CN107540384B

CN107540384B - 金属陶瓷衬底及其制造方法

Info

Publication number: CN107540384B
Application number: CN201710470918.6A
Authority: CN
Inventors: A·罗特
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2016-06-27
Filing date: 2017-06-20
Publication date: 2021-09-28
Anticipated expiration: 2037-06-20
Also published as: EP3263537B1; CN107540384A; EP3263537A1

Abstract

本发明涉及一种金属陶瓷衬底及其制造方法。该金属陶瓷衬底具有陶瓷板或陶瓷层和两个平面地固定在陶瓷层的两个相对表面侧的金属层，其中陶瓷层的材料沿着从一个金属化表面侧到另一金属化表面侧的方向具有密度梯度和/或两个金属层具有不同的屈服强度。此外本发明还涉及一种用于制造这种金属陶瓷衬底的方法。

Description

金属陶瓷衬底及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种金属陶瓷衬底、特别是一种双面金属化陶瓷衬底以及用于制造该金属陶瓷衬底的方法。

背景技术

这种金属陶瓷衬底优选用在功率半导体模块的领域中。在此陶瓷衬底、例如氧化铝陶瓷在其上侧和下侧设置有金属化，其中通常至少一个金属化面之后具有例如通过蚀刻工艺产生的电路结构。已知的用于制造该双面金属化陶瓷衬底的方法通过共晶键合进行，并且通常被称为直接键合工艺。

用于通过键合工艺制造金属化陶瓷衬底的方法的基本说明例如可由EP 0 085914 A2得到。例如在直接铜键合工艺(DCB工艺)的范围中，首先将铜箔氧化，使得获得基本上均匀的氧化铜层。然后将合成的铜箔定位在陶瓷衬底的表面侧，并且将陶瓷衬底和铜箔的复合结构加热到在约1025℃和1083℃之间的键合温度，由此促使金属化陶瓷衬底的形成。最后将金属化陶瓷衬底冷却。

双面金属化陶瓷衬底的制造或者通过两阶段的键合工艺或者替代地通过单阶段的键合工艺进行，在两阶段的键合工艺中首先将陶瓷衬底的第一表面侧金属化然后将陶瓷衬底的与第一表面侧对置的第二表面侧金属化，在单阶段的键合工艺中将陶瓷衬底的两个表面侧同时金属化。

例如在DE 10 2010 023 637 B4中说明了一种用于在单独的方法步骤中制造双面金属化陶瓷衬底的方法，其中将第一金属层、陶瓷衬底和第二金属层依次以给定的顺序定位在支撑件或键合辅助件上，其中支撑件在朝向由第一金属层、第二金属层和衬底构成的组件的上侧处具有多个伸出的凸耳，其朝着由第一金属层、第二金属层和衬底构成的组件的方向逐渐变细。通过将支撑件构造有尖端应实现金属层和陶瓷衬底的复合结构可在双面键合工艺之后无残留地从支撑件松开。

此外由DE 10 2004 056 879 B4已知一种用于通过使用直接键合工艺制造双面金属化陶瓷衬底的方法，在其中由至少两个金属层和布置在金属层之间的陶瓷衬底构成的组件被定位在设置有分离层的支撑件或键合辅助件上，并且之后将该组件加热到出现两个金属层与陶瓷衬底键合的温度。通过使用相应的分离层不会导致支撑件与所贴靠的组件金属层连接。

在此，DE 10 2004 056 879 B4的重点在于使用尤其为平面的支撑件，其相对于理想平面具有小于支撑件长度的0.2％和/或小于支撑件宽度的0.1％的偏差。通过这种对支撑板特别高的要求可成功地制造特别平的双面金属化陶瓷衬底。尽管如此，合成的双面金属化陶瓷衬底具有取向未限定的残余翘曲。此外，如果以用于制造双面金属化陶瓷衬底的连续方法为出发点，残余翘曲的取向随着不同组件而变化。因此，即使使用DE 10 2004 056879 B4中所述的方法所得到的双面金属化陶瓷衬底的翘曲也会不仅在纵向/横向上而且在高度上显著变化并且此外是非定向的。

此外以非对称金属厚度(例如正面金属厚度为0.3mm而背面金属厚度为0.2mm)制造的合成双面金属化陶瓷衬底由于在衬底两侧上不同的金属体积在键合之后具有在纵向和横向上未限定的翘曲，其中通常较厚的金属层位于凹面侧。

由现有技术的这些问题得到的在合成双面金属化陶瓷衬底规格中的变化，特别是翘曲，可能在后续工艺以及加工中产生重大的不利影响并且因此优选加以避免。

因此进一步在DE 196 15 481 C5中公开了在室温下拱曲的双面金属化陶瓷衬底的应用，该陶瓷衬底可在其下侧被支撑地、弹性地回弯成平面形状，从而其由于陶瓷层的弹性应力可紧密且固定地抵靠在金属板的表面上，以确保最佳的冷却效果。

此外DE 10 2014 215 377 A1说明了一种用于制造双面金属化陶瓷衬底的方法，其中为了制造将陶瓷衬底和金属层定位在倾斜和/或拱曲的支撑件上。通过支撑件的拱曲，合成的金属化陶瓷衬底也可具有限定的基本上不变的翘曲。

发明内容

基于此背景，本发明的目的在于，提供一种改进的金属陶瓷衬底及其制造方法，其中该金属陶瓷衬底具有特别是基本在室温下可预先确定的限定的、即始终一致的翘曲优选方向，以及限定的、即可预先确定的、温度决定的或取决于温度的翘曲变化，这特别是在随后的系统焊接或芯片焊接中或者在应用于无底模块中时发挥作用。

该目的通过根据本发明的金属陶瓷衬底以及其制造方法实现。相应公开了本发明其他的、特别是有利的设计方案。

应当指出的是，在以下说明中单独列出的特征可以任意在技术上有意义的方式彼此组合并且示出本发明的其他设计方案。说明书特别是与附图结合附加地表征且描述了本发明。

进一步应指出的是，以下说明的发明可应用于任何类型的衬底，例如AlN(氮化铝)、Si₃N₄(氮化硅)、Al₂O₃(氧化铝)等，该衬底以金属层涂覆，例如Cu(铜)或Al(铝)。在此金属化可通过不同的方法涂布在衬底的至少一个表面侧，例如通过AMB(活性金属钎焊)、DCB(直接铜键合)、DAB(直接铝键合)、厚膜工艺等。在此特别优选DCB和AMB陶瓷衬底。在下文中术语“衬底”用作所有上述衬底类型的同义词。

根据本发明，金属陶瓷衬底具有陶瓷板或陶瓷层和两个平面地固定在陶瓷层的两个相对表面侧的金属层，其中陶瓷层的材料沿着从一个金属化表面侧到另一金属化表面侧的方向具有密度梯度和/或两个金属层具有不同的屈服强度。换言之，通过有针对性地选择陶瓷层的材料特性(不均匀性)和/或两个所使用金属层的相应材料特性(不同的屈服强度)，实现了在室温下有针对性的、可预先确定的金属陶瓷衬底翘曲和有针对性的、可预先确定的、取决于温度的翘曲曲线。

在此，金属层可理解为具有至少50％的金属含量的层。此外金属层可被构造(电路技术的设计)或不被构造。在本发明的意义上，屈服强度可理解为0.2％屈服强度或弹性极限R_p0.2。0.2％屈服强度是使得去负荷后残余应变关于相应金属层的原长度正好达到0.2％的(单轴)机械应力。在甚至更高的负荷下导致金属层的明显的塑性变形。

如果例如在如DCB的直接键合工艺中例如以高屈服强度的金属层涂覆陶瓷衬底的正面并且以低屈服强度的金属层涂覆衬底的背面，则这将通过如下机制实现合成的金属陶瓷衬底的定向翘曲：

在从大于800℃的工艺温度或键合温度冷却金属陶瓷衬底时，与陶瓷衬底牢固连接的两个金属层发生塑性变形过程。在此具有高屈服强度的材料将在冷却过程结束之后通过塑性变形比具有低屈服强度的材料卸除更小的应力。通过金属陶瓷衬底正面与背面的应力差得到可调节的衬底翘曲，该翘曲可通过材料参数有针对性地调节。因此合成的金属陶瓷衬底在室温下朝具有较高屈服强度的金属层的方向拱曲。

因此合成的金属陶瓷衬底具有例如在室温下可预先确定的、限定的、即始终一致的翘曲优选方向，以及同样限定的、即可预先确定的、温度决定的或取决于温度的翘曲变化。

根据本发明，为了达到同样的目的陶瓷层的材料可替代或附加地沿着从一个金属化表面层到另一金属化表面层的方向具有密度梯度，从而具有材料不均匀性。因此例如在借助于所谓的流延成型工艺制造陶瓷衬底时通过提高在陶瓷悬浮液中的溶剂比例可实现已流延的悬浮液的制备，在该流延成型工艺中将含有溶剂的陶瓷悬浮液以薄层涂布到平面的、平坦的表面(例如膜或烧结辅助件)上并且之后将其干燥且烧结。换言之，受重力影响陶瓷悬浮液的较大的颗粒沉淀在膜侧并且较小的颗粒沉淀在空气侧。另外，溶剂向上悬浮。由此在生坯中产生密度梯度，该密度梯度即使在烧结之后仍然存在并且促使陶瓷朝优选方向翘曲。在温度影响下翘曲的高度和方向可通过烧结助剂、陶瓷混合物的粒度分布的选择以及在生坯中所选择的密度差来调节。

根据本发明的一个有利的设计方案，两个金属层具有不同的粒度。即使金属层在其它情况下具有相同的材料组成并且例如由相同的金属、例如铜构成，可通过粒度预先确定每个金属层的屈服强度。此外两个金属层也可具有相同的厚度。

因此例如金属陶瓷衬底具有约20MPa的屈服强度的差，金属陶瓷衬底在其第一表面侧以具有例如约200μm的粗颗粒的第一铜层涂覆并且在其第二表面侧以具有例如约30μm的细颗粒的第二铜层涂覆。于是合成的金属陶瓷衬底在室温下朝细颗粒的铜的方向拱曲。

例如在通过DCB工艺制造的金属陶瓷衬底中其翘曲作为温度函数以及迟滞函数是可控的。假设完全对称且完全平坦的金属陶瓷衬底以在其上侧R_p0.2＝50MPa(细颗粒)且在其下侧R_p0.2＝30MPa(粗颗粒)的金属化作为唯一的不对称性。通过加热，两个金属层相对于陶瓷更强烈地膨胀。在忽略粒度对铜的弹性模量影响的情况下，由于对称性决定地，不会出现衬底的变形，直至通过温度和热膨胀系数差达到更塑性的金属化侧的屈服强度。在此时间点通过在更塑性的金属化层中的塑性流动开始应力降低，而具有更高屈服强度的金属化层仍然进一步弹性变形。由此衬底朝更高屈服强度的金属化方向凹进地变形。在温度进一步提高从而在金属化层和陶瓷之间的应力进一步增大时，则达到具有更高屈服强度的金属化侧的屈服强度。从该时间点起两个金属化层塑性变形并且作为温度函数的翘曲的斜率变平。在下文进一步说明的图1中高度理想化地示出了这种特性。

根据本发明的另一方面提供了用于制造金属陶瓷衬底的方法，其中金属陶瓷衬底具有陶瓷板或陶瓷层和两个平面地固定在陶瓷层的两个相对表面侧的金属层。该方法至少包括以下步骤：

–在烧结辅助件上提供陶瓷悬浮液，

–将陶瓷悬浮液加热到烧结温度，例如在约800℃和1400℃之间，以获得陶瓷层，

–冷却陶瓷层，

–以第一金属层涂覆陶瓷层的第一表面侧和/或以第二金属层涂覆陶瓷层的与第一表面侧对置的第二表面侧，

–将在上述步骤中形成的由陶瓷层和金属层构成的组件加热到键合温度，例如在约1025℃和1083℃之间，以通过键合形成在陶瓷层和金属层之间的复合结构，

–冷却由陶瓷层和金属层构成的组件，

–如果在以上步骤中陶瓷层的仅一个表面侧与金属层键合，则重复上述三个步骤，直至陶瓷层的两个表面侧分别与金属层键合，

其中陶瓷悬浮液配有使得可制备在烧结辅助件上给定的陶瓷悬浮液的溶剂比例，其中由于重力影响陶瓷悬浮液的较大颗粒沉淀在陶瓷悬浮液的朝向烧结辅助件的底部处并且陶瓷悬浮液的较小颗粒沉淀在远离底部的空气侧和/或陶瓷层与有不同屈服强度的金属层键合。

这种方法的优点和效果直接由根据本发明的金属陶瓷衬底的已说明的优点和效果得出，并且以此类推也适用于根据本发明的制造方法。

通过使陶瓷悬浮液配有较高的溶剂比例且由此实现的陶瓷悬浮液的制备，在生坯中沿着在陶瓷悬浮液的底部和空气侧之间的方向产生密度梯度。该密度梯度即使在烧结之后仍继续存在于陶瓷层中并且促使陶瓷朝优选方向翘曲。翘曲在温度下的高度和方向可通过烧结助剂和陶瓷混合物的粒度分布的选择以及在生坯中所选择的密度差来调节。

作为在陶瓷层中调节如上所述的材料不均匀性的替代或附加，陶瓷层也可与有不同屈服强度的金属层键合。在此特别是相应金属层的屈服强度优选通过金属层的粒度被预先确定，其中金属层也可由相同的金属、例如铜构成并且此外也可具有相同的厚度。

该方法的一个有利的设计方案规定，陶瓷层首先仅以一个金属层被涂覆、加热(即键合)并且被冷却，其中冷却以如下温度梯度dT/dt进行，即使得在金属层和陶瓷层之间热机械应力的降低通过金属层的塑性流动最小化。

一般例如借助于DCB工艺可通过在键合期间有针对性的冷却曲线调节陶瓷在第一键合中的变形，从而调节不对称性。通常在冷却过程中以恒定温度引入或大或小的斜率。在高温下可进行第一金属层、例如铜的弛豫，从而使单侧键合的半成品的翘曲最小化。

如果现在根据本发明以较高的温度梯度dT/dt进行冷却，通过塑性流动使热机械应力的降低最小化。在约1050℃和约700℃之间的范围中，温度梯度dT/dt越高，陶瓷变形越剧烈(在700℃以下Al₂O₃陶瓷可在烧结助剂中不再进行塑性变形；在DCB/AMB工艺中在较高的键合温度下在陶瓷上施加金属化，其中可根据所使用的烧结助剂产生陶瓷的“记忆效应”(散装材料保持稳固，烧结助剂可在机械应力下流动并且保持冷却后的形状))。通过单侧键合陶瓷的剧烈变形，在制成的金属陶瓷衬底中产生朝第一键合金属层的凹进方向的优选方向。

根据该方法的另一有利的设计方案，陶瓷层首先仅以一个金属层被涂覆、加热和冷却，其中由陶瓷层和金属层构成的组件在冷却后冷变形。衬底在第一或第二键合步骤之后的冷变形使得衬底在输送状态中是平坦的，然而在高温暴露之后回复到共面性的不受控状态。发明人现在认识到，如果在第一和第二键合之间使用冷变形，在合成的金属陶瓷衬底中翘曲结果的分散被减少。

根据本发明的方法的另一有利的设计方案规定，由陶瓷层和金属层构成的组件在位于下方的拱曲的键合辅助件上被加热和键合。如前文所述，在陶瓷中含有的烧结助剂能够在较高的键和温度中在机械应力下流动并且保持冷却后的形状。通过在传统DCB方法的第一和/或第二键合步骤中位于下方的键合辅助件(或等效的：在双面键合工艺中的键合辅助件)的轻微拱曲对于合成的金属陶瓷衬底可得到空间上明确限定的翘曲优选方向。

该方法的另一有利的设计方案规定，将陶瓷悬浮液在拱曲的烧结辅助件上加热并且烧结。在预弯曲的、拱曲的烧结辅助件上烧结使合成的陶瓷衬底有期望的形状。该形状在烧结后仍然保持。在此可精确地限定翘曲的三维形状，即纵向和/或横向于陶瓷衬底纵轴线的优选方向。

附图说明

本发明的其他特征和优点由本发明的以下说明得到，在下文中参考包括一个图的附图详细阐述本发明。

图1理想化地示出了根据本发明的通过DCB工艺制造的金属陶瓷衬底的翘曲1的温度特性。翘曲1在图1中作为温度T的函数绘制。当翘曲1朝更塑性的金属层(粗颗粒)的方向进行时，翘曲1是正的，并且当其朝塑性更小的金属层(细颗粒)的方向进行时，翘曲1是负的。

具体实施方式

从图1可看到迟滞曲线，其中由箭头2所示的方向相应于金属陶瓷衬底的加热，并且由箭头3所示的方向相应于金属陶瓷衬底的冷却。

在图1中所示的温度特性例如适用于具有在其上侧以R_p0.2＝50MPa(细颗粒)且在其下侧以R_p0.2＝30MPa(粗颗粒)金属化作为唯一不对称性的金属陶瓷衬底。除此之外，两个金属化层由相同的金属(铜)构成并且具有相同的厚度。

通过加热2，两个金属层相对于陶瓷更强烈地膨胀。在忽略粒度对铜的弹性模量的影响的情况下，由于对称性决定地，不会出现衬底的变形，直至通过温度T和热膨胀系数差在加热2中达到更塑性的金属化侧的屈服强度4。在该时间点，通过在更塑性的金属化层中的塑性流动开始应力下降，而具有更高屈服强度的金属化层仍然进一步弹性变形。由此，金属陶瓷衬底朝有更高屈服强度的金属化层(塑性较小的金属层)的方向凹进地变形。在温度T进一步提高从而在金属化和陶瓷之间的应力进一步增大时，则在加热中也达到具有更高屈服强度的金属化侧的屈服强度5。从该时间点起，两个金属化层都塑性变形，并且作为温度T的函数的翘曲1的斜率变平。

在图1中所示的参数a通过所涉及的金属层的屈服强度之差来确定。

前文所述的根据本发明的金属陶瓷衬底及其制造方法并不局限于本文公开的实施方式，而是还包括有同样效果的其他实施方式。

在优选的实施方式中，根据本发明的金属陶瓷衬底用于制造电路，特别是功率电路。

附图标记：

1 翘曲

2 金属陶瓷衬底的加热

3 金属陶瓷衬底的冷却

4 在加热时达到更塑性的金属层的屈服强度

5 在加热时达到塑性更小的金属层的屈服强度

6 在冷却时达到更塑性的金属层的屈服强度

7 在冷却时达到塑性更小的金属层的屈服强度

T 温度

Claims

1.一种用于制造金属陶瓷衬底的方法，所述金属陶瓷衬底具有陶瓷板或陶瓷层和两个金属层，所述两个金属层平面地固定在所述陶瓷层的两个相对表面侧，所述方法至少包括以下步骤：

–在烧结辅助件上提供陶瓷悬浮液，

–将所述陶瓷悬浮液加热到烧结温度，以获得陶瓷层，

–冷却所述陶瓷层，

–以第一金属层涂覆所述陶瓷层的第一表面侧和/或以第二金属层涂覆所述陶瓷层的与所述第一表面侧对置的第二表面侧，

–将在上述步骤中形成的由所述陶瓷层和所述金属层构成的组件加热到键合温度，以通过键合形成在所述陶瓷层和所述金属层之间的复合结构，

–冷却由所述陶瓷层和所述金属层构成的组件，

–如果在以上步骤中所述陶瓷层的仅一个表面侧与金属层键合，则重复上述三个步骤，直至所述陶瓷层的两个表面侧分别与金属层键合，

其特征在于，

所述陶瓷层与有不同屈服强度的金属层键合，其中所述不同屈服强度借助于两个金属层中不同的粒度被预先确定。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述陶瓷层首先仅以一个金属层被涂覆、加热和冷却，其中由所述陶瓷层和所述金属层构成的组件在所述冷却后冷变形。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，由所述陶瓷层和所述金属层构成的组件在位于下方的拱曲的键合辅助件上被加热和键合。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，将所述陶瓷悬浮液在拱曲的烧结辅助件上加热并且烧结。

5.一种金属陶瓷衬底，具有陶瓷板或陶瓷层和两个金属层，所述两个金属层平面地固定在所述陶瓷层的两个相对表面侧，

其特征在于，

所述金属陶瓷衬底根据权利要求1至4中任一项所述的方法被制造。

6.根据权利要求5所述的金属陶瓷衬底，其特征在于，两个金属层由相同的金属构成。