专利名称：陶瓷/金属复合结构的制造方法
技术领域：
本发明涉及一种陶瓷/金属复合结构的制造方法，尤其涉及一种利用氧 化铝层及铜层的结合所形成的复合结构及其制造方法。
背景技术：
电子零件在电子流动的情况下，皆会产生热，而热的产生会提升电阻， 阻碍电子的流动，继而大幅影响电子零件的功能。在电子零件制造技术大 幅提升的现况下，电子零件中的线宽越来越小，线路密度却越来越高，因
而使得电子零件所产生的热也快速增加。以计算机的中央处理器(Centml ProcessingUnit， CPU)为例，Intel公司最早版本的Pentium只需搭配散热功 率16W的封装即可。但是，在2004年所生产的中央处理器的发热量已达 84W， 2006年所生产的中央处理器的发热量更己达98W，若热不能快速被 带走，则计算机的中央处理器的温度将快速增加，使计算机的中央处理器 不能正常运转。因此，与计算机的中央处理器接触的基板是否具有快速的 散热能力，着实是主导计算机能否正常运转的关键因素。
一般功率组件，如固体继电器，也是类似于计算机的中央处理器，在 运作过程中产生高热。因此，功率组件亦需要利用与其接触的基板将热快 速散去，方能正常运转。
再以发光二极管(Light Emitting Diode， LED)为例，各种颜色的发光二 极管在近几年陆续被开发出来，其中又以白光发光二极管的开发成功最为 重要。此乃因为白光发光二极管可作为照明灯具的光源，此种光源的路灯 用电量比水银灯少75%，比高压钠灯少49%，故具有低耗能的优势，为节 约能源的一项重要发展。然而，若以日常生活及车辆的头灯为例，这些应
4用皆须使用功率大于3W的白光发光二极管，这种大功率的白光发光二极
管也会放出高热，但LED照明的最大问题在于LED不耐高热， 一般来说温 度不能超过9(TC，若超过此温度，则亮度将快速下降，故与LED接触的散 热机构的快速散热能力是发光二极管能否成为照明光源的最大挑战，这也 说明了散热基板的开发对发光二极管于照明方面的应用，具有举足轻重的 关键地位。
为同时兼顾现今3C电子产品轻薄短小的设计要求，与以上这些计算机 的中央处理器、功率组件或发光二极管组件接触的基板须同时符合以下四 个基本要求
1. 散热方面的要求此材料须具有高热传导系数，以达到快速散热的要求。
2. 绝缘方面的要求为避免高功率电子零件短路，此材料须具有高电
阻系数。
3. 薄层化的要求在满足以上两个基本要求后，此基板的厚度还应越 薄越好。
4. 长时间使用的可靠度这是因高功率电子零件在封装后，高功率电 子零件会进行数以万次的开-关(on-off)循环，而与高功率电子零件接触的基
板会随之瞬间升降温数万次。电子零件长时间使用后的可靠度是极重要的 要求，而这与陶瓷与金属结合强度有绝对关系。
目前在电子零件的散热机构方面，大量使用了散热鳍片及热管等机构， 再辅以风扇，以期能将高功率的电子零件所产生的热快速带走。但是，这
些散热机构的厚度皆较大，因而阻碍了 3C电子产品轻薄短小的设计要求。
经全面性的材料搜寻及评估，能符合以上第一个散热的要求及成本考
虑下的最佳选择为金属材料，以铜为例，铜的热传导系数可达380W/mK。 而能符合以上第二个绝缘的要求选择的材料则很多，绝大多数的有机材料 或陶瓷材料皆能符合此要求。为兼顾散热的需求，并考虑长时间可靠度的需求，以陶瓷材料为较佳的选择。在陶瓷材料中能提供高导热及绝缘的材
料有氧化铝及氮化铝，氧化铝的热传导系数可达20-38W/mK，而氮化铝的 热传导系数更可达40-200W/mK。陶瓷的热传导系数之所以有较大的范围， 是因陶瓷的热传导系数受陶瓷的纯度及烧结添加剂影响甚大。再者，氧化 铝及氮化铝的电阻系数皆高达101()Qm以上，因此两个陶瓷皆具有极佳的电 绝缘性。又，氧化铝及氮化铝还具有低介电常数(Didectric constant)及高介 电强度(Dielectric strength)等优点，故常用在基板方面。
但因氧化铝为共价键及离子键共存的高熔点固体(熔点>2000")，而铜 原子则以金属键结合，熔点只有1083°C，将氧化铝及铜键结在一起是一个 极具挑战性的领域。在现有技术中，将氧化铝及铜键结在一起可以有两种 方法， 一种方法为固态键结法(Solid state bonding),另一种方法则为液态键 结法(Liquid phase bonding)。这两种方法的处理温度都在100(TC以上。
经长时间的研究，我们发现将氧化铝片及铜片键结在一起的基板，氧 化铝及铜之间的界面强度须很高才具有应用价值。这是因氧化铝与铜的键 结不同，且铜的热膨胀系数(17xl(^K")为氧化铝的热膨胀系数(8xlO'SK")的 两倍。依Seising所推导的公式(Selsing， J.， J. Am. Ceram. Soc.， 44， 419， 1961)，如下所示
在上式中，Acc是氧化铝与铜的热膨胀系数的差异，AT是制造工艺或 使用的温度与室温的差异，v是泊松比(Poisson，s ratio), E是弹性常数。因 将氧化铝片及铜片键结在一起的温度在IOOO'C以上，所以氧化铝片与铜片 之间因热膨胀系数的差异在高温接合(Joining)后所引起的热应力，估算可以 达到数百MPa以上。此热应力非常大，对氧化铝片及铜片键结强度(结合 强度)有很大的影响，并且在与会发热的电子零件封装后，在电子零件进 行数以万次的开-关循环后，若氧化铝片及铜片键结强度(结合强度)不够高，氧化铝片与铜片之间会产生分层，热分散能力将大幅下降，这对高功 率电子零件的长时间使用的可靠度将产生无法弥补的影响。
因此，如何提供一种具有高键结强度的陶瓷/金属复合结构，实为亟待 解决的问题。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的是提供一种陶瓷/金属复合结构的制造 方法，通过提供陶瓷与金属材料之间的强键结，实现在薄型化及长时间的 可靠度之下，为电子组件提供良好的散热及绝缘功能的目的。
为实现上述目的，本发明提供了一种陶瓷/金属复合结构的制造方法， 包含以下步骤
对铜片执行多阶段的预氧化处理；
将所述铜片置于陶瓷基板上；
加热所述铜片及所述陶瓷基板至一接合温度执行接合处理。
根据本发明的方案，所述多阶段的预氧化处理可以包括第一阶段的预 氧化处理和第二阶段的预氧化处理；根据实际需要，该多阶段的预氧化处 理还可以包括第三阶段的预氧化处理。
在进行多阶段的预氧化处理时，第一阶段与第二阶段的预氧化处理的 温度可以控制在50'C至70(TC之间，并控制适当的处理时间；具体地，预 氧化处理的时间可以控制在1至600分钟之间；预氧化处理可以在大气氛 围中进行，优选地，所采用气氛中的氧分压在O.Ol至1.1xl()Spa之间。
各阶段预氧化处理的温度、时间或所采用的气氛中氧分压可以不相同， 例如，第一阶段与第二阶段的预氧化处理的最高温度的绝对温度值与铜的 熔点的绝对温度值的比值可以小于或等于0.75。第二阶段的预氧化处理的 起始温度可以控制在第一阶段的预氧化处理完成后的所述铜片的余温。
根据本发明的方案，多阶段预氧化处理完成后，加热所述铜片以及所 述陶瓷基板至一结合温度执行结合处理时所采用的接合温度在铜与氧化铜之间的共晶点与铜的熔点之间，或者在铜与氧化铜之间的共晶点与iooo'c 之间。
图1显示依据本发明较佳实施例的陶瓷/金属复合结构的剖面示意图。
图2显示依据本发明较佳实施例的陶瓷/金属复合结构的制造方法的流 程图。
图3显示氧化铝基板的测试结果图。
图4和图5显示氧化铝基板与经过单阶段预氧化铜片结合的复合结构 的测试结果图。
图6、图7和图8显示氧化铝基板与经过多阶段预氧化铜片结合的复合 结构的测试结果图。
主要组件符号说明
S11-S13处理步骤 13陶瓷基板 15铜片
具体实施例方式
为让本发明的上述内容能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合 附图，作详细说明如下。
如图1与2所示，本实施例的陶瓷/金属复合结构的制造方法包含以下 步骤-
首先，于步骤Sll，对铜片15执行多阶段的预氧化处理。多阶段的预 氧化处理可以包含第一阶段的预氧化处理以及第二阶段的预氧化处理，该 多阶段的预氧化处理还可以包含第三阶段的预氧化处理。根据本发明所作 的实际处理，第一、第二及第三阶段的预氧化处理是在不同的温度、不同 的时间或具有不同氧分压的气氛中完成。
第一、第二和/或第三阶段的预氧化处理的温度可以控制在50。C至 70(TC之间。具体地，第一与第二阶段的预氧化处理的最高温度的绝对温度值与铜的熔点(1083X:)的绝对温度值(K)的比值小于或等于0.75。第一、第 二和/或第三阶段的预氧化处理的时间可以控制在1至600分钟之间。第一、 第二和/或第三阶段的预氧化处理的气氛中的氧分压在0.01至1.1xl()Spa之 间。第二阶段的预氧化处理的起始温度可以等于第一阶段的预氧化处理完 成后的铜片15的余温。第三阶段的预氧化处理的起始温度也可以等于第二 阶段的预氧化处理完成后的铜片15的余温。所谓的余温，是指经过前一阶 段的预氧化处理之后的铜片快速被移出烘炉(例如连续链条炉)时的温度。 此时，铜片与空气接触，会再进行下一阶段的氧化。经过实验证明，利用 余温来进行预氧化的方法，仍可以得到本发明所要的效果。
然后，于步骤S12，将铜片15置于陶瓷基板13上。于本发明的实施例 中，陶瓷基板13的材料可选自于氧化铝、氧化硅、氮化铝、氮化硅、碳化 硅、玻璃和玻璃陶瓷中的一种或一种以上的组合。
接着，于步骤S13，加热铜片15及陶瓷基板13至一接合温度以执行接 合处理。接合温度在铜与氧化铜的共晶点(1066'C)与铜的熔点(1083"C)之间。 或者，接合温度在铜与氧化铜的共晶点与IOOO'C之间。
以下将以试验例来说明本发明的效果。 试验例1
将尺寸大小为32x23x0.5mm的氧化铝基板(氧化铝纯度为96%)，以万 能试验机(Universal Testing Machine, MTS-810,美国MTS公司)，三点式 抗折方式(3-point bending method)测试氧化铝基板在承受应力下的应变行 为，其中的承受应力的两点宽度为22.5mm，应力施加速率为0.002mm/秒， 所得应力-应变曲线如图3所示。如图3所示，氧化铝基板在承受100牛顿 (Newton)的应力，在产生极小的位移后，即瞬间破裂，为一典型的脆性破坏 (脆性断裂)。试验例2
将与试验例1中所使用的一样的氧化铝基板，以丙酮清洗后，与厚度
为0.3mm，且已经经过1小时的1000。C低氧分压预氧化的铜片，在已经施 以温度校正的管炉中，在1073。C及流动氮气气氛下施以高温接合处理，接 合后的复合结构施以与试验例1相同的三点式抗折测试，所得应力-应变曲 线如图4所示。氧化铝/铜复合结构在承受150牛顿的应力后，应力即快速 下降，此复合结构在测试后，氧化铝基板已破裂，氧化铝与铜片之间的界 面己大部分分开，仅余部分铜片仍能抓住氧化铝基板，即仅有部分铜片仍 与氧化铝基板保持结合。
以上试验例证明氧化铝/铜复合结构可承受较氧化铝基板更高的外加 应力，但若施以较大的应力后，此种氧化铝/铜复合结构将无法继续使用。 但以多阶段的方式预先氧化铜片，可以有效提升界面强度(界面结合强度)。 现以以下的例子予以说明。
试验例3
将尺寸大小为26x20x0.3mm的无氧铜片(可商购)先以200号碳化硅 砂纸轻轻打磨，以除去表面原有的氧化层，再以丙酮清洗以除去油脂，然 后予以烘干。经此处理后，无氧铜片恢复原有的金属光泽，然后使用红外 线光谱分析法的氮氧分析仪分析所述未氧化的铜片中的含氧量，分析结果 显示含氧量在lwt。/。以下。
然后，将此无氧铜片(可商购)置于高温石英管形炉中，然后通以氮 气， 一般氮气中的含氧量依供应来源不同，含氧量约在O.Olppm至数十个 ppm的范围内。此气体的流量为每分钟30cc，然后升温至1000°C保温10 个小时，再降至室温。然后，以氮氧分析仪分析所述预氧化的铜片中的含 氧量，分析结果显示含氧量仍为lwt。/。以下。此例子显示在预氧化过程中所 形成的氧化铜和/或氧化亚铜，具有保护残留铜不被快速氧化的能力。故预氧化的时间增加后，铜片中含氧量增加有限。
接着，以丙酮清洗氧化铝基板后，使氧化铝基板与两片厚度为0.3mm 且已经经过一阶段预氧化(即前述经过IO小时预氧化)的铜片，在1074°C 氮氧气氛下施以接合(Joining)处理30分钟，接合后的基板施以三点式抗折 测试，所得应力-应变曲线如图5所示。氧化铝/铜复合结构在承受160牛顿 的外加力量后，应力急速降至只剩50牛顿，此基板在测试后，铜与氧化铝 之间的界面已有部分分离。相较于试验例2，本例子显示铜与氧化铝之间的 界面强度虽可随预氧化时间增加而提升，但铜与氧化铝在承受较大应力时， 基板残留的界面强度不高。
试验例4
将无氧铜片经表面处理及清洗步骤后，进行两阶段的预氧化处理，预 氧化的条件为在高温石英管中，通以氮气，气体流量为每分钟30cc，然后 升温至600°C保温数分钟，再降至室温。然后，进行第二阶段的预氧化处 理，升温至200。C，空气中保温数分钟，再降至室温。经此两阶段预氧化的 铜片，以氮氧分析仪分析所述预氧化的铜片中的含氧量，分析结果显示含 氧量在lwt。/。以下。以场发射扫描式电子显微镜观察此氧化后的铜片的表 面，观察结果显示氧化后的铜片表面形成一层致密的氧化膜，这层致密的 氧化膜对将氧化铝及铜紧密接合在一起是极有帮助的。
然后，以丙酮清洗氧化铝基板后，在经过温度校正的炉中，1059。C氮 氧气氛下(此温度在共晶温度1066°C之下)，对氧化铝基板与两片厚度为 0.3mm且已经经过两阶段预氧化的铜片施以接合处理IO分钟。对接合后的 基板施以三点式抗折测试，所得应力-应变曲线如图6所示。氧化铝/铜复合 结构可承受较试验例3更大的外力，且在承受180牛顿的外加力量后，应 力先降至105牛顿，经观察此时氧化铝完全未与铜片分开。铜片仍紧紧的 抓住氧化铝片，故仍能维持此复合结构的完整性。当持续施压时，此复合
ii结构仍可承受更高压力，佐证氧化铝片及铜片的界面并未分开。值得注意
的是此复合结构可产生1.6mm的变形，而复合结构的界面仍保持完整。经 仔细观察，复合结构的铜片己产生塑性变形，故在界面完整的情形下，仍 可产生大量变形。
于其它实验过程中，本案发明人通过控制氧分压的范围在0.01至 1.1xl()Spa之间，都可以得到良好的效果。此外，将接合温度控制在在铜与 氧化铜的共晶点与铜的熔点之间，或者将接合温度在铜与氧化铜的共晶点 与100(TC之间，都可以得到良好的效果。
试验例5
于此例子中，说明铜片先在低温进行两阶段预氧化处理，即使只使用 较低的预氧化温度及较短的预氧化时间，仍可得到很高的铜/氧化铝界面强 度。
预氧化的条件类似于试验例4，第一阶段在600'C，先预氧化数分钟， 再以快速移出炉子的方式让仍有余温的铜片与炉外空气接触进行第二阶段 的预氧化。然后，将预氧化的铜片与氧化铝基板接合在一起，接合前，氧 化铝基板先以丙酮清洗后，再在经过温度校正的炉中，1060。C氮氧气氛下(此 温度是在共晶温度1066'C之下)，与两片厚度为0.3mm且已经经过两阶段预 氧化的铜片接合处理6分钟。对接合后的复合结构施以三点式抗折测试， 所得应力-应变曲线如图7所示。氧化铝/铜复合结构在承受145牛顿的外加 力量后，应力只先降至卯牛顿，经观察此时氧化铝完全未与铜片分开，铜 片仍紧紧的抓住氧化铝片，故能维持此复合结构的完整性。且若持续施压， 此复合结构仍可承受更高压力可以达到195牛顿，然后才再次略微下降。 值得注意的是此复合结构可产生lmm的变形，而复合结构的界面仍保持完 整。
于其它实验过程中，本案发明人通过控制氧分压的范围在0.01至1，lxl()Spa之间，都可以得到良好的效果。此外，将接合温度控制在铜与氧
化铜的共晶点与铜的熔点之间，或者将接合温度在铜与氧化铜的共晶点与
IOO(TC之间，都可以得到良好的效果。 试验例6
于此例子中，说明铜片先在低温进行两阶段预氧化处理，而此两阶段， 也可以是先进行低温的预氧化，再进行略高温的预氧化，预氧化的时间仍 然很短，但仍可得到很高的铜/氧化铝界面强度。
预氧化的条件类似于试验例4，将70x20x0.3 mm的铜片先在空气中， 在250。C施以第一阶段的预氧化处理数分钟，第二阶段再在60(TC预氧化数 分钟，然后与80x32x0.5mm的氧化铝基板接合在一起。接合前，氧化铝基 板先以丙酮清洗，再在经过温度校正的炉中，106rC的氮氧气氛下(此温度 是在共晶温度1066'C及铜的熔点1083。C之下)，与两片已经经过两阶段预氧 化的铜片接合处理10分钟。
然后以钻石刀片切下32x23x1.lmm的氧化铝/铜复合结构，再施以前 述的三点式抗折测试，唯一差别为应力施加速率为0.05mm/second，所得应 力-应变曲线如图8所示。以此制造工艺制备的热分散基板，在测试时可承 受较前面试验例更大的应力，且也能产生很大的应变，经观察测试后的复 合结构的氧化铝完全未与铜片分开。铜片仍紧紧的抓住氧化铝片，说明氧 化铝/铜复合结构的界面强度甚高，故在测试后仍能维持此复合结构的完整 性。
于其它实验过程中，本案发明人通过控制氧分压的范围在0.01至 1.1xl()Spa之间，都可以得到良好的效果。此外，将接合温度控制在铜与氧 化铜的共晶点与铜的熔点之间，或者将接合温度在铜与氧化铜的共晶点与 IOO(TC之间，都可以得到良好的效果。
以上实例证明以两阶段预氧化的制造工艺，先处理铜片的表面，不仅因所使用温度较低，对成本降低将有贡献，且因界面强度高，对往后会进 行数以万次的开关循环的高功率电子零件的寿命，亦有极大帮助。
综上所述，本发明揭露一种结合铜及氧化铝的复合结构，此载板同时
提供散热及绝缘的基本要求。且因铜的电阻系数极低，只有10'4Qm，故可
以蚀刻方式在铜的部分做出各种线路或接点。通过此线路或接点，此复合 结构可与高功率电子零件整合及封装，达成良好的电连接及散热的功能。 此外，利用两阶段预氧化的处理来处理铜片的表面，因所使用温度较低， 对成本降低将有贡献。此外，因复合结构的界面强度高，对往后会进行数
以万次的开-关(on-off)循环的高功率电子零件的寿命的增长，亦有极大帮 助。
在较佳实施例的详细说明中所提出的具体实施例仅是为了方便说明本 发明的技术内容，而非将本发明狭义地限制于上述实施例，在不超出本发 明的精神及以下权利要求保护范围的情况下，所做的种种变化实施，皆属 于本发明的范围。
权利要求
1. 一种陶瓷/金属复合结构的制造方法，包含以下步骤对铜片执行多阶段的预氧化处理；将所述铜片置于陶瓷基板上；加热所述铜片及所述陶瓷基板至一接合温度执行接合处理。
2. 如权利要求1所述的陶瓷/金属复合结构的制造方法，其中，所述多 阶段的预氧化处理包括第一阶段的预氧化处理和第二阶段的预氧化处理。
3. 如权利要求2所述的陶瓷/金属复合结构的制造方法，其中，第一与 第二阶段的预氧化处理的温度在50'C至70CTC之间。
4. 如权利要求2所述的陶瓷/金属复合结构的制造方法，其中，第一与 第二阶段的预氧化处理的时间在1至600分钟之间。
5. 如权利要求2所述的陶瓷/金属复合结构的制造方法，其中，第一与 第二阶段的预氧化处理的气氛中的氧分压在0.01至1.1xl()Spa之间。
6. 如权利要求2所述的陶瓷/金属复合结构的制造方法，其中，所述第 二阶段的预氧化处理的起始温度等于所述第一阶段的预氧化处理完成后的 所述铜片的余温。
7. 如权利要求2所述的陶瓷/金属复合结构的制造方法，其中，所述第 一与第二阶段的预氧化处理的最高温度的绝对温度值与铜的熔点的绝对温 度值的比值小于或等于0.75。
8. 如权利要求2所述的陶瓷/金属复合结构的制造方法，其中，所述接 合温度在铜与氧化铜的共晶点与铜的熔点之间。
9. 如权利要求2所述的陶瓷/金属复合结构的制造方法，其中，所述接 合温度在铜与氧化铜的共晶点与IOO(TC之间。
10.如权利要求1所述的陶瓷/金属复合结构的制造方法，其中，所述 多阶段的预氧化处理包含第一阶段的预氧化处理、第二阶段的预氧化处理 以及第三阶段的预氧化处理。
全文摘要
一种陶瓷/金属复合结构的制造方法，包含以下步骤对铜片执行多阶段的预氧化处理，将铜片置于陶瓷基板上，加热铜片及陶瓷基板达到一接合温度执行接合处理。
文档编号C04B37/02GK101439983SQ20071016678
公开日2009年5月27日 申请日期2007年11月19日 优先权日2007年11月19日
发明者段维新 申请人:段维新