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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer temperaturwechselbeanspruchbaren Kupferschicht auf einem keramischen Substrat.
Im Stand der Technik ist es bekannt, eine Kupferschicht auf einem keramischen Substrat mittels eines Direct-Copper-Bonding- (DCB-) Verfahrens festzulegen. Dabei existiert sowohl das keramische Substrat als auch die Kupferschicht -diese in Gestalt einer dünnen Kupferfolie- bereits vor Durchführung des Verfahrens. Mittels des DCB-Verfahrens wird die Kupferfolie mit der Oberfläche des Substrates verbunden.
Bei einem solchen Direct-Copper-Bonding- (DCB-) Verfahren wird zwischen dem keramischen Substrat und der Kupferfolie durch Aufbringen von Sauerstoff auf eine dieser beiden Komponenten und/oder beide Komponenten und nachfolgendes Erhitzen über die eutektische Temperatur von Cu und CU20 ein Cu/Cu20-Eutektikum gebildet, welches nach Abkühlen der beiden Komponenten diese miteinander verbindet. Bei der auf diese Weise erfolgenden Herstellung eines KupferKeramik-Verbundes wird die physikalische Tatsache ausgenutzt, dass ein Cu/Cu20-Eutektikum sowohl Kupfer als auch Keramik sehr gut benetzt bzw. dass dieses Eutektikum nach dem Erkalten besonders gut an Keramik und Kupfer haftet und somit diese beiden Komponenten besonders innig miteinander verbindet.
Bei der Anwendung von bisher bekannten konkreten Ausführungsweisen dieses DCBVerfahrens hat sich herausgestellt, dass hiermit nur dünne, in konkreten Zahlen ausgedrückt etwa 0, 3mm dicke Kupferschichten auf keramischen Substraten festlegbar sind.
Dickere Schichten, soll heissen Schichtstärken von etwa 0, 5mm und darüber, lassen sich zwar auf keramischen Substraten festlegen, allerdings weisen derartige DCB-Verbünde relativ schlechte Temperaturwechselbeständigkeiten auf : Bereits nach etwa 50 Temperaturzyklen, also Erhitzungen von Raumtemperatur auf Übertemperaturen im Bereich von 120-150C und anschliessender Abkühlung auf Raumtemperatur, kommt es zur Ablösung der Kupferschicht vom keramischen Substrat ("Delaminierung").
Die Erfinder haben herausgefunden, dass die Ursache für die erörterte schlechte Temperaturwechselbeständigkeit in folgenden Umständen liegt :
Beim Erhitzen der Kupferschicht auf die eutektische Temperatur wird natürlich nicht nur die dem keramischen Substrat benachbarte und für die Bildung des Eutektikums notwendige Teilschicht der Kupferfolie erhitzt, sondern diese Kupferfolie insgesamt. Dabei erweicht diese Kupferfolie und dehnt sich geringfügig aus. Nach Bildung des Eutektikums bzw. nach Abkühlen von Substrat und Kupferfolie bereits knapp unter die eutektische Temperatur entsteht die innige, vollflächige Verbindung zwischen der Substratoberfläche und der Kupferfolie.
Aus der Tatsache, dass dabei die Kupferfolie im noch warmen Zustand innig an der Substratoberfläche festgelegt wird, folgt aber, dass die Kupferfolie im (leicht) ausgedehnten Zustand mit dem Substrat verbunden wird.
Beim weiteren Abkühlen auf Raumtemperatur kann die Kupferschicht nun aufgrund der bereits erfolgten Festlegung auf der Substratoberfläche sich nicht mehr weiter zusammenziehen, wozu sie temperaturbedingt tendiert. Die Folge sind innerhalb der Kupferschicht vorliegende mechanische Spannungen. Bei dünnen Kupferschichten mit Stärke bis etwa 0, 3mm wirken sich diese Spannungen noch nicht auffallend nachteilig auf die Temperaturwechselbeständigkeit des DCBVerbundes aus.
Bei dickeren Kupferschichten üben besagte Spannungen aber bereits merkliche Kräfte auf das Substrat aus, welche zum einen zur besagten schlechten Temperaturwechselbeständigkeit führen.
Eine andere nachteilige Auswirkung liegt darin, dass besagte mechanische Spannungen auf das Substratmaterial einwirken. Insbesondere dann, wenn auf beiden Oberflächen des keramischen Substrates dicke Kupferschichten aufgebondet sind, führen diese Spannungen zu mechanischen
Beschädigungen des Substrates in Form von Delaminationen.
Erörterte DCB-Verbünde werden vor allem als Leiterplatten zur Aufnahme von Hochleistung- baugruppen, wie z. Gleichrichterschaltungen umfassend IGBTs zur Bereitstellung von Gleich- spannung für Gleichstrommaschinen, eingesetzt. Bei diesen Anwendungen ist auf der ersten Ober- fläche eine grossflächige, im allgemeinen vollflächig durchgängig ausgebildete Kupferschicht aufge- bondet, auf weicher ein Kühlkörper befestigt werden kann und sind auf der zweiten Oberfläche
Kupferschichten in Gestalt von Leiterbahnen zur Verbindung der einzelnen Leistungsbauteile aufgebondet.
Um diese Leiterbahnen mit grossen Stromstärken beaufschlagen zu können sowie eine gute
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thermische Verbindung zwischen den Leistungsbauteilen und dem Kühlkörper zur Abfuhr der dort produzierten Verlustwärme sicherzustellen, fordern die Hersteller und Verwender derartiger Hochleistungsbaugruppen DCB-Verbünde mit möglichst dicken Kupferschichten, welche aber eine gute Temperaturwechselbeständigkeit aufweisen sollen sowie keine beschädigenden Kräfte auf das Keramiksubstrat ausüben.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung derartiger DCB-Verbünde und somit eine Möglichkeit zur Deckung des erörterten Bedarfes anzugeben.
Ausgehend von der oben dargestellten Beobachtung, dass besagte DCB-Verbünde mit den bisher bekannten DCB-Verfahren nicht hergestellt werden können, ist zur Lösung dieser Aufgabe erfindungsgemäss vorgesehen, dass die Kupferschicht in zwei Verfahrensschritten auf das keramische Substrat aufgebracht wird, dass im ersten Verfahrensschritt eine unmittelbar am Substrat anliegende erste Teilschicht mit einer Dicke im Bereich zwischen 0, 05 und 0, 3mm mittels eines an sich bekannten Direct-Copper-Bonding- (DCB-) Verfahrens an der Substratoberfläche festgelegt wird und dass im zweiten Verfahrensschritt eine auf der ersten Teilschicht aufliegende zweite Teilschicht durch Galvanisieren aufgebracht wird, wozu ein Galvanikbad mit an sich zur Erzeugung einer Kupferschicht bekannter Zusammensetzung verwendet wird,
in weichem Gaivanikbad jedoch keine Glanzzusätze enthalten sind.
Die unmittelbar am Substrat anliegende Teilschicht weist dabei eine so geringe Dicke auf, dass sich in ihr noch keine, sich auf die Temperaturwechselbeständigkeit negativ auswirkenden Spannungen ausbilden können. Derartige Spannungen können in der zweiten, aufgalvanisierten Teilschicht nicht mehr entstehen, weil die Spannungen in einer galvanisch hergestellten Kupferschicht hervorrufenden Glanzzusätze im verwendeten Galvanikbad nicht vorhanden sind.
Als Ergebnis des erfindungsgemässen Verfahrens wird daher ein DCB-Verbund erhalten, weicher relativ dicke Kupferschichten aufweist, die temperaturwechselbeanspruchbar sind. Versuche haben gezeigt, dass Ablösungen der Kupferschicht vom keramischen Substrat erst bei über 500 Temperaturwechseizyklen stattfinden, selbst wenn grossflächige Kupferschichten vorgesehen sind.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass ein aus AtTiOg, SiAIOxNy, AIN, BN, SiC, Si3N4, SiOxNy gebildetes keramisches Substrat verwendet wird.
All diese Materialien eignen sich zur Bildung von keramischen Leiterplatten, worin eines der Hauptanwendungsgebiete von DCB-Verbünden zu sehen ist.
Weiters kann vorgesehen sein, dass die zweite Teilschicht in einer Dicke im Bereich zwischen 0, 2 und 0, 5mm hergestellt wird.
Die entstehenden Kupferschichten bekommen damit Gesamtdicke, welche zur Führung von besonders hohen Strömen sowie zur Aufnahme und Ableitung von grossen Verlustwärme-Mengen ausreicht.
Gemäss einer besonderen Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass nach dem Aufbringen der ersten Teilschicht Kanäle, beispielsweise mittels eines lithographischen Verfahrens, in diese erste Teilschicht eingebracht und diese Kanäle mittels eines Füllmateriales, wie z. B. Wachs, verfüllt werden.
Durch das Einbringen von Füllmaterial in die Kanäle können diese im nachfolgenden zweiten Verfahrensschritt, mittels weichem die zweite Teilschicht erzeugt wird, nicht mit Kupfer gefüllt werden. Die zweite Teilschicht bedeckt diese Kanäle, sodass nach vollständigem Abschluss des erfindungsgemässen Verfahrens dicke Kupferschichten entstehen, in deren Innerem Kanäle angeordnet sind. In diesen Kanälen kann ein Kahlmittelstrom erzeugt werden, womit auf die Kupferschicht aufgebrachte Wärme besonders effektiv abgeführt werden kann. Werden derartige, mit Kühlmittelkanälen versehene Kupferschichten als Leiterbahnen eingesetzt, können diese Leiter- bahnen mit besonders hohen Strömen beaufschlagt werden.
Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beigeschlossenen Zeichnungen näher beschrie- ben. Dabei zeigt :
Fig. 1 einen vertikal geführten Schnitt durch einen mittels des erfindungsgemässen Verfahrens hergestellten DCB-Verbund und
Fig. 2 den DCB-Verbund der Fig. 1 in derselben Darstellung, bei welchem aber gemäss einer bevorzugten Erfindungsvariante Kanäle 5 innerhalb der Kupferschicht 2 erzeugt wurden.
Wie aus Fig. 1 hervorgeht, ist die gemäss dem erfindungsgemässen Verfahren auf einem kerami-
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schen Substrat 1 hergestellte Kupferschicht 2 in zwei Teilschichten 3, 4 untergliedert, welche in zwei-ihrer Natur nach unterschiedlichen- Verfahrensschritten hergestellt werden.
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anliegende Teilschicht 3 mit einer Dicke im Bereich zwischen 0, 05 und 0, 3mm hergestellt bzw an der Oberfläche dieses Substrates 1 festgelegt.
Die genaue Durchführung eines solchen DCB-Verfahrens ist abhängig vom konkret eingesetzten Material des Substrates 1, aber-wie bereits erwähnt- für sich im Stand der Technik bekannt und als solches nicht Gegenstand der Erfindung. Von einer ausführlichen Erläuterung des Ablaufes eines DCB-Verfahrens kann daher abgesehen werden, dennoch soll der Vollständigkeit halber kurz wiederholt werden, dass bei jedem DCB-Verfahren eine Kupferfolie und ein keramisches Substrat über die eutektische Temperatur von CU/CU20 erhitzt werden, wodurch sich zwischen diesen beiden Komponenten ein Eutektikum bildet, das nach seiner Abkühlung die Kupferfolie innig an der Substratoberfläche festlegt. CU20 muss dazu in ebenfalls an sich bekannter Weise zwischen die Kupferfolie und die Substratoberfläche eingebracht werden.
Der zweite Verfahrensschritt ist ein Galvanisierungsvorgang, mit weichem die auf der ersten Teilschicht 3 aufliegende zweite Teilschicht 4 der Kupferschicht 2 erzeugt und aufgebracht wird.
Die Herstellung einer Kupferschicht auf einer anderen, bereits bestehenden Kupferschicht Ist für sich betrachtet ebenfalls bekannt und als solches nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung Es wird hierfür auch ein Galvanikbad eingesetzt, dessen Zusammensetzung einem Fachmann auf dem Gebiet der Galvanik bekannt ist. Erfindungsgemäss wird ein solches, bekanntes Gaivanikbad nur insofern abgeändert, als es keine Glanzzusätze enthält. Der Begriff "Glanzzusatz" ist ein jedem Galvanik-Fachmann geläufiger Begriff, mit weichem organische Badzusätze bezeichnet werden, welche zur Bildung einer besonders glatten und damit glänzenden Kupferoberfläche führen.
Da für die Anwendungsbereiche der nach dem gegenständlichen Verfahren hergestellten DCB-Verbünde eine glänzende Oberfläche nicht erforderlich ist, stört das Weglassen von Glanzzusätzen im Galvanikbad nicht, sondern Ist -wie eingangs erläutert-notwendig, um die Ausbildung von Spannungen in der Kupferschicht 2 zu vermeiden.
Die in einem Galvanikbad zur Herstellung von Kupferschichten ebenfalls enthaltenen, mit "Einebner" bezeichneten Zusätze werden hingegen auch zur Durchführung des erfindungsgemässen zweiten Verfahrensschrittes im Galvanikbad vorgesehen. Einebner sind ebenfalls organische Zusätze, welche bewirken, dass die Oberfläche einer auf galvanischem Weg erzeugten Kupferschicht ebener ist als die Oberfläche des darunterliegenden Substrates. Die entstehende Oberfläche ist bei Verwendung von Einebnern aber nicht so eben, dass eine glänzende Oberfläche entsteht, hierfür müssten die eben erörterten Glanzzusätze verwendet werden.
Die sonstigen Parameter des Galvanisiervorganges können gemäss Stand der Technik gewählt werden und beeinflussen die Erreichung des erfindungsgemässen Zieles nicht. Es hat sich allerdings als günstig erwiesen, mit Stromdichten von kleiner 6 A/dm2 zu arbeiten, weil sich bel grösseren Stromdichten die Einebner in der entstehenden Kupferschicht eingelagern und damit wieder unerwünschte Spannungen in der Kupferschicht 2 entstehen könnten.
Die zweite Teilschicht 4 kann grundsätzlich beliebig dick gemacht werden, wobei eine Ober- grenze natürlich durch das Galvanisierverfahren gegeben ist. Als günstig hat es sich erweisen, besagte zweite Teilschicht in einer Dicke im Bereich zwischen 0, 2 und 0, 5mm herzustellen.
Das Material des keramischen Substrates 1 kann grundsätzlich beliebig gewählt werden, wie bereits erwähnt muss der genaue Ablauf des DCB-Verfahrens dem konkreten Material nach im
Stand der Technik bekannten Regeln angepasst werden. Lediglich beispielhaft sollen folgende keramische Materialien zur Ausbildung des Substrates angegeben werden : AiTiOa, SiAiOxNy, AiN,
BN, SiC, Si3N4, SiOxNy.
Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden nach Abschluss des ersten
Verfahrensschrittes, also nachdem die erste Teilschicht 3 am Substrat 1 mittels eines DCB-
Verfahrens festgelegt wurde, in diese erste Teilschicht 3 Kanäle 5 eingearbeitet. Dazu können beliebige, im Stand der Technik bekannte Verfahren, wie z. B. mechanische Bearbeitungsverfahren oder lithographische Verfahren eingesetzt werden.
Diese Kanäle 5 werden nun mittels eines beliebigen Füllmaterials, wie z. B. Wachs, verfüllt und anschliessend der zweite erfindungsgemässe Verfahrensschritt-Aufbringen der zweiten Teil-
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schicht 4 durch Galvanisieren- durchgeführt.
Dabei verhindert das in den Kanälen 5 befindliche Füllmaterial ein Einlagern von Kupfer in diesen Kanälen 5, sodass die zweite Teilschicht 4 diese Kanäle 5 überdeckend aufwächst. Nach Abschluss dieses zweiten Verfahrensschrittes liegt eine dicke Kupferschicht 2 vor, in welche freie Kanäle 5 integriert sind. Diese Kanäle 5 können-nachdem das Füllmaterial z. B. durch Erhitzen ausgetrieben worden ist-mit einem Kühlmittel gefüllt bzw. kann in den Kanälen 5 ein Kühlmittel- strom aufgebaut werden. Damit kann auf die Kupferschicht 2 (beispielsweise durch die oben erwähnten Hochleistungsbauteile) aufgebrachte Wärme besonders effektiv abgeführt werden
PATENTANSPRÜCHE :
1.
Verfahren zur Herstellung einer temperaturwechselbeanspruchbaren Kupferschicht (2) auf einem keramischen Substrat (1), dadurch gekennzeichnet, dass die Kupferschicht (2) in zwei Verfahrensschritten auf das keramische Substrat (1) aufgebracht wird, dass im ersten
Verfahrensschritt eine unmittelbar am Substrat (1) anliegende erste Teilschicht (3) mit einer Dicke im Bereich zwischen 0, 05 und 0, 3mm mittels eines an sich bekannten Direct-
Copper-Bonding- (DCB-) Verfahrens an der Substratoberfläche festgelegt wird und dass im zweiten Verfahrensschritt eine auf der ersten Teilschicht (3) aufliegende zweite Teilschicht (4) durch Galvanisieren aufgebracht wird, wozu ein Galvanikbad mit an sich zur Erzeugung einer Kupferschicht bekannter Zusammensetzung verwendet wird,
in welchem Galvanik- bad jedoch keine Glanzzusätze enthalten sind.