TW201318497A - 先進銅箔鍵合陶瓷基板技術 - Google Patents

Abstract

一種銅箔與陶瓷基板組成複合板之先進技術，製程步驟包含有：提供陶瓷基板及銅箔；製程一為將陶瓷基板放於薄膜濺鍍機中，工作真空度1.33x10-3torr、溫度控制於150℃，濺鍍銅膜厚度小於1μm。製程二將已鍍薄銅膜層之陶瓷基板於室溫下電鍍銅，銅層厚度為10~50μm。製程三為電鍍完成後之陶瓷基板與銅箔以壓合貼合後放入高溫的燒結爐中，其可為真空、可為含惰性氣體負壓或含H2分壓氣氛環境下，利用擴散結合(diffusion bonding)技術，銅原子間鍵結形成銅片，銅片表面銅原子與陶瓷基板表面鋁原子相互擴散形成結合層，此擴散結合技術使銅箔與陶瓷基板直接鍵合成複合板。

Description

先進銅箔鍵合陶瓷基板技術

本發明是有關於一種銅箔與陶瓷基板製成複合板之鍵合技術，特別是指陶瓷基板經濺鍍銅膜、銅膜上再電鍍銅後，陶瓷基板與銅箔以壓合貼合後放入高溫的燒結爐中，其可為真空、可為含惰性氣體負壓或含H₂分壓氣氛環境下，以一種擴散結合(diffusion bonding)技術，控制銅箔表面與陶瓷基板表面形成結合層而貼合之技術。

目前廣泛應用將銅箔與陶瓷基板鍵合的方式為直接鍵合銅技術(簡稱DBC，Direct Bonding Copper)，其主要製程為首先將銅箔表面生成氧化銅層，接著將含有氧化銅層的銅箔貼合於具氧化物表層之陶瓷基板表面，在1065~1083℃溫度下於燒結爐中共晶燒結，如此銅箔將直接鍵合於陶瓷基板表面。

例如：美國專利5490627號描述銅鎢合金直接鍵合銅(DBC)於氧化鋁陶瓷基板表面之技術，方式是在1200℃溫度下銅鎢合金表面擴散銅原子，接著將銅原子於燒結爐中在氧元素氣氛下表面生成氧化銅，將表面生成氧化銅之銅鎢合金與氧化鋁陶瓷基板於1065~1083℃溫度下進行熱處理共晶鍵合。

或，美國專利3766634號敘述銅或其它金屬直接鍵合(DBC)於陶瓷基板之方法，其專利舉例說明表面含有氧化銅之銅箔與氧化鋁陶瓷基板於共晶熔點下燒結。

又如，美國專利4505418號說明一種方法，其直接鍵合銅箔(DBC)與陶瓷基板於含氧氣氛的燒結爐中共晶燒結，燒結爐中壓力不超過1mbar，氧氣分壓介於0.001至0.1mbar之間。

以及中華民國專利申請號096148408公告一種銅箔與陶瓷基板製造複合板之方法，步驟包含：提供一陶瓷基板及一銅箔；將該銅箔之一表面以濕式氧化方式形成一氧化銅表層；將該銅箔之該氧化銅表層與該陶瓷基板表面相對貼合後進行熱處理，銅箔表面與陶瓷基板於高溫直接鍵合(DBC)形成一複合板。

由以上專利可知銅箔鍵合陶瓷基板方式，主要是先將銅箔表面生成氧化銅層，接著將銅箔與陶瓷基板貼合放入燒結爐中，在高於共晶熔點卻低於銅熔點的溫度下直接鍵合(DBC)，所需製程繁瑣，且經過銅表面生成氧化銅層，陶瓷基板材料若為氮化鋁則表面需生成氧化鋁層，接著銅箔再與陶瓷基板共晶燒結，此方式過程中有多道熱處理工法，耗時且浪費能源。

本發明主要目的為提供一種製程簡單且節約能源的銅箔與陶瓷基板直接鍵合技術。

為達成本發明之目的，本發明先進銅箔鍵合陶瓷基板技術之步驟為：將一陶瓷基板首先濺鍍薄的銅膜層，接著銅膜層上再電鍍銅以形成一銅介質層，鍵合過程不需氧化物作結合層，銅箔、銅介質層與陶瓷基板以壓合貼合後放入高溫的燒結爐中，燒結爐內可為真空、可為含惰性氣體負壓或含H₂分壓氣氛環境下，以擴散結合(Diffusion Bonding)技術使銅膜層、銅層與銅箔彼此接觸面間原子相互擴散鍵結銅結合層形成銅片，銅片表面銅原子與陶瓷基板表面鋁原子相互擴散形成結合層，直接將銅箔與陶瓷基板鍵合成複合板。

為能詳細說明本發明之特徵及功效以下茲舉二實施例並配合圖式說明如下。有關本發明技術內容，以下配合參考圖式說明雙面鍵合與單面鍵合銅箔之製程。

如圖1至圖5所示，本發明先進銅箔鍵合陶瓷基板技術其雙面鍵合銅箔製程如下，依據本發明提供一種銅箔與陶瓷基板鍵合之擴散結合(Diffusion Bonding)技術，步驟包含：提供一陶瓷基板及一銅箔。前述陶瓷基板可由三氧化二鋁(Al₂O₃)或氮化鋁(AlN)粉末材料，首先利用薄帶刮刀成型或粉末壓制成型製程將粉末材料在大氣或無氧高溫(1900℃)下燒結成陶瓷基板1(圖1)。

製程一，將一陶瓷基板1於薄膜濺鍍機中將上下兩表面濺鍍銅膜2(圖2)。使該陶瓷基板表面形成厚度小於1μm銅膜。前述薄膜濺鍍機操作溫度為150℃、真空度為1.33x10^-3torr，濺鍍銅膜厚度小於1μm。

製程二將製程一濺鍍銅薄膜之陶瓷基板於室溫下電鍍銅3，使該銅膜2以及電鍍銅層3形成一銅介質層，銅介質層厚度為10~50μm。將已濺鍍銅膜陶瓷基板置於電鍍槽中通入直流電進行電鍍，適用於本發明之電鍍液為硫酸鹽鍍銅溶液。硫酸鹽鍍銅溶液廣泛應用於電子行業，優點是穩定、價廉、毒性小、電流效率高、可使用高電流密度，因此生產效率高。硫酸鹽鍍銅溶液中主要含有CuSO₄、H₂SO₄、Cl^-和有機添加劑等成分。CuSO₄是主鹽，為溶液中Cu²⁺的來源，濃度要適度。濃度過低會造成沉積速率慢；濃度過高則沉積速率太快，使結晶顆粒粗大，並影響電鍍液的深鍍能力。H₂SO₄主要是增加電鍍液的導電能力，並且防止Cu²⁺水解，濃度亦需適中。濃度太高電鍍液分散能力差，太低則電鍍層脆性增加，韌性下降。Cl^-可以提高陽極的活性，促進陽極正常溶解，防止陽極鈍化；還可以減少因陽極溶解不完全產生的“銅粉”，提高電鍍層的光亮和整平能力，改善電鍍層質量。添加劑在酸性電鍍液鍍銅中很關鍵，一般有載運劑、光亮劑、整平劑等，通常需要幾種添加劑協同作用才能達到理想的效果。它可以改變電極的表面吸附狀況，進而改變電鍍層的結構。

製程三，取表面已潔淨的銅箔4，將完成製程二之陶瓷基板1與銅箔4以壓合貼合放入高溫的燒結爐中鍵合(圖4)，燒結爐內可為真空、可為含惰性氣體負壓或含H₂分壓氣氛環境下其內部壓力小於或等於一大氣壓，利用擴散結合(Diffusion Bonding)的方式使銅膜2、銅層3、銅箔4鍵合成銅片41，銅片41表層與陶瓷基板1原子間相互擴散形成結合層5，銅片41與陶瓷基板1緊密鍵合形成一複合板6(圖5)。

前述銅箔於鍵合前需先清潔，去除表面不純物與油脂，清潔方式為將銅箔浸入稀釋過後的鹽酸水溶液，保持溫度在60℃以下浸泡小於1分鐘後取出，取出之銅箔再以去離子水洗淨。前述擴散結合技術適用的溫度範圍介於900~1200℃，貼合陶瓷基板1與銅箔4的壓力介於1~10kg/cm²，若燒結爐內為惰性氣體環境，其真空度為1~760torr；若為H₂分壓氣氛環境，壓力則設定2psi，鍵結時間5~10分鐘。

前述擴散結合(Diffusion Bonding)為本發明強調之重點。擴散結合是指相互接觸的材料表面以壓合貼合，在高温的作用下相互靠近，局部發生塑性變形，原子與原子間產生相互擴散，在界面處形成了新的擴散層，進而產生可靠結合。本發明於鍵合過程中不需氧元素做中間層幫助結合，省略多道熱處理工法。

本發明可視銅箔厚度(100μm以上)省略製程二，直接將已濺鍍薄銅膜2所形成的銅介質層與陶瓷基板1、銅箔4貼合利用擴散結合技術使銅箔4與陶瓷基板1雙面鍵合成複合板6，不需將完成製程一濺鍍薄銅膜2陶瓷基板1電鍍銅3。

如第6圖第10圖所示為本發明單面鍵合銅箔製程之步驟，首先利用粉末壓制成型製程將粉末材料在大氣或無氧高溫(1900℃)下燒結成陶瓷基板1(圖6)。

製程一將陶瓷基板1於薄膜濺鍍機中將一表面濺鍍銅膜2(圖7)。單面濺鍍銅，非鍍面需進行絕緣保護以保證陶瓷基板非鍍面不會鍍上銅層。

製程二將已鍍銅膜2之陶瓷基板1於室溫下電鍍銅3(圖8)。使該銅膜以及電鍍銅層形成一銅介質層，銅介質層厚度為10~50μm。

製程三取表面已潔淨的銅箔4，將完成製程二之陶瓷基板1與銅箔4以壓合貼合放入高溫的燒結爐中鍵合(圖9)，燒結爐內可為真空、可為含惰性氣體負壓或含H₂分壓氣氛環境下使燒結爐內的壓力小於或等於一大氣壓，利用擴散結合技術使銅膜2、銅層3、銅箔4鍵合成銅片41，銅片41表層與陶瓷基板1原子間相互擴散形成結合層5，銅箔4與陶瓷基板1緊密鍵合形成一複合板6(圖10)。

綜合以上說明所述，本發明將銅箔4與陶瓷基板1製作成複合板6之方法，由擴散結合方式使銅箔4與陶瓷基板1於高溫的真空環境、惰性氣體負壓或含H₂分壓氣氛環境下進行鍵合，陶瓷基板可單面或雙面鍵合銅箔，且都只需要進行一次擴散結合製程，減少熱處理工程，相較一般直接鍵合銅之製法，製程簡化且省時省能，確實達到本發明之目的。

本發明利用高溫的真空環境、惰性氣體負壓或含H₂分壓氣氛環境下擴散結合技術使銅箔與陶瓷基板單面或雙面鍵合成複合板，製程只需進行一次於燒結爐中高溫燒結使銅箔與陶瓷基板鍵合之熱處理過程。與目前廣泛使用之直接鍵合銅技術比較，本發明省略多道熱處理工法，達到節省製程時間與能源之優點，且本發明擴散結合技術能使銅箔與陶瓷基板形成結合層產生很強的附著力；銅箔與陶瓷基板貼合於一起同時在燒結爐中進行高溫燒結，陶瓷基板與銅箔直接鍵合，銅箔不易脫落。

本發明之第二實施例亦可視銅箔厚度省略製程二，直接將已濺鍍薄銅膜所形成的銅介質層與陶瓷基板及銅箔壓合貼合利用擴散結合技術，使銅箔與銅膜介面原子相互擴散結合在一起成為銅箔，銅箔與陶瓷基板單面或雙面接觸面因銅原子與鋁原子相互擴散形成結合層，其使銅箔與陶瓷基板鍵合成複合板，全製程不需將濺鍍銅膜後陶瓷基板電鍍銅。

以上所述為本發明製程：製程一為將陶瓷基板放於薄膜濺鍍機濺鍍銅膜。製程二將已鍍薄銅膜之陶瓷基板於室溫下電鍍銅，製程二可視銅箔厚度而省略。製程三為電鍍完成後或僅具銅膜層之陶瓷基板與銅箔以壓合貼合放入燒結爐中，在高溫的真空環境、惰性氣體負壓或含H₂分壓氣氛環境下，利用擴散結合(diffusion bonding)技術使銅箔與陶瓷基板直接鍵合成複合板。但不能以此製程限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

1．．．陶瓷基板

2．．．銅膜

3．．．銅層

4．．．銅箔

41．．．銅片

5．．．結合層

6．．．複合板

圖1為陶瓷基板示意圖；

圖2是說明雙面濺鍍銅膜之陶瓷基板示意圖；

圖3是說明電鍍銅後陶瓷基板示意圖；

圖4是說明本發明經製程二後銅箔與陶瓷基板壓合貼合，於高溫的真空環境、惰性氣體負壓或含H₂分壓氣氛環境下，利用擴散結合技術製作複合板示意圖；

圖5是說明本發明銅箔與陶瓷基板經擴散結合後，銅箔與陶瓷基板生成結合層而形成複合板示意圖；

圖6為陶瓷基板示意圖；

圖7是說明單面濺鍍銅膜之陶瓷基板示意圖；

圖8是說明電鍍銅後陶瓷基板示意圖；

圖9是說明本發明經製程二後銅箔與陶瓷基板壓合貼合，於高溫的真空環境、惰性氣體負壓或含H₂分壓氣氛環境下，利用擴散結合技術製作複合板示意圖；

圖10是說明本發明銅箔與陶瓷基板經擴散結合後，銅箔與陶瓷基板生成結合層而形成複合板示意圖。

1．．．陶瓷基板

4．．．銅箔

41．．．銅片

5．．．結合層

6．．．複合板

Claims (10)

1. 一種先進銅箔鍵合陶瓷基板技術，其步驟包含有：將一陶瓷基板1於薄膜濺鍍機中將至少一表面濺鍍銅膜，使該陶瓷基板表面形成一銅介質層；取表面已潔淨的銅箔4，將前述之陶瓷基板1與銅箔4以壓合貼合放入高溫的燒結爐中鍵合，燒結爐內的壓力小於或等於一大氣壓，利用擴散結合(Diffusion Bonding)的方式使銅介質層、銅箔4鍵合成銅片41，銅片41與陶瓷基板1原子間相互擴散形成結合層5，銅片41與陶瓷基板1緊密鍵合形成一複合板。
2. 依據申請專利範圍第1項所述先進銅箔鍵合陶瓷基板技術，其中陶瓷基板可由三氧化二鋁(Al₂O₃)或氮化鋁(AlN)粉末材料在大氣或無氧高溫(1900℃)下燒結。
3. 依據申請專利範圍第1項所述先進銅箔鍵合陶瓷基板技術，其中陶瓷基板利用薄帶刮刀成型或粉末壓制成型製程在大氣或無氧高溫(1900℃)下燒結陶瓷基板。
4. 依據申請專利範圍第2項所述先進銅箔鍵合陶瓷基板技術，其中該陶瓷基板之雙面皆設有銅介質層。
5. 依據申請專利範圍第4項所述先進銅箔鍵合陶瓷基板技術，其中該薄膜濺鍍操作溫度為150℃、真空度為1.33x10^-3torr，濺鍍銅膜厚度小於1μm。
6. 依據申請專利範圍第5項所述先進銅箔鍵合陶瓷基板技術，其中該陶瓷基板於置入燒結爐前可於室溫下電鍍銅於銅膜上，使銅膜及電鍍銅層形成該銅介質層，厚度為10~50μm。
7. 依據申請專利範圍第6項所述先進銅箔鍵合陶瓷基板技術，其中該銅箔於鍵合前需先清潔，去除表面不純物與油脂，清潔方式為將銅箔浸入稀釋過後的鹽酸水溶液，保持溫度於60℃以下浸泡小於1分鐘後取出，取出之銅箔再以去離子水洗淨。
8. 依據申請專利範圍第1項所述先進銅箔鍵合陶瓷基板技術，其中擴散結合技術適用的溫度範圍介於900~1200℃，貼合陶瓷基板與銅箔的壓力介於1~10kg/cm²，若燒結爐內為惰性氣體環境，其真空度為1~760torr，鍵結時間5~10分鐘。
9. 依據申請專利範圍第1項所述先進銅箔鍵合陶瓷基板技術，其中擴散結合技術適用的溫度範圍介於900~1200℃，貼合陶瓷基板與銅箔的壓力介於1~10kg/cm²，若燒結爐內為H₂分壓氣氛環境，壓力則設定2psi，鍵結時間5~10分鐘。
10. 依據申請專利範圍第1項或第6項所先進銅箔鍵合陶瓷基板技術，其中濺鍍銅膜厚度小於1μm。