背景技術(shù)：

具有過孔的電子基板通常用于為多層電子板提供不同層的表面區(qū)域之間的電連接和/或熱連接。導(dǎo)電過孔可以用于布置電力供應(yīng)和信號(hào)供應(yīng)并且可以進(jìn)行操作以從電氣部件去除熱。

用于多層板的最常見的基層材料是氧化鋁(Al₂O₃)或氮化鋁(AlN)陶瓷層以及FR4環(huán)氧樹脂板層。這樣的基層材料中的過孔通過鉆出通孔并且隨后用導(dǎo)電材料或金屬鍍層填充這些通孔來(lái)形成。然而，在這些常見的基礎(chǔ)材料中的每種基礎(chǔ)材料的使用中存在限制。例如，作為基礎(chǔ)材料的FR4具有非常低的導(dǎo)熱率(約0.1W/mK)并且它不能用于需要高熱傳遞的應(yīng)用。

Al₂O₃具有比FR4更高的導(dǎo)熱率(約20-30W/mK)，并且Al₂O₃是用于制造具有過孔的電子基板的當(dāng)前優(yōu)選基層材料。由于AlN具有更高的導(dǎo)熱率(約140-180W/mK)，所以它用于在熱學(xué)方面要求最嚴(yán)苛的應(yīng)用。AlN是比FR4或Al₂O₃明顯更昂貴的材料，并且這限制了其應(yīng)用。Al₂O₃和AlN兩者(以及其它陶瓷層)遭受固有的脆性。這種脆性會(huì)妨礙形成非常薄的陶瓷基層(很難形成比100微米更薄的層)并且將陶瓷基層的表面面積限制成幾十平方英寸。

由于金屬具有高導(dǎo)熱率和高韌度，所以使用金屬作為基層有益于電子基板應(yīng)用。使用金屬層形成的電子基板(其可以稱為金屬基板)具有與用陶瓷層形成的電子基板不一樣的尺寸限制，并且能夠被形成為如10微米一樣薄。用作金屬基板中的金屬層的最常見的金屬中的一種金屬是鋁(Al)。鋁具有約150-200W/mK的導(dǎo)熱率；與AlN基板的導(dǎo)熱率類似，但是該材料明顯更便宜。使用金屬基層形成多層板需要形成貫穿金屬層的導(dǎo)電過孔。過孔的導(dǎo)電芯必須與基層金屬電絕緣。這通過構(gòu)造具有絕緣過孔的金屬基板(MSIV)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

在提供導(dǎo)電材料的過孔與MSIV的金屬基層之間的電絕緣方面存在許多困難。實(shí)現(xiàn)雙面MSIV的標(biāo)準(zhǔn)過程通常如下：

首先，使用介電膜將銅(Cu)層粘合到金屬層的每側(cè)。然后對(duì)所得到的板材(其由金屬層、兩個(gè)介電膜層和兩個(gè)銅層構(gòu)成)進(jìn)行鉆孔，以提供延伸通過該板材的通孔。該通孔使金屬層的材料暴露，這意味著需要在能夠形成導(dǎo)電過孔之前用電絕緣材料來(lái)填塞通孔。一旦被填塞，就使用更小的鉆機(jī)來(lái)鉆通電絕緣填塞材料。然后能夠用導(dǎo)電材料填充該第二通孔，以產(chǎn)生從金屬層的一側(cè)延伸至另一側(cè)的導(dǎo)電過孔?？梢允褂脻窕瘜W(xué)籽晶層和電鍍工藝，或通過使用導(dǎo)電過孔填充材料，或使用上述的組合來(lái)形成電連接。

可以看出，MSIV中過孔形成的過程涉及許多步驟以及因此涉及高復(fù)雜度。然而，主要缺陷是過孔邊緣處的電擊穿的風(fēng)險(xiǎn)，其中在過孔的邊緣處，由電絕緣的孔填塞提供的電介質(zhì)最少。

已經(jīng)嘗試由預(yù)先鉆孔的Al板材來(lái)形成MSIV，隨后對(duì)其進(jìn)行陽(yáng)極化處理以在通孔的表面上和內(nèi)壁上提供介電層。這樣的MSIV并沒有得到工業(yè)應(yīng)用，這是因?yàn)殛?yáng)極化層不能提供充分穩(wěn)定和可靠的電絕緣。陽(yáng)極化介電層的這個(gè)問題歸因于陽(yáng)極化層上的多孔性以及由陽(yáng)極化層的固有結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的通孔邊緣處的裂縫。在Al層的平坦表面上以及在通孔內(nèi)，陽(yáng)極化介電層在熱循環(huán)下同樣會(huì)斷裂。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種具有絕緣過孔的金屬基板(MSIV)，以及一種形成如在現(xiàn)在應(yīng)當(dāng)參考的所附獨(dú)立權(quán)利要求中所限定的MSIV的方法。在各個(gè)從屬子權(quán)利要求中闡述了本發(fā)明的優(yōu)選特征或有利特征。

因此，在第一方面中，具有絕緣過孔的金屬基板(MSIV)可以包括：

金屬層，該金屬層具有通過金屬層的第一表面與第二表面之間的金屬層的厚度限定的通孔；

介電層，該介電層至少部分地通過金屬層的氧化來(lái)形成，介電層被形成為金屬層的第一表面和第二表面中的至少一個(gè)上或者金屬層的第一表面和第二表面兩者上、以及通孔的內(nèi)壁上的連續(xù)層；

導(dǎo)電金屬過孔，該導(dǎo)電金屬過孔延伸通過在金屬層中限定的通孔，導(dǎo)電金屬過孔通過介電層與金屬層電絕緣；以及

電路，該電路形成在介電層的一部分上，電路與導(dǎo)電金屬過孔電接觸和/或熱接觸。

介電層是介電納米陶瓷層，該介電納米陶瓷層具有平均晶粒大小為500納米或更小的等軸晶體結(jié)構(gòu)、介于0.1與100微米之間的厚度、大于20KV mm^-1的介電強(qiáng)度以及大于3W/mK的導(dǎo)熱率。

如本文所使用的，金屬層是具有比其厚度尺寸明顯更大的長(zhǎng)度尺寸和寬度尺寸的層。金屬層可以稱為金屬基層或金屬片。優(yōu)選地，金屬層具有介于5微米與5000微米之間的厚度，優(yōu)選地介于10微米與2000微米之間，或者介于20微米與500微米之間。在一些實(shí)施方式中，金屬層可以為柔性結(jié)構(gòu)，諸如金屬箔。在一些實(shí)施方式中，金屬層可以為剛性結(jié)構(gòu)，例如金屬板。在一些實(shí)施方式中，金屬層可以為成型結(jié)構(gòu)或部件。

金屬層可以具有通過其厚度限定的多個(gè)通孔，多個(gè)通孔中的每個(gè)通孔的內(nèi)壁涂覆有介電納米陶瓷層的一部分。可以在金屬層的不同部分處以圖案限定多個(gè)通孔，以針對(duì)特定目的優(yōu)化導(dǎo)熱率和/或?qū)щ娐省?/p>

如本文所使用的，術(shù)語(yǔ)金屬基板是指一種由金屬層或片形成的電子基板，其中金屬層或片與金屬層的一側(cè)或兩側(cè)上的介電層絕緣。

介電納米陶瓷層至少部分地通過金屬層的氧化來(lái)形成，并且在本文中也可以被稱為介電涂層或納米陶瓷層或納米陶瓷涂層。

根據(jù)本發(fā)明的任一方面的MSIV包括通過金屬層形成的但與金屬層電絕緣的導(dǎo)電過孔。例如通過機(jī)械鉆孔或激光鉆孔或者通過對(duì)金屬層進(jìn)行沖孔，通過金屬層形成通孔。然后形成介電納米陶瓷層，并且該層在金屬層的表面的一部分上連續(xù)地延伸并且還覆蓋該通孔或每個(gè)通孔的內(nèi)壁，以提供一個(gè)或多個(gè)絕緣通孔。然后，能夠在絕緣通孔內(nèi)形成導(dǎo)電材料諸如金屬，以產(chǎn)生導(dǎo)電過孔?？梢砸孕≈?0微米的直徑來(lái)形成通孔。上部尺寸可以為任意直徑，但是許多通孔將具有在20微米至2000微米的范圍內(nèi)的直徑。有利地，可以在具有高至10或15或20或更高的縱橫比的通孔的內(nèi)壁上形成介電納米陶瓷涂層。縱橫比被定義為通孔的深度除以通孔的直徑。優(yōu)選地，通孔的縱橫比介于0.1與20之間。

彼此靠近地形成多個(gè)通孔以及因此形成多個(gè)過孔的能力可以是特別有利的特征?，F(xiàn)有技術(shù)MSIV由于制造問題而不具有近間隔過孔。因此，可能有利的是，金屬層包括直徑介于20與300微米之間，或者直徑介于50與200微米之間的多個(gè)通孔，其中，通孔之間的間距與通孔的直徑是同一數(shù)量級(jí)的，例如介于20與300微米之間或介于50與200微米之間。

涂層具有晶體結(jié)構(gòu)，其中該晶體結(jié)構(gòu)具有小于500納米的平均晶粒大小。這樣的納米晶體結(jié)構(gòu)在金屬層的表面(包括通孔的邊緣和內(nèi)表面)上提供均勻致密層。有利地，平均晶粒大小可以為250納米或更小，或者為100納米或更小。

介電納米陶瓷的微結(jié)構(gòu)大致由等軸晶粒構(gòu)成。這是組成具有x、y和z軸的納米陶瓷的晶粒，其中x、y和z軸具有大致相同的長(zhǎng)度。等軸晶粒具有較大數(shù)目的操作滑移面，并且納米陶瓷具有將比晶粒結(jié)構(gòu)為各向異性的情況更高的強(qiáng)度和延展性。小的晶粒大小和大致等軸晶粒結(jié)構(gòu)是允許復(fù)雜形狀諸如通孔上介電層的均勻覆蓋的重要參數(shù)。由于納米級(jí)的晶粒大小和等軸結(jié)構(gòu)，可以均勻地涂敷介電納米陶瓷層以覆蓋具有低至20微米的內(nèi)直徑和高達(dá)20的縱橫比(縱橫比等于基板的厚度除以孔的直徑大小)的通孔的內(nèi)表面。

介電納米陶瓷層的厚度介于0.1與100微米之間。在該厚度范圍內(nèi)，大致等軸的納米陶瓷層具有大于20KV/mm的高介電強(qiáng)度和大于3W/mK的高導(dǎo)熱率。這些值有利于許多電子基板應(yīng)用。在一些實(shí)施方式中，介電納米陶瓷層的厚度可以介于1微米與50微米之間，例如介于5微米與40微米之間或介于10微米與30微米之間。

有利地，介電層可以被形成為金屬層的第一表面和第二表面兩者上以及通孔的內(nèi)壁上的連續(xù)層。然后，第一電路和第二電路可以分別形成在介電層的部分上，其中介電層的所述部分形成在金屬層的第一表面和第二表面兩者上，第一電路和第二電路通過導(dǎo)電金屬過孔被電連接和/或熱連接。以這種方式，可以開始形成多層結(jié)構(gòu)，其中不同級(jí)別的電路在金屬基板上被支持并且通過與金屬基板的金屬層絕緣的過孔連接。

術(shù)語(yǔ)“金屬”在本文中用于描述廣泛的金屬種類。因此，該術(shù)語(yǔ)描述諸如純鋁的元素金屬、以及一種或更多種元素的合金和金屬互化物。實(shí)際上，用于形成本文所述的MSIV的金屬層有可能是可商業(yè)獲得的金屬成分的片。許多金屬可以適合于用作其上形成有涂層的金屬層。合適的材料可以包括被歸類為閥金屬的那些金屬。優(yōu)選地，可以使用鋁、鎂、鈦、鋯、鉭、鈹，或者這些金屬中的任何金屬的合金或金屬互化物的金屬層來(lái)形成MSIV。

對(duì)于電子基板應(yīng)用，絕緣介電層的介電強(qiáng)度尤其重要。有利地，本文所述的納米陶瓷層可以提供介于20kV/mm與100kV/mm之間的介電強(qiáng)度。

對(duì)于電子基板應(yīng)用，優(yōu)選的是介電層的導(dǎo)熱率為高。需要絕緣介電層或涂層提供工作電子部件與支持該部件的金屬層之間的電絕緣，并且同時(shí)將熱從該部件傳導(dǎo)到金屬層中。因此，有利的是，根據(jù)本文所述的任一方面的介電納米陶瓷層具有大于3W/mk的導(dǎo)熱率，例如介于3W/mk與7W/mk之間。

對(duì)于一些電子基板應(yīng)用，可以優(yōu)選的是介電層具有高介電常數(shù)。當(dāng)打算將MSIV用在RF或微波應(yīng)用中時(shí)，高介電常數(shù)是特別優(yōu)選的。優(yōu)選地，MSIV包括具有大于7，例如介于7.5與10之間的介電常數(shù)的介電層。

形成在金屬基板上的陶瓷涂層的許多物理性質(zhì)在一定程度上取決于陶瓷涂層的晶體大小或晶粒大小。本文所述的納米陶瓷層是包括等軸晶粒的晶體陶瓷涂層，其中，等軸晶粒具有小于500納米，特別優(yōu)選地小于100納米，例如約50納米或40納米或30納米的平均直徑?？商孢x地，晶?？梢苑Q為晶體或微晶。術(shù)語(yǔ)晶粒大小是指材料例如介電層中晶?；蚓w的平均尺寸兩端的距離。因此，MSIV包括下述層或涂層：由于其具有納米級(jí)的大小或尺寸的物理特征而可以被描述為納米結(jié)構(gòu)層或納米陶瓷層。細(xì)晶粒大小可以提高結(jié)構(gòu)同質(zhì)性，以及諸如在過孔內(nèi)及其邊界上形成均勻的介電層的能力的性質(zhì)。細(xì)晶粒大小也可以增大陶瓷材料的導(dǎo)熱率、介電強(qiáng)度和介電常數(shù)。由于細(xì)晶粒大小也可以形成更平滑的表面輪廓。

在一些實(shí)施方式中，在MSIV是柔性的情況下可以是有利的?？梢詤⒖紡澢霃絹?lái)限定MSIV的柔性。彎曲半徑是用于表征布線、線纜和片形式的材料的柔性的標(biāo)準(zhǔn)度量。為了測(cè)量彎曲半徑，通常圍繞具有減小直徑的桿或圓筒來(lái)彎曲片，以確定在無(wú)損壞的情況下該片可以被彎曲成的最小曲率。MSIV可能是材料片的形式。如本文所使用的，彎曲半徑是指在不損壞其性質(zhì)的情況下MSIV夠被反復(fù)彎曲成的半徑。最小彎曲半徑是在不損壞其性質(zhì)的情況下MSIV能夠被彎曲成的最小曲率。

MSIV的最小彎曲半徑在一定程度上取決于MSIV的總厚度。在FES具有高厚度(例如，2mm)的情況下，最小彎曲半徑可以為高。例如，最小彎曲半徑優(yōu)選地低于25cm，特別優(yōu)選地低于15cm或者低于10cm。在一些實(shí)施方式中，MSIV可以具有低于2mm的總厚度并且MSIV的柔性可以為高。優(yōu)選的是，MSIV的最小彎曲半徑低于20mm，例如，低于10mm或低于5mm，或者介于2mm與5mm之間。

MSIV的優(yōu)選實(shí)施方式可以包括金屬層、至少部分地通過金屬層的表面的氧化形成的介電納米陶瓷層，以及形成在介電層的表面上的電路，其中，介電納米陶瓷層具有由晶粒構(gòu)成的晶體結(jié)構(gòu)，所述晶粒具有100納米或更小的平均晶粒大小、介于1微米與50微米之間的厚度、大于20KV mm^-1的介電強(qiáng)度以及大于3W/mK的導(dǎo)熱率；限定通孔的金屬層、通孔的壁涂覆有具有與介電納米陶瓷層相同的成分并且與介電納米陶瓷層連續(xù)的介電納米陶瓷材料。

在金屬層上通過陽(yáng)極化過程形成的層或涂層往往是高孔隙度的。陽(yáng)極化涂層通常也具有無(wú)定形結(jié)構(gòu)(即，陽(yáng)極化涂層很少是晶體的)以及開放柱狀結(jié)構(gòu)。典型陽(yáng)極化涂層的規(guī)則柱狀結(jié)構(gòu)可以致使涂層易受裂縫的形成的影響，特別是在熱循環(huán)或涂層彎曲之后。易受裂縫形成影響的性質(zhì)限制了陽(yáng)極化涂層在電子基板中的應(yīng)用。

為了形成根據(jù)本發(fā)明的任一方面的MSIV，在金屬層的至少一部分上形成具有期望性質(zhì)的納米陶瓷層。金屬層具有預(yù)先鉆出的過孔。納米陶瓷層可以使用任何合適的方法來(lái)形成。在金屬層上形成納米陶瓷層的優(yōu)選方法包括將金屬層定位在包含含水電解液和至少兩個(gè)電極的電解室中的步驟。期望在上面形成晶體納米陶瓷涂層的金屬層的表面的至少一部分和電極的一部分與含水電解液接觸。

通過在該部分與電極之間施加具有交替極性的電壓脈沖的序列(其中恒電勢(shì)地和恒電流地獨(dú)立地控制正脈沖和負(fù)脈沖)，可以在不導(dǎo)致顯著水平的微放電的情況下施加具有高電壓的脈沖。通過在形成納米陶瓷涂層期間最小化或避免微放電事件，可以控制涂層參數(shù)，諸如表面粗糙度和涂層孔隙度的大小。因此，通過控制該過程，根據(jù)期望可以形成平均孔大小低于500納米的納米陶瓷層。

微放電也可以稱為微火花(microspark)放電或微弧(microarcing)。微放電的存在是PEO涂層工藝的基本特征，但是會(huì)產(chǎn)生本征地不適合用在MSIV中的陶瓷層。因此，優(yōu)選的是，使用無(wú)火花過程產(chǎn)生納米陶瓷涂層。

可能有利的是，調(diào)整正電壓脈沖和負(fù)電壓脈沖的形狀，以避免在每個(gè)電壓脈沖期間形成電流尖峰。電流尖峰與涂層的擊穿和微放電有關(guān)。通過調(diào)整電壓脈沖的形狀以避免電流尖峰，可以顯著減少或消除微放電。如上所述，微放電對(duì)許多涂層性質(zhì)，例如對(duì)層的平均孔大小并且因此對(duì)層的介電強(qiáng)度產(chǎn)生有害影響。

在正電壓脈沖和負(fù)電壓脈沖中的一個(gè)或兩個(gè)的形狀基本上為梯形形狀的情況下，會(huì)是特別有利的。

金屬層中材料的轉(zhuǎn)化以形成納米陶瓷層發(fā)生在正電壓脈沖期間，在正電壓脈沖期間金屬層相對(duì)于電極陽(yáng)極偏置。納米陶瓷層被形成為與金屬材料本身發(fā)生反應(yīng)的含水電解液中的含氧物質(zhì)。在連續(xù)的正電壓脈沖期間，納米陶瓷層的厚度增大。隨著該層的厚度增大，該層的電阻增大并且針對(duì)所施加的電壓有更少的電流流動(dòng)。因此，雖然優(yōu)選的是在預(yù)定周期內(nèi)正電壓脈沖中的每個(gè)正電壓脈沖的峰值電壓是恒定的，但是在預(yù)定周期內(nèi)隨每個(gè)連續(xù)的電壓脈沖流動(dòng)的電流可以減小。

隨著納米陶瓷層的厚度的增大，該層的電阻增大，并且因此在每個(gè)連續(xù)的負(fù)電壓脈沖期間通過該層的電流導(dǎo)致該層的電阻發(fā)熱。在負(fù)電壓脈沖期間的這種電阻發(fā)熱可以有助于該層中的增加的擴(kuò)散水平，并且因此可以輔助發(fā)展中的層內(nèi)結(jié)晶化過程和晶粒形成過程。

通過以這種方式控制納米陶瓷涂層的形成，優(yōu)選地其中基本上避免了微放電，可以形成具有晶體或極細(xì)尺度的晶粒大小的致密涂層。優(yōu)選地，所形成的納米陶瓷涂層的晶粒大小小于200納米，特別優(yōu)選地小于100納米，例如小于50納米。

如果使用在電解液中執(zhí)行的電解過程來(lái)形成納米陶瓷層，會(huì)是有利的，其中電解液是堿性水溶液，優(yōu)選地是pH為9或更大的電解液。優(yōu)選地，該電解液具有大于1mS cm^-1的導(dǎo)電率。合適的電解液包括堿金屬氫氧化物，特別是包括氫氧化鉀或氫氧化鈉的電解液。

如果電解液是膠體的并且包括分散在水相中的固體顆粒，會(huì)是特別有利的。特別優(yōu)選的是，電解液包括具有小于100納米的顆粒大小的一定比例的固體顆粒。

顆粒大小是指顆粒的最大尺寸的長(zhǎng)度。

在所施加的電壓脈沖期間產(chǎn)生的電場(chǎng)導(dǎo)致分散在水相中的靜電帶電的固體顆粒向金屬層的生長(zhǎng)非金屬納米陶瓷涂層的表面轉(zhuǎn)移。隨著固體顆粒與生長(zhǎng)的納米陶瓷涂層接觸，固體顆?？梢耘c涂層發(fā)生反應(yīng)并且變成并入到涂層中。因此，在使用膠體電解液的情況下，納米陶瓷涂層可以包括通過金屬層的表面的一部分的氧化所形成的納米陶瓷材料以及通過源于電解液的膠體顆粒所形成的納米陶瓷材料兩者。

在陽(yáng)極化正電壓脈沖期間產(chǎn)生了形成在金屬層上的納米陶瓷涂層。為了使納米陶瓷涂層生長(zhǎng)，需要在金屬層與電解液之間保持連接。生長(zhǎng)的納米陶瓷涂層并不是完全致密的，而是具有一定程度的孔隙。通過該孔隙來(lái)保持金屬層材料與電解液之間的連接。在電解液是膠體的并且包括固體顆粒的情況下，可以顯著改變?cè)诩{米陶瓷涂層的形成中所固有的孔隙。分散在水相中的非金屬固體顆粒在電場(chǎng)下可以遷移到生長(zhǎng)中的涂層的孔中。一旦進(jìn)入到孔內(nèi)，固體顆粒例如通過燒結(jié)過程可以與涂層以及已遷移到孔中的其它固體顆粒兩者發(fā)生反應(yīng)。以這種方式，顯著減小了孔的尺寸并且改變了涂層的孔隙，發(fā)展為納米孔隙。例如，涂層中的孔的最大尺寸可以從1或更多微米寬減小到小于400納米寬或小于300納米寬。

通過減小孔隙，增大了納米陶瓷涂層的密度。此外，遍布該涂層的孔隙的尺寸的減小可以顯著地增大涂層的介電強(qiáng)度和導(dǎo)熱率。

一種合適于在金屬層的表面上形成介電納米陶瓷涂層的設(shè)備可以包括用于容納含水電解液的電解室、能夠位于電解室內(nèi)的至少兩個(gè)電極，以及能夠在金屬層與電極之間施加具有交替極性的電壓脈沖序列的電源。

特別有利的是，該設(shè)備還包括膠體電解液，膠體電解液包括分散在水相中的固體顆粒。分散在這樣的電解液中的固體顆?？梢宰兂刹⑷胧褂迷撛O(shè)備產(chǎn)生的納米陶瓷涂層中。

只要從金屬層的兩個(gè)表面施加電解槽中提供的電場(chǎng)，形成納米陶瓷涂層的上述示例性技術(shù)就提供通孔過孔內(nèi)的介電涂層的均勻性。由于厚度校平效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)均勻性，這意味著具有較高納米陶瓷厚度的涂覆區(qū)域具有更高的電阻，這導(dǎo)致在具有較低納米陶瓷厚度的區(qū)域中優(yōu)先納米陶瓷生長(zhǎng)。這種自校平機(jī)制可以解釋在邊緣和角落上提供納米陶瓷的一致厚度和質(zhì)量的能力。

對(duì)于特定應(yīng)用，會(huì)期望填充納米陶瓷涂層中存在的任何孔。因此，根據(jù)本發(fā)明的任意方面的MSIV可以包括如下納米陶瓷涂層：該納米陶瓷涂層已經(jīng)被合適的有機(jī)或無(wú)機(jī)材料密封或浸漬，以填充涂層中的任何孔。合適的密封材料可以為：例如樹脂、含氟聚合物、聚酰亞胺、聚酯、水玻璃、丙烯酸或溶膠凝膠材料。合適的密封材料的這個(gè)列表并不是窮舉的，并且本領(lǐng)域技術(shù)人員將能夠鑒別其它合適的材料。密封材料可以通過許多已知方法(例如通過浸泡、噴射、真空浸漬以及通過PVD和CVD沉積技術(shù))被涂敷于涂層。

根據(jù)本發(fā)明的任意方面的MSIV包括在納米陶瓷層的表面上構(gòu)造的電路。可以通過任何常規(guī)技術(shù)，諸如絲網(wǎng)印刷術(shù)、導(dǎo)電油墨印刷、無(wú)電鍍金屬化、電鍍金屬化、金屬箔的粘接、預(yù)制柔性電路的接合、金屬濺射、化學(xué)氣相沉積(CVD)金屬化以及物理氣相沉積(PVD)金屬化來(lái)提供電路。

根據(jù)本發(fā)明的任意方面的MSIV包括位于絕緣通孔內(nèi)的導(dǎo)電過孔。導(dǎo)電過孔包括穿過絕緣通孔的導(dǎo)電材料，諸如金屬，從而形成絕緣過孔?？梢酝ㄟ^常規(guī)技術(shù)，諸如通過絲網(wǎng)印刷術(shù)、無(wú)電鍍金屬化和電鍍金屬化、化學(xué)氣相沉積(CVD)以及物理氣相沉積(PVD)而用導(dǎo)電材料填充過孔來(lái)實(shí)現(xiàn)將導(dǎo)電材料并入到通孔中。能夠通過上述技術(shù)的組合，諸如在通過無(wú)電鍍過程構(gòu)造金屬籽晶層而后進(jìn)行導(dǎo)電過孔材料的電鍍構(gòu)造來(lái)實(shí)現(xiàn)構(gòu)造具有導(dǎo)電芯的絕緣過孔。

特別適合于高溫應(yīng)用的MSIV的優(yōu)選實(shí)施方式可以包括金屬層，該金屬層具有在金屬層上形成的納米陶瓷涂層；以及電路，其中，完全用無(wú)機(jī)材料諸如金屬，例如通過在金屬濺射而后進(jìn)行無(wú)電鍍金屬化或電鍍金屬化來(lái)構(gòu)造該電路。這樣的MSIV具有完全無(wú)機(jī)組分并且能夠在高于200℃的溫度下進(jìn)行操作。它們不受塑料材料所固有的熱降解所影響。無(wú)機(jī)MSIV在用作在例如半導(dǎo)體封裝、高溫電子器件、聚光型光伏器件、熱電能量收集、高亮度LED或工作在高環(huán)境溫度下的傳感器中使用的裝置的基板時(shí)可能是特別有利的。這些應(yīng)用通常需要從板的頂側(cè)到底側(cè)的通孔過孔連接。

又一方面可以提供一種形成具有如上所述的絕緣過孔的金屬基板(MSIV)的方法，該方法包括以下步驟：

提供金屬層，

通過金屬層的第一表面與第二表面之間的金屬層的厚度來(lái)限定通孔，

在金屬層的第一表面和第二表面中的至少一個(gè)上以及在通孔的內(nèi)壁上形成介電層，該介電層至少部分地通過金屬層的氧化來(lái)形成，用導(dǎo)電材料填充通孔以形成導(dǎo)電過孔，并且在介電層的一部分上形成電路，該電路與導(dǎo)電過孔電接觸和/或熱接觸。

又一個(gè)方面可以提供被合并或者安裝到根據(jù)以上任意方面的MSIV的裝置。與現(xiàn)有技術(shù)MSIV相比，根據(jù)本發(fā)明的MSIV具有更優(yōu)的介電性質(zhì)和導(dǎo)熱性質(zhì)，并且安裝到其上的裝置由于改進(jìn)的通過MSIV從裝置的部件的熱傳導(dǎo)而可以更有效地進(jìn)行操作。這樣的熱傳導(dǎo)可以通過MSIV上涂層的改進(jìn)的介電強(qiáng)度以及材料的改進(jìn)的導(dǎo)熱率的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中，MSIV上涂層的改進(jìn)的介電強(qiáng)度允許該涂層在提供電絕緣的同時(shí)可以更薄。

對(duì)于特定應(yīng)用，可以證明具有多層結(jié)構(gòu)的MSIV是有利的。例如，可以根據(jù)上文所述的任意方面或?qū)嵤┓绞絹?lái)形成MSIV，并且該MSIV隨后可以形成多層MSIV的基部。也就是說，另外的MSIV可以置于該MSIV的表面以形成多層結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式

現(xiàn)在將參考附圖來(lái)描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，其中：

圖1是實(shí)施本發(fā)明的MSIV的側(cè)剖視圖，MSIV包括具有絕緣過孔的金屬片，MSIV的絕緣由介電納米陶瓷層來(lái)提供。構(gòu)造在絕緣金屬層兩側(cè)上的電路通過導(dǎo)電過孔連接。

圖2是適合于在具有通孔過孔的金屬層上構(gòu)造納米陶瓷介電涂層的電解裝置的示意圖。

圖3是圖示出使用厚膜金屬化技術(shù)構(gòu)造MSIV的示意圖。

圖4是圖示出使用粘接銅技術(shù)構(gòu)造MSIV的示意圖。

圖5是圖示出通過金屬籽晶層和隨后的電鍍圖案鍍層的濺射使用直接金屬化構(gòu)造MSIV的示意圖。

圖6是具有絕緣通孔過孔的金屬基板的橫截面的SEM圖像。

圖7是具有納米陶瓷層和陽(yáng)極化介電層的絕緣金屬基板的橫截面的SEM圖像。

圖8是形成在鋁合金上的納米陶瓷涂層的X射線衍射(XRD)圖案。

圖1提供了實(shí)施本發(fā)明的具有絕緣過孔的金屬基板(MSIV)的示意性側(cè)視圖，MSIV包括在上表面和下表面上通過介電納米陶瓷層12絕緣的金屬層或片11。MSIV包括在位于金屬片11的相反側(cè)上的納米陶瓷層12的表面上構(gòu)造的電路13、14。介電納米陶瓷層提供使電路13和14的區(qū)域互連的導(dǎo)電通孔過孔15的表面的電絕緣。

金屬片可以具有在10微米與30,000微米之間的任何厚度。厚度由諸如熱容量、熱阻、機(jī)械強(qiáng)度的要求的范圍來(lái)確定。應(yīng)當(dāng)由以下金屬形成金屬層，該金屬能夠通過電化學(xué)轉(zhuǎn)變技術(shù)被處理以在金屬層的表面上形成納米晶體氧化層。這樣的金屬的示例包括鋁、鎂、鈦、鋯、鉭、鈹或這些金屬中的任何金屬的合金或金屬互化物。

如在GB專利GB2497063中所描述的，使用在膠體電解液中金屬到氧化物的電化學(xué)轉(zhuǎn)變的專有技術(shù)來(lái)涂敷納米陶瓷涂層12，該專利GB2497063的內(nèi)容通過引用被合并到本文中。納米陶瓷層的厚度可以從0.1微米到100微米變化，并且該厚度由MSIV的電絕緣要求諸如擊穿電壓來(lái)確定。

電路13和14被構(gòu)造在位于MSIV的相反側(cè)的納米陶瓷層的表面上。通過常規(guī)方法，諸如絲網(wǎng)印刷術(shù)、導(dǎo)電油墨噴墨印刷、無(wú)電鍍金屬化、電鍍金屬化、金屬箔的粘接、預(yù)制柔性電路的接合、金屬濺射、化學(xué)氣相沉積(CVD)金屬化以及物理氣相沉積(PVD)金屬化，或者這樣的方法的組合，形成電路。可以使用具有高金屬含量的印刷Ag或印刷Cu過孔填充材料或者通過鍍銅而在絕緣通孔內(nèi)構(gòu)造過孔的導(dǎo)電芯。

圖2圖示出適合于與在具有預(yù)先鉆出的通孔21的金屬層上形成納米陶瓷介電層的方法一起使用的典型電解設(shè)備。該設(shè)備包括容納電解質(zhì)溶液23的化學(xué)惰性槽22，例如由不銹鋼合金形成的槽。電解質(zhì)溶液23是堿性電解質(zhì)水溶液，例如氫氧化鈉或氫氧化鉀的水溶液，并且電解質(zhì)溶液23具有大于1mS cm^-1的導(dǎo)電率。電解液可以為包括固體顆粒的膠體電解液，其中這些固體顆粒中的一定比例具有低于100納米的顆粒大小。

期望在上面形成非金屬涂層的金屬層或片21電連接至脈沖電源24的第一輸出27。電極25’和25”連接至脈沖電源24的第二輸出28。兩個(gè)電極25’和25”被布置在金屬層21的任一側(cè)，以在金屬層的表面上以及在通過金屬層限定的通孔內(nèi)產(chǎn)生均勻電場(chǎng)。電極25’、25”和金屬層21被浸漬在槽22內(nèi)所容納的電解液溶液23中。脈沖電源24能夠供給具有交替極性的電脈沖，以使金屬層21相對(duì)于電極25’和25”電偏置。

注意到，應(yīng)當(dāng)期望多于兩個(gè)的電極可以被耦接至脈沖電源24的輸出。同樣，多于一個(gè)的金屬層可以同時(shí)被耦接至脈沖電源4的輸出，使得多于一個(gè)的金屬層可以在任何同一時(shí)間被涂覆。

圖2的設(shè)備還包括熱交換器26，電解液23通過該熱交換器26循環(huán)。熱交換器6允許電解液23在槽22內(nèi)循環(huán)，并且此外熱交換器26允許控制電解液的溫度。

示例1

圖3A至圖3C圖示出使用厚膜金屬化技術(shù)形成MSIV的具體實(shí)施方式所涉及的步驟。這樣的MSIV可以有利地用于例如半導(dǎo)體封裝。例如，這樣的MSIV可以用作LED表面安裝部件的金屬基板。

圖3A圖示出基部金屬層31，該基部金屬層31是0.5mm厚的鋁片(6061等級(jí))，其具有通過片從頂面到底面限定的直徑為0.2mm的通孔35。通過上述電化學(xué)過程來(lái)處理該鋁片，以在兩個(gè)表面上以及在通孔35的內(nèi)壁上產(chǎn)生納米陶瓷介電涂層32。在圖6中示出了該絕緣基板的SEM橫截面圖像。介電納米陶瓷層32均勻且連續(xù)地覆蓋兩個(gè)平坦表面以及通孔35的內(nèi)壁，而沒有裂縫或瑕疵。介電層的厚度是20微米，這提供了對(duì)應(yīng)于1300V DC的電絕緣。

如圖3B中所示，通過用Ag過孔填充材料填充絕緣通孔來(lái)形成過孔36。然后，通過絲網(wǎng)印刷術(shù)以及隨后的熱固化或光子固化(圖3C)在金屬層的兩側(cè)上構(gòu)造電路33和34。在介電納米陶瓷涂層上形成位于金屬片的相反側(cè)的電路區(qū)域，并且所述電路區(qū)域通過導(dǎo)電過孔36被電連接和熱連接，導(dǎo)電過孔36延伸通過金屬層，但是與金屬層電絕緣。

示例2

圖4A至圖4F圖示出使用粘接銅技術(shù)形成MSIV的具體實(shí)施方式所涉及的步驟。這樣的MSIV可以特別優(yōu)選地例如作為功率電子應(yīng)用的基板。

圖4A圖示出基部金屬層41，該基部金屬層41是具有直徑為0.3mm的通孔45的1mm厚鋁片(6082等級(jí))。通過上述電化學(xué)過程來(lái)處理該鋁片，以在兩個(gè)表面上以及在通孔45的內(nèi)壁上產(chǎn)生納米陶瓷介電涂層42。該介電納米陶瓷層的厚度是35微米，這提供了2000V DC的電絕緣。

如圖4B中所示，涂有4微米厚的環(huán)氧樹脂的35微米厚的銅箔47被粘接至絕緣片的兩側(cè)。然后，從通孔區(qū)域蝕刻掉銅箔(圖4C)?？梢酝糠蠊庵驴刮g劑掩膜以防止從金屬層的其它區(qū)域蝕刻掉銅箔。

如圖4D中所示，然后用可電鍍的Cu焊膏46填充通孔以形成導(dǎo)電過孔。隨后，將70微米厚的銅層電鍍地涂敷到金屬層的兩側(cè)上，因此導(dǎo)致金屬層的每側(cè)上銅層的總厚度達(dá)到105微米(圖4E)。最后，通過經(jīng)由適當(dāng)定位的光致抗蝕劑掩膜蝕刻該銅層而在基板的兩側(cè)上形成電路43和44，從而留下完全形成的MSIV(圖4F)。

示例3

圖5A至圖5F圖示出使用直接金屬化、通過濺射TiCu籽晶層和隨后的電鍍圖案鍍層來(lái)形成MSIV的具體實(shí)施方式所涉及的步驟。這樣的MSIV可以用于例如半導(dǎo)體封裝。例如，這樣的MSIV可以有利地用作高功率LED模片陣列的金屬基板。

圖5A圖示出基部金屬層51，該基部金屬層51是是0.5mm厚的鋁片(Al 6061等級(jí))，其具有通過片從頂面到底面限定的直徑為0.15mm的通孔。通過上述電化學(xué)過程來(lái)處理該鋁片，以在兩個(gè)表面上以及在通孔55的內(nèi)壁上產(chǎn)生納米陶瓷介電涂層52。該介電納米陶瓷層均勻且連續(xù)地覆蓋兩個(gè)平坦表面以及通孔內(nèi)部的表面，而沒有裂縫或瑕疵。介電納米陶瓷層的厚度是15微米，這提供了對(duì)應(yīng)于1000V DC的電絕緣。然后將TiCu籽晶層57涂敷于介電層的所有表面，包括通孔內(nèi)部的表面。利用TiCu的濺射來(lái)涂敷籽晶層(圖5B)。沉積該籽晶層達(dá)到2微米厚。然后將光致抗蝕劑掩膜涂敷于籽晶層(圖5C)，并且生長(zhǎng)基板被電鍍銅。鍍銅以在金屬層的兩側(cè)上產(chǎn)生70微米厚的層59(圖5D)。電鍍過程構(gòu)造了導(dǎo)電襯墊和跡線的區(qū)域，并且也用銅完全填充了該通孔，從而產(chǎn)生導(dǎo)電過孔56。隨后去除光致抗蝕劑掩膜(圖5E)，并且蝕刻籽晶層以完成在基板的兩側(cè)上形成電路53和54(圖5F)。

圖6是示出在形成絕緣過孔的金屬化前(圖6A)和在金屬化后(圖6B)金屬層的橫截面的SEM圖像，其中金屬層具有介電層形成的絕緣通孔。金屬層是具有20微米的納米陶瓷涂層62的0.5mm厚的Al片61，其中納米陶瓷涂層62在金屬層61的所有表面，包括通過該片限定的通孔63的內(nèi)壁上提供電絕緣。圖6A展示了納米陶瓷層均勻并連續(xù)地覆蓋金屬層61的兩個(gè)平坦表面和通孔的內(nèi)表面。圖6B展示了金屬化64完全填充通孔以形成導(dǎo)電過孔，以及用35微米厚的Cu層覆蓋基板的兩側(cè)上的所需區(qū)域，以產(chǎn)生電路。

圖7A是已使用本文所限定的納米陶瓷涂層而絕緣的通孔的橫截面的SEM圖像。相比之下，圖7B是相同尺度的SEM圖像，其示出了已經(jīng)通過金屬層的陽(yáng)極化被絕緣的通孔的等效部分。圖7A展示了均勻介電層71，其不具有物理瑕疵并且提供所需要的電絕緣。然而，圖7B以分層74的形式示出了陽(yáng)極化絕緣層73的多個(gè)瑕疵以及到達(dá)基部Al金屬層71的裂縫75。陽(yáng)極化涂層不能夠提供允許形成具有絕緣過孔的金屬基板的、通孔內(nèi)所需要的電絕緣。

圖8是形成在鋁合金上的納米陶瓷涂層的X射線衍射(XRD)圖案。圖層的XRD分析揭示了涂層的組分是氧化鋁，并且揭示了該涂層的平均晶體晶粒大小為40nm。對(duì)衍射峰的加寬的分析證實(shí)了晶體基本上是等軸的。根據(jù)謝樂公式(B.D.Cullity&S.R.Stock,Elements of X-Ray Diffraction,3^rd Ed.,Prentice-Hall Inc.,2011,p 167-171)基于XRD數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算平均晶體大小。