專(zhuān)利名稱(chēng)：一種基于電子漿料的敷銅陶瓷基板制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于電子漿料的敷銅陶瓷基板制造方法，屬于微電子封裝技術(shù)領(lǐng) 域。
背景技術(shù)：
在功率電子領(lǐng)域，典型功率電路應(yīng)用主要包括功率半導(dǎo)體模塊、DC/DC變換器、光 鎮(zhèn)流器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器、汽車(chē)控制系統(tǒng)等。各種功率電路的額定電流值不等，變化幅度可 以從數(shù)安培到數(shù)百安培乃至數(shù)千安培，這就造成了各類(lèi)功率電路功能要求的千差萬(wàn)別?，F(xiàn) 代微電子封裝幾乎都在基板上進(jìn)行或與基板相關(guān)。隨著新型高密度封裝形式的出現(xiàn)，電子 封裝的許多功能，如電氣連接、物理保護(hù)、應(yīng)力緩和、散熱防潮、尺寸過(guò)渡、規(guī)格化和標(biāo)準(zhǔn)化 等正逐步部分或全部由基板來(lái)承擔(dān)?；逶谏徇^(guò)程中起到了最重要的作用，如果基板的 散熱性能不好，就會(huì)導(dǎo)致印刷電路板上的元器件過(guò)熱，從而使整機(jī)可靠性下降，甚至失效。 除了承擔(dān)熱耗散外，基板還必須具有與Si、GaAs相匹配的熱膨脹系數(shù)(CTE)以減小芯片與 基板之間的熱應(yīng)力，較好的電絕緣性和較低的介電常數(shù)以便適用于高頻電路，減小時(shí)間延 遲。在此背景下，一直處于主導(dǎo)地位的PCB基板顯然不能滿足上述要求，特別在散熱要求 上，必須選用熱導(dǎo)率高的基板材料，于是陶瓷基板就進(jìn)入首選行列。在實(shí)用的陶瓷基板材料中，氧化鋁價(jià)格較低，從機(jī)械強(qiáng)度、絕緣性、導(dǎo)熱性、耐熱 性、耐熱沖擊性、化學(xué)穩(wěn)定性等方面考慮其綜合性能最好，作為基板材料使用最多，其加工 技術(shù)與其他材料相比也最先進(jìn)。美國(guó)Lamina Ceramics、德國(guó)Curmilk等公司已將陶瓷基板 應(yīng)用于大功率LED芯片封裝之中，由于該基板上集成了共晶焊層、靜電保護(hù)電路、驅(qū)動(dòng)電路 及控制補(bǔ)償電路，不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且由于材料熱導(dǎo)率高，熱界面少，大大提高了散熱性能， 為大功率LED陣列封裝提出了解決方案。目前在工業(yè)上實(shí)現(xiàn)金屬和陶瓷鍵合的方法主要有厚膜法及鉬錳法。厚膜法是將貴 重金屬的細(xì)粒通過(guò)壓接在一起而組成，再由熔融的玻璃粘附到陶瓷上，因此厚膜的導(dǎo)電性 能比金屬銅差。鉬錳法工藝較成熟，鉬錳漿料中的一些金屬顆粒被濕氫中的水分氧化，作為 活化劑的錳被氧化成氧化錳，一部分?jǐn)U散到陶瓷的內(nèi)表面與陶瓷中的某些氧化物形成玻璃 相，一部分形成中間層，在陶瓷和金屬化層相互擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)陶瓷和金屬化層良好的附著力。但 是這種方法所形成的中間層較厚，熱阻較大，在大功率電路、功率模塊等領(lǐng)域中不利于迅速 散熱，而且通過(guò)鉬錳法形成的金屬層厚度往往很薄，小于25 μ m,這就限制了大功率模塊組 件的耐浪涌能力。近年來(lái)出現(xiàn)的氧化鋁直接敷銅(DBC)基板綜合了銅與氧化鋁陶瓷的優(yōu)異 性能，而應(yīng)用于大功率器件中。DBC基板的敷接原理是在敷接過(guò)程前或過(guò)程中在銅與陶瓷之 間引入適量的氧元素，在1065° C 1083° C范圍內(nèi)，銅與氧形成Cu - 0共晶液。DBC技術(shù) 利用該共晶液，一方面與陶瓷化學(xué)反應(yīng)生成中間相(CuAlO2或CuAl2O4),另一方面浸潤(rùn)銅箔 實(shí)現(xiàn)氧化鋁陶瓷基板與銅板的結(jié)合。因此在其制備過(guò)程中關(guān)鍵因素是氧元素的引入，但是 直接控制氧含量在工業(yè)生產(chǎn)中很難做到。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有直接敷銅技術(shù)所存在的上述不足，本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供 一種可間接控制界面氧含量、金屬圖形化方便、低成本的敷銅陶瓷基板生產(chǎn)方法。一種基于電子漿料的敷銅陶瓷基板制造方法，其特征在于包括以下步驟
(1)、制備氧化亞銅油系電子漿料將75.75^83. 9重量份功能相、15.廣22. 73重量份有 機(jī)載體、0. 5^0. 76重量份觸變劑、0. 5^0. 76重量份潤(rùn)濕劑混合均勻后，經(jīng)球磨，制得漿料， 粘度為 45Pa · s IOOPa · s ；
制備氧化亞銅水系電子漿料將48. 7飛5. 5重量份功能相、33. 2、9. 4重量份有機(jī)載 體、0. 65、. 95重量份觸變劑、0. 65、. 95重量份潤(rùn)濕劑混合均勻后經(jīng)球磨，制得漿料，粘度 為 0.IPa · s IOPa · s ；
(2)、取步驟(1)制備的氧化亞銅油系或水系電子漿料，通過(guò)旋轉(zhuǎn)涂覆或絲網(wǎng)印刷的方 式，在陶瓷基板表面形成厚度為5(Γ120 μ m的涂層，涂覆厚度可根據(jù)旋轉(zhuǎn)速度及網(wǎng)板厚度 調(diào)整；
(3)、取步驟(2)制備的陶瓷基板，經(jīng)高溫?zé)Y(jié)、還原處理，在氧化鋁陶瓷表面獲得銅
層；
(4)、制備電鍍液將15 16重量份五水合硫酸銅、5飛重量份濃硫酸、0.4重量份葡萄 糖、77. 6^79. 6重量份蒸餾水混合均勻后備用；
制備化學(xué)鍍液將1. 5重量份五水合硫酸銅、1. 5重量份36%甲醛溶液、1. 4重量份氫氧 化鈉、1. 2重量份酒石酸鉀鈉、2重量份EDTA-2Na、0. 015重量份亞鐵氰化鉀、0. 05重量份聚 乙二醇、92. 34重量份蒸餾水混合均勻后備用；
(5)、取步驟(3)制備的陶瓷基板，采用步驟(4)制備的電鍍液進(jìn)行電鍍或采用化學(xué)鍍 液進(jìn)行化學(xué)鍍，即可獲得界面致密，表面光滑的敷銅陶瓷基板。前述的基于電子漿料的敷銅陶瓷基板制造方法，其特征在于氧化亞銅油系電子漿 料所采用的功能相為氧化亞銅粉末；有機(jī)載體為57重量份松油醇、28. 5重量份丁基卡必醇 醋酸酯、9. 5重量份鄰苯二甲酸二丁酯及5重量份乙基纖維素的混合液；觸變劑為氫化蓖麻 油、油酸、魚(yú)油；潤(rùn)濕劑為聚乙二醇；
氧化亞銅水系電子漿料所采用的功能相為氧化亞銅粉末；有機(jī)載體為5重量份5%聚乙 烯醇水溶液、1. 32重量份鄰苯二甲酸二丁酯以及93. 68重量份蒸餾水的混合液；觸變劑為 氫化蓖麻油、油酸、魚(yú)油；潤(rùn)濕劑為聚乙二醇；
前述的基于電子漿料的敷銅陶瓷基板制造方法，其特征在于氧化亞銅粉末粒徑為 6 10 μ m0
前述的基于電子漿料的敷銅陶瓷基板制造方法，其特征在于所述的陶瓷基板的材料是 氧化鋁、氧化硅、氮化硅、氮化鋁、玻璃。前述的基于電子漿料的敷銅陶瓷基板制造方法，其特征在于步驟(3)的具體工 藝是將基板放入管式電爐中，在空氣下加熱至1150° C，燒結(jié)2小時(shí)并隨爐冷卻，實(shí)現(xiàn)涂 覆層與陶瓷之間的有效結(jié)合。待燒結(jié)試樣冷卻至室溫后，將管式爐腔抽成真空，并加熱至 600° (，在H2+N2 (流量比為1 2)氣氛下還原2小時(shí)。采用電鍍或化學(xué)鍍方法，制備的成品性能差別在于采用電鍍銅技術(shù)，鍍層較厚， 最高可實(shí)現(xiàn)150 μ m的銅層；采用化學(xué)鍍銅技術(shù)，鍍層較薄，表面平整度高。與目前所用的DBC成形工藝相比，本發(fā)明無(wú)需大型設(shè)備，工藝簡(jiǎn)單、原料價(jià)格低、降低成本、成品率達(dá)到 99%以上，界面氧含量得到有效地控制，金屬圖形化方便，表面光潔度高，特別是基板界面銅 層致密連續(xù)，且厚度可控，使功率電子器件工作更加穩(wěn)定。


圖1為本發(fā)明實(shí)例1制備樣品高溫?zé)Y(jié)后界面物相分析 圖2為本發(fā)明實(shí)例1制備樣品表面微觀形貌；
圖3為本發(fā)明實(shí)例1制備樣品界面微觀形貌； 圖4為本發(fā)明實(shí)例2制備樣品表面線路圖形。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明以下的實(shí)施例所采用氧化亞銅粉末、松油醇、丁基卡必醇醋酸酯、乙基纖維 素、氫化蓖麻油、聚乙二醇、鄰苯二甲酸二丁酯、聚乙烯醇、五水合硫酸銅、濃硫酸、葡萄糖、 甲醛、氫氧化鈉、酒石酸鉀鈉、亞鐵氰化鉀都是通過(guò)市場(chǎng)獲得。實(shí)施例1
步驟1 制備氧化亞銅水系電子漿料將粒徑為6 μ m的氧化亞銅粉末(分析純)53. 6重 量份、5%聚乙烯醇水溶液44. 3重量份、鄰苯二甲酸二丁酯0. 5重量份、氫化蓖麻油0. 8重量 份和聚乙二醇0. 8重量份混合，并在行星式球磨機(jī)上球磨2小時(shí)，獲得氧化亞銅水系電子漿 料，粘度為IPa · S。步驟2 將96氧化鋁陶瓷片放入乙醇溶液中，并在超聲波清洗器中超聲清洗30分 鐘，取出曬干；隨后在涂層機(jī)上通過(guò)旋轉(zhuǎn)涂覆將步驟1制備的氧化亞銅水系電子漿料均勻 懸涂在氧化鋁陶瓷表面，旋涂速度為500轉(zhuǎn)/分，獲得涂層厚度為50 μ m。步驟3 將步驟2所制備的涂層基板放入管式電爐中，在空氣下加熱至1150° C， 燒結(jié)2小時(shí)并隨爐冷卻，從而在涂層與陶瓷界面生成一層厚度為1(Γ20 μ m的CuAlO2過(guò)渡 層，如圖1所示，此過(guò)程與DBC技術(shù)相似，只不過(guò)界面處的氧含量引入不是通過(guò)外界氣氛，而 是通過(guò)氧化亞銅中的氧元素引入，從而實(shí)現(xiàn)了涂層與陶瓷之間的有效結(jié)合。待燒結(jié)試樣冷 卻至室溫后，將管式爐腔抽成真空，并加熱至600° (，在吐+隊(duì)(流量比為1 :2)氣氛下還原 2小時(shí)。步驟4 將五水合硫酸銅15. 6重量份、濃硫酸5. 9重量份、葡萄糖0. 4重量份加入 到蒸餾水78. 1重量份中，攪拌均勻，制備酸性硫酸銅溶液。將純銅片作為陽(yáng)極，步驟3所制 得的基板樣品作為陰極，設(shè)置直流電源為5A/dm2，并在集熱式恒溫加熱磁力攪拌器中施鍍 30分鐘，環(huán)境溫度為40° C。制得的敷銅陶瓷基板界面如圖3所示，界面銅層致密，厚度達(dá) 80 μ m，其表面形貌如圖2所示，表面平整光滑，無(wú)孔洞的存在，成品率達(dá)到90%。實(shí)施例2
步驟1 制備氧化亞銅油系電子漿料將丁基卡必醇醋酸酯4. 63重量份、松油醇9. 27 重量份、鄰苯二甲酸二丁酯1. 54重量份、乙基纖維素0. 81重量份、氫化蓖麻油1. 22重量 份、聚乙二醇1. 22重量份及粒徑為10 μ m的氧化亞銅粉末81. 3重量份充分混合、攪拌，得 到氧化亞銅油系電子漿料，球磨，制得漿料，粘度為60Pa · s。步驟2 通過(guò)300目絲網(wǎng)，在96氧化鋁陶瓷表面利用步驟1制備的氧化亞銅漿料印刷出電路圖形，印刷厚度可根據(jù)網(wǎng)板厚度調(diào)整。步驟3 將步驟2所制備的印刷基板進(jìn)行燒結(jié)還原，與實(shí)例1的步驟3完全相同， 電路圖形如圖4所示。步驟4 將步驟3所制基板進(jìn)行電鍍處理，與實(shí)例1的步驟4完全相同，所得銅層 厚度達(dá)120 μ m。實(shí)施例3
步驟1 制備氧化亞銅油系電子漿料，制備過(guò)程與實(shí)例2的步驟1完全相同。步驟2 通過(guò)絲網(wǎng)印刷在氧化硅陶瓷表面形成電路圖形，印刷過(guò)程與實(shí)例2的步驟 2完全相同。步驟3 將步驟2所制備的印刷基板進(jìn)行燒結(jié)還原，與實(shí)例1的步驟3完全相同。步驟4 將五水合硫酸銅1. 5重量份、36%甲醛溶液1. 5重量份、氫氧化鈉1. 4重量 份、酒石酸鉀鈉1. 2重量份、EDTA-2Na 2重量份、亞鐵氰化鉀0. 015重量份、聚乙二醇0. 05 重量份加入到92. 34重量份蒸餾水中，攪拌均勻，制備化學(xué)鍍液。隨后將步驟3制得的基板 樣品懸掛在鍍液中，在集熱式恒溫加熱磁力攪拌器中施鍍1小時(shí)，施鍍過(guò)程中不斷鼓入空 氣，控制溫度50° C。制得的敷銅陶瓷基板界面銅層致密，厚度達(dá)90 μ m，且表面平整光滑。實(shí)施例4至6所采用的材料以及制備方法如下表，除表1的內(nèi)容之外，其余內(nèi)容與 實(shí)施例1的內(nèi)容相同。
權(quán)利要求
1.一種基于電子漿料的敷銅陶瓷基板制造方法，其特征在于包括以下步驟(1)、制備氧化亞銅油系電子漿料將75.75^83. 9重量份功能相、15.廣22. 73重量份有 機(jī)載體、0. 5^0. 76重量份觸變劑、0. 5^0. 76重量份潤(rùn)濕劑混合均勻后，經(jīng)球磨，制得漿料， 粘度為 45Pa · s IOOPa · s ；制備氧化亞銅水系電子漿料將48. 7飛5. 5重量份功能相、33. 2、9. 4重量份有機(jī)載 體、0. 65、. 95重量份觸變劑、0. 65、. 95重量份潤(rùn)濕劑混合均勻后經(jīng)球磨，制得漿料，粘度 為 0. IPa · s IOPa · s ；(2)、取步驟(1)制備的氧化亞銅油系或水系電子漿料，通過(guò)旋轉(zhuǎn)涂覆或絲網(wǎng)印刷的方 式，在陶瓷基板表面形成厚度為5(Γ120 μ m的涂層，涂覆厚度可根據(jù)旋轉(zhuǎn)速度及網(wǎng)板厚度 調(diào)整；(3)、取步驟(2)制備的陶瓷基板，經(jīng)高溫?zé)Y(jié)、還原處理，在氧化鋁陶瓷表面獲得銅層；(4)、制備電鍍液將15 16重量份五水合硫酸銅、5飛重量份濃硫酸、0.4重量份葡萄 糖、77. 6^79. 6重量份蒸餾水混合均勻后備用；制備化學(xué)鍍液將1. 5重量份五水合硫酸銅、1. 5重量份36%甲醛溶液、1. 4重量份氫氧 化鈉、1. 2重量份酒石酸鉀鈉、2重量份EDTA-2Na、0. 015重量份亞鐵氰化鉀、0. 05重量份聚 乙二醇、92. 34重量份蒸餾水混合均勻后備用；(5)、取步驟(3)制備的陶瓷基板，采用步驟(4)制備的電鍍液進(jìn)行電鍍或采用化學(xué)鍍 液進(jìn)行化學(xué)鍍，即可獲得界面致密，表面光滑的敷銅陶瓷基板。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于電子漿料的敷銅陶瓷基板制造方法，其特征在于氧化亞 銅油系電子漿料所采用的功能相為氧化亞銅粉末；有機(jī)載體為57重量份松油醇、28. 5重量 份丁基卡必醇醋酸酯、9. 5重量份鄰苯二甲酸二丁酯及5重量份乙基纖維素的混合液；觸變 劑為氫化蓖麻油、油酸、魚(yú)油；潤(rùn)濕劑為聚乙二醇；氧化亞銅水系電子漿料所采用的功能相為氧化亞銅粉末；有機(jī)載體為5重量份5%聚乙 烯醇水溶液、1. 32重量份鄰苯二甲酸二丁酯以及93. 68重量份蒸餾水的混合液；觸變劑為 氫化蓖麻油、油酸、魚(yú)油；潤(rùn)濕劑為聚乙二醇。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于電子漿料的敷銅陶瓷基板制造方法，其特征在于氧化亞 銅粉末粒徑為6 10 μ m。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于電子漿料的敷銅陶瓷基板制造方法，其特征在于所述的 陶瓷基板的材料是氧化鋁、氧化硅、氮化硅、氮化鋁、玻璃。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于電子漿料的敷銅陶瓷基板制造方法，其特征在于步驟 (3)的具體工藝是將基板放入管式電爐中，在空氣下加熱至1150° C，燒結(jié)2小時(shí)并隨爐冷 卻，實(shí)現(xiàn)涂覆層與陶瓷之間的有效結(jié)合；待燒結(jié)試樣冷卻至室溫后，將管式爐腔抽成真空， 并加熱至600° (，在H2和N2氣氛下還原2小時(shí)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于電子漿料的敷銅陶瓷基板制造方法，其特征在于吐和N2 的流量比為1 :2。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于電子漿料的敷銅陶瓷基板制造方法，屬于微電子封裝技術(shù)領(lǐng)域。將以氧化亞銅粉體為原料制備的油系或水系電子漿料涂覆在陶瓷基板表面形成厚度為80~120μm的涂層；經(jīng)高溫?zé)Y(jié)、還原處理，在氧化鋁陶瓷表面獲得銅層；采用電鍍或者化學(xué)鍍的方式加工獲得的基板，即可獲得界面致密，表面光滑的敷銅陶瓷基板。本發(fā)明工藝簡(jiǎn)單，無(wú)需大型設(shè)備，原料便宜、成本低、成品率可高達(dá)90%以上，界面氧含量可以通過(guò)氧化亞銅粉的含量和燒結(jié)氣氛調(diào)節(jié)，金屬圖形化方便，表面光潔度高，特別是基板界面銅層致密連續(xù)，且厚度可控，使功率電子器件工作更加穩(wěn)定。
文檔編號(hào)C04B41/88GK102060573SQ20101056523
公開(kāi)日2011年5月18日 申請(qǐng)日期2010年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月30日
發(fā)明者井敏, 俞曉東, 傅仁利, 宋秀峰, 李冉 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)