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      電路板及其制作方法和高輸出模塊的制作方法

      文檔序號(hào):8124343閱讀:226來源:國知局
      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)明涉及用于半導(dǎo)體器件的陶瓷電路板,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-4F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。把金屬掩模或者光掩模2施加到陶瓷基底1上(圖4A),用蒸鍍或?yàn)R射形成第一金屬層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射形成第二金屬層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。第一金屬層用作抗蝕劑層,在其中一般使用TaN、NiCr或者鎢。第二金屬層用作導(dǎo)線或者電感,并且具有層迭結(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(duì)于基底的粘和強(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用在上述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(duì)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(duì)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,也有必要降低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。
      為了同時(shí)滿足這兩個(gè)要求,用作引線的金屬層的厚度小于5μm是必須的,引線厚度D和相鄰的布線圖線條之間的距離L之間的縱橫比(D/L)為D/L>0.4也是必須的,但是常規(guī)電路板不能被處理使得這兩個(gè)要求能被滿足。
      這里的原因是用常規(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。
      為了解決以上問題,本發(fā)明構(gòu)成如下。
      (1)一種電路板包括在陶瓷基底上形成的第一金屬層圖形;在第一金屬層上形成的第二金屬層圖形;和形成覆蓋第二金屬層上表面及其大部分側(cè)表面的第三金屬層,其中沒有被第三金屬層覆蓋的第一金屬層和部分第二金屬層通過蝕刻寬度減小。
      (2)按照(1)的電路板,其中第一、第二和第三金屬層的合并厚度D(μm)和相鄰的布線圖線條之間的距離L(μm)之間滿足如下關(guān)系,D/L>0.4。
      (3)按照(1)或者(2)的電路板,其中第一、第二和第三金屬層的合并厚度Dμm至少為5μm。
      (4)按照(1)到(3)中任一項(xiàng)的電路板,其中第二金屬層包括至少一種金屬選自銅、鎳、銀和鋁。
      (5)按照(1)到(4)中任一項(xiàng)的電路板,其中第三金屬層的最外層是金。
      (6)按照(1)到(5)中任一項(xiàng)的電路板,其中陶瓷基底包含至少一種選自氧化鋁、AlN和Si3N4重量含量至少90%的陶瓷。
      (7)按照(1)到(5)中任一項(xiàng)的電路板,其中陶瓷基底為金剛石或者cBN。
      (8)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;形成抗蝕圖;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;把抗蝕劑層制成薄層;在第二金屬層上表面及其大部分側(cè)表面鍍覆形成第三金屬層;去除抗蝕劑層,然后蝕刻第一金屬層,使得沒有被第三金屬層覆蓋的第一金屬層和部分第二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,經(jīng)過焊料或者導(dǎo)電樹脂安裝在按照(1)到(7)中任一項(xiàng)的電路板上。
      圖2A-2H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)描述本發(fā)明的電路板按如下方法制作。首先,在陶瓷基底上蒸鍍或者濺射形成與該基底粘接良好的第一金屬層,比如Ti/Mo/Ni。在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。然后制作一薄層抗蝕劑層。在第二金屬層上面用鍍覆形成第三金屬層,比如金、Ni/Au或者具有多層結(jié)構(gòu)的層,其中中間層(防止金擴(kuò)散的層)例如鈀,鉑,鉬,鎢或者釩被插入在鎳和金層之間,例如是Ni/Pt/Au層。把抗蝕劑層如上所述制成薄層,允許鍍覆覆蓋第二金屬層整個(gè)上表面和抗蝕劑層被去掉的側(cè)壁。這之后,抗蝕劑層被全部去除。
      然后用蝕刻去除沒有被第三金屬層覆蓋的第一金屬層。如果第三金屬層的最外層不會(huì)被用在第一金屬層上的蝕刻液蝕刻,那么被第三金屬層覆蓋的部分不會(huì)被蝕刻,這樣容許選擇性蝕刻。比如說,如果第三金屬層的最外層是金,第一金屬層由Ti/Mo/Ni組成,金不會(huì)被用于鎳和鉬的蝕刻液蝕刻,因此金能用作這里蝕刻的掩模。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)。沒有被第三金屬層的金覆蓋的側(cè)壁,已經(jīng)被側(cè)壁蝕刻挖掉,鈦甚至被挖掉的更大。
      也可能在開始應(yīng)用鉻基(比如NiCr)金屬化圖形作為最下面的金屬層,來定位光掩模或者作為抗蝕劑層。這最下面的金屬層不會(huì)被任何蝕刻液蝕刻,因此將保留到最后。它與陶瓷也有良好的粘結(jié)性。
      對(duì)于本發(fā)明,能用鍍覆方法形成第二金屬層,因此金屬層能容易地制成厚膜,并且如上面提到,如果第二金屬層被第三金屬層部分覆蓋,第三金屬層的最外層不會(huì)被用于第一金屬層的蝕刻液蝕刻,那么就能通過蝕刻形成布線圖。
      第一金屬層具有多層結(jié)構(gòu),例如包括Ti/Mo/Ni,Ti/Pt/Ni,Ti/V/Ni,或者Ti/Pd/Ni。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。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。
      為了使第一、第二和第三金屬層的合并厚度至少為5μm,形成在第一金屬層上面的抗蝕劑層的厚度應(yīng)該至少為5μm。如果該抗蝕劑層太薄,第二金屬層將覆蓋抗蝕劑層的頂部,導(dǎo)致不合要求的蘑菇形狀。進(jìn)而,第二金屬層的相鄰線條在抗蝕劑層上會(huì)互相連接。盡管提高抗蝕劑層的厚度是困難的,通過優(yōu)化曝光條件能夠提高該厚度,使形成帶有垂直側(cè)壁的精細(xì)布線圖是可能的。用SOR(同步加速器軌道輻射)光曝光。形成厚膜抗蝕劑層使上面提到的蘑菇形狀減到最小。
      用于鍍覆的光刻膠的圖形精度從亞微米到10nm。光刻膠線條之間的微小間隔部分能用表面活化劑覆蓋。能通過拋光或同類方法把抗蝕劑層制成為薄層。
      對(duì)于本發(fā)明的電路板,第二金屬層適宜包含至少一種金屬選自銅、鎳、銀和鋁。用鍍覆形成至少5μm的厚膜是可能的。甚至比如說可以到200μm。保持第二金屬層的厚度至少5μm能降低接線的電阻,例如適合于需要粗接線以減少熱應(yīng)力的熱電半導(dǎo)體元件,比如珀耳帖元件。第二金屬層的例子包括銅、Cu/Ni、Ni/Cu/Ni、鋁、Ni/Al/Ni、Al/Ni和銀。如果后續(xù)要進(jìn)行合金化處理來提高粘接強(qiáng)度,只用銅是很好的,但是如果在銅的上面形成厚度至少為0.5μm的鎳,對(duì)金或者Ni/Au的粘接會(huì)更好。
      最好是盡可能多的第二金屬層的側(cè)壁表面被第三金屬層覆蓋。至少80%的第二金屬層的側(cè)壁表面被第三金屬層覆蓋是適宜的。覆蓋至少80%的第二金屬層的側(cè)壁表面導(dǎo)致很少的側(cè)壁蝕刻,側(cè)壁蝕刻是在蝕刻第一金屬層期間引起的。如果全部第二金屬層被覆蓋,將有必要減少用于形成第二金屬層的抗蝕劑層的厚度。然而,均勻減少抗蝕劑層的厚度到第一金屬層的水平是困難的。于是,在第三金屬層的形成期間,用于形成第二金屬層的抗蝕劑層用作局部掩模,因此整個(gè)第二金屬層沒有被第三金屬層完全覆蓋。
      第三金屬層的例子包括金,Ni/Au和多層結(jié)構(gòu),其中中間層(防止金擴(kuò)散的層)例如鈀,鉑,鉬,鎢或者釩被插入在鎳和金層之間,比如Ni/Pt/Au。第三金屬層的最外層能是不被用于第一金屬層的蝕刻液蝕刻的任何金屬,但是在能夠有利于進(jìn)行后續(xù)步驟的方面,使用金作為最外層是特別合適的。
      對(duì)于本發(fā)明的電路板,能用鍍覆形成第二金屬層,因此該金屬層能是厚膜,能通過使用抗蝕劑層形成帶有垂直側(cè)壁的精細(xì)布線圖,因此能夠進(jìn)行加工使得引線厚度D(單位為μm)和相鄰的布線圖線條之間的距離L(單位為μm)之間縱橫比(D/L)為D/L>0.4。在本發(fā)明中,引線厚度D是第一、第二和第三金屬層的合并厚度,線條間隔L代表被第三金屬層覆蓋的第二金屬層圖形的線條之間的距離。
      氧化鋁可以用作陶瓷基底,但是由于熱輻射對(duì)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提供低成本和高抗漏性基底。當(dāng)需要強(qiáng)度時(shí),使用Si3N4是首選的。也可以使用AlN和Si3N4的混合物。此外,如果基底表面太粗糙,由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重量比至少90%的高熱輻射陶瓷基底,含有釔,熱導(dǎo)率為170W/(m·K),被用作陶瓷基底11。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施加到陶瓷基底11上,形成NiCr金屬層13作為最下面的金屬層。濺射設(shè)備用于此目的。盡管這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圖形作為最下面的金屬層13保留在陶瓷基底11的表面上。
      然后,如圖2C所示,在陶瓷基底11的整個(gè)上表面蒸鍍多層結(jié)構(gòu)第一金屬層14Ti/Mo/Ni。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??紤]到第二金屬層的厚度,抗蝕劑層15的厚度為120μm。
      然后,如圖2E所示,包括Ni/Cu的第二金屬層16用鍍覆層迭形成。為了提高鍍覆的粘接性,鎳厚度為0.5μm,銅厚度為100μm。
      如圖2F所示,抗蝕劑層的厚度被用O2拋光減少到10μm。這是因?yàn)殄兘鹨恢边M(jìn)行到第二金屬層的側(cè)壁表面的銅部分。在這個(gè)階段,第三金屬層17包括Ni/Au被鍍覆,使得覆蓋銅線部分。鎳厚度為1.3μm,金厚度為1.0μm。
      除去抗蝕劑層如圖2G所示,之后鎳和鉬被如圖2H所示蝕刻。這里,在保護(hù)膜除去期間表面上形成鎳氧化物膜,因此該氧化物膜被除去之后立刻用反應(yīng)蝕刻液蝕刻鎳和鉬。鈦用氫氟酸基蝕刻液去除。
      第一、第二和第三金屬層的合并厚度D(μm)為100μm,圖形線條之間的距離L(μm)為40μm。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,金屬布線圖形成在陶瓷基底的一側(cè),但是也能應(yīng)用到兩側(cè)。
      例2用上述例1中的方法生產(chǎn)具有如圖3所示圖形的電路板。這里的布線層20中,第一金屬層是Ti/Mo/Ni,第二金屬層是Ni/Cu,第三金屬層是Ni/Au,抗蝕劑層21是Ni/Cr。高輸出LD(半導(dǎo)體激光器)18帶有集成調(diào)制器,發(fā)熱至少10mW,用焊料通過芯片焊接安裝在電路板上,用焊線19進(jìn)行引線接合,以生產(chǎn)出如圖3所示的高輸出模塊。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;第二金屬層,其在第一金屬層上形成圖形;和第三金屬層,其形成覆蓋第二金屬層的整個(gè)上表面及其大部分側(cè)表面,其中沒有被第三金屬層覆蓋的第一金屬層和部分第二金屬層通過蝕刻寬度減小。
      2.如權(quán)利要求1的電路板,其中第一、第二和第三金屬層的合并厚度Dμm和相鄰的布線圖線條之間的距離Lμm之間滿足如下關(guān)系,D/L≥0.4。
      3.如權(quán)利要求2的電路板,其中第一、第二和第三金屬層的合并厚度Dμm至少為5μm。
      4.如權(quán)利要求1到3中任一項(xiàng)的電路板,其中第二金屬層包括至少一種金屬選自銅、鎳、銀和鋁。
      5.如權(quán)利要求1到3中任一項(xiàng)的電路板,其中第三金屬層的最外層是金。
      6.如權(quán)利要求1到3中任一項(xiàng)的電路板,其中陶瓷基底包含至少一種選自氧化鋁、AlN和Si3N4重量含量至少90%的陶瓷。
      7.如權(quán)利要求1到3中任一項(xiàng)的電路板,其中陶瓷基底為金剛石或者cBN。
      8.一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;形成抗蝕劑圖形;用抗蝕劑作為掩模在第一金屬層上鍍覆形成第二金屬層;把抗蝕劑層制成薄層;在第二金屬層上表面及其大部分側(cè)表面鍍覆形成第三金屬層;去除抗蝕劑層,然后蝕刻第一金屬層,使得沒有被第三金屬層覆蓋的第一金屬層和部分第二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,經(jīng)過焊料或者導(dǎo)電樹脂安裝在權(quán)利要求1到7中任一項(xiàng)的電路板上。
      全文摘要
      一種電路板包括在陶瓷基底上形成第一金屬層圖形,在第一金屬層上形成第二金屬層圖形,和形成覆蓋第二金屬層上表面及其大部分側(cè)表面的第三金屬層,其中沒有被第三金屬層覆蓋的第一和部分第二金屬層通過蝕刻寬度減小。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(hào)H05K3/38GK1396655SQ0214129
      公開日2003年2月12日 申請(qǐng)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, 依田潤 申請(qǐng)人:住友電氣工業(yè)株式會(huì)社
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