CN101685805A - 金属陶瓷复合基板及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明是有关于一种金属陶瓷复合基板及其制备方法，该一种金属陶瓷复合基板，包含散热铜片、导线铜片、陶瓷板、第一缓冲层以及第二缓冲层。陶瓷板介于散热铜片以及导线铜片之间。第一缓冲层接合陶瓷板和散热铜片，且第二缓冲层接合陶瓷板和导线铜片。第一缓冲层以及第二缓冲层的材料为金属，且其热膨胀系数介于铜的热膨胀系数以及该陶瓷板的材料的热膨胀系数之间。本发明亦揭露一种金属陶瓷复合基板的制备方法，能够制造出兼具热传导性以及热安定性的金属陶瓷复合基板，从而更加适于实用。

Description

金属陶瓷复合基板及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种散热基板，特别是涉及一种金属陶瓷复合基板及其制备方法。

背景技术

随着信息及通讯科技的蓬勃发展，半导体及光电组件的散热问题也愈受重视。一般而言，通常会将各种电子组件，例如动态随机存取内存(dynamic random access memory，DRAM)、各种组件电路、集成电路、发光二极管(light emitted diode，LED)封装在基板上。若无法透过基板有效地将电子产品组件所产生的热能传递到外部，将会影响电子产品的效能以及安全性。

可将基板的各材料层接合的现有习知技术分为两种，一种为有胶接合技术，另一种为无胶接合技术。有胶接合技术所用的有机胶体为高分子环氧树脂，由于其本身的热安定性以及电气绝缘性不佳，往往会减低基板的散热效果与热安定性。另一方面，无胶接合技术则是将金属材料层和陶瓷材料层之间接口进行熔接，由于其热安定性不佳，使得现有金属陶瓷复合基板的制备面临考验。

因此，亟需提出一种方法以改良金属陶瓷复合基板的热安定性以及热传导性质。

由此可见，上述现有的散热基板在产品结构、制造方法与使用上，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，而一般产品及方法又没有适切的结构及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金属陶瓷复合基板及其制备方法，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。

有鉴于上述现有的散热基板存在的缺陷，本发明人基于从事此类产品设计制造多年丰富的实务经验及专业知识，并配合学理的运用，积极加以研究创新，以期创设一种新的金属陶瓷复合基板及其制备方法，能够改进一般现有的散热基板，使其更具有实用性。经过不断的研究、设计，并经反复试作样品及改进后，终于创设出确具实用价值的本发明。

发明内容

本发明的主要目的在于，克服现有的散热基板存在的缺陷，而提供一种新型结构的金属陶瓷复合基板，所要解决的技术问题是使其兼具热传导性以及热安定性，非常适于实用。

本发明的另一目的在于，克服现有的散热基板制备方法存在的缺陷，而提供一种新的金属陶瓷复合基板的制备方法，所要解决的技术问题是使其制造出兼具热传导性以及热安定性的金属陶瓷复合基板，从而更加适于实用。

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金属陶瓷复合基板，其包括：一散热铜片；一导线铜片；一陶瓷板，介于该散热铜片与该导线铜片之间；一第一缓冲层，接合该陶瓷板与该散热铜片；以及一第二缓冲层，接合该陶瓷板与该导线铜片，其中该第一缓冲层以及第二缓冲层的材料为金属，且其热膨胀系数介于铜的热膨胀系数与该陶瓷板的材料的热膨胀系数之间。

本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。

前述的金属陶瓷复合基板，其中所述的第一缓冲层以及该第二缓冲层的材料是选自由镍、钛、锆、以及铁组成的群组。

前述的金属陶瓷复合基板，其中所述的第一缓冲层以及该第二缓冲层的厚度分别为约100nm至约10000nm；以及该散热铜片的厚度与该导线铜片的厚度分别为约0.01mm至约1mm，且其中该散热铜片的厚度不大于该导线铜片的厚度的4倍。

前述的金属陶瓷复合基板，其中所述的散热铜片与该导线铜片的材料为无氧铜或红铜，以及其中该陶瓷板的材料为氧化铝或氮化铝。

本发明的目的及解决其技术问题还采用以下技术方案来实现。依据本发明提出的一种金属陶瓷复合基板的制备方法，其包括以下步骤：

(a)在一陶瓷板的外表面上形成一缓冲层，该缓冲层的材料为金属，且其热膨胀系数介于铜的热膨胀系数与该陶瓷板的材料的热膨胀系数之间；

(b)迭合一散热铜片、该陶瓷板以及一导线铜片而形成一夹层结构，其中该散热铜片以及该导线铜片位于该陶瓷板的相对二侧并分别与该缓冲层毗连；

(c)在一高温炉内升温该夹层结构至一熔接温度，使该缓冲层接合该散热铜片及该导线铜片；以及

(d)冷却该夹层结构至一室温。

本发明的目的及解决其技术问题另外还采用以下技术方案来实现。依据本发明提出的一种金属陶瓷复合基板的制备方法，其包括以下步骤：

(a)在一散热铜片的外表面上形成一第一缓冲层，该第一缓冲层的材料为金属且其热膨胀系数介于铜以及该陶瓷板的材料的热膨胀系数之间；

(b)在一导线铜片的外表面上形成一第二缓冲层，该第二缓冲层的材料与该第一缓冲层的材料相同；

(c)迭合该散热铜片、一陶瓷板以及该导线铜片而形成一夹层结构，其中该散热铜片以及该导线铜片位于该陶瓷板的相对二侧并分别与该第一缓冲层及该第二缓冲层毗连；

(d)在一高温炉内升温该夹层结构至一熔接温度，使该第一缓冲层及该第二缓冲层接合该陶瓷板；以及

(e)冷却该夹层结构至一室温。

本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。

前述的金属陶瓷复合基板的制备方法，其中所述的缓冲层的金属材料是选自由镍、钛、锆、以及铁组成的群组。

前述的金属陶瓷复合基板的制备方法，其中所述的缓冲层的厚度分别为约100nm至约10000nm；以及该散热铜片的厚度与该导线铜片的厚度分别为约0.01mm至约1mm，且其中该散热铜片的厚度不大于该导线铜片的厚度的4倍。

前述的金属陶瓷复合基板的制备方法，其中所述的缓冲层、该第一缓冲层以及该第二缓冲层的形成方法为电镀或溅镀法。

前述的金属陶瓷复合基板的制备方法，其中所述的熔接温度为约1055℃至约1083℃。

前述的金属陶瓷复合基板的制备方法，其中所述的熔接温度为约1060℃至约1065℃。

前述的金属陶瓷复合基板的制备方法，其中所述的散热铜片与该导线铜片为无氧铜或红铜，以及其中该陶瓷板的材料为氧化铝或氮化铝。

本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。由以上可知，为达到上述目的，本发明的一方面就是提供了一种金属陶瓷复合基板，根据本发明的一实施例，金属陶瓷复合基板包含散热铜片、导线铜片、陶瓷板、第一缓冲层以及第二缓冲层。其中陶瓷板介于散热铜片以及导线铜片之间；第一缓冲层接合陶瓷板以及散热铜片，且第二缓冲层接合陶瓷板以及导线铜片。上述第一缓冲层以及第二缓冲层的材料为金属，且其热膨胀系数介于铜以及陶瓷板的材料的热膨胀系数之间。

此外，为达到上述目的，本发明的另一方面还提供了一种金属陶瓷复合基板的制备方法，根据本发明一实施例，上述方法包含下列步骤。在陶瓷板的外表面上形成一缓冲层。上述缓冲层的材料为金属，且其热膨胀系数介于铜以及陶瓷板的材料的热膨胀系数之间。迭合散热铜片、陶瓷板以及导线铜片而形成一夹层结构，其中散热铜片以及导线铜片位于陶瓷板的相对二侧并分别与该缓冲层相毗连。将夹层结构置在一高温炉内并升温至一熔接温度，使缓冲层分别接合陶瓷板与散热铜片间的第一接口、以及陶瓷板与导线铜片间的第二界面。将接合后的夹层结构冷却至室温，以维持金属陶瓷复合基板的第一接口以及第二接口的接合稳定度。

另外，为达到上述目的，本发明另还提供了一种金属陶瓷复合基板的制备方法的另一实施例，金属陶瓷复合基板的制备方法包含下列步骤。在散热铜片的外表面上形成第一缓冲层，以及在导线铜片的外表面上形成第二缓冲层。上述第一缓冲层以及第二缓冲层的材料为金属，且其热膨胀系数介于铜以及陶瓷板的材料的热膨胀系数之间。迭合散热铜片、陶瓷板以及导线铜片而形成一夹层结构，其中散热铜片以及导线铜片位于陶瓷板的相对二侧并分别与第一缓冲层及第二缓冲层相毗连。将夹层结构置于一高温炉内并升温至一熔接温度，使第一缓冲层接合陶瓷板与散热铜片间的第一界面、以及第二缓冲层接合陶瓷板与导线铜片间的第二界面。将接合后的夹层结构冷却至室温，以维持金属陶瓷复合基板的第一接口以及第二接口的接合稳定度。

借由上述技术方案，本发明金属陶瓷复合基板及其制备方法至少具有下列优点及有益效果：能够制造出兼具热传导性以及热安定性的金属陶瓷复合基板，从而更加适于实用。

综上所述，本发明具有上述诸多优点及实用价值，其不论在产品结构、制造方法或功能上皆有较大的改进，在技术上有显著的进步，并产生了好用及实用的效果，且较现有的散热基板具有增进的突出功效，从而更加适于实用，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。

附图说明

图1是依照本发明一实施例的金属陶瓷复合基板的概要剖面图。

图2是依照本发明一实施例的方法制备图1的金属陶瓷复合基板时所用的夹层结构的概要剖面图。

图3是依照本发明另一实施例的方法制备图1的金属陶瓷复合基板时所用的夹层结构的概要剖面图。

100：金属陶瓷复合基板        110、210、310：散热铜片

115、215、315：导线铜片      120、220、320：陶瓷板

130、230、330：第一缓冲层    135、335：第二缓冲层

205、305：夹层结构                240：陶瓷板

250、350：第一界面                255、355：第二界面

340：散热铜片                     345：导线铜片

h1：散热铜片厚度                  h2：导线铜片厚度

具体实施方式

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金属陶瓷复合基板及其制备方法其具体实施方式、结构、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的呈现。为了方便说明，在以下的实施例中，相同的元件以相同的编号表示。

常见的无胶型散热基板，是在一高温环境下利用无氧铜(铜含量≥99.99％)与氧化铝进行熔接，而形成金属陶瓷复合基板。金属陶瓷复合基板在后续制程如形成导线时或使用中，常会经历升温、冷却的过程，因此金属陶瓷复合基板的热安定性非常重要。然而，在0-100℃的条件下，无氧铜的热膨胀系数约为16.5*10^-6(理论值)，而氧化铝的热膨胀系数约为6.5*10^-6(理论值)。这样的差异代表两者热涨冷缩的性质差异太大，而易导致铜箔导线剥离或产生接口缺陷。

有鉴于上述问题，相关领域亟需兼具热传导性以及热安定性的金属陶瓷复合基板。

实施例I

请参阅图1所示，图1是依照本实施例的金属陶瓷复合基板100的概要剖面图。在图1中，本发明较佳实施例的金属陶瓷复合基板100包含散热铜片110、导线铜片115、陶瓷板120、第一缓冲层130以及第二缓冲层135。陶瓷板120介于散热铜片110以及导线铜片115之间。第一缓冲层130接合陶瓷板120以及散热铜片110，以及第二缓冲层135接合陶瓷板120以及导线铜片115。上述第一缓冲层130以及第二缓冲层135的材料为金属。

为了在陶瓷板120和散热铜片110以及导线铜片115之间提供良好的热膨胀缓冲能力，所选择的第一缓冲层130以及第二缓冲层135的材料的热膨胀系数α₁必须介于陶瓷板120的材料的热膨胀系数α₂以及铜的热膨胀系数α₃之间。此外，所选缓冲层材料的氧化活性不可过低，以利金属陶瓷复合基板100的接合。上述的缓冲层130、135的材料可以是镍、钛、锆、或铁。为了同时兼顾提供热膨胀缓冲能力、以及不影响金属陶瓷复合基板100功能两种需求，第一缓冲层130以及第二缓冲层135的厚度可为约100nm至约10000nm，或可为次微米等级或至数微米。

上述的陶瓷板120的材料可为氧化铝或氮化铝。上述的陶瓷板120的厚度不拘。

上述的散热铜片110以及导线铜片115的材料可以是无氧铜或红铜(铜含量为约99.9-99.99％)。由于无氧铜所含的杂质较少(少于0.001％)，其高温下的接合条件较易控制，常用来制造金属陶瓷复合基板材料。然而，无氧铜的价格高出红铜许多，本案发明人在中国台湾专利申请案「无胶型导热基板及其制备方法」中，揭露以红铜制备无胶型导热基板的方法，此处将其纳入作为参照。

上述的散热铜片110以及导线铜片115的厚度可为约0.01mm至约1mm。值得注意的是，散热铜片110主要可负责金属陶瓷复合基板100的导热、散热功能；而导线铜片115则可供日后在其上形成所需导线线路。由于散热铜片110与导线铜片115的功能不同，二者的厚度也可以不同。一般而言，为了提供较佳的导热以及散热效果，散热铜片110的厚度h1可大于导线铜片115的厚度h2。然而，为了避免因为散热铜片110及导线铜片115厚度差异过大，而导致金属陶瓷复合基板100因受热后膨胀不均匀而挠曲变形，散热铜片110的厚度h1应不大于导线铜片115的厚度h2的4倍(亦即，h1≤4*h2)。

根据本实施例的金属陶瓷复合基板100如下：散热铜片110以及导线铜片115的材料为红铜，且散热铜片110的厚度h1为约0.3mm至约1mm，导线铜片115的厚度h2为约0.01mm至约1mm；陶瓷板120的材料为氧化铝陶瓷板，且厚度不拘；第一缓冲层130以及第二缓冲层135的材料为镍，且厚度分别为次微米等级。

本实施例的金属陶瓷复合基板100必须经过后续制程，例如，必须在导线铜片115上形成所需导线线路，方可运用于电子组件的封装。在这些后续制程以及封装制程中，金属陶瓷复合基板100往往需历经多次的升温、降温的过程。如上所述，由于红铜的热膨胀系数(17*10^-6)和氧化铝的热膨胀系数(6.5*10^-6)相去甚远，在金属陶瓷基板100受热膨胀的过程中，铜片110/115以及陶瓷板120受热膨胀的程度也有很大的差异。此时，由于第一缓冲层130和/或第二缓冲层135例如镍的热膨胀系数(13.3*10^-6)介于铜以及陶瓷板120的材料之间，亦即上述缓冲层130/135受热膨胀的程度介于铜片110/115以及陶瓷板120之间，因此缓冲层130/135可在散热铜片110和陶瓷板120以及导线铜片115和陶瓷板120之间发挥缓冲的功能，减少铜片110/115剥离的机会。

实施例II

请参阅图2所示，图2绘示根据本实施例制备图1的金属陶瓷复合基板100时，所用的夹层结构205。

根据本发明另一实施例，提出一种金属陶瓷复合基板的制备方法。应可理解，本实施例中所用的材料及规格与上文实施例I中所述相同，此处不再赘述。

根据本实施例，制备金属陶瓷复合基板100的方法包含以下步骤。在陶瓷板220的外表面上形成缓冲层230，缓冲层230的材料为金属，且其热膨胀系数介于红铜的热膨胀系数与氧化铝的热膨胀系数之间。迭合散热铜片210、陶瓷板220以及导线铜片215而形成夹层结构205，其中散热铜片210以及导线铜片215位于陶瓷板220的相对二侧并分别与缓冲层230相毗连。将夹层结构205置于一高温炉内并升温至一熔接温度，以分别接合陶瓷板220与散热铜片210间的第一接口250、以及陶瓷板220与导线铜片215间的第二界面255。将夹层结构205冷却至室温(约25℃)，以维持第一接口250以及第二接口255的接合稳定度。

上述缓冲层230的形成方法为电镀法或溅镀法。本实施例中，是利用电镀法在陶瓷板220的外表面上形成缓冲层230。

在高温炉内进行上述熔接时，适当的熔接温度为约1055℃至约1083℃。本实施例中，所用的熔接温度为约1060℃至约1065℃。高温炉内的气体组成大致为：氮、氧(浓度约为1*10^-6-100*10^-6)、以及少量水蒸气。

值得注意的是，在上述将夹层结构205冷却至室温的过程中，金属陶瓷复合基板100中所包含的各种材料会因为温度降低而收缩。传统金属陶瓷复合基板中，因为铜以及氧化铝收缩比率的差异，往往导致接合接口中产生众多孔隙而形成接口缺陷，而影响基板的热传导性质。然而，根据本实施例的方法所形成的缓冲层230，除了实施例I中所述的缓冲能力外，尚可减少界面250/255中的孔隙形成，因而可改善上述接口缺陷以提升最终产品的导热、散热性能。

实施例III

请参阅图3所示，图3绘示根据本实施例制备图1的金属陶瓷复合基板100时，所用的夹层结构305。

根据本发明又一实施例，提出另一种金属陶瓷复合基板的制备方法。应可理解，此处仅叙述实施例与实施例II中不同的步骤，并不在赘述其余相同的材料、规格、及方法。

根据本实施例，制备金属陶瓷复合基板100的方法包含以下步骤。在散热铜片310的外表面上形成第一缓冲层330，以及在导线铜片315的外表面上形成第二缓冲层335。其中，第一缓冲层330以及第二缓冲层335的材料为金属，且其热膨胀系数介于红铜的热膨胀系数与氧化铝的热膨胀系数之间。迭合散热铜片310、陶瓷板320以及导线铜片315而形成一夹层结构305，其中散热铜片310以及导线铜片315位于陶瓷板320的相对二侧并分别与第一缓冲层330及第二缓冲层335相毗连。将夹层结构305置于一高温炉内并升温至一熔接温度，使第一缓冲层330接合陶瓷板320与散热铜片310间的第一界面350、以及第二缓冲层335接合陶瓷板320与导线铜片315间的第二界面355。将夹层结构305冷却至室温(约25℃)，以维持第一接口350以及第二接口355的接合稳定度。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视后附的申请专利范围所界定者为准。

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方法及技术内容作出些许的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的内容，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。

Claims (12)

1、一种金属陶瓷复合基板，其特征在于其包括：

一散热铜片；

一导线铜片；

一陶瓷板，介于该散热铜片与该导线铜片之间；

一第一缓冲层，接合该陶瓷板与该散热铜片；以及

一第二缓冲层，接合该陶瓷板与该导线铜片，其中该第一缓冲层以及第二缓冲层的材料为金属，且其热膨胀系数介于铜的热膨胀系数与该陶瓷板的材料的热膨胀系数之间。

2、根据权利要求1所述的金属陶瓷复合基板，其特征在于其中所述的第一缓冲层以及该第二缓冲层的材料是选自由镍、钛、锆、以及铁组成的群组。

3、根据权利要求1所述的金属陶瓷复合基板，其特征在于其中所述的第一缓冲层以及该第二缓冲层的厚度分别为100nm至10000nm；以及该散热铜片的厚度与该导线铜片的厚度分别为0.01mm至1mm，且其中该散热铜片的厚度不大于该导线铜片的厚度的4倍。

4、根据权利要求1所述的金属陶瓷复合基板，其特征在于其中所述的散热铜片与该导线铜片的材料为无氧铜或红铜，以及其中该陶瓷板的材料为氧化铝或氮化铝。

5、一种金属陶瓷复合基板的制备方法，其特征在于其包括以下步骤：

(a)在一陶瓷板的外表面上形成一缓冲层，该缓冲层的材料为金属，且其热膨胀系数介于铜的热膨胀系数与该陶瓷板的材料的热膨胀系数之间；

(b)迭合一散热铜片、该陶瓷板以及一导线铜片而形成一夹层结构，其中该散热铜片以及该导线铜片位于该陶瓷板的相对二侧并分别与该缓冲层毗连；

(c)在一高温炉内升温该夹层结构至一熔接温度，使该缓冲层接合该散热铜片及该导线铜片；以及

(d)冷却该夹层结构至一室温。

6、一种金属陶瓷复合基板的制备方法，其特征在于其包括以下步骤：

(a)在一散热铜片的外表面上形成一第一缓冲层，该第一缓冲层的材料为金属且其热膨胀系数介于铜以及该陶瓷板的材料的热膨胀系数之间；

(b)在一导线铜片的外表面上形成一第二缓冲层，该第二缓冲层的材料与该第一缓冲层的材料相同；

(c)迭合该散热铜片、一陶瓷板以及该导线铜片而形成一夹层结构，其中该散热铜片以及该导线铜片位于该陶瓷板的相对二侧并分别与该第一缓冲层及该第二缓冲层毗连；

(d)在一高温炉内升温该夹层结构至一熔接温度，使该第一缓冲层及该第二缓冲层接合该陶瓷板；以及

(e)冷却该夹层结构至一室温。

7、根据权利要求5或6所述的金属陶瓷复合基板的制备方法，其特征在于其中所述的缓冲层的金属材料是选自由镍、钛、锆、以及铁组成的群组。

8、根据权利要求5或6所述的金属陶瓷复合基板的制备方法，其特征在于其中所述的缓冲层的厚度分别为100nm至10000nm；以及该散热铜片的厚度与该导线铜片的厚度分别为0.01mm至1mm，且其中该散热铜片的厚度不大于该导线铜片的厚度的4倍。

9、根据权利要求5或6所述的金属陶瓷复合基板的制备方法，其特征在于其中所述的缓冲层、该第一缓冲层以及该第二缓冲层的形成方法为电镀或溅镀法。

10、根据权利要求5或6所述的金属陶瓷复合基板的制备方法，其特征在于其中所述的熔接温度为1055℃至1083℃。

11、根据权利要求5或6所述的金属陶瓷复合基板的制备方法，其特征在于其中所述的熔接温度为1060℃至1065℃。

12、根据权利要求5或6所述的金属陶瓷复合基板的制备方法，其特征在于其中所述的散热铜片与该导线铜片为无氧铜或红铜，以及其中该陶瓷板的材料为氧化铝或氮化铝。

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