TWI411372B - A method and a structure of a ceramic substrate having a multilayer coating on its surface - Google Patents

Description

一種表面具有多層鍍層之陶瓷基板的製造方法及其結構

本發明有關一種表面具有多層鍍層之陶瓷基板的製造方法及其結構，尤指一種可改善陶瓷基板之表面平整性及電性的製造方法及其結構。

陶瓷基板廣泛用在印刷電路板(Printed circuit board，簡稱PCB)或是發光二極體(Light-emitting diode，簡稱LED)之基板，而陶瓷基板通常需要經由金屬化製程，使其上可形成金屬導電線路或如電容、電阻、電感等被動元件。以單層陶瓷基板之金屬化製程而言，依製程方式的不同，可分為厚膜製程及薄膜製程。厚膜製程係以網印方式將金屬漿料附著在陶瓷基板上，經過乾燥及燒結等製程，於陶瓷基板上形成多層鍍層。然而，由於厚膜製程具有金屬導電線路粗糙、精準度不佳等問題，故隨後發展出了薄膜製程，以改善上述問題。

傳統上製作此種表面具有多層鍍層之陶瓷基板的薄膜製程，如台灣專利公告第540279號，揭示一種在陶瓷基板製作小孔徑鍍銅貫穿孔的方法，先在一基板上形成複數個貫穿孔，並在該基板的表面及底面以濺鍍方式依序形成一鈦層與一銅層 ，接著於該鈦層及該銅層上形成一電鍍化學銅。之後，將一對紫外線反應的聚合性樹脂貼附在該基板上，並進行曝光及顯影步驟，以將欲形成線路處之聚合性樹脂移除，再剝除顯露出的鈦層及銅層，其中，線路係形成於該基板上對應至該貫穿孔的位置。接著，以電鍍方式沉積一具有適當厚度的銅線路。最後，將該基板上其餘的聚合性樹脂及鈦層與銅層去除，並在銅線路鍍金與鍍鎳，即完成表面具有多層鍍層之陶瓷基板。

另有提出一種整合薄膜製程及厚膜製程的製造方法，如台灣專利公告第592004號所揭示的一種結合厚膜電阻及薄膜線路之印刷電路板及其製法，係依序進行厚膜製程與薄膜製程，首先在一基板的表面形成成對的電極導體，以及設於該電極導體之間的電阻層，該電極導體與該電阻層均以印刷方式成形，並以燒結製程固化，接著，於該電阻層形成一保護層，該保護層同樣以印刷方式成形，亦由燒結製程固化。然後，在該基板依序濺鍍一鈦層及一銅層，接著於該銅層上貼附一對紫外線反應的聚合性樹脂，藉由曝光及顯影步驟，去除欲形成線路部分之聚合性樹脂而將該銅層露出。於該銅層上以電鍍方式形成一具有適當厚度的銅線路，最後，將其餘的聚合性樹脂、銅層及鈦層去除，即可使得陶瓷基板上的厚膜電阻連接至薄膜線路。

就以上製造方法來說，做為導電線路之銅層是經由以濺鍍方式沉積的鈦層以及另一銅層而形成於陶瓷基板上，然而，由於鈦層與基板之間的界面係存在有一定程度之晶格不匹配 (lattice mismatch)，因而會有殘留應力的產生，此將連帶影響兩者之間的接合強度，使金屬厚層容易自陶瓷基板上剝落。

本發明的主要目的，在於使陶瓷基板可達高平整性且改善其表面電性，並解決習知表面具有多層鍍層之陶瓷基板的製造方法中，直接將金屬厚層濺鍍在陶瓷基板上而導致附著性不佳的問題。

為達上述目的，本發明提供一種表面具有多層鍍層之陶瓷基板的製造方法，其步驟包含有：先提供一陶瓷基板，接著於該陶瓷基板上形成一中間薄層，之後，再於該中間薄層上形成一金屬厚層。

根據本發明之一實施例，該中間薄層含有一與該陶瓷基板晶格匹配之第一化學組成以及一與該金屬厚層晶格匹配之第二化學組成，該第一化學組成之濃度沿該中間薄層的厚度方向呈一遠離該陶瓷基板而減少之第一梯度變化，而該第二化學組成之濃度沿該中間薄層的厚度方向呈一遠離該陶瓷基板而增加之第二梯度變化，且於形成該中間薄層前，先對該陶瓷基板進行一加工步驟，以於該陶瓷基板上形成至少一通孔或盲孔。

本發明的另一目的，在於使陶瓷基板具有高平整性與良好之表面電性，並解決習知表面具有多層鍍層之陶瓷基板結構中，金屬厚層與陶瓷基板之間附著性不佳的問題。

為達上述另一目的，本發明另提供一種表面具有多層鍍層之 陶瓷基板結構，包含有一陶瓷基板、一設於該陶瓷基板上之中間薄層以及一設於該中間薄層上之金屬厚層。

根據本發明之一實施例，該中間薄層含有一與該陶瓷基板晶格匹配之第一化學組成以及一與該金屬厚層晶格匹配之第二化學組成，該第一化學組成之濃度沿該中間薄層的厚度方向呈一遠離該陶瓷基板而減少之第一梯度變化，而該第二化學組成之濃度沿該中間薄層的厚度方向呈一遠離該陶瓷基板而增加之第二梯度變化，且該陶瓷基板上形成有至少一通孔或盲孔。

經由以上可知，本發明表面具有多層鍍層之陶瓷基板的製造方法及其結構相較於習知技術所達到的有益效果在於：一、藉由在該陶瓷基板上依序形成該中間薄層及該金屬厚層，將有利於對該金屬厚層進行修整加工，可以改善其表面平整性，同時，該金屬厚層亦可以改善該陶瓷基板之表面電性；二、本發明之該金屬厚層係透過該中間薄層而附著於該陶瓷基板上，由於該中間薄層包括有可與該陶瓷基板形成晶格匹配之第一化學組成，因此，該中間薄層可以和該陶瓷基板形成良好的接合，亦同時使得該金屬厚層能有較佳附著性；三、此外，藉由在該中間薄層包含能與該金屬厚層形成晶格匹配的第二化學組成，可進一步地提升該金屬厚層與該中間薄層的接合性質，以於該陶瓷基板上獲得具有優異附著性多層鍍層；四、藉由該通孔及盲孔，可以令該陶瓷基板具有較佳的縱向 散熱能力。

10‧‧‧陶瓷基板

11‧‧‧上表面

12‧‧‧盲孔

13‧‧‧通孔

14‧‧‧下表面

20‧‧‧中間薄層

30‧‧‧金屬厚層

31‧‧‧上表面

32‧‧‧下表面

圖1-1至1-5，為本發明表面具有多層鍍層之陶瓷基板製造方法第一實施例之步驟流程示意圖。

圖2-1至2-4，為本發明表面具有多層鍍層之陶瓷基板製造方法第二實施例之步驟流程示意圖。

圖3-1至3-4，為本發明表面具有多層鍍層之陶瓷基板製造方法第三實施例之步驟流程示意圖。

有關本發明表面具有多層鍍層之陶瓷基板的製造方法及其結構的詳細說明及技術內容，現就配合圖式說明如下：請先參閱『圖1-1』至『圖1-5』，為本發明表面具有多層鍍層之陶瓷基板製造方法第一實施例之步驟流程示意圖，首先提供一陶瓷基板10，該陶瓷基板10可為氧化物、碳化物、氮化物、硫化物、硼化物或是矽酸鹽，本實施例中該陶瓷基板10係較佳地使用氧化鋁基板，接著對該陶瓷基板10之一上表面11進行一加工步驟，以於該陶瓷基板10之上表面11形成至少一盲孔12，如『圖1-2』所示，該加工步驟可以是機械加工、雷射加工或其他等效製程。再請參閱『圖1-3』，然後於該陶瓷基板10上形成一中間薄層20，令該中間薄層20覆蓋於該上表面11及該盲孔12，其中，該中間薄層20可為金屬材料、陶瓷材料或是金屬與陶瓷之複合材料。在本實施例中，該中間薄層20至少含有一第一化學組成與一第二化學組成，該第一化學組成可與該陶瓷基板10形成晶格匹配，而該第二 化學組成則可與之後沉積於該中間薄層20上的一金屬厚層30形成晶格匹配(『圖1-4』)。

在本實施例中，該中間薄層20係使用物理氣相沉積法或化學氣相沉積法形成在該陶瓷基板10上，而藉由控制沉積時之氣體濃度，使得該第一化學組成與該第二化學組成之濃度沿該中間薄層20的厚度方向分別呈一第一梯度變化及一第二梯度變化。其中，該第一梯度變化係遠離該陶瓷基板10而減少，該第二梯度變化係遠離該陶瓷基板10而增加。即，在該中間薄層20之中，該第一化學組成於該中間薄層20靠近該陶瓷基板10之區域的濃度高於該中間薄層20遠離該陶瓷基板10之區域，而該第二化學組成於該中間薄層20靠近該陶瓷基板10之區域的濃度則是低於該中間薄層20遠離該陶瓷基板10之區域，此外，該第一梯度變化與該第二梯度變化可為連續性或是階梯性的變化。

接下來，在該中間薄層20上形成該金屬厚層30，如『圖1-4』所示，該金屬厚層30之材料為鋁、銅、銀或金，且該金屬厚層30可使用電鍍法、無電鍍法或是濺鍍法沉積在該中間薄層20上，於本實施例中，該金屬厚層30具有一大於該中間薄層20之厚度，如此一來，係有利於對該金屬厚層30之一上表面31進行一修整步驟，令該上表面31獲得較佳的平整性，進而改善該陶瓷基板10本身表面平整度不佳(圖中未示)的問題，其中，該修整步驟可為研磨或拋光製程，如『圖1-5』所示。

於本實施例中，係使用生長速度較慢的物理氣相沉積法或化 學氣相沉積法形成具緻密結構之該中間薄層20；再使用生長速度較快的電鍍法、無電鍍法或是濺鍍法而在該該中間薄層20上形成該金屬厚層30，可節省製程時間，此將有利於之後以修整步驟達到表面平整的功效。

該表面具有多層鍍層之陶瓷基板結構包括該陶瓷基板10、該中間薄層20與該金屬厚層30，該中間薄層20設於該陶瓷基板10上，而該金屬厚層30設於該中間薄層20上，其中，該中間薄層20之第一化學組成可與該陶瓷基板10形成晶格匹配，且該中間薄層20之第二化學組成可與該金屬厚層30形成晶格匹配，且該第一化學組成及該第二化學組成之濃度分別沿該中間薄層20的厚度方向呈該第一梯度變化與該第二梯度變化，該第一梯度變化為遠離該陶瓷基板10減少，而該第二梯度變化則是遠離該陶瓷基板10增加。

請繼續參閱『圖2-1』至『圖2-4』，為本發明表面具有多層鍍層之陶瓷基板製造方法第二實施例之步驟流程示意圖，依照該陶瓷基板10的使用需求，亦可先於該陶瓷基板10進行一加工步驟而形成至少一通孔13，該通孔13係貫穿該陶瓷基板10之上表面11及一下表面14，該加工步驟可以是機械加工、雷射加工或其他等效製程，於本發明中，藉由在該通孔13或該盲孔12內所形成之該金屬厚層30，係可幫助提升縱向之散熱能力。接著，同第一實施例，利用物理氣相沉積法或化學氣相沉積法，如『圖2-2』所示於該陶瓷基板10上形成該中間薄層20，該中間薄層20可為金屬材料、陶瓷材料或是金屬與陶瓷之複合材料。在本實施例中，該中間薄層20包括該第 一化學組成及該第二化學組成，且該第一化學組成之濃度沿該中間薄層20的厚度方向呈遠離該陶瓷基板10而減少之該第一梯度變化，該第二化學組成之濃度沿該中間薄層20的厚度方向呈遠離該陶瓷基板10而增加之該第二梯度變化。

請參閱『圖2-3』，之後再使用電鍍法、無電鍍法或是濺鍍法於該中間薄層20上形成該金屬厚層30，該金屬厚層30之材料為鋁、銅、銀或金。同樣地，該金屬厚層30之厚度大於該中間薄層20，此有利於對該金屬厚層30的上表面31與一下表面32進行一修整步驟，使得該金屬厚層30之上表面31及該下表面32具較佳的平整性，如『圖2-4』所示，該修整步驟可為研磨或拋光製程。

請繼續參閱『圖3-1』至『圖3-4』，為本發明表面具有多層鍍層之陶瓷基板製造方法第三實施例之步驟流程示意圖，其中，該陶瓷基板10亦可以不設置該盲孔12或該通孔13。同上述實施例，先利用物理氣相沉積法或化學氣相沉積法，如『圖3-2』所示於該陶瓷基板10上形成該中間薄層20，其中，該中間薄層20可為金屬材料、陶瓷材料或是金屬與陶瓷之複合材料。在本實施例中，該中間薄層20包括該第一化學組成及該第二化學組成，且該第一化學組成之濃度沿該中間薄層20的厚度方向呈遠離該陶瓷基板10而減少之該第一梯度變化，該第二化學組成之濃度沿該中間薄層20的厚度方向呈遠離該陶瓷基板10而增加之該第二梯度變化。

接下來，再使用電鍍法、無電鍍法或是濺鍍法於該中間薄層20上形成該金屬厚層30，如『圖3-3』所示，該金屬厚層30 之材料為鋁、銅、銀或金，且該金屬厚層30之厚度大於該中間薄層20，再對該金屬厚層30的上表面31進行一修整步驟，使得該金屬厚層30之上表面31具較佳的平整性，該修整步驟可為研磨或拋光製程。

綜上所述，本發明主要是先在該陶瓷基板形成厚度較薄的中間薄層及厚度較厚的金屬厚層，可方便對該金屬厚層進行該修整步驟，將部份不平整之該金屬厚層移除，藉此可大幅改善表面平整性的問題。除此之外，透過該中間薄層與該金屬厚層之結構，亦可以改變該陶瓷基板之表面電性，如該陶瓷基板原先為絕緣，經鍍覆該中間薄層及該金屬厚層後，可得到表面具有導體或半導體特性之陶瓷基板。

此外，由於該中間薄層含有可以與該陶瓷基板形成晶格匹配之第一化學組成，且透過沉積時氣體濃度之控制，使該第一化學組成於該中間薄層中呈現遠離該陶瓷基板而逐漸減少之第一梯度變化，藉此可以使得該中間薄層與該陶瓷基板之間能有良好的界面接合，並降低殘留應力。此外，由於該中間薄層更可包含與該金屬厚層形成晶格匹配的第二化學組成，故該中間薄層同樣可以和該金屬厚層形成良好的界面接合。如此一來，該金屬厚層與該陶瓷基板即透過該中間薄層而有優異的附著性且不易脫落。

另，本發明可先使用生長速度較慢的物理氣相沉積法或化學氣相沉積法形成具緻密結構之薄膜，而使該中間薄層與該陶瓷基板能有較佳的接合，然後再使用生長速度較快的電鍍法、無電鍍法或是濺鍍法而在該中間薄層上形成厚膜，以節省 製程時間，此將有利於之後以修整步驟達到表面平整的功效。

以上已將本發明做一詳細說明，惟以上所述者，僅為本發明的一較佳實施例而已，當不能限定本發明實施的範圍。即凡依本發明申請範圍所作的均等變化與修飾等，皆應仍屬本發明的專利涵蓋範圍內。

10‧‧‧陶瓷基板

20‧‧‧中間薄層

30‧‧‧金屬厚層

31‧‧‧上表面

Claims (23)

1. 一種表面具有多層鍍層之陶瓷基板的製造方法，其步驟包含有：提供一陶瓷基板；於該陶瓷基板上形成一中間薄層；以及於該中間薄層上形成一金屬厚層；其中該中間薄層含有一與該陶瓷基板晶格匹配之第一化學組成，而該第一化學組成之濃度沿該中間薄層的厚度方向呈一遠離該陶瓷基板而減少之第一梯度變化。
2. 一種表面具有多層鍍層之陶瓷基板的製造方法，其步驟包含有：提供一陶瓷基板；於該陶瓷基板上形成一中間薄層；以及於該中間薄層上形成一金屬厚層；其中該中間薄層含有一與該金屬厚層晶格匹配之第二化學組成，而該第二化學組成之濃度沿該中間薄層的厚度方向呈一遠離該陶瓷基板而增加之第二梯度變化。
3. 如申請專利範圍第1或2項所述表面具有多層鍍層之陶瓷基板的製造方法，其中該中間薄層之材料係擇自由金屬材料、陶瓷材料以及金屬與陶瓷之複合材料所組成的群組。
4. 如申請專利範圍第2項所述表面具有多層鍍層之陶瓷基板的製造方法，其中該金屬厚層之材料與該第二化學組成相同。
5. 如申請專利範圍第1或2項所述表面具有多層鍍層之陶瓷基板的製造方法，其中該陶瓷基板之材料擇自由氧化物、碳化物、氮化物、硫化物、硼化物及矽酸鹽所組成之群組。
6. 如申請專利範圍第1或2項所述表面具有多層鍍層之陶瓷基板的製造方法，其中該陶瓷基板為氧化鋁基板。
7. 如申請專利範圍第1或2項所述表面具有多層鍍層之陶瓷基板的製造方法，其中形成該中間薄層之方法為物理氣相沉積法或化學氣相沉積法。
8. 如申請專利範圍第1或2項所述表面具有多層鍍層之陶瓷基板的製造方法，其中該金屬厚層之材料擇自由鋁、銅、銀及金所組成之群組。
9. 如申請專利範圍第1或2項所述表面具有多層鍍層之陶瓷基板的製造方法，其中形成該金屬厚層之方法擇自由電鍍法、無電鍍法及濺鍍法所組成之群組。
10. 如申請專利範圍第1或2項所述表面具有多層鍍層之陶瓷基板的製造方法，其中該金屬厚層具有一大於該中間薄層之厚度。
11. 如申請專利範圍第1或2項所述表面具有多層鍍層之陶瓷基板的製造方法，其中於形成該中間薄層前，先對該陶瓷基板進行一加工步驟，以於該陶瓷基板上形成至少一通孔。
12. 如申請專利範圍第1或2項所述表面具有多層鍍層之陶瓷基板的製造方法，其中於形成該中間薄層前，先對該陶瓷基板進行一加工步驟，以於該陶瓷基板上形成至少一盲孔。
13. 如申請專利範圍第1或2項所述表面具有多層鍍層之陶瓷基板 的製造方法，其中於形成該金屬厚層後，對該金屬厚層之表面進行一修整步驟。
14. 一種表面具有多層鍍層之陶瓷基板結構，包含有：一陶瓷基板；一中間薄層，設於該陶瓷基板上，；以及一金屬厚層，設於該中間薄層上；其中該中間薄層含有一與該陶瓷基板晶格匹配之第一化學組成，該第一化學組成之濃度沿該中間薄層的厚度方向呈一遠離該陶瓷基板而減少之第一梯度變化。
15. 一種表面具有多層鍍層之陶瓷基板結構，包含有：一陶瓷基板；一中間薄層，設於該陶瓷基板上；以及一金屬厚層，設於該中間薄層上；其中該中間薄層含有一與該金屬厚層晶格匹配之第二化學組成，而該第二化學組成之濃度沿該中間薄層的厚度方向呈一遠離該陶瓷基板而增加之第二梯度變化。
16. 如申請專利範圍第14或15項所述表面具有多層鍍層之陶瓷基板結構，其中該陶瓷基板之材料擇自由氧化物、碳化物、氮化物、硫化物、硼化物及矽酸鹽所組成之群組。
17. 如申請專利範圍第14或15項所述表面具有多層鍍層之陶瓷基板結構，其中該陶瓷基板為氧化鋁基板。
18. 如申請專利範圍第14或15項所述表面具有多層鍍層之陶瓷基板結構，其中該金屬厚層之材料擇自由鋁、銅、銀及金所組成之群組。
19. 如申請專利範圍第14或15項所述表面具有多層鍍層之陶瓷基板結構，其中該金屬厚層具有一大於該中間薄層之厚度。
20. 如申請專利範圍第14或15項所述表面具有多層鍍層之陶瓷基板結構，其中該陶瓷基板上形成有至少一盲孔。
21. 如申請專利範圍第14或15項所述表面具有多層鍍層之陶瓷基板結構，其中該陶瓷基板上形成有至少一通孔。
22. 如申請專利範圍第14或15項所述表面具有多層鍍層之陶瓷基板結構，其中該中間薄層之材料係擇自由金屬材料、陶瓷材料以及金屬與陶瓷之複合材料所組成的群組。
23. 如申請專利範圍第15項所述表面具有多層鍍層之陶瓷基板結構，其中該金屬厚層之材料與該第二化學組成相同。