一种尺寸稳定的金属围坝陶瓷板生产方法与流程

本技术涉及半导体封装材料制造，尤其是涉及一种尺寸稳定的金属围坝陶瓷板生产方法。

背景技术：

1、垂直腔面发射激光器（vcsel）凭借低功耗、高集成度及窄光束等特性，已广泛应用于消费电子、工业检测、医疗传感及智能驾驶等领域。在vcsel器件的封装过程中，金属围坝陶瓷基板作为核心支撑组件，承担着芯片固晶、电气互联及光学聚光等重要功能。现有的金属围坝陶瓷基板生产工艺通常包括陶瓷基材的激光加工、表面清洗、磁控溅射沉积种子层、全板电镀加厚、光刻图形化形成线路与围坝、以及最终的蚀刻与切割等步骤。特别是在针对3535等主流规格产品的制造中，普遍采用在陶瓷基板正面构建具有一定高度的金属围坝结构以满足芯片贴装需求，而背面则主要保留用于散热的金属层或进行局部加厚处理，从而形成正反面金属层分布不对称的产品结构。

2、然而，在现有技术中，由于金属围坝层的铜热膨胀系数显著大于陶瓷基材的热膨胀系数，且正反面金属覆盖面积存在较大差异，导致基板内部产生不均匀的热应力。这种应力失衡现象在高温封装工艺（如固晶、共晶焊接）过程中尤为突出，极易引发基板发生弓曲变形、内部暗裂甚至整体碎裂，严重影响产品的尺寸稳定性与封装良率。

技术实现思路

1、本技术提供一种尺寸稳定的金属围坝陶瓷板生产方法，以解决上述问题，所述方法包括：

2、s1、对陶瓷基材进行生产拼板设计，使生产拼板为四边相等的四边形结构，或者使生产拼板由多个四边相等的四边形子拼板组合形成四边相等的四边形结构，并在所述生产拼板内布置多个用于vcsel激光芯片封装的单颗产品图形单元；

3、s2、对完成拼板设计的陶瓷基材进行激光打孔或激光切割，并对激光加工后的陶瓷基材进行酸性清洗或碱性清洗；

4、s3、在清洗后的陶瓷基材表面采用磁控溅射形成导电种子层，再对所述导电种子层进行全板电镀加厚，形成基础导电金属层；

5、s4、在所述基础导电金属层上通过贴膜、曝光和显影形成导电线路图形，对显影后的导电线路图形进行电镀增厚并研磨平整，形成芯片焊接图形、正负极布线图形以及位于陶瓷基材背面的背面加厚层；

6、s5、在研磨平整后的陶瓷基材正面通过贴膜、曝光和显影形成围坝图形，对所述围坝图形进行电镀增厚形成正面金属围坝层，并对电镀后的正面金属围坝层进行研磨平整，且根据所需围坝高度重复进行围坝图形形成、电镀增厚和研磨平整；

7、s6、对完成正面金属围坝层和背面加厚层制作的陶瓷基材进行去膜和蚀刻，随后进行阻焊制作和封装表面处理；

8、s7、对完成封装表面处理后的陶瓷基材进行预切或连片切割，得到尺寸稳定的金属围坝陶瓷板；

9、其中，在同一四边形生产拼板或同一四边形子拼板内，使正面金属围坝层的金属覆盖面积与背面加厚层的金属覆盖面积按相同面积比例配置，或者使正面金属围坝层与背面加厚层的残铜率差值控制在10%以内，以降低陶瓷基材正反两侧金属层因热膨胀系数不一致产生的应力。

10、通过上述技术方案，通过上述七个步骤的协同作用，特别是拼板几何对称性设计与正反面金属覆盖率精确匹配的有机结合，从根本上解决了传统金属围坝陶瓷基板因热应力不平衡导致的尺寸不稳定问题。四边相等的拼板结构消除了边缘效应引起的应力集中，而正反面残铜率差值控制在10%以内的策略，则在不增加额外材料成本的前提下，实现了热应力的自平衡。这种设计使得基板在经历高温固晶、共晶焊接等严苛封装工艺后，仍能保持极高的平面度和尺寸稳定性，有效避免了板弓曲、暗裂和碎板风险，大幅提升了vcsel激光芯片封装的良率和产品可靠性，同时也为大规模自动化生产提供了工艺一致性强、制造周期短的解决方案。

11、可选的，所述陶瓷基材为氧化铝陶瓷基材、氮化铝陶瓷基材、氮化硅陶瓷基材或碳化硅陶瓷基材。

12、通过上述技术方案，通过限定陶瓷基材为氧化铝、氮化铝、氮化硅或碳化硅中的一种，与四边相等的四边形拼板设计及正反两侧金属层残铜率差值控制在10%以内的技术特征形成协同配合。具体而言，上述四种陶瓷材料均具备优异的介电性能和化学稳定性，能够耐受上述步骤s2中的酸性或碱性清洗液腐蚀，并在步骤s3的磁控溅射及步骤s4-s5的多次电镀增厚过程中保持尺寸稳定，不发生晶格畸变或分层。更重要的是，这些陶瓷材料与铜、镍等金属层的热膨胀系数差异是客观存在的，而本技术通过调整正反面金属覆盖面积比例或控制残铜率差值，恰好补偿了不同陶瓷基材（如高热导率的氮化铝与普通氧化铝）因材质不同而导致的热膨胀行为差异。借助这种材料选择与结构应力平衡设计的有机结合，不仅解决了单一材料无法兼顾所有功率等级需求的局限性，更进一步消除了在高温固晶或共晶封装循环中因陶瓷与金属热膨胀不匹配导致的板弓曲、暗裂及碎板风险，最终实现了尺寸高度稳定的金属围坝陶瓷板的大规模自动化生产。

13、可选的，在s1中，所述单颗产品图形单元的外形尺寸为3535（3.5mm×3.5mm）、3939（3.9mm×3.9mm）、6565（6.5mm×6.5mm）、6868（6.8mm×6.8mm）、7070（7.0mm×7.0mm）、7272（7.2mm×7.2mm）或9090（9.0mm×9.0mm）中的一种。

14、通过上述技术方案，通过限定单颗产品图形单元的具体标准化尺寸，与前述提出的四边相等的四边形拼板结构以及正背面金属层残铜率平衡技术形成协同配合。在此基础上，标准化的单元尺寸确保了在大规模阵列排布时，每个单元内的正面金属围坝层与背面加厚层的面积比例更容易精确计算和控制，从而更稳定地实现残铜率差值在10%以内的技术指标。这种尺寸标准化与应力平衡设计的结合，不仅解决了因热膨胀系数不匹配导致的板翘曲和暗裂问题，还保证了最终切割得到的单个陶瓷基板在后续高温固晶或共晶工艺中的尺寸稳定性，大幅提升了vcsel激光芯片封装的良率和可靠性。

15、可选的，在s3中，磁控溅射所采用的靶材包括tiw、ti、ni或cu中的一种或多种，磁控溅射形成的导电种子层厚度为0.01μm-10μm，全板电镀加厚采用直流电镀或脉冲电镀方式进行，并将导电种子层加厚至0.5μm-50μm。

16、通过上述技术方案，通过上述技术特征的协同作用，构建了稳定可靠的基础导电体系。通过在磁控溅射阶段优选tiw、ti等过渡层靶材并控制种子层在0.01μm-10μm的薄层范围，解决了金属与陶瓷界面结合力弱的难题，防止了分层风险；在此基础上，利用直流或脉冲电镀方式将导电层进一步加厚至0.5μm-50μm，不仅快速建立了低电阻的导电通道，还通过脉冲电镀的细化晶粒作用提升了金属层的致密度。种子层的优异附着力与加厚层的优良导电性及致密性相互配合，共同形成了一个兼具高结合强度和高导电性能的基础导电金属层，该层作为后续图形化工艺的基石，显著提升了线路图形和围坝结构的成型质量，降低了因基底缺陷导致的断路或剥落概率，从而确保了最终金属围坝陶瓷板在高温封装环境下的尺寸稳定性和电气可靠性。

17、可选的，在s4中，导电线路图形通过光刻感光胶粘膜、菲林底片和na2co3显影溶液形成，所述导电线路图形经电镀增厚后的金属层厚度为10μm-200μm，且电镀增厚后的金属层通过水砂纸研磨、合金刀具切削或氧化铝粉研磨方式进行平整化处理。

18、通过上述技术方案，通过光刻感光胶粘膜、菲林底片与na2co3显影溶液的精确配合，实现了导电线路图形的高精度转移，奠定了微细线路的基础；在此基础上，通过将金属层电镀增厚至10μm-200μm的特定范围，显著增强了线路的载流能力与散热性能，解决了高功率vcsel封装中的热管理难题；进而，利用水砂纸研磨、合金刀具切削或氧化铝粉研磨等多种平整化手段，针对性地消除了厚铜层电镀后的表面缺陷，确保了芯片焊接面的极致平整。上述技术特征的协同作用，使得形成的芯片焊接图形、正负极布线图形及背面加厚层既具备优异的电气连接特性，又拥有完美的物理接触界面，从而在保证高密度布线精度的同时，大幅提升了金属围坝陶瓷板在高温封装过程中的结构稳定性与产品良率。

19、可选的，在s5中，所述正面金属围坝层采用直流电镀或脉冲电镀方式累计增厚至50μm-2000μm，并通过重复进行围坝图形形成、电镀增厚和研磨平整，使正面金属围坝层的围坝高度达到10μm-2000μm。

20、通过上述技术方案，采用直流或脉冲电镀方式将正面金属围坝层增厚至50μm-2000μm，并结合重复进行的围坝图形形成、电镀增厚和研磨平整工艺，实现了围坝高度在10μm-2000μm范围内的精确可控。在此基础上，脉冲电镀技术的应用改善了深层图形的填充能力，而逐层研磨机制则消除了累积形貌误差，二者协同作用，突破了传统单次电镀工艺的厚度限制。这不仅满足了不同功率等级vcsel芯片对围坝高度的差异化封装需求，特别是大功率器件所需的超高围坝散热与聚光结构，还显著提升了高厚径比金属围坝的结构完整性和尺寸稳定性，有效降低了因应力不均导致的板翘曲风险。

21、可选的，在s5中，所述围坝图形为圆形、方形、矩形或长方形，或者所述围坝图形为内圆外方结构或内方外圆结构；

22、所述正面金属围坝层的顶部为定位台阶结构或平面金属围坝结构。

23、通过上述技术方案，将围坝图形设计为圆形、方形、矩形、长方形以及内圆外方或内方外圆的复合结构，并与顶部的定位台阶结构或平面金属围坝结构相配合，实现了结构与功能的深度协同。具体而言，内圆外方或内方外圆的复合图形设计利用了方形的机械稳定性与圆形的光学优越性，解决了单一几何形状难以同时满足高精度贴装与高质量光输出的矛盾；在此基础上，顶部的定位台阶结构进一步利用了围坝图形的边界特征，为芯片提供了明确的物理基准，使得芯片在固晶或共晶过程中能够自动纠偏，减少了对外部高精度视觉系统的依赖。这种图形形状与顶部形态的组合设计，不仅适应了从单颗小功率到多颗大功率串并联等多种vcsel芯片的封装需求，还通过优化的应力分布提升了基板在高温循环下的尺寸稳定性，从而显著提高了最终产品的可靠性与生产效率。

24、可选的，在s4中形成的芯片焊接图形为热电分离结构；

25、所述单颗产品图形单元内设置单颗芯片封装位置，或者设置多颗芯片串联和/或并联封装位置。

26、通过上述技术方案，实现了芯片级性能的深度优化。通过将芯片焊接图形限定为热电分离结构，并与单颗或多颗芯片的灵活封装位置相结合，不仅解决了高功率密度下散热瓶颈问题，还提升了电路设计的自由度。热电分离结构确保了热量的高效导出，而多芯片串并联布局则在不牺牲热性能的前提下扩展了产品的功率等级和功能形态。这种设计特别适用于对热敏感且需高光输出的vcsel激光芯片，有效延长了器件使用寿命并提升了封装良率。

27、可选的，在s4中形成的单颗产品图形单元内设置两个或多个图形pad，并设置两个或多个电极导通孔；

28、所述电极导通孔与正负极布线图形对应设置，使单相电极能够分开独立控制。

29、通过上述技术方案，实现了高集成度vcsel芯片封装的电气互联优化。通过在单颗产品图形单元内密集排布多个图形pad并匹配相应数量的电极导通孔，结合与正负极布线图形的精准对应设置，不仅解决了传统单点或多点共用地线导致的信号串扰问题，还显著提升了基板对复杂驱动电路的兼容性。这种结构使得单相电极能够被分开独立控制，进而支持多通道、多区域的独立寻址功能，满足了lidar、3d传感等高端应用对动态光束调制和高速响应的严苛要求，有效提升了封装产品的功能复杂度与市场竞争力。

30、可选的，在s6中，阻焊制作采用感光树脂油墨覆盖产品图形中的绝缘区域，并在100℃-250℃下后固化；

31、封装表面处理为沉锡、沉金、沉镍钯金、沉银、电金或电银处理；

32、在s7中，预切或连片切割采用光纤脉冲激光器或二氧化碳激光器进行。

33、通过上述技术方案，实现了从绝缘保护、界面优化到最终成型的完整闭环控制。具体地，通过在100℃-250℃范围内对感光树脂油墨进行后固化，不仅形成了致密坚固的绝缘屏障，防止了后续高温封装过程中的短路风险，还为随后的表面处理提供了稳定的基底；在此基础上，多样化的封装表面处理工艺（沉锡、沉金、沉镍钯金等）针对不同封装需求提供了最佳的金属界面，确保了芯片与基板之间的低电阻连接和高结合强度；进而，利用光纤脉冲激光器或二氧化碳激光器进行的精密切割，避免了传统机械切割带来的微裂纹扩展风险，特别是在经历了多次电镀增厚和研磨平整后，陶瓷基材内部可能存在一定的残余应力，激光切割的非接触特性最大限度地释放了这种应力而不引发新的破坏。这三者相互配合，共同保障了最终产品在经历高温共晶或固晶工艺时的尺寸稳定性，有效解决了因热膨胀系数不匹配导致的板翘曲或碎裂问题，显著提升了vcsel激光金属围坝陶瓷基板的成品率和可靠性。