CN1203737C - 一种陶瓷金属化基板的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种陶瓷金属化基板的制造方法。将陶瓷基板粗化、化学镀铜、电镀铜、湿法刻蚀图形、共晶钎焊处理后可获得尺寸精度高的金属化图形，金属化层具有附着强度高、耐热性能好、抗热冲击能力强、表面钎焊性能优异的特征。本方法制造成本低，便于规模化生产。

Description

一种陶瓷金属化基板的制造方法
技术领域
本发明属于陶瓷金属化基板的制造技术领域。
背景技术
众所周知，作为电子材料而被广泛使用的陶瓷金属化基板的制造方法有薄膜法、厚膜法、湿法金属化法及直接焊铜法等。
薄膜法是利用真空蒸发、溅射等在陶瓷基板表面上形成金属薄膜，经刻蚀形成金属化图形。该法优点是图形精度高，适合于高密度组装电路。缺点在于导体电阻大，另外，设备费用昂贵，制造成本高。
厚膜法是将含有金、银、铜等的导体浆料丝网印刷在陶瓷基板表面上，经烧结形成金属化图形。该法优点为工序少，适合规模化生产，缺点在于图形精度较低，难以在高精度组装电路中应用，另外，导体浆料中的玻璃成分往往使金属化图形表层钎焊性能降低。
湿法金属化法是指：在陶瓷基板的表面上采用化学镀和电镀形成金属化层，经刻蚀形成金属化图形。该方法可获得高精度的图形，适合于高精度组装电路，形成的金属层厚度从几微米到100微米，它还适合于大电流的功率电路，另外，制造成本低，适合组织规模化生产。该方法的不足之处在于：因为金属化层对陶瓷基板表面的附着力是通过金属铆钉的物理作用获得的，其耐热性能较差；又因为在化学镀时易发生跳镀，常使镀层附着力不均匀，可靠性受到较大影响。
所谓直接焊铜法是：利用铜～氧共晶原理，直接将铜箔和氧化铝陶瓷基板或者氮化铝陶瓷基板在一定的温度和气氛中进行共晶钎焊，形成陶瓷和铜的复合材料，再通过刻蚀将铜箔腐蚀成金属化图形。该方法因为利用了铜和氧反应生成的共晶液体在靠近陶瓷基板一面产生的润湿作用、扩散作用及化学作用，生成了铝酸铜复合氧化物，从而使铜箔的剥离强度达到5～10Kg/cm，而且，在850℃的高温下，强度也不降低。铜箔的厚度范围为0.2mm～0.6mm，特别适合于大电流的功率电路。但是，用此法形成的金属化图形的线宽不能小于0.25mm，所以它无法应用于高密度组装电路。
发明内容
本发明的目的在于提供一种陶瓷金属化基板，其不仅具有高精度图形、优异的附着强度、钎焊性好的金属层，而且也具有良好的耐热性和抗热冲击能力，另外，还具有低的制造成本和便于组织规模化生产，既适合于高密度组装电路又适合于大电流的功率电路。
为达到上述目的，本发明的陶瓷金属化基板的制造方法为：将陶瓷基板表面经粗化等处理后，用化学镀和电镀形成铜金属化层，再湿法刻蚀成图形，然后，实施共晶钎焊，钎焊温度范围1065℃～1083℃，钎焊气氛为含有5～50ppm氧的氮气。
下面，以氧化铝陶瓷基板为例，按本发明的主要工艺流程图，作进一步描述。
附图说明
图1主要工艺流程
图2陶瓷金属化基板
图3共晶钎焊装置示意图
1陶瓷基板  2铆钉孔  3化学镀铜膜  4电镀铜层  5共晶钎焊缝
A进口载物台  B炉体  C控制仪表  D出口载物台  E气体流量计
F炉架
I  进口  II  预热氧化区  III  钎焊区  IV  冷却区  V  出口
具体实施方式
首先将氧化铝陶瓷基板1进行表面粗化处理，其目的是在陶瓷基板表面上形成铆钉孔2，粗化液可选择碱溶液，例如氢氧化钠、氢氧化钾等，也可以选择酸溶液，例如氢氟酸、硝酸等，表面粗糙度Ra的范围是：3μm～10μm，Ra小于3μm，铆钉作用不明显，Ra大于10μm，不仅要降低陶瓷基板表面光洁度，而且还容易引起刻蚀后铆钉孔内残铜，破坏图形间的绝缘。
粗化后的陶瓷基板进行超声波清洗，其作用在于将一些粗化后附着力弱的粒子清除干净。接着，可用氯化亚锡和盐酸溶液对陶瓷基板表面敏化处理；再用氯化钯和盐酸溶液对陶瓷基板表面进行活性处理，目的是让陶瓷基板表面有均匀的、数量足够的结晶核。
将上述处理好的氧化铝陶瓷基板化学镀铜，化学镀铜溶液的配方和操作条件按表1执行，得到化学镀铜膜3，其厚度范围为0.3μm～1.0μm。
                 表1  化学镀铜溶液配方和操作条件
                硫酸铜                      10g/l
                EDTA                        30g/l
                37％甲醛                    3g/l
                界面活性剂                  适量
                PH(氢氧化钠)                12.8
                温度                        70℃
再将化学镀铜膜3按表2的溶液配方和操作条件进行电镀铜加厚，其铜层4的厚度范围为5μm～100μm。
                 表2电镀铜溶液配方和操作条件
                硫酸铜                  75g/l
                硫酸                    180g/l
                电流密度                2A/dm2
用湿法刻蚀对形成的铜层4进行腐蚀得到如图2所示的金属化图形，再将具有该图形的陶瓷基板按下述条件进行共晶钎焊，钎焊温度范围：1065℃～1083℃，最好1068℃～1077℃。如果钎焊温度低于1065℃，铜和氧不发生共晶反应，就没有共晶液体对氧化铝陶瓷基板表面的润湿、扩散和化学反应，也就没有复合氧化物铝酸铜的生成。如果钎焊温度高于1083℃，超过了铜的熔点，会使铜层4熔化。共晶钎焊气氛选择氮气，在氮气中掺入微量氧，其浓度范围是5～50ppm。若氧浓度低于5ppm，生成的铝酸铜数量不足，影响铜层对陶瓷基板表面的附着强度，如果氧浓度大于50ppm，势必造成铜层的过度氧化，有时还会出现铜层的局部熔化。由此可见，共晶钎焊条件的有效控制是本发明的关键。
本发明的共晶钎焊装置具有进口I、预热氧化区II、钎焊区III、冷却区IV、出口V五个部分，如图3所示。其中预热氧化区氮气中氧浓度范围为100ppm～500ppm，温度范围为600℃～950℃；钎焊区氮气中氧浓度范围为5ppm～50ppm，温度范围为1000℃～1083℃；冷却区又分为缓冷区、自然冷却区和水冷却区三部分，冷却区内氮气中氧浓度控制在10ppm以下，保证铜层4的良好导电能力。
实施例1
将96％纯度的氧化铝陶瓷基板1浸沾60％氢氧化钠溶液，干燥后在450℃、5分钟条件下热处理，再水洗、酸洗，然后超声波清洗10分钟，将其浸入SnCl212g/l+HCl 6ml/l水溶液中2分钟，再浸入PdCL2 0.3g/l+HCL 2ml/l水溶液中1分钟，水洗后分别按表1和表2的溶液配方和操作条件进行化学镀铜和电镀铜，其厚度分别为0.5μm和35μm，用湿法刻蚀成金属化图形后进行共晶钎焊，钎焊温度为1070℃，氮气中的氧浓度在钎焊装置的预热氧化区为120ppm，钎焊区为12ppm，冷却区为5ppm，钎焊区的加热时间为10分钟。
本实施例的结果如下：铜层对氧化铝陶瓷基板表面的抗拉强度为2.5Kg/mm2，经850℃氮气中加热10分钟后，抗拉强度仍然大于2.0Kg/mm2，铜层表面的钎焊性100％。
本实施例中抗拉强度的测试方法为：在陶瓷基板表面的2×2(mm)金属图形上用SnPb39钎料垂直钎焊上直径为0.8mm的镀锡铜丝，然后以50±5mm/min的速度垂直拉伸。
钎焊性的测试方法为：将表面经过予焊处理的具有10×10(mm)金属图形的陶瓷基板浸入250℃的SnPb39锡锅中，时间5秒，取出后测量钎料的浸润面积。
实施例2
导热率为170W/m.k的常压烧结氮化铝陶瓷基板经水煮清洗后，浸入1mol/dm3浓度的氢氧化钠水溶液60分钟，清洗后按实施例1的条件进行敏化、活化、化学镀铜、电镀铜以及共晶钎焊。然后按实施例1的测试方法进行测试，结果为：铜层对氮化铝陶瓷基板表面的抗拉强度为2.0Kg/mm2，经850℃氮气中加热10分钟后，抗拉强度不低于1.8Kg/mm2，铜层表面的钎焊性100％。
采用本发明对陶瓷基板进行金属化，由于同时利用了铆钉的物理作用和共晶反应的化学作用，所以形成的金属化层不仅可以用湿法刻蚀出高精度图形，而且，金属化层具有优异的附着强度和优秀的钎焊性、优良的耐热性以及很好的抗热冲击能力，另外，制造成本低，便于组织规模化生产。既适合于高密度的组装电路，又适合于大电流的功率电路，是一种极具应用价值的陶瓷基板金属化的方法。

Claims (2)

1.陶瓷金属化基板的制造方法，其特征在于：
首先将氧化铝陶瓷基板或氮化铝陶瓷基板粗化、超声波清洗、敏化处理、活化处理和化学镀铜，其铜膜(3)厚度范围为0.3μm～1.0μm；
其次将上述的化学镀铜膜(3)用电镀铜加厚，电镀铜层(4)厚度范围为5μm～100μm；
第三，将上述铜层(3)、(4)用湿法刻蚀成金属化图形；
最后，将上述带有图形的铜层和氧化铝陶瓷基板或氮化铝陶瓷基板进行共晶钎焊，钎焊温度范围为1065℃～1083℃，钎焊气氛为氮气，氮气中氧的浓度范围是5ppm～50ppm，钎焊时间为7～10分钟。
2.如权利要求1所述的陶瓷金属化基板的制造方法，其中所述的共晶钎焊在这样的炉体中进行，其炉体由5部分组成；进口、预热氧化区、钎焊区、冷却区、出口，其中预热氧化区的温度范围为600℃～950℃，氮气中氧浓度范围为100ppm～500ppm；钎焊区的温度范围为1000℃～1083℃，氮气中氧浓度范围是5ppm～50ppm；冷却区分为3部分：缓冷区、自然冷却区和水冷却区，氮气中氧浓度范围为10ppm以下。
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