CN111490018A - 具有金属导热凸块接垫的陶瓷基板元件、组件及制法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有金属导热凸块接垫的陶瓷基板元件，供设置至少一高发热的晶粒，该陶瓷基板元件包括：一陶瓷基板本体，具有一上表面和相反于前述上表面的一下表面；及至少一金属凸块接垫，包括一结合于上述上表面、且厚度介于10至300微米的薄型接合层，该薄型接合层具有一个第一热膨胀系数，该第一热膨胀系数大于上述陶瓷基板本体的热膨胀系数；及一结合于该薄型接合层、供上述晶粒焊接结合的固晶层，该固晶层具有一个第二热膨胀系数，该第二热膨胀系数大于上述陶瓷基板本体的热膨胀系数，藉此减缓上述薄型接合层与该陶瓷基板界面受热应力破裂。此外，本发明还公开了具有金属导热凸块接垫的陶瓷基板的组件，以及前述陶瓷基板的制法。
Description
技术领域
本发明涉及一种陶瓷基板，尤其是一种具有金属导热凸块接垫的陶瓷基板元件、组件及制法。
背景技术
相较于传统印刷电路板，陶瓷基板更具有散热性佳、厚度薄、尺寸小、耐高温及可靠度佳等优点，常使用于高功率晶粒或芯片等电子元件。最常见陶瓷基板材料有氧化铝(Aluminium Oxide，Al2O3)制成的直接覆铜(Dircet Bonded Copper，DBC)基板或直接覆铝(Dircet Bonded Aluminum，DBA)基板，而覆铜或铝的厚度多在200至300微米之间，当铜或铝的厚度大于300微米时，则会发生接合界面破裂问题。
随着晶粒及芯片的功率日益提高，陶瓷基板上的金属接垫、线路或导电层需要更厚的厚度，才能符合高功率元件的需求。然而，陶瓷基板与金属层彼此的热膨胀系数(coefficient of thermal expansion)及线膨胀系数(coefficient of linearexpansion)差异极大，在温度20度时，金属铜与铝的热膨胀系数为16.5与23ppm/K，而陶瓷材料氧化铝、氮化铝与氮化硅大约分别是7、4.5与3.5ppm/K，当陶瓷基板与结合的金属层热膨胀系数差异过大时，金属及陶瓷基板之间的界面容易产生破裂、翘曲或变形的问题，也势必会造成因热应力而让接点产生受损的风险。
因此，如何一方面使金属电路层能增加厚度，使得温差能分布在更厚的金属层，减少单位高度中的温度落差，让陶瓷基板能适用于高功率晶粒及芯片；并且减缓金属层与陶瓷基板界面受热应力破裂，让高功率电子元件的应用成为可行，还同时能依照不同的客户需求，提供各式厚度的金属接垫，提供制造弹性，就是本发明所要达到的目的。
发明内容
针对现有技术的上述不足，根据本发明的实施例，希望提供一种具有金属导热凸块接垫的陶瓷基板元件，旨在实现如下目的：(1)透过上窄下宽的双层金属结构并且降低其中薄型接合层厚度，大幅降低金属电路层与陶瓷基板结合界面破裂的风险；(2)使陶瓷基板能适用于高功率晶粒或芯片等电子元件。
此外，本发明还希望提供一种具有金属导热凸块的陶瓷基板组件，让高功率晶粒或芯片可被设置于陶瓷基板上，且顺利将发热导出。另外，本发明还希望提供一种制造具有金属导热凸块的陶瓷基板组件的制法，使高功率晶粒可被顺利封装于陶瓷基板上，并在操作过程不易造成陶瓷基板和金属导热凸块接垫间的界面损坏，提升产出良率。
根据本发明的实施例，本发明提供的一种具有金属导热凸块接垫的陶瓷基板元件，供设置至少一高发热的晶粒，该陶瓷基板元件包括：一陶瓷基板本体，具有一上表面和相反于前述上表面的一下表面；及至少一金属凸块接垫，包括一结合于上述上表面、且厚度介于10至300微米的薄型接合层，该薄型接合层具有一个第一热膨胀系数，该第一热膨胀系数大于上述陶瓷基板本体的热膨胀系数；及一结合于该薄型接合层、供上述晶粒焊接结合的固晶层，该固晶层具有一个第二热膨胀系数，该第二热膨胀系数大于上述陶瓷基板本体的热膨胀系数，该固晶层之表面积不小于对应设置于该固晶层的上述晶粒，且该固晶层的上述表面积小于上述薄型接合层，藉此减缓上述薄型接合层与该陶瓷基板本体界面受热应力破裂。
当把高发热晶粒安装于上述具有金属导热凸块接垫的陶瓷基板元件，就可以构成本发明的一种陶瓷基板组件，包括：至少一高发热的晶粒；一陶瓷基板本体，具有一上表面和相反于前述上表面的一下表面；至少一金属凸块接垫，包括一结合于上述上表面、且厚度介于10至300微米的薄型接合层，该薄型接合层具有一个第一热膨胀系数，该第一热膨胀系数大于上述陶瓷基板本体的热膨胀系数；及一结合于该薄型接合层、供上述晶粒焊接结合的固晶层，该固晶层具有一个第二热膨胀系数，该第二热膨胀系数大于上述陶瓷基板本体的热膨胀系数，该固晶层之表面积不小于对应设置于该固晶层的上述晶粒，且该固晶层的上述表面积小于上述薄型接合层，藉此降低上述薄型接合层与该陶瓷基板本体界面受热应力破裂风险。
根据本发明的实施例，本发明提供的一种具有金属导热凸块接垫的陶瓷基板制法，使至少一金属凸块接垫接合于一陶瓷基板本体，并供设置至少一高功率晶粒，该陶瓷基板本体具有一上表面和相反于前述上表面的一下表面，供上述晶粒焊接结合的固晶层，该固晶层具有一个第二热膨胀系数，该制法包括下列步骤：a)在前述上表面上溅镀一层厚度小于1微米的金属的种子层；b)在上述种子层上成型一层金属的增厚层，使得该增厚层与上述种子层共同构成一厚度介于10至300微米的薄型接合层，该薄型接合层具有一个预订表面积，以及该薄型接合层具有一个大于上述陶瓷基板本体热膨胀系数的第一热膨胀系数，藉此减缓上述薄型接合层与该陶瓷基板本体界面受热应力破裂；c)在上述薄型接合层上形成一层面积不小于上述高功率晶粒的金属的固晶层，且该固晶层的前述面积小于上述薄型接合层预订表面积，使得该固晶层和上述薄型接合层共同构成一金属导热凸块接垫，该固晶层具有一个大于上述陶瓷基板本体热膨胀系数的第二热膨胀系数。
相较于现有技术，本发明提供的具有金属导热凸块接垫的陶瓷基板元件、组件及其制法，藉由多层结构的金属凸块接垫，使得与陶瓷基板连结的薄型接合层界面厚度在一定范围内，降低界面受热应力破裂的机率，藉此提升产出良率，同时延长使用寿命，并且利用多层金属结构，让陶瓷基板上结合有厚度较厚的金属凸块接垫，让单位厚度内的温差减小，藉此保护金属和陶瓷的接口，延长使用寿命，且使得设置发热度较高的晶粒、芯片等元件成为可行。
附图说明
图1为本发明第一较佳实施例具有金属导热凸块接垫的陶瓷基板元件的侧视示意图。
图2为本发明第一较佳实施例具有金属导热凸块接垫的陶瓷基板组件的侧视示意图。
图3A至图3K为具有金属导热凸块接垫的陶瓷基板制法过程的侧面剖视结构示意图。
图4为本发明第二较佳实施例具有金属导热凸块接垫的陶瓷基板元件的侧视示意图。
其中：10、40为陶瓷基板元件；11、21、30为陶瓷基板本体；12、22、41为金属凸块接垫；13、23为薄型接合层；14、24、36为固晶层；111为上表面；112为下表面；20为陶瓷基板组件；25、37为晶粒；26、38为金属引线；27、39为金属接垫；231、34为上薄型接合层；232、32为下薄型接合层；31为通孔；33、35为光阻层；42为保护层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐述本发明。这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明记载的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修改同样落入本发明权利要求所限定的范围。
如图1所示，本发明第一较佳实施例提供的一种具有金属导热凸块接垫的陶瓷基板元件10，包括陶瓷基板本体11和金属凸块接垫12，陶瓷基板本体11具有上表面111和相反于上表面111的下表面112，金属凸块接垫12包括薄型接合层13和固晶层14。本实施例中是以溅镀的方式将铜结合于上表面111，再镀厚形成厚度介于10至300微米的薄型接合层13，其中铜的热膨胀系数约为17ppm/K，而一般陶瓷基板材料(例如氧化铝、氮化铝与氮化硅)的热膨胀系数约为4～7ppm/K，藉由设置厚度较薄的薄型接合层13，使其发挥较佳的延展性；接着利用光阻进行显影而第二次电镀铜，在薄型接合层13上进一步形成可供晶粒焊接结合的固晶层14，固晶层14的表面积小于薄型接合层13。当固晶层14受热膨胀时，一方面温度差会分布在较厚的金属层级中，使得单位厚度的温差降低；另方面藉由薄型接合层13的延展性，保持金属凸块接垫12与陶瓷基板接合界面不易因热应力破裂。
本发明中所述薄型接合层和固晶层经过布局(Pattern)等一系列后续常规加工程序即为金属电路层，金属凸块接垫为金属电路层中供焊接晶粒的焊垫或接垫(Pad)。当然，熟知此技术者可以采用电镀、溅镀、蒸镀或化学镀或其他可行的方式，并且采用合适的金属用以形成薄型接合层和固晶层的金属电路层。
图2为本发明具有金属导热凸块接垫的陶瓷基板组件的第一较佳实施例的示意图，本实施例中陶瓷基板组件20的晶粒25为一高功率的绝缘栅双极晶体管IGBT(InsulatedGate Bipolar Transistor)，并以例如表面安装(Surface-mount technology，SMT)的方式将晶粒25焊接固定于金属凸块接垫22。在本实施例中，为便于说明起见，将金属凸块接垫22的薄型接合层23区分为一个溅镀成形的下薄型接合层232(或称之为种子层)，以及一个电镀在下薄型接合层232上方的上薄型接合层231(或称之为增厚层)，但当两者均采用相同的例如单纯铜金属构成，在实务上并不容易清楚分辨。在本实施例中下薄型接合层232是采用钛/铜结合于陶瓷基板本体21的上表面，形成厚度小于0.5微米的下薄型接合层232，并透过电镀的方式将铜增厚为上薄型接合层231，接着根据晶粒25的规格需求，在上薄型接合层231电镀上厚度符合晶粒25功率的固晶层24，晶粒25设置于固晶层24后，经由金属引线26，将晶粒25的电极打线接合至对应的另一金属接垫27，使得晶粒25能够电导通运作。
由于IGBT具有高效率以及切换速度快等优点，常应用于作功量较大的电子设备，如：冷气机、电冰箱、音响、以及马达驱动器等，因此前述电子设备运作时，IGBT将产生大量的热能，透过厚度较大的固晶层24，一方面使金属凸块接垫22能够承受更大的电流所带来的热能，另一方面由于固晶层24下方是接合上薄型接合层231，两者的热膨胀系数接近，故接合的界面热应力较低，不易损坏；薄型接合层23由于尺寸大于上方的固晶层24，未被固晶层24所覆盖的边缘部分厚度较薄，相对延展性较佳，即使跟接合陶瓷基板本体21接合处膨胀情况不一，也可以自行展延吸收应力，而降低易因为热应力所造成接口破裂或断裂的风险。
如图3A至图3K所示，本实施例中，具有金属导热凸块接垫的陶瓷基板的制法是透过DPC(Direct Plating Copper)制程来执行，相较于DBC(Direct Bonding Copper)制程，DPC制程所完成的金属导热凸块接垫的陶瓷基板能提供更佳的材料稳定性和设计灵活度，且金属和陶瓷基板之间具有优越的黏合强度，其接口空隙率也较低。
图3A中是以氧化铝(Al2O3)氮化铝(AlN)为基板材料的陶瓷基板本体30，陶瓷基板本体30在经过V型槽(V-cut)或导通孔(via)加工后形成如图3B所示的通孔31，再透过溅镀方式将钛/铜靶材击打加速，结合于陶瓷基板本体30上，形成图3C所示的下薄型接合层32。随后，如图3D所示涂布光阻并经曝光、显影后，形成如图3E所示的光阻层33，再以例如电镀的方式增厚下薄型接合层32，构成图3F中的上薄型接合层34，并由下薄型接合层32和上薄型接合层34共同构成薄型接合层。
如图3G所示再度涂布光阻，经曝光、显影后形成如图3H所示的二次光阻层35，由于二次光阻层35的范围较原先第一次的光阻层33大，所以如图3I所示，接下来电镀形成的固晶层36，其表面积会小于薄型接合层34，接下来则进行去光阻与蚀刻，如图3J所示，使得未被增厚的溅镀金属层被蚀刻去除，让在电路布局上的金属电极彼此独立分离，最后，如图3K所示，将晶粒37焊接打件于固晶层36上，由于本实施例中的晶粒37有一处电极是直接经由焊接而导接至固晶层36，另一极则经由金属引线38，打线接合至另一金属接垫39。而后续点胶、灌胶或烘烤等封装程序则可依晶粒37的种类而进行。
当然，如熟悉本技术领域人士所能轻易理解，此处的每一步骤并非局限于上述实施例，例如薄型接合层也可以不需要区分上下，而在陶瓷基板表面单纯的结合铜箔。此外，固晶层也可以跟薄型接合层或上薄型接合层一同镀厚成形，并且在光阻遮蔽下，保留固晶层的部分而蚀刻形成固晶层与薄型接合层间的差异尺寸，均可制造出本发明结构。
如图4所示，本发明第二较佳实施例提供的具有金属导热凸块接垫的陶瓷基板元件40，除了具有与图3J中元件相同的结构外，金属凸块接垫41的外表面更覆盖有保护层42，保护层42的材质可为金(Au)、银(Ag)、钯(Pd)或镍(Ni)等材质，透过热风整平、有机涂覆、化学镀镍/浸金或浸银等方式形成保护层42于金属凸块接垫41的外表面，可避免铜材质的金属凸块接垫41因氧化而影响可焊性或导电性。
综上所述，本发明提供的具有金属导热凸块接垫的陶瓷基板元件、组件及制法，透过双层结构的金属凸块接垫，利用固晶层厚度而减缓单位厚度的温度差、以及利用薄型接合层面积超过固晶层的厚度受限结构，展现薄型接合层的延展性，减缓金属电路层与陶瓷基板的结合界面破裂的问题，而固晶层可根据晶粒的功率或发热量，设计合适的厚度，使金属凸块接垫符合高电流密度均匀性的要求。
Claims (10)
1.一种具有金属导热凸块接垫的陶瓷基板元件，供设置至少一高发热的晶粒，其特征是，该陶瓷基板元件包括：
一陶瓷基板本体，具有一上表面和相反于前述上表面的一下表面；
至少一金属凸块接垫，包括：
一结合于上述上表面、且厚度介于10至300微米的薄型接合层，该薄型接合层具有一个第一热膨胀系数，该第一热膨胀系数大于上述陶瓷基板本体的热膨胀系数；
一结合于该薄型接合层、供上述晶粒焊接结合的固晶层，该固晶层具有一个第二热膨胀系数，该第二热膨胀系数大于上述陶瓷基板本体的热膨胀系数，该固晶层之表面积不小于对应设置于该固晶层的上述晶粒，且该固晶层的上述表面积小于上述薄型接合层，藉此减缓上述薄型接合层与该陶瓷基板本体的界面受热应力破裂。
2.如权利要求1所述的具有金属导热凸块接垫的陶瓷基板元件，其特征是，该薄型接合层是由一个上薄型接合层与一个下薄型接合层组成，该上薄型接合层结合该固晶层，该下薄型接合层结合上述上表面且厚度小于0.5微米。
3.如权利要求1所述的具有金属导热凸块接垫的陶瓷基板元件，其特征是，该下薄型接合层材质为钛以及铜，该上薄型接合层与该固晶层材质为铜。
4.如权利要求1所述的具有金属导热凸块接垫的陶瓷基板元件，其特征是，该陶瓷基板元件进一步包括一保护层，该保护层至少覆盖于上述金属凸块接垫的外表面。
5.一种具有金属导热凸块接垫的陶瓷基板组件，其特征是，该陶瓷基板组件包括：
至少一高发热的晶粒；
一陶瓷基板本体，具有一上表面和相反于前述上表面的一下表面；
至少一金属凸块接垫，包括：
一结合于上述上表面、且厚度介于10至300微米的薄型接合层，该薄型接合层具有一个第一热膨胀系数，该第一热膨胀系数大于上述陶瓷基板本体的热膨胀系数；
一结合于该薄型接合层、供上述晶粒焊接结合的固晶层，该固晶层具有一个第二热膨胀系数，该第二热膨胀系数大于上述陶瓷基板本体的热膨胀系数，该固晶层之面积不小于对应设置于该固晶层的上述晶粒，且该固晶层的上述面积小于上述薄型接合层，藉此减缓上述薄型接合层与该陶瓷基板本体的界面受热应力破裂。
6.如权利要求5所述的具有金属导热凸块接垫的陶瓷基板组件，其特征是，该薄型接合层是由一个上薄型接合层与一个下薄型接合层组成，该上薄型接合层结合该固晶层，该下薄型接合层结合上述上表面且厚度小于0.5微米。
7.如权利要求5所述的具有金属导热凸块接垫的陶瓷基板组件，其特征是，该陶瓷基板组件进一步包括一保护层，该保护层至少覆盖于上述金属凸块接垫的外表面。
8.一种具有金属导热凸块接垫的陶瓷基板的制法，使至少一金属凸块接垫接合于一陶瓷基板本体，并供设置至少一高功率的晶粒，该陶瓷基板本体具有一上表面和相反于前述上表面的一下表面，供上述晶粒焊接结合的固晶层，该固晶层具有一个第二热膨胀系数，其特征是，该制法包括下列步骤：
a)在前述上表面上溅镀一层厚度小于1微米的金属的种子层；
b)在上述种子层上成型一层金属的增厚层，使得该增厚层与上述种子层共同构成一厚度介于10至300微米的薄型接合层，该薄型接合层具有一个预订表面积，以及该薄型接合层具有一个大于上述陶瓷基板本体热膨胀系数的第一热膨胀系数，藉此减缓上述薄型接合层与该陶瓷基板本体的界面受热应力破裂；
c)在上述薄型接合层上形成一层面积不小于上述高功率晶粒的金属的固晶层，且该固晶层的前述面积小于上述薄型接合层预订表面积，使得该固晶层和上述薄型接合层共同构成一金属导热凸块接垫，该固晶层具有一个大于上述陶瓷基板本体热膨胀系数的第二热膨胀系数。
9.如权利要求8所述的具有金属导热凸块接垫的陶瓷基板的制法，其特征是，进一步包含下述步骤：
d)上述薄型接合层和该固晶层之表面镀上一保护层。
10.如权利要求8所述的具有金属导热凸块接垫的陶瓷基板的制法，其特征是，进一步包含下述步骤：
d)将该晶粒设置于该固晶层，该晶粒打线接合至对应的上述金属凸块接垫；
e)封装该晶粒对应于该陶瓷基板本体之处。
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