一种氮化硅陶瓷电路板及其制备方法与流程

本发明涉及陶瓷电路板制备，具体涉及一种氮化硅陶瓷电路板及其制备方法。

背景技术：

1、陶瓷基板在芯片封装过程中起到核心作用，其一方面为芯片提供机械支撑和保护，另一方面为芯片提供散热通路。随着功率器件向高功率、高集成度方向发展，对陶瓷基板的散热性能、机械强度和电路精度提出了越来越高的要求。

2、常见的陶瓷基板制备技术主要包括高温共烧陶瓷基板（htcc）、直接覆铜基板（dbc）、活性金属钎焊基板（amb）和陶瓷通孔基板（tcv，又称直接电镀陶瓷基板dpc）等。其中，htcc基板采用金属与生陶瓷叠层后再共烧的方法制作多层陶瓷基板。该工艺的问题是：线路由丝网印刷制备，精度不高，厚度比较薄，既不能满足高精度线路要求，也不能满足大电流承载能力；共烧难以控制收缩率，进一步导致产品精度差。其优势是可以在内部做多层线路。

3、amb基板采用活性钎焊料，把铜箔焊接在陶瓷基板表面，再做线路刻蚀等工艺，得到陶瓷线路板。该工艺最大的问题是不能制备通孔，正反面线路不能导通，限制了其在需要垂直互联的高密度封装中的应用。

4、tcv（陶瓷通孔基板）以其高精度、可垂直互联、高性价比的特点受到了当前封装行业的欢迎。tcv基板制备工艺主要包括：在陶瓷基片上溅射ti/cu种子层，然后贴干膜、光刻、显影形成图形，再进行图形电镀使铜层增厚，最后去除种子层得到电路图形。然而，随着产品对性能要求的提高，陶瓷基板上单位面积通孔数量越来越多，大大降低了陶瓷基板本身结构强度。由于陶瓷基板自身强度不足而在高低温循环、温度冲击等过程中产生裂纹，进而导致封装后的芯片漏气，给产品带来了一定的可靠性风险。

5、氮化硅是一种性能优越的陶瓷材料。其热导率（70-80 w/m·k）比氮化铝（170 w/m·k）低，但比氧化铝（20-25 w/m·k）高。同时，其具有优异的机械性能，抗弯强度可达850mpa以上，大幅高于氧化铝（约500mpa）和氮化铝（约400mpa）。因此，氮化硅陶瓷基板可以同时满足封装过程中更加苛刻的散热和结构强度要求，特别适用于高功率、高可靠性应用场景。

6、然而，由于氮化硅陶瓷化学惰性高，表面活性低，传统在氮化硅陶瓷基板上溅射ti/cu种子层后再进行电镀铜的tcv工艺，其铜层和氮化硅陶瓷间结合力很差，无法满足后续产品性能要求。具体而言，普通tcv工艺中，ti层与氮化硅陶瓷表面结合主要依赖物理吸附和有限的化学键合，而氮化硅表面的低活性导致ti层难以形成稳定的化学键合，进而导致铜层与氮化硅陶瓷间结合强度不足。在后续的热循环、温度冲击等可靠性测试中，铜层容易从氮化硅陶瓷表面剥离，导致电路失效。

7、现有技术中，为了解决氮化硅陶瓷表面金属化结合强度的问题，有研究者采用活性金属钎焊（amb）技术在氮化硅陶瓷表面钎焊铜层。amb工艺利用含有ti、zr、v等活性元素的钎焊料，在钎焊过程中活性元素与氮化硅陶瓷表面发生化学反应，形成稳定的化学键合，从而实现金属与陶瓷间高强度结合。然而，amb基板由于其工艺特点，钎焊铜箔的厚度通常较厚（常见最小厚度为127μm），且无法通过amb工艺本身制备100μm以下厚度的铜层。更重要的是，amb基板无法制备贯穿陶瓷基片的通孔，正反面线路无法导通，严重限制了其在高密度封装中的应用。

8、因此，本领域亟需一种既能保证氮化硅陶瓷与铜层高结合强度，又能实现正反面线路导通，且能满足高精度线路要求的氮化硅陶瓷电路板制备方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种氮化硅陶瓷电路板及其制备方法，以解决现有技术中tcv工艺在氮化硅陶瓷上结合力不足、以及amb基板无法制备通孔的技术问题。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种氮化硅陶瓷电路板制备方法，包括以下步骤：

4、（a）提供氮化硅活性金属钎焊基板，所述基板包括氮化硅陶瓷基片和通过活性焊料钎焊于所述氮化硅陶瓷基片至少一个表面的铜层；

5、（b）将所述铜层减薄至预设厚度，得到减薄铜层，所述减薄铜层作为种子层；

6、（c）在所述减薄铜层上采用陶瓷通孔基板（tcv）工艺制备电路图形，所述tcv工艺包括：激光打孔、溅射金属种子层、图形化、电镀增厚，得到氮化硅陶瓷电路板。其中溅射金属种子层主要是通孔内需要沉积种子层。

7、优选地，步骤（b）中，所述减薄采用机械研磨、机械切削或化学腐蚀的方法。

8、优选地，步骤（b）中，所述预设厚度为20 μm至50 μm，优选为30 μm。

9、优选地，步骤（a）中，所述活性钎焊料为所述活性焊料为ag、cu、ti、v或zr其中至少一种元素系钎焊料，具体的可以为ag-cu-ti系钎焊料、或者ti-v-zr焊料，还包括其他任意组合。

10、优选地，步骤（a）中，所述铜层为钎焊铜箔层，所述钎焊铜箔层原始厚度为100 μm以上，优选为127 μm以上。

11、优选地，步骤（c）中，所述激光打孔的直径为所述陶瓷基片厚度的1/4至1/5。

12、优选地，步骤（c）中，所述溅射种子层包括依次溅射ti层和cu层。

13、优选地，步骤（c）中，所述图形化包括：在所述溅射种子层上贴干膜、曝光、显影，形成电路图形。

14、优选地，步骤（c）中，所述电镀增厚包括：在所述电路图形的开口区域进行电镀铜，使铜层增厚至目标厚度。

15、优选地，步骤（c）后还包括步骤（d）：去除所述减薄铜层中未被电镀铜层覆盖的部分。

16、优选地，步骤（d）中，由于所述减薄铜层为活性钎焊料与铜的混合层，包含ti、ag、cu元素，采用硫酸-双氧水体系刻蚀液与氢氟酸刻蚀液交替刻蚀，去除所述混合层，直至露出氮化硅陶瓷表面。

17、优选地，所述硫酸-双氧水体系刻蚀液中硫酸浓度为0.1mol/l至3.0mol/l、双氧水浓度为0.5mol/l至3.0mol/l，刻蚀温度为20℃至65℃，单次刻蚀时间为30秒至1200秒；所述氢氟酸刻蚀液浓度为0.5mol/l至2.0mol/l，刻蚀温度为20℃至65℃，单次刻蚀时间为30秒至1200秒。

18、优选地，所述交替刻蚀次数为2次至5次。

19、优选地，所述氮化硅陶瓷基片厚度为0.3 mm至1.0 mm。

20、优选地，步骤（c）中，在所述电镀增厚之后，还包括：对基板进行磨平，然后重复进行贴膜、显影、电镀增厚、磨平的工艺循环，直至形成所需厚度三维围坝结构。

21、本发明还提供一种氮化硅陶瓷电路板，包括：

22、氮化硅陶瓷基片；

23、位于所述氮化硅陶瓷基片至少一个表面的活性金属钎焊层，所述活性金属钎焊层包含ti、ag、cu元素；

24、位于所述活性金属钎焊层上的电镀铜层，所述电镀铜层通过薄膜电路工艺图形化形成；以及贯穿所述氮化硅陶瓷基片、所述活性金属钎焊层和所述电镀铜层的导电通孔。

25、优选地，所述活性金属钎焊层厚度为20 μm至50 μm。

26、优选地，所述电镀铜层厚度为10 μm至1000μm。

27、本技术的有益效果：

28、1、结合强度高：本发明利用amb工艺在氮化硅陶瓷表面形成高强度的活性金属钎焊层，解决了现有tcv工艺中溅射ti/cu种子层与氮化硅陶瓷结合力不足的技术问题。活性钎焊料中的ti元素与氮化硅陶瓷表面发生化学反应，形成稳定的化学键合，使得铜层与氮化硅陶瓷的结合强度显著高于传统溅射工艺。

29、2、垂直电互连：本发明在amb基板基础上，采用tcv工艺（激光打孔、溅射、电镀等）制备电路图形，实现了贯穿氮化硅陶瓷基板的导电通孔，突破了传统amb基板无法制备通孔的技术限制，使得基板正反面线路可以导通。

30、3、线路精度高：本发明采用薄膜工艺制备电路图形，线路精度远高于htcc基板的丝网印刷工艺，可以满足高密度布线要求。

31、4、铜层厚度可控：本发明通过将amb基板厚铜层减薄至预设厚度（如30 μm），既保留amb基板高结合强度优势，又为后续薄膜电路工艺提供了合适的种子层厚度，实现了厚铜层向薄种子层的过渡。

32、5、混合种子层可蚀刻：本发明针对amb基板减薄后形成的ti-ag-cu混合种子层，提出采用硫酸-双氧水体系与氢氟酸交替刻蚀的方法，解决了混合层无法像传统tcv工艺那样分步蚀刻（先蚀刻cu再蚀刻ti）的技术难题，同时通过严格控制刻蚀量，避免了线路铜层被过度刻蚀。

33、6、兼具多种优势：本发明的氮化硅陶瓷电路板兼具amb工艺的高结合强度、tcv工艺的高精度和可垂直互连、以及氮化硅陶瓷本身的高机械强度和高热导率等多种优势，特别适用于高功率、高可靠性芯片封装应用。