一种厚铝陶瓷衬板的图形层结构及其制备方法

技术领域

本发明涉及半导体制备领域，更具体地说，它涉及一种厚铝陶瓷衬板的图形层结构及其制备方法。

背景技术

随着电子技术的迅猛发展，电子装备日益趋于集成化、小型化和轻型化。大规模的集成电路的集成度越来越高，大功率密度封装衬板越来越受到行业重视。金属陶瓷衬板作为以高散热性能和优异绝缘特性开发出来的热电分离封装衬板，被广泛应用在功率电子封装结构中。

相比同类型覆铜陶瓷衬板，覆铝陶瓷衬板的抗热震、抗热循环性能更好，以覆铝陶瓷衬板为封装衬板的器件可拥有更高的可靠性，并在日本已大量应用于高压大电流大功率器件中。随着国内SiC、GaN半导体、轨交、电动车超级充电桩、高压输电等领域的迅猛发展，半导体器件迭代加速，大电流方向也成为未来器件的主要发展主流。

陶瓷封装衬板其主要的功能承载电流、散热、可靠性要求越来越严苛，半导体器件大电流（大于500A）的技术发展趋势，使得金属层厚度朝着加厚方向发展，以覆铜陶瓷衬板铜厚为例，其铜厚度将集中在0.8mm~1.2mm方向发展，但目前厚铜陶瓷衬板可靠性需求已超过材料物理极限。铝金属具有天然低屈服强度，在厚金属层大电流半导体器件中，覆铝陶瓷衬板具有更大的热循环，热震可靠性优势，逐渐受到青睐。

目前关于金属铝层基板产品的蚀刻技术，主要以低功率器件用铝基覆铜板（金属层厚度0.2mm以下，铝做背板，充当散热作用，其背板图形精度普遍要求不高）为主，厚铝陶瓷衬板的蚀刻，直接采用目前湿法蚀刻工艺，存在侧蚀严重、蚀刻精度差、图形边缘锯齿，无法满足厚铝陶瓷衬板的图形电路制备要求。在厚铝金属层的覆铝陶瓷衬板中，其厚铝层充当导电电路层，电路图形精细，可靠性要求高，因此高精度厚铝陶瓷衬板的图形制备蚀刻技术亟待开发。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种厚铝陶瓷衬板的图形结构，在完成厚铝陶瓷衬板的图形蚀刻后能够获得高精度的图形。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种厚铝陶瓷衬板的图形层结构，至少包括陶瓷层以及厚铝层；所述厚铝层具有图形区以及位于图形区下方的弧形区，弧形区与陶瓷层直接接触，所述图形区形成有蚀刻通道，所述蚀刻通道的侧壁与陶瓷层形成的夹角为70°~90°；所述弧形区位于蚀刻通道的部分形成有台阶。

本发明进一步设置为：所述厚铝层厚度为0.6~1.6mm，最小的图形区间距为0.4mm，精度为±0.1mm。

本发明进一步设置为：所述蚀刻通道的厚度尺寸为75%~85%厚铝层厚度，弧形区尺寸为15%~25%厚铝层厚度，伸出的台阶尺寸为25~40μm。

本发明进一步设置为：所述陶瓷层厚度为0.32~1.00mm。

本发明进一步设置为：所述陶瓷层材料为氮化铝、氧化铝、氮化硅中的一种。

本发明同时提供一种用于制备厚铝陶瓷衬板的图形层结构的方法，其包括以下步骤：

S1：表面清洁：

将覆铝陶瓷衬板进行清洗去除表面油污和其他杂质，备用；

S2：图形转移：

预设图形A，取步骤S1的覆铝陶瓷衬板，在其表面设置耐酸掩膜，对覆铝陶瓷衬板进行预设图形A的曝光，对覆铜陶瓷衬板进行显影处理，得到表面设置了图形A的耐酸掩膜的覆铝陶瓷衬板；

S3：电蚀刻预处理：

取步骤S2制备的表面设置了图形A耐酸掩膜的覆铝陶瓷衬板作为阳极，以铜板为阴极，置于电解液槽中，阴阳极板间施加直流电流进行电蚀刻，电蚀刻深度为厚铝层厚度的85~90%；

S4：化学蚀刻：

取步骤S3电蚀刻处理后的厚铝陶瓷衬板，利用水平蚀刻线依次进行喷淋、水洗完成蚀刻，蚀刻至陶瓷基底，完成精密图形蚀刻；

S5：退膜清洗：

取步骤S4中蚀刻后的覆铝陶瓷衬板，利用碱洗去除其表面的耐酸掩膜，酸洗、水洗烘干后得到带有图形A的覆铝陶瓷衬板。

本发明进一步设置为：在S1步骤中，清洗包括依次通过碱洗、酸洗、水洗和烘干。

本发明进一步设置为：在S1步骤中，所述碱洗的碱洗液为浓度3~5%的NaOH溶液，反应温度为室温，反应时间为30~60s；所述酸洗的酸洗液为浓度10~20%的HNO

本发明进一步设置为：在S3步骤中，铜板作为阴极置于阳极两侧，阴阳极板平行放置，间距距离为15~25mm。

本发明进一步设置为：所述电蚀刻的蚀刻液含有50~150 g/L 的NaCl，5~10 ml/L的HCl以及5~10 ml/L的H

本发明进一步设置为：所述电蚀刻的参数为，电解液温度70~80 ℃，电流为直流电，其电流密度为5.0~10.0 A/dm

本发明进一步设置为：在S4步骤中，喷淋压力为3.7~5.5Kg/cm

本发明进一步设置为：所述水平蚀刻线使用的蚀刻液由100~300 g/L的FeCl

综上所述，本发明具有以下有益效果：

本发明主要是提供一种厚铝陶瓷衬板的蚀刻工艺，其包括一种高精度厚铝陶瓷衬板的图形制备方法与其结构，其技术方案的要点是：采用如下步骤进行，第一步，在厚铝陶瓷衬板的表面设置一层耐酸掩膜；第二步，设置对应图案的菲林在耐酸掩膜上，对耐酸掩膜进行曝光、显影，将需要蚀刻区域的耐酸掩膜去除，不需要蚀刻的区域用耐酸掩膜进行蚀刻保护；第三步，使用电蚀刻方式对待蚀刻区域进行电蚀刻预处理，去除85~90%厚度的厚铝层，获得蚀刻通道，蚀刻通道的图形边缘垂直陶瓷面的角度为70~90°，获得铝层图形的垂直结构区；第四步，使用水平蚀刻线的湿法蚀刻对图形蚀刻区域处的剩余铝层进行喷淋蚀刻，限定工艺参数，具有速度快，压力大的蚀刻特点，可有效去除图形剩余的铝层，获得铝层图形的弧形区结构，最终获得，厚铝陶瓷衬板的图形具有铝层结构为垂直区厚度尺寸为75%~85%厚铝层厚度，图形边缘垂直度为70°~90°，弧形区尺寸为15%~25%厚铝层厚度，伸出台阶尺寸为30~60μm，厚铝层厚度为0.6~1.6mm；第五步，去除表面耐酸掩膜，得到带有图案的厚铝陶瓷衬板，完成高精度厚铝陶瓷衬板的图形制备。

本发明利用电蚀刻的方式，对厚铝陶瓷衬板进行预处理，本发明提供的电蚀刻预处理方式可以保证图形边缘垂直度，减少边缘锯齿，并在无明显侧蚀条件下有效减小铝的厚度，去除表面氧化膜，减少了后续湿法蚀刻的压力。

本发明提供的厚铝蚀刻工艺，采用S4步骤的限定工艺，可在铝层图形底部留有小型台阶，在不影响蚀刻精度下增大了铝层和陶瓷的有效结合面积，提高厚铝陶瓷衬板的可靠性能。

附图说明

图1为本发明的流程示意图；

图2为本发明厚铝陶瓷衬板铝层图形面结构示意图；

图3为实施例1完成蚀刻后线间距处3D轮廓示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明进行详细描述。

实施例一：

本发明具体提出一种厚铝陶瓷衬板的图形层结构，其结构主要包括图形面的厚铝层、中间的陶瓷层，在陶瓷层的另一面通常会设置非图形面厚铝层；

进一步图形面的厚铝层与非图形面厚铝层，厚度均为1.0mm，间距尺寸为1.0mm，精度为±0.1mm；

厚铝层图形结构包括图形区蚀刻后形成的蚀刻通道、弧形区和伸出的台阶区，如图2所示，其中图形间距的部分即为蚀刻通道，蚀刻通道的侧壁形成Al层垂直区，弧形区即为图中的Al层弧形区；

其中蚀刻通道厚度尺寸为84.5%厚铝层厚度，厚度为0.85mm，图形边缘垂直度为87°；弧形区尺寸为15.5%铝层厚度，厚度为0.15mm，伸出的台阶的尺寸为38μm；

进一步的中间的陶瓷层厚度为0.635mm，陶瓷材料为氮化铝；

本发明一种厚铝陶瓷衬板的图形层结构的制备方法，如图1所示，主要步骤包括以下步骤：

S1：表面清洁；

将覆铝陶瓷衬板依次通过碱洗、酸洗、水洗和烘干，去除表面油污和其他杂质，备用；

S2：图形转移；

预设图形A，A为间距为0.8mm的等距线图形，取步骤S1的覆铝陶瓷衬板，在其表面设置耐酸掩膜，对衬板进行预设图形A的曝光，对衬板进行显影处理，得到表面设置了图形A的耐酸掩膜的覆铝陶瓷衬板；

S3：电蚀刻预处理；

取步骤S2制备的表面设置了图形A耐酸掩膜的覆铝陶瓷衬板为阳极，以铜板为阴极，置于阳极两侧，阴阳极板平行放置，间距距离为15mm，置于电解液槽中，阴阳极板间施加直流电流进行电蚀刻，电蚀刻深度为铝层厚度的90%，覆铝陶瓷衬板双面铝层厚度均为1.0mm；

S4：化学蚀刻；

取步骤S3电蚀刻处理后的厚铝陶瓷衬板，利用水平蚀刻线依次进行喷淋、水洗完成蚀刻，喷淋压力为3.8Kg/cm

S5：退膜清洗；

取步骤S4中蚀刻后的覆铝陶瓷衬板，利用碱洗去除其表面的耐酸掩膜，酸洗、水洗烘干后得到带有图形A的覆铝陶瓷衬板。

进一步优化的方案，步骤1所述碱洗液为浓度5%的NaOH溶液，反应温度为室温，反应时间为60s。

进一步优化的方案，步骤1所述酸洗液为浓度15%的HNO

进一步优化的方案，步骤S3中，所述点电蚀刻液含有120 g/L的NaCl，5 ml/L的HCl以及5 ml/L的H

进一步优化的方案，步骤S3中电蚀刻参数为，电解液温度80 ℃，所述电流为直流电，其电流密度为7.6 A/dm

进一步优化的方案，步骤S4中，所述水平蚀刻的蚀刻液由200 g/L的FeCl

实施例二：本发明具体提出一种厚铝陶瓷衬板的图形层结构，其结构，包括图形面的厚铝层、中间的陶瓷层、以及非图形面厚铝层；

进一步图形面厚铝层与非图形面厚铝层，厚度均为1.2mm，间距尺寸为1.0mm，精度为±0.1mm；

厚铝层图形结构包括图形区蚀刻后形成的蚀刻通道、弧形区和伸出的台阶区；

其中蚀刻通道的厚度尺寸为85.0%厚铝层厚度，厚度为1.02mm，图形边缘垂直度为85°；弧形区尺寸为15%厚铝层厚度，厚度为0.18mm，伸出台阶尺寸为30μm；

进一步的中间的陶瓷层厚度为0.635mm 陶瓷为氮化铝；

本发明一种厚铝陶瓷衬板的图形层结构的制备方法，主要步骤包括以下步骤：

S1：表面清洁；

将覆铝陶瓷衬板依次通过碱洗、酸洗、水洗和烘干，去除表面油污和其他杂质，备用；

S2：图形转移；

预设图形A，A为间距为0.8mm的等距线图形，取步骤S1的覆铝陶瓷衬板，在其表面设置耐酸掩膜，对衬板进行预设图形A的曝光，对衬板进行显影处理，得到表面设置了图形A的耐酸掩膜的覆铝陶瓷衬板；

S3：电蚀刻预处理；

取步骤S2制备的表面设置了图形A耐酸掩膜的覆铝陶瓷衬板为阳极，以铜板为阴极，置于阳极两侧，阴阳极板平行放置，间距距离为15mm，置于电解液槽中，阴阳极板间施加直流电流进行电蚀刻，电蚀刻深度为铝层厚度的90%，覆铝陶瓷衬板双面铝层厚度均为1.0mm；

S4：化学蚀刻；

取步骤S3电蚀刻处理后的厚铝陶瓷衬板，利用水平蚀刻线依次进行喷淋、水洗完成蚀刻，喷淋压力为4.0Kg/cm

S5：退膜清洗：

取步骤S4中蚀刻后的覆铝陶瓷衬板，利用碱洗去除其表面的耐酸掩膜，酸洗、水洗烘干后得到带有图形A的覆铝陶瓷衬板。

进一步优化的方案，步骤1所述碱洗液为浓度5%的NaOH溶液，反应温度为室温，反应时间为60s。

进一步优化的方案，步骤1所述酸洗液为浓度15%的HNO

进一步优化的方案，步骤S3中，所述点电蚀刻液含有120 g/L的NaCl，5 ml/L的HCl以及5 ml/L的H

进一步优化的方案，步骤S3中电蚀刻参数为，电解液温度80 ℃，所述电流为直流电，其电流密度为7.4 A/dm

进一步优化的方案，步骤S4中，所述水平蚀刻的蚀刻液由200 g/L的FeCl3，100ml/L的HCl以及4.0g/L的硼酸组成。

对比例

对比例与实施例1相比，预设图形相同，仅取消电解蚀刻，其余参数步骤相同，直接进行化学蚀刻获得样品。

样品图形检查对比

采用本发明所述方法进行厚铝陶瓷衬板的图形制备，获得图形精度更高。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。