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TWI734528B - 複合基板 - Google Patents

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Abstract

本發明係提供一種複合基板，包括上下層疊之陶瓷基板及鋁基碳化矽基板，並於陶瓷基板與鋁基碳化矽基板之間係通過活性金屬焊料進行熱壓接合形成一接合面，其中該鋁基碳化矽基板係含有50~83vol%的SiC組成，活性金屬焊料係選自銀、銅、鈦、鋅及鋁所組成的群組之任一，此種複合基板僅需選用適當SiC組成之鋁基碳化矽基板，並利用其本身所具有高耐熱及低熱膨脹的特性，當承受高溫熱壓時，就可以通過活性金屬焊料直接與陶瓷基板共同壓合形成整體散熱效果佳且連續緻密之接合界面，以簡化製程、提高接合的強度與良率，成本更加便宜，同時可提高散熱效果及耐衝擊強度，對於抵抗衝擊和震動等機械性質及產品可靠度等，都有優越的表現，也更加適用於車用領域。

Description

複合基板
本發明係提供一種複合基板，尤指僅需選用具有適當SiC組成之AlSiC基板，就可以通過活性金屬焊料直接與陶瓷基板進行熱壓接合形成一整體散熱效果佳且連續緻密之接合界面，以簡化製程、提高接合的強度與良率，成本更加便宜。
按，陶瓷的機械強度佳，並具有良好的耐熱性、化學穩定性、抗氧化性、電絕緣性、緻密性與光學特性等，也可藉由成分改變其性質應用於不同需求製程中，所以陶瓷被廣泛地應用於電子器件、光電與半導體元件封裝、汽車、通訊領域、航太科技、化工等產業，而陶瓷材料製成之陶瓷基板，則因陶瓷材料本身具有的導熱率高、耐熱性好、高絕緣、高強度、與晶片材料熱匹配等性能，非常適合作為功率器件的封裝基板，可將熱源(如晶片、半導體器件)產生的熱量從陶瓷基板導出，以滿足大功率電子器件的使用需求。
一般陶瓷基板材料包括氧化鋁(Al2O3)、氮化鋁(AlN)、氮化矽(Si3N4)、氧化鈹(BeO)、碳化矽(SiC)等，為了獲得較佳的熱與電性能、機械強度、氣密性及較小尺寸變化等，在實際的應用上，常會將陶瓷材料與金屬(如鋁或銅等)散熱元件或線路作接合，其接合的 方式包含擴散接合、硬焊及焊接等，並在利用硬焊的方式接合金屬與陶瓷基板的過程中，使用一般的合金焊料難以與陶瓷材料潤濕，便會造成合金焊料與陶瓷材料間之接合強度不足。在此種情況之下，可利用預金屬化法與活性硬焊法來改善其潤濕性，其中預金屬化法係陶瓷材料之接合面在硬焊前先施行金屬化的處理，而活性硬焊法係在合金焊料(如鎳、銅、銀等)中添加微量活性金屬(如鈦、鋯等)配製成一活性金屬焊料，可與陶瓷材料反應、產生潤濕效果而達到接合之目的，且因製程的操作十分簡便，故在陶瓷封裝與金屬化的應用極為廣泛。
然而，傳統陶瓷基板與鋁金屬基板〔如鋁基金屬板或散熱鰭片(Heat Sink)等〕進行接合的方式，一般係將陶瓷基板其中一面與銅金屬通過活性金屬硬焊(AMB)材料(簡稱為活性金屬焊料)先進行焊接形成AMB基板以後，再對銅層進行選擇性蝕刻始產生銅金屬線路佈局，而陶瓷基板之另一面則通過導熱膠(如黏著劑或樹脂等)或其他表面處理〔如金屬化(如鍍鎳、金、錫等)或陽極氧化處理等〕方式與鋁金屬基板進行熱壓接合形成一複合基板，便可藉由陶瓷基板表面的銅金屬線路搭載工作晶片吸收負載產生之熱能，並以熱傳導的方式通過接合界面傳遞至鋁金屬基板或被鋁金屬基板所吸收來進行散熱，進而減低過度熱能蓄積於陶瓷基板所引發之熱衝擊或影響工作晶片運作效能。
惟該陶瓷基板選用黏著劑或樹脂與鋁金屬基板進行接合，其雖可在低溫下進行，降低了接合的過程中產生的熱應力問題，不過樹脂對熱的傳導效果較差，在界面會妨礙熱傳導，以致使接合後複合基板整體之熱阻值增加，長時間使用亦會因老化造成界面剝離，且因樹脂無法在陶 瓷基板上潤濕，進而引發散熱效果不佳及界面縫隙等問題；又，若是陶瓷基板選用表面處理方式與鋁金屬基板進行接合時，如化學鍍、高溫燒結、蒸鍍、濺鍍等金屬化處理，其所施加表面處理的材料含有複雜化學組成，收縮膨脹等變異因素較多，造成熱壓接合後很容易發現有界面接合力差、緻密性不良、易氧化或金屬化層厚度不易控制等問題。換言之，無論選擇樹脂或表面處理方式都不是複合基板之理想選項，尤其是不利於同時講究高導熱來對外散熱及耐衝擊之車用領域發展，也是此行業者長久以來欲改善之重要課題及問題所在。
故，發明人有鑑於上述缺失，乃搜集相關資料，經由多方的評估及考量，並以從事於此行業所累積之多年經驗，持續試作與修改，始設計出此種複合基板的發明專利誕生。
本發明之主要目的乃在於複合基板係以具有適當含量佔比的SiC組成之鋁基碳化矽基板取代鋁金屬基板，並利用其耐熱溫度及耐熱係數較傳統金屬基板高，且熱膨脹變化小不易發生高溫變形，具有高耐熱及低熱膨脹的特性，當承受高溫熱壓時，就可以通過活性金屬焊料直接與陶瓷基板共同壓合形成一整體散熱效果佳且連續緻密之接合界面，不僅可以簡化製程，並提高接合的強度與良率，成本更加便宜，同時可提高散熱效果及耐衝擊強度，相較傳統複合基板對於抵抗衝擊和震動等機械性質及產品可靠度等都有優越的表現，也更加適用於車用領域。
本發明之次要目的乃在於複合基板所選用之活性金屬焊料係選自銀、銅、鈦、鋅及鋁所組成的群組之任一，並利用其活性金屬具有 的高活性，可提高焊料熔化後對陶瓷的潤濕反應，使鋁基碳化矽基板不需進行金屬化表面處理，就可以直接與陶瓷基板進行熱壓接合，最終形成無任何界面縫隙或界面剝離之複合基板，且因活性金屬焊料的熱阻值較傳統接合界面使用之樹脂低許多，所以對熱的傳導效果更佳，可將熱源所產生的熱量通過陶瓷基板、活性金屬焊料快速熱傳導至鋁基碳化矽基板對外釋放，以減少熱量蓄積於陶瓷基板上，整體之散熱效果更為良好。
本發明之另一目的乃在於複合基板之接合界面，缺乏金屬化表面處理含有複雜化學組成、收縮膨脹等變異因素所引發界面接合力差、緻密性不良等問題，並於鋁基碳化矽基板通過活性金屬焊料與陶瓷基板直接熱壓接合後可形成一連續緻密之接合界面，相較傳統複合基板常見因為熱膨脹變形所引發介面縫隙或界面剝離，更能有效提高其耐衝擊的強度，產品可靠度更為優越。
1:陶瓷基板
2:鋁基碳化矽基板
3:活性金屬焊料
L:荷重
〔第1圖〕係本發明複合基板之結構示意圖。
〔第2圖〕係本發明活性金屬焊料組成之數據表。
〔第3圖〕係本發明複合基板於熱壓接合時之示意圖。
〔第4圖〕係本發明實施例所試驗之數據及接合面效果判定表。
為達成上述目的及功效，本發明所採用之技術手段及其構造，茲繪圖就本發明之較佳實施例詳加說明其構造與功能如下，俾利完全瞭解。
請參閱如第1~4圖所示，係分別為本發明複合基板之結構示意圖、活性金屬焊料組成之數據表、複合基板於熱壓接合時之示意圖及實施例所試驗之數據及接合面效果判定表，由圖中可清楚看出，本發明之複合基板係包括上下層疊之陶瓷基板1及鋁基碳化矽(AlSiC)基板2，並於陶瓷基板1與鋁基碳化矽基板2之間係通過活性金屬焊料〔係活性金屬硬焊(AMB)材料的簡稱〕3進行熱壓接合形成一接合面，其中該上層陶瓷基板1包含陶瓷基底及其至少一側表面上之金屬層結構，陶瓷基底材料較佳實施可為氮化矽(Si3N4)，但並不以此為限，亦可為氮化鉭(TaN)、氮化鋁(AlN)、氧化鈹(BeO)、氧化鋁(Al2O4)或碳化矽(SiC)等，且該金屬層結構係通過高/低溫共燒陶瓷(HTCC/LTCC)、直接覆銅(DBC)、直接電鍍銅(DPC)或活性金屬硬焊(AMB)等技術，在陶瓷基底上表面附著有一銅金屬層，再於銅金屬層上進行蝕刻形成銅金屬線路，便可將晶片、半導體或功率器件等搭載或封裝在陶瓷基板1上，並與銅金屬線路通過焊料、引線鍵合等方式形成電性連接。
在本實施例中，上述之複合基板下層係鋁基碳化矽基板2，其特性主要取決於SiC的體積百分比(vol%，即組成的含量)、分佈與粒徑大小等，可通過改變其組成的含量而加以調整，由於鋁基碳化矽基板2係含有50~83vol%的SiC組成，較佳實施為63vol%，並因為含有50vol%以上的SiC組成，其耐熱溫度及耐熱係數較傳統金屬基板或陶瓷基板為高，且熱膨脹變化小不易發生高溫變形，使鋁基碳化矽基板2本身具有高耐熱及低熱膨脹的特性，即可取代鋁金屬基板，並與陶瓷基板1通過活性金屬焊料3直接進行熱壓接合形成一複合基板。
如第2、3圖所示，本發明實施例所選用之活性金屬焊料3組成配比主要有三種，其中焊料A含有體積百分比為70vol%的銀(Ag)、28vol%的銅(Cu)及2vol%的鈦(Ti)，焊料B含有體積百分比為10vol%的銀(Ag)、85vol%的銅(Cu)及5vol%的鈦(Ti)，以及焊料C含有體積百分比為80vol%的鋅(Zn)及20vol%的鋁(Al)，該些焊料係利用活性金屬(如鈦、鋅)與銀、銅、鋁等金屬所配製而成，由於活性金屬為具有高活性，可提高焊料熔化後對陶瓷的潤濕反應，所以使陶瓷表面無需金屬化，就可與金屬實現接合之目的。
當陶瓷基板1、鋁基碳化矽基板2與活性金屬焊料3進行熱壓接合時，可使用真空加熱爐或熔爐將活性金屬焊料3加熱到熔點以上的燒結溫度(如較佳為580℃~865℃溫度區間)，如圖4之數據表所示，燒結溫度依焊料組成的配比不同可分別為865℃、510℃或580℃等，並使活性金屬焊料3熔化持溫一段時間後，可充分填充於陶瓷基板1與鋁基碳化矽基板2之間進行潤濕反應，再使用預定荷重L可分別為0.58kgf/cm2(0.075Mpa)、1.17kgf/cm2(0.11Mpa)或0.21kgf/cm2(0.028Mpa)進行熱壓接合，或者是可使用加熱棒來加熱荷重L(如熱壓頭)，並由熱壓頭直接熱壓陶瓷基板1來加熱活性金屬焊料3達到預定的燒結溫度，而隨著活性硬焊溫度或持溫時間增加，便可利用鋁基碳化矽基板2本身具有高耐熱及低熱膨脹的特性，使其承受高溫熱壓時，可通過活性金屬焊料3與陶瓷基板1共同壓合形成一具有緻密接合面之複合基板，並由複合基板之接合界面顯微金相組織，可觀察到活性金屬焊料3的合金焊料能有效的填滿陶瓷基板1與鋁基碳化矽基板2的表面孔隙，具有良好的潤濕性，以供 陶瓷基板1與鋁基碳化矽基板能夠緊密接合，且二者間之接合界面無縫隙產生，也不易發生撓曲變形，最終形成無任何界面縫隙或界面剝離之複合基板。
具體而言，可觀察如圖4所列示本發明複合基板之實施例1~10試驗數據，其中該複合基板結構上層陶瓷基板1選用之陶瓷基底材料係厚度0.32mm之氮化矽(Si3N4)，下層鋁基碳化矽(AlSiC)基板2組成係厚度3.00mm、含量佔比可分別為50%、63%與83%之碳化矽(SiC)，並通過活性金屬焊料3不同的組成配比(如焊料A至C)，在不同的荷重L及燒結溫度下進行熱壓接合形成具有接合面之複合基板。
根據實施例1~4之接合面效果判定的結果，可發現在相同的荷重L(如0.58kgf/cm2)及燒結溫度(如865℃)下，不論是選用焊料A或焊料B組成配比，只要鋁基碳化矽基板2之SiC組成含量高於50%(如63%或83%)，其接合面效果判定皆為良好，但是根據實施例5~7可發現在燒結溫度(如865℃)不變之下，隨著荷重L從0.58kgf/cm2增加至1.17kgf/cm2，鋁基碳化矽基板2之SiC組成含量為50%或鋁基碳化矽基板2經過預金屬化表面處理(如表面電鍍)時，不論是選用焊料A或焊料B組成配比，其接合面效果判定皆為不良。
此外，根據實施例8~10之接合面效果判定的結果，可發現當鋁基碳化矽基板2之SiC組成含量為63%，並選用焊料C組成配比時，在較低的荷重L為0.21kgf/cm2、燒結溫度為580℃進行熱壓接合，其接合面效果判定為良好，但是在燒結溫度降低至510℃，荷重L不變時，其接合面效果判定皆為不良，所以本發明實施例之活性金屬焊料3三種不 同的焊料組成，可搭配SiC組成含量為介於50%~83%之鋁基碳化矽基板2進行選用，並通過調整其熱壓接合製程之荷重L及燒結溫度，均可適用於本發明之複合基板。
當本發明之複合基板在上層陶瓷基板1搭載或封裝有晶片、半導體或功率器件等熱源時，可通過陶瓷基底先吸收熱源及銅金屬線路所產生之熱量，並經由活性金屬焊料3快速熱傳導至下層鋁基碳化矽基板2進行吸收，再釋放至外界，由於本實施例選用之活性金屬焊料3的熱阻值均較傳統接合使用之樹脂低的許多，所以對熱的傳導效果更佳，並以具有適當SiC組成之鋁基碳化矽基板2取代鋁金屬基板，不需進行金屬化表面處理(如表面電鍍銅、化學鍍鎳等)，就可以通過活性金屬焊料3與陶瓷基板1直接熱壓接合，最終形成一整體散熱效果佳且連續緻密之接合界面，不僅可簡化複合基板製程，並提高接合的強度與良率，使成本更加便宜，同時可提高散熱效果及耐衝擊強度，相較傳統複合基板對於抵抗衝擊負荷和承受震動等機械性質及產品可靠度等，都有顯著優越的表現，也更加適用於車用領域。
是以，本發明主要提供一種複合基板係以具有適當含量佔比的SiC組成之鋁基碳化矽基板2取代鋁金屬基板，並利用其具有高耐熱及低熱膨脹特性，當承受高溫熱壓時，就可以通過活性金屬焊料3直接與陶瓷基板1共同壓合形成緻密之接合界面，最終形成一無任何介面縫隙或介面剝離之複合基板，且該活性金屬焊料係選自銀、銅、鈦、鋅及鋁所組成的群組之任一，由於複合基板之接合界面未含有樹脂，熱傳導效果更佳，可減少熱量蓄積於陶瓷基板上，整體之散熱效果更為良好；另，接合界 面缺乏金屬化表面處理含有複雜化學組成、收縮膨脹等變異因素所引發界面接合力差、緻密性不良等問題，相較傳統複合基板常見因為熱膨脹變形所引發介面縫隙或界面剝離，更能有效提高其耐衝擊的強度，對於抵抗衝擊和震動等機械性質及產品可靠度等，都有優越的表現。
上述詳細說明為針對本發明一種較佳之可行實施例說明而已，惟該實施例並非用以限定本發明之申請專利範圍，凡其他未脫離本發明所揭示之技藝精神下所完成之均等變化與修飾變更，均應包含於本發明所涵蓋之專利範圍中。
綜上所述，本發明上述之複合基板於使用時為確實能達到其功效及目的，故本發明之複合基板誠為一實用性優異之發明，為符合發明專利之申請要件，爰依法提出申請，盼 鈞局審委能夠早日賜准本案，以保障發明人之辛苦發明，倘若 審委有任何的稽疑，請不吝來函指示，發明人定當竭力配合，實感德便。
1:陶瓷基板
2:鋁基碳化矽基板
3:活性金屬焊料

Claims (8)

  1. 一種複合基板，包括上下層疊之陶瓷基板及鋁基碳化矽基板，並於該陶瓷基板與該鋁基碳化矽基板之間係含有活性金屬焊料所形成之一接合面，該鋁基碳化矽基板係含有體積百分比為50~83vol%的碳化矽(SiC)組成，該活性金屬焊料係選自銀(Ag)、銅(Cu)、鈦(Ti)、鋅(Zn)及鋁(Al)所組成的群組之任一，且該活性金屬焊料含有體積百分比為70vol%的Ag、28vol%的Cu及2vol%的Ti。
  2. 一種複合基板，包括上下層疊之陶瓷基板及鋁基碳化矽基板，並於該陶瓷基板與該鋁基碳化矽基板之間係含有活性金屬焊料所形成之一接合面，該鋁基碳化矽基板係含有體積百分比為50~83vol%的碳化矽(SiC)組成，該活性金屬焊料係選自銀(Ag)、銅(Cu)、鈦(Ti)、鋅(Zn)及鋁(Al)所組成的群組之任一，且該活性金屬焊料含有體積百分比為10vol%的Ag、85vol%的Cu及5vol%的Ti。
  3. 一種複合基板，包括上下層疊之陶瓷基板及鋁基碳化矽基板，並於該陶瓷基板與該鋁基碳化矽基板之間係含有活性金屬焊料所形成之一接合面，該鋁基碳化矽基板係含有體積百分比為50~83vol%的碳化矽(SiC)組成，該活性金屬焊料係選自銀(Ag)、銅(Cu)、鈦(Ti)、鋅(Zn)及鋁(Al)所組成的群組之任一，且該活性金屬焊料含有體積百分比為80vol%的Zn及20vol%的Al。
  4. 如請求項1~3任一項所述之複合基板，其中該陶瓷基板包含陶瓷基底及該陶瓷基底至少一側表面上形成之金屬層結構。
  5. 如請求項4所述之複合基板，其中該陶瓷基底材料為氮化矽 (Si3N4)、氮化鉭(TaN)、氮化鋁(AlN)、氧化鈹(BeO)、氧化鋁(Al2O4)或碳化矽(SiC)。
  6. 如請求項5所述之複合基板，其中該金屬層結構係在該陶瓷基底上表面附著有一銅金屬層，再蝕刻形成一銅金屬線路。
  7. 如請求項1~3任一項所述之複合基板，其中該鋁基碳化矽基板含有體積百分比為63vol%的SiC組成。
  8. 如請求項1~3任一項所述之複合基板，其中該活性金屬焊料所形成之接合面係通過熱壓接合形成。
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