DE102010025311A1 - Formation of metallic layer on ceramic substrate or ceramic layer, involves melting interfacial layer formed from eutectic mixture formed using oxide of metallic material and alumina, on ceramic substrate or ceramic layer - Google Patents
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Abstract
Description
Technisches AnwendungsgebietTechnical application
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufbringen einer metallischen Schicht auf ein Substrat oder eine Schicht aus einem keramischen Material, bei dem eine Folie oder Platte, die aus einem metallischen Material besteht, durch Aufschmelzen einer Zwischenschicht aus einem eutektischen Gemisch mit dem Substrat oder Schicht aus dem keramischen Material verbunden wird.The present invention relates to a method for applying a metallic layer to a substrate or a layer of a ceramic material, wherein a foil or plate consisting of a metallic material, by melting an intermediate layer of a eutectic mixture with the substrate or layer of the ceramic material is connected.
Keramische Substrate mit Metallisierung werden bspw. als Schaltungsträger leistungselektronischer Module eingesetzt, in denen sie die thermische und mechanische Anbindung sowie die elektrische Isolation gewährleisten. Die Lebensdauer der mit der Metallisierung versehenen Substrate wird durch die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Substrat und Metallisierung begrenzt. Diese induzieren bei thermischen Zyklen mechanische Spannungen im Substrat und führen dadurch zu Ermüdungsbrüchen.Ceramic substrates with metallization are used, for example, as a circuit carrier power electronic modules in which they ensure the thermal and mechanical connection and the electrical insulation. The lifetime of the substrates provided with the metallization is limited by the different thermal expansion coefficients of substrate and metallization. These induce mechanical stresses in the substrate during thermal cycles and thus lead to fatigue fractures.
Stand der TechnikState of the art
Das Aufbringen einer Metallisierung auf ein Keramiksubstrat kann mit einer Technik erfolgen, wie sie beispielsweise in der
- – Oxidieren einer Kupferfolie derart, dass sich eine gleichmäßige Kupferoxidschicht bildet;
- – Auflegen der Kupferfolie auf die Keramikschicht;
- – Erhitzen des Verbundes auf eine Prozesstemperatur zwischen etwa 1025 und 1083°C, z. B. auf ca. 1071°C; und
- – Abkühlen auf Raumtemperatur.
- - Oxidizing a copper foil such that forms a uniform copper oxide layer;
- - placing the copper foil on the ceramic layer;
- - Heating the composite to a process temperature between about 1025 and 1083 ° C, z. B. to about 1071 ° C; and
- - Cool to room temperature.
Der damit erhaltene Materialverbund, d. h. das Metall-Keramik-Substrat, lässt sich dann in der gewünschten Weise weiter verarbeiten.The resulting composite material, d. H. the metal-ceramic substrate can then be further processed in the desired manner.
Die Voraussetzung für die Bildung der bei dem Verfahren erforderlichen Zwischenschicht aus einem eutektischen Gemisch wird in der
Durch die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Metallisierung bzw. Metallschicht und Substrat treten bei thermischen Zyklen aufgrund der thermischen Spannungen Ermüdungsbrüche in dem Substrat auf. Zur Verminderung der Spannungen ist es bspw. aus der
Eine weitere Möglichkeit besteht in der Verwendung besonders rissfester bzw. beständiger keramischer Materialien wie bspw. Si3N4 oder Zirkon dotiertes Aluminiumoxid. Eine weitere bekannte Technik zur Erhöhung der Zuverlässigkeit des Metall-Keramik-Verbundes besteht im Einsatz von plastisch fließenden Metallisierungen, wie bspw. Aluminium, in der möglichen Risszone.Another possibility is the use of particularly crack resistant or resistant ceramic materials such as Si 3 N 4 or zirconium doped alumina. Another known technique for increasing the reliability of the metal-ceramic composite is the use of plastically flowing metallizations, such as aluminum, in the possible cracking zone.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Aufbringen einer metallischen Schicht auf ein Substrat oder eine Schicht aus einem keramischen Material anzugeben, das eine höhere Zuverlässigkeit bzw. Lebensdauer des damit erhalten Materialverbundes gegenüber thermischen Beanspruchungen aufweist.The object of the present invention is to specify a method for applying a metallic layer to a substrate or a layer of a ceramic material, which has a higher reliability or service life of the composite material thus obtained with respect to thermal stresses.
Darstellung der ErfindungPresentation of the invention
Die Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie dem Ausführungsbeispiel entnehmen.The object is achieved by the method according to
Das vorgeschlagene Verfahren nutzt die bekannte Bonding-Technik, bei der eine Folie oder Platte, die aus einem metallischen Material besteht, durch Aufschmelzen einer Zwischenschicht aus einem eutektischen Gemisch mit dem Substrat oder der Schicht aus dem keramischen Material verbunden wird. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass zur Bildung der Zwischenschicht ein Gemisch aus wenigstens dem metallischen Material, einem Oxid des metallischen Materials sowie Al2O3 als keramischer Füllstoff zwischen die Folie oder Platte und das Substrat oder die Schicht aus dem keramischen Material gebracht wird.The proposed method uses the known bonding technique in which a foil or plate made of a metallic material is melted by melting an intermediate layer of a eutectic mixture with the substrate or the layer of the ceramic material. The method is characterized in that a mixture of at least the metallic material, an oxide of the metallic material and Al 2 O 3 as a ceramic filler between the film or plate and the substrate or the layer of the ceramic material is brought to form the intermediate layer ,
Durch die Zusammensetzung dieses Gemisches, das eine Festkörperquelle für die Ausbildung der Zwischenschicht aus dem eutektischen Gemisch bildet, wird eine im thermischen Ausdehnungskoeffizienten an die benachbarten Schichten, d. h. die metallische und die keramische Schicht, angepasste Zwischenschicht erreicht. Dies führt zu geringeren Spannungsbeanspruchungen bei thermischen Belastungen des Materialverbundes und somit zu einer gesteigerten Zuverlässigkeit bei thermischen Zyklen. Dies gilt insbesondere für die Anwendung des Verfahrens zur Herstellung von Metall-Keramik-Substraten bzw. Keramik-Substraten mit Metallisierungen, die als Leiterplatten oder Träger für elektrische und elektronische Schaltkreise oder Module, speziell für Schaltkreise oder Module mit hoher Leistung, eingesetzt werden. Die Metallisierung kann dabei strukturiert werden, um Leiterbahnen oder Anschlüsse für die elektrischen oder elektronischen Schaltkreise zu bilden. Die Metallisierung kann auch, bspw. als Rückseitenmetallisierung des Substrates, der Abführung der Wärme, dienen.By virtue of the composition of this mixture, which forms a solid source for the formation of the intermediate layer of the eutectic mixture, a coefficient of thermal expansion is applied to the adjacent layers, i. H. the metallic and the ceramic layer, adapted intermediate layer achieved. This leads to lower stress loads under thermal loads of the composite material and thus to increased reliability in thermal cycles. This applies in particular to the use of the method for the production of metal-ceramic substrates or ceramic substrates with metallizations, which are used as printed circuit boards or supports for electrical and electronic circuits or modules, especially for circuits or modules with high performance. The metallization can be structured to form tracks or connections for the electrical or electronic circuits. The metallization may also serve, for example as a back-side metallization of the substrate, the dissipation of the heat.
Das Gemisch wird vorzugsweise durch Vermischung des metallischen Materials, des Oxids des metallischen Materials sowie des keramischen Füllstoffes, jeweils in Pulverform, erhalten. Über den Anteil des keramischen Füllstoffes lässt sich der thermische Ausdehnungskoeffizient in der gewünschten Weise anpassen, d. h. möglichst nahe an den Mittelwert der thermischen Ausdehnungskoeffizienten der metallischen Folie oder Platte sowie des Substrats oder der Schicht aus dem keramischen Material bringen. In einer weiteren Ausgestaltung werden dem Gemisch zusätzlich ein oder mehrere weitere keramische Materialien, vorzugsweise als Keramikpulver, beigemischt, um den resultierenden thermischen Ausdehnungskoeffizienten in der gewünschten Weise einzustellen. Hierbei kann das Al2O3 bspw. auch als Beschichtung eines anderen Keramikpulvers vorliegen. Das Gemisch kann in Pulverform, vorzugsweise jedoch als Paste, auf die Folie oder Platte und/oder auf das Substrat oder die Schicht aufgebracht werden. Hierzu können herkömmliche Aufbringungsverfahren wie Siebdruck o. ä. oder auch Sprühtechnologien eingesetzt werden.The mixture is preferably obtained by mixing the metallic material, the oxide of the metallic material and the ceramic filler, each in powder form. By means of the proportion of the ceramic filler, the coefficient of thermal expansion can be adjusted in the desired manner, ie as close as possible to the mean value of the thermal expansion coefficients of the metallic foil or plate and of the substrate or layer of the ceramic material. In a further embodiment, one or more further ceramic materials, preferably as ceramic powder, are added to the mixture in order to adjust the resulting coefficient of thermal expansion in the desired manner. In this case, the Al 2 O 3 may, for example, also be present as a coating of another ceramic powder. The mixture can be applied in powder form, but preferably as a paste, to the film or plate and / or to the substrate or layer. For this purpose, conventional application methods such as screen printing o. Ä. Or spray technology can be used.
Der mit dem Verfahren erhaltene Materialverbund weist entsprechend eine Zwischenschicht aus einem eutektischen Gemisch zwischen der metallischen Schicht und der keramischen Schicht auf, die durch Aufschmelzen aus dem aufgebrachten Gemisch und einer Randschicht der metallischen Platte oder Folie gebildet wird. Die Schicht aus dem metallischen Material kann anschließend in geeigneter Weise, bspw. mittels Photolithographie in Verbindung mit einer Ätztechnik, strukturiert werden, um bspw. Leiterbahnen zu bilden. Mit einer derartigen Struktur kann auch bereits das Gemisch, bspw. mittels Siebdruck, auf das keramische Substrat oder die keramische Schicht aufgebracht werden, um anschließend die Zeit zur Strukturierung der metallischen Schicht bis auf das keramische Material zu verkürzen. Dies erfordert weniger Prozessschritte und spart damit Kosten.The composite material obtained by the method has accordingly an intermediate layer of a eutectic mixture between the metallic layer and the ceramic layer, which is formed by melting from the applied mixture and an edge layer of the metallic plate or foil. The layer of the metallic material can then be patterned in a suitable manner, for example by means of photolithography in conjunction with an etching technique, in order to form conductor tracks, for example. With such a structure, the mixture, for example by screen printing, can already be applied to the ceramic substrate or the ceramic layer in order subsequently to shorten the time for structuring the metallic layer down to the ceramic material. This requires fewer process steps and thus saves costs.
Selbstverständlich lassen sich beim vorgeschlagenen Verfahren metallische Schichten auch beidseitig auf das Substrat aufbringen, so dass bspw. eine vordere Seite für die elektrische Kontaktierung und Verbindung elektrischer oder elektronischer Schaltkreise und die Rückseite für eine verbesserte Wärmeabfuhr eingesetzt werden können.Of course, metallic layers can also be applied on both sides of the substrate in the proposed method, so that, for example, a front side for the electrical contacting and connection of electrical or electronic circuits and the back can be used for improved heat dissipation.
Durch den angepassten thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Zwischenschicht, die als Mittler zwischen Keramik und Metallisierung dient, wird die Beständigkeit gegenüber thermischen Zyklen erheblich erhöht. Dies ermöglicht bei gleichem Dickenverhältnis der metallischen Schicht und der keramischen Schicht zuverlässigere Substrate als beim bisher bekannten DCB-Prozess. Alternativ kann damit unter Beibehaltung der Zuverlässigkeit gegenüber thermischen Zyklen auch die Metallisierungsdicke und damit Wärmespreizung und Stromtragfähigkeit als Leistungsparameter des Substrats weiter erhöht werden.Due to the adapted thermal expansion coefficient of the intermediate layer, which serves as an intermediary between ceramic and metallization, the resistance to thermal cycling is significantly increased. This allows for the same thickness ratio of the metallic layer and the ceramic layer more reliable substrates than in the previously known DCB process. Alternatively, while maintaining the reliability with respect to thermal cycles, the metallization thickness and thus heat spread and current carrying capacity can be further increased as a performance parameter of the substrate.
Durch den Einsatz von Mischungen des Metalls, Metalloxids sowie von keramischen Beimischungen kann gegenüber reinem Metalloxid als Sauerstoffträger die Fließeigenschaft und die Dicke der Zwischenschicht gesteuert werden. Dadurch werden dickere Zwischenschichten und eine gegenüber anderen aufgeführten Oxidationsverfahren größere in den Bondprozess eingebrachte lokal verfügbare Sauerstoffmenge erreicht. Dies ermöglicht das Aufbringen dickerer Metallschichten, bspw. dickerer Kupferschichten im DCB-Prozess.By using mixtures of the metal, metal oxide and ceramic admixtures, the flow properties and the thickness of the intermediate layer can be controlled compared to pure metal oxide as an oxygen carrier. As a result, thicker interlayers and a larger amount of locally available oxygen introduced into the bonding process compared to other oxidation methods are achieved. This allows the application of thicker metal layers, for example thicker copper layers in the DCB process.
Gegenüber den bekannten thermischen und chemischen Oxidationsprozessen, welche die Metallisierung allseitig mit einer Oxidschicht versehen, hat die lokale Bereitstellung von Sauerstoff in Form eines Pulvers oder einer Paste den Vorteil, dass die in einem Leistungsmodul später als Löt- und Drahtbondflächen vorgesehenen Metallisierungsflächen nicht prozessiert und somit nicht in ihren Oberflächeneigenschaften beeinflusst werden. Dies minimiert den Aufwand für dem Bondprozess nachgelagerte Reinigungs- und Konditionierungsprozesse der Substratoberfläche, wie bspw. Schleifen oder Bürsten.Compared to the known thermal and chemical oxidation processes, which provide the metallization on all sides with an oxide layer, the local provision of oxygen in the form of a powder or a paste has the advantage that the metallization surfaces later provided as solder and wire bonding surfaces in a power module do not process, and thus not be influenced in their surface properties. This minimizes the Effort for the bonding process downstream cleaning and conditioning processes of the substrate surface, such as, for example, grinding or brushing.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Das vorgeschlagene Verfahren wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:The proposed method will be explained in more detail using exemplary embodiments in conjunction with the drawings. Hereby show:
Wege zur Ausführung der ErfindungWays to carry out the invention
Im Folgenden werden zwei Beispiele zur Aufbringung einer Kupfermetallisierung auf ein keramisches Substrat aus Aluminiumnitrid (AlN) oder Aluminiumoxid (Al2O3) beschrieben. Hierbei wird der bekannte DCB-Prozess eingesetzt. Selbstverständlich lässt sich das vorgeschlagene Verfahren jedoch auch mit anderen Metallen oder metallischen Legierungen und anderen Keramiken einsetzen. Voraussetzung ist hierbei, dass das aufgebrachte Gemisch beim Aufschmelzen die Bildung eines eutektischen Gemisches ermöglicht, das einen niedrigeren Schmelzpunkt als das Metall oder die Metalllegierung aufweist. Weiterhin kann anstelle des keramischen Substrats ein Substrat aus einem anderen Material mit einer keramischen Oberflächenschicht genutzt werden.Two examples of depositing a copper metallization onto an aluminum nitride (AlN) or alumina (Al 2 O 3 ) ceramic substrate are described below. Here, the known DCB process is used. Of course, however, the proposed method can also be used with other metals or metallic alloys and other ceramics. Prerequisite here is that the applied mixture allows the melting of a formation of a eutectic mixture having a lower melting point than the metal or the metal alloy. Furthermore, instead of the ceramic substrate, a substrate made of another material with a ceramic surface layer can be used.
Im vorliegenden Beispiel wird zunächst ein Gemisch
Durch dieses Gemisch
Im Anschluss auf das Aufbringen des Gemisches
In dem Beispiel der
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Keramiksubstratceramic substrate
- 22
- Gemisch zur Bildung der ZwischenschichtMixture for forming the intermediate layer
- 33
- Kupferblechcopper sheet
- 44
- Zwischenschichtinterlayer
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 2319854 A [0003, 0005] DE 2319854 A [0003, 0005]
- DE 4318241 A1 [0006] DE 4318241 A1 [0006]
Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
- Y. Yoshino et al., „Interface Structure and Bond Strength of Copper-Bonded Alumina Substrates”, Journal of the American Ceramic Society, Vol. 74, No. 9, 1991, Seiten 2184–2188 [0005] Y. Yoshino et al., "Interface Structure and Bond Strength of Copper-Bonded Alumina Substrate", Journal of the American Ceramic Society, Vol. 9, 1991, pages 2184-2188 [0005]
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