DE4004844C1 - Verfahren zur Herstellung einer strukturierten Kupfermetallisierung auf einem Keramiksubstrat - Google Patents
Verfahren zur Herstellung einer strukturierten Kupfermetallisierung auf einem KeramiksubstratInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Her
stellung einer strukturierten Kupfermetallisierung auf
einem Keramiksubstrat nach dem Oberbegriff des Anspruchs
1.
Ein Verfahren zum direkten Verbinden einer Kupferfolie
mit einem Keramiksubstrat ist aus der DE-A 32 04 167
bekannt. In dem Aufsatz "Neue Leistungs-Halbleiter-Modu
le mit hoher Lastwechselfestigkeit", BBC Nachrichten,
Jahrgang 64, Heft 7, 1982, Seiten 196 bis 200 ist auf
Seite 199 ausgeführt, daß auf solche Weise mit einer
Kupfermetallisierung versehenes Substrat durch nach
trägliches Ätzen strukturiert werden kann. Die zweite
Seite des Keramiksubstrats kann anschließend mit einer
ganzflächigen Kupfermetallisierung ebenfalls nach dem
Direktverbindungsverfahren metallisiert werden. Alterna
tiv hierzu kann auch mit einem einzigen Bondprozeß
beidseitig eine Kupferfolie aufgebracht und anschließend
geätzt werden, wie in Verbindungstechnik in der Elektro
nik, VTE 1/89, Seite 16 bis 19 auf Seite 16 beschrieben
ist. Außerdem kann eine beispielsweise durch Stanzen
oder Ätzen vorstrukturierte Kupferfolie auf die Keramik
aufgebracht werden.
Direktgebondete Keramik-Kupfer-Substrate haben viele
hervorragende Eigenschaften, insbesondere weisen sie
eine sehr haftfeste Verbindung zwischen der Keramikplat
te und der Kupferfolie auf. Das gilt zumindest für die
Verbindung einer oxidischen Keramik, wie z.B. Aluminiu
moxid mit Kupfer. Aus der Firmendruckschrift "High Ther
mal Conductivity ALN Substrates" der Fa. Toshiba, Serial
No. D-62002, vom 28. Februar 1987 sind auch direktgebon
dete Substrate bekannt, welche auf der Basis einer
nichtoxidischen Keramik, nämlich Aluminiumnitrid herge
stellt sind. Um eine solche Keramik mit einer Kupferfo
lie direkt verbinden zu können, muß die Keramik ober
flächlich oxidiert werden. Eine solche dünne Oxidschicht
kann nur sehr begrenzt durch unterschiedliche mechani
sche Spannungen an der Übergangsstelle von einer metal
lisierten zu einer nichtmetallisierten Fläche erzeugte
Kräfte aufnehmen. Aus diesem Grund weisen am Markt er
hältliche Module mit ALN-isolierten Substraten eine Me
tallisierung mit abgeschrägten Kanten auf. Die abge
schrägten Kanten führen zu einem kleineren Gradienten
der mechanischen Spannungen am Rand der Metallisierungs
flächen. Die Metallisierung dieser ALN-Module ist durch
Bonden von vorstrukturierten Kupferfolien hergestellt.
Das dazu erforderliche Strukturieren und Abschrägen der
Kupferfolie vor dem Bonden erfordert zwei Ätzschritte
und ist daher aufwendig und führt zu einer wenig flexi
blen Fertigung. Die Handhabung der empfindlichen struk
turierten Kupferfolien ist schwierig.
In VTE 1/89 wird auf Seite 19 berichtet, daß auch bei
oxidischer Keramik nach einer Temperaturwechselbelastung
Risse in der Keramik auftreten können, welche zu einem
sogenannten Muschelbruch führen. Einer solchen Rißbil
dung kann durch Verwendung einer hochfesten Keramik mit
feiner Korngrößenverteilung vorgebeugt werden. Derartige
Keramiken mit z.B. 99,5% Al2O3 und einer Biegefestigkeit
von etwa 500 MPa sind aus der Dünnfilmtechnik bekannt.
Sie sind jedoch ebenso wie andere noch festere Keramiken
mit dichtem Gefüge für die vorgesehene Massenfertigung
und die Verwendung in Leistungshalbleitermodulen zu
teuer.
Eine andere Möglichkeit zur Verminderung der Gefahr ei
ner Rißbildung besteht darin, dünnere Kupferfolien zu
verwenden, wobei sich jedoch ebenfalls Schwierigkeiten
ergeben. Auf der strukturierten Oberseite eines Sub
strats will man eine möglichst dicke Kupferfolie im Hin
blick auf die Querleitfähigkeit haben. Auf der Untersei
te soll die Kupferfolie ebenfalls dick sein, um eine
hohe Druckspannung zu erzielen. Eine unterschiedlich
dicke Metallisierung sollte im Hinblick auf eine sich
dann einstellende Wölbung vermieden werden. Außerdem ist
die Lagerhaltung unterschiedlich dicker Folien aufwen
dig.
Das von der Herstellung von Substraten mit nichtoxidi
schen Keramiken bekannte Verfahren, nämlich vorstruktu
rierte Folien mit im Randbereich abgeschrägten Kanten zu
verwenden, ist wegen der schwierigen Handhabung der Fo
lien ebenfalls nicht zufriedenstellend.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein aus den
genannten BBC Nachrichten bekanntes Verfahren zur Her
stellung einer Kupfermetallisierung auf einem Keramik
substrat dahingehend zu verbessern, daß danach herge
stellte Produkte eine deutlich geringere Neigung zur
Rißbildung aufweisen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung
einer strukturierten Kupfermetallisierung auf einem Ke
ramiksubstrat gelöst, wobei zunächst eine ganzflächige
Kupferschicht durch Verbinden einer Kupferfolie mit dem
Keramiksubstrat nach einem Direktverbindungsverfahren
hergestellt wird und anschließend durch Maskieren und
Ätzen der Kupferschicht die strukturierte Kupfermetalli
sierung hergestellt wird, und wobei durch entsprechende
Maskierung und eine entsprechende Steuerung des Ätzpro
zesses die strukturierte Metallisierung unter Anwendung
einer der nachstehend aufgeführten Gestaltungsmöglich
keiten, oder einer beliebigen Kombination davon, herge
stellt wird:
- a) Rundung von Ecken der Kupfermetallisierung,
- b) Herstellung eines Randbereiches der Metallisierung mit verringerter Schichtdicke,
- c) Ausfransung der Kanten der Metallisierung und
- d) Gliederung oder stellenweise Schwächung einzelner Flächen der strukturieren Metallisierung.
Durch diese Maßnahmen werden größere Druck- und Zugspan
nungsunterschiede am Übergang von metallisierten zu
nichtmetallisierten Substratflächen vermieden.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in Unteransprüchen an
gegeben.
Die Erfindung hat den Vorteil, daß trotz der Verwendung
einer Kupferfolie in üblicher Dicke von etwa 0,2 bis 05 mm,
typisch 0,3 mm Dicke, die auf beiden Seiten des Ke
ramiksubstrats aufgebracht werden kann, Risse in der
Keramik vermieden werden. Dies wird durch Maßnahmen beim
Maskieren und Ätzen der bereits gebondeten und zu struk
turierenden Metallisierung erreicht, so daß praktisch
kein Mehraufwand entsteht und Handhabungsprobleme mit
einer strukturierten Kupferfolie vermieden werden.
Ausgehend von der Erkenntnis, daß Risse in der Keramik
dadurch entstehen, daß in den freigeätzten Keramikberei
chen Zugspannungen bestehen, während die Keramikbereiche
unter den Kupferfolien unter Druckspannung stehen, wird
durch verschiedene Maßnahmen, welche einzeln oder in
Kombination angewendet werden können, eine Verminderung
des Spannungsänderungsgradienten am Übergang von metal
lisierten zu nichtmetallisierten Flächen herbeigeführt.
Alle diese Maßnahmen erfordern lediglich eine entspre
chende Maskierung und ggf. Steuerung des Ätzprozesses.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Pro
dukte sind besonders unempfindlich gegenüber lokal ein
wirkende kurzzeitige hohe Wärmebelastungen, die z.B.
durch hohe Impulsbelastungen von Leistungshalbleiter
chips vorkommen können.
Eine genauere Beschreibung der Erfindung erfolgt anhand
von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispie
len.
Es zeigen:
Fig. 1 eine nach dem Stand der Technik herge
stellte strukturierte Metallisierung auf
einem Keramiksubstrat,
Fig. 2 und 3 eine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
hergestellte Metallisierung auf einem
Keramiksubstrat,
Fig. 4 und 5 eine Variante zur erfindungsgemäßen Her
stellung von Metallisierungskanten,
Fig. 6 bis 9 eine weitere Variante zur Herstellung von
Metallisierungskanten,
Fig. 10 bis 12 Varianten zur Gliederung oder Schwächung
von Metallisierungen.
In Fig. 1 ist ein Teil eines Keramiksubstrats 1 mit ei
ner strukturierten Kupfermetallisierung 2 dargestellt.
Das Keramiksubstrat 1 besteht üblicherweise aus einem
Standardmaterial mit 96% Al2O3, das eine Biegefestigkeit
von etwa 280 MPa aufweist und in der Dickschichttechnik
Verwendung findet. Die Kupfermetallisierung ist durch
direktes Verbinden einer Kupferfolie mit z.B. 0,3 mm
Dicke und anschließendem Ätzen hergestellt. Bei diesem
nach dem Stand der Technik bekannten Herstellverfahren
entstehen steile Flanken am Rand der Kupfermetallisie
rung. Durch Pfeile ist angedeutet, daß die metallisier
ten Flächen der Keramik unter Druckspannung stehen, wo
bei es zu einer vektoriellen Addition zweier Druckspan
nungen kommt, während die Keramik außerhalb dieser Flä
chen unter Zugspannung steht. Nach einer typischen Tem
peraturwechselbelastung von z.B. zehn Wechseln zwischen
-40°C und +125°C mit einer Verweildauer von jeweils lh
können bei einem in Fig. 1 gezeigten Produkt im Randbe
reich der metallisierten Flächen, insbesondere an den
Ecken der metallisierten Flächen, Risse 3 in dem Kera
miksubstrat 1 entstehen. Wegen des erwähnten resultie
renden Druckspannungsvektors verlaufen typische Risse 3
schräg zu äußeren Metallisierungsecken. Innere Ecken
sind dagegen bezüglich Rißbildung unkritisch.
Fig. 2 zeigt erfindungsgemäße Maßnahmen zur Vermeidung
von Anrissen oder Rissen in der Keramik, nämlich eine
Abrundung von Ecken an der Kupferschicht 2 und eine Ab
schrägung der Kanten der Kupferschicht 2. An den so ab
gerundeten Ecken 4 und abgeschrägten Kanten 5 ist der
Übergang von einer Zugspannung zu einer Druckspannung
auf einen größeren Bereich verteilt und damit der Gra
dient der Spannungsänderung verkleinert. Eine in Fig. 2
eingetragene Schnittebene A-B ist in Fig. 3 gezeigt,
wobei zu erkennen ist, daß das Keramiksubstrat 1 auf der
Oberseite eine strukturierte Kupfermetallisierung 2 und
auf der Unterseite eine durchgehende Kupfermetallisie
rung aufweist. Bei allen vorgeschlagenen Verfahrensva
rianten kann eine bekannte Siebdrucktechnik oder Foto
maskentechnik angewendet werden. Die abgeschrägten Kan
ten 5 sollten wenigstens so breit sein, wie sie hoch
sind, um den gewünschten Effekt zu erzielen. Für beson
ders flache Anätzungen kann ein zweistufiges Ätzverfah
ren erforderlich sein. Die Fig. 4 und 5 zeigen ein
Verfahren um mit einem einzigen Ätzschritt einen größe
ren verdünnten Randbereich der Metallisierung herzustel
len. Dabei zeigt Fig. 4 eine Maskierung 6, welche eine
zu strukturierende Kupferschicht 2 abdeckt. Fig. 5 zeigt
ein Produkt nach Durchführung des Ätzprozesses, wobei
ein Keramiksubstrat 1 mit einer durch Ätzung struktu
rierten Kupferschicht 2 dargestellt ist. Es ist zu er
kennen, daß ein breiter Randbereich 7 entstanden ist,
der zwar nicht kontinuierlich abgeschrägt ist, worauf es
hier auch nicht ankommt, sondern nahezu gleichmäßig dünn
ist im Vergleich zur übrigen Metallisierung. Dabei ist
auch der äußerste Randbereich, der von einem schmalen
Streifen der Maske abgedeckt war, durch den bekannten
Effekt der Unterätzung dünner geworden.
Fig. 6 zeigt eine weitere Maßnahme zur Vermeidung von
Rißbildungen, wobei anstelle von geraden Kanten der Me
tallisierung durch Ausfransungen verlängerte Kanten vor
geschlagen werden, welche z.B. durch sägezahnförmige
oder mäanderförmige Kantenformen erzielt werden können.
Auf solche Weise hergestellte Metallisierungsfinger 8
sollen so dimensioniert sein, daß sie mit der jeweiligen
Maskiertechnik noch sicher beherrschbar sind. Das bedeu
tet z.B. bei etwa 0,3 mm dicken Kupferschichten, daß die
Finger 8 an ihrer Wurzel 9 eine Breite von 1 mm nicht
unterschreiten sollten und die Abstände zwischen den
Fingern 8 mindestens 0,5 mm betragen sollten. Der Ab
stand kann sich zur Wurzel 9 hin verringern, wobei eine
dadurch verursachte geringere Durchätzung erwünscht ist,
weil dann eine abgeschrägte Kante entsteht. Der Vor
schlag zur Fingerstruktur kann auch so ausgedrückt wer
den: Die Breite und die Länge der Finger soll etwa der
dreifachen Kupferschichtdicke entsprechen und die Ab
stände etwa der zweifachen Schichtdicke. Die Fingerkup
pen werden zweckmäßig verrundet, um Spannungsspitzen zu
vermeiden.
Die in Fig. 6 dargestellte Maßnahme zur Kantenverlänge
rung wird insbesondere für solche Fälle vorgeschlagen,
in denen ein Chip mit besonders hoher Impulsbelastung,
beispielsweise ein Thyristor unter Stoßstrombelastung
auf einer Lötfläche 10 angeordnet werden soll. In ande
ren Fällen kann auch eine Verlängerung der Kante im Be
reich von Ecken der Metallisierung genügen, wie in
Fig. 10 dargestellt. Dort sind an den Ecken der Metalli
sierung 2 Schlitze 11 durch Ätzung hergestellt, welche
im Winkel von etwa 45° nach innen verlaufen. Ihre Breite
ist das Zwei- bis Dreifache, ihre Länge mindestens das
Dreifache der Kupferschichtdicke.
In Fig. 6 ist neben einer mäanderförmigen Kantenform mit
Fingern 8 eine Sägezahnstruktur 12 dargestellt. Diese
Sägezahnstruktur 12 ist in Fig. 7 vergrößert darge
stellt, wobei im gezeigten Beispiel Dreieckzähne mit
etwa gleicher Seitenlänge vorhanden sind. Die Seitenlän
ge sollte etwa dreimal so groß wie die Kupferschichtdik
ke sein. Je nach zur Verfügung stehendem Platz und gege
bener thermischer Schockbelastung können auch andere
Dreieckformen, z.B. mit größerer Höhe vorgesehen werden.
Beim Ätzen der Sägezahnstruktur werden in gewünschter
Weise die engen Zwischenräume der Dreiecke weniger stark
durchgeätzt und die Spitzen verrundet. Dies ist in der
Zeichnung dargestellt durch einen in Fig. 7 eingetrage
nen Schnitt C-D, welcher in Fig. 8 gezeigt ist, und
durch einen in Fig. 7 eingetragenen Schnitt E-F, welcher
in Fig. 9 gezeigt ist. Es ist anzumerken, daß die in den
Fig. 3, 8 und 9 gezeigte ganzflächige Kupferschicht
auf der Unterseite des Keramiksubstrats keiner ätztech
nischen Behandlung bedarf, da die Keramik überall unter
Druckspannung steht.
Eine weitere alternative Maßnahme ist in den Fig. 11
und 12 dargestellt. Nach diesem Vorschlag werden größere
Druck- und Zugspannungsunterschiede durch eine feine
Gliederung oder eine Schwächung der Kupfermetallisierung
vermieden.
Eine erste Variante zur Realisierung dieser Maßnahme ist
in Fig. 11 dargestellt. Fig. 11 zeigt ein Keramiksub
strat 1 mit einer Kupfermetallisierung 2 mit einem An
schlußbereich 13, in welchem ein Gate-Anschluß ange
bracht werden soll. Zur Gliederung oder Schwächung der
Metallisierung 2 ißt eine Vielzahl von Löchern 14 in der
Metallisierung 2 angeordnet, welche durch Ätzung herge
stellt werden. Die Löcher 14 besitzen Durchmesser von
etwa der zweifachen Metallisierungsdicke, ihre Abstände
sind etwa von der gleichen Größe. Dabei ist es nicht
zwingend notwendig, daß die Löcher vollständig durch
geätzt werden.
Eine zweite Variante ist in Fig. 12 dargestellt. Dort
ist die Metallisierung 2 in einem vorgesehenen Anschluß
bereich 13 durch Ätzung mäanderförmig ausgeführt. Die
Breite des so hergestellten Kupferschichtbandes 15 be
trägt etwa das Dreifache der Kupferschichtdicke, die
Abstände zwischen den Streifen des mäanderförmigen Kup
ferschichtbandes 15 betragen etwa das Zweifache der
Schichtdicke. Ecken sind verrundet.
Die in den Fig. 11 und 12 beispielhaft dargestellte
Maßnahme zur Gliederung oder Schwächung der Metallisie
rung kann vorteilhaft angewendet werden, wenn keine ho
hen Ströme abgeführt werden müssen und wenn eine Struk
turierung der Metallisierungskanten aus Platzgründen
nicht möglich ist.
Die insgesamt vorgeschlagenen Verfahrensvarianten sind
je nach Gegebenenheiten einzeln oder in einer im Einzel
fall für zweckmäßig erachteten Kombination anwendbar.
Bezugszeichenliste
1 Keramiksubstrat
2 Kupfermetallisierung, Kupferschicht
3 Riß
4 abgerundete Ecke
5 abgeschrägte Kante
6 Maskierung
7 dünner Randbereich
8 Metallisierungsfinger
9 Wurzel
10 Lötfläche
11 Schlitz
12 Sägezahnstruktur
13 Anschlußbereich
14 Loch
15 Kupferschichtband
2 Kupfermetallisierung, Kupferschicht
3 Riß
4 abgerundete Ecke
5 abgeschrägte Kante
6 Maskierung
7 dünner Randbereich
8 Metallisierungsfinger
9 Wurzel
10 Lötfläche
11 Schlitz
12 Sägezahnstruktur
13 Anschlußbereich
14 Loch
15 Kupferschichtband
Claims (9)
1. Verfahren zur Herstellung einer strukturierten
Kupfermetallisierung auf einem Keramiksubstrat, wobei
zunächst eine ganzflächige Kupferschicht durch Verbinden
einer Kupferfolie mit dem Keramiksubstrat nach einem
Direktverbindungsverfahren hergestellt wird und an
schließend durch Maskieren und Ätzen der Kupferschicht
die strukturierte Kupfermetallisierung hergestellt wird,
dadurch gekennzeichnet, daß durch entsprechende Maskie
rung und eine entsprechende Steuerung des Ätzprozesses
die strukturierte Metallisierung (2) unter Anwendung
einer der nachstehend aufgeführten Gestaltungsmöglich
keiten, oder einer beliebigen Kombination davon, herge
stellt wird:
- a) Rundung von Ecken der Kupfermetallisierung (2),
- b) Herstellung eines Randbereiches (5) der Metallisie rung (2) mit verringerter Schichtdicke,
- c) Ausfransung (8, 12) der Kanten der Metallisierung (2) und
- d) Gliederung oder stellenweise Schwächung einzelner Flächen der strukturierten Metallisierung (2).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß außer einer Rundung der Metallisierungsecken im
Bereich der Ecken jeweils ein Schlitz (11) in der Metal
lisierung (2) hergestellt wird, der von den Ecken aus
unter einem Winkel von 45° über eine Länge von der
dreifachen Kupferschichtdicke und mit einer Breite von
der zwei- bis dreifachen Kupferschichtdicke in die
Metallisierung (2) verlaufend hergestellt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß ein Randbereich der Metallisierung (2) mit ver
ringerter Schichtdicke durch Herstellung einer Abschrä
gung mit nach außen hin abnehmender Dicke erzeugt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß ein Randbereich der Metallisierung (2) mit ver
ringerter Dicke mit Hilfe einer Maskierung (6) herge
stellt wird, welche im Randbereich einen schmalen Strei
fen auf der Kupfermetallisierung (2) nicht abdeckt, wo
durch durch Ätzung und Unterätzung ein Metallisierungs
rand mit verringerter Dicke entsteht.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß die Ausfransung der Metallisierungskanten durch
eine sägezahnförmige Gestaltung des Randes hergestellt
wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß die Ausfransung der Metallisierungskanten durch
eine mäanderförmige Gestaltung des Randes hergestellt
wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß eine Gliederung einer Metallisierungsfläche
durch Ausführung als mäanderförmiges Kupferschichtband
(15) hergestellt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß eine Gliederung oder Schwächung von Metallisie
rungen (2) durch Ätzen oder Anätzen von Löchern (14)
hergestellt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 1, 5 bis 8, dadurch ge
kennzeichnet, daß alle Gliederungen oder Ausfransungen
so ausgeführt werden, daß die Breite von Kupferschichten
und von Abständen zwischen den Kupferschichten im we
sentlichen im Bereich vom etwa Zwei- bis Dreifachen der
Kupferschichtdicke liegt.
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