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CN103781285A陶瓷基板表面导电线路的制作与修复方法[caired.com-彩红网3D模型下载平面素材专利检索网站源码]

本发明旨在提出一种在二维或三维陶瓷材料表面制作与修复电线路的通用方法,即利用激光束,按照预先设计的线路图案,对预覆有特定金属的离子或络离子的陶瓷材料表面进行加工处理,然后实施化学镀,就能得到所需的导电线路。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修复各种复杂的导电线路,对基板材料无特殊要求,不需要真空,成本低,柔性化程度高,效率高;所得导电线路表面均匀致密,无裂纹,导电性好,结合力好;因而具有通用性。
CN103781285A陶瓷基板表面导电线路的制作与修复方法[caired.com-彩红网3D模型下载平面素材专利检索网站源码]
技术领域

[0001] 本发明属于导电线路的制作与修复技术领域,以及激光表面处理领域,涉及一种在二维或三维陶瓷材料表面制作与修复导电线路的通用方法。具体地说,是把激光表面处理技术与化学镀技术结合起来用于二维或三维陶瓷材料表面导电线路的制作与修复。

背景技术

[0002] 近年来,随着电子电器产品持续向数字化、轻量化、小批量、柔性化、多功能化、低能耗等方向发展,其可靠性的问题越来越突出。陶瓷材料以其优良的导热性、气密性和高频性能,已广泛应用于功率电子、混合微电子和多芯片模块等领域。因此,开发一种在陶瓷材料表面(包括平面的和三维的)快速制作和修复导电线路的技术十分重要。

[0003] 传统的陶瓷电路板表面制作导电线路技术主要包括直接镀铜(DPC)技术、直接敷铜(DBC)技术和丝网印刷技术三种。

[0004] 专利文献CN101460014公开了一种在陶瓷基板表面直接铜(DPC)金属化的制作工艺:即先在陶瓷基板上进行凿孔、穿孔电连接等步骤,再在基板表面以溅镀方式依序形成金属钛层及铜层,接着进行涂覆感光剂、曝光、显影、腐蚀、清洗等步骤,形成铜线路,再依序于铜线路上镀镍及镀金,完成金属化制作工艺。类似的技术还有专利文献CN103140026A公开的方法,即在陶瓷基板上通过真空溅镀技术依次设置钛层、镍层以及铜层,该钛层附着于陶瓷基板上、镍层附着于钛层上、铜层附着于镍层上,然后再电镀铜层加厚,完成整板预置导电层,最后再光刻、腐蚀得到电路图形。虽然采用光刻技术可以轻松获得分辨率大于5μπι的线路图形,且图形表面光滑程度高、结构致密,但也存在需要沉积中间层、生产环境需要高真空度、工艺复杂、需要掩模、生产设备成本高等明显缺点。

[0005] 专利文献US2009 / 0152237Α1公开了一种直接敷铜(DBC)基板的制作方法,该方法包括在铜箔一面形成保护层,在另一面通过湿法氧化工艺形成氧化铜薄层,把该铜箔与陶瓷基板贴合后在高温下直接键合,形成DBC覆铜板。专利文献CN102931321A公开了一种薄铜DBC基板的制作方法:第一步,用清洗液对陶瓷基板及铜片进行清洗;第二步,对铜片进行氧化;第三步,将第一铜片、第二铜片依次烧结到陶瓷基板上,制造了 0.06毫米薄铜DBC基板。上述技术中,铜层与陶瓷基板之间结合状态良好。然而,现在的直接敷铜(DBC)工艺难以制作铜层厚度在0.06毫米以下的基板。此外,铜箔与陶瓷之间贴合时残留的空隙将会影响最终导电线路的性能,在保护性气氛下高温烧结可以减少空隙。并且,后续的光亥IJ、腐蚀工艺还会浪费大量的金属铜,所有这些都限制了其应用范围。

[0006] 专利文献CN102432346A公开了一种用于大功率LED封装的陶瓷基板的制备方法,即:将陶瓷基板表面经过预处理,在其上涂覆预制好的氧化亚铜浆料,并形成线路图形;然后,通过烘干、烧结、还原及镀膜工艺,制备出表面金属铜层光滑致密的陶瓷基板。该发明通过在陶瓷基板表面采用厚膜技术,结合敷铜原理实现金属化。类似的技术还有专利文献CN200610041035.5,其步骤为I)膏剂准备:调配金属化膏剂,置于球磨机上球磨,使其均匀化;2)夹具准备:先对夹具除污、除油清洗,然后烘干备用;3)线路板印刷准备:将陶瓷基体放置到经烘干后的夹具上,再由夹具携陶瓷基体放置到印刷机的台面上;4)线路板印刷:将印刷用网版安装到印刷机上,定位,网版上的图形与陶瓷基体对应,且对网版与陶瓷基体之间的距离进行调整和对印刷机的刮刀角度调整;将金属化膏剂涂覆到网版上,驱动印刷机印刷,使陶瓷基体的一端端面赋予金属化膏剂;5)导电层烧渗:由夹具携陶瓷基体入烘干炉烘干,烧渗,得到金属化陶瓷器件。这类方法的优点是工艺简单、无需大型设备,但是有三个缺点:一是金属浆料需要高温烧结才能和陶瓷基板形成良好的结合,属于高耗能产业;二是需采用丝网印刷金属浆料形成线路图形,图形精度低,电学性能较差;三是属于厚膜导电线路制造工艺,必须使用掩模板,柔性化程度较低,难以在三维陶瓷基板表面制作导电线路,并且难以完成导电线路的修复。

[0007] 为解决上述问题,促成新一代陶瓷电路板制作技术的诞生,国内外研究人员不断努力尝试将高柔性化的激光加工技术应用于陶瓷电路板的制造。

[0008] 激光诱导化学液相沉积技术是利用激光的热效应或光效应来增强化学镀过程,从而在基板表面不用掩模而实现图形化镀覆。目前,人们已经利用不同波长的CO2激光、Nd:YAG固体激光、Ar+激光、准分子激光等在多种材料(如聚酰亚胺、有机玻璃、陶瓷、单晶硅)上沉积出了铜、镍、金、钯等多种金属。如专利文献(专利号:ZL0211526.3)报道了运用CO2激光器在非金属基板上诱导化学沉积导电金属,再进行化学镀铜,形成导线图形。该技术无需掩模,适用基板材料广泛,并节约大量贵金属。但激光诱导液相沉积加工技术速度缓慢,效率低下,不适合大规模生产。

[0009] 专利文献CN02115937.8公开了一种电路板制作和修复方法,步骤为:(I)将电子浆料在基板上预置成3-100微米的预置层;(2)烘干带有预置层的基板,去除其中的有机溶剂;(3)利用激光束按设定的轨迹扫描预置层,被扫描轨迹上电子浆料中的粘结相固化或熔化-凝固,使电子浆料中的导电相粘结,形成电子元件;(4)清洗去除未扫描部分的预置层。其核心关键在于,采用激光处理时,通过控制激光工艺参数,使得在激光作用过程中,电子浆料中的粘结相熔化或软化,激光束移开后,粘结相重新凝固或者固化,将各种成分粘结在一起形成导电线路。类似的专利文献CN102271456B公开了一种导热陶瓷基印刷电路板及其制备方法。该发明的导热陶瓷基印刷电路板包括有一个陶瓷基板,在陶瓷基板表面上有激光扫描的印刷电路图型和一个被激光融化形成的颗粒状金属球和银粉共同烧结形成的导电层,在导电层上有防焊油墨和丝印文字。该方法通过激光使金属粉融化成球,镶嵌在陶瓷基板表面形成结合牢固,后续涂覆的导电银浆起到连接导电的作用。这类技术受限于浆料中金属颗粒的尺寸,难以获得精细线路,并且浆料中的粘结相使最终导电线路的电学性能降低,难以应用于高功率器件。

[0010] 专利文献CN201210198793.3公开了一种陶瓷异性材表面金属化的方法,采用激光雕刻使陶瓷基体粗化,将粗化后的陶瓷基板置于化学镀中化镀铜打底,化学镀时铜原子陷入到该粗化区域,进而增加金属层与基体的结合力,在镀层表面镀镍、银或金作为保护层,并提出可以容易地生产三维的陶瓷电路板。但该文献没有公开实现三维陶瓷表面金属化的方法和条件。

[0011] 专利文献200710043530.4公开了一种利用飞秒激光实现玻璃表面选择性金属化的方法,步骤为:(I)在玻璃基底上制备硝酸银薄膜;(2)利用飞秒激光聚焦在硝酸银薄膜上直写图案;(3)去除未辐照的硝酸银薄膜;(4)置入化学镀铜液中进行化学镀铜。该方法利用飞秒激光超强超快的特性对玻璃材料进行微结构改性,飞秒激光与材料相互作用时表现出与长脉冲(脉宽大于IOps)明显不同的作用机理。飞秒脉冲的持续时间远小于材料中的电子-声子耦合时间,因此在脉冲作用时间内,获得能量的电子来不及传递能量给晶格,热扩散被“冻结”。瞬间的能量输入使电子温度急剧升高,而晶格温度很低,所以材料直接气化蒸发。该技术受限于飞秒激光的“去除效应”,使原本光滑玻璃基板表面形成凹槽状粗糙结构,增大了最终金属层的表面粗糙度。所采用的硝酸银前驱体见光易分解,限制其必须在避光环境下操作。以及飞秒激光设备价格昂贵、加工效率低、稳定性差、维护成本高等特点都限制了该技术的应用范围。

[0012]目前电路板的制作工艺已成为制约电子制造技术快速发展的瓶颈,传统的制造技术都需要掩模板,柔性化程度较低,难以实现三维曲面上的导电线路制作,并且无法完成导电线路的修复,而高柔性化的激光加工技术都因为各种问题难以实现工业化应用。

发明内容

[0013] 本发明提出了一种在二维或三维陶瓷材料表面导电线路的制作与修复方法,该方法旨在能够在多种陶瓷基板的表面快速直接地制备或修复各种复杂的导电线路,对基板材料无可镀性要求,对零件成型工艺和尺寸无特殊要求,不需要真空条件,成本低,柔性化程度高,效率高,具有通用性。

[0014] 本发明提供的一种陶瓷基板表面导电线路的制作与修复方法,其步骤为:

[0015] (I)将陶瓷基板整体浸泡在含有特定金属离子或金属络离子的溶液中,然后取出干燥;或将含有特定金属离子或金属络离子的溶液仅预置在基材上所设计的线路图形位置,然后干燥,形成均匀的固态薄膜;

[0016] (2)利用激光束按照预先设计的线路图形,对陶瓷基板表面进行加工处理,使其表面仅薄层(优选值为0.2 μ m〜200 μ m)发生熔化,同时使固态薄膜中特定金属离子或金属络离子还原成原子态并与基板材料混合;激光束离开时,活化金属凝固并团聚成微小颗粒植入基板材料表面,使得金属颗粒与基板形成牢固结合,完成活化金属颗粒的埋植,并得到导电图形的隐形形貌;

[0017] (3)清洗陶瓷基板的表面,以去除未经激光处理区域表面的上述特定金属离子或金属络离子;

[0018] (4)将清洗后的陶瓷基板放入化学镀液中实施金属化学镀,得到导电线路。

[0019] 本发明提出的利用激光处理预置有特定金属离子或金属络离子的陶瓷基板表面,然后实施化学镀制作和修复导电线路的方法,与现有技术相比,具有如下显著特点:

[0020] (I)与直接敷铜技术相比,本发明不需要预置金属薄膜,仅在设计线路图形的位置镀覆金属,无需腐蚀过程,生产过程在空气环境下,使成本降低,环境友好。

[0021] (2)与直接镀铜技术相比,本发明无需沉积中间层材料,金属导电层与基板直接连接,并对基板材料无特殊要求,适用于绝大部分陶瓷材料。

[0022] (3)本发明在激光对基板表面进行加工时,利用扫描振镜对曲面零件表面微区域激光辐照并配合三轴联动数控机床工作台的移动可以实现高效率、大幅面的三维加工。与制造陶瓷电路板的直接镀铜技术、直接敷铜技术和丝网印刷技术相比,本发明不受陶瓷工件表面形貌限制,无需通过掩模实现图形化,可随时通过修改CAD图形,更改导电线路图形,柔性化程度高。

[0023] (4)与激光诱导化学液相沉积技术相比,本发明采用激光扫描诱导固态薄膜分解产生催化化学镀的活性中心,激光无需通过溶液,排除了溶液温度、溶质浓度的影响,适用范围更广,导线的尺寸精度、重复性和质量稳定性更高。

[0024] (5)与激光烧结金属浆料法相比,本发明采用的前驱体固态薄膜不含有金属颗粒和粘结相,避免了浆料中颗粒状功能相和粘结相对导线质量的影响。激光作用后产生的化学镀活性中心并不具有导电性,通过后续的化学镀工艺能够获得良好图形分辨率、电学性能、传热性能和可焊性的导电线路。

[0025] (6)与飞秒激光实现玻璃表面选择性金属化的方法相比,本发明采用长脉冲激光(脉宽大于IOps)辐照埋植活化金属颗粒并结合化学镀的工艺在陶瓷材料表面制作导电线路,虽然都有激光辐照前驱体的工序,但效果并不相同。本发明所适用的陶瓷基板是由陶瓷粉体经高温烧结成型,基板微观形貌为颗粒状凸起,表面粗糙度较大。当激光辐照陶瓷表面时,颗粒状的陶瓷粉体熔化后填补颗粒间的间隙,激光束离开后,凝固的陶瓷材料和金属颗粒混合,形成表面粗糙度较低的平面,提高了后续沉积的金属层质量。其机理是利用连续激光和长脉冲激光的热效应,区别于飞秒激光与物质相互作用机理,因此本发明可以采用价格更低、效率更高、稳定性更高的激光器。并且本发明中使用的前驱体范围更广,可以在光照环境下加工,这都为本发明的工业化应用提供了保障。

[0026] (7)本方法可以实现导电线路的修复。当导电线路断开或焊盘脱落时,可以在仅在断开位置重新实施步骤(I)〜(4),即可完成导电线路的修复。

附图说明

[0027] 图1为本发明方法的具体实施方式的流程示意图。

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