一种多层陶瓷电路板结构及其制备方法与流程

1.本发明属于电子封装技术领域，更具体地，涉及一种多层陶瓷电路板的结构及其制备方法。


背景技术：

2.电子信息产业作为当今社会发展的支柱产业之一，极大地改变着人们的生活方式。在摩尔定律引导下，各类电子产品的功能朝着高运算速度、高性能、高集成度方向发展。其中发挥核心作用的集成电路组件、器件的特征尺寸不断降低，门延迟相应缩小，但模块间互连引起的时间延迟问题日益凸显。芯片及微纳结构在基板上封装的过程中，一方面受限于基板大小，另一方面受限于线路连接需要，通常会选择大幅度增加互连线路长度以满足功能需要。因此，利用多层堆叠方式设计电路结构及半导体元器件布置策略，可以将传统二维布局拓展至三维立体布局，大大增加电路设计自由度，降低寄生电容，提高电路整体信号交换性能，满足相关应用要求。
3.目前多层电路集成结构主要有两种：嵌入再布线层(rdl)和硅通孔(tsv)键合互连。再布线技术广泛应用于印制电路板(pcb)的制作，通过将元件连接线多层布置设计，达到提高电路板表面器件密度的目的。其工艺成熟度高，成本低，但由于再布线层不能摆放独立元器件，只能用于线路布置，大大限制了器件密度进一步提高。利用硅通孔键合技术制作三维集成电路，是目前发展迅速的集成电路工艺结构，通过在硅片上刻蚀通孔，填充通孔，实现不同电路层间的电气、机械互连，达到完整可靠的电路三维布局效果。但其工艺难度较大，成本较高，对应精度要求较低的电路结构，不具有可行性；另一方面，三维结构性能提高的同时发热量大大提升，硅基板堆叠存在较为棘手的散热问题。
4.针对上述问题，本发明提出使用陶瓷基板作为多层电路结构基板，提高器件整体散热性能。陶瓷基板两面均进行电镀图形化，并通过垂直通孔形成互连，结构简单。利用旋涂工艺涂覆高导热绝缘胶形成隔离层，增加了器件可靠性与导热性；利用通孔技术制备隔离层互连通孔，然后再进行电镀沉积后形成互连通道，既降低了层间互连成本，又提高了器件整体制作速度。通过半导体微加工技术制备图形化电路，通过垂直通孔形成叠层电路，简化了原有多层电路制作工艺。


技术实现要素：

5.为了克服现有多层电路板技术不足，针对高性能、多功能单片集成需求，本发明提出一种多层陶瓷电路板的结构及其制备工艺，解决现有多层电路板散热能力不足、工艺复杂导致的良率低等问题，且能与现有集成电路工艺兼容，实现了快速、大批量生产。
6.为实现上诉目的，本发明的技术方案为：
7.一种多层陶瓷电路板，由一层陶瓷基板、多层隔离层、垂直通孔以及图案化电路组合而成；所述陶瓷基板上下表面镀有图形化电路，内含贯通上下表面的垂直通孔，且通孔内填充有金属铜柱；所述陶瓷基板表面通过旋涂工艺涂覆耐热绝缘胶，加热固化后形成隔离
层，并在隔离层表面制作图形化电路；所述隔离层内含垂直通孔并填充金属铜柱，实现陶瓷基板与隔离层间电互连，制得多层电路。
8.在本发明多层陶瓷基板及其制备方法中，所述陶瓷基板类型为直接电镀陶瓷基板(dpc)，其材质可以为氧化铝、氮化铝、氮化硅中的一种或多种。陶瓷基板上表面设有与隔离层互连的电路层，下表面设有与外部电路连接的电路层。
9.进一步地，所述dpc基板表面电路层通过半导体微加工技术制备，厚度为10-300μm，垂直通孔直径为60-120μm。
10.在本发明的多层陶瓷基板及其制备方法中，所述陶瓷基板表面通过旋涂工艺涂覆耐热绝缘胶，加热固化后形成隔离层，在隔离层表面制作图形化电路。所述隔离层内含垂直通孔并填充金属铜柱。
11.进一步地，所述耐热绝缘胶为聚酰亚胺(pi)、液晶树脂(lcp)、abf中的一种，通过低速旋涂成膜，随后加热固化，固化温度为100-300℃，固化时间为1-3小时，固化后厚度为50-150μm。
12.进一步地，所述隔离层垂直通孔采用激光打孔或光刻/显影/刻蚀工艺进行制备，垂直通孔直径为100-300μm。
13.进一步地，所述隔离层内垂直通孔采用电镀工艺进行填充，利用上一层焊盘作为种子层进行电镀铜，直至通孔填满。
14.在本发明的多层陶瓷电路板及其制备方法中，所述隔离层在垂直通孔填充完毕后，利用研磨工艺进行减薄，以控制隔离层表面质量以及平整度，减薄后电路层厚度为10-300μm。
15.进一步地，所述的一种多层陶瓷电路板制备方法，具体包括：
16.1)在dpc陶瓷基板表面涂覆耐热绝缘胶作为隔离层；
17.2)采用激光打孔或光刻/显影/刻蚀工艺在隔离层内制备垂直通孔；
18.3)对隔离层表面进行去油、去污和干燥处理；
19.4)在隔离层表面通过溅射工艺沉积金属钛和铜层作为种子层，钛层厚度为100-200nm，铜层厚度为300-1000nm；
20.5)在金属层表面涂覆光刻胶，经过曝光、显影、刻蚀、电镀工艺制得图形化电路，并研磨平整；
21.6)去除残余光刻胶和多余种子层；
22.7)表面处理，防止电路层氧化，完成制备。
23.在本发明的多层陶瓷电路板及其制备方法中，所述dpc陶瓷基板与隔离层电路均通过半导体微加工工艺制得，图形易于设计与加工，通过在隔离层上反复涂覆新隔离层并制备图形化电路来提高线路层数，从而增加陶瓷电路板集成度。
24.综上所述，本发明相比于现有制作方法，主要具有以下优点：
25.1)本发明使用dpc陶瓷基板作为多层电路基板，具有热导率高、工艺技术成熟等优势。利用陶瓷材料高导热能力，可以提高器件散热强度；另一方面，dpc基板拥有较高的图形精度，可以与隔离层电路精度匹配。
26.2)本发明使用旋涂工艺进行隔离层绝缘胶涂覆。利用旋涂工艺能够使耐热绝缘胶充分平铺整个陶瓷基板，表面均匀平整，有利于后续隔离层图形化电路制备。
27.3)本发明使用电镀方式填充垂直通孔，巧妙利用通孔下已经形成好的互连焊盘作为电镀种子层，实现了互连金属定位生长。
28.4)本发明使用半导体微加工技术在隔离层进行图形化电路制备，精度高，质量好，增加了多层电路板集成度。
29.5)本发明提出使用陶瓷基板作为多层电路结构基板，提高器件整体散热性能。陶瓷基板两面均进行电镀图形化，并通过垂直通孔形成互连，结构简单。利用旋涂工艺涂覆高导热绝缘胶形成隔离层，增加了器件可靠性与导热性；利用通孔技术制备隔离层互连通孔，然后再进行电镀沉积后形成互连通道，既降低了层间互连成本，又提高了器件整体制作速度。通过半导体微加工技术制备图形化电路，通过垂直通孔形成叠层电路，简化了原有多层电路制作工艺。
附图说明
30.图1是本发明的一种实施方式所涉及的多层陶瓷电路板剖视图。
31.图2是图1示出的多层陶瓷电路板制备工艺流程图。
32.图3是图1示出的多层陶瓷电路板中隔离层通孔部位剖视图。
33.所有附图中，相同的附图标记用来表示相同结构，其中：1、4、7、10-图形电路层；3、6-绝缘胶隔离层；2、5、9-导通铜柱；8-陶瓷基板；11-金属溅射层。
具体实施方式
34.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。
35.本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
36.本文中所用的术语“包含”、“包括”、“具有”、“含有”或其任何其它变形，意在覆盖非排它性的包括。例如，包含所列要素的组合物、步骤、方法、制品或装置不必仅限于那些要素，而是可以包括未明确列出的其它要素或此种组合物、步骤、方法、制品或装置所固有的要素。
37.短语“由
…
组成”排除任何未指出的要素、步骤或组分。如果用于权利要求中，此短语将使权利要求为封闭式，使其不包含除那些描述的材料以外的材料，但与其相关的常规杂质除外。当短语“由
…
组成”出现在权利要求主体的子句中而不是紧接在主题之后时，其仅限定在该子句中描述的要素；其它要素并不被排除在作为整体的所述权利要求之外。
38.当量、浓度、或者其它值或参数以范围、优选范围、或一系列上限优选值和下限优选值限定的范围表示时，这应当被理解为具体公开了由任何范围上限或优选值与任何范围下限或优选值的任一配对所形成的所有范围，而不论该范围是否单独公开了。例如，当公开了范围“1至5”时，所描述的范围应被解释为包括范围“1至4”、“1至3”、“1至2”、“1至2和4至5”、“1至3和5”等。当数值范围在本文中被描述时，除非另外说明，否则该范围意图包括其端值和在该范围内的所有整数和分数。
39.在某些例子中，近似用语可能对应于测量数值的仪器的精度。在本技术说明书和权利要求书中，范围限定可以组合和/或互换。如果没有另外说明，这些范围包括其间所含有的所有子范围。
40.本发明要素或组分前的不定冠词“一种”和“一个”对要素或组分的数量要求(即出现次数)无限制性。因此“一个”或“一种”应被解读为包括一个或至少一个，并且单数形式的要素或组分也包括复数形式，除非所述数量明显只指单数形式。
41.本发明所描述的术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不是必须针对相同的实施例或示例。而且，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。
42.本发明所采用原料和设备若非特指，均可从市场购得或是本领域常用的，实施例中的方法，如无特别说明，均为本领域的常规方法。
43.下面将参照图2的工艺流程，并结合图1的多层陶瓷电路板结构和图3的隔离层通孔结构来进一步说明本发明。
44.本发明多层陶瓷电路板由陶瓷基板8和隔离层3、6等叠合而成，所述陶瓷基板8上下表面镀有图形化电路7、10，内含贯通上下表面的垂直通孔，此垂直通孔内填充有金属铜柱9。陶瓷基板8表面通过旋涂工艺涂覆耐热绝缘胶，加热固化后形成隔离层6，并在隔离层表面制作图形化电路4。所述隔离层内含通孔并填充金属铜柱5，实现陶瓷基板与隔离层间电互连，随后重复上述步骤，在隔离层6上旋涂绝缘胶，加热固化得到隔离层3，并在隔离层内制作通孔并填充铜柱2，以及在表面制作图形化电路1，得到多层电路板。
45.在本发明的多层陶瓷电路板结构及制备方法中，所述陶瓷基板类型为直接电镀陶瓷基板(dpc)，其材质优选为氮化铝，其热膨胀系数为4.4
×
10-6
/℃，热导率为180w/(m
·
k)，基板厚度为500μm；在陶瓷基板上表面设有与隔离层互连的电路层7，下表面设有与外部电路连接的电路层10，连通上下表面的铜柱9，均通过半导体微加工技术制备。在本实施方案中电路层厚度为80μm，垂直通孔直径为100μm。
46.在本发明的多层陶瓷电路板结构及其制备方法中，所述陶瓷基板表面通过旋涂工艺涂覆耐热绝缘胶。本实施例中绝缘胶为pi(聚酰亚胺)，粘度为5000cp，热膨胀系数为3.5
×
10-5
/℃。pi加热固化后形成隔离层6，在隔离层表面制作图形化电路4；所述隔离层内含通孔并填充金属铜柱5。本实施例中pi加热固化温度依次为70℃、110℃、150℃、200℃和250℃，每种温度下各加热30分钟，制得隔离层厚度为80μm。本实施例中使用激光打孔方式制备隔离层通孔，激光器为二氧化碳激光器，波长10.6μm，可选择性地仅对隔离层烧蚀，形成通孔后电镀填充，实现层间电连接。本实施例中通孔直径为300μm。
47.参照图2工艺流程以及图3多层陶瓷电路板中隔离层通孔部位剖视图，结合本实施例进一步说明制备隔离层并实现层间互连的方法。
48.本实施例中，使用激光器对陶瓷基板上涂覆的隔离层进行打孔，以dpc陶瓷基板图形电路层7为种子层，采用电镀工艺对隔离层中通孔进行电镀，制备得到导电铜柱5。通孔填充完毕后利用研磨工艺进行减薄，控制隔离层表面质量以及平整度，减薄后电路层厚度为50μm。
49.进一步地，在本实施例中在隔离层6表面制备图形化电路4的步骤包括：
50.1)对隔离层6表面进行去油、去污和干燥处理；
51.2)在隔离层6表面磁控溅射金属种子层11，先后溅射一层金属钛和金属铜，其中钛层厚度为100nm，铜层厚度为400nm；
52.3)在种子层11表面贴上干膜或涂覆光刻胶，经过曝光、显影、刻蚀、电镀工艺制得图形化电路4，并研磨平整，得到电路层厚度为80μm；
53.4)去除残余光刻胶和多余种子层；
54.5)表面处理，防止电路层氧化，完成制备。
55.在本发明的多层陶瓷电路板结构及其制备方法中，隔离层通过在基板表面旋涂绝缘胶固化形成，利用激光打孔以及电镀填充形成层间电互连，在隔离层上制备图案化电路，最终使每层电路都有独立的功能并可互相通信互连。所述dpc陶瓷基板与隔离层图形化电路均通过半导体微加工制得，图形易于设计与加工，通过在隔离层上反复涂覆新隔离层并制备图形化电路来提高叠层层数，制得更多层数的多层电路，从而提高多层电路板集成度。
56.上述实施例只为说明本发明的技术构思以及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。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。

技术特征：
1.一种多层陶瓷电路板，其特征在于：由陶瓷基板、多层隔离层、垂直通孔以及图案化电路组成；所述陶瓷基板上下表面镀有图形化电路，内含贯通上下表面的垂直通孔，垂直通孔内填充有金属铜柱；所述陶瓷基板表面通过旋涂工艺涂覆耐热绝缘胶，加热固化形成隔离层，并在隔离层表面制作图形化电路；所述隔离层内含垂直通孔并填充金属铜柱，实现陶瓷基板与隔离层间电互连，获得多层陶瓷电路板。2.根据权利要求1所述的一种多层陶瓷电路板，其特征在于：所述陶瓷基板为直接电镀陶瓷基板(dpc)，其材质为氧化铝或氮化铝；陶瓷基板上表面设有与隔离层互连的电路层，下表面设有与外部电路连接的电路层，陶瓷基板基板厚度为100-1000μm。3.根据权利要求2所述的一种多层陶瓷电路板，其特征在于：所述dpc基板表面电路层通过半导体微加工技术制备，厚度为10-300μm，垂直通孔直径为60-120μm。4.根据权利要求1所述的一种多层陶瓷电路板，其特征在于：所述陶瓷基板表面通过旋涂工艺涂覆耐热绝缘胶，加热固化后形成隔离层，在隔离层表面制作图形化电路；所述隔离层内含垂直通孔并电镀填充金属铜柱。5.根据权利要求4所述的一种多层陶瓷电路板，其特征在于：所述耐热绝缘胶为聚酰亚胺(pi)、液晶树脂(lcp)、abf中的一种。6.根据权利要求4-5任一所述的一种多层陶瓷电路板，其特征在于：所述隔离层是通过低速旋涂热绝缘胶成膜，随后加热固化所得，所述固化温度为100-300℃，固化时间为1-3小时，固化后厚度为50-150μm。7.一种权利要求1-6任一所述的一种多层陶瓷电路板的制备方法，具体包括：1)在dpc陶瓷基板表面涂覆耐热绝缘胶作为隔离层；2)采用激光打孔或光刻/显影/刻蚀工艺在隔离层内制备垂直通孔；3)对隔离层表面进行去油、去污和干燥处理；4)在隔离层表面通过溅射工艺沉积金属钛和铜层作为种子层，钛层厚度为100-200nm，铜层厚度为300-1000nm；5)在金属层表面涂覆光刻胶，经过曝光、显影、刻蚀、电镀工艺制得图形化电路，并研磨平整；6)去除残余光刻胶和多余种子层；7)表面处理，防止电路层氧化，得到多层陶瓷电路板。8.根据权利要求7所述的一种多层陶瓷电路板的制备方法，其特征在于：所述隔离层内垂直通孔直径为100-300μm，采用电镀铜工艺填充，直至通孔填满。9.根据权利要求7所述的一种多层陶瓷电路板的制备方法，其特征在于：所述隔离层在垂直通孔填充完毕后，利用研磨工艺进行减薄，以控制隔离层表面质量及平整度，减薄后电路层厚度为10-300μm。10.根据权利要求7-9任一所述的一种多层陶瓷电路板的制备方法，其特征在于：所述dpc陶瓷基板与隔离层图形化电路均通过半导体微加工制得，图形易于设计与加工，通过在隔离层上反复涂覆隔离层并制备图形化电路来提高电路层数，从而增加电路板集成度。

技术总结
本发明公开了一种多层陶瓷电路板结构及其制备方法，所述多层陶瓷电路板结构由陶瓷基板、隔离层、互连孔道、图案化电路组合而成。所述陶瓷基板上下表面有图形化电路，内含贯通上下表面的连通孔，连通孔内填充有金属铜柱。所述陶瓷基板表面通过旋涂工艺涂覆耐热绝缘胶，加热固化形成隔离层，并在隔离层表面制作图形化电路。所述隔离层内含连通孔并填充金属铜柱，实现陶瓷基板与隔离层间电互连，获得多层电路。本发明利用陶瓷基板的绝缘、散热性能，通过旋涂、激光打孔、光刻显影、图形电镀等工艺制备出实用性强，工艺简单的多层陶瓷电路板，提高封装集成度。高封装集成度。高封装集成度。


技术研发人员：刘松坡 刘学昌 张树强
受保护的技术使用者：武汉利之达科技股份有限公司
技术研发日：2023.07.18
技术公布日：2023/10/20