覆铜陶瓷基板
阅读说明：本技术 覆铜陶瓷基板 (Copper-clad ceramic substrate ) 是由 庄凯翔 许建强 许建中 邱国创 于 2020-01-15 设计创作，主要内容包括：此处提供的覆铜陶瓷基板包括：氮化物陶瓷基板；第一钝化层,包括掺杂其他金属的氧化铝或氧化硅,其他金属是钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜、或上述的组合,且铝或硅与其他金属的重量比例介于60:40至99.5:0.5之间；以及第一铜层,其中第一钝化层位于氮化物陶瓷基板的上表面与第一铜层之间。(The copper-clad ceramic substrate provided herein includes: a nitride ceramic substrate; a first passivation layer comprising alumina or silica doped with another metal, the other metal being titanium, vanadium, chromium, manganese, iron, cobalt, nickel, copper, or a combination thereof, and the weight ratio of aluminum or silicon to the other metal being between 60:40 and 99.5: 0.5; and a first copper layer, wherein the first passivation layer is located between the upper surface of the nitride ceramic substrate and the first copper layer.)
技术领域
本揭露关于覆铜陶瓷基板与其形成方法。
背景技术
随着电动车市场的兴起，其中用于控制马达引擎电压电流的输出的IGBT功率模块需求增加，也随着更佳的加速表现，功率模块所需的电压、电流也越来越高(>1200V、>800A)，其中一种用于封装IGBT晶片的覆铜陶瓷基板的技术也越来越重要，此覆铜陶瓷基板需能承受高电压、高电流，且需兼具高结构强度、高导热率、高热循环可靠度等特性。
此覆铜陶瓷基板的结构为一陶瓷基板，上下接合厚度大于0.1mm的铜箔，中间的陶瓷基板的常见材料为氧化铝(Al2O3)、氧化锆增韧氧化铝(ZTA)、氮化铝(AlN)、氮化硅(Si3N4)等材料，其中AlN陶瓷具有最佳的导热性(热传导系数达到180W/m·K，氧化铝热传导系数为30W/m·K)，热膨胀系数与硅(Si)、锗(Ge)等晶片材料接近等优点。另外，Si3N4陶瓷兼具强度与热传导特性是具备高度可热循环可靠度的陶瓷基板材料。
覆铜陶瓷基板的制作方式常见的方法为直接覆铜接合技术(Direct BondedCopper Method)，此方法利用表面处理的铜箔覆盖于陶瓷基板上，于惰性气氛中加热至1050℃～1080℃之间，使铜箔表面的氧化铜接合至陶瓷基板。
当使用氮化铝作为陶瓷基板时，需额外氧化处理氮化铝陶瓷基板的表面以形成安定的惰性保护层。然而氧化铜与惰性保护层会发生反应产生气体，即在铜箔与陶瓷基板的界面处形成气泡。气泡会降低铜箔与陶瓷基板的结合强度、热传导及可靠度。
综上所述，目前亟需新的覆铜陶瓷基板以解决上述问题。
发明内容
本揭露一实施例提供的覆铜陶瓷基板，包括：氮化物陶瓷基板；第一钝化层，包括掺杂其他金属的氧化铝或氧化硅，其他金属是钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜、或上述的组合，且铝或硅与其他金属的重量比例介于60:40至99.5:0.5之间；以及第一铜层，其中第一钝化层位于氮化物陶瓷基板的上表面与第一铜层之间。
在一实施例中，氮化物陶瓷基板包括氮化铝陶瓷基板或氮化硅陶瓷基板。
在一实施例中，氮化物陶瓷基板的厚度介于0.3毫米至1毫米之间。
在一实施例中，第一钝化层的厚度介于1至5微米之间。
在一实施例中，第一钝化层的厚度介于1至2微米之间。
在一实施例中，第一铜层的厚度介于0.1毫米至0.3毫米之间。
在一实施例中，上述覆铜陶瓷基板还包括：第二钝化层，包括掺杂其他金属的氧化铝或氧化硅，其他金属是钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜、或上述的组合，且铝或硅与其他金属的重量比例介于60:40至99.5:0.5之间；以及第二铜层，其中第二钝化层位于氮化物陶瓷基板的下表面与第二铜层之间。
在一实施例中，第二钝化层的厚度介于1至5微米之间。
在一实施例中，第二钝化层的厚度介于1至2微米之间。
在一实施例中，第二铜层的厚度介于0.1毫米至0.3毫米之间。
附图说明
图1至图3是一实施例中，形成覆铜陶瓷基板的方法的示意图；
图4是一实施例中，覆铜陶瓷基板的示意图。
【符号说明】
11 氮化物陶瓷基板
13 前驱物层
15 钝化层
17 铜箔
具体实施方式
在一实施例中，提供氮化物如氮化铝(AlN)或氮化硅(Si3N4)的氮化物陶瓷基板11，并清洁氮化物陶瓷基板11的表面，在一实施例中，氮化物陶瓷基板11的厚度介于0.3m毫米至1毫米之间。若氮化物陶瓷基板11的厚度过小，则基板强度无法抵抗铜箔因接合后所引入的热应力而导致基板破裂。若氮化物陶瓷基板11的厚度过大，则界面热阻太大，垂直于基板侧的热传导不佳，造成无法有效将IGBT晶片的热导出而降低产品特性。举例来说，可碱洗氮化物陶瓷基板11，再以去离子水中和基板表面。接着使氮化物陶瓷基板11的表面干燥，再形成含钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜、或上述的组合的前驱物层13于氮化物陶瓷基板11的上表面与下表面上，如图1所示。举例来说，上述前驱物层13的形成方法可为沉积、铺粉、印刷、喷涂、或涂布。
接着加热上表面与下表面具有前驱物层13的氮化物陶瓷基板11到1000℃至1300℃之间并维持0.1小时至6小时，使前驱物层13转换成钝化层15，如图2所示。在一实施例中，上述加热前驱物层13的步骤的环境的氧浓度介于100ppm至1％之间。若氧浓度过低，则钝化元素无法产生钝化的效果。若氧浓度过高，则钝化层厚度过大。经上述步骤后，形成于氮化物陶瓷基板11的上表面与下表面上的钝化层15包括掺杂钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜、或上述的组合的氧化铝(当氮化物陶瓷基板11为氮化铝时)或氧化硅(当氮化物陶瓷基板11为氮化硅时)，且掺杂元素对应前驱物层13的组成。在钝化层15中，铝或硅与其他掺杂金属(如钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜、或上述的组合)的重量比例介于60:40至99.5:0.5。若其他掺杂元素的比例过低，则无掺杂元素的效果。若其他掺杂元素的比例过高，则无法形成钝化层以提供接合。在一实施例中，钝化层15的厚度介于1微米至5微米之间。在另一实施例中，钝化层15的厚度介于1微米至2微米之间。若钝化层15的厚度过小，则无法有效帮助铜箔贴合至氮化物陶瓷基板11。若钝化层15的厚度过大，则贴合强度会下降。
接着预氧化铜箔17的表面，以形成预氧化面于铜箔17的上表面与下表面上。在一实施例中，铜箔17的厚度介于0.1毫米至0.3毫米之间。接着在惰性气氛(低氧气浓度，比如20ppm)中将上表面与下表面具有钝化层15的氮化物陶瓷基板11置于两片预氧化处理后的铜箔17之间，并加热到1050℃至1080℃，使铜箔17经由钝化层15接合至氮化物陶瓷基板11，如图3所示。至此即得覆铜的陶瓷基板，其具有优异的铜箔拉力值(较不易分层)。由X光穿透相片可知，与纯氧化铝的钝化层相较，掺杂钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜、或上述的组合的氧化铝或氧化硅的钝化层15在接合后的气泡大小与数目均大幅下降。
在另一实施例中，可只在氮化物陶瓷基板11的一侧上形成钝化层15与铜箔17，如图4所示。
上述覆铜陶瓷基板可作为高功率模块中的电路板，以承载高电压与高电流的IGBT晶片。上述高功率模块可用于电动车、风力发电机、发电厂、或类似设备。
为让本揭露的上述内容和其他目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举出较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下：
[实施例]
比较例1
取无氧铜的铜箔裁切成4.25吋×4.25吋×0.3mm的尺寸，并以#2500砂带抛光铜箔的上表面与下表面，以超音波清洁后在大气下加热至250℃并维持30分钟，以预氧化铜箔表面。此处理后的铜箔保存于真空下备用。
购自Kyocera的氧化铝基板，其尺寸为4.25吋×4.25吋×0.635mm，且表面粗糙度为0.6微米至0.8微米。将氧化铝基板置入5％的NaOH并超音波振荡3分钟以碱洗氧化铝基板，再将氧化铝基板置入去离子水并超音波振荡3分钟以中和碱洗后的氧化铝表面。接着旋转氧化铝基板除水，并将氧化铝基板加热至120℃并维持10分钟以干燥氧化铝基板。上述步骤可清洁氧化铝基板的上表面与下表面。
将表面清洁后的氧化铝基板置于两片处理后的铜箔之间，并于20ppm的氧气浓度下进行DBC制程，分别在700℃下维持5分钟、在900℃下维持5分钟、且在1056℃下维持5分钟，而升温速度为40℃/分钟。如此一来，可得铜箔/氧化铝基板/铜箔的覆铜陶瓷基板，其铜箔拉力值为66N/cm(量测标准为ASTM D903)。
比较例2
依照比较例1的方式处理铜箔。购自Maruwa的氮化铝基板，其尺寸为4.25吋×4.25吋×0.635mm，且表面粗糙度为0.2微米至0.8微米。将氮化铝基板置入5％的NaOH并超音波振荡3分钟以碱洗氮化铝基板，再将氮化铝基板置入去离子水并超音波振荡3分钟以中和碱洗后的氮化铝表面。接着旋转氮化铝基板除水，并将氮化铝基板加热至120℃并维持10分钟以干燥氮化铝基板。上述步骤可清洁氮化铝基板的上表面与下表面。
在大气下预加热清洁后的氮化铝基板，分别在1100℃下维持560分钟且在700℃下维持360分钟，以形成氧化铝的钝化层于氮化铝基板的上表面与下表面上。上述钝化层的厚度为8μm。
将具有氧化铝钝化层于上表面与下表面上的氮化铝基板置于两片处理后的铜箔之间，并于20ppm的氧气浓度下进行DBC制程，分别在700℃下维持5分钟、在900℃下维持5分钟、且在1056℃下维持5分钟，而升温速度为40℃/分钟。如此一来，可得铜箔/氧化铝钝化层/氮化铝基板/氧化铝钝化层/铜箔的覆铜陶瓷基板，其铜箔拉力值为44N/cm(量测标准为ASTM D903)。
比较例3
依照比较例1的方式处理铜箔，并依照比较例2的方式清洁氮化铝基板的表面。在大气下预加热清洁后的氮化铝基板，分别在1020℃下维持560分钟且在700℃下维持360分钟，以形成氧化铝的钝化层于氮化铝基板的上表面与下表面上。上述钝化层的厚度为2μm。
将具有氧化铝钝化层于上表面与下表面上的氮化铝基板置于两片处理后的铜箔之间，并于20ppm的氧气浓度下进行DBC制程，分别在700℃下维持5分钟、在900℃下维持5分钟、且在1056℃下维持5分钟，而升温速度为40℃/分钟。如此一来，可得铜箔/氧化铝钝化层/氮化铝基板/氧化铝钝化层/铜箔的覆铜陶瓷基板，其铜箔拉力值为34N/cm(量测标准为ASTM D903)。
比较例4
依照比较例1的方式处理铜箔，并依照比较例2的方式清洁氮化铝基板的表面。涂布形成1微米厚的氯化锡层(SnCl2)于清洁后的氮化铝基板的上表面与下表面上，接着在大气下预加热具有氯化锡层于上表面与下表面上的氮化铝基板，分别在1100℃下维持560分钟且在700℃下维持360分钟，以形成掺杂锡的氧化铝钝化层于氮化铝基板的上表面与下表面上。上述钝化层的厚度为8μm，且钝化层中铝与锡的重量比例为98:2(量测方法为能量色散X射线光谱(EDS)，Energy Dispersive X-ray Spectroscopy)。
将具有掺杂锡的氧化铝钝化层于上表面与下表面上的氮化铝基板置于两片处理后的铜箔之间，并于20ppm的氧气浓度下进行DBC制程，分别在700℃下维持5分钟、在900℃下维持5分钟、且在1056℃下维持5分钟，而升温速度为40℃/分钟。如此一来，可得铜箔/掺杂锡的氧化铝钝化层/氮化铝基板/掺杂锡的氧化铝钝化层/铜箔的覆铜陶瓷基板，其铜箔拉力值为30N/cm(量测标准为ASTM D903)。
实施例1
依照比较例1的方式处理铜箔，并依照比较例2的方式清洁氮化铝基板的表面。涂布形成1微米厚的氧化钛层(TiO2)于清洁后的氮化铝基板的上表面与下表面上，接着在氧气浓度为100ppm下预加热具有氧化钛层于上表面与下表面上的氮化铝基板，分别在1100℃下维持560分钟且在700℃下维持360分钟，以形成掺杂钛的氧化铝钝化层于氮化铝基板的上表面与下表面上。上述钝化层的厚度为2μm，且钝化层中铝与钛的重量比例为90:10(供量测方法为EDS)。
将具有掺杂钛的氧化铝钝化层于上表面与下表面上的氮化铝基板置于两片处理后的铜箔之间，并于20ppm的氧气浓度下进行DBC制程，分别在700℃下维持5分钟、在900℃下维持5分钟、且在1056℃下维持5分钟，而升温速度为40℃/分钟。如此一来，可得铜箔/掺杂钛的氧化铝钝化层/氮化铝基板/掺杂钛的氧化铝钝化层/铜箔的覆铜陶瓷基板，其铜箔拉力值为82N/cm(量测标准为ASTM D903)。
实施例2
依照比较例1的方式处理铜箔，并依照比较例2的方式清洁氮化铝基板的表面。涂布形成1微米厚的氧化钒层(V2O3)于清洁后的氮化铝基板的上表面与下表面上，接着在氧气浓度为1％下预加热具有氧化钒层于上表面与下表面上的氮化铝基板，分别在1100℃下维持560分钟且在700℃下维持360分钟，以形成掺杂钒的氧化铝的钝化层于氮化铝基板的上表面与下表面上。上述钝化层的厚度为4μm，且钝化层中铝与钒的重量比例为85:15(量测方法为EDS)。
将具有掺杂钒的氧化铝钝化层于上表面与下表面上的氮化铝基板置于两片处理后的铜箔之间，并于20ppm的氧气浓度下进行DBC制程，分别在700℃下维持5分钟、在900℃下维持5分钟、且在1056℃下维持5分钟，而升温速度为40℃/分钟。如此一来，可得铜箔/掺杂钒的氧化铝钝化层/氮化铝基板/掺杂钒的氧化铝钝化层/铜箔的覆铜陶瓷基板，其铜箔拉力值为81N/cm(量测标准为ASTM D903)。
实施例3
依照比较例1的方式处理铜箔，并依照比较例2的方式清洁氮化铝基板的表面。涂布形成1微米厚的氧化铬层(Cr2O3)于清洁后的氮化铝基板的上表面与下表面上，接着在氧气浓度为500ppm下预加热具有氧化铬层于上表面与下表面上的氮化铝基板，分别在1100℃下维持560分钟且在700℃下维持360分钟，以形成掺杂铬的氧化铝的钝化层于氮化铝基板的上表面与下表面上。上述钝化层的厚度为3μm，且钝化层中铝与铬的重量比例为92:8(量测方法为EDS)。
将具有掺杂铬的氧化铝钝化层于上表面与下表面上的氮化铝基板置于两片处理后的铜箔之间，并于20ppm的氧气浓度下进行DBC制程，分别在700℃下维持5分钟、在900℃下维持5分钟、且在1056℃下维持5分钟，而升温速度为40℃/分钟。如此一来，可得铜箔/掺杂铬的氧化铝钝化层/氮化铝基板/掺杂铬的氧化铝钝化层/铜箔的覆铜陶瓷基板，其铜箔拉力值为79N/cm(量测标准为ASTM D903)。
实施例4
依照比较例1的方式处理铜箔，并依照比较例2的方式清洁氮化铝基板的表面。涂布形成1微米厚的氧化锰层(MnO2)于清洁后的氮化铝基板的上表面与下表面上，接着在氧气浓度为1％下预加热具有氧化锰层于上表面与下表面上的氮化铝基板，分别在1100℃下维持560分钟且在700℃下维持360分钟，以形成掺杂锰的氧化铝的钝化层于氮化铝基板的上表面与下表面上。上述钝化层的厚度为2μm，且钝化层中铝与锰的重量比例为84:16(量测方法为EDS)。
将具有掺杂锰的氧化铝钝化层于上表面与下表面上的氮化铝基板置于两片处理后的铜箔之间，并于20ppm的氧气浓度下进行DBC制程，分别在700℃下维持5分钟、在900℃下维持5分钟、且在1056℃下维持5分钟，而升温速度为40℃/分钟。如此一来，可得铜箔/掺杂锰的氧化铝钝化层/氮化铝基板/掺杂锰的氧化铝钝化层/铜箔的覆铜陶瓷基板，其铜箔拉力值为85N/cm(量测标准为ASTM D903)。
实施例5
依照比较例1的方式处理铜箔，并依照比较例2的方式清洁氮化铝基板的表面。涂布形成1微米厚的氧化铁层(Fe2O3)于清洁后的氮化铝基板的上表面与下表面上，接着在氧气浓度为500ppm下预加热具有氧化铁层于上表面与下表面上的氮化铝基板，分别在1100℃下维持560分钟且在700℃下维持360分钟，以形成掺杂铁的氧化铝的钝化层于氮化铝基板的上表面与下表面上。上述钝化层的厚度为2μm，且钝化层中铝与铁的重量比例为78:22(量测方法为EDS)。
将具有掺杂铁的氧化铝钝化层于上表面与下表面上的氮化铝基板置于两片处理后的铜箔之间，并于20ppm的氧气浓度下进行DBC制程，分别在700℃下维持5分钟、在900℃下维持5分钟、且在1056℃下维持5分钟，而升温速度为40℃/分钟。如此一来，可得铜箔/掺杂铁的氧化铝钝化层/氮化铝基板/掺杂铁的氧化铝钝化层/铜箔的覆铜陶瓷基板，其铜箔拉力值为69N/cm(量测标准为ASTM D903)。
实施例6
依照比较例1的方式处理铜箔，并依照比较例2的方式清洁氮化铝基板的表面。涂布形成1微米厚的氧化镍层(NiO)于清洁后的氮化铝基板的上表面与下表面上，接着在氧气浓度为1％下预加热具有氧化镍层于上表面与下表面上的氮化铝基板，分别在1100℃下维持560分钟且在700℃下维持360分钟，以形成掺杂镍的氧化铝的钝化层于氮化铝基板的上表面与下表面上。上述钝化层的厚度为4μm，且钝化层中铝与镍的重量比例为80:20(量测方法为EDS)。
将具有掺杂镍的氧化铝钝化层于上表面与下表面上的氮化铝基板置于两片处理后的铜箔之间，并于20ppm的氧气浓度下进行DBC制程，分别在700℃下维持5分钟、在900℃下维持5分钟、且在1056℃下维持5分钟，而升温速度为40℃/分钟。如此一来，可得铜箔/掺杂镍的氧化铝钝化层/氮化铝基板/掺杂镍的氧化铝钝化层/铜箔的覆铜陶瓷基板，其铜箔拉力值为70N/cm(量测标准为ASTM D903)。
实施例7
依照比较例1的方式处理铜箔，并依照比较例2的方式清洁氮化铝基板的表面。涂布形成1微米厚的氧化亚铜层(Cu2O)于清洁后的氮化铝基板的上表面与下表面上，接着在氧气浓度为500ppm下预加热具有氧化亚铜层于上表面与下表面上的氮化铝基板，分别在1100℃下维持560分钟且在700℃下维持360分钟，以形成掺杂铜的氧化铝的钝化层于氮化铝基板的上表面与下表面上。上述钝化层的厚度为3μm，且钝化层中铝与铜的重量比例为65:35(量测方法为EDS)。
将具有掺杂铜的氧化铝钝化层于上表面与下表面上的氮化铝基板置于两片处理后的铜箔之间，并于20ppm的氧气浓度下进行DBC制程，分别在700℃下维持5分钟、在900℃下维持5分钟、且在1056℃下维持5分钟，而升温速度为40℃/分钟。如此一来，可得铜箔/掺杂铜的氧化铝钝化层/氮化铝基板/掺杂铜的氧化铝钝化层/铜箔的覆铜陶瓷基板，其铜箔拉力值为65N/cm(量测标准为ASTM D903)。
实施例8
依照比较例1的方式处理铜箔，并依照比较例2的方式清洁氮化铝基板的表面。物理气相沉积100nm厚的钛层、100nm厚的锰层、与100nm厚的铜层于清洁后的氮化铝基板的上表面与下表面上，接着在氧气浓度为500ppm下预加热具有钛、锰、与铜层于上表面与下表面上的氮化铝基板，分别在1100℃下维持560分钟且在700℃下维持360分钟，以形成掺杂钛、锰、与铜的氧化铝的钝化层于氮化铝基板的上表面与下表面上。上述钝化层的厚度为3μm，且钝化层中铝与钛的重量比例为90:10、铝与锰的重量比例为90:10、且铝与铜的重量比例为90:10(量测方法为EDS)。
将具有掺杂钛、锰、与铜的氧化铝钝化层于上表面与下表面上的氮化铝基板置于两片处理后的铜箔之间，并于20ppm的氧气浓度下进行DBC制程，分别在700℃下维持5分钟、在900℃下维持5分钟、且在1056℃下维持5分钟，而升温速度为40℃/分钟。如此一来，可得铜箔/掺杂钛、锰、与铜的氧化铝钝化层/氮化铝基板/掺杂钛、锰、与铜的氧化铝钝化层/铜箔的覆铜陶瓷基板，其铜箔拉力值为85N/cm(量测标准为ASTM D903)。
虽然本揭露已以数个较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本揭露，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本揭露的精神和范围内，当可作任意的更动与润饰，因此本揭露的保护范围当视所附的权利要求书所界定的范围为准。