DE3633907A1 - Verfahren zum haftfesten verbinden eines kupferkoerpers mit einem substrat - Google Patents

Verfahren zum haftfesten verbinden eines kupferkoerpers mit einem substrat

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum haftfesten Verbinden eines Kupferkörpers mit einem Substrat.
Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise aus der DE-PS 26 33 869 bekannt. Bei diesem Verfahren wird der Kupfer­ körper mit dem Substrat bei einer Temperatur zwischen 1065 und 1083°C solange in Berührung gebracht, bis eine eutekti­ sche Schmelze aus Kupfer und Kupferoxid an der Grenzfläche zwischen dem Kupfer und dem Substrat gebildet wird, wonach die Schmelze zur Bildung einer direkten Verbindung zwischen dem Kupferkörper und dem Substrat abgekühlt wird. Dort wird zunächst auf der Oberfläche des Kupfers oder auf der Ober­ fläche des Substrates eine Schicht aus Kupferoxid ausgebildet und anschließend der Kupferkörper und das Substrat in einer inerten Atmosphäre solange erhitzt, bis die Schmelze aus Kupfer und Kupferoxid im endgültigen Zustand untereudektisch ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem in einfacher Weise zwischen einem Substrat und einem Kupfer­ körper eine haftfeste Verbindung möglich ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die folgenden Ver­ fahrensschritte gelöst:
  • a) Aufrauhen des Substrates an der für die Aufnahme des Kupfer­ körpers vorgesehenen Oberfläche,
  • b) Beaufschlagen des Substrates mit einer feuchten Luftatmos­ phäre und Erhitzen des beaufschlagten Substrates auf über 1300°C,
  • c) Abkühlen des Substrates,
  • d) Aufbringen einer Kupfer-Dünnschicht auf das Substrat,
  • e) Auftragen einer Schicht aus Kupfer-(II)-Hydroxid auf die Kupferdünnschicht,
  • f) Anordnen des Kupferkörpers auf der Kupfer-(II)-Hydroxid­ schicht,
  • g) Erhitzen des den Kupferkörper tragenden Substrates in einer Mischatmosphäre auf eine Temperatur unter der Schmelz­ temperatur des Kupfers (1083°C), wobei die Temperatur solange gehalten wird, bis genügend Metalloxid aus der Kupfer-(II)-Hydroxidschicht in das Substrat diffundiert ist.
Bei dem Kupferkörper handelt es sich vorzugsweise um eine Kupferfolie, deren Dicke im Bereich zwischen 10 µm und 1 mm oder größer liegt. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, mit einem vorzugsweise folienförmigen Kupferkörper kaschierte Substrate herzustellen, wobei der folienförmige Kupferkörper mit dem Substrat sehr haftfest verbunden ist.
Ein solcher Verbundkörper eignet sich in vorteilhafter Weise als Schaltungsplatine für Leistungselektronik-Schaltungen, die infolge der relativ dicken Leiterbahnen aus Kupfer bis zu sehr hohen Frequenzen eine ausgezeichnete Güte aufweisen.
Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, daß beim erfindungsgemäßen Verfahren das Substrat durch Sandstrahlen aufgerauht wird. Dabei wird das Substrat vorzugsweise bis zu einer Rauhtiefe zwischen 0,1 µm und 2 µm aufgerauht. Durch das Aufrauhen des Substrates ergibt sich eine Vergrößerung seiner Oberfläche und damit eine Erhöhung der Diffusionsrate des in das Substrat eindiffundieren­ den Kupferoxyds während der Durchführung des Verfahrensschrittes d). Damit wird eine sehr gute Haftfestigkeit des Kupferkörpers auf dem Substrat erzielt.
Das aufgerauhte Substrat wird vorzugsweise mit einer mindestens 50% Luftfeuchtigkeit aufweisenden Luftatmosphäre beaufschlagt, bevor nach Abkühlung des Substrates und nach dem Aufbringen der Kupferdünnschicht die Schicht aus Kupfer-(II)-Hydroxid auf die Kupferdünnschicht aufgebracht wird. Dadurch, daß die Oberfläche des Substrates vor der Beaufschlagung mit der feuchten Luft­ atmosphäre aufgerauht wird, verbleibt ein gewisser Restanteil der Feuchtigkeit an der aufgerauhten Oberfläche des Substrates, die zur Erhöhung der Haftfestigkeit des Kupferkörpers auf dem Substrat beiträgt. Nach der Beaufschlagung des Substrates mit der feuchten Luftatmosphäre und nach dem Erhitzen des mit der feuchten Luftatmosphäre beaufschlagten Substrates auf über 1300°C wird das Substrat relativ langsam auf Temperaturen um 600°C abgekühlt, wodurch sich eine Temperung des Substrates ergibt.
Die Kupferdünnschicht kann auf jede beliebige bekannte Art auf das Substrat aufgebracht werden. Vorzugsweise wird die Kupferdünnschicht auf das Substrat auf chemischem Wege aufge­ bracht. Dazu ist es selbstverständlich erforderlich, das Substrat in an sich bekannter Weise zu bekeimen. Da derartige Bekeimungsverfahren allgemein bekannt sind, erübrigt es sich, darauf detaillierter einzugehen.
Die Kupferdünnschicht wird vorzugsweise bis zu einer Dicke von 1 µm auf das entsprechend vorbereitete Substrat aufgebracht.
Im anschließenden Verfahrensschritt wird die Kupfer-(II)-Hydro­ xidschicht vorzugsweise in einer Dicke zwischen 2 µm und 10 µm auf die Kupferdünnschicht aufgebracht.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, daß die Kupfer-(II)-Hydro­ xidschicht in Form einer während der Durchführung des Verfahrens­ schrittes g) verdampfende Bindemittel enthaltenden Paste auf die Kupferdünnschicht aufgebracht wird. Bei dieser Paste wird die Viskosität entsprechend dem zur Anwendung gelangenden Verfahren zum Aufbringen der Paste auf das Substrat eingestellt. Beispiels­ weise kann die Paste auf das Substrat in einem Siebdruckverfahren aufgebracht werden. Selbstverständlich ist es auch möglich, das Kupfer-(II)-Hydroxid auf das Substrat aufzupinseln, aufzustreichen oder aufzuspritzen. Von der Viskosität der Kupfer-(II)-Hydro­ xidschicht ist auch deren Schichtdicke abhängig. Je niedriger die Viskosität der Paste ist, umso dünner ist die auf das Substrat aufgetragene Schicht aus Kupfer-(II)-Hydroxid. Das Kupfer-(II)-Hydroxid kann auch pulverförmig oder als selbst­ tragende Folie aufgebracht werden.
Das den Kupferkörper tragende Substrat wird vorzugsweise in einer Stickstoffatmosphäre erhitzt, die 0,01% Sauerstoff enthält. Der hohe Stickstoffanteil bildet die sogenannte inerte Komponente, während der Sauerstoff den reaktiven Anteil der Atmosphäre bildet.
Um während des Erhitzens des den Kupferkörper tragenden Substrates ein durch Gasbildung in der Kupfer-(II)-Hydroxidschicht mögliches ungewolltes Abheben des Kupferkörpers vom Substrat sicher zu verhindern, wird der Kupferkörper während der Durchführung des Verfahrensschrittes g) vorzugsweise mittels eines Auflage­ körpers gegen das Substrat gepreßt. Bei diesem Auflagekörper kann es sich um einen Körper aus Siliziumkarbid handeln, weil ein derartiger Körper mit dem Kupferkörper auch bei hohen Temperaturen über 1000°C und unter 1083°C (Schmelzpunkt des Kupfers) mit dem Kupfer nicht reagiert. Auf diese Weise ergibt sich ein festhaftender Verbund zwischen dem Substrat und dem blech- oder folienförmigen Kupferkörper, der während der Durch­ führung des erfindungsgemäßen Verfahrens an seiner freien Oberfläche nicht oxidiert wird. Somit ergibt sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren die Möglichkeit, auf dem Kupfer­ körper Lötverbindungen herzustellen, ohne daß der Kupferkörper nach der haftfesten Befestigung auf dem Substrat einer Nachbe­ handlung unterzogen werden müßte.
Selbstverständlich ist es auch möglich, den insbesondere folien­ förmigen Kupferkörper nach der festhaftenden Anordnung auf dem Substrat zu strukturieren, um beispielsweise Leitungszüge auszubilden, auf denen elektronische Bauelemente in Hybridtechnik, in SMD-Technik o. dgl. befestigt werden können. Es ist auch möglich, das Substrat mit Durchgangslöchern auszubilden, um elektronische Bauelemente mit ihren Anschlußelementen nach Herstellung des Verbundkörpers aus dem Substrat und dem Kupferkörper durch die Durchgangslöcher des Substrates und durch Löcher im Kupferkörper, die mit den Durch­ gangslöchern im Substrat fluchten, durchzustecken.
Als Substrat kann ein Aluminiumnitrit zur Anwendung gelangen, weil Aluminiumnitrit eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweist und nicht toxisch ist. Selbstverständlich können als Substratmaterialien auch Oxidkeramikmaterialien, nichtoxidische Keramiken, Gläser o. dgl. verwendet werden.

Claims (12)

1. Verfahren zum haftfesten Verbinden eines Kupferkörpers mit einem Substrat, gekennzeichnet durch die Gesamtheit der folgenden Verfahrensschritte:
  • a) Aufrauhen des Substrates an der für die Aufnahme des Kupferkörpers vorgesehenen Oberfläche,
  • b) Beaufschlagen des Substrates mit einer feuchten Luft­ atmosphäre und Erhitzen des Substrates auf über 1300°C,
  • c) Abkühlen des Substrates,
  • d) Aufbringen einer Kupferdünnschicht auf das Substrat,
  • e) Auftragen einer Schicht aus Kupfer-(II)-Hydroxid auf die Kupferdünnschicht,
  • f) Anordnen des Kupferkörpers auf der Kupfer-(II)-Hydroxid­ schicht, und
  • g) Erhitzen des den Kupferkörper tragenden Substrates in einer Mischatmosphäre auf eine Temperatur unter der Schmelztemperatur des Kupfers (1083°C), wobei die Temperatur solange gehalten wird, bis genügend Metall­ oxid aus der Kupfer-(II)-Hydroxidschicht in das Substrat diffundiert ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat durch Sandstrahlen aufgerauht wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat bis zu einer Rauhtiefe zwischen 0,1 µm und 2 µm aufgerauht wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das aufgerauhte Substrat mit einer mindestens 50% Luftfeuchtigkeit aufweisenden Luftatmosphäre beaufschlagt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupferdünnschicht chemisch auf das Substrat aufgebracht wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupferdünnschicht bis zu einer Dicke zwischen 1µm bis 5µm auf das Substrat aufgebracht wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupfer-(II)-Hydroxidschicht in einer Dicke zwischen 2 µm und 10 µm auf die Kupferdünnschicht aufge­ bracht wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupfer-(II)-Hydroxidschicht in Form einer während der Durchführung des Verfahrensschrittes g) verdampfende Bindemittel enthaltenden Paste auf die Kupferdünnschicht aufgebracht wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das den Kupferkörper tragende Substrat in einer Stickstoffatmosphäre erhitzt wird, die 0,01% Sauerstoff enthält.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kupferkörper während der Durchführung des Ver­ fahrensschrittes g) mittels eines Auflagekörpers gegen das Substrat gepreßt wird.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Verfahrensschritt g) bei einem Unterdruck durchge­ führt wird.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Substrat Aluminiumnitrid verwendet wird.
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