TWI706857B - 具有金屬導熱凸塊接墊的陶瓷基板組件、元件及其製法 - Google Patents

具有金屬導熱凸塊接墊的陶瓷基板組件、元件及其製法 Download PDF

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Abstract

一種具有金屬導熱凸塊接墊的陶瓷基板元件，供設置至少一高發熱的晶粒，該陶瓷基板元件包括：一陶瓷基板本體，具有一上表面和相反於前述上表面的一下表面；及至少一金屬凸塊接墊，包括一結合於上述上表面、且厚度介於10至300微米的薄型接合層，該薄型接合層具有一個第一熱膨脹係數，該第一熱膨脹係數大於上述陶瓷基板本體的熱膨脹係數；及一結合於該薄型接合層、供上述晶粒焊接結合的固晶層，該固晶層具有一個第二熱膨脹係數，該第二熱膨脹係數大於上述陶瓷基板本體的熱膨脹係數，藉此減緩上述薄型接合層與該陶瓷基板界面受熱應力破裂。

Description

具有金屬導熱凸塊接墊的陶瓷基板組件、元件及其製法
本發明是有關於一種陶瓷基板，尤其是一種具有金屬導熱凸塊接墊的陶瓷基板組件、元件及其製法。
相較於傳統印刷電路板，陶瓷基板更具有散熱性佳、厚度薄、尺寸小、耐高溫及可靠度佳等優點，常使用於高功率晶粒或晶片等電子元件。最常見陶瓷基板材料有氧化鋁(Aluminum Oxide，Al2O3)製成的直接覆銅(Direct Bonded Copper，DBC)基板或直接覆鋁(Direct Bonded Aluminum，DBA)基板，而覆銅或鋁的厚度多在200至300微米之間，當銅或鋁的厚度大於300微米時，則會發生接合界面破裂問題。
隨著晶粒及晶片的功率日益提高，陶瓷基板上的金屬接墊、線路或導電層需要更厚的厚度，才能符合高功率元件的需求。然而，陶瓷基板與金屬層彼此的熱膨脹係數(coefficient of thermal expansion)及線膨脹係數(coefficient of linear expansion)差異極大，在溫度20度時，金屬銅與鋁的熱膨脹係數為16.5與23ppm/K，而陶瓷材料氧化鋁、氮化鋁與氮化矽大約分別是7、4.5與3.5ppm/K，當陶瓷基板與結合的金屬層熱膨脹係數差異過大時，金屬及陶瓷基板之間的界面容易產生破裂、翹曲或變形的問題，也勢必會造成因熱應力而讓接點產生受損的風險。
因此，如何一方面使金屬電路層能增加厚度，使得溫差能分布在更厚的金屬層，減少單位高度中的溫度落差，讓陶瓷基板能適用於高功率晶粒及晶片；並且減緩金屬層與陶瓷基板界面受熱應力破裂，讓高功率電子元件的應用成為可行，還同時能依照不同的客戶需求，提供各式厚度的金屬接墊，提供製造彈性，就是本案所要達到的目的。
鑑於上述問題，本發明的主要目的，在於提供一種具有金屬導熱凸塊接墊的陶瓷基板元件，透過上窄下寬的雙層金屬結構並且降低其中薄型接合層厚度，大幅降低金屬電路層與陶瓷基板結合界面破裂的風險。
本發明的另一目的，在於提供一種具有金屬導熱凸塊接墊的陶瓷基板元件，使陶瓷基板能適用於高功率晶粒或晶片等電子元件。
本發明的再一目的，在提供一種具有金屬導熱凸塊的陶瓷基板組件，讓高功率晶粒或晶片可被設置於陶瓷基板上，且順利將發熱導出。
本發明的又一目的，在提供一種製造具有金屬導熱凸塊的陶瓷基板組件的製法，使高功率晶粒可被順利封裝於陶瓷基板上，並在操作過程不易造成陶瓷基板和金屬導熱凸塊接墊間的界面損壞，提升產出良率。
為達上述目的，本發明提供一種具有金屬導熱凸塊接墊的陶瓷基板元件，供設置至少一高發熱的晶粒，該陶瓷基板元件包括：一陶瓷基板本體，具有一上表面和相反於前述上表面的一下表面；及至少一金屬凸塊接墊，包括一結合於上述上表面、且厚度介於10至300微米的薄型接合層，該薄型接合層具有一個第一熱膨脹係數，該第一熱膨脹係數大於上述 陶瓷基板本體的熱膨脹係數；及一結合於該薄型接合層、供上述晶粒焊接結合的固晶層，該固晶層具有一個第二熱膨脹係數，該第二熱膨脹係數大於上述陶瓷基板本體的熱膨脹係數，該固晶層之橫截面之面積不小於對應設置於該固晶層的上述晶粒，且該固晶層的上述橫截面之面積小於上述薄型接合層，藉此減緩上述薄型接合層與該陶瓷基板本體界面受熱應力破裂。
當把高發熱晶粒安裝於上述具有金屬導熱凸塊接墊的陶瓷基板元件，就可以構成本發明的一種陶瓷基板組件，包括：至少一高發熱的晶粒；一陶瓷基板本體，具有一上表面和相反於前述上表面的一下表面；至少一金屬凸塊接墊，包括一結合於上述上表面、且厚度介於10至300微米的薄型接合層，該薄型接合層具有一個第一熱膨脹係數，該第一熱膨脹係數大於上述陶瓷基板本體的熱膨脹係數；及一結合於該薄型接合層、供上述晶粒焊接結合的固晶層，該固晶層具有一個第二熱膨脹係數，該第二熱膨脹係數大於上述陶瓷基板本體的熱膨脹係數，該固晶層之橫截面之面積不小於對應設置於該固晶層的上述晶粒，且該固晶層的上述橫截面之面積小於上述薄型接合層，藉此降低上述薄型接合層與該陶瓷基板本體界面受熱應力破裂風險。
本發明提供一種具有金屬導熱凸塊接墊的陶瓷基板製法，使至少一金屬凸塊接墊接合於一陶瓷基板本體，並供設置至少一高功率晶粒，該陶瓷基板本體具有一上表面和相反於前述上表面的一下表面，
Figure 108103286-A0305-02-0005-1
供上述晶粒焊接結合的固晶層，該固晶層具有一個第二熱膨脹係數，該製法包括下列步驟：a)在前述上表面上濺鍍一層厚度小於1微米的金屬的種子 層；b)在上述種子層上成型一層金屬的增厚層，使得該增厚層與上述種子層共同構成一厚度介於10至300微米的薄型接合層，該薄型接合層具有一個預訂橫截面之面積，以及該薄型接合層具有一個大於上述陶瓷基板本體熱膨脹係數的第一熱膨脹係數，藉此減緩上述薄型接合層與該陶瓷基板本體界面受熱應力破裂；c)在上述薄型接合層上形成一層面積不小於上述高功率晶粒的金屬的固晶層，且該固晶層的前述面積小於上述薄型接合層預訂橫截面之面積，使得該固晶層和上述薄型接合層共同構成一金屬導熱凸塊接墊，該固晶層具有一個大於上述陶瓷基板本體熱膨脹係數的第二熱膨脹係數。
相較於習知技術，本發明揭露的具有金屬導熱凸塊接墊的陶瓷基板組件、元件及其製法，藉由多層結構的金屬凸塊接墊，使得與陶瓷基板連結的薄型接合層界面厚度在一定範圍內，降低介面受熱應力破裂的機率，藉此提升產出良率，同時延長使用壽命，並且利用多層金屬結構，讓陶瓷基板上結合有厚度較厚的金屬凸塊接墊，讓單位厚度內的溫差減小，藉此保護金屬和陶瓷的介面，延長使用壽命，且使得設置發熱度較高的晶粒、晶片等元件成為可行。
10、40:陶瓷基板元件
11、21、30:陶瓷基板本體
12、22、41:金屬凸塊接墊
13、23:薄型接合層
14、24、36:固晶層
111:上表面
112:下表面
20:陶瓷基板組件
25、37:晶粒
26、38:金屬引線
27、39:金屬接墊
231、34:上薄型接合層
232、32:下薄型接合層
31:通孔
33、35:光阻層
42:保護層
圖1為本案具有金屬導熱凸塊接墊的陶瓷基板元件的第一較佳實施例的側視示意圖。
圖2為本案具有金屬導熱凸塊接墊的陶瓷基板組件的第一較佳實施例的側 視示意圖。
圖3A至圖3K為具有金屬導熱凸塊接墊的陶瓷基板製法過程的側面剖視結構示意圖。
圖4為本案具有金屬導熱凸塊接墊的陶瓷基板元件的第二較佳實施例的側視示意圖。
以下藉由特定的具體實施例說明本發明之實施方式，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優點與功效。
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之揭示內容，以供熟悉此技藝之人士瞭解與閱讀，並非用以限定本發明可實施之限定條件，任何結構之修飾、大小之調整或比例關係之改變，在無實質變更技術內容下，當亦視為本發明可實施之範疇。
本發明一種具有金屬導熱凸塊接墊的陶瓷基板元件的第一較佳實施例如圖1所示，陶瓷基板元件10包括陶瓷基板本體11和金屬凸塊接墊12，陶瓷基板本體11具有上表面111和相反於上表面111的下表面112，金屬凸塊接墊12包括薄型接合層13和固晶層14。本例中是以濺鍍的方式將銅結合於上表面111，再鍍厚形成厚度介於10至300微米的薄型接合層13，其中銅的熱膨脹係數約為17ppm/K，而一般陶瓷基板材料(例如氧化鋁、氮化鋁與氮化矽)的熱膨脹係數約為4~7ppm/K，藉由設置厚度較薄的薄型接合層13，使其發揮較佳的延展性；接著利用光阻進行顯影而第二次電鍍銅，在薄型接合層13上進一步形成可供晶粒焊接結合的固晶層14，固晶層14的 橫截面之面積小於薄型接合層13。當固晶層14受熱膨脹時，一方面溫度差會分布在較厚的金屬層級中，使得單位厚度的溫差降低；另方面藉由薄型接合層13的延展性，保持金屬凸塊接墊12與陶瓷基板接合界面不易因熱應力破裂。
本案中所述薄型接合層和固晶層經過佈局(Pattern)等一系列後續常規加工程序即為金屬電路層，金屬凸塊接墊為金屬電路層中供焊接晶粒的焊墊或接墊(Pad)。當然，熟知此技術者可以採用電鍍、濺鍍、蒸鍍或化學鍍或其他可行的方式，並且採用合適的金屬用以形成薄型接合層和固晶層的金屬電路層。
圖2為本發明具有金屬導熱凸塊接墊的陶瓷基板組件的第一較佳實施例的示意圖，本例中陶瓷基板組件20的晶粒25為一高功率的絕緣柵雙極電晶體IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，並以例如表面安裝(Surface-mount technology，SMT)的方式將晶粒25焊接固定於金屬凸塊接墊22。在本例中，為便於說明起見，將金屬凸塊接墊22的薄型接合層23區分為一個濺鍍成形的下薄型接合層232(或稱之為種子層)，以及一個電鍍在下薄型接合層232上方的上薄型接合層231(或稱之為增厚層)，但當兩者均材用相同的例如單純銅金屬構成，在實務上並不容易清楚分辨。在本例中下薄型接合層232是採用鈦/銅結合於陶瓷基板本體21的上表面，形成厚度小於0.5微米的下薄型接合層232，並透過電鍍的方式將銅增厚為上薄型接合層231，接著根據晶粒25的規格需求，在上薄型接合層231電鍍上厚度符合晶粒25功率的固晶層24，晶粒25設置於固晶層24後，經由金屬引線26，將晶 粒25的電極打線接合至對應的另一金屬接墊27，使得晶粒25能夠電導通運作。
由於IGBT具有高效率以及切換速度快等優點，常應用於作功量較大的電子設備，如：冷氣機、電冰箱、音響、以及馬達驅動器等，因此前述電子設備運作時，IGBT將產生大量的熱能，透過厚度較大的固晶層24，一方面使金屬凸塊接墊22能夠承受更大的電流所帶來的熱能，另一方面由於固晶層24下方是接合上薄型接合層231，兩者的熱膨脹係數接近，故接合的介面熱應力較低，不易損壞；薄型接合層23由於尺寸大於上方的固晶層24，未被固晶層24所覆蓋的邊緣部分厚度較薄，相對延展性較佳，即使跟接合陶瓷基板本體21接合處膨脹情況不一，也可以自行展延吸收應力，而降低易因為熱應力所造成介面破裂或斷裂的風險。
本發明一種具有金屬導熱凸塊接墊的陶瓷基板製法如圖3A至圖3K所示，本例中的製法是透過DPC(Direct Plating Copper)製程來執行，相較於DBC(Direct Bonding Copper)製程，DPC製程所完成的金屬導熱凸塊接墊的陶瓷基板能提供更佳的材料穩定性和設計靈活度，且金屬和陶瓷基板之間具有優越的黏合強度，其介面空隙率也較低。
圖3A中是以氧化鋁(Al2O3)氮化鋁(AlN)為基板材料的陶瓷基板本體30，陶瓷基板本體30在經過V型槽(V-cut)或導通孔(via)加工後形成如圖3B所示的通孔31，再透過濺鍍方式將鈦/銅靶材擊打加速，結合於陶瓷基板本體30上，形成圖3C所示的下薄型接合層32。隨後，如圖3D所示塗佈光阻並經曝光、顯影後，形成如圖3E所示的光阻層33，再以例如電鍍的方 式增厚下薄型接合層32，構成圖3F中的上薄型接合層34，並由下薄型接合層32和上薄型接合層34共同構成薄型接合層。
如圖3G所示再度塗佈光阻，經曝光、顯影後形成如圖3H所示的二次光阻層35，由於二次光阻層35的範圍較原先第一次的光阻層33大，所以如圖3I所示，接下來電鍍形成的固晶層36，其橫截面之面積會小於薄型接合層34，接下來則進行去光阻與蝕刻，如圖3J所示，使得未被增厚的濺鍍金屬層被蝕刻去除，讓在電路佈局上的金屬電極彼此獨立分離，最後，如圖3K所示，將晶粒37焊接打件於固晶層36上，由於本例中的晶粒37有一處電極是直接經由焊接而導接至固晶層36，另一極則經由金屬引線38，打線接合至另一金屬接墊39。而後續點膠、灌膠或烘烤等封裝程序則可依晶粒37的種類而進行。
當然，如熟悉本技術領域人士所能輕易理解，此處的每一步驟並非侷限於上述實施例，例如薄型接合層也可以不需要區分上下，而在陶瓷基板表面單純的結合銅箔。此外，固晶層也可以跟薄型接合層或上薄型接合層一同鍍厚成形，並且在光阻遮蔽下，保留固晶層的部分而蝕刻形成固晶層與薄型接合層間的差異尺寸，均可製造出本案結構。
本發明所述具有金屬導熱凸塊接墊的陶瓷基板元件的第二較佳實施例如圖4所示，本例中陶瓷基板元件40除了具有與圖3J中元件相同的結構外，金屬凸塊接墊41的外表面更覆蓋有保護層42，保護層42的材質可為金(Au)、銀(Ag)、鈀(Pd)或鎳(Ni)等材質，透過熱風整平、有機塗覆、化學鍍鎳/浸金或浸銀等方式形成保護層42於金屬凸塊接墊41的外表面，可 避免銅材質的金屬凸塊接墊41因氧化而影響可焊性或導電性。
綜上所述，本發明所提供之具有金屬導熱凸塊接墊的陶瓷基板組件、元件及其製法，透過雙層結構的金屬凸塊接墊，利用固晶層厚度而減緩單位厚度的溫度差、以及利用薄型接合層面積超過固晶層的厚度受限結構，展現薄型接合層的延展性，減緩金屬電路層與陶瓷基板的結合界面破裂的問題，而固晶層可根據晶粒的功率或發熱量，設計合適的厚度，使金屬凸塊接墊符合高電流密度均勻性的要求。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，不能以此限定本發明實施之範圍，凡是依本發明申請專利範圍及說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆應仍屬本發明涵蓋之範圍內。經過本發明較佳實施例之描述後，熟悉此一技術領域人員應可瞭解到，本案實為一新穎、進步且具產業實用性之發明，深具發展價值。
10:陶瓷基板元件
11:陶瓷基板本體
12:金屬凸塊接墊
13:薄型接合層
14:固晶層
111:上表面
112:下表面

Claims (3)

  1. 一種製造如申請專利範圍第1項所述之具有金屬導熱凸塊接墊的陶瓷基板元件的製法，使至少一金屬凸塊接墊接合於一陶瓷基板本體，並供設置至少一高功率的晶粒，該陶瓷基板本體具有一上表面和相反於前述上表面的一下表面，供上述晶粒焊錫焊接結合的固晶層，該固晶層具有一個第二熱膨脹係數，該製法包括下列步驟：a)在前述上表面上濺鍍一層厚度小於1微米的金屬的種子層；b)在上述種子層上成型一層金屬的增厚層，使得該增厚層與上述種子層共同構成一厚度介於10至300微米的薄型接合層，該薄型接合層具有一個預訂橫截面之面積，以及該薄型接合層具有一個大於上述陶瓷基板本體熱膨脹係數的第一熱膨脹係數，藉此減緩上述薄型接合層與該陶瓷基板本體的界面受熱應力破裂；c)在上述薄型接合層上形成一層面積不小於上述高功率晶粒的金屬的固晶層，且該固晶層的前述面積小於上述薄型接合層預訂橫截面之面積，使得該固晶層和上述薄型接合層共同構成一金屬導熱凸塊接墊，該固晶層具有一個大於上述陶瓷基板本體熱膨脹係數的第二熱膨脹係數。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之製法，進一步包含步驟d)上述薄型接合層和該固晶層之表面鍍上一保護層。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之製法，進一步包含步驟d)將該晶粒設置於該固晶層，該晶粒焊錫焊接打線接合至對應的上述金屬凸塊接墊；及步驟e)封裝該晶粒對應於該陶瓷基板本體之處。
TW108103286A 2019-01-29 2019-01-29 具有金屬導熱凸塊接墊的陶瓷基板組件、元件及其製法 TWI706857B (zh)

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Ling Xu, MiaocaoWang, Yang Zhoua, Zhengfang Qian, Sheng Liu；「An optimal structural design to improve the reliability of Al2O3–DBC substrates under thermal cycling」；Microelectronics Reliability 56 (2016) 101–108
Ling Xu, MiaocaoWang, Yang Zhoua, Zhengfang Qian, Sheng Liu；「An optimal structural design to improve the reliability of Al2O3–DBC substrates under thermal cycling」；Microelectronics Reliability 56 (2016) 101–108 Ning Zhu；「Planar Metallization Failure Modes in Integrated Power Electronics Modules」 *
Ning Zhu；「Planar Metallization Failure Modes in Integrated Power Electronics Modules」

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