专利名称：低温烧结制备金属化陶瓷基板方法
技术领域：
本发明属于电子制造领域，特别涉及一种低温烧结制备陶瓷散热基板的方法。
背景技术：
随着三维封装技术发展和系统集成度提高，以大功率发光二极管(LED)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)、激光器(LD)为代表的功率型器件封装过程中，散热材料的选用成为关键的技术环节，并直接影响到器件的使用性能与可靠性。以大功率LED器件为例，由于输入功率的80% -90%转变成为热量(只有大约10% -20%转化为光能)，且LED芯片面积小，器件功率密度很大(大于lOOW/cm2)，因此散热成为大功率LED封装必须解决的关键问题。如果不能及时将芯片产生的热量导出并消散，大量热量将聚集在LED内部，芯片结温将逐步升高，一方面使LED性能降低(如发光效率降低、波长红移等)，另一方面将在LED封装体内产生热应力，引发一系列可靠性问题(如寿命、色温变化等)。对于电子封装而言，散热基板主要是利用其材料本身具有的高热导率，将热量从芯片导出，实现与外界的电互连与热交换。目前常用的散热基板主要包括MCPCB (金属核印刷电路板)、LTCC或HTCC (低温共烧陶瓷或高温共烧陶瓷基板)和金属化陶瓷基板等。但对于功率型电子器件封装而言，基板除具备基本的布线(电互连)功能外，还要求具有较高的导热、绝缘、耐热、耐压能力与热匹配性能。因此，常用的MCPCB基板难以满足功率型器件的封装散热要求；而对于LTCC和HTCC基板而言，由于内部金属线路层采用丝网印刷工艺制成，易产生线路粗糙、对位不精准、收缩比例问题，使用受到很大限制。而金属化陶瓷基板在导热、绝缘、耐压与耐热等方面性能优良，已成为功率型器件封装的首选材料，并逐渐得到了市场认可。常用的金属化陶瓷基板制备方法包括薄膜法、厚膜法、钼锰法、直接键合法(DBC)、 直接电镀法(DPC)等。其中，薄膜法采用蒸发或溅射工艺在陶瓷基板(Al2O3或AlN)上沉积金属层，由于金属层厚度较小，导电载流能力有限；厚膜法是将金属粉末与玻璃粉压接在一起，烧结后粘附到陶瓷上，导电性较差，并且由于金属粉颗粒的直径较大(平均粒径大于 10 μ m)，烧结温度较高(一般大于800°C)；钼锰法则采取在陶瓷基板上沉积金属钼或锰层， 虽然可提高电导率，但由于金属层厚度较薄(小于25 μ m)，限制了基板的电流通过能力。现有DBC基板制备工艺流程如
图1所示。DBC基板由陶瓷片和铜层(厚度大于0. Imm)在高温下共晶烧结而成，最后根据布线要求，以刻蚀方式形成线路。由于铜片具有良好的导电、导热能力，而氧化铝能有效控制Cu-Al2O3-Cu复合体的膨胀，使DBC基板具有近似氧化铝的热膨胀系数(CTE)，因此，DBC具有导热性好、绝缘性强、可靠性高等优点。其不足主要体现在两个方面1)工艺温度高(1065°C )，氧化铝与铜层间容易产生微气孔，影响了产品的合格率与抗热冲击性，因此对设备和工艺控制要求较高，生产成本高；2)由于铜层较厚并涉及化学腐蚀工艺，DBC基板上金属图形的最小线宽一般大于150 μ m。DPC基板则利用真空镀膜方式在陶瓷片上溅射铜作为种子层，接着以光刻、显影、刻蚀工艺完成线路制作，最后再以电镀/化学镀方式增加线路厚度，去除光刻胶后完成基板制作。由于DPC工艺温度仅需300-400°C左右，完全避免了厚膜法、DBC制作过程中高温对材料破坏或尺寸变形的影响，具有工艺温度低、成本低、线路精细等优点，非常适合对准精度要求较高的大功率LED封装要求。但DPC基板也存在一些不足1)电镀沉积铜层厚度有限，沉积速度慢，且电镀废液污染大；2)金属铜与陶瓷间的结合强度较低，产品应用时可靠性较低。几种金属化陶瓷基板制备方法比较如下
权利要求
1.一种低温烧结制备金属化陶瓷基板方法，首先将纳米金属粉配制成纳米金属膏；然后通过丝网印刷工艺，将纳米金属膏印刷在陶瓷基板表面形成金属膏层，最后在 300°C-400°C下烧结，得到单面或双面含金属层的陶瓷基板。
2.如权利要求1所述的一种低温烧结制备金属化陶瓷基板方法，其特征在于，所述纳米金属粉直径为Ι-lOOnm，优选值为5-30nm。
3.如权利要求1所述的一种低温烧结制备金属化陶瓷基板方法，其特征在于，所述纳米金属粉为纳米铜粉或纳米银粉。
4.如权利要求1至3中任一所述的一种低温烧结制备金属化陶瓷基板方法，其特征在于，配制纳米金属膏所用材料为3-10Wt%乙基纤维素，l-5wt%三乙醇胺或卵磷脂，余量为松油醇，三者充分混合溶解。
5.如权利要求1至3中任一所述的一种低温烧结制备金属化陶瓷基板方法，其特征在于，所述纳米金属膏中金属粉含量为60-90% Wt0
6.如权利要求1至3中任一所述的一种低温烧结制备金属化陶瓷基板方法，其特征在于，所述陶瓷基板为氧化铝、氮化铝、氧化铍或碳化硅。
7.如权利要求1至3中任一所述的一种低温烧结制备金属化陶瓷基板方法，其特征在于，所述金属膏层厚度为50-500微米，优选值为100-300微米。
全文摘要
本发明提供了一种低温烧结制备金属化陶瓷基板的方法。首先将纳米金属粉与有机物混合均匀，得到纳米金属膏；然后通过丝网印刷工艺，将纳米金属膏印刷在陶瓷基板表面形成金属膏层，最后在一定的温度和气氛环境下烧结，得到单面或双面带金属层的金属化陶瓷基板。由于纳米尺度效应，可以在较低温度下烧结实现金属-陶瓷间高强度键合。与现有厚膜法(金属颗粒直径为微米级)和DBC(直接键合铜-陶瓷基板)工艺相比，本方法工艺温度低，基板性能高(附着力大、热应力小)，特别适合于批量制备金属化陶瓷基板。
文档编号C04B41/88GK102503579SQ20111031012
公开日2012年6月20日 申请日期2011年10月13日 优先权日2011年10月13日
发明者陈明祥 申请人:华中科技大学