CN1194409C - 电路板及其制作方法和高输出模块 - Google Patents

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Abstract

一种电路板包括在陶瓷基底(11)上形成图形化的第一金属层(14),在第一金属层上形成图形化的第二金属层(16),和形成覆盖第二金属层整个上表面和侧表面、以及一部分第一金属层的上表面的第三金属层(17),其中第一金属层没有被第三金属层覆盖的部分通过蚀刻宽度减小。该电路板具有与基底粘结强度高的厚膜精细布线图和高可靠性,使通过在其上面安装至少一个高输出半导体元件,能实现小尺寸高性能高输出模块。

Description

电路板及其制作方法和高输出模块
技术领域
本发明涉及用于半导体器件的陶瓷电路板,并涉及制作这种电路板的方法,以及涉及到高输出模块。
背景技术
半导体元件包括:LD(激光二极管或半导体激光器),APD(雪崩光电二极管),和其他这样的光半导体元件;HEMT(高电迁移率晶体管),HBT(异质双极晶体管),和其他使用GaAs,InP,Si/SiGe的半导体元件,或者能够高速工作的类似元件;IGBT(绝缘栅双极晶体管)和其他这样的变换器/整流器硅器件;BiTe和其他这样的热电半导体元件。为了更高的集成和速度,用于这些元件范围的电路板需要低电阻,良好的热辐射,很好匹配的热膨胀,和非常精细的布线图。
通过参考图4A-4F描述一种常规电路板。如图4A-4E所示,目前为止该方法一直如下所述。把金属掩模或者光掩模2应用到陶瓷基底1上(图4A),用蒸镀或溅射形成第一金属层3,并且把金属掩模或者光掩模2去除(图4B),之后形成抗蚀剂层4(图4C),然后用蒸镀或溅射形成第二金属层5(图4D),去除抗蚀剂层得到最终产品(图4E)。
陶瓷基底1用AlN或氧化铝制成。这已经被公开,比如在日本专利2-271585中。第一金属层用作抗蚀剂层,在其中一般使用TaN、NiCr或者钨。第二金属层用作导线或者电感,并且具有层迭结构包括Ti/Mo/Au、Ti/Pt/Au、Cr/Mo/Au或者Ti/V/Au。该层使用钛或者铬与陶瓷基底接触的原因是为了提高对于基底的粘和强度。因为铂、钼或者钒有高的熔点,把它插入中间就是为了防止顶层与用在上述接触部分的金属比如钛或者铬形成合金。金用作顶层,选择它是为了顺利进行引线接合或者芯片焊接。在最终产品中材料组合的例子如图4F所示。
对于用于功率半导体的基底,把铜或者金用蒸镀、镀覆或熔融应用到陶瓷基底的全部上表面,之后用蚀刻形成布线图。
为了生产高输出模块,把半导体元件用芯片焊接方法安装在这些电路板上。
对于目前的高输出模块,除了使模块更小来减少最终器件的尺寸,也需要使布线图更精细、尺寸减小,使其能够处理更高的频率。为了降低高频性能的损失和降低功耗,也有必要降低引线金属部分的电阻,为此有必要采用厚膜技术来提高布线图的厚度。
为了同时满足这两个要求,用作引线的金属层的厚度小于5μm是必须的,引线厚度D和相邻的布线图线条之间的距离L之间的纵横比(D/L)为D/L>0.4也是必须的,但是常规电路板不能被处理使得这两个要求能被满足。
这里的原因是用常规实际使用的精细布线方法,在依靠金属掩模或者光掩模用蒸镀方法形成了厚膜抗蚀剂层的基底上面,不能形成精细的布线图,并且为了获得厚膜,蒸镀必须连续进行很长时间,因此实际应用是困难的。此外,当布线图通过蚀刻形成时,因为出现侧面腐蚀,难于进行比引线厚度小的图形的精细处理,并且蚀刻去除尤其困难。因此,不能实现小型化的高性能、高输出模块。
本发明的发明人在日本专利2001-204457中提出了具有厚膜和精细布线图的电路板,也提出了小型化高性能、高输出模块。可是,在这个电路板中,布线图和基底之间的粘接强度不够。
发明内容
本发明提出的问题就是提供具有厚膜精细布线图、并实现布线图和基底之间高粘结强度和高可靠性的电路板,同时实现小型化高性能高输出模块。
为了解决以上问题,本发明构成如下。
[1]一种电路板包括图形化的第一金属层,形成在陶瓷基底上;图形化的第二金属层,形成在第一金属层上;和第三金属层,形成为覆盖第二金属层整个上表面和侧表面、以及一部分第一金属层的上表面,其中第一金属层没有被第三金属层覆盖的部分通过蚀刻使其宽度减小。
[2]按照上面[1]的电路板,其中第一、第二和第三金属层的合并厚度D(μm)和相邻的布线图线条之间的距离L(μm)之间满足如下关系,
D/L>0.4
[3]按照上面[1]或者[2]的电路板,其中第二金属层的宽度(L1),第三金属层的宽度(L2),和第一金属层和陶瓷基底之间的连接表面部分的宽度(L3),满足关系L1<L3<L2。
[4]按照上面[1]到[3]中任意的电路板,其中第一、第二和第三金属层的合并厚度D(μm)至少为5μm。
[5]按照上面[1]到[4]中任意的电路板,其中第二金属层包括至少一种金属选自铜、镍、银和铝。
[6]按照上面[1]到[5]中任意的电路板,其中第三金属层的最外层是金。
[7]按照上面[1]到[6]中任意的电路板,其中陶瓷基底包含至少一种选自氧化铝、AlN和Si3N4重量含量至少90%的陶瓷。
[8]按照上面[1]到[6]的电路板,其中陶瓷基底为金刚石或者立方氮化硼(cBN)。
[9]一种用于制作按照[1]到[8]中任意的电路板的方法包括:
(1)在陶瓷基底上蒸镀或者溅射第一金属层;
(2)形成抗蚀剂层图形;
(3)用抗蚀剂层作为掩模在第一金属层上镀覆形成第二金属层;
(4)通过保持抗蚀剂层高温收缩抗蚀剂层;
(5)在第二金属层上表面和侧表面以及第一金属层的部分上表面上镀覆形成第三金属层;
(6)去除抗蚀剂层;
(7)蚀刻第一金属层,使得第一金属层没有被第三金属层覆盖的部分通过蚀刻宽度减小。
[10]一种用于制作按照[1]到[8]中任意的电路板的方法包括:
(1)在陶瓷基底上蒸镀或者溅射第一金属层;
(2)形成抗蚀剂层图形;
(3)用抗蚀剂层作为掩模在第一金属层上镀覆形成第二金属层;
(4)通过保持抗蚀剂层高温收缩抗蚀剂层;
(5)增宽抗蚀剂层和第二金属层之间的间隙;
(6)在第二金属层上表面和侧表面以及第一金属层的部分上表面上镀覆形成第三金属层;
(7)去除抗蚀剂层;
(8)蚀刻第一金属层,使得第一金属层没有被第三金属层覆盖的部分通过蚀刻宽度减小。
[11]一种高输出模块,其中至少一种发热至少10mW的高输出半导体元件,经过焊料或者导电树脂安装在按照[1]到[8]中任意的电路板上。
附图说明
图1A和1B是描述本发明电路板中布线的例子的截面图。
图2A-2I是描述本发明例子的电路板制作的步骤说明图,图2J是表示构成图2A-2I所示获得的电路板各层材料说明图。
图3是在例子中生产的高输出模块的结构简图。
图4A到4E是描述常规电路板制作步骤的说明图,图4F表示完成后电路板的材料组合说明图。
具体实施方式
本发明的电路板按如下方法制作。首先,在陶瓷基底上蒸镀或者溅射形成与该基底粘接良好的第一金属层,比如Ti/Mo/Ni。在第一金属层上用光掩模形成光刻胶图形。在这个阶段,基底的整个表面能用作电极,因此在没有光刻胶的地方能选择性地镀覆形成第二金属层。
然后,抗蚀剂层被保持在高温。通过保持抗蚀剂层在高温下,该抗蚀剂层收缩,并且在第二金属层和抗蚀剂层的侧边之间形成间隙。然后,在形成这样的间隙之后,进行下一个步骤形成第三金属层时,第三金属层在第二金属层的上表面形成一层涂层,也在第二金属层的侧边和第一金属层被间隙暴露出来的上表面形成涂层。这样,第三金属层的宽度能比第二金属层的宽度大。在本申请的全部说明书中,名词“第三金属层的宽度”指的是第二金属层的宽度与形成在第一金属层上的第三金属层的宽度之和。高温保持期间的环境没有什么要求,只要该环境不会破坏Cu或者抗蚀剂层,优选真空或者惰性气体环境。高温保持期间的温度优选60到100℃,最终收缩会引起形成1到10μ的间隙。
然后,在第二金属层上面用镀覆形成第三金属层,比如Au、Ni/Au或者具有多层结构的层,多层结构中中间层(防止Au扩散的层)Pd,Pt,Mo,W,V等被插入在镍和金层之间,例如是Ni/Pt/Au层。当时,镀覆液也在较早的处理步骤中进入到抗蚀剂层收缩形成的间隙,因此第三金属层形成在第二金属层的上表面和侧表面、以及第一金属层的上表面的一部分上。
然后,抗蚀剂层去除之后,用蚀刻去除没有被第三金属层覆盖的第一金属层部分。这里,通过使第三金属层的最外层由不会被用于第一金属层上的蚀刻液蚀刻的材料制成,被第三金属层覆盖的部分不会在蚀刻期间被蚀刻,这样使能够进行选择性蚀刻。例如,通过使第三金属层的最外层是Au,使第一金属层是Ti/Mo/Ni,Au不会被用于镍和钼的蚀刻液蚀刻,因此能用镀覆的金作为掩模进行蚀刻。此外,Ti只溶解于独立的氢氟酸类型的蚀刻液。然而Au甚至不会被这种蚀刻液蚀刻,因此Au最外层能够作为掩模进行选择性蚀刻。
用这种方法获得的电路板金属层的层结构例子如图1A和1B所示。没有被第三金属层的Au覆盖的第一金属层侧表面表面,被雕刻出稍微倾斜的底切图形,Ti层的蚀刻甚至更大。
如图1B所示,通过使用上述制作过程,第三金属层的宽度(L2)比第二金属层的宽度(L1)大,就是(L1>L2)。结果,防止第一金属层与陶瓷基底接触的部分宽度(L3)在蚀刻期间变小是可能的。这样,保持陶瓷基底和第二金属层(例如Cu导线)之间的粘结强度在0.5kgf/mm2或者更大是可能的,即使在银焊中的830℃。
在本申请的书面说明中,上述“第二金属层的宽度(L1)”指的是包括第二金属层侧表面表面上形成的第三金属层的厚度。
在上述制作方法中,在保持基底高温和使抗蚀剂层收缩之后,形成第三金属层。可是,有时候,不可能使第三金属层的宽度(L2)充分大,因为仅仅经过抗蚀剂层收缩难于形成足够的间隙。在这种情况下,为了使第三金属层的宽度(L2)充分大,在抗蚀剂层收缩步骤和第三金属层形成步骤之间,可以增加加宽抗蚀剂层和第二金属层之间间隙的步骤,比如抗蚀剂层抛光步骤。
经过抗蚀剂层抛光,抗蚀剂层收缩形成的间隙能进一步加宽,并且第一金属层被第三金属层通过镀覆覆盖的表面积能进一步增加,使得第三金属层的宽度(L2)能够充分大。结果,经蚀刻形成的第一金属层和陶瓷基底之间的粘结表面宽度(L3),能比第二金属层宽度(L1)大(L1<L3<L2),并且陶瓷基底和第二金属层(例如Cu导线)之间经由第一金属层的粘结强度能提高到0.6kgf/mm2或者更大
经过抛光,间隙能制作成需要的大小,形成达到200μm的间隙是可接受的。实际上,100μm左右的间隙是充分的。
对于以上制作方法,讨论了直接在陶瓷基底上形成第一金属层的情况。可是,电阻或者图形化的金属化Cr类型材料,比如NiCr等等,用于定位光掩模,能提早在陶瓷基底上形成,这也是在本申请的发明范围内。因为最底层金属层不会被任何蚀刻液蚀刻,它会保留到最后。此外,它与陶瓷基底的粘结是充分的。
按照本发明,能用镀覆方法形成第二金属层,因此该金属层能容易地制成厚膜。此外,如上所述,通过用第三金属层覆盖第二金属层的上表面和侧面,就能通过蚀刻形成布线图,第三金属层具有不会被用于第一金属层的蚀刻液蚀刻的最外层。
此外,因为能够在蚀刻之后使第一金属层和陶瓷基底之间的连接表面宽度(L3)变大,使陶瓷基底和第二金属层(例如铜导线)之间经过第一金属层的粘结强度甚至更大成为可能。
作为第一金属层,可以使用一种多层结构例如包括Ti/Mo/Ni,Ti/Pt/Ni,Ti/V/Ni,Ti/Pd/Ni等等。第一金属层的厚度适宜为0.12到1.2μm。如果这一层较薄,在基底的整个上表面上获得均匀金属化是困难的,但是如果这一层较厚,“侧表面蚀刻”在蚀刻期间会增加,难于实现高分辨率精细图形的形成。当第一金属层由Ti/Mo/Ni组成时,钛的厚度应该为0.01到0.3μm,钼的厚度应该为0.01到0.3μm,镍的厚度应该为0.1到0.6μm。
为了使第一、第二和第三金属层的全部厚度至少为5μm,要求形成在第一金属层上面的抗蚀剂层的厚度应该至少为5μm。不期望该抗蚀剂层太薄,因为第二金属层然后覆盖在抗蚀剂层上,过分形成不合要求的蘑菇形状,结果金属层的相邻部分甚至越过抗蚀剂层相连接。提高抗蚀剂层的厚度是困难的,但是通过优化曝光条件能够使形成带有垂直侧表面的精细布线图成为可能。用SOR(同步加速器轨道辐射)光曝光。由于形成厚膜抗蚀剂层,使蘑菇形状的形成得到抑制是可能的。
用于电解镀覆的光刻胶图形的精度从亚微米到10nm。通过使用表面活化剂,甚至光刻胶图形之间非常窄的部分的镀覆成为可能的。
对于本发明的电路板,第二金属层适宜包含至少一种金属选自Cu,Ni,Ag和Al。用电解镀覆能形成厚度至少5μm的厚膜。甚至比如说厚度可以到200μm。通过使第二金属层的厚度大于5μm,能降低接线的电阻,这是理想的对于例如需要粗接线以释放热应力的热电半导体元件,比如珀耳帖元件。第二金属层的例子,下面的能被指出:Cu、Cu/Ni、Ni/Cu/Ni、Al、Ni/Al/Ni、Al/Ni和Ag等等。如果后续要进行合金化处理来提高粘接强度,一单层铜是可接受的,并且如果在铜层的上表面形成厚度至少为0.5μm的镍,第二金属层对第三金属层的Au或者Ni/Au的粘接程度会提高。
对于第三金属层,能使用下面任意的:Au,Ni/Au或者一种多层结构,其中间层(防止Au扩散的层)Pd,Pt,Mo,W或者V被插入在Ni和Au层之间,比如Ni/Pt/Au等等。作为第三金属层的最外层,任何能不被用于第一金属层的蚀刻液蚀刻的金属是可接受的,但是使用Au作为最外层是特别合适的,因为后续加工能够容易地进行。
在本发明的电路板中,因为能用镀覆形成第二金属层,所以能实现厚膜金属层,并且因为能通过使用抗蚀剂层形成带有垂直侧表面的精细布线图,所以能形成结构使得引线厚度D(μm)和相邻的布线图线条之间的距离L(μm)之间纵横比(D/L)成为D/L>0.4。在本发明中,引线厚度D是第一、第二和第三金属层的全部厚度,线条间隔L代表被第三金属层覆盖的第二金属层图形的线条之间的距离。
对于陶瓷基底,可以用氧化铝,但是对于高输出模块,散热是重要的,因此更适宜用金刚石、立方氮化硼(cBN)或包括AlN和/或Si3N4重量含量至少90%的陶瓷。AlN是最低成本的基底并且也有高抗漏性。在需要强度的情况,使用Si3N4是合乎要求的。也可以使用AlN和Si3N4的混合物。如果基底表面太粗糙,取决于形成在基底上的第一金属层的厚度关系,会发生线条断开,因此为了防止该现象,可能需要进行表面处理。
本发明也包括高输出模块,其中至少一个产生至少10mW热量的高输出半导体元件,通过焊料或者导电树脂连接在上述得到的电路板上。
下面是参照图1到3描述的本发明的实例。
图2A到2I是描述本发明加工步骤顺序的实例说明图。图2E所示步骤在例2中采纳,但是不在例1中采纳。
例1
如图2A所示,含有AlN重量比至少90%并进一步包括钇的陶瓷基底,被用作陶瓷基底11。该基底具有高散热基底,热导率为170W/(m·K)。金属掩模12应用到陶瓷基底11上。陶瓷基底11的表面被处理成表面粗糙度Ra小于0.8μm。这是因为后续形成的第一金属层小于0.5μm厚,所以如果该基底太粗糙可能发生线条断开。
然后,用蒸镀形成NiCr金属层作为最下面的金属层13。该金属层13可以用作抗蚀剂层或者用作后续基底划线期间的定位掩模,这里NiCr层被选择用作抗蚀剂层。图2B描述当金属掩模12已经被除去后的阶段,NiCr图形作为最下面的金属层13形成在陶瓷基底11的表面上。
然后,如图2C所示,在陶瓷基底11的整个上表面蒸镀Ti/Mo/Ni层作为第一金属层14。钛层的厚度为0.05μm,钼层的厚度为0.05μm,镍层的厚度为0.3μm。
如图2D所示,在这样的金属化基底上面,用光掩模形成抗蚀剂层15。抗蚀剂层15的厚度设定为120μm以匹配第二金属层16的厚度。
然后,如图2E所示,用电解镀覆层迭形成多层结构Ni/Cu作为第二金属层16。为了镀覆的良好粘接性,Ni层的厚度为0.5μm,Cu层的厚度为100μm。
然后,上述具有第二金属层16和抗蚀剂层15的陶瓷基底在85℃高温氮气条件下保持30分钟。
经过加热,抗蚀剂层收缩,并且在第二金属层16和抗蚀剂层15的侧表面表面之间形成5μm的间隙,如图2F所示。
然后,如图2G所示,多层结构Ni/Au被镀覆作为第三金属层17,该Ni/Au第三金属层覆盖第二金属层的上表面、侧表面表面和第一金属层被间隙暴露出的上表面。Ni层的厚度为1.3μm,Au层的厚度为1.0μm。
在形成第三金属层17之后,抗蚀剂层15如图2H所示被去除,并且Ti,Ni,Mo如图2I所示被蚀刻。这里,当抗蚀剂层被去除的时候,在表面上会形成氧化镍膜,因此该氧化物膜被除去之后在一个步骤中用反应蚀刻液蚀刻镍和钼,并且钛用氢氟酸蚀刻液去除。
第一、第二和第三金属层的全部厚度D(μm)为100μm,图形线条之间的距离L(μm)为40μm。
构成这样获得的电路板的每一部分的材料如图2中的图2J所示。引线之间的电阻至少为1MΩ,表明已经得到具有极好绝缘特性的电路板。此外,AlN基底和Cu引线之间的粘结强度良好,从常规值0.4kgf/mm2提高到0.5kgf/mm2
例2
例2用例1所描述的相同方法实现,不同在于在保持抗蚀剂层高温使其收缩步骤和形成第三金属层步骤之间,进行氧气抛光加工步骤直到上述收缩形成的间隙达到100μm。
引线之间的电阻至少为1MΩ,表明已经得到具有极好绝缘特性的电路板。此外,AlN基底和Cu引线之间的粘结强度提高到0.6kgf/mm2,超过了例1。
例3
利用上述例1所示的方法,制作了具有如图3所示图形的电路板。这里,对于布线层20,第一金属层由Ti/Mo/Ni构成,第二金属层由Ni/Cu构成,第三金属层由Ni/Au构成,抗蚀剂层21由Ni/Cr构成。如图3所示,一种高输出模块在电路板上通过芯片焊接制成,高输出LD(半导体激光器)18带有集成调制器,发热至少10mW,用焊线19进行引线接合。在安装步骤之后,该模块工作的调制性能SN比为0.1dB,比使用常规电路板好。用于安装LD的电路板的尺寸能减少到常规电路板的1/4,速度限制提高到40Gbps或者更高。
在上述例子中,金属层形成在陶瓷基底的一侧,但是也能同时应用到两侧。
本发明使获得具有厚膜、与基底之间有高粘结强度的精细布线图形、和高可靠性的电路板成为可能。此外,能获得小型化高输出模块,并提供高性能。

Claims (11)

1、一种电路板,包括:图形化的第一金属层,其形成在陶瓷基底上,图形化的第二金属层,其形成在第一金属层上,和第三金属层,其形成为覆盖第二金属层整个上表面和侧表面、以及第一金属层的上表面的一部分,其中第一金属层没有被第三金属层覆盖的部分通过蚀刻使其宽度减小。
2、如权利要求1的电路板,其中第一、第二和第三金属层的合并厚度Dμm和相邻的布线图线条之间的距离Lμm之间满足如下关系,
                          D/L>0.4
3、如权利要求1的电路板,其中第二金属层的宽度L1,第三金属层的宽度L2,和第一金属层和陶瓷基底之间的连接表面部分的宽度L3,满足关系L1<L3<L2。
4、如权利要求1到3之一的电路板,其中第一、第二和第三金属层的合并厚度Dμm至少为5μm。
5、如权利要求1-3之一的电路板,其中第二金属层包括至少一种金属选自铜、镍、银和铝。
6、如权利要求1-3之一的电路板,其中第三金属层的最外层是金。
7、如权利要求1-3之一的电路板,其中陶瓷基底包含至少一种选自氧化铝、AlN和Si3N4重量含量至少90%的陶瓷。
8、如权利要求1-3之一的电路板,其中陶瓷基底为金刚石或者立方氮化硼。
9、一种用于制作电路板的方法,包括:
在陶瓷基底上蒸镀或者溅射第一金属层;
形成抗蚀剂层图形;
用抗蚀剂层作为掩模在第一金属层上镀覆形成第二金属层;
通过在60℃至100℃范围内的一高温下保持抗蚀剂层来收缩抗蚀剂层;
在第二金属层上表面和侧表面以及第一金属层的部分上表面上镀覆形成第三金属层;
去除抗蚀剂层;
蚀刻第一金属层,使得第一金属层没有被第三金属层覆盖的部分通过蚀刻宽度减小。
10、一种用于制作电路板的方法,包括:
在陶瓷基底上蒸镀或者溅射第一金属层;
形成抗蚀剂层图形;
用抗蚀剂层作为掩模在第一金属层上镀覆形成第二金属层;
通过保持抗蚀剂层处于60℃至100℃范围内的一高温下来收缩抗蚀剂层;
增宽抗蚀剂层和第二金属层之间的间隙;
在第二金属层上表面和侧表面以及第一金属层的部分上表面上镀覆形成第三金属层;
去除抗蚀剂层;
蚀刻第一金属层,使得第一金属层没有被第三金属层覆盖的部分通过蚀刻宽度减小。
11、一种高输出模块,其中至少一种发热至少10mW的高输出半导体元件,经过焊料或者导电树脂安装在权利要求1到8之一的电路板上。
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