DE102015104518B3 - Verfahren zur Herstellung einer Schaltungsträgeranordnung mit einem Träger, der eine durch ein Aluminium-Siliziumkarbid-Metallmatrixkompositmaterial gebildete Oberfläche aufweist - Google Patents

Verfahren zur Herstellung einer Schaltungsträgeranordnung mit einem Träger, der eine durch ein Aluminium-Siliziumkarbid-Metallmatrixkompositmaterial gebildete Oberfläche aufweist Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Schaltungsträgeranordnung. Dabei wird ein Träger (1) bereitgestellt, der einen durch ein Aluminiumsiliziumkarbid-Metallmatrixkompositmaterial gebildeten Oberflächenabschnitt (1t) aufweist. Ebenfalls bereitgestellt wird ein Schaltungsträger (2), der einen Isolationsträger (20) mit einer Unterseite (20b) aufweist, auf die eine untere Metallisierungsschicht (22) aufgebracht ist. Auf dem Oberflächenabschnitt (1t) wird einer Haftschicht (3) erzeugt, die ein Glas enthält. Zwischen der Haftschicht (3) und dem Schaltungsträger (2) wird mittels einer Verbindungsschicht (4) eine stoffschlüssige Verbindung hergestellt.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Schaltungsträgeranordnung. Bei der Herstellung elektronischer Baugruppen werden häufig Träger aus einem Aluminium-Siliziumkarbid-Metallmatrixkompositmaterial (nachfolgend auch als AlSiC-MMC-Material bezeichnet; MMC = metal matrix composite) eingesetzt. Wenn andere Elemente der Schaltungsträgeranordnung, beispielsweise durch Löten, mit einem solchen AlSiC-MMC-Träger verbunden werden sollen, wird die Oberfläche des Trägers häufig mit einer Schicht aus Nickel vorbeschichtet, zum Beispiel um die Lötbarkeit zu erhöhen.
  • Allerdings liegen an der Oberfläche eines solchen Trägers – vor dessen Beschichtung mit Nickel – Aluminiumoxid (Al2O3) und/oder Siliziumkarbid (SiC) und/oder Kohlenstoff (C) vor. Das Aluminiumoxid resultiert aus einer Oxidation des in dem Träger enthaltenen Aluminiums, während es sich bei Siliziumkarbid (SiC) und Kohlenstoff (C) um Rückstände aus dem Herstellungsprozess von AlSiC handelt. Da Nickel auf Siliziumkarbid, Kohlenstoff und Al2O3 nicht benetzt, haftet die genannte Vorbeschichtung aus Nickel nicht optimal an dem Träger. Dementsprechend ist auch die Festigkeit einer Verbindung zwischen einem Schaltungsträger und einem mit Nickel vorbeschichteten AlSiC-MMC-Träger nicht optimal.
  • Die Die DE 11 2012 005 758 T5 beschreibt die Herstellung einer Verbindung zwischen zwei zu verbindenden Teilen unter Verwendung eines Klebeteils, das ein V2O5-haltiges Glas und Metallpartikel enthält.
  • Die DE 10 2004 002 743 A1 betrifft einen Kühlkörper für Leistungselektronik. Auf den Kühlkörper, der aus AlSiC bestehen kann, wird die mittels eines thermischen Spritzverfahrens oder eines CVD- oder PVD-Verfahrens eine dicke, elektrisch isolierende und thermisch gut leitenden Hartstoff- oder Keramikbeschichtung aufgebracht.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem eine hochfeste Verbindung zwischen einem Schaltungsträger und einem Träger, der ein AlSiC-MMC-Material aufweist, hergestellt werden kann. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung einer Schaltungsträgeranordnung gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.
  • Zur Herstellung einer Schaltungsträgeranordnung wird ein Träger bereitgestellt, der einen durch ein Aluminium-Siliziumkarbid-Metallmatrixkompositmaterial gebildeten Oberflächenabschnitt aufweist. Ebenfalls bereitgestellt wird ein Schaltungsträger, der einen Isolationsträger mit einer Unterseite aufweist, auf die eine untere Metallisierungsschicht aufgebracht ist. Auf dem Oberflächenabschnitt des Trägers wird eine ein Glas enthaltende Haftschicht erzeugt. Zwischen dieser Haftschicht und dem Schaltungsträger wird mittels einer Verbindungsschicht eine stoffschlüssige Verbindung hergestellt. Das in der Haftschicht enthaltene Glas bewirkt eine hochfeste Verbindung mit dem AlSiC-MMC-Material.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert. Die Darstellung in den Figuren ist nicht maßstäblich. Es zeigen:
  • 1 einen Querschnitt durch eine Schaltungsträgeranordnung.
  • 2A und 2B verschiedene Schritte eines Verfahrens zur Herstellung einer Schaltungsträgeranordnung gemäß 1.
  • In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder einander entsprechende Elemente.
  • 1 zeigt einen Querschnitt durch eine Schaltungsträgeranordnung 100. Die Schaltungsträgeranordnung 100 weist einen Träger 1 auf. Der Träger 1, der beispielsweise als ebene oder im Wesentlichen ebene Platte ausgebildet sein kann, weist ein Aluminium-Siliziumkarbid-Metallmatrixkompositmaterial auf, oder er besteht aus einem solchen Material. Zumindest ein Oberflächenabschnitt 1t des Trägers 1 wird durch das AlSiC-MMC-Material gebildet. In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, dass die Formulierung ”wird durch das AlSiC-MMC-Material gebildet” auch das mögliche Vorhandensein von Kontaminierungen mit zumindest einem der Materialien Aluminiumoxid, Siliziumkarbid und Kohlenstoff mit einschließt.
  • Der Träger 1 ist stoffschlüssig mit einem Schaltungsträger 2 verbunden, der einen dielektrischen Isolationsträger 20 mit einer Oberseite 20t und einer der Oberseite entgegengesetzten Unterseite 20b aufweist. Bei dem dielektrischen Isolationsträger 20 kann es sich z. B. um eine Keramikschicht handeln, beispielweise aus oder mit Aluminiumoxid (Al2O3).
  • Der Schaltungsträger 2 weist weiterhin zumindest eine untere Metallisierungsschicht 22 auf, die auf die Unterseite 20b des Isolationsträgers 20 aufgebracht ist. Optional kann der Schaltungsträger 2 noch eine obere Metallisierungsschicht 21 aufweisen, die auf die Oberseite 20t des Isolationsträgers 20 aufgebracht ist. Sofern eine obere Metallisierungsschicht 21 vorhanden ist, kann diese strukturiert oder unstrukturiert sein. Die untere Metallisierungsschicht 22 und, soweit vorhanden, die obere Metallisierungsschicht 21 können zum Beispiel aus Kupfer oder einer Kupferlegierung oder Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bestehen. Grundsätzlich können jedoch auch beliebige andere, insbesondere lötbare, Metalle verwendet werden.
  • Zum Beispiel kann es sich bei dem Schaltungsträger 2 um ein DCB-Substrat handeln, bei dem die Metallisierungsschicht 21 und, sofern vorhanden, die Metallisierungsschicht 22, aus Kupfer oder Kupferlegierungen bestehen und mittels des bekannten DCB-Verfahrens (DCB = Direct Copper Bonding) mit einem Al2O3-Isolationsträger 20 verbunden werden.
  • Weiterhin kann der Schaltungsträger 2 optional mit einem beliebigen elektronischen Bauelement 5 bestückt, d. h. stoffschlüssig mit diesem verbunden, sein. Beispielsweise kann es sich bei einem solchen Bauelement 5 um ein Halbleiterbauelement wie z. B. eine Diode, einen IGBT, einen MOSFET, einen JFET, einen HEMT (High Electron Mobility Transistor), etc. handeln. Gemäß dem gezeigten Beispiel kann ein solches Bauelement 5 Elektroden 51 und 52 aufweisen, sowie einen Bauelementkörper 50, der im Fall eines Halbleiterbauelements ein Halbleiterkörper ist.
  • Auf den Oberflächenabschnitt 1t ist eine Haftschicht 3 aufgebracht, die ein Glas enthält. Aufgrund des in ihr enthaltenen Glases haftet die Haftschicht 3 – trotz des möglichen Vorhandenseins von Kohlenstoff, Siliziumkarbid und Aluminiumoxid – hervorragend an dem Oberflächenabschnitt 1t. Der Träger 2 ist an der unteren Metallisierungsschicht 22 mittels einer Verbindungsschicht 4 stoffschlüssig mit der Haftschicht 3 und damit auch stoffschlüssig mit dem Träger 1 verbunden.
  • Soweit ein elektronisches Bauelement 5 vorhanden ist, kann dieses mittels einer weiteren Verbindungsschicht 6 stoffschlüssig mit dem Schaltungsträger 2 verbunden sein.
  • Die Herstellung einer derartigen Anordnung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die 2A und 2B erläutert. Zunächst werden, wie in 2A gezeigt, zunächst zumindest der Träger 1 und der Schaltungsträger 2 bereitgestellt. Der Schaltungsträger 2 weist zumindest den Isolationsträger 20 und die auf dessen Unterseite 20b aufgebrachte, untere Metallisierungsschicht 22 auf. Optional kann der auch noch die auf die Oberseite 20t aufgebrachte obere Metallisierungsschicht 21 enthalten. Ebenfalls optional kann der Schaltungsträger 2 mit einem oder mehreren, beliebigen elektronischen Bauelementen 5 bestückt sein, die jeweils mittels einer Verbindungsschicht 6 verbunden sind. In diesem Sinne kann der Schaltungsträger 2 mit einem oder mehreren (identischen oder verschiedenen) elektronischen Bauelementen 5 vorbestückt sein. In diesem Zusammenhang bedeutet ”vorbestückt”, dass der Schaltungsträger 2 bereits vor der Herstellung der stoffschlüssigen Verbindung zwischen dem Schaltungsträger 2 und dem Träger 1 mit dem einem oder den mehreren Bauelementen 5 bestückt ist.
  • Sofern der Schaltungsträger 2 mit wenigstens einem elektronischen Bauelement 5 vorhanden ist, kann dieses, beispielsweise an einer oberen Metallisierungsschicht 21, mittels einer beliebigen Verbindungsschicht 6 mit dem Schaltungsträger 2 verbunden sein. Als Verbindungsschichten 6 eignen sich beispielsweise Lotschichten, Schichten aus einem gesinterten Metallpulver (z. B. ein Silberpulver), oder elektrisch leitende oder elektrisch isolierende Klebeschichten.
  • Bevor der vorbestückte oder nicht vorbestückte Schaltungsträger 2 stoffschlüssig mit dem Träger 1 verbunden wird, wird auf dem Oberflächenabschnitt 1t des Trägers 1 die erläuterte Haftschicht 3 erzeugt. Hierzu wird auf den Oberflächenabschnitt 1t eine Paste 31 aufgebracht, was beispielsweise mittels Sieb- oder Schablonendruck erfolgen kann. Optional kann vor dem Aufbringen der Paste 31 noch ein Reinigungsschritt durchgeführt werden, um die möglicherweise an dem Oberflächenabschnitt 1t befindlichen Materialien Kohlenstoff und Siliziumkarbid wenigstens teilweise (im Idealfall vollständig) zu entfernen und somit die Anhaftung der nachfolgend auf dem (gereinigten Oberflächenabschnitt 1t) erzeugten Haftschicht 3 zu verbessern. Der Reinigungsschritt kann beispielsweise eines oder mehrere der folgenden Reinigungsverfahren umfassend: Spülen, Schleifen, Druckluftstrahlen mit festem Strahlmittel (z. B. Sandstrahlen), etc..
  • Die Paste 31 enthält zumindest ein (pulverisiertes) Glas 30 und ein Lösungsmittel. Außer dem Glas 30 kann die Paste 31 auch ein Metallpulver enthalten. Als Metallpulver eignet sich beispielsweise genau eines der folgenden Materialien, oder eine beliebige Kombination aus oder mit zwei oder der folgenden Materialien: Kupfer (Cu), Silber (Ag), Silberpalladium (AgPd), Gold (Au). Grundsätzlich können jedoch auch beliebige andere Metallpulver verwendet werden. Als Paste eignet sich beispielsweise jede der in der Patentschrift DE 69531138 T2 beschriebenen Dickschichtpasten.
  • Insoweit werden diese Patentschrift und die Prioritätsanmeldung hinsichtlich der Zusammensetzung, Herstellung und Verarbeitung der Dickschichtpasten vollständig in die vorliegende Offenbarung mit einbezogen. Anders als bei der genannten Patentschrift und deren Prioritätsanmeldung kommt es jedoch bei der vorliegenden Erfindung nicht darauf an, dass die aus der (der Dickschichtpaste entsprechenden) Paste 31 gefertigte Haftschicht 3 eine bestimmte elektrische Leitfähigkeit aufweist. Daher kann die Dicke d3 der erzeugten Haftschicht 3 auch sehr gering gewählt werden, beispielsweise kann die Dicke d3 im Bereich von 5 μm bis 20 μm liegen. Grundsätzlich sind jedoch auch Dicken d3 unterhalb oder oberhalb dieses Bereichs möglich.
  • Nach dem Aufbringen der Paste 31 wird diese getrocknet. Danach werden der Träger 1 und die auf dessen Oberflächenabschnitt 1t befindliche, getrocknete Paste einer Temperaturbehandlung unterzogen, bei der das in der getrockneten Paste 31 enthaltene Glas 30 aufgeschmolzen wird. Das Aufschmelzen des Glases und damit die Temperaturbehandlung kann vorzugsweise bei Temperaturen von weniger als 600°C erfolgen.
  • Nach dem Aufschmelzen werden der Träger und die auf dessen Oberflächenabschnitt 1t befindliche, getrocknete, das aufgeschmolzene Glas 30 enthaltende Paste 31 bis unter die Glasübergangstemperatur des Glases 30 abgekühlt. Im Ergebnis entsteht hierdurch die mit dem Oberflächenabschnitt 1t und damit dem Träger 1 fest verbundene Haftschicht 3. Die Dicke d3 der fertigen Haftschicht 3 kann beispielsweise wenigstens 5 μm oder wenigstens 8 μm betragen und/oder kleiner sein als 15 μm oder kleiner als 50 μm oder kleiner als 100 μm. Hierbei ist die Dicke d3 in einer Richtung senkrecht zum Oberflächenabschnitt 1t zu ermitteln.
  • Die Verbindungsschicht 4 kann optional unmittelbar an die Haftschicht 3 angrenzen, und/oder unmittelbar an die untere Metallisierungsschicht 22. Bei der Verbindungsschicht 4 kann es sich beispielsweise um eine Lotschicht handeln, oder um eine Schicht aus einem gesinterten Metallpulver (z. B. einem Silberpulver), das während des Sinterns stoffschlüssig sowohl mit der Haftschicht 3 als auch mit der unteren Metallisierungsschicht 22 verbunden wird.
  • Optional kann die Herstellung der Verbindungsschicht 4 in einer Wasserstoff enthaltenden Atmosphäre erfolgen. Daher kann die Paste 31 optional Wasserstoffbeständig sein, d. h. von Wasserstoff nicht oder nicht signifikant angegriffen werden.
  • Durch die vorliegende Erfindung erübrigt sich die Verwendung von Nickelschichten, um die Lötbarkeit des Trägers 1 zu verbessern. Demgemäß kann nach dem Herstellen der stoffschlüssigen Verbindung zwischen dem Träger 1 und dem Schaltungsträger 2 keine Nickelschicht zwischen dem Oberflächenabschnitt 1t und der Verbindungsschicht 4 angeordnet sein, und/oder es kann keine Nickelschicht zwischen dem Oberflächenabschnitt 1t und der Haftschicht 3 angeordnet sein.
  • Da das AlSiC-MMC-Material von Lot nicht benetzt wird, kann es, wenn die Verbindungsschicht 4 als Lotschicht ausgebildet ist, zu deren Herstellung als natürlicher Lötstopp verwendet werden. Im noch flüssigen Zustand des Lots zur Herstellung der Verbindungsschicht 4 benetzt dieses nur die Haftschicht 3, nicht aber den seitlich unmittelbar an die Haftschicht 3 angrenzenden Teil des Oberflächenabschnitts 1t.
  • Optional erstreckt sich die Haftschicht 3 in jeder seitlichen Richtung (d. h. in jeder Richtung parallel zu dem Oberflächenabschnitt 1t) zumindest über den Bereich der unteren Metallisierungsschicht 22. Ebenfalls optional kann sich die Haftschicht 3 in jeder seitlichen Richtung um maximal 2 mm über die untere Metallisierungsschicht 22 hinaus erstrecken.
  • Bei einer Schaltungsträgeranordnung 100, wie sie vorangehend erwähnt wurde, kann der Träger 1 beispielsweise eine Bodenplatte eines Leistungshalbleitermoduls bilden.

Claims (14)

  1. Verfahren zur Herstellung einer Schaltungsträgeranordnung, das aufweist: Bereitstellen eines Trägers (1), der einen durch ein Aluminiumsiliziumkarbid-Metallmatrixkompositmaterial gebildeten Oberflächenabschnitt (1t) aufweist; Bereitstellen eines Schaltungsträgers (2), der einen Isolationsträger (20) mit einer Unterseite (20b) aufweist, auf die eine untere Metallisierungsschicht (22) aufgebracht ist; Erzeugen einer ein Glas (30) enthaltenden Haftschicht (3) auf dem Oberflächenabschnitt (1t); Herstellen einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen der Haftschicht (3) und dem Schaltungsträger (2) mittels einer Verbindungsschicht (4).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Erzeugen der ein Glas (30) enthaltenden Haftschicht (3) erfolgt, indem eine ein Glas (30) enthaltende Paste (31) auf den Oberflächenabschnitt (1t) aufgebracht wird; die aufgebrachte Paste (31) getrocknet wird; der Träger (1) und die auf dessen Oberflächenabschnitt (1t) befindliche getrocknete Paste (31) einer Temperaturbehandlung unterzogen werden, bei der das in der getrockneten Paste (31) enthaltene Glas (30) aufgeschmolzen wird; und der Träger (1) und die auf dessen Oberflächenabschnitt (1t) befindliche, getrocknete, das aufgeschmolzene Glas (30) enthaltende Paste (31) nach der Temperaturbehandlung bis unter die Glasübergangstemperatur des Glases (30) abgekühlt werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der Träger (1) und die auf dessen Oberflächenabschnitt (1t) befindliche, getrocknete Paste (31) nicht über 600°C erwärmt werden.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, bei dem die Paste (31) ein Metallpulver enthält.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem das Metallpulver genau eines oder eine beliebige Kombination aus zwei oder mehr der folgenden Materialien aufweist: Cu, Ag, Pd, Au.
  6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Haftschicht (3) eine Dicke (d3) von mehr als 5 μm oder mehr als 8 μm aufweist.
  7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Haftschicht (3) eine Dicke (d3) von weniger als 100 μm oder von weniger als 50 μm oder von weniger als 15 μm aufweist.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, bei dem das Aufbringen der das Glas (30) enthaltenden Paste (31) durch Sieb- oder Schablonendruck erfolgt.
  9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Glas (30) eine Glasübergangstemperatur von weniger als 600°C aufweist.
  10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Verbindungsschicht (4) als Lotschicht ausgebildet ist, oder als Schicht, die ein gesintertes Metallpulver enthält.
  11. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Verbindungsschicht (4) unmittelbar an die Haftschicht (3) angrenzt; und/oder unmittelbar an die untere Metallisierungsschicht (22) angrenzt.
  12. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Isolationsträger (20) des bereitgestellten Schaltungsträgers (2) eine der Unterseite (20b) entgegengesetzte Oberseite (20t) aufweist, auf die eine obere Metallisierungsschicht (21) aufgebracht ist.
  13. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der bereitgestellte Schaltungsträger (2) mit einem Halbleiterchip (5) bestückt ist.
  14. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem nach dem Herstellen der stoffschlüssigen Verbindung keine Nickelschicht zwischen dem Oberflächenabschnitt (1t) und der Verbindungsschicht (4) angeordnet ist; und/oder keine Nickelschicht zwischen dem Oberflächenabschnitt (1t) und der Haftschicht (3) angeordnet ist.
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