CN107978567B - 一种三维陶瓷基板及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三维陶瓷基板，该三维陶瓷基板包括平面陶瓷基板和设于所述平面陶瓷基板上的陶瓷腔体,其中，所述平面陶瓷基板为电镀陶瓷基板(DPC)、高温键合陶瓷基板(DBC)、厚膜陶瓷基板(TFC)或其他工艺制备的陶瓷基板,其表面设有金属线路层，所述陶瓷腔体由免烧陶瓷浆料低温固化制备，结构为圆环形、正方环形、长方环形或其他闭合环形。本发明还公开了该三维陶瓷基板制备方法。本发明制备的三维陶瓷基板结构强度高、耐热性好、抗腐蚀(耐酸、耐碱、耐水)，采用低温工艺制备，且材料成本低，可满足白光/紫外LED及高端传感器气密封装需求。
Description
技术领域
本发明属于电子封装技术领域，具体涉及一种三维陶瓷基板及其制备方法。
背景技术
目前，为了满足功率器件散热和可靠性要求，一般采用热导率高、绝缘性和气密性良好的陶瓷作为基板。为了实现气密封装，通常在含有金属线路层的陶瓷基板表面设置腔体(围坝)结构，将芯片贴装于腔体内的金属线路上，向腔体内填充封装胶、惰性气体或者抽真空，再与封装盖板焊接实现气密封装(如图1)。
另外，对于LED封装而言，在平面陶瓷基板上封装LED芯片时，传统透镜制备工艺(Molding工艺)设备昂贵，荧光粉胶流动导致荧光粉分布不均，进而影响LED模组光学性能。LED封装若采用含腔体的三维陶瓷基板，则可免去透镜制备工艺；由于腔体限制了荧光粉胶的自由流动，保证了荧光粉分布均匀性，提高了批量制造的一致性。
目前常见的含腔体结构陶瓷基板(三维陶瓷基板)制备方法主要有以下四种：一是采用低温共烧或高温共烧技术制备的陶瓷基座(LTCC/HTCC)，其热导率较低，图形精度差；二是如专利CN201420534314.5所述，在厚膜陶瓷基板(TFC)上印刷陶瓷浆料并高温烧结得到腔体结构(如图2)。此方法制备的腔体结构致密，与陶瓷基板结合强度高，具有良好的可靠性。但由于厚膜陶瓷基板采用丝网印刷制备金属线路，线路精度差、表面不平整等问题，难以满足高精度封装要求；同时，由于单次印刷陶瓷浆料厚度有限(0.15mm)，需多次印刷才能获得所需腔体厚度(0.3-1mm)，效率较低，且重复印刷导致腔体形状和精度难以得到保证。
三是如专利CN201610944502.9所述，将带孔基板(金属或陶瓷材料)粘结在平面陶瓷基板上制备含腔体结构的三维陶瓷基板(如图3)。由于平面陶瓷基板(DPC)采用半导体微加工技术，线路精度高，表面平整，可满足各种芯片封装要求；同时，粘结方案工艺简单，制造效率高，易实现量产。然而，此种方案中腔体结构与陶瓷基板结合强度较低，可靠性较差。在固晶或高温使用过程中，粘胶易出现黄变，导致腔体脱落，降低封装模组气密性与可靠性。
四是如专利CN201610995080.8所述，使用光刻显影技术在陶瓷基片上制备出线路层以及环形结构，通过多次电镀、磨平来制备具有一定厚度的腔体结构(如图4)。该方法通过在DPC基板上直接电镀制备金属腔体，线路精度高，腔体与陶瓷基板结合强度高，气密性好，能满足器件散热与气密性封装要求。但对于具有一定厚度(0.5-1mm)的腔体而言，由于电镀生长速度低，工艺时间较长，成本极高。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种三维陶瓷基板及其制备方法。该三维陶瓷基板包括平面陶瓷基板和设于平面陶瓷基板表面的陶瓷腔体，陶瓷腔体由免烧陶瓷浆料低温固化制备而成。该三维陶瓷基板结构强度高、耐热性好、抗腐蚀(耐酸、耐碱、耐水)，且材料成本低，可满足白光/紫外LED及高端传感器气密封装需求。
为了实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供
一种三维陶瓷基板，该三维陶瓷基板包括平面陶瓷基板和设于所述平面陶瓷基板上的陶瓷腔体；
所述平面陶瓷基板为电镀陶瓷基板(DPC)、高温键合陶瓷基板(DBC)、厚膜陶瓷基板(TFC)或其他工艺制备的陶瓷基板，表面设有金属线路层；
所述陶瓷腔体由免烧陶瓷浆料低温固化制备，结构为圆环形、正方环形、长方环形或其他闭合环形。
进一步地，所述免烧陶瓷浆料由氧化铝、碱金属硅酸盐和水按比例混合制备。
进一步地，所述碱金属硅酸盐为硅酸钠、硅酸钾、硅酸锂或其混合物。
按照本发明的另一个方面，提供一种三维陶瓷基板制备方法，包括如下步骤：
(1)制备含金属线路层的平面陶瓷基板；
(2)根据金属线路层和陶瓷腔体结构要求，设计制作第一模具；
(3)将第一模具和平面陶瓷基板对准并合模，将第二模具材料填充所述第一模具腔内，刮平；
(4)脱去第一模具，得到第二模具；
(5)按比例配制免烧陶瓷浆料；
(6)采用免烧陶瓷浆料填充所述第二模具内腔，去除多余浆料；
(7)加热使免烧陶瓷浆料干燥成型；
(8)继续加热使免烧陶瓷浆料脱水固化，去除第二模具，得到含陶瓷腔体的三维陶瓷基板。
进一步地，所述第一模具材料为金属或高分子材料。
进一步地，所述第二模具材料为石蜡或明胶。
进一步地，所述干燥成型温度为40-50℃。
进一步地，所述脱水固化温度为110-150℃。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明的三维陶瓷基板，该三维陶瓷基板包括平面陶瓷基板和设于平面陶瓷基板表面的陶瓷腔体，陶瓷腔体由免烧陶瓷浆料低温固化制备而成。该三维陶瓷基板结构强度高、耐热性好、抗腐蚀(耐酸、耐碱、耐水)，可满足白光/紫外LED及高端传感器气密封装需求。
(2)本发明的三维陶瓷基板制备方法，利用低温固化陶瓷浆料，通过石蜡作为第二模具材料，在低温下(<200℃)制备腔体结构，陶瓷腔体与陶瓷基板结合强度高，具有材料成本低、工艺简单等优势。
(3)本发明的三维陶瓷基板制备方法，可与各种类型平面陶瓷基板(包括DBC、DPC、TFC等)兼容，线路精度高，表面平整，可满足高散热、高精度以及高可靠性封装需求。
附图说明
图1为现有技术中电子器件气密封装示意图；
其中：11-腔体、12-陶瓷基板、13-灌封胶、惰性气体或真空、14-金线、15-芯片、16-金属线路层、17-盖板；
图2为现有技术中多次丝网印刷制备的三维陶瓷基板示意图；
其中：21-腔体、22-厚膜陶瓷基板、23-金属线路层、24-陶瓷基片；
图3为现有技术中粘结工艺制备的三维陶瓷基板示意图；
其中：31-腔体，32-粘胶，33-陶瓷基板，34-金属线路层，35-陶瓷基片；
图4为现有技术中电镀工艺制备的三维陶瓷基板示意图；
其中：41-电镀金属腔体，42-平面陶瓷基板，43-金属线路层，44-陶瓷基片；
图5(a)为本发明实施例一种三维陶瓷基板示意图；
其中：51-三维陶瓷基板，52-陶瓷腔体，53-平面陶瓷基板(DPC)，54-预划线，55-金属线路层，56-金属通孔，57-陶瓷基片；
图5(b)为本发明实施例一种三维陶瓷基板三维示意图；
其中：501-陶瓷基片，502-陶瓷腔体，503-预划线，504-金属线路层；
图6为本发明实施例一种三维陶瓷基板涉及的DPC平面陶瓷基板结构示意图；
其中：61-DPC陶瓷基板，62-金属线路层，63-金属通孔，64-陶瓷基片；
图7为本发明实施例一种三维陶瓷基板涉及的金属第一模具示意图；
其中：71-金属铝，72-通孔；
图8为本发明实施例一种三维陶瓷基板涉及的第一模具与DPC陶瓷基板合模示意图；
其中：81-第一模具(铝)，82-DPC陶瓷基板，83-第一模腔，84-金属线路层，85-金属通孔，86-陶瓷基片；
图9为本发明实施例一种三维陶瓷基板涉及的第二模具材料填充示意图；
其中：91-第一模具(铝)，92-第二模具(石蜡)，93-金属线路层，94-金属通孔，95-陶瓷基片；
图10为本发明实施例一种三维陶瓷基板涉及的DPC陶瓷基板上第二模具示意图；
其中：101-DPC陶瓷基板，102-石蜡，103-第二模腔，104-金属线路层，105-金属通孔，106-陶瓷基片；
图11为本发明实施例一种三维陶瓷基板涉及的免烧陶瓷浆料填充第二模腔示意图；
其中：111-免烧陶瓷浆料，112-石蜡，113-金属线路层，114-金属通孔，115-陶瓷基片；
图12为本发明实施例去除石蜡后含陶瓷腔体的三维陶瓷基板示意图；
其中：121-陶瓷腔体，122-DPC陶瓷基板，123-金属线路层，124-金属通孔，125-陶瓷基片；
图13为本发明实施例一种三维陶瓷基板表面切割预划线示意图；
其中：131-陶瓷腔体，132-DPC陶瓷基板，133-预划线，134-金属线路层，135-金属通孔，136-陶瓷基片；
图14为本发明实施例一种三维陶瓷基板制备流程图；
图15为实施例1中含陶瓷腔体的三维陶瓷基板三维示意图；
其中：151-圆环形陶瓷腔体，152-DPC陶瓷基板；
图16为实施例2中含陶瓷腔体的三维陶瓷基板三维示意；
其中：161-方形陶瓷腔体，162-TFC陶瓷基板。
具体实施方式
为了更清晰地阐述本发明的结构特征与功效，下面结合附图与具体实施例来对本发明进行详细说明。
本发明的一个实施例提供了一种三维陶瓷基板，包括平面陶瓷基板和设于该平面陶瓷基板上的陶瓷腔体，该平面陶瓷基板包括陶瓷基片，陶瓷基片表面设有金属线路层，陶瓷腔体由免烧陶瓷浆料低温固化制备。
在本发明的优选实施例中，陶瓷腔体结构为圆环形、正方环形、长方环形或其他闭合环形。
在本发明的优选实施例中，免烧陶瓷浆料由氧化铝、碱金属硅酸盐和水按比例混合制备。碱金属硅酸盐为硅酸钠、硅酸钾、硅酸锂或其混合物。
本发明的三维陶瓷基板，该三维陶瓷基板包括平面陶瓷基板和设于平面陶瓷基板表面的陶瓷腔体，陶瓷腔体由免烧陶瓷浆料低温固化制备而成，结构为圆环形、正方环形、长方环形或其他闭合环形。该三维陶瓷基板结构强度高、耐热性好、抗腐蚀(耐酸、耐碱、耐水)，且材料成本低，可满足白光/紫外LED及高端传感器气密封装需求。
在本发明的一个实施例中，提供一种三维陶瓷基板制备方法，包括以下步骤：
(1)制备含金属线路层和互连通孔的平面陶瓷基板；
(2)根据金属线路层和陶瓷腔体结构要求，设计制作第一模具；
(3)将第一模具和平面陶瓷基板对准并合模，将第二模具材料填充所述第一模具腔内，刮平；
(4)脱去第一模具，得到第二模具；
(5)按比例配制免烧陶瓷浆料；
(6)采用免烧陶瓷浆料填充所述第二模具内腔，去除多余浆料；
(7)加热使免烧陶瓷浆料干燥成型；
(8)继续加热使免烧陶瓷浆料脱水固化，去除第二模具，得到含陶瓷腔体的三维陶瓷基板。
在本发明的优选实施例中，第一模具材料为金属或高分子材料。
在本发明的优选实施例中，第二模具材料为石蜡或明胶。
在本发明的优选实施例中，干燥成型温度为40-50℃。
在本发明的优选实施例中，脱水固化温度为110-150℃。
实施例1
实施例1提供了一种三维陶瓷基板，如图5所示，包括陶瓷腔体51，DPC陶瓷基板52，预划线53，金属线路层54，金属通孔55，陶瓷基片56。具体实施过程如下：
1)制备DPC平面陶瓷基板，正反两面有独立金属线路层，通过金属通孔实现电互连(如图6所示)；
2)根据腔体结构要求(圆形，直径3mm，厚度0.3mm)，加工带镂空孔的第一模具(金属铝)(如图7)；
3)用酒精和去离子水分别将DPC陶瓷基板和第一模具清洗5min，然后用空气吹干，将DPC陶瓷基板与第一模具对准并合模(如图8)；
4)将DPC陶瓷基板和第二模具材料(石蜡)置于68℃(石蜡软化点)环境中，保温5min，将软化的石蜡填充第一模具与DPC陶瓷基板形成的第一模腔中(如图9)；
5)待DPC陶瓷基板冷却后，脱去第一模具，留下石蜡作为第二模具(如图10)；
6)选用氧化铝、硅酸钠和水配制免烧陶瓷浆料；
7)将免烧陶瓷浆料刮填入第二模具与DPC陶瓷基板形成的第二模腔中，随后振动消除浆料内气泡(如图11)；
8)将DPC基板置于50℃下保温1h，使浆料完全干燥；
9)将DPC基板置于150℃下保温1h，使陶瓷浆料完全固化。待其冷却后，去除陶瓷基板上的石蜡，随后用酒精和去离子水分别清洗DPC陶瓷基板5min，最后用空气吹干(如图12)；
10)用激光机在陶瓷腔体表面切割预划线，便于后期分片(如图13，其三维示意图如图15所示)。
实施例2
与实施例1类似，只是DPC陶瓷基板改为厚膜陶瓷基板(TFC，无金属通孔，背后有预划线)，腔体结构改为正方形(3mm*3mm*1.0mm)，第一模具材料为聚四氟乙烯，第二模具材料为明胶，免烧陶瓷浆料选用氧化铝、硅酸钾和水配制。浆料填充后于低温下(40℃)干燥2h后，加热至140℃固化，随后用高温去离子水超声清洗去掉明胶，最后用空气吹干，得到的三维陶瓷基板如图16所示。
本发明的三维陶瓷基板制备方法，利用低温固化陶瓷浆料，通过石蜡作为第二模具材料，在低温下(<200℃)制备腔体结构，陶瓷腔体与陶瓷基板结合强度高，具有材料成本低、工艺简单等优势。此外，本发明的三维陶瓷基板可与各种类型平面陶瓷基板(包括DBC、DPC、TFC等)兼容，线路精度高，表面平整，可满足高散热、高精度以及高可靠性封装需求。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (11)
1.一种三维陶瓷基板，该三维陶瓷基板包括平面陶瓷基板和设于所述平面陶瓷基板上的陶瓷腔体，其特征在于：
所述平面陶瓷基板为电镀陶瓷基板(DPC)、高温键合陶瓷基板(DBC)、厚膜陶瓷基板(TFC)或其他工艺制备的陶瓷基板，表面设有金属线路层；
所述陶瓷腔体由免烧陶瓷浆料低温固化制备，所述陶瓷腔体与所述平面陶瓷基板结合，结构为圆环形、正方环形、长方环形或其他闭合环形；
所述免烧陶瓷浆料由氧化铝、碱金属硅酸盐和水按比例混合制备；所述碱金属硅酸盐为硅酸钠、硅酸钾、硅酸锂或其混合物。
2.一种如权利要求1所述三维陶瓷基板制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)制备含金属线路层的平面陶瓷基板；
(2)根据金属线路层和陶瓷腔体结构要求，设计制作第一模具；
(3)将第一模具和平面陶瓷基板对准并合模，将第二模具材料填充所述第一模具腔内，刮平；
(4)脱去第一模具，得到第二模具；
(5)按比例配制免烧陶瓷浆料；
(6)采用免烧陶瓷浆料填充所述第二模具内腔，去除多余浆料；
(7)加热使免烧陶瓷浆料干燥成型；
(8)继续加热使免烧陶瓷浆料脱水固化，去除第二模具，得到含陶瓷腔体的三维陶瓷基板。
3.根据权利要求2所述的一种三维陶瓷基板制备方法，其特征在于，所述第一模具材料为金属或高分子材料。
4.根据权利要求2所述的一种三维陶瓷基板制备方法，其特征在于，所述第二模具材料为石蜡或明胶。
5.根据权利要求2所述的一种三维陶瓷基板制备方法，其特征在于，所述干燥成型温度为40-50℃。
6.根据权利要求2所述的一种三维陶瓷基板制备方法，其特征在于，所述脱水固化温度为110-150℃。
7.一种三维陶瓷基板制备方法，该三维陶瓷基板包括平面陶瓷基板和设于所述平面陶瓷基板上的陶瓷腔体，
所述平面陶瓷基板为电镀陶瓷基板(DPC)、高温键合陶瓷基板(DBC)、厚膜陶瓷基板(TFC)或其他工艺制备的陶瓷基板，表面设有金属线路层；
所述陶瓷腔体由免烧陶瓷浆料低温固化制备，结构为圆环形、正方环形、长方环形或其他闭合环形；
其特征在于，所述三维陶瓷基板制备方法包括如下步骤：
(1)制备含金属线路层的平面陶瓷基板；
(2)根据金属线路层和陶瓷腔体结构要求，设计制作第一模具；
(3)将第一模具和平面陶瓷基板对准并合模，将第二模具材料填充所述第一模具腔内，刮平；
(4)脱去第一模具，得到第二模具；
(5)按比例配制免烧陶瓷浆料；
(6)采用免烧陶瓷浆料填充所述第二模具内腔，去除多余浆料；
(7)加热使免烧陶瓷浆料干燥成型；
(8)继续加热使免烧陶瓷浆料脱水固化，去除第二模具，得到含陶瓷腔体的三维陶瓷基板。
8.根据权利要求7所述的一种三维陶瓷基板制备方法，其特征在于，所述第一模具材料为金属或高分子材料。
9.根据权利要求7所述的一种三维陶瓷基板制备方法，其特征在于，所述第二模具材料为石蜡或明胶。
10.根据权利要求7所述的一种三维陶瓷基板制备方法，其特征在于，所述干燥成型温度为40-50℃。
11.根据权利要求7所述的一种三维陶瓷基板制备方法，其特征在于，所述脱水固化温度为110-150℃。
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