具金屬化表面的基材的製作方法

2023-09-17 20:28:30

專利名稱：具金屬化表面的基材的製作方法
技術領域：
本實用新型關於一種具金屬化表面的基材；特定而言，本實用新型關於一種作為發光二極體的散熱基板、高散熱電子組件基板、或高散熱電路板的具金屬化表面的金屬陶瓷基材。
背景技術：
傳統散熱基板，如印製電路板，使用絕緣膠作為絕緣層將導線層(如銅箔)黏著於基板上。然而，由於絕緣膠的熱傳性能不佳、容易老化及易受環境影響產生質變等缺點，因此使用絕緣膠的傳統散熱基板已無法滿足現今高功率規格的散熱基板的需求。目前使用具有極佳絕緣性的陶瓷材料的散熱基板已普遍地應用於發光二極體散熱基板、高散熱電子組件基板、高散熱電路板等方面。上述散熱基板的結構包含一陶瓷絕緣基材及一沉積於該陶瓷絕緣基材的金屬傳導層，沉積該金屬傳導層的方法大致可分為物理氣相沉積法(physical vapor deposition, PVD)與化學氣相沉積法(chemical vapor deposition, CVD)，PVD例如包含濺鍍、電弧蒸鍍、離子電鍍等方法，CVD例如包含等離子 CVD、金屬有機CVD等。然而，由於陶瓷材料與常用的金屬傳導層材料(例如銅)彼此間的附著力不佳，因此金屬傳導層容易發生剝落現象。為解決此缺點，業界已提出於陶瓷材料與金屬傳導層間沉積一黏著層，以增加彼此間的附著力。目前較常使用的黏著層材料包含鎳、鉻、鈦、鉬等金
jM ο儘管於陶瓷材料與金屬傳導層間額外形成一黏著層的方式可某程度的解決金屬傳導層的問題，但由於不同金屬通常需要不同的蝕刻液來進行蝕刻，因此當於具金屬化表面的基材上進行一蝕刻工藝，以圖案化金屬傳導層時，通常需要使用不同的蝕刻液分次蝕刻金屬傳導層及黏著層，此將增加蝕刻工藝的成本及時間。舉例言之，目前業界較常使用的金屬傳導層的材料為銅，而用以增加銅與陶瓷材料間的附著力的黏著層材料通常選用鉻或鈦。然而，一般用以蝕刻銅的蝕刻液為氯化鐵，而蝕刻鉻則需要硝酸或鹽酸等強酸性蝕刻液，蝕刻鈦則需利用王水作為蝕刻液。因此，圖案化具有鉻(或鈦)黏著層與銅金屬傳導層的基材時，須進行二次蝕刻工藝，徒增工藝時間及成本。為解決上述問題，在節省產制時間及成本之前提下，本實用新型提供一種具金屬化表面的基材，其具有良好的散熱能力，且可解決習知金屬傳導層的剝落問題。

實用新型內容本實用新型的目的在於提供一種具金屬化表面的基材，包含一基板；一含鋁陶瓷層，位於該基板上；一鋁層，位於該含鋁陶瓷層上；一第一金屬層，位於該鋁層上；以及一第二金屬層，位於該第一金屬層上；其中，該第一金屬層由鋁與該第二金屬層的成分所構成。在參閱圖式及隨後描述的實施方式後，本實用新型所屬技術領域中具有通常知識者當可了解本實用新型的目的，以及本實用新型的技術手段及實施方面。

[0010:
1
101 103 105 107
1071，1073，1075，1077 109
圖1為本實用新型的具金屬化表面的基材的一實施方面的剖面圖； 圖IA為本實用新型的具金屬化表面的基材的一實施方面的第一金屬層的剖面
圖2為可用於製備本實用新型的具金屬化表面的基材的裝置的概要簡圖；以及圖3為拉力測試的剖面示意圖。 主要組件符號說明
基材
基板
含鋁陶瓷層招層
第一金屬層層
第二金屬層 2裝置
201第一靶材
202第一陰極
203第二靶材
204第二陰極
205待濺鍍的基板
206真空抽氣系統
207真空室
208進氣系統
209第一直流電源供應器
210第二直流電源供應器 301 鋁錠
303試樣基材
具體實施方式
以下將參照附圖以更充分地描述本實用新型的部分實施方面。惟本實用新型尚可以多種不同形式來實踐，且不應將其解釋為限於說明書所例示的實施方面。此外，在所附圖式中，為明確起見可能誇示各對象及區域的尺寸，而未按照實際比例繪示。同時，除非文中有另外說明，於本實用新型說明書中(尤其是在後述專利申請範圍中)所使用的「一」、「該」 及類似用語應理解為包含單數及數個形式。參考圖1，其繪示根據本實用新型的具金屬化表面的基材1的一實施方面的剖面圖。如圖所示，基材1包含一基板101、一位於基板101上的含鋁陶瓷層103、一位於含鋁陶瓷層103上的鋁層105、一位於鋁層105上的第一金屬層107、以及一位於第一金屬層107上的第二金屬層109。其中，於不受理論限制下，第二金屬層109作為基材1的導電金屬層， 鋁層105及第一金屬層107作為提供含鋁陶瓷層103與第二金屬層109間良好附著力的黏著層結構。本實用新型的基材1中，基板101可為具有良好導熱性的任何合宜材料。舉例言之，基板101可採用例如選自以下群組的金屬材料鋁、銅、不鏽鋼、前述金屬的合金、經少量雜質摻混之前述金屬、及其組合；或如碳化矽等非金屬材料。此外，基板101的厚度並無任何特別的限制，端視所得基材1的用途與應用而調整。於本實用新型的一實施方面中，選用厚度為約3毫米至約6毫米的鋁質基板。含鋁陶瓷層103亦即含有鋁成分的陶瓷層，其材料通常可選自以下群組氧化鋁、 氮化鋁、及其組合，但不以此為限。同樣地，含鋁陶瓷層103的厚度並無特殊限制，只要能達到所欲的絕緣效果即可，於本實用新型的部分實施方面中，含鋁陶瓷層103的厚度約85微米至約115微米。本實用新型基材通過於一導熱性良好的材料表面形成一陶瓷絕緣層作為基板，以取代傳統散熱基板中以絕緣膠作為絕緣黏著層的基板結構、或取代單使用陶瓷材料的基板結構，除能避免絕緣膠的劣化問題外，亦能克服單使用陶瓷材料的基板的導熱性不足的問題。如前述，含鋁陶瓷層103(如氧化鋁)與第二金屬層109的材料(如銅)彼此間的附著力較差。鹹信可利用在該二層之間提供一黏著層的手段，強化彼此間的附著力。習知技術已有使用例如鉻、鎳等材料作為黏著層，主要是因為使用鉻可減少於陶瓷材料上鍍膜時所產生的應力，因此鉻薄膜與陶瓷基板間的黏著力較佳；而鎳與大多數金屬普遍具有不錯的兼容性，因而有助於提升陶瓷材料與導電金屬層間的黏著性。本案創作人研究後發現， 使用鋁層105與第一金屬層107的組合作為黏著層時，不但可利用鋁層105與含鋁陶瓷層 103間的兼容性提升彼此間的黏著性，亦可提供含鋁陶瓷層103及第二金屬層109所欲的附著力，於部分實施方面下，更利於所得基材1後續的圖案化蝕刻程序。具體言之，成知純鋁雖與含鋁陶瓷層103間具有良好的兼容性因而展現優良的附著性，但其與第二金屬層109的附著力有時無法令人滿意；因此，本實用新型於鋁層105與第二金屬層109之間更提供一第一金屬層107，其由鋁與所用的第二金屬層109的成分所構成，其對下方的鋁層105與上方的第二金屬層109皆可提供增進的附著力，從而有利地避免基材1於使用時發生第二金屬層109剝離的現象。根據本實用新型，提供黏著效果的鋁層105與第一金屬層107的總厚度通常為約 100納米至約300納米，較佳為約120納米至約280納米。原則上，總厚度在前述範圍內的鋁層105與第一金屬層107即可達到一定程度的黏著效果；於本實用新型的部分實施方面中，鋁層105可具有約30納米至約100納米的厚度，較佳為約40納米至約90納米，且第一金屬層107可具約70納米至約200納米的厚度，較佳為約80納米至約190納米。於本實用新型的具金屬化表面的基材1中，由鋁與第二金屬層的成分所構成的第一金屬層107的結構可具有多樣性，例如可為單層結構或多層結構，且各該層的鋁濃度可各自獨立呈如均勻分布或梯度分布的形式。根據本實用新型，第一金屬層107的鋁濃度通常為10體積％至90體積％，較佳為25體積％至45體積％。當第一金屬層107為單層結構時，其可具有均勻分布(即固定)的鋁濃度(例如35體積％ )或梯度分布的鋁濃度。其中，具有梯度分布的鋁濃度即指例如自鋁層105往第二金屬層109的方向呈遞減分布的形式(例如自45體積％遞減至25體積％ )。於本實用新型中，第一金屬層107較佳具有均勻分布(即固定)鋁濃度的單層結構。於第一金屬層107為多層結構的情況可參考圖1A，其本實用新型的一實施方面的第一金屬層107的剖面圖。如圖IA所示，第一金屬層107包含層1071、層1073、層1075、及層1077等四層，其中層1071與鋁層105相鄰，層1077則與第二金屬層109相鄰。但應了解，本實用新型的基材1亦可以其它層數的方面予以體現，例如可為雙層、三層、五層、六層等，並不限於所繪示者。層1071、層1073、層1075及層1077可具有相同或彼此不同的鋁濃度，或可具有相同或彼此不同的鋁濃度分布，或其任意組合。舉例言之，層1071、層1073、層1075及層1077 可分別具有40體積％、35體積％、30體積％及25體積％的均勻分布的鋁濃度，以形成鋁濃度往第二金屬層109呈(階梯式)遞減分布的具多層結構的第一金屬層105。又或者，層 1071、層1073、層1075及層1077本身皆具有梯度分布的鋁濃度且組合形成整體具有梯度分布鋁濃度的具多層結構的第一金屬層107，例如層1071、層1073、層1075及層1077可分別具有自約45體積％往層1073遞減至約40體積％、自約40體積％往層1075遞減至約35體積％、自約35體積％往層1077遞減至約30體積％與自約30體積％往第二金屬層109遞減至約25體積％的梯度分布的鋁濃度。再次參考圖1，位於第一金屬層107上的第二金屬層109的材料並無任何特殊限制，只要其具有導電性即可。可用以構成第二金屬層109的材料例如可為以下的任一金、 銀、鋁、銅、前述金屬的合金、經少量雜質摻混之前述金屬、及其組合。根據本實用新型的一實施方面，第二金屬層109由銅所構成。此外，第二金屬層109的厚度通常視所得基材的用途與規格而定，一般為約100納米至約300納米，較佳為約100納米至約200納米。於本實用新型的部分實施方面中，採用具單層結構的第一金屬層107，其由鋁銅混合金屬所構成，相應地，此時第二金屬層109由銅構成。於此，由於對鋁及銅而言，皆可使用如氯化鐵蝕刻液進行蝕刻，故於後續的圖案化金屬膜層的工藝具減少工藝時間及成本的優勢。可使用任何合宜的方法製造本實用新型具金屬化表面的基材1。舉例言之，可利用熱噴塗、陽極處理(例如將基板置於高溫環境中並通入氧氣或氮氣，以於基板表面形成氧化鋁或氮化鋁層)、蒸鍍、或濺鍍等方式，於基板101上形成含鋁陶瓷層103，隨後於含鋁陶瓷層103上依序沉積鋁層105、第一金屬層107、及第二金屬層109。於本實用新型的部份實施方面中，利用熱噴塗方法形成含鋁陶瓷層103，隨後以濺鍍法於含鋁陶瓷層103上依序沉積鋁層105、第一金屬層107、及第二金屬層109。其中，使用熱噴塗法以於基板101表面形成所欲的含鋁陶瓷層103的程序，包含噴砂處理基板101 以粗糙化其表面，提高基板101與後續沉積的含鋁陶瓷層103間的附著力，再經由一由例如氬氣及氧氣所產生的等離子高溫處理氧化鋁陶瓷粉末，使其形成半熔融狀態，最後於基板 101上固化形成氧化鋁陶瓷層。熱噴塗法的詳細操作方法及條件本領域之人所具有的通常知識，於此不加贅述。當使用一合金靶材沉積第一金屬層107時，會受到合金靶材中所含成分比例的限制，降低第一金屬層107的組成的選擇性。詳言之，一般合金鈀材中所含金屬的比例有其材料上的限制，例如鋁合金靶材最多含有約6體積％的銅，而銅合金靶材最多含有約10體積％的鋁。因此，於選用銅作為第二金屬層109的材料的情況下，當使用銅合金靶材來進行濺鍍以形成含鋁及銅的第一金屬層107時，在銅合金鈀材中鋁含量本就不高的情況下，經過濺鍍工藝所形成的第一金屬層107中的鋁濃度將變得更低，所能提供與鋁層105間的黏著效果並不顯著；同樣地，在使用鋁合金靶材的情況下，雖然可形成具有高鋁濃度的第一金屬層，但銅濃度則相對的大幅降低，與銅質的第二金屬層109的黏著性亦會隨之降低。有鑑於此，根據本實用新型的部分實施方面，利用共濺鍍法以形成第一金屬層 107，以圖2所繪示的裝置2作進一步的說明。裝置2包含一第一靶材201、一第一陰極202、 一第二靶材203、一第二陰極204、一待濺鍍的基板205、一真空抽氣系統206、一真空室207、 一進氣系統208、一第一直流電源供應器209、以及一第二直流電源供應器210。於操作時， 在通有工作氣體，例如氬氣(由進氣系統208所提供)的真空室207(由真空抽氣系統206 所提供)內，利用第一直流電源供應器209及第二直流電源供應器210分別提供能量至第一陰極202及第二陰極204，從而使工作氣體等離子化。該等離子化的工作氣體撞擊第一靶材201及第二靶材203，從而使第一靶材201及第二靶材203的金屬沉積於待濺鍍的基板 205上，以形成所欲的第一金屬層107。進一步言之，由於可分別控制第一直流電源供應器209及第二直流電源供應器 210所提供的能量大小，進而可控制所形成的第一金屬層107的成份比例。舉例言之，若第一直流電源供應器209所提供的能量較高，則所得的第一金屬層107中所含的第一靶材201 的金屬比例亦相對較高。如此，可輕易地調整第一金屬層107中的鋁濃度至所欲的範圍且呈所欲的分布。同時，經由控制第一直流電源供應器209及第二電流供應器210所供應的能量大小與操作時間，可輕易獲得具有所欲厚度的第一金屬層107。舉例言之，以沉積鋁濃度為約25體積％至約30體積％的單層含鋁及銅的第一金屬層107為例，第一電流供應器 209與第二電流供應器210所供應的能量功率比為約1至約1. 5。此外，由於第一直流電源供應器209及第二直流電源供應器210個別控制，此裝置亦適用於濺鍍單一成份的金屬。舉例言之，若第一直流電源供應器209不提供任何能量，僅由第二直流電源供應器210提供能量使工作氣體等離子化並僅撞擊第二靶材203，則所得即為第二靶材203的金屬沉積層；且如前述，通過控制第二直流電源供應器210所供應的能量及操作時間，可據以形成具有所欲厚度的金屬沉積層。舉例言之，於形成具有約100納米至300納米厚度的銅質第二金屬層109的情形下，第二直流電源供應器210所供應的能量約為120瓦至180瓦且操作時間約為4分鐘至8分鐘，第一直流電源供應器209則不提供任何能量。由上可知，本實用新型的基材可經由圖2所示的裝置，經由第一靶材201與第二靶材203的選用，及調控第一直流電源供應器209與第二直流電源供應器210的能量大小與操作時間(沉積時間)，可簡易地於待濺鍍的基板205(基板101的含鋁陶瓷層103)上依序形成具所欲性質的鋁層105、第一金屬層107及第二金屬層109。亦可省去更換濺鍍用靶材所需的時間及成本，從而降低工藝時間及工藝成本。根據本實用新型，視需要地，可在沉積含鋁陶瓷層103於基板101上及沉積鋁層 105於含鋁陶瓷層103上之前，先對基板101及/或含鋁陶瓷層103進行一前置清潔程序， 以去除材料表面的雜質及髒汙等，此乃本實用新型所屬技術領域所熟知的步驟。以清洗覆有含鋁陶瓷層103的基板101為例，通常以中性脫脂劑清洗含鋁陶瓷層103表面後用水衝洗，最後將覆有含鋁陶瓷層103的基板101乾燥備用。—般而言，於上述前置清潔程序之後，通常會對含鋁陶瓷層103的表面進行一等離子處理，以進一步清潔含鋁陶瓷層103的表面並增加表面活性，從而可增加含鋁陶瓷層 103與後續所沉積的層的黏著力。於本實用新型中，則毋須對含鋁陶瓷層103進行等離子處理即可與後續沉積的層結構(即鋁層105/第一金屬層107/第二金屬層109)展現良好的黏著力，進而可節省進行等離子處理所需的時間及成本。以下將提供實施例以進一步詳述本實用新型，但本實用新型亦可以其它實施方面、其它實施例予以體現，不應認定其僅限於本文所述的實施例。實施例1於一基板205 (厚度約4毫米)表面上進行噴砂處理以粗糙化其表面，接著利用離子槍熔射覆膜技術，在常壓下，於一離子槍裝置中通入氬氣及氧氣，以輸入功率約40千瓦的能量，產生一大氣等離子，利用該大氣等離子高溫處理氧化鋁粉末(由一送粉器提供)， 使其呈半熔融狀態隨後固化於基板205上，形成一厚度約100微米的氧化鋁層。完成上述覆有氧化鋁層的基板205後，利用如圖2所示的裝置製造本實用新型具金屬化表面的基材。首先，對基板205進行一前置清潔程序，先以中性脫脂劑清洗基板的氧化鋁層表面後用水衝洗乾淨，之後於110°C下烘乾基板205備用。將基板205置於真空室207中，為確保真空室207中不存在其它非工藝所需的氣體，先以真空抽氣系統206將真空室207抽氣至IX 10_6託耳後，再通入氬氣作為工作氣體 (由進氣系統208提供)，以使通入工作氣體後的真空室207內的工作壓力為3. 5 X ΙΟ"3託耳。接著利用第一直流電源供應器209提供150瓦的能量至第一陰極202，以使氬氣等離子化並撞擊第一靶材201 (鋁靶材)歷時3分鐘，從而於基板205的氧化鋁層上沉積一厚度為 55納米的鋁層。接著，利用第一直流電源供應器209及第二直流電源供應器210分別提供 150瓦的能量至第一陰極202及第二陰極204，以使氬氣等離子化並撞擊第一靶材201 (鋁鈀材)及第二靶材203(銅鈀材)歷時3分鐘，進而於鋁層上沉積一厚度為85納米的含銅及鋁的金屬層(第一金屬層)(鋁濃度約為25體積％，銅濃度約為75體積％)。最後，利用第二直流電源供應器210提供150瓦的能量至第二陰極204，以使氬氣等離子化並撞擊第二靶材203 (銅鈀材)歷時3分鐘，以於含銅及鋁的金屬層上沉積一厚度為105納米的銅導電金屬層(第二金屬層)，所得基材的組成如表1中所示。其中，各層的厚度利用Surfcorder ET4100量測儀器測得。比較例2重複製備實施例1的程序，惟省略濺鍍鋁與共濺鍍鋁及銅的步驟，而直接濺鍍銅於基板205的氧化鋁層上，製得僅具有銅導電金屬層的基材(比較試樣1)。重複製備實施例1的程序，惟未進行共濺鍍鋁及銅的步驟，而於濺鍍鋁的步驟後， 直接濺鍍銅於鋁層上，製得僅具有鋁層與銅導電金屬層的基材(比較試樣2)。重複製備實施例1的程序，惟省略濺鍍鋁的步驟，而直接依序進行濺鍍鋁及銅的步驟及濺鍍銅的步驟，製得僅具有含鋁及銅的金屬層與銅導電金屬層的基材(比較試樣 3)。所得比較試樣1至3的組成如表1所示。
權利要求1.一種具金屬化表面的基材，其特徵在於，包含 一基板；一含鋁陶瓷層，位於該基板上； 一鋁層，位於該含鋁陶瓷層上； 一第一金屬層，位於該鋁層上；以及一第二金屬層，位於該第一金屬層上。
2.如權利要求1所述的基材，其中該含鋁陶瓷層的厚度為約85微米至約115微米。
3.如權利要求1所述的基材，其中該鋁層與該第一金屬層的總厚度為約100納米至約 300納米。
4.如權利要求3所述的基材，其中該鋁層與該第一金屬層的總厚度為約120納米至約 280納米。
5.如權利要求1所述的基材，其中該鋁層的厚度為約30納米至約100納米。
6.如權利要求5所述的基材，其中該鋁層的厚度為約40納米至約90納米。
7.如權利要求1所述的基材，其中該第一金屬層的厚度為約70納米至約200納米。
8.如權利要求7所述的基材，其中該第一金屬層的厚度為約80納米至約190納米。
9.如權利要求1所述的基材，其中該第一金屬層為一單層結構。
10.如權利要求1所述的基材，其中該第一金屬層為一多層結構。
11.如權利要求1所述的基材，其中該第二金屬層的厚度為約100納米至約300納米。
12.如權利要求11所述的基材，其中該第二金屬層的厚度為約100納米至約200納米。
專利摘要一種具金屬化表面的基材，包含一基板；一含鋁陶瓷層，位於該基板上；一鋁層，位於該含鋁陶瓷層上；一第一金屬層，位於該鋁層上；以及一第二金屬層，位於該第一金屬層上。該第一金屬層由鋁與該第二金屬層的成分所構成。該基材可作為發光二極體的散熱基板。
文檔編號H01L21/48GK202025745SQ20102020176
公開日2011年11月2日 申請日期2010年5月13日 優先權日2010年5月13日
發明者徐元辰, 楊維鈞, 陳怡臻 申請人:柏騰科技股份有限公司