DE3884772T2

DE3884772T2 - Keramik-Metall-Verbund und Verfahren zu seiner Herstellung.

Info

Publication number: DE3884772T2
Application number: DE88311882T
Authority: DE
Inventors: Hiroshi C O Patent Di Komorita; Kazuo C O Patent Div Matsumura; Nobuyuki C O Patent D Mizunoya; Tadashi C O Patent Divi Tanaka
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1987-12-18
Filing date: 1988-12-15
Publication date: 1994-01-27
Anticipated expiration: 2008-12-16
Also published as: DE3855854T2; US4954386A; EP0525820A2; EP0525820A3; DE3855854D1; JPH01161892A; DE3884772D1; EP0525820B1; EP0321246B1; KR890011501A; EP0321246A1; KR910005960B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Keramik-Metall-Verbundsubstrat, bei welchem ein Kupferblech direkt mit einem Keramiksubstrat verbunden ist, sowie ein zugehöriges Herstellungsverfahren.
In vergangenen Jahren wurden DBC-Substrate (direct bonded copper: direkt verbundenes Kupfer) für keramische Schaltungsplatinen verwendet, die für Substrate für keramische Schaltungsplatinen bestimmt sind, welche beispielsweise für Substrate in Transistormodulen bestimmt sind. Sie werden dadurch erhalten, daß ein Kupferblech in einer bestimmten Position auf einem Keramiksubstrat angeordnet wird und durch Erhitzung das Blech und das Substrat direkt miteinander verbunden werden. Die Erhitzung wird bei einer Temperatur ausgeführt, welche nicht den Schmelzpunkt von Kupfer (1083ºC) übersteigt, und oberhalb des eutektischen Punktes von Kupfer und Sauerstoff (1065ºC) liegt. Später werden aus dem Kupferblech Leiterschaltkreise gebildet.
In dem GBC-Substrat werden während der Wärmeeinwirkung die Keramiksubstrate stark verwunden oder verformt. Daher wird aus den Keramiksubstraten oder in Kupferblechen austretendes Gas in den Grenzflächen zwischen den Keramiksubstraten und den Kupferblechen eingefangen und in Abschnitten der Kupferbleche treten feine Blasen auf, oder es werden ungenügend verbundene Abschnitte in den Verbundwerkstoffen erzeugt. Wachsen diese Blasen auf eine Größe an, die einen bestimmten Pegel überschreitet, führen sie in der Hinsicht zu einem Problem, daß die DBC-Substrate keine einfache Montage von Siliziumhalbleiterchips auf den Substraten zulassen, und daher gibt es eine geringe Produktausbeute. Ein weiteres Problem besteht darin, daß dann, wenn die Chips montiert werden können, die Chips eine schlechte Anhaftung zeigen und unter einer schlechteren Wärmeleitfähigkeit leiden.
Von Jochym (U.S.-Patent 4 409 278) wurde ein direkt verbundener Metall-Substrat-Verbundwerkstoff vorgeschlagen, der Entlüftungskanäle zwischen den durchgehenden Oberflächen des Metallblechs und des Substrats aufweist. Diese Konstruktion verhindert offensichtlich das Auftreten von Blasen in der Grenzfläche. Allerdings haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung herausgefunden, daß selbst dann, wenn eine derartige Konstruktion bei einem derartigen Verbundsubstrat verwendet wird, sie nicht häufig eine sehr zufriedenstellende Wärmeleitfähigkeit zur Verfügung stellt. Dies liegt daran, daß eine derartige Konstruktion es zuläßt, daß die Ätzflüssigkeit und flüssiges Material, wie beispielsweis Lötflußmittel, in die Nuten beim Montgevorgang eintritt, und derartige Flüssigkeit verhindert, daß die Grenzfläche zwischen dem Kupferblech und dem Keramiksubstrat eine gute Haftung aufweist. Die Nuten selbst oder die mit Flußmittel gefüllten Nuten verringern beide die Wärmeleitfähigkeit an der Grenzfläche. Dies stellt ein schwerwiegendes Problem dar, da die Wärmeleitfähigkeit für derartige Substrate wichtig ist, um wirksam Wärme von den auf ihnen anzubringenden Siliziumchips zu verteilen.
Uns ist die Veröffentlichung, in der GB-A-2 099 742, eines Keramik-Metall-Verbundsubstrats, bekannt, bei welchem Durchgangslöcher und Nuten zum Ablassen von Gasen während des Verbindungsvorgangs vorgesehen sind: Dies löst nicht das Problem, daß sich die Nuten mit Flußmittel füllen.
Die vorliegende Erfindung wurde zur Lösung des voranstehenden Problems entwickelt. Eine der Erfindung zugrundliegende Aufgabe besteht in der Bereitstellung eines verbundenen Keramik-Metall-Verbundsubstrats, welches mit hoher Ausbeute hergestellt werden kann, ohne ein wesentliches Auftreten von Blasen an der Grenzfläche. Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines verbundenen Keramik-Metall-Verbundsubstrats, welches äußerst zufriedenstellende Wärmeleitfähigkeit zeigt und nachfolgende Behandlungvorgänge ermöglicht, beispielsweise die Montage eines Chips auf den Verbundwerkstoff, ohne daß hierbei merkbare Schwierigkeiten auftreten. Genauer gesagt, richtet sich gemäß einer Zielrichtung die vorliegende Erfindung auf ein verbundenes Keramik-Metall-Verbundsubstrat, welches ein Keramiksubstrat mit gegenüberliegenden Oberflächen aufweist sowie ein Kupferblech, das mit einer Stirnfläche versehen ist, die direkt mit einer der Oberflächen des Keramiksubstrats verbunden ist, mit zumindest einem Loch durch das Kupferblech, und zumindest einer Nut auf der Stirnfläche des Kupferbleches, wobei das Loch mit der Nut in Verbindung steht, und die Stirnfläche eine Umfangsgrenze aufweist, in welcher keine Nuten vorgesehen sind.
Gemäß einer weiteren Zielrichtung stellt die Erfindung ein entsprechendes Verfahren zur Herstellung eines keramischen Schaltungssubstrats zur Verfügung, wie im Patentanspruch 9 angegeben.
Die Ausbildung der Nuten gemäß der vorliegenden Erfindung kann verhindern, daß Ätzflüssigkeit und flüssiges Material wie beispielsweise Lötflußmittel beim Montagevorgang in die Nuten hineingelangt, wenn das Durchgangsloch durch Kunstharz abgedeckt ist. Nachdem das Problem des Eintritts von Flüssigkeit in die Nuten erkannt worden war, wurde deutlich, daß die Enden der Nuten hätten verschlossen werden können, beispielsweise unter Verwendung von Kunstharz, vor weiteren Bearbeitungsvorgängen. Die vorliegende Erfindung allerdings stellt eine Anordnung zur Verfügung, die überraschende Vorteile anhand unerwarteter Verbesserungen der Bearbeitungsgeschwindigkeit und bezüglich verringerter Kosten aufweist.
Die Ausbildung der Nuten gemäß der vorliegenden Erfindung führt darüber hinaus selbstverständlich dazu, daß die vorteilhaften Wirkungen beibehalten und sogar noch verbessert werden, die durch Vermeidung der Ausbildung von Blasen an der Grenzfläche zwischen den zu verbindenen Bauteilen erreicht werden. Das in der Grenzfläche eingefangene Gas wird über die an das Durchgangsloch angeschlossenen Nuten entlüftet.
Ausführungsformen der Erfindung werden nachstehend nur beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei:
Fig. 1 eine Schnittansicht eines Kupferblechs mit einer Metallform ist, welche mit einem V-förmigen Vorsprung zur Ausbildung der Nuten versehen ist;
Fig. 2 eine Schnittansicht eines Kupferblechs mit durch einen Ätzvorgang hergestellten Nuten ist;
Fig. 3 eine Perspektivdarstellung einer Walze ist, welche die Nuten ausformt;
Fig. 4A eine Aufsicht mit einer Darstellung einer Seite des Metall-Keramik-Verbundsubstrats gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist;
Fig. 4B eine Aufsicht mit einer Darstellung der entgegengesetzten Seite des Metall-Keramik-Verbundsubstrats von Fig. 4A ist;
Fig. 4C ein Querschnitt entlang der Linie x-x von Fig. 4A ist;
Fig. 5A eine Aufsicht auf eine Oberfläche des Substrats gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist; und
Fig. 5B eine Aufsicht auf die entgegengesetzte Oberfläche des Substrats von Fig. 5A ist.
Nunmehr wird im einzelnen Bezug auf die vorliegenden, bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung genommen, von welchen Beispiele in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind. Gemäß der Erfindung weist das verbundene Keramik-Metall-Verbundsubstrat ein Keramiksubstrat und ein Kupferblech auf, welches mit zumindest einer Oberfläche des Substrats verbunden ist. Das Kupferblech ist mit zumindest einer Nut auf seiner Oberfläche versehen. Zumindest ein Durchgangsloch ist so vorgesehen, daß es mit jeder Nut in dem Kupferblech verbunden ist. Dieses Durchgangsloch arbeitet als ein Gasentlüftungsloch, und ermöglicht es, ein Anschwellen des verbundenen Abschnitts zu verhindern. Das Durchgangsloch sollte einen Durchmesser in der Größenordnung von etwa 0,2 mm bis 1,0 mm aufweisen, und sollte an einem Ort vorgesehen sein, bei welchem es nicht die Montage stört. Dieses Durchgangsloch kann durch Ätzen oder irgendein bekanntes mechanisches Verfahren ausgebildet werden.
Die Nuten sollten vorzugsweise in großer Anzahl und in paralleler Anordnung vorgesehen sein. Diese Nuten sollten eine Breite im Bereich von etwa 0,01 bis 3 mm aufweisen, vorzugsweise 0,5 bis 1 mm, und eine Maximaltiefe von 0,1 mm bzw. einer Hälfte der Dicke des Kupferbleches, je nachdem, welches Maß kleiner ist. Vorzugsweise liegt die Tiefe zwischen 0,02 mm und 0,08 mm. Diese Nuten sollten durch einen festen Teilungsabstand getrennt sein, so daß also die Entfernung zwischen den Zentrumslinien benachbarter Nuten im Bereich von 1 bis 25 mm liegt.
Die Bereiche, in welchen keine Nuten auf dem Kupferblech vorgesehen sind, bilden vorzugsweise einen Grenzbereich mit einer Entfernung von zumindest 1 mm von jeder Kante des Kupferbleches aus.
Die Nuten können in dem Kupferschaltungssubstrat durch irgendeines der nachstehend beschriebenen Verfahren ausgebildet werden.
(1) Wie in Fig. 1 gezeigt, ist eine Metallform 1 mit auf ihr angeordneten Vorsprüngen 2 versehen. Ein Andrücken durch die Metallform 1 wird so durchgeführt, daß die Tiefe der Nuten entsprechend der Dicke eines Anschlags 3 eingestellt wird, wodurch Nuten 5 mit einer vorbestimmten Tiefe in einem Kupferteil 4 erzeugt werden.
(2) Wie in Fig. 2 gezeigt, wird ein Maskierungsfilm 6 auf beiden Seiten eines Kupferteils 4 hergestellt. Ein Abschnitt 6a entspricht einer gewünschten Nutausbildungsposition auf einer Seite des Teils 4. Der Maskierungsfilm in dem Abschnitt 6a wird entfernt. Dann wird das Kupferteil 4 geätzt, um Nuten 5 auszubilden.
(3) Wie in Fig. 3 gezeigt ist, weist eine Walzrolle 7 Vorsprünge 8 auf ihrem Außenumfang auf. Ein Kupferteil 4 wird zwischen der Rolle und einer Laufrolle 9 gewalzt, um Nuten 5 auszubilden.
Bei den voranstehend geschilderten Verfahren (1) bis (3) kann das Verfahren (1) die Nuten in einer vorbestimmten Tiefe ausbilden, selbst wenn sich die Dicke des Kupferteils ändert, da die Tiefe der Nuten durch den Anschlag eingestellt wird; das Verfahren (2) ist für die Herstellung eines Prototyps und kleine Probenmengen geeignet, da es keine Metallform und andere Einrichtungen benötigt; und das Verfahren (3) ist dazu geeignet, die Nuten zusammen dadurch herzustellen, daß als das Kupferteil ein Streifenmaterial eingesetzt wird. Vorzugsweise werden die Nuten unter Verwendung des Verfahrens (1) oder (3) hergestellt, da hierbei eine Ausbildung der Nuten durch plastische Verformung auftritt. Derartige Nuten werden in gewissem Ausmaß abgeflacht oder "ausgelöscht", und zwar durch die Wärme, die im Verlauf der Verbindung des Kupfers mit der Keramik eingesetzt wird. Zu dem Zeitpunkt, an welchem das mit den Nuten versehene Kupferblech mit dem Keramiksubstrat verbunden wird, findet der aus dem Kupferblech austretende Sauerstoff seinen Weg durch diese Nuten hinaus. Zur selben Zeit "erholen sich" die Nuten, die durch plastische Verformung hergestellt wurden, und werden schließlich in gewissem Ausmaß abgeflacht, als Ergebnis der intensiven Erwärmung, die im Verlauf des Verbindungsvorgangs eingesetzt wird. Dies führt dazu, daß die Spaltbreite zwischen dem Keramiksubstrat und dem Kupferblech abnimmt. Aus diesem Grunde weist das Keramik-Kupfer-Verbundsubstrat, welches durch die voranstehenden Verfahren (1) und (3) hergestellt wird, eine höhere Wärmeleitfähigkeit auf als ein Substrat, welches durch das voranstehende Verfahren (2) hergestellt wird.
Diese Verfahren werden wahlweise entsprechend ihrer Eigenschaften eingesetzt. Die Nuten können auch so hergestellt werden, daß sie von dem Durchgangsloch aus radial verlaufen.
Das zu verwendende Kupferblech besteht vorzugsweise aus sauerstoffreiem Kupfer oder Elektrolytzähkupfer mit einem Sauerstoffgehalt im Bereich von 100 bis 2000 Teilchen pro Million, vorzugsweise 200 bis 500 Teilchen pro Million. In der Praxis liegt die Dicke des Kupferblechs im Bereich von 0,03 bis 0,5 mm. Die Keramiksubstrate, die bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden, umfassen Substrate, die aus Aluminiumoxid, Berylliumoxid und anderen Sinterkeramiken auf Oxidbasis hergestellt sind, sowie Sinterkeramiken auf Nichtoxidbasis, wie Aluminiumnitrid, Siliziumnitrid, Titannitrid, Siliziumkarbid, und andere. Wird ein Kerarniksubstrat auf Nichtoxidbasis verwendet, so wird vorzugsweise mit den Verbindungsstirnflächen vorher eine Oxidationsbehandlung durchgeführt.
Um das Auftreten von Blasen zu verhindern, sollte die Verwerfung, die möglicherweise bei dem Keramiksubstrat auftritt, nicht größer sein als 20 µm pro 50 mm. Um diesen Bereich zu erzielen, ist es wünschenswert, daß das Keramiksubstrat speziell poliert wird, und dann naß gehont wird, vor dem Verbindungsvorgang.
Die Verbindung des Keramiksubstrats mit dem Kupferblech wird beispielsweise, wie nachstehend angegeben, ausgeführt.
Das Kupferblech wird in einer vorbestimmten Position auf dem Keramiksubstrat angebracht. Die in diesem überlagerten Zustand gehalterten Bauteile werden in einer nichtoxidierenden Atmosphäre erhitzt (oder, wenn das Kupferblech aus sauerstoffreiem Kupfer besteht, in einer oxidierenden Atmosphäre, die einen sehr geringen Sauerstoffanteil enthält), bei einer Temperatur im Bereich von 1065 bis 1083ºC, und vorzugsweise 1070 bis 1075ºC. Die Erwärmungszeit liegt in geeigneter Weise in einem Bereich von 2 bis 30 min. Nach der auf diese Weise erfolgten Erhitzung wird der Verbundwerkstoff abgekühlt, so daß der verbundene Keramik-Metall-Verbundwerkstoff fertig ist.

Beispiel (1)

Nachstehend wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Wie in den Fig. 4A und 4C gezeigt, weist die vordere Oberfläche einer Kupferschaltungsplatine 10, die mit einem Keramiksubstrat 13 verbunden ist, eine große Anzahl V-förmiger Nuten 11 auf, die parallel zueinander angeordnet sind, mit einer Breite von 100 µm und einer Tiefe von 30 µm, gesehen von einem Rand von 1 mm um die Kante jedes Kupferblechs herum. Diese V-förmigen Nuten 11 sind mit einem Durchgangsloch 12 verbunden, welches einen Durchmesser von etwa 0,5 mm aufweist. Wie in den Fig. 4B und 4C gezeigt, ist auch die rückseitige Oberfläche der Schaltungsplatine 10, die mit dem Keramiksubstrat 13 verbunden ist, mit V-förmigen Nuten 11 und einem Durchgangsloch 12 auf dieselbe Weise versehen. Die Kupferschaltungsplatine 10 ist direkt mit dem Keramiksubstrat 13 verbunden.
Ein derartiges keramisches Schaltungssubstrat wird beispielsweise durch das nachstehend beschriebene Verfahren hergestellt.
Zuerst wurde eine Metallform 1 vorbereitet, die V-förmige Vorsprünge 2 (wie in Fig. 1 gezeigt) aufweist. Die Tiefe der V-förmigen Nuten wurde mit einem Anschlag 3 eingestellt. Dann wurde ein preßformen durchgeführt, um eine große Anzahl V-förmiger Nuten 5 auszubilden, die eine Breite von 100 µm und eine Tiefe von 30µm aufwiesen, mit der Ausnahme eines Randes von 1 mm entlang der Kante des vorbestimmten Schaltungsmusters des Kupferteils 4. Dann wurde ein Stanzwerkzeug dazu verwendet, das Kupferteil 4 in eine vorbestimmte Form auszuformen und gleichzeitig ein Durchgangsloch zu bilden, wodurch die in Fig. 4 gezeigte Kupferschaltungsplatine 10 hergestellt wurde. Daraufhin wurde die Oberfläche der Kupferschaltungsplatine 10, in welcher die V-förmigen Nuten 11 ausgebildet wurden, in Berührung mit einem Keramiksubstrat 13 gebracht. Die Bauteile wurden dadurch miteinander verbunden, daß eine Erhitzung in einer Stickstoffgasatmosphäre bei einer Temperatur von 1070ºC über 10 min erfolgte.
Wurde das Erscheinungsbild des auf diese Weise erhaltenen keramischen Schaltungssubstrats untersucht, so zeigte sich eine sehr geringe Schwellung, und das Oberflächenverhältnis entsprach 2% oder weniger. Es ließ sich kein Eintritt des flüssigen Materials in die V-förmigen Nuten während des darauffolgenden Herstellungsvorgangs feststellen.

Veraleichsbeispiel (1)

Zum Vergleich wurde ein Vergleichsbeispiel (1) ausgeführt. Es wurde ein Verbundwerkstoff verwendet, der weder ein Durchgangsloch in dem Kupferblech noch einen Rand aufwies, der entlang der Kante des Kupferbleches verläuft und keine Nuten aufweist.
Die Nuten bei diesem Vergleichsbeispiel werden durch Ätzen ausgeformt. Wurde das Erscheinungsbild des auf diese Weise erhaltenen keramischen Schaltungssubstrats untersucht, so verursachte eine Schwellung ein Oberflächenverhältnis von nur etwa 4%. Daher ergab sich eine hohe Ausbeute des Produkts. Allerdings war die Wärmeleitfähigkeit dieses Produktes unzumutbar gering. Dies lag daran, daß die Ätzflüssigkeit und Lötflußmittel während des Montagevorgangs in die Nuten hineingelangt waren, und derartige Flüssigkeiten eine schlechte Haftung und schlechte Wärmeleitfähigkeit in der Grenzfläche zwischen dem Kupferblech und dem Keramiksubstrat erzeugen.

Vergleichsbeispiel (2)

Es wurde ein Vergleichsbeispiel (2) durchgeführt, bei welchem weder ein Durchgangsloch noch Nuten in dem Kupferblech hergestellt wurden. Das Auftreten einer Schwellung bei diesem Beispiel entsprach einem Oberflächenverhältnis von etwa 10%.

Beispiel (2)

Wie in den Fig. 5A und 5B gezeigt ist, wurde eine weitere Probe hergestellt, bei welcher die Nuten so ausgebildet waren, daß sie von dem Durchgangsloch aus radial verliefen.
Dieses Beispiel führte im wesentlichen zum selben Ergebnis wie beim Beispiel 1.
Die vorliegende Erfindung wurde unter Bezug auf bestimmte Ausführungsformen beschrieben. Allerdings wird Fachleuten auffallen, daß andere Ausführungsformen auf der Grundlage der Grundsätze der vorliegenden Erfindung sich in einfacher Weise ergeben. Derartige Ausführungsformen sollen durch die beigefügten Patentansprüche mit umfaßt sein.

Claims

1. Keramik-Metall-Verbundsubstrat mit einem Keramiksubstrat (13), welches entgegengesetzte Oberflächen aufweist, und einem Kupferblech (10), das eine Vorderfläche aufweist, welche direkt mit einer der Oberflächen des Keramiksubstrats (13) verbunden ist, und mit zumindest einer Nut (11) auf der Vorderfläche des Kupferbleches (10), gekennzeichnet durch zumindest ein Loch (12) durch das Kupferblech (10), wobei das Loch (12) in Verbindung mit der Nut (11) steht, und die Vorderfläche eine Umfangsgrenze aufweist, in welcher keine Nuten (11) vorgesehen sind.

2. Keramik-Metall-Verbundsubstrat nach Anspruch 1, bei welchem das Durchgangsloch (12) zylindrisch ist und einen Durchmesser in dem Bereich von 0,2 mm bis 1 mm aufweist.

3. Keramik-Metall-Verbundsubstrat nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei welchem die Nut oder die Nuten (11) zumindest einen Millimeter vor dem Umfang der Vorderfläche endet bzw. enden.

4. Keramik-Metall-Verbundsubstrat nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei welchem die Nut oder Nuten (11) eine Breite in einem Bereich von 0,01 mm bis 3 mm, und vorzugsweise in einem Bereich von 0,5 m bis 1 mm, aufweist bzw. aufweisen.

5. Keramik-Metall-Verbundsubstrat nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei welchem die Nut oder Nuten (11) eine Maximaltiefe aufweist bzw. aufweisen, welche 0,1 mm oder die Hälfte der Dicke des Kupferbleches (10) beträgt, je nachdem, was weniger ist, und vorzugsweise die Maximaltiefe in einem Bereich von 0,02 mm bis 0,08 mm liegt.

6. Keramik-Metall-Verbundsubstrat nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei welchem die Nut (11) eine von mehreren parallelen Nuten (11) auf der Vorderfläche des Kupferbleches (10) ist.

7. Keramik-Metall-Verbundsubstrat nach Anspruch 6, bei welchem die Entfernung zwischen den Zentrumslinien der benachbarten Nuten (11) in einem Bereich von 1 mm bis 25 mm liegt.

8. Keramik-Metall-Verbundsubstrat nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei welchem die Nut (11) eine von mehreren Nuten (11) ist, die sich radial von dem Loch (12) auf der Vorderfläche des Kupferbleches (10) aus erstrecken.

9. Verfahren zur Herstellung eines keramischen Schaltungssubstrats, mit Herstellung zumindest einer Nut (11) auf einer Vorderfläche einer Kupferschaltungsplatine (10) vorbestimmter Form, Herstellung zumindest eines Loches (12) durch die Platine (10), wobei das Loch in Verbindung mit der Nut (11) steht, und darauffolgendem Wärmebondieren der Vorderfläche der Platine (10) an ein keramisches Substrat (13), dadurch gekennzeichnet, daß eine Umfangsgrenze, welche die Vorderfläche umgibt, und keine Nuten aufweist, freigelassen wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch Ausbildung der Nut oder der Nuten durch plastische Verformung.