DE102014114132B4

DE102014114132B4 - Metall-Keramik-Substrat und Verfahren zum Herstellen eines Metall-Keramik-Substrates

Info

Publication number: DE102014114132B4
Application number: DE102014114132.6A
Authority: DE
Inventors: Martin Reger
Original assignee: Rogers Germany GmbH
Current assignee: Rogers Germany GmbH
Priority date: 2014-09-29
Filing date: 2014-09-29
Publication date: 2018-03-15
Anticipated expiration: 2034-09-30
Also published as: DE102014114132A1

Abstract

Metall-Keramik-Substrat (1) umfassend zumindest eine erste und zweite Metallisierung (3, 4) und eine zwischen der ersten und zweiten Metallisierung (3, 4) aufgenommene Keramikschicht (2) mit einer ersten und zweiten Oberflächenseite (2.1, 2.2), wobei die erste Metallisierung (3) über eine Aktivlotverbindung mit der ersten Oberflächenseite (2.1) der Keramikschicht (2) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Metallisierung (4) über eine Direct-Copper-Bonding-Verbindung mit der zweiten Oberflächenseite (2.2) der Keramikschicht (2) verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Metall-Keramik-Substrat gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 und ein Verfahren zum Herstellen eines Metall-Keramik-Substrates gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 7.
Metall-Keramik-Substrate in Form von Leiterplatten bestehend aus einer Keramikschicht und wenigstens einer mit einer Oberflächenseite der Keramikschicht verbundenen und zur Ausbildung von Leiterbahnen, Kontakten, Kontakt- oder Anschlussflächen strukturierten Metallisierung sind in verschiedensten Ausführungen bekannt.
Derartige Metall-Keramik-Substrate finden beispielsweise Verwendung zum Aufbau von Leistungshalbleiter-Modulen, d.h. sind für höhere Betriebsspannungen, und zwar 600 V und mehr bestimmt. Eine der Anforderungen an derartige Leistungshalbleiter-Module ist eine ausreichend hohe Teilentladungsfestigkeit, wobei auch Metall-Keramik-Substrate dieser Anforderung genügen müssen.
Zum Verbinden von die Metallisierung bildenden Metallfolien oder Metallschichten miteinander oder mit einem Keramiksubstrat bzw. einer Keramikschicht ist ferner das sogenannte „DCB-Verfahren“ („Direct-Copper-Bonding“) bekannt. Dabei werden Metallschichten, vorzugsweise Kupferschichten oder -folien miteinander und/oder mit einer Keramikschicht verbunden, und zwar unter Verwendung von Metall- bzw. Kupferblechen oder Metall- bzw. Kupferfolien, die an ihren Oberflächenseiten eine Schicht oder einen Überzug („Aufschmelzschicht“) aus einer chemischen Verbindung aus dem Metall und einem reaktiven Gas, bevorzugt Sauerstoff aufweisen. Bei diesem beispielsweise in der US 37 44 120 A oder in der DE 23 19 854 C2 beschriebenen Verfahren bildet diese Schicht oder dieser Überzug („Aufschmelzschicht“) ein Eutektikum mit einer Schmelztemperatur unter der Schmelztemperatur des Metalls (z.B. Kupfers), so dass durch Auflegen der Metall- bzw. Kupferfolie auf die Keramikschicht und durch Erhitzen sämtlicher Schichten diese miteinander verbunden werden können, und zwar durch Aufschmelzen der Metallschicht bzw. Kupferschicht im Wesentlichen nur im Bereich der Aufschmelzschicht bzw. Oxidschicht. Ein derartiges DCB-Verfahren weist dann beispielsweise folgende Verfahrensschritte auf:

– Oxidieren einer Kupferfolie derart, dass sich eine gleichmäßige Kupferoxidschicht ergibt;
– Auflegen der Kupferfolie mit der gleichmäßigen Kupferoxidschicht auf die Keramikschicht;
– Erhitzen des Verbundes auf eine Prozesstemperatur zwischen etwa 1025 bis 1083°C, beispielsweise auf ca. 1071°C;
– Abkühlen auf Raumtemperatur.

Ein Nachteil des DCB-Verfahrens besteht darin, dass prozessbedingte Fehlstellen zwischen der jeweiligen Kupferschicht und der Keramikschicht auftreten können. Diese Fehlstellen beeinträchtigen zwar die thermischen Eigenschaften eines unter Verwendung des DCB-Verfahrens hergestellten Metall-Keramik-Substrates kaum, jedoch ergibt sich aufgrund der Fehlstellen eine Verschlechterung der Teilentladungsfestigkeit des daraus hergestellten Leistungshalbleiter-Moduls.
Ferner ist aus den Druckschriften DE 22 13 115 A und EP 153 618 A2 das so genannte Aktivlot-Verfahren zum Verbinden von Metallisierungen bildenden Metallschichten oder Metallfolien, insbesondere auch von Kupferschichten oder Kupferfolien mit einem Keramikmaterial bzw. einer Keramikschicht bekannt. Bei diesem Verfahren, welches speziell auch zum Herstellen von Metall-Keramik-Substraten verwendet wird, wird bei einer Temperatur zwischen ca. 600–1050°C, vorzugsweise zwischen 700–800°C eine Verbindung zwischen einer Metallfolie, beispielsweise Kupferfolie, und einem Keramiksubstrat, beispielsweise einer Aluminiumnitrid-Keramik, unter Verwendung eines Hartlots hergestellt, welches zusätzlich zu einer Hauptkomponente, wie Kupfer und/oder Silber auch ein Aktivmetall enthält. Dieses Aktivmetall, welches beispielsweise wenigstens ein Element der Gruppe Hf, Ti, Zr, Nb, Ce ist, stellt durch eine chemische Reaktion eine Verbindung zwischen dem Hartlot und der Keramik her, während die Verbindung zwischen dem Hartlot und dem Metall eine metallische Hartlöt-Verbindung ist. Nachteilig ist die Herstellung derartiger Aktivlotverbindungen äußerst kostenintensiv.
Ferner sind aus den auf die Anmelderin zurückgehenden Druckschriften DE 10 2012 110 322 A1 sowie DE 10 2012 102 611 A1 Verfahren zur Herstellung eines Metall-Keramik-Substrates bekannt, bei denen eine erste Metallisierung auf einer ersten Oberflächenseite einer Keramikschicht mit einer Aktivlotverbindungverbindung und eine zweite Metallisierung auf einer zweiten Oberflächenseite mit einer Direct-Aluminium-Verbindung oder über eine Klebeverbindung hergestellt sind.
Ausgehend von dem voranstehend genannten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Metall-Keramik-Substrat sowie ein zugehöriges Verfahren zu dessen Herstellung aufzuzeigen, welches die Vorteile eines Anbindung einer Metallisierung mittels eines Aktivlotverfahrens aufweist, jedoch dennoch kostengünstig und mittels weniger Verfahrensschritte herstellbar ist. Die Aufgabe wird durch ein Metall-Keramik-Substrat gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. Zusätzlich wird die Aufgabe durch ein Verfahren gemäß dem Patentanspruch 7 gelöst.
Der wesentliche Aspekt des erfindungsgemäßen Metall-Keramik-Substrates ist darin zu sehen, dass die zweite Metallisierung über eine Direct-Copper-Bonding-Verbindung mit der zweiten Oberflächenseite der Keramikschicht verbunden ist. Besonders vorteilhaft entsteht hierdurch ein Hybrid- bzw. Mischsubstrat, auch als „Janussubstrat“ bezeichnet, bei dem die Vorteile einer Aktivlotverbindung der erste, vorzugsweise strukturierten Metallisierung und einer kostengünstigeren weiteren Verbindungstechnologie für die zweite Metallisierung in sich vereint werden. Durch das erfindungsgemäße Anbindungskonzept bzw. Bondkonzept ergeben sich nicht nur erhebliche Kostenvorteile, sondern ist eine Verbesserung der Durchbiegung des Metall-Keramik-Substrates möglich. Weiterhin vorteilhaft können aufgrund der Verwendung einer Aktivlotverbindung zur Anbindung der ersten Metallisierung an der Keramikschicht auch Metallisierungen mit im Vergleich zum DCB-Verfahren deutlich reduzierter Schichtdicke erzeugt werden, d.h. die hierzu beim DCB-Verfahren erforderliche Rückdünnung mittels Ätzverfahren entfällt. Darüber hinaus weisen die erfindungsgemäßen Hybridsubstrate eine sehr gute Temperaturwechselbeständigkeit und Teilentladungsbeständigkeit auf.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung sind die erste und/oder zweite Metallisierung direkt und flächig mit der ersten bzw. zweiten Oberflächenseite der Keramikschicht verbunden. Hierbei ist die Keramikschicht eine Oxid-, Nitrid- oder Karbidkeramik, die beispielsweise aus Aluminiumoxid (Al₂O₃) oder Aluminiumnitrid (AlN) oder Siliziumnitrid (Si₃N₄) oder Siliziumkarbid (SiC) oder aus Aluminiumoxid mit Zirkonoxid (Al₂O₃ + ZrO₂) hergestellt ist, wobei die Schichtdicke der Keramikschicht zwischen 0,2 mm und 1,0 mm, vorzugsweise zwischen 0,3 mm und 0,6 mm beträgt.
In einer Ausführungsvariante sind die erste und zweite Metallisierung aus Kupfer oder einer Kupferlegierung hergestellt, wobei die Schichtdicke der ersten und zweiten Metallisierung aus Kupfer oder einer Kupferlegierung zwischen 0,1 mm und 1,0 mm, vorzugweise zwischen 0,2 mm und 0,6 mm beträgt.
Weiterhin vorteilhaft ist zumindest die erste Metallisierung und/oder zweite Metallisierung zur Bildung von Metallisierungsbereichen strukturiert ausgebildet, wobei die Metallisierungsbereiche Leiterbahnen, Kontakt- und/oder Bondflächen bilden.
Ebenfalls ist Gegenstand der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Metall-Keramik-Substrates umfassend eine erste und zweite Metallisierung und zumindest eine zwischen der ersten und zweiten Metallisierung aufgenommene Keramikschicht mit einer ersten und zweiten Oberflächenseite, bei dem besonders vorteilhaft in einem ersten Schritt die zweite Oberflächenseite der Keramikschicht mittels eines Direct-Copper-Bonding-Verfahrens mit einer die zweite Metallisierung bildenden Metallschicht verbunden wird und in einem zweiten Schritt die erste Oberflächenseite der Keramikschicht mittels eines Aktivlotverfahrens mit einer die erste Metallisierung bildenden Metallschicht verbunden wird.
Weiterhin vorteilhaft wird die Metallisierungsoberfläche der zweiten Metallisierung vor dem Aufbringen der ersten Metallisierung einer mechanischen Oberflächenbehandlung unterzogen, beispielsweise gebürstet oder geschliffen.
Im Anschluss an die Herstellung der Bondverbindung der ersten Metallisierung wird diese dann die zur Ausbildung von mehreren Metallisierungsbereichen strukturiert.
Die Ausdrucke „näherungsweise“, „im Wesentlichen“ oder „etwa“ bedeuten im Sinne der Erfindung Abweichungen vom jeweils exakten Wert um +/–10%, bevorzugt um +/–5% und/oder Abweichungen in Form von für die Funktion unbedeutenden Änderungen.
Weiterbildungen, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und aus den Figuren. Dabei sind alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination grundsätzlich Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung. Auch wird der Inhalt der Ansprüche zu einem Bestandteil der Beschreibung gemacht.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand einer Figur an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die Figur zeigt in vereinfachter schematischer Darstellung einen Schnitt durch ein erfindungsgemäß ausgebildetes Metall-Keramik-Substrat 1 umfassend eine Keramikschicht 2 mit einer ersten Oberflächenseite 2.1 und einer zweiten Oberflächenseite 2.2, welche jeweils mit einer Metallisierung 3, 4 versehen ist, und zwar weist die erste Oberflächenseite 2.1 eine erste Metallisierung 3 und die zweite Oberflächenseite 2.2 eine zweite Metallisierung 4 auf. Vorzugsweise ist die erste Metallisierung 3 in mehrere Metallisierungsbereichen 3.1–3.3 strukturiert.
In der Figur ist ein erster bis dritter Metallisierungsbereich 3.1–3.3 beispielhaft dargestellt. Die Metallisierungsbereiche 3.1–3.3 bilden beispielsweise Leiterbahnen, Kontakt- und/oder Bondflächen aus. Die erste und zweite Metallisierung 3, 4 sind vorzugsweise direkt und flächig mit der Ober- bzw. Unterseite 2.1, 2.2 verbunden. Die Keramikschicht 2 ist beispielsweise aus einer Oxid-, Nitrid- oder Karbidkeramik wie beispielsweise aus Aluminiumoxid (Al₂O₃) oder Aluminiumnitrid (AlN) oder aus Siliziumnitrid (Si₃N₄) oder Siliziumkarbid (SiC) oder aus Aluminiumoxid mit Zirkonoxid (Al₂O₃ + ZrO₂) hergestellt und weist eine Schichtdicke beispielsweise zwischen 0,2 mm und 1,0 mm, vorzugsweise zwischen 0,3 mm und 0,6 mm auf.
Erfindungsgemäß ist die die erste Metallisierung 3 über eine Aktivlotverbindung mit der ersten Oberflächenseite 2.1 der Keramikschicht 2 und die zweite Metallisierung 4 über eine „Direct-Copper-Bonding“-(DCB)-Verbindung mit der zweiten Oberflächenseite 2.2 der Keramikschicht 2 verbunden. Nach Herstellung der Aktivlotverbindung zwischen der ersten Metallisierung 3 und der Keramikschicht 2 werden noch weitere, an sich bekannte Nachbehandlungsprozessschritte durchgeführt, beispielsweise Maskieren, Ätzen, Lasern und Reinigen, um insbesondere eine Strukturierung und Reinigung der Metallisierungsoberfläche der ersten Metallisierung 3 zu erhalten. Hierzu finden an sich bekannte Maskierungs- und Ätztechnologien Verwendung.
In einer ersten Ausführungsvariante der Erfindung sind die erste und zweite Metallisierung 3, 4 aus Kupfer oder einer Kupferlegierung hergestellt, wobei die erste Metallisierung 3 mittels einer Aktivlotverbindung 5 mit der ersten Oberflächenseite 2.1 der Keramikschicht 2 verbunden ist. Die zweite Metallisierung 4 ist vorzugsweise über eine Direct-Copper-Bonding-Verbindung 6 mit zweiten Oberflächenseite 2.3 der Keramikschicht 2 verbunden.
Erfindungsgemäß wird in einem ersten Schritt bei einer aus Kupfer oder einer Kupferlegierung gebildeten zweiten Metallisierung 4 die zweite Oberflächenseite 2.2 der Keramikschicht 2 mittels des Direct-Copper-Bonding-Verfahrens mit einer die zweite Metallisierung 4 bildenden Metallschicht aus Kupfer verbunden und in einem zweiten anschließenden Schritt die erste Oberflächenseite 2.1 der Keramikschicht 2 mittels des Aktivlotverfahrens mit einer die erste Metallisierung 3 bildenden Metallschicht aus Kupfer oder einer Kupferlegierung verbunden. Hierbei kann vor dem Bonden der ersten Metallisierung 3 auf der Keramikschicht 2 die äußere Oberfläche der mittels Direct-Copper-Bonding hergestellten zweiten Metallisierung 4 beispielsweise einer mechanischen Oberflächenbehandlung unterzogen werden, um eine ebene Metallisierungsoberfläche zu erhalten und/oder Verunreinigungen auf der Metallisierungsoberfläche zu entfernen. Beispielsweise kann die Metallisierungsoberfläche hierzu gebürstet oder einem Schleifprozess unterzogen werden. Im Anschluss daran wird die zur Durchführung des Aktivlotverfahrens erforderliche Lötpaste auf der ersten Oberflächenseite 2.1 aufgebracht, beispielsweise mittels eines Druckverfahrens oder einem anderen geeigneten Beschichtungsverfahren, und anschließend die die erste Metallisierung 3 bildende Metallschicht aus Kupfer oder einer Kupferlegierung aufgelötet. Die Schichtdicke der ersten und/oder zweiten Metallisierung 3, 4 aus Kupfer oder einer Kupferlegierung beträgt beispielsweise zwischen 0,1 mm und 1,0 mm, vorzugweise zwischen 0,2 mm und 0,6 mm.
In einer Ausführungsvariante kann beispielsweise in einem ersten Schritt die erste Metallisierung 3 mittels des eingangs beschriebenen Aktivlotverfahrens auf die erste Oberflächenseite 2.1 der Keramikschicht 2 aufgebracht werden und in einem zweiten Schritt beispielsweise eine DCB-Verbindung 6 zwischen der zweite Oberflächenseite 2.2 der Keramikschicht 2 und der zweiten Metallisierung 4 hergestellt werden. Als Aktivlotverfahren können beispielsweise die aus der JP 3 629 783 B2 oder der JP3887645B2 bekannten Verfahren zur Anwendung bekommen. Da die hierbei entstehende Reaktionsschicht eine weitaus größere Schmelztemperatur wie beispielsweise Kupfer aufweist, kann die gebildete Reaktionsschicht auch bei der nachgelagerten Durchführung des DCB-Verfahrens nicht mehr aufgeschmolzen werden. Die über der Reaktionsschicht befindliche Aktivlotschicht gibt jedoch vorteilhaft bei einem erneuten Aufschmelzen weitere Silberanteile und Aktivelementanteile an das Kupfer ab. Die Lotschicht wird vorteilhaft hierdurch verdünnt und das Kupfer mit diesen Elementen angereichert, welche sich nahezu homogen im Kupfer verteilen. Weiterhin vorteilhaft wird hierdurch das Kornwachstum im Kupfer beeinflusst und damit die elektrische und thermische Leitfähigkeit verbessert sowie eine längere Zyklenbeständigkeit erreicht.
Beispielsweise können das Aktivlotverfahren und das DCB-Verfahren in einem Prozessofen, beispielsweise in einem Prozessschritt oder zwei aufeinanderfolgenden Prozessschritten durchgeführt werden.
Bei einer Realisierung in zwei Prozessschritten wird in einem ersten Bereich des Prozessofens unter Vakuum das Aktivlotverfahren durchgeführt, anschließend die zu verarbeitenden Bauteile in eine Inertgasschleuse weiterbefördert und schließlich in einer entsprechenden DCB-Bondatmosphäre ein DCB-Verfahren durchgeführt.
Zur Realisierung in einem Prozessschritt ist es erforderlich, dass beide Verbindungen, d.h. sowohl die Aktivlotverbindung als auch die DCB-Verbindung in einer gemeinsamen Prozessatmosphäre herstellbar sind. Hierzu wird das Aktivlot beispielsweise in Form einer Folie oder als Dünnschicht auf die Keramikschicht aufgebracht, welche von jeglichen organischen Anteilen befreit ist, vorzugsweise mittels eines geeigneten Reinigungsprozesses. Die Schmelztemperatur des Aktivlotes und die Prozesstemperatur des DCB-Verfahrens sind derart aufeinander abgestimmt, dass für die Durchführung des Aktivlotverfahrens keine Fein- oder Hochvakuumatmosphäre mehr erforderlich ist, d.h. der Prozess kann unter bekannten DCB Bedingungen durchgeführt werden. Um den Schmelzpunkt des Aktivlots entsprechend einzustellen, kann beispielsweise der Silberanteil variiert werden. Alternativ kann der Schmelzpunkt zudem sehr gut durch den Titananteil oder dem Anteil eines anderen Aktivelementes eingestellt werden.
Die Erfindung wurde voranstehend an Ausführungsbeispielen beschrieben. Es versteht sich, dass zahlreiche Änderungen sowie Abwandlungen möglich sind, ohne dass dadurch der der Erfindung zugrunde liegend Erfindungsgedanke verlassen wird.

Claims

Metall-Keramik-Substrat (1) umfassend zumindest eine erste und zweite Metallisierung (3, 4) und eine zwischen der ersten und zweiten Metallisierung (3, 4) aufgenommene Keramikschicht (2) mit einer ersten und zweiten Oberflächenseite (2.1, 2.2), wobei die erste Metallisierung (3) über eine Aktivlotverbindung mit der ersten Oberflächenseite (2.1) der Keramikschicht (2) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Metallisierung (4) über eine Direct-Copper-Bonding-Verbindung mit der zweiten Oberflächenseite (2.2) der Keramikschicht (2) verbunden ist.
Metall-Keramik-Substrates nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder zweite Metallisierung (3, 4) direkt und flächig mit der ersten bzw. zweiten Oberflächenseite (2.1, 2.2) der Keramikschicht (2) verbunden sind.
Metall-Keramik-Substrates nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramikschicht (2) eine Oxid-, Nitrid- oder Karbidkeramik ist, die beispielsweise aus Aluminiumoxid (Al₂O₃) oder Aluminiumnitrid (AlN) oder Siliziumnitrid (Si₃N₄) oder Siliziumkarbid (SiC) oder aus Aluminiumoxid mit Zirkonoxid (Al₂O₃ + ZrO₂) hergestellt ist, wobei die Schichtdicke der Keramikschicht (2) zwischen 0,2 mm und 1,0 mm, vorzugsweise zwischen 0,3 mm und 0,6 mm beträgt.
Metall-Keramik-Substrat nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite Metallisierung (3, 4) aus Kupfer oder einer Kupferlegierung hergestellt sind.
Metall-Keramik-Substrat nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke der ersten und zweiten Metallisierung (3, 4) aus Kupfer oder einer Kupferlegierung zwischen 0,1 mm und 1,0 mm, vorzugweise zwischen 0,2 mm und 0,6 mm beträgt.
Metall-Keramik-Substrat nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die erste Metallisierung (3) und/oder zweite Metallisierung (4) zur Bildung von Metallisierungsbereichen (3.1–3.3) strukturiert ausgebildet ist, wobei die Metallisierungsbereiche (3.1–3.3) Leiterbahnen, Kontakt- und/oder Bondflächen bilden.
Verfahren zur Herstellung eines Metall-Keramik-Substrates (1) umfassend eine erste und zweite Metallisierung (3, 4) und zumindest eine zwischen der ersten und zweiten Metallisierung (3, 4) aufgenommene Keramikschicht (2) mit einer ersten und zweiten Oberflächenseite (2.1, 2.2), dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Schritt die zweite Oberflächenseite (2.2) der Keramikschicht (2) mittels eines Direct-Copper-Bonding-Verfahrens mit einer die zweite Metallisierung (4) bildenden Metallschicht verbunden wird und dass in einem zweiten Schritt die erste Oberflächenseite (2.1) der Keramikschicht (2) mittels eines Aktivlotverfahrens mit einer die erste Metallisierung (3) bildenden Metallschicht verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallisierungsoberfläche der zweiten Metallisierung (4) vor dem Aufbringen der ersten Metallisierung (3) einer mechanischen Oberflächenbehandlung unterzogen wird, beispielsweise gebürstet oder geschliffen wird.
Verfahren nach einem der Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Metallisierung (3) zur Ausbildung von mehreren Metallisierungsbereichen (3.1, 3.2, 3.3) strukturiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder zweite Metallisierung (3, 4) direkt und flächig mit der ersten bzw. zweiten Oberflächenseite (2.1, 2.2) der Keramikschicht (2) verbunden werden.