一种功率器件模块封装用陶瓷基板的金属化方法
【专利摘要】本发明公开了一种功率器件模块封装用陶瓷基板的金属化方法，包括步骤：清洗待加工的陶瓷基板，除去该陶瓷基板表面的杂质和污垢；在陶瓷基板表面制作掩膜，该掩膜在激光辐照下会分解气化；激光直写电路，在陶瓷基板上形成电路层，利用激光在敷有掩膜的陶瓷基板上直接写出所需要的电路图形；镀金属膜层，在激光直写出电路的带掩膜陶瓷基板上镀金属膜层；除去掩膜，使在掩膜上形成的金属膜层与陶瓷基板相剥离；在电路层上镀金属加厚层；在金属加厚层上镀金属保护层，完成陶瓷基板的金属化加工。本发明在敷有掩膜的陶瓷基板上通过激光直写出电路，精度高、速度快、可重复性好、且能够在非平面的立体陶瓷上实现，减小了工艺成本，并且更环保。
【专利说明】
一种功率器件模块封装用陶瓷基板的金属化方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及功率器件、模块(包括LED和激光器)封装领域，特别是涉及高导热系数陶瓷封装基板金属化领域。尤其指一种在陶瓷基板上获得高精细度、物理性能稳定的导电电路的金属化方法。
【背景技术】
[0002]随着电子和光电功率器件功率和集成度的不断提高，功率器件和模块的散热问题愈发突出，如何有效地将器件和模块散发的热量及时地导出散掉是带给封装领域的新挑战。陶瓷基板材料以其优良的导热性、气密性好、绝缘性好、高频特性突出、化学稳定性佳、热稳定性强等诸多优点，广泛应用于大功率LED/LD、功率电子、电子封装、混合微电子与多芯片模块等领域。陶瓷表面金属化是陶瓷封装应用领域重要的步骤，高质量的金属化陶瓷基板应该具有闻热导率和大电流负载能力，能够适用闻温、闻压、闻磨损和强腐蚀的恶劣工作环境，以满足功率器件和模块封装应用于各种场合的应用要求。
[0003]目前陶瓷基板表面金属化的方法众多，总结出来主要有以下几大类:
1、厚膜法(含低温共烧法LTTC和高温共烧法HTTC)。厚膜法金属化技术一般采用含玻璃料的糊剂或印色，在陶瓷基板上通过丝网印刷形成封接用金属层、导体(电路布线)及电阻等，经烧结形成钎焊金属层、电路及引线接点等。厚膜浆料一般由粒度为I?5Mm的金属粉末，添加百分之几的玻璃粘结剂，再加有机载体(包括有机溶剂、增稠剂和表面活性剂等)经球磨混练而成，厚膜浆料不仅要有低的电阻，而且要与基片有良好的键合强度。厚膜法优点在于工艺简单，可做多层电路、适于自动化和多品种小批量生产，设备一次性投入不大。其缺点是玻璃相的存在大大增加了热阻。结合强度尚不够高，特别是高温结合强度低，且受温度影响大。
[0004]2、直接敷铜法(DBC)。直接敷铜技术是利用铜的含氧共晶液直接将铜敷接在陶瓷上，其基本原理就是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1070°C左右范围内，铜与氧形成Cu-O共晶液，DBC技术利用该共晶液一方面与陶瓷基板发生化学反应生成复合物相，另一方面浸润铜箔实现陶瓷基板与铜板的结合。DBC基板在制备过程中没有使用黏结剂，因而导热性能好，强度高，绝缘性强，可以得到很厚的金属电极。然而DBC对工艺温度精准度要求十分严苛，若生产工艺的温度不够稳定，势必会造成良率偏低的现象。而DBC虽以微影工艺备制金属线路，但因其工艺能力限制，金属铜箔厚度的下限约在150um左右，这使得其金属线路的分辨率上限亦仅为150左右(以深宽比1:1为标准)，对精细电路来说DBC金属化方法难以胜任
3、直接镀铜法(DPC)。专利CN101460014A公开的DPC技术中首先将陶瓷基板做前处理清洁，利用薄膜专业制造技术一真空镀膜方式于陶瓷基板上溅镀结合于铜金属复合层，接着以黄光微影之光阻被复曝光、显影、蚀刻、去膜工艺完成线路制作，最后再以电镀/化学镀沉积方式增加线路的厚度，待光阻移除后即完成金属化线路制作，其工艺结合材料与薄膜工艺技术，其产品为近年最普遍使用的陶瓷散热基板。然而其工艺复杂度较高(数十道工艺)，对工艺技术整合能力要求较高，这使得跨入DPC产业并能稳定生产的技术门槛和一次性设备投入门槛均相对较高。
[0005]4.激光加工金属化方法。激光加工金属化方法布线精度高，效率高，可重复性好，且能避免光刻显影图形化电路等步骤。专利CN203261570U公开了一种在立体陶瓷上直接通过激光加工获得活化层，再通过电镀或化学镀方法加厚金属电路。该方法能通过较少的工艺步骤获得金属化陶瓷。其缺点是在陶瓷上直接通过电镀化学镀所得到的金属电路与陶瓷基板粘附性相对较差，难以满足大功率器件模块封装需求。
[0006]专利CN103094126A公开了一种陶瓷元器件细微立体导电线路的制备方法。先在陶瓷表面真空溅镀一层金属薄膜，然后利用激光对金属化部分进行有选择地去除，之后采用电镀加厚技术。该方法成本低、布线精度高、可实现立体电路。然而有些陶瓷如高热导系数的氮化铝陶瓷基板在激光加工过程中会在激光扫过区域形成一层铝金属层，很难实现有选择地去除。此方法不能实现完全离散、即不相互连通的电路加厚，且需要用到化学刻蚀步骤不够环保。因此，有必要开发实用性更强、适用性更广、工艺复杂度和成本更低的陶瓷基板金属化方法。
【发明内容】
[0007]本发明要解决的技术问题是提供一种功率器件模块封装用陶瓷基板的金属化方法，通过在陶瓷基板上敷设掩膜，然后利用激光直写电路，精度高、速度快、可重复性好、且能够在非平面的陶瓷基板上实现。
[0008]为了解决上述技术问题，本发明采取以下技术方案:
一种功率器件模块封装用陶瓷基板的金属化方法，包括以下步骤:
清洗待加工的陶瓷基板，除去该陶瓷基板表面的杂质和污垢；
在陶瓷基板表面制作掩膜，该掩膜在激光辐照下会分解气化；
激光直写电路，在陶瓷基板上形成电路层，利用激光在敷有掩膜的陶瓷基板上直接写出所需要的电路图形；
镀金属膜层，在激光直写出电路的带掩膜陶瓷基板上镀金属膜层；
除去掩膜，使在掩膜上形成的金属膜层与陶瓷基板相剥离；
在电路层上镀金属加厚层；
在金属加厚层上镀金属保护层，完成陶瓷基板的金属化加工。
[0009]所述镀金属加厚层为在电镀滚筒内进行电镀加厚或化学镀加厚。
[0010]所述金属加厚层选用的金属材料为铜和/或镍。
[0011]所述金属保护层选用的金属材料为银或金。
[0012]所述掩膜由喷涂在陶瓷基板表面的感光油墨或光刻胶形成。
[0013]所述除去掩膜时将陶瓷基板放入碱性溶液中。
[0014]所述镀金属膜层时优选采用真空镀方式。
[0015]所述金属膜层的厚度为0.5?2微米。
[0016]所述金属膜层选用的金属材料为钛和镍的组合，或者钛和铜的组合，或者镍，或者铜。
[0017]本发明与现有技术相比具有以下有益效果: 1、采用激光直写的方式在敷设有掩膜的陶瓷基板上直接写出电路，可以避免光刻显影等步骤，并获得精细度很高的电路图形，减少了工艺步骤，简化了工艺步骤，减小工艺成本。
[0018]2、在激光直写电路的过程中，被激光扫描过的陶瓷基板表面会被活化，在活化之后再镀金属膜层能够有效增大金属电路层与陶瓷基板的粘附结合力，获得的金属化陶瓷基板的布线精度高、金属与陶瓷粘附结合力强。
[0019]3、在电镀加厚电路金属层的步骤中选用滚镀或者化学镀工艺，可以在完全离散(完全不连通)的电路上加厚金属电路层，且获得的电路层表面均匀平滑。
[0020]4、采用高导热的陶瓷材料作为功率器件模块封装基板，散热性能好、机械强度高、化学稳定性和热稳定性均佳
此外，本发明所提供的金属化方法还可以在非平面的立体陶瓷表面实施。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]附图1为本发明流程原理示意图；
附图2为敷设有掩膜的陶瓷基板剖面结构示意图；
附图3为通过激光直写电路的陶瓷基板剖面结构示意图；
附图4为在陶瓷基板镀金属膜层后的剖面结构示意图；
附图5为将陶瓷基板去除掩膜后的剖面结构示意图；
附图6为镀金属加厚层后的陶瓷基板剖面结构示意图；
附图7为镀金属保护层后加工完成的陶瓷基板剖面结构示意图。
【具体实施方式】
[0022]为了便于本领域技术人员的理解，下面结合附图对本发明作进步的描述说明。
[0023]如附图1所示，本发明揭示了一种功率器件模块封装用陶瓷基板的金属化方法，包括以下步骤:
步骤1，清洗待加工的陶瓷基板，除去该陶瓷基板表面的杂质和污垢。陶瓷基板具有高导热系数，各类型的陶瓷基板均适用。根据陶瓷基板的不同类型，被激光扫描的同时陶瓷基板上被扫描的区域会被活化或者形成金属层。清洗时，可用丙酮酒精清洗，再用清水浸泡在超声波仪器中超声清洗5?8分钟，然后将陶瓷基板吹干，以待下一步骤顺利进行。当然，还可以采用其他溶液进行清洗，能够有效地将陶瓷基板表面的杂质和污垢去除，具体的清洗为公知常识，在此不再进行详述。
[0024]步骤2，在陶瓷基板表面制作掩膜，该掩膜在激光辐照下会分解气化，且易于后续撕除。本实施例中，选用感光油墨制作掩膜，或者或光刻胶形成掩膜。在陶瓷基板表面喷涂感光油墨形成掩膜。掩膜可以是由一种材料构成。为了达到不同的应用需求，掩膜也可以是由多层不同的材料构成，掩膜需要保证能够在激光的辐照下会被分解气化。掩膜的厚度可以根据电路所需要金属层厚度而定，一般从一微米到数十微米均可制作。此外，掩膜可以为一层、两层或者更多层，根据具体需求而定，在此并无限定。如附图2所示，陶瓷基板10的表面敷设掩膜20。
[0025]步骤3，激光直写电路，在陶瓷基板上形成电路层，利用聚集的激光在敷有掩膜的陶瓷基板上直接写出所需要的电路图形。陶瓷基板上被激光写过的部分区域，掩膜材料会被分解气化掉，使得电路被写在陶瓷基板上，并且根据不同类型的陶瓷基板，受激光扫描过的陶瓷基板会被活化或者直接形成一层金属导电层，有利于后期加厚电路层与陶瓷基板的附着力。没有被激光扫描的区域，则掩膜依然贴附在陶瓷基板表面。如附图3所示，陶瓷基板10受激光直写的区域，掩膜20被分解气化，并且在陶瓷基板10表面形成电路层30，其他区域的掩摸因没有受到激光的扫描辐照，则不会被分解气化。在选用激光时，可采用波长为355nm、峰值功率5W的紫外激光器。当然，激光器的波长和功率根不局限于以上所列举参数，波长从红外到紫外均可，峰值功率在IW到数十瓦均可。
[0026]步骤4，镀金属膜层，在激光直写出电路的带掩膜陶瓷基板上镀金属膜层。优选采用真空镀的方式进行金属膜层的电镀，如真空溅射、真空蒸镀、电子束蒸发等方式，该金属膜层选用的金属材料为钛和镍的组合、钛和铜的组合、单独镍或单独铜。金属膜层的厚度在
0.5?2微米之间，如可以为0.5微米，或者I微米，或者1.5微米，或者2微米，具体的厚度根据实际需要进行灵活设定。当然，也还可以采用其他金属进行金属膜层的电镀，以上的列举并非是限定。在本实施例中，通过电子束蒸发在陶瓷基板上真空蒸镀一层0.8微米左右厚度的镍金属膜层。如附图4所示，由于是对陶瓷基板10的表面进行金属膜层的电镀，因此在电路层30上形成金属膜层40，以及在未被分解气化的掩膜20上也形成有金属膜层40。
[0027]步骤5，除去掩膜，使在掩膜上形成的金属膜层与陶瓷基板相剥离。在本实施例中，如附图5所示，掩膜优选用感光油墨构成，在陶瓷基板10上喷涂感光油墨形成掩膜20，将陶瓷基板10放入碱性溶液(如NaOH、丙酮溶剂)中，由感光油墨形成的掩膜20遇到碱性溶液后会被去除，从而使得在步骤4中镀在掩膜20上的金属膜层40从陶瓷基板10上剥离脱落，使得陶瓷基板10上只留镀有金属膜层40的电路层30，待掩膜20及其上的金属膜层40完全去除后将陶瓷基板放入清水中洗净。需要说明的是，以上列举的将掩膜的材料选为感光油墨，并非是限定。除了感光油墨之外，掩膜还可以用如步骤2中所述的只要能够遇激光时被分解气化的材料即可。当选用其他材料形成感光油墨时，此时只需要从现有技术中选用能够溶解掉该对应材料的相应溶液即可，保证陶瓷基板放置在相应的溶液中能够顺利去除掩膜，使得掩膜上的金属膜层与陶瓷基板相剥离。当然，也还可以采用其他能够被本领域技术人员所公知的手段来去除掩膜，在此不一一详述。
[0028]步骤6，在电路层上镀金属加厚层。优选采用铜或者镍，或者是铜和镍的组合。并且采用滚镀方式进行电镀，将陶瓷基板放入滚镀设备的滚筒内，通过电镀的方式加厚上述已经被镀上金属膜层的电路层。根据具体应用需求，该金属加厚层的厚度在数微米至数十微米均可。在本实施例中，如附图6所示，作为一种优选方案，可以选用先镀一层铜再镀一层镍的方式，先将步骤5得到的陶瓷基板10放入滚镀设备的滚筒内镀厚度为20微米的铜层，再将该陶瓷基板放入另一滚镀设备的滚筒内镀厚度为5微米的镍层，从而形成金属加厚层50。这样做的目的是方便后续镀上保护金属层。当然，先镀的铜层和后镀的镍层的具体厚度还可以为其他数值，铜层一般在15微米以上为较佳，镍层则在2微米以上为较佳。需要说明的是，以上采用滚镀是一种优选方案，并非是限定，例如还可以采用化学镀方式加厚，如化学镀铜、镍或者铜和镍的组合或者其他金属。滚镀加工的优点是可以在完全离散的电路上加厚金属获得平滑的电路层。
[0029]步骤7，在金属加厚层上镀金属保护层，完成陶瓷基板的金属化加工。该金属保护层所采用的材料优选采用银或者金。通过化学镀的方法在上一步骤6的电路层上的金属加厚层上镀一层约6微米的银作为表面保护金属层60。此步骤也可以采用电镀的方式进行，为了满足更高的要求，还可以通过电镀或者化学镀一层表面金层替代银层。如附图7所示，在金属加厚层50上再镀金属保护层60，从而完成对陶瓷基板的金属化加工。
[0030]通过以上步骤，本文明方法既可以在平面的陶瓷基板上进行金属化加工，还可以在非平面的立体陶瓷表面实施。
[0031]通过以上方法实施，本发明所提供金属化方法具有明显的优势，
1、重复性好、工艺步骤简易、成本低。省去了封装基板金属化中常用的光刻、显影、刻蚀等步骤，不仅缩减了工艺周期和成本，而且更环保。
[0032]2、采用高导热的陶瓷材料作为功率器件模块封装基板，散热性能好、机械强度高、化学稳定性和热稳定性均佳。
[0033]3、采用激光直写的方式可以避免光刻显影等步骤，并获得精细度很高的电路图形；在陶瓷基板上先通过激光活化在镀金属膜层能够有效增大金属电路层与陶瓷基板的粘附结合力。
[0034]4、在电镀加厚电路金属层的步骤中选用滚镀工艺，可以在完全离散的电路上加厚金属电路层，且获得的电路层表面均匀平滑。
[0035]5、本发明所提供的金属化方法还可以在非平面的立体陶瓷表面实施。
[0036]需要说明的是，以上所述并非是对本发明的限定，在不脱离本发明的创造构思的前提下，任何显而易见的替换均在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种功率器件模块封装用陶瓷基板的金属化方法，包括以下步骤: 清洗待加工的陶瓷基板，除去该陶瓷基板表面的杂质和污垢； 在陶瓷基板表面制作掩膜，该掩膜在激光辐照下会分解气化； 激光直写电路，在陶瓷基板上形成电路层，利用激光在敷有掩膜的陶瓷基板上直接写出所需要的电路图形； 镀金属膜层，在激光直写出电路的带掩膜陶瓷基板上镀金属膜层； 除去掩膜，使在掩膜上形成的金属膜层与陶瓷基板相剥离； 在电路层上镀金属加厚层； 在金属加厚层上镀金属保护层，完成陶瓷基板的金属化加工。
2.根据权利要求1所述的功率器件模块封装用陶瓷基板的金属化方法，其特征在于，所述镀金属加厚层为在电镀滚筒内进行电镀加厚或者化学镀加厚。
3.根据权利要求2所述的功率器件模块封装用陶瓷基板的金属化方法，其特征在于，所述金属加厚层选用的金属材料为铜和/或镍。
4.根据权利要求3所述的功率器件模块封装用陶瓷基板的金属化方法，其特征在于，所述金属保护层选用的金属材料为银或金。
5.根据权利要求1?4中任一项所述的功率器件模块封装用陶瓷基板的金属化方法，其特征在于，所述掩膜由喷涂在陶瓷基板表面的感光油墨或光刻胶形成。
6.根据权利要求5所述的功率器件模块封装用陶瓷基板的金属化方法，其特征在于，所述除去掩膜时将陶瓷基板放入碱性溶液中。
7.根据权利要求6所述的功率器件模块封装用陶瓷基板的金属化方法，其特征在于，所述镀金属膜层时优选采用真空镀方式。
8.根据权利要求7所述的功率器件模块封装用陶瓷基板的金属化方法，其特征在于，所述金属膜层的厚度为0.5?2微米。
9.根据权利要求8所述的功率器件模块封装用陶瓷基板的金属化方法，其特征在于，所述金属膜层选用的金属材料为钛和镍的组合，或者钛和铜的组合，或者镍，或者铜。
【文档编号】H01L21/48GK104392935SQ201410626826
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2014年11月10日 优先权日:2014年11月10日
【发明者】吴培才, 李顺峰, 丁松林 申请人:北京大学东莞光电研究院