薄膜陶瓷基板鍍層分層的研究

肖永龍 李保忠 秦典成 張軍杰(樂健科技珠海有限公司， 廣東 珠海 519180)

薄膜陶瓷基板鍍層分層的研究

肖永龍 李保忠 秦典成 張軍杰(樂健科技珠海有限公司， 廣東 珠海 519180)

本文通過介紹LED的發展趨勢及其封裝材料的需求，論述了陶瓷基板在在LED封裝領域的應用優勢，并分析陶瓷基板金屬化過程中鍍銅分層問題的主要原因，給出可行性的處理方法。

LED;薄膜;陶瓷;電鍍;分層

By introducing the relationship between the development trend of LED and its demand for packaging materials,this paper discusses the advantages of ceramic substrate brings in the LED encapsulation fi eld,and analyzes the mian reasons for copper plating layer problem when ceramic substrate being metalized and discusses the related processing methods.

0 引言

目前，隨著國內外LED行業向高效率、高密度、大功率等方向發展[1]，開發性能優越的散熱材料已成為解決LED散熱問題的當務之急。一般來說，LED發光效率和使用壽命會隨結溫的增加而下降，當結溫達到125℃以上時，LED甚至會出現失效。為使LED結溫保持在較低溫度下，必須采用高熱導率、低熱阻的散熱基板材料和合理的封裝工藝，以降低LED總體的封裝熱阻。

陶瓷基板不僅具備優良的散熱性能，而且其熱膨脹系數能夠與LED芯片的較好地發生匹配，從而能夠很好地避免因熱應力引起的熱變形[2]。這不僅解決了LED的散熱難題，同時也解決了因熱膨脹系數不匹配而引起的光衰與死燈問題，是今后LED封裝基板發展的重要方向之一。但由于陶瓷基板本身不具有電導性，因此在用作大功LED散熱基板之前必須對其表面進行金屬化和圖形化。

陶瓷基板的金屬化主要有多種不同的方法，目前業界普遍采用的主要為以下幾種：鉬錳法[3]、薄膜法[4]、直接敷銅法(DBC)[5]、厚膜法[6]和化學鍍法[7]。

其中，與傳統FR-4基板相比，陶瓷基板需要直接在純陶瓷板上通過PVD/sputter 濺射技術在 AL2O3或ALN 陶瓷板上，進行Ti/Cu 濺射形成1um 厚度的種子層后，再進行電鍍加厚銅，繼而制作成PCB 線路板。另外，根據陶瓷基板各種的應用需求以及加工操作要求，陶瓷基板在覆銅前進行激光切割加工各種孔與槽孔，此類操作給陶瓷板板面帶來不同程度的污染，對后續的覆銅加工帶來分層風險。本文實驗論證激光切割后不同清洗處理對陶瓷覆銅分層的影響。

1 實驗過程

1.1 實驗材料及實驗板設計

本實驗選用S廠商生產的99%ALN陶瓷基片，材料尺寸：127mm×127mm，厚度 ：0．50mm

實驗板設計：在ALN陶瓷基板上設計36個2．0mm與若干0．3mm孔，如圖1所示。

圖1

1.2 實驗流程

實驗流程如圖2所示。

圖2

1.3 實驗過程及實驗參數

(1)激光切割。選用光纖激光切割機對ALN陶瓷基板進行鉆孔。

(2)清洗。由于激光切割原理是利用高功率密度激光束照射被加工材料，使材料快速被加熱至汽化溫度，蒸發形成孔洞，隨著光束在被加工材料上的移動，孔洞會連成完整的切割形狀。在高溫過程中必然會產生各種殘留物，故對此類殘留物的清理必不可少。

故實驗主要是使用幾種不同的清洗組合來驗證不同的清洗效果對陶瓷基板鍍層分層的影響。

具體組合如表1：

表1 清洗組合

各清洗參數如表2：

表2 清洗參數

(3)等離子清洗

所有實驗板均在等離子氛圍下處理35min。主要是去除操作過程中的油脂、輕微的金屬污染以及起到PVD鍍銅前的表面活化作用。

參數如表3：

表3 Plasma 參數

(4)PVD鍍銅。通過磁控濺射技術在A1N陶瓷基板上先濺射一層約700nm增強陶瓷與銅層結合力的過渡層金屬Ti，然后再在其表面濺射1um厚的Cu薄層，最終制得A1N陶瓷散熱基板。

(5)電鍍。電鍍主要流程：除油→水洗→浸酸→電鍍銅→水洗→烘干。其中，浸酸和整板板電鍍為最重要的兩大步驟。浸酸的目的是除去板面氧化物，活化板面，一般濃度在 5%，有的保持在10%左右，主要是防止水分帶入造成槽液內硫酸含量不穩定[8]。電鍍是在陶瓷表面金屬化后，把整塊陶瓷板作為陰極，通過電鍍銅層加厚到一定的程度，然后通過蝕刻的方法形成電路圖形，防止因PVD鍍銅層太薄被后續工藝蝕刻掉而造成產品報廢[9]。

此次實驗電鍍銅厚為35um±5um，電鍍參數如表4：

表4 電鍍參數

3 實驗結果與討論

3.1 實驗結果

電鍍后實驗結果：3款實驗板在電鍍加厚銅后均無出現分層問題。眾所周知制備完畢的陶瓷基板均用于后續產品應用，故封裝過程必不可少。下面對實驗板的各項性能進行檢測。

3.2 高溫測試

由于客戶在陶瓷基板封裝時需進行170℃、2小時高溫烘烤，故電鍍后的陶瓷基板必須要求在此高溫烘烤條件下無分層、無氣泡等問題，同時考慮到產品需長時間使用。高溫測試條件提高到170℃、4小時。

測試結果如表5：

表5 測試結果

從氣泡位置邊緣撕開表面銅箔，發現1#與3#實驗板分層均發生在陶瓷層與過渡金屬層Ti層之間。證明在相同的等離子清洗、PVD 鍍銅以及電鍍條件下，超聲波清洗或無清洗的處理條件不足以清除激光切割后陶瓷基板表面的殘留臟污，存在高溫烘烤氣泡的風險。

3.3 剝離強度測試

參考IPC-TM-650 標準，在距離陶瓷基板邊緣在距離邊緣大于25．4cm區域制作3．18mm的線路，在夾持端剝起不超過12．7mm的銅箔，再將基板固定在固定夾具上，已90°±5°角度測試剝離拉力。

測試公式如下：N/mm=Lm/Ws

式中：Lm：最小負荷；Ws：被測試條寬度。

測試標準：≥1．05N/mm

其中，在常溫下測試剝離強度。測試結果如圖、數據如表6：

圖3

表6 剝離強度數據表

從圖5與表6數據可知：在常溫條件下，1#實驗板剝離強度在標準線之間，3#實驗板剝離強度數據在0．95N/mm以下，兩者剝離強度表現不能滿足要求。2#測試板剝離強度滿足要求。

由于產品封裝與應用要求，測試2#實驗板在常溫與高溫(170℃、4小時)的表現。測試結果如圖4、數據如表7：

表7 常溫與高溫剝離強度對比

從圖6與表7數據發現，高溫后剝離強度有所下降，但是依然滿足標準。

圖4

4 結語

本實驗證明在相同的等離子清洗、PVD 鍍銅以及電鍍條件下，超聲波清洗或無清洗的處理條件不足以清除激光切割后陶瓷基板表面的殘留臟污，存在高溫烘烤氣泡的風險。同時，陶瓷面殘留的臟污影響亦會剝離強度的表現。

故建議針對經過激光切割處理的陶瓷基板的鍍銅制作，對鍍銅前的陶瓷基板清理必不可少，增加硝酸清洗可以有效清除激光切割后濺射于陶瓷表面上的殘余的殘余物，再經過正常的超聲波清洗與Plasma處理后，可提升陶瓷基板金屬化的結合力，降低出現分層氣泡的風險。

[1]劉恩科,朱秉升,羅晉生,等.半導體物理(第六版)[J].北京:電子工業出版社,2003,240-355.

[2]王多笑,李佳.大功率LED散熱封裝技術研究[J].2008年中國電子學會第十五屆電子元件學術年會,2007,6(2):141-150.

[3]曹昌偉,馮永寶,丘泰,梁田.AlN陶瓷表面氧化及Mo-Mn法金屬化研究[J].人工晶體學報,2017,(03):416-421+432.

[4]郝春蕾.氮化鋁薄膜的制備與性能研究[D].哈爾濱工業大學,2015.

[5]謝建軍,王宇,汪暾,王亞黎,丁毛毛,李德善,翟甜蕾,林德寶,章蕾,吳志豪,施鷹.直接敷銅工藝制備Cu/AlN材料的界面結構及結合性能[J].機械工程材料,2017,(01):61-64.

[6]張鵬飛,傅仁利,陳寰貝,梁秋實.AlN的厚膜銅金屬化及其結合機理[J].固體電子學研究與進展,2017,(03):204-210.

[7]王曉虹,張金強,馮培忠,孫智.氮化鋁陶瓷表面化學鍍銅溶液組成的優化[J].電鍍與涂飾,2009,(12):25-27.

[8]王志軍,楊磊,劉海風.印制板酸性鍍銅工藝[J].材料保護,2003,36(5).

[9]馮立明.電鍍工藝與設備[ M].北京:化學工藝出版社,2005.