CN113809016B - 复合基板 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种复合基板,包括上下层叠的陶瓷基板及铝基碳化硅基板,并于陶瓷基板与铝基碳化硅基板之间通过活性金属焊料进行热压接合形成一接合面,其中该铝基碳化硅基板含有50~83vol%的SiC,活性金属焊料选自银、铜、钛、锌及铝所组成的群组的任一,此种复合基板仅需选用适当SiC组成的铝基碳化硅基板,并利用其本身所具有高耐热及低热膨胀的特性,当承受高温热压时,就可以通过活性金属焊料直接与陶瓷基板共同压合形成整体散热效果佳且连续致密的接合界面,以简化制程、提高接合的强度与良率,成本更加便宜,同时可提高散热效果及耐冲击强度,对于抵抗冲击和震动等机械性质及产品可靠度等,都有优越的表现,也更加适用于车用领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种复合基板,特别涉及仅需选用具有适当SiC组成的AlSiC基板,就可以通过活性金属焊料直接与陶瓷基板进行热压接合形成一整体散热效果佳且连续致密的接合界面,以简化制程、提高接合的强度与良率,成本更加便宜。
背景技术
陶瓷的机械强度佳,并具有良好的耐热性、化学稳定性、抗氧化性、电绝缘性、致密性与光学特性等,也可藉由成分改变其性质应用于不同需求制程中,所以陶瓷被广泛地应用于电子器件、光电与半导体组件封装、汽车、通讯领域、航天科技、化工等产业,而陶瓷材料制成的陶瓷基板,则因陶瓷材料本身具有的导热率高、耐热性好、高绝缘、高强度、与芯片材料热匹配等性能,非常适合作为功率器件的封装基板,可将热源(如芯片、半导体器件)产生的热量从陶瓷基板导出,以满足大功率电子器件的使用需求。
一般陶瓷基板材料包括氧化铝(Al2O3)、氮化铝(AlN)、氮化硅(Si3N4)、氧化铍(BeO)、碳化硅(SiC)等,为了获得较佳的热与电性能、机械强度、气密性及较小尺寸变化等,在实际的应用上,常会将陶瓷材料与金属(如铝或铜等)散热组件或线路作接合,其接合的方式包含扩散接合、硬焊及焊接等,并在利用硬焊的方式接合金属与陶瓷基板的过程中,使用一般的合金焊料难以与陶瓷材料润湿,便会造成合金焊料与陶瓷材料间的接合强度不足。在此种情况之下,可利用预金属化法与活性硬焊法来改善其润湿性,其中预金属化法是陶瓷材料的接合面在硬焊前先施行金属化的处理,而活性硬焊法系在合金焊料(如镍、铜、银等)中添加微量活性金属(如钛、锆等)配制成一活性金属焊料,可与陶瓷材料反应、产生润湿效果而达到接合的目的,且因制程的操作十分简便,故在陶瓷封装与金属化的应用极为广泛。
然而,传统陶瓷基板与铝金属基板[如铝基金属板或散热鳍片(Heat Sink)等]进行接合的方式,一般是将陶瓷基板其中一面与铜金属通过活性金属硬焊(AMB)材料(简称为活性金属焊料)先进行焊接形成AMB基板以后,再对铜层进行选择性蚀刻始产生铜金属线路布局,而陶瓷基板的另一面则通过导热胶(如黏着剂或树脂等)或其他表面处理[如金属化(如镀镍、金、锡等)或阳极氧化处理等]方式与铝金属基板进行热压接合形成一复合基板,便可藉由陶瓷基板表面的铜金属线路搭载工作芯片吸收负载产生的热能,并以热传导的方式通过接合界面传递至铝金属基板或被铝金属基板所吸收来进行散热,进而减低过度热能蓄积于陶瓷基板所引发的热冲击或影响工作芯片运作效能。
但该陶瓷基板选用黏着剂或树脂与铝金属基板进行接合,其虽可在低温下进行,降低了接合的过程中产生的热应力问题,不过树脂对热的传导效果较差,在界面会妨碍热传导,以致使接合后复合基板整体的热阻值增加,长时间使用亦会因老化造成界面剥离,且因树脂无法在陶瓷基板上润湿,进而引发散热效果不佳及界面缝隙等问题;又,若是陶瓷基板选用表面处理方式与铝金属基板进行接合时,如化学镀、高温烧结、蒸镀、溅镀等金属化处理,其所施加表面处理的材料含有复杂化学组成,收缩膨胀等变异因素较多,造成热压接合后很容易发现有界面接合力差、致密性不良、易氧化或金属化层厚度不易控制等问题。换言之,无论选择树脂或表面处理方式都不是复合基板的理想选项,尤其是不利于同时讲究高导热来对外散热及耐冲击的车用领域发展,也是此行业者长久以来欲改善的重要课题及问题所在。
发明内容
故,发明人有鉴于上述缺失,乃搜集相关资料,经由多方的评估及考虑,并以从事于此行业所累积的多年经验,持续试作与修改,始设计出此种复合基板。
本发明的主要目的乃在于复合基板是以具有适当含量占比的SiC的铝基碳化硅基板取代铝金属基板,并利用其耐热温度及耐热系数较传统金属基板高,且热膨胀变化小不易发生高温变形,具有高耐热及低热膨胀的特性,当承受高温热压时,就可以通过活性金属焊料直接与陶瓷基板共同压合形成一整体散热效果佳且连续致密的接合界面,不仅可以简化制程,并提高接合的强度与良率,成本更加便宜,同时可提高散热效果及耐冲击强度,相较传统复合基板对于抵抗冲击和震动等机械性质及产品可靠度等都有优越的表现,也更加适用于车用领域。
本发明的次要目的乃在于复合基板所选用的活性金属焊料选自银、铜、钛、锌及铝所组成的群组的任一,并利用其活性金属具有的高活性,可提高焊料熔化后对陶瓷的润湿反应,使铝基碳化硅基板不需进行金属化表面处理,就可以直接与陶瓷基板进行热压接合,最终形成无任何界面缝隙或界面剥离的复合基板,且因活性金属焊料的热阻值较传统接合界面使用的树脂低许多,所以对热的传导效果更佳,可将热源所产生的热量通过陶瓷基板、活性金属焊料快速热传导至铝基碳化硅基板对外释放,以减少热量蓄积于陶瓷基板上,整体的散热效果更为良好。
本发明的另一目的乃在于复合基板的接合界面,缺乏金属化表面处理含有复杂化学组成、收缩膨胀等变异因素所引发界面接合力差、致密性不良等问题,并于铝基碳化硅基板通过活性金属焊料与陶瓷基板直接热压接合后可形成一连续致密的接合界面,相较传统复合基板常见因为热膨胀变形所引发接口缝隙或界面剥离,更能有效提高其耐冲击的强度,产品可靠度更为优越。
为了达到上述目的,本发明采用了以下技术手段:
本发明一种复合基板,包括上下层叠的陶瓷基板及铝基碳化硅基板,并于该陶瓷基板与该铝基碳化硅基板之间含有活性金属焊料所形成的一接合面,该铝基碳化硅基板含有体积百分比为50~83vol%的碳化硅(SiC),该活性金属焊料选自银(Ag)、铜(Cu)、钛(Ti)、锌(Zn)及铝(Al)所组成的群组的任一。
其中,优选的,该陶瓷基板包含陶瓷基底及该陶瓷基底至少一侧表面上形成的金属层结构。
其中,优选的,该陶瓷基底材料为氮化硅(Si3N4)、氮化坦(TaN)、氮化铝(AlN)、氧化铍(BeO)、氧化铝(Al2O4)或碳化硅(SiC)。
其中,优选的,该金属层结构是在该陶瓷基底上表面附着有一铜金属层,再蚀刻形成一铜金属线路。
其中,优选的,该铝基碳化硅基板含有体积百分比为63vol%的SiC。
其中,优选的,该活性金属焊料含有体积百分比为70vol%的Ag、28vol%的Cu及2vol%的Ti。
其中,优选的,该活性金属焊料含有体积百分比为10vol%的Ag、85vol%的Cu及5vol%的Ti。
其中,优选的,该活性金属焊料含有体积百分比为80vol%的Zn及20vol%的Al。
其中,优选的,该活性金属焊料所形成的接合面是通过热压接合形成。
附图说明
图1为本发明复合基板的结构示意图;
图2为本发明活性金属焊料组成的数据表;
图3为本发明复合基板于热压接合时的示意图;
图4为本发明实施例所试验的数据及接合面效果判定表。
符号说明
1:陶瓷基板
2:铝基碳化硅基板
3:活性金属焊料
L:荷重
具体实施方式
为达成上述目的及功效,本发明所采用的技术手段及其构造,兹绘图就本发明的较佳实施例详加说明其构造与功能如下,俾利完全了解。
请参阅图1~4所示,是分别为本发明复合基板的结构示意图、活性金属焊料组成的数据表、复合基板于热压接合时的示意图及实施例所试验的数据及接合面效果判定表,由图中可清楚看出,本发明的复合基板是包括上下层叠的陶瓷基板1及铝基碳化硅(AlSiC)基板2,并于陶瓷基板1与铝基碳化硅基板2之间是通过活性金属焊料[是活性金属硬焊(AMB)材料的简称]3进行热压接合形成一接合面,其中该上层陶瓷基板1包含陶瓷基底及其至少一侧表面上的金属层结构,陶瓷基底材料较佳实施可为氮化硅(Si3N4),但并不以此为限,亦可为氮化坦(TaN)、氮化铝(AlN)、氧化铍(BeO)、氧化铝(Al2O4)或碳化硅(SiC)等,且该金属层结构是通过高/低温共烧陶瓷(HTCC/LTCC)、直接覆铜(DBC)、直接电镀铜(DPC)或活性金属硬焊(AMB)等技术,在陶瓷基底上表面附着有一铜金属层,再于铜金属层上进行蚀刻形成铜金属线路,便可将芯片、半导体或功率器件等搭载或封装在陶瓷基板1上,并与铜金属线路通过焊料、引线键合等方式形成电性连接。
在本实施例中,上述的复合基板下层是铝基碳化硅基板2,其特性主要取决于SiC的体积百分比(vol%,即组成的含量)、分布与粒径大小等,可通过改变其组成的含量而加以调整,由于铝基碳化硅基板2含有50~83vol%的SiC,较佳实施为63vol%,并因为含有50vol%以上的SiC,其耐热温度及耐热系数较传统金属基板或陶瓷基板为高,且热膨胀变化小不易发生高温变形,使铝基碳化硅基板2本身具有高耐热及低热膨胀的特性,即可取代铝金属基板,并与陶瓷基板1通过活性金属焊料3直接进行热压接合形成一复合基板。
如图2、3所示,本发明实施例所选用的活性金属焊料3组成配比主要有三种,其中焊料A含有体积百分比为70vol%的银(Ag)、28vol%的铜(Cu)及2vol%的钛(Ti),焊料B含有体积百分比为10vol%的银(Ag)、85vol%的铜(Cu)及5vol%的钛(Ti),以及焊料C含有体积百分比为80vol%的锌(Zn)及20vol%的铝(Al),该些焊料是利用活性金属(如钛、锌)与银、铜、铝等金属所配制而成,由于活性金属为具有高活性,可提高焊料熔化后对陶瓷的润湿反应,所以使陶瓷表面无需金属化,就可与金属实现接合的目的。
当陶瓷基板1、铝基碳化硅基板2与活性金属焊料3进行热压接合时,可使用真空加热炉或熔炉将活性金属焊料3加热到熔点以上的烧结温度(如较佳为580℃~865℃温度区间),如图4的数据表所示,烧结温度依焊料组成的配比不同可分别为865℃、510℃或580℃等,并使活性金属焊料3熔化持温一段时间后,可充分填充于陶瓷基板1与铝基碳化硅基板2的间进行润湿反应,再使用预定荷重L可分别为0.58kgf/cm2(0.075Mpa)、1.17kgf/cm2(0.11Mpa)或0.21kgf/cm2(0.028Mpa)进行热压接合,或者是可使用加热棒来加热荷重L(如热压头),并由热压头直接热压陶瓷基板1来加热活性金属焊料3达到预定的烧结温度,而随着活性硬焊温度或持温时间增加,便可利用铝基碳化硅基板2本身具有高耐热及低热膨胀的特性,使其承受高温热压时,可通过活性金属焊料3与陶瓷基板1共同压合形成一具有致密接合面的复合基板,并由复合基板的接合界面显微金相组织,可观察到活性金属焊料3的合金焊料能有效的填满陶瓷基板1与铝基碳化硅基板2的表面孔隙,具有良好的润湿性,以供陶瓷基板1与铝基碳化硅基板能够紧密接合,且二者间的接合界面无缝隙产生,也不易发生挠曲变形,最终形成无任何界面缝隙或界面剥离的复合基板。
具体而言,可观察如图4所列示本发明复合基板的实施例1~10试验数据,其中该复合基板结构上层陶瓷基板1选用的陶瓷基底材料是厚度0.32mm的氮化硅(Si3N4),下层铝基碳化硅(AlSiC)基板2组成是厚度3.00mm、含量占比可分别为50%、63%与83%的碳化硅(SiC),并通过活性金属焊料3不同的组成配比(如焊料A至C),在不同的荷重L及烧结温度下进行热压接合形成具有接合面的复合基板。
根据实施例1~4的接合面效果判定的结果,可发现在相同的荷重L(如0.58kgf/cm2)及烧结温度(如865℃)下,不论是选用焊料A或焊料B组成配比,只要铝基碳化硅基板2的SiC组成含量高于50%(如63%或83%),其接合面效果判定皆为良好,但是根据实施例5~7可发现在烧结温度(如865℃)不变之下,随着荷重L从0.58kgf/cm2增加至1.17kgf/cm2,铝基碳化硅基板2的SiC组成含量为50%或铝基碳化硅基板2经过预金属化表面处理(如表面电镀)时,不论是选用焊料A或焊料B组成配比,其接合面效果判定皆为不良。
此外,根据实施例8~10的接合面效果判定的结果,可发现当铝基碳化硅基板2的SiC组成含量为63%,并选用焊料C组成配比时,在较低的荷重L为0.21kgf/cm2、烧结温度为580℃进行热压接合,其接合面效果判定为良好,但是在烧结温度降低至510℃,荷重L不变时,其接合面效果判定皆为不良,所以本发明实施例的活性金属焊料3三种不同的焊料组成,可搭配SiC组成含量为介于50%~83%的铝基碳化硅基板2进行选用,并通过调整其热压接合制程的荷重L及烧结温度,均可适用于本发明的复合基板。
当本发明的复合基板在上层陶瓷基板1搭载或封装有芯片、半导体或功率器件等热源时,可通过陶瓷基底先吸收热源及铜金属线路所产生的热量,并经由活性金属焊料3快速热传导至下层铝基碳化硅基板2进行吸收,再释放至外界,由于本实施例选用的活性金属焊料3的热阻值均较传统接合使用的树脂低的许多,所以对热的传导效果更佳,并以具有适当SiC组成的铝基碳化硅基板2取代铝金属基板,不需进行金属化表面处理(如表面电镀铜、化学镀镍等),就可以通过活性金属焊料3与陶瓷基板1直接热压接合,最终形成一整体散热效果佳且连续致密的接合界面,不仅可简化复合基板制程,并提高接合的强度与良率,使成本更加便宜,同时可提高散热效果及耐冲击强度,相较传统复合基板对于抵抗冲击负荷和承受震动等机械性质及产品可靠度等,都有显著优越的表现,也更加适用于车用领域。
是以,本发明主要提供一种复合基板是以具有适当含量占比的SiC组成的铝基碳化硅基板2取代铝金属基板,并利用其具有高耐热及低热膨胀特性,当承受高温热压时,就可以通过活性金属焊料3直接与陶瓷基板1共同压合形成致密的接合界面,最终形成一无任何接口缝隙或接口剥离的复合基板,且该活性金属焊料是选自银、铜、钛、锌及铝所组成的群组的任一,由于复合基板的接合界面未含有树脂,热传导效果更佳,可减少热量蓄积于陶瓷基板上,整体的散热效果更为良好;另,接合界面缺乏金属化表面处理含有复杂化学组成、收缩膨胀等变异因素所引发界面接合力差、致密性不良等问题,相较传统复合基板常见因为热膨胀变形所引发接口缝隙或界面剥离,更能有效提高其耐冲击的强度,对于抵抗冲击和震动等机械性质及产品可靠度等,都有优越的表现。
上述详细说明为针对本发明一种较佳的可行实施例说明而已,但该实施例并非用以限定本发明的申请专利范围,凡其他未脱离本发明所揭示的技艺精神下所完成的均等变化与修饰变更,均应包含于本发明所涵盖的专利范围中。
Claims (8)
1.一种复合基板,包括上下层叠的陶瓷基板及铝基碳化硅基板,其特征在于,该陶瓷基板与该铝基碳化硅基板之间含有活性金属焊料所形成的一接合面,该铝基碳化硅基板含有体积百分比为63~83vol%的碳化硅(SiC),该活性金属焊料含有体积百分比为70vol%的Ag、28vol%的Cu及2vol%的Ti。
2.一种复合基板,包括上下层叠的陶瓷基板及铝基碳化硅基板,其特征在于,该陶瓷基板与该铝基碳化硅基板之间含有活性金属焊料所形成的一接合面,该铝基碳化硅基板含有体积百分比为63~83vol%的碳化硅(SiC),该活性金属焊料含有体积百分比为10vol%的Ag、85vol%的Cu及5vol%的Ti。
3.一种复合基板,包括上下层叠的陶瓷基板及铝基碳化硅基板,其特征在于,该陶瓷基板与该铝基碳化硅基板之间含有活性金属焊料所形成的一接合面,该铝基碳化硅基板含有体积百分比为63~83vol%的碳化硅(SiC),该活性金属焊料含有体积百分比为80vol%的Zn及20vol%的Al,烧结温度为 580℃。
4.如权利要求1-3任一项所述的复合基板,其特征在于,该陶瓷基板包含陶瓷基底及该陶瓷基底至少一侧表面上形成的金属层结构。
5.如权利要求4所述的复合基板,其特征在于,该陶瓷基底材料为氮化硅(Si3N4)、氮化钽(TaN)、氮化铝(AlN)、氧化铍(BeO)、氧化铝(Al2O4)或碳化硅(SiC)。
6.如权利要求5所述的复合基板,其特征在于,该金属层结构是在该陶瓷基底上表面附着有一铜金属层,再蚀刻形成一铜金属线路。
7.如权利要求1-3任一项所述的复合基板,其特征在于,该铝基碳化硅基板含有体积百分比为63vol%的碳化硅(SiC)。
8.如权利要求1-3任一项所述的复合基板,其特征在于,该活性金属焊料所形成的接合面是通过热压接合形成。
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