DE112015003487T5 - Keramische Leiterplatte und Verfahren zur Herstellung der selben - Google Patents
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Abstract
Problem: Erhalten einer keramischen Leiterplatte, die eine bessere Rissbeständigkeit gegenüber Ultraschallbonden aufweist. Lösung: Das oben genannte Problem wird durch eine keramische Leiterplatte gelöst, die dadurch gekennzeichnet ist, dass eine Metallleiterplatte auf eine Oberfläche eines keramischen Substrats gebondet ist und eine Metallwärmeabstrahlungsplatte auf die andere Oberfläche des keramischen Substrats gebondet ist, wobei die Kristallkorngröße in der Metallleiterplatte mindestens 20 μm und höchstens 70 μm beträgt. Diese keramische Leiterplatte kann hergestellt werden durch Anordnen der Metallleiterplatte auf einer Oberfläche des Keramiksubstrats und Anordnen der Metallwärmeabstrahlungsplatte auf der anderen Oberfläche des Keramiksubstrats und Bonden in einem Vakuum von höchstens 1 × 10–3 Pa bei einer Bondingtemperatur von mindestens 780°C und höchstens 850°C für eine Verweilzeit von mindestens 10 Minuten und höchstens 60 Minuten.
Description
- Technisches Gebiet
- Die vorliegende Erfindung betrifft eine keramische Leiterplatte und ein Herstellungsverfahren für diese.
- Hintergrund der Erfindung
- Leistungsmodule, die für Eisenbahnen, Fahrzeuge und industrielle Maschinen vorgesehen sind, die einen Betrieb bei hoher Spannung und starkem Strom erfordern, sind mit keramischen Leiterplatten versehen, auf denen Halbleiterelemente befestigt sind. Um die Leistungsabgabe von keramischen Leiterplatten an die Außenseite zu erleichtern, ist es üblich, Kupferelektroden vorzusehen, so dass sie auf der Außenseite der keramischen Leiterplatten vorstehen.
- Herkömmlicherweise wird Lötmittel verwendet, um keramische Leiterplatten und Kupferelektroden zu verbinden, jedoch besteht das Problem, dass die Wärme und Vibrationen, die erzeugt werden, wenn sie als Leistungsmodule verwendet werden, dazu führen, dass das Lötmittel Risse verursacht, wodurch die Zuverlässigkeit verringert wird. Folglich ist es üblich geworden, ein Ultraschallbonden zur direkten Verbindung von Metallleiterplatten und Kupferelektroden zu verwenden. Das Ultraschallbonden ist eine Technik zum Integrieren der Kupferplatten und Kupferelektroden von Leiterplatten durch Anwenden von Ultraschallschwingungen in der lateralen Richtung, während Kupferelektroden eine vertikale Belastung auf keramischen Leiterplatten vermitteln.
- Aluminiumnitrid-Sinterkörper und Siliciumnitrid-Sinterkörper mit hoher Wärmeleitfähigkeit werden als keramische Substrate verwendet, die in keramischen Leiterplatten verwendet werden, und zwar in Reaktion auf die Zunahme der erzeugten Wärmemenge, die die zunehmende Ausgabe und Integration von Halbleiterelementen begleitet. Da Aluminiumnitrid-Substrate im Vergleich zu Siliciumnitrid-Substraten eine höhere Wärmeleitfähigkeit aufweisen, eignen sie sich insbesondere als keramische Leiterplatten zur Montage elektronischer Bauteile mit hoher Wärmestrahlung.
- Jedoch besteht der Nachteil von Aluminiumnitrid-Substraten mit hoher Wärmeleitfähigkeit darin, dass sie eine geringe mechanische Festigkeit, Zähigkeit usw. aufweisen, so dass das Problem der Risse, die sich in den Aluminiumnitridplattenflächen unmittelbar unterhalb der durch Vibration beim Ultraschallbonden gebundenen Abschnitte bilden, besteht, was zu einem Verlust der Modulzuverlässigkeit führt. Als Reaktion darauf wurde die folgende Lösung vorgeschlagen, um die Erzeugung von Rissen in keramischen Substraten zu verhindern.
- Das Patentdokument 1 bietet einen Weg, um das Auftreten von Rissen in keramischen Substraten zu verhindern, indem die Positionen, an denen Kupferelektroden unter Verwendung von Ultraschallbonden verbunden werden, und die Verbindungsfestigkeit zwischen den Kupferelektroden und den Metallleiterplatten optimiert werden.
Patentdokument 1:JP 2002-164461 A - Zusammenfassung der Erfindung
- Jedoch verbessert das Patentdokument 1 nicht die keramischen Leiterplatten selbst und kommt nicht zu einer grundsätzlichen Lösung, um das Auftreten von Rissen zu verhindern.
- Angesichts des oben erwähnten Problems besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, keramische Leiterplatten zu erhalten, die eine bessere Rissbeständigkeit in Bezug auf das Ultraschallbonden aufweisen.
- Als Ergebnis einer ernsthaften Untersuchung entdeckten die Erfinder der vorliegenden Erfindung, dass die Rissbeständigkeit während des Ultraschallbondens verbessert werden kann, indem die Kristallkorngröße einer Metallleiterplatte in einer keramischen Leiterplatte klein gemacht wird.
- Kurz gesagt, ist die vorliegende Erfindung auf eine keramische Leiterplatte gerichtet, bei der eine Metallleiterplatte mit einer Oberfläche davon verbunden ist und eine Metallwärmeabstrahlungsplatte mit der anderen Oberfläche desselben verbunden ist, wobei die Kristallteilchengröße der Metallleiterplatte mindestens 20 μm und höchstens 70 μm beträgt.
- Ferner ist die vorliegende Erfindung auf ein Herstellungsverfahren für die obige Keramikleiterplatte gerichtet, umfassend das Anordnen einer Metallleiterplatte auf einer Oberfläche eines Keramiksubstrats und das Anordnen einer Metallwärmeabstrahlungsplatte auf der anderen Oberfläche des Keramiksubstrats, und das Bonden der Metallleiterplatte und der Metallwärmeabstrahlungsplatte mit dem Keramiksubstrat in einem Vakuum von höchstens 1 × 10–3 Pa bei einer Bondingtemperatur von mindestens 780°C und höchstens 850°C für eine Verweilzeit von mindestens 10 Minuten und höchstens 60 Minuten.
- Durch die vorliegende Erfindung ist es möglich, eine keramische Leiterplatte zu erhalten, die eine bessere Rissbeständigkeit in Bezug auf das Ultraschallbonden aufweist.
- Ausführungsformen der Erfindung
- Keramische Leiterplatte
- Die keramische Leiterplatte gemäß der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Metallleiterplatte mit einer Oberfläche davon verbunden ist und eine Metallwärmeabstrahlungsplatte mit der anderen Oberfläche desselben verbunden ist, wobei die Teilchengröße in der Metallleiterplatte nach dem Bonden mindestens 20 μm und höchstens 70 μm beträgt.
- Die Rissbeständigkeit während des Ultraschallbondens kann verbessert werden, indem die Kristallkorngröße in der Metallleiterplatte nach dem Bonden auf mindestens 20 μm und höchstens 70 μm eingestellt wird. Die Kristallkorngröße in der Metallleiterplatte beträgt vorzugsweise mindestens 20 μm und höchstens 65 μm und besonders bevorzugt mindestens 20 μm und höchstens 62 μm.
- Es gibt keine spezifischen Beschränkungen hinsichtlich des Keramiksubstrats, das in der Keramikleiterplatte der vorliegenden Erfindung verwendet wird, und Keramiken auf Nitridbasis, wie Siliciumnitrid und Aluminiumnitrid, oxidbasierte Keramiken, wie Aluminiumoxid und Zirkoniumoxid, Carbid-basierende Keramiken, wie Siliciumcarbid, und Borid-basierende Keramiken, wie Lanthanborid, können verwendet werden. Da jedoch die Metallplatte über Aktivmetalllöten mit dem Keramiksubstrat verbunden wird, sind nichtoxidische Keramiken wie Aluminiumnitrid und Siliciumnitrid bevorzugt, und unter dem Gesichtspunkt der besseren Wärmeleitfähigkeit sind Aluminiumnitrid-Substrate bevorzugt.
- Obwohl es keine besonderen Beschränkungen hinsichtlich der Dicke des Keramiksubstrats gibt, ist eine Dicke von mindestens 0,2 mm und höchstens 1,5 mm bevorzugt. Das Einstellen der Dicke auf höchstens 1,5 mm verhindert eine Erhöhung des thermischen Widerstandes und eine Einstellung der Dicke auf mindestens 0,2 mm ermöglicht es, die Haltbarkeit aufrecht zu erhalten.
- Es gibt keine besonderen Beschränkungen hinsichtlich des Metalls, das in der Metallleiterplatte und der Metallwärmeabstrahlungsplatte verwendet wird, solange es Metalle sind, auf die Aktivmetalllöten angewendet werden kann, wie Kupfer, Aluminium, Eisen, Nickel, Chrom, Silber, Molybdän oder Kobalt als elementare Substanzen oder Legierungen davon, aber vom Standpunkt der Leitfähigkeit und Wärmestrahlung her sind Kupferplatten bevorzugt. Die Metallleiterplatte und die Metallwärmeabstrahlungsplatte können aus dem gleichen Metall oder aus verschiedenen Metallen bestehen.
- Bevorzugt beträgt die Reinheit der Kupferplatte mindestens 90%. Durch Einstellen der Reinheit auf mindestens 90% kann eine unzureichende Reaktion zwischen der Kupferplatte und dem Hartlötfüllmetall und eine erniedrigte Zuverlässigkeit der Leiterplatte aufgrund der Aushärtung der Kupferplatte verhindert werden, wenn die Kupferplatte mit dem Keramiksubstrat verbunden wird.
- Es gibt keine besonderen Beschränkungen hinsichtlich der Dicke der Kupferplatte, aber es ist üblich, dass die Dicke mindestens 0,1 mm und höchstens 1,5 mm beträgt. Insbesondere ist unter dem Gesichtspunkt der Wärmestrahlung eine Dicke von mindestens 0,2 mm bevorzugt und unter dem Gesichtspunkt der Hitzezyklus-Widerstandseigenschaften ist eine Dicke von höchstens 0,5 mm bevorzugt.
- Es gibt keine besonderen Beschränkungen hinsichtlich der Art der Kupferplatte, wie z. B. gewalzte Kupferfolie oder elektrolytische Kupferfolie, aber um die rekristallisierte Korngröße klein zu machen, nachdem sie mit dem keramischen Substrat verbunden ist, ist elektrolytische Kupferfolie bevorzugter. Ferner kann eine elektrolytische Kupferfolie auf der Schaltungsseite des keramischen Substrats verwendet werden und eine gewalzte Kupferfolie kann auf der Strahlungsoberflächenseite verwendet werden. Darüber hinaus ist es in Fällen, in denen auf der Schaltungsoberflächenseite gewalzte Kupferfolie verwendet wird, möglich, kleinere Größen durch Optimierung der Temperaturbedingungen, wie Erwärmungsgeschwindigkeit und Abkühlgeschwindigkeit während des Bondens, zu erzielen.
- Das Bonden zwischen der Metallleiterplatte und der Metallabstrahlungsplatte, die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden, und dem Keramiksubstrat wird durch Hartlötfüllmetallschichten bewirkt. Als solches weist das Keramiksubstrat eine Struktur auf, in der eine Metallwärmeabstrahlungsplatte, eine Hartlötfüllmetallschicht, ein Keramiksubstrat, eine Hartlötfüllmetallschicht und eine Metallleiterplatte in dieser Reihenfolge geschichtet sind. Die Hartlötfüllmetallschichten umfassen Ag, Cu oder eine Ag-Cu-Legierung und aktive Metallkomponenten wie Ti, Zr oder Hf.
- Der Gehalt an aktiven Metallkomponenten wie Ti, Zr und Hf, die in den Hartlötfüllmetallschichten enthalten sind, beträgt mindestens 0,5 Massenteile, vorzugsweise mindestens 2,0 Massenteile und höchstens 10 Massenteile, vorzugsweise höchstens 6,0 Massenteile, bezogen auf die Gesamtmenge von 100 Massenteilen von Ag, Cu oder Ag-Cu-Legierung.
- Ferner kann in einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die keramische Leiterplatte eine keramische Leiterplatte sein, die dadurch gekennzeichnet ist, dass ein Metallschaltkreis auf eine Oberfläche eines Keramiksubstrats gebondet ist und eine Metallwärmeabstrahlungsplatte auf die andere Oberfläche des keramischen Substrats gebondet ist, wobei das Bonden in einem Vakuum von höchstens 1 × 10–3 Pa bei einer Temperatur von 780–850°C für eine Verweilzeit von 10 bis 60 Minuten durchgeführt wird und die Rekristallisationskorngröße in der Metallleiterplatte nach dem Bonden kleiner als 100 μm ist.
- In einer weiteren Ausführungsform kann die keramische Leiterplatte eine keramische Leiterplatte sein, die dadurch gekennzeichnet ist, dass ein Metallschaltkreis auf eine Oberfläche davon gebondet ist und eine Metallwärmeabstrahlungsplatte auf die andere Oberfläche über einen Ag-Cu-Legierungshartlötfüllstoff gebondet ist, wobei das Bonden durchgeführt wird, indem das Vakuum während des Bondens höchstens 1 × 10–3 Pa beträgt, wobei die Bondingtemperatur 780–850°C beträgt und die Verweilzeit 10 bis 60 Minuten beträgt, wobei die Rekristallisationskorngröße im Metall nach dem Bonden kleiner als 100 μm ist, und wobei das keramische Substrat Aluminiumnitrid umfasst.
- Herstellungsverfahren
- Keramische Substrate können hergestellt werden, indem auf einer Oberfläche eines keramischen Substrats eine Metallplatte zum Bilden von Metallschaltungen angeordnet wird und auf der anderen Oberfläche des keramischen Substrats eine Metallplatte zur Bildung einer Wärmeabstrahlungsplatte angeordnet wird und die Metallleiterplatte und die Metallwärmeabstrahlungsplatte an das keramische Substrat gebondet werden, und zwar in einem Vakuum von höchstens 1 × 10–3 Pa bei einer Bondingtemperatur von mindestens 780°C und höchstens 850°C für eine Verweilzeit von mindestens 10 Minuten und höchstens 60 Minuten.
- Es ist bevorzugt, dass die Bondingtemperatur für die keramische Leiterplatte mindestens 780°C und höchstens 850°C in einem Vakuumofen mit einem Vakuum von höchstens 1 × 10–3 Pa beträgt und wünschenswert ist, dass die Verweilzeit mindestens 10 Minuten und höchstens 60 Minuten beträgt. Durch Einstellen der Bondingtemperatur auf mindestens 780°C und einer Verweilzeit auf mindestens 10 Minuten können Probleme, wie Teile, die nicht in der Lage sind, sich zu binden, da keine ausreichenden Ti-Verbindungen erzeugt werden können, vermieden werden. Durch Setzen der Bondingtemperatur auf höchstens 850°C und der Verweilzeit auf höchstens 60 Minuten können Probleme, die auftreten können, wenn die Temperatur hoch ist und die Verweilzeit zu groß ist, wie Erhöhungen der thermischen Belastung, die von Unterschieden in den thermischen Ausdehnungskoeffizienten herrühren, während des Verbindens unterdrückt werden, und die Verringerung der Hitzezyklus-Widerstandseigenschaften kann verhindert werden.
- Das Bonden zwischen der Metallleiterplatte und der Metallwärmeabstrahlungsplatte und dem Keramiksubstrat, das in der vorliegenden Erfindung verwendet wird, kann durch Aktivmetalllöten unter Verwendung eines Hartlötfüllmetalls durchgeführt werden. Hartlötfüllmetall, das Ag, Cu oder eine Ag-Cu-Legierung enthält, und aktive Metallkomponenten wie Ti, Zr und Hf können verwendet werden. Beispielsweise ist es möglich, eine Legierungsfolie zu verwenden, die ein aktives Metall wie Ag, Cu oder Ti enthält, oder Pasten zu verwenden, in denen elementares Metall oder Legierungspulver davon in einem Bindemittel dispergiert ist, wie Polyisobutenmethacrylat und Terpineol oder dergleichen. Angepasste Pasten werden auf die vordere und hintere Oberfläche des keramischen Substrats aufgebracht durch Verfahren wie Siebdruck und Walzenbeschichtung, und die Metallplatte zur Bildung von Metallschaltungen wird auf der Vorderseite angeordnet und die Metallplatte zur Ausbildung einer Strahlungsplatte wird auf der Rückseite angeordnet.
- Um Schaltungsmuster auf der gebondeten keramischen Leiterplatte zu bilden, wird ein Ätzresist auf die Metallplatte aufgebracht, und es wird ein Ätzen durchgeführt. Es gibt keine besonderen Beschränkungen in Bezug auf den Ätzresist, zum Beispiel können allgemein verwendete UV-härtbare Typen und wärmehärtbare Typen verwendet werden. Es gibt keine besonderen Beschränkungen bezüglich des Aufbringungsverfahrens für den Ätzresist, zum Beispiel können weithin bekannte Aufbringungsverfahren, wie Siebdruck, angewendet werden.
- Ein Ätzprozess wird auf der Kupferplatte durchgeführt, um ein Schaltungsmuster zu bilden. Es gibt keine besonderen Beschränkungen hinsichtlich der Ätzlösung, und allgemein verwendete Lösungen wie Eisenchloridlösung, Kupferchloridlösung, Schwefelsäure oder Wasserstoffperoxidlösung können verwendet werden, aber Eisenchloridlösung und Kupferchloridlösung sind bevorzugt. In keramischen Nitrid-Leiterplatten, bei denen unnötige Metallabschnitte durch Ätzen entfernt worden sind, bleiben das aufgebrachte Hartlötmetall, Legierungsschichten davon, Nitridschichten usw. zurück und werden im allgemeinen durch Verwendung von Lösungen entfernt, die wäßrige Ammoniumhalogenidlösungen, anorganische Säuren, einschließen Schwefelsäure oder Salpetersäure oder Wasserstoffperoxidlösung umfassen. Das Entfernungsverfahren zum Entfernen des Ätzresists nach der Schaltungsbildung ist nicht besonders eingeschränkt, und Verfahren wie das Eintauchen in eine wässrige Alkalilösung sind Standard.
- Beispiele
- Beispiel 1
- Ein aktives Metallhartlötfüllmetall, enthaltend 3,5 Gewichtsteile Titan (TSH-350, hergestellt von Osaka Titanium Technologies) in Bezug auf 90 Masseteile Silberpulver (AgC-BO, hergestellt von Fukuda Metal Foil & Powder Co., Ltd.) und 10 Massenteile Kupferpulver (SRC-Cu-20, hergestellt von Fukuda Metal Foil & Powder Co., Ltd.), was zu insgesamt 100 Massenteilen kam, wurde auf beide Oberflächen eines 0,635 mm dicken Aluminiumnitrid-Substrats aufgetragen. Daraufhin wurde ein Verbundkörper aus Kupferplatten und einem Aluminiumnitrid-Substrat hergestellt durch Stapeln einer Kupferplatte zum Bilden von Schaltungen und einer Kupferplatte zum Bilden einer Wärmeabstrahlungsplatte (die beide aus elektrolytischer Kupferfolie bestanden) auf der Vorderseite bzw. der Rückseite des Aluminiumnitrid-Substrats und Halten bei einer Temperatur von 800°C für 20 Minuten in einer Vakuumatmosphäre (6,5 × 10–4 Pa).
- Schaltungen wurden durch Ätzen der gebondeten Leiterplatte mit einer Kupferchlorid enthaltenden Ätzlösung gebildet. Ferner wurden die Hartlötfüllmetallschichten mit einer Ammoniumfluorid/Wasserstoffperoxid-Ätzlösung geätzt und eine Aluminiumnitrid-Leiterplatte hergestellt.
- Messungen der Kristallkorngröße in der Metallleiterplatte der erhaltenen Aluminiumnitridleiterplatte, ein Ultraschallbondtest und ein Hitzezyklustest wurden wie folgt durchgeführt.
- Kristallkorngröße
- Die Vorderseite der Metallleiterplatte der keramischen Leiterplatte wurde unter Verwendung eines optischen Mikroskops (50×) betrachtet. Der längste Kristallabstand in 10 zufälligen Bereichen von 1 mm × 1 mm wurde bestätigt, und der Mittelwert wurde berechnet, um zu der Kristallkorngröße zu gelangen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt.
- Ultraschall-Bonding-Test
- Das Bonden wurde mit einem 1,5 mm dicken Kupfer-Elektrodenmaterial (UP-Lite 3000, hergestellt von Adwelds) mit einer Last von 1200 N, einer Frequenz von 20 kHz, einer Amplitude von 50 μm und einer Bondingzeit von 0,4 Sekunden durchgeführt. Nach dem Bonden wurden die Kupferelektrode und die Kupferleiterplatte durch Ätzen entfernt und die Vorderseite des Keramiksubstrats wurde mit einem optischen Mikroskop betrachtet. Das Ultraschallbonden wurde an 16 Stellen für jede Bedingung durchgeführt, und die Stellen, an denen Risse auftraten, wurden in den folgenden drei Kategorien eingestuft.
A: 0 Stellen, B: 1–8 Stellen und C: 9–16 Stellen - Hitzezyklustest
- Die hergestellte keramische Leiterplatte wurde einem Thermoschock-Test ausgesetzt, und nach 500 Thermoschock-Prüfzyklen, bei denen ein Zyklus 30 Minuten bei –40°C und 30 Minuten bei 125°C betrug, wurden die Kupferplatten durch Ätzen entfernt und der Zustand bezüglich des Auftretens von Rissen in der vorderen Oberfläche des keramischen Substrats wurde mit einem optischen Mikroskop (50×) beobachtet. Hitzezyklustests wurden an 10 Platten durchgeführt, und diese wurden in den folgenden drei Kategorien durch den größten Risslängenwert der gemessenen Risslängen eingestuft.
A: Es wurden keine Risse beobachtet.
B: Beobachtete Risse waren weniger als 100 μm lang.
C: Die beobachteten Risse waren 100 μm lang oder länger. - Unter Berücksichtigung jeder Bewertung wurde eine umfassende Beurteilung gemäß den folgenden drei Kategorien durchgeführt.
Gut: Platten mit einem A-Wert sowohl in dem Ultraschall-Bonding-Test als auch dem Hitzezyklustest.
Mittel: Platten mit einem B-Wert entweder im Ultraschall-Bonding-Test oder im Hitzezyklustest.
Schlecht: Platten mit C-Wert entweder im Ultraschall-Bonding-Test oder im Hitzezyklustest. - Beispiele 2–5 und Vergleichsbeispiele 1–5
-
- Wie oben gezeigt, kann aufgrund der vorliegenden Erfindung beim Bonden von Kupferelektroden mit einer keramischen Leiterplatte durch Ultraschallbonden ein Verbinden ohne Risse, die in dem Keramiksubstrat auftreten, durchgeführt werden, wobei keramische Leiterplatten, die in der Lage sind, die Modulzuverlässigkeit zu verbessern, erhalten werden.
Claims (3)
- Keramische Leiterplatte mit einer an eine Oberfläche eines Keramiksubstrats gebondeten Metallleiterplatte und einer an die andere Oberfläche des Keramiksubstrats gebondeten Metallwärmeabstrahlungsplatte, wobei die Kristallkorngröße in der Metallleiterplatte mindestens 20 μm und höchstens 70 μm beträgt.
- Keramische Leiterplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das keramische Substrat Aluminiumnitrid umfasst.
- Verfahren zur Herstellung der keramischen Leiterplatte nach Anspruch 1 oder 2, umfassend das Anordnen einer Metallleiterplatte auf einer Oberfläche eines keramischen Substrats und das Anordnen einer Metallwärmeabstrahlungsplatte auf der anderen Oberfläche des keramischen Substrats und das Bonden der Metallleiterplatte und der Metallwärmeabstrahlungsplatte an das keramische Substrat in einem Vakuum von höchstens 1 × 10–3 Pa bei einer Bondingtemperatur von mindestens 780°C und höchstens 850°C für eine Verweilzeit von mindestens 10 Minuten und höchstens 60 Minuten.
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