DE19608683A1 - Verfahren zum Herstellen eines Substrates - Google Patents

Verfahren zum Herstellen eines Substrates

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß Oberbegriff Patentanspruch 1.
Bekannt ist es u. a., Metallisierungen oder Metallschichten bildende Metallfolien flächig unter Verwendung von Aktivlot an Isolierschichten, insbesondere Keramikschichten (z. B. Aluminiumnitrid-Keramik oder Aluminiumoxid-Keramik), an Siliziumschichten und/oder an Diamant-Schichten zu befestigen (DE 22 13 115). Die Verbindung erfolgt hierbei dadurch, daß chemische Bindungsbrücken zwischen den zu verbindenden Teilen gebildet werden, welche die Haftung bewirken.
Vielfach ist es auch erforderlich, zugleich weitere metallische Körper mit einer dieser Schichten zu verbinden, beispielsweise einen eine Durchkontaktierung oder eine thermische Brücke bildenden Metallkörper, der in einer Öffnung oder in einem Fenster der Isolierschicht angeordnet ist und zwei an den Oberflächenseiten der Isolierschicht vorgesehene Metallschichten miteinander verbindet.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren aufzuzeigen, welches in besonders einfacher Weise die Herstellung von Substraten ermöglicht, die zusätzlich zu Metallschichten, die durch Aktivlot auf einer Isolierschicht befestigt sind, wenigstens einen zusätzlichen metallischen Körper aufweisen, der mit wenigstens einer solchen Metallschicht verbunden ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Verfahren entsprechend dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 ausgebildet.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgen das Aktivlöten zwischen der die wenigstens eine Metallisierung oder Metallschicht bildenden Metallfolie und der benachbarten Oberflächenseiten der Isolierschicht sowie die weitere Verbindung bzw. das Diffusionslöten zwischen der Metallfolie und dem zusätzlichen metallischen Körper in einem einzigen Arbeitsgang.
Da die Verbindung zwischen der wenigstens einen Metallschicht und dem zusätzlichen Metall-Körper nicht unter Verwendung von Aktivlot realisiert wird, ist es bei der Erfindung auch nicht erforderlich, daß das Aktivlot auf kleine und/oder an ihrer Außenfläche gewölbte Körper aufgebracht werden muß, was in einem Fertigungsprozeß erhebliche Probleme bereiten würde.
Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Kupfer-Keramik-Substrat hergestellt nach einem Verfahren gemäß der Erfindung;
Fig. 2 in den Positionen a-d verschiedene Verfahrensschritte beim Herstellen des Substrates der Fig. 1;
Fig. 3 in vereinfachter Darstellung und im Schnitt ein weiteres Substrat hergestellt nach einem Verfahren gemäß der Erfindung.
Das in der Fig. 1 wiedergegebene Substrat besteht aus einer isolierenden Schicht 1, die beispielsweise eine Schicht aus einer Aluminiumoxid-Keramik (Al₂O₃), aus einer Aluminiumnitrid-Keramik (AlN), aus einem Siliziummaterial oder aus Diamant ist.
Auf beiden Oberflächenseiten der Schicht 1 ist jeweils eine Metallisierung oder Metallschicht 2 bzw. 3 vorgesehen, und zwar in Form einer Kupferschicht. jede Metallschicht ist flächig mit der benachbarten Oberflächenseite der Schicht 1 verbunden, und zwar unter Verwendung einer Schicht 4 aus einem Aktivlot. Dieses Aktivlot enthält einen ersten Metall-Anteil (beispielsweise auch in Form einer Legierung), der von dem Metall der Metallschichten 2 und 3, d. h. bei der dargestellten Ausführungsform von Kupfer, und einen zweiten Metallanteil, welcher von einem Metall der Gruppe Silber, Gold, Platin und Iridium gebildet ist. Zusätzlich zu diesen Metallanteilen enthält das Aktivlot auch einen geringen Anteil eines als Aktiv-Komponente wirkendes Metalls, d. h. eines Metalls, welches zu der Isolierschicht bzw. zu wenigstens einem Element dieser Isolierschicht eine besonders hohe Affinität aufweist, so daß beim Erhitzen auf eine Aktivlot- Löttemperatur durch chemische Reaktion eine Verbindung zwischen dem Aktivlot der Schicht 4 und der jeweiligen Kupferschicht 2 und 3 sowie der Isolierschicht 1 erreicht wird, ohne daß das Aktiv-Lot in der Schicht 4 in den schmelzflüssigen Zustand versetzt wird. Als Aktivkomponente eigenen sich z. B. Hafnium, Zirkon, Cer, Molybdän, Niob, Nickel, Tantal und Titan.
In der Isolierschicht 1 ist eine Durchbrechung oder ein Fenster 5 für eine Durchkontaktierung 6 vorgesehen. Die Durchkontaktierung 6 ist von einem Körper aus elektrisch leitenden Material gebildet, der durch Diffusionslötung jeweils mit beiden Kupferschichten 2 und 3 elektrisch verbunden ist und damit die die Kupferschichten 2 und 3 elektrisch und thermisch miteinander verbindende Durchkontaktierung 6 bildet.
Die Durchkontaktierung 6 ist bei der dargestellten Ausführungsform unter Verwendung einer Kugel 6′ aus Kupfer hergestellt, die an ihrer Oberfläche mit einer Schicht 7 versehen ist, welche bei dem für die Metallschichten und die Kugel 6′ verwendeten Material (Kupfer) als Diffusionslot geeignet ist. Die Schicht 7 besteht bei der dargestellten Ausführungsform aus Silber, welches beispielsweise galvanisch aufgebracht ist. Die Dicke der Schicht 7 liegt in der Größenordnung zwischen 0,1 bis 10 µm.
Grundsätzlich sind die Materialien für die Schicht 7 und für die Kugel 6′ so ausgewählt, daß neben der Eignung der Schicht 7 als Diffusionslot der Schmelzpunkt dieser Materialien in etwa gleich dem Schmelzpunkt der Schicht 4 aus Aktivlot ist. Die Dicke jeder Schicht 4 beträgt beispielsweise 1 bis 30 µm.
Die Fig. 2 zeigt in den Positionen a-d den prinzipiellen Ablauf des Verfahrens zum Herstellen des Substrates der Fig. 1.
In einem ersten Verfahrensschritt wird die Isolierschicht 1 (beispielsweise Keramikschicht) mit dem Durchbruch bzw. Fenster 5 versehen.
In einem zweiten, anschließenden Verfahrensschritt erfolgt dann das Auftragen der Schicht 4 aus dem Aktivlot auf beide Oberflächenseiten der Isolierschicht 1, beispielsweise mittels einer Drucktechnik oder auf andere geeignete Weise (Position a). Das Aktivlot wird hierbei als Paste aufgetragen, die die Metallbestandteile in einem Bindemittel enthält.
Nach dem Auftragen erfolgt ein Erhitzen der Isolierschicht auf eine Temperatur, die zum Austreiben des Lösungsmittels des Bindemittels geeignet ist.
In einem weiteren Verfahrensschritt (Position b) wird die Isolierschicht auf die untere Metallfolie 3′ aufgelegt und in das Fenster 5 der die spätere Durchkontaktierung 6 bildende Kugel 6′ eingesetzt, deren Durchmesser so gewählt ist, daß sie geringfügig über die obere, mit der Schicht 4 versehene Oberflächenseite der Isolierschicht 1 vorsteht. Die Kugel 6′ ist an ihrer Außenfläche bereits mit der Schicht 7 aus Silber versehen, und zwar dadurch, daß diese Schicht aufgalvanisiert ist.
In einem nachfolgenden Verfahrensschritt wird unter Verwendung eines zwei Preßstempel 8 und 9 aufweisenden Werkzeugs die Kugel 6′ so verformt, daß die Kugel 6′ genau mit der Oberseite der Isolierschicht 1 bzw. mit der dortigen Schicht 4 fluchtet. Danach wird die obere Metallfolie 2′ aufgelegt und der Verbund wird zwischen den Haltern 10 und 11 eines Einspannwerkzeugs (Spannzange) verspannt (Position d). Unter Aufrechterhaltung der Einspannung erfolgt dann ein Erhitzen der Anordnung in einer Schutzgasatmosphäre oder im Vakuum auf die Aktivlot-Löttemperatur, die vorzugsweise zwischen 800 und 1000°C liegt und bei der durch chemische Reaktion die Metallfolien 2′ und 3′ mit der Isolierschicht 1 über das Aktivlot der Schicht 4 und die Kugel 6′ über die als Diffusionslot wirkende Schicht 7 mit diesen Metallfolien verbunden werden, und zwar ohne daß die Materialien in den schmelzflüssigen Zustand übergehen.
Anstelle der Kugel 6′ kann auch ein anders geformtes Element, beispielsweise eine Ronde für die Herstellung der Durchkontaktierung 6 Verwendung finden.
Das beschrieben Verfahren hat den Vorteil, daß das Substrat bestehend aus der Isolierschicht 1 und den Metallschichten 2 und 3 mit der Durchkontaktierung 6 in besonders einfacher Weise unter Verwendung von Aktivlot hergestellt werden kann, wobei insbesondere vermieden ist, daß auf den die Durchkontaktierung 6 bildenden Körper (Kugel 6′ oder Ronde) Aktivlot aufgebracht werden muß, was in einer rationellen Weise nicht möglich wäre.
Als Aktivlot wird beispielsweise ein solches verwendet, welches bezogen auf 100 Gewichtsprozent Aktivlot etwa 40 Gewichtsprozent Kupfer, 35 Gewichtsprozent Silber und 5 Gewichtsprozent Titan enthält. Die Schicht 7 besteht dann aus Silber. Im Detail wird das Verfahren beispielsweise, wie folgt, durchgeführt.
Beispiel
Die Isolierschicht 1 wird beidseitig mit der Schicht 4 aus Aktivlot beschichtet, wobei dieses Aktivlot bezogen auf 100 Gewichtsprozent 50 Gewichtsprozent Silber, 45 Gewichtsprozent Kupfer und 5 Gewichtsprozent Titan enthält.
Anschließend erfolgt ein Erhitzen der beschichteten Isolierschicht 1 auf eine Temperatur im Bereich zwischen 200 und 600°C, um die löslichen Bestandteile des Bindemittels des Aktivlots auszutreiben. Die Dicke der Aktivlotschicht 4 beträgt dann etwa 1 bis 30 µm.
Anschließend erfolgt das bereits beschriebene Auflegen der Metallfolien 2′ und 3′, und das Einlegen der Kugel 6′ in das Fenster 5 und das Verformen der Kugel durch die Werkzeugteile 8 und 9.
Der Verbund wird anschließen mit der Spannzange zusammengepreßt und dann im Vakuum auf 875°C erhitzt und bei dieser Temperatur über eine Zeitspanne von etwa 5 Minuten gehalten. Anschließend wird das Substrat abgekühlt.
Fig. 3 zeigt eine weitere mögliche Ausführungsform eines Substrates. Diese besteht aus zwei Teilsubstraten 12 und 13, die jeweils von einer Isolierschicht 1 und der oberen und unteren Metallschicht 2 bzw. 3 gebildet sind. Die Metallschichten 2 und 3 sind jeweils über eine Schicht 4 aus Aktivlot mit der Isolierschicht 1 flächig verbunden.
Die beiden Teilsubstrate 12 und 13 sind übereinander gestapelt und voneinander beabstandet miteinander verbunden, und zwar über rohrartige Distanzelemente 14, die parallel zueinander und im Abstand voneinander sowie mit ihren Längserstreckungen parallel zu den Oberflächenseiten der Teilsubstrate 12 und 13 angeordnet sind, und zwar bei der für die Fig. 3 gewählten Darstellung mit ihrer Längserstreckung senkrecht zur Zeichenebene dieser Fig. 3. Die Distanzelemente 14 bestehen aus Kupfer und sind an ihrer Außenfläche mit einer Schicht 15 aus Silber versehen.
Die Herstellung des Substrates der Fig. 3 erfolgt in der Form, daß die beiden Isolierschichten 1 jeweils beidseitig mit der Schicht 4 aus Aktivlot versehen werden, daß dann nach dem Austreiben des Lösungsmittels durch Übereinanderstapeln der Metallfolien 2′ und 3′ und der Isolierschichten 1 die Teilsubstraten 12 und 13 gebildet und zwischen diesen die Distanzelemente 14 angeordnet werden, und daß dann dieser Gesamt-Verbund verspannt und im Vakuum oder in einer Schutzgasatmosphäre auf die Aktivlot-Löttemperatur, d. h. auf die Temperatur erhitzt wird, bei der durch chemische Reaktion die Verbindung der Schichten 2 und 3 über das Aktivlot mit der jeweiligen Isolierschicht 1 und durch Diffusionslöten die Distanzelemente 14 über ihre Silberschicht 15 mit jeweils einer Kupferfolie bzw. Metallschicht 2 und 3 verbunden werden.
Das in der Fig. 3 dargestellte Substrat bildet beispielsweise einen Kühlkörper, der im Bereich der rohrartigen Distanzelemente 14 von einem ersten, beispielsweise flüssigen Kühlmedium, und im Bereich zwischen zwei benachbarten Distanzelementen 14 von einem zweiten, gasförmigen Kühlmedium durchströmt werden kann.
Die Herstellung auch des in der Fig. 3 wiedergegebenen Substrates hat wiederum den Vorteil, daß auf die an ihrer Außenfläche gekrümmten Distanzelemente 14 ein Aktivlot nicht aufgebracht werden muß.
Bezugszeichenliste
1 Isolierschicht
2, 3 Metallschicht
2′, 3′ Kupferfolie
4 Aktivlotschicht
5 Durchbrechung
6 Durchkontaktierung
6′ Kugel
7 Schicht
8, 9 Stempel
10, 11 Einspannhalterung
12, 13 Einzelsubstrat
14 rohrartiges Distanzelement
15 Silberschicht

Claims (17)

1. Verfahren zum Herstellen eines Substrates, bei dem (Verfahren) an mindestens einer Oberflächenseite einer Isolierschicht (1) durch Aktivlöten bei einer Aktivlot-Löttemperatur und unter Verwendung eines als Schicht (4) aufgebrachten Aktivlotes wenigstens eine Metallfolie (2′, 3′) zur Bildung eine Metallschicht (2, 3) flächig befestigt wird, dadurch gekennzeichnet, daß im gleichen Arbeitsgang mit dem Aktivlöten mit der wenigsten einen Metallfolie (2′, 3′) ein metallischer Körper (6′, 14) verbunden wird, der zumindest an seiner Außenfläche aus einem metallischen Diffusionslot (7, 15) besteht, welches bei der Aktivlot-Löttemperatur eine Diffusionslot-Verbindung mit dem Metall der Metallfolie (2′, 3′) eingeht.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Diffusionslot ein Metall ist, welches auch Bestandteil des Aktivlotes ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Diffusionslot Silber und/oder Gold ist.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der metallische Körper (6′) an seiner Außenfläche mit einer Schicht (7, 15) aus dem Diffusionslot versehen ist, und daß diese Schicht vorzugsweise galvanisch aufgebracht ist.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der metallische Körper (6′, 14) aus einem Metall besteht, welches gleich dem Metall der wenigstens einen Metallschicht (2, 3) ist.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall des metallischen Körpers (6′, 14) und/oder der wenigstens einen Metallschicht Kupfer ist.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung eines Aktivlots, welches wenigsten zwei Metallkomponenten sowie wenigstens eine Aktivkomponente enthält, wobei die erste Metallkomponente wenigstens ein Metall der Gruppe Silber, Gold, Platin und Iridium und die zweite Metallkomponente wenigstens ein Metall der Gruppe Kupfer, Aluminium, Zinn, Indium und Blei ist, und wobei als Aktivkomponente wenigstens ein Metall der Gruppe Cer, Molybdän, Niob, Nickel, Tantal und Zirkonium verwendet ist.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung eines Aktiv-Lots, bei dem der Anteil der Aktivkomponente etwa 10 bis 3 Gewichtsprozent bezogen auf den Gesamtmetallanteil beträgt.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Aktivlot ein solches verwendet wird, welches als Hauptmetallbestandteile Kupfer und Silber und als Aktivkomponente Titan enthält, und zwar bevorzugt bezogen auf 100 Gewichtsprozent Aktivlot etwa 40 Gewichtsprozent Kupfer, 35 Gewichtsprozent Silber und 5 Gewichtsprozent Titan.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine Schicht aus Aktivlot mit einer Dicke zwischen 1 bis 30 µm aufgebracht wird.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtdicke des Diffusionslotes etwa 0,1 bis 10 µm beträgt.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Aufbringen der Aktivlotschicht (4) auf die Isolierschicht (1) ein Erhitzen auf eine Temperatur zwischen 200 und 600°C zum Austreiben organischer Bestandteile des Bindungsmittels erfolgt.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für das Aktivlöten und das Diffusionslöten eine Erhitzung auf eine Temperatur zwischen etwa 800 und 1000°C, vorzugsweise auf 875°C erfolgt.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Aktivlöten und Diffusionslöten in Vakuum oder in einer Schutzgasatmosphäre erfolgen.
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Isolierschicht (1) eine Schicht aus einer Aluminiumoxid-Keramik, aus einer Aluminiumnitrid-Keramik, aus einem Siliziummaterial oder aus Diamant verwendet wird.
16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallkörper (6′, 14) an seiner Außenfläche konvex gekrümmt ist.
17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zum Herstellen eines Substrates mit zwei an zwei Oberflächenseiten der Isolierschicht (1) vorgesehenen Metallschichten (2, 3) ein Körper (6′), vorzugsweise in Form einer Kugel oder Ronde, in ein Fenster (5) der Isolierschicht (1) eingesetzt und anschließend beim Aktivlöten durch Diffusionslöten mit den Metallfolien (2′, 3′) verbunden wird.
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