李映萱、游勝閔、邱國創 / 工研院材化所
活性金屬接合氮化矽陶瓷基板具有優異的綜合性質，如高導熱率、高韌性與低熱膨脹係數，以及現今所有其他陶瓷基板皆無可比擬的可靠度。這些特性使得Si3N4 AMB基板成為電動車、風力發電及高鐵等亟需高可靠度、高功率元件封裝材料的不二選擇。本文就常見商用陶瓷基板材料特性、活性金屬焊接技術及發展趨勢進行介紹。
【內文精選】
陶瓷基板材料
Al2O3與ZTA等氧化物陶瓷，可使用DBC技術與銅接合：將無氧銅經熱氧化或化學氧化製程於表面產生一Cu2O層，於1,065~1,083˚C之間利用Cu-Cu2O共晶液相潤濕兩材料接觸面，並生成CuAlO2化合物達成陶瓷與銅鍵合；AlN基板也可通過表面先預氧化，再以DBC技術接合。然而Si3N4與銅之間不會形成Cu-Si-O化合物，因此必須採用活性金屬接合(Active MetalBrazing; AMB)技術與銅接合，在銅與陶瓷基板間放入一含有活性元素之焊料，通過加熱至焊料合金熔點以上來焊接兩種異質材料。AMB接合強度比DBC更高、可靠度更好，氮化鋁基板也可利用AMB技術覆銅以提升可靠度。
活性金屬焊料
金屬與陶瓷的化學性質差異大，陶瓷由離子及共價鍵組成；金屬則是金屬鍵。一般情況下，熔融金屬無法潤濕陶瓷材料的表面，通常會採取以下兩種方法進行異質接合：一為對陶瓷表面進行改質，藉由特殊塗層增進對金屬的親和性，如傳統的Mo-Mn法，惟其製程步驟繁瑣；二是使用活性金屬硬焊法。此方法在焊料中添加反應性元素，例如Ti，可在陶瓷–金屬界面形成鈦的化合物(與氧化物、碳化物或氮化物陶瓷分別形成TiO、TiC或TiN)，使陶瓷表面帶有部分金屬特性(Metallic Surface)，改善陶瓷的潤濕性，焊料合金便能與陶瓷形成化學鍵結；而除了Ti元素，其他Ⅳ B族與Ⅴ B族的過渡元素(Zr、Hf、V、Nb、Ta)也可當作活性元素添加於焊料合金中。Ti的活性最好，最為被廣泛使用和研究。Ti比Zr與陶瓷表面反應更迅速，所需濃度和反應溫度也較低；Ti也更能有效地降低焊料合金在陶瓷表面的接觸角，增進焊料對陶瓷的潤濕性。
Ag-Cu-Ti合金系統經常應用在陶瓷與金屬的硬焊接合。Ag-Cu合金具有低熔點(779˚C)共晶相，參考圖五(a)，可於較低溫度進行接合，且銀的存在可大幅提升Ti熱力學活性，增進與陶瓷表面的反應。於近共晶組成(Ag-28Cu wt.%)的銀銅合金中添加1~5 wt.%的Ti是最為普遍使用的活性焊料，在800~900˚C可潤濕大多數的陶瓷表面，焊接強度高且性能穩定。Ag-Cu-Ti三元系統也被大量研究，特別是應用溫度區間的各種相平衡、Invariant反應以及Ti的熱力學活性。在此三元系統中最主要的特徵為Ti2Cu與Ti2Ag因具相同晶體結構，彼此間可形成連續性固溶體；以及在富Ti及富Ag的液相間存在Miscibility Gap(即多相共存、不互溶)，如圖五(d)。Sn與In也常添加在焊料中以降低熔體的表面張力與熔點，使焊接溫度降至700~750˚C，並能提升焊料塑性，有助於緩解焊接殘留應力，但接合強度會略為降低。
圖五、(a) Ag-Cu二元相圖；(b) Ti-Cu二元相圖；(c) Ti-Ag二元相圖；(d) Ag-Cu-Ti三元系統於850˚C之相圖
Ag-Cu-Ti焊料使用形式
Ag-Cu-Ti焊料在工業使用上主要採用焊膏與焊片兩種形式。焊膏工藝流程為：將Ag、Cu、Ti粉依所需比例混合，也可用銀銅合金粉、銀包銅粉代替Ag、Cu粉；或以TiH2粉代替Ti粉提高活性，再以有機溶劑調配成膏狀使用。利用網版印刷塗覆在陶瓷基板上再進行銅片硬焊貼合。此法工藝簡單，製程成熟高效，適合大規模生產。
另外值得注意的是，焊接時液態合金中可參與反應的Ti之多寡，與Ti的添加形式和持溫溫度有非常大的關係。在750~800˚C左右Ti擴散進入Ag-Cu共晶液相中，而Ti-Cu相圖中具有一系列的TixCu介金屬化合物（如圖五(b)），最主要是TiCu4；溫度上升至850˚C時Ti自TixCuy化合物中溶出，Ag-Cu熔體中可參與反應的Ti含量即受到此溶出步驟的動力學限制。
如何避免活性元素Ti氧化，保持其反應活性也是重要課題。Cusil ABA®及Ticusil®為兩種常見的商用焊片，其組成分別為 Ag-35.25Cu-1.75Ti wt.% 和 Ag-26.7Cu-4.5Ti wt.%。為了保持Ti的活性，避免氧化，Cusil ABA®採用Cu4Ti化合物顆粒分散在Ag-Cu共晶合金中；而Ticusil®則以Ag-Cu合金包覆Ti箔的方式，如圖七所示。如此能確保大部分的Ti可參與反應、潤濕陶瓷表面---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖七、商用Ag-Cu-Ti焊片(a) Cusil ABA®；(b) Ticusil®之截面
★本文節錄自《工業材料雜誌》432期，更多資料請見下方附檔。