DE3633907C2

DE3633907C2 -

Info

Publication number: DE3633907C2
Application number: DE19863633907
Authority: DE
Inventors: Altan Dipl.-Ing. 8560 Lauf De Akyuerek
Original assignee: Individual
Current assignee: AKYUEREK, ALTAN, DIPL.-ING., 8560 LAUF, DE
Priority date: 1986-08-02
Filing date: 1986-10-04
Publication date: 1989-06-15
Also published as: DE3633907A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäss Oberbegriff des Anspruches 1 zum haftfesten Verbinden eines Kupferkörpers mit einem Substrat.

Ein derartiges Verfahren ist aus der DE 31 37 570 A1 bekannt. Dort ist das Zwischengefüge dadurch bestimmt, daß ein eine Kupferoxidschicht aufweisendes Kupferteil bzw. ein verkupfertes Teil auf das Substrat aufgelegt wird. Das Zwischengefüge ist also eine Kupferoxidschicht.

Die DE 32 04 167 A1 beschreibt ein Verfahren zum direkten Verbinden von Metallstücken, die oberflächlich eine Metalloxidschicht tragen, mit Oxidkeramiksubstraten durch Erhitzen der mit den Metallstücken belegten Keramiksubstrate in sauerstoffhaltiger Atmosphäre bis zu einer Temperatur oberhalb der eutektischen Temperatur des Metalls und des Oxids, jedoch unterhalb der Schmelztemperatur des Metalls. Das Erhitzen erfolgt in einem Durchlaufofen in einer Stickstoffatmosphäre mit einem Sauerstoffzusatz und das Abkühlen im Durchlaufofen nach Verfestigung der eutektischen Schmelze in einer reinen Stickstoffatmosphäre. Bei diesem Verfahren wird das Zwischengefüge durch die Oxidschicht des mit dem Keramiksubstrat zu verbindenden Metallstücks gebildet.

Aus der DE 33 24 661 A1 ist ein Verfahren zum direkten Verbinden eines Metallteiles mit einem Keramiksubstrat bekannt, wobei das Metallteil an seiner Oberfläche mit einer Oxidschicht bedeckt ist und die Verbindung zwischen dem Metallteil und dem Keramiksubstrat durch Erhitzen des mit dem Metallteil belegten Keramiksubstrats bis zu einer Temperatur oberhalb der eutektischen Temperatur des Metalls und des Metalloxids aber unterhalb der Schmelztemperatur des Metalls erfolgt. Hierbei wird das Metallteil vor Durchführung des Verfahrens auf seiner mit dem Keramiksubstat zu verbindenden Oberfläche mit zueinander parallel verlaufenden Rillen versehen.

Die DE-OS 26 33 869 betrifft ein Verfahren zur Verbindung eines Metallteils mit einem keramischen Substrat, wobei ein mit dem Substrat verträgliches Verbindungsmittel verwendet wird, das zur Bildung einer eutektischen Legierung mit dem Metall geeignet ist. Die eutektische Legierung soll dabei vorwiegend aus dem Metall bestehen und eine Temperatur besitzen, die niedriger ist als der Schmelzpunkt des Metalls. Das Verbindungsmittel, d.h. das Zwischengefüge ist auch bei diesem Verfahren eine Oxidschicht des Metalls, das mit dem Keramiksubstrat verbunden werden soll. Außerdem kann das Zwischengefüge auch noch das zu verbindende Metall selbst enthalten.

Alle diese bekannten Verfahren weisen den Mangel auf, daß die Haftfestigkeit zwischen dem Metallteil und dem Substrat insbes. bei höheren Temperaturen noch Wünsche offen läßt, so daß bspw. eine Lötung in einer Wasserstoffatmosphäre zu einer Ablösung der Metallteile vom Substrat führen kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem die Haftfestigkeit zwischen dem Kupferkörper und dem Substrat weiter verbessert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teiles des Anspruches 1 gelöst.

Durch die Beaufschlagung der aufgerauhten Oberfläche des Substrates mit feuchter Luft wird die Rauhigkeit der Substratoberfläche und somit die Haftfestigkeit des Kupferkörpers auf dem Substrat erhöht. Diese positive Wirkung wird insbes. dadurch verstärkt, daß auf die so vorbereitete aufgerauhte Substratoberfläche eine Kupferdünnschicht und eine Kupfer(II)-Hydroxidschicht aufgebracht wird.

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 vorzugsweise folienförmigen Kupferkörper können kaschierte Substrate hergestellt werden, 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 Kupfer-Leiterbahnen bis zu sehr hohen Frequenzen eine ausgezeichnete Güte aufweisen.

Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, daß 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 eindiffundierenden Kupferoxids. Damit wird eine sehr gute Haftfestigkeit zwischen dem Kupferkörper und dem Substrat erzielt.

Das aufgerauhte Substrat wird vorzugsweise mit einer mindestens 50 Vol.-% 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. 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 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 aufgebracht. Dazu ist es selbstverständlich erforderlich, das Substrat in an sich bekannter Weise zu bekeimen. Da derartige Bekeimungsverfahren allgemein bekannt sind, erübrigt es sich, darauf detalliert einzugehen.

Die Kupferdünnschicht wird vorzugsweise bis zu einer Dicke von 1 µm bis 5 µm auf das entsprechend vorbereitete Substrat aufgebracht. Anschließend wird die Kupfer(II)-Hydroxidschicht vorzugsweise in einer Dicke zwischen 2 µm und 10 µm auf die Kupferdünnschicht aufgebracht. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, daß die Kupfer(II)-Hydroxidschicht in Form einer 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. Bspw. 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)-Hydroxidschicht ist deren Schichtdicke abhängig. Je niedriger die Viskosität der Paste ist, umso dünner ist die auf das Substrat aufgetragene Schicht aus Kufer(II)-Hydroxid. Das Kupfer(II)-Hydroxid kann auch pulverförmig oder als selbsttragende Folie aufgebracht werden.

Das den Kupferkörper tragende Substrat wird vorzugsweise in einer Stickstoffatmosphäre erhitzt, die 0,01 Vol.-% Sauerstoff enthält. Der hohe Stickstoffanteil bildet die sog. 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 zu verhindern, wird der Kupferkörper während der Erhitzung vorzugsweise mittels eines Auflagekörpers gegen das Substrat gepreßt. Bei diesem Auflagekörper kann es sich um einen Körper aus Siliziumkarbid handeln, weil ein derartiger Körper auch bei hohen Temperaturen über 1000°C und unter 1083°C (Schmelzpunkt des Kupfers) mit dem Kupferkörper nicht reagiert. Es ergibt sich somit ein fest haftender Verbund zwischen dem Substrat und dem blech- oder folienförmigen Kupferkörper, der an seiner freien Oberfläche nicht oxidiert wird. Auf dem Kupferkörper können also Lötverbindungen hergestellt werden, ohne daß der Kupferkörper einer Nachbehandlung unterzogen werden müßte.

Selbstverständlich ist es auch möglich, den insbesondere folienförmigen Kupferkörper nach der festhaftenden Anordnung auf dem Substrat zu strukturieren, um bspw. Leitungszüge auszubilden, auf denen z.B. elektronische Hybrid-Bauelemente 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 Durchgangslöchern im Substrat fluchten, durchzustecken.

Als Substrat kann ein Aluminiumnitrid zur Anwendung gelangen, weil Aluminumnitrid eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweist und nicht toxisch ist. Selbstverständlich können als Substratmaterialien auch Oxidkeramikmaterialien, nichtoxidische Keramiken oder Gläser verwendet werden.

Claims

1. Verfahren zum haftfesten Verbinden eines Kupferkörpers mit einem Substrat, wobei das Substrat an der für die Aufnahme des Kupferkörpers vorgesehenen Oberfläche aufgerauht wird, auf die aufgerauhte Oberfläche des Substrates ein ein Kupferoxid enthaltendes Zwischengefüge aufgebracht wird, auf dem Zwischengefüge der Kupferkörper angeordnet wird, und anschließend das den Kupferkörper tragende Substrat in einer Mischatmosphäre auf eine Temperatur unter der Schmelztemperatur des Kupfers (1083°C) erhitzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Aufrauhen der Substratoberfläche das Substrat mit einer feuchten Luftatmosphäre beaufschlagt und auf über 1300°C erhitzt und nachfolgend abgekühlt wird, daß auf die aufgerauhte Substratoberfläche eine Kupferdünnschicht und auf die Kupferdünnschicht eine Schicht aus Kufer(II)- Hydroxid aufgebracht wird, und daß anschließend der Kupferkörper auf der Kupfer(II) -Hydroxidschicht angeordnet wird, wobei die Temperatur beim Erhitzen so lange gehalten wird, bis genügend Kupferoxid 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 Vol. % 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 1 µm bis 5 µm 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 aufgebracht wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupfer(II)-Hydroxidschicht auf die Kupferdünnschicht als Paste aufgebracht wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das den Kupferkörper tragende Substrat in einer Stickstoffatmosphäre, die 0,01 Vol.-% Sauerstoff enthält, erhitzt wird.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kupferkörper während der Erhitzung auf eine Temperatur unter der Schmelztemperatur des Kupfers mittels eines Auflagekörpers gegen das Substrat gepreßt wird.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhitzung auf eine Temperatur unter der Schmelztemperatur des Kupfers bei einem Unterdruck durchgeführt wird.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Substrat Aluminiumnitrid verwendet wird.