DE3924225C2 - Verfahren zur Herstellung eines Keramik-Metall-Verbundsubstrats sowie Keramik-Metall-Verbundsubstrat - Google Patents

Verfahren zur Herstellung eines Keramik-Metall-Verbundsubstrats sowie Keramik-Metall-Verbundsubstrat

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Keramik-Metall-Verbundsubstrats gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein solches Keramik-Metall-Verbundsubstrat.
Fig. 4 zeigt einen Querschnitt durch ein bekanntes Verbundsubstrat zur Montage eines Halbleiter-Bauelements (Abb. 6 in DE-Z Metall, 41. Jahrgang, 1987, S. 1108-1115; JP-OS 155 580/1985), wobei eine konventionelle keramische Grundschicht und Me­ tallschichten direkt haftverbunden sind. Dabei ist als keramische Grundschicht eine Aluminiumoxidschicht 1 vorge­ sehen; auf dieser sind Metallschichten 2A, 2B gebildet, die z. B. zähgepoltes elektrolytisches Kupferblech zur Bildung eines elektrischen Schaltkreises sind; und 7A, 7B sind Haftflächen, mit denen die Aluminiumoxid-Grundschicht 1 und die jeweiligen Kupferbleche 2A, 2B direkt haftverbunden sind.
Fig. 5 zeigt eine Perspektivansicht eines konventionellen Substrats, auf dem ein Halbleiter-Bauelement montiert ist, wobei das Substrat Bau­ steinkonstruktion hat und ein Halbleiter-Bauelement darauf angeordnet ist. Dabei sind vorgesehen ein Halbleiter 4, Lot 5 zur Montage des Halbleiter-Bauelements 4 auf einem Kup­ ferblech 2b und Bonddrähte 6a, 6b, z. B. aus Aluminium, zur Ansteuerung des Halbleiterelements 4, wobei die Bonddrähte mit weiteren Kupferblechen 2a, 2b (externen Anschlußelek­ troden) so verbunden sind, daß sie gegenüber dem Kupfer­ blech 2b isoliert sind.
Wenn das modulare Halbleiter-Bauelement, insbesondere ein Hochleistungs-Halbleiter-Bauelement mit dem oben angege­ benen Aufbau, aktiviert wird, erzeugt das Halbleiter-Bau­ element 4 eine große Wärmemenge. Selbstverständlich wird dieses modulare Halbleiter-Bauelement immer wieder benützt, und daher muß das Substrat zur Montage des Halbleiter-Bau­ elements folgende Eigenschaften aufweisen: (i) Es muß die vom Halbleiter-Bauelement 4 erzeugte Wärme in ausreichendem Maß ableiten können; (ii) das Halbleiter-Bauelement 4 darf durch die Ausdehnung und Kontraktion des Substrats infolge der Wärmewechselbeanspruchungen beim Ein- und Ausschalten nicht beschädigt werden; (iii) die Aluminiumoxid-Grund­ schicht selbst darf durch diese Wärmewechselbeanspruchung nicht beschädigt werden.
Bei dieser Substratkonstruktion hat die keramische Grund­ schicht 1 jedoch im allgemeinen eine niedrige Wärmeausdeh­ nungszahl, die im Fall der vorstehenden Aluminiumoxidkera­ mik 7×10-6 °C beträgt. Wenn sich also in direkten Kontakt mit den Kupferblechen 2A, 2B gebracht wird, deren Wärmeausdehnungszahl 17×10-6 °C ist, treten aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungszahlen der keramischen Grundschicht und der Kupferbleche Spannungen im Bereich der Haftflächen 7A, 7B auf. Wenn diese haftverbundenen Schichten der Wärmewechselbeanspruchung ausgesetzt sind, ergibt sich das Problem, daß im Bereich der genannten Haftflächen 7A, 7B wiederholt große Spannungen auftreten, so daß die zwar harte, aber spröde Aluminiumoxid-Grundschicht 1 diesen großen Spannungen nicht standhalten kann, was zur Rißbildung und schließlich zum Bruch führt.
Fig. 6 zeigt einen Querschnitt mit typischen Rissen 8A, 8B, 8C und 8D, die in der Aluminiumoxid-Grundschicht 1 auf­ treten, wobei die Risse von den Ecken der keramischen Grundschicht 1 und der Kupferbleche 2A, 2B, an denen die Spannungen konzentriert sind, ausgehen. Da die Kupferbleche 2A, 2B ferner mit der Aluminiumoxid-Grundschicht 1 starr haftverbunden sind, ist ihre Wärmeausdehnungszahl niedriger als die von einfachem Kupfer. Wenn aber das Silicium- Halbleiter-Bauelement 4, dessen Warmeausdehnungszahl nur 5×10-6 °C beträgt, auf dieser keramischen Grundschicht 1 durch Löten montiert ist, bleibt immer noch das Problem bestehen, daß auch im Halbleiter-Bauelement 4 selbst Risse auftreten. Diese Probleme waren besonders signifikant, wenn die Kupferbleche 2A, 2B zum Zweck der Erhöhung des Be­ triebsstroms im Halbleiter-Bauelement 4 dicker gemacht wur­ den und ein großflächiges Halbleiter-Bauelement auf der Grundschicht montiert wurde.
Es ist zwar möglich, eine gewisse Verbesserung in bezug auf das genannte Auftreten von Rissen durch Vergrößern der Dicke der Aluminiumoxid-Grundschicht 1 zu erreichen, aber die Wärmeableiteigenschaft des Halbleiters 4 wird aufgrund des hohen Wärmewiderstands der Grundschicht 1 verschlech­ tert. Wenn man z. B. die Dicke der Aluminiumoxid-Grund­ schicht 1 vom ursprünglichen Wert von 0,4 mm auf 0,63 mm erhöht, kann ihre Beständigkeit gegenüber Wärmewechselbe­ anspruchungen in einem Bereich von -40°C bis 150°C um etwa das 1,2fache erhöht werden; andererseits steigt der Wärmewiderstand der Aluminiumoxid-Grundschicht, der der Wärmeableitung entgegensteht, um etwa das 1,6fache. Infol­ gedessen ist diese Steigerung der Dicke der Grundschicht nicht besonders effektiv, wenn man die Funktion des Halb­ leiter-Bauelements 4, die Herstellungskosten der kerami­ schen Grundschicht 1 etc. in Betracht zieht.
Um diese Probleme auszuschließen, müssen verschiedene Maß­ nahmen ergriffen werden, so daß die Betriebsleistung und die Form des Halbleiter-Bauelements 4 begrenzt werden, die Kupferbleche 2A, 2B dünner und breiter gemacht werden, um ihre Anordnungsdichte auf der Grundschicht zu verringern etc. Diese Maßnahmen sind jedoch ein schwerwiegendes Hin­ dernis gegen eine Steigerung der Funktionsfähigkeit und der Anordnungsdichte der Halbleiterbausteine.
Zur Verminderung der inneren Spannungen, die durch die unterschiedliche Wärmeausdehnung in einem Material entste­ hen, wenn Keramik und Stahl miteinander haftverbunden sind, wurde übrigens bereits ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem eine Schicht aus relativ weichem Metall, z. B. Aluminium, Kupfer oder eine Niobschicht oder eine Ver­ bund-Zwischenschicht, wie Niob-Molybdän, Niob-Wolfram etc., auf der Haftfläche sowohl der Keramik als auch des Stahls in einer Dicke von einigen mm aufgebracht ist (siehe "Kinzoku (Metal)", Mai 1986, S. 45-50). Wie bereits erwähnt, führt aber das Vorsehen der Zwischenschicht mit einer Dicke von einigen mm auf dem Substrat zur Montage des Halbleiter- Bauelements unweigerlich zu einer Verschlechterung der Wärmeableiteigenschaften des Substrats und infolgedessen zu dem Problem, daß eine Steigerung der Kapazität und der Funktionen des resultierenden Halbleiterbausteins unmöglich ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, die genannten Nachteile zu vermeiden und ein Verfahren zur Herstellung eines Keramik- Metall-Verbundsubstrats sowie ein damit herzustellendes, hochzuverlässiges Keramik-Metall-Verbundsubstrat bereitzu­ stellen, das unter erschwerten Umgebungsbedingungen für den Betrieb des Halbleiter-Bauelements einsetzbar ist (das z. B. Wärme vom Halbleiter-Bauelement in hochwirksamer Weise ableiten kann), ohne daß die keramische Grundschicht und die übrigen Bestandteile bruchgefährdet sind.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Keramik-Metall-Verbundsubstrat gemäß An­ spruch 6 gelöst.
Der das aktive Metall enthaltende Dünnfilm zur Durchführung des Verfahrens zur Herstellung des Verbundsubstrats nach der Erfindung ist ein Lötmate­ rial, das hergestellt ist durch Vermischen von 2-40 Gew.-% aktivem Metall in Pulverform mit Kupferpulver oder mit Gemischen, die Kupferpulver als Hauptbestandteil enthalten, oder mit Kupferlegierungspulver, wobei jeweils wenigstens das Kupferpulver, das Kupferlegierungspulver oder das akti­ ve Metallpulver eine Teilchengröße von 5 µm oder größer hat.
Die Erfindung ist im folgenden anhand von Beispielen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen Querschnitt durch das Keramik-Metall- Verbundsubstrat gemäß einem Ausführungsbei­ spiel der Erfindung;
Fig. 2 ein Diagramm, das ein charakteristisches Bei­ spiel für die Beziehung zwischen der Wärme­ wechselbeanspruchungsbeständigkeit und der Dicke der Pufferschicht in dem Keramik-Metall- Verbundsubstrat nach der Erfindung zeigt;
Fig. 3 einen Querschnitt durch ein weiteres Ausfüh­ rungsbeispiel des Keramik-Metall-Verbundsub­ strats nach der Erfindung;
Fig. 4 einen Querschnitt durch ein konventionelles Keramik-Metall-Verbundsubstrat;
Fig. 5 eine Perspektivansicht eines allgemeinen Beispiels eines Keramik-Metall-Verbundsub­ strats;
Fig. 6 einen Querschnitt, der Risse zeigt, die in einem konventionellen Keramik-Metall-Verbund­ substrat auftreten;
Fig. 7a und 7b Schemadarstellungen, die das Verfahren zur Herstellung des Keramik-Metall-Verbundsubstrats nach der Erfindung erläutern, wobei Fig. 7a ein Querschnitt durch die verschiedenen Bestandteile vor deren Haftverbindung zu einem einheitlichen Ganzen ist und Fig. 7b ein Querschnitt durch die verschiedenen Bestandteile nach deren Haftverbindung ist;
Fig. 8 ein Diagramm, das charakteristische Beziehungen der Abschälfestigkeit über der Temperatur zwischen den Kupferschichten und der Pufferschicht gemäß der Erfindung zeigt;
Fig. 9 ein Diagramm, das charakterisitsche Beziehungen der Abschälfestigkeit über der Temperatur zwischen der keramischen Grundschicht und den Kupferschichten nach der Erfindung zeigt;
Fig. 10 ein Diagramm, das charakteristische Beziehungen der Abschälfestigkeit über der Schichtdicke zwischen der keramischen Grundschicht und den Kupferschichten nach der Erfindung zeigt;
Fig. 11a, 11b und 11c Schemadarstellungen für die Herstellung eines erfindungsgemäß aufgebauten Keramik-Metall-Verbundsubstrats mittels eines konventionellen Verfahrens, wobei Fig. 11(a) im Querschnitt einen Zustand zeigt, in dem die Pufferschicht und die Kupferschicht haftverbunden werden; Fig. 11(b) im Querschnitt zeigt, wie die keramische Grundschicht und die Kupferschichten miteinander haftverbunden werden; und Fig. 11(c) im Querschnitt den Zustand nach vollständigem Haftverbinden zeigt;
Fig. 12a und 12b Querschnitte, die jeweils einen Zustand eines der Bestandteile beim Verbinden zu einer Einheit zeigen, wobei Fig. 12(a) den Fall zeigt, in dem die Gesamtanordnung mit einer Druckkraft beaufschlagt wird, und Fig. 12(b) einen Fall zeigt, in dem keine Druckkraft ausgeübt wird; und
Fig. 13a, 13b und 13c Querschnitte, die jeweils einen Reaktionszu­ stand des Lötmaterials zeigen, das für das Herstellungsverfahren nach der Erfindung ein­ gesetzt wird, wobei Fig. 13(a) im Querschnitt einen Anfangszustand der Haftverbindung, Fig. 13(b) im Querschnitt einen Zwischenzustand der Haftverbindung und 13(c) im Querschnitt den Zustand nach beendetem Haftverbinden zeigt.
Die Erfindung betrifft ein Keramik-Metall-Verbundsubstrat, das für die Herstellung eines Halbleiter-Bauelements zu verwenden ist, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.
Gemäß der Erfindung kann durch Vorsehen der Pufferschicht, die eine Wärmepufferfunktion hat und deren Dicke im Bereich von 1/20 bis 1/3 der Dicke der Metallschicht aus Kupfer oder einer Kupferlegierung liegt, die Wärmeleitfähigkeit und die elektrische Leitfähigkeit des Substrats sicherge­ stellt werden, während gleichzeitig die Beanspruchungen, die auf die keramische Grundschicht und die mit ihr haftend zu verbindenden Elemente, z. B. das Halbleiter-Bauelement etc., ausgeübt werden, verringert werden können, so daß eine etwaige Beschädigung der keramischen Grundschicht und des Halbleiter-Bauelements vermieden wird.
Nachstehend wird ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung im einzelnen erläutert.
Fig. 1 zeigt einen Querschnitt eines erfindungsgemäß aufgebauten Keramik-Metall-Verbundsubstrats mit einer keramischen Grundschicht 1 (in diesem Fall eine plane Aluminiumoxidschicht), einer ersten Kupferschicht 2A, die mit einer Oberfläche der Aluminiumoxidschicht 1 haftverbunden ist, einer zweiten Kupferschicht 2B, die mit der anderen Oberfläche der Aluminiumoxidschicht 1 haftverbunden ist, und mit einer dritten Kupferschicht 2C, die auf eine Seite der Aluminiumoxidschicht 1 zusätzlich auf­ gebracht ist, um die Kapazität des Halbleiter-Bauelements (nicht gezeigt), das auf dieser dritten Kupferschicht 2C montiert werden soll, in konventioneller Weise zu erhöhen. Eine Puffer- oder Versteifungsschicht 3 ist bei diesem Ausführungsbeispiel zwischen der ersten Kupferschicht 2A und der dritten Kupferschicht 2C angebracht. Diese Puffer­ schicht besteht aus Molybdän in Form eines als Wärmepuffer wirkenden Metallblechs, dessen Dicke im Bereich von 1/20 bis 1/3 der Gesamtdicke der ersten und der dritten Kupfer­ schicht 2A und 2C liegt.
Wenn das so aufgebaute Keramik-Metall-Verbundsubstrat auf­ grund von Änderungen der Umgebungstemperatur und/oder des Betriebs des Halbleiter-Bauelements einer Wärmewechselbe­ anspruchung unterworfen wird, tendieren die Kupferschichten 2A, 2B und 2C, die eine große Wärmeausdehnungszahl haben, zu stärkerer Ausdehnung oder Kontraktion als die Aluminium­ oxid-Grundschicht 1, und zwar wegen der unterschiedlichen Wärmeausdehnungszahlen der Kupferschicht und der Aluminium­ oxidschicht, wie dies bei den konventionellen Verbundsub­ straten der Fall ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel jedoch ist der Konstruktion als Pufferschicht das dünne Molybdän­ blech 3 hinzugefügt; dieses Material hat eine niedrige Wärmeausdehnungszahl, hohe mechanische Festigkeit, einen niedrigen Wärmewiderstand und kann mit anderen Bestandtei­ len zu einer Einheit zusammengefügt werden. Molybdän hat eine Wärmeausdehnungszahl von ca. 5×10-6 (/°C) und unter­ scheidet sich deutlich von Kupfer mit einer Wärmeausdeh­ nungszahl von ca. 17×10-6 (/°C). Wegen dieses großen Unterschieds in den Wärmeausdehnungszahlen treten an der Haftfläche zwischen der Molybdän-Pufferschicht und den Kupferschichten während der Erwärmung und Abkühlung jeweils große Spannungen auf. Da jedoch Molybdän eine hohe Streck­ festigkeit hat (insbesondere hat eine dünn gewalzte Molyb­ dänbahn eine Streckfestigkeit von 490 N/mm2 oder mehr), erfährt die Kupferschicht (deren Streckfestigkeit bei 98 N/mm2 liegt) eine sehr schnelle plastische Verformung, während die Molybdänbahn als Pufferschicht 3 wirkt und eine große Beanspruchung von der Aluminiumoxid-Grundschicht 1 fernhält. Dabei sind die auf die Haftfläche zwischen der Molybdän-Pufferschicht und der Kupferschicht wirkenden Spannungen höher als bei dem konventionellen Beispiel, es tritt jedoch überhaupt keine Rißbildung auf, weil sowohl Molybdän als auch Kupfer duktile Werkstoffe sind.
Um die Molybdän-Pufferschicht 3 als Bestandteil des Ver­ bundsubstrats fest zu integrieren, ist es aus dem Stand der Technik bekannt, ein Verfahren anzuwenden, bei dem die Molybdänschicht 3 sowie die erste und die dritte Kupferschicht 2A, 2C vorher mittels Explosionsdruckschweißung etc. haftverbunden werden, wonach das resultierende Verbundmaterial mit der Aluminiumoxid- Grundschicht 1 z. B. unter Anwendung der DBC-Methode (in der nichtgeprüften JP-OS 155 580/1985 beschrieben) etc. haftverbunden wird.
Die Beständigkeit der keramischen Grundschicht 1 gegen Riß­ bildung ist selbst bei symmetrischem Aufbau des Substrats ersichtlich, wobei die keramische Grundschicht 1 mittig auf der Substratkonstruktion angeordnet ist. Wenn die Puffer­ schicht zusätzlich vorgesehen ist, tritt das Problem einer größeren Zahl von Einzelbestandteilen mit einer Steigerung der Materialkosten, einer Erhöhung des Wärmewiderstands etc. auf. Andererseits muß gerade das Volumen der Kupfer­ schicht auf der Seite des Halbleiter-Bauelements vergrößert werden, um die Kapazität des Halbleiter-Bauelements zu ver­ größern. Die Dicke der ersten und der dritten Kupferschicht 2A, 2C auf der Seite des Halbleiter-Bauelements muß insge­ samt 0,3 mm oder mehr betragen, eine geeignete Dicke ist 5,0 mm oder weniger. Im allgemeinen liegt ein bevorzugter Bereich dafür zwischen 0,3 mm und 1 mm. Die Dicke der Puf­ ferschicht 3 liegt zweckmäßig im Bereich von 0,015-1,66 mm; die Dicke der keramischen Grundschicht 1 liegt bevorzugt im Bereich von 0,3-1,0 mm, und die Dicke der zweiten Kupfer­ schicht 2B beträgt bevorzugt 0,3 mm oder weniger.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist daher nur die Seite der keramischen Grundschicht, auf der das Halbleiter-Bauelement zu montieren ist, als Verbundkonstruktion aus erster Kup­ ferschicht 2A, dritter Kupferschicht 2C und Molybdänschicht 3 ausgeführt, während die entgegengesetzte Seite nur aus der zweiten Kupferschicht 2B besteht. Infolgedessen hat das Verbundsubstrat eine einfache und kostengünstige Konstruk­ tion und weist gute Eigenschaften auf. Im übrigen ist die zweite Kupferschicht 2B vorgesehen, um entweder in einem folgenden Verarbeitungsschritt die Lötvorgänge durchzufüh­ ren oder um die Dicke der Molybdänschicht 3 geringfügig zu erhöhen, wenn diese zweite Kupferschicht 2B nicht vorhanden ist, so daß deren Abwesenheit kompensiert wird. Die Dicke dieser zweiten Kupferschicht 2B liegt bevorzugt bei 0,3 mm oder weniger, um das Auftreten von Rissen in der Aluminium­ oxid-Grundschicht 1 zu verhindern, und sollte unter Berück­ sichtigung der Dicken der Molybdänschicht 3 und weiterer Bestandteile gewählt werden. Wenn z. B. die Dicke der ersten Kupferschicht 2A und der dritten Kupferschicht 2C zu 0,3 mm und die Dicke der Molybdänschicht 3 zu 0,1 mm ge­ wählt ist, sollte die Dicke der zweiten Kupferschicht 2B auf der anderen Seite der Grundschicht 1 bevorzugt 0,1 mm betragen. Mit einem solchen Aufbau des Verbundsubstrats tritt kein Verwerfen des Substrats beim Erwärmen und Abküh­ len auf.
Wie vor stehend angegeben, ist es mit diesem Ausführungs­ beispiel möglich, ein Keramik-Metall-Verbundsubstrat zu erhalten, das als Substrat für einen Leistungstransistor- Baustein hoher Betriebszuverlässigkeit und großer Kapazität geeignet ist, einfach aufgebaut ist, vom Halbleiter-Bau­ element erzeugte Wärme auch unter erschwerten Umgebungsbe­ dingungen ableiten kann und weder zu einem Bruch noch son­ stiger Beschädigung der Aluminiumoxid-Grundschicht 1 und anderer Bestandteile fährt.
Das Diagramm von Fig. 2 zeigt ein Beispiel der Beziehung zwischen der Dicke der Molybdänschicht 3, die das als Wär­ mepuffer wirkende Metallblech gemäß der Erfindung ist, und der Frequenz des Wärmewechselbeanspruchungs-Widerstands. Dabei ist auf der Abszisse die Dicke der Molybdänschicht 3 und auf der Ordinate die Frequenz des Wärmewechselbeanspru­ chungs-Widerstands (d. h. die Wiederholungsfrequenz der Wärmewechselbeanspruchung, bis Risse in der Aluminiumoxid- Grundschicht 1 auftreten) aufgetragen. Diese Grafik zeigt die Ergebnisse der mit dem symmetrisch aufgebauten Keramik- Metall-Verbundsubstrat durchgeführten Versuche unter den folgenden Versuchsbedingungen: (i) Gesamtdicke der Kupfer­ schichten 1,0 mm; (ii) Dicke der Aluminiumoxid-Grundschicht 1 0,63 mm; und (iii) Wärmewechselbeanspruchung zwischen -40°C und 150°C. Aus Fig. 2 ist ersichtlich, daß die Beständigkeit gegenüber der Wärmewechselbeanspruchung sehr schnell besser wird, wenn die Dicke der Molybdänschicht 3 mit 0,05 mm oder mehr gewählt ist.
Dieser Versuch hat bestätigt, daß aufgrund der durch die plastische Verformung der Kupferschicht bedingten Absorp­ tion der zwischen der Molybdänschicht und der Kupferschicht erzeugten Spannungen die Spannungen zwischen der Kupfer­ schicht und der Aluminiumoxid-Grundschicht verringert wer­ den konnten und daß nur durch das Vorsehen der Molybdän­ schicht 3, deren Dicke 1/10 der Dicke der Kupferschicht beträgt, die Beständigkeit des Verbundsubstrats gegenüber der Wärmewechselbeanspruchung um das Zehnfache oder mehr gegenüber derjenigen des Substrats ohne Molybdänschicht verbessert werden konnte. Es erübrigt sich zu sagen, daß diese Auswirkung nur erhalten werden konnte, wenn die Dicke der Kupferschicht 1,0 mm betrug.
Hinsichtlich der Dicke der Molybdänschicht 3 wird ein Be­ reich von 1/20 bis 1/3 der Gesamtdicke der Kupferschichten bevorzugt. Durch Ändern der Dicke der Molybdänschicht innerhalb dieses Bereichs können die Beständigkeit gegen­ über der Wärmewechselbeanspruchung, der Wärmewiderstand und die Herstellungskosten des Substrats geändert werden. Wenn die Dicke der Molybdänschicht 3 bei 1/20 oder weniger liegt, kann keine zufriedenstellende Verbesserung der Be­ ständigkeit gegenüber der Wärmewechselbeanspruchung erzielt werden. Wenn dagegen die Dicke der Molybdänschicht 3 bei 1/3 oder mehr liegt, wird ihr Wärmewiderstand höher, und infolgedessen wird die Wärmeableitung vom Halbleiter-Bau­ element ungenügend, was hinsichtlich der Erhöhung der Funk­ tionen desselben ein Nachteil ist. Außerdem würde eine Steigerung der Herstellungskosten des Substrats unweiger­ lich zu einer Verminderung seiner gewerblichen Nutzungs­ möglichkeiten führen. Wenn ferner die Dicke der zweiten Kupferschicht 2B auf der entgegengesetzten Seite der Grund­ schicht 0,3 mm oder mehr beträgt, treten Verwerfungen im Substrat auf, was ein weiteres Problem darstellt.
Bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel ist die Molybdänschicht 3 übrigens zwischen der ersten und der dritten Kupferschicht 2A, 2C mit jeweils gleicher Dicke vorgesehen. Es ist aber zu beachten, daß die gleichen Aus­ wirkungen zu erwarten sind, wenn die erste Kupferschicht 2A und die dritte Kupferschicht 2C unterschiedlich dick sind. Ferner können die gleichen Auswirkungen auch dann erwartet werden, wenn die erste Kupferschicht 2A und die dritte Kup­ ferschicht 2C als Einheit ausgeführt sind und die Molyb­ dänschicht 3 auf der Oberfläche einer einzigen Kupfer­ schicht vorgesehen ist.
Der Querschnitt von Fig. 3 zeigt ein solches Ausführungs­ beispiel, bei dem die Molybdänschicht 3 auf der Oberfläche einer einzigen Kupferschicht 2A′ vorgesehen ist. Da hierbei die Molybdänschicht 3 mit kleiner Wärmeausdehnungs­ zahl auf der Außenseite dieser Kupferschicht 2A′ liegt, kann eine vorteilhafte Anpassung der Wärmeausdehnung zwi­ schen dieser Molybdänschicht und dem darauf zu montierenden Halbleiter-Bauelement (nicht gezeigt) erreicht werden. Bei diesem Ausführungsbeispiel liegt eine geeignete Dicke der Kupferschicht 2A′ zwischen 0,3 mm und 5,0 mm; eine geeignete Dicke der Molybdän-Pufferschicht 3 liegt zwischen 0,015 mm und 1,66 mm; eine geeignete Dicke der keramischen Grundschicht 1 liegt zwischen 0,3 mm und 1,0 mm, und eine geeignete Dicke der zweiten Kupferschicht 2B liegt bei 0,3 mm oder darunter.
In diesem Zusammenhang ist zu beachten, daß die Molybdän­ schicht 3 keine Einzelschicht sein muß. Wichtig ist, daß eine derartige Molybdänschicht nach Maßgabe der Eigenschaf­ ten des Halbleiter-Bauelements und der keramischen Grund­ schicht angeordnet ist und daß ihre Gesamtdicke zwischen 1/20 und 1/3 der Dicke der Kupferschichten liegt.
Es ist bekannt, zum Haftverbinden des Keramik-Metall-Verbund­ substrats konventionelle Verfahren, wie Explo­ sionsdruckschweißen, das DBC-Verfahren etc., anzuwenden. Da bei dem Substrat nach der Erfindung die einzelnen Bestandteile fest miteinander haftverbunden und relativ zueinander fixiert sein müssen, ist ein Verbindungsverfah­ ren unter Anwendung eines weichen Lots mit niedrigem Schmelzpunkt, z. B. eines eutektischen Lots, nicht empfeh­ lenswert.
Die vorstehenden Verbundkörper wurden unter der Annahme erläutert, daß als keramische Grundschicht 1 Alu­ miniumoxid und als Pufferschicht 3 Molybdän verwendet wird. Es ist jedoch zu beachten, daß auch dann, wenn anstelle von Aluminiumoxid ein spröder Isoliersubstratwerkstoff mit kleiner Wärmeausdehnungszahl, z. B. Aluminiumnitrid, Sili­ ciumcarbid etc. eingesetzt wird, die gleichen Auswirkungen zu erwarten sind, und zwar aufgrund der dünnen Puffer­ schicht, deren Dicke zwischen 1/20 und 1/3 der Dicke der Kupferschichten liegt. Außerdem kann anstelle von Molybdän auch Wolfram eingesetzt werden, das im wesentlichen die gleiche Wärmeausdehnungszahl, Streckfestigkeit und Wärme­ leitfähigkeit wie Molybdän hat. Außerdem braucht weder die keramische Grundschicht noch die Kupferschicht noch die Pufferschicht jeweils durchweg aus demselben Werkstoff zu bestehen. Insbesondere die Kupferschicht und die als Wärme­ puffer wirkende Pufferschicht können aus synthetischen Stoffen bestehen, in denen das genannte Metallelement je­ weils als Hauptbestandteil enthalten ist, z. B. Kupferle­ gierungen, Molybdänlegierungen und Wolframlegierungen, und zwar unter der Voraussetzung, daß ihre physikalischen Eigenschaften wie Wärmeausdehnungszahl, elektrische Leit­ fähigkeit, Streckfestigkeit etc. nicht stark voneinander abweichen.
Die Fig. 11(a) bis 11(c) sind Schemadarstellungen eines erfindungsgemäß aufgebauten Keramik-Metall-Verbundsubstrats jedoch hergestellt mit einem konventionellen Verfahren. Dabei zeigt die Zeichnung die keramische Grundschicht 1 sowie die Kup­ ferschichten 2A, 2B und 2C für die Bildung elektrischer Schaltkreise. Diese Kupferschichten 2A, 2B und 2C bestehen aus Kupfer oder einer Kupferlegierung. Die Kupferschichten 2A und 2B sind jeweils auf beiden Seiten der keramischen Grundschicht 1 angeordnet, während die Kupferschicht 2C unter Zwischenschaltung einer noch zu erläuternden Puffer­ schicht auf der Kupferschicht 2A angeordnet ist. Diese Kupferschicht 2C wird vorgesehen, um die Kapazität des auf ihr zu montierenden Halbleiter-Bauelements zu erhöhen. Die Pufferschicht 3 hemmt die Wärmeausdehnung der vorgenannten Kupferschichten 2A und 2C und kann z. B. aus Molybdän bestehen.
Nachstehend wird ein konventionelles Verfahren zur Herstellung des Keramik- Metall-Verbundsubstrats unter Anwendung dieser Bestandteile erläutert. Da es vorteilhaft ist, daß die genannten Schich­ ten miteinander ohne Zwischenschaltung eines Lotes haftverbunden werden, wird die Pufferschicht 3 zuerst zwischen der Kupferschicht 2A und der Kupferschicht 2C gehalten, wie Fig. 11(a) zeigt, und dann werden diese Schichten mit irgendeinem Haftverbin­ dungsverfahren, wie etwa dem Explosionsdruckschweißen, zu einer Einheit verbunden. Auf diese Weise werden die Haft­ flächen 9A und 9B zwischen der Pufferschicht 3 und den jeweiligen Kupferschichten 2A, 2C mechanisch steif gemacht. Anschließend wird das durch die genannten Schritte herge­ stellte Verbundelement z. B. durch Stanzen und andere ge­ eignete Methoden geformt unter Bildung eines gewünschten elektrischen Schaltungsmusters. Dann wird, wie Fig. 11(b) zeigt, die keramische Grundschicht 1 zwischen diesem Ver­ bundelement und der Kupferschicht 2B angeordnet, wonach die Kupferschicht 2A des Verbundelements und die Kupferschicht 2B mit der keramischen Grundschicht 1 haftverbunden werden. Das Verbinden dieser keramischen Grundschicht 1 und der entsprechenden Kupferschichten 2A, 2B erfolgt mit dem so­ genannten DBC-Verfahren unter Einsatz von Sauerstoff (siehe z. B. die ungeprüfte JP-OS 155 580/1985). In der Zeichnung bezeichnet übrigens der Buchstabe O Sauerstoff zum festen Haftverbinden der keramischen Grundschicht 1 mit den Kupferschichten 2A und 2B. Bei dem genannten DBC-Ver­ fahren wird an den Haft­ flächen 7A und 7B zwischen der keramischen Grundschicht 1 und den jeweiligen Kupferschichten 2A und 2B eine Schmelz­ schicht einer Dicke von einigen zehn µm gebildet. Aufgrund dieser Schmelzschicht werden die keramische Grundschicht 1 und die Kupferschichten 2A und 2B in benetztem Zustand miteinander haftverbunden, so daß beide Kupferschichten 2A und 2B fest mit der keramischen Grundschicht 1 verbunden werden.
Bei Anwendung des vorgenannten Verfahrens zur Herstellung des Keramik-Metall-Verbundsubstrats sind jedoch zwei Ver­ fahrensschritte erforderlich (d. h. ein Schritt zum gegen­ seitigen Haftverbinden der metallischen Werkstoffe und ein Schritt zum Haftverbinden von Metall und Keramik), wodurch natürlich die Herstellungskosten hoch sind. Das Verfahren eignet sich zwar sehr gut für die Herstellung der gewünsch­ ten Substratkonstruktion, es ist jedoch im Hinblick auf die Herstellungskosten für die Praxis ungeeignet. Wenn ferner die Kupferschichten 2A und 2B mit der Pufferschicht 3 im Vor-Verfahrensschritt haftverbunden werden, sollte die Substratausbildung symmetrisch gemacht werden, wobei die Pufferschicht 3 zwischen den jeweils gleiche Dicke aufwei­ senden Kupferschichten 2A und 2B gehalten wird. Wenn also die Substratausbildung nicht symmetrisch ist, treten uner­ wünschte Verwerfungen infolge der unterschiedlichen Wärme­ ausdehnungszahlen der Kupferschichten 2A, 2B und der Puf­ ferschicht 3 auf, und daher können in einigen Fällen die anschließenden Verfahrensschritte nicht mehr durchgeführt werden. Das Substrat ist also zum Einsatz als elektrische Leiterplatte nicht ausreichend frei handhabbar. Es ist z. B. schwierig, Schutzmaßnahmen gegen einen Bruch des Halbleiter-Bauelements 4 vorzusehen, indem die Dicke der Kupferschicht 2C vermindert und die Dicke der Kupferschicht 2A erhöht wird, um dadurch die Wärmebeanspruchung des auf der Leiterplatte zu montierenden Halbleiter-Bauelements 4 (Fig. 6) zu vermindern. Die Oberfläche, auf der das Halb­ leiter-Bauelement 4 anzubringen ist, muß außerdem für die Bildung des elektrischen Schaltkreises durch maschinelles Bearbeiten des Verbundwerkstoffs, der aus dem einheitlichen Haftverbinden der Kupferschichten 2A, 2C und der Puffer­ schicht 3 resultiert, geformt werden. Mit dem konventionel­ len Bearbeitungsverfahren unter Anwendung von chemischem Ätzen, das häufig für die Produktion kleiner Mengen ange­ wandt wird, ist dies jedoch nicht möglich, weil die Ätz­ geschwindigkeit für die Kupferschichten 2A, 2B und die Pufferschicht 3 verschieden ist. Daher muß eine teure Metallform hergestellt werden, und dann erfolgt das Formen unter Anwendung eines Stanzverfahrens.
Zur Lösung dieser Probleme könnte man daran denken, alle Bestandteile jeweils einheitlich miteinander zu verbinden. Eine bloße Kombination der oben angegebenen Herstellungs­ verfahren zu einem einzigen Verfahrensschritt führt jedoch zu dem nachstehend aufgeführten Problem. Dabei soll zuerst der Fall erläutert werden, daß die Metallwerkstoffe mitein­ ander haftverbunden werden. Da die Kupferschichten 2A, 2C und die Pufferschicht 3 stark unterschiedliche Schmelzpunk­ te haben, müssen sie mit dem bereits genannten Explosions­ druckschweißverfahren oder mit einem Festphasenverbindungs­ verfahren oder einem Lötverfahren oder anderen geeigneten Verbindungsverfahren haftverbunden werden. Da beim Lötver­ fahren normalerweise viele nichtverbundene Teile in den Metallschichten verbleiben, können unter Berücksichtigung der Güte der Haftfläche nicht nur die einzelnen Bestand­ teile nicht fest miteinander verbunden werden, sondern der Wärmewiderstand zwischen den Metallschichten, die durch das Lot miteinander in innigen Kontakt gebracht werden sollen, würde ansteigen, was es wiederum erschwert, ein Substrat mit hoher Wärmeleitfähigkeit zu erhalten. Die Kupferschich­ ten 2A, 2C und die Pufferschicht 3 sollten daher durch Festphasenverbindung miteinander verbunden werden. Das Prinzip der Festphasenverbindung besteht darin, daß die Kupferschichten und die Pufferschicht dadurch miteinander haftverbunden werden, daß die Grenzflächen dieser zu ver­ bindenden Schichten näher an den Kernabstand gebracht wer­ den, daß zum Haftverbinden der Grenzflächen eine Druckkraft benötigt wird, und daß sie ferner während eines vorbestimm­ ten Zeitraums unter Druck gehalten werden, bis ihre Grenz­ flächen reagiert haben und eine Diffusion erfolgt ist. Dagegen wird zum Haftverbinden der Kupferschichten 2A, 2B mit der kerami­ schen Grundschicht 1 das DBC-Verfahren unter Einsatz von Sauerstoff angewandt. Dabei wird eine Schmelz­ schicht einer Dicke von einigen zehn µm gebildet, um einen Benetzungszustand zwischen der Metallschicht und der kera­ mischen Grundschicht zu erhalten, so daß innerhalb kurzer Zeit eine stabile Haftverbindungsfestigkeit erhalten werden kann. Dabei ist übrigens keine Druckkraft erforderlich.
Unter Bezugnahme auf die Fig. 12(a) und 12(b) wird das Problem erläutert, das sich ergibt, wenn die Kupferschich­ ten und die Keramikschicht unter gleichzeitiger Anwendung der beiden Verbindungsverfahren zu einer Einheit verbunden werden. In diesen Figuren sind die bereits erläuterten Bestandteile mit denselben Bezugszeichen versehen und wer­ den nicht nochmals beschrieben. Fig. 12(a) zeigt den Ver­ bindungsvorgang, bei dem Druck angewandt wird, um eine Festphasenverbindung zu garantieren, und Fig. 12(b) zeigt ein Beispiel für den Verbindungsvorgang, bei dem die Kom­ bination von Bestandteilen nicht mit Druck beaufschlagt wird. Wenn, wie Fig. 12(a) zeigt, die Kupferschichten 2A, 2C und die Pufferschicht 3 mittels Festphasenverbindung starr miteinander verbunden werden, wird die reaktive Schmelzschicht 11 aus der Haftfläche zwischen der kerami­ schen Grundschicht 1 und den entsprechenden Kupferschichten 2A, 2B herausgedrückt, so daß sich das Problem einstellt, daß die elektrische Schaltung kurzgeschlossen wird. Ande­ rerseits können bei dem Verbindungsvorgang nach Fig. 12(b), bei dem keine Druckkraft einwirkt, die Haftflächen 9A, 9B nicht ausreichend fest miteinander verbunden werden, so daß die gewünschte Haftverbindungsfestigkeit nicht erhalten werden kann. Auch sind die Reaktionszeit und die Temperatur für die Haftverbindung zwischen den einzelnen Bestandteilen unterschiedlich, so daß, wenn die Kupferschichten 2A, 2B und die keramische Grundschicht 1 über einen langen Zeit­ raum auf hoher Temperatur gehalten werden, die Reaktion zwischen den Kupferschichten 2A, 2B und der Schmelzschicht übermäßig fortschreitet, so daß die Kupferschichten 2A, 2B modifiziert und verformt werden.
Nachstehend wird unter Bezugnahme auf die Fig. 7(a), 7(b), 8, 9 und 10 das Verbindungsverfahren gemäß der Er­ findung erläutert, bei dem die genannten Probleme nicht auftreten.
Die Fig. 7(a) und 7(b) erläutern schematisch das Verfahren zur Herstellung des Keramik-Metall-Verbundsubstrats nach der Erfindung, wobei Fig. 7(a) im Querschnitt sämtliche Bestandteile im Zustand vor dem Haftverbinden und Fig. 7(b) im Querschnitt sämtliche Bestandteile nach dem Haftverbin­ den zeigen. Die Grafik von Fig. 8 zeigt die Abschälfestig­ keit über der Temperatur für die Kupferschichten und die Pufferschicht. Fig. 9 zeigt die Abschälfestigkeit über der Temperatur für die keramische Grundschicht und die Kupfer­ schichten. Fig. 10 zeigt die Abschälfestigkeit über der Dicke für die keramische Grundschicht und die Kupferschich­ ten nach der Erfindung. Dabei sind gleiche oder äquivalente Teile, die bereits unter Bezugnahme auf Fig. 11 erläutert wurden, mit denselben Bezugszeichen versehen und werden nicht mehr beschrieben. Dieses Ausführungsbeispiel wird unter Bezugnahme auf den Fall erläutert, daß Aluminiumoxid als keramische Grundschicht 1 eingesetzt wird. Fig. 7(a) zeigt einen Dünnfilm 21 aus einem aktiven Metall. Dieser Dünnfilm 21 ist durch kontinuierliches Aufdampfen von Titan (Ti) im Vakuum auf eine Seite jeder Kupferschicht 2A, 2B gebildet und hat eine Dicke zwischen 0,1 µm und 3 µm.
Nachstehend wird das Verfahren zur Herstellung des Keramik- Metall-Verbundsubstrats nach der Erfindung erläutert.
Um eine ausreichende Haftfestigkeit zwischen der kerami­ schen Grundschicht 1 und jeder der Kupferschichten 2A, 2B zu erzielen, wird zuerst ein aktives Metall mit einer Dicke von 0,1-3 µm auf die keramische Grundschicht 1 oder die Haftflächen 6A und 6B der entsprechenden Kupferschichten 2A und 2B unter Bildung des Dünnfilms 21 aufgebracht. Der Vorüberzug kann zwar entweder auf der keramischen Grund­ schicht 1 oder auf den Kupferschichten 2A, 2B gebildet werden, es ist jedoch vorteilhaft, wenn der Dünnfilm auf der Seite der Kupferschichten 2A, 2B gebildet wird, weil im Hinblick auf die Produktivität des Verbundsubstrats dieser Vorüberzug mit Vorteil durch kontinuierliches Aufdampfen im Vakuum auf ein für die Kupferschichten bestimmtes Kupfer­ walzband gebildet werden kann. Im vorliegenden Fall wird die beispielsweise Bildung des Dünnfilms 21 auf den Kupfer­ schichten 2A, 2B beschrieben. Nach der Bildung des Dünnfilms werden die Kupferschichten 2A, 2B und die Puffer­ schicht 3 z. B. einem chemischen Ätzvorgang zum Erhalt einer gewünschten Form unterzogen. Dann werden die kerami­ sche Grundschicht 1 und die im obigen Schritt geformten Kupferschichten 2A, 2B und 2C sowie die Pufferschicht 3 einzeln in vorbestimmter Reihenfolge (vgl. Fig. 7(a)) zum Verbinden auf eine Aufspannvorrichtung gelegt. In diesem Fall werden die Kupferschichten 2A, 2B derart auf die bei­ den Oberflächen der keramischen Grundschicht 1 gelegt, daß der auf jeweils einer Oberfläche jeder Kupferschicht ge­ bildete Dünnfilm 21 die keramische Grundschicht 1 kontak­ tieren kann. Danach wird die übereinandergeschichtete Gesamtanordnung mit der Aufspannvorrichtung in eine als Verbindungseinrichtung dienende Vakuumwarmpresse verbracht. Es ist übrigens zu beachten, daß als Verbindungseinrichtung auch andere Einrichtungen in Frage kommen unter der Voraus­ setzung, daß sie eine für den Verbindungsvorgang geeignete Atmosphäre erzeugen sowie einen Preß- und Erwärmungsvorgang durchführen können. Nachdem die zu verbindenden Schichten in der Verbindungseinrichtung angeordnet sind, wird in dieser eine Atmosphäre mit z. B. Argon- oder Stickstoffgas oder einem anderen Gas, das nur schwer mit dem aktiven Metall in Reaktion tritt, bei einem Vakuum von ca. 0,013 Pa erzeugt. Anschließend werden die zu verbindenden Schichten entsprechend Fig. 7(b) mit Druck und Wärme beauf­ schlagt, wobei die Richtung der Druckbeaufschlagung durch die Pfeile P bezeichnet ist. Die Druckbeaufschlagung der zu verbindenden Schichten kann entweder vor dem Erwärmen oder nach dem Erwärmen auf eine vor bestimmte Temperatur erfol­ gen. Es ist sehr wichtig, daß die keramische Grundschicht 1, die Kupferschichten 2A, 2B und 2C und die Pufferschicht 3 bei einer für ihre Reaktion geeigneten Temperatur druck­ beaufschlagt werden, um dadurch die innige Haftverbindung zwischen ihnen zu erzielen. Die Erwärmungsgeschwindigkeit hat keinen wesentlichen Einfluß auf die Haftverbindung der Schichten und kann z. B. 50°C/min betragen. Nachdem die zu verbindenden Schichten eine vorbestimmte Temperatur er­ reicht haben, ist eine für ihre Reaktion (d. h. Haftver­ bindung) ausreichende Zeitdauer erforderlich. Nach Beendi­ gung des Verbindungsvorgangs wird die Gesamtanordnung mit einer Geschwindigkeit von z. B. 10°C/min, bei der keine Rißbildung in der keramischen Grundschicht 1 entsteht, abgekühlt, so daß das gewünschte Keramik-Metall-Verbund­ substrat erhalten wird.
Nachstehend werden im einzelnen die Erscheinungen erläu­ tert, die beim Verbinden der Schichten zu einer Einheit auftreten.
Zuerst wird unter Bezugnahme auf Fig. 8 das Haftverbinden der Kupferschichten 2A, 2C und der Pufferschicht 3 erläu­ tert, wobei die Kupferschichten 2A, 2C aus einfachem Kupfer bestehen und die Pufferschicht Molybdän ist. Fig. 8 zeigt charakteristische Kurven für die Beziehung zwischen der Temperatur und der Abschälfestigkeit, wobei auf der Abszis­ se die Temperatur und auf der Ordinate die Abschälfestig­ keit aufgetragen ist. Dabei bezeichnet die Kurve A den Fall mit einer Druckkraft von 1 MPa, während die Kurve B den Fall mit einer Druckkraft von 20 MPa zeigt. Da Kupfer und Molybdän als Festkörper miteinander haftverbunden werden, wird eine vergleichsweise lange Zeit für den Verbindungs­ vorgang benötigt, und zwar 20 min wie im Fall der konven­ tionellen Festphasenverbindung (Diffusionsverbindung). Wie Fig. 8 zeigt, wird ein annähernd konstanter Wert für die Haft­ festigkeit ab einer Temperatur von ca. 900°C erreicht. Bei einer Druckkraft von 1 MPa oder niedriger wird nur eine unzureichende Haftverbindung erreicht, so daß keine stabile Haftfestigkeit erzielbar ist. Andererseits kann bei einer Druckkraft von 20 MPa oder höher keine Verbesserung der Haftfestigkeit erzielt werden, sondern die Kupferschichten 2A, 2C werden sogar verformt und damit unbrauchbar. Für eine gute Haftverbindung der Kupferschichten 2A, 2B und der keramischen Grundschicht 1 ist es notwendig, daß die Reak­ tionsgeschwindigkeit an den Haftflächen 7A und 7B mit der Geschwindigkeit der vorgenannten Festphasenverbindung über­ einstimmt.
Fig. 9 zeigt ebenfalls charakteristische Verläufe der Abschälfestigkeit über der Temperatur für Kupfer und Alu­ miniumoxid, wobei auf der Abszisse die Temperatur und auf der Ordinate die Abschälfestigkeit aufgetragen und als aktives Metall Titan eingesetzt ist. In der Grafik bezeich­ nen die Kurven A und B Fälle mit einer Druckkraft von 1 MPa, während die Kurven C und D Fälle mit einer Druck­ kraft von 20 MPa zeigen. Ferner bezeichnen die Vollinien­ kurven Fälle, in denen der Dünnfilm eine Dicke von 1 µm aufweist, während die Strichlinienkurven Fälle bezeichnen, in denen diese Dicke 3 µm beträgt. Die eutektische Tempera­ tur von Kupfer und Titan beträgt ca. 880°C und ist somit niedriger als der Schmelzpunkt von Kupfer oder Titan. Daher beginnt die eutektische Zusammensetzung zu schmelzen, wenn die Temperatur über diese eutektische Temperatur ansteigt.
Das Lötverfahren, das konventionell angewandt wurde, ver­ wendet ein Lötmaterial mit einer Dicke von einigen zehn µm. Dieses Lötmaterial ist ein Gemisch aus mehreren Material­ arten, und sein Schmelzpunkt liegt niedriger als derjenige der zu verbindenden Schichten; bei Erwärmung auf eine Tem­ peratur oberhalb seines Schmelzpunkts schmilzt dieses Löt­ material daher ganz plötzlich. Bei der Erfindung dagegen wird die Schmelzschicht nur als Ergebnis der Reaktion zwi­ schen dem Dünnfilm 21 aus dem aktiven Metall und den Kup­ ferschichten 2A, 2B gebildet. Daher kann die Schmelz­ schichtmenge geändert werden, indem dieser Dünnfilm 21 mit veränderlicher Dicke gebildet wird, und somit kann die Reaktionsgeschwindigkeit kontrolliert werden. Das Diagramm von Fig. 9 zeigt, daß bei einer Dicke von 1 µm des aus Titan bestehenden Dünnfilms 21 der Unterschied in der Ab­ schälfestigkeit infolge der Druckkraftdifferenz größer als bei einer Filmdicke von 3 µm ist. Die Grafik zeigt also, daß bei geringer Filmdicke die durch die Reaktion zu bil­ dende Schmelzschicht ebenfalls dünn ist, so daß eine Druck­ kraft zur Beschleunigung der innigen Kontaktierung und Haftverbindung mit dem Aluminiumoxid erforderlich ist. Wenn der Dünnfilm dick gemacht wird, wird die leicht zu fluidi­ sierende Schmelzschichtmenge vergrößert, und infolgedessen hat die Druckkraft einen geringeren Einfluß auf die Haft­ festigkeit, und ein inniger Kontakt bzw. eine gute Haft­ verbindung kann auch bei niedriger Temperatur ohne weiteres erreicht werden. Wenn die Schmelzschicht allerdings über­ mäßig dick gemacht wird, tritt das Problem auf, daß sie nach außen gedrückt wird.
Das Diagramm von Fig. 10 zeigt die Abschälfestigkeit über der Filmdicke, wobei auf der Abszisse die Filmdicke und auf der Ordinate die Abschälfestigkeit aufgetragen sind. Dabei zeigt die Vollinienkurve einen Fall, in dem die Verbindungszeit mit 60 min eingestellt ist, während die Strichlinienkurve einen Fall mit einer Verbindungszeit von 20 min zeigt. In beiden Fällen ist die aufzubringende Druckkraft übrigens mit 10 MPa eingestellt. Dieses Diagramm zeigt deutlich, daß im Fall eines dünnen Films eine längere Zeit für die Haftver­ bindung benötigt wird. Wenn also die Filmdicke 0,1 µm oder geringer ist, ist die Reaktion auch dann langsam, wenn die Druckkraft auf den Höchstwert erhöht wird, bei dem das Kupfer verformt und damit unbrauchbar wird. Wenn dagegen die Filmdicke 3 µm oder mehr beträgt, schreitet die Reak­ tion schnell fort, aber die Schmelzschicht wird zur Außen­ seite des Schichtkörpers gedrückt, und zwar auch bei dem niedrigsten Druck von 1 MPa, der normalerweise für die Festphasenverbindung angewandt wird; daher ist das resul­ tierende Verbundsubstrat nur schwer als elektrischer Schaltkreis einsetzbar.
Aus den vorstehenden Erläuterungen ist ersichtlich, daß das Haftverbinden der Kupferschichten 2A, 2B und der kerami­ schen Grundschicht 1 gleichzeitig mit dem Haftverbinden der Kupferschichten 2A, 2C und der Pufferschicht 3 stattfinden kann, wenn die Dicke des Dünnfilms 21 zwischen 0,1 µm und 3 µm, der Verbindungsdruck zwischen 1 und 20 MPa und die Verbindungstemperatur im Bereich zwischen dem Schmelzpunkt einer Legierung, die durch den homogenen Dünnfilm 21 und die Kupferschichten 2A, 2B zu bilden ist, oder darüber und dem Schmelzpunkt der Kupferschichten 2A, 2B oder darunter liegt.
Bei dem vorstehend erläuterten Ausführungsbeispiel besteht der als Vorüberzug aufzubringende Dünnfilm 21 aus Titan. Selbstverständlich stellt dies keine Einschränkung dar; es kann irgendein anderes aktives Metall wie Zirkonium etc. eingesetzt werden, und die Zusammensetzung des Dünnfilms ist ebenfalls nicht nur auf eine Art beschränkt, sondern es können andere Metalle wie Silber etc. gleichzeitig aufge­ bracht werden. Da jedoch die Kupferschichten 2A, 2C und die Pufferschicht 3 einen stabilen Wert der Haftfestigkeit bei einer Temperatur von ca. 900°C oder darüber erreichen, ist es erwünscht, daß der Schmelzpunkt der von den Kupfer­ schichten 2A, 2B und dem Dünnfilm 21 zu bildenden Legierung nahe 900°C liegt, um das Herausdrücken (vgl. Fig. 13(a)) zu unterbinden.
Bei dem vorstehenden Ausführungsbeispiel wurde ferner der Vorüberzug aus aktivem Metall durch Aufdampfen im Vakuum gebildet; die Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt, und es können andere Verfahren angewandt werden, wobei vorausgesetzt wird, daß die Dicke des Dünnfilms 21 zwischen 0,1 und 3 µm liegt.
Ein bevorzugtes Beispiel für den Dünnfilm 21 ist ein Löt­ material, das hergestellt ist durch Vermischen von 2-40 Gew.-% eines aktiven Metallpulvers mit Kupferpulver oder mit Gemischen, die Kupferpulver als Hauptbestandteil enthalten, oder mit Kupferlegierungspulver, wobei wenig­ stens entweder das Kupferpulver, das Kupferlegierungspulver oder das aktive Metallpulver eine Teilchengröße von 5 µm oder größer hat. Dieses Lötmaterial kann je nach den Er­ fordernissen mit Flußmittel geknetet werden.
Die Fig. 13(a), 13(b) und 13(c) zeigen einen Reaktionszu­ stand, in dem das Lötmaterial - ein geknetetes Material aus z. B. 80 Gew.-% Kupferpulver mit einem mittleren Teilchen­ durchmesser von 10 µm und 20 Gew.-% Titanpulver mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 20 µm - in einer Atmo­ sphäre, die nur schwer mit dem genannten aktiven Metall reagiert, auf eine Temperatur erwärmt wird, die zwischen dem Schmelzpunkt der Legierung, bei dem dieses geknetete Material homogen wird, und demjenigen der Kupferschichten liegt.
Der Querschnitt von Fig. 13(a) zeigt den Reaktionszustand des Lötmaterials zum Verbindungszeitpunkt. Bei dem konven­ tionell angewandten Lötverfahren schmilzt das Lötmaterial sehr schnell, wenn es auf eine Temperatur oberhalb seines Schmelzpunkts erwärmt wird, weil das Lötmaterial ein Ge­ gemisch aus verschiedenen Metallarten ist. Bei diesem Aus­ führungsbeispiel wird jedoch die Schmelzschicht erst gebil­ det, wenn Kupfer 22 und Titan 23 miteinander in Reaktion treten. Diese Erscheinung wird nachstehend erläutert. Wie aus dem Zustandsdiagramm von Kupfer und Titan hervorgeht, liegt die eutektische Temperatur von Kupfer und Titan bei ca. 880°C und ist somit niedriger als der Schmelzpunkt von Kupfer und Titan. Wenn also die Verbindungstemperatur auf einen Wert zwischen der eutektischen Temperatur und dem Schmelzpunkt von Kupfer eingestellt wird, werden sowohl das Kupferpulver als auch das Titanpulver in ihrem Ausgangs­ zustand in der festen Phase miteinander in Kontakt ge­ bracht, wie Fig. 13(a) zeigt. Wenn dieser Zustand unter Druck aufrechterhalten wird, laufen sowohl die Diffusion als auch die Sinterung gleichzeitig ab, wie Fig. 13(b) zeigt. Sobald Kupfer und Titan zu diffundieren beginnen und der Schmelzpunkt der Komponente unter die Verbindungstem­ peratur sinkt, wird die Schmelzschicht 24 gebildet, so daß deren Reaktion mit der Keramikschicht sehr schnell abläuft. Andererseits werden Pulvermetalle gleicher Art in ihrem Festphasenzustand gesintert, so daß Leerräume 25 kleiner werden und allmählich verschwinden. Der wesentliche Aspekt bei dieser Ausführungsform ist die Reaktionsgeschwindigkeit dieser Werkstoffe, die durch die Teilchengröße des Pulver­ materials unter derselben Verbindungstemperatur und dem­ selben Mischungsverhältnis kontrollierbar ist. In diesem Fall sollte wenigstens entweder das Kupfer oder das Titan bevorzugt eine Teilchengröße von 5 µm oder größer haben.
Da also die Diffusionslänge von Kupfer und Titan bei einer Temperatur von 900°C und einer Reaktionszeit von 10 min ca. 2 µm beträgt, schreitet bei einer Teilchengröße von weniger als 5 µm die Homogenisierung des Lötmaterials sehr schnell fort, wodurch die Schmelzemenge vergrößert wird, so daß Schmelze durch den Druck nach außen gepreßt wird, wie Fig. 12(a) zeigt. Ein geeigneter Titananteil beträgt 2-40 Gew.-%. Dabei ist bei einem Titangehalt von 2 Gew.-% oder weniger dessen Reaktion mit der Keramikschicht unge­ nügend, und die erforderliche Haftfestigkeit kann nicht erzielt werden. Bei einem Titangehalt von 40 Gew.-% dagegen wird das Lötmaterial nach der Reaktion spröde, wodurch ebenfalls die Haftfestigkeit vermindert wird. Für einen wirksamen Einsatz von Titan zur Verbindung mit der Keramik sollte die Titanmenge, die in Form von nichtumgesetzten Teilchen verbleibt, nicht unbedacht erhöht werden. Im übri­ gen liegt eine bevorzugte Teilchengröße des Titans bei ca. 40 µm oder weniger. Um das Verbleiben von Leerräumen im Inneren, die die Wärmeleitfähigkeit verschlechtern können, zu vermeiden, sollte das weitere Metallpulver ebenfalls vorteilhaft eine Teilchengröße von ca. 40 µm oder weniger haben.
Bisher wurde als Beispiel die Herstellung des Lötmaterials zum Einsatz als Dünnfilm 21 mit Kupfer und Titan erläutert. Die Erfindung ist jedoch nicht auf dieses Beispiel be­ schränkt, und es können andere aktive Metalle wie Zirkonium etc. anstelle von Titan eingesetzt werden. Auch können anstelle von einfachem Kupfer solche Kupferlegierungen eingesetzt werden, die Kupfer als Hauptbestandteil enthal­ ten. Ferner ist die Zusammensetzung des Lötmaterials nicht auf diese beiden Arten beschränkt, sondern es können drei oder mehr Metallarten wie etwa Kupfer, Silber, Titan etc. eingesetzt werden. Da ein konstanter Wert der Haft­ festigkeit zwischen den Kupferschichten 2A, 2C und der Pufferschicht 3 bei einer Temperatur von ca. 900°C oder höher erhalten werden kann, ist dabei allerdings zu beach­ ten, daß der Schmelzpunkt der Legierungen bei der Homogeni­ sierung des Dünnfilms 21 des Lötmaterials bevorzugt nahe 900°C liegen sollte, um eine übermäßige Reaktion zu unter­ binden.
Wie oben beschrieben wurde, ist die Erfindung so aufgebaut, daß bei einem Keramik-Metall-Verbundsubstrat, das durch Haftverbinden von Kupfer oder Kupferlegierungen mit einer keramischen Grundschicht gebildet ist, mit der genannten Kupfer- oder Kupferlegierungsschicht eine Pufferschicht verbunden ist, die aus Molybdän, Wolfram oder einer Legie­ rung derselben besteht und deren Dicke zwischen 1/20 und 1/3 der Dicke der Kupfer- oder Kupferlegierungsschicht liegt. Auf diese Weise kann ein Keramik-Metall-Verbundsub­ strat erhalten werden, das die in der spröden keramischen Grundschicht auftretenden Wärmebeanspruchungen verringern kann und bei dem eine Beschädigung der keramischen Grund­ schicht und der auf dem Verbundsubstrat montierten Halb­ leiter-Bauelemente auch unter erschwerten Einsatzbedingun­ gen vermieden wird.
Ferner wurde unter Bezugnahme auf die Fig. 7(a) und 7(b) erläutert, daß es durch die Verbindungen der einzelnen Bestandteile des Keramik-Metall-Verbundsubstrats zu einer Einheit möglich wird, kostengünstig ein derartiges Verbund­ substrat herzustellen, dessen Verbindungsstellen fehlerfrei sind, so daß eine hohe Betriebszuverlässigkeit resultiert.

Claims (8)

1. Verfahren zur Herstellung eines Keramik-Metall-Verbund­ substrats, bei dem eine keramische Grundschicht (1), mindestens eine Metallschicht (2A, 2B) aus Kupfer oder einer Kupferlegierung und eine mit der Metallschicht haftend zu verbindende Pufferschicht (3) zu einer Einheit haftverbunden werden, dadurch gekennzeich­ net, daß die Metallschicht (2A, 2B) mit der keramischen Grundschicht (1) mittels eines Dünnfilms (21), der eine Dicke von 0,1-3 µm hat und ein aktives Metall enthält, innig kontaktiert wird; und daß die Einheit in einer Atmosphäre, die mit dem aktiven Metall schwer reaktions­ fähig ist, auf eine Temperatur im Bereich zwischen dem Schmelzpunkt einer Legierung aus der Metallschicht und dem aktiven Metall und dem Schmelzpunkt der Metallschicht unter gleichzeitiger Druckbeaufschlagung der Einheit in deren Dickenrichtung erwärmt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Einheit durch inniges Kontak­ tieren einer ersten und einer zweiten Kupferschicht (2A, 2B) mit beiden Seiten der keramischen Grundschicht (1) mittels Dünnfilme (21), und durch inniges Kontaktie­ ren einer für die Montage von Halbleiter-Bauelementen bestimmten dritten Kupferschicht (2C) mit der freien Oberfläche der ersten oder der zweiten Kupferschicht über die Pufferschicht (3) gebildet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung des Dünnfilmes ein Aktivlotmaterial verwendet wird, das durch Vermischen von 2-40 Gew.-% des aktiven Metallpulvers mit einem Metallpulver aus Kupfer oder aus Gemischen, die Kupferpulver als Hauptbe­ standteil enthalten, oder aus Kupferlegierungen herge­ stellt wird, wobei entweder Kupferpulver oder Kupfer­ legierungspulver oder aktives Metallpulver mit einer Teilchengröße von 5 µm oder mehr eingesetzt wird.
4. Verfahren zur Herstellung eines Keramik-Metall-Verbund­ substrats nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als aktives Metall wenigstens eines der Metalle Titan, Zirkonium oder Silber verwendet wird.
5. Verfahren zur Herstellung eines Keramik-Metall-Verbund­ substrats nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Haftverbindungsdruck im Bereich von 1-20 MPa angewendet wird.
6. Mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 hergestelltes Keramik-Metall-Verbundsubstrat, mit
einer keramischen Grundschicht (1) aus Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid oder Siliciumcarbid,
einer Metallschicht (2A; 2A′) aus Kupfer oder einer Kupferlegierung, die mit der keramischen Grundschicht (1) über eine ein aktives Metall enthaltende Dünnschicht (21) haftverbunden ist; und
einer mit der Metallschicht unmittelbar haftverbundenen Pufferschicht (3) einer Dicke von 1/20 bis 1/3 der Dicke der Metallschicht aus Molybdän, Wolfram oder deren Legie­ rungen.
7. Keramik-Metall-Verbundsubstrat nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß mit den beiden Seiten der keramischen Grundschicht (1) je eine Metallschicht (2A, 2B) haftverbunden ist und die Pufferschicht (3) in Sandwich-Konstruktion zwischen einer der beiden Metall­ schichten (2A) und einer weiteren Metallschicht (2C) gehalten ist.
8. Keramik-Metall-Verbundsubstrat nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß je eine Metallschicht (2A′, 2B) mit jeder der beiden Seiten der keramischen Grundschicht (1) haftverbunden ist und daß die Puffer­ schicht (3) auf der der Verbindungsfläche der einen Metallschicht (2A′) mit der keramischen Grundschicht (1) fernen Seite vorgesehen ist (Fig. 3).
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