[实用新型]陶瓷/金属复合结构

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种陶瓷/金属复合结构，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。

背景技术

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(CentralProcessing Unit，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已达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90℃，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10¹⁰Ωm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(Dielectric constant)及高介电强度(Dielectric strength)等优点，故常用在基板方面。

为解决基板的散热，现有技术中有研究将陶瓷与铜片结合制成复合结构的基板，陶瓷层夹在两铜片之间，并与铜片直接接触。

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℃，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1000℃以上。