DE102010025313A1 - Producing structured electrically conductive layer on substrate or layer made of ceramic material, comprises e.g. providing mixture of metallic material and oxide of it, applying mixture on substrate or layer, and structuring - Google Patents
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Abstract
Description
Technisches AnwendungsgebietTechnical application
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer strukturierten, elektrisch leitfähigen Schicht auf einem Substrat oder einer Schicht aus einem keramischen Material, insbesondere unter Nutzung des sog. Direct-Copper-Bonding(DCB)-Verfahrens. Das Verfahren eignet sich vor allem zur Herstellung von feinen Schaltungsstrukturen auf keramischen Substraten.The present invention relates to a method for producing a structured, electrically conductive layer on a substrate or a layer of a ceramic material, in particular using the so-called direct copper bonding (DCB) method. The method is particularly suitable for the production of fine circuit structures on ceramic substrates.
Stand der TechnikState of the art
Das Aufbringen einer elektrisch leitfähigen Schicht 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.
Anschließend wird die auf dem Keramiksubstrat aufgebrachte Metallisierung in der gewünschten Weise strukturiert.Subsequently, the metallization applied to the ceramic substrate is patterned in the desired manner.
Die Voraussetzung für die Bildung der bei dem Verfahren erforderlichen Zwischenschicht aus einem eutektischen Gemisch wird in der
Bei bisher bekannten Verfahren wird mit der DCB-Technik ein Kupferblech, das als Metallisierung und Funktionsträger für die spätere Schaltung dient, mit dem Keramiksubstrat verbunden. Die erforderliche Handhabbarkeit des Bleches bei dieser Technik gibt eine Mindestdicke des Kupferbleches oder einer entsprechenden Kupferfolie vor. Durch diese Mindestdicke ist jedoch die im nachfolgenden Ätzprozess erzielbare Strukturbreite der metallischen Strukturen auf dem Keramiksubstrat nach unten begrenzt. Daher wird bei der Verwendung eines derartigen Schaltungsträgers für Bauteile der Leistungselektronik die Integration der Treiber sowie der Logik der späteren Schaltung häufig separat vom Leistungsteil auf nicht keramischen Trägern vorgenommen, um eine möglichst geringe Gesamtgröße des Bauteils zu erreichen.In previously known methods, a copper sheet, which serves as metallization and function carrier for the subsequent circuit, is connected to the ceramic substrate by the DCB technique. The required handleability of the sheet in this technique dictates a minimum thickness of the copper sheet or a corresponding copper foil. By this minimum thickness, however, the achievable in the subsequent etching process structure width of the metallic structures on the ceramic substrate is limited downwards. Therefore, when using such a circuit substrate for components of power electronics, the integration of the driver and the logic of the subsequent circuit is often made separately from the power unit on non-ceramic supports in order to achieve the smallest possible overall size of the component.
Bisher wurden unterschiedliche Ansätze verfolgt, um die minimal mögliche Strukturbreite der metallischen Schicht auf dem Keramikträger zu reduzieren und damit eine Integration von Logik, Treiber und Leistungsteil auf einem gemeinsamen keramischen Schaltungsträger bei geringer Bauteilgröße zu ermöglichen. Ein Ansatz besteht in der Entwicklung verbesserter Ätzprozesse, durch die feinere Strukturen aus der Metallisierung herausgeätzt werden können. Auf diesem Wege konnten bisher Strukturen mit einem Abstand hergestellt werden, der der Dicke der Metallisierung entspricht. Bei einem weiteren Ansatz werden nach dem erfolgten Bond- und eventuell nachfolgenden Ätzprozess zusätzliche, feinere metallische Strukturen auf Bereiche der Metallisierung sowie ggf. an weggeätzten Bereichen auf die Oberfläche des Keramiksubstrates aufgebracht. Hierzu werden Techniken der stromlosen Metallisierung, der Sprühtechnik sowie der Dickfilmtechnik in Verbindung mit geeigneter Maskierung eingesetzt.So far, different approaches have been pursued to reduce the minimum possible structural width of the metallic layer on the ceramic substrate and thus to allow integration of logic, driver and power unit on a common ceramic circuit substrate with small component size. One approach is to develop improved etching processes that can etch out finer structures from the metallization. In this way, previously structures could be made with a distance corresponding to the thickness of the metallization. In a further approach, after the successful bonding and possibly subsequent etching process, additional, finer metallic structures are applied to regions of the metallization and optionally to regions etched away on the surface of the ceramic substrate. For this purpose, techniques of electroless plating, spraying and thick film technology are used in conjunction with suitable masking.
Die bisherigen Ansätze zur Erzeugung einer feinstrukturierten, elektrisch leitfähigen Schicht auf einem Keramiksubstrat sind jedoch aufwändig.The previous approaches to producing a finely structured, electrically conductive layer on a ceramic substrate, however, are expensive.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein einfaches Verfahren zum Herstellen einer feinstrukturierten, elektrisch leitfähigen Schicht auf einem Substrat oder einer Schicht aus einem keramischen Material anzugeben. Die aufgebrachte Schicht soll zum einen feinere Strukturen als beim bisherigen DCB-Prozess ermöglichen und zum anderen gegenüber Dickschichttechnologien eine bessere Haftung an der Schicht oder dem Substrat aus dem keramischen Material aufweisen.The object of the present invention is to specify a simple method for producing a finely structured, electrically conductive layer on a substrate or a layer of a ceramic material. The applied layer should on the one hand enable finer structures than in the previous DCB process and, on the other hand, better than thick-film technologies Having adhesion to the layer or the substrate of the ceramic material.
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
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird ein Gemisch aus wenigstens einem metallischen Material und einem Oxid des metallischen Materials bereitgestellt, die ein eutektisches System bilden. Das Gemisch wird entweder als strukturierte Schicht auf das Substrat oder die Schicht aus dem keramischen Material aufgebracht oder als unstrukturierte Schicht auf das Substrat oder die Schicht aus dem keramischen Material aufgebracht und erst nach dem anschließenden Temperaturschritt strukturiert. Das Substrat oder die Schicht aus dem keramischen Material, im Folgenden auch als keramischer Träger bezeichnet, mit der aufgebrachten Schicht aus dem Gemisch wird dann auf eine Temperatur erhitzt, bei der die aufgebrachte Schicht aufschmilzt und ein eutektisches Gemisch bildet, und zur Verfestigung der anschließend wieder abgekühlt. Das vorgeschlagene Verfahren nutzt somit die DCB-Technik bzw. eine – im Falle anderer metallischer Materialien als Kupfer – der DCB-Technik analogen Technik zur Herstellung der Metallisierung, ohne jedoch hierfür eine Folie oder Platte aus einem metallischen Material auf den keramischen Träger aufzubringen. Vielmehr werden die für den DCB-Bondprozess benötigte Metallisierung sowie die erforderliche Sauerstoffmenge durch Aufbringen des Metall/Metalloxid-Gemisches in einem Schritt auf dem keramischen Träger bereitgestellt. Dabei kann es sich um herkömmliche Aufbringungsverfahren wie Siebdruck o. ä., aber auch um Sprühtechnologien handeln.The proposed method provides a mixture of at least one metallic material and an oxide of the metallic material forming a eutectic system. The mixture is applied either as a structured layer on the substrate or the layer of the ceramic material or applied as an unstructured layer on the substrate or the layer of the ceramic material and patterned only after the subsequent temperature step. The substrate or layer of the ceramic material, hereinafter also referred to as a ceramic support, with the applied layer of the mixture is then heated to a temperature at which the deposited layer melts and forms a eutectic mixture, and then for solidification cooled. The proposed method thus uses the DCB technique or a - in the case of other metallic materials than copper - the DCB technique analogous technique for producing the metallization, but without applying a foil or plate of a metallic material on the ceramic support. Rather, the metallization required for the DCB bonding process and the required amount of oxygen are provided by applying the metal / metal oxide mixture in one step on the ceramic support. These can be conventional application methods such as screen printing or the like, but also spray technologies.
In einer Alternative des Verfahrens wird das Gemisch bereits als strukturierte Schicht auf den keramischen Träger aufgebracht. Dies kann bspw. über eine geeignete Maskierung oder einen geeigneten Siebdruckprozess erfolgen. Durch den anschließenden Temperaturschritt, der aufgrund des eutektischen Systems bei Temperaturen deutlich unterhalb des Schmelzpunktes des eingesetzten Metalls durchgeführt wird, verbindet sich die Schicht mit dem Keramikträger unter Beibehaltung der Strukturen. Bei dieser Verfahrensalternative werden somit die benötigten Feinstrukturen bereits im DCB-Bondprozess aufgebracht, so dass keine weiteren Bearbeitungsschritte für das Aufbringen feinerer Strukturen oder das Ätzen der aufgebrachten Schicht mehr erforderlich sind.In an alternative of the method, the mixture is already applied as a structured layer on the ceramic support. This can be done, for example, via a suitable masking or a suitable screen printing process. By the subsequent temperature step, which is carried out due to the eutectic system at temperatures well below the melting point of the metal used, the layer connects to the ceramic substrate while maintaining the structures. In this method alternative, the required fine structures are thus already applied in the DCB bonding process, so that no further processing steps for the application of finer structures or the etching of the applied layer are more necessary.
In einer zweiten Alternative wird das Gemisch zunächst vollflächig auf den keramischen Träger aufgebracht und über den Temperaturschritt mit dem keramischen Träger verbunden. Die Dicke der aufgebrachten Schicht kann dabei klein genug gewählt werden, um bei einem anschließenden Strukturierungsprozess, insbesondere einem Ätzprozess mit entsprechenden Maskierungstechniken, die erforderlichen feinen Strukturen der Schicht auf dem Keramikträger zu erzeugen.In a second alternative, the mixture is first applied over the entire surface of the ceramic support and connected via the temperature step with the ceramic support. The thickness of the applied layer can be chosen to be small enough to produce the required fine structures of the layer on the ceramic substrate in a subsequent patterning process, in particular an etching process with appropriate masking techniques.
Vorzugsweise wird das Gemisch als pastöse Masse bzw. Paste auf den Keramikträger aufgebracht. Das Gemisch kann hierbei neben dem Metall und Metalloxid zusätzlich auch Keramikpulver enthalten. Dabei kann es sich um Pulver des keramischen Materials des keramischen Trägers, um Mischungen verschiedener Keramiken oder auch um mit dem keramischen Material des Trägers als Überzug versehene andere Keramikpulver handeln. Ein Beispiel ist Keramikpulver aus Al2O3 bei einem keramischen Träger aus diesem oder einem anderen Material. Andere Keramikpulver können bspw. aus AlN oder Si3N4 bestehen, die dann jedoch einen Überzug aus Al2O3 aufweisen müssen. Die keramische Beimischung dient dazu, die Fließeigenschaften bei der Bondtemperatur sowie den resultierenden thermischen Ausdehnungskoeffizienten und die Wärmeleitfähigkeit der metallischen Strukturen, insbesondere Leiterbahnen und Leiterflächen, einzustellen. Charakteristisch für das vorgeschlagene Verfahren ist, dass sich das beigemischte Keramikpulver im DCB-Prozess fest mit der Metallisierung verbindet und so integraler Teil der elektrisch leitfähigen Struktur wird.Preferably, the mixture is applied as a pasty mass or paste on the ceramic carrier. In addition to the metal and metal oxide, the mixture may additionally contain ceramic powder. These may be powders of the ceramic material of the ceramic carrier, mixtures of different ceramics, or other ceramic powders coated with the ceramic material of the carrier. An example is ceramic powder of Al 2 O 3 in a ceramic carrier of this or another material. Other ceramic powders may, for example, consist of AlN or Si 3 N 4 , which, however, then have to have a coating of Al 2 O 3 . The ceramic admixture is used to adjust the flow properties at the bonding temperature and the resulting thermal expansion coefficient and the thermal conductivity of the metallic structures, in particular conductor tracks and conductor surfaces. Characteristic of the proposed method is that the admixed ceramic powder in the DCB process firmly bonds to the metallization and thus becomes an integral part of the electrically conductive structure.
Mit dem vorgeschlagenen Verfahren können feinere Strukturen der elektrisch leitfähigen Schicht auf dem Keramikträger realisiert werden, als dies bisher bei DCB-Verfahren möglich war. Mit dem Verfahren kann damit eine höhere Integrationsdichte bei der weiteren Verarbeitung des Substrats zur Herstellung leistungselektronischer Module erreicht werden, welche eine Integration von Treiber- und Logikteil auf dem keramischen Träger- bzw. Leistungssubstrat ermöglicht. Gegenüber herkömmlichen Schaltungsträger-Technologien wie der Dickschichttechnik wird mit dem Verfahren eine weitaus stärkere Anhaftung der Metallisierung an den keramischen Träger sowie eine höhere Reinheit der Metallisierung – und die daraus folgenden besseren technischen Eigenschaften, insbesondere geringerer thermischer und elektrischer Widerstand – erreicht.With the proposed method finer structures of the electrically conductive layer can be realized on the ceramic support, as was previously possible in DCB process. With the method, a higher integration density can be achieved in the further processing of the substrate for the production of power electronic modules, which enables integration of driver and logic part on the ceramic carrier or power substrate. Compared to conventional circuit carrier technologies such as thick-film technology, the method achieves a far greater adhesion of the metallization to the ceramic carrier and a higher purity of the metallization - and the resulting better technical properties, in particular lower thermal and electrical resistance.
Zur Herstellung dickerer elektrisch leitfähiger Schichten auf dem Keramikträger können die einzelnen Verfahrensschritte auch mehrmals hintereinander durchgeführt werden. Nachdem Temperaturschritt und der darauf folgenden Abkühlung wird dann wieder eine neue Schicht aus dem Gemisch auf die darunter liegende Schicht aufgebracht und in gleicher Weise in einem Temperaturschritt mit der darunter liegenden Schicht verbunden. Alternativ können auch vor dem Temperaturschritt mehrere Schichten aus dem Gemisch durch Wiederholung der Aufbringungsschritte zur Bildung einer dickeren Schicht übereinander geschichtet werden. In diesem Fall ist dann nur ein abschließender Temperaturschritt erforderlich, um die Schichten untereinander und mit dem keramischen Träger zu verbinden.To produce thicker electrically conductive layers on the ceramic carrier, the individual process steps can also be carried out several times in succession. After temperature step and the subsequent cooling is then again applied a new layer of the mixture to the underlying layer and in in the same way connected in a temperature step with the underlying layer. Alternatively, prior to the temperature step, multiple layers of the mixture may be layered on top of each other by repeating the deposition steps to form a thicker layer. In this case, only one final temperature step is required to bond the layers to each other and to the ceramic support.
Eine weitere Ausgestaltung des vorgeschlagenen Verfahrens umfasst eine Kombination mit dem bekannten Bonding-Verfahren, bei dem eine Platte oder Folie aus dem metallischen Material über eine entsprechende Zwischenschicht, die ein eutektisches Gemisch bildet, mit dem Keramikträger verbunden wird. Hierzu wird nach dem Aufbringen des Gemisches auf den Keramikträger auf einen Abschnitt der aufgebrachten Schicht die entsprechende metallische Folie oder Platte aufgelegt und anschließend der Temperaturschritt durchgeführt. Während der nicht von der Platte oder Folie abgedeckte Bereich der aufgebrachten Schicht direkt die Metallisierung bildet, wird die Metallisierung im anderen Bereich durch die aufgebrachte Platte oder Folie gebildet, wobei dort die aufgebrachte Schicht aus dem Gemisch in bekannter Weise als Zwischenschicht für die Verbindung mit dem Keramikträger dient.A further embodiment of the proposed method comprises a combination with the known bonding method, in which a plate or foil made of the metallic material is connected to the ceramic carrier via a corresponding intermediate layer which forms a eutectic mixture. For this purpose, after the application of the mixture to the ceramic carrier, the corresponding metallic foil or plate is placed on a portion of the applied layer, and then the temperature step is carried out. While the area of the deposited layer not covered by the sheet or film directly forms the metallization, the metallization in the other area is formed by the applied plate or foil, where the applied layer of the mixture in a known manner as an intermediate layer for the connection with the Ceramic carrier serves.
Das vorgeschlagene Verfahren kann insbesondere mit den Parametern des bekannten DCB-Bonding-Prozesses durchgeführt werden. Hierbei wird als Gemisch eine Mischung aus Kupfer und Kupferoxid, ggf. mit Beimischung von Keramikpulver, eingesetzt. Das Gemisch besteht dabei aus mindestens 2% Kupferoxid und mindestens 2% Kupfer. Bei dem Kupferoxid kann es sich um CuO oder um Cu2O handeln. Je nach gewähltem Verfahren kann auch ein leicht flüssiges Bindemittel zugemischt werden. Das Verfahren lässt sich jedoch auch in analoger Weise mit anderen Metallen durchführen, soweit diese in Verbindung mit ihrem Oxid ein eutektisches System bilden.The proposed method can be carried out in particular with the parameters of the known DCB bonding process. In this case, the mixture used is a mixture of copper and copper oxide, optionally with admixture of ceramic powder. The mixture consists of at least 2% copper oxide and at least 2% copper. The copper oxide may be CuO or Cu 2 O. Depending on the chosen method, a slightly liquid binder can also be added. However, the process can also be carried out in an analogous manner with other metals, provided that they form a eutectic system in conjunction with their oxide.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Das vorliegende Verfahren wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Figuren nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:The present method will be explained in more detail below with reference to exemplary embodiments in conjunction with the figures. Hereby show:
Wege zur Ausführung der ErfindungWays to carry out the invention
Im Folgenden wird das vorgeschlagene Verfahren in verschiedenen Ausgestaltungen erläutert, bei denen eine Kupfer enthaltende Metallisierung auf ein Al2O3- oder ein AlN-Keramiksubstrat aufgebracht wird. Mit dem Verfahren lassen sich auf das Keramiksubstrat einseitig oder beidseitig metallische Strukturen aufbringen. Weiterhin kann anstelle des keramischen Substrats ein auch Substrat aus einem anderen Material mit einer keramischen Oberflächenschicht genutzt werden.In the following, the proposed method will be explained in various embodiments, in which a copper-containing metallization is applied to an Al 2 O 3 or an AlN ceramic substrate. With the method, metallic structures can be applied to the ceramic substrate on one or both sides. Furthermore, it is also possible to use a substrate made of another material with a ceramic surface layer instead of the ceramic substrate.
Für den Aufbau dickerer elektrisch leitfähiger Strukturen bzw. Metallisierungen, insbesondere dickerer Leiterbahnschichten, sowie zum abschließenden Sicherstellen einer lötfähigen Oberfläche kann das vorgeschlagene Verfahren mehrfach wiederholt werden. In einer Alternative wird dabei nach dem Fertigstellen der strukturierten Metallisierung auf dem Keramiksubstrat, wie sie mit dem letzten Schritt der Ausgestaltung gemäß
In einer anderen Alternative, wie sie in
Selbstverständlich können diese beiden Alternativen so durchgeführt werden, dass die Dicke der strukturierten Metallisierung
Für den Aufbau dickerer Leiterbahnschichten sowie zum abschließenden Sicherstellen einer lötfähigen Oberfläche kann der Prozess auch mit einem herkömmlichen DCB-Prozess kombiniert werden. dies ist in
Der technische Vorteil dieser Kombination mit dem herkömmlichen DCB-Prozess ist hier der feste und direkte Verbund zwischen Feinstruktur (Treiber/Logik) und Grobstruktur (Leistungsteil), der keine weiteren Verbindungselemente wie bspw. Drahtbonds mehr benötigt. Das Leistungsteil erfordert keine derart feine Strukturierung wie der Treiber- bzw. Logikteil. In dem in
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Keramiksubstratceramic substrate
- 22
- strukturierte Schichtstructured layer
- 33
- strukturierte Metallisierungstructured metallization
- 44
- weitere strukturierte Schichtanother structured layer
- 55
- Kupferblechcopper sheet
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 2319854 A [0002, 0004] DE 2319854 A [0002, 0004]
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