具金属化表面的基材的制作方法

专利名称：具金属化表面的基材的制作方法
技术领域：
本实用新型关于一种具金属化表面的基材；特定而言，本实用新型关于一种作为发光二极管的散热基板、高散热电子组件基板、或高散热电路板的具金属化表面的金属陶瓷基材。
背景技术：
传统散热基板，如印制电路板，使用绝缘胶作为绝缘层将导线层(如铜箔)黏着于基板上。然而，由于绝缘胶的热传性能不佳、容易老化及易受环境影响产生质变等缺点，因此使用绝缘胶的传统散热基板已无法满足现今高功率规格的散热基板的需求。目前使用具有极佳绝缘性的陶瓷材料的散热基板已普遍地应用于发光二极管散热基板、高散热电子组件基板、高散热电路板等方面。上述散热基板的结构包含一陶瓷绝缘基材及一沉积于该陶瓷绝缘基材的金属传导层，沉积该金属传导层的方法大致可分为物理气相沉积法(physical vapor deposition, PVD)与化学气相沉积法(chemical vapor deposition, CVD)，PVD例如包含溅镀、电弧蒸镀、离子电镀等方法，CVD例如包含等离子 CVD、金属有机CVD等。然而，由于陶瓷材料与常用的金属传导层材料(例如铜)彼此间的附着力不佳，因此金属传导层容易发生剥落现象。为解决此缺点，业界已提出于陶瓷材料与金属传导层间沉积一黏着层，以增加彼此间的附着力。目前较常使用的黏着层材料包含镍、铬、钛、钼等金
jM ο尽管于陶瓷材料与金属传导层间额外形成一黏着层的方式可某程度的解决金属传导层的问题，但由于不同金属通常需要不同的蚀刻液来进行蚀刻，因此当于具金属化表面的基材上进行一蚀刻工艺，以图案化金属传导层时，通常需要使用不同的蚀刻液分次蚀刻金属传导层及黏着层，此将增加蚀刻工艺的成本及时间。举例言之，目前业界较常使用的金属传导层的材料为铜，而用以增加铜与陶瓷材料间的附着力的黏着层材料通常选用铬或钛。然而，一般用以蚀刻铜的蚀刻液为氯化铁，而蚀刻铬则需要硝酸或盐酸等强酸性蚀刻液，蚀刻钛则需利用王水作为蚀刻液。因此，图案化具有铬(或钛)黏着层与铜金属传导层的基材时，须进行二次蚀刻工艺，徒增工艺时间及成本。为解决上述问题，在节省产制时间及成本之前提下，本实用新型提供一种具金属化表面的基材，其具有良好的散热能力，且可解决习知金属传导层的剥落问题。

实用新型内容本实用新型的目的在于提供一种具金属化表面的基材，包含一基板；一含铝陶瓷层，位于该基板上；一铝层，位于该含铝陶瓷层上；一第一金属层，位于该铝层上；以及一第二金属层，位于该第一金属层上；其中，该第一金属层由铝与该第二金属层的成分所构成。在参阅图式及随后描述的实施方式后，本实用新型所属技术领域中具有通常知识者当可了解本实用新型的目的，以及本实用新型的技术手段及实施方面。

[0010:
1
101 103 105 107
1071，1073，1075，1077 109
图1为本实用新型的具金属化表面的基材的一实施方面的剖面图； 图IA为本实用新型的具金属化表面的基材的一实施方面的第一金属层的剖面
图2为可用于制备本实用新型的具金属化表面的基材的装置的概要简图；以及图3为拉力测试的剖面示意图。 主要组件符号说明
基材
基板
含铝陶瓷层招层
第一金属层层
第二金属层 2装置
201第一靶材
202第一阴极
203第二靶材
204第二阴极
205待溅镀的基板
206真空抽气系统
207真空室
208进气系统
209第一直流电源供应器
210第二直流电源供应器 301 铝锭
303试样基材
具体实施方式
以下将参照附图以更充分地描述本实用新型的部分实施方面。惟本实用新型尚可以多种不同形式来实践，且不应将其解释为限于说明书所例示的实施方面。此外，在所附图式中，为明确起见可能夸示各对象及区域的尺寸，而未按照实际比例绘示。同时，除非文中有另外说明，于本实用新型说明书中(尤其是在后述专利申请范围中)所使用的「一」、「该」 及类似用语应理解为包含单数及数个形式。参考图1，其绘示根据本实用新型的具金属化表面的基材1的一实施方面的剖面图。如图所示，基材1包含一基板101、一位于基板101上的含铝陶瓷层103、一位于含铝陶瓷层103上的铝层105、一位于铝层105上的第一金属层107、以及一位于第一金属层107上的第二金属层109。其中，于不受理论限制下，第二金属层109作为基材1的导电金属层， 铝层105及第一金属层107作为提供含铝陶瓷层103与第二金属层109间良好附着力的黏着层结构。本实用新型的基材1中，基板101可为具有良好导热性的任何合宜材料。举例言之，基板101可采用例如选自以下群组的金属材料铝、铜、不锈钢、前述金属的合金、经少量杂质掺混之前述金属、及其组合；或如碳化硅等非金属材料。此外，基板101的厚度并无任何特别的限制，端视所得基材1的用途与应用而调整。于本实用新型的一实施方面中，选用厚度为约3毫米至约6毫米的铝质基板。含铝陶瓷层103亦即含有铝成分的陶瓷层，其材料通常可选自以下群组氧化铝、 氮化铝、及其组合，但不以此为限。同样地，含铝陶瓷层103的厚度并无特殊限制，只要能达到所欲的绝缘效果即可，于本实用新型的部分实施方面中，含铝陶瓷层103的厚度约85微米至约115微米。本实用新型基材通过于一导热性良好的材料表面形成一陶瓷绝缘层作为基板，以取代传统散热基板中以绝缘胶作为绝缘黏着层的基板结构、或取代单使用陶瓷材料的基板结构，除能避免绝缘胶的劣化问题外，亦能克服单使用陶瓷材料的基板的导热性不足的问题。如前述，含铝陶瓷层103(如氧化铝)与第二金属层109的材料(如铜)彼此间的附着力较差。咸信可利用在该二层之间提供一黏着层的手段，强化彼此间的附着力。习知技术已有使用例如铬、镍等材料作为黏着层，主要是因为使用铬可减少于陶瓷材料上镀膜时所产生的应力，因此铬薄膜与陶瓷基板间的黏着力较佳；而镍与大多数金属普遍具有不错的兼容性，因而有助于提升陶瓷材料与导电金属层间的黏着性。本案创作人研究后发现， 使用铝层105与第一金属层107的组合作为黏着层时，不但可利用铝层105与含铝陶瓷层 103间的兼容性提升彼此间的黏着性，亦可提供含铝陶瓷层103及第二金属层109所欲的附着力，于部分实施方面下，更利于所得基材1后续的图案化蚀刻程序。具体言之，成知纯铝虽与含铝陶瓷层103间具有良好的兼容性因而展现优良的附着性，但其与第二金属层109的附着力有时无法令人满意；因此，本实用新型于铝层105与第二金属层109之间更提供一第一金属层107，其由铝与所用的第二金属层109的成分所构成，其对下方的铝层105与上方的第二金属层109皆可提供增进的附着力，从而有利地避免基材1于使用时发生第二金属层109剥离的现象。根据本实用新型，提供黏着效果的铝层105与第一金属层107的总厚度通常为约 100纳米至约300纳米，较佳为约120纳米至约280纳米。原则上，总厚度在前述范围内的铝层105与第一金属层107即可达到一定程度的黏着效果；于本实用新型的部分实施方面中，铝层105可具有约30纳米至约100纳米的厚度，较佳为约40纳米至约90纳米，且第一金属层107可具约70纳米至约200纳米的厚度，较佳为约80纳米至约190纳米。于本实用新型的具金属化表面的基材1中，由铝与第二金属层的成分所构成的第一金属层107的结构可具有多样性，例如可为单层结构或多层结构，且各该层的铝浓度可各自独立呈如均勻分布或梯度分布的形式。根据本实用新型，第一金属层107的铝浓度通常为10体积％至90体积％，较佳为25体积％至45体积％。当第一金属层107为单层结构时，其可具有均勻分布(即固定)的铝浓度(例如35体积％ )或梯度分布的铝浓度。其中，具有梯度分布的铝浓度即指例如自铝层105往第二金属层109的方向呈递减分布的形式(例如自45体积％递减至25体积％ )。于本实用新型中，第一金属层107较佳具有均勻分布(即固定)铝浓度的单层结构。于第一金属层107为多层结构的情况可参考图1A，其本实用新型的一实施方面的第一金属层107的剖面图。如图IA所示，第一金属层107包含层1071、层1073、层1075、及层1077等四层，其中层1071与铝层105相邻，层1077则与第二金属层109相邻。但应了解，本实用新型的基材1亦可以其它层数的方面予以体现，例如可为双层、三层、五层、六层等，并不限于所绘示者。层1071、层1073、层1075及层1077可具有相同或彼此不同的铝浓度，或可具有相同或彼此不同的铝浓度分布，或其任意组合。举例言之，层1071、层1073、层1075及层1077 可分别具有40体积％、35体积％、30体积％及25体积％的均勻分布的铝浓度，以形成铝浓度往第二金属层109呈(阶梯式)递减分布的具多层结构的第一金属层105。又或者，层 1071、层1073、层1075及层1077本身皆具有梯度分布的铝浓度且组合形成整体具有梯度分布铝浓度的具多层结构的第一金属层107，例如层1071、层1073、层1075及层1077可分别具有自约45体积％往层1073递减至约40体积％、自约40体积％往层1075递减至约35体积％、自约35体积％往层1077递减至约30体积％与自约30体积％往第二金属层109递减至约25体积％的梯度分布的铝浓度。再次参考图1，位于第一金属层107上的第二金属层109的材料并无任何特殊限制，只要其具有导电性即可。可用以构成第二金属层109的材料例如可为以下的任一金、 银、铝、铜、前述金属的合金、经少量杂质掺混之前述金属、及其组合。根据本实用新型的一实施方面，第二金属层109由铜所构成。此外，第二金属层109的厚度通常视所得基材的用途与规格而定，一般为约100纳米至约300纳米，较佳为约100纳米至约200纳米。于本实用新型的部分实施方面中，采用具单层结构的第一金属层107，其由铝铜混合金属所构成，相应地，此时第二金属层109由铜构成。于此，由于对铝及铜而言，皆可使用如氯化铁蚀刻液进行蚀刻，故于后续的图案化金属膜层的工艺具减少工艺时间及成本的优势。可使用任何合宜的方法制造本实用新型具金属化表面的基材1。举例言之，可利用热喷涂、阳极处理(例如将基板置于高温环境中并通入氧气或氮气，以于基板表面形成氧化铝或氮化铝层)、蒸镀、或溅镀等方式，于基板101上形成含铝陶瓷层103，随后于含铝陶瓷层103上依序沉积铝层105、第一金属层107、及第二金属层109。于本实用新型的部份实施方面中，利用热喷涂方法形成含铝陶瓷层103，随后以溅镀法于含铝陶瓷层103上依序沉积铝层105、第一金属层107、及第二金属层109。其中，使用热喷涂法以于基板101表面形成所欲的含铝陶瓷层103的程序，包含喷砂处理基板101 以粗糙化其表面，提高基板101与后续沉积的含铝陶瓷层103间的附着力，再经由一由例如氩气及氧气所产生的等离子高温处理氧化铝陶瓷粉末，使其形成半熔融状态，最后于基板 101上固化形成氧化铝陶瓷层。热喷涂法的详细操作方法及条件本领域之人所具有的通常知识，于此不加赘述。当使用一合金靶材沉积第一金属层107时，会受到合金靶材中所含成分比例的限制，降低第一金属层107的组成的选择性。详言之，一般合金钯材中所含金属的比例有其材料上的限制，例如铝合金靶材最多含有约6体积％的铜，而铜合金靶材最多含有约10体积％的铝。因此，于选用铜作为第二金属层109的材料的情况下，当使用铜合金靶材来进行溅镀以形成含铝及铜的第一金属层107时，在铜合金钯材中铝含量本就不高的情况下，经过溅镀工艺所形成的第一金属层107中的铝浓度将变得更低，所能提供与铝层105间的黏着效果并不显著；同样地，在使用铝合金靶材的情况下，虽然可形成具有高铝浓度的第一金属层，但铜浓度则相对的大幅降低，与铜质的第二金属层109的黏着性亦会随之降低。有鉴于此，根据本实用新型的部分实施方面，利用共溅镀法以形成第一金属层 107，以图2所绘示的装置2作进一步的说明。装置2包含一第一靶材201、一第一阴极202、 一第二靶材203、一第二阴极204、一待溅镀的基板205、一真空抽气系统206、一真空室207、 一进气系统208、一第一直流电源供应器209、以及一第二直流电源供应器210。于操作时， 在通有工作气体，例如氩气(由进气系统208所提供)的真空室207(由真空抽气系统206 所提供)内，利用第一直流电源供应器209及第二直流电源供应器210分别提供能量至第一阴极202及第二阴极204，从而使工作气体等离子化。该等离子化的工作气体撞击第一靶材201及第二靶材203，从而使第一靶材201及第二靶材203的金属沉积于待溅镀的基板 205上，以形成所欲的第一金属层107。进一步言之，由于可分别控制第一直流电源供应器209及第二直流电源供应器 210所提供的能量大小，进而可控制所形成的第一金属层107的成份比例。举例言之，若第一直流电源供应器209所提供的能量较高，则所得的第一金属层107中所含的第一靶材201 的金属比例亦相对较高。如此，可轻易地调整第一金属层107中的铝浓度至所欲的范围且呈所欲的分布。同时，经由控制第一直流电源供应器209及第二电流供应器210所供应的能量大小与操作时间，可轻易获得具有所欲厚度的第一金属层107。举例言之，以沉积铝浓度为约25体积％至约30体积％的单层含铝及铜的第一金属层107为例，第一电流供应器 209与第二电流供应器210所供应的能量功率比为约1至约1. 5。此外，由于第一直流电源供应器209及第二直流电源供应器210个别控制，此装置亦适用于溅镀单一成份的金属。举例言之，若第一直流电源供应器209不提供任何能量，仅由第二直流电源供应器210提供能量使工作气体等离子化并仅撞击第二靶材203，则所得即为第二靶材203的金属沉积层；且如前述，通过控制第二直流电源供应器210所供应的能量及操作时间，可据以形成具有所欲厚度的金属沉积层。举例言之，于形成具有约100纳米至300纳米厚度的铜质第二金属层109的情形下，第二直流电源供应器210所供应的能量约为120瓦至180瓦且操作时间约为4分钟至8分钟，第一直流电源供应器209则不提供任何能量。由上可知，本实用新型的基材可经由图2所示的装置，经由第一靶材201与第二靶材203的选用，及调控第一直流电源供应器209与第二直流电源供应器210的能量大小与操作时间(沉积时间)，可简易地于待溅镀的基板205(基板101的含铝陶瓷层103)上依序形成具所欲性质的铝层105、第一金属层107及第二金属层109。亦可省去更换溅镀用靶材所需的时间及成本，从而降低工艺时间及工艺成本。根据本实用新型，视需要地，可在沉积含铝陶瓷层103于基板101上及沉积铝层 105于含铝陶瓷层103上之前，先对基板101及/或含铝陶瓷层103进行一前置清洁程序， 以去除材料表面的杂质及脏污等，此乃本实用新型所属技术领域所熟知的步骤。以清洗覆有含铝陶瓷层103的基板101为例，通常以中性脱脂剂清洗含铝陶瓷层103表面后用水冲洗，最后将覆有含铝陶瓷层103的基板101干燥备用。—般而言，于上述前置清洁程序之后，通常会对含铝陶瓷层103的表面进行一等离子处理，以进一步清洁含铝陶瓷层103的表面并增加表面活性，从而可增加含铝陶瓷层 103与后续所沉积的层的黏着力。于本实用新型中，则毋须对含铝陶瓷层103进行等离子处理即可与后续沉积的层结构(即铝层105/第一金属层107/第二金属层109)展现良好的黏着力，进而可节省进行等离子处理所需的时间及成本。以下将提供实施例以进一步详述本实用新型，但本实用新型亦可以其它实施方面、其它实施例予以体现，不应认定其仅限于本文所述的实施例。实施例1于一基板205 (厚度约4毫米)表面上进行喷砂处理以粗糙化其表面，接着利用离子枪熔射覆膜技术，在常压下，于一离子枪装置中通入氩气及氧气，以输入功率约40千瓦的能量，产生一大气等离子，利用该大气等离子高温处理氧化铝粉末(由一送粉器提供)， 使其呈半熔融状态随后固化于基板205上，形成一厚度约100微米的氧化铝层。完成上述覆有氧化铝层的基板205后，利用如图2所示的装置制造本实用新型具金属化表面的基材。首先，对基板205进行一前置清洁程序，先以中性脱脂剂清洗基板的氧化铝层表面后用水冲洗干净，之后于110°C下烘干基板205备用。将基板205置于真空室207中，为确保真空室207中不存在其它非工艺所需的气体，先以真空抽气系统206将真空室207抽气至IX 10_6托耳后，再通入氩气作为工作气体 (由进气系统208提供)，以使通入工作气体后的真空室207内的工作压力为3. 5 X ΙΟ"3托耳。接着利用第一直流电源供应器209提供150瓦的能量至第一阴极202，以使氩气等离子化并撞击第一靶材201 (铝靶材)历时3分钟，从而于基板205的氧化铝层上沉积一厚度为 55纳米的铝层。接着，利用第一直流电源供应器209及第二直流电源供应器210分别提供 150瓦的能量至第一阴极202及第二阴极204，以使氩气等离子化并撞击第一靶材201 (铝钯材)及第二靶材203(铜钯材)历时3分钟，进而于铝层上沉积一厚度为85纳米的含铜及铝的金属层(第一金属层)(铝浓度约为25体积％，铜浓度约为75体积％)。最后，利用第二直流电源供应器210提供150瓦的能量至第二阴极204，以使氩气等离子化并撞击第二靶材203 (铜钯材)历时3分钟，以于含铜及铝的金属层上沉积一厚度为105纳米的铜导电金属层(第二金属层)，所得基材的组成如表1中所示。其中，各层的厚度利用Surfcorder ET4100量测仪器测得。比较例2重复制备实施例1的程序，惟省略溅镀铝与共溅镀铝及铜的步骤，而直接溅镀铜于基板205的氧化铝层上，制得仅具有铜导电金属层的基材(比较试样1)。重复制备实施例1的程序，惟未进行共溅镀铝及铜的步骤，而于溅镀铝的步骤后， 直接溅镀铜于铝层上，制得仅具有铝层与铜导电金属层的基材(比较试样2)。重复制备实施例1的程序，惟省略溅镀铝的步骤，而直接依序进行溅镀铝及铜的步骤及溅镀铜的步骤，制得仅具有含铝及铜的金属层与铜导电金属层的基材(比较试样 3)。所得比较试样1至3的组成如表1所示。
权利要求1.一种具金属化表面的基材，其特征在于，包含 一基板；一含铝陶瓷层，位于该基板上； 一铝层，位于该含铝陶瓷层上； 一第一金属层，位于该铝层上；以及一第二金属层，位于该第一金属层上。
2.如权利要求1所述的基材，其中该含铝陶瓷层的厚度为约85微米至约115微米。
3.如权利要求1所述的基材，其中该铝层与该第一金属层的总厚度为约100纳米至约 300纳米。
4.如权利要求3所述的基材，其中该铝层与该第一金属层的总厚度为约120纳米至约 280纳米。
5.如权利要求1所述的基材，其中该铝层的厚度为约30纳米至约100纳米。
6.如权利要求5所述的基材，其中该铝层的厚度为约40纳米至约90纳米。
7.如权利要求1所述的基材，其中该第一金属层的厚度为约70纳米至约200纳米。
8.如权利要求7所述的基材，其中该第一金属层的厚度为约80纳米至约190纳米。
9.如权利要求1所述的基材，其中该第一金属层为一单层结构。
10.如权利要求1所述的基材，其中该第一金属层为一多层结构。
11.如权利要求1所述的基材，其中该第二金属层的厚度为约100纳米至约300纳米。
12.如权利要求11所述的基材，其中该第二金属层的厚度为约100纳米至约200纳米。
专利摘要一种具金属化表面的基材，包含一基板；一含铝陶瓷层，位于该基板上；一铝层，位于该含铝陶瓷层上；一第一金属层，位于该铝层上；以及一第二金属层，位于该第一金属层上。该第一金属层由铝与该第二金属层的成分所构成。该基材可作为发光二极管的散热基板。
文档编号H01L21/48GK202025745SQ20102020176
公开日2011年11月2日 申请日期2010年5月13日 优先权日2010年5月13日
发明者徐元辰, 杨维钧, 陈怡臻 申请人:柏腾科技股份有限公司