DE102004033227A1

DE102004033227A1 - Metall-Keramik-Substrat

Info

Publication number: DE102004033227A1
Application number: DE200410033227
Authority: DE
Inventors: Jürgen Dr. Schulz-Harder; Karl Dr. Exel
Original assignee: Curamik Electronics GmbH
Current assignee: Rogers Germany GmbH
Priority date: 2004-07-08
Filing date: 2004-07-08
Publication date: 2006-01-26
Also published as: WO2006005280A1; US7811655B2; JP2008505502A; EP1763495A1; US20070264463A1

Abstract

Bei einem Metall-Keramik-Substrat mit wenigstens einer Keramikschicht, mit Metallisierungen auf beiden Oberflächenseiten der Keramikschicht, entspricht die Dicke der Keramikschicht zur Erzielung einer Teilentladungsfestigkeit kleiner 10 pC bei einer vorgegebenen Mess-Spannung etwa einem Sechstel der Mess-Spannung.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Metall-Keramik-Substrat gemäß Oberbegriff Patentanspruch 1.

Metall-Keramik-Substrate, und dabei insbesondere Kupfer-Keramik-Substrate werden in zunehmendem Maße als Basissubstrate bzw. Leiterplatten auch in Leistungsmodulen eingesetzt, die für höhere Betriebsspannungen bestimmt sind, z.B. für Betriebsspannungen von 600 V und höher. Eine der Anforderungen an derartige Leistungsmodule ist eine ausreichend hohe Teilentladungsfestigkeit. Diese Forderung entspricht der Erkenntnis, dass Teilentladungen, die während des Betriebes eines solchen Moduls auftreten, über eine längere Zeit in den isolierenden Bereichen des Moduls zu elektrisch leitenden Pfaden führen, die die Isolation schwächen und letztendlich auch massive Spannungsdurchschläge verursachen können, so dass es dann zu einem Ausfall des betreffenden Moduls kommt.

Die Forderung nach einer möglichst hohen Teilentladungsfestigkeit bezieht sich dabei auf das gesamte Modul, d. h. jede Einzelkomponente des Moduls muß die Anforderung einer möglichst hohen Teilentladungsfestigkeit erfüllen. Da das jeweilige Metall-Keramik-Substrat eine wesentliche Komponente des jeweiligen Moduls darstellt, gilt diese Anforderung auch für dieses Substrat, obwohl Teilentladungen, die allein innerhalb des Metall-Keramik-Substrates auftreten, dort keine Schädigung der Isolationswirkung verursachen. Die Forderung, dass jede Einzelkomponente die erforderliche Teilentladungsfestigkeit aufweist, resultiert u.a. daraus, dass sich bei Messungen an dem fertigen Modul grundsätzlich nicht feststellen läßt, welche Einzelkomponente des Moduls für Teilentladungen am Modul verantwortlich ist.

Die Messung der Teilentladungsfestigkeit ist in der Norm IEC 1278 festgelegt. Nach diesem Messprinzip wird der jeweilige Prüfling in einer ersten Mess- oder Prüfphase zunächst mit einer deutlich über der Betriebsspannung liegenden Isolationsspannung beaufschlagt und dann in einer zweiten, anschließenden Mess- oder Prüfphase zunächst mit einer reduzierten, vorbereitenden Mess-Spannung und schließlich mit der eigentlichen Meß- bzw. Prüfspannung, bei der dann die Teilentladung gemessen wird. Die vorbereitende Prüfspannung liegt dabei über der maximalen Betriebsspannung des betreffenden Moduls und die eigentliche Prüfspannung unterhalb der maximalen Betriebsspannung des Moduls. Die Teilentladung darf bei dieser Messung einen Wert von 10 pico Coulomb (pC) nicht übersteigen.

Bekannt ist es, bei der Produktion von Metall-Keramik-Substraten die für Leiterbahnen, Anschlüssen usw. benötigte Metallisierung auf einer Keramik, z.B. auf einer Aluminium-Oxid-Keramik mit Hilfe des sogenannten „Direct- Bonding"-Verfahrens bzw. bei Metallisierungen aus Kupfer mit Hilfe des sogenannten „DCB"-Verfahrens (Direct-Copper-Bonding-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.

Das 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.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Metall-Keramik-Substrat aufzuzeigen, welches die erforderliche Teilentladungsfestigkeit von < 10 pC zuverlässig einhält. Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Metall-Keramik-Substrat entsprechend dem Patentanspruch 1 ausgebildet.

Bei dem erfindungsgemäßen Metall-Keramik-Substrat sind die Metallisierungen beispielsweise von Metallfolien gebildet, beispielsweise von Folien aus Kupfer oder Kupferlegierungen. Die Verbindung zwischen der jeweiligen Keramikschicht und der Metallisierung ist dann beispielsweise unter Anwendung des Direct-Bonding-Verfahrens, beispielsweise des DCB-Prozesses realisiert.

Unter „Metall-Keramik-Substrat" ist im Sinne der vorliegenden Erfindung ganz allgemein ein Substrat bzw. eine Schichtenfolge zu verstehen, die wenigstens eine Keramikschicht und zumindest eine an wenigstens einer Oberflächenseite der Keramikschicht vorgesehene Metallisierung aufweist. Unter „Anbindung" ist im Sinne der Erfindung derjenige Flächenanteil des Übergangs zwischen der jeweiligen Metallisierung und der Keramikschicht zu verstehen, der (Flächenanteil) Fehlstellen nicht aufweist und an dem somit eine unmittelbare Anbindung der Metallschicht an die Keramik besteht.

Die Metallisierungen sind mit der Keramikschicht mit einer Haftfestigkeit von wenigstens 25 N/cm verbunden, was mit der DCB-Technik problemlos erreichbar ist. Die Haftfestigkeit der Metallisierungen an der Keramikschicht lässt sich durch ein standardisiertes Mess-Verfahren bestimmen. Hierfür wird ein Probesubstrat hergestellt, welches aus einer rechteckförmigen Keramikschicht sowie aus einer auf eine Oberflächenseite der Keramikschicht mit Hilfe des DCB-Verfahrens aufgebrachten, von einer Kupferfolie gebildeten Metallisierung besteht. Im Bereich eines Endes ist die Keramikschicht in Querrichtung beispielsweise durch Lasern mit einer Sollbruchlinie versehen. Für die Messung der Haftfestigkeit wird die Keramikschicht entlang der Sollbruchlinie gebrochen und dann das betreffende Ende der Keramikschicht nach oben gebogen. Der übrige Teil der Keramikschicht wird flächig auf eine Unterlage gelegt und dort fixiert. Auf das nach oben gebogene Ende wird eine Abziehkraft senkrecht nach oben ausgeübt. Die Haftfestigkeit ergibt sich dann als Quotient der für das Ablösen bzw. Abziehen der Metallschicht von der Keramikschicht erforderlichen vertikalen Kraft und der Breite des streifenförmigen Probesubstrats.

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigen:
1 in sehr schematischer Darstellung ein Metall-Keramik-Substrat, zusammen mit einer Messanordnung zur Messung der Teilentladungsfestigkeit des Substrates; 2 den zeitlichen Verlauf der an den beiden Metallisierungen des Metall-Keramik-Substrates anliegenden Mess-Spannung V_M nach dem genormten Messverfahren gemäß der IEC 1287;
3 in vereinfachter Darstellung einen Teilschnitt durch ein Metall-Keramik-Substrat im Anschlussbereich zwischen einer Metallisierung und der Keramik, und zwar im Bereich einer Fehlstelle;
4 und 5 in Teildarstellung und im Schnitt bzw. in Draufsicht ein Metall-Keramik-Substrat mit einer strukturierten Metallisierung im Bereich einer Fehlstelle.
In den Figuren ist 1 ein Metall-Keramik-Substrat bestehend aus einer Keramikschicht 2, auf der beidseitig jeweils eine Metallisierung 3 bzw. 4 aufgebracht ist. Die Keramikschicht 2 besitzt eine Dicke d₁. Die von den Metallisierungen 3 und 4 jeweils abgedeckte Fläche F der beiden Oberflächenseiten der Keramikschicht 2 ist bei der dargestellten Ausführungsform etwas kleiner als die Gesamtfläche dieser Oberflächenseiten.
Die Keramikschicht 2 besteht beispielsweise aus Al₂O₃ oder aus einer nichtoxidischen Keramik, wie AlN oder Si₃N₄. Auch Keramikmaterialien mit Zusätzen sind für die Keramikschicht 2 verwendbar, beispielsweise Al₂O₃ mit ZrO2 verstärkt und/oder mit Zusätzen aus Ceroxid, Yttriumoxid, Magnesiumoxid und/oder Kaliumoxid, wobei das Keramikmaterial der Keramikschicht 2 dann beispielsweise folgende Zusammensetzung aufweist:

Al₂O₃ 70–98 Gewichtsprozent

ZrO₂ 2–30 Gewichtsprozent und

weitere Zusätze 1–10 Gewichtsprozent,

wobei die weiteren Zusätze von wenigstens einem Oxid der Gruppe Ceroxid, Yttriumoxid, Magnesiumoxid und Kaliumoxid gebildet sind.
Die beiden Metallisierungen 3 und 4 sind beispielsweise jeweils von einer Kupferfolie gebildet und besitzen eine Dicke d₂. Weiterhin sind die Metallisierungen 3 und 4 mit einer geeigneten Technik unmittelbar mit der Keramikschicht 2 verbunden, beispielsweise mit der Direct-Bonding-Technik. Besteht die Keramikschicht 2 hierbei aus einer nichtoxidischen Keramik, wie AlN oder Si₃N₄, so ist diese Keramikschicht 2 zumindest an beiden Oberflächenseiten mit einer Oberflächenbeschichtung aus Al₂O₃ versehen, wobei die Dicker dieser Oberflächenbeschichtung maximal 10 μm beträgt. Durch diese Oberflächenbeschichtung ist es dann auch bei Verwendung der vorgenannten nichtoxidischen Keramiken möglich, die Metallisierungen 3 und 4 mit dem DCB-Prozess flächig auf der Keramikschicht 2 zu befestigen.
Die 2 zeigt den grundsätzlichen Verlauf der bei der Prüfung der Teilentladungsfestigkeit an den Metallisierungen 3 und 4 anliegenden und als Gleichspannung ausgeführten Mess-Spannung V_M. Der gesamte Messvorgang umfasst im wesentlichen die beiden Phasen I und II, die zeitlich aufeinander folgend durchgeführt werden. In der Messphase I wird die Mess-Spannung V_M beginnend mit dem Zeitpunkt 0 auf einen durch das Messverfahren vorgegebenen Wert V_i (Isolierspannung) erhöht, und zwar etwa innerhalb von 10 Sekunden, dann über eine Zeitdauer T_i von etwa 60 Sekunden auf dem Wert V_i gehalten und anschließend kontinuierlich abgesenkt, so dass etwa nach 80 Sekunden die erste Messphase I beendet ist, in der im wesentlichen die Spannungsfestigkeit des Metall-Keramik-Substrates 1 getestet wurde.
Hat das Metall-Keramik-Substrat 1 diese erste Messphase I bestanden, wird automatisch, d. h. etwa 10 Sekunden nachdem die Mess-Spannung V_M in der ersten Messphase I wieder den Wert Null erreicht hat, die zweite Messphase II eingeleitet, und zwar dadurch, dass die Mess-Spannung V_M innerhalb einer vorgegebenen Zeitperiode, beispielsweise innerhalb von 10 Sekunden von Null auf den Wert V_i erhöht und dann über eine Zeitperiode T₁ von beispielsweise 60 Sekunden auf diesem Wert gehalten wird. Im Anschluss daran wird die Mess-Spannung V_M auf einen Wert V₂ abgesenkt und auf diesen Wert über eine vorgegebene Zeitperiode T₂ konstant gehalten. Vor Ablauf der Zeitperiode T₂ erfolgt in einem vorgegebenen Messintervall T_M, welches deutlich kleiner ist als die Zeitperiode T₂ die Messung der Teilentladung. Nach dieser Messung wird die Mess-Spannung V_M wieder kontinuierlich auf den Wert Null zurückgeführt.
Um sicherzustellen, dass ein Bauteil oder Modul, welches das Metall-Keramik-Substrat 1, selbstverständlich dann mit strukturierten Metallisierungen 3 und 4, als Leiterplatte verwendet, auf der aktive und/oder passive elektrische Bauelemente vorgesehen sind, auch insgesamt die erforderliche Teilentladungsfestigkeit aufweist, ist festgelegt, dass die gesamte Teilentladung während der Messdauer T_M 10 pC nicht überschreiten darf.
Wie die 2 zeigt, liegt die Isolierspannung V_i deutlich über der Spannung V₁. Letztere ist auch größer als die Spannung V₂, mit der dann auch die Teilentladungsfestigkeit gemessen wird. Die absoluten Werte V_i, V₁ und V₂ sind abhängig von der jeweiligen maximalen Betriebsspannung des das Metall-Keramik-Substrat 1 enthaltenden Moduls.
In der nachstehenden Tabelle sind für Module mit unterschiedlichen Betriebsspannungen die Spannungswerte V_i, V₂ und V₃ wiedergegeben.
Für die Teilentladungsfestigkeit bzw. für die Einhaltung des Grenzwertes der Teilentladung kleiner 10 pC spielt die Dicke d₁ der Keramikschicht 2 eine entscheidende Rolle, und zwar grundsätzlich unabhängig von der Art des Keramikmaterials dieser Schicht. Der Grenzwert von kleiner 10 pC für die Teilentladung bei der Spannung V₂ kann dann problemlos eingehalten werden, wenn die Spannung V₂ und die Dicke d₁ folgende Funktion erfüllen: V2 (< 10 pC) ≤ 6,1 × d1 [KV] oder d1 (< 10 pC) ≥ 1/6,1 × V2 [KV]wobei d₁ in mm anzugeben ist.
Der Erfindung liegt ferner die Erkenntnis zu Grunde, dass auch die von den Metallisierungen eingenommene Fläche als weiterer Parameter die Teilentladungsfestigkeit wesentlich mitbestimmt, und dass es aus diesem Grunde zweckmäßig ist, bei dem jeweiligen Metall-Keramik-Substrat 1 eines Moduls diese, von den Metallisierungen 3 und 4 genommenen Flächen auf maximal 110 cm² zu begrenzen.
Ein weiterer entscheidender Parameter für die Teilentladungsfestigkeit sind eventuelle Fehlstellen 5 in Form von Hohlräumen am Übergang zwischen der jeweiligen Metallisierung 3 bzw. 4 und der Keramikschicht 2, wobei allerdings derartige Fehlstellen mit einem Durchmesser d₃ kleiner 50 μm und mit einer Höhe h kleiner 50 um die Teilentladungsfestigkeit nicht beeinträchtigen, sofern der gesamte Flächenanteil der Fehlstellen 5 bezogen auf die von der jeweiligen Metallisierung 3 bzw. 4 eingenommene Gesamtfläche im Bereich von 5% liegt oder kleiner ist.
Zusätzlich zu diesen am Übergang zwischen Keramikschicht 2 und der jeweiligen Metallisierung 3 bzw. 4 gebildeten Fehlstellen 5 wird die Teilentladungsfestigkeit auch durch Fehlstellen 6 beeinflusst, die z. B. bei der Strukturierung der Metallisierungen 3 bzw. 4 unter Verwendung bekannter Techniken, beispielsweise der Maskierungs- und Ätztechnik entstehen, und zwar beispielsweise dadurch, dass unmittelbar an der Oberfläche der Keramikschicht 2 die strukturierte Metallisierung Einbuchtungen und/oder Spitzen bzw. Vorsprünge bildet, die dann zu Bereichen mit einer erhöhten elektrischen Feldstärke bzw. zu einer Konzentration der elektrischen Feldlinien in der Keramikschicht führen, wie dies in der 4 mit den Linien 7 schematisch angedeutet ist. Dieser, die Teilentladungsfestigkeit reduzierende Einfluss solcher, bei der Strukturierung auftretenden Fehlstellen 6 kann nach einer weiteren Erkenntnis der Erfindung dadurch reduziert werden, dass der Verlauf des Randes 6.1, den die betreffende Fehlstelle 6 an der Oberflächenseite der Keramikschicht 2 aufweist, einen Krümmungsradius von 80 μm nicht unterschreitet.
Die Erfindung wurde voranstehend an Ausführungsbeispielen beschrieben. Es versteht sich, dass Änderungen sowie Abwandlungen möglich sind, ohne dass dadurch der der Erfindung zu Grunde liegende Erfindungsgedanke verlassen wird.

1: Metall-Keramik-Substrat
2: Keramikschicht
3, 4: Metallschicht oder Metallisierung
5, 6: Fehlstelle
6.1: Rand der Fehlstelle 6
7: Feldlinien
d₁: Dicke der Keramikschicht 2
d₂: Dicke der Metallisierungen
d₃: Durchmesser Fehlstelle
h: Höhe Fehlstelle
T_i, T₁, T₂: Zeitintervall
T_M: Meßdauer
V_M: Mess-Spannung
V_i, V₁, V₂: Wert der Mess-Spannung

Claims

Metall-Keramik-Substrat mit wenigstens einer Keramikschicht (2), mit Metallisierungen (3, 4) auf beiden Oberflächenseiten der Keramikschicht (2), wobei die Metallisierungen direkt mit der Keramikschicht (2) verbunden sind und eine Dicke (d₂) im Bereich von etwa 0,1–1,0 mm aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzielung einer Teilentladungsfestigkeit kleiner 10 pC bei einer vorgegebenen Mess-Spannung (V₂) die Dicke (d₁) der Keramikschicht (2) und die Mess-Spannung (V₂) der Formel V2 ≤ = 6,1 × d1 entspricht, wobei V₂ in KV und d₁ in mm angegeben sind.
Metall-Keramik-Substrat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallisierungen (3, 4) mit der Keramikschicht (2) mit einer Haftfestigkeit von wenigstens 25 N/cm verbunden sind.
Metall-Keramik-Substrat nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, die Dicke (d₁) der Keramikschicht (2) im Bereich zwischen etwa 0,3 bis 2,0 mm liegt.
Metall-Keramik-Substrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die von der jeweiligen Metallisierung (3, 4) eingenommene Fläche maximal 100 cm² beträgt.
Metall-Keramik-Substrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallisierungen (3, 4) solche aus Kupfer sind.
Metall-Keramik-Substrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramikschicht (2) aus Al₂O₃ oder aus AlN besteht.
Metall-Keramik-Substrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf wenigstens eine Oberflächenseite der Keramikschicht (2) eine Zwischenschicht aus Al₂O₃ aufgebracht ist, und zwar vorzugsweise mit einer Dicke kleiner 10 μm.
Metall-Keramik-Substrat, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramikschicht aus Si₃N₄ besteht.
Metall-Keramik-Substrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anbindung der jeweiligen Metallisierung (3, 4) an die Keramik größer 95% ist.
Metall-Keramik-Substrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Hohlräume bildende Fehlstellen (5) am Übergang zwischen der jeweiligen Metallisierung (3, 4) und der Keramikschicht (2) einen Durchmesser (d₃) von 50 μm und eine Höhe (h) von 50 μm nicht überschreiten.
Metall-Keramik-Substrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass von der strukturierten Metallisierung (3, 4) gebildete Fehlstellen (6) in Form von Vorsprüngen oder Einbuchtungen an der Oberfläche der Keramikschicht (2) einen Randverlauf (6.1) aufweisen, dessen Krümmungsradius 50 μm nicht unterschreitet.
Metall-Keramik-Substrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Keramikmaterial der Keramikschicht (2) aus Al₂O₃ mit 2 bis 30 Gewichtsprozent ZrO₂ besteht, und zwar bezogen auf das Gesamtgewicht des Keramikmaterials.
Metall-Keramik-Substrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Keramikmaterial der Keramikschicht (2) wenigstens einen Zusatz aus der Gruppe Yttriumoxid, Ceroxid, Kaliumoxid und Magnesiumoxid enthält, und zwar in einem Gesamtanteil von 1–10 Gewichtsprozent, und zwar bezogen auf das Gesamtgewicht des Keramikmaterials.