷基板的金属电路制备方法，对氮化铝陶瓷的表面处理、以及过渡层的选择和对金属层晶向的制备，通过制备绝缘氧化物、导电氧化物、金属导电层的多层结构，并引入Cu(111)层的制备，提升薄层金属导电能力，包括以下制备步骤：
步骤一：用硝酸和/或去离子水清洗氮化铝陶瓷基板毛坯，在相应浓度的HF溶液中，以及相应摄氏度的加热温度条件下在相应的时间段进行化学反应，以制备缓冲层；
步骤二：通过磁控溅射制备导电氧化物和或金属导电层的多层结构；
步骤三：完成步骤二后再将陶瓷基板通过光刻胶光刻，形成电路图形化；
步骤四：对陶瓷基板图形化电路进行电镀处理，以形成电连接表层；
步骤五：对完成步骤四的陶瓷基板进行退火处理。
根据权利要求1所述陶瓷基板的金属电路制备方法，其特征在于：在步骤一中，在1％-3％HF溶液中，以及50℃-70℃加热条件下反应25s-35s，制备AlF缓冲层，作为中间缓冲层，尤其是图形化刻蚀后形成的金属层高台，AlF缓冲层阻隔了功率器件热量的传导，降低金属层的膨胀尺度。
缓冲层厚度为1nm-5nm。
在步骤二中，清洗步骤一中的陶瓷基板毛坯后，陶瓷基板进入磁控溅射腔体；通过磁控溅射制备氧化铝膜和/或氧化锌膜和/或Ni膜和/或Cu膜和/或NiAu膜。
氧化铝膜的厚度为10nm-20nm；Ni膜的厚度为5nm-10nm；NiAu膜的厚度为10-20nm。
氧化锌膜的厚度100-200nm，制备氧化锌膜磁控溅射温度为290℃-310℃。
Cu膜的厚度为240nm-1000nm，晶向为(111)，制备Cu膜磁控溅射温度为18℃-24℃，磁控溅射真空度为6*10-3Torr，磁控溅射氩气流量8sccm-12sccm，磁控溅射时间为3500s-3700s，磁控溅射速度为0.2nm/s-0.4nm/s，磁控溅射衬底转速为20r/min-35r/min，溅射制备Cu膜，晶向为(111)的导电层，在有限的导电层厚度范围内降低等效电阻，提升电流效率。
完成步骤二后的陶瓷基板通过光刻胶光刻，形成电路图形化并采用湿法刻蚀完成Cu膜、ZnO膜层的刻蚀，以及采用干法刻蚀完成氧化铝膜层的刻蚀，以在陶瓷基板上形成电路图形化。
完成步骤三的陶瓷基板进行进行电镀金，电镀金厚度为90nm-110nm，以在陶瓷基板上形成电连接表层。
形成电连接表层的陶瓷基板进行退火处理，形成氮化铝、氟化铝、氧化铝的复合层；并在ZnO膜、Ni膜Cu膜、Ni膜之间形成NiO膜、CuO膜中间层；退火温度为100℃-900℃或300℃-600℃。
本发明的有益效果如下：
通过氧化物中间层的引入，并采用退火方式实现不同材质截面的融合，提升金属电路与陶瓷基板的结合力；
通过磁控溅射ZnO种子层，以及在其上溅射Cu(111)导电层，在有限的导电层厚度范围内降低等效电阻，提升电流效率。
附图说明
图1为本发明实施例中溅射金属膜的焊接拉力示意图。
图2为本发明实施例中不同种子层上溅射Cu膜的XRD衍射强度示意图。
图3为本发明实施例中不同厚度铜膜的方块电阻和体电阻示意图。
图4为本发明实施例中陶瓷基板面电子浓度和体电子浓度示意图。
图5为本发明实施例中陶瓷基板退火前的结构示意图。
图6为本发明实施例中陶瓷基板退火后的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述。
参见图1-图6，一种陶瓷基板的金属电路制备方法，对氮化铝陶瓷的表面处理、以及过渡层的选择和对金属层晶向的制备，通过制备绝缘氧化物、导电氧化物、金属导电层的多层结构，并引入Cu(111)层的制备，提升薄层金属导电能力，包括以下制备步骤：
步骤一：用硝酸和/或去离子水清洗氮化铝陶瓷基板毛坯，在相应浓度的HF溶液中，以及相应摄氏度的加热温度条件下在相应的时间段进行化学反应，以制备缓冲层；
步骤二：通过磁控溅射制备导电氧化物和或金属导电层的多层结构；
步骤三：完成步骤二后再将陶瓷基板通过光刻胶光刻，形成电路图形化；
步骤四：对陶瓷基板图形化电路进行电镀处理，以形成电连接表层；
步骤五：对完成步骤四的陶瓷基板进行退火处理。
根据权利要求1所述陶瓷基板的金属电路制备方法，其特征在于：在步骤一中，在1％-3％HF溶液中，以及50℃-70℃加热条件下反应25s-35s，制备AlF缓冲层。
缓冲层厚度为1nm-5nm。
在步骤二中，清洗步骤一中的陶瓷基板毛坯后，陶瓷基板进入磁控溅射腔体；通过磁控溅射制备氧化铝膜和/或氧化锌膜和/或Ni膜和/或Cu膜和/或NiAu膜。
氧化铝膜的厚度为10nm-20nm；Ni膜的厚度为5nm-10nm；NiAu膜的厚度为10-20nm。
氧化锌膜的厚度100-200nm，制备氧化锌膜磁控溅射温度为290℃-310℃。
Cu膜的厚度为240nm-1000nm，晶向为(111)，制备Cu膜磁控溅射温度为18℃-24℃，磁控溅射真空度为6*10-3Torr，磁控溅射氩气流量8sccm-12sccm，磁控溅射时间为3500s-3700s，磁控溅射速度为0.2nm/s-0.4nm/s，磁控溅射衬底转速为20r/min-35r/min，溅射制备Cu膜，晶向为(111)的导电层，在有限的导电层厚度范围内降低等效电阻，提升电流效率。
完成步骤二后的陶瓷基板通过光刻胶光刻，形成电路图形化并采用湿法刻蚀完成Cu膜、ZnO膜层的刻蚀，以及采用干法刻蚀完成氧化铝膜层的刻蚀，以在陶瓷基板上形成电路图形化。
完成步骤三的陶瓷基板进行进行电镀金，电镀金厚度为90nm-110nm，以在陶瓷基板上形成电连接表层。
形成电连接表层的陶瓷基板进行退火处理，形成氮化铝、氟化铝、氧化铝的复合层；并在ZnO膜、Ni膜Cu膜、Ni膜之间形成NiO膜、CuO膜中间层；退火温度为100℃-900℃或300℃-600℃。
本陶瓷基板的金属电路制备方法针对氮化铝陶瓷基板的改进，尤其是应用于传感器领域的陶瓷基板电路而进行的技术改进。
本陶瓷基板的金属电路制备方法工艺路线如下：
采用硝酸、去离子水清洗氮化铝陶瓷基板毛坯后，在1-3％HF溶液中60度加热条件下反应30s，制备AlF缓冲层1-5nm。
清洗步骤中的基板毛坯后，陶瓷基板进入磁控溅射腔体；
陶瓷基板通过磁控溅射制备氧化铝膜，厚度10nm-20nm；
陶瓷基板通过磁控溅射制备ZnO膜，厚度100nm-200nm，磁控溅射温度为300℃；
陶瓷基板通过磁控溅射制备Ni膜，厚度5nm-10nm；
陶瓷基板通过磁控溅射制备Cu膜，厚度240nm-1000nm，晶向为(111)；磁控溅射温度为室温；磁控溅射真空度为6×10-3Torr；磁控溅射氩气流量10sccm；磁控溅射时间3600s；磁控溅射速度为0.3nm/s；磁控溅射衬底转速为30r/min；
陶瓷基板通过磁控溅射制备NiAu膜，厚度为10nm-20nm；
陶瓷基板通过光刻胶光刻，形成电路图形化；采用湿法刻蚀完成Cu、ZnO层的刻蚀，采用干法刻蚀完成氧化铝层的刻蚀；
对陶瓷基板的图形化电路进行电镀金100nm，形成电连接表层；
陶瓷基板取出后，进行高位退火，形成氮化铝、氟化铝、氧化铝的复合层；并在ZnO膜、Ni膜、Cu膜、Ni膜之间形成NiO膜、CuO膜中间层，用以提高层间结合力；金属电路复合层的示意图如图5、图6所示。
在采用相关工艺的过程中，氧化层的导热率的下降和热膨胀系数的上升，作为中间缓冲层，尤其是图形化刻蚀后形成的金属层高台，阻隔了功率器件热量的传导，降低金属层的膨胀尺度。
通过采用本工艺制备的陶瓷基板后，其在实际的拉力测试样品制备中，使用3.5mm×3.5mm焊接面积测试。可以看出最大焊接能力超过60N，换算为推力为500g/mm2以上，金属与氧化物的结合力指标大大提升。本发明的陶瓷基板复合电路层具备显著的效果，如图1所示。
在本方案制备过程中，实验了多种导电中间层，以及在其上制备的金属层的晶向选择问题。图2为不同化合物膜层基体上溅射铜膜对应的Cu(111)织构度分别为GaN86.9％、ZnO91％、ITO81％。对应的晶粒粒径分别为26.8nm、30nm、20.8nm。其中GaN具有单晶结构，而通过PECVD加热300度生长的ZnO结构具有六角锥结构，具有一定的单晶取向结构，而ITO属于多晶结构。可以看出基体具备一定的晶向有助于快速排列出需要择优的晶向。其中ZnO结构最为利于Cu(111)的生长。
上述制备的Cu(111)薄膜厚度一般都超过1μm，Cu(111)形成纳米孪晶的孪晶界界面能较小，电子散射较弱，因此表现为纳米孪晶好于纳米晶等同于粗晶的电阻率。为了研究Cu膜的生长过程，及不同膜厚对织构度影响和制膜效率的影响。本节对不同厚度的Cu膜进行了电性能及XRD测试。从图3、4看出在薄膜厚度为15-24nm附近时，方块电阻突变，纳米孪晶晶界形成。同时由XRD计算出的平均晶粒大小20nm，可以看出在24nm以上的厚度铜层的晶粒可以连成膜。而增厚240nm以上后，Cu膜完全形成。此时体电阻2.69×10-5Ω/cm接近块电阻。实现薄膜导电层达到厚铜导电层同等效果。
上述为本发明的优选方案，显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本领域的技术人员应该了解本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。
Claims (10)
1.一种陶瓷基板的金属电路制备方法，其特征在于：对氮化铝陶瓷的表面处理、以及过渡层的选择和对金属层晶向的制备，通过制备绝缘氧化物、导电氧化物、金属导电层的多层结构，并引入Cu(111)层的制备，提升薄层金属导电能力，包括以下制备步骤：
步骤一：用硝酸和/或去离子水清洗氮化铝陶瓷基板毛坯，在相应浓度的HF溶液中，以及相应摄氏度的加热温度条件下在相应的时间段进行化学反应，以制备缓冲层；
步骤二：通过磁控溅射制备导电氧化物和或金属导电层的多层结构；
步骤三：完成步骤二后再将陶瓷基板通过光刻胶光刻，形成电路图形化；
步骤四：对陶瓷基板图形化电路进行电镀处理，以形成电连接表层；
步骤五：对完成步骤四的陶瓷基板进行退火处理。
2.根据权利要求1所述陶瓷基板的金属电路制备方法，其特征在于：在步骤一中，在1％-3％HF溶液中，以及50℃-70℃加热条件下反应25s-35s，制备AlF缓冲层。
3.根据权利要求1所述陶瓷基板的金属电路制备方法，其特征在于：缓冲层厚度为1nm-5nm。
4.根据权利要求1所述陶瓷基板的金属电路制备方法，其特征在于：在步骤二中，清洗步骤一中的陶瓷基板毛坯后，陶瓷基板进入磁控溅射腔体；通过磁控溅射制备氧化铝膜和/或氧化锌膜和/或Ni膜和/或Cu膜和/或NiAu膜。
5.根据权利要求4所述陶瓷基板的金属电路制备方法，其特征在于：氧化铝膜的厚度为10nm-20nm；Ni膜的厚度为5nm-10nm；NiAu膜的厚度为10-20nm。
6.根据权利要求4所述陶瓷基板的金属电路制备方法，其特征在于：氧化锌膜的厚度100-200nm，制备氧化锌膜磁控溅射温度为290℃-310℃。
7.根据权利要求4所述陶瓷基板的金属电路制备方法，其特征在于：Cu膜的厚度为240nm-1000nm，晶向为(111)，制备Cu膜磁控溅射温度为18℃-24℃，磁控溅射真空度为6*10-3Torr，磁控溅射氩气流量8sccm-12sccm，磁控溅射时间为3500s-3700s，磁控溅射速度为0.2nm/s-0.4nm/s，磁控溅射衬底转速为20r/min-35r/min。
8.根据权利要求4所述陶瓷基板的金属电路制备方法，其特征在于：完成步骤二后的陶瓷基板通过光刻胶光刻，形成电路图形化并采用湿法刻蚀完成Cu膜、ZnO膜层的刻蚀，以及采用干法刻蚀完成氧化铝膜层的刻蚀，以在陶瓷基板上形成电路图形化。
9.根据权利要求8所述陶瓷基板的金属电路制备方法，其特征在于：完成步骤三的陶瓷基板进行进行电镀金，电镀金厚度为90nm-110nm，以在陶瓷基板上形成电连接表层。
10.根据权利要求9所述陶瓷基板的金属电路制备方法，其特征在于：形成电连接表层的陶瓷基板进行退火处理，形成氮化铝、氟化铝、氧化铝的复合层；并在ZnO膜、Ni膜Cu膜、Ni膜之间形成NiO膜、CuO膜中间层；退火温度为100℃-900℃或300℃-600℃。
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- 2024-01-31 CN CN202410135746.7A patent/CN118086827A/zh active Pending
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication |