一种基于电场驱动喷射沉积微纳3D打印高精度陶瓷基电路制造方法技术

本发明专利技术公开一种基于电场驱动喷射沉积微纳3D打印高精度陶瓷基电路制造方法，首先，在预处理后的陶瓷基材上涂铺一层牺牲层材料，并对牺牲层进行固化；随后，根据设计线路，以导电油墨为打印材料，采用电场驱动喷射沉积微纳3D打印，在涂铺牺牲层的陶瓷基材上打印出导电结构；然后，使用高温烧结工艺，去除牺牲层和导电油墨中的各种有机溶剂，通过导电油墨将导电电路与陶瓷基材结合成一体；最后，对烧结后的陶瓷电路板进行后处理，将成品干燥。本发明专利技术利用涂铺牺牲层、电场驱动喷射沉积微纳3D打印、打印电路高温烧结三种策略，有机结合实现高精度陶瓷基电路高效低成本制造。陶瓷基电路高效低成本制造。陶瓷基电路高效低成本制造。

【技术实现步骤摘要】
一种基于电场驱动喷射沉积微纳3D打印高精度陶瓷基电路制造方法


[0001]本专利技术属于陶瓷基电路制造和微纳尺度3D打印领域，尤其涉及一种基于电场驱动喷射沉积微纳3D打印高精度陶瓷基电路制造方法，其能实现大尺寸和高精度陶瓷基电路板高效低成本的制造。

技术介绍

[0002]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)机械性能好，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。
[0003]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。
[0004]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，一致性更差，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沉积一层
铜，随后采用光刻、刻蚀等工艺实现金属铜图案化(导电线路的制造)，光刻和刻蚀工艺虽然能实现高精度线(电)路的制造，但是生产成本高、工艺复杂(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，对于生产条件要求高、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，环境污染严重，未来的应用受到越来越大的限制，特别是在广泛应用的民用工程领域。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、非平整陶瓷基材上实现高精密布线和共形陶瓷电路制造，这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制造。
[0005]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制造要求，陶瓷不同于玻璃、PET基材等平整表面，其粗糙表面结构难以实现直接在其表面成形细线宽及表面形貌好的导电线路，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制造，亟待开发新的高精度陶瓷基电路制造新技术和新工艺。
[0006]本
技术介绍
所公开的上述信息仅仅用于增加对本申请
技术介绍
的理解，因此，其可能包括不构成本领域普通技术人员已知的现有技术。

技术实现思路

[0007]为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案：
[0008]一种基于电场驱动喷射沉积微纳3D打印高精度陶瓷基电路制造方法，包括以下步骤：
[0009]步骤1：陶瓷基材预处理：对打印陶瓷基材进行清洗、干燥等处理，确保陶瓷基材干净，没有油渍、污物等；
[0010]步骤2：涂铺牺牲层：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；
[0011]步骤3：微纳3D打印导电结构：根据设计导电结构的几何图案和尺寸，选用导电油墨为打印导电结构的材料，采用电场驱动喷射沉积微纳3D打印工艺，在涂铺牺牲层的陶瓷基材上打印出所需导电结构；
[0012]步骤4：导电结构预固化：对打印完成的陶瓷基材牺牲层上的导电结构进行干燥和预固化处理；
[0013]步骤5：预固化后导电结构的处理：对预固化完成的导电结构进行清洗和风干，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；
[0014]步骤6：导电结构的烧结：将打印的导电结构放置到烧结炉中，按照设定的烧结温度、时间、烧结曲线，进行高温烧结，一方面完全去除牺牲层，另一方面对打印的导电结构进行烧结导电化处理(完全去除导电油墨中的有机溶剂本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于电场驱动喷射沉积微纳3D打印高精度陶瓷基电路制造方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：陶瓷基材预处理：对打印用陶瓷基材进行清洗、干燥处理；步骤2：涂铺牺牲层：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；步骤3：微纳3D打印导电结构：根据设计导电结构的几何图案和尺寸，选用导电油墨为打印导电结构的材料，采用电场驱动喷射沉积微纳3D打印工艺，在涂铺牺牲层的陶瓷基材上打印出所需导电结构；步骤4：导电结构预固化：对打印完成的陶瓷基材牺牲层上的导电结构进行干燥和预固化处理；步骤5：预固化后导电结构的处理：对预固化后的导电结构进行清洗和干燥，将打印与预固化过程中附着在基材上的污染物去除干净；步骤6：导电结构的烧结：然后将导电结构放置到烧结炉中，按照设定的烧结温度、时间、烧结曲线，进行高温烧结，一方面完全去除牺牲层，另一方面对打印的导电结构进行烧结导电化处理，同时实现打印的导电结构与陶瓷烧结成一体；步骤7：烧结后导电结构的后处理：对烧结后的导电结构进行清洗、干燥，确保烧结过程中在陶瓷基片和导电结构上的残留物去除干净。2.根据权利要求1所述的一种基于电场驱动喷射沉积微纳3D打印高精度陶瓷基电路制造方法，其特征在于，所述导电结构为导电线路、层内和层间连接电路或者无源器件，所述无源器件包括电阻、电感、电容。3.根据权利要求1所述的一种基于电场驱动喷射沉积微纳3D打印高精度陶瓷基电路制造方法，其特征在于，所述步骤1中陶瓷基材包括氧化铝陶瓷、氮化铝陶瓷、氧化锆陶瓷、氧化铍陶瓷、氮化硼陶瓷。4.根据权利要求1所述的一种基于电场驱动喷射沉积微纳3D打印高精度陶瓷基电路制造方法，其特征在于，所述步骤2中的涂铺的牺牲层材料包括：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通过高温去除的材料，优选水性涂层液。5.根据权利要求1所述的一种基于电场驱动喷射沉积微纳3D打印高精度陶瓷基电路制造方法，其特征在于，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：兰红波，于志浩，张广明，段培开，朱晓阳，李红珂，贺健康，李涤尘，许权，赵佳伟，
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：