專利名稱：陶瓷/金屬復合結構的制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種陶瓷/金屬復合結構的制造方法，尤其涉及一種利用氧 化鋁層及銅層的結合所形成的復合結構及其制造方法。
背景技術：
電子零件在電子流動的情況下，皆會產生熱，而熱的產生會提升電阻， 阻礙電子的流動，繼而大幅影響電子零件的功能。在電子零件制造技術大 幅提升的現況下，電子零件中的線寬越來越小，線路密度卻越來越高，因
而使得電子零件所產生的熱也快速增加。以計算機的中央處理器(Centml ProcessingUnit， CPU)為例，Intel公司最早版本的Pentium只需搭配散熱功 率16W的封裝即可。但是，在2004年所生產的中央處理器的發(fā)熱量已達 84W， 2006年所生產的中央處理器的發(fā)熱量更己達98W，若熱不能快速被 帶走，則計算機的中央處理器的溫度將快速增加，使計算機的中央處理器 不能正常運轉。因此，與計算機的中央處理器接觸的基板是否具有快速的 散熱能力，著實是主導計算機能否正常運轉的關鍵因素。
一般功率組件，如固體繼電器，也是類似于計算機的中央處理器，在 運作過程中產生高熱。因此，功率組件亦需要利用與其接觸的基板將熱快 速散去，方能正常運轉。
再以發(fā)光二極管(Light Emitting Diode， LED)為例，各種顏色的發(fā)光二 極管在近幾年陸續(xù)被開發(fā)出來，其中又以白光發(fā)光二極管的開發(fā)成功最為 重要。此乃因為白光發(fā)光二極管可作為照明燈具的光源，此種光源的路燈 用電量比水銀燈少75%，比高壓鈉燈少49%，故具有低耗能的優(yōu)勢，為節(jié) 約能源的一項重要發(fā)展。然而，若以日常生活及車輛的頭燈為例，這些應
4用皆須使用功率大于3W的白光發(fā)光二極管，這種大功率的白光發(fā)光二極
管也會放出高熱，但LED照明的最大問題在于LED不耐高熱， 一般來說溫 度不能超過9(TC，若超過此溫度，則亮度將快速下降，故與LED接觸的散 熱機構的快速散熱能力是發(fā)光二極管能否成為照明光源的最大挑戰(zhàn)，這也 說明了散熱基板的開發(fā)對發(fā)光二極管于照明方面的應用，具有舉足輕重的 關鍵地位。
為同時兼顧現今3C電子產品輕薄短小的設計要求，與以上這些計算機 的中央處理器、功率組件或發(fā)光二極管組件接觸的基板須同時符合以下四 個基本要求
1. 散熱方面的要求此材料須具有高熱傳導系數，以達到快速散熱的要求。
2. 絕緣方面的要求為避免高功率電子零件短路，此材料須具有高電
阻系數。
3. 薄層化的要求在滿足以上兩個基本要求后，此基板的厚度還應越 薄越好。
4. 長時間使用的可靠度這是因高功率電子零件在封裝后，高功率電 子零件會進行數以萬次的開-關(on-off)循環(huán)，而與高功率電子零件接觸的基
板會隨之瞬間升降溫數萬次。電子零件長時間使用后的可靠度是極重要的 要求，而這與陶瓷與金屬結合強度有絕對關系。
目前在電子零件的散熱機構方面，大量使用了散熱鰭片及熱管等機構， 再輔以風扇，以期能將高功率的電子零件所產生的熱快速帶走。但是，這
些散熱機構的厚度皆較大，因而阻礙了 3C電子產品輕薄短小的設計要求。
經全面性的材料搜尋及評估，能符合以上第一個散熱的要求及成本考
慮下的最佳選擇為金屬材料，以銅為例，銅的熱傳導系數可達380W/mK。 而能符合以上第二個絕緣的要求選擇的材料則很多，絕大多數的有機材料 或陶瓷材料皆能符合此要求。為兼顧散熱的需求，并考慮長時間可靠度的需求，以陶瓷材料為較佳的選擇。在陶瓷材料中能提供高導熱及絕緣的材
料有氧化鋁及氮化鋁，氧化鋁的熱傳導系數可達20-38W/mK，而氮化鋁的 熱傳導系數更可達40-200W/mK。陶瓷的熱傳導系數之所以有較大的范圍， 是因陶瓷的熱傳導系數受陶瓷的純度及燒結添加劑影響甚大。再者，氧化 鋁及氮化鋁的電阻系數皆高達101()Qm以上，因此兩個陶瓷皆具有極佳的電 絕緣性。又，氧化鋁及氮化鋁還具有低介電常數(Didectric constant)及高介 電強度(Dielectric strength)等優(yōu)點，故常用在基板方面。
但因氧化鋁為共價鍵及離子鍵共存的高熔點固體(熔點>2000")，而銅 原子則以金屬鍵結合，熔點只有1083°C，將氧化鋁及銅鍵結在一起是一個 極具挑戰(zhàn)性的領域。在現有技術中，將氧化鋁及銅鍵結在一起可以有兩種 方法， 一種方法為固態(tài)鍵結法(Solid state bonding),另一種方法則為液態(tài)鍵 結法(Liquid phase bonding)。這兩種方法的處理溫度都在100(TC以上。
經長時間的研究，我們發(fā)現將氧化鋁片及銅片鍵結在一起的基板，氧 化鋁及銅之間的界面強度須很高才具有應用價值。這是因氧化鋁與銅的鍵 結不同，且銅的熱膨脹系數(17xl(^K")為氧化鋁的熱膨脹系數(8xlO'SK")的 兩倍。依Seising所推導的公式(Selsing， J.， J. Am. Ceram. Soc.， 44， 419， 1961)，如下所示
在上式中，Acc是氧化鋁與銅的熱膨脹系數的差異，AT是制造工藝或 使用的溫度與室溫的差異，v是泊松比(Poisson，s ratio), E是彈性常數。因 將氧化鋁片及銅片鍵結在一起的溫度在IOOO'C以上，所以氧化鋁片與銅片 之間因熱膨脹系數的差異在高溫接合(Joining)后所引起的熱應力，估算可以 達到數百MPa以上。此熱應力非常大，對氧化鋁片及銅片鍵結強度(結合 強度)有很大的影響，并且在與會發(fā)熱的電子零件封裝后，在電子零件進 行數以萬次的開-關循環(huán)后，若氧化鋁片及銅片鍵結強度(結合強度)不夠高，氧化鋁片與銅片之間會產生分層，熱分散能力將大幅下降，這對高功 率電子零件的長時間使用的可靠度將產生無法彌補的影響。
因此，如何提供一種具有高鍵結強度的陶瓷/金屬復合結構，實為亟待 解決的問題。

發(fā)明內容
為解決上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種陶瓷/金屬復合結構的制造 方法，通過提供陶瓷與金屬材料之間的強鍵結，實現在薄型化及長時間的 可靠度之下，為電子組件提供良好的散熱及絕緣功能的目的。
為實現上述目的，本發(fā)明提供了一種陶瓷/金屬復合結構的制造方法， 包含以下步驟
對銅片執(zhí)行多階段的預氧化處理；
將所述銅片置于陶瓷基板上；
加熱所述銅片及所述陶瓷基板至一接合溫度執(zhí)行接合處理。
根據本發(fā)明的方案，所述多階段的預氧化處理可以包括第一階段的預 氧化處理和第二階段的預氧化處理；根據實際需要，該多階段的預氧化處 理還可以包括第三階段的預氧化處理。
在進行多階段的預氧化處理時，第一階段與第二階段的預氧化處理的 溫度可以控制在50'C至70(TC之間，并控制適當的處理時間；具體地，預 氧化處理的時間可以控制在1至600分鐘之間；預氧化處理可以在大氣氛 圍中進行，優(yōu)選地，所采用氣氛中的氧分壓在O.Ol至1.1xl()Spa之間。
各階段預氧化處理的溫度、時間或所采用的氣氛中氧分壓可以不相同， 例如，第一階段與第二階段的預氧化處理的最高溫度的絕對溫度值與銅的 熔點的絕對溫度值的比值可以小于或等于0.75。第二階段的預氧化處理的 起始溫度可以控制在第一階段的預氧化處理完成后的所述銅片的余溫。
根據本發(fā)明的方案，多階段預氧化處理完成后，加熱所述銅片以及所 述陶瓷基板至一結合溫度執(zhí)行結合處理時所采用的接合溫度在銅與氧化銅之間的共晶點與銅的熔點之間，或者在銅與氧化銅之間的共晶點與iooo'c 之間。


圖1顯示依據本發(fā)明較佳實施例的陶瓷/金屬復合結構的剖面示意圖。
圖2顯示依據本發(fā)明較佳實施例的陶瓷/金屬復合結構的制造方法的流 程圖。
圖3顯示氧化鋁基板的測試結果圖。
圖4和圖5顯示氧化鋁基板與經過單階段預氧化銅片結合的復合結構 的測試結果圖。
圖6、圖7和圖8顯示氧化鋁基板與經過多階段預氧化銅片結合的復合 結構的測試結果圖。
主要組件符號說明
S11-S13處理步驟 13陶瓷基板 15銅片
具體實施例方式
為讓本發(fā)明的上述內容能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，并配合 附圖，作詳細說明如下。
如圖1與2所示，本實施例的陶瓷/金屬復合結構的制造方法包含以下 步驟-
首先，于步驟Sll，對銅片15執(zhí)行多階段的預氧化處理。多階段的預 氧化處理可以包含第一階段的預氧化處理以及第二階段的預氧化處理，該 多階段的預氧化處理還可以包含第三階段的預氧化處理。根據本發(fā)明所作 的實際處理，第一、第二及第三階段的預氧化處理是在不同的溫度、不同 的時間或具有不同氧分壓的氣氛中完成。
第一、第二和/或第三階段的預氧化處理的溫度可以控制在50。C至 70(TC之間。具體地，第一與第二階段的預氧化處理的最高溫度的絕對溫度值與銅的熔點(1083X:)的絕對溫度值(K)的比值小于或等于0.75。第一、第 二和/或第三階段的預氧化處理的時間可以控制在1至600分鐘之間。第一、 第二和/或第三階段的預氧化處理的氣氛中的氧分壓在0.01至1.1xl()Spa之 間。第二階段的預氧化處理的起始溫度可以等于第一階段的預氧化處理完 成后的銅片15的余溫。第三階段的預氧化處理的起始溫度也可以等于第二 階段的預氧化處理完成后的銅片15的余溫。所謂的余溫，是指經過前一階 段的預氧化處理之后的銅片快速被移出烘爐(例如連續(xù)鏈條爐)時的溫度。 此時，銅片與空氣接觸，會再進行下一階段的氧化。經過實驗證明，利用 余溫來進行預氧化的方法，仍可以得到本發(fā)明所要的效果。
然后，于步驟S12，將銅片15置于陶瓷基板13上。于本發(fā)明的實施例 中，陶瓷基板13的材料可選自于氧化鋁、氧化硅、氮化鋁、氮化硅、碳化 硅、玻璃和玻璃陶瓷中的一種或一種以上的組合。
接著，于步驟S13，加熱銅片15及陶瓷基板13至一接合溫度以執(zhí)行接 合處理。接合溫度在銅與氧化銅的共晶點(1066'C)與銅的熔點(1083"C)之間。 或者，接合溫度在銅與氧化銅的共晶點與IOOO'C之間。
以下將以試驗例來說明本發(fā)明的效果。 試驗例1
將尺寸大小為32x23x0.5mm的氧化鋁基板(氧化鋁純度為96%)，以萬 能試驗機(Universal Testing Machine, MTS-810,美國MTS公司)，三點式 抗折方式(3-point bending method)測試氧化鋁基板在承受應力下的應變行 為，其中的承受應力的兩點寬度為22.5mm，應力施加速率為0.002mm/秒， 所得應力-應變曲線如圖3所示。如圖3所示，氧化鋁基板在承受100牛頓 (Newton)的應力，在產生極小的位移后，即瞬間破裂，為一典型的脆性破壞 (脆性斷裂)。試驗例2
將與試驗例1中所使用的一樣的氧化鋁基板，以丙酮清洗后，與厚度
為0.3mm，且已經經過1小時的1000。C低氧分壓預氧化的銅片，在已經施 以溫度校正的管爐中，在1073。C及流動氮氣氣氛下施以高溫接合處理，接 合后的復合結構施以與試驗例1相同的三點式抗折測試，所得應力-應變曲 線如圖4所示。氧化鋁/銅復合結構在承受150牛頓的應力后，應力即快速 下降，此復合結構在測試后，氧化鋁基板已破裂，氧化鋁與銅片之間的界 面己大部分分開，僅余部分銅片仍能抓住氧化鋁基板，即僅有部分銅片仍 與氧化鋁基板保持結合。
以上試驗例證明氧化鋁/銅復合結構可承受較氧化鋁基板更高的外加 應力，但若施以較大的應力后，此種氧化鋁/銅復合結構將無法繼續(xù)使用。 但以多階段的方式預先氧化銅片，可以有效提升界面強度(界面結合強度)。 現以以下的例子予以說明。
試驗例3
將尺寸大小為26x20x0.3mm的無氧銅片(可商購)先以200號碳化硅 砂紙輕輕打磨，以除去表面原有的氧化層，再以丙酮清洗以除去油脂，然 后予以烘干。經此處理后，無氧銅片恢復原有的金屬光澤，然后使用紅外 線光譜分析法的氮氧分析儀分析所述未氧化的銅片中的含氧量，分析結果 顯示含氧量在lwt。/。以下。
然后，將此無氧銅片(可商購)置于高溫石英管形爐中，然后通以氮 氣， 一般氮氣中的含氧量依供應來源不同，含氧量約在O.Olppm至數十個 ppm的范圍內。此氣體的流量為每分鐘30cc，然后升溫至1000°C保溫10 個小時，再降至室溫。然后，以氮氧分析儀分析所述預氧化的銅片中的含 氧量，分析結果顯示含氧量仍為lwt。/。以下。此例子顯示在預氧化過程中所 形成的氧化銅和/或氧化亞銅，具有保護殘留銅不被快速氧化的能力。故預氧化的時間增加后，銅片中含氧量增加有限。
接著，以丙酮清洗氧化鋁基板后，使氧化鋁基板與兩片厚度為0.3mm 且已經經過一階段預氧化(即前述經過IO小時預氧化)的銅片，在1074°C 氮氧氣氛下施以接合(Joining)處理30分鐘，接合后的基板施以三點式抗折 測試，所得應力-應變曲線如圖5所示。氧化鋁/銅復合結構在承受160牛頓 的外加力量后，應力急速降至只剩50牛頓，此基板在測試后，銅與氧化鋁 之間的界面已有部分分離。相較于試驗例2，本例子顯示銅與氧化鋁之間的 界面強度雖可隨預氧化時間增加而提升，但銅與氧化鋁在承受較大應力時， 基板殘留的界面強度不高。
試驗例4
將無氧銅片經表面處理及清洗步驟后，進行兩階段的預氧化處理，預 氧化的條件為在高溫石英管中，通以氮氣，氣體流量為每分鐘30cc，然后 升溫至600°C保溫數分鐘，再降至室溫。然后，進行第二階段的預氧化處 理，升溫至200。C，空氣中保溫數分鐘，再降至室溫。經此兩階段預氧化的 銅片，以氮氧分析儀分析所述預氧化的銅片中的含氧量，分析結果顯示含 氧量在lwt。/。以下。以場發(fā)射掃描式電子顯微鏡觀察此氧化后的銅片的表 面，觀察結果顯示氧化后的銅片表面形成一層致密的氧化膜，這層致密的 氧化膜對將氧化鋁及銅緊密接合在一起是極有幫助的。
然后，以丙酮清洗氧化鋁基板后，在經過溫度校正的爐中，1059。C氮 氧氣氛下(此溫度在共晶溫度1066°C之下)，對氧化鋁基板與兩片厚度為 0.3mm且已經經過兩階段預氧化的銅片施以接合處理IO分鐘。對接合后的 基板施以三點式抗折測試，所得應力-應變曲線如圖6所示。氧化鋁/銅復合 結構可承受較試驗例3更大的外力，且在承受180牛頓的外加力量后，應 力先降至105牛頓，經觀察此時氧化鋁完全未與銅片分開。銅片仍緊緊的 抓住氧化鋁片，故仍能維持此復合結構的完整性。當持續(xù)施壓時，此復合
ii結構仍可承受更高壓力，佐證氧化鋁片及銅片的界面并未分開。值得注意
的是此復合結構可產生1.6mm的變形，而復合結構的界面仍保持完整。經 仔細觀察，復合結構的銅片己產生塑性變形，故在界面完整的情形下，仍 可產生大量變形。
于其它實驗過程中，本案發(fā)明人通過控制氧分壓的范圍在0.01至 1.1xl()Spa之間，都可以得到良好的效果。此外，將接合溫度控制在在銅與 氧化銅的共晶點與銅的熔點之間，或者將接合溫度在銅與氧化銅的共晶點 與100(TC之間，都可以得到良好的效果。
試驗例5
于此例子中，說明銅片先在低溫進行兩階段預氧化處理，即使只使用 較低的預氧化溫度及較短的預氧化時間，仍可得到很高的銅/氧化鋁界面強 度。
預氧化的條件類似于試驗例4，第一階段在600'C，先預氧化數分鐘， 再以快速移出爐子的方式讓仍有余溫的銅片與爐外空氣接觸進行第二階段 的預氧化。然后，將預氧化的銅片與氧化鋁基板接合在一起，接合前，氧 化鋁基板先以丙酮清洗后，再在經過溫度校正的爐中，1060。C氮氧氣氛下(此 溫度是在共晶溫度1066'C之下)，與兩片厚度為0.3mm且已經經過兩階段預 氧化的銅片接合處理6分鐘。對接合后的復合結構施以三點式抗折測試， 所得應力-應變曲線如圖7所示。氧化鋁/銅復合結構在承受145牛頓的外加 力量后，應力只先降至卯牛頓，經觀察此時氧化鋁完全未與銅片分開，銅 片仍緊緊的抓住氧化鋁片，故能維持此復合結構的完整性。且若持續(xù)施壓， 此復合結構仍可承受更高壓力可以達到195牛頓，然后才再次略微下降。 值得注意的是此復合結構可產生lmm的變形，而復合結構的界面仍保持完 整。
于其它實驗過程中，本案發(fā)明人通過控制氧分壓的范圍在0.01至1，lxl()Spa之間，都可以得到良好的效果。此外，將接合溫度控制在銅與氧
化銅的共晶點與銅的熔點之間，或者將接合溫度在銅與氧化銅的共晶點與
IOO(TC之間，都可以得到良好的效果。 試驗例6
于此例子中，說明銅片先在低溫進行兩階段預氧化處理，而此兩階段， 也可以是先進行低溫的預氧化，再進行略高溫的預氧化，預氧化的時間仍 然很短，但仍可得到很高的銅/氧化鋁界面強度。
預氧化的條件類似于試驗例4，將70x20x0.3 mm的銅片先在空氣中， 在250。C施以第一階段的預氧化處理數分鐘，第二階段再在60(TC預氧化數 分鐘，然后與80x32x0.5mm的氧化鋁基板接合在一起。接合前，氧化鋁基 板先以丙酮清洗，再在經過溫度校正的爐中，106rC的氮氧氣氛下(此溫度 是在共晶溫度1066'C及銅的熔點1083。C之下)，與兩片已經經過兩階段預氧 化的銅片接合處理10分鐘。
然后以鉆石刀片切下32x23x1.lmm的氧化鋁/銅復合結構，再施以前 述的三點式抗折測試，唯一差別為應力施加速率為0.05mm/second，所得應 力-應變曲線如圖8所示。以此制造工藝制備的熱分散基板，在測試時可承 受較前面試驗例更大的應力，且也能產生很大的應變，經觀察測試后的復 合結構的氧化鋁完全未與銅片分開。銅片仍緊緊的抓住氧化鋁片，說明氧 化鋁/銅復合結構的界面強度甚高，故在測試后仍能維持此復合結構的完整 性。
于其它實驗過程中，本案發(fā)明人通過控制氧分壓的范圍在0.01至 1.1xl()Spa之間，都可以得到良好的效果。此外，將接合溫度控制在銅與氧 化銅的共晶點與銅的熔點之間，或者將接合溫度在銅與氧化銅的共晶點與 IOO(TC之間，都可以得到良好的效果。
以上實例證明以兩階段預氧化的制造工藝，先處理銅片的表面，不僅因所使用溫度較低，對成本降低將有貢獻，且因界面強度高，對往后會進 行數以萬次的開關循環(huán)的高功率電子零件的壽命，亦有極大幫助。
綜上所述，本發(fā)明揭露一種結合銅及氧化鋁的復合結構，此載板同時
提供散熱及絕緣的基本要求。且因銅的電阻系數極低，只有10'4Qm，故可
以蝕刻方式在銅的部分做出各種線路或接點。通過此線路或接點，此復合 結構可與高功率電子零件整合及封裝，達成良好的電連接及散熱的功能。 此外，利用兩階段預氧化的處理來處理銅片的表面，因所使用溫度較低， 對成本降低將有貢獻。此外，因復合結構的界面強度高，對往后會進行數
以萬次的開-關(on-off)循環(huán)的高功率電子零件的壽命的增長，亦有極大幫 助。
在較佳實施例的詳細說明中所提出的具體實施例僅是為了方便說明本 發(fā)明的技術內容，而非將本發(fā)明狹義地限制于上述實施例，在不超出本發(fā) 明的精神及以下權利要求保護范圍的情況下，所做的種種變化實施，皆屬 于本發(fā)明的范圍。
權利要求
1. 一種陶瓷/金屬復合結構的制造方法，包含以下步驟對銅片執(zhí)行多階段的預氧化處理；將所述銅片置于陶瓷基板上；加熱所述銅片及所述陶瓷基板至一接合溫度執(zhí)行接合處理。
2. 如權利要求1所述的陶瓷/金屬復合結構的制造方法，其中，所述多 階段的預氧化處理包括第一階段的預氧化處理和第二階段的預氧化處理。
3. 如權利要求2所述的陶瓷/金屬復合結構的制造方法，其中，第一與 第二階段的預氧化處理的溫度在50'C至70CTC之間。
4. 如權利要求2所述的陶瓷/金屬復合結構的制造方法，其中，第一與 第二階段的預氧化處理的時間在1至600分鐘之間。
5. 如權利要求2所述的陶瓷/金屬復合結構的制造方法，其中，第一與 第二階段的預氧化處理的氣氛中的氧分壓在0.01至1.1xl()Spa之間。
6. 如權利要求2所述的陶瓷/金屬復合結構的制造方法，其中，所述第 二階段的預氧化處理的起始溫度等于所述第一階段的預氧化處理完成后的 所述銅片的余溫。
7. 如權利要求2所述的陶瓷/金屬復合結構的制造方法，其中，所述第 一與第二階段的預氧化處理的最高溫度的絕對溫度值與銅的熔點的絕對溫 度值的比值小于或等于0.75。
8. 如權利要求2所述的陶瓷/金屬復合結構的制造方法，其中，所述接 合溫度在銅與氧化銅的共晶點與銅的熔點之間。
9. 如權利要求2所述的陶瓷/金屬復合結構的制造方法，其中，所述接 合溫度在銅與氧化銅的共晶點與IOO(TC之間。
10.如權利要求1所述的陶瓷/金屬復合結構的制造方法，其中，所述 多階段的預氧化處理包含第一階段的預氧化處理、第二階段的預氧化處理 以及第三階段的預氧化處理。
全文摘要
一種陶瓷/金屬復合結構的制造方法，包含以下步驟對銅片執(zhí)行多階段的預氧化處理，將銅片置于陶瓷基板上，加熱銅片及陶瓷基板達到一接合溫度執(zhí)行接合處理。
文檔編號C04B37/02GK101439983SQ20071016678
公開日2009年5月27日 申請日期2007年11月19日 優(yōu)先權日2007年11月19日
發(fā)明者段維新 申請人:段維新