DE4104860A1

DE4104860A1 - Verfahren zur verbindung einer metallfolie, insbesondere einer kupferfolie, mit einem substrat aus aluminiumnitrid sowie entsprechend hergestelltes produkt

Info

Publication number: DE4104860A1
Application number: DE4104860A
Authority: DE
Inventors: Jannick Guinet; Jean-Claude Hubert; Jean Jarrige; Jacques Mexmain; Jean-Pascal Michelet
Original assignee: La Telemecanique Electrique SA; Telemecanique SA
Current assignee: Telemecanique SA
Priority date: 1990-02-20
Filing date: 1991-02-16
Publication date: 1991-08-22
Also published as: FR2658504B1; JPH04214080A; FR2658504A1; US5150830A

Description

Die vorliegende Erfindung liegt auf dem Gebiet der Verbindung einer Metallfolie, insbesondere einer Kupfer folie, mit einem Substrat aus Aluminiumnitrid.

Die vorliegende Erfindung findet insbesondere Anwendung bei der Realisation bzw. Herstellung von elektronischen Leistungsmodulen.

Bei der Realisation bzw. Herstellung von elektronischen Leistungsmodulen müssen Materialien verwendet werden, die hinsichtlich elektrischer Leitfähigkeit und Wärme leitfähigkeit gute Eigenschaften aufweisen. Darüber hinaus müssen die verwendeten Materialien einen Ausdehnungskoeffi zienten besitzen, dessen Wert in der Nähe des Ausdehnungs koeffizienten des verwendeten Halbleitermaterials, beispielsweise Silizium, liegt. Darüber hinaus ist es sehr erwünscht, daß die Materialien, welche die vorge nannten Module bilden, möglichst preisgünstig sind.

Es wurden bereits zahlreiche Verfahren zur Verbindung einer Metallfolie, insbesondere einer Kupferfolie, mit einem Substrat aus elektrisch isolierendem Keramik material, insbesondere aus Aluminiumnitrid, vorgeschlagen.

Die EP-A 01 23 212 zeigt beispielsweise ein Verfahren zur Anbindung einer Kupferfolie auf einem Substrat aus Aluminium nitrid. Dieses Verfahren besteht darin, auf dem Substrat aus Aluminiumnitrid durch thermische Behandlung eine Aluminium oxidschicht wachsen zu lassen, danach eine Kupferfolie auf die Aluminiumoxidschicht aufzulegen und dann die Kupferfolie und die Aluminiumoxidschicht nach einem an sich bekannten Verfahren miteinander zu verbinden.

In der EP-A 01 23 212 wird insbesondere genauer gezeigt, wie die Verbindung einer Kupferfolie mit einem Substrat aus AlN erfolgen kann, indem unter Luft mit einer Tempera tur von 1200°C innerhalb von 2 bis 5 Stunden eine Aluminium oxidschicht, ausgehend vom Substrat, gebildet und dann die Kupferfolie aufgelegt wird und eine Erwärmung auf 1078°C während einer Zeitdauer von 15 Minuten unter Stickstoff atmosphäre erfolgt, um eine gute Anbindung aufgrund der sich ergebenden Schicht aus Al₂O₃-Cu₂O.

Dieses Verfahren, welches derzeit in weitem Umfange genutzt wird, ist jedoch noch nicht völlig zufriedenstellend.

Tatsächlich läßt die Verbindung zwischen Kupfer und Aluminiumoxid oftmals zu wünschen übrig. Die Kupferfolie läßt sich häufig leicht abreißen.

Eine Untersuchung der in der angegebenen Weise hergestell ten Produkte hat ergeben, daß unter der Kupferfolie Blasen vorhanden sind, die die mechanische Belastbarkeit der Verbindung verschlechtern.

Die Bildung der Blasen geht beispielsweise aus den folgenden Druckschriften hervor:

- J. Am. Ceram. Soc. 72(8), 1989, Seiten 1322 bis 1327, "Role of Oxygen in Bonding Cooper to Alumina", Yuichi Yoshino;
- Materials Research Society, Symp. Proc., Vol. 40, 1985, "Eutectic Bonding of Cooper to Ceramics", Marc Wittner;
- Mat. Res. Soc. Symp. Proc. Vol 40, 1985, Material Research Society, "Directly bonded Cooper Metallization of AlN substrates for Power Hybrids", Petra Kluge Weiss et al;
- IEEE 0569, 5503, 89, 0029, "Behavior of Aluminium Nitride Ceramic Surfaces under Hydrothermal Oxidation Treatments", D. Suryanarayana et al.

Darüber hinaus zeigt die Prüfung der entsprechend dem Verfahren gemäß der EP-A 01 23 212 dargestellten Produkte, daß im allgemeinen in der Aluminiumoxidschicht Risse vorhanden sind. Diese Risse werden insbesondere in der folgenden Druckschrift erwähnt:

- IEEE Transactions on Components, Hybrids, and Manufac turing Technology, Vol 12, no 3, September 1989, "The Influence of Moisture on Surface Properties and Insulation Characteristics of AlN Substrates", Yasutoshi Kurihara et al.

Es wurden schon vielfältige Versuche ausgeführt, um die Verbindung Metallfolie-Aluminiumnitrid zu verbessern.

Insbesondere wurde versucht, den Einfluß zu kontrollieren bzw. zu steuern, den die Dicke der Aluminiumoxidschicht auf die Bildung der Blasen besitzt; hierzu wurden zahlreiche Versuche mit unterschiedlich dicken Aluminiumoxidschichten durchgeführt. Diese Versuche haben ergeben, daß im allge meinen die Zahl und das Volumen der Blasen mit der Dicke der Aluminiumoxidschicht anwachsen. Seitens der Fachwelt wurde dann versucht, Anordnungen zu verwirklichen, die eine Aluminiumoxidschicht mit möglichst geringer Dicke besitzen. Diese Versuche waren jedoch nicht zufriedenstellend. Denn sie haben zu einer nicht ausreichenden Verbindung geführt.

Darüber hinaus wurde auch versucht, den Einfluß zu kontrollie ren bzw. zu steuern, den die Temperatur der thermischen Behandlung, insbesondere während der Oxidationsphase, auf die Bildung der Blasen hat. Diese Versuche haben jedoch nichts Entscheidendes ergeben.

Bei anderen Versuchen schließlich wurde angestrebt, den Einfluß des Wasserdampfes auf den gesamten Verbindungsprozeß zu unter suchen. Im Zusammenhang mit diesen Untersuchungen wird bei spielsweise auf die folgenden Druckschriften verwiesen:

- Ann. Chim. Fr. 1985, 10, Seiten 79 bis 83, "Comportement dans la vapeur d′eau a haute temperature du nitrure d′aluminium fritte", S. Yefsah et al.;
- 7th European Hybrid Microelectronics Conference, Hamburg, Mai 1989, "Surface treatment of AlN substrate", Yoshirou Kuromitsu et al.

Im wesentlichen haben diese Untersuchungen bisher nur ergeben, daß durch die Anwesenheit von Wasserdampf die Oxidationsgeschwindigkeit erhöht werden kann. Aus diesem Grunde neigte die Fachwelt bisher dazu, bei der thermischen Behandlung zur Oxidation eher mit feuchter Atmosphäre zu arbeiten, um die Gesamtdauer des Verfahrens abzukürzen.

Um Blasen zu verhindern, ist der Fachmann im allgemeinen gezwungen, in der Oberfläche der Metallfolie Rillen anzuord nen, welche als Entlüftungskanäle dienen, wie es beispiels weise in der DE-A 33 24 661 dargestellt wird. Es hat den Anschein, daß derartige Rillen die Bildung von Luftblasen in der Grenzschicht Metall-Substrat nachhaltig begrenzen. Jedoch begünstigen die vorgenannten Rillen die höchst unerwünschte Diffusion von Ätzmitteln zwischen der Metall folie und dem Substrat, wenn Metallbereiche entsprechend einem besonderen Muster mittels eines subtraktiven Verfahrens erzeugt werden.

Im Ergebnis sind die bisher vorgeschlagenen Verfahren zur Verbindung einer Kupferfolie mit einem Substrat aus elektrisch isolierendem Material nicht vollständig zufriedenstellend.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein neues Vorgehen zur Anbindung einer Metallfolie, vorzugsweise einer Kupferfolie, auf einem Substrat aus Aluminiumnitrid vorzuschlagen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gelöst, welches die folgenden, je für sich an sich bekannten Verfahrensschritte umfaßt, die darin bestehen, daß man

i) auf dem Substrat aus Aluminiumnitrid durch Wärmebehandlung eine Aluminiumoxidschicht wachsen läßt und
ii) die Metallfolie auf dieser Aluminiumoxidschicht anordnet und beides miteinander verbindet.

Dabei ist das erfindungsgemäße Verfahren dadurch gekenn zeichnet, daß der Verfahrensschritt i) der Bildung bzw. des Wachsens der Aluminiumoxidschicht unter kontrollierter oxidie render Atmosphäre erfolgt, die frei von Feuchtigkeit ist.

Indem entgegen den vorbekannten Ideen und Vorstellungen vorgegangen wurde, die den Fachmann dazu brachten, eine mit Wasserdampf angereicherte oxidierende Atmosphäre zu verwen den, um das Verfahren zu beschleunigen, hat die Anmelderin somit festgestellt, daß dieser Wasserdampf ganz im Gegenteil sorgfältig vermieden werden muß.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird anhand der beigefügten einzigen Figur in schematisierter Weise erläutert.

Das Verfahren gemäß der Erfindung umfaßt, wie in der Figur dargestellt ist und vorangehend beschrieben wurde, zwei wesentliche Verfahrensschritte 30, 40, die jeweils darin bestehen, daß

i) die Oberfläche des Substrates aus Aluminiumnitrid unter oxidierender Atmosphäre, welche frei von Wasserdampf ist, oxidiert wird und
ii) eine Metallfolie, vorzugsweise eine Kupferfolie, auf der Aluminiumoxidschicht befestigt wird.

Dem Verfahrensschritt 30 der Oxidation des Substrates gehen als Anfangsschritt 10 die Herstellung des Substrates aus AlN und, in der Regel, ein Zwischenschritt 20 zur Kontrolle des Substrates voraus. Dieser an sich bekannte Kontrollschritt kann beispielsweise darin bestehen, daß die Zusammensetzung des Substrates, dessen Rauheit sowie dessen Wärmeleitfähigkeit überprüft werden.

Der Schritt 30 der Oxidation des Substrates, der in die Erfindung kennzeichnender Weise unter einer oxidierenden Atmosphäre ohne Wasserdampf erfolgt, ist vorzugsweise eine Phase langsamer Oxidation. Jedoch kann es sich auch um eine Phase schneller Oxidation handeln.

Beispielsweise kann die Phase langsamer Oxidation in als vorteilhaft anzusehender Weise bei einer Temperatur zwischen 1000°C und 1200°C während einer Zeit von 12 bis 30 Stunden ausgeführt werden.

Eine Phase schneller Oxidation kann durchgeführt werden, indem das Substrat aus AlN für die Dauer von weniger als 5 Minuten einer Temperatur von 1420°C bis 1500°C ausgesetzt wird, und zwar immer unter einer oxidierenden Atmosphäre ohne Wasserdampf.

Beispielsweise kann die während des Verfahrensschrittes 30 eingesetzte oxidierende Atmosphäre eine reine Sauerstoff atmosphäre entsprechend den folgenden Vorgaben sein:

O₂
: 99,998% bis 99,5%
H₂O	< 5 ppM
H₂	< 2 ppM
Ar, N₂	< 14 ppM
CO + CO₂	< 1 ppM

Falls erforderlich, folgt auf den Verfahrensschritt 30 der Oxidation ein Verfahrensschritt 40 zur Kontrolle der somit erzeugten Aluminiumoxidschicht, bevor der Verfahrens schritt 50 zur vorgenannten Verbindung Metall/Aluminiumoxid beginnt.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgt der Verfahrensschritt der Verbindung Kupfer- Aluminiumoxid entsprechend der Lehre der am 10.11.1987 angemeldeten älteren französischen Patentanmeldung 87 15 547 der Anmelderin, veröffentlicht als FR-A 26 23 046 = DE-A 38 37 788.

Zweckmäßigerweise wird auf den Inhalt der älteren FR-A 26 23 046 Bezug genommen, deren Text aufgrund des hier erfolgten Verweises als in der vorliegenden Anmeldung enthalten angenommen wird.

Man erinnert sich, daß die ältere Anmeldung FR-A 26 23 046 ein Verfahren zur unmittelbaren Verbindung einer Kupferfolie mit einem Substrat aus Aluminiumoxid lehrt, welches darin besteht, daß

- das Kupfer gereinigt wird, um Oxidationsspuren auf seiner Oberfläche zu entfernen, bevor das Kupfer auf das Substrat aufgelegt wird,
- das Ensemble Kupfer-Substrat unter einer neutralen Atmosphäre erhitzt wird, bis eine Temperatur oberhalb der Temperatur der Bildung eines Eutektikums auf der Basis des Kupfers und des reaktiven Gases und unterhalb der Schmelztemperatur des Kupfers erreicht ist, und
- das reaktive oxidierende Gas erst nach Erreichen der Temperatur oberhalb der Temperatur der Bildung des Eutektikums angewendet wird, derart, daß dieselbe vor jeglicher Oxidation der Oberfläche des Kupfers erreicht wird.

Im übrigen lehrt die FR-A 26 23 046,

- eine Kupferfolie zu verwenden, die einen Phosphoranteil unterhalb von 0,0015 Gewichts-% und einen Sauerstoffanteil zwischen 0,0020 und 0,0024 Gewichts-% aufweist,
- beispielsweise eine getemperte Kupferfolie zu verwenden, die eine Härte zwischen 43 und 45 HV aufweist,
- den Verfahrensschritt der Reinigung beispielsweise in der Form auszuführen, daß zunächst eine Reinigung in verdünnter Salzsäurelösung und dann eine nachfolgende Spülung in deionisiertem Wasser erfolgen,
- die Herstellung der Verbindung Cu/Al₂O₃ in drei aufeinan derfolgenden elementaren Etappen zu untergliedern: Eine Etappe mit Temperaturerhöhung, eine Etappe mit gleichbleibender Temperatur und eine Etappe der Abkühlung. Die Temperaturerhöhung wird unter neutraler Atmosphäre, vorzugsweise unter Stickstoffatmosphäre, ausgeführt. Die Etappe der Temperaturerhöhung unter neutraler Atmosphäre erfolgt bis zur Erreichung einer Temperatur, die oberhalb der theoretischen Temperatur für die Erzeugung eines Eutektikums liegt, d. h. bis zum Erreichen einer Temperatur oberhalb von 1065°C im Falle eines reaktiven oxidierenden Gases. Die zweite Etappe bei der Herstellung der Verbindung besteht im Halten einer Behandlungstempera tur zwischen der Temperatur der Bildung des Eutektikums, z. B. 1065°C, und der Schmelztemperatur des Kupfers, z. B. 1083°C, unter gleichzeitiger Beaufschlagung mit reaktivem oxidierenden Gas. Vorzugsweise liegt die Behandlungstemperatur während der zweiten Etappe bei 1075°C ±2°C. Vorzugsweise wird das während der zweiten Etappe verwendete reaktive oxidierende Gas gebildet durch Sauerstoff mit einem Partialdruck von 50 bis 100 ppM, vorzugsweise 70 ppM. Die Etappe des Haltens der Temperatur in der Größenordnung von 1075°C unter reaktiver Gasatmosphäre kann 2 bis 4 Minuten dauern. Schließlich wird die abschließende Etappe der Abkühlung unter neutraler Atmosphäre, vorzugsweise unter Stickstoff atmosphäre, durchgeführt. Die Anmelderin hat vollständig zufriedenstellende Ergebnisse erzielt, indem die thermi sche Behandlung unter kontrollierter Atmosphäre in einem Durchlaufofen mit einer Vorschubgeschwindigkeit in der Größenordnung von 5 cm/min durchgeführt wird, wobei die Gesamtzeit der Behandlung (Erhöhung der Temperatur, Halten der Temperatur, Abkühlung) in der Größenordnung von 45 min liegt.

Das erfindungsgemäße Verfahren bietet gegenüber vorbekann ten Verfahren vielfältige Vorzüge, unter anderem die folgenden:

a) die Möglichkeit, trotz verschiedener variabler Parameter, insbesondere der Dauer der Oxidations phase 30, unter vom Wasserdampf freiem Sauerstoff eine konstantere und regelmäßigere Dicke der Kupferschicht als unter Luft zu erreichen. Die von der Anmelderin durchgeführten Versuche bzw. Untersuchungen haben gezeigt, daß die Verwendung einer von Wasserdampf freien, oxidierenden Atmosphäre tatsächlich eine bessere Reproduzierbarkeit der Dicke des Aluminiumoxids ermöglicht. Diese Versuche haben die folgenden Ergebnisse gezeigt:
- - Die unter Luft mit einer Temperatur von 1200°C im Verlauf von Zeitspannen zwischen 1/2 Stunde und 2 Stunden erreichte Dicke des Aluminiumoxids liegt bei 0,2 bis 5,5 µm; bei einer Temperatur von 1100°C und einer zwischen 5 bis 10 Stunden variierenden Zeitspanne liegt die Dicke bei 2 bis 7,5 µm;
- - die unter O₂ ohne Wasserdampf gemäß der Erfindung bei einer Temperatur von 1200°C während Zeitspannen zwischen 12 bis 24 Stunden erreichte Dicke des Aluminiumoxids liegt zwischen 1,5 bis 2,5 µm.
b) Verbesserte Reproduzierbarkeit der Dicke des Aluminiumoxids,
c) homogene Schicht aus Aluminiumoxid,
d) Abwesenheit von Porositäten oder Rissen in der durch Voroxidation erzeugten Aluminiumoxidschicht,
e) leichte Kontrolle der Oxidationstiefe,
f) exzellente mechanische Eigenschaften zwischen der Aluminiumoxidschicht und dem AlN-Substrat,
g) Realisierung einer fehlerfreien Verbindung Cu/Al₂O₃-AlN, gute mechanische Eigenschaften bzw. Belastbarkeit,
h) die geringe Dicke des Aluminiumoxids begrenzt die Gefahr der Rißbildung zwischen dem Aluminiumoxid und dem Aluminiumnitrid - diese Materialien haben unter schiedliche Ausdehnungskoeffizienten - bei Versuchen mit thermischer Wechselbeanspruchung.

Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorangehend beschriebenen Ausführungsformen beschränkt und kann in vielfältiger Weise entsprechend ihren Grundprinzipien abgewandelt werden.

Beispielsweise ist die Erfindung nicht auf die Verbindung einer Kupferfolie mit einem Substrat aus Aluminiumnitrid beschränkt. Vielmehr kann die Erfindung auch für die Befestigung anderer Arten von Metallfolien verwendet werden.

Claims

1. Verfahren zur Verbindung einer Metallfolie, insbesondere einer Kupferfolie, mit einem Substrat aus Aluminium nitrid, mit folgenden an sich bekannten Verfahrens schritten:

i) durch Wärmebehandlung eine Aluminiumoxidschicht auf dem Substrat aus Aluminiumnitrid wachsen lassen,
ii) auf diese Aluminiumoxidschicht die Metallfolie auflegen, dann beides miteinander verbinden,

dadurch gekennzeichnet, daß der Verfahrensschritt i) des Wachstums der Aluminium oxidschicht unter einer kontrollierten oxidierenden Atmosphäre ausgeführt wird, die feuchtigkeitsfrei ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verfahrensschritt i) der Oxidation unter reiner Sauerstoffatmosphäre erfolgt, die frei von Wasserdampf ist.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wasserdampfgehalt der beim Verfahrensschritt i) eingesetzten oxidierenden Atmosphäre geringer als 5 ppM ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beim Verfahrensschritt i) eingesetzte oxidierende Atmosphäre folgenden Vorgaben entspricht: O₂ : 99,998% bis 99,5% H₂O < 5 ppM H₂ < 2 ppM Ar, N₂ < 14 ppM CO + CO₂ < 1 ppM

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallfolie eine Kupferfolie ist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Verfahrensschritt i) der Oxidation bei einer Temperatur zwischen 1000°C bis 1200°C während einer Zeit von 12 bis 30 Stunden erfolgt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Verfahrensschritt i) der Oxidation bei einer Temperatur zwischen 1420°C und 1500°C während einer Zeit von weniger als 5 Minuten erfolgt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Verfahrensschritt ii) der Anbindung der Kupferfolie auf der Aluminiumoxid schicht darin besteht, daß

- das Kupfer zur Entfernung der Oxidationsspuren aus seiner Oberfläche gereinigt wird, bevor das Kupfer auf die Aluminiumoxidschicht aufgelegt wird,
- das Ensemble Kupfer/Substrat unter neutraler Atmosphäre (Inertgasatmosphäre) erhitzt wird, bis eine Temperatur oberhalb der Temperatur der Bildung eines Eutektikums erreicht ist,
- ein reaktives oxidierendes Gas erst nach Erreichen der Temperatur oberhalb der Temperatur der Bildung des Eutektikums angewendet wird, derart, daß die genannte Temperatur vor jeglicher Oxidation der Oberfläche des Kupfers erreicht wird.

9. Produkt, hergestellt nach dem Verfahren eines der Ansprüche 1 bis 8.