TW201345710A - 一低應力厚銅陶瓷基板 - Google Patents

Abstract

本發明係揭露一種低應力厚銅陶瓷基板，該低應力厚銅陶瓷基板至少包含一陶瓷基板、一中間金屬層以及一厚銅層，其中該厚銅層係形成於該中間金屬層上，藉由該中間金屬層固定於該陶瓷基板上，且該厚銅層側壁與該中間金屬層之邊緣對準。當該低應力厚銅陶瓷基板遇熱時可藉由該中間金屬層之緩衝空間吸收之該厚銅層與該中間金屬層產生之應力，因此可有效降低因冷熱衝擊造成的熱應力損害，而減少該厚銅層自陶瓷基板剝離或降低該陶瓷基板破損的發生。

Description

一低應力厚銅陶瓷基板

本發明係關於一種低應力厚銅陶瓷基板，尤指一種具有一中間金屬層與緩衝空間的具低應力陶瓷基板。

近年來，由於陶瓷的優良絕緣性與散熱特性，使得以陶瓷作為電路基板的產品與技術日益受到重視，目前習知的陶瓷基板製作技術有：低溫共燒多層陶瓷基板(Low-Temperature Co-fired Ceramic，LTCC)、高溫共燒多層陶瓷基板(High-Temperature Co-fired Ceramic，HTCC)、直接接合銅陶瓷基板(Direct Bonded Ceramic，DBC)與直接鍍銅陶瓷基板(Direct Plated Ceramic，DPC)等。就金屬線路製作工法而言，LTCC與HTCC其製作工法相同，均以網版印刷方式將導體塗料印刷於未燒結之陶瓷生胚上，待印刷完成後，再將各生胚層堆疊，以高溫燒結方式將其陶瓷與導體固化，但因線路採印刷製作，其導體厚度將無法做厚，僅限於15~20μm。直接接合銅陶瓷基板(Direct Bonded Copper，DBC)乃利用高溫加熱(1080℃)製程將燒結後的陶瓷基板與銅泊進行結合，再以黃光與蝕刻製程製作其金屬線路，金屬銅厚約在150~300μm之間，線路解析度亦約150~300μm之間(以深寬比1：1為標準)。直接鍍銅基板(Direct Plated Copper，DPC)則為結合半導體薄膜與電鍍方式製作，以真空鍍膜、黃光製程、與電鍍製程製 作其線路，使基板上的線路能夠更加精確，導體平整度佳，且導體厚度可隨意調整，厚度可控制在10~300μm間，且最小線路解析度可至50μm，以輕易符合各式樣產品設計需求。然而，為滿足高功率模組或高轉換效率-聚光型太陽能電池模組需求，陶瓷基板上的導體厚度日益增加，以滿足產品對高導電、高導熱、低電阻、與高可靠度等特性需求。上述四種陶瓷基板技術，除DBC與DPC基板可製作厚導體外，LTCC與HTCC因受限於天生製程限制，將無法供應此需求。

然而，雖DBC與DPC技術可製作厚導體陶瓷基板，但由於陶瓷基板與其金屬(銅)之熱膨脹係數差異過大，其銅的熱膨脹係數約16ppm/℃，與陶瓷的熱膨脹係數(約4~6 ppm/℃)相差數倍，急劇的熱膨脹係數不匹配，將有可能在其生產過程或可靠度測試時，因急劇的冷熱衝擊在基板內部產生強烈內應力，以導致陶瓷基板剝離損壞，造成產品可靠度不良的問題。如習知技術在第一圖中所示，因陶瓷基板10與其他金屬銅12之熱膨脹係數差異過大，在數次冷熱衝擊後在基板內部產生的強烈內應力，將導致陶瓷基板內部產生破裂(crack)11現象。

有鑑於此，為解決應力相關問題，先前技術如中華民國公告專利I257658號所揭露之半導體功率裝置及其形成方法，該專利揭露了可在功率金屬結構、鈍化層與互連之間形成一聚亞烯胺層，藉由該聚亞烯胺層作為一緩衝層，以降低兩薄膜間之應力，可減少半導體裝置上之功率金屬造成之切應力(shear stress)的技術。

如美國公告專利5,672,848號所揭露之陶瓷電路板，該陶瓷電路板包括一個與陶瓷基板直接接合的銅電路板，該銅電路板上方設有一銅板元件與半導體元件，且該銅板元件具有溝槽或凹洞，藉由溝槽或凹洞可以分散半導體元件與基板之間的熱阻值，降低或減少該陶瓷電路板之熱應力，但該溝槽或凹洞係位於銅板元件之上表面，且其溝槽深度有所限制，因此該銅板元件所能吸收之熱膨脹量會受到限制，且該銅板元件底部相對於溝槽或凹洞的位置具有突起(convex portion)，會降低該銅板元件與陶瓷基板間的導熱效率，因此該銅板元件僅適用於小面積之陶瓷基板之熱應力分散。

如美國公開專利20090258193號所揭露之多層陶瓷基板，該陶瓷基板係由三層陶瓷薄片(ceramic green sheets)組成，其中一層係具有溝槽之中間層，該陶瓷基板可藉由該陶瓷中間層之溝槽去吸熱應力，而減少因熱膨脹係數不同而導致的破片(crack)問題，但該溝槽係位於中間層之上表面，其目的係用於降低陶瓷基板內部之熱應力，對於陶瓷基板與功率金屬間的應力降低效果有限。

鑑於上述先前技術的缺點，本發明之低應力厚銅陶瓷基板，係藉由一具有緩衝空間之中間金屬層，可有效降低因高熱造成之應力對基板之損害。

本發明之一目的在於提供一種低應力厚銅陶瓷基板，該低應力厚銅陶瓷基板包括一具有緩衝空間之中間金屬層，藉由該中間金屬層可減少熱應力造成厚銅陶瓷基板之破損或剝離。

為達上述目的，本發明之一種低應力厚銅陶瓷基板，該基板至少包含：一陶瓷基板；一中間金屬層，該中間金屬層係形成於該陶瓷基材之一面，且該中間金屬層具有緩衝圖案；以及一厚銅層，該厚銅層係形成於該中間金屬層上，藉由該中間金屬層固定於該陶瓷基板上，且該厚銅層側壁與該中間金屬層之邊緣對準。

上述之低應力厚銅陶瓷基板，其中該陶瓷基板與該中間金屬層之間進一步包含一種子層。

上述之低應力厚銅陶瓷基板，其中該種子層材料係選自鈦銅、鈦鎢銅、鉻銅或其組合。

上述之低應力厚銅陶瓷基板，其中該中間金屬層材料係選自金、銅、銀、鈀或其組合。

上述之低應力厚銅陶瓷基板，其中該中間金屬層之緩衝圖案進一步包含至少一緩衝空間。

上述之低應力厚銅陶瓷基板，其中該緩衝空間之深度與該中間金屬層之高度相同。

上述之低應力厚銅陶瓷基板，其中該緩衝空間係以使位於該緩衝空間之該厚銅層的底部與該陶瓷基板不接觸。

上述之低應力厚銅陶瓷基板，其中該緩衝空間進一步包含熱膨脹係數低於該厚銅層之低熱膨脹係數材料。

上述之低應力厚銅陶瓷基板，其中該低熱膨脹係數材料為空氣或光阻。

本發明之另一目的在於提供一種低應力厚銅陶瓷基板，其中該中間金屬層與該厚銅層之間進一步包含一種子層，藉由該中間金屬層可減少熱應力造成厚銅陶瓷基板之破損或剝離。

為達上述之另一目的，本發明之一種低應力厚銅陶瓷基板，該基板至少包含：一陶瓷基板；一中間金屬層，該中間金屬層係形成於該陶瓷基材之一面，該中間金屬層具有緩衝圖案，且該中間金屬層與該厚銅層之間進一步包含一種子層；以及一厚銅層，該厚銅層係形成於該中間金屬層上，藉由該中間金屬層固定於該陶瓷基板上，且該厚銅層側壁與該中間金屬層具之邊緣對準。

上述之低應力厚銅陶瓷基板，其中該種子層係形成於該中間金屬層之該緩衝空間上方，該種子層之一面與該厚銅層接觸，該種子層之另一面與該中間金屬層及該陶瓷基板接觸。

一厚銅陶瓷基板具有緩衝空間之中間金屬層為使本發明之低應力厚銅陶瓷基板之目的、特徵及功效能更明顯易懂，茲藉由下述具體之實施例，並配合所附之圖式，對本發明之實施方式做進一步的詳細說明。

請參閱第二圖(a)，第二圖(a)為依據本發明之低應力厚銅陶瓷基板第一實施例剖面示意圖，該低應力厚銅陶瓷基板至少包含一陶瓷基板10、一中間金屬層20以及一厚銅層30。在此實施例中，首先提供一個陶瓷基板10，利用濺鍍方式於陶瓷基板10表面形成一種子層21，厚度約1μm，再進一步於該種子層21上方貼合一乾膜(Dry film)光阻，貼合完成後對其乾膜光阻進行曝光顯影製程，於該乾膜形成複數個開口，然後以電鍍方式於該複數個開口內形成一厚度為50μm的銅層，該銅層為中間金屬層20，接著將貼附於該種子層21上方的乾膜光阻去除，並以蝕刻製程將鍍於陶瓷基板10之該種子層21去除，以形成具複數個緩衝空間22之中間金屬層20，而上述該種子層21可替換為蒸鍍、或化學鍍銅形成。

接下來於該中間金屬層20上方再貼合一乾膜光阻，貼合完成後對該乾膜光阻進行曝光顯影製程，藉由顯影後的乾膜定義出厚銅層區域，接著以電鍍製程於該中間金屬層20上方持續進行電鍍，以增加其金屬層厚度。然而，此時因該種子層21與該種子層上方的乾膜均已去除，故需在該中間金屬層需留下一導電線路，以提供後續電鍍製程所需之導電需求。

依上述實施例，將持續電鍍製程該中間金屬層20，該中間金屬層20除往縱向增厚外，亦往橫向增加，直到金屬厚度增加至某程度時，複數個該中間金屬層將自然接合，持續電鍍金屬層厚度至300μm時，即形成一厚銅層30，且位於該厚銅層下方之緩衝空 間即仍存在。接續該厚銅層30形成後，將該厚銅層30周邊剩餘的乾膜剝膜，使該厚銅層30側壁與該中間金屬層20之邊緣切齊對準。由於本實施例之低應力厚銅陶瓷基板在該中間金屬層20具有一該緩衝空間22，且藉由該緩衝空間22使該厚銅層30底部與該陶瓷基板10不接觸，當遇熱時可吸受該緩衝空間22周圍之該厚銅層30與該中間金屬層20產生之應力，因此可有效降低因高熱造成的熱應力損害，而減少該厚銅層30自陶瓷基板10剝離或降低該陶瓷基板10破損的發生。

再如上述實施例中第二圖(b)為本發明之低應力厚銅陶瓷基板以形成網格狀中間金屬層的緩衝空間俯視示意圖，其中該中間金屬層20，以蝕刻製程將鍍於該陶瓷基板10的該種子層21去除後，以形成具複數個緩衝空間22，且該緩衝空間22可進一步形成為網格形式外觀。

請參閱第三圖，第三圖為依據本發明之低應力厚銅陶瓷基板第二實施例剖面示意圖，該低應力厚銅陶瓷基板至少包含一陶瓷基板10、一中間金屬層20以及一厚銅層30，且該中間金屬層20具有一緩衝空間22，該緩衝空間22填有低熱膨脹係數之光阻23。在此實施例中，首先提供一個陶瓷基板10，先利用濺鍍於陶瓷基板10表面形成一種子層21，該種子層21厚度約為1μm，進一步再於該種子層上方貼合一乾膜(Dry film)光阻，貼合完成後對其乾膜光阻進行曝光顯影製程，並於該乾膜形成複數個開口，然後接續再以電鍍方式於該複數個開口內形成一厚度為50μm的銅層，該 銅層為中間金屬層20，前述該乾膜光阻會在該中間金屬層之間形成複數個緩衝空間22，而使得該中間金屬層20形成一具有該緩衝空間22，而上述該種子層21可替換為蒸鍍、或化學鍍銅形成。

在上述此實施例，因電鍍該中間金屬層20所使用的的乾膜與該種子層21並不會被去除，而直接於該中間金屬層20上方再貼合另一乾膜光阻，貼合完成後對該乾膜光阻進行曝光顯影製程，藉由顯影後的乾膜定義出厚銅層30區域，接著利用電鍍製程於該中間金屬層20上方的厚銅層30區域形成一厚度為250μm的厚銅層30，且於該厚銅層30形成後，再將該厚銅層30周邊剩餘的乾膜剝膜，使得該厚銅層30側壁與該中間金屬層20之邊緣切齊對準。特別地是在本實施例中，該厚銅層30區域下方的乾膜並不完全地被清除，並部分殘留於該緩衝圖案的緩衝空間22中，由於本實施例之低應力厚銅陶瓷基板在該中間金屬層20之緩衝空間22內仍殘留有部份的乾膜，而該乾膜為具有低熱膨脹係數之光阻23，其熱膨脹係數低於該厚銅層30與該中間金屬層20，因此可有效降低因高熱造成的熱應力損害，而減少厚銅層30自該陶瓷基板10剝離或降低該陶瓷基板10破損的發生。

如本發明第三實施例，其中第四圖為之低應力厚銅陶瓷基板剖面示意圖以及第五圖為本發明第三實施例之低應力厚銅陶瓷基板中間金屬層寬度與緩衝空間寬度三種比例曲線第一主應力分析數據圖，如第四圖其中該低應力厚銅陶瓷基板至少包含一陶瓷基板10、一中間金屬層20、一緩衝空間22以及一厚銅層30。其中該 中間金屬層20的寬度為一X距離，其中該X距離寬度為100μm-500μm，其中該緩衝空間22的寬度為一Y距離，其中該Y距離寬度為100μm。

再如上述第三實施例中，其第五圖為本發明第三實施例之低應力厚銅陶瓷基板該中間金屬層20寬度與緩衝空間22寬度三種比例曲線第一主應力分析數據，如第五圖中所示，其中◇曲線該一X距離之寬度為100μm，該Y距離之寬度為100μm，其中該X距離與該Y距離的等比例為1比1，其中另一□曲線該一X距離之寬度為300μm，該Y距離之寬度為100μm，其中該X距離與該Y距離的等比例為3比1，其中再另一△曲線該一X距離之寬度為500μm，該Y距離之寬度為100μm，其中該X距離與該Y距離的等比例為5比1，在圖五中可知三種曲線比例所承受之第一主應力分析數據比較，如圖五中該◇曲線所示，當該厚銅層30側壁與該緩衝空間22邊緣對準寬度為860μm，其中該中間金屬層20的寬度與該緩衝空間22的寬度比例為相同，其中該陶瓷基板10所承受的破裂應力較佳於該□曲線的X距離與該Y距離的等比例為3比1以及該△曲線的X距離與該Y距離的等比例為5比1。

再如上述第三實施例中第五圖實驗數據所示，可得知中間金屬層20的寬度與該緩衝空間22的寬度將決定該陶瓷基板10所承受的破裂應力，如在該陶瓷基板10增加該緩衝空間22的數量，使該中間金屬層20的寬度與該緩衝空間22的寬度比例為相同，將可減少該厚銅層30自該陶瓷基板10剝離或降低該陶瓷基板10破 損的發生。

在詳細說明上述本發明的各項較佳實施例之後，熟悉該項技術人士可清楚的瞭解，在不脫離下述申請專利範圍與精神下可進行各種變化與改變，亦不受限於說明書之實施例的實施方式。

10‧‧‧陶瓷基板

11‧‧‧基板破裂縫隙

12‧‧‧金屬銅

20‧‧‧中間金屬層

21‧‧‧種子層

22‧‧‧緩衝空間

23‧‧‧光阻

30‧‧‧厚銅層

40‧‧‧種子層

X‧‧‧中間金屬層的寬度

Y‧‧‧緩衝空間的寬度

第一圖為習知技術陶瓷基板剖面示意圖。

第二圖(a)為本發明第一實施例之低應力厚銅陶瓷基板剖面示意圖。

第二圖(b)為本發明第一實施例之低應力厚銅陶瓷基板網格狀中間金屬層的緩衝空間俯視示意圖。

第三圖為本發明第二實施例之低應力厚銅陶瓷基板剖面示意圖。

第四圖為本發明第三實施例之低應力厚銅陶瓷基板剖面示意圖。

第五圖為本發明第三實施例之低應力厚銅陶瓷基板中間金屬層寬度與緩衝空間寬度的三種比例曲線陶瓷基板第一主應力分析數據圖。

10‧‧‧陶瓷基板

20‧‧‧中間金屬層

21‧‧‧種子層

22‧‧‧緩衝空間

30‧‧‧厚銅層

Claims (9)

1. 一種低應力厚銅陶瓷基板，該基板至少包含：一陶瓷基板；一中間金屬層，該中間金屬層係形成於該陶瓷基材之一面，且該中間金屬層具有緩衝圖案；以及一厚銅層，該厚銅層係形成於該中間金屬層上，藉由該中間金屬層固定於該陶瓷基板上，且該厚銅層側壁與該中間金屬層之邊緣對準。
2. 如申請專利範圍第1項之低應力厚銅陶瓷基板，其中該中間金屬層材料係選自金、銅、銀、鈀、鎳、鉻或其組合
3. 如申請專利範圍第1項之低應力厚銅陶瓷基板，其中該陶瓷基板與該中間金屬層之間進一步包含一種子層。
4. 如申請專利範圍第3項之低應力厚銅陶瓷基板，其中該中種子層材料係選自鈦銅、鈦鎢銅、鉻銅或其組合。
5. 如申請專利範圍第1項之低應力厚銅陶瓷基板，其中該中間金屬層之緩衝圖案進一步包含至少一緩衝空間，且該緩衝空間為網格形式。
6. 如申請專利範圍第5項之低應力厚銅陶瓷基板，其中該緩衝空間之深度與該中間金屬層之高度相同。
7. 如申請專利範圍第5項之低應力厚銅陶瓷基板，其中該緩衝空間係用以使位於該緩衝空間之該厚銅層底部與該陶瓷基板不接觸。
8. 如申請專利範圍第5項之低應力厚銅陶瓷基板，其中該緩衝空間進一步包含熱膨脹係數低於該厚銅層之熱膨脹係數材料。
9. 如申請專利範圍第8項之低應力厚銅陶瓷基板，其中該低熱膨脹係數材料為空氣或光阻。