DE3943683C2

DE3943683C2 - Keramik-Metall-Verbundsubstrat

Info

Publication number: DE3943683C2
Application number: DE3943683A
Authority: DE
Inventors: Yoshihiro Kashiba; Masaru Okada
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1988-07-22
Filing date: 1989-07-21
Publication date: 1994-07-21
Anticipated expiration: 2009-07-22

Description

Die Erfindung betrifft ein Keramik-Metall-Verbundsubstrat, das hergestellt wird durch Haftverbinden einer keramischen Grundschicht und einer Metallschicht und auf dem z. B. ein Halbleiter-Bauelement montiert werden soll. Insbesondere betrifft die Erfindung einen solchen Aufbau des Substrats, bei dem ein Bruch des Halbleiter-Bauelements und der kerami schen Grundschicht verhindert wird.

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch ein bekanntes Verbundsubstrat zur Montage eines Halbleiter-Bauelements (z. B. gemäß der nichtgeprüften JP-OS 155 580/1985), wobei eine konventio nelle keramische Grundschicht und Metallschichten direkt haftverbunden sind. Dabei ist als keramische Grundschicht eine Aluminiumoxidschicht 1 vorgesehen; auf dieser sind Metallschichten 2A, 2B gebildet, die z. B. zähgepoltes elektrolytisches Kupferblech zur Bildung eines elektrischen Schaltkreises sind; und 7A, 7B sind Haftflächen, an denen die Aluminiumoxid-Grundschicht 1 und die jeweiligen Kupfer bleche 2A, 2B direkt haftverbunden sind.

Fig. 3 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, 2c (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 sie also in direkten Kontakt mit den Kupferblechen 2A, 23B gebracht wird, deren Wärmeausdeh nungszahl 17×10^-6/°C ist, treten aufgrund der unterschied lichen Wärmeausdehnungszahlen der keramischen Grundschicht und der Kupferbleche Spannungen im Bereich der Haftflächen 7A, 7B auf. Wenn diese haftverbundenen Schichten der Wär mewechselbeanspruchung 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 Rißbil dung und schließlich zum Bruch führt.

Fig. 4 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. Aber wenn das Silizium- Halbleiter-Bauelement 4, dessen Wärmeausdehnungszahl 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 vermindern. Diese Maßnahmen sind jedoch ein schwerwiegendes Hin ernis 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 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 Keramik-Metall-Verbundsubstrat gemäß Anspruch 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unter ansprüchen angegeben. Dabei ist als Dünnfilm ein Lötmaterial bevorzugt, 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 aktive Me tallpulver eine Teilchengröße vom 5 µm oder größer hat.

Die Erfindung ist im folgenden anhand eines Ausführungsbei spieles näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel des Keramik-Metall-Verbundsubstrats nach der Erfindung;

Fig. 2 einen Querschnitt durch ein konventionelles Keramik- Metall-Verbundsubstrat;

Fig. 3 eine Perspektivansicht eines allgemeinen Beispiels eines Keramik-Metall-Verbundsubstrats;

Fig. 4 einen Querschnitt, der Risse zeigt, die in einem konventionellen Keramik-Metall-Verbundsubstrat auf treten.

Gemäß der Erfindung kann durch Vorsehen einer Pufferschicht 3, 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 sichergestellt werden, während gleichzeitig die Beanspruchungen, die auf die kerami sche Grundschicht und die mit ihr haftend zu verbindenden Ele mente, z. B. das Halbleiter-Bauelement etc., ausgeübt werden, verringt werden können, so daß eine etwaige Beschädigung der keramischen Grundschicht und des Halbleiter-Bauelements ver mieden wird.

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die als Molyb dänschicht 3 ausgebildete Pufferschicht zwischen einer ersten Kupferschicht 2A′ und der Aluminiumoxid-Grundschicht liegt. Da hierbei die als Molybdänschicht 3 ausgebildete Pufferschicht die eine Seite der Aluminiumoxid-Grundschicht kontaktiert, kann ein Bruch der Grundschicht 1 mit hoher Sicherheit vermieden werden. Mit der anderen Seite der Aluminiumoxid-Grundschicht 1 ist eine zweite Kupferschicht 2B direkt oder über einen Dünnfilm haftverbunden. Dieser Dünnfilm kann durch kontinuierliches Aufdampfen von Titan im Vakuum auf der zweiten Kupferschicht 2B gebildet sein und eine Dicke vom 0,1 µm bis 3 µm haben.

In diesem Zusammenhang ist zu beachten, daß die Molybdän schicht 3 keine Einzelschicht sein muß. Wichtig ist, daß eine derartige Molybdänschicht nach Maßgabe der Eigenschaften des Halbleiter-Bauelements und der keramischen Grundschicht ange ordnet ist und daß ihre Gesamtdicke zwischen 1/20 und 1/3 der Dicke der Kupferschichten liegt.

Zum Haftverbinden des Keramik-Metall-Verbundsubstrats kann ein konventionelles Verfahren, wie Explosionsdruckschweißen, das DBC-Verfahren etc., angewendet werden. Es kann aber auch ein Verfahren gemäß der Stammanmeldung eingesetzt werden. Da bei dem Substrat nach der Erfindung die einzelnen Bestandteile fest miteinander haftverbunden und relativ zueinander fixiert sein müssen, ist ein Verbindungsverfahren unter Anwendung ei nes weichen Lots mit niedrigem Schmelzpunkt, z. B. eines eu tektischen Lots, nicht empfehlenswert.

Das vorstehende Ausführungsbeispiel wurde 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.

Claims

1. Keramik-Metall-Verbundsubstrat, mit einer keramischen Grundschicht (1) und einer ersten Me tallschicht (2A′) aus Kupfer oder einer Kupferlegierung, die mit der einen Seite der keramischen Grundschicht (1) über eine Pufferschicht (3) aus Molybdän, Wolfram oder deren Legierungen einer Dicke von 1/20 bis 1/3 der Dicke der Metallschicht haftverbunden ist, und einer zweiten Metallschicht aus Kupfer oder einer Kupferlegierung (2B) die mit der anderen Seite der keramischen Grundschicht (1) haftverbunden ist.

2. Keramik-Metall-Verbundsubstrat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Metallschicht (2B) über einen ein aktives Metall enthaltenden Dünnfilm mit der kerami schen Grundschicht (1) haftverbunden ist.

3. Keramik-Metall-Verbundsubstrat nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des Dünnfilms (21) im Bereich von 0,1 bis 3 µm liegt.