DE102017128308B4 - Process for the production of a metal-ceramic substrate - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Herstellung eines Metall-Keramik-Substrats (1), insbesondere eines Kupfer-Keramik-Substrats, umfassend:- Bereitstellen einer ersten Metallschicht (11), insbesondere einer ersten Kupferschicht, und einer zweiten Metallschicht (12), insbesondere einer zweiten Kupferschicht, wobei der ersten Metallschicht (11) und/oder der zweiten Metallschicht (12) ein Mittel zur Beeinflussung der Korngröße beigemischt ist, und- Verbinden der ersten Metallschicht (11) und/oder der zweiten Metallschicht (12) mit einer Keramikschicht zur Bildung des Metall-Keramik-Substrats (1) in einem AMB-Anbindungsverfahren, wobei die erste Metallschicht (11) und die zweite Metallschicht (12) zum Verbinden mit der Keramikschicht jeweils als einzelne Bleche bereitgestellt werden oder als Verbund, in dem bereits die erste Metallschicht (11) mit der zweite Metallschicht (12) zusammengefügt ist,wobei sich ein Anteil des Mittels zur Beeinflussung der Korngröße in der ersten Metallschicht (11) von einem Anteil des Mittels zur Beeinflussung der Korngröße in der zweiten Metallschicht (12) derart unterscheidet, dass im gefertigten Kupfer-Keramik-Substrat (1) die erste Metallschicht (11) eine erste Korngröße und die zweite Metallschicht (12) eine sich von der ersten Korngröße unterscheidende zweite Korngröße aufweisen, wobei im gefertigten Zustand die erste Metallschicht (11) der Keramikschicht (10) abgewandt ist und die zweite Metallschicht (12) der Keramikschicht (10) zugewandt ist, wobei der Anteil des Mittels zur Beeinflussung der Korngröße in der ersten Metallschicht (11) größer ist als der Anteil des Mittels zur Beeinflussung der Korngröße in der zweiten Metallschicht (12) und wobei die zweite Metallschicht (12) dicker ist als die erste Metallschicht (11).A method for producing a metal-ceramic substrate (1), in particular a copper-ceramic substrate, comprising: providing a first metal layer (11), in particular a first copper layer, and a second metal layer (12), in particular a second copper layer, wherein the first metal layer (11) and / or the second metal layer (12) is admixed with a means for influencing the grain size, and - connecting the first metal layer (11) and / or the second metal layer (12) with a ceramic layer to form the metal -Ceramic substrate (1) in an AMB connection method, the first metal layer (11) and the second metal layer (12) for connection to the ceramic layer each being provided as individual sheets or as a composite in which the first metal layer (11 ) is joined to the second metal layer (12), a portion of the agent for influencing the grain size in the first metal layer (11) being different from an ant Part of the means for influencing the grain size in the second metal layer (12) differs in such a way that in the finished copper-ceramic substrate (1) the first metal layer (11) has a first grain size and the second metal layer (12) has a different size from the first grain size have a differing second grain size, the first metal layer (11) facing away from the ceramic layer (10) and the second metal layer (12) facing the ceramic layer (10) in the finished state, the proportion of the agent for influencing the grain size in the first metal layer (11) is greater than the proportion of the agent for influencing the grain size in the second metal layer (12) and the second metal layer (12) is thicker than the first metal layer (11).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Metall Keramik-Substrats.The present invention relates to a method for producing a metal-ceramic substrate.
Metall-Keramik-Substrate sind als Träger für elektrische bzw. elektronische Bauteile hinlänglich bekannt. Typischerweise umfassen solche Metall-Keramik-Substrate eine Keramikschicht mit einer Metallisierung, wobei die Keramikschicht zur Isolation und die Metallisierung zur Ausbildung von Leiterbahnen und Anschlussstellen für die elektrischen bzw. elektronischen Bauteile strukturiert ist. Zudem ist aus der
Dies ist insofern vorteilhaft, als dass sich mit der größeren Korngröße an der Keramikschicht eine niedrigere Dehngrenze und somit eine verbesserte Temperaturwechselbeständigkeit für das Kupfer-Keramik-Substrat einstellen lässt. Folge ist eine reduzierte Wahrscheinlichkeit für eine Delamination zwischen der Metallisierung aus Kupfer und der Keramikschicht bei Wärmeeinwirkung, insbesondere auf die Grenzfläche zwischen Kupfer und Keramik. Gleichzeitig ist die feinkörnigere Außenseite der Metallisierung vorteilhaft für die weitere Verarbeitung mit elektrischen oder elektro-optischen Systemen, das Anbinden von elektrischen bzw. elektronischen Bauteilen an die Kupferschicht sowie den visuellen Gesamteindruck.This is advantageous in that the larger grain size on the ceramic layer means that a lower proof stress and thus an improved resistance to temperature changes can be set for the copper-ceramic substrate. The result is a reduced likelihood of delamination between the metallization made of copper and the ceramic layer when exposed to heat, in particular on the interface between copper and ceramic. At the same time, the fine-grained outside of the metallization is advantageous for further processing with electrical or electro-optical systems, the connection of electrical or electronic components to the copper layer and the overall visual impression.
Zur Ausbildung der unterschiedlichen gemittelten Korngrößen wird in der
Aus der
Aus der
Von diesem Hintergrund ausgehend sieht es die vorliegende Erfindung als Aufgabe an, die aus dem Stand der Technik bekannten Metall-Keramik-Substrate bzw. das Verfahren zu deren Herstellung weiter zu verbessern, insbesondere in Hinblick auf ein für den jeweiligen Anwendungsfall möglichst kontrolliert eingestellte erste bzw. zweite Korngröße in der Metallisierung. Auch soll das Verfahren einfacher und kostengünstiger gestaltet sein.Based on this background, the present invention sees it as an object to further improve the metal-ceramic substrates known from the prior art and the process for their production, in particular with regard to a first or second grain size in the metallization. The method should also be designed to be simpler and less expensive.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Metall-Keramik-Substrats gemäß Anspruch 1. Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der Beschreibung und den beigefügten Figuren.This object is achieved by a method for producing a metal-ceramic substrate according to
Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zur Herstellung eines Metall-Keramik-Substrats, insbesondere eines Kupfer-Keramik-Substrats, vorgesehen, umfassend:
- - Bereitstellen einer ersten Metallschicht, insbesondere einer ersten Kupferschicht, und einer zweiten Metallschicht, insbesondere einer zweiten Kuperschicht, wobei der ersten Metallschicht und/oder der zweiten Metallschicht ein Mittel zur Beeinflussung der Korngröße beigemischt ist, und
- - Verbinden der ersten und/oder der zweiten Metallschicht mit einer Keramikschicht zur Bildung des Metall-Keramik-Substrats,
- - Providing a first metal layer, in particular a first copper layer, and a second metal layer, in particular a second copper layer, with a means for influencing the grain size being added to the first metal layer and / or the second metal layer, and
- Connecting the first and / or the second metal layer to a ceramic layer to form the metal-ceramic substrate,
Im Gegensatz zum Stand der Technik ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Korngröße durch hinzugefügte Anteile eines Mittels zur Beeinflussung der Korngröße in der ersten Metallschicht bzw. der zweiten Metallschicht beeinflusst bzw. gezielt eingestellt wird. Dadurch lässt sich mit Vorteil die gewünschte und für den Anwendungsfall optimierte Korngröße in der ersten bzw. der zweiten Metallschicht möglichst kontrolliert einstellen. Hierzu wird das Mittel zur Beeinflussung der Korngröße vorzugsweise der ersten Metallschicht bzw. der zweiten Metallschicht im geschmolzenen Zustand, d. h. in Form einer ersten Metallschmelze und einer zweiten Metallschmelze, beigefügt. Insbesondere ist es vorgesehen, dass das Mittel zur Beeinflussung derart gewählt ist, dass das Beifügen des Mittels einerseits das Kornwachstum beeinflusst und anderseits andere Eigenschaften der ersten Metallschicht bzw. der zweiten Metallschicht, wie z. B. ein Reinheitsgrad oder eine elektrische Leitfähigkeit, nur unwesentlich beeinflusst werden, vorzugsweise so, dass sich innerhalb eines Toleranzbereichs (beispielsweise festgelegt durch übliche Materialschwankungen oder Messfehler) keine Unterschiede ergeben.In contrast to the prior art, it is provided according to the invention that the grain size is influenced or specifically adjusted by adding proportions of an agent for influencing the grain size in the first metal layer or the second metal layer. As a result, the desired and optimized grain size in the first or second can be optimized for the application Adjust the metal layer as controlled as possible. For this purpose, the agent for influencing the grain size is preferably added to the first metal layer or the second metal layer in the molten state, ie in the form of a first metal melt and a second metal melt. In particular, it is provided that the means for influencing is selected such that the addition of the agent on the one hand influences the grain growth and on the other hand other properties of the first metal layer or the second metal layer, such as, for. B. a degree of purity or an electrical conductivity, are influenced only insignificantly, preferably so that there are no differences within a tolerance range (for example, determined by usual material fluctuations or measurement errors).
Vorzugsweise ist das Mittel zur Beeinflussung der Korngröße derart ausgestaltet, dass mit zunehmender Menge des Mittels in der ersten bzw. zweiten Metallschicht die durchschnittliche Korngröße in der ersten Metallschicht und der zweite Metallschicht im gefertigten Metall-Keramik-Substrat sinkt. Es ist aber auch alternativ oder ergänzend vorgesehen, dass sich der Anteil der ersten Metallschmelze von dem Anteil der zweiten Metallschmelze durch die Art bzw. die Zusammensetzung des Mittels zur Beeinflussung, z. B. in Hinblick auf deren Materialzusammensetzung bzw. dessen Material, unterscheidet. Ferner ist es eine alternative Ausführungsform der Erfindung, dass die erste Metallschicht und die zweite Metallschicht aus demselben Metallwerksoff, z. B. OFE-Cu, bestehen und sich nur in Hinblick auf die Anteile des Mittels zur Beeinflussung der Korngröße voneinander unterscheiden. Dadurch kann z. B. mit Vorteil gleichwertiges Kupfer zur Ausbildung der ersten und der zweiten Metallschicht verwendet werden. Alternativ unterscheiden sich die erste Metallschicht und die zweite Metallschicht zusätzlich in Hinblick auf den Metallwerkstoff, z. B. ist die erste Metallschicht aus OFE-Cu und die zweite Metallschicht aus OF-Cu.The means for influencing the grain size is preferably designed in such a way that, with increasing amount of the agent in the first or second metal layer, the average grain size in the first metal layer and the second metal layer in the manufactured metal-ceramic substrate decreases. However, it is also alternatively or additionally provided that the proportion of the first molten metal differs from the proportion of the second molten metal by the type or composition of the agent for influencing, e.g. B. in terms of their material composition or its material. Furthermore, it is an alternative embodiment of the invention that the first metal layer and the second metal layer made of the same metal material, e.g. B. OFE-Cu, exist and differ only with regard to the proportions of the agent for influencing the grain size. This can, for. B. equivalent copper can advantageously be used to form the first and second metal layers. Alternatively, the first metal layer and the second metal layer additionally differ in terms of the metal material, e.g. B. is the first metal layer made of OFE-Cu and the second metal layer made of OF-Cu.
Vorstellbar ist es ferner, dass nur der ersten Metallschicht oder nur der zweiten Metallschicht das Mittel zur Beeinflussung der Korngröße beigefügt wird und entsprechend der Anteil des Mittels zur Beeinflussung der Korngröße in der ersten oder der zweiten Metallschicht verschwindet. Vorzugsweise ist die Menge an Mitteln zur Beeinflussung der Korngröße in der ersten Metallschicht 8 bis 15.000 - mal, bevorzugt 15 bis 2000 mal und besonders bevorzugt 30 - 100mal so groß wie die Menge an Mitteln zur Beeinflussung der Korngröße in der zweiten Metallschicht. Weiterhin ist es vorzugsweise vorgesehen, dass die Menge an Mitteln zur Beeinflussung der Korngröße in der zweiten Metallschicht bzw. der zweiten Metallschicht weniger als 20 ppm (Gew.), bevorzugt weniger als 15 ppm (Gew.) und besonders bevorzugt weniger als 10 ppm (Gew.) beträgt. Unter der ersten Korngröße bzw. der zweiten Korngröße ist insbesondere eine gemittelte Korngröße im Metall der ersten bzw. der zweiten Metallschicht zu verstehen. Vorteilhaft ist es vorgesehen, dass sowohl der ersten Metallschicht als auch der zweiten Metallschicht ein Anteil an Mitteln zur Beeinflussung der Korngröße beigemischt ist, da sich dadurch auch in der grobkörnigeren Schicht, d. h, insbesondere in der zweiten Metallschicht, mit Vorteil ein übermäßiges Kornwachstum vermeiden lässt.It is also conceivable that only the first metal layer or only the second metal layer is added with the agent for influencing the grain size and the proportion of the agent for influencing the grain size disappears in the first or the second metal layer. The amount of agents for influencing the grain size in the first metal layer is preferably 8 to 15,000 times, preferably 15 to 2000 times and particularly preferably 30-100 times as large as the amount of agents for influencing the grain size in the second metal layer. Furthermore, it is preferably provided that the amount of agents for influencing the grain size in the second metal layer or the second metal layer is less than 20 ppm (by weight), preferably less than 15 ppm (weight) and particularly preferably less than 10 ppm ( Wt.). The first grain size or the second grain size is to be understood in particular as an average grain size in the metal of the first or second metal layer. It is advantageously provided that both the first metal layer and the second metal layer are mixed with a proportion of means for influencing the grain size, since this also results in the coarser-grained layer, ie. h, especially in the second metal layer, can advantageously avoid excessive grain growth.
Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass die erste Metallschicht und die zweite Metallschicht zum Verbinden mit der Keramikschicht jeweils als einzelne Bleche bereitgestellt werden oder als Verbund, in dem bereits die erste Metallschicht mit der zweite Metallschicht zusammengefügt ist. Beispielsweise werden die erste Metallschicht und die zweite Metallschicht jeweils einzeln und/oder gemeinsam gewalzt. Vorzugsweise ist es hierbei vorgesehen, dass der Verbund aus erster und zweiter Metallschicht eine in Schichtrichtung bemessene Dicke aufweist, die kleiner ist als 5 mm, bevorzugt kleiner ist als 3 mm und besonders bevorzugt kleiner als 1 mm. Ferner lässt sich beim Zusammenfügen der ersten Metallschicht und der zweiten Metallschicht gezielt ein gewünschtes Verhältnis zwischen einer in Schichtrichtung bemessenen ersten Schichtdicke der ersten Metallschicht und einer in Schichtrichtung bemessenen zweiten Schichtdicke der zweiten Metallschicht einstellen. Vorzugswiese ist die erste Metallschicht dicker ist als die zweite Metallschicht, vorzugsweise 1 bis 15-mal so dick, bevorzugt 2 bis 10-mal so dick und besonders bevorzugt 3 bis 8-mal so dick, oder die zweite Metallschicht ist dicker als die erste Metallschicht, vorzugsweise 1 bis 15-mal so dick, bevorzugt 2 bis 10-mal so dick und besonders bevorzugt 3 bis 8-mal so dick .According to the invention, it is provided that the first metal layer and the second metal layer for connection to the ceramic layer are each provided as individual sheets or as a composite in which the first metal layer is already joined to the second metal layer. For example, the first metal layer and the second metal layer are each rolled individually and / or together. It is preferably provided here that the composite of first and second metal layers has a thickness measured in the layer direction, which is less than 5 mm, preferably less than 3 mm and particularly preferably less than 1 mm. Furthermore, when the first metal layer and the second metal layer are joined together, a desired ratio between a first layer thickness of the first metal layer measured in the layer direction and a second layer thickness of the second metal layer measured in the layer direction can be set. The first metal layer is preferably thicker than the second metal layer, preferably 1 to 15 times as thick, preferably 2 to 10 times as thick and particularly preferably 3 to 8 times as thick, or the second metal layer is thicker than the first metal layer , preferably 1 to 15 times as thick, preferably 2 to 10 times as thick and particularly preferably 3 to 8 times as thick.
Besonders bevorzugt ist es vorgesehen, dass die gewünschte Korngröße erst durch das Verbinden der ersten Metallschicht bzw. der zweiten Metallschicht mit der Keramikschicht realisiert wird. Mit anderen Worten: die zum Verbinden herangezogene Verbindungsmethode zur Herstellung des Metall-Keramik-Substrats initiiert und/oder finalisiert das Kornwachstum, so dass die erste Korngröße bzw. die zweite Korngröße des gefertigten Metall-Keramik-Substrats die gewünschte Größe annimmt. Vorstellbar ist auch, dass ein Kornwachstum bereits mit dem Verfahren zum Zusammenfügen der ersten Metallschicht und der zweite Metallschicht zu einem Verbund initiiert bzw. vorbereitet wird. Für den Fachmann ist es ersichtlich, dass neben der ersten Metallschicht und der zweiten Metallschicht weitere Metallschichten in der Metallisierung vorgesehen sein können. Beispielsweise ist eine Sandwichstruktur denkbar, bei der eine dritte Metallschicht zwischen der ersten und zweiten Metallschicht angeordnet ist und eine Korngröße aufweist, die zwischen der der ersten und zweiten Schicht liegt.It is particularly preferably provided that the desired grain size is only realized by connecting the first metal layer or the second metal layer to the ceramic layer. In other words, the connection method used to produce the metal-ceramic substrate initiates and / or finalizes the grain growth, so that the first grain size or the second grain size of the manufactured metal-ceramic substrate assumes the desired size. It is also conceivable that grain growth is already initiated or prepared with the method for joining the first metal layer and the second metal layer into a composite. It is apparent to the person skilled in the art that in addition to the first metal layer and the second metal layer, further metal layers can be provided in the metallization. For example, a sandwich structure is conceivable in which a third metal layer is arranged between the first and second metal layers and has a grain size that lies between that of the first and second layers.
Besonders bevorzugt ist es vorgesehen, dass die Metallschichtstruktur aus Kupfer gefertigt ist, d. h. die erste Metallschicht eine erste Kupferschicht und die zweite Metallschicht eine zweite Kupferschicht ist. Denkbar ist auch dass sich die Metallzusammensetzung in der ersten Metallschicht unterscheidet von der Metallzusammensetzung in der zweiten Metallschicht. Weiterhin ist es vorstellbar, dass die erste Metallschicht und die zweite Metallschicht aus einer Kupferlegierung oder Aluminium gefertigt sind. Schließlich liegen die Metallschichten vor dem Zusammenfügen mit Vorteil im geglühten Zustand vor, d. h. sie sind nach dem Walzprozess nicht oder nur zum Teil rekristallisiert.It is particularly preferably provided that the metal layer structure is made of copper, i. H. the first metal layer is a first copper layer and the second metal layer is a second copper layer. It is also conceivable that the metal composition in the first metal layer differs from the metal composition in the second metal layer. Furthermore, it is conceivable that the first metal layer and the second metal layer are made of a copper alloy or aluminum. Finally, the metal layers are advantageously in the annealed condition prior to joining, i. H. they are not or only partially recrystallized after the rolling process.
Bei der Keramik, aus der die Keramikschicht gebildet wird, kann es sich beispielsweise um Al2O3, Si3N4, AIN oder eine HPSX-Keramik (, d. h. einer Keramik mit einer Al2O3- Matrix, die einen x-prozentigen Anteil an ZrO2 umfasst, beispielsweise Al2O3 mit 9% ZrO2 = HPS9 oder Al2O3 mit 25% ZrO2 = HPS25) handeln. Die Keramikschicht weist vorzugsweise eine vergleichsweise hohe elektrische Isolationsfestigkeit auf, bevorzugt von mehr als 5 kV/mm, besonders bevorzugt von mehr als 10, 20 oder sogar mehr als 30 kV/mm und/oder eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf, bevorzugt von mehr als 10 W/mK, besonders bevorzugt von mehr als 20 oder sogar mehr als 60 W/mK, wie z.B. technische Keramiken oder mit wärmeleitenden Materialen gefüllte organische Isolationswerkstoffe.The ceramic from which the ceramic layer is formed can be, for example, Al 2 O 3 , Si 3 N 4 , AIN or an HPSX ceramic (ie a ceramic with an Al 2 O 3 matrix which has an x percentage of ZrO 2 comprises, for example Al 2 O 3 with 9% ZrO 2 = HPS9 or Al 2 O 3 with 25% ZrO 2 = HPS25). The ceramic layer preferably has a comparatively high electrical insulation strength, preferably of more than 5 kV / mm, particularly preferably of more than 10, 20 or even more than 30 kV / mm and / or a high thermal conductivity, preferably of more than 10 W. / mK, particularly preferably of more than 20 or even more than 60 W / mK, such as, for example, technical ceramics or organic insulation materials filled with heat-conducting materials.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass im gefertigten Zustand die erste Metallschicht der Keramikschicht abgewandt ist und die zweite Metallschicht der Keramikschicht zugewandt ist, wobei der Anteil des Mittels zur Beeinflussung der Korngröße in der ersten Metallschicht größer ist als der Anteil des Mittels zur Beeinflussung der zweiten Metallschicht. Dadurch lässt sich mit Vorteil ein Metall-Keramik-Substrat realisieren, bei dem die von der Keramikschicht abgewandte erste Metallschicht feinkörniger ist als die der Keramikschicht zugewandte zweite Metallschicht. Entsprechend verhindert die Ausgestaltung der ersten Metallschicht mit einer geringeren durchschnittlichen ersten Korngröße im Vergleich zur zweiten Metallschicht, dass ein zu grobes Gefüge in der ersten Metallschicht eine Anbindung von elektronischen Bauteilen, insbesondere beim Dünndrahtbonding, erschwert. Außerdem vereinfacht ein vergleichsweise feines Gefüge eine automatische optische Inspektion (AOI), d. h. eine Prüfung der Metall-Keramik-Substrate nach deren Fertigung. Gleichzeitig wird ein Korngrößengradient entlang einer Schichtrichtung, entlang der die erste Metallschicht und die zweite Metallschicht auf der Keramikschicht geschichtet werden, beim Anbinden der Metallschichtstruktur gebildet. Dabei lässt sich im Sinne der Hall-Petch-Beziehung (
Insbesondere versteht der Fachmann unter einem feinen Gefüge eine Metallschicht mit einer vergleichsweise geringen durchschnittlichen Korngröße, insbesondere mit einer Ausdehnung bzw. Dimension von weniger als 100 µm, und unter einem groben Gefüge eine Metallschicht mit einer vergleichsweise großen durchschnittlichen Korngröße, vorzugsweise mit einer Ausdehnung bzw. Dimension von mehr als 100 µm. Weiterhin ist es vorzugsweise vorgesehen, dass in der ersten Metallschicht die erste durchschnittliche Korngröße und in der zweiten Metallschicht die zweite durchschnittliche Korngröße, insbesondere in einer parallel und/oder senkrecht zur Schichtrichtung verlaufenden Richtung, im Wesentlichen jeweils konstant ist. Dies lässt sich mit Vorteil durch eine gleichmäßige Verteilung der Mittel zur Beeinflussung der Korngröße realisieren. Es ist aber auch vorstellbar, dass mittels einer gezielten lokalen Verteilung des Mittels zur Beeinflussung der Korngröße eine gewünschte Korngrößenverteilung innerhalb der ersten Metallschicht bzw. der zweiten Metallschicht realisieren lässt.In particular, the person skilled in the art understands by a fine structure a metal layer with a comparatively small average grain size, in particular with an expansion or dimension of less than 100 μm, and by a coarse structure a metal layer with a comparatively large average grain size, preferably with an expansion or Dimension of more than 100 µm. Furthermore, it is preferably provided that in the first metal layer the first average grain size and in the second metal layer the second average grain size, in particular in a direction running parallel and / or perpendicular to the layer direction, is essentially constant. This can advantageously be achieved by a uniform distribution of the means for influencing the grain size. However, it is also conceivable that by means of a targeted local distribution of the agent for influencing the grain size, a desired grain size distribution can be achieved within the first metal layer or the second metal layer.
Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass das Mittel zur Beeinflussung der Korngröße ein Kornfeinungsmittel, insbesondere ein Titan, Zirkonium, Hafnium, Chrom und/oder Niobium aufweisendes Kornfeinungsmittel, umfasst. Vorzugsweise handelt es bei dem Kornfeinungsmittel um ein Legierungsmetall mit einer vergleichsweise hohen Sauerstoffaffinität und einer möglichst geringen Randlöslichkeit. Dadurch lässt sich die erforderliche Menge an Kornfeinunsgmittel möglichst gering halten, so dass das Metall der ersten Metallschicht und der zweiten Metallschicht nicht derart verunreinigt wird, dass die erste Metallschicht und die zweite Metallschicht nicht als Metallisierung in der Leistungselektronik geeignet sind. Insbesondere hat sich herausgestellt, dass bei den Kornfeinungsmitteln B, Ca, Fe, Cr, und Zirkonarsenid, mindestens einige Promille zugesetzt werden müssen, um das Kornwachstum entscheidend zu beeinflussen, so dass nach deren Zugabe im Fall von Kupfer als Metall für die erste und die zweite Metallschicht kein Cu-OFE bzw. Cu-PHC mehr vorliegt. Im Gegensatz dazu hat sich herausgestellt, dass Legierungsmetallen, wie z.B. Titan, Zirkonium, Hafnium, Chrom und/oder Niobium in bereits geringer Mengen zur Ausbildung von den gewünschten Korngrößen geeignet sind. Vorzugsweise ist der in Gewichtsprozent bemessene Anteil des Kornfeinungsmittels in der ersten oder zweiten Metallschicht kleiner als 2,5 Gew.-%, bevorzugt kleiner als 1,5 Gew.-% und besonders bevorzugt kleiner als 1 Gew.-% oder sogar kleiner als 0,5 Gew.-%. Beispielsweise ist der Anteil des Kornfeinungsmittels in der ersten Metallschicht bzw. der zweiten Metallschicht, insbesondere für eine erste Metallschicht und einer zweite Metallschicht aus Cu-OFE
- - für
Titan kleiner als 2,1 Gew.-% - - für Zirkonium kleiner
als 0,17 Gew.-% - - für Hafnium kleiner
1,1 Gew.-%als - - für Chrom kleiner
als 0,73 Gew.-% und - - für Niobium kleiner
0,15 Gew.-%.als
- - for titanium less than 2.1% by weight
- - for zirconium less than 0.17% by weight
- - for hafnium less than 1.1% by weight
- - for chromium less than 0.73 wt .-% and
- - for niobium less than 0.15 wt .-%.
Unter einem „DCB-Verfahren“ (Direct-Copper-Bond-Technology) versteht der Fachmann ein solches Verfahren, das beispielsweise zum Verbinden von Metallschichten oder -blechen (z. B. Kupferblechen oder -folien) miteinander und/oder mit Keramik oder Keramikschichten dient, und zwar unter Verwendung von Metall- bzw. Kupferblechen oder Metall- bzw. Kupferfolien, die an ihren Oberflächenseiten eine Schicht oder einen Überzug (Aufschmelzschicht) aus einer chemischen Verbindung aus dem Metall und einem reaktiven Gas, bevorzugt Sauerstoff, aufweisen. Bei diesem beispielsweise in der
Insbesondere weist das DCB-Verfahren dann z. B. folgende Verfahrensschritte auf:
- - Oxidieren einer Kupferfolie derart, dass sich eine gleichmäßige Kupferoxidschicht ergibt;
- - Auflegen des Kupferfolie auf die Keramikschicht;
- - Erhitzen des Verbundes auf eine Prozesstemperatur zwischen etwa 1025 bis 1083°C, z. B. auf ca. 1071 °C;
- - Abkühlen auf Raumtemperatur.
- - Oxidizing a copper foil so that there is a uniform copper oxide layer;
- - placing the copper foil on the ceramic layer;
- - Heating the composite to a process temperature between about 1025 to 1083 ° C, z. B. to about 1071 ° C;
- - cooling to room temperature.
Bei der Verwendung eines DCB-Verfahrens kann das Metall bevorzugt der ersten aber auch der zweiten Metallschicht, insbesondere der ersten Kupferschicht und der zweiten Kupferschicht, einen vergleichsweise hohen Sauerstoffanteil aufnehmen, woraufhin sich an Korngrenzen hochschmelzende inerte Oxide ausbilden, die ein Kornwachstum behindern und so die Bildung einer geringeren Körnung (d. h. einem Metall mit einer geringeren durchschnittlichen Korngröße) begünstigt.If a DCB process is used, the metal can preferably take up a comparatively high proportion of oxygen in the first but also the second metal layer, in particular the first copper layer and the second copper layer, whereupon inert oxides melting at grain boundaries form, which impede grain growth and so on Formation of a smaller grain (ie a metal with a smaller average grain size) favors.
In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass das Mittel zur Beeinflussung der Korngröße Kristallisationskeime umfasst. Insbesondere handelt es sich bei den Kristallisationskeimen um disperse, vorzugsweise feindisperse, Partikel, die dem Metall der ersten Metallschicht bzw. der zweiten Metallschicht beigefügt werden. Vorzugsweise sind die Partikel derart gewählt, dass die Partikel einen höheren Schmelzpunkt als das Metall, insbesondere als das Kupfer, der ersten bzw. der zweiten Metallschicht aufweisen und nicht in dem Metall, insbesondere im Kupfer, lösbar sind. Ferner ist es von Vorteil, wenn sich eine Partikeloberfläche im Laufe der Darstellung mit dem Metall, insbesondere dem Kupfer, - sei es in einem geschmolzenen Zustand oder durch Diffusion - benetzt. Als besonders vorteilhaft hierfür haben sich Partikel aus einer Keramik, wie z. B. Al2O3, Si3N4 oder AIN, erwiesen. Vorzugsweise ist es dabei vorgesehen, dass die Kristallisationskeime gleichmäßig in der ersten Metallschicht und der zweite Metallschicht verteilt werden, um Agglomerationen der Kristallisationskeime zu vermeiden.In a further embodiment of the present invention, it is provided that the means for influencing the grain size comprises crystallization nuclei. In particular, the crystallization nuclei are disperse, preferably finely disperse, particles which are added to the metal of the first metal layer or the second metal layer. The particles are preferably selected such that the particles have a higher melting point than the metal, in particular than the copper, of the first or the second metal layer and cannot be dissolved in the metal, in particular in the copper. It is also advantageous if a particle surface is wetted with the metal, in particular the copper, in the course of the illustration, be it in a molten state or by diffusion. Particularly advantageous for this have been particles made of a ceramic, such as. B. Al 2 O 3 , Si 3 N 4 or AIN. It is preferably provided that the nuclei are evenly distributed in the first metal layer and the second metal layer in order to avoid agglomeration of the nuclei.
Zweckmäßig ist es vorgesehen, dass die Kristallisationskeime der ersten Metallschicht und/oder der zweiten Metallschicht zusammen mit einem Aktivmetall beigefügt werden. Beispielsweise handelt es sich bei dem Aktivmetall um Ti, Cr, Zr, Hf, Nb, V, Ce, La oder um ein vergleichbares Aktivmetall. Vorzugsweise ist es dabei vorgesehen, dass die Aktivmetalle mit den dispersiven Partikeln reagieren, so dass der Anteil der Aktivmetalle im gefertigten Metall-Keramik-Substrat reduziert ist.It is expedient for the crystallization nuclei to be added to the first metal layer and / or the second metal layer together with an active metal. For example, the active metal is Ti, Cr, Zr, Hf, Nb, V, Ce, La or a comparable active metal. It is preferably provided that the active metals react with the dispersive particles so that the proportion of active metals in the finished metal-ceramic substrate is reduced.
Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass die erste Metallschicht, die zweite Metallschicht und die Keramikschicht in einem AMB-Anbindungsverfahren, insbesondere in einem gemeinsamen AMB-Anbindungsverfahren, miteinander verbunden werden. Die Verwendung von Kristallisationskeimen hat den Vorteil, dass man nicht zwingend auf den Sauerstoff des DCB-Verfahren angewiesen ist, um den Korngrößenwachstum zu kontrollieren. Unter einem Aktivlot-Verfahren, d. h. „active metal brazing (AMB)“-Verfahren, z. B. zum Verbinden von Metallschichten oder Metallfolien, insbesondere auch von Kupferschichten oder Kupferfolien mit Keramikmaterial, ist ein Verfahren zu verstehen, welches speziell auch zum Herstellen von Metall-Keramik-Substraten verwendet wird. Dabei wird bei einer Temperatur zwischen ca. 650-1000°C eine Verbindung zwischen einer Metallfolie, beispielsweise Kupferfolie, und einem Keramiksubstrat, beispielsweise einer Aluminiumnitrid-Keramik, unter Verwendung eines Hartlots hergestellt, welches zusätzlich zu einer Hauptkomponente, wie Kupfer, Silber und/oder Gold auch ein Aktivmetall enthält. Dieses Aktivmetall, welches beispielsweise wenigstens ein Element der Gruppe Hf, Ti, Zr, Nb, Ce ist, stellt durch chemische Reaktion eine Verbindung zwischen dem Lot und der Keramik her, während die Verbindung zwischen dem Lot und dem Metall eine metallische Hartlöt-Verbindung ist.According to the invention, it is provided that the first metal layer, the second metal layer and the ceramic layer are connected to one another in an AMB connection method, in particular in a common AMB connection method. The use of crystallization nuclei has the advantage that one does not necessarily have to rely on the oxygen of the DCB process to control the grain size growth. Under a Active soldering process, ie "active metal brazing (AMB)" process, e.g. B. for connecting metal layers or metal foils, in particular also copper layers or copper foils with ceramic material, is to be understood as a method which is also used specifically for the production of metal-ceramic substrates. A connection between a metal foil, for example copper foil, and a ceramic substrate, for example an aluminum nitride ceramic, is produced at a temperature between approx. 650-1000 ° C. using a hard solder, which in addition to a main component such as copper, silver and / or gold also contains an active metal. This active metal, which is, for example, at least one element from the group Hf, Ti, Zr, Nb, Ce, creates a connection between the solder and the ceramic by chemical reaction, while the connection between the solder and the metal is a metallic brazing connection .
Bevorzugt ist es vorgesehen, dass die erste Metallschicht und die zweite Metallschicht in einem DCB-Verfahren zu einem Verbund zusammenfügt werden und der Verbund an die Keramikschicht angebunden wird. Die Verbindung der ersten Metallschicht mit der zweiten Metallschicht kann vorzugsweise unabhängig von der Anbindung an die Keramikschicht erfolgen. Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass der Verbund mittels eines AMB-Verfahrens an die Keramikschicht angebunden wird. Besonders bevorzugt ist das Verfahren zum Zusammenfügen der ersten Metallschicht und der zweiten Metallschicht mit dem zum Anbinden des Verbunds an die Keramikschicht abgestimmt, um auf diese Weise die gewünschte erste Korngröße und zweite Korngröße im gefertigen Metall-Keramik-Substrat einzustellen.It is preferably provided that the first metal layer and the second metal layer are joined together in a DCB process to form a composite and the composite is bonded to the ceramic layer. The connection of the first metal layer to the second metal layer can preferably take place independently of the connection to the ceramic layer. According to the invention, the composite is connected to the ceramic layer using an AMB method. The method for joining the first metal layer and the second metal layer is particularly preferably coordinated with that for connecting the composite to the ceramic layer, in order in this way to set the desired first grain size and second grain size in the finished metal-ceramic substrate.
Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass zur Bildung einer Metallflächenstrukturierung die angebundene Metallschichtstruktur zumindest teilweise geätzt wird. Dadurch lässt sich in vorteilhafter Weise zeitlich nach dem Ätzen eine Metallflächenstrukturierung, wie z. B. Leiterbahnen oder Pads, auf einer Bauteilseite des Metall-Keramik-Substrats, realisieren, die die Nutzung des Metall-Keramik-Substrats als Platine bzw. Leiterplatte gestattet.It is preferably provided that the attached metal layer structure is at least partially etched to form a metal surface structure. As a result, a metal surface structuring, such as eg. B. conductor tracks or pads, on a component side of the metal-ceramic substrate, which allows the use of the metal-ceramic substrate as a circuit board or printed circuit board.
Zweckmäßig ist es vorgesehen, dass die erste durchschnittliche Korngröße kleiner ist als die zweite durchschnittliche Korngröße ist. Vorzugsweise ist die zweite durchschnittliche Korngröße zwischen 160 - 2.000 µm, bevorzugt zwischen 200 - 1.000 µm und besonders bevorzugt zwischen 250 - 500 µm groß. Weiterhin ist es bevorzugt vorgesehen, das die erste durchschnittliche Korngröße zwischen 50 und 200 µm, bevorzugt zwischen 70 und 150 µm und besonders bevorzugt zwischen 80 und 120 µm groß ist. Die durchschnittliche Korngröße ermittelt sich dabei als Mittelwert über die entlang einer senkrecht zur Schichtrichtung verlaufenden Ebene verteilten Körnungen.It is expediently provided that the first average grain size is smaller than the second average grain size. The second average grain size is preferably between 160-2,000 μm, preferably between 200-1,000 μm and particularly preferably between 250-500 μm. Furthermore, it is preferably provided that the first average grain size is between 50 and 200 μm, preferably between 70 and 150 μm and particularly preferably between 80 and 120 μm. The average grain size is determined as an average over the grains distributed along a plane perpendicular to the layer direction.
In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass die zweite Metallschicht dicker ist als die erste Metallschicht, vorzugsweise 1,1 bis 15-mal so dick, bevorzugt 2 bis 10-mal so dick und besonders bevorzugt 3 bis 8-mal so dick. Dadurch wird der zweiten Metallschicht mit seiner größeren ersten durchschnittlichen Korngröße ein entsprechender Bauraum zur Verfügung gestellt, während bei der ersten Metallschicht berücksichtigt wird, dass die feinere Körnung in der ersten Metallschicht weniger Bauraum benötigt.In a further embodiment of the present invention it is provided that the second metal layer is thicker than the first metal layer, preferably 1.1 to 15 times as thick, preferably 2 to 10 times as thick and particularly preferably 3 to 8 times as thick thick. This provides the second metal layer with its larger first average grain size with a corresponding space, while the first metal layer takes into account that the finer grain in the first metal layer requires less space.
Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass eine erste durchschnittliche Korngröße im Wesentlichen einer ersten Schichtdicke der ersten Metallschicht entspricht. Dadurch wird mit Vorteil eine maximal mögliche erste durchschnittliche Korngröße erzielt. Für den Fachmann ist es ersichtlich, dass unter „im Wesentlichen“ insbesondere solche ersten durchschnittlichen Korngrößen fallen, die beispielsweise innerhalb einer Toleranz von -± 20 % oder bevorzugt -± 10 %, besonders bevorzugt -± 5% mit der in Schichtrichtung bemessenen Dicke der primären Metallschicht übereinstimmen.It is preferably provided that a first average grain size essentially corresponds to a first layer thickness of the first metal layer. This advantageously achieves a maximum possible first average grain size. It is obvious to the person skilled in the art that “essentially” includes in particular those first average grain sizes that, for example, within a tolerance of - ± 20% or preferably - ± 10%, particularly preferably - ± 5% with the thickness of the layer in the direction of the layer primary metal layer match.
Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Gegenstands mit Bezug auf die beigefügten Figuren. Es zeigt:
-
1a und1b : ein Verfahren zur Herstellung eines Metall-Keramik-Substrats gemäß einer ersten beispielhaften Ausführungsform der vorliegende Erfindung und -
2a und2b : ein Verfahren zur Herstellung eines Metall-Keramik-Substrats gemäß einer ersten beispielhaften Ausführungsform der vorliegende Erfindung und3a und3b ein Trägersubstrate gemäß einer zweiten und dritten bevorzugten Ausführungsform der vorliegende. Erfindung in einer Schnittansicht
-
1a and1b : A method of manufacturing a metal-ceramic substrate according to a first exemplary embodiment of the present invention and -
2a and2 B : A method of manufacturing a metal-ceramic substrate according to a first exemplary embodiment of the present invention and3a and3b a carrier substrate according to a second and third preferred embodiment of the present. Invention in a sectional view
In den
Dabei ist jeweils die zweite Metallschicht
Zur gezielten Steuerung der ersten Korngröße bzw. der zweiten Korngröße, insbesondere eines Verhältnisses zwischen der ersten Korngröße und der zweite Korngröße, ist es insbesondere vorgesehen, dass der ersten Metallschicht
Durch die unterschiedlichen Anteile an Mitteln zur Beeinflussung der Korngrößen lässt sich jeweils die erste Korngröße bzw. die zweite Korngröße gezielt, insbesondere anwendungsfallabhängig, kontrolliert steuern. Dabei ist es auch vorstellbar, dass die zweite Korngröße in etwa einer zweiten Schichtdicke
Due to the different proportions of means for influencing the grain sizes, the first grain size or the second grain size can be controlled in a controlled manner, in particular depending on the application. It is also conceivable that the second grain size is approximately a second layer thickness
Dabei wird das Kornfeinungsmittel vorzugsweise einer ersten Metallschmelze bzw. zweiten Metallschmelze beigefügt bzw. beigemischt, wobei aus der ersten Metallschmelze die erste Metallschicht
In den
Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass die Kristallisationskeime
BezugszeichenlisteReference list
- 11
- Metall-Keramik-SubstratMetal-ceramic substrate
- 22nd
- MetallhalbzeugSemi-finished metal product
- 55
- KristallisationskeimSeed of crystallization
- 1010th
- KeramikschichtCeramic layer
- 1111
- erste Metallschichtfirst layer of metal
- 1212th
- zweite Metallschichtsecond metal layer
- 1515
- KeramikoberseiteCeramic top
- SS
- StapelrichtungStacking direction
- D1D1
- erste Schichtdickefirst layer thickness
- D2D2
- zweite Schichtdickesecond layer thickness
Claims (6)
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