基于复合微纳增材制造高精度陶瓷基电路批量化制造方法技术

本发明专利技术提供了一种基于复合微纳增材制造高精度陶瓷基电路批量化制造方法，利用涂铺牺牲层、电场驱动喷射沉积微纳3D打印电路种子层、高温烧结打印电路种子层、精密微电镀致密导电层四种策略有机结合，实现了大尺寸高精度陶瓷基电路批量化生产；提出的基于电场驱动喷射沉积微纳3D打印制造高精度陶瓷基电路批量化制造方法，无需通过光刻和刻蚀等工艺就能实现大尺寸高精度陶瓷基电路板的低成本高效规模化制造，解决了现有技术只能通过沉积铜和光刻方法成本高、周期长、工艺复杂、环境污染严重的问题，尤其它还具有工艺简单、成本低、效率高、绿色环保、适合不同批量的生产等优势，能够在非平整陶瓷表面、复杂曲面等实现高精度共形陶瓷基电路制造。陶瓷基电路制造。陶瓷基电路制造。

【技术实现步骤摘要】
基于复合微纳增材制造高精度陶瓷基电路批量化制造方法


[0001]本专利技术涉及陶瓷基电路制造和微纳尺度3D打印
，特别涉及一种基于复合微纳增材制造高精度陶瓷基电路批量化制造方法。

技术介绍

[0002]本部分的陈述仅仅是提供了与本专利技术相关的
技术介绍
，并不必然构成现有技术。
[0003]与传统的有机电路板、金属基电路板相比，陶瓷基电路板(陶瓷基电路)具有许多突出的特点和独特优势，主要包括：(1)优良热导率，温度循环性好和耐高温冲击；(2)高绝缘电阻和介电强度，可靠性高；(3)低介电系数，优良高频特性以及较低介电损耗，使得信号延迟时间得到有效降低，传输效率得到提高；(4)热膨胀系数低，尤其是其热膨胀系数与半导体硅片和芯片等匹配性好；(5)高气密性，高湿、高温、强辐射和腐蚀等极端苛刻环境对电子器件影响小；(6)刚度和强度高，有效支撑和保护电路及芯片的效果好；(7)易于实现高密度布线、高绝缘电阻、电路图形与陶瓷基底结合力强；(8)机械性能高，低翘曲度，高硬度，尺度精度高；(9)同时具有优良的结合强度和电学性能；(10)具有非常低的二次电子发射系数；(11)无毒，化学稳定性好；(12)高稳定性，高热机械性能。因此，陶瓷基电路板具有高热传导率、高耐热性、低热膨胀系数、高尺寸稳定性等许多优良特性，并且已经在功率电子、大功率LED封装基板、多芯片模块(MCM)、IGBT模块、高频天线、微波无线通讯、高温半导体封装等许多领域得到广泛的应用，尤其是在航空航天、国防军事、深海深地深空、高频高速通信等领域得到更为重要的应用。
[0004]伴随着近年来5G通讯、人工智能、云技术、无人驾驶、物联网等战略性新兴产业和工业化应用广泛的普及，高频、高速、高密度集成已然成为了当今电子产品的重要发展趋势和方向，这对电路基板的介电常数、介电损耗、耐热性、耐腐蚀性等性能都提出越来越高的要求。因此，目前对于陶瓷基电路板的需求量愈来愈大，而且对于其性能的要求也越来越高。这对于高性能陶瓷基电路板批量化制造提出许多新的挑战性难题：(1)更高的精度，即电路更小的线宽和线距，以满足高密度、高集成度、微型化的要求；(2)不断提高陶瓷基板的互连密度，实现3D集成化，实现陶瓷电路三维制造和曲面共形制造，满足高集成度、高精度、高电导率要求；(3)制造技术具有更低成本、更高效率、更简单制造工艺、尤其还要具有绿色和环保生产的特点，克服传统光刻、刻蚀等产生大量废液、废气、废渣等，生产污染环境的严重问题。
[0005]目前国内外工业化陶瓷电路板制造技术(陶瓷表面金属图形化)主要包括：丝网印刷、直接镀铜(DPC)、直接敷铜(DBC)、激光活化金属化、喷墨打印活化材料+选择性化学镀等。丝网印刷技术广泛应用于高温共烧陶瓷(HTCC)和低温共烧陶瓷(LTCC)，但是，使用丝网印刷制造厚膜电路的精度较低，线宽一般大于60μm，而且由于陶瓷表面粗糙，制造的电路厚度偏差较大，尤其是对于大尺寸基材，一致性差，无法满足高精度陶瓷基电路板制造的要求。无论是直接镀铜工艺，还是直接敷铜工艺，他们通常都需要首先在陶瓷基片形成一层铜，随后采用光刻、刻蚀等工艺实现金属铜的图案化(导电线路制造)，光刻和刻蚀工艺虽然
能实现高精度电路的制造，但是生产成本高、工艺复杂(包括陶瓷基片上镀铜或者敷铜、涂铺光刻胶、光刻、刻蚀、去除光刻胶、后处理等)、效率低，尤其是还会造成大量铜的浪费，以及产生大量的废液、废气、废渣等，造成严重的环境污染，其应用受到越来越大的限制，特别是在广泛应用的民用领域。此外，这项技术只能在平面陶瓷基材上制造高精度电路，无法在三维曲面、非平整、异形陶瓷基材上实现高精密布线和共形陶瓷电路批量化制造，这大大限制了陶瓷基电路板在电子封装等许多领域的广泛应用。激光活化金属化技术是采用激光扫描陶瓷基板，使陶瓷基板表面产生具有催化能力的活性中心，再结合化学镀技术沉积高电导率的金属导线。激光改性陶瓷基板表面的过程是利用激光束的高能量使前驱体分解并产生催化活性，这其中以热作用为主要诱因。在化学镀的过程中，只有被改性的位置能催化金属颗粒的沉积。因此，改性区域的宽度和边缘质量决定了最终成形导线的精细程度。为了获得更精细的金属导线，通过采用波长较短的紫外、深紫外波段的激光束或优化光学系统参数以获得更小的光斑直径，或者是采用热影响区较小的超短脉冲激光束，但这些方法都不能从根本上解决激光光斑边缘热影响区的产生，热影响区中前驱体的分解会使改性区域的宽度扩大。另一方面，通常使用的激光束的能量分布是不均匀的，为轴对称的高斯分布，所以只有激光光斑中心区域的能量才能达到前驱体的分解阈值，而分解阈值附近的前驱体不能充分分解，会造成后续化学镀成形的金属导线边缘稀疏、毛刺较多，严重影响电学性能。另外，化学镀过程中金属的沉积是各项同性的过程，基板表面的金属导线在增厚的同时也会向侧向生长，这会使最终成形的电路宽度明显大于激光作用区域宽度。因此，激光活化金属化目前还难以满足高精度陶瓷基电路的制造要求。喷墨打印活化材料+选择性化学镀虽然工艺简单，但是精度非常差，导电线路的线边缘粗糙度差，导电电路与陶瓷基材的结合力差，效率低，无法用于高精度陶瓷电路板的批量化制造。
[0006]因此，现有的各种陶瓷基电路板制造技术都无法满足高精度陶瓷基电路板的低成本、高精度、高效率、绿色环保和规模化制造的工业级生产要求，尤其是无法在非平整陶瓷表面、三维曲面陶瓷表面上实现高精度曲面共形电路的制造，异形陶瓷基电路板和超大尺寸高精度陶瓷基电路板的批量化制造，亟待开发新的高精度陶瓷基电路批量化制造新技术和新工艺。

技术实现思路

[0007]为了解决现有技术的不足，本专利技术提供了一种基于复合微纳增材制造高精度陶瓷基电路批量化制造方法，结合牺牲层、电场驱动喷射沉积微纳3D打印和微电镀(化学镀)，实现了大尺寸、高精度陶瓷基电路板高效和低成本制造；本专利技术使用一种牺牲层材料，创造了良好的打印环境，在之后的高温烧结过程中去除牺牲层材料的同时，使导电线路与粗糙陶瓷表面形成较强的结合；本专利技术集成电场驱动喷射沉积微纳3D打印制造高精度种子层和随后高效电镀铜(体成形)，实现了大尺寸、高精度陶瓷基电路板高效和低成本批量化制造；本专利技术利用涂铺牺牲层、电场驱动喷射沉积微纳3D打印电路种子层、高温烧结打印电路种子层以及精密微电镀致密导电层四种策略有机结合，实现了大尺寸高精度陶瓷基电路批量化生产；本专利技术提出的基于电场驱动喷射沉积微纳3D打印制造高精度陶瓷基电路批量化制造方法，无需通过光刻工艺就能实现大尺寸高精度陶瓷基电路板的低成本高效规模化制造，解决了现有技术只能通过沉积铜和光刻方法成本高、周期长、工艺复杂和环境污染严重的
问题，尤其它还具有工艺简单、成本低、效率高、绿色环保和适合不同批量的生产等优势，而且还具备在非平整陶瓷表面、复杂曲面等实现高精度共形陶瓷基电路制造的独特优势。
[0008]为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0009]一种基于复合微纳增材制造高精度陶瓷基电路批量化制造方法，包括以下过程：
[0010]对打印陶瓷基材进行预处理，所本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于复合微纳增材制造高精度陶瓷基电路批量化制造方法，其特征在于：包括以下过程：对打印陶瓷基材进行预处理，所述预处理至少包括清洗、烘干及风干处理；在预处理后的陶瓷基材表面均匀涂铺一层牺牲层材料，并对牺牲层进行固化；根据设计电路的几何图案和尺寸，选用导电油墨为打印电路的材料，采用电场驱动喷射沉积微纳3D打印工艺，在涂铺铺牺牲层的陶瓷基材上打印各种电路种子层；对打印完成的陶瓷基材牺牲层上的电路种子层进行干燥和预固化处理；对预固化完成的样件进行清洗和风干，将打印与预固化过程中附着在基板上的灰尘和杂质去除干净；将打印陶瓷基电路放置到烧结炉中，按照优化的烧结工艺参数，进行高温烧结，完全去除牺牲层，对打印电路种子层进行烧结导电化处理以完全去除导电油墨中的有机溶剂，将打印电路与陶瓷烧结成一体；对烧结后的陶瓷基电路种子层进行后处理，所述后处理至少包括清洗、烘干和风干处理，以使得烧结过程中残留在陶瓷基片和电路上的残留物和污物完全去除干净；将烧结并后处理后的打印陶瓷基电路放置于电镀池中，连接电源阴极，所镀金属板连接电源阳极，结合优化的电镀参数，使用直流电源进行电镀，在导电电路表面沉积一层致密的高导电性材料，修复打印、烧结以及清洗过程中造成的缺陷；将电镀好的电路从阴极上取下，用去离子水清洗，完全去除镀件上残留的杂质和镀液，并用惰性气体吹干或烘干。2.如权利要求1所述的基于复合微纳增材制造高精度陶瓷基电路批量化制造方法，其特征在于：打印电路与陶瓷基材紧密结合，包括：导电烧结后，牺牲层被去除，电路嵌入到陶瓷基材粗糙的表面，形成互锁结构；如果使用的打印材料导电油墨含有玻璃粉，烧结后玻璃粉与陶瓷连接成一体。3.如权利要求1所述的基于复合微纳增材制造高精度陶瓷基电路批量化制造方法，其特征在于：陶瓷基材包括但不限于氧化铝陶瓷、氮化铝陶瓷、氧化锆陶瓷、氧化铍陶瓷和氮化硼陶瓷中的一种。4.如权利要求1所述的基于复合微纳增材制造高精度陶瓷基电路批量化制造方法，其特征在于：牺牲层材料包括但不限于如下材料中的一种：水性涂层液、聚二甲基硅氧烷、聚乙烯醇以及能够改善陶瓷表面质量并可以通过高温去除的材料；或者，涂铺牺牲层材料的方法包括但不限于以下工艺中的一种：旋涂、狭缝涂布、喷涂、提拉式涂膜、刮涂和流延涂布；或者，涂铺牺牲层的厚度是500纳米
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20微米；或者，牺牲层固化方式包括但不限于以下工艺的一种：加热固化、紫外固化和红外固化、激光
固化。5.如权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：兰红波，张厚超，于志浩，朱晓阳，张广明，李红珂，段培开，许权，赵佳伟，李涤尘，
申请(专利权)人：青岛五维智造科技有限公司，
类型：发明
国别省市：