DE4004844C1 - Verfahren zur Herstellung einer strukturierten Kupfermetallisierung auf einem Keramiksubstrat - Google Patents

Verfahren zur Herstellung einer strukturierten Kupfermetallisierung auf einem Keramiksubstrat

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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

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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