DE102015102657B4

DE102015102657B4 - Verfahren zur Herstellung eines Kupfer-Keramik-Verbundsubstrats

Info

Publication number: DE102015102657B4
Application number: DE102015102657.0A
Authority: DE
Inventors: Daniel Küfner; Sascha Crizeli; Markus Götz
Original assignee: Rogers Germany GmbH
Current assignee: Rogers Germany GmbH
Priority date: 2015-02-25
Filing date: 2015-02-25
Publication date: 2018-07-19
Anticipated expiration: 2035-02-26
Also published as: DE102015102657A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Kupfer-Keramik-Verbundsubstrats (1) mit den Schritten(a) Bereitstellen eines Keramik-Substrats (2),(b) Bereitstellen einer Kupferfolie (3),(c) Oxidation der Kupferfolie (3) ganzflächig oder in zumindest einem Teilbereich wenigstens einer ihrer Oberflächen durch eine von einer Laserlichtquelle erzeugten Laserstrahlung, wobei ganzflächig oder in dem zumindest einen Teilbereich eine Kupferoxid-Schicht (6, 8) ausgebildet wird,(d) Auflegen der Kupferfolie (3) auf das Keramik-Substrat (2), wobei die in Schritt c) erhaltene, ganzflächig oxidierte oder den zumindest einen oxidierten Teilbereich aufweisende Oberfläche der Kupferfolie (3) in Kontakt mit dem Keramik-Substrat (2) gebracht wird,(e) Verbinden von Kupferfolie (3) und Keramik-Substrat (2) durch ein Direct-Copper-Bonding-Verfahren (DCB-Verfahren) unter Ausbildung eines Kupfer-Keramik-Verbundsubstrats (1).

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Kupfer-Keramik-Verbundsubstrats, welches beispielsweise als Leiterplatte für elektrische Schaltkreise eingesetzt werden kann.
Stand der Technik
Für die Beschichtung eines im allgemeinen in Form einer Platte oder einer Scheibe vorliegenden Keramik-Substrats mit Kupfer wird zunächst ein Kupferblech oder eine Kupferfolie mit einer Schicht aus Kupferoxid versehen. Die Oxidation von Kupfer zu Kupferoxid wird dabei üblicherweise nasschemisch vorgenommen. Bei der Kupferfolie handelt es sich beispielsweise um einen aus einer gewalzten Kupferfolie durch Schneiden oder Stanzen gewonnenen Folienzuschnitt.
An der Grenzfläche Kupfer/Kupferoxid bildet sich ein eutektisches Gemisch aus, dessen Schmelztemperatur unter der Schmelztemperatur von Kupfer bzw. von Kupferoxid liegt. Zur Ausbildung einer festen Verbindung der Kupferfolie mit dem Keramik-Substrat wird eine Temperatur gewählt, die über der Schmelztemperatur des eutektischen Gemisches aber unter der Schmelztemperatur von Kupfer liegt. Die in diesem Zusammenhang gewählten Prozesstemperaturen liegen zwischen etwa 1065°C bis zu 1083°C, beispielsweise bei etwa 1071°C.
Bei diesem beispielsweise aus der US 37 44 120 A , der US 3 994 430 und der DE 23 19 854 C2 bekannten sogenannten Direct Copper Bonding (DCB) handelt es sich also um ein Verfahren, durch das eine Kupferplatte oder Kupferfolie unmittelbar, ohne Zuhilfenahme eines Lotmetalls, mit einem Keramik-Substrat fest verbunden wird. Nach dem Auflegen der Kupferfolie auf das Keramik-Substrat und Erhitzen entsteht eine Schmelze im Wesentlichen nur in dem Bereich des eutektischen Gemisches, also im Bereich der Kontaktfläche zwischen Kupferfolie und Keramik-Substrat, wodurch die Keramik-Oberfläche benetzt wird. Dadurch wird eine feste Verbindung des Kupfers mit der Keramik und somit ein für eine optimale Wärmeableitung erforderlicher ausgezeichneter thermischer Kontakt zwischen Kupfer und Keramik erzeugt.
In die dem Keramik-Substrat abgewandte Kupferoberfläche können durch Ätztechniken Strukturen geätzt und so auf dem Kupfer-Keramik-Verbundsubstrat Leiterbahnen gebildet werden. DCB-Substrate sind beispielsweise aus der DE 37 28 096 C1 bekannt und dienen u.a. als Träger für Leistungshalbleiter, deren Verlustwärme sie aufnehmen und ableiten sollen.
Die Ausbildung einer zur nachfolgenden Durchführung eines DCB-Verfahrens gut geeigneten Kupferoxid-Schicht auf einer Kupferfolie stellt einen aufwändigen und störungsanfälligen Schritt bei der Herstellung von Kupfer-Keramik-Verbundsubstraten dar. Insbesondere die nasschemische Oxidation von Kupfer ist mit einem hohen Arbeits- und damit Kostenaufwand verbunden.
Darstellung der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher ein Verfahren zur Herstellung von Kupfer-Keramik-Verbundsubstraten zur Verfügung zu stellen, durch das Kupfer-Keramik-Verbundsubstrate hoher Qualität bei verringertem Arbeitsaufwand hergestellt werden können. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Verfahren gemäß unabhängigem Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Aspekte, Details und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung sowie den Zeichnungen.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zur Herstellung eines Kupfer-Keramik-Verbundsubstrats zur Verfügung. Das Verfahren umfasst die Schritte

(a) Bereitstellen eines Keramik-Substrats,
(b) Bereitstellen einer Kupferfolie,
(c) Oxidation der Kupferfolie ganzflächig oder in zumindest einem Teilbereich wenigstens einer ihrer Oberflächen durch eine von einer Laserlichtquelle erzeugten Laserstrahlung, wobei ganzflächig oder in dem zumindest einen Teilbereich eine Kupferoxid-Schicht ausgebildet wird,
(d) Auflegen der Kupferfolie auf das Keramik-Substrat, wobei die in Schritt c) erhaltene, ganzflächig oxidierte oder den zumindest einen oxidierten Teilbereich aufweisende Oberfläche der Kupferfolie in Kontakt mit dem Keramik-Substrat gebracht wird,
(e) Verbinden von Kupferfolie und Keramik-Substrat durch ein Direct-Copper-Bonding-Verfahren (DCB-Verfahren) unter Ausbildung eines Kupfer-Keramik-Verbundsubstrats.

Das Verbinden von Kupferfolie und Keramik-Substrat erfolgt durch ein Erhitzen von Kupferfolie und Keramik-Substrat auf eine für DCB-Verfahren übliche Temperatur von beispielsweise zwischen 1065°C und 1083°C und nachfolgendem Abkühlen des Kupfer-Keramik-Verbundsubstrats auf Raumtemperatur.
Der erfindungsgemäß vorgesehene Einsatz von Laserstrahlung zur Oxidation der Kupferfolie ist mit einer ganzen Reihe von Vorteilen verbunden.
Gegenüber den üblichen nasschemischen Verfahren ist der erfindungsgemäße Prozess mit einem deutlich reduzierten Arbeits- und damit auch ebenso deutlich reduzierten Personal- und Kostenaufwand verbunden. Durch den Einsatz von Laserstrahlung kann auf die komplette nasschemische Behandlung der Kupferfolie verzichtet werden. Die dazu erforderliche Raumausstattung wie auch die Vorratshaltung an Chemikalien fallen vollständig weg.
Daneben kommt es zu einer extremen Verringerung bis hin zur kompletten Vermeidung von Verunreinigungen auf der Kupferfolie. Durch den nasschemischen Prozess werden insbesondere Schwefel, Mangan und Eisen als Verunreinigungen in das Kupfer eingelagert. Neben der dadurch verursachten verminderten Produktqualität werden im nachfolgenden DCB-Verfahren durch die in die Oxidschicht eingelagerten Verunreinigungen in erheblichem Maße die Ofenstandzeiten verkürzt, da der Verschleiß der Ofenanlage beschleunigt wird.
Daneben muss nicht mehr mit hohem Aufwand überwacht werden, ob es durch eine Verschlechterung der Qualität der nasschemischen Oxidationslösung zu einer Verschlechterung der Produktqualität kommt. Die Laserlichtquelle kann im Gegensatz dazu auf einfachste Weise vollautomatisch auf eine konstante Leistung überprüft und entsprechend nachjustiert werden, wodurch eine gleichbleibende Produktqualität sichergestellt werden kann.
Schließlich kann durch die Wahl von für den Fachmann leicht zu bestimmender Parameter der Laserlichtquelle zunächst eine Reinigung der zu oxidierenden Kupfer-Oberfläche vorgenommen werden. Nachfolgend wird die Laserlichtquelle durch die Wahl abgeänderter Funktionsparameter an den Oxidationsprozess angepasst.
Eine einseitige Oxidation der Kupferfolie ist durch einen nasschemischen Prozess nur mit sehr hohem Aufwand möglich, da zunächst für eine mechanische Abdeckung der Oberfläche gesorgt werden muss, welche nicht oxidiert werden soll. Durch den erfindungsgemäßen Einsatz von Laserstrahlung ist eine einseitige Oxidation der Kupferfolie problemlos möglich.
Die Dicke der Oxidschicht sowie das notwendige Oxidgewicht kann im Vergleich zum nasschemischen Prozess mit erhöhter Genauigkeit realisiert werden. Die Ausbildung der Oxidschicht verläuft im Wesentlichen proportional zu Belichtungszeit und Intensität, also zu Zeitdauer und Intensität der Einwirkung der Laserstrahlung auf die Kupferfolie. Die Belichtungszeiten und -intensitäten sind aber genauestens regelbar, was zu einer extrem genauen Realisierung einer vordefinierten Dicke bzw. eines vordefinierten Oxidgewichts der Kupferoxidschicht genutzt werden kann. Insgesamt können die Prozessgrenzen bei Einsatz einer Laserlichtquelle wesentlich enger gewählt werden, wodurch geringere Toleranzen in Kauf genommen werden müssen und eine höhere Reproduzierbarkeit der Produkteigenschaften erzielt wird. So ist es auch möglich, extrem homogene Oxidschichten herzustellen ohne Auftreten der aus nasschemischem Prozessen bekannten Erhebungen.
Durch die für einen nasschemischen Prozess erforderlichen Bäder, die eine bestimmte Geometrie aufweisen, und den ebenso erforderlichen seitlichen Auflagen zur Abstützung der behandelten Kupferfolien bzw. Kupferbleche, ist eine Veränderung des Formates der verwendeten Kupferfolien bzw. Kupferbleche im nasschemischen Prozess nur mit sehr hohem Aufwand möglich. Im Gegensatz dazu kann das Format der Kupferfolien bzw. Kupferbleche bei Einsatz von Laserstrahlung praktisch beliebig gewählt werden. Durch beispielsweise eine Relativbewegung von Kupferfolie bzw. Kupferblech und Laserstrahl wie auch durch den Einsatz einer Belichtungsmaske ist die Behandlung von beliebigen Formaten möglich. Ein durch die Auflagebereiche im nasschemischen Prozess verursachter, nicht verwendbarer Randbereich der Kupferfolien bzw. Kupferbleche kann komplett vermieden werden. Der nutzbare Flächenanteil wird demnach durch das erfindungsgemäße Verfahren auf nahezu 100% gesteigert.
Im Vergleich zu den ebenfalls bekannten thermischen Oxidations-Verfahren wird die Kupferfolie bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht soweit erhitzt, dass deren Formstabilität verloren geht. Vielmehr bleibt die Kupferfolie mechanisch stabil und damit für weitere Prozessschritte leicht handhabbar.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Oxidation der Kupferfolie in Anwesenheit von Sauerstoff und einem Schutzgas. Durch die Verwendung eines Schutzgases kann die Bildung der Oxidschicht im Vergleich zu einer ebenfalls möglichen Oxidation an Atmosphäre oder in reinem Sauerstoff besser kontrolliert und geregelt werden, wodurch eine weiter verbesserte Produktqualität innerhalb enger Toleranzgrenzen möglich wird. Besonders bevorzugt handelt es sich bei dem Schutzgas um Stickstoff, wobei der Anteil an Sauerstoff in der Gasmischung zwischen 10 Vol% und 20 Vol% beträgt. Stickstoff ist kostengünstig und problemlos verfügbar und zeigt in Mischung mit Sauerstoff in einem Anteil zwischen 10 Vol% und 20 Vol% Sauerstoff, bezogen auf die Gasmischung, sehr gute Eigenschaften bei der Oxidation von Kupfer durch Einwirkung von Laserstrahlung.
Bevorzugt wird nur eine Oberfläche der Kupferfolie ganzflächig oder in zumindest einem Teilbereich durch Laserstrahlung oxidiert. Die Ausbildung einer Oxidschicht auf einer der Oberflächen der Kupferfolie wird für das nachfolgende DCB-Verfahren genutzt. Eine strukturierte Oxidschicht auf der dem Keramik-Substrat abgewandten Oberfläche der Kupferfolie kann bei dem nachfolgenden Aufbringen strukturierter Leiterbahnen mit Vorteilen verbunden sein.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erfolgt eine Oxidation von zwei Kupferfolien ganzflächig oder in jeweils zumindest einem Teilbereich wenigstens jeweils an einer ihrer Oberflächen durch Laserstrahlung. Anschließend werden die beiden Kupferfolien auf jeweils eine Oberfläche des Keramik-Substrats aufgelegt, wobei jeweils die vollflächig oxiderte oder die die oxidierten Teilbereiche aufweisende Oberfläche jeder Kupferfolie in Kontakt mit dem Keramik-Substrat gebracht wird, und ein Verbinden beider Kupferfolien mit dem Keramik-Substrat erfolgt durch ein DCB-Verfahren. Beidseitig beschichtete Kupfer-Keramik-Verbundsubstrate finden als Substrat für Leiterplatten für elektrische Schaltkreise häufig Verwendung und können auf die beschriebene Weise einfach, kostengünstig und mit hoher Genauigkeit reproduzierbar hergestellt werden.
Bevorzugt handelt es sich bei der Laserlichtquelle um einen Dauerstrichlaser oder ein gepulstes Lasersystem, insbesondere um einen CO₂-Laser, einen Excimer-Laser, einen Faserlaser, einen Kurzpulslaser (UKP), einen diodengepumpten Beschriftungslaser oder einen Festkörperlaser, bevorzugt einen Nd:YAG-Laser, einen Er:YAG-Laser oder einen Nd:YVO4-Laser. Es hat sich gezeigt, dass die genannten Lasertypen für die Erzeugung einer Kupferoxid-Schicht auf einer Kupfer-Oberfläche besonders gut geeignet sind. Der Eintrag thermischer Energie in die Kupfer-Oberfläche kann genau geregelt und gesteuert werden, was die Wahl sehr enger Prozessgrenzen möglich macht, wodurch wiederum eine gleichbleibend hohe Produktqualität erzielt werden kann. Besonders bevorzugt werden Wellenlänge, Intensität und/oder Pulsfrequenz der Laserstrahlung so gewählt, dass eine thermische Oxidation der Oberfläche der Kupferfolie bewirkt wird. Die Wahl einer passenden Laser-Wellenlänge ebenso wie die Wahl einer vorteilhaften Intensität der Strahlung im Falle eines Dauerstrichlasers bzw. die Wahl einer vorteilhaften Intensität und/oder Pulsfrequenz der Strahlung im Falle eines gepulsten Lasers stellt für den Fachmann kein Problem dar. Durch routinemäßiges Austesten verschiedener Betriebsmodi wird der Fachmann die für einen spezifischen Laser vorteilhaftesten Einstellungen wählen und dadurch besonders gute Produkteigenschaften erzielen. Die Wellenlänge kann je nach verwendeter Laserquelle beispielsweise zwischen 532 nm und 1070 nm liegen. Die Pulsfrequenz kann, ebenfalls abhängig von der eingesetzten Laserquelle, beispielsweise zwischen 500 Hz bis hinein in den MHz-Bereich gewählt werden.
Besonders bevorzugt werden YAG-Laser mit einer Leistung zwischen 30 W und 100 W, ein CO₂-Laser mit einer Leistung zwischen 50 W und 300 W, ein Excimer-Laser mit einer Leistung zwischen 30 W und 150 W oder ein diodenendgepumpter Beschriftungslaser mit einer Leistung von 10 W eingesetzt. Insbesondere YAG-Laser wie auch CO₂-Laser können aber auch mit Leistungen bis in den kW-Bereich betrieben werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erfolgt die Oxidation der Kupferfolie in vordefinierten Teilbereichen. Die Tatsache, dass ein Laserstrahl selektiv und reproduzierbar zur Beleuchtung enger Teilbereiche der Kupferoberfläche eingesetzt werden kann, stellt einen großen Vorteil gegenüber den üblichen nasschemischen Verfahren zur Oxidation der Kupferfolien dar. Im Prinzip können durch das definierte Einwirken der Laserstrahlung beliebig geformte Teilbereiche der Kupferfolie oxidiert werden.
Die Ausstattung der Kupferfolie mit einer Oxid-Schicht in vordefinierten Teilbereichen kann nicht nur zu einem vorteilhaften Verbinden mit dem Keramik-Substrat genutzt werden, sondern auch in nachfolgenden Prozessschritten zur vorteilhaften Ausbildung von Leiterbahnen, Kontaktflächen, Montage- und/oder Befestigungsflächen dienen. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei den vordefinierten Teilbereichen um Bereiche der Kupferfolie, die in nachfolgenden Prozessschritten keinem Ätzprozess unterzogen werden. Die durch das DCB-Verfahren bewirkte feste Verbindung von Kupferfolie und Keramik-Substrat findet bei dieser Ausführungsform daher nur in Bereichen statt, die nicht nachfolgend wieder weggeätzt werden. Die Stabilität des Kupfer-Keramik-Verbundsubstrats bleibt daher auch nach eventuellen nachfolgenden Ätzschritten erhalten. Insbesondere kann ein Bonden der Kupferfolie an dem Keramiksubstrat in Bereichen vermieden werden, die nachfolgend als Isolationsgraben zwischen den Metallisierungen vorgesehen sind.
Die Oxidation der Kupferfolie in vordefinierten Bereichen wird besonders bevorzugt durch die Anordnung einer Maske zwischen der Laserlichtquelle und der Kupferfolie erreicht. Dadurch wird erreicht, dass die Laserstrahlung ausschließlich auf die zuvor festgelegten Teilbereiche der Kupferfolie einwirkt.
Alternativ kann eine vollflächige Oxidation der Kupferfolie oder eine Oxidation der Kupferfolie in vordefinierten Bereichen dadurch erzielt werden, dass eine Relativbewegung zwischen dem Laserstrahl und der Kupferfolie durchgeführt wird. Aufgrund der Relativbewegung wirkt die Laserstrahlung je nach Bedarf ausschließlich auf die vordefinierten Teilbereiche oder vollflächig auf die Kupferfolie.
Bei dem Keramik-Substrat handelt es sich beispielsweise um ein Aluminiumnitrid-, Siliziumnitrid-, Aluminiumoxid- oder um ein Zirkonoxid-dotiertes-Substrat. Das in dem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzte Keramik-Substrat weist bevorzugt eine Dicke von 0,2 mm bis 2,5 mm auf. Die in dem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzte Kupferfolie weist bevorzugt eine Dicke von 0,1 mm bis 1,0 mm, insbesondere eine Dicke zwischen 0,15 mm und 0,8 mm auf. Die genannten Dicken von Keramik-Substrat und Kupferfolie und insbesondere die Kombination der genannten Dicken haben sich als besonders vorteilhaft bei der Herstellung von Kupfer-Keramik-Verbundsubstraten durch DCB-Verfahren herausgestellt.
Die in Schritt (c) des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildete Kupferoxid-Schicht weist besonders bevorzugt eine Dicke zwischen 0,15 µm und 100 µm auf. Eine Kupferoxid-Schicht der genannten Dicke hat sich als besonders gut geeignet für das nachfolgende DCB-Verfahren herausgestellt. Es wird eine besonders gute und dauerhafte Verbindung mit dem Keramik-Substrat erreicht. Zudem können in die dem Keramik-Substrat abgewandte Oberfläche einer Kupferfolie der genannten Dicke problemlos Strukturen eingeätzt werden.
Bevorzugt weist die in Schritt (c) des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildete Kupferoxid-Schicht eine mittlere Rauheit Ra von mehr als 0,25 µm auf. Die mittlere Rauheit (Ra) wird üblicherweise als Kennzahl für die Rauheit einer Oberfläche angegeben, durch welche die Unebenheit der Oberflächenhöhe charakterisiert wird.
Die mittlere Rauheit Ra gibt den mittleren Abstand eines Messpunktes - auf der Oberfläche - zur Mittellinie an. Die Mittellinie schneidet innerhalb der Bezugsstrecke das wirkliche Profil so, dass die Summe der Profilabweichungen (bezogen auf die Mittellinie) minimal wird.
Im Zusammenhang mit der Oxidation von Kupferfolien zur nachfolgenden Verwendung in einem DCB-Verfahren kommt der mittlere Rauheit Ra eine besondere Bedeutung zu. Wünschenswert ist nämlich die Einhaltung eines gewissen Mindestwerts für die mittlere Rauheit, da eine höhere Rauheit der oxidierten Kupferoberfläche einem Verrutschen der auf dem Keramik-Substrat aufgelegten Kupferfolien entgegen wirkt. Weist die Kupfer-Oberfläche eine mittlere Rauheit von mehr als 0,25 µm auf, so kann die Kupferfolie im nachfolgenden DCB-Verfahren absolut positionstreu auf dem Keramik-Substrat fixiert werden.
Eine mittlere Rauheit von mehr als 0,25 µm kann nur durch die Einwirkung von Laserstrahlung erzielt werden, da in nasschemischen Verfahren häufig eine Rautiefe von rund 0,15 µm erhalten wird, in der Regel aber eine mittlere Rauheit größer 0,1 µm und kleiner 0,25 µm.
Besonders bevorzugt weist die in Schritt (c) ausgebildete Kupferoxid-Schicht eine mittlere Rauheit zwischen 0,25 µm und 0,8 µm auf. Neben der nach dem Auflegen der Kupferfolien verbesserten Haftung auf dem Keramik-Substrat wird auch eine besonders gute Verbindung von Kupferfolie und Keramik-Substrat durch das DCB-Verfahren erreicht.
Ganz besondere Vorteile ergeben sich dadurch, dass die Kupferoxidschicht bei Einsatz einer Laserlichtquelle nicht nur in vordefinierten Teilbereichen der Kupferfolie erzeugt werden kann, sondern zusätzlich auch in jedem der Teilbereiche mit einer Oberflächenstruktur ausgestattet werden kann. Insbesondere ist es möglich, eine Kupferoxidoberfläche mit einer gewünschten Rauheit definiert herzustellen. Dazu werden innerhalb eines separaten, mit einer Oxidschicht ausgestatteten Teilbereichs der Oberfläche einzelne Unterbereiche beispielsweise nur einmal von dem Laserstrahl beleuchtet, durch dessen Strahlengang die Kupferfolie mit konstanter Geschwindigkeit bewegt wird, andere Unterbereiche des Teilbereichs der Oberfläche aber werden beispielsweise zumindest zweimal durch den Strahlengang bewegt. Alternativ können unterschiedlich dick oxidierte Teilbereiche auch durch gezielte Beeinflussung erzeugt werden. Dies kann über individuelle Einwirkzeiten des Laserstrahls erfolgen, indem die Geschwindigkeit der bewegten Laserquelle variiert bzw. bei feststehender Laserquelle die fixierte Kupferfolie auf einer entsprechenden Auflage unter dem Laserstrahl bewegt wird, um in bestimmten zumindest Teilbereichen eine Oxidschicht mit dem gewünschten Aufbau zu erzeugen. Grundsätzlich ist eine Abhängigkeit der Dicke der Oxidschicht und damit auch der Rauheit von Zeitdauer und Intensität (und Pulsfrequenz bei gepulsten Lasern) der Beleuchtung gegeben. Da der Laserstrahl gezielt über die Kupferoberfläche geführt werden kann, ist es daher möglich, eine beliebige Strukturierung mit nahezu beliebiger, vordefinierter Rauheit herzustellen, indem beispielsweise alternierend einmal beleuchtete Unterbereiche neben zumindest zweimal beleuchteten Unterbereichen bzw. mit unterschiedlichen Laserintensitäten beleuchteten Unterbereichen oder mit gleichbleibenden Laserintensitäten bei variierenden Lasereinwirkzeiten beleuchteten Unterbereichen eines Teilbereichs erzeugt werden.
Die Erzeugung einer Kupferoxidschicht auf einer Kupferfolie durch eine von einer Laserlichtquelle erzeugten Laserstrahlung ermöglicht also zum einen ganzflächige Oxidation der Kupferfolie oder eine Auswahl definierter Teilbereiche auf der Kupferoberfläche, in denen eine Oxidschicht aufgebracht werden soll, und zum anderen eine beliebige Strukturierung der Oxid-Oberfläche dieser Teilbereiche, also eine beliebige Abfolge von Erhebungen und Tälern innerhalb eines Teilbereichs. Diese Abfolge kann regelmäßig sein und Symmetrien aufweisen, kann aber auch vollkommen ungeordnet und ohne erkennbares Muster aufgebracht werden. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Kupferoxid-Schicht daher in zumindest einem Teilbereich mit einer Oberflächenstruktur ausgebildet.
Durch die genannten bevorzugten mittleren Rauheiten kann eine Haftfestigkeit der Kupferfolie auf dem Keramik-Substrat nach dem DCB-Verfahren von mindestens 4 N/mm² erreicht werden. Die Haftfestigkeit wird durch einen Abzugstest ermittelt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine erste Kupferfolie vollflächig mit einer Kupferoxid-Schicht ausgestattet und eine zweite Kupferfolie weist in zumindest einem Teilbereich eine Kupferoxid-Schicht auf, wobei die Kupferoxid-Schicht der zweiten Kupferfolie mit einer Oberflächenstruktur ausgebildet ist.
Ganz allgemein ist es mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich, ein Kupfer-Keramik-Verbundsubstrat

- mit zwei in Teilbereichen oxidierten Kupferfolien,
- mit zwei vollflächig oxidierten Kupferfolien und
- mit einer in Teilbereichen oxidierten Kupferfolie und einer vollflächig oxidierten Kupferfolie

Die vorliegende Erfindung umfasst auch ein Kupfer-Keramik-Verbundsubstrat aufweisend ein Keramik-Substrat und eine Kupferfolie, wobei die Kupferfolie ganzflächig oder in zumindest einem Teilbereich wenigstens einer ihrer Oberflächen mit einer Kupferoxid-Schicht ausgestattet ist. Die Kupferoxid-Schicht steht mit dem Keramik-Substrat in Kontakt und die Kupferfolie ist durch ein Direct-Copper-Bonding-Verfahren (DCB-Verfahren) unter Ausbildung eines Kupfer-Keramik-Verbundsubstrats mit dem Keramik-Substrat verbunden. Dabei ist die Kupferoxid-Schicht durch eine von einer Laserlichtquelle erzeugten Laserstrahlung erzeugt.
Figurenliste
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen

1a in vereinfachter Darstellung einen vertikalen Querschnitt durch eine mit Laserstrahlung beaufschlagte Kupferfolie mit Maske;
2a in vereinfachter Darstellung einen vertikalen Querschnitt durch eine in Teilbereichen oxidierte Kupferfolie;
3a in vereinfachter Darstellung einen vertikalen Querschnitt durch einen Verbund aus der in Teilbereichen oxidierten Kupferfolie gemäß 2a und einem Keramik-Substrat;
4a in vereinfachter Darstellung einen vertikalen Querschnitt durch den Verbund gemäß 3a nach Durchführung eines DCB-Verfahrens mit in Teilbereichen oxidierter Kupferfolie;
5a in vereinfachter Darstellung einen vertikalen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Kupfer-Keramik-Verbundsubstrat mit in Teilbereichen oxidierten Kupferfolien;
1b in vereinfachter Darstellung einen vertikalen Querschnitt durch eine mit Laserstrahlung partiell beaufschlagte Kupferfolie ohne Maske;
2b in vereinfachter Darstellung einen vertikalen Querschnitt durch eine vollflächig oxidierte Kupferfolie;
3b in vereinfachter Darstellung einen vertikalen Querschnitt durch einen Verbund aus der vollflächig oxidierten Kupferfolie gemäß 2b und einem Keramik-Substrat;
4b in vereinfachter Darstellung einen vertikalen Querschnitt durch den Verbund gemäß 3b nach Durchführung eines DCB-Verfahrens mit vollflächig oxidierter Kupferfolie;
5b in vereinfachter Darstellung einen vertikalen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Kupfer-Keramik-Verbundsubstrat mit vollflächig oxidierten Kupferfolien.

Wege zur Ausführung der Erfindung
In den 1a bis 5a sind verschiedene Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Kupfer-Keramik-Verbundsubstrats 1 anhand des bei dem jeweiligen Verfahrensschritt vorliegenden Zwischenprodukts bzw. Produkts beispielhaft dargestellt.
In einem ersten Verfahrensschritt (siehe 1a) erfolgt eine Oxidation der Kupferfolie 3 in vordefinierten Teilbereichen durch Einwirkung von Laserstrahlung. Die Kupferfolie 3 wurde aus einer größeren, beispielsweise durch Walzen hergestellten Kupferfolie ausgestanzt bzw. mittels Laser ausgeschnitten. Als Laserlichtquelle wird ein Festkörperlaser verwendet. Zwischen der Laserlichtquelle und der Kupferfolie 3 ist eine Maske 5 angeordnet. Dadurch können auch bei einem Laserstrahl mit relativ großem Strahldurchmesser durch entsprechender Ausbildung der Maske 5 sehr feine Strukturen auf der Kupferfolie 3 erreicht werden.
In den Bereichen, in denen der Laserstrahl auf die Kupferfolie 3 auftrifft, erfolgt eine thermische Oxidation des Kupfers und die Ausbildung einer Kupferoxidschicht 6 (siehe 2a). Diese Kupferoxidschicht 6 bildet bei dem nachfolgenden DCB-Prozess eine eutektische Aufschmelzschicht.
Optional kann die in 2a gezeigte, in Bereichen mit einer Oxidschicht 6 ausgestattete Kupferfolie 3 einem Temper-Schritt unterworfen werden. Das Tempern erfolgt über eine Zeitspanne von 2 bis 20 Minuten in einer Schutzgasatmosphäre bei einer Temperatur im Bereich zwischen 200°C und 400°C. Unter einer Schutzgasatmosphäre ist eine Atmosphäre zu verstehen, die keinen Sauerstoff enthält oder bei der der Sauerstoff-Anteil vernachlässigbar gering ist. Durch dieses Tempern werden u. a. Spannungen, die beispielsweise vom Walzen der ursprünglichen Kupferfolie und/oder von dem Ausstanzen der Kupferfolie 3 herrühren, in der Kupferfolie 3 verringert bzw. ganz eliminiert.
Anschließend werden die oxidierte Kupferfolie 3 und das Keramik-Substrat 2 zusammengeführt und zwar derart, dass die die oxidierten Teilbereiche 6 aufweisende Oberfläche der Kupferfolie 3 in Kontakt mit dem Keramik-Substrat 2 gebracht wird (siehe 3a). Das Verbinden von Kupferfolie 3 und Keramik-Substrat 2 erfolgt durch ein Direct-Copper-Bonding-Verfahren (DCB-Verfahren) unter Ausbildung eines Kupfer-Keramik-Verbundsubstrats (siehe 4a), wobei Kupferfolie 3 und Keramik-Substrat 2 in Anwesenheit von Sauerstoff auf eine Temperatur von ca. 1063°C bis 1083°C zur Bildung einer eutektischen Schmelze zwischen Kupferfolie und Keramik-Substrat erhitzt werden. In den nicht oxidierten Teilbereichen der Kupferfolie verbleibt zwischen Kupferfolie und Keramik-Substrat ein Spalt 7, dessen Ausdehnung der Dicke der Oxidschicht entspricht.
In einem weiteren optionalen Verfahrensschritt kann das in 4a dargestellte, einseitig mit der Kupferfolie 3 versehene Keramik-Substrat 2, mit einer weiteren, in Teilbereichen oxidierten Kupferfolie 4 zusammengeführt und unter Anwendung eines DCB-Verfahrens mit dem Keramik-Substrat 2 verbunden werden. Die 5a zeigt das so erhaltene Kupfer-Keramik-Verbundsubstrat 1, welches unter Verwendung eines DCB- Verfahrens gefertigt wurde und ein Keramik-Substrat 2 aufweist, das an seinen beiden Oberflächen jeweils mit einer von einer Kupferfolie 3 bzw. 4 gebildeten Kupfer-Beschichtung versehen ist.
In den 1b bis 5b sind verschiedene Schritte einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Kupfer-Keramik-Verbundsubstrats 1 anhand des bei dem jeweiligen Verfahrensschritt vorliegenden Zwischenprodukts bzw. Produkts beispielhaft dargestellt.
In einem ersten Verfahrensschritt (siehe 1b) erfolgt eine vollflächige Oxidation der Kupferfolie 3 durch Einwirkung von Laserstrahlung. Die Kupferfolie 3 wurde aus einer größeren, beispielsweise durch Walzen hergestellten Kupferfolie ausgestanzt bzw. mittels Laser ausgeschnitten. Als Laserlichtquelle wird ein Festkörperlaser verwendet. Der Laserstrahl wird über die Kupferfolie 3 geführt und beaufschlagt auf diese Weise die Kupferfolie 3 vollflächig.
Da der Laserstrahl über die gesamte Kupferfolie 3 geführt wird, erfolgt aufgrund der thermischen Oxidation des Kupfers die Ausbildung einer vollflächigen Kupferoxidschicht 8 (siehe 2b). Diese Kupferoxidschicht 8 bildet bei dem nachfolgenden DCB-Prozess eine eutektische Aufschmelzschicht.
Optional kann die in 2b gezeigte, vollflächig mit einer Oxidschicht 8 ausgestattete Kupferfolie 3 einem Temper-Schritt unterworfen werden. Das Tempern erfolgt über eine Zeitspanne von 2 bis 20 Minuten in einer Schutzgasatmosphäre bei einer Temperatur im Bereich zwischen 200°C und 400°C. Unter einer Schutzgasatmosphäre ist eine Atmosphäre zu verstehen, die keinen Sauerstoff enthält oder bei der der Sauerstoff-Anteil vernachlässigbar gering ist. Durch dieses Tempern werden u. a. Spannungen, die beispielsweise vom Walzen der ursprünglichen Kupferfolie und/oder von dem Ausstanzen der Kupferfolie 3 herrühren, in der Kupferfolie 3 verringert bzw. ganz eliminiert.
Anschließend werden die oxidierte Kupferfolie 3 und das Keramik-Substrat 2 zusammengeführt und zwar derart, dass die mit einer vollflächigen Oxidschicht 8 ausgestattete Oberfläche der Kupferfolie 3 in Kontakt mit dem Keramik-Substrat 2 gebracht wird (siehe 3b). Das Verbinden von Kupferfolie 3 und Keramik-Substrat 2 erfolgt durch ein Direct-Copper-Bonding-Verfahren (DCB-Verfahren) unter Ausbildung eines Kupfer-Keramik-Verbundsubstrats (siehe 4b), wobei Kupferfolie 3 und Keramik-Substrat 2 in Anwesenheit von Sauerstoff auf eine Temperatur von ca. 1063°C bis 1083°C zur Bildung einer eutektischen Schmelze zwischen Kupferfolie und Keramik-Substrat erhitzt werden.
In einem weiteren optionalen Verfahrensschritt kann das in 4b dargestellte, einseitig mit der Kupferfolie 3 versehene Keramik-Substrat 2, mit einer weiteren, vollflächig oder auch nur in Teilbereichen oxidierten Kupferfolie 4 zusammengeführt und unter Anwendung eines DCB-Verfahrens mit dem Keramik-Substrat 2 verbunden werden. Die 5b zeigt das unter Verwendung von zwei vollflächig oxidierten Kupferfolien erhaltene Kupfer-Keramik-Verbundsubstrat 1, welches unter Einsatz eines DCB-Verfahrens gefertigt wurde und ein Keramik-Substrat 2 aufweist, das an seinen beiden Oberflächen jeweils mit einer von einer vollflächig oxidierten Kupferfolie 3 bzw. 4 gebildeten Kupfer-Beschichtung versehen ist.
Ganz allgemein ist es mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich, ein Kupfer-Keramik-Verbundsubstrat

Bezugszeichenliste

1: Kupfer-Keramik-Verbundsubstrat
2: Keramik-Substrat
3: Kupferfolie
4: Kupferfolie
5: Maske
6: oxidierte Teilbereiche
7: Spalt entsprechend der Oxidschichtdicke
8: Kupferoxid-Schicht

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Kupfer-Keramik-Verbundsubstrats (1) mit den Schritten (a) Bereitstellen eines Keramik-Substrats (2), (b) Bereitstellen einer Kupferfolie (3), (c) Oxidation der Kupferfolie (3) ganzflächig oder in zumindest einem Teilbereich wenigstens einer ihrer Oberflächen durch eine von einer Laserlichtquelle erzeugten Laserstrahlung, wobei ganzflächig oder in dem zumindest einen Teilbereich eine Kupferoxid-Schicht (6, 8) ausgebildet wird, (d) Auflegen der Kupferfolie (3) auf das Keramik-Substrat (2), wobei die in Schritt c) erhaltene, ganzflächig oxidierte oder den zumindest einen oxidierten Teilbereich aufweisende Oberfläche der Kupferfolie (3) in Kontakt mit dem Keramik-Substrat (2) gebracht wird, (e) Verbinden von Kupferfolie (3) und Keramik-Substrat (2) durch ein Direct-Copper-Bonding-Verfahren (DCB-Verfahren) unter Ausbildung eines Kupfer-Keramik-Verbundsubstrats (1).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oxidation der Kupferfolie (3) in Anwesenheit von Sauerstoff und einem Schutzgas erfolgt, wobei es sich bei dem Schutzgas bevorzugt um Stickstoff handelt und der Anteil an Sauerstoff in der Gasmischung von Sauerstoff und Stickstoff zwischen 10 Vol% und 20 Vol% beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Oxidation von zwei Kupferfolien (3, 4) ganzflächig oder in zumindest einem Teilbereich wenigstens jeweils einer ihrer Oberflächen durch Laserstrahlung erfolgt, die beiden Kupferfolien (3, 4) auf jeweils eine Oberfläche des Keramik-Substrats (2) aufgelegt werden, wobei jeweils die vollflächig oxiderte oder die die oxidierten Teilbereiche aufweisende Oberfläche jeder Kupferfolie (3, 4) in Kontakt mit dem Keramik-Substrat (2) gebracht wird, und ein Verbinden beider Kupferfolien (3, 4) mit dem Keramik-Substrat (2) durch ein DCB-Verfahren erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Laserlichtquelle um einen Dauerstrichlaser oder einen gepulsten Laser handelt, insbesondere um einen CO₂-Laser, einen Excimer-Laser, einen diodengepumpten Beschriftungslaser oder einen Festkörperlaser.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Wellenlänge, Intensität und/oder Pulsfrequenz der Laserstrahlung so gewählt werden, dass eine thermische Oxidation der Oberfläche der Kupferfolie (3, 4) bewirkt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oxidation der Kupferfolie (3, 4) vollflächig oder in vordefinierten Teilbereichen erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlung über eine zwischen der Laserlichtquelle und der Kupferfolie (3) angeordnete Maske (5) auf die vordefinierten Teilbereiche der Kupferfolie (3) zur Einwirkung gebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Relativbewegung zwischen einem Laserstrahl und der Kupferfolie (3) durchgeführt wird, wobei die Laserstrahlung aufgrund der Relativbewegung auf die gesamte Oberfläche oder auf vordefinierte Teilbereiche der Kupferfolie (3) einwirkt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den vordefinierten Teilbereichen um Bereiche der Kupferfolie handelt, die in nachfolgenden Prozessschritten keinem Ätzprozess unterzogen werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupferfolie (3, 4) eine Dicke von 0,1 mm bis 1,0 mm, bevorzugt eine Dicke zwischen 0,15 mm und 0,8 mm aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in Schritt (c) ausgebildete Kupferoxid-Schicht (6, 8) eine Dicke zwischen 0,15 µm und 100 µm aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in Schritt (c) ausgebildete Kupferoxid-Schicht (6, 8) eine mittlere Rauheit (Ra) von mehr als 0,25 µm aufweist.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die in Schritt (c) ausgebildete Kupferoxid-Schicht (6) eine mittlere Rauheit (Ra) zwischen 0,25 µm und 0,8 µm aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupferoxid-Schicht (6, 8) in zumindest einem Teilbereich mit einer Oberflächenstruktur ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Kupferfolie (3) vollflächig mit einer Kupferoxid-Schicht (8) ausgestattet ist und eine zweite Kupferfolie (4) in zumindest einem Teilbereich eine Kupferoxid-Schicht (6) aufweist, wobei die Kupferoxid-Schicht (6) der zweiten Kupferfolie (4) mit einer Oberflächenstruktur ausgebildet ist.
Kupfer-Keramik-Verbundsubstrat (1) aufweisend ein Keramik-Substrat (2) und eine Kupferfolie (3, 4), wobei die Kupferfolie (3, 4) ganzflächig oder in zumindest einem Teilbereich wenigstens einer ihrer Oberflächen mit einer Kupferoxid-Schicht (6, 8) ausgestattet ist, wobei die Kupferoxid-Schicht (6, 8) mit dem Keramik-Substrat (2) in Kontakt steht und die Kupferfolie (3, 4) durch ein Direct-Copper-Bonding-Verfahren (DCB-Verfahren) unter Ausbildung eines Kupfer-Keramik-Verbundsubstrats (1) mit dem Keramik-Substrat (2) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupferoxid-Schicht (6, 8) durch eine von einer Laserlichtquelle erzeugten Laserstrahlung erzeugt ist.