专利名称：陶瓷/金属复合结构及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种陶瓷/金属复合结构及其制造方法，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以及其制造方法。
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 Processing Unit, 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已达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
5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(Dielectric 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〉200(TC)，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(17xlO—SK")为氧化铝的热膨胀系数(8xl(^K")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，Aa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100(TC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结合强度的陶瓷/金属复合结构，实为亟待 解决的问题。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种陶瓷/金属复合结构， 通过金属层与陶瓷层的结合，得到一种具有较高界面强度，较好散热效果 的复合结构。
本发明的目的还在于提供一种陶瓷/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， 为电子元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，其包括一 陶瓷基板； 一金属界面层，位于陶瓷基板上；及一铜片，位于金属界面层 上。其中优选的，所述金属界面层的热膨胀系数介于所述陶瓷基板与所述 铜片的热膨胀系数之间，这样可以降低陶瓷基板与铜片之间的热应力，提 升界面强度。
根据本发明的具体方案，金属界面层的材料可包括金、铍、铋、钴、 铜、铁、镍、钯、铂、钛、钇以及其合金中的一种或一种以上的组合；优 选地，金属界面层的材料包括镍、镍合金、铜以及铜合金中的一种或一种 以上的组合。
本发明还提供了陶瓷/金属复合结构的制造方法，包括以下步骤提供 一陶瓷基板；于陶瓷基板上披覆一金属界面层；将一铜片置于金属界面层 上；加热陶瓷基板、金属界面层及铜片，使金属界面层同时与陶瓷基板及 铜片接合形成强键结。
根据本发明的具体方案，金属界面层可以以无电镀方式披覆于陶瓷基 板上；所述铜片在置于金属界面层上之前，可以先进行多阶段的预氧化处理，这样可以在铜片表面形成一层氧化铜，这层氧化铜不仅能使铜片与陶 瓷基板在共晶温度下即可接合，而且形成的陶瓷/金属的键结很强，能够提 高陶瓷与金属的界面强度，进而提高陶瓷/金属复合结构在反复升降温使用 时的可靠度。
本发明还提供了一种陶瓷/金属复合结构，其包括 一下金属层； 一下
金属界面层，位于下金属层上； 一陶瓷基板，位于下金属界面层上； 一上 金属界面层，位于陶瓷基板上； 一上金属层，位于上金属界面层上。
其中，陶瓷基板的材料可以包括氧化铝、氧化硅、氮化铝、氮化硅、 碳化硅、玻璃和玻璃陶瓷等材料中的一种或一种以上的组合。
根据本发明的具体方案，可以在上金属层上设置一线路或接点，以利 于所述复合结构与高功率电子元件整合及封装，达成良好的电连接及散热 功能。
本发明所提供的复合结构可以具有至少一缺口，该缺口沿上金属层至 少延伸到上金属界面层上。
本发明所述的陶瓷/金属复合结构还可以包括一电子元件，其位于上述 缺口中。为达到更好的散热效果，可以设置导热胶。根据本发明的具体方 案，当所述缺口沿上金属层延伸到陶瓷基板上时，该缺口内的陶瓷基板上 设有导热胶，所述电子元件设于该导热胶上，或者，当所述缺口沿上金属 层延伸到上金属界面层上时，该缺口内的上金属界面层上设有导热胶，所 述电子元件设于该导热胶上。
该陶瓷/金属复合结构中还可以设置多条导线，其连接所述电子元件到 上述上金属层。而且，所述缺口周边处的上金属层可以形成斜面或曲面， 当电子元件为LED时，该斜面或曲面可以将电子元件的非主要光线反射朝 上，以增加电子元件的发光效率。
另外，本发明所提供的陶瓷/金属复合结构中，可以将多组的电子元件 以任意排列方式配置于陶瓷基板上，例如排列成阵列的形式配置于陶瓷基
图1显示依据本发明第一实施例的陶瓷/金属复合结构的剖面示意图。 图2显示依据本发明第一实施例的陶瓷/金属复合结构的制造方法的流 程图。
图3显示依据本发明第二实施例的陶瓷/金属复合结构的俯视示意图。 图4显示依据本发明第二实施例的陶瓷/金属复合结构的剖面示意图。
图5显示依据本发明第三实施例的陶瓷/金属复合结构的俯视示意图。 图6显示依据本发明第三实施例的陶瓷/金属复合结构的剖面示意图。 图7显示依据本发明第四实施例的陶瓷/金属复合结构的剖面示意图。 图8显示依据本发明第四实施例的陶瓷/金属复合结构的俯视示意图。 图9显示依据本发明第五实施例的陶瓷/金属复合结构的剖面示意图。 图10显示依据本发明第六实施例的陶瓷/金属复合结构的剖面示意图。 图11显示依据本发明第七实施例的陶瓷/金属复合结构的俯视示意图。 图12显示氧化铝基板的测试结果图。
图13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14、 15和16显示依据本发明的陶瓷/金属复合结构的测试结果图。 主要组件符号说明
S01-S04:步骤 11:下金属层
13:陶瓷基板 14:上金属界面层
16:缺口 17:斜面
19:电子元件 20:导热胶 22:封装材料
具体实施例方式
12:下金属界面层 15:上金属层/铜片 18:曲面 21:导线
10为让本发明的技术方案能更明显易懂，特举较佳实施例，并配合附图， 作详细说明如下。
图1显示依据本发明第一实施例的陶瓷/金属复合结构的剖面示意图。 如图1所示，本实施例的陶瓷/金属复合结构包括一陶瓷基板13、 一金属界 面层14及一铜片15。
于本实施例中，陶瓷基板13是由氧化铝或氮化铝所制成，但本发明并
不受限于此，从以下说明中可以轻易理解到其它材料亦可用来形成陶瓷基
板13。
金属界面层14位于陶瓷基板13上。金属界面层14的材料可以包括金、 铍、铋、钴、铜、铁、镍、钯、钼、钛、钇以及其合金中的一种或一种以 上的组合。或者，金属界面层14的^"料优选可以包括镍、镍合金、铜和铜 合金中的一种或一种以上的组合。金属界面层14的厚度可介于0.1微米至 10微米之间，更佳是介于1微米至5微米之间。
铜片15位于金属界面层14上。铜片15上具有一条或多条线路或者一 个或多个接点(未显示)。金属界面层14在高温下提供铜片15对陶瓷基板 13的润湿作用。为了达成强键结，金属界面层14的热膨胀系数最好介于陶 瓷基板13与铜片15的热膨胀系数之间，或者说，金属界面层14的热膨胀 系数大于或等于陶瓷基板13的热膨胀系数，并且小于或等于铜片15的热 膨胀系数。举例而言，金属界面层14的热膨胀系数可介于8xl0—SK—1至 17xl(r6K"之间。
图2显示依据本发明第一实施例的陶瓷/金属复合结构的制造方法的流 程图。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可以包 括以下步骤
首先，于步骤SOl，提供一陶瓷基板13;
然后，于步骤S02，于陶瓷基板13上披覆一金属界面层14，举例而言， 金属界面层14可以以无电镀方式披覆于陶瓷基板13上，所述无电镀方式例如可以是沉积(deposition)或者涂布(coating)等方式；
接着，于步骤S03，将一铜片15置于金属界面层14上，值得注意的是，
铜片15在被置于金属界面层14上以前，可以先进行多阶段的预氧化处理，
多阶段的预氧化处理分别于50至70(TC的温度下进行；
然后，于步骤S04，加热陶瓷基板13、金属界面层14及铜片15，使金
属界面层14同时与陶瓷基板13及铜片15接合形成强键结，举例而言，可
以将陶瓷基板13、金属界面层14及铜片15加热至100(TC以上以形成强键结。
图3显示依据本发明第二实施例的陶瓷/金属复合结构的俯视示意图。 图4显示依据本发明第二实施例的陶瓷/金属复合结构的剖面示意图。如图 3与4所示，本实施例的陶瓷/金属复合结构包括一下金属层11、 一下金属 界面层12、 一陶瓷基板13、 一上金属界面层14及一上金属层15。
于实施例中，下金属层11可以为一铜片。下金属层11的厚度可以介 于0.1至2毫米(mm)之间。下金属界面层12位于下金属层11上。
陶瓷基板13位于下金属界面层12上。陶瓷基板13的厚度介于0.1至 3毫米(mm)之间。陶瓷基板13的材料可以包括氧化铝、氧化硅、氮化铝、 氮化硅、碳化硅、玻璃和玻璃陶瓷等材料中的一种或一种以上的组合。
上金属界面层14位于陶瓷基板13上。金属界面层14或12的材料可 以包括金、铍、铋、钴、铜、铁、镍、钯、铂、钛、钇以及其合金等材料 中的一种或一种以上的组合。或者，金属界面层14或12的材料优选可以 包括镍、镍合金、铜以及铜合金中的一种或一种以上的组合。金属界面层 14或12的厚度可以介于0.1微米至10微米之间，更佳是介于1微米至5 微米之间。
上金属层15位于上金属界面层14上。上金属层15可以是一铜片，其 上具有一条或多条线路，或者一个或多个接点。上金属层15的厚度介于0.1 至2毫米(mm)之间。图5显示依据本发明第三实施例的陶瓷/金属复合结构的俯视示意图。 图6显示依据本发明第三实施例的陶瓷/金属复合结构的剖面示意图，即图
5中的A-A方向剖视图。如图5与6所示，本实施例类似于第二实施例， 不同之处在于上金属层15具有一缺口 16。
图7显示依据本发明第四实施例的陶瓷/金属复合结构的剖面示意图。 图8显示依据本发明第四实施例的陶瓷/金属复合结构的俯视示意图。图7 为图8的B-B向剖面图。为了清楚显示，图8并未显示出封装材料22。如 图7与8所示，本实施例的陶瓷/金属复合结构更可以包括一电子元件19， 其位于该复合结构的缺口 16中，且配置于陶瓷基板13上。电子元件19可 以为中央处理器、功率组件(例如功率晶体管)或发光二极管组件。值得注 意的是，在第四实施树中，本发明可将电子元件19视为是陶瓷/金属复合结 构的一部分。
为了达成较佳的热传导效果，本发明所提供的陶瓷/金属复合结构中可 以设置导热胶20。当缺口 16沿上金属层15延伸到陶瓷基板13上时，该缺 口 16内的陶瓷基板13上设有导热胶20，所述电子元件19设于该导热胶 20上，或者，当所述缺口 16沿上金属层15延伸到上金属界面层14上时(图 中未显示)，该缺口 16内的上金属界面层14上设有导热胶20，所述电子元 件19设于该导热胶20上。所述导热胶20可以是由有机高分子材料与金属 或陶瓷填充材料混合而成。金属或陶瓷填充材料可以包括银颗粒、铜颗粒、 铝颗粒、氧化铝颗粒、氮化铝颗粒、氮化硼颗粒和硼化钛颗粒等中的一种 或一种以上的组合。此导热胶20的热传导系数一般可达到3W/mK以上。
为了控制电子元件19的工作，本实施例的陶瓷/金属复合结构更可以包 括多条导线21，其连接电子元件19至上金属层15。封装材料22封装电子 元件19及导线21。电子元件19所散发出来的大部分的热是朝着图7的箭 头所示的方向传导散逸。
图9显示依据本发明第五实施例的陶瓷/金属复合结构的剖面示意图。图9与图7类似，如图9所示，本实施例的复合结构的缺口 16周边处的上 金属层15形成有斜面17。当电子元件19为LED时，斜面17可以将电子 元件19的非主要光线反射朝上，以增加电子元件19的发光效率。
图10显示依据本发明第六实施例的陶瓷/金属复合结构的剖面示意图。 图10与图7类似，如图10所示，本实施例的复合结构的缺口 16周边的上 金属层15具有曲面18。当电子元件19为LED时，曲面18亦可以将电子 元件19的非主要光线反射朝上，以增加电子元件19的发光效率。
图11显示依据本发明第七实施例的陶瓷/金属复合结构的俯视示意图。 如图11所示，多组的电子元件19可以排列成数组(或称阵列形式)，而配 置于陶瓷基板13上方。
为提升界面强度，改善陶瓷/金属复合结构的可靠度，发明人经长时间 及大量的测试开发出一种多阶段预氧化的制造工艺，经此种多阶段预氧化 的处理，金属片表面可产生适当的氧化物，这层氧化物不仅能使金属片与 陶瓷片能在一般熟知的共晶温度之下即可接合成功，更重要的是所产生的 陶瓷/金属的键结很强，这能提高陶瓷与金属之间的界面强度，进而提高陶 瓷/金属复合结构在反复升降温使用时的可靠度。而且此种多阶段预氧化的 温度低，具有经济优势，且以此种多阶段预氧化再接合的陶瓷/金属复合结 构具有极佳的散热能力。
本发明所揭示的陶瓷/金属复合结构可同时提供快速散热的能力及绝缘 方面的要求。为提升此复合结构的界面强度及长时间的可靠度，可以采用 适当的多阶段预氧化方式，下文以具体例子证明预氧化条件可以在较低温 度下(可以控制多阶段预氧化的最高温度的绝对温度值与铜的熔点的绝对温 度值的比值在0.75以下)以多阶段氧化方式进行。因预氧化的温度降低，故 对成本降低将有贡献，而且更重要的是以此较低温的预氧化条件，可制作 出具有高界面强度的热分散基板。依此精神所制作出的陶瓷与金属接合的 基板，皆可视为本发明的延伸。以下将以数个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12所示。如图12所示，氧化铝基板在承受100牛 顿(Newton)的应力时，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所使用的一样的氧化铝基板，在以丙酮清洗后，与厚度 为0.3mm且已经经过1小时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及流动氮气下施以高温接合处理，接合后的复 合结构施以与第一例子相同的三点式抗折测试，所得应力-应变曲线如图13 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，除氧化铝基板已破裂之外，氧化铝与铜片之间的界面 已大部分分开，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。
以上例子证明氧化铝/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，此种氧化铝/铜复合结构将无法继续使用。但氧 化铝/铜复合结构可以采用在氧化铝片及铜片之间加上一层中间金属层(包 括合金层)的方式，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
将与试验例1中所使用的一样的氧化铝基板，先以无电镀的方式在氧 化铝基板上涂布一层金属镍磷合金层，此金属镍磷合金层的厚度约为2-4微米，然后与厚度为0.3mm且已经经过100°C至600°C之间两个不同温度 及氧分压的两阶段预氧化的铜片，在己经施以温度校正的管炉中，在1058°C 及流动氮气下施以高温接合(joining)处理，在高温接合时，此金属合金薄层 可同时与氧化铝片与铜片接合，形成强键结。1058°C比铜及氧化铜(Cu与 CuO)的共晶点(共晶温度为1066。C)低，证明本例子的金属合金薄层，可促 进氧化铝与铜的接合。
接合后的氧化铝/铜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14所示。氧化铝/铜复合结构在承受155牛顿的应 力后，应力只下降一些至115牛顿，然后仍能承受更高应力至220牛顿， 然后下降，继而上升下降，在位移量为1.6mm时停止测试，并进行观察， 此时复合结构并未破裂，仍维持基板的完整性，经仔细观察测试后的复合 结构，此复合结构中的氧化铝基板已有一小裂缝，但与铜片的界面并未分 开，铜片仍能紧紧的抓住氧化铝片，且仍能维持此复合结构的完整性。
图14的应力-应变曲线显示，氧化铝基板在155牛顿的应力下，已先裂 开，但因与铜片并未分开，而能继续承受应力，此时铜片已有塑性变形 (Plastic Deformation)发生，然后在220牛顿的应力下，氧化铝与铜第一次有 极小的界面分离，故应力下降，但界面分离的量仍很小，若继续施加应力， 界面裂缝停滞时，应力会上升，而当界面裂缝前进时，应力会下降，在施 以1.6mm的位移后，复合结构仍能维持试样的完整性。这种时而下降时而 上升的应力-应变曲线也显示氧化铝与铜的接合很好，但因镍磷合金镀膜所 产生的化学反应产物并非连续，根据Seager等人的研究(Seager， C.W.， Kokini， K.， Trumble， K.， Krane， M.J.M.， Scripta Materialia， 46， 395， 2002)可知，不连续的氧化铝与铜反应产物，对氧化铝与铜的接合是有益处 的，而施以镍合金镀膜对氧化铝与铜的接合是有益处的。氧化铝与铜间的 合金镀膜，可以是连续的膜层，也可以是不连续分布，S卩，所述镀膜可为 薄层状、点状、柱状、条状、包覆状、多孔状或多层状。
16以上例子证明氧化铝与铜之间加入一层薄薄的镍合金层，再进行接合，
可提升此复合结构的强度，因金属镍及其合金的热膨胀系数(13xl0—"介
于氧化铝与铜的热膨胀系数之间，故可降低氧化铝与铜之间的热应力，且 镍合金可同时与氧化铝片与铜片键结，进而提升界面强度，不仅可以提升
氧化铝/铜复合结构的强度，而且这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。
试验例4
将与试验例1中所使用的一样的氧化铝基板，先以无电镀的方式在氧
化铝基板上涂布一层金属镍硼合金层，此金属镍硼合金层的厚度约为1-5 微米，然后与厚度为0.3mm且已经经过100°C至600°C之间两个不同温度 及氧分压的两阶段预氧化的铜片，在已经施以温度校正的管炉中，在1055。C 及流动氮气下施以高温接合处理。在高温接合时，此金属合金薄层可同时 与氧化铝片与铜片接合，且形成强键结。1055°C比铜及氧化铜(Cu与CuO) 的共晶点(共晶温度为1066。C)低，证明本例子的金属合金薄层，可同时促 进氧化铝与铜的接合。
接合后的氧化铝/铜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15所示。氧化铝/铜复合结构在承受150牛顿的应 力后，应力只下降一些至105牛顿，然后仍能承受更高应力至185牛顿， 然后下降，继而上升下降，在位移量为1.8mm时停止测试，并进行观察， 此时复合结构并未破裂，仍维持试样的完整性。经对测试后的复合结构的 观察，此复合结构中的氧化铝基板已有一小裂缝，但与铜片的界面并未分 开，铜片仍能紧紧的抓住氧化铝片，且仍能维持此复合结构的完整性。
如同镍磷合金镀膜(试验例3)，施以镍硼合金镀膜对氧化铝与铜的接合 也是有益处的。本例子再次证明在氧化铝与铜之间加入一层薄薄的镍合金 层，再进行接合，可提升氧化铝/铜复合结构的强度，因镍合金的热膨胀系 数介于氧化铝与铜的热膨胀系数之间，故可降低氧化铝与铜之间的热应力，且因在氧化铝与铜接合边缘上观察到铜润湿氧化铝表面的现象(即此例子的 氧化铝与铜之间的润湿角较试验例2的氧化铝与铜之间的润湿角为小)，显 示镍硼合金可同时增进铜对氧化铝表面的润湿性，故提升氧化铝/铜复合结
构的强度，这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。
试验例5
将与试验例1中所使用的一样的氧化铝基板，先以无电镀的方式在氧
化铝基板上涂布一层金属铜层，此金属铜层的厚度为2-4微米，然后与厚度 为0.3mm且已经经过100°C至600°C之间两个不同温度及氧分压的两阶段 预氧化的铜片，在已经施以温度校正的管炉中，在1056°C及流动氮气下施 以高温接合处理。在高温接合时，此金属合金薄层可同时与氧化铝片与铜 片接合，且形成强键结。接合后的氧化铝/铜复合结构施以与第一例子相同 的三点式抗折测试，所得应力-应变曲线如图16所示。氧化铝/铜复合结构 在承受190牛顿(Newton)的应力后，应力下降至90牛顿，然后继续测试， 然后仍能承受更高应力至160牛顿，然后下降，继而上升下降，在位移量 为0.8mm时停止测试，并进行观察，此时复合结构并未破裂，仍维持试样 的完整性。经对测试后的复合结构的观察，此复合结构中的氧化铝基板已 有一小裂缝，但与铜片的界面并未完全分开，铜片仍能紧紧的抓住氧化铝 片，且仍能维持此复合结构的完整性。
以上例子证明在氧化铝或铜表面涂布上一层薄薄的铜金属层，可提升 此复合结构的强度，因金属铜层的存在，确实可观察到铜片对氧化铝的润 湿角下降，界面强度因而提升。此中间金属镀膜不仅对界面强度提升有益， 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。
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l(^^m，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预先处理铜片的表面，由于该两阶段预氧化处 理的温度比对铜进行一次预氧化处理所使用的温度低，因此对成本降低也 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，其包括一陶瓷基板；一金属界面层，位于所述陶瓷基板上；一铜片，位于所述金属界面层上。
2、 如权利要求1所述的陶瓷/金属复合结构，其中，所述金属界面层的 热膨胀系数介于所述陶瓷基板与所述铜片的热膨胀系数之间。
3、 如权利要求l所述的陶瓷/金属复合结构，其中，所述金属界面层的 材料包括金、铍、铋、钴、铜、铁、镍、钯、铂、钛、钇以及其合金中的 一种或一种以上的组合。
4、 如权利要求l所述的陶瓷/金属复合结构，其中，所述金属界面层的 材料包括镍、镍合金、铜和铜合金中的一种或一种以上的组合。
5、 如权利要求l所述的陶瓷/金属复合结构，其中，所述铜片上具有一 线路或接点。
6、 一种陶瓷/金属复合结构的制造方法，包括以下步骤 提供一陶瓷基板；于所述陶瓷基板上披覆一金属界面层； 将一铜片置于所述金属界面层上；加热所述陶瓷基板、所述金属界面层及所述铜片，使所述金属界面层 同时与所述陶瓷基板及所述铜片接合形成强键结。
7、 如权利要求6所述的陶瓷/金属复合结构的制造方法，其中，所述金 属界面层是以无电镀方式披覆于所述陶瓷基板上。
8、 如权利要求6所述的陶瓷/金属复合结构的制造方法，其中，所述铜片在被置于所述金属界面层上以前，先进行多阶段的预氧化处理。
9、 一种陶瓷/金属复合结构，其包括 一下金属层；一下金属界面层，位于所述下金属层上； 一陶瓷基板，位于所述下金属界面层上； 一上金属界面层，位于所述陶瓷基板上； 一上金属层，位于所述上金属界面层上。
10、 如权利要求9所述的陶瓷/金属复合结构，其中，所述上金属层上 具有一线路或接点。
11、 如权利要求9所述的陶瓷/金属复合结构，其中，所述陶瓷基板的 材料包括氧化铝、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。
12、 如权利要求9所述的陶瓷/金属复合结构，其中，该复合结构具有 至少一缺口，该缺口沿上金属层至少延伸到上金属界面层上。
13、 如权利要求12所述的陶瓷/金属复合结构，其还包括 电子元件，其位于所述缺口中。
14、 如权利要求13所述的陶瓷/金属复合结构，其中，所述缺口沿上金 属层延伸到陶瓷基板上，该缺口内的陶瓷基板上设有导热胶，所述电子元 件设于该导热胶上。
15、 如权利要求13所述的陶瓷/金属复合结构，其中，所述缺口沿上金 属层延伸到上金属界面层上，该缺口内的上金属界面层上设有导热胶，所 述电子元件设于该导热胶上。
16、 如权利要求13所述的陶瓷/金属复合结构，其还包括多条导线，其连接所述电子元件至所述上金属层。
17、如权利要求12所述的陶瓷/金属复合结构，其中，缺口周边处的上 金属层形成斜面或曲面。
全文摘要
一种陶瓷/金属复合结构的制造方法，包括以下步骤提供一陶瓷基板；于陶瓷基板上披覆一金属界面层；将一铜片置于金属界面层上；加热陶瓷基板、金属界面层及铜片，使金属界面层同时与陶瓷基板及铜片接合形成强键结。本发明亦提供一种陶瓷/金属复合结构。
文档编号C04B37/02GK101439984SQ20071016678
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
发明者杨聪仁, 段维新 申请人:段维新