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TW202008862A - 一種提升陶瓷載板與厚膜電路附著力之方法 - Google Patents

一種提升陶瓷載板與厚膜電路附著力之方法 Download PDF

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Abstract

本發明係有關一種提升陶瓷載板與厚膜電路之間附著力之方法,尤指一種可利用氣氛於正壓狀態時,以固相擴散接合在陶瓷載板與金屬電路之間加速產生陶瓷-金屬共晶相之方法,其主要係由金屬導電漿料或其氧化物漿料,以厚膜網版印刷電路方式,將電路圖形印刷至陶瓷載板表面,再將該載板置入可程式控制溫度之氣氛烘箱內,並且將環境氣氛條件設定為正壓之惰性氣體,包含氮氣、氫氣或是氮氣/氫氣混合氣體,經過高溫共晶條件後,致使陶瓷載板與金屬電路之間產生共晶相,如此即可提高陶瓷載板與厚膜電路之附著力。

Description

一種提升陶瓷載板與厚膜電路附著力之方法
本發明係關於一種提高陶瓷載板與金屬厚膜電路附著力之方法,特別是關於高溫之共晶條件下,以正壓之氣氛,以固相擴散接合產生陶瓷-金屬之共晶相,藉以提高陶瓷載板與金屬厚膜電路之附著力。
陶瓷散熱載板已廣泛應用於各式LED、功率模組等電子相關領域。厚膜技術採用網版印刷電路於各式載板上,再經由LTCC(低溫共燒多層陶瓷)或是HTCC(高溫共燒多層陶瓷)等方式固定於陶瓷表面;至於直接覆銅技術(Direct Bonded Copper)主要是將銅金屬電路與陶瓷基板在氣氛環境的共晶溫度下產生氧化銅的共晶相,將兩者緊密接合,提高電路附著力。
目前陶瓷散熱基板與電路的接合包含了DBC、DPC(直接鍍銅技術)、LTCC及HTCC等方式進行金屬化製程。DBC製程雖然擁有高機械強度等優點,但是仍然需要利用黃光微影及蝕刻等高成本製程技術將表面覆蓋多餘的銅箔加以去除,DPC技術亦然,還因為本身製程條件限制導致電路厚度無 法大於150μm,對於高功率應用端有所限制;LCTT及HTCC則因為物理條件的限制,一般僅適合採用銅電路及氧化鋁載板的組合,若是使用熱傳導係數更高的氮化鋁則會因為燒結溫度遠大於金屬銅之熔點,而不易形成電路圖形。
傳統網版印刷電路為了要提高電路與載板之間的附著力,則需要利用中介層,用以平衡差異過大的熱膨脹係數,進而提高電路強度,但也因為中介層的關係,製程上仍然必須考慮蝕刻或是微影等相關步驟。
因此,業界亟需一種可以有效率的提高陶瓷載板與金屬電路之間附著力的方法,並且降低時間及製程成本。
本發明之目的在於提供一種結合厚膜網印與陶瓷-金屬共晶相製程的方法,其中包括改善附著力之方法。
鑒於上述悉知技術之缺點,本發明發展出一種提高金屬電路與陶瓷載板之附著力的方法,並藉由陶瓷-金屬共晶層的生成,降低時間及製程成本。
為了達到上述目的,根據本發明提出的方案,提供一種提高陶瓷-金屬銅電路附著力之製程方法,於第一實施中,該方法包含提供一陶瓷載板,其中包含表面已採用網版印刷厚膜技術所產生之金屬銅氧化層電路圖型;於烘箱中進行表面乾燥,以移除金屬銅氧化物層中多餘的溶劑;置入一氣氛環境之高溫爐中,同時加以40kgf/cm2以下並垂直載板方 向之壓力;以及,設定高溫爐溫度在金屬銅與陶瓷載板之共晶溫度±10℃以內,使得該陶瓷載板與金屬銅之間產生金屬銅-陶瓷共晶層。
上述中,該方法可以將金屬銅與陶瓷載板之間產生一金屬銅-陶瓷共晶層,利用此共晶層提高金屬銅電路與陶瓷載板之間的附著力,避免因為熱膨脹係數差異或是外力所容易造成的金屬銅電路與陶瓷載板剝離;此外利用垂直載板方向之壓力可以提高固態擴散接合效率,進而幫助金屬銅-陶瓷共晶層的生成。
此發明的的方法,步驟包括:(A)提供一陶瓷材料之載板本體;(B)清潔該陶瓷載板,並且經由拋光及研磨程序,使之平整光滑;(C)將金屬銅或金屬銅氧化物經由網版印刷技術,將電路圖案印刷至該陶瓷載板表面,使電路圖案緊密貼合於該陶瓷載板表面;(D)將該陶瓷載板置入烘箱,以低於105℃進行烘乾;(E)將該陶瓷載板置入一氣氛環境之高溫爐中,同時加以40kgf/cm2以下並垂直載板方向之壓力;(F)設定高溫爐溫度在金屬銅與陶瓷載板之共晶溫度±10℃以內,使得該陶瓷載板與金屬銅之間產生金屬銅-陶瓷共晶層。
以上之概述與接下來的詳細說明及附圖,皆是為了能進一步說明本創作達到預定目的所採取的方式、手段及功效。而有關本創作的其他目的及優點,將在後續的說明及圖式中加以闡述。
1‧‧‧散熱鰭片
2‧‧‧導熱膠
3‧‧‧陶瓷載板
4‧‧‧金屬電路
5‧‧‧焊料層
6‧‧‧半導體元件
7‧‧‧金屬銅-陶瓷共晶層
S101-S106‧‧‧步驟
第一圖係為本發明第一實施例之元件概略剖面示意圖。
第二圖係為圖一中金屬銅與陶瓷載板之接合部分的放大說明圖。
第三圖係為本發明一種提升陶瓷載板與厚膜電路附著力之方法示意流程圖。
以下係藉由特定的具體實例說明本創作之實施方式,熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地了解本創作之優點及功效。
現有的金屬化電路於陶瓷載板上技術,多使用到微影、黃光、蝕刻等半導體製程,不僅費時費工,成本也高;傳統使用網版印刷等厚膜技術則會因為許多原材料上不同的特性,造成相容性的問題,往往不能採取單一製程技術,須配合搭配複合型的材料或製程。本發明則發展出一種提升陶瓷載板與厚膜電路附著力之方法,係將金屬銅與陶瓷載板之間利用高溫時的共晶條件,在介面處產生一金屬銅-陶瓷共晶層,並且同時使用垂直於載板表面的正向壓力,提高金屬銅-陶瓷共晶層的生成效率;本發明可以以一道製程技術即可提高陶瓷載板上的金屬電路的附著力,不需額外的材料或製程技術,並且可以藉此解決薄膜製程應用於陶瓷載板金 屬化製程時所產生的成本,及氮化鋁與金屬銅無法共燒的問題。
請參閱第一圖及第二圖,其係顯示本發明一實施例之元件剖面圖。
請參閱第一圖,將半導體元件6利用焊料層5固定於金屬電路4上,而金屬電路4則採用本發明之提升陶瓷載板與厚膜電路附著力之方法固定於陶瓷載板3上,陶瓷載板再經由導熱膠2貼附於散熱鰭片1之背板。
請參閱第二圖,利用施加40kgf/cm2以下並垂直於陶瓷載板3方向之壓力,同時配合高溫爐設定至金屬銅-陶瓷之共晶溫度,進行固相擴散接合程序,完成金屬銅-陶瓷共晶層7的生成,進而提升陶瓷載板3與厚膜電路4附著力。
請參閱第二圖,此方法適用陶瓷載板包含有:氮化鋁(AlN)、氧化鋁(Al2O3)、氮化矽(Si3N4)、碳化矽(SiC)或氮氧化矽(SiON)。
請參閱第三圖,本發明一種提升陶瓷載板與厚膜電路附著力之方法流程圖。如圖所示,本發明一種提升陶瓷載板與厚膜電路附著力之方法,步驟包括:(A)提供一陶瓷材料之陶瓷載板3本體;(B)清潔該陶瓷載板3,並且經由拋光及研磨程序,使之平整光滑;(C)將金屬銅或金屬銅氧化物經由網版印刷技術,將電路圖案印刷至該陶瓷載板3表面,使具有電路圖案的金屬電路4緊密貼合於該陶瓷載板3表面;(D)將該 陶瓷載板3置入烘箱,以低於105℃進行烘乾;(E)將該陶瓷載板3置入一氣氛環境之高溫爐中,同時加以40kgf/cm2以下並垂直載板方向之壓力;(F)設定高溫爐溫度在金屬銅與陶瓷載板3之共晶溫度±10℃以內,使得該陶瓷載板3與金屬電路4之間產生金屬銅-陶瓷共晶層7;(G)降溫後,所得到的陶瓷載板3即可利用金屬銅-陶瓷共晶層7提高與金屬電路4的附著力。而所得到的金屬銅-陶瓷共晶層之厚度可為2~20μm。
以上,結合傳統網印電路及共晶層製程技術,配合正向壓力高溫程序,以三明治夾層施壓方式,同時進行金屬氧化物電路之還原及共晶層之生成,穩固的將金屬電路貼合於陶瓷載板上,解決時間及成本浪費,並且同時避免低熱導係數之陶瓷的使用。另外,將傳統網版印刷陶瓷基板之電路金屬化製程加以精進,從兩步驟高溫程序,簡化為一道程序,降低時間成本,並且克服電路剝離等問題。此外,同時採用高熱傳導係數之陶瓷材料,將元件所產生的廢熱迅速傳導,降低工作溫度,提高產品壽命。
本實施例中之陶瓷載板3可為鋁系陶瓷載板,以氮化鋁為例,在實施例的步驟(B)中,氮化鋁陶瓷載板3經由拋光研磨製程後,平整度TTV小於100μm,可依照不同需求進行平整度及粗糙度的調整;在實施例的步驟(C)中金屬銅或金屬銅氧化物可以為漿料或是膠料的形式,與高分子材料混合均勻,其中金屬銅或金屬銅氧化物占總重90%以上;在實施例 步驟(D)中乾燥溫度設定在105℃以下,進行金屬銅或金屬銅氧化物漿料中的高分子材料的汽化,使得陶瓷載板3與金屬銅或金屬銅氧化物完整貼合;在實施例的步驟(E)中陶瓷載板3置入一惰性氣氛環境之高溫爐中,其中氣氛可以為氮氣、含10%以下氫氣之氮氣或含30%以下氨氣之氮氣;在實施例的步驟(E)中所施加的壓力,可以採用垂直於載板方向之正向力,或是增加高溫爐內部氣壓達40kgf/cm2以下;在實施例的步驟(F)中設定高溫爐溫度在金屬銅與陶瓷載板3之共晶溫度±10℃以內,本實施例使用之陶瓷載板材料為氮化鋁陶瓷,鋁系陶瓷與金屬銅之共晶溫度為1065℃,故本實施力所設定之高溫共晶溫度在1065℃±10℃以內,即得該鋁系陶瓷載板3與金屬銅之間所產生金屬銅-陶瓷共晶層7(AlN-Al2O3-Cu)。在本實施例步驟完成後即可得到一高附著力之金屬化陶瓷載板。
綜上所述,本發明將金屬或金屬氧化物網印至陶瓷基板後,進行金屬氧化物高溫還原時,利用陶瓷與金屬共晶溫度下可形成堅固之共晶相介面,並配合正向力加壓,同時完成金屬化陶瓷載板製程及強化電路附著力,簡化工序,降低設備及人力成本,並且同時提高熱傳導效率,使得高功率模組或3C元件等的廢熱可以迅速降溫,延長元件壽命及提高可靠度。另外,本發明以金屬-陶瓷共晶理論為基礎,並且配合正向壓力,在金屬與陶瓷共晶溫度下(添加微量O2),產生一強而有力的共晶介面,克服熱膨脹係數差異等製程問題。 此外,此方法相較於DBC或DPC需要用到黃光微影等製程技術,可以大幅降低設備及人工成本,並且由於製程溫度較低(1065~1085℃),可採用高熱導的氮化鋁陶瓷載板材料(而LCTT及HTCC須採用氧化鋁)。
上述之實施例僅為例示性說明本創作之特點及功效,非用以限制本創作之實質技術內容的範圍。任何熟悉此技藝之人士均可在不違背創作之精神及範疇下,對上述實施例進行修飾與變化。因此,本創作之權利保護範圍,應如後述之申請專利範圍所列。
1‧‧‧散熱鰭片
2‧‧‧導熱膠
3‧‧‧陶瓷載板
4‧‧‧金屬電路
5‧‧‧焊料層
6‧‧‧半導體元件

Claims (9)

  1. 一種提升陶瓷載板與厚膜電路附著力之方法,步驟包括:(A)提供一陶瓷材料之一陶瓷載板本體;(B)清潔該陶瓷載板,並且經由拋光及研磨程序,使之平整光滑;(C)將一金屬銅或一金屬銅氧化物經由網版印刷技術,將一電路圖案印刷至該陶瓷載板表面,使一金屬電路緊密貼合於該陶瓷載板表面;(D)將該陶瓷載板置入烘箱,以低於105℃進行烘乾;(E)將該陶瓷載板置入一氣氛環境之高溫爐中,同時加以40kgf/cm 2以下並垂直載板方向之壓力;(F)設定一高溫爐溫度在該金屬銅與該陶瓷載板之共晶溫度±10℃以內,使得該陶瓷載板與該金屬電路之間產生一金屬銅-陶瓷共晶層;(G)降溫後,所得到的該陶瓷載板即利用該金屬銅-陶瓷共晶層提高與該金屬電路的附著力。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之提升陶瓷載板與厚膜電路附著力之方法,其中,該陶瓷載板包含氮化鋁(AlN)、氧化鋁(Al 2O 3)、氮化矽(Si 3N 4)、碳化矽(SiC)或氮氧化矽(SiON)。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之提升陶瓷載板與厚膜電路附著力之方法,其中,該陶瓷載板經由拋光研磨製程後,平 整度TTV小於100μm,依照不同需求進行平整度及粗糙度的調整。
    3.如申請專利範圍第1項所述之提升陶瓷載板與厚膜電路附著力之方法,其中,該金屬銅或該金屬銅氧化物為一漿料或是一膠料的形式,與一高分子材料混合均勻,其中該金屬銅或該金屬銅氧化物占總重90%以上。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之提升陶瓷載板與厚膜電路附著力之方法,其中,在步驟(D)中,進行該漿料或是該膠料中的該高分子材料的汽化,使得該陶瓷載板與該金屬電路完整貼合。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之提升陶瓷載板與厚膜電路附著力之方法,其中,其中該氣氛為氮氣、含10%以下氫氣之氮氣或含30%以下氨氣之氮氣。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之提升陶瓷載板與厚膜電路附著力之方法,其中,高溫爐中所施加的壓力,採用垂直於載板方向之正向力,或是增加高溫爐內部氣壓達40kgf/cm 2以下。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之提升陶瓷載板與厚膜電路附著力之方法,其中,該陶瓷載板為一鋁系陶瓷載板,設定該高溫爐溫度在該金屬銅與該鋁系陶瓷載板之共晶溫度1065℃±10℃以內。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之提升陶瓷載板與厚膜電路附著力之方法,其中,所得之該金屬銅-陶瓷共晶層係AlN-Al 2O 3-Cu。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之提升陶瓷載板與厚膜電路附著力之方法,其中,該金屬銅-陶瓷共晶層之厚度為2~20μm。
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