TWI668199B - 陶瓷電路板及其製造方法 - Google Patents

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Abstract

本發明係有關於一種陶瓷電路板及其製造方法。陶瓷電路板包括氮化鋁基板；包括尖晶結構的金屬氧化物的連接層形成在氮化鋁基板上；及金屬層形成在連接層上，其中連接層與金屬層至少其中之一包括玻璃熔料。

Description

陶瓷電路板及其製造方法
本發明係有關於一種陶瓷電路板及其製造方法。
陶瓷具有優異的耐熱性與機械強度、及高的絕緣電阻，並用做用於高功率之半導體裝置基板的材料，可供應高電壓至高功率之半導體裝置基板。此陶瓷材料包含氧化鋁(alumina；Al2O3)、氮化鋁(aluminum nitride；AlN)、二氧化鋯(zirconia；ZrO2)、矽碳化物(silicon carbide；SiC)、氮化矽(silicon nitride；Si3N4)等等，並根據其抗彎強度與熱傳導性質，它們係用於汽車、高速鐵路、工業部件等等。在材料當中，氮化鋁具有優異的熱傳導率150-250W/Mk，並可用作安裝半導體裝置的基板，半導體裝置在操作期間發出大量熱。
用以形成使用氮化鋁(aluminum nitride)作為電路板之電極層的方法包含直接連接銅(direct bonding copper；DBC)方法、活化金屬連接(active metal bonding；AMB)方法、及金屬化方法。直接連接銅方法包含加熱氮化鋁以在其表面上形成氮化鋁層，並加熱且連接銅金屬板於其上以形成電極層。活化金屬連接 方法包含印刷包含TiAgCu金屬粉末的焊接膠漿，並加熱且連接銅金屬於其上以形成電極層。金屬化方法包含印刷/燒結諸如銅、鎢、鉬的金屬粉末膠漿以形成電極層。
在方法當中，例如如金屬化方法，日本公開專利公告(Japanese Laid-open Patent Publication)號Hei 5-320943揭露一種藉由包含特定量之Al2O3、SiO2、WO等之膠漿達到氮化鋁基板與鎢金屬層之間優異的連接強度與耐熱性的方法。然而，並不可能將此專利應用至鎢以外的金屬，且可能限制使用的範圍。
此外，日本公開專利公告號Sho 50-75208揭露一種在金屬化氮化鋁基板上形成鉬或鎢之金屬層的方法，其中係加熱氮化鋁以形成Al2O3在表面上來提高黏著強度，從而在膠漿中的Al2O3及Mn-Ti之間形成尖晶結構(spinel structure)並提升連接強度。然而，即使使用昂貴的膠漿，此方法在達到令人滿意的連接強度上仍有限度。
因此，有需要發展一種陶瓷電路板滿足氮化鋁基板與金屬層之間優異的連接強度及熱性質。
(專利文獻1)日本公開專利公告號Hei 5-320943
(專利文獻2)日本公開專利公告號Sho 50-75208
本發明之一方面係提供一種陶瓷電路板，其金屬層與氮化鋁基板具有高的連接強度及熱性質，用於製造用以裝配半導體裝置的陶瓷電路板。
本發明之另一方面係提供一種製造陶瓷電路板的方法，藉其可達到上述效果，並可降低製造成本。
本發明提供一種陶瓷電路板，其包括氮化鋁基板；包括尖晶結構的金屬氧化物的連接層形成在氮化鋁基板上；及金屬層形成在連接層上，其中連接層與金屬層至少其中之一包括玻璃熔料(glass frit)。
此外，本發明提供一種製造陶瓷電路板的方法，其包括供應CuO粉末在氮化鋁基板上，並進行氧化熱處理以形成包括尖晶結構的CuAl2O4的連接層；及印刷金屬膠漿(metal paste)在尖晶結構的CuAl2O4上並燒結(firing)以形成金屬層。
本發明的陶瓷電路板包括包含尖晶結構的金屬氧化物的連接層在氮化鋁基板上，與金屬層在連接層上，並包含玻璃熔料在連接層與金屬層至少其中之一中。由於連接層的尖晶結構，及玻璃熔料與金屬層之膠漿成分之間的結合，可達到在金屬層與氮化鋁基板之間的強連接強度，並甚至可進一步提升熱性質。此外，可降低陶瓷電路板的製造成本，同時達到優異的物理性質。
100‧‧‧陶瓷電路板
101‧‧‧氮化鋁基板
102‧‧‧連接層
103‧‧‧金屬層
204‧‧‧金屬膜
a1、a2、b1、b2‧‧‧步驟
第1圖為顯示根據本發明之實施例的陶瓷電路板的剖面圖的概念圖。
第2圖為顯示根據本發明之實施例的陶瓷電路板的製造方法的流程圖。
第3圖為顯示本發明的陶瓷電路板的連接強度測試的圖。
以下將更詳細描述本發明以促使對本發明之了解。
應將了解說明書及專利範圍中使用的用字或用語並不以一般使用之字典中定義的意思解讀。將更了解用字或用語應解讀為具有基於發明人可適當地定義用語的意思以最佳解釋發明的原理的意思。
1.陶瓷電路板
如第1圖所示，根據本發明之實施例的陶瓷電路板100包含氮化鋁(aluminum nitride；AlN)基板101、連接層102與金屬層103，連接層102形成在氮化鋁基板101上並包含尖晶結構(spinel structure)的金屬氧化物，金屬層103形成在連接層102上。
氮化鋁基板101具有優異的熱傳導率(thermal conductivity)及電性絕緣性質，並可為用以安裝在操作期間發出大量熱之半導體裝置的基板的最佳材料。
根據本發明之實施例，包含尖晶結構的金屬氧化物的連接層102可包含CuAl2O4，且連接層102的厚度可在10至1,000nm的範圍內、在10至400nm的範圍內、且在50至200nm的範圍內。若連接層102的厚度小於上述範圍，尖晶結構的金屬氧化物的形成區域可能為狹窄，且符合本發明之目的之優異的連接強度的實現可能變得不同。若厚度大於上述範圍，在印刷之後可能會部分地產生氣泡。
尖晶結構的CuAl2O4可藉由供應CuO粉末在氮化鋁基板101上並進行氧化熱處理形成。
金屬層103可包含金屬粉末，金屬粉末包含Cu、Ag、或其混合，且其厚度可在3至300μm的範圍內、在5至200μm的範圍內、並在10至100μm的範圍內。
在根據本發明之實施例的陶瓷電路板中，連接層102與金屬層103至少其中之一可包含玻璃熔料(glass frit)。
在此情況中，若玻璃熔料係包含在連接層102中，金屬氧化物對於玻璃熔料的重量比率可為1：2.53至4.18。若玻璃熔料的重量比率(weight ratio)偏離數值範圍，電極電路的電阻可能增加，並可能發生與電流相關的問題。
若玻璃熔料係包含在金屬層103中，金屬粉末對於玻璃熔料的重量比率可為0.05至0.1。若玻璃熔料的重量比率偏離數值範圍，電極電路的電阻可能增加，並可能發生與電流相關的問題。此外，可焊性(solderability)及線結合性(wire bondability)的物 理性質可能會顯著地退化，且晶片或部件的安裝可能變得困難，從而發生與模組裝配有關的問題。
玻璃熔料可包含具有平均顆粒直徑(average particle diameter)為1.5至10.5μm的矽酸鈣基的玻璃熔料(calcium silicate-based glass frit)。氮化鋁基板一般缺乏玻璃相，並具有與金屬層103低連接強度的問題。本發明的陶瓷電路板包含在氮化鋁基板101上之含有尖晶結構的金屬氧化物的連接層102，及在連接層102上的金屬層103，且連接層102與金屬層103至少其中之一包含玻璃熔料。由於連接層102的尖晶結構，及金屬層103之膠漿成分與玻璃熔料之間的結合，可達到在金屬層103與氮化鋁基板101之間的強連接強度。此外，由於熱性質，例如熱循環測試(thermal cycle test；TCT)物理性質可更進一步提升，即使在長時間施加電流重複使用之後，金屬層103能不分離自陶瓷電路板，並可提升可靠度。
2.陶瓷電路板之製造方法
根據本發明之實施例之構成陶瓷電路板的各個元件的詳細內容將參照以下的製程具體地說明。
根據本發明之實施例的製造陶瓷電路板的方法可包含供應CuO粉末在氮化鋁基板上，並進行氧化熱處理以形成包含尖晶結構的CuAl2O4的連接層(步驟(a))；及印刷金屬膠漿在尖晶結構的CuAl2O4上，並燒結以形成金屬層(步驟(b))。
第2圖為顯示本發明之實施例之陶瓷電路板的製造方法的流程圖。
若詳細參照第2圖，在根據本發明之實施例的製造陶瓷電路板的方法中，步驟(a)可為供應CuO粉末在氮化鋁基板(a1)上，並進行氧化熱處理(a2)以形成包含尖晶結構的CuAl2O4的連接層的步驟。
供應在氮化鋁基板上的CuO粉末可具有平均顆粒直徑1至50μm、2至40μm、及3至20μm。對每1cm2之氮化鋁基板，CuO粉末可供應的量為5 x 10-3mg至10 x 10-3mg。若CuO粉末的量少於上述範圍，CuO粉末的供應量過小，且CuAl2O4之形成的量會變得太小。另一方面，若CuO粉末的量大於上述範圍，可能會發生部分地產生氣泡的問題。
氧化熱處理可在1,000℃至1,200℃之溫度範圍內，更特別在1,100℃至1,150℃之溫度範圍內進行約10分鐘至30分鐘。氧化熱處理製程可例如在箱型爐中進行。根據本發明之實施例，最佳的連接強度及熱性質可在氧化熱處理的溫度範圍內，特別在1,100℃至1,150℃之溫度範圍內達成。
藉由氧化熱處理，尖晶結構的CuAl2O4可形成在氮化鋁基板上，且CuAl2O4的形成機制可如以下的反應1與反應2。
[反應1]AlN+O2 → Al2O3+NOx
其中x係0或2。
[反應2]CuO+Al2O3 → CuAl2O4
尤其，在供應CuO粉末在氮化鋁基板上之後，可藉由氧化熱處理氧化氮化鋁基板之表面上的氮化鋁以形成Al2O3(反應1)。此外，因而形成的Al2O3可與供應的CuO反應以形成尖晶結構的CuAl2O4(反應2)。
如果氧化熱處理時間過短，反應可能不會進行，且如果氧化熱處理時間過長，在形成Al2O3膜在氮化鋁的表面上期間可能不允許Al與O的接觸，且Al2O3膜的成長速率可能降低。
此外，若氧化熱處理的溫度小於上述溫度範圍，氧化反應可能不會進行，且若溫度大於上述溫度範圍，Al2O3膜的厚度可能增加，且與氧化物層的接觸可能會劣化，氧化物層對於AlN具有弱親和力。
在根據本發明之實施例的製造陶瓷電路板的方法中，如第2圖中所示，步驟(b)可為印刷金屬膠漿在尖晶結構的CuAl2O4(b1)上，且燒結(b2)以形成金屬層的步驟。
金屬膠漿可包含80至90wt%的金屬粉末與10至20wt%之玻璃熔料與連接劑的混合物，金屬粉末包含Cu、Ag、或其混合。
連接劑可包含一般使用的有機連接劑，且有機連接劑可包含諸如聚乙烯醇(polyvinyl alcohol；PVA)、聚乙烯縮丁醛(polyvinyl butyral；PVB)、乙基纖維素(ethyl cellulose)、丙烯酸樹 脂(acryl resin)等等。此外，玻璃熔料可包含具有1.5至10.5μm之平均顆粒直徑的矽酸鈣基的玻璃熔料。
金屬膠漿可藉由例如網版印刷(screen printing)方法或噴射方法印刷(b1)，並可在印刷之後乾燥，例如在100至150℃乾燥約1分鐘至30分鐘。
然後，可在氮氣氛下，在約800℃至1,000℃的溫度範圍內進行燒結約30分鐘至180分鐘(b2)，且藉由重複此製程以疊層(lamination)，可形成金屬層。
根據本發明之實施例，尖晶結構的CuAl2O4可藉由燒結與包含在金屬膠漿內的金屬粉末及玻璃熔料形成強的連接。此外，玻璃熔料可滲透至尖晶結構的CuAl2O4中，並可藉由此滲透實現強的連接。
據此，在陶瓷電路板上之包含尖晶結構的CuAl2O4的連接層也可包含玻璃熔料。根據本發明之實施例，尖晶結構的CuAl2O4對於玻璃熔料的重量比率可為1：2.53至4.18。
此外，在藉由燒結的強連接之後，金屬層中所包含之金屬粉末對於玻璃熔料的重量比率可為1：0.05至0.1。
根據本發明之其它實施例，若金屬膠漿中所包含的金屬粉末為Ag，亦即，若使用Ag膠漿，形成在連接層中的CuAl2O4的Cu位置可能藉由燒結被Ag取代以形成AgAl2O4的結構，同時與Ag膠漿形成強的連接。據此，根據本發明之實施例，金屬膠漿中所包含的金屬粉末與玻璃熔料可包含在連接層中。
此後，本發明將參照以下的例示性實施例詳細解釋。然而，以下例示性實施例僅用以說明，且本發明並不限於例示性實施例。
實施例1
在氮化鋁(AlN)基板上供應具有平均顆粒直徑5μm之CuO粉末，每1cm2之氮化鋁基板，CuO粉末的供應量為7.5 x 10-3mg，並在約1,000℃的箱型爐中進行氧化熱處理約45分鐘以形成尖晶結構的CuAl2O4在氮化鋁(AlN)基板上。
在尖晶結構的CuAl2O4上印刷包含約85wt%之Cu粉末及約15wt%之玻璃熔料與乙基纖維素(連接劑)之混合物的銅膠漿(Tanaka公司)。在印刷之後，在約100至150℃進行乾燥約10分鐘，並然後在氮氣氛下、在約900至1,000℃進行燒結約30分鐘。重複此程序三次以疊層而形成金屬層並製造樣品。
實施例2
樣品係藉由進行與實施例1相同的方法製造，除了氧化熱處理係在1,100℃的溫度進行。
實施例3
樣品係藉由進行與實施例1相同的方法製造，除了氧化熱處理係在1,150℃的溫度進行。
實施例4
樣品係藉由進行與實施例1相同的方法製造，除了氧化熱處理係在1,200℃的溫度進行。
實施例5
樣品係藉由進行與實施例1相同的方法製造，除了氧化熱處理係在1,000℃的溫度進行，且使用Ag粉末取代金屬膠漿中的Cu粉末。
實施例6
樣品係藉由進行與實施例1相同的方法製造，除了氧化熱處理係在1,100℃的溫度進行，且使用Ag粉末取代金屬膠漿中的Cu粉末。
實施例7
樣品係藉由進行與實施例1相同的方法製造，除了氧化熱處理係在1,150℃的溫度進行，且使用Ag粉末取代金屬膠漿中的Cu粉末。
實施例8
樣品係藉由進行與實施例1相同的方法製造，除了氧化熱處理係在1,200℃的溫度進行，且使用Ag粉末取代金屬膠漿中的Cu粉末。
比較例1
在氮化鋁(AlN)基板上印刷包含85wt%之Cu粉末及15wt%之玻璃熔料與乙基纖維素之混合物的金屬膠漿。在印刷之後，在約100至150℃進行乾燥約10分鐘，並然後在氮氣氛下、在 約900至1,000℃進行燒結約30分鐘。重複此程序三次以疊層而形成金屬層並製造樣品。
比較例2
樣品係藉由進行與比較例1相同的方法製造，除了使用Ag粉末取代金屬膠漿中的Cu粉末。
試驗實施例1：連接強度之評價
連接強度係以拉伸測試方法(pull test method)評價。
尤其，如第3圖中所示，在實施例1至實施例8及比較例1與比較例2中得到的各個樣品(5x5mm SQ尺寸)上，將在300℃熔化之焊料熔化以黏著對應Cu電鍍圖案的Cu線(金屬膜，204)。 然後，使用UTM設備在第3圖中之箭頭方向上拉伸Cu線以測量連接強度。
試驗實施例2：TCT之評價
熱循環測試(thermal cycle test；TCT)係藉由進行熱衝擊測試(thermal impact test)實施，熱衝擊測試係在溫度-55℃至150℃與100、300、500、1,000、1,500、及2,000個循環單元，並藉由掃描聲學顯微鏡(scanning acoustic microscopy)檢查氮化鋁基板與金屬之分層(delamination)產生時的循環(發生的數目)。
下表1與表2為試驗實施例1與試驗實施例2的評價結果，其中使用Cu膠漿進行網版印刷之實施例1至實施例4與比較例1的評價結果列示在下表1中，且使用Ag膠漿進行網版印刷之實施例5至實施例8與比較例2的評價結果列示在下表2中。
如上表1中所顯示，當與其中Cu膠漿印刷在氮化鋁基板上，而沒有供應CuO粉末與進行氧化熱處理的比較例1相比時，本發明之其中CuO粉末供應在氮化鋁基板上，並進行氧化熱處理以形成尖晶結構的CuAl2O4在氮化鋁基板上，且然後印刷Cu膠漿的實施例1至實施例4顯示出非常優異的連接強度及TCT結果。
尤其，在表1中，當與比較例1相比時，實施例1至實施例4在第一拉伸測試的連接強度係提升了1.5至5倍，且當與比較例1相比時，實施例1至實施例4在第五拉伸測試的連接強度係提升了2至5倍。
此外，在TCT的情況下，係發現比較例1係在第300循環產生分層，而實施例1至實施例4係在第1,000或第2,000循環產生分層。據此，當與比較例1相比時，實施例1至實施例4顯示出提升了6倍或不超過更多的熱性質。
同時，可發現拉伸測試與TCT結果係根據氧化熱處理溫度明顯改變。
尤其，係發現當與其中氧化熱處理係在1,000℃與1,200℃進行的實施例1與實施例4相比時，其中氧化熱處理係在供應CuO粉末之後於1,100至1,150℃進行的實施例2與實施例3當施行拉伸測試時連接強度係提升約2至3倍，且當測量TCT時緩慢二或更多倍產生分層。
據此，係發現假如氧化熱處理係在供應CuO粉末之後在1,100至1,150℃進行，能夠實現最佳的連接強度與熱性質。
在使用Ag粉末取代金屬膠漿中的Cu粉末的情況中，係發現當與其中Ag膠漿印刷在氮化鋁基板上，而沒有供應CuO粉末與進行氧化熱處理的比較例2相比時，本發明之實施例5至實施例8顯示出明顯較佳的連接強度與TCT結果。
尤其，在上表2中，係發現當與比較例2相比時，實施例5至實施例8在第一拉伸測試的連接強度係提升了2至5倍，且當與比較例2相比時，實施例5至實施例8在第五拉伸測試的連接強度係相似或提升了約4倍。
此外，在TCT的情況下，係發現比較例2係在第300循環產生分層，而實施例5至實施例8係在第1,000或第2,000循環產生分層。據此，當與比較例2相比時，實施例5至實施例8顯示出提升了至多6倍或更高的熱性質。
此外，可發現拉伸測試與TCT結果係根據氧化熱處理溫度明顯改變。
尤其，係發現當與其中氧化熱處理係在1,000℃至1,200℃進行的實施例5與實施例8相比時，其中氧化熱處理係在供應CuO粉末之後於1,100至1,150℃進行的實施例6與實施例7當施行拉伸測試時連接強度係提升約2倍，且當測量TCT時緩慢二或更多倍產生分層。
據此，係發現雖然係使用Ag膠漿，假如氧化熱處理係在供應CuO粉末之後在1,100至1,150℃進行，仍能夠實現最佳的連接強度與熱性質。亦即，假如供應Ag膠漿，包含在連接層中之CuAl2O4的Cu位置係被Ag取代以形成AgAl2O4結構而與Ag膠漿形成強連接。

Claims (8)

  1. 一種陶瓷電路板，包括：一氮化鋁基板；一連接層，形成在該氮化鋁基板上，該連接層包括一尖晶結構的金屬氧化物，該尖晶結構的金屬氧化物係藉由供應具有5至20μm之平均顆粒直徑的金屬氧化物粉末在該氮化鋁基板基板上，然後在1,000℃至1,150℃之溫度下進行氧化熱處理形成；及一金屬層，形成在該連接層上，其中該連接層與該金屬層至少其中之一包括玻璃熔料(glass frit)。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之陶瓷電路板，其中該尖晶結構的金屬氧化物包括CuAl2O4。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之陶瓷電路板，其中該連接層包括該尖晶結構與該玻璃熔料的CuAl2O4，且CuAl2O4對於該玻璃熔料的重量比率係1：2.53至4.18。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之陶瓷電路板，其中該金屬層包括具有Cu、Ag、或或其混合的金屬粉末與該玻璃熔料，且該金屬粉末與該玻璃熔料的重量比率係1：0.05至0.1。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之陶瓷電路板，其中該連接層的厚度係在10至1,000nm的範圍內，且該金屬層的厚度係在3至300μm的範圍內。
  6. 一種製造陶瓷電路板的方法，包括：供應具有5至20μm之平均顆粒直徑的一CuO粉末在一氮化鋁基板上，並在1,000℃至1,150℃之溫度下進行氧化熱處理以形成包括尖晶結構的CuAl2O4的一連接層；及印刷一金屬膠漿(metal paste)在該尖晶結構的CuAl2O4上並燒結(firing)以形成一金屬層。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之製造陶瓷電路板的方法，其中該金屬膠漿包括80至90wt%的金屬粉末，與10至20wt%玻璃熔料與連接劑的混合物。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之製造陶瓷電路板的方法，其中該CuO粉末的供應量係每1cm2為5 x 10-3mg至10 x 10-3mg。
TW107101450A 2017-01-17 2018-01-15 陶瓷電路板及其製造方法 TWI668199B (zh)

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