一种陶瓷封装基座

摘要

本发明公开了一种陶瓷封装基座。这种陶瓷封装基座包括绝缘基体和钨导电层；钨导电层设置于绝缘基体的至少一个表面上；绝缘基体由氮化铝陶瓷形成；其中，钨导电层包括W、Al和M，M表示稀土元素。本发明制备的氮化铝陶瓷封装基座热导率高，导电层结合力好，布线电阻小。这种氮化铝陶瓷封装基座适用于传感器领域，尤其是高功率的TOF模组封装，不仅解决了散热的问题，同时也能满足TOF工作环境的要求。

权利要求

1.一种陶瓷封装基座，其特征在于：包括绝缘基体和钨导电层；

所述钨导电层设置于所述绝缘基体的至少一个表面上；

所述绝缘基体由氮化铝陶瓷形成；

所述钨导电层包括W、Al和M；所述M表示稀土元素；

所述钨导电层中，按W、Al和M的质量百分比为100%计，W的质量百分比为92% 97%；Al的~质量百分比为1.5% 4%；M的质量百分比为1.4% 4%；

~ ~

所述钨导电层包括W晶相和M‑Al‑O晶相；

所述钨导电层中，M‑Al‑O晶相的质量百分比为5% 11%；

~

所述M‑Al‑O晶相包括M4Al2O9、MAlO3、M3Al5O12中的至少一种；所述M选自Y、Dy、Er、Sm中的至少一种。

2.根据权利要求1所述的一种陶瓷封装基座，其特征在于：所述W晶相的粒径为0.99μm~

1.99μm。

3.根据权利要求1所述的一种陶瓷封装基座，其特征在于：所述绝缘基体包括具有电子元件搭载部的基板和框体；所述框体设置在所述基板上并围绕所述电子元件搭载部。

4.根据权利要求3所述的一种陶瓷封装基座，其特征在于：所述钨导电层的表面还包括依次层叠设置的镍层和金层。

5.权利要求4所述陶瓷封装基座的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

1）将氮化铝陶瓷浆料加工成型为陶瓷生坯；

2）按照陶瓷层的结构要求，将陶瓷生坯进行冲孔成型；

3）按照陶瓷层的导电层图案要求，将步骤2）得到的生坯进行钨浆料填孔和印刷，得到陶瓷层；

4）将多个陶瓷层进行叠层，形成陶瓷封装基座生坯；

5）将陶瓷封装基座生坯进行排胶烧结，得到含有钨导电层的陶瓷封装基座；

6）在露出于绝缘基体的钨导电层上依次进行镀镍和镀金。

6.权利要求1至4任一项所述的陶瓷封装基座在传感器中的应用。

说明书

一种陶瓷封装基座

技术领域

[0001] 本发明涉及陶瓷材料技术领域，特别涉及一种陶瓷封装基座。

背景技术

[0002] TOF全称为Time of Flight，采用的是飞行时间测距法，比较适合测量远距离物体，被广泛应用于3D传感领域，例如手机在后置摄像头上搭载了TOF模组实现3D人脸识别。TOF模组包括了封装基座和搭载在封装基座上面的芯片。封装基座的作用是确保其不受外界环境干扰、保证工作精度和延长工作寿命。常见的封装基座一般包括：具有电子元件搭载部的绝缘基板，设于绝缘基板上并围绕搭载部的框体，形成于绝缘基板上导电图案层；电子元件搭载于封装基座中后通过导电图案层实现与外界的电连接。其中，绝缘基板和框体的材料通常采用氧化铝陶瓷，导电图案层的材料则为钨(W)。但是，由于TOF所发射的是“面光源”，需要全面照射，因此功耗相对较高，对封装基座的散热提出了更高的要求，而氧化铝陶瓷基板的导热率基本在20W/(m·K)，无法满足TOF对于散热的要求。

[0003] 众所周知，氮化铝的理论导热率在260W/(m·K)，因此，采用氮化铝材料的陶瓷封装基座则可以满足高功率TOF的使用要求。但是，为了保证氮化铝陶瓷的热导性能，在制备氮化铝陶瓷的过程中会尽可能的减少氧元素的引入，因此氮化铝陶瓷中助熔剂的含量通常较少，从而导致在氮化铝陶瓷生坯与钨金属浆料共烧时，由于陶瓷无法提供足够的粘结相，钨金属浆料与陶瓷的结合强度低，浆料层容易与氮化铝陶瓷脱落，影响基座性能。

发明内容

[0004] 本发明旨在至少解决现有技术中存在的上述技术问题之一。为此，本发明的目的之一在于提供一种陶瓷封装基座，本发明的目的之二在于提供这种陶瓷封装基座的制备方法，本发明的目的之三在于提供这种陶瓷封装基座的应用。

[0005] 本发明使用氮化铝与钨共烧技术，通过在钨金属浆料中添加稀土氧化物作为陶瓷液相，从而在烧结过程中补充瓷体中液相的不足，实现在不影响氮化铝陶瓷的热导率前提下，又解决了钨金属浆料与氮化铝陶瓷结合力不佳的问题。

[0006] 为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：

[0007] 本发明的第一方面提供了一种陶瓷封装基座，包括绝缘基体和钨导电层；

[0008] 所述钨导电层设置于所述绝缘基体的至少一个表面上；

[0009] 所述绝缘基体由氮化铝陶瓷形成；

[0010] 所述钨导电层包括W、Al和M；所述M表示稀土元素。

[0011] 根据本发明所述钨导电层的一些实施方式，所述钨导电层中，按W、Al和M的质量百分比为100％计，W的质量百分比为92％～97％；Al的质量百分比为1.5％～4％；M的质量百分比为1.4％～4％。

[0012] 根据本发明所述钨导电层的一些优选的实施方式，所述钨导电层中，按W、Al和M的质量百分比为100％计，W的质量百分比为92.7％～96.9％。

[0013] 根据本发明所述钨导电层的一些优选的实施方式，所述钨导电层中，按W、Al和M的质量百分比为100％计，Al的质量百分比为1.6％～3.6％。

[0014] 根据本发明所述钨导电层的一些优选的实施方式，所述钨导电层中，按W、Al和M的质量百分比为100％计，M的质量百分比为1.5％～3.7％。

[0015] 根据本发明所述陶瓷封装基座的一些实施方式，所述钨导电层的制备原料包括金属W、Al2O3和M2O3。

[0016] 根据本发明所述钨导电层的一些实施方式，所述钨导电层包括如下质量份的制备原料：89～95份金属W，3.125～6.5份Al2O3和1.875～4.5份M2O3。

[0017] 根据本发明所述陶瓷封装基座的一些实施方式，所述钨导电层包括W晶相和M‑Al‑O晶相。

[0018] 根据本发明所述陶瓷封装基座的一些实施方式，所述W晶相的粒径为0.99μm～1.99μm。如此粒径范围的W晶粒选择主要是为了匹配AlN陶瓷的收缩，如果粒径偏小或偏大，则在烧结时，钨导电层的收缩与瓷体的收缩出现匹配失衡，导致烧结后钨导电层塌陷或隆起，影响芯片贴装的效果。

[0019] 根据本发明所述陶瓷封装基座的一些实施方式，所述钨导电层中，M‑Al‑O晶相的质量百分比为5％～11％。在本发明所述的钨导电层中，如果M‑Al‑O晶相的晶相占比太高，则金属W的比例较低，一方面降低了钨导电层的导电性，另一方面则会引入太多氧元素，影响AlN陶瓷的热导率；如果M‑Al‑O晶相的晶相占比太低，则氮化铝陶瓷和钨浆料的粘结相的比例都较少，烧结后氮化铝陶瓷与钨导电层的结合力变差。因此，当M‑Al‑O晶相的晶相占比为5％～11％时，能够不影响氮化铝陶瓷的热导率，又能避免W金属浆料与氮化铝陶瓷结合力变差的问题。

[0020] 根据本发明所述陶瓷封装基座的一些实施方式，所述M‑Al‑O晶相包括M4Al2O9、MAlO3、M3Al5O12中的至少一种。在本发明所述的陶瓷封装基座中，M4Al2O9、MAlO3和M3Al5O12这三个物相是随着烧结依次转化的，在陶瓷中主要以M3Al5O12为主，该物相越多代表氧净化的越多，热导率越高，其均属于液相。

[0021] 根据本发明所述陶瓷封装基座的一些实施方式，所述M选自Y、Dy、Er、Sm中的至少一种。

[0022] 根据本发明所述陶瓷封装基座的一些优选的实施方式，所述M‑Al‑O晶相包括YAlO3、Y3Al5O12、Y4Al2O9、DyAlO3、Dy3Al5O12、ErAlO3、Er3Al5O12、SmAlO3、Sm3Al5O12中的至少一种。

[0023] 根据本发明所述陶瓷封装基座的一些实施方式，所述绝缘基体包括具有电子元件搭载部的基板和框体；所述框体设置在所述基板上并围绕所述电子元件搭载部。

[0024] 根据本发明所述陶瓷封装基座的一些实施方式，所述基板包括下基板和上基板。

[0025] 根据本发明所述陶瓷封装基座的一些实施方式，所述下基板的上表面和下表面均形成有钨导电层；所述上基板的上表面形成有钨导电层；上基板的下表面层叠于下基板的上表面；下基板和上基板都设有贯穿本体的导电通孔。

[0026] 根据本发明所述陶瓷封装基座的一些实施方式，所述框体包括上框体和下框体。

[0027] 根据本发明所述陶瓷封装基座的一些实施方式，所述下框体层叠于所述上基板的上表面，所述上框体层叠于下框体之上。

[0028] 根据本发明所述陶瓷封装基座的一些实施方式，所述钨导电层的表面还包括依次层叠设置的镍层和金层。

[0029] 本发明的第二方面提供了根据本发明第一方面所述陶瓷封装基座的制备方法，包括以下步骤：

[0030] 1)将氮化铝陶瓷浆料加工成型为陶瓷生坯；

[0031] 2)按照陶瓷层的结构要求，将陶瓷生坯进行冲孔成型；

[0032] 3)按照陶瓷层的导电层图案要求，将步骤2)得到的生坯进行钨浆料填孔和印刷，得到陶瓷层；

[0033] 4)将多个陶瓷层进行叠层，形成陶瓷封装基座生坯；

[0034] 5)将陶瓷封装基座生坯进行排胶烧结，得到含有钨导电层的陶瓷封装基座；

[0035] 6)在露出于绝缘基体的钨导电层上依次进行镀镍和镀金。

[0036] 根据本发明所述制备方法的一些实施方式，所述步骤1)中，氮化铝陶瓷浆料包括氮化铝粉，还包括溶剂、分散剂、助熔剂、增塑剂、聚合物。

[0037] 所述氮化铝陶瓷浆料中，所述溶剂包括醇类溶剂、酯类溶剂、苯类溶剂、酮类溶剂中的至少一种；其中，醇类溶剂选自乙醇、异丙醇中的至少一种；酯类溶剂选自乙酸乙酯、乙酸丙酯中的至少一种；所述苯类溶剂选自甲苯、二甲苯中的至少一种；酮类溶剂选自丙酮、丁酮中的至少一种。

[0038] 所述氮化铝陶瓷浆料中，所述分散剂选自甘油、聚磷酸盐、聚丙烯酸钠、聚山梨酯、聚乙二醇、聚乙烯亚胺、磷酸三乙酯、聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯酸铵、聚甲基丙烯酸钠中的至少一种。

[0039] 所述氮化铝陶瓷浆料中，所述助熔剂选自氧化钇、氟化钙、氧化镝、氧化铈、氧化钙、氧化锂、碳酸钙、碳酸锂、氧化硼、氮化硼中的至少一种。

[0040] 所述氮化铝陶瓷浆料中，所述增塑剂选自环氧油酸丁酯、环氧硬脂酸辛酯、环氧化甘油三酸酯、甘油三醋酸酯、偏苯三酸三辛酯、偏苯三酸三己酯、均苯四酸四酯、邻苯二甲酸酯、聚乙烯醇中的至少一种。

[0041] 所述氮化铝陶瓷浆料中，所述聚合物选自聚丙烯酸酯、聚乙烯醇缩丁醛、聚乙烯醇、聚甲基丙烯酸甲酯、羧甲基纤维素钠、聚丙烯醇中的至少一种。

[0042] 根据本发明所述制备方法的一些实施方式，所述步骤1)，氮化铝陶瓷浆料的制备方法是将各组分混合。

[0043] 根据本发明所述制备方法的一些实施方式，所述步骤3)中，钨浆料包括无机组分和有机组分；其中，无机组分包括金属W、氧化铝、稀土氧化物；有机组分包括溶剂、聚合物和添加剂。

[0044] 根据本发明所述钨浆料的一些实施方式，所述无机组分在钨浆料的质量百分比为65％～95％。

[0045] 根据本发明所述钨浆料的一些实施方式，所述金属W具体选用钨粉。

[0046] 根据本发明所述钨浆料的一些实施方式，所述氧化铝具体选用Al2O3粉。

[0047] 根据本发明所述钨浆料的一些实施方式，所述稀土氧化物为M2O3，其中金属元素M选自Y、Dy、Er、Sm中的一种。

[0048] 根据本发明所述钨浆料的一些实施方式，所述溶剂包括甲醇、乙醇、丙酮、丁酮、甲苯、乙酸乙酯、乙酸丁酯、乙酸戊酯、二乙二醇乙醚醋酸酯、松油醇、松节油、萜品醇中的至少一种。

[0049] 根据本发明所述钨浆料的一些实施方式，所述聚合物包括甲基纤维素、乙基纤维素、硝酸纤维素、甲基纤维素与乙基纤维素的混合物、聚乙烯醇、聚乙烯酸酯、聚丙烯酸酯、酚醛树脂、苯乙烯丙烯酸酯共聚物、聚乙烯醇缩丁醛中的至少一种。

[0050] 根据本发明所述钨浆料的一些实施方式，所述添加剂包括分散剂、增塑剂中的至少一种。

[0051] 根据本发明所述钨浆料的一些实施方式，所述分散剂包括油酸、三油酸甘油酯、鱼油、壬基酚乙氧基化物的磷酸酯(如RE‑610)中的至少一种。

[0052] 根据本发明所述钨浆料的一些实施方式，所述增塑剂包括邻苯二甲酸二甲酯(DMP)、邻苯二甲酸二丁酯(DBP)、邻苯二甲酸丁苄酯(BBP)中的至少一种。

[0053] 根据本发明所述钨浆料的一些实施方式，所述添加剂还包括酯醇12(如伊士曼的TEXANOL)、大豆卵磷酯、氢化蓖麻油中的至少一种。

[0054] 根据本发明所述制备方法的一些实施方式，所述步骤3)，钨浆料的制备方法是将各组分混合。

[0055] 本发明的第三方面提供了根据本发明第一方面所述的陶瓷封装基座在传感器中的应用。

[0056] 根据本发明所述应用的一些实施方式，所述传感器为3D传感器。

[0057] 根据本发明所述应用的一些实施方式，所述传感器为TOF模组。

[0058] 本发明的有益效果是：

[0059] 本发明制备的氮化铝陶瓷封装基座热导率高，导电层结合力好，布线电阻小。这种氮化铝陶瓷封装基座适用于传感器领域，尤其是高功率的TOF模组封装，不仅解决了散热的问题，同时也能满足TOF工作环境的要求。

附图说明

[0060] 图1为结合力测试的示意图；

[0061] 图2为本发明实施例基座的俯视图；

[0062] 图3为图2的局部剖视图；

[0063] 图4为本发明实施例基座的仰视图；

[0064] 图5为本发明实施例下基板下表面的示意图；

[0065] 图6为本发明实施例下基板上表面的示意图；

[0066] 图7为本发明实施例上基板上表面的示意图；

[0067] 图8为本发明实施例下框体的示意图；

[0068] 图9为本发明实施例上框体的示意图。

[0069] 附图标记：

[0070] 氮化铝陶瓷1，钨导电层2，KV环3，拉力计4，基板5，上基板6，下基板7，上框体8，下框体9，导电层10，电子元件搭载部11，导电通孔12，上基板对应的导电通孔位置13，下框体对应位置14，上框体对应位置15。

具体实施方式

[0071] 以下通过具体的实施例对本发明的内容作进一步详细的说明。实施例和对比例中所用的原料、试剂或装置如无特殊说明，均可从常规商业途径得到，或者可以通过现有技术方法得到。除非特别说明，试验或测试方法均为本领域的常规方法。

[0072] 采用钨浆和氮化铝陶瓷浆料制备成实施例和对比例的样品进行检测。其中，钨浆是采用钨粉、Al2O3粉和稀土氧化物M2O3，并加入适量的有机溶剂、聚合物和添加剂混合配制而成；其中，无机组分(钨粉、Al2O3粉和稀土氧化物M2O3)在钨浆中的质量百分比约为80％。将钨浆烧结成型后，得到钨导电层。

[0073] 实施例和对比例的氧化铝浆料配方组成见表1，钨浆的配方组成见表2。

[0074] 表1氧化铝浆料的配方组成

[0075]   粉体 分散剂 增塑剂 聚合物 溶剂 助熔剂种类 氮化铝 聚丙烯酸酯 DOP 聚丙烯酸酯 甲苯 氧化钇
含量(wt％) 57 0.08 0.67 6 35.4 0.85

[0076] 表2钨浆的配方组成

[0077]

[0078]

[0079] 实施例1～11和对比例1～4的钨导电层分析测试结果见表3。表3中的元素含量采用XRF测得，晶相类型采用XRD测得。表3的钨导电层中W、Al和M含量是基于M、Al和M的总质量百分比为100％计。

[0080] 表3样品测试结果

[0081]

[0082] 将实施例和对比例的样品进行结合力测试、热导率和布线电阻性能测试，测试方法说明如下：

[0083] 一、结合力测试方法

[0084] 图1为结合力测试的示意图，图1中，1‑氮化铝陶瓷，2‑钨导电层，3‑KV环，4‑拉力计。参照图1，说明结合力的具体测试方法如下：

[0085] 1)在一片AlN生坯上印刷一定厚度(20‑25μm)的钨浆(W浆)；

[0086] 2)对印刷后的产品进行排胶烧结，烧结最高温度1700～1750℃之间，烧结时间8～12h之间；

[0087] 3)对烧结后的产品进行镀镍；

[0088] 4)在Ni层表面刷一层薄薄的胶水，再将KV环折成90°，进钎焊炉进行焊环；

[0089] 5)将钎焊后的样品固定住，使用拉力计钩住KV环一端，匀速缓慢提起拉力计，直到KV环与W浆分离，记录峰值，即为结合力。

[0090] 二、热导率测试方法

[0091] 1、样品制备：将样品制成D＝10mm、H＝3mm的陶瓷圆片，并在陶瓷圆片整个上表面印刷20‑25μm厚的钨导电层；

[0092] 2、测试设备：闪光法导热分析仪，德国耐驰LFA447；

[0093] 3、测试方法：闪光法；

[0094] 4、标准号：ASTM E1461。

[0095] 三、布线电阻测试方法

[0096] 布线电阻的具体测试方法如下：

[0097] 在AlN陶瓷片上印刷长宽厚为20mm×20mm×(20‑25μm)的钨导电层，然后利用数字电桥测试其电阻值；

[0098] 测试环境：温度为25℃，相对湿度为40％‑70％；

[0099] 测试电压：直流，1V；

[0100] 测试频率：50Hz。

[0101] 实施例1～11和对比例1～4的性能测试结果见表4。

[0102] 表4样品性能测试结果

[0103]

[0104]

[0105] 通过以上的测试结果可知，本发明实施例提供的样品可以如下的性能要求：结合力≥40N；热导率≥140W/m·K；布线电阻＜0.5Ω。

[0106] 采用上述实施例的样品可以应用于制备陶瓷封装基座，具体制备方法如下：

[0107] 1)制备氮化铝陶瓷浆料和钨浆料；

[0108] 2)将氮化铝陶瓷浆料经流延成型为陶瓷生坯；

[0109] 3)按封装基座不同陶瓷层的结构要求，将陶瓷生坯进行冲孔成型；

[0110] 4)按封装基座不同陶瓷层的导电层图案要求，将步骤3)得到的生坯进行钨浆料填孔和印刷，得到陶瓷层；

[0111] 5)将多个不同的陶瓷层进行叠层，形成陶瓷封装基座生坯；

[0112] 6)将陶瓷封装基座生坯进行排胶烧结成瓷，得到含有钨导电层的陶瓷封装基座；

[0113] 7)在露出于绝缘基体的钨导电层上依次进行镀镍和镀金。

[0114] 附图2～9为本发明一种实施例陶瓷封装基座的结构示意图。其中，图2为基座的俯视图，图3为图2的局部剖视图；图4为基座(图2的基座)的仰视图。图5、6、7、8和9分别为下基板下表面、下基板上表面、上基板上表面、下框体和上框体的示意图。图6展示了上基板6对应的导电通孔10的位置13；图7展示了下框体9对应的位置14；图8展示了上框体8对应的位置15。参照图2～9说明本发明实施例的陶瓷封装基座结构如下：陶瓷封装基座的绝缘基体包括：具有电子元件搭载部11的基板5和设于基板5上并围绕搭载部的框体。基板5上表面和下表面形成有钨导电层。电子元件搭载于搭载部后，通过导电层10与外界电连接。基板5包括下基板7和上基板6。上基板6和下基板7均具有导电层10。下基板7的上表面和下表面形成有导电层；上基板6的上表面形成有导电层；上基板6的下表面层叠于下基板7的上表面；下基板7和上基板6都设有贯穿本体的导电通孔12。框体包括上框体8和下框体9，下框体9层叠于上基板6的上表面，上框体8层叠于下框体9之上。在露出于绝缘基体的钨导电层上依次设有镍层和金层。

[0115] 本发明提供的氮化铝陶瓷封装基座适用于3D传感器领域，可以满足传感器结合力、热导率和布线电阻的性能要求。这种氮化铝陶瓷封装基座尤其适用于高功率的TOF模组封装，不仅解决了散热的问题，同时也能满足TOF工作环境的要求。

[0116] 上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。