CN108617102A - 一种陶瓷电路板的制作方法 - Google Patents

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曾晓雁
吴烈鑫
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Abstract

本发明属于导电线路板制作相关技术领域，其公开了一种陶瓷电路板的制作方法，该制作方法包括以下步骤：(1)预置前驱体于陶瓷基板的表面上；(2)利用激光按照预设电路图形轨迹辐照所述前驱体所在的陶瓷基板的表面以实现所述陶瓷基板的激光表面改性；(3)对所述陶瓷基板进行超声清洗，以去除所述陶瓷基板未经所述激光处理的区域内的前驱体；(4)将所述陶瓷基板浸泡于腐蚀液中，以去除激光表面改性时所述陶瓷基板上生成的重熔层；(5)对所述陶瓷基板进行化学镀，以完成陶瓷电路板的制作。本发明有效提高了镀层与陶瓷基板之间的结合强度，减小了导线宽度，提高了精度。

Description

一种陶瓷电路板的制作方法
技术领域
本发明属于导电线路板制作相关技术领域，更具体地，涉及一种陶瓷电路板的制作方法。
背景技术
近年来，电子信息产业发展迅猛，电子产品趋于高功率、微型化以及高集成化，与之密切相关的电子封装技术也进入了高速发展时期。电路板作为芯片、元器件的封装载体，是电子产品必备的核心组件，更高封装密度的产品工作时不可避免地产生更大的热量。传统的有机树脂电路板受限于热导率低和热膨胀系数与芯片不匹配，已难以满足电子产品的发展需求。由于陶瓷材料具备热导率高、机械强度大、化学稳定性好等优异的性能，已逐渐应用于高密度封装领域，其中以氧化铝应用最为广泛。
现有的陶瓷电路板制作技术主要包括直接镀铜技术、直接敷铜技术和丝网印刷技术三种，在陶瓷电路板制造领域，采用激光表面改性技术结合化学镀工艺制作导线电路已有许多报道，通常采用激光在基板表面改性，使改性区域产生化学镀催化活性，再通过后续化学镀直接在改性区域沉积金属导线，这是一种非接触、无压力、无掩膜的材料直接图形化的增材制造技术。相比于传统蚀刻法，无需复杂的图形转换工序，具有高精度、低成本、柔性化程度高、低污染等优点，本领域相关技术人员也做了一些研究。如专利CN201510084225.4公开了一种加成法制作电路板的激光活化方法，即采用激光高温烧蚀绝缘基底材料，在其表面按预设的图案形成凹槽和纳米级孔洞；随后将基材浸润到含有催化颗粒的溶液中，催化粒子渗透孔洞吸附在轨道内壁以形成催化活性中心；最后实施化学镀使金属填满凹槽以形成电路导线。该方法利用激光高温烧蚀材料以完成材料表面的粗化前处理过程，为催化剂的吸附提供了条件。然而，该专利的激光光斑的直径高达15mm～20mm，且未考虑激光对基材热作用生成的重熔物对导线精度和附着力的影响，最后制得宽度大于光斑直径的铜导线，不属于精细电路范畴，不适用于制作微型化、高集成化电子器件。
又如专利CN103188877A公开了一种陶瓷电路板快速高柔性制作的方法，即将激光照射在陶瓷基体表面，并控制激光能量密度达到含活性离子化合物的化学键发生断裂阈值以上，使陶瓷基体表面含活性离子的化合物热分解为化学镀催化源；随后将该基体放置于化学镀液中施镀以形成金属镀层。该专利中所用的激光光班直径为10μm，最小线宽却只能达到15μm，导致此结果的原因之一是忽略了激光热效应生成的重熔层对导线精度的影响。
再如专利CN103781285B公开了一种在二维或者三维陶瓷材料表面制作与修复导电线路的通用方法，即利用激光按照预先设计的线路图案，辐照预覆有前驱体固体薄膜的陶瓷材料表面，将热分解得到的活性化金属颗粒植入基板表面，以得到导电图形的隐形形貌；在清洗基板后实施化学镀以得到导线线路；该技术能够在多种陶瓷基板(包括平面的和三维的)的表面快速直接地制备或者修复各种复杂的导电线路，然而该专利并未提及如何控制线路的精度，也未说明具体的导线宽度，而且同样未考虑金属镀层与陶瓷基体间的重熔物对导线性能的影响。
再如专利CN104105353B公开了一种高精度的陶瓷电路板制作方法，该方法采用激光照射覆盖有钯离子固态薄膜的陶瓷基板，在陶瓷基板表面的激光辐照区域形成对后续镀层结合力有益的微槽结构，但是激光烧蚀形成的微槽内和微槽边缘的热影响区内都会产生催化活性。为了提高导线的精度，在化学镀前利用王水溶液选择性地消除了热影响区的催化活性，最后实施化学镀使得铜颗粒仅沉积于微槽结构内，但激光与陶瓷相互作用时形成的重熔层依然存在于镀层与基板之间，影响了镀层的结合力。
以上几个专利均是将激光表面改性技术和化学镀技术相结合在陶瓷基材表面沉积导电线路。为了获得精度更高的导电线路，通常是采用光斑直径更小的激光获得更小的改性区域，或是采用脉宽更窄的激光来减小热影响区，但获得的导线宽度依然大于激光光斑直径。为了获得结合力更高的导电线路，通常是采用激光烧蚀陶瓷表面，增大基板表面粗糙度，使镀层与之结合面积更大。但是激光辐照于陶瓷材料表面以达到改性的目的时，其热效应瞬间导致材料的熔化和汽化，不可避免地形成重熔层。而陶瓷材料耐热冲击性较差，在热应力和相变的作用下，重熔层内部会产生大量微裂纹。重熔层材料通常具有高脆性的热点，其力学性能与陶瓷基体不匹配，松散且容易脱落，如此会严重影响金属镀层和陶瓷基体间的结合力。此外，重熔层的存在会对基板在热循环条件下的实际使用造成一定的隐患，降低了电子器件的可靠性。相应地，本领域存在发展一种精度较高，结合性能较好的电路板制作方法的技术需求。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种陶瓷电路板的制作方法，其基于现有陶瓷电路板的制作特点，研究及设计了一种通过消除重熔层来提高陶瓷电路板的导线精度和结合力的陶瓷电路板制作方法。所述制作方法把激光表面改性技术、化学腐蚀技术及化学镀技术结合用于陶瓷基板表面以实现高精度和高结合力的导电线路的制作，使制作的导线精度很高，宽度小于有效光斑直径，且导电性及边缘质量较好，无气孔及裂纹等缺陷。此外，经试验测得镀层与陶瓷基板之间的结合强度可以达到40Mpa以上，超过了常规锡铅焊料的抗拉强度，完全满足电子制造领域的使用要求，提高了电子器件的使用可靠性。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种陶瓷电路板的制作方法，所述制作方法包括以下步骤：
(1)预置前驱体于陶瓷基板的表面上；
(2)利用激光按照预设电路图形轨迹辐照所述前驱体所在的陶瓷基板的表面以实现所述陶瓷基板的激光表面改性；
(3)对所述陶瓷基板进行超声清洗，以去除所述陶瓷基板未经所述激光处理的区域内的前驱体；
(4)将所述陶瓷基板浸泡于腐蚀液中，以去除激光表面改性时所述陶瓷基板上生成的重熔层；
(5)对所述陶瓷基板进行化学镀，以完成陶瓷电路板的制作。
进一步地，所述前驱体是通过浸泡或者喷涂的方式预置于所述陶瓷基板的表面上的。
进一步地，超声清洗的次数为3次，每次超声清洗持续的时间为5min～10min。
进一步地，所述腐蚀液为氢氟酸、硝酸、硫酸及盐酸中的一种。
进一步地，所述腐蚀液的温度为100℃～150℃。
进一步地，所述陶瓷基板在所述腐蚀液中浸泡的时间为12小时～72小时。
进一步地，所述激光为脉冲激光，所述激光的平均输出功率为1w～100w，扫描速度为10mm/s～1m/s。
进一步地，步骤(1)之后还包括将所述陶瓷基板进行干燥，以得到一层均匀的前驱体固态薄膜。
进一步地，所述激光的激光能量密度在改性阈值以上。
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，本发明提供的陶瓷电路板的制作方法主要具有以下有益效果：
1.所述陶瓷电路板的制作方法将激光表面改性技术、化学腐蚀技术及化学镀技术结合用于陶瓷基板表面以实现高精度和高结合力的导电线路的制作，使制作的导线精度很高，宽度小于有效光斑直径，且导电性及边缘质量较好，无气孔及裂纹等缺陷。
2.经试验测得到镀层与陶瓷基板之间的结合强度可以达到40Mpa以上，超过了常规锡铅焊料的抗拉强度，完全满足电子制造领域的使用要求，提高了电子器件的使用可靠性，实用性较强。
3.所述制作方法简单，易于实现，灵活性较高。
4.所述制作方法不需要专门的设备及材料，成本较低，有利于推广应用。
附图说明
图1是本发明提供的陶瓷电路板的制作方法的流程示意图；
图2是本发明第一实施例提供的陶瓷电路板的制作方法制作陶瓷电路板时去除重熔层后的刻槽微观图；
图3是本发明第一实施例提供的陶瓷电路板的制作方法制作陶瓷电路板时去除重熔层前的刻槽微观图；
图4是采用本发明第一实施例提供的陶瓷电路板的制作方法制作得到的陶瓷电路板的光学放大图；
图5是采用现有技术制作的陶瓷电路板的光学放大图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
请参阅图1，本发明提供的陶瓷电路板的制作方法通过消除重熔层来提高陶瓷电路板的导线精度和结合力。具体地，通过研究及分析发现Al2O3陶瓷材料在重熔过程中发生相变，并形成了γ-Al2O3，γ-Al2O3的物理、化学特性非常不稳定，在晶体结构中O2-近似为面心立方紧密堆积，A13+不规则地分布在由O2-围成的八面体和四面体空隙之中，具有较强的活性，易与氢氟酸、硝酸、硫酸、盐酸等酸溶液反应，故将化学腐蚀技术、激光表面改性技术及化学镀技术相结合可以在化学镀之前去除基板表面形成的重熔层，使基板上的后续镀层与基板之间紧密结合，由此在陶瓷基板表面可以获得精度更高、结合力更高的导电线路。
所述的陶瓷电路板的制作方法主要包括以下步骤：
步骤一，预置前驱体于陶瓷基板的表面上。具体地，通过浸泡或者喷镀的方式将前驱体材料预置于所述陶瓷基板的表面上，并进行干燥以得到一层均匀的前驱体固态薄膜。
步骤二，利用激光按照预设电路图形轨迹辐照所述前驱体所在的陶瓷基板的表面以实现所述陶瓷基板的激光表面改性。位于所述陶瓷基板的改性区域内的前驱体热分解后与熔融的陶瓷材料形成冶金结合，并热扩散进入所述陶瓷基板以形成后续化学镀的催化活性中心。具体地，在激光作用区域，高温使所述陶瓷基板的改性区域内的前驱体热分解后与熔融的陶瓷材料形成稳定的冶金结合，并热扩散进入所述陶瓷基板以形成后续化学镀的催化活性中心。
步骤三，对所述陶瓷基板进行超声清洗，以去除所述陶瓷基板未经所述激光处理的区域内的前驱体固态薄膜。所述陶瓷基板的改性区域内的前驱体的催化活性不受超声清洗的影响。
步骤四，将所述陶瓷基板浸泡于腐蚀液内，以去除激光表面改性时所述陶瓷基板表面生成的重熔层。所述陶瓷基板浸泡于高温腐蚀液中时，所述陶瓷基板的原始陶瓷晶粒及热扩散进入到所述陶瓷基板内的所述催化活性中心不受所述高温腐蚀液的影响。
步骤五，对所述陶瓷基板进行化学镀，以完成陶瓷电路板的制作。进行化学镀时，铜颗粒仅沉积于所述陶瓷基板的激光改性区域，镀层与所述陶瓷基板之间直接接触，以得到宽度更窄、结合力更高的导电线路。
所述的陶瓷基板的制作方法利用激光表面改性技术结合化学腐蚀及化学镀技术在陶瓷基板表面实现选择性地金属化，提高了沉积导线的精细程度和结合性能。其中，对陶瓷基板进行激光表面改性后，采用化学腐蚀工艺选择性地将蚀刻槽边缘的重熔层去除，缩小了所述蚀刻槽的活化区域的宽度，从而在后续的化学镀沉积过程中，金属颗粒仅沉积于蚀刻槽的中心，使得到的导线宽度甚至低于激光光斑直径。此外，将充满裂纹的重熔层去除后，后续的镀层直接与陶瓷基板接触，使得镀层与陶瓷基板之间的结合更加紧密，进一步提高了导线与陶瓷基板之间的结合强度，进而使制作的陶瓷电路板满足了电子制造领域的使用要求。
本发明较佳实施方式提供的陶瓷电路板的制作方法主要包括以下步骤：
S1，将陶瓷基板浸泡于含钯离子的溶液中，浸泡时间通常为5min～30min，然后将所述陶瓷基板取出来进行干燥。钯离子溶液的设置温度位于室温至所述钯离子溶液的沸点之间。所述陶瓷基板的材料为氧化铝。所述钯离子溶液可以为醋酸钯、硝酸钯、氯化钯等钯盐中的至少一种组成的溶液，所述钯离子的溶液浓度为0.01mol/L～1mol/L。
S2，控制适当的工艺参数，采用激光按照预设的电路图形对所述陶瓷基板进行加工。其中，所述激光的激光能量密度需要达到改性阈值以上，高温使所述陶瓷基板的改性区域内的前驱体热分解与熔融的陶瓷材料形成稳定的冶金结合，并热扩散进入所述陶瓷基板以形成后续化学镀的催化活性中心。部分熔融的前驱体混于所述陶瓷基板进行激光表面改性时所产生的重熔层中，使得所述重熔层也具备催化活性。激光表面改性时，需要控制合适的激光能量密度；本实施方式使用的激光光源为脉冲激光，激光的输出波长可在红外、可见光或者紫外光波段，激光输出平均功率为1w～100w，扫描速度为10mm/s～1m/s，单道扫描线的宽度为10μm～30μm。
S3，将所述陶瓷基板浸泡于去离子水中超声清洗3次，以去除未经辐照的钯离子固态薄膜。其中，每次清洗持续时间为5min～10min，
S4，将所述陶瓷基板浸泡于酸腐蚀液中，以去除所述重熔层。酸腐蚀液的温度为100℃～150℃，浸泡时间为12小时～72小时。所述陶瓷基板自所述酸腐蚀液中取出后需采用去离子水进行多次清洗，因所述重熔层的主要成分为γ-Al2O3，重熔层的化学、物理性质不稳定，易与酸反应，且与所述陶瓷基板结合松散，经化学腐蚀后，所述重熔层被完全去除，而所述陶瓷基板的原始陶瓷颗粒及热扩散进入所述陶瓷基板内的前驱体所形成的催化活性中心不受化学腐蚀的影响，仍有催化活性。本实施方式中，所述酸腐蚀液为氢氟酸、硝酸、硫酸、盐酸中的一种。
S5，将所述陶瓷基板进行化学镀以得到导电线路，完成陶瓷电路板的制作。具体地，将所述陶瓷基板放置于化学镀液中，所述陶瓷基板的改性区域进行化学镀铜以得到导电线路，其中线路的镀层厚度为1μm～10μm，所述化学镀铜溶液的配方为：CuSO4·5H2O10g/L，EDTA·2Na30g/L，甲醛15ml/L，酒石酸钾钠40g/L，α、α′联吡啶10mg/L，亚铁***100mg/L，聚乙二醇10mg/L，温度为40℃～50℃，pH值12.1～12.9。本实施方式中，导电金属颗粒仅沉积于改性区域内，并不断填充以形成导电线路。
本发明较佳实施方式把激光表面改性技术、化学腐蚀技术及化学镀技术结合用于陶瓷基板表面以实现高精度和高结合力的导电线路的制作。使制作的导线精度很高，宽度小于有效光斑直径，且导电性及边缘质量较好，无气孔及裂纹等缺陷。导线镀层与陶瓷基板之间的结合性能通过拉伸法来进行试验验证，在单位面积内焊接金属丝后，用拉伸机垂直于陶瓷基板进行拉伸直至镀层剥离陶瓷基板，经试验得到镀层与陶瓷基板之间的结合强度可以达到40Mpa以上，超过了常规锡铅焊料的抗拉强度，完全满足电子制造领域的使用要求，这是由于化学腐蚀工艺强化了铜与陶瓷界面之间的机械咬合，形成了高强度的铜与陶瓷的结合位点，由此加强了镀层与陶瓷基板之间的结合力。
实施例1
1.将96％氧化铝陶瓷片整体浸泡在浓度为1mol/L的氯化钯溶液中，浸泡温度为室温，浸泡时间为5分钟，浸泡后将所述氧化铝陶瓷片取出后进行干燥。
2.采用紫外纳秒脉冲激光对覆盖有氯化钯薄膜的氧化铝陶瓷片进行改性处理。具体地，激光源采用的最大输出功率为10W，脉冲宽度为20ns～40ns，脉冲重复频率为25kHz～100kHz，波长为355nm，激光器为Nd:YVO4激光器，将所述氧化铝陶瓷片放置于三轴联动数控机床工作台上，通过负压吸附装置进行固定；激光通过扩束镜、扫描振镜和f-theta透镜后按照预定的线路图形扫描所述氧化铝陶瓷片的表面。所述氧化铝陶瓷片进行激光表面改性时，控制激光能量密度在陶瓷改性阈值以上。本实施方式中，激光输出功率为2W时(此时激光的功率密度为1.13×106W/cm2)，脉冲重复频率为100kHz，扫描速度为100mm/s，控制激光焦平面在氧化铝陶瓷片的表面；此时氧化铝陶瓷片的表面形成宽度为13μm、深度为14μm的刻槽，作为后续化学镀的催化活性中心。
3.将所述氧化铝陶瓷片浸泡于去离子水中超声清洗3次，以去除未经辐照的钯离子固态薄膜。其中，每次超声清洗的时间为5min～10min。
4.将所述氧化铝陶瓷片浸泡于温度为100℃的浓硫酸中72小时，取出后用去离子水冲洗以完全去除所述氧化铝陶瓷片表面的重熔层，使得所述刻槽的宽度大幅度减为8μm，原重熔层覆盖区域失去催化活性，无法沉积金属颗粒，有利于减小导线宽度。后续镀层将直接与所述氧化铝陶瓷片结合，使得连接更加紧密，有利于提高导线与所述氧化铝陶瓷片之间的结合强度，如图2所示。
5.将所述氧化铝陶瓷片放置于化学镀溶液中30分钟后取出，仅所述刻槽内有金属铜沉积，以得到宽度仅为10μm的导电线路。通过做拉伸断裂试验测得镀层与陶瓷片之间的结合强度超过40MPa，电阻率约为5×10-5Ω·cm，导线表面均匀致密，无裂纹，如图4所示。
对比例
本对比例与实施例1进行对比，以进一步对比验证本发明第一实施例提供的陶瓷电路板的制作方法的优越性。具体地，所述对比例提供的陶瓷电路板的制作方法包括以下步骤：
1.将96％氧化铝陶瓷片整体浸泡在浓度为1mol/L的氯化钯溶液中，浸泡温度为室温，浸泡时间为5分钟，浸泡后将所述氧化铝陶瓷片取出后进行干燥。
2.采用紫外纳秒脉冲激光对覆盖有氯化钯薄膜的氧化铝陶瓷片进行改性处理。具体地，激光源的最大输出功率为10W，脉冲宽度为20ns～40ns，脉冲重复频率为25kHz～100kHz，波长为355nm，激光器为Nd:YVO4激光器，将所述氧化铝陶瓷片放置于三轴联动数控机床工作台上，通过负压吸附装置进行固定；激光通过扩束镜、扫描振镜和f-theta透镜后按照预定的线路图形扫描所述氧化铝陶瓷片的表面。所述氧化铝陶瓷片进行激光表面改性时，控制激光能量密度在陶瓷改性阈值以上。本实施方式中，激光输出功率为2W时(此时激光的功率密度为1.13×106W/cm2)，脉冲重复频率为100kHz，扫描速度为100mm/s，控制激光焦平面在氧化铝陶瓷片的表面；此时氧化铝陶瓷片的表面形成宽度为13μm、深度为14μm的刻槽，作为后续化学镀的催化活性中心，如图3所示。
3.将所述氧化铝陶瓷片浸泡于去离子水中超声清洗3次，以去除未经辐照的钯离子固态薄膜。其中，每次超声清洗的时间为5min～10min。
4.将所述氧化铝陶瓷片放置于化学镀溶液中30分钟后取出，激光烧蚀的刻槽及重熔层区均有金属铜的沉积，铜导线宽度约为35微米。通过拉伸试验测试获得镀层与陶瓷片之间的结合强度为30MPa，电阻率约为5×10-5Ω·cm，导线表面均匀致密，无裂纹，如图5所示。
对比例中的金属铜在激光烧蚀的刻槽内和重熔层均有沉积，线宽达到35微米，镀层与基体之间的结合强度为30MPa。而实施例1中，消除了刻槽边缘的重熔层，金属铜只沉积于激光烧蚀的刻槽内，导线线宽减小为10μm，甚至低于原激光刻槽宽度；并且镀层直接沉积于无裂纹的基体表面，结合强度提升至40MPa以上；说明本发明提供的陶瓷电路板的制作方法有效地提高了后续导电线路的精度和结合性能。
本发明提供的陶瓷电路板的制作方法，该方法把激光表面改性技术、化学腐蚀技术及化学镀技术结合用于陶瓷基板表面以实现高精度和高结合力的导电线路的制作，使制作的导线精度很高，宽度小于有效光斑直径，且导电性及边缘质量较好，无气孔及裂纹等缺陷。此外，经试验测得镀层与陶瓷基板之间的结合强度可以达到40Mpa以上，超过了常规锡铅焊料的抗拉强度，完全满足电子制造领域的使用要求，提高了电子器件的使用可靠性。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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 (9)

1.一种陶瓷电路板的制作方法，其特征在于，该制作方法包括以下步骤：
(1)预置前驱体于陶瓷基板的表面上；
(2)利用激光按照预设电路图形轨迹辐照所述前驱体所在的陶瓷基板的表面以实现所述陶瓷基板的激光表面改性；
(3)对所述陶瓷基板进行超声清洗，以去除所述陶瓷基板未经所述激光处理的区域内的前驱体；
(4)将所述陶瓷基板浸泡于腐蚀液中，以去除激光表面改性时所述陶瓷基板上生成的重熔层；
(5)对所述陶瓷基板进行化学镀，以完成陶瓷电路板的制作。
2.如权利要求1所述的陶瓷电路板的制作方法，其特征在于：所述前驱体是通过浸泡或者喷涂的方式预置于所述陶瓷基板的表面上的。
3.如权利要求1所述的陶瓷电路板的制作方法，其特征在于：超声清洗的次数为3次，每次超声清洗持续的时间为5min～10min。
4.如权利要求1-3任一项所述的陶瓷电路板的制作方法，其特征在于：所述腐蚀液为氢氟酸、硝酸、硫酸及盐酸中的一种。
5.如权利要求1-3任一项所述的陶瓷电路板的制作方法，其特征在于：所述腐蚀液的温度为100℃～150℃。
6.如权利要求1-3任一项所述的陶瓷电路板的制作方法，其特征在于：所述陶瓷基板在所述腐蚀液中浸泡的时间为12小时～72小时。
7.如权利要求1-3任一项所述的陶瓷电路板的制作方法，其特征在于：所述激光为脉冲激光，所述激光的平均输出功率为1w～100w，扫描速度为10mm/s～1m/s。
8.如权利要求1-3任一项所述的陶瓷电路板的制作方法，其特征在于：步骤(1)之后还包括将所述陶瓷基板进行干燥，以得到一层均匀的前驱体固态薄膜。
9.如权利要求1-3任一项所述的陶瓷电路板的制作方法，其特征在于：所述激光的激光能量密度在改性阈值以上。
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