TWI458639B - A method for selective metallization on a ceramic substrate - Google Patents
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Description
本發明係關於一種陶瓷基板上進行選擇性金屬化之方法，詳而言之，係關於一種以硬銲(Brazing)方式在陶瓷基板上之選擇性區域形成金屬層之方法。
常見的陶瓷基板上進行選擇性金屬化的方法可分為兩種，以金屬銅為例，第一種係於陶瓷覆銅板(DBC)後對銅層進行選擇性蝕刻，而另一種則是在選擇性沉積或整面鍍銅的電鍍銅(DPC)方式後選擇性蝕刻銅層。
如第1A-1E圖所示，係為習知陶瓷覆銅板製程方法之剖面圖。以DBC進行選擇性金屬化的方法需於高溫及特定含氧量下進行，在第1A圖中，提供一銅層1且該銅層1表面經氧化形成氧化亞銅11薄層，在第1B圖中，將銅層1和陶瓷基板2接合，由該氧化亞銅11薄層所構成的共晶層12，冷卻後透過Cu-Al-O化學鍵接，使得銅層1與陶瓷基板2接合而形成陶瓷覆銅板5。接著，如第1C圖及第1D圖所示，在陶瓷覆銅板5上形成蝕刻阻層3，並將陶瓷覆銅板5上未受蝕刻阻層3保護而曝露之銅層1蝕刻移除，最後，如第1E圖所示，移除該蝕刻阻層3以完成陶瓷基板之選擇性金屬化。
惟，以DBC製程作選擇性金屬化仍存在許多缺點，例如陶瓷基板與銅層是以接近銅熔點的共晶溫度作接合，為避免銅熔融，會使得該製程可操作溫度區間極小，如此在批次量產中，高溫爐不同位置的氣氛及溫度難一致，易有良率上問題。而目前共晶接合之陶瓷基板是以低熱傳導係數的氧化鋁為主，但高熱傳導係數的陶瓷基板，如氮化鋁(AlN)或碳化矽(SiC)，則因潤濕性不足或未能形成Cu-Al-O鍵結而難以與銅層接合，對於高熱傳導或高散熱的金屬化陶瓷基板應用極受限制。此外，因DBC製程是採Cu-Cu2O共晶接合，故，除銅金屬外，無法使用其它金屬材質與陶瓷基板作接合，且習知DBC製程的陶瓷基板與銅層之間存在非沿著晶格且不規則破裂的貝殼狀破裂(Conchoidal Fracture)，主要由於其熱脹冷縮不匹配所造成的內應力，間接影響其可靠度及使用壽命。
再參考第2A-2E圖，係為習知鍍銅基板製程方法之剖面圖。以DPC進行選擇性金屬化的方法如下，在第2A圖中，先於陶瓷基板2之表面形成接著層/導電層4，接著在第2B圖中，在該接著層/導電層4上形成防止金屬沉積的阻層6，並直接以電鍍銅方式在未受該阻層6保護而曝露之該接著層/導電層4上沉積特定厚度之金屬層1，如第2C圖所示，接著在第2D和2E圖中，先移除阻層6後進行表面微蝕以完成陶瓷基板之選擇性金屬化。
又第3A-3E圖所示之製程係為習知鍍銅基板另一製程方法之剖面圖，其中，如第3A圖所示，先在陶瓷基板2上產生接著層/導電層4，之後如第3B圖所示，對陶瓷基板2表面進行電鍍銅製程，使得接著層/導電層4上形成銅層1而成為陶瓷覆銅板5，接著，在第3C圖中，於陶瓷覆銅板5上形成蝕刻阻層3，接著如第3D圖所示，將陶瓷覆銅板5上未受蝕刻阻層3保護而曝露之銅層6及接著層/導電層4蝕刻移除，最後，移除該蝕刻阻層3而形成如第3E圖所示的陶瓷基板之選擇性金屬化。
惟，以DBC作選擇性金屬化係存在缺點，例如銅層與陶瓷基板以接著層接合，而接著層是以濺鍍或蒸鍍鈦(Ti)或鈦鎢(TiW)的物理性鍵結，故附著性不如化學鍵結優異，無法用於高溫或大溫差的情況。此外，利用電鍍來形成銅層(DPC製程)，因電鍍沉積製程耗時，對於產能會有明顯影響，且以電鍍形成銅層，在電流密度受電鍍槽設計結構、阻層圖案和陶瓷基板邊緣效應影響下，會造成銅層厚度不一。而所使用材料受到可電鍍性限制，僅能使用銅或鎳，而無法以其它金屬與陶瓷基板作接合。
因此，如何提供一種有高接合度的金屬化陶瓷基板之製程，能解決習知陶瓷基板及金屬層的適用環境及材料選擇的侷限，且可降低陶瓷基板及金屬層間之內應力所產生的貝殼狀破裂的情況，實屬本領域之技術人員所應面對的課題。
鑒於上述習知技術之缺點，本發明之目的在於利用硬銲技術使得陶瓷基板與金屬層具有緊密接合。
為達前述目的及其他目的，本發明提供一種陶瓷基板上進行選擇性金屬化之方法，係包括：將活性銲料形成於該陶瓷基板之表面之預定區域上；將金屬層貼附於具有該活性銲料的該陶瓷基板之表面上且對該活性銲料進行硬銲處理；形成蝕刻阻層於該金屬層之預定區域上且對該金屬層進行蝕刻；以及移除該蝕刻阻層。
在上述發明中，活性銲料是形成於陶瓷基板上，但本發明不限於此，在另一實施例中，亦可以選擇性形成一層活性銲料於銅片上，再與陶瓷基板進行貼附及後續的硬銲及蝕刻製程。
於一實施型態中，該活性銲料具有特定比例之活性金屬。
於另一實施型態中，該活性銲料係為以印刷、噴塗或貼附方式形成。
於又一實施型態中，該蝕刻阻層係與該陶瓷基板之表面上所形成該活性銲料相對應。
本發明又提出一種陶瓷基板上進行選擇性金屬化之方法，係包括：對金屬層之預定區域進行預定深度蝕刻，以於該金屬層上形成蝕刻區域及保留區域；將活性銲料形成於該金屬層之保留區域上；將具有該活性銲料之金屬層貼附於陶瓷基板上且對該活性銲料進行硬銲處理；以及對該金屬層進行蝕刻以移除該金屬層之蝕刻區域。
於一實施型態中，該金屬層係為銅層、鋁層或不鏽鋼層。
相較於習知技術，本發明提出一種陶瓷基板上進行選擇性金屬化之方法，透過用活性銲料進行硬銲處理，以增加陶瓷基板與金屬層間的接合可靠度，且由於非採用電鍍或共晶接合，故不會如習知方法侷限陶瓷基板及金屬層的材質，且其製程可適用於高溫或溫差極大的環境，另外，亦可避免習知陶瓷基板與金屬層間的貝殼狀破裂或附著性差等問題，不僅能簡化製程，同時也提高產品良率。
以下係藉由特定的具體實施形態說明本發明之技術內容，熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本發明之其他優點與功效。本發明亦可藉由其他不同的具體實施形態加以施行或應用，本說明書中的各項細節亦可基於不同觀點與應用，在不悖離本發明之精神下進行各種修飾與變更。
本說明書所附圖式所繪示之結構、比例、大小等，均僅用以配合說明書所揭示之內容，以供熟悉此技藝之人士之瞭解與閱讀，並非用以限定本發明之範圍。任何結構之修飾、比例關係之改變或大小之調整，在不影響本發明所能產生之功效及所能達成之目的下，均應仍落在本發明所揭示之技術內容得能涵蓋之範圍內。同時，本說明書中所引用之如「上」或「一」等之用語，亦僅為便於敘述之明瞭，而非用以限定本發明可實施之範圍，其相對關係之改變或調整，在無實質變更技術內容下，當亦視為本發明可實施之範疇。
請參閱第4A至4E圖，係本發明之陶瓷基板上進行選擇性金屬化之方法的第一實施例之剖視圖，其主要透過硬銲處理以產生高可靠度的陶瓷基板之選擇性金屬化結構。
如第4A圖所示，首先提供一陶瓷基板20，於該陶瓷基板20上之預定區域選擇性形成活性銲料40，此處所述選擇性是指於陶瓷基板20上選擇性地塗佈活性銲料40於某些區域。其中，該活性銲料40可為鎳基或銀基等銲料，且該活性銲料40內含有特定比例的活性金屬，例如：鈦(Ti)、鋯(Zr)或鈮(Nb)等，有助於增加活性銲料40於陶瓷基板20之表面上的潤濕性(Wettability)。此外，該活性銲料40可為如膏狀、粉末狀或薄膜狀(Foil)之銲料，且可透過印刷、噴塗或貼附之方式進行塗佈。
如第4B圖所示，將金屬層10貼附於具有該活性銲料40的該陶瓷基板20之表面，接著對活性銲料40進行硬銲程序處理，使得陶瓷基板20與金屬層10在具有活性銲料40區域產生高可靠度接合，以成為金屬覆於陶瓷基板上之結構。
如第4C圖所示，於該金屬層10上形成蝕刻阻層30，其中，蝕刻阻層30形成位置與陶瓷基板20之表面上所形成該活性銲料40之位置係相對應，亦即金屬層10一側具有該活性銲料40，而相對側之對應位置則為該蝕刻阻層30形成之處。
如第4D圖所示，選擇性對金屬層10進行蝕刻步驟，在金屬層10上所形成之蝕刻阻層30，可為以乾膜及微影製程所產生特定圖案之保護層，因而對未受蝕刻阻層30保護而曝露之金屬層10作蝕刻移除，其中，蝕刻移除之區域即為未塗佈活性銲料40之區域。
如第4E圖所示，在對金屬層10蝕刻完成後，即可移除該蝕刻阻層30，以完成陶瓷基板之選擇性金屬化。
前述之陶瓷基板20除了常用的氧化鋁外，也可使用氮化鋁或碳化矽，而金屬層10除了常見的銅外，還可為鋁材或不鏽鋼等材質。於習知如第1A-1E圖所示之陶瓷覆銅板結構中，其金屬層的接合是採用Cu-Cu2O共晶接合，因而除銅金屬外，無法使用其它金屬材質與基板作接合。又，如第2A-2E及3A-3E圖所示利用電鍍銅方式，由於金屬需電鍍產生，故在材料選擇上亦受到可電鍍材料的限制，較常見的僅為銅或鎳。因此，本發明利用活性銲料進行硬銲，使得陶瓷基板20及金屬層10在材料選擇上更具彈性。
需補充說明者，由於活性銲料40不易透過蝕刻移除，故本發明之特色在於透過選擇性在特定區域塗佈活性銲料40，使得未塗佈活性銲料40的區域之金屬層10移除，且於金屬層10移除的陶瓷基板20上不會有銲料殘留，而完成陶瓷基板之選擇性金屬化。
此外，依據本實施例的另一實施型態，如第4A和4B圖所示，可將活性銲料40先塗佈於該金屬層10，再作陶瓷基板20與金屬層10間的接合，亦可完成陶瓷基板之選擇性金屬化。
請參閱第5A至5D圖，係本發明之陶瓷基板上選擇性金屬形成之方法的第二實施例之剖視圖。
如第5A圖所示，首先提供具有蝕刻區域102及保留區域101之金屬層10，亦即先透過乾膜、光阻或其他方式對金屬層10作選擇性蝕刻，使得經蝕刻的蝕刻區域102具有一特定深度，而該保留區域101則將與陶瓷基板20接合。
如第5B圖所示，於該金屬層10之保留區域101上形成活性銲料40，該活性銲料40可為鎳基或銀基等活性銲料，其中，該活性銲料40含有特定比例的活性金屬，如鈦、鋯或鈮等，且可為膏狀、粉末狀或薄膜狀(Foil)之銲料，並經過印刷、噴塗或貼附等方式塗佈於該保留區域101上。
如第5C圖所示，將具有該活性銲料40之該金屬層10貼合於陶瓷基板20上，隨後對活性銲料40進行硬銲處理，使得陶瓷基板20與金屬層10在具有活性銲料40區域產生高可靠度接合。
如第5D圖所示，進行金屬層10的蝕刻步驟，亦即蝕刻該金屬層10以移除該金屬層10之該蝕刻區域102。於此係選擇性對金屬層10進行蝕刻步驟，所蝕刻部份係指未塗佈有活性銲料40之蝕刻區域102，使得未與該金屬層10貼附之表面曝露，以完成陶瓷基板之選擇性金屬化。
上述進行金屬層10的蝕刻步驟亦可以對金屬層10做全面性蝕刻，所蝕刻部份係指包含蝕刻區域102及保留區域101，由於保留區域101的金屬層較厚以用於與陶瓷基板20接合，故在蝕刻速率相等下，全面性蝕刻後之蝕刻區域102將全部移除，而與陶瓷基板20接合之保留區域101仍會有特定厚度之金屬層10保留，而完成陶瓷基板之選擇性金屬化。
同樣地，前述陶瓷基板20可為氧化鋁、氮化鋁或碳化矽等，而金屬層10可為銅、鋁或不鏽鋼等材質，相對習知製程方式，本發明以活性銲料進行硬銲，使得陶瓷基板20及金屬層10在材料選擇上極具彈性。
此外，依據本實施例的另一實施型態，於第5B和5C圖中，還可將活性銲料40先塗佈於該陶瓷基板20上，之後再作陶瓷基板20與金屬層10間的接合，亦可完成本實施例之陶瓷基板之選擇性金屬化。
藉由本發明所述之製程方式，由於硬銲溫度可操作的區間較大，故提高批次量產的良率，且利用硬銲製程處理，對於陶瓷基板及金屬層的材料選擇較具彈性，不會造成習知方式產生侷限。另外，利用硬銲接合的可靠度較佳，且解決陶瓷基板與金屬層間之貝殼狀破裂或附著性差等問題，因而在高溫或溫差極大的環境下亦可使用，最後，因金屬層是以特定厚度板材與陶瓷基板作接合，故不會有厚度不均之問題。
綜上所述，本發明之陶瓷基板上進行選擇性金屬化之方法，利用硬銲處理，使得金屬層與陶瓷基板間可達到緊密接合，相較於習知技術，可提供陶瓷基板之選擇性金屬化更佳製程及較高產品良率。
上述實施形態僅例示性說明本發明之原理及其功效，而非用於限制本發明。任何熟習此項技藝之人士均可在不違背本發明之精神及範疇下，對上述實施形態進行修飾與改變。因此，本發明之權利保護範圍，應如後述之申請專利範圍所列。
1．．．銅層
11．．．氧化亞銅
12．．．共晶層
2．．．陶瓷基板
3．．．蝕刻阻層
4．．．接著層/導電層
5．．．陶瓷覆銅板
6．．．阻層
10．．．金屬層
101．．．保留區域
102．．．蝕刻區域
20．．．陶瓷基板
30．．．蝕刻阻層
40．．．活性銲料
第1A至1E圖係為習知陶瓷覆銅板製程方法之剖面圖；
第2A至2E圖係為習知鍍銅基板製程方法之剖面圖；
第3A至3E圖係為習知鍍銅基板另一製程方法之剖面圖；
第4A至4E圖係為本發明之陶瓷基板上形成選擇性金屬之方法的第一實施例之剖視圖；以及
第5A至5D圖係為本發明之陶瓷基板上選擇性金屬形成之方法的第二實施例之剖視圖。
10．．．金屬層
20．．．陶瓷基板
40．．．活性銲料
Claims (11)
- 一種陶瓷基板上進行選擇性金屬化之方法，係包括：將活性銲料形成於該陶瓷基板之部分表面之預定區域上；將金屬層貼附於具有該活性銲料的該陶瓷基板之表面上且對該活性銲料進行硬銲處理；形成蝕刻阻層於該陶瓷基板之預定區域上方的金屬層上且對該金屬層進行蝕刻；以及移除該蝕刻阻層。
- 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中，該活性銲料係為鎳基銲料或銀基銲料。
- 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中，該活性銲料具有特定比例之活性金屬。
- 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中，該活性銲料係以印刷、噴塗或貼附方式形成於該陶瓷基板之表面。
- 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中，該蝕刻阻層之位置係與形成於該陶瓷基板之表面上之活性銲料之位置相對應。
- 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中，該金屬層係為銅層、鋁層或不鏽鋼層。
- 一種陶瓷基板上進行選擇性金屬化之方法，係包括：對金屬層之預定區域進行預定深度蝕刻，以於該金屬層上形成蝕刻區域及保留區域；將活性銲料形成於該金屬層之保留區域上； 將具有該活性銲料之金屬層貼附於陶瓷基板上且對該活性銲料進行硬銲處理；以及對該金屬層進行蝕刻以移除該金屬層之蝕刻區域。
- 如申請專利範圍第7項所述之方法，其中，該活性銲料係為鎳基銲料或銀基銲料。
- 如申請專利範圍第7項所述之方法，其中，該活性銲料具有特定比例之活性金屬。
- 如申請專利範圍第7項所述之方法，其中，該活性銲料係以印刷、噴塗或貼附方式形成於該金屬層上。
- 如申請專利範圍第7項所述之方法，其中，該金屬層係為銅層、鋁層或不鏽鋼層。
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