ITRI直接覆銅陶瓷基板技術之探討

 

刊登日期:2016/11/5
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近年來,電動車組、風力發電機組等產業之發展,其中影響電能轉換效率最重要的部分就是功率模組,係以矽晶片 IGBT 及 Diode 來進行電能的轉換,但在功率的轉換上,電壓或電流常達到 1,200V 或 400A 以上,傳統玻璃纖維強化樹脂PCB電路板根本無法使用,於是耐熱、高絕緣金屬化陶瓷電路板便成為主要選擇,也就是直接覆銅陶瓷基板(DCB)。

直接覆銅陶瓷基板具有導熱快、耐溫性高及高強度之優勢,現已應用於高發熱、高功率的電子零件環境,如熱電模組(Thermoelectric Module)、發光二極體(LED)、絕緣柵雙極性電晶體(IGBT)等產業。工研院(ITRI)目前利用氣相金屬共晶技術對異質材料進行接合,比傳統製程具有較短的製程時間,目前已成功開發 49、72、128 pair 熱電用覆銅基板;以及線寬/厚度各為 150/150μm 精密網狀銅箔貼合技術,及 6.5 × 4.5 inch DCB 素板。
 
金屬化陶瓷基板技術
電子元件若需於嚴苛環境下應用,常會以金屬化陶瓷基板作為載具,如 LED路燈、車用照明、車用電腦等。工業界已發展了許多製程技術可以對陶瓷材料實施金屬化,如圖三所示。若以金屬層的厚度進行區分,在金屬層厚度<100μm 之製程有電鍍法及真空鍍膜方式,其中又以直接鍍銅法在業界普遍使用來對陶瓷基板進行金屬化,尤其是應用在 LED產業上。此製程是先對陶瓷基板以真空鍍膜方式在陶瓷上鍍上一層鈦金屬鍍膜作為電路佈局,後續再以電鍍法將銅沉積在鈦膜上增加導電層厚度,由於是以化學沉積方式鍍銅,故一般速率不會太快,導致 DCP 基板的銅層厚度有極限,通常<100 μm。



圖三、金屬化陶瓷基板技術與接合機制

 
直接覆銅陶瓷基板技術
直接覆銅陶瓷基板 DCB技術係屬於金屬與陶瓷材料的異質材料結合技術,在 1950年時就已蓬勃發展,如通用公司專利 US 2570248 係將氫化鈦與金屬粉末(例如銀、金)混以揮發性溶劑塗佈在陶瓷材料上,之後置於還原性氣氛下以高溫熔融焊料金屬並分解氫化物,使其金屬鍵結到陶瓷材料上,也就是目前工業上的軟銲與硬銲技術,利用一焊接材料的加熱完全熔融來接合被焊工件之方式,此技術已應用於許多場域來焊接金屬與陶瓷工件,如真空引入,需具備導電、絕緣、氣密的要素。然而,此方法在鍵結過程中需涉及移除氧化性氣體程度,以及貴金屬的使用,皆會對接合強度造成影響,故成本昂貴,對需製作大面積的金屬化陶瓷基板並不合適。




圖四、Cu-O材料相圖與DCB製程窗之關係

 
工研院的能量
為解決上述問題,ITRI 發展一新式 DCB製程,利用氣相-金屬共晶反應的方式,精密控制製程參數,便可在銅箔表面產生液相與陶瓷基板接合,此製程與傳統不同的是先將銅箔完成線路布局,再直接定位於陶瓷基板上,在精密控制氣相共晶反應下,將銅箔金屬快速接合於陶瓷基板上。圖七為 ITRI 所改裝之連續型 DCB高溫爐設備,以網帶輸送方式可以連續生產DCB基板,製作圖二之熱電元件用 DCB基板,不需將銅片實施預氧化處理,直接將乾淨之銅箔定位於陶瓷基板上送入高溫爐接合。從入口至出口製程時間僅需 15 min,接合後熱電 DCB基板直接送電鍍鎳金表面處理,即完成製作。此製程不但……以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 
作者:莊凱翔、張宇廷、李冠儀、邱國創 / 工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌」359期,更多資料請見下方附檔。


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