專利名稱：電路板及其制作方法和高輸出模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及利用陶瓷的半導(dǎo)體電路板，并涉及制作這種電路板的方法，以及涉及到高輸出模塊。
通過參考圖4A-4E描述一種常規(guī)電路板。如圖4A-4E所示，目前為止該方法一直如下所述。把金屬掩?；蛘吖庋谀?應(yīng)用到陶瓷基底1上(圖4A)，用蒸鍍或?yàn)R射形成第三金屬層3，并且把金屬掩?；蛘吖庋谀?去除(圖4B)，之后形成抗蝕劑層4(圖4C)，然后用蒸鍍或?yàn)R射形成第一金屬層5(圖4D)，去除抗蝕劑層得到最終產(chǎn)品(圖4E)。
陶瓷基底1用AlN或氧化鋁制成。這已經(jīng)被公開，比如在日本專利2-271585中。第三金屬層用作抗蝕劑層，一般用TaN、NiCr或者鎢制作。第一金屬層用作導(dǎo)線或者電感，并且具有多層結(jié)構(gòu)包括Ti/Mo/Au、Ti/Pt/Au、Cr/Mo/Au或者Ti/V/Au。該層使用鈦或者鉻與陶瓷基底接觸的原因是為了提高對于基底的粘接強(qiáng)度。因?yàn)殂K、鉬或者釩有高的熔點(diǎn)，把它插入中間就是為了防止頂層與在同基底接觸部分的金屬比如鈦或者鉻形成合金。金用作頂層，選擇它是為了順利進(jìn)行引線接合或者芯片焊接。在最終產(chǎn)品中材料組合的例子如圖4F所示。
對于用于功率半導(dǎo)體的基底，把銅或者金用蒸鍍、鍍覆或熔融應(yīng)用到陶瓷基底的全部上表面，之后用蝕刻形成布線圖。
為了生產(chǎn)高輸出模塊，把半導(dǎo)體元件用芯片焊接方法安裝在這些電路板上。
對于目前的高輸出模塊，除了使模塊更小來減少最終器件的尺寸，也需要使布線圖更精細(xì)、尺寸減小，使其能夠處理更高的頻率。為了降低高頻性能的損失和降低功耗，也有必要最小化引線金屬部分的電阻，為此有必要采用厚膜技術(shù)來提高布線圖的厚度。
這兩個(gè)要求用常規(guī)電路板不能同時(shí)滿足。這是因?yàn)橛贸Ｒ?guī)實(shí)際使用的精細(xì)布線方法，在依靠金屬掩?；蛘吖庋谀Ｓ谜翦兎椒ㄐ纬闪撕衲た刮g劑層的基底上面，不能形成精細(xì)的布線圖，并且為了獲得厚膜，蒸鍍必須連續(xù)進(jìn)行很長時(shí)間，因此實(shí)際應(yīng)用是困難的。此外，當(dāng)布線圖通過蝕刻形成時(shí)，因?yàn)槌霈F(xiàn)側(cè)面腐蝕，難于進(jìn)行比引線厚度小的圖形的精細(xì)處理，并且蝕刻去除尤其困難。因此，不能實(shí)現(xiàn)小型化的高性能、高輸出模塊。
本發(fā)明包括如下組成(1)到(9)。
(1)一種電路板，包括第一金屬層，其在陶瓷基底上形成圖形，和第二金屬層，其至少0.5μm厚并在第一金屬層上形成圖形，其中第一金屬層通過蝕刻寬度減小。
(2)按照(1)的電路板，具有第三金屬層，并與第一金屬層在同一平面上形成圖形。
(3)按照(1)或者(2)的電路板，其中第二金屬層的最外層是金。
(4)按照(2)的電路板，其中第三金屬層是含有鉻或者NiCr的合金。
(5)按照(1)到(4)中任一項(xiàng)的電路板，其中陶瓷基底包含至少一種選自AlN和Si3N4重量含量至少90％的陶瓷。
(6)按照(1)到(4)中任一項(xiàng)的電路板，其中陶瓷基底為金剛石或者cBN。
(7)一種制作電路板的方法包括在陶瓷基底上蒸鍍或者濺射第一金屬層；形成厚度至少為0.5μm的抗蝕劑圖形；
用抗蝕劑層作為掩模在第一金屬層上鍍覆形成第二金屬層；去除抗蝕劑層，然后蝕刻第一金屬層，用第二金屬層作為掩模，借此第一金屬層通過蝕刻寬度減小。
(8)一種制作電路板的方法包括在陶瓷基底上形成第三金屬層圖形，然后蒸鍍或者濺射第一金屬層；形成厚度至少為0.5μm的抗蝕劑圖形；用抗蝕劑層作為掩模在第一金屬層上鍍覆形成第二金屬層；去除抗蝕劑層，然后蝕刻第一金屬層，用第二金屬層作為掩模，借此第一金屬層通過蝕刻寬度減小。
(9)一種高輸出模塊，其中至少一種發(fā)熱至少10mW的高輸出半導(dǎo)體元件，用焊料或者導(dǎo)電樹脂安裝在按照(1)到(6)中任一項(xiàng)的電路板上。
圖2A-2G是描述本發(fā)明例子的電路板制作的步驟簡圖。
圖3是在例子中生產(chǎn)的高輸出模塊的結(jié)構(gòu)簡圖。
圖4A-4E是描述常規(guī)電路板制作步驟的簡圖，圖4F表示完成后電路板的材料組合簡圖。
優(yōu)選實(shí)施方式的詳細(xì)描述在本發(fā)明中，包括例如Ti/Mo/Ni，Ti/Pt/Ni，Ti/V/Ni，或者Ti/Pd/Ni的多層結(jié)構(gòu)用作第一金屬層。第一金屬層的厚度適宜為0.12到1.2μm。如果這一層太薄，在基底的整個(gè)上表面上獲得均勻金屬化是困難的，但是如果這一層太厚，將會(huì)有太多側(cè)壁蝕刻以至于精細(xì)加工是困難的。保持第一金屬層的厚度到0.4μm或更少，能充分消除側(cè)壁蝕刻效應(yīng)。當(dāng)?shù)谝唤饘賹佑蒚i/Mo/Ni組成時(shí)，鈦的厚度應(yīng)該為0.01到0.3μm，鉬的厚度應(yīng)該為0.01到0.3μm，鎳的厚度應(yīng)該為0.1到0.6μm。
第二金屬層能由金，Ni/Au，銀，Pd/Au，Pt/Au或者V/Au構(gòu)成，其中金特別有利。當(dāng)?shù)诙饘賹泳哂卸鄬咏Y(jié)構(gòu)時(shí)，最外層應(yīng)該為金。第二金屬層的厚度至少為0.5μm。保持該厚度至少0.5μm能降低布線電阻，減小功耗，并降低高頻性能的損失。此外，當(dāng)?shù)诙饘賹泳哂卸鄬咏Y(jié)構(gòu)時(shí)，最外層覆蓋第二金屬層的大部分是適宜的，并且如果至少80％的側(cè)壁被最外層覆蓋，那是特別有利的。如果最外層覆蓋了幾乎全部第二金屬層，而且是不會(huì)被用于第一金屬層的蝕刻液蝕刻的金屬，那么在第一金屬層的蝕刻期間，側(cè)壁蝕刻效應(yīng)能被最小化。
為了形成這個(gè)第二金屬層，首先在上述第一金屬層上用光掩模形成光刻膠圖形。在這個(gè)階段，基底的整個(gè)表面能用作電極，因此在沒有光刻膠的地方能選擇性地鍍覆形成第二金屬層厚膜。此時(shí)去除抗蝕劑層。然后用蝕刻去除第一金屬層，如果第二金屬層的最外層是不會(huì)被用于第一金屬層上的蝕刻液蝕刻的金屬，那么該蝕刻是選擇性的。比如說，如果第一金屬層由Ti/Mo/Ni組成，第二金屬層是Ni/Au，金不會(huì)被用于鎳和鉬的蝕刻液蝕刻，因此金能用作這蝕刻的掩模。鈦只溶解于獨(dú)立的氫氟酸基蝕刻液，但是由于金甚至不會(huì)被這種蝕刻液蝕刻，所以金能夠作為選擇蝕刻的掩模。


圖1描述的例子為用這種方法獲得的金屬層的層結(jié)構(gòu)。第二金屬層的金下面的側(cè)壁，已經(jīng)被側(cè)壁蝕刻挖掉，鈦甚至被挖掉的更大。
如果在開始應(yīng)用鉻基(比如NiCr)金屬化圖形來定位光掩?；蛘咦鳛榭刮g劑層。它不會(huì)被任何上述的蝕刻液蝕刻，因此將保留到最后。
對于本發(fā)明，能用鍍覆方法形成第二金屬層，因此能獲得至少0.5μm厚膜。
此外，由于第二金屬層利用本發(fā)明抗蝕劑層的掩模作用形成，第一金屬層圖形的精細(xì)度和幾何精度由如何形成用于第二金屬層的光掩模決定，并且由于該光掩模不需要多次曝光，因此未對準(zhǔn)引起的幾何精度的下降能被忽略。在第一金屬層上形成的抗蝕劑層的厚度應(yīng)該至少為0.5μm。如果該抗蝕劑層太薄，第二金屬層會(huì)覆蓋抗蝕劑層的頂部，導(dǎo)致不希望有的蘑菇形狀。進(jìn)而，第二金屬層中的相鄰線條會(huì)在抗蝕劑層上相互連通。提高抗蝕劑層的厚度是困難的，但是通過優(yōu)化曝光條件能夠獲得厚膜抗蝕劑層，使形成帶有垂直側(cè)壁的精細(xì)布線圖成為可能。SOR(同步加速器軌道輻射)光用于曝光。
用于鍍覆的光刻膠的圖形精度在亞微米水平，光刻膠線條之間的微小間隔部分能用表面活化劑覆蓋。
氧化鋁可以用作陶瓷基底，但是由于熱輻射對于高輸出模塊是重要的，因此更適宜用金剛石或cBN，或包括AlN和/或Si3N4重量含量至少90％的陶瓷。AlN是最低成本和高抗漏性的基底。當(dāng)需要強(qiáng)度時(shí)，使用Si3N4是優(yōu)選的。也可以使用AlN和Si3N4的混合物。此外，如果基底表面太粗糙，取決于分層的第一金屬層的厚度，會(huì)發(fā)生斷開，因此可能需要進(jìn)行表面處理。
本發(fā)明也是一種高輸出模塊，包括至少一個(gè)產(chǎn)生至少10mW的熱量的高輸出半導(dǎo)體元件，通過焊料或者導(dǎo)電樹脂連接在上述得到的電路板上。
本發(fā)明的例子將參照附圖描述。
例1在圖2A中，含有AlN重量比例至少90％的陶瓷用作陶瓷基底11。該基底含有釔，并具有良好的熱輻射，熱導(dǎo)率為170W/(m·K)。陶瓷基底的表面被處理成表面粗糙度Ra小于0.8μm。這是因?yàn)楹罄m(xù)層迭的第一金屬層的厚度為0.5μm或更小，如果表面太粗糙可能發(fā)生斷開。
金屬掩模12應(yīng)用到陶瓷基底11上，并且形成NiCr金屬層(第三金屬層)。濺射設(shè)備用于此目的。該層可以用作抗蝕劑層或者用作后續(xù)基底劃線期間的定位掩模，這里NiCr層被選擇用作抗蝕劑層。圖2B描述當(dāng)金屬掩模12已經(jīng)被除去時(shí)的階段，之后NiCr圖形作為第三金屬層13形成在陶瓷基底11的表面上。然后，如圖2C所示，Ti/Mo/Ni作為第一金屬層14蒸鍍在陶瓷基底11的整個(gè)上表面上。鈦的厚度為0.05μm，鉬的厚度為0.05μm，鎳的厚度為0.3μm。
這時(shí)候，用光掩模形成抗蝕劑層15，如圖2D所示。考慮到第二金屬層的厚度，抗蝕劑層15的厚度為2μm。
然后，如圖2E所示步驟中，Ni/Au用鍍覆層迭作為第二金屬層16。為了提高鍍覆的粘接性，鎳厚度為0.5μm，金厚度為3μm。因?yàn)榭刮g劑層15的厚度，第二金屬層16有一點(diǎn)蘑菇形狀，但是不足以引起問題。如果后續(xù)進(jìn)行合金化處理來提高粘結(jié)強(qiáng)度，該金屬層可以只是金。
如圖2F所示，抗蝕劑層15被除去，之后第一金屬層的鎳和鉬被蝕刻。這里，在抗蝕劑層除去期間表面上形成鎳氧化物，因此除去該氧化物，之后立刻用反應(yīng)蝕刻液蝕刻鎳和鉬。鈦用氫氟酸基蝕刻液去除。這樣的最終產(chǎn)品如圖2G所示。
引線之間的電阻至少為1MΩ，所得到的電路板也具有極好的絕緣。
在這個(gè)例子中，金屬層形成在陶瓷基底的一側(cè)，但是也能同時(shí)應(yīng)用到兩側(cè)。
例2用上述例1中描述的方法生產(chǎn)具有如圖3所示圖形的電路板。這里的布線層19中，第一金屬層是Ti/Mo/Ni，第二金屬層是Ni/Au，用作抗蝕劑層20的第三金屬層是Ni/Cr。如圖3所示，高輸出LD(半導(dǎo)體激光器)17帶有集成調(diào)制器，發(fā)熱至少10mW，用焊料通過芯片焊接在電路板上，用焊線18進(jìn)行引線接合。在安裝LD之后，該模塊的調(diào)制性能的SN比為0.1dB，比使用常規(guī)電路板好。用于安裝LD的電路板的尺寸僅僅是常規(guī)電路板的四分之一，速度限制提高到40Gbps或者更高。
本發(fā)明使獲得具有厚膜精細(xì)布線圖形的小型化高性能電路板成為可能。因此獲得小型化高性能高輸出模塊也成為可能。
權(quán)利要求
1.一種電路板，包括第一金屬層，其在陶瓷基底上形成圖形；和第二金屬層，其至少0.5μm厚并在第一金屬層上形成圖形，其中第一金屬層通過蝕刻寬度減小。
2.如權(quán)利要求1的電路板，具有第三金屬層，并與第一金屬層在同一平面上形成圖形。
3.如權(quán)利要求1的電路板，其中第二金屬層的最外層是金。
4.如權(quán)利要求2的電路板，其中第三金屬層是含有鉻或者NiCr的合金。
5.如權(quán)利要求1-4的任一項(xiàng)的電路板，其中陶瓷基底包含至少一種選自AlN和Si3N4重量含量至少90％的陶瓷。
6.如權(quán)利要求1-4的任一項(xiàng)的電路板，其中陶瓷基底為金剛石或者cBN。
7.一種制作電路板的方法包括在陶瓷基底上蒸鍍或者濺射第一金屬層；形成厚度至少為0.5μm的抗蝕劑圖形；用抗蝕劑層作為掩模在第一金屬層上鍍覆形成第二金屬層；去除抗蝕劑層，然后蝕刻第一金屬層，用第二金屬層作為掩模，借此第一金屬層通過蝕刻寬度減小。
8.一種制作電路板的方法，包括在陶瓷基底上形成第三金屬層圖形，然后蒸鍍或者濺射第一金屬層；形成厚度至少為0.5μm的抗蝕劑圖形；用抗蝕劑層作為掩模在第一金屬層上鍍覆形成第二金屬層；去除抗蝕劑層，然后蝕刻第一金屬層，用第二金屬層作為掩模，借此第一金屬層通過蝕刻寬度減小。
9.一種高輸出模塊，其中至少一種發(fā)熱至少10mW的高輸出半導(dǎo)體元件，用焊料或者導(dǎo)電樹脂安裝在權(quán)利要求1-6的電路板上。
全文摘要
一種電路板包括在陶瓷基底11上形成第一金屬層圖形14，在第一金屬層上形成至少0.5μm厚的第二金屬層圖形16，其中第一金屬層通過蝕刻寬度減小。此外，第三金屬層13可以與第一金屬層在同一平面上形成圖形。第二金屬層16的最外層是金屬，比如不會(huì)被蝕刻的金。該電路板具有精細(xì)的和高分辨率的布線圖，使在其上面安裝至少一個(gè)高輸出半導(dǎo)體元件、實(shí)現(xiàn)小型高性能高輸出模塊成為可能。
文檔編號H05K3/38GK1396654SQ0214129
公開日2003年2月12日 申請日期2002年7月5日 優(yōu)先權(quán)日2001年7月5日
發(fā)明者田遠(yuǎn)伸好, 中西秀典 申請人:住友電氣工業(yè)株式會(huì)社