陶瓷/金属复合结构的制造方法技术

一种陶瓷／金属复合结构的制造方法，包含以下步骤：对铜片执行多阶段的预氧化处理，将铜片置于陶瓷基板上，加热铜片及陶瓷基板达到一接合温度执行接合处理。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种，尤其涉及一种利用氧 化铝层及铜层的结合所形成的复合结构及其制造方法。
技术介绍
电子零件在电子流动的情况下，皆会产生热，而热的产生会提升电阻， 阻碍电子的流动，继而大幅影响电子零件的功能。在电子零件制造技术大 幅提升的现况下，电子零件中的线宽越来越小，线路密度却越来越高，因而使得电子零件所产生的热也快速增加。以计算机的中央处理器(Centml ProcessingUnit， CPU)为例，Intel公司最早版本的Pentium只需搭配散热功 率16W的封装即可。但是，在2004年所生产的中央处理器的发热量已达 84W， 2006年所生产的中央处理器的发热量更己达98W，若热不能快速被 带走，则计算机的中央处理器的温度将快速增加，使计算机的中央处理器 不能正常运转。因此，与计算机的中央处理器接触的基板是否具有快速的 散热能力，着实是主导计算机能否正常运转的关键因素。一般功率组件，如固体继电器，也是类似于计算机的中央处理器，在 运作过程中产生高热。因此，功率组件亦需要利用与其接触的基板将热快 速散去，方能正常运转。再以发光二极管(Light Emitting Diode， LED)为例，各种颜色的发光二 极管在近几年陆续被开发出来，其中又以白光发光二极管的开发成功最为 重要。此乃因为白光发光二极管可作为照明灯具的光源，此种光源的路灯 用电量比水银灯少75%，比高压钠灯少49%，故具有低耗能的优势，为节 约能源的一项重要发展。然而，若以日常生活及车辆的头灯为例，这些应4用皆须使用功率大于3W的白光发光二极管，这种大功率的白光发光二极管也会放出高热，但LED照明的最大问题在于LED不耐高热， 一般来说温 度不能超过9(TC，若超过此温度，则亮度将快速下降，故与LED接触的散 热机构的快速散热能力是发光二极管能否成为照明光源的最大挑战，这也 说明了散热基板的开发对发光二极管于照明方面的应用，具有举足轻重的 关键地位。为同时兼顾现今3C电子产品轻薄短小的设计要求，与以上这些计算机 的中央处理器、功率组件或发光二极管组件接触的基板须同时符合以下四 个基本要求1. 散热方面的要求此材料须具有高热传导系数，以达到快速散热的要求。2. 绝缘方面的要求为避免高功率电子零件短路，此材料须具有高电阻系数。3. 薄层化的要求在满足以上两个基本要求后，此基板的厚度还应越 薄越好。4. 长时间使用的可靠度这是因高功率电子零件在封装后，高功率电 子零件会进行数以万次的开-关(on-off)循环，而与高功率电子零件接触的基板会随之瞬间升降温数万次。电子零件长时间使用后的可靠度是极重要的 要求，而这与陶瓷与金属结合强度有绝对关系。目前在电子零件的散热机构方面，大量使用了散热鳍片及热管等机构， 再辅以风扇，以期能将高功率的电子零件所产生的热快速带走。但是，这些散热机构的厚度皆较大，因而阻碍了 3C电子产品轻薄短小的设计要求。经全面性的材料搜寻及评估，能符合以上第一个散热的要求及成本考虑下的最佳选择为金属材料，以铜为例，铜的热传导系数可达380W/mK。 而能符合以上第二个绝缘的要求选择的材料则很多，绝大多数的有机材料 或陶瓷材料皆能符合此要求。为兼顾散热的需求，并考虑长时间可靠度的需求，以陶瓷材料为较佳的选择。在陶瓷材料中能提供高导热及绝缘的材料有氧化铝及氮化铝，氧化铝的热传导系数可达20-38W/mK，而氮化铝的 热传导系数更可达40-200W/mK。陶瓷的热传导系数之所以有较大的范围， 是因陶瓷的热传导系数受陶瓷的纯度及烧结添加剂影响甚大。再者，氧化 铝及氮化铝的电阻系数皆高达101()Qm以上，因此两个陶瓷皆具有极佳的电 绝缘性。又，氧化铝及氮化铝还具有低介电常数(Didectric constant)及高介 电强度(Dielectric strength)等优点，故常用在基板方面。但因氧化铝为共价键及离子键共存的高熔点固体(熔点>2000")，而铜 原子则以金属键结合，熔点只有1083°C，将氧化铝及铜键结在一起是一个 极具挑战性的领域。在现有技术中，将氧化铝及铜键结在一起可以有两种 方法， 一种方法为固态键结法(Solid state bonding),另一种方法则为液态键 结法(Liquid phase bonding)。这两种方法的处理温度都在100(TC以上。经长时间的研究，我们发现将氧化铝片及铜片键结在一起的基板，氧 化铝及铜之间的界面强度须很高才具有应用价值。这是因氧化铝与铜的键 结不同，且铜的热膨胀系数(17xl(^K")为氧化铝的热膨胀系数(8xlO'SK")的 两倍。依Seising所推导的公式(Selsing， J.， J. Am. Ceram. Soc.， 44， 419， 1961)，如下所示在上式中，Acc是氧化铝与铜的热膨胀系数的差异，AT是制造工艺或 使用的温度与室温的差异，v是泊松比(Poisson，s ratio), E是弹性常数。因 将氧化铝片及铜片键结在一起的温度在IOOO'C以上，所以氧化铝片与铜片 之间因热膨胀系数的差异在高温接合(Joining)后所引起的热应力，估算可以 达到数百MPa以上。此热应力非常大，对氧化铝片及铜片键结强度(结合 强度)有很大的影响，并且在与会发热的电子零件封装后，在电子零件进 行数以万次的开-关循环后，若氧化铝片及铜片键结强度(结合强度)不够高，氧化铝片与铜片之间会产生分层，热分散能力将大幅下降，这对高功 率电子零件的长时间使用的可靠度将产生无法弥补的影响。因此，如何提供一种具有高键结强度的陶瓷/金属复合结构，实为亟待 解决的问题。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术的目的是提供一种陶瓷/金属复合结构的制造 方法，通过提供陶瓷与金属材料之间的强键结，实现在薄型化及长时间的 可靠度之下，为电子组件提供良好的散热及绝缘功能的目的。为实现上述目的，本专利技术提供了一种， 包含以下步骤对铜片执行多阶段的预氧化处理；将所述铜片置于陶瓷基板上；加热所述铜片及所述陶瓷基板至一接合温度执行接合处理。根据本专利技术的方案，所述多阶段的预氧化处理可以包括第一阶段的预 氧化处理和第二阶段的预氧化处理；根据实际需要，该多阶段的预氧化处 理还可以包括第三阶段的预氧化处理。在进行多阶段的预氧化处理时，第一阶段与第二阶段的预氧化处理的 温度可以控制在50'C至70(TC之间，并控制适当的处理时间；具体地，预 氧化处理的时间可以控制在1至600分钟之间；预氧化处理可以在大气氛 围中进行，优选地，所采用气氛中的氧分压在O.Ol至1.1xl()Spa之间。各阶段预氧化处理的温度、时间或所采用的气氛中氧分压可以不相同， 例如，第一阶段与第二阶段的预氧化处理的最高温度的绝对温度值与铜的 熔点的绝对温度值的比值可以小于或等于0.75。第二阶段的预氧化处理的 起始温度可以控制在第一阶段的预氧化处理完成后的所述铜片的余温。根据本专利技术的方案，多阶段预氧化处理完成后，加热所述铜片以及所 述陶瓷基板至一结合温度执行结合处理时所采用的接合温度在铜与氧化铜之间的共晶点与铜的熔点之间，或者在铜与氧化铜之间的共晶点与iooo'c 之间。附图说明图1显示依据本专利技术较佳实施例的陶瓷/金属复合结构的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种陶瓷／金属复合结构的制造方法，包含以下步骤：　对铜片执行多阶段的预氧化处理；　将所述铜片置于陶瓷基板上；　加热所述铜片及所述陶瓷基板至一接合温度执行接合处理。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：段维新，
申请(专利权)人：段维新，
类型：发明
国别省市：71[中国|台湾]