DE10047525A1 - Verfahren zum Herstellen eines Sinterkörpers aus Siliziumcarbid - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein neuartiges Verfahren zum Herstellen eines Sinterkörpers aus Siliziumcarbid.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß Oberbegriff Patentanspruch 1.

Bekannt ist es, die zum Herstellen von Leiterbahnen, Anschlüssen usw. benötigte Metallisierung auf einer Keramik, z. B. auf einer Aluminium-Oxid-Keramik mit Hilfe des sogenannten "DCB-Verfahrens" (Direct-Copper-Bond-Technology) herzustellen, und zwar unter Verwendung von die Metallisierung bildenden Metall- bzw. Kupferfolien oder Metall- bzw. Kupferblechen, die an ihren Oberflächenseiten eine Schicht oder einen Überzug (Aufschmelzschicht) aus einer chemischen Verbindung aus dem Metall und einem reaktiven Gas, bevorzugt Sauerstoff aufweisen. Bei diesem beispielsweise in der US-PS 37 44 120 oder in der DE-PS 23 19 854 beschriebenen Verfahren bildet diese Schicht oder dieser Überzug (Aufschmelzschicht) ein Eutektikum mit einer Schmelztemperatur unter der Schmelztemperatur des Metalls (z. B. Kupfers), so daß durch Auflegen der Folie auf die Keramik und durch Erhitzen sämtlicher Schichten diese miteinander verbunden werden können, und zwar durch Aufschmelzen des Metalls bzw. Kupfers im wesentlichen nur im Bereich der Aufschmelzschicht bzw. Oxidschicht.

Dieses DCB-Verfahren weist dann z. B. folgende Verfahrensschritte auf:

• - Oxidieren einer Kupferfolie derart, daß sich eine gleichmäßige Kupferoxidschicht ergibt;
• - Auflegen des Kupferfolie auf die Keramikschicht;
• - Erhitzen des Verbundes auf eine Prozeßtemperatur zwischen etwa 1025 bis 1083°C, z. B. auf ca. 1071°C;
• - Abkühlen auf Raumtemperatur.

Ziel der Erfindung ist es, Sinterkörper aus einem neuartigen Material aufzuzeigen, die (Sinterkörper) preiswert gefertigt werden können und insbesondere auch im Bereich der Elektronik als mechanische Träger, Kühlkörper, Gehäuse usw. geeignet sind. Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Verfahren entsprechend dem Patentanspruch 1 ausgebildet.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren läßt sich der Sinterkörper in der jeweils gewünschten Form einfach und rationell fertigen. Der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Sinterkörper besitzt auch speziell für die Anwendung im Bereich der Elektronik optimale Eigenschaften, so beispielsweise im Vergleich zu Metallen einen stark reduzierten Wärmeausdehnungskoeffizienten in der Größenordnung von 6,0 - 10 × 10^-6 [1/°K]. Weiterhin erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren eine sehr preiswerte Herstellung des Sinterkörpers.

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren an verschiedenen Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1-3 in vereinfachten Flußdiagrammen unterschiedliche Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines Sinterkörpers aus Siliziumcarbid;

Fig. 4 in vereinfachter Darstellung ein mit Kupfer beschichtetes Partikel aus Silziumcarbid des Verfahrens der Fig. 2 oder 3;

Fig. 5 in vereinfachtem Flußdiagramm die Verfahrensschritte bei einer weiteren, abgewandelten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 6 in einer ähnlichen Darstellung wie Fig. 4 ein mit Nickel und Kupfer beschichtetes Partikel aus Siliziumcarbid bei dem Verfahren der Fig. 4;

Fig. 7-9 in Teildarstellungen das Flußdiagramm weitere mögliche Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Die Fig. 1 zeigt die wesentlichen Verfahrensschritte einer ersten möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines Sinterkörpers 1, beispielsweise einer Platte, der bzw. die zumindest aus Siliziumcarbid (SiC) und Kupfer (Cu) besteht.

Der Sinterkörpers 1 dient beispielsweise als mechanische Kühlplatte oder Kühlfläche zum Kühlen von elektrischen Bauelementen. Der Sinterkörper 1 zeichnet sich durch einen besonders niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten in der Größenordnung von ungefähr 6,0 - 10 × 10^-6 [1/°K] aus.

Wie in der Fig. 1 dargestellt ist, erfolgt bei diesem Verfahren in einem ersten Verfahrensschritt zunächst das Mischen von pulver- oder partikelförmigem Siliziumcarbid mit Kupfer, welches beispielsweise ebenfalls in Pulverform vorliegt, z. B. als metallisches Kupfer (legiert oder unlegiert) oder als Kupferverbindung.

In einem weiteren Verfahrensschritt erfolgt dann durch Kompaktieren bzw. Formen und Pressen des mit dem Kupfer versehenen Siliziumcarbids die Herstellung eines Roh- oder Formlings 1', der dann in einem weiteren Verfahrensschritt bei einer Temperatur zwischen etwa 700 und 1080°C gesintert wird, um den Sinterkörper 1 zu erhalten.

Das Kompaktieren erfolgt beispielsweise in einer geeigneten Formpresse, die einen Formraum aufweist, in den das Siliziumcarbid und das Kupfer eingebracht wird, und die einen geeigneten Form- und Preßstempel zur Erzeugung des für die Kompaktierung bzw. Formung des Rohlings 1' notwendigen Druck aufweist. Grundsätzlich besteht die Möglichkeit, dieses Kompaktieren oder Formpressen bei erhöhter Temperatur durchzuführen. Das Pressen beim Kompaktieren und eventuell auch beim Sintern erfolgt beispielsweise in der Weise, daß ein im wesentlichen porenfreier Sinterkörper 1 erhalten wird.

Die bei diesem Verfahren verwendeten Mengen an Siliziumcarbid und Kupfer sind so eingestellt, daß der Sinterkörper letztlich 30 bis 80% Siliziumcarbid aufweist.

Das Sintern kann unter unterschiedlichsten Bedingungen erfolgen, beispielsweise drucklos oder aber unter Druck, wobei im letzten Fall beispielsweise bei der Herstellung des plattenförmigen Sinterkörpers 1 beim Sintern auf beide Oberflächenseiten des Rohling 1' ein Flächendruck im Bereich zwischen etwa 20 bis 2000 bar aufgebracht wird. Weiterhin besteht die Möglichkeit das Sintern unter isostatischen Druckbedingungen durchzuführen, d. h. derart, daß der jeweilige Rohling 1' während des Sinterns an seiner gesamten Oberfläche jeweils mit dem gleichen Druck, beispielsweise mit einem Druck im Bereich zwischen etwa 20 bis 2000 bar beaufschlagt wird.

Vorstehend wurde davon ausgegangen, daß der Kupferanteil in Form eines Kupferpulvers oder eines Kupfer enthaltenden Pulvers zugegeben wird. Selbstverständlich bestehen auch noch andere Möglichkeiten für die Zugabe des Kupfers.

Die Fig. 2 zeigt eine weitere mögliche Ausführungsform des Verfahrens zum Herstellen des Sinterkörpers 1. Bei diesem Verfahrens wird wiederum ein partikel- oder pulverförmiges Siliziumcarbid als Ausgangsmaterial verwendet. In einem ersten Verfahrensschritt werden die Siliziumcarbid-Partikel zunächst an ihrer Oberfläche mit einer Kupferbeschichtung oder mit einer kupferhaltigen Beschichtung versehen, wie dies in der Fig. 4 dargestellt ist, und zwar für ein Partikel 2 aus Siliziumcarbid mit der Kupferbeschichtung oder Kupfer enthaltenden Beschichtung 3 an der Oberfläche. Die so beschichteten Siliziumcarbidpartikel werden dann bei diesem Verfahren durch Kompaktieren, d. h. Formen und Pressen zu dem Rohling 1' geformt, aus dem dann anschließend durch Sintern der Sinterkörper 1 gefertigt wird.

Das Kompaktieren bzw. Formpressen zum Herstellen des Rohlings erfolgt bei dem Verfahren der Fig. 2 wiederum in gleicher Weise, wie dies vorstehend bei dem Verfahren der Fig. 1 beschrieben wurde. Gleiches gilt auch für das Sintern.

Die Anteile an Siliziumcarbid, an Kupfer sowie ggf. an weiteren Bestandteilen sind wiederum so gewählt, daß der Sinterkörper 1 im fertigen Zustand etwa zwischen 30 bis 80 Volumenprozent Siliziumcarbid enthält.

Die Fig. 3 zeigt als weitere mögliche Ausführungsform ein Verfahren, bei dem zu den mit Kupfer beschichteten Partikeln aus Siliziumcarbid zusätzlich Kupfer zugegeben wird, wobei dann wiederum das Kompaktieren bzw. Formpressen und das anschließende Sintern zum Herstellen des Sinterkörpers 1 in der vorbeschriebenen Weise erfolgt.

Die Fig. 5 und 6 zeigen eine weitere mögliche Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens. Bei dieser Variante werden die Siliziumcarbid-Partikel 2 an ihrer Oberfläche zunächst mit einer Nickelschicht oder einer Nickel enthaltenden Schicht 4 versehen, auf die dann in einem weiteren Verfahrensschritt die Kupferschicht oder die Kupfer enthaltende Schicht 3 aufgebracht wird. Diese Nickelschicht wirkt dann insbesondere als Diffusionssperre gegenüber Kupfer beim Sinterverfahren.

Die weitere Verarbeitung der mit Nickel und Kupfer beschichteten Partikel 2 kann dann beispielsweise entsprechend den Fig. 2 und 3 erfolgen.

Um die Anbindung an das Siliziumcarbid zu verbessern, können bei dem erfindungsgemäßen Verfahren auch weitere metallische Elemente (Aktivelemente) in die Matrix aus Siliziumcarbid und Kupfer vor dem Formen des Rohlings eingebracht werden, beispielsweise auch in Form von Legierungen und/oder als Legierungselemente des Kupfers. Als weitere metallische Elemente eignen sich insbesondere solche, die bei der Sintertemperatur, d. h. beispielsweise bei der Temperatur zwischen 700 und 1080°C mit dem Silizium Silizide oder Carbide bilden und sich außerdem zumindest in geringen Mengen in Kupfer lösen. Derartige metallische Aktivelemente sind dann beispielsweise Al, Cr, Zr, Hf, Ta, Fe, Ge, Ti, Mg, Be, Ca und Ag.

Diese Aktivelemente sind beispielsweise bezogen auf den Kupferanteil jeweils in einer Größenordnung von etwa 0,1 bis 10 Gewichtsprozent, allerdings in Kombination nur bis maximal 22 Gewichtsprozent enthalten.

Die Fig. 7 zeigt als weitere mögliche Ausführungsform der Erfindung ein Verfahren, bei dem auf den durch Kompaktieren bzw. Pressen und Formen gebildeten plattenförmigen Rohling 1' auf wenigstens eine Oberflächenseite, d. h. bei der dargestellten Ausführungsform auf beide Oberflächenseiten jeweils eine Kupferfolie 5 aufgelegt und der so mit den Kupferfolien 5 versehene Rohling 1' anschließend gesintert wird, um einen Sinterkörper 1a zu erhalten, der beidseitig mit jeweils einer von einer Kupferfolie 5 gebildeten Metallisierung versehen ist. Die Verbindung zwischen jeder Kupferfolie 5 und dem Sinterkörper 1a wird dadurch erreicht, daß in der Matrix dieses Sinterkörpers in einem genügenden Anteil Kupfer vorhanden ist, das mit dem Kupfer der jeweiligen Kupferfolie 5 eine feste Verbindung eingeht.

Die Fig. 8 zeigt in Teildarstellung eine weitere Möglichkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens. Bei diesem Verfahren wird auf dem Rohling 1' vor dem Sintern ein Substrat 6 aufgelegt, welches aus einer Keramikschicht 7, beispielsweise aus einer Schicht einer Aluminiumoxid- oder Aluminiumnitrid-Keramik besteht und welches beidseitig mit einer Metallschicht 8, beispielsweise einer Kupferschicht versehen ist. Die beiden Metallschichten 8 sind beispielsweise von Kupferfolien gebildet, die unter Verwendung des bekannten DCB-Verfahrens oder des bekannten Aktiv-Löt-Verfahrens auf die Keramikschicht 7 (Aluminiumoxid- oder Keramik oder Aluminiumnitrid- Keramik) aufgebracht sind.

Beim Sintern, vorzugsweise beim Sintern unter Druck (zweiseitiger Flächendruck oder isostatischer Druck) wird ein Sinterkörper 1b erhalten, der an einer Oberflächenseite mit der unteren Metallschicht 8 des Substrates 6 fest verbunden ist.

Bei dieser Ausführung bildet der Sinterkörper 1b z. B. eine mechanische Trag- und/oder Kühlplatte, die mit dem Metall-Keramik-Substrat 6 verbunden ist. Letzteres kann dann an der Metallisierung 8 an der im Sinterkörper 1b abgewandten Metallisierung 8 zur Bildung von Leiterbahnen, Kontaktflächen usw. strukturiert und mit elektrischen Bauelementen (Leistungsbauelementen) bestückt werden.

Die Verbindung zwischen dem Sinterkörper 1b und der benachbarten Metallisierung 8 des Keramik-Metall-Substrates 6 erfolgt wiederum durch Reaktion des Metalls der Metallisierung 8 mit dem Kupfer des Rohlings 1'.

Die Fig. 9 zeigt schließlich eine Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen des Sinterkörpers 1c, der an einer Oberflächenseite mit einem Keramiksubstrat 9 versehen ist, welche aus der Keramikschicht 7 besteht, aber nur an der dem Sinterkörper 1c abgewandten Oberflächenseite die Metallisierung 8 aufweist. Die Keramikschicht 7 ist direkt mit dem Sinterkörper 1c verbunden. Zur Herstellung dieses Sinterkörpers wird zunächst ein Rohling 1' gefertigt, und zwar nach einem der vorstehend beschriebenen Verfahren, wobei allerdings der Matrix aus Siliziumcarbid, Kupfer sowie ggf. weiteren Bestandteilen ein metallisches Element zugegeben wird, welches direkt mit der Keramik der Keramikschicht 7 reagiert, beispielsweise Ti, Zr, Hf. Vor dem Sinterprozeß wird das Substrat 9 mit der Keramikschicht 7 auf den Rohling 1' aufgelegt, wobei dann das Sintern entweder drucklos oder unter Druck erfolgt.

Die Herstellung des Rohlings 1' erfolgt bei den Verfahren nach den Fig. 7-9 beispielsweise in gleicher Weise, wie bei den vorstehend beschriebenen Verfahren.

Die Erfindung wurde voranstehend an verschiedenen Ausführungsformen beschrieben. Es versteht sich aber, daß die Erfindung nicht allein auf diese beispielhaft beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist, sie vielmehr alle vom Umfang der Patentansprüche umfaßten Abwandlungen einschließt. Insbesondere können auch verschiedene, mit Bezug auf eine Ausführungsform beschriebene Merkmale mit Merkmalen kombiniert werden, die mit Bezug auf eine andere Ausführungsform beschrieben wurden, ohne daß dadurch vom Umfang der Erfindung abgewichen wird.

Bezugszeichenliste

1

,

1

a,

1

b,

1

c Sinterkörper, beispielsweise plattenförmiger Sinterkörper

1

' Rohling oder Pressling

2

Siliziumcarbid-Partikel

3

Kupferbeschichtung

4

Nickelbeschichtung

5

Kupferfolie

6

Metall-Keramik-Substrat

7

Keramikschicht

8

Metallisierung

9

Metall-Keramik-Substrat

Claims (22)

1. Verfahren zum Herstellen eines Sinterkörpers aus Siliziumcarbid, dadurch gekennzeichnet, daß ein Siliziumcarbid in Pulver- oder Partikelform sowie Kupfer enthaltendes Sintermaterial kompaktiert und bei einer Temperatur im Bereich zwischen 700 bis 1800°C gesintert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Sintermaterial zusätzlich zu Kupfer noch weitere Metalle enthält, insbesondere solche Metalle, die Silizide oder Carbide bilden und sich in Kupfer lösen.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Sintermaterial zusätzlich zu Kupfer noch wenigstens ein weiteres Metall aus der Gruppe Al, Cr, Zr, Hf, Ta, Ag, Ge, Ti, Mg, Be, Fe, Ca enthält.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das weitere Metall bezogen auf das Kupfer in einer Konzentration von 0,1 bis 10 Gewichtsprozent enthalten ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die weiteren Metalle in Kombination bis maximal zu einem Gesamtanteil von 22 Gewichtsprozent bezogen auf das Kupfer im Sintermaterial enthalten sind.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Sintermaterial Kupfer in Pulverform, beispielsweise unlegiert oder mit wenigsten einem weiteren Metall legiert enthält.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Sintermaterial, bei dem zumindest ein Teil des Siliziumcarbids von mit einem Metall beschichteten Siliziumcarbid-Partikeln gebildet ist.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Siliziumcarbid- Partikel an ihrer Oberfläche mit einer Schicht (3, 4) versehen sind, die Kupfer- und/oder wenigstens eines der weiteren Metalle enthält.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung eines Sintermaterials, bei dem bei wenigstens einem Teil des Siliziumcarbids zwischen einer äußeren Kupfer und/oder ein weiteres Metall enthaltenden Beschichtung eine als Diffusionsbariere wirkende Metallbeschichtung, beispielsweise eine Nickel enthaltende Beschichtung vorgesehen ist.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung eines Sintermaterials, welches das Siliziumcarbid in einer Partikelgröße zwischen 10 und 300 µm enthält.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet, durch die Verwendung eines Sintermaterials, welches pulverförmiges Kupfer in einer Partikelgröße zwischen etwa 10 und 50 µm enthält.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil an Siliziumcarbid so gewählt ist, daß der Sinterkörper 30 bis 80 Volumenprozent Siliziumcarbid enthält.

13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Sintermaterial unter Druck in einen dem Sinterkörper entsprechenden Preß- oder Rohling geformt wird.

14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Sintern drucklos erfolgt.

15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Sintern unter Ausübung eines wenigstens zweiseitigen Flächendrucks auf dem Preßling oder Rohling, beispielsweise eines Flächendrucks in der Größenordnung von etwa 20 bis 2000 bar erfolgt.

16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Sintern unter isostatischen Bedingungen erfolgt, beispielsweise unter einem Druck zwischen 20 und 2000 bar.

17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Sinterkörper unter Einwirkung von Hitze wenigstens eine beispielsweise von einer Folie (5, 8) gebildete Metallschicht verbunden wird, und zwar durch Reagieren eines Metalls dieser Metallschicht mit dem Kupfer des Sinterkörpers oder des Sintermaterials.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbinden während des Sinterns erfolgt.

19. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine Metallschicht (5, 8) auf den Rohling vor dem Sintern aufgelegt wird.

20. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine Metallschicht Bestandteil eines Metall-Keramik-Substrates (6) ist, welches beim Sintern auf dem Rohling oder Preßling (1') aufliegt und vorzugsweise gegen diesen angepreßt wird.

21. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß während des Sinterns zumindest ein Element (7) aus Keramik, beispielsweise eine Keramikschicht (7) mit dem Sinterkörper (1c) verbunden wird, und daß hierfür das Sintermaterial wenigstens ein Metall enthält, welches mit der Keramik reagiert, beispielsweise Ti, Zr, Hf.

22. Sinterkörper, gekennzeichnet durch seine Herstellung nach dem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche.