本研究主要目的係為探討不同 SiC 與 Kovar 使用金基銲料及金 基活性銲料真空硬銲接合之機械性質與顯微組織影響，以評估其 金基銲料真空硬銲接合特性，俾做為實務運用之參考。
主要研究項目包括：
1. 金基硬銲填料組織及熱性能分析。
2. SiC 與 Kovar 接合後之機械性質及顯微組織影響。
3. 金基硬銲填料對不同製程 SiC 及 Kover 顯微組織探討。
4. 評估最佳硬銲組合做為後續工程研究參考。
二、文獻回顧
成。
2. 某些具有較佳性質的陶瓷是由熱壓而成型僅能製作較簡單的 形狀，因此複雜形狀的陶瓷結構體須藉接合技術來完成。
3. 某些用途上，整個結構須要由不同種類的陶瓷組合而成。
4. 陶瓷材料雖具有許多優異性能，但是在某些功能上仍無法與金 屬材料相比，例如導電性、導熱性、韌性及可加工性等。針對 各組件之功能需求，將陶瓷構件與金屬構件加以組合，可以使 產品結構更為輕便且用途更廣泛，產品耐久性更佳。
表 2-1、陶瓷材料與金屬材料各種性質之比較[8]
Weibull Module ,m 5~12 20以上
測定法標準化 少 完整
來產生介金屬化合物的物性或者是化性接合；而電子轉移及質量轉移 達到 50~200MPa，溫度可以達到 1000℃以上(依基材的性質)，但高溫 操作環境所伴隨而來的金屬晶粒的成長，及殘留應力的產生則為其主 以應用在高達 500℃的溫度下，其接合強度約可達至 100MPa。多種的
結構陶瓷，像氮化矽、碳化矽、氧化鋁、氮化鋁和氧化鋯，皆可與多 種金屬或是金屬合金做接合，對於填充材料的最近研究則針對最低接 合成本及最穩定的接合程序進行[9]。
硬銲技術依美國銲接協會(AWS)定義為：接合溫度超過450℃(800℉)，
所使用的填充材料或合金利用毛細現象流動（flows by capillary forces）
，且其熔化溫度不超過其基材熔點。填充材料與合金須可與基材相附 著[12]。德國標準規範(DIN 8505)中將其歸類為三項：軟銲、硬銲及 高溫銲接[13]。而此分類乃取決於其製程中的溫度、填充物種類及助 熔劑的使用與否，和接合氣氛而定。對軟銲來說，依美國銲接協會定 義為：接合溫度低於450℃(800℉)，由於其接合過程溫度低，故產生 之熱應力也相對較低，通常的加熱方式有電磁加熱、超音波及火焰，
通常加入助銲劑來防止氧化及增加潤溼。硬銲方面，助銲劑的使用與 否視需求而定；氣氛可以是真空、低壓、惰性氣體，甚至在空氣的環 境下都可進行；加熱的方式除上述所提及，另外還可用雷射或電子束 等方式。高溫接合必須在保謢氣體，甚至是真空環境下進行。陶瓷接 合之硬銲填充材料可分為：活性及非活性兩種。活性填充材料一般為 在合金中填加可與陶瓷表面產生潤濕反應之合金元素，以改善填料與 陶瓷之接合效果；非活性填充材料則為一般填料金屬，接合時須先於 陶瓷表面進行金屬化處理。
陶瓷/金屬接合 (thermal shock resistance)及難以加工等缺點使作為一連軸材料及結構 材料來說是很嚴重的問題基於陶瓷材料耐高温之特性，可以省掉冷卻 系統，同時使燃料熱效率大為提高，重量的減輕同樣使燃料消耗減少，
Mercedes Benz 汽車公司所開發之陶瓷汽車引擎，其渦輪增壓轉 子為熱壓 Si3N4材質，而轉軸為金屬材料，為陶瓷與金屬接合之一重 要個案。最新的日本汽車陶瓷轉子技術，減低消耗及汙染的排放的有 效成果，使陶瓷／金屬的接合有科學上的效益如圖2-1 所示。
圖 2-1 渦輪增壓轉軸及汽車陶瓷轉子[11]
2.半導體產業
對於半導體封裝晶片上承板熱壓製程其平坦度、均溫性與壽命 (life time)對品質及成本有極大的影響其 SiC 僅次於鑽石及 CBN 的 硬度特性、耐衝擊值佳、熱傳導率高及良好的均溫性使利用在陶瓷與 金屬的接合的半導體封裝製程中晶片上承板熱壓頭如圖2-2。
圖 2-2 金屬/陶瓷接合接著的壓頭的應用 中國砂輪提供
2.1.3 陶瓷與金屬界面形成[15]
固相連接可以在高溫下產生穩定的界面結構。為使陶瓷與金屬表 面形成良好的接觸，多需要使用高溫高壓。在這樣的修件下金屬首先 發生形變使兩個接觸表面完全接觸，其次在金屬與陶瓷之間界面上的 金屬再結晶或發生化學反應後生成連接界面（取向生長界面）。金屬 與陶瓷各自的分子可以擴散到另一側或者在界面產生不同的新化合 物，結果在界面上形成層狀結構並產生一個新界面。
當反應產生物的熔點低於連接溫度時會在界面上形成液相，液相 進一步與陶瓷接觸並加速化學反應。在許多金屬與陶瓷銲接中己觀察 到這類的化學反應。當使用金屬硬銲連接陶瓷與金屬材料時，在硬銲 溫度下，被夾持在兩種材料之間的金屬銲料熔化並經常與兩種材料發 生化學反應。一般只要液態金屬能夠潤溼陶瓷，兩者都會發生反應。
金屬與陶瓷界面結構可分成以下4 種類型，如圖 2-3 所示：
1. 無反應及無滲透型：無反應及無滲透型，微觀上界面平坦，
連續或非連續狀態，如 Nb/Al2O3、Pt/Al2O3、及 Pt/ZrO2 界
2.1.4 SiC 與金屬反應界面結構[15]
金屬與陶瓷接合時其界面的結構與兩者之間反應性質密切相 關。當SiC 與金屬接觸時，一般會產生以下 3 種化學反應：
M＋SiCÆM-Silicide＋M-Carbide（2-1-1）
M＋SiCÆM-Silicide＋Carbide（2-1-2）
M＋SiCÆSilicide＋M-Carbide（2-1-3）
以熱力學上分析，由於反應式（2-1-2）的自由能變化幾乎與溫度 無關，絶大多數金屬如鈮、鋯、鈦、釩、鈣、鉻、鉭、鉬和鎢都可以 與SiC 發生化學反應。但是金屬與 SiC 反應的劇烈度按照以上順序逐 漸下降。由碳化物的標準生成自由能數值可知，鉭、鋯、鈮、鈦、釩 和鉻按照反應式（2-1-1）與 SiC 反應。除了反應式（2-1-1）和（2-1-2）
外，金屬鈮、鋯、鈦、釩、鉻和鉭還可以按照反應式（2-1-3）與 SiC 進行反應。
雖然採用熱力學方法能夠預測多種金屬與陶瓷界面的反應產 物，但是由於缺少熱力學數據及陶瓷中存在雜質等缺陷，以及很多情 況下不是使用純金屬而是使用合金材料，因此實際金屬與陶瓷界面上 的反應產物與分布和使用純金屬時差異很大。（表2-3）概括了不同金 屬與SiC 接觸界面上的反應產物和分布情況。
表2-3 概括了不同金屬與 SiC 接觸界面上的反應產物和分布情況
Ni-10.2Cr-5.0Al 1150 100 真空
[Ni2Si+石墨]300, [Cr3Ni2SiC]100, [NiAl+Cr+Ni2(SiAl)]100, [Ni(Si)]170
Ni-10Mo 1100 25
[Ni2Si+石墨]12, [石墨]25, [Ni5Si2]35, [Ni(Si)]15,
（embrittlement），有時甚至在硬銲溫度下產生蛻變而降低其接合效 果，目前真空硬銲技術使用最多的金屬材料包括：（1）含鋁、鈦的 鎳基耐熱合金（heat-resistant nickel and iron-base alloys），（2）活性 金屬（reactive metals）和（3）高熔點金屬[16]。一般來說，真空硬銲 界面反應層（interfacial reaction layer）促進潤溼反應。
2.2.1 陶瓷預金屬化後硬銲方式
硬銲接合已被廣泛的研究且已應用在陶瓷／金屬的接合上，硬銲 接合的過程並不需要太昂貴的儀器且可以自動化生產。而所產出的工 件強度夠、耐溫度且可以大量生產。現在則是集中於改善製程的穩定
度。較好的品質取決於填料對於基材的黏附及中間層反應物的延性。
在陶瓷表面潤溼性的改善為最重要的目標，對氧化物陶瓷(氧化鋁、
氧化矽)最快速的是利用高功雷射作粗略的刻痕，(50μm~100μm)，有 助於降低填料的潤溼角。對碳化矽的預氧化(pre-oxidation)步驟也可以 對鈦基填料的潤溼角有改善。
然而，大多數的銲接金屬用的填料熔化時都不能潤溼陶瓷表面，
更無法與離子鍵結或共價鍵結的陶瓷發生反應，因此不能用一般的方 法需陶瓷／金屬的接合傳統上來說都使用鉬錳法來做金屬化處理，運 用也是最廣泛的一種接合方式，這是一種專門用在接合氧化物陶瓷與 金屬的方法，陶瓷表面須經過金屬化處理之後再以一般的銲接方式來 進行接合。Mattox 及 Smith 曾提出錳在製程中的效用[17]。在加熱的 過程中錳氧化形成氧化錳(Mno)，降低玻璃相的黏滯係數，此時玻璃 相更容易滲入氧化鋁與鉬之間空隙，同時也滲透進入氧化鋁的晶界，
改變氧化鋁內玻璃相的性質。這種改變不但可以降低鉬與氧化鋁之間 熱膨脹性質的差異，同時更可以達到降低金屬化層殘留應力的效果。
圖2-4 為鉬-錳預金屬化技術之流程圖，其中陶瓷體由乾壓或濕式 製程燒結而成，經表面研磨清洗之後塗上鉬-錳的混合粉末，再以高 於1400oC 的溫度燒結[18,19]。
陶瓷製程 乾 壓 燒 結 研 磨 表面清洗
金屬化製程 塗佈鉬錳層
燒 結 鍍 鎳 燒結鎳層
檢 視
硬銲製程 硬銲填料 組 合 金屬附件
硬 銲 測 試
圖 2-4 鉬-錳預金屬化技術之流程圖[14]
2.2.2 活性金屬填料硬銲法
活性金屬填料硬銲法是未經過任何金屬化的處理而直接陶瓷與 金屬接合其接合表面。其接合的中間填料為活性金屬填料，利用活性 金屬填料中的活性元素與陶瓷產化學反應並增加熔融填料在反應生 成物的潤溼能力。此種製程上僅一步驟，使金屬與陶瓷的接合更加方
便。其中間層的活性金屬填料的控制有幾個必要的因素：
1.熔點或是熔化區間必須在基材的固相線之下。
2.在接合時的流動性依靠著毛細現象分佈在接合面上，不會隨意的 滲透到基材。
3.均勻的組成有助於在填料凝固時組織的偏析減到最小。
4.熱力學上的相容性有助於提升金屬表面的潤溼。
5.限制易脆相(介金屬化合物)的生成。
6.接合時的溫度、荷重、環境及接合時間的綜合考量。
活性填料的銲接溫度約在 700 ~1000℃ ℃，依照成分可分為兩大 類：Cu-X 及 Ag-Cu-X 合金，Ｘ為鈦(Ti)、鋯(Zr)、鉿(Hf)，通常與鎳、
鈹、釩、錫、銦混合成合金調整填料的活性並降低熔點增加填料的流 動性等作用。例如在銀中加入微量的鈦來增加合金的活性，並增加在 陶瓷基材的分佈性。而且，鈦在銅中有很高的溶解度，但在銀中會與 銀產生共晶反應而使鈦含量減小，而產生了 Ag-Cu-Ti 的陶瓷／金屬
鈹、釩、錫、銦混合成合金調整填料的活性並降低熔點增加填料的流 動性等作用。例如在銀中加入微量的鈦來增加合金的活性，並增加在 陶瓷基材的分佈性。而且，鈦在銅中有很高的溶解度，但在銀中會與 銀產生共晶反應而使鈦含量減小，而產生了 Ag-Cu-Ti 的陶瓷／金屬