DE102016203097B3

DE102016203097B3 - Kupfer-Keramik-Verbund und Modul

Info

Publication number: DE102016203097B3
Application number: DE102016203097.3A
Authority: DE
Inventors: Kai Herbst; Christian Muschelknautz; Alexander Rogg
Original assignee: Heraeus Deutschland GmbH and Co KG
Current assignee: Heraeus Electronics & Co Kg De GmbH
Priority date: 2016-02-26
Filing date: 2016-02-26
Publication date: 2017-05-18
Anticipated expiration: 2036-02-27

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kupfer-Keramik-Verbund, umfassend – ein Keramiksubstrat, das Aluminiumoxid enthält, – eine auf dem Keramiksubstrat vorliegende Beschichtung aus Kupfer oder einer Kupferlegierung, wobei die Korngrößen des Aluminiumoxids und des Kupfers oder der Kupferlegierung folgenden Bedingungen (i) und (ii) genügen: (i) dmin(Al2O3)/dmax(Cu) ≥ 1 × 10–5 und (ii) 2,5 ≥ dmax(Al2O3)/dmin(Cu).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kupfer-Keramik-Verbund sowie ein diesen Verbund enthaltendes Modul, das in Leistungselektronikbauteilen verwendet werden kann.
Keramikschaltungsträger sind aufgrund ihrer hohen Wärmeleitfähigkeit, hohen Formstabilität bzw. mechanischen Festigkeit sowie ihrer hohen Isolationsfestigkeit insbesondere im Bereich der Hochleistungselektronik von Interesse.
Für die Metallisierung eines Keramiksubstrats stehen verschiedene Verfahren wie z. B. Direct-Copper-Bonding (üblicherweise als DCB-Verfahren bezeichnet) oder Active-Metal-Brazing (üblicherweise als AMB-Verfahren bezeichnet) zur Verfügung.
Das nach der Metallisierung des Keramiksubstrats erhaltene Verbundmaterial wird auch als Metall-Keramik-Substrat oder Metall-Keramik-Verbund bezeichnet. Sofern es beispielsweise durch ein DCB-Verfahren hergestellt wurde, wird häufig auch die Bezeichnung „DCB-Substrat” verwendet.
Bei dem DCB-Verfahren wird ausgenutzt, dass Sauerstoff den Schmelzpunkt des Kupfers von 1083°C auf die eutektische Schmelztemperatur von 1065°C reduziert. Durch die Oxidation von Kupferfolien vor der Metallisierung des Keramiksubstrates oder durch Sauerstoffzufuhr während des Hochtemperaturprozesses (beispielsweise bei einer Temperatur zwischen 1065°C und 1080°C) entsteht eine dünne eutektische Schmelzschicht. Diese reagiert mit der Oberfläche des Keramiksubstrats, so dass Keramik und Metall haftfest miteinander verbunden werden können.
DCB-Verfahren werden beispielsweise in US 3 744 120 A oder DE 23 19 854 A1 beschriebenen.
Die Metallisierung kann beispielsweise nur auf einer Seite des Keramiksubstrats („Single-Layer-Bonding” SLB) oder alternativ auch auf beiden Seiten des Keramiksubstrates gleichzeitig („Double-Layer-Bonding” DLB) erfolgen. Außerdem ist es möglich, zunächst eine erste Seite des Substrats durch einen ersten SLB-Schritt zu metallisieren und anschließend auch die gegenüberliegende Substratseite in einem weiteren SLB-Schritt zu metallisieren.
Bekannt ist auch, die aufgebrachte Metallbeschichtung für die Ausbildung von Leiterbahnen zu strukturieren, beispielsweise über Ätzverfahren.
Prinzipiell ist erwünscht, dass die Metallbeschichtung möglichst fest auf der Oberfläche des Keramiksubstrats anhaftet, d. h. eine möglichst starke Adhäsion des Metalls auf der Keramikoberfläche vorliegt.
In vielen Anwendungen der Leistungselektronik unterliegt der Metall-Keramik-Verbund hohen Temperaturwechselbelastungen, bei denen deutliche Temperaturänderungen (z. B. im Bereich zwischen –40°C und +150°C) auftreten können.
Bedingt durch die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten des Keramiksubstrats und der Metallbeschichtung ergeben sich am Übergang zwischen diesen Schichten bei Temperaturschwankungen erhebliche mechanische Spannungen, die letztlich zu einer zumindest partiellen Ablösung des Metalls von der Keramikoberfläche führen können. Bekannt ist, dass durch eine spezifische Strukturierung der Metallschicht auf makroskopischer Ebene in ihrem Randbereich Zug- und Druckspannungen verringert und somit die Temperaturwechselbeständigkeit verbessert werden kann. DE 40 04 844 C1 und DE4318241 A1 beschreiben Metallbeschichtungen auf Keramiksubstraten, die an ihren Kanten Randabschwächungen in Form von Vertiefungen oder Löchern aufweisen.
Prinzipiell ist also wünschenswert, dass die Metallbeschichtung eine möglichst feste Bindung an die Keramikoberfläche aufweist und diese Bindung auch unter häufigen Temperaturwechselbelastungen ausreichend fest bleibt, um eine Ablösung des Metalls zu verhindern. In der Praxis hat es sich aber als schwierig herausgestellt, beide Eigenschaften gleichzeitig zu optimieren. Nicht hilfreich ist beispielsweise eine weitere Verbesserung der anfänglichen Haftfestigkeit der Metallbeschichtung auf der Keramik, wenn diese Haftfestigkeit im anschließenden Betrieb unter Temperaturwechselbelastungen dann wieder eine rasche Abnahme zeigt.
Weitere relevante Eigenschaften eines Kupfer-Keramik-Verbunds für Anwendungen in der Elektronik sind außerdem dessen Temperaturwechselbeständigkeit, Wärmeleitfähigkeit und mechanische Festigkeit (insbesondere die Wärmeleitfähigkeit und mechanische Festigkeit des Keramiksubstrats), ein gutes Bondingverhalten der Kupferbeschichtung gegenüber Bondingdrähten sowie eine möglichst feste Bindung der Metallbeschichtung an die Keramikoberfläche, wobei diese Bindung auch unter längeren Temperaturwechselbelastungen ausreichend fest bleibt sollte.
In der DE 10 2012 110 322 A1 wird das Keramiksubstrat des Metall-Keramik-Verbunds hinsichtlich seiner Kornstruktur (also seiner Struktur auf mikroskopischer Ebene) eingehender definiert. Das Keramiksubstrat enthält ein mit Zirkonoxid verstärktes Aluminiumoxid, wobei die mittlere Korngröße des Aluminiumoxids im Bereich von 2–8 μm liegt und das Verhältnis der Länge der Korngrenzen der Al₂O₃-Körner zu der Gesamtlänge aller Korngrenzen > 0,6 ist. Nach den Angaben der DE 10 2012 110 322 A1 trägt diese Kornstruktur zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit bei.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt in der Bereitstellung eines Kupfer-Keramik-Verbunds mit verbessertem Eigenschaftsprofil, insbesondere einer möglichst guten Haftfestigkeit des Kupfers auf einem Keramiksubstrat, wobei diese Haftfestigkeit auch unter häufigen Temperaturwechselbelastungen ausreichend fest bleiben sollte.
Gelöst wird die Aufgabe durch einen Kupfer-Keramik-Verbund, umfassend

– ein Keramiksubstrat, das Aluminiumoxid enthält,
– eine auf dem Keramiksubstrat vorliegende Beschichtung aus Kupfer oder einer Kupferlegierung,

_min

₂

₃

_max

₂

₃

_min

_max

_min

₂

₃

_max

_min

₂

₃

_min

(i) d_min(Al₂O₃)/d_max(Cu) ≥ 1 × 10^–5 und
(ii) 2,5 ≥ d_max(Al₂O₃)/d_min(Cu).

Sowohl bei der Kupferbeschichtung als auch beim Keramiksubstrat eines Kupfer-Keramik-Verbunds handelt es sich allgemein um ein polykristallines Material, das aus kleinen Kristalliten (die auch als Körner bezeichnet werden) besteht. Auf mikroskopischer Ebene können polykristalline Materialien anhand ihrer Kornstruktur (z. B. Korngrößenverteilungen, Form der Körner, Textur, .... etc.) eingehender charakterisiert werden.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde überraschend festgestellt, dass eine hohe Haftfestigkeit des Kupfers auf dem Keramiksubstrat realisiert werden kann und diese Haftfestigkeit auch unter häufigen Temperaturwechselbelastungen ausreichend hoch bleibt, wenn die Korngrößenverteilung des Kupfers oder der Kupferlegierung und die Korngrößenverteilung des Aluminiumoxids im Keramiksubstrat wie oben definiert aufeinander abgestimmt sind. Es handelt sich bei d_min(Al₂O₃) und d_max(Al₂O₃) um die minimale und maximale Korngröße des Aluminiumoxids und bei d_min(Cu) und d_max(Cu) um die minimale und maximale Korngröße des Kupfers.
Erfindungsgemäß wird unter einer verbesserten Kupferhaftfestigkeit eine Haftfestigkeit des Kupfers gegenüber dem Kupfer-Keramik-Verbundes verstanden, so dass die Kraft, mit der die gebondete Kupferfolie von der Keramikoberfläche eines Kupfer-Keramik-Verbundes abgelöst werden kann, erhöht ist. Aus der DE 10 2004 012 231 B4 ist dem Fachmann ein beispielhaftes Messverfahren bekannt (2 und 3 der DE 10 2004 012 231 B4 ).
Erfindungsgemäß versteht man unter einer Temperaturwechselbeständigkeit den Widerstand bzw. die Widerstandsfähigkeit der Kupferschicht gegen Delamination von der Keramik eines Kupfer-Keramik-Substrates, wobei der Widerstand in Folge von zumindest einem Temperaturwechsel der Kupferschicht gegenüber der Keramik bestimmt wird. Eine verbesserte Temperaturwechselbeständigkeit bedeutet, dass die Anzahl der widerstandenen Temperaturwechsel sich vergrößert.
Erfindungsgemäß wird unter einem verbesserten Drahtbonding verstanden, dass die Kraft, mit der der Bonddraht von der Kupferoberfläche eines Kupfer-Keramik-Verbundes abgelöst werden kann, erhöht ist.
Erfindungsgemäß wird unter einer verbesserten Biegebruchfestigkeit der Keramik verstanden, dass bei einer Drei-Punkt-Biegung die zum Bruch führende Kraft erhöht ist. Dem Fachmann ist beispielsweise zur Biegebruchfestigkeitsbestimmung der Keramik die DIN EN 843-1 (2008). Bevorzugt weicht die Probengeometrie gegenüber der DIN EN 843-1 (2008) dahingehend ab, dass die Proben eine Abmessung von 20 × 40 × 0,38 mm³ oder 20 × 40 × 0,63 mm³ aufweisen.
Bevorzugt genügen die Verhältnisse von d_min(Al₂O₃) zu d_max(Cu) und von d_max(Al₂O₃) zu d_min(Cu) folgenden Bedingungen (i) und (ii):

(i) d_min(Al₂O₃)/d_max(Cu) ≥ 1 × 10^–5 und
(ii) 1,5 ≥ d_max(Al₂O₃)/d_min(Cu).

(i) d_min(Al₂O₃)/d_max(Cu) ≥ 0,002 und
(ii) 1,0 ≥ d_max(Al₂O₃)/d_min(Cu).

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind

(i) 0,005 ≥ d_min(Al₂O₃)/d_max(Cu) ≥ 0,002 und
(ii) 1,0 ≥ d_max(Al₂O₃)/d_min(Cu) ≥ 0,05.

Bevorzugt weist das Kupfer oder die Kupferlegierung Korngrößen im Bereich von 10 μm bis 300 μm auf, d. h. d_min(Cu) ≥ 10 μm und d_max(Cu) ≤ 300 μm. Bevorzugter sind d_min(Cu) ≥ 15 μm und d_max(Cu) ≤ 250 μm, noch bevorzugter d_min(Cu) ≥ 20 μm und d_max(Cu) ≤ 210 μμm. Für das Aluminiumoxid des Keramiksubstrats sind bevorzugt d_min(Al₂O₃) ≥ 0,01 μm und d_max(Al₂O₃) ≤ 25 μm, bevorzugter d_min(Al₂O₃) ≥ 0,3 μm und d_max(Al₂O₃) ≤ 23 μm, noch bevorzugter d_min(Al₂O₃) ≥ 0,5 μm und d_max(Al₂O₃) ≤ 20 μm, unter der Maßgabe, dass die oben genannten Bedingungen hinsichtlich d_min(Al₂O₃)/d_max(Cu) und d_max(Al₂O₃)/d_min(Cu) erfüllt werden.
Im Rahmen der Erfindung konnte ferner festgestellt werden, dass durch Auswahl weiterer Produktparameter Produkteigenschaften verbessert werden konnten.
Wie dem Fachmann grundsätzlich bekannt ist, kann die Bestimmung der Korngrößenverteilung unter Bezugnahme auf die Anzahl der Körner (d. h. Anzahlverteilung) oder alternativ auch unter Bezugnahme auf die Masse (d. h. Massenverteilung) oder das Volumen der Körner erfolgen. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird die Verteilung der Korngrößen auf Basis der Körneranzahl bestimmt.
Bevorzugt weist das Aluminiumoxid des Keramiksubstrats eine Anzahlverteilung der Korngrößen auf, in der höchstens 5% der Körner eine Korngröße von weniger als 0,1 μm, bevorzugter weniger als 0,3 μm, noch bevorzugter weniger als 0,5 μm aufweisen; und/oder in der mindestens 95% der Körner eine Korngröße von weniger als 15 μm, bevorzugter weniger als 10 μm, noch bevorzugter weniger als 7 μm aufweisen. Das Kupfers oder die Kupferlegierung weist bevorzugt eine Anzahlverteilung der Korngrößen auf, in der höchstens 5% der Körner eine Korngröße von weniger als 15 μm, bevorzugt weniger als 20 μm, noch bevorzugter weniger als 25 μm aufweisen; und/oder in der mindestens 95% der Körner eine Korngröße von weniger als 250 μm, bevorzugt weniger als 230 μm, noch bevorzugter weniger als 200 μm aufweisen.
Wie allgemein bekannt ist, sind charakteristische Werte einer Korngrößenverteilung unter anderem deren d₅₀-Wert. d₅-Wert und d₉₅-Wert. Für den d₅₀-Wert, der häufig auch als Medianwert bezeichnet wird, gilt Folgendes: 50% der Körner weisen einen Durchmesser auf, der kleiner ist als der d₅₀-Wert. Analog gilt für den d₅-Wert, dass 5% der Körner einen Durchmesser aufweisen, der kleiner ist als dieser d₅-Wert, und für den d₉₅-Wert gilt, dass 95% der Körner einen Durchmesser aufweisen, der kleiner ist als dieser d₉₅-Wert. Der arithmetische Mittelwert d_arith einer Korngrößenverteilung ergibt sich aus der Summe der Korngrößen der einzelnen Körner dividiert durch die Körneranzahl.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde überraschend festgestellt, dass eine weitere Optimierung der Adhäsion und Temperaturwechselbeständigkeit in dem Kupfer-Keramik-Verbund erzielt werden kann, wenn der d₅₀-Wert der Korngrößenverteilung des Al₂O₃ (d. h. d₅₀(Al₂O₃)) und d₅₀-Werte der Korngrößenverteilung des Kupfers oder der Kupferlegierung (d. h. d₅₀(Cu)) in bestimmter Weise aufeinander abgestimmt sind. In einer bevorzugten Ausführungsform liegt das Verhältnis von d₅₀(Al₂O₃) zu d₅₀(Cu) im Bereich von 0,008 bis 0,055, bevorzugter im Bereich von 0,010 bis 0,045.
Ein bevorzugter d₅₀-Wert der Korngrößen-Anzahlverteilung des Aluminiumoxids liegt beispielsweise im Bereich von 1,0 μm bis 3,0 μm; und ein bevorzugter d₅₀-Wert der Korngrößen-Anzahlverteilung des Kupfers oder der Kupferlegierung liegt beispielsweise im Bereich von 55 μm bis 115 μm; unter der Maßgabe, dass das oben beschriebene Verhältnis d₅₀(Al₂O₃)/d₅₀(Cu) erfüllt wird.
Bevorzugt liegen die Korngrößen des Kupfers oder der Kupferlegierung im Bereich von 10 μm bis 300 μm, bevorzugter im Bereich von 15 μm bis 250 μm, noch bevorzugter im Bereich von 20 μm bis 210 μm. In diesem Korngrößenbereich zeigt das Kupfer oder die Kupferlegierung auch dann noch eine gute Haftung auf einem Keramiksubstrat, wenn der Kupfer-Keramik-Verbund über längere Zeiträume Temperaturwechselbelastungen ausgesetzt ist. Gleichzeitig ermöglicht das Kupfer oder die Kupferlegierung mit diesen Korngrößen ein effizientes Drahtbonding. Eine Metallbeschichtung zeigt ein gutes Drahtbonding, wenn sich eine möglichst starke Verbindung zu einem Bonddraht ausbilden lässt und dadurch das Risiko einer unerwünschten Ablösung des Bonddrahts minimiert wird. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind diese Werte nicht als strikte Unter- und Obergrenzen für die Korngrößenverteilung anzusehen, sondern können um +/–10% variieren. In einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich jedoch um die Untergrenze, die nicht unterschritten wird, und die Obergrenze, die nicht überschritten wird, der Korngrößenverteilung des Kupfers oder der Kupferlegierung. In dieser bevorzugten Ausführungsform weist daher das Kupfer oder die Kupferlegierung keine Körner auf, die außerhalb der oben genannten Bereiche liegen. Es ist also bevorzugt, dass d_min(Cu) ≥ 10 μm und d_max(Cu) ≤ 300 μm, bevorzugter d_min(Cu) ≥ 15 μm und d_max(Cu) ≤ 250 μm, noch bevorzugter d_min(Cu) ≥ 20 μm und d_max(Cu) ≤ 210 μm, wobei d_min(Cu) und d_max(Cu) die minimalen bzw. maximalen Korngrößen des Kupfers sind.
Durch Verwendung einer Kupferausgangsfolie mit geeigneter Korngrößenverteilung können die gewünschten Korngrößen im Kupfer-Keramik-Verbund eingestellt werden. Solche Kupferfolien sind kommerziell erhältlich oder können über Standardverfahren erhalten werden. Eine Feineinstellung der Korngrößen kann gegebenenfalls durch eine thermische Behandlung der Ausgangsfolie erfolgen.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Kupfer oder die Kupferlegierung eine Anzahlverteilung der Korngrößen auf, in der höchstens 5% der Körner eine Korngröße von weniger als 15 μm, bevorzugt weniger als 20 μm, noch bevorzugter weniger als 25 μm aufweisen; und/oder in der mindestens 95% der Körner eine Korngröße von weniger als 250 μm, bevorzugt weniger als 230 μm, noch bevorzugter weniger als 200 μm aufweisen.
Bevorzugt weist die Anzahlverteilung der Korngrößen des Kupfers oder der Kupferlegierung einen d₉₅-Wert von ≤ 250 μm, bevorzugter im Bereich von 140 μm bis 250 μm, noch bevorzugter im Bereich von 140 μm bis 230 μm, noch weiter bevorzugt im Bereich von 150 μm bis 200 μm auf. Der d₅-Wert der Korngrößen-Anzahlverteilung des Kupfers oder der Kupferlegierung ist bevorzugt ≥ 15 μm; bevorzugter liegt der d₅-Wert im Bereich von 15 μm bis 80 μm, noch bevorzugter im Bereich von 20 μm bis 75 μm, noch weiter bevorzugt im Bereich von 25 μm bis 70 μm. Damit kann eine weitere Optimierung der Temperaturwechselbeständigkeit und des Bondingverhaltens des Kupfers oder der Kupferlegierung erzielt werden.
Ein bevorzugter d₅₀-Wert der Korngrößen-Anzahlverteilung des Kupfers oder der Kupferlegierung liegt beispielsweise im Bereich von 55 μm bis 115 μm.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann es bevorzugt sein, dass die d₅-, d₉₅- und d₅₀-Werte der Korngrößen-Anzahlverteilung des Kupfers oder der Kupferlegierung so gewählt werden, dass sie der folgenden Bedingung genügen: 4,0 ≥ (d₉₅ – d₅)/d₅₀ ≥ 0,5
Die Symmetrie einer Korngrößenverteilung kann über das Verhältnis von Medianwert d₅₀ zu dem arithmetischen Mittelwert d_arith dieser Verteilung ausgedrückt werden (d. h. durch den Quotienten d₅₀/d_arirh; nachfolgend auch als Symmetriewert S bezeichnet). Je näher der Symmetriewert bei 1,0 liegt, desto symmetrischer ist die Korngrößenverteilung. In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Kupfer oder die Kupferlegierung eine Anzahlverteilung der Korngrößen mit einem Medianwert d₅₀ und einem arithmetischen Mittelwert d_arith auf, wobei das Verhältnis von d₅₀ zu d_arith (d. h. d₅₀/d_arith) im Bereich von 0,75 bis 1,10, bevorzugter im Bereich von 0,78 bis 1,05, noch bevorzugter im Bereich von 0,80 bis 1,00 liegt. Damit kann eine weitere Optimierung der Temperaturwechselbeständigkeit und der Drahtbondingeigenschaften erzielt werden. Geeignete Methoden, mit denen die Symmetrie der Korngrößenverteilung im Kupfer, beispielsweise bereits in der Kupferausgangsfolie, eingestellt werden können, sind dem Fachmann bekannt. Beispielsweise kann die Symmetrie der Korngrößenverteilung in einer Kupferfolie durch eine geeignete Verarbeitungstemperatur oder einen Walzprozess beeinflusst werden. Kupferausgangsfolien, mit denen im finalen Kupfer-Keramik-Verbund die oben angegebenen Symmetriewerte realisiert werden können, sind kommerziell erhältlich oder können über Standardverfahren erhalten werden.
Die Breite der Korngrößenverteilung kann durch das Verhältnis von d₅-Wert zu d₉₅-Wert ausgedrückt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Kupfer oder die Kupferlegierung eine Anzahlverteilung der Korngrößen mit einem d₅-Wert und einem d₉₅-Wert auf, wobei das Verhältnis von d₅ zu d₉₅ im Bereich von 0,1 bis 0,4, bevorzugter im Bereich von 0,11 bis 0,35, noch bevorzugter im Bereich von 0,12 bis 0,30 liegt. Damit kann eine weitere Optimierung der Temperaturwechselbeständigkeit und der Drahtbondingeigenschaften erzielt werden.
Die Form eines individuellen Korns lässt sich über seinen Formfaktor R_K ausdrücken, der das Verhältnis des maximalen Korndurchmessers d_K,max zu dem senkrecht zu d_K,max verlaufenden Durchmesser d_K,ortho, bestimmt auf halber Länge von d_K,max, ist (d. h. R_K = d_K,ortho/d_K,max). Aus dem arithmetischen Mittelwert der Formfaktoren R_K der Körner erhält man den mittleren Korn-Formfaktor R_a des Materials. Enthält ein Material beispielsweise einen hohen Anteil länglicher Körner, so wird der mittlere Korn-Formfaktor dieses Materials einen relativ niedrigen Wert einnehmen. Andererseits gilt, dass sich der mittlere Korn-Formfaktor umso mehr dem Wert 1,0 annähert, je höher der Anteil von runden, kreisförmigen Körnern ist.
Bevorzugt ist der mittlere Korn-Formfaktor R_a(Cu) des Kupfers oder der Kupferlegierung ≥ 0,40, noch bevorzugter ≥ 0,60 oder ≥ 0,80. Geeignete Methoden, mit denen die Form der Körner im Kupfer, beispielsweise bereits in der Kupferausgangsfolie, eingestellt werden können, sind dem Fachmann bekannt. Beispielsweise kann die Kornform in einer Kupferfolie durch eine geeignete Verarbeitungstemperatur oder einen Walzprozess beeinflusst werden. Kupferausgangsfolien, mit denen im finalen Kupfer-Keramik-Verbund der oben angegebene mittlere Korn-Formfaktor R_a(Cu) realisiert werden kann, sind kommerziell erhältlich oder können über Standardverfahren erhalten werden.
Eine geeignete Dicke der Beschichtung aus Kupfer oder einer Kupferlegierung in einem Kupfer-Keramik-Verbund ist dem Fachmann bekannt. Wie nachfolgend noch erläutert, kann an einigen Stellen der Beschichtung, insbesondere in Randbereichen, ein Teil des Kupfers oder der Kupferlegierung wieder abgetragen werden, beispielsweise zur Ausbildung von Randabschwächungen. Daher ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung möglich, dass die Dicke der Metallbeschichtung variiert. Üblicherweise weist die Beschichtung aus Kupfer oder einer Kupferlegierung über mindestens 70% ihrer Fläche eine Dicke im Bereich von 0.2–1.2 mm auf. Beispielsweise ist es möglich, dass die Dicke etwa 300 μm beträgt.
Bevorzugt sind die Dicke der Beschichtung aus Kupfer oder einer Kupferlegierung (D_Cu) und der Medianwert d₅₀ der Korngrößen-Anzahlverteilung des Kupfers oder der Kupferlegierung so ausgewählt, dass das Verhältnis D_Cu, zu d₅₀ im Bereich von 0.05 bis 0.40 liegt. Hierzu wird die Dicke D_Cu des Kupfers oder der Kupferlegierung an einer Stelle der Beschichtung bestimmt und durch den Medianwert d₅₀ der Korngrößen-Anzahlverteilung des Kupfers oder der Kupferlegierung dividiert. Bevorzugt liegt das Verhältnis D_Cu/d₅₀ über mindestens 70%, bevorzugter mindestens 90% der Fläche der Beschichtung aus Kupfer oder einer Kupferlegierung im Bereich von 0,05 bis 0,40.
Bevorzugt weist das Kupfer der Beschichtung eine Reinheit von ≥ 99,50%, bevorzugter ≥ 99,90%, noch bevorzugter ≥ 99,95% oder sogar ≥ 99,99% auf.
Bevorzugt wird die Beschichtung aus Kupfer oder einer Kupferlegierung über ein DCB-Verfahren auf das Keramiksubstrat aufgebracht. Wie bereits oben erläutert, kann ein übliches DCB-Verfahren beispielsweise folgende Verfahrensschritte aufweisen:

– Oxidieren einer Kupferfolie, so dass sich an deren Oberfläche eine Kupferoxidschicht bildet;
– Auflegen der Kupferfolie mit der Kupferoxidschicht auf das Keramiksubstrat;
– Erhitzen des Verbundes auf eine Temperatur < 1083°C (z. B. eine Temperatur im Bereich von 1065–1080°C),
– Abkühlen auf Raumtemperatur.

Als Folge des DCB-Verfahrens können zwischen der Beschichtung aus Kupfer oder einer Kupferlegierung und dem Keramiksubstrat Spinellkristallite vorliegen (z. B. Kupfer-Aluminium-Spinelle).
Die Beschichtung aus Kupfer oder einer Kupferlegierung kann beispielsweise nur auf einer Seite des Keramiksubstrats angebracht sein. Alternativ ist es möglich, dass beide Seiten (d. h. Ober- und Unterseite) des Keramiksubstrats mit der Beschichtung aus Kupfer oder einer Kupferlegierung versehen sind. Ein beispielhafter Kupfer-Keramik-Verbund, bei dem ein Keramiksubstrat 1 sowohl an seiner Unter- wie auch an seiner Oberseite eine Beschichtung 2 aus Kupfer oder einer Kupferlegierung aufweist, wird in 1 gezeigt. Ein beispielhafter Kupfer-Keramik-Verbund, bei dem das Keramiksubstrat 1 mehrere Bereiche aufweist, die jeweils mit einer Beschichtung 2 aus Kupfer oder Kupferlegierung versehen sind, wird in 2 gezeigt. Wie nachfolgend noch erläutert wird, können die einzelnen metallisierten Bereiche durch Sollbruchlinien (nicht gezeigt in 2) voneinander getrennt sein, so dass durch Brechen entlang dieser Sollbruchlinien eine Vereinzelung dieser Bereiche erfolgen kann.
Zur Ausbildung elektrischer Kontaktflächen kann die Beschichtung aus Kupfer oder einer Kupferlegierung zumindest teilweise eine Strukturierung aufweist. Die Strukturierung der Metallbeschichtung kann in bekannter Weise erfolgen, insbesondere über ein Ätzverfahren (beispielsweise unter Verwendung einer Ätzmaske).
In dem Ätzverfahren kann das Kupfer oder die Kupferlegierung in Teilbereichen vollständig entfernt werden, so dass in diesen Teilbereichen die Oberfläche des Keramiksubstrats freigelegt wird. Weiterhin ist es auch möglich, dass die Beschichtung aus Kupfer oder einer Kupferlegierung eine oder mehrere Vertiefungen (bevorzugt runde Vertiefungen) aufweist, die beispielsweise in dem Ätzverfahren dadurch erhalten werden, dass beispielsweise das Kupfer oder die Kupferlegierung in dem Bereich der anzubringenden Vertiefung nur teilweise entfernt und die Oberfläche des Keramiksubstrats in diesem Bereich daher noch mit Kupfer oder Kupferlegierung belegt ist. Alternativ oder ergänzend ist es möglich, die Vertiefungen durch das Kupfer oder die Kupferleigerung hindurch bis auf die Keramikoberfläche freizuätzen. Hinsichtlich der möglichen Anordnung solcher Vertiefungen, bevorzugt im Randbereich der Beschichtungen aus Kupfer oder Kupferlegierung, kann beispielsweise auf DE 40 04 844 C1 und DE 43 18 241 A1 verwiesen werden.
Wie oben ausgeführt, enthält das Keramiksubstrat Aluminiumoxid (Al₂O₃).
Bevorzugt liegen die Korngrößen des Aluminiumoxids im Bereich von 0,01 μm bis 25 μm, bevorzugter im Bereich von 0,3 μm bis 23 μm, noch bevorzugter im Bereich von 0,5 μm bis 20 μm. Mit Korngrößen in diesen Bereich weist das Keramiksubstrat des Kupfer-Keramik-Verbunds sowohl eine hohe mechanische Festigkeit als auch eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind diese Werte nicht als strikte Unter- und Obergrenzen für die Korngrößenverteilung anzusehen, sondern können um +/–10% variieren. In einer bevorzugten Ausfühmngsform handelt es sich jedoch um die Untergrenze, die nicht unterschritten wird, und Obergrenzen, die nicht überschritten wird, der Korngrößenverteilung des Aluminiumoxids. In dieser bevorzugten Ausführungsform weist daher das Aluminiumoxid keine Körner auf, die außerhalb der oben genannten Bereiche liegen. Es ist also bevorzugt, dass d_min(Al₂O₃) ≥ 0,01 μm und d_max(Al₂O₃) ≤ 25 μm, bevorzugter d_min(Al₂O₃) ≥ 0,3 μm und d_max(Al₂O₃) ≤ 23 μm, noch bevorzugter d_min(Al₂O₃) ≥ 0,5 μm und d_max(Al₂O₃) ≤ 20 μm, wobei d_min(Al₂O₃) und d_max(Al₂O₃) die minimalen bzw. maximalen Korngrößen des Aluminiumoxids sind.
Durch Verwendung eines Keramik-Ausgangsmaterials mit geeigneter Al₂O₃-Korngrößenverteilung können die gewünschten Al₂O₃-Korngrößen im Kupfer-Keramik-Verbund eingestellt werden. Solche Keramikmaterialien sind kommerziell erhältlich oder können über Standardverfahren erhalten werden. Eine Feineinstellung der Korngrößen kann gegebenenfalls durch eine thermische Behandlung des Keramik-Ausgangsmaterials erfolgen.
Wie oben bereits erwähnt, wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Verteilung der Korngrößen auf Basis der Körneranzahl bestimmt (d. h. Korngrößen-Anzahlverteilung).
In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Aluminiumoxid des Keramiksubstrats eine Anzahlverteilung der Korngrößen auf, in der höchstens 5% der Körner eine Korngröße von weniger als 0,1 μm, bevorzugter weniger als 0,3 μm, noch bevorzugter weniger als 0,5 μm aufweisen; und/oder in der mindestens 95% der Körner eine Korngröße von weniger als 15 μm, bevorzugter weniger als 10 μm, noch bevorzugter weniger als 7 μm aufweisen.
Eine weitere Optimierung der mechanischen Festigkeit und der Wärmeleitfähigkeit des Keramiksubstrats in dem Metall-Keramik-Verbund kann erzielt werden, wenn die d₅- und d₉₅-Werte der Korngrößenverteilung des Al₂O₃ bestimmten Anforderungen genügen.
Bevorzugt weist die Anzahlverteilung der Korngrößen des Aluminiumoxids einen d₉₅-Wert von ≤ 15,0 μm, bevorzugter im Bereich von 4,0 μm bis 15,0 μm, noch bevorzugter im Bereich von 4,5 μm bis 10,0 μm, noch weiter bevorzugt im Bereich von 5,0 μm bis 8,0 μm auf. Der d₅-Wert der Korngrößen-Anzahlverteilung des Aluminiumoxids ist bevorzugt ≥ 0,1 μm; bevorzugter liegt der d₅-Wert im Bereich von 0,1 μm bis 2,5 μm, noch bevorzugter im Bereich von 0,3 μm bis 2,5 μm, noch weiter bevorzugt im Bereich von 0,5 μm bis 2,0 μm. Damit kann eine weitere Optimierung der mechanischen Festigkeit und der Wärmeleitfähigkeit des Keramiksubstrats in dem Metall-Keramik-Verbund erzielt werden.
Ein bevorzugter d₅₀-Wert der Korngrößen-Anzahlverteilung des Aluminiumoxids liegt beispielsweise im Bereich von 1,0 μm bis 3,0 μm.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann es bevorzugt sein, dass die d₅-, d₉₅- und d₅₀-Werte der Korngrößen-Anzahlverteilung des Aluminiumoxids so gewählt werden, dass sie der folgenden Bedingung genügen: 9,5 ≥ (d₉₅ – d₅)/d₅₀ ≥ 0,7
In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Aluminiumoxid eine Anzahlverteilung der Korngrößen mit einem Medianwert d₅₀ und einem arithmetischen Mittelwert d_arith auf, wobei das Verhältnis von d₅₀ zu d_arith (d. h. d₅₀/d_arith; nachfolgend auch als Symmetriewert S(Al₂O₃) der Korngrößen-Anzahlverteilung des Aluminiumoxids bezeichnet) im Bereich von 0,75 bis 1,10, bevorzugter im Bereich von 0,78 bis 1,05, noch bevorzugter im Bereich von 0,80 bis 1,00 liegt. Damit kann eine weitere Optimierung der mechanischen Festigkeit und Wärmeleitfähigkeit des Keramiksubstrats im Metall-Keramik-Verbund erzielt werden. Geeignete Methoden, mit denen die Symmetrie der Korngrößenverteilung im Aluminiumoxid, beispielsweise bereits bei der Herstellung des Ausgangssubstrats, eingestellt werden können, sind dem Fachmann bekannt. Beispielsweise kann die Symmetrie der Korngrößenverteilung durch Sinterdauer und Sintertemperatur bei der Herstellung des Ausgangssubstrats beeinflusst werden. Al₂O₃-Substrate, mit denen im finalen Kupfer-Keramik-Verbund die oben angegebenen Symmetriewerte realisiert werden können, sind kommerziell erhältlich oder können über Standardverfahren erhalten werden.
Die Breite der Korngrößenverteilung kann durch das Verhältnis von d₅-Wert zu d₉₅-Wert ausgedrückt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Aluminiumoxid eine Anzahlverteilung der Korngrößen mit einem d₅-Wert und einem d₉₅-Wert auf, wobei das Verhältnis von d₅ zu d₉₅ im Bereich von 0,1 bis 0,4, bevorzugter im Bereich von 0,11 bis 0,35, noch bevorzugter im Bereich von 0,12 bis 0,30 liegt. Damit kann eine weitere Optimierung der mechanischen Festigkeit und Wärmeleitfähigkeit des Keramiksubstrats im Metall-Keramik-Verbund erzielt werden.
Bevorzugt ist der mittlere Korn-Formfaktor R_a(Al₂O₃) des Aluminiumoxids ≥ 0,40, bevorzugter ≥ 0,60, noch bevorzugter ≥ 0,80. Wie oben bereits erläutert, lässt sich die Form eines individuellen Korns über seinen Formfaktor R_K ausdrücken, der das Verhältnis des maximalen Korndurchmessers d_K,max zu dem senkrecht zu d_K,max verlaufenden Korndurchmesser d_K,ortho, bestimmt auf halber Länge von d_K,max, ist (d. h. R_K = d_K,ortho/d_K,max). Aus dem arithmetischen Mittelwert der Formfaktoren R_K der Körner erhält man den mittleren Korn-Formfaktor R_a(Al₂O₃) des Aluminiumoxids. Geeignete Methoden, mit denen die Form der Aluminiumoxidkörner, beispielsweise bereits bei der Herstellung des Ausgangssubstrats, eingestellt werden können, sind dem Fachmann bekannt. Beispielsweise kann die Form der Al₂O₃-Körner durch Sinterdauer und Sintertemperatur bei der Herstellung des Ausgangssubstrats beeinflusst werden. Al₂O₃-Substrate, mit denen im finalen Kupfer-Keramik-Verbund der oben angegebene Formfaktor R_a(Al₂O₃) realisiert werden kann, sind kommerziell erhältlich oder können über Standardverfahren erhalten werden.
Eine geeignete Dicke des Keramiksubstrats in einem Kupfer-Keramik-Verbund ist dem Fachmann bekannt. Üblicherweise weist das Keramiksubstrat über mindestens 70% seiner Fläche, bevorzugter mindestens 90% seiner Fläche eine Dicke im Bereich von 0.2–1.2 mm auf. Eine Dicke des Keramiksubstrates ist beispielsweise etwa 0,38 mm oder etwa 0,63 mm.
Bevorzugt sind die Dicke des Keramiksubstrats (D_cer) und der Medianwert d₅₀ der Korngrößen-Anzahlverteilung des Aluminiumoxids im Keramiksubstrat so ausgewählt, dass das Verhältnis D_cer zu d₅₀ (d. h. D_cer/d₅₀) im Bereich von 0,001 bis 0,01, bevorzugter im Bereich von 0,002 bis 0,009, noch bevorzugter im Bereich von 0,004 bis 0,008 liegt. Hierzu wird die Dicke D_cer des Keramiksubstrats an einer Stelle bestimmt und durch den Medianwert d₅₀ der Korngrößen-Anzahlverteilung des Aluminiumoxids dividiert. Bevorzugt liegt das Verhältnis D_cer/d₅₀ über mindestens 70%, bevorzugter mindestens 90% der Fläche des Keramiksubstrats im Bereich von 0,05 bis 0,40.
Optional kann das Aluminiumoxid noch mit Zirkonoxid (ZrO₂) verstärkt sein. Ein solches ZrO₂-verstärktes Al₂O₃ enthält, bezogen auf seine Gesamtmasse, das Zirkonoxid üblicherweise in einem Anteil von 0,5–30 Gew%. Das Zirkonoxid wiederum kann optional mit einem oder mehreren Dotieroxid(en), insbesondere Yttriumoxid, Calciumoxid, Ceroxid oder Magnesiumoxid, dotiert sein, üblicherweise in einem Anteil von bis zu 0,01 Gew% oder sogar bis zu 5 Gew%, bezogen auf die Gesamtmasse Zirkonoxid und Aluminiumoxid.
Bevorzugt enthält das Keramiksubstrat mindestens 65 Gew% Al₂O₃. Sofern kein ZrO₂ zur Verstärkung des Al₂O₃ vorliegt, kann das Keramiksubstrat beispielsweise zu mindestens 95 Gew%, bevorzugter 96 Gew% aus Al₂O₃ bestehen.
Sofern ein mit ZrO₂ verstärktes Aluminiumoxid verwendet wird (wobei das ZrO₂, wie oben erwähnt, optional noch dotiert ist), kann das Keramiksubstrat beispielsweise zu mindestens 96 Gew%, bevorzugter zu mindestens 98 Gew% aus diesem ZrO₂-verstärkten Al₂O₃ bestehen.
Das Keramiksubstrat kann beispielsweise eine Wärmeleitfähigkeit von ≥ 20 W/mK, und/oder eine Biegebruchfestigkeit von ≥ 400 MPa aufweisen.
Das Keramiksubstrat kann in Form eines Einzelsubstrats vorliegen. Alternativ ist es auch möglich, dass das Keramiksubstrat eine oder mehrere (bevorzugt geradlinig verlaufende) Sollbruchlinien aufweist, die das Keramiksubstrat in zwei oder mehr Bereiche unterteilen und zumindest in einem dieser Bereiche eine Beschichtung aus Kupfer oder einer Kupferlegierung aufgebracht ist. Hinsichtlich des Aufbaus eines solchen Mehrfachsubstrats mit Sollbruchlinien kann beispielhaft auf DE 43 19 944 A1 und DE 199 27 046 A1 verwiesen werden.
Geeignete Abmessungen (Länge × Breite) des Keramiksubstrats (entweder als Einzelsubstrat oder auch als Mehrfachsubstrat) in einem Metall-Keramik-Verbund sind dem Fachmann bekannt. Beispielsweise kann das Keramiksubstrat eine Abmessung, Länge × Breite, von (180–200 mm) × (130–150 mm) oder (180–200 mm) × (270–290 mm) aufweisen. Auch kleinere Abmessungen, beispielsweise (8–12 mm) × (8–12 mm), sind möglich.
In einer bevorzugten Ausführungsform liegt das Verhältnis von d₅₀(Al₂O₃) zu d₅₀(Cu) im Bereich von 0,008 bis 0,055, bevorzugter im Bereich von 0,010 bis 0,045. Damit kann eine weitere Optimierung der Adhäsion und Temperaturwechselbeständigkeit in dem Metall-Keramik-Verbund erzielt werden kann
In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Kupfer oder die Kupferlegierung eine Anzahlverteilung der Korngrößen mit einem Medianwert d₅₀, einem arithmetischen Mittelwert d_arith und einem Symmetriewert S(Cu) = d₅₀/d_arith auf, das Aluminiumoxid weist eine Anzahlverteilung der Korngrößen mit einem Medianwert d₅₀, einem arithmetischen Mittelwert d_arith und einem Symmetriewert S(Al₂O₃) = d₅₀/d_arithauf, wobei S(Al₂O₃) und S(Cu) der folgenden Bedingung genügen: 0,7 ≤ S(Al₂O₃)/S(Cu) ≤ 1,4.
Bevorzugter genügen S(Al₂O₃) und S(Cu) der folgenden Bedingung: 0,74 ≤ S(Al₂O₃)/S(Cu) ≤ 1,35; noch bevorzugter der folgenden Bedingung 0,80 ≤ S(Al₂O₃)/S(Cu) ≤ 1,25.
Damit lässt sich die Temperaturwechselbeständigkeit des Kupfer-Keramik-Verbunds verbessern.
In einer bevorzugten Ausführungsform genügen der mittlere Korn-Formfaktor des Aluminiumoxids R_a(Al₂O₃) und der mittlere Korn-Formfaktor des Kupfers oder der Kupferlegierung R_a(Cu) der folgenden Bedingung: 0,5 ≤ R_a(Al₂O₃)/R_a(Cu) ≤ 2,0.
Noch bevorzugter gilt 0,75 ≤ R_a(Al₂O₃)/R_a(Cu) ≤ 1,5 und noch weiter bevorzugt gilt 0,80 ≤ R_a(Al₂O₃)/R_a(Cu) ≤ 1,20.
Damit kann eine weitere Optimierung der Temperaturwechselbeständigkeit des Kupfer-Keramik-Verbunds realisiert werden.
Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Modul, enthaltend zumindest einen Kupfer-Keramik-Verbund gemäß der obigen Beschreibung und einen oder mehrere Bonddrähte. Üblicherweise sind der Bonddraht oder die Bonddrähte mit der Beschichtung aus Kupfer oder Kupferlegierung verbunden. Geeignete Bondingverfahren zum Verbinden von Drähten mit einer Metallbeschichtung sind dem Fachmann bekannt. Das Modul kann außerdem ein oder mehrere elektronische Bauteile wie z. B. einen oder mehrere Chips enthalten.
Die Kornstrukturen des Aluminiumoxids des Keramiksubstrats sowie des Kupfers bzw. der Kupferlegierung der Metallbeschichtung werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung folgendermaßen bestimmt:
Korngrößenverteilung des Aluminiumoxids des Keramiksubstrats
Von der Oberfläche des Keramiksubstrats wird eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme (REM-Aufnahme) gemacht. Eine spezielle Probenpräparation in Form eines Schliffbildes ist nicht erforderlich. Die REM-Aufnahme wird an einer Stelle des Keramiksubstrats gemacht, die zuvor mit Kupfer belegt war und durch Ätzen freigelegt wurde.
Die Korngrößen werden über ein Linienschnittverfahren bestimmt. Linienschnittverfahren sind dem Fachmann bekannt und werden beispielsweise in ASTM 112-13 beschrieben.
Die Vergrößerung wird so gewählt, dass durch das Linienraster mindestens 50 Al₂O₃-Körner geschnitten werden. Sofern das Keramiksubstrat noch Körner anderer chemischer Zusammensetzung, beispielsweise ZrO₂-Körner, enthält, lassen sich diese in der REM-Aufnahme mit Hilfe von Sekundärelektronenkontrast gut von den Al₂O₃-Körnern unterscheiden und werden somit nicht in die weiterfolgenden Berechnungen einbezogen.
In der vorliegenden Erfindung wurden jeweils 2 parallele Linien in x-Richtung und zwei parallele Linien in y-Richtung in die lichtmikroskopische Aufnahme gelegt. Die Linien unterteilen die Aufnahme jeweils in drei gleichmäßig breite Streifen. Dies ist schematisch in 3 gezeigt. Wenn ein Korn von einer dieser Linien über eine Länge L hinweg geschnitten wird, so wird diese Länge L als Korngröße genommen. Für jedes von einer dieser Linien geschnittene Korn erhält man so eine Korngröße. Am Kreuzungspunkt zweier Linien erhält man für ein Korn zwei Werte, die beide in die Bestimmung der Korngrößenverteilung eingehen.
Aus den Korngrößen der geschnittenen Körner ergibt sich eine Korngrößenverteilung, aus der wiederum die d₅-, d₅₀- und d₉₅-Werte sowie der arimethische Mittelwert d_arith bestimmt werden können. Wie oben bereits erläutert und dem Fachmann allgemein bekannt ist, gilt für den d₅₀-Wert, der häufig auch als Medianwert bezeichnet wird, Folgendes: 50% der Körner weisen einen Durchmesser auf, der kleiner ist als der d₅₀-Wert. Analog gilt für den d₅-Wert, dass 5% der Körner einen Durchmesser aufweisen, der kleiner ist als dieser d₅-Wert, und für den d₉₅-Wert gilt, dass 95% der Körner einen Durchmesser aufweisen, der kleiner ist als dieser d₉₅-Wert. Der arithmetische Mittelwert der Korngrößenverteilung ergibt sich aus der Summe der Korngrößen der einzelnen Körner dividiert durch die Anzahl der geschnittenen Körner.
Korngrößenverteilung des Kupfers oder der Kupferlegierung
Von der Oberfläche der Beschichtung aus Kupfer oder einer Kupferlegierung (parallel zur beschichteten Substratoberfläche) wird eine lichtmikroskopische Aufnahme gemacht. Eine spezielle Probenpräparation in Form eines Schliffbildes ist nicht erforderlich.
Die Korngrößen werden über ein Linienschnittverfahren bestimmt. Linienschnittverfahren sind dem Fachmann bekannt und werden beispielsweise in ASTM 112-13 beschrieben.
Die Vergrößerung wird so gewählt, dass durch das Linienraster mindestens 50 Körner geschnitten werden.
Hinsichtlich der weiteren Auswertung über das Linienschnittverfahren kann auf die oben bei dem Aluminiumoxid gemachten Ausführungen verwiesen werden.
Sowohl die Korngrößen des Kupfers bzw. der Kupferlegierung wie auch die Korngrößen des Al₂O₃ werden also in einer Ebene bestimmt, die parallel zur beschichteten Substratoberfläche verläuft oder koplanar mit dieser ist.
Formfaktor einzelner Körner, mittlerer Korn-Formfaktor
Aluminiumoxid
Es wird die REM-Aufnahme herangezogen, die auch bei der Bestimmung der Korngrößenverteilung verwendet wurde.
Für die Bestimmung des Formfaktors eines individuellen Korns wird folgendermaßen vorgegangen:
Es wird dessen längste Abmessung d_K,max bestimmt. Anschließend wird auf halber Länge von d_K,max der senkrecht zu d_K,max verlaufende Durchmesser d_K,ortho des Korns bestimmt. Der Formfaktor des individuellen Korns R_K ergibt sich aus dem Verhältnis von d_K,ortho zu dK,max, d. h. R_K = d_K,ortho/d_K,max. Dies ist schematisch in 4 anhand eines Korns mit elliptischer Kornstruktur dargestellt. Je mehr sich die Form eines Korns in seiner zweidimensionalen Projektion derjenigen eines Kreises annähert, desto mehr nähert sich der Formfaktor des Korns dem Wert 1,0 an. Der Formfaktor ist daher auch ein Maß für die Kreisförmigkeit/Rundheit der Körner.
Der Formfaktor wird für mindestens 50 Körner der REM-Aufnahme bestimmt. Es werden üblicherweise die Körner ausgewertet, die auch im Linienschnittverfahren von den Linien geschnitten wurden.
Der mittlere Korn-Formfaktor des Aluminiumoxids ergibt sich dann aus dem arithmetischen Mittelwert der Formfaktoren der individuellen Al₂O₃-Körner (d. h. Summe der individuellen Formfaktoren dividiert durch die Anzahl der untersuchten Körner).
Kupfer, Kupferlegierung
Es wird die lichtmikroskopische Aufnahme herangezogen, die auch bei der Bestimmung der Korngrößenverteilung verwendet wurde.
Hinsichtlich der Bestimmung des Formfaktors individueller Körner sowie des mittleren Korn-Formfaktors des Kupfers oder der Kupferlegierung kann auf die oben beim Al₂O₃ gemachten Ausführungen verwiesen werden.
Sowohl die Korn-Formfaktoren des Kupfers bzw. der Kupferlegierung wie auch die Korn-Formfaktoren des Al₂O₃ werden also in einer Ebene bestimmt, die parallel zur beschichteten Substratoberfläche verläuft oder koplanar mit dieser ist.
Nachfolgend wird ein Bonding-Verfahren beschrieben, welches zur Herstellung der erfindungsgemäßen Kupfer-Keramik-Substrate bevorzugt verwendet wird:
Ein typischer Verfahrensprozess, der im Rahmen der vorliegenden Erfindung bevorzugt für das Aufbringen der Kupferbeschichtung auf das Keramiksubstrat verwendet wird, ist beispielsweise aus den Druckschriften US 3 744 120 A , US 3 994 430 A , EP 0 085 914 A2 oder der DE 23 19 854 A1 bekannt, deren entsprechende Offenbarung durch Bezugnahme in die vorliegende Erfindung eingeschlossen wird.
Diesen dort offenbarten Herstellungsverfahren ist beispielsweise im Rahmen des Direct-Copper-Bonding-Prozesses (DCB-Prozess) gemeinsam, dass eine Kupferfolie zunächst derartig oxidiert wird, dass sich eine im Wesentlichen gleichmäßige Kupferoxidschicht ergibt. Die resultierende Kupferfolie wird dann auf ein Keramik-Substrat positioniert und der Verbund aus Keramik-Substrat und Kupferfolie wird auf eine Prozess- bzw. Bondtemperatur zwischen etwa 1025 und 1083°C erwärmt, wodurch es zu der Ausbildung eines metallisierten Keramik-Substrats kommt. Die Kupferfolie stellt nach dem Bonden somit eine Beschichtung dar. Abschließend wird das resultierende metallisierte Keramik-Substrat abgekühlt.
Die Durchführung des Verbindens von Keramik-Substrat und Kupferfolie erfolgt in einem Ofen, wobei im Allgemeinen sogenannte Bondöfen eingesetzt werden. Entsprechende Bondöfen, häufig auch als Tunnelöfen bezeichnet, umfassen unter anderem einen langgestreckten tunnelartigen Ofenraum (auch Muffel genannt) sowie eine Transportvorrichtung mit einem Transportelement beispielsweise in Form eines flexiblen und hitzebeständigen Transportbandes zum Transportieren des Behandlungsgutes durch den mit einer Heizeinrichtung beheizten Ofenraum. Die Keramik-Substrate werden zusammen mit der Kupferfolie auf einen Träger auf dem Transportband positioniert und durchlaufen anschließend in dem Bondofen durch das Transportband angetrieben einen Heizbereich, in welchem die erforderliche Bondtemperatur erreicht wird. Am Ende des Bondprozesses wird der resultierende Verbund aus Keramik-Substrat und Kupferfolie gemäß der Erfindung wieder abgekühlt.
Dieses Verfahren kann grundsätzlich zur Herstellung von einseitig metallisierten Keramik-Substraten sowie auch zur Herstellung von doppelseitig metallisierten Substraten angewendet werden. Dabei erfolgt die Herstellung von doppelseitig metallisierten Substraten in der Regel über einen zweistufigen Bondprozess, d. h. mittels eines zweistufigen Single-Layer-Prozesses (SLB-Verfahren). Im Rahmen der Erfindung wird bevorzugt ein zweistufiger Bondprozess verwendet.
Bei diesem zweistufigen Bondprozess zur Herstellung von doppelseitig metallisierten Keramik-Substraten gemäß der Erfindung wird die Keramik in zwei Ofendurchlaufen mit den Kupferfolien auf den gegenüberliegenden Seiten des Keramik-Substrats verbunden. Für diesen Zweck wird zunächst ein Keramik-Substrat auf einen Träger positioniert und anschließend auf der obenliegenden, d. h. auf der dem Träger abgewandten Seite, mit einer Kupferfolie bedeckt. Durch Wärmeeinwirkung wird diese Seite des Keramik-Substrats mit der Metallschicht verbunden und anschießend die resultierende Anordnung abgekühlt. Anschließend wird das Substrat umgedreht und in einem zweiten Bondschritt wird die andere Seite des Substrats auf gleiche Weise mit einer Metallschicht, d. h. der Kupferfolie, versehen.
Es ist möglich Einzel-Teil-Karten herzustellen oder Großkarten, welche mehrere herausbrechbaren Einzelteil-Karten aufweisen.
Beispiele
Die nachfolgenden Beispiele zeigen, wie die Adhäsion zwischen Metallbeschichtung und Keramiksubstrat sowie die Temperaturwechselbeständigkeit des Kupfer-Keramik-Verbunds gleichzeitig optimiert werden können, wenn die Korngrößen des Kupfers und die Korngrößen des Al₂O₃ im Keramiksubstrat in geeigneter Weise aufeinander abgestimmt sind.
Es wurden 3 Kupfer-Keramik-Proben über ein DCB-Verfahren hergestellt:
Kupfer-Keramik-Verbund 1, nachfolgend „K-K-V 1” (erfindungsgemäß)
Kupfer-Keramik-Verbund 2, nachfolgend „K-K-V 2” (Vergleichsprobe)
Kupfer-Keramik-Verbund 3, nachfolgend „K-K-V 3” (Vergleichsprobe)
In jedem dieser drei Kupfer-Keramik-Verbunde wurde sowohl die Ober- wie auch die Unterseite des Keramiksubstrats mit einer Kupferbeschichtung versehen. Die Kupferbeschichtung wurde dabei zunächst mit einer Seite des Keramiksubstrates mittels des SLB-Verfahrens gebondet. Anschließend wurde die gegenüberliegende Seite des Keramiksubstrates mittels des SLB-Verfahrens mit einer weiteren Kupferbeschichtung, so dass ein Kupfer-Keramik-Substrat entsteht, bei dem auf beiden Seiten der Keramik eine Kupferfolie gebondet ist. Jeweils eine der beiden Kupferbeschichtungen wurde in jeder Probe über ein Ätzverfahren nachfolgend strukturiert (gleiche Strukturierung für alle Proben). In allen Beispielen bestanden die Substrate zu 96 Gew% aus Al₂O₃.
In jedem dieser 3 Kupfer-Keramik-Verbunde wies das Keramiksubstrat folgende Abmessungen auf:
Dicke des Keramiksubstrats: 0,38 mm;
Länge × Breite des Keramiksubstrats: 190 × 140 mm²
Die Kupferbeschichtung wies jeweils eine Dicke von 0,3 mm auf.
5 zeigt eine REM-Aufnahme der Oberfläche des Keramiksubstrats von K-K-V 1, mittels der die Kornstruktur des Al₂O₃ bestimmt wurde.
6 zeigt eine lichtmikroskopische Aufnahme von der Oberfläche der Kupferbeschichtung von K-K-V 1, mittels der die Kornstruktur des Kupfers bestimmt wurde.
Für jede dieser 3 Proben wurden sowohl Metall-Keramik-Adhäsion wie auch Temperaturwechselbeständigkeit des Metall-Keramik-Verbunds bestimmt.
Die Adhäsion wurde nach dem in DE 10 2004 012 231 B4 (dort unter Absatz [0028]) beschriebenen Verfahren bestimmt.
Die Temperaturwechselbeständigkeit wurde folgendermaßen bestimmt: Zur Ermittlung der Temperaturwechselbeständigkeit des Kupfer-Keramik-Substrats wird bevorzugt ein Einzel-Teil-Substrat aus einer Großkarte herausgebrochen. Das Einzelteilsubtrat wurde in einer dem Fachmann bekannten Vorrichtung einem Temperatur-Wechsel-Zyklus unterzogen, der sich zusammensetzt aus:

• Auslagerung bei 150°C (bevorzugt in einer ersten Kammer eines Temperaturwechselschranks) für 15 Minuten
• Auslagerung bei –40°C (minus 40°C) (bevorzugt in einer zweiten Kammer des Temperaturwechselschranks) für 15 Minuten
• wobei zwischen der Verlagerung von einer Kammer in die andere Kammer eine Transferzeit von 15 Sekunden liegt.

Im Rahmen von 5 Zyklen (Auslagerung 150°C zu –40°C und zurück entspricht einem Zyklus) wurde jeweils mittels Ultraschallmikroskop die Fläche der Verbindung an der Grenzfläche zwischen Kupfer und Keramik auf Delamination untersucht.

In der nachfolgenden Tabelle 1 werden für die getesteten Verbunde K-K-V 1, K-K-V 2 und K-K-V 3 die Eigenschaften der Kornstrukturen sowie die Ergebnisse der Adhäsions- und Temperaturwechselbeständigkeitstests zusammengefasst: Tabelle 1: Adhäsion und Temperaturwechselbeständigkeit in Abhängigkeit von d_min(Al₂O₃)/d_max(Cu) und d_max(Al₂O₃)/d_min(Cu)

		Kupfer-Keramik-Adhäsion	Temperaturwechselbeständigkeit
Probe K-K-V 1 (erfindungsgemäß)	d_min(Al₂O₃)/d_max(Cu): 0,003	+	+
	d_max(Al₂O₃)/d_min(Cu): 0,209
Probe K-K-V 2 (Vergleich)	d_min(Al₂O₃)/d_max(Cu): 0,000006	+	–
	d_max(Al₂O₃)/d_min(Cu): 0,034
Probe K-K-V 3 (Vergleich)	d_min(Al₂O₃)/d_max(Cu): 0,010	–	+
	d_max(Al₂O₃)/d_min(Cu): 7,45

Wie die Beispiele zeigen, können die Adhäsion zwischen Metallbeschichtung und Keramiksubstrat sowie die Temperaturwechselbeständigkeit des Kupfer-Keramik-Verbunds gleichzeitig optimiert werden, wenn die Korngrößen des Kupfers und die Korngrößen des Al₂O₃ im Keramiksubstrat gemäß der vorliegenden Erfindung aufeinander abgestimmt werden.
Weiterhin wurde untersucht, welchen Einfluss das Verhältnis des d₅₀-Werts der Al₂O₃-Körner zu dem d₅₀-Wert der Kupferkörner auf Adhäsion und Temperaturwechselbeständigkeit hat. Die Ergebnisse zeigt Tabelle 2. Tabelle 2: Adhäsion und Temperaturwechselbeständigkeit in Abhängigkeit von d₅₀(Al₂O₃)/d₅₀(Cu)

d₅₀(Al₂O₃)/d₅₀(Cu) Kupfer-Keramik-Adhäsion Temperaturwechselbeständigkeit

0,028 + +

0,005 + –

0,083 – +
Wie Tabelle 2 zeigt, kann eine weitere Optimierung von Adhäsion und Temperaturwechselbeständigkeit erzielt werden, wenn die d₅₀-Werte der Al₂O₃-Kornverteilung und der Kupfer-Kornverteilung gemäß der vorliegenden Erfindung aufeinander abgestimmt werden.

Claims

Kupfer-Keramik-Verbund, umfassend – ein Keramiksubstrat, das Aluminiumoxid enthält, – eine auf dem Keramiksubstrat vorliegende Beschichtung aus Kupfer oder einer Kupferlegierung, wobei das Aluminiumoxid Korngrößen im Bereich von d_min(Al₂O₃) bis d_max(Al₂O₃) aufweist, das Kupfer oder die Kupferlegierung Korngrößen im Bereich von d_min(Cu) bis d_max(Cu) aufweist, und die Verhältnisse von d_min(Al₂O₃) zu d_max(Cu) und von d_max(Al₂O₃) zu d_min(Cu) folgenden Bedingungen (i) und (ii) genügen: (i) d_min(Al₂O₃)/d_max(Cu) ≥ 1 × 10^–5 und (ii) 2,5 ≥ d_max(Al₂O₃)/d_min(Cu).
Kupfer-Keramik-Verbund nach Anspruch 1, wobei das Aluminiumoxid eine Anzahlverteilung der Korngrößen mit einem Medianwert d₅₀(Al₂O₃) aufweist, das Kupfer oder die Kupferlegierung eine Anzahlverteilung der Korngrößen mit einem Medianwert d₅₀(Cu) aufweist, und das Verhältnis von d₅₀(Al₂O₃) zu d₅₀(Cu) im Bereich von 0,008 bis 0,055, bevorzugter im Bereich von 0,010 bis 0,045 liegt.
Kupfer-Keramik-Verbund nach Anspruch 1 oder 2, wobei d_min(Cu) ≥ 10 μm und d_max(Cu) ≤ 300 μm, bevorzugter d_min(Cu) ≤ 15 μm und d_max(Cu) ≤ 250 μm, noch bevorzugter d_min(Cu) ≤ 20 μm und d_max(Cu) ≤ 210 μm sind.
Kupfer-Keramik-Verbund nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei d_min(Al₂O₃) ≥ 0,01 μm und d_max(Al₂O₃) ≤ 25 μm, bevorzugter d_min(Al₂O₃) ≥ 0,3 μm und d_max(Al₂O₃) ≤ 23 μm, noch bevorzugter d_min(Al₂O₃) ≥ 0,5 μm und d_max(Al₂O₃) ≤ 20 μm sind.
Kupfer-Keramik-Verbund nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Verhältnisse von d_min(Al₂O₃) zu d_max(Cu) und von d_max(Al₂O₃) zu d_min(Cu) folgenden Bedingungen (i) und (ii): (i) d_min(Al₂O₃)/d_max(Cu) ≥ 0,001 und (ii) 1,5 ≥ d_max(Al₂O₃)/d_min(Cu); und noch bevorzugter folgenden Bedingungen (i) und (ii): (i) d_min(Al₂O₃)/d_max(Cu) ≥ 0,002 und (ii) 1,0 ≥ d_max(Al₂O₃)/d_min(Cu) genügen.
Kupfer-Keramik-Verbund nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Keramiksubstrat mindestens 65 Gew% Aluminiumoxid aufweist.
Kupfer-Keramik-Verbund nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Beschichtung aus Kupfer oder einer Kupferlegierung über ein DCB-Verfahren auf das Keramiksubstrat aufgebracht ist.
Kupfer-Keramik-Verbund nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Beschichtung aus Kupfer oder einer Kupferlegierung zur Ausbildung von elektrischen Kontaktflächen zumindest teilweise eine Strukturierung aufweist.
Kupfer-Keramik-Verbund nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Beschichtung aus Kupfer oder einer Kupferlegierung über mindestens 70% ihrer Fläche eine Dicke im Bereich von 0,2–1,2 mm aufweist; und/oder das Keramiksubstrat über mindestens 70% seiner Fläche eine Dicke im Bereich von 0,2–1,2 mm aufweist.
Modul, enthaltend zumindest einen Kupfer-Keramik-Verbund gemäß einem der Ansprüche 1–9 und einen oder mehrere Bonddrähte sowie ein oder mehrere elektronische Bauteile.