专利名称：一种基于电子浆料的敷铜陶瓷基板制造方法
技术领域：
本发明涉及一种基于电子浆料的敷铜陶瓷基板制造方法，属于微电子封装技术领 域。
背景技术：
在功率电子领域，典型功率电路应用主要包括功率半导体模块、DC/DC变换器、光 镇流器、电机驱动控制器、汽车控制系统等。各种功率电路的额定电流值不等，变化幅度可 以从数安培到数百安培乃至数千安培，这就造成了各类功率电路功能要求的千差万别。现 代微电子封装几乎都在基板上进行或与基板相关。随着新型高密度封装形式的出现，电子 封装的许多功能，如电气连接、物理保护、应力缓和、散热防潮、尺寸过渡、规格化和标准化 等正逐步部分或全部由基板来承担。基板在散热过程中起到了最重要的作用，如果基板的 散热性能不好，就会导致印刷电路板上的元器件过热，从而使整机可靠性下降，甚至失效。 除了承担热耗散外，基板还必须具有与Si、GaAs相匹配的热膨胀系数(CTE)以减小芯片与 基板之间的热应力，较好的电绝缘性和较低的介电常数以便适用于高频电路，减小时间延 迟。在此背景下，一直处于主导地位的PCB基板显然不能满足上述要求，特别在散热要求 上，必须选用热导率高的基板材料，于是陶瓷基板就进入首选行列。在实用的陶瓷基板材料中，氧化铝价格较低，从机械强度、绝缘性、导热性、耐热 性、耐热冲击性、化学稳定性等方面考虑其综合性能最好，作为基板材料使用最多，其加工 技术与其他材料相比也最先进。美国Lamina Ceramics、德国Curmilk等公司已将陶瓷基板 应用于大功率LED芯片封装之中，由于该基板上集成了共晶焊层、静电保护电路、驱动电路 及控制补偿电路，不仅结构简单，而且由于材料热导率高，热界面少，大大提高了散热性能， 为大功率LED阵列封装提出了解决方案。目前在工业上实现金属和陶瓷键合的方法主要有厚膜法及钼锰法。厚膜法是将贵 重金属的细粒通过压接在一起而组成，再由熔融的玻璃粘附到陶瓷上，因此厚膜的导电性 能比金属铜差。钼锰法工艺较成熟，钼锰浆料中的一些金属颗粒被湿氢中的水分氧化，作为 活化剂的锰被氧化成氧化锰，一部分扩散到陶瓷的内表面与陶瓷中的某些氧化物形成玻璃 相，一部分形成中间层，在陶瓷和金属化层相互扩散实现陶瓷和金属化层良好的附着力。但 是这种方法所形成的中间层较厚，热阻较大，在大功率电路、功率模块等领域中不利于迅速 散热，而且通过钼锰法形成的金属层厚度往往很薄，小于25 μ m,这就限制了大功率模块组 件的耐浪涌能力。近年来出现的氧化铝直接敷铜(DBC)基板综合了铜与氧化铝陶瓷的优异 性能，而应用于大功率器件中。DBC基板的敷接原理是在敷接过程前或过程中在铜与陶瓷之 间引入适量的氧元素，在1065° C 1083° C范围内，铜与氧形成Cu - 0共晶液。DBC技术 利用该共晶液，一方面与陶瓷化学反应生成中间相(CuAlO2或CuAl2O4),另一方面浸润铜箔 实现氧化铝陶瓷基板与铜板的结合。因此在其制备过程中关键因素是氧元素的引入，但是 直接控制氧含量在工业生产中很难做到。
发明内容
为了克服现有直接敷铜技术所存在的上述不足，本发明要解决的技术问题是提供 一种可间接控制界面氧含量、金属图形化方便、低成本的敷铜陶瓷基板生产方法。一种基于电子浆料的敷铜陶瓷基板制造方法，其特征在于包括以下步骤
(1)、制备氧化亚铜油系电子浆料将75.75^83. 9重量份功能相、15.广22. 73重量份有 机载体、0. 5^0. 76重量份触变剂、0. 5^0. 76重量份润湿剂混合均勻后，经球磨，制得浆料， 粘度为 45Pa · s IOOPa · s ；
制备氧化亚铜水系电子浆料将48. 7飞5. 5重量份功能相、33. 2、9. 4重量份有机载 体、0. 65、. 95重量份触变剂、0. 65、. 95重量份润湿剂混合均勻后经球磨，制得浆料，粘度 为 0.IPa · s IOPa · s ；
(2)、取步骤(1)制备的氧化亚铜油系或水系电子浆料，通过旋转涂覆或丝网印刷的方 式，在陶瓷基板表面形成厚度为5(Γ120 μ m的涂层，涂覆厚度可根据旋转速度及网板厚度 调整；
(3)、取步骤(2)制备的陶瓷基板，经高温烧结、还原处理，在氧化铝陶瓷表面获得铜
层；
(4)、制备电镀液将15 16重量份五水合硫酸铜、5飞重量份浓硫酸、0.4重量份葡萄 糖、77. 6^79. 6重量份蒸馏水混合均勻后备用；
制备化学镀液将1. 5重量份五水合硫酸铜、1. 5重量份36%甲醛溶液、1. 4重量份氢氧 化钠、1. 2重量份酒石酸钾钠、2重量份EDTA-2Na、0. 015重量份亚铁氰化钾、0. 05重量份聚 乙二醇、92. 34重量份蒸馏水混合均勻后备用；
(5)、取步骤(3)制备的陶瓷基板，采用步骤(4)制备的电镀液进行电镀或采用化学镀 液进行化学镀，即可获得界面致密，表面光滑的敷铜陶瓷基板。前述的基于电子浆料的敷铜陶瓷基板制造方法，其特征在于氧化亚铜油系电子浆 料所采用的功能相为氧化亚铜粉末；有机载体为57重量份松油醇、28. 5重量份丁基卡必醇 醋酸酯、9. 5重量份邻苯二甲酸二丁酯及5重量份乙基纤维素的混合液；触变剂为氢化蓖麻 油、油酸、鱼油；润湿剂为聚乙二醇；
氧化亚铜水系电子浆料所采用的功能相为氧化亚铜粉末；有机载体为5重量份5%聚乙 烯醇水溶液、1. 32重量份邻苯二甲酸二丁酯以及93. 68重量份蒸馏水的混合液；触变剂为 氢化蓖麻油、油酸、鱼油；润湿剂为聚乙二醇；
前述的基于电子浆料的敷铜陶瓷基板制造方法，其特征在于氧化亚铜粉末粒径为 6 10 μ m0
前述的基于电子浆料的敷铜陶瓷基板制造方法，其特征在于所述的陶瓷基板的材料是 氧化铝、氧化硅、氮化硅、氮化铝、玻璃。前述的基于电子浆料的敷铜陶瓷基板制造方法，其特征在于步骤(3)的具体工 艺是将基板放入管式电炉中，在空气下加热至1150° C，烧结2小时并随炉冷却，实现涂 覆层与陶瓷之间的有效结合。待烧结试样冷却至室温后，将管式炉腔抽成真空，并加热至 600° (，在H2+N2 (流量比为1 2)气氛下还原2小时。采用电镀或化学镀方法，制备的成品性能差别在于采用电镀铜技术，镀层较厚， 最高可实现150 μ m的铜层；采用化学镀铜技术，镀层较薄，表面平整度高。与目前所用的DBC成形工艺相比，本发明无需大型设备，工艺简单、原料价格低、降低成本、成品率达到 99%以上，界面氧含量得到有效地控制，金属图形化方便，表面光洁度高，特别是基板界面铜 层致密连续，且厚度可控，使功率电子器件工作更加稳定。
图1为本发明实例1制备样品高温烧结后界面物相分析 图2为本发明实例1制备样品表面微观形貌；
图3为本发明实例1制备样品界面微观形貌； 图4为本发明实例2制备样品表面线路图形。
具体实施例方式本发明以下的实施例所采用氧化亚铜粉末、松油醇、丁基卡必醇醋酸酯、乙基纤维 素、氢化蓖麻油、聚乙二醇、邻苯二甲酸二丁酯、聚乙烯醇、五水合硫酸铜、浓硫酸、葡萄糖、 甲醛、氢氧化钠、酒石酸钾钠、亚铁氰化钾都是通过市场获得。实施例1
步骤1 制备氧化亚铜水系电子浆料将粒径为6 μ m的氧化亚铜粉末(分析纯)53. 6重 量份、5%聚乙烯醇水溶液44. 3重量份、邻苯二甲酸二丁酯0. 5重量份、氢化蓖麻油0. 8重量 份和聚乙二醇0. 8重量份混合，并在行星式球磨机上球磨2小时，获得氧化亚铜水系电子浆 料，粘度为IPa · S。步骤2 将96氧化铝陶瓷片放入乙醇溶液中，并在超声波清洗器中超声清洗30分 钟，取出晒干；随后在涂层机上通过旋转涂覆将步骤1制备的氧化亚铜水系电子浆料均勻 悬涂在氧化铝陶瓷表面，旋涂速度为500转/分，获得涂层厚度为50 μ m。步骤3 将步骤2所制备的涂层基板放入管式电炉中，在空气下加热至1150° C， 烧结2小时并随炉冷却，从而在涂层与陶瓷界面生成一层厚度为1(Γ20 μ m的CuAlO2过渡 层，如图1所示，此过程与DBC技术相似，只不过界面处的氧含量引入不是通过外界气氛，而 是通过氧化亚铜中的氧元素引入，从而实现了涂层与陶瓷之间的有效结合。待烧结试样冷 却至室温后，将管式炉腔抽成真空，并加热至600° (，在吐+队(流量比为1 :2)气氛下还原 2小时。步骤4 将五水合硫酸铜15. 6重量份、浓硫酸5. 9重量份、葡萄糖0. 4重量份加入 到蒸馏水78. 1重量份中，搅拌均勻，制备酸性硫酸铜溶液。将纯铜片作为阳极，步骤3所制 得的基板样品作为阴极，设置直流电源为5A/dm2，并在集热式恒温加热磁力搅拌器中施镀 30分钟，环境温度为40° C。制得的敷铜陶瓷基板界面如图3所示，界面铜层致密，厚度达 80 μ m，其表面形貌如图2所示，表面平整光滑，无孔洞的存在，成品率达到90%。实施例2
步骤1 制备氧化亚铜油系电子浆料将丁基卡必醇醋酸酯4. 63重量份、松油醇9. 27 重量份、邻苯二甲酸二丁酯1. 54重量份、乙基纤维素0. 81重量份、氢化蓖麻油1. 22重量 份、聚乙二醇1. 22重量份及粒径为10 μ m的氧化亚铜粉末81. 3重量份充分混合、搅拌，得 到氧化亚铜油系电子浆料，球磨，制得浆料，粘度为60Pa · s。步骤2 通过300目丝网，在96氧化铝陶瓷表面利用步骤1制备的氧化亚铜浆料印刷出电路图形，印刷厚度可根据网板厚度调整。步骤3 将步骤2所制备的印刷基板进行烧结还原，与实例1的步骤3完全相同， 电路图形如图4所示。步骤4 将步骤3所制基板进行电镀处理，与实例1的步骤4完全相同，所得铜层 厚度达120 μ m。实施例3
步骤1 制备氧化亚铜油系电子浆料，制备过程与实例2的步骤1完全相同。步骤2 通过丝网印刷在氧化硅陶瓷表面形成电路图形，印刷过程与实例2的步骤 2完全相同。步骤3 将步骤2所制备的印刷基板进行烧结还原，与实例1的步骤3完全相同。步骤4 将五水合硫酸铜1. 5重量份、36%甲醛溶液1. 5重量份、氢氧化钠1. 4重量 份、酒石酸钾钠1. 2重量份、EDTA-2Na 2重量份、亚铁氰化钾0. 015重量份、聚乙二醇0. 05 重量份加入到92. 34重量份蒸馏水中，搅拌均勻，制备化学镀液。随后将步骤3制得的基板 样品悬挂在镀液中，在集热式恒温加热磁力搅拌器中施镀1小时，施镀过程中不断鼓入空 气，控制温度50° C。制得的敷铜陶瓷基板界面铜层致密，厚度达90 μ m，且表面平整光滑。实施例4至6所采用的材料以及制备方法如下表，除表1的内容之外，其余内容与 实施例1的内容相同。
权利要求
1.一种基于电子浆料的敷铜陶瓷基板制造方法，其特征在于包括以下步骤(1)、制备氧化亚铜油系电子浆料将75.75^83. 9重量份功能相、15.广22. 73重量份有 机载体、0. 5^0. 76重量份触变剂、0. 5^0. 76重量份润湿剂混合均勻后，经球磨，制得浆料， 粘度为 45Pa · s IOOPa · s ；制备氧化亚铜水系电子浆料将48. 7飞5. 5重量份功能相、33. 2、9. 4重量份有机载 体、0. 65、. 95重量份触变剂、0. 65、. 95重量份润湿剂混合均勻后经球磨，制得浆料，粘度 为 0. IPa · s IOPa · s ；(2)、取步骤(1)制备的氧化亚铜油系或水系电子浆料，通过旋转涂覆或丝网印刷的方 式，在陶瓷基板表面形成厚度为5(Γ120 μ m的涂层，涂覆厚度可根据旋转速度及网板厚度 调整；(3)、取步骤(2)制备的陶瓷基板，经高温烧结、还原处理，在氧化铝陶瓷表面获得铜层；(4)、制备电镀液将15 16重量份五水合硫酸铜、5飞重量份浓硫酸、0.4重量份葡萄 糖、77. 6^79. 6重量份蒸馏水混合均勻后备用；制备化学镀液将1. 5重量份五水合硫酸铜、1. 5重量份36%甲醛溶液、1. 4重量份氢氧 化钠、1. 2重量份酒石酸钾钠、2重量份EDTA-2Na、0. 015重量份亚铁氰化钾、0. 05重量份聚 乙二醇、92. 34重量份蒸馏水混合均勻后备用；(5)、取步骤(3)制备的陶瓷基板，采用步骤(4)制备的电镀液进行电镀或采用化学镀 液进行化学镀，即可获得界面致密，表面光滑的敷铜陶瓷基板。
2.根据权利要求1所述的基于电子浆料的敷铜陶瓷基板制造方法，其特征在于氧化亚 铜油系电子浆料所采用的功能相为氧化亚铜粉末；有机载体为57重量份松油醇、28. 5重量 份丁基卡必醇醋酸酯、9. 5重量份邻苯二甲酸二丁酯及5重量份乙基纤维素的混合液；触变 剂为氢化蓖麻油、油酸、鱼油；润湿剂为聚乙二醇；氧化亚铜水系电子浆料所采用的功能相为氧化亚铜粉末；有机载体为5重量份5%聚乙 烯醇水溶液、1. 32重量份邻苯二甲酸二丁酯以及93. 68重量份蒸馏水的混合液；触变剂为 氢化蓖麻油、油酸、鱼油；润湿剂为聚乙二醇。
3.根据权利要求2所述的基于电子浆料的敷铜陶瓷基板制造方法，其特征在于氧化亚 铜粉末粒径为6 10 μ m。
4.根据权利要求1所述的基于电子浆料的敷铜陶瓷基板制造方法，其特征在于所述的 陶瓷基板的材料是氧化铝、氧化硅、氮化硅、氮化铝、玻璃。
5.根据权利要求1所述的基于电子浆料的敷铜陶瓷基板制造方法，其特征在于步骤 (3)的具体工艺是将基板放入管式电炉中，在空气下加热至1150° C，烧结2小时并随炉冷 却，实现涂覆层与陶瓷之间的有效结合；待烧结试样冷却至室温后，将管式炉腔抽成真空， 并加热至600° (，在H2和N2气氛下还原2小时。
6.根据权利要求5所述的基于电子浆料的敷铜陶瓷基板制造方法，其特征在于吐和N2 的流量比为1 :2。
全文摘要
本发明涉及一种基于电子浆料的敷铜陶瓷基板制造方法，属于微电子封装技术领域。将以氧化亚铜粉体为原料制备的油系或水系电子浆料涂覆在陶瓷基板表面形成厚度为80~120μm的涂层；经高温烧结、还原处理，在氧化铝陶瓷表面获得铜层；采用电镀或者化学镀的方式加工获得的基板，即可获得界面致密，表面光滑的敷铜陶瓷基板。本发明工艺简单，无需大型设备，原料便宜、成本低、成品率可高达90%以上，界面氧含量可以通过氧化亚铜粉的含量和烧结气氛调节，金属图形化方便，表面光洁度高，特别是基板界面铜层致密连续，且厚度可控，使功率电子器件工作更加稳定。
文档编号C04B41/88GK102060573SQ20101056523
公开日2011年5月18日 申请日期2010年11月30日 优先权日2010年11月30日
发明者井敏, 俞晓东, 傅仁利, 宋秀峰, 李冉 申请人:南京航空航天大学