设置有热沉基板的多层陶瓷印制电路板及其制造方法技术

设置有热沉基板的多层陶瓷印制电路板包括至少一块陶瓷基PCB板和至少一块热沉基板；陶瓷基PCB板包括陶瓷基底层和陶瓷基板覆合层；热沉基板包括热沉基底层和热沉基板覆合层；陶瓷基板覆合层和热沉基板覆合层为具有共晶熔融特性的共晶材料层，该两层贴合加热共晶熔融焊接实现共晶覆合成为多层陶瓷印制电路板。相较于已知结构和工艺，热沉基板、热沉基板覆合层、以及中间层的覆铜区以及覆铜区上的覆合层不仅实现了层间的机械联接和电联接，也大大提高了多层陶瓷印制电路板的导热性能；陶瓷基底和热沉基板都具有很好的导热性能和绝缘强度，使得本发明专利技术的多层陶瓷印制电路板具有很好的导热性能适合高功率和高热流密度的应用场合。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及半导体封装和应用领域，尤其涉及大电流、高电压、大功率的高功率密度的半导体装置所使用的多层陶瓷印制电路板及其制造方法，具体涉一种耐高温、适用于高导热、高电压和高功率密度应用的陶瓷线路板及其制造方法。
技术介绍
现有技术中的中最常见的是树脂材质的印制电路载板，如FR-4环氧玻璃布层压板，其中FR-4是一种耐燃材料等级的代号，所代表的意思是树脂材料经过燃烧状态必须能够自行熄灭的一种材料规格，它不是一种材料名称，而是一种材料等级，因此目前一般电路板所用的FR-4等级材料就有非常多的种类，但是多数都是以环氧树脂加上填充剂以及玻璃纤维所做出的覆合材料。环氧玻璃布层压板高温下机械强度高，高湿下电气性能稳定性好，但是在一些大电流、高电压、大功率的半导体装置的应用中，其稳定性、绝缘强度、热膨胀系数和散热特性仍然不敌陶瓷基线路载板。尤其是在现在的半导体应用中，由于集成度的提高，带来高功率密度、高热流密度的需求，对普通的封装基板和应用基板来说，承受高功率密度、高热流密度是极大的挑战，难以胜任。且载板材料和硅的热膨胀差值难以搭配。现有技术采用陶瓷载板的陶瓷线路板，其基底陶瓷材料的物理化学稳定性，具有高耐热性、高绝缘强度和低热膨胀系数，尤其是氧化铝陶瓷基线路载板在绝缘部分采用了与硅热膨胀相当接近的氧化铝陶瓷，使得在进行通孔时，可以实现更高配线密度的目标，因此陶瓷基板的出现克服了树脂印制基板难以克服的缺点。现有技术中多层陶瓷印制电路板的制作方法通常采用陶瓷坯料烧制法，首先将原料的陶瓷粉、有机树脂、溶剂等等，利用球状粉碎器混合调制，直到混合液体形成牛奶状的陶瓷材料；接下来进行薄片成形，让陶瓷材料成型为绿带，导线则是利用钨粉末与有机载体混合之浆剂印制在绿带上，制成配线；利用了陶瓷绿带的易加工性，可以在绿带内的任意位置穿孔，透过在孔内部埋入导体，实现多层板的层间导通；接着经过共烧、镀镍、针的硬焊、镀金等一连串的步骤完成；最后再把积层中的导体和陶瓷同步进行烧结的动作，而完成陶瓷基电子线路板的制作流程。在整个制程中，最重要的步骤是绿带的成型，以及同步烧结的技术；在多片陶瓷坯料上及通孔内设置高熔点金属如钼Mu和钨W作为导体金属图形，与高导电金属铜Cu烧结在一起而成为多层陶瓷线路板。多层陶瓷线路板的烧结工艺复杂，难以大批量生产应用，工艺精度差无法做精细电路；高熔点金属与铜的结合力差有可靠性隐患，且导热系数低。名词解释：热沉：在英文文献中统称Heatsink或Heatsink，也称吸热器或再散热器或热沼，是指它的温度不随传递到它的热能大小变化，它可以是大气、大地等物体，航天工程上指用液氮壁板内表面涂黑漆来模拟宇宙冷黑环境的装置，工业上是指微型散热片，用来冷却电子芯片的装置。在本专利技术中，热沉是指在LED芯片及其应用中，用来封装LED芯片的散热基片，使得LED芯片安装在热沉上以帮助LED芯片散热从而稳定工作温度。热沉在电子工程的领域中被归类为“被动性散热元件”，以导热性佳、质轻、易加工之金属或非金属或复合材料（多为铝或铜，碳化硅，碳化硅铝等）贴附于发热表面，以复合的热交换模式来将热传递到流体介质如空气、液体冷却剂中或附加的散热器。热沉主要用于高功率半导体器件，例如Mosfet/IGBT/LED。共晶：共晶是指在相对较低的温度下共晶焊料发生共晶物熔合的现象，共晶是在低于任一种组成物金属熔点的温度下所有成分的融合。共晶合金直接从固态变到液态，而不经过塑性阶段，是一个液态同时生成两个固态的平衡反应。其熔化温度称共晶温度。共晶合金具有特定的凝固点，共晶合金的基本特性是：两种不同的金属可在远低于各自的熔点温度下按一定重量比例形成合金；这是共晶合金与其他非共晶合金最显著的差别。共晶焊接：共晶焊接又称低熔点合金焊接，是利用共晶原理，使两种不同的金属在远低于各自的熔点温度下按一定重量比例形成共晶融合状态后冷却形成共融晶体实现两个焊接面之间的共晶结合。例如：在微电子器件中最常用的共晶焊是把硅芯片焊到镀金的底座或引线框上去，即“金-硅共晶焊”。众所周知，金的熔点1063℃，而硅的熔点更高，为1414℃。但是如果按照重量比为2.85％的硅和97.15％的金组合，就能形成熔点为363℃的共晶合金体。这就是金硅共晶焊的理论基础。金-硅共晶焊的焊接过程是指在—定的温度(高于363℃)和一定的压力下，将硅芯片在镀金的底座上轻轻揉动摩擦，擦去界面不稳定的氧化层，使接触表面之间熔化，由二个固相形成—个液相。冷却后，当温度低于金硅共熔点(363℃)时，由液相形成的晶粒形式互相结合成机械混合物金-硅共融晶体，从而使硅芯片牢固地焊接在底座上，并形成良好的低阻欧姆接触。氮化硅：其英文是Siliconnitride；Si3N4陶瓷是一种共价键化合物，基本结构单元为[SiN4]四面体，硅原子位于四面体的中心，在其周围有四个氮原子，分别位于四面体的四个顶点，然后以每三个四面体共用一个原子的形式，在三维空间形成连续而又坚固的网络结构。氮化硅的很多性能都归结于此结构。Si3N4热膨胀系数低、导热率高，故其耐热冲击性极佳。氮化铝：其英文是Aluminumnitride；共价键化合物，属于六方晶系，铅锌矿型的晶体结构，呈白色或灰白色。氮化铝是原子晶体，属类金刚石氮化物，最高可稳定到2200℃。室温强度高，且强度随温度的升高下降较慢、导热性好，热膨胀系数小，是良好的耐热冲击材料。抗熔融金属侵蚀的能力强，氮化铝还是电绝缘体，介电性能良好，是陶瓷线路板载板的优选材料之一。三氧化二铝：也就是氧化铝，化学符号：，纯净氧化铝是白色无定形粉末，俗称矾土，密度3.9-4.0g/cm3，熔点2050℃、沸点2980℃，不溶于水，为两性氧化物，能溶于无机酸和碱性溶液中，主要有α型和γ型两种变体，工业上可从铝土矿中提取。在α型氧化铝的晶格中，氧离子为六方紧密堆积，铝离子对称地分布在氧离子围成的八面体配位中心，晶格能很大，故熔点、沸点很高。α型氧化铝不溶于水和酸，工业上也称铝氧，是制金属铝的基本原料；也用于制各种耐火砖、耐火坩埚、耐火管、耐高温实验仪器；还可作研磨剂、阻燃剂、填充料等；高纯的α型氧化铝还是生产人造刚玉、人造红宝石和蓝宝石的原料；还用于生产现代大规模集成电路的板基。导热系数：表征材料导热能力大小的物理量，单位是W/（m·K），中文念作瓦每米每开。其数值是物体中单位温度降度，即1米厚的材料的两侧温度相差1开氏温度时，单位时间内通过单位面积所传导的热量。本申请文件中所指的具备高导热系数，是指导热系数大于等于2W/（m·K）。MOS为英文ComplementaryMetal-OxideSemiconductor的缩写，中文含义为互补型氧化金属半导体。MOSFET为英文MetallicOxideSemiconductorFieldEffectTransistor的缩写，中文含义为金属氧化物半导体场效应晶体管。IGBT为英文InsulatedGateBipolarTranslator的缩写，中文含义为绝缘栅门极晶体管。CPU为英文CentralProcessingUnit的缩写，中文含义为中央处理器。GPU为英文GraphicProcessingUnit的缩写，中文含义为图形处理器。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种设置有热沉基板的多层陶瓷印制电路板(10)，包括：至少一块陶瓷基PCB板(100)和至少一块热沉基板(900)；其特征在于，所述陶瓷基PCB板(100)包括用于绝缘和导热散热的陶瓷基底层(110)和用于共晶熔融焊联接并实现导热的陶瓷基板覆合层(130)；将所述陶瓷基底层(110)相互在总体上平行的两表面分别称作基底A面(112)和基底B面(114)，所述陶瓷基板覆合层(130)设置在所述基底A面(112)上，或所述陶瓷基板覆合层(130)设置在所述基底B面(114)上；所述热沉基板(900)包括用于导热散热的热沉基底层(910)和用于共晶熔融焊联接并实现导热的热沉基板覆合层(930)；所述热沉基板覆合层(930)覆在所述热沉基底层(910)上；所述陶瓷基板覆合层(130)和所述热沉基板覆合层(930)均为具有共晶熔融特性的共晶材料层；所述陶瓷基板覆合层(130)和所述热沉基板覆合层(930)贴合加热共晶熔融焊接实现共晶覆合；从而将各该陶瓷基PCB板(100)和热沉基板(900)熔融覆合联接成为层数至少为两层的多层陶瓷印制电路板(10)。

【技术特征摘要】
1.一种设置有热沉基板的多层陶瓷印制电路板(10)，包括：至少一块陶瓷基PCB板(100)和至少一块热沉基板(900)；其特征在于，所述陶瓷基PCB板(100)包括用于绝缘和导热散热的陶瓷基底层(110)和用于共晶熔融焊联接并实现导热的陶瓷基板覆合层(130)；将所述陶瓷基底层(110)相互在总体上平行的两表面分别称作基底A面(112)和基底B面(114)，所述陶瓷基板覆合层(130)设置在所述基底A面(112)上，或所述陶瓷基板覆合层(130)设置在所述基底B面(114)上；所述热沉基板(900)包括用于导热散热的热沉基底层(910)和用于共晶熔融焊联接并实现导热的热沉基板覆合层(930)；所述热沉基板覆合层(930)覆在所述热沉基底层(910)上；所述陶瓷基板覆合层(130)和所述热沉基板覆合层(930)均为具有共晶熔融特性的共晶材料层；所述陶瓷基板覆合层(130)和所述热沉基板覆合层(930)贴合加热共晶熔融焊接实现共晶覆合；从而将各该陶瓷基PCB板(100)和热沉基板(900)熔融覆合联接成为层数至少为两层的多层陶瓷印制电路板(10)。2.根据权利要求1所述的多层陶瓷印制电路板，其特征在于，与所述热沉基板覆合层(930)共晶熔融覆合联接的所述陶瓷基板覆合层(130)直接或通过过渡金属层，覆在所述陶瓷基底层(110)上，即该所述陶瓷基板覆合层(130)与所述陶瓷基底层(110)之间直接联接或通过过渡金属层联接；所述陶瓷基PCB板(100)上，不和所述热沉基板覆合层(930)共晶熔融覆合连接的所述陶瓷基板覆合层(130)与所述陶瓷基底层(110)之间设置有中间层(120)；所述中间层(120)设置在所述基底A面(112)上，或所述中间层(120)设置在所述基底B面(114)上；所述中间层(120)用于印制电子线路和/或布设导热金属面；所述中间层(120)包括用于印制电子线路的电子线路印制区(128)和/或用于布设导热金属面的覆铜区(125)，所述覆铜区(125)在中间层大面积覆盖、实现导热和散热；所述陶瓷基板覆合层(130)包括电子线路印制区覆合层(138)和/或覆铜区覆合层(135)；所述电子线路印制区覆合层(138)均匀布覆于所述电子线路印制区(128)的印制电子线路各线条和各节点上；所述覆铜区覆合层(135)均匀布覆于所述覆铜区(125)的导热金属面上。3.根据权利要求2所述的多层陶瓷印制电路板，其特征在于，所述多层陶瓷印制电路板(10)包括层数为三层以上的多层陶瓷印制电路板(10)；该所述多层陶瓷印制电路板(10)包括一块热沉基板(900)和至少两块陶瓷基PCB板(100)；所述多层陶瓷印制电路板(10)的层数为所述热沉基板(900)数量和陶瓷基PCB板(100)数量的总和；所述热沉基板(900)通过所述热沉基板覆合层(930)与一块陶瓷基PCB板(100)的陶瓷基板覆合层(130)实现共晶熔融覆合联接；同时该块陶瓷基PCB板(100)与其他陶瓷基PCB板(100)之间借助各自的所述陶瓷基板覆合层(130)和同其相向的所述陶瓷基板覆合层(130)之间的共晶熔融覆合，从而形成一体的多层陶瓷印制电路板(10)。4.根据权利要求3所述的多层陶瓷印制电路板，其特征在于，所述各该陶瓷基PCB板(100)需要覆合的两相向的中间层的印制电子线路和/或导热金属面的图形相互呈镜像对称，或至少大部分的印制电子线路和/或导热金属面的图形呈镜像对称；所述各该陶瓷基PCB板(100)需要覆合的两相向的中间层的印制电子线路和/或导热金属面的图形不对称时，与该不对称部分印制电子线路和/或导热金属面相向的那面应是空白的陶瓷面。5.根据权利要求3所述的多层陶瓷印制电路板，其特征在于，参与共晶熔融焊接的陶瓷基PCB板(100)的所述陶瓷基底层(110)的基底A面(112)和基底B面(114)上均设置有所述中间层(120)时，各该所述中间层(120)上的印制电子线路和/或导热金属面通过所述陶瓷基底层(110)上的金属孔(118)电联接；所述金属孔(118)包括被金属柱状物贯通填充的实心金属孔和/或孔壁已被镀覆金属的金属化通孔。6.根据权利要求3所述的多层陶瓷印制电路板，其特征在于，包括两块热沉基板(900)；所述两块热沉基板(900)分别设置在所述多层陶瓷印制电路板(10)的底面和顶面上；所述两块热沉基板(900)分别与同各该热沉基板(900)对应的陶瓷基PCB板(100)共晶熔融覆合联接；所述两块热沉基板(900)之间的各陶瓷基PCB板(100)之间借助各自的所述陶瓷基板覆合层(130)和同其相向的所述陶瓷基板覆合层(130)之间的共晶熔融覆合，从而形成底部和顶部都设置有热沉基板(900)的多层陶瓷印制电路板(10)。7.根据权利要求2所述的多层陶瓷印制电路板，其特征在于，所述覆铜区(125)的导热金属面与所述电子线路印制区(128)中印制电子线路的局部功能网络电联接，或所述覆铜区(125)的导热金属面与所述电子线路印制区(128)中的印制电子线路整体地有电联接。8.根据权利要求2所述的多层陶瓷印制电路板，其特征在于，所述电子线路印制区(128)和所述覆铜区(125)之间还设置有用于电绝缘的隔离区(127)，所述隔离区(127)上不设置所述陶瓷基板覆合层(130)。9.根据权利要求2所述的多层陶瓷印制电路板，其特征在于，所述电子线路印制区(128)包括用于设置高功率密度部件的高功率密度部件固定区(1283)、用于设置控制电路的控制电路区(1285)和用于布設电力电子线路的电力电子线路区(1287)。10.根据权利要求1所述的多层陶瓷印制电路板，其特征在于，所述陶瓷基板覆合层(130)和所述热沉基板覆合层(930)上布覆的共晶材料包括为Au-Sn金锡合金、Au-Si金硅共晶材料、Au-Ge金锗合金、Ag-Sn银锡合金、Sn-Bi锡铋合金、Sn-In锡铟合金或Sn-Pb锡铅合金之任意一种。11.根据权利要求1所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：王锐勋，王玉河，
申请(专利权)人：深圳市微纳科学技术有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44