专利名称：异质材料键合方法
技术领域：
本发明涉及一种键合方法，特别是涉及一种将异质材料在低温状态下相互键合的
异质材料键合方法。
背景技术：
由于电子技术的发达，及集成电路(integrate circuit)工艺(即制程，本文均称 为工艺)的进步，使得每一个芯片(chip)内所含的晶体管数越来越多，但芯片(即晶片，本 文均称为芯片)的体积却越来越小，使得散热(thermal dissipation)成为目前电子技术 所需克服的问题。 而目前的用于电子元件散热方式，多利用一散热模块(即模组，本文均称为模块) (thermal module)所达成，藉由散热模块的金属材质可快速传热的特性将电子元件所产生 的热能传导至空气内，而可避免电子元件过热。其中，散热模块多利用一铝材质鳍片(fin) 接合一铜材质基板，藉由铜基板的高热传导系数传导至铝制鳍片，再藉由铝制鳍片的表面 积，利用自然对流或配合风扇，将热散逸至空气中。 接合铝鳍片与铜基板的方式，业界常用的方式有滚压法、爆炸成形，化学镀镍法及 热熔射涂布。 滚压方式是在铝鳍片与铜基板之间涂布一层接着剂，在利用滚轮压合铝鳍片与铜
基板，使铝鳍片与铜基板接合在一起。然而，由于接着剂热传导系数极低导致散热效率不
佳，且散热模块在受热后接着剂的水分子会气化散出，导致电路板或电容损坏。 爆炸成形是将铜粉末利用爆炸所产生的高温高压，使铜粉末结合于铝鳍片上。然
而此种工艺成本高昂，且粉末物质容易对人体产生危害而不符合环保。 化学镍是在铝鳍片或铜基板上电镀一层金属镍，再将铝鳍片及铜基板藉由金属镍 结合在一起。由于此种工艺仍属于湿式工艺，仍有水气造成电路板或电容损坏的问题。
热熔射涂布的方式是利用电弧熔射、粉体热熔射、等离子体(即电浆，本文均称为 等离子体)熔射、火焰熔射等方式，将铜导线或铜粉加热熔融成离子状态，再将铜离子吹附 于铝基板上。然而，由于热熔射属于高温工艺，使铝基板容易受热变形，导致平坦度被破坏。
由此可见，上述现有的异质材料键合方法在方法与使用上，显然仍存在有不便与 缺陷，而亟待加以进一步改进。为了解决上述存在的问题，相关厂商莫不费尽心思来谋求解 决之道，但长久以来一直未见适用的设计被发展完成，而一般方法又没有适切的方法能够 解决上述问题，此显然是相关业者急欲解决的问题。因此如何能创设一种新的异质材料键 合方法，实属当前重要研发课题之一，亦成为当前业界极需改进的目标。
发明内容
本发明的目的在于，克服现有的异质材料键合方法存在的缺陷，而提供一种新的
异质材料键合方法，所要解决的技术问题是使其解决现有习知的技艺将异质材料，如将铜 与铝接合时成本高昂，或在高温运作时容易产生水气而损坏电子元件的问题，非常适于实用。 本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出 的一种异质材料键合方法，其包含提供一基材；使用一第一金属导线与一第二金属导线 分别电性连接一电源，以提供不同电性至该第一金属导线与该第二金属导线，且该第一金 属导线与该第二金属导线是以不同该基材的金属材料所制成；依据该第一金属导线及该第 二金属导线的不同电性产生电弧；使用该电弧加热该第一金属导线与该第二金属导线，以 熔融该第一金属导线及该第二金属导线成为一熔融材；使用压縮空气喷射该熔融材而吹散 为多个粒子，以吹送该多个粒子至该基材上；以及形成一喷涂层于该基材上。 综上所述，本发明中的熔融材藉由压縮空气所形成的气旋流场吹散为多个粒子后 即可呈现快速降温效果，以达到在低温下使铜铝相互键合的目的。本发明在技术上有显著 的进步，具有明显的积极效果，诚为一新颖、进步、实用的新设计。 上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段， 而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够 更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
图1为本发明的异质材料键合方法的步骤流程图。
图2为本发明的异质材料键合方法的喷涂装置的结构示意图, 图3为本发明的异质材料键合方法的气旋流场示意图。
图4为本发明的异质材料键合方法适用于散热模块传导介质涂布的示意图,
11 :喷嘴
12 :第一输出模块 2 :第一金属导线 4:第一电极
6 :熔融材 7:基材
S11-S17 :步骤流程c
111 :喷气孔
13 :第二输出模块
3 :第二金属导线
5 :第二电极
61 :粒子
8:喷涂层
具体实施例方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合 附图及较佳实施例，对依据本发明提出的异质材料键合方法其具体实施方式
、方法、步骤、 特征及其功效，详细说明如后。 有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合参考图式的较佳实 施例的详细说明中将可清楚呈现。通过具体实施方式
的说明，当可对本发明为达成预定目 的所采取的技术手段及功效得一更加深入且具体的了解，然而所附图式仅是提供参考与说 明之用，并非用来对本发明加以限制。 本发明提供一种异质材料键合方法，其利用无燃烧熔射用于喷涂熔融金属基材于 一基材上，且通过一具有多个喷射口的喷射单元，以喷射压縮空气。本发明利用多个压縮空 气吹送熔融金属基材，使金属基材喷涂于基材时即迅速降至常温，以达到常温熔射喷涂的 目的。 请参阅图1所示，其为本发明异质材料键合方法的一实施例的流程图。
本发明异质材料键合方法包含下列步骤 步骤Sll :提供一基材，此基材是进行一喷砂加工处理以去除基材表面杂质及灰
/1、
土 ； 步骤S12 :使用一第一金属导线与一第二金属导线分别电性连接一电源，以提供 不同电性至第一金属导线及第二金属导线，其中，第一金属导线与第二金属导线是以不同 基材的金属材料所制成； 步骤S13 :依据第一金属导线及第二金属导线的不同电性产生电弧； 步骤S14 :使用电弧加热第一金属导线及第二金属导线，以熔融第一金属导线及
第二金属导线成为一熔融材； 步骤S15 :使用压縮空气喷射熔融材而吹散为多个粒子，以吹送粒子至基材上；
步骤S16 :形成一喷涂层于基材上；及 步骤S17 :抛光加工喷涂层，以磨平及使喷涂层呈现光滑状态。
5
在本实施例中，第一金属导线及第二金属导线可以铜导线来实施，基材可为金属 铝来实施，然而并不以此为限，基材亦可为陶瓷、石墨、塑胶、玻璃、纸或其他金属材料，如 金、银、铜、铁、锌、铝等材质。上述步骤流程的电弧产生一高周波，藉由高周波振动加热第 一及第二金属导线，使第一及第二金属导线熔融成等离子体(plasma)状态，其摄氏温度 约位于450(TC至480(TC之间，使金属铜转变为带有电性而具活性的铜离子(ion)。压縮 空气则由一具有多个喷射口的喷嘴(nozzle)所喷出而形成高速喷射流(high velocity jet flow)。每一喷射口由于所连接的流道设计并不相同，使汇聚在一起的气流产生涡漩 (vertex)而形成一气旋结构，使得铜离子可藉由此气旋结构所构成的流场快速散热而降 温，使铜离子由喷嘴喷射出后约30至45厘米间便可由超高温状态降温至常温状态(约 25t:至45t:)。铜离子喷射至铝基板后便与铝基材相互键结而形成一共晶结构，此共晶结 构可使将与喷涂层相接触的电子元件的热能快速传导至铝基材上，而不会产生如现有习知 技术将铜基板与铝鳍片相结合时，会因接着剂的热传导系数过低，使得热残留在铜基板上 而无法将电子元件所产生的热能顺利排散出。 请参阅图2所示，其为本发明异质材料键合方法的喷涂装置结构示意图。喷涂装 置包含一喷嘴11、一第一输出模块12与一第二输出模块13。第一输送模块12及第二输送 模块13分别推送第一金属导线2及第二金属导线3。喷嘴11具有多个喷气孔111，用以将 压縮空气高速射出，且喷嘴11的一侧连接一空气压縮机(Air compressor)。其中，第一金 属导线2及第二金属导线3分别电性连接一第一电极4及第二电极5，且第一电极4及第二 电极5分别耦接一电源(图未示)的正电位及负电位。 第一金属导线2及第二金属导线3经由第一电极4与第二电极5所耦接的电源而 导电，因此，第一金属导线2与第二金属导线3在喷嘴11的外侧产生电弧，电弧会依据电源 所提供的电流强度而产生对应的熔融温度。 电弧在喷嘴11外侧熔融第一金属导线2与第二金属导线3，并在喷嘴11外侧形成 一熔融材6。喷嘴11将压縮空气喷射至熔融材6，使融熔材6吹散为多个粒子61，并吹送粒 子61使沉积于基材7上并与基材7相互键结而产生共晶结构的喷涂层8。在本实施例中， 第一金属导线2及第二金属导线3可为铜导线，基材7可为金属铝所制成，粒子61的接合 强度可达99.8公斤每平方厘米，且喷涂层的孔隙率为百分之一至百分之五，但并不以此为 限，可藉由改变输入电流电压及改变喷射气体流速等方式，依照加工件的材料特性及应用 需求而加以调整。其中，喷气孔lll所喷出的气体可产生交互作用而形成气旋流场的结构， 以快速降温粒子，如图3所示。因此，本发明的异质材料键合方法可将异质材料共晶结合， 如将铜基材共晶结合于铝基材7上，以提升散热模块的散热效率，如图4所示。
综上所述，本发明异质材料键合方法的功效在于可将铜以冷喷涂(coldspray)的 方式喷涂结合于铝基材上，可避免现有习知技术的热熔射方式因高热造成铝基材受热变 形。 本发明异质材料键合方法的另一功效在于以干式方式使异质材料，如铜基材与铝 基材相结合，以避免现有习知技艺利用湿式方式结合而容易因水气蒸发造成电路板等电子 元件短路。 本发明异质材料键合方法的再一功效可使金、银、铜、铁、锌、铝等金属材料键结于 金属材料、石墨、纸、塑胶等基材上，以结合两种材料特性而增加应用范围。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽 然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人 员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰 为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对 以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
权利要求
一种异质材料键合方法，其特征在于其包含以下步骤提供一基材；使用一第一金属导线与一第二金属导线分别电性连接一电源，以提供不同电性至该第一金属导线与该第二金属导线，且该第一金属导线与该第二金属导线是以不同该基材的金属材料所制成；依据该第一金属导线及该第二金属导线的不同电性产生电弧；使用该电弧加热该第一金属导线与该第二金属导线，以熔融该第一金属导线及该第二金属导线成为一熔融材；使用压缩空气喷射该熔融材而吹散为多个粒子，以吹送该多个粒子至该基材上；以及形成一喷涂层于该基材上。
2. 根据权利要求1所述的异质材料键合方法，其特征在于其中所述的第一金属导线及 该第二金属导线为铜导线。
3. 根据权利要求1所述的异质材料键合方法，其特征在于其中所述的电弧产生一高周 波，该高周波是振动加热该第一金属导线及该第二金属导线。
4. 根据权利要求2所述的异质材料键合方法子。
5. 根据权利要求4所述的异质材料键合方法 键结上以形成一共晶结构。
6. 根据权利要求1所述的异质材料键合方法 该多个粒子的温度。
7. 根据权利要求1所述的异质材料键合方法 一气旋结构。
8. 根据权利要求7所述的异质材料键合方法 该多个粒子降温。
9. 根据权利要求1所述的异质材料键合方法 材后，更包含抛光加工该喷涂层的步骤。
10. 根据权利要求1所述的异质材料键合方法，其特征在于其中所述的第一金属导线 与该第二金属导线是依据该电源的电流强度产生不同加热温度的电弧。
11. 根据权利要求1所述的异质材料键合方法，其特征在于其中所述的多个粒子的接 合强度为99. 8公斤每平方厘米。
12. 根据权利要求1所述的异质材料键合方法，其特征在于其中所述的喷涂层的孔隙 率为百分之一至百分之五。
13. 根据权利要求1所述的异质材料键合方法，其特征在于其中所述的基材是进行一 喷砂加工处理。，其特征在于其中所述的多个粒子为铜离 ，其特征在于其中该铜离子与该基材相互 ，其特征在于其中所述的压縮空气是降低 ，其特征在于其中所述的压縮空气是形成 ，其特征在于其中所述的气旋结构是辅助 ，其特征在于其中当形成该喷涂层于该基
全文摘要
本发明是有关于一种异质材料键合方法，其包含下列步骤首先喷砂加工一基材，接着使用一第一金属导线与一第二金属导线分别电性连接一电源，以提供不同电性至第一金属导线与第二金属导线，接着依据第一金属导线及第二金属导线的不同电性产生电弧。接着使用电弧加热第一金属导线与第二金属导线，以熔融第一金属导线及第二金属导线成为一熔融材，接着使用压缩空气喷射熔融材而吹散为多个粒子，以吹送粒子至基材上，并形成一喷涂层于基材上。其中，熔融材藉由压缩空气所形成的气旋流场吹散为多个粒子后即可呈现快速降温效果，以达到在低温下使铜铝相互键合的目的。
文档编号H01L21/60GK101783301SQ20091000520
公开日2010年7月21日 申请日期2009年1月16日 优先权日2009年1月16日
发明者陈建州 申请人:林淑清