AT408428B - Verfahren zur herstellung eines kupfer-keramik-verbundes - Google Patents

Description

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   Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kupfer-Keramik-Verbundes umfas- send zumindest eine Keramikplatte und zumindest eine, an einer Oberflächenseite der Keramik- platte vorgesehene und dort flächig mit der Keramikplatte mittels des Direct-Copper-Bonding- (DCB-) Verfahrens verbundene Kupferplatte, bei welchem Direct-Copper-Bonding- (DCB-) Verfah- ren zwischen der Keramik- und der Kupferplatte durch Aufbringen von Sauerstoff auf eine dieser Platten und/oder beide Platten und nachfolgendes Erhitzen der beiden Platten über die eutektische 
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 beiden Platten diese miteinander verbindet. 



   Es sind auch andere Verfahren zur Festlegung einer Kupferschicht auf einem Keramikbauteil bekannt. So beschreibt beispielsweise die WO 93/20255 ein Verfahren, mittels welchem eine Kup- ferschicht mit einer Dicke im Bereich von 5 m bis 300 m haftfest auf einem keramischen Bauteil festgelegt werden kann. Gemäss diesem Verfahren wird die Kupferschicht durch thermisches Auf- spritzen von feinkörnigem Kupferpulver auf die Oberfläche des Keramik-Bauteiles in einem ge- meinsamen Arbeitsschritt einerseits erzeugt und andererseits auf dem keramischen Bauteil festge- legt. 



   Die EP-A2-350 648 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer Kupferbeschichtung auf an- organischen Dielektrika, wie Keramik oder Email durch chemische und galvanische Metallabschei- dung Die Herstellung der Kupferschicht wird gemäss Anspruch 1 der EP-A2-350   648   zweistufig durchgeführt : Zunächst wird eine (dünne) Kupferschicht chemisch am Dielektrikum abgeschieden, diese Kupferschicht mechanisch, z. B. durch Polieren oder Bürsten behandelt und abschliessend eine zweite (wesentlich dickere) Kupferschicht galvanisch auf der ersten Kupferschicht abgeschie- den. 



   Die in diesen beiden Dokumenten beschriebenen Verfahren weichen grundsätzlich von einem Direct-Copper-Bonding-Verfahren ab und kommen damit nicht in die Nähe der gegenständlichen Erfindung. 



   Bei der in eingangs angeführter Weise erfolgenden Herstellung eines Kupfer-Keramik- Verbundes wird die physikalische Tatsache ausgenutzt, dass ein   Cu/Cu20-Eutektikum   sowohl Kup- fer 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. 



   Voraussetzung für die Bildung eines solchen Cu/Cu20-Eutektikums ist die Anwesenheit von Cu2O im Bereich jener Oberflächen der Kupfer- und der Keramikplatte, mit welchen diese beiden Platten aneinander anliegen sollen. Nach bisher bekannten Formen des Direct-Copper-Bonding (DCB), das auch als Direct-Bonding-Copper (DBC) bezeichnet wird, wird an einer Oberfläche der Kupferplatte eine   CU20-Schicht   erzeugt. 



   Dies kann beispielsweise durch Erhitzen der Kupferplatte in einer sauerstoffhaltigen Atmo- sphäre erfolgen. Ein anderer, häufiger gewählter Weg liegt darin, die Kupferplatte in einem nass- chemischen Prozess, d. h. durch Atzen der Kupferplatte in verschiedenen Säurebädern, mit einer Oxidschicht zu überziehen. Diese Oxidschicht kann durch Kupferoxid, aber auch aus anderen Mischoxiden, wie beispielsweise Manganoxid, gebildet sein. 



   Ein solches Direct-Copper-Bonding-Verfahren ist beispielsweise in der   GB-A-761   045 be- schrieben. Die zur Bildung des Eutektikums notwendige Oxidschicht wird hier durch Oxidieren der Kupferoberfläche hergestellt. Diese Oxidation kann auf verschiedene Weise erfolgen, beispielswei- se dadurch, dass der Kupferbauteil in Wasserdampf enthaltender Atmosphäre oder bei in seiner Nähe angeordneten, Sauerstoff abgebenden Substanzen erhitzt wird. 



   Nach Herstellung einer Oxidschicht wird die Kupferplatte auf die Keramikplatte aufgelegt. Es ist in der Regel egal, mit welcher Seite die Kupferplatte auf die Keramik gelegt wird, weil das sich bildende Eutektikum durch die Kupferfolie hindurchdringen kann. Tatsächlich ist es so, dass die Kupferpiatte beim Eintauchen in ein chemisches Bad auf beiden Seiten oxidiert wird, wenn nicht besondere Vorkehrungen getroffen werden, die das verhindern, d. h. durch Anwendung welcher lediglich auf einer Seite der Kupferplatte eine Oxidschicht gebildet wird. 



   Die beiden Platten werden anschliessend über die eutektische Temperatur von Cu und Cu2O 
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 dadurch mit der Keramik und stellt nach Erkalten die bereits erwähnte gute Verbindung der Kup- ferplatte mit der Keramikplatte her. 

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   Die gegenständliche Erfindung setzt bei der Beobachtung an, dass der angeführte nasschemi- sche Ätzprozess zur Erzeugung einer   CU20-Schicht   vor allem den Nachteil eines relativ hohen Säu- reverbrauches, eines hohen Wasserverbrauches (zum Abspülen der Säureresten nach Abschluss des Ätzens) und eines damit verbundenen Anfalls grosser Mengen von Abwässern aufweist. Ein weiterer Nachteil dieses Verfahrens liegt in seiner schlechten Reproduzierbarkeit, weil die aufge- brachte Oxidmenge von mehreren Faktoren, wie Zusammensetzung der Säurebäder, Verweilzeit der Kupferplatte in diesen Bädern, Strömungsvorgänge und Temperaturgradienten im Bad sowie von der immer verschiedenen Aktivität der Kupferoberfläche abhängig ist. 



   Es ist daher Aufgabe der gegenständlichen Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines 
Kupfer-Keramik-Verbundes der eingangs angeführten Art anzugeben, bei welchem diese Nachteile vermieden werden, d. h. bei welchem beim Erzeugen des oxidierten Kupfers nur wenig Abfälle ent- stehen sowie die entstehende Menge von Oxid gut reproduzierbar ist. 



   Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass auf zumindest eine der beiden Platten ein oxidhältiges Pulver durch ein mechanisches Verfahren, wie z. B. Einreiben, Einbürsten oder 
Einpolieren, auf die Oberfläche der Keramik- und/oder der Kupferplatte aufgebracht wird. 



   Es wird hier bereits fertiges, an anderer Stelle erzeugtes Oxid verwendet, wodurch ein geson- derter, vom ohnehin notwendigen Erhitzen der Kupfer- und der Keramikplatte verschiedener Ver- fahrensschritt zur Bildung des Oxids vollkommen entfallen kann. Die mit einem derartigen geson- derten Schritt verbundenen Abfälle können daher nicht entstehen. Die Menge an aufgebrachtem Oxid kann mittels Verwägung des auf die Keramik- und/oder Kupferplatte aufgebrachten Pulvers exakt ermittelt werden und ist bei einem bestimmten Aufbringungsverfahren nur von der Oberflä- chenrauhigkeit der betreffenden Platte abhängig. 



   Ein weiterer, entscheidender Vorteil dieses mechanischen Aufbringverfahrens liegt darin, dass dieses wesentlich rascher abläuft, als ein bisher bekanntes chemisches Ätzverfahren. Musste letz- teres - weil ein mehrmaliges Einbringen der Kupferplatte in verschiedene Säure- und Abspülbäder erfordernd - völlig losgelöst von den übrigen Schritten des DCB-Verfahrens durchgeführt werden, kann das bevorzugt eingesetzte Reibverfahren problemlos in das DCB-Verfahren eingebaut wer- den. Das Reibverfahren umfasst nämlich lediglich einen einzigen Verfahrensschritt, welcher den Schritten des DCB-Verfahrens (Keramik- auf die Kupferplatte auflegen, erhitzen und abkühlen) vorgesetzt werden kann. 



   Weiters kann vorgesehen sein, dass eine Keramikplatte aus Aluminiumnitrid, Aluminiumoxid, Siliziumnitrid, Siliziumkarbid,   Berylliumoxid   od. dgl. verwendet wird. 



   Jede dieser Keramiken kann wegen ihrer spezifischen chemischen und mechanischen Eigen- schaften für bestimmte, gerade die der eingesetzten Keramik eigenen Eigenschaften erfordernde Anwendung eingesetzt werden. Beispielsweise liegt ein Vorteil von Aluminiumnitrid im Vergleich zu Aluminiumoxid in dessen bedeutend höherer Wärmeleitfähigkeit, was bei DCB-Anwendungen von grosser Wichtigkeit ist. 



   Sämtliche aufgezählten Keramiken weisen einen wesentlich höheren Elastizitätsmodul als Kup- fer auf, wodurch das thermische Dehnungsverhalten eines DCB-Verbundes jenem der ungebonde- ten Keramik sehr nahe kommt. Man kann daher mit der Auswahl der Keramik die mechanischen Eigenschaften des entstehenden DCB-Verbundes bestimmen. 



   Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das oxidhältige Pulver Oxide der Nebengruppenelemente beinhaltet. 



   Solche Oxide sind auf einfache Weise herstellbar bzw. fertig am Markt erhältlich, sodass durch deren Verwendung beim erfindungsgemässen Verfahren kein bzw. ein nur geringfügiger techni- scher Zusatzaufwand notwendig ist. 



   Als besonders günstig hat es sich erwiesen, dass das oxidhältige Pulver gebildet ist durch eine Mischung aus Mn02 und CuO. 



   Manganoxid zerfällt bei höheren Temperaturen in andere Oxidationsstufen wie etwa   Mn203   oder Mn304 und gibt dabei kontinuierlich Sauerstoff ab. Dieser Zerfall wirkt sich auf die Beständig- keit von CU02 (CuO zerfällt beim Erhitzen bei ca. 400 C in   CU20)   aus. Die Beständigkeit von Kup- feroxid gegen eine Reduktion wird mit steigender Temperatur immer geringer, weil die damit verbunden zunehmende Entropie das Kupferoxid in Kupfer und Sauerstoff aufzubrechen versucht. 



  Eine derartige Reduktion kann in der Bondphase zu einer Gasentwicklung und damit zum Entste- hen von Aufwürfen der Kupferfolie führen. Die Stabilität von Kupferoxid- bzw. das Mass der statt- 

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 findenden Reduktion - kann bei diesen hohen Temperaturen nur durch einen erhöhten Sauerstoff- anteil - durch den Zerfall des Manganoxids in andere Oxidationsstufen zusammen mit dem Sauer- stoffgehalt in der Ofenatmosphäre - gewährleistet werden. Ein weiterer Vorteil dieses Zerfalls des Manganoxids beruht auf der Tatsache, dass oxidische Schmelzen in sauerstoffreichen Atmosphä- ren wesentlich besser benetzen als in sauerstoffarmen, weil Sauerstoff deren Oberflächenspan- nung herabzusetzen vermag. 



   Es kann auch vorgesehen sein, dass das oxidhältige Pulver Cu2O enthält. 



   Das für die Bildung eines Cu/Cu20-Eutektikums notwendige Cu2O ist damit unmittelbar im Be- reich der Verbindungsschicht zwischen dem Keramik- und dem Kupferbauteil vorhanden, sodass zu seiner Entstehung führende chemische Reaktionen nicht abgewartet werden müssen. 



   Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die beigeschlossenen Zeichnungen, in welchen besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele dargestellt sind, näher beschrieben. Dabei zeigt : 
Fig. 1 einen vertikal geführten Schnitt durch eine Kupfer- oder Keramikplatte, auf dessen Ober- fläche gerade ein oxidhältiges Pulver gemäss dem erfindungsgemässen Verfahren aufgebracht wird und 
Fig. 2 einen vertikal geführten Schnitt durch eine Kupfer- oder Keramikplatte, auf dessen Ober- fläche unter Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens Oxid aufgebracht ist. 



   Ein Kupfer-Keramik-Verbund, der aus zumindest einer Keramikplatte und zumindest einer Kup- ferplatte besteht, welche Kupferplatte an einer Oberflächenseite der Keramikplatte vorgesehen bzw dort flächig festgelegt ist, wird nach bereits bekanntem Stand der Technik mittels eines Direct- Copper-Bonding (DCB-) Verfahrens (auch als Direct-Bonding-Copper (DBC-) Verfahren bezeich- net) hergestellt. 



   Dabei wird im Bereich jener Oberflächen der Kupfer- und der Keramikplatte, mit welchen diese beiden Platten aneinander anliegen, ein Cu/Cu20-Eutektikum gebildet, das die beiden Platten innig aneinander festlegt. 



   Dieses Eutektium hat den Vorteil, dass es bei einer unter der Schmelztemperatur von Kupfer liegenden Temperatur (der sog. eutektischen Temperatur, die etwa bei 1065 C liegt) schmelzflüs- sig wird und in diesem Zustand sowohl Kupfer- als auch Keramikplatte benetzen kann. Die eutekti- sche Temperatur von etwa 1065  wird so lange beibehalten, bis das Eutektikum sowohl die Kupfer- als auch die Keramikplatte vollständig benetzt hat. Danach werden die beiden Platten abkühlen 
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   Damit ein Cu/Cu2o-Eutektikum entstehen kann, muss im Bereich der aneinander anliegenden Oberflächen der Kupfer- und der Keramikplatte während der gesamten Aufheizphase und auch noch beim Erreichen der eutektischen Temperatur Cu2O vorhanden sein. Eine im Stand der Tech- nik hierzu bereits angewandte Methode liegt darin, auf die Oberfläche der Kupferplatte Sauerstoff aufzubringen, welcher mit dem dortigen Kupfer reagiert, womit das benötigte Cu2O schon von Beginn des gesamten DCB-Verfahrens an präsent ist. 



   Beim Verfahren der vorliegenden Erfindung ist hingegen vorgesehen, dass das Cu2O in der Regel erst beim Aufheizen der beiden Platten auf die eutektische Temperatur entsteht. Damit diese Entstehung von statten gehen kann, wird erfindungsgemäss zur Aufbringung von Sauerstoff auf zumindest eine der beiden Platten ein oxidhältiges Pulver, insbesondere ein Pulver beinhaltend Oxide der Nebengruppenelemente, d. h. Metalloxide, deren metallische Komponenten durch ein Element der Nebengruppe des Periodensystems gebildet sind, aufgebracht. 



   Dieses Oxid, insbesondere Metalloxid, ist im Gegensatz zum eben erörterten Stand der Tech- nik aber noch nicht chemisch mit der Kupferoberfläche oder der Keramikoberfläche verbunden, sondern bloss auf mechanischem Weg auf diese aufgebracht. 



   Dieses mechanische Festlegen des (Metall-)Oxids auf der Oberfläche von zumindest einer der beiden zu verbindenden Platten erfolgt erfindungsgemäss durch ein mechanisches Verfahren, wie z. B. Einreiben, Einbürsten oder Einpolieren des oxidhältigen Pulvers in die Oberfläche der Kera- mik- und/oder Kupferplatte. 



   Nach dem Aufbringen des oxidhältigen Pulvers auf Kupfer- und/oder Keramikplatte werden die- se beiden Komponenten aufeinander gelegt und gemäss DCB-Verfahren auf die eutektische Temperatur aufgeheizt. 



   Die Bildung von Cu2O erfolgt während dieses Aufheizens der Keramik- und der Kupferplatte, 

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 bei welchem Vorgang der im Oxid des eingeriebenen Pulvers gebundene Sauerstoff an das Kupfer abgegeben wird und somit das benötigte Cu2O entsteht. 



   Es ist natürlich möglich, einen mehr als eine Kupfer- und eine Keramikplatte umfassenden Verbund mittels dem erfindungsgemässen Verfahren herzustellen. Dabei muss selbstredend an je- der Stossstelle zwischen einer Kupfer- und einer Keramikplatte das zur   CU20-Bildung   führende oxidhältige Pulver aufgebracht werden. 



   Das zur Ausführung des erfindungsgemässen Verfahrens verwendete Oxidpulver kann auch aus Cu2O bestehen. In diesem speziellen Fall wird der oben angegebene Grundsatz, dass das Cu2O erst während des Aufheizens entsteht, durchbrochen, denn der im von der Kupferplatte separaten Cu20-Pulver enthaltene Sauerstoff wird nicht an das Kupfer der Platte abgegeben. 



   Das auf Kupfer- und/oder Keramikplatte aufgebrachte Pulver muss nicht ein reines Oxidpulver sein, für die Erreichung des hier benötigten Effektes der   CU20-Bildung   ist es ausreichend, wenn ein oxidhältiges Pulver verwendet wird. 



   Die von Oxid verschiedenen Bestandteile eines solchen Pulvers können beispielsweise aus Kupfer oder Keramik bestehen, wenn das Verfahren zusammen mit der Oberflächenrauhigkeit eine Aufbringung von derart viel Pulver gestattet, dass ein rein oxidisches Pulver zu einer zu grossen Menge an gebildetem Eutektikum führen würde. Im Extremfall kann das zum völligen Aufschmel- zen der Kupferplatte führen. 



   Das Pulver braucht weiters nicht rein zu sein, d. h. aus einem einzigen Metalloxid bestehen, vielmehr können Mischungen aus mehreren verschiedenen Metalloxiden eingesetzt werden. 



   In der Praxis hat es sich als günstig herausgestellt, das Oxid- bzw. oxidhältige Pulver durch ein mechanisches Verfahren, wie. z. B. Einreiben, Einbürsten oder Einpolieren in die Oberfläche der Keramik- und/oder Kupferplatte einzubringen. Damit wird das Pulver mechanisch an   der/den   betreffenden Oberflächen fixiert und kann sich bei Handhabung der Platten nicht mehr von diesen lösen, so wie dies bei blossem Aufstreuen des Pulvers der Fall wäre. 



   Die Durchführung dieses mechanischen Einreibens ist in Fig.dargestellt. Mit 1 ist dabei die Kupfer- oder Keramikplatte bezeichnet, auf dessen Oberfläche das oxidhältige Pulver aufzubringen ist. Mit 2 sind die einzelnen Partikeln des oxidhältigen Pulvers bezeichnet. Nach dem Aufstreuen dieses oxidhältigen Pulvers wird ein Reibschuh 3 auf dieses aufgelegt und mit einer Anpresskraft F gegen die Kupfer- oder Keramikplatte 1 gedrückt. Wie mit dem Pfeil 4 symbolisiert, wird der Reib- schuh 3 in eine parallel zur Oberfläche der Kupfer- oder Keramikplatte 1 gerichtete Hin- und Her- bewegung versetzt. 



   Dadurch werden die Partikel 2 des oxidhältigen Pulvers in die Nähe der Plattenoberfläche gebracht, wobei Adhäsionskräfte entstehen, welche die Partikel 2 an der Oberfläche halten. 



   Das Ergebnis des erfindungsgemässen mechanischen Aufbringverfahrens, d. h. die Oberfläche der Kupfer- oder Keramikplatte 1 nach Abschluss des Verfahrens nach Fig.1zeigt Fig.2 : Die einzel- nen Pulverpartikel 2 haben sich in den Oberflächenrauhigkeiten der Kupfer- oder Keramikplatten- oberfläche festgesetzt. 



   Als Materialien, aus welchen die Keramikplatte gebildet sein kann, können insbesondere Alu- miniumnitrid, Aluminiumoxid, Siliziumnitrid, Siliziumkarbid, Berylliumoxid od. dgl. angegeben wer- den. 



   Als bevorzugt beim erfindungsgemässen Verfahren eingesetzte Oxide können Manganoxid in der Form von Mn02 und Kupferoxid in der Form von CuO angegeben werden. 



   Das oxidhältige Pulver kann auch durch eine Mischung aus Mn02 und CuO gebildet sein, oder Cu2O enthalten. 

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Claims (5)

1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Verfahren zur Herstellung eines Kupfer-Keramik-Verbundes umfassend zumindest eine Keramikplatte und zumindest eine, an einer Oberflächenseite der Keramikplatte vorgese- hene und dort flächig mit der Keramikplatte mittels des Direct-Copper-Bonding- (DCB-) Verfahrens verbundene Kupferplatte, bei welchem Direct-Copper-Bonding- (DCB-) Verfah- ren zwischen der Keramik- und der Kupferplatte durch Aufbringen von Sauerstoff auf eine dieser Platten oder auf beide Platten und nachfolgendes Erhitzen der beiden Platten über <Desc/Clms Page number 5> die eutektische Temperatur von Cu und Cu2O ein Cu/Cu20-Eutektikum gebildet wird, wel- ches nach Abkühlen der beiden Platten diese miteinander verbindet, dadurch gekenn- zeichnet, dass auf zumindest eine der beiden Platten (1) ein oxidhältiges Pulver durch ein mechanisches Verfahren, wie z. B.

   Einreiben, Einbürsten oder Einpolieren, auf die Oberfla- che der Keramik- und/oder der Kupferplatte aufgebracht wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Keramikplatte aus Alu- miniumnitnd, Aluminiumoxid, Siliziumnitrid, Siliziumkarbid, Berylliumoxid od. dgl. verwen- det wird
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das oxidhältige Pulver Oxide der Nebengruppenelemente beinhaltet.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das oxidhältige Pulver gebildet ist durch eine Mischung aus Mn02 und CuO.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das oxidhältige Pulver Cu2O enthält.

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