DE4117004B4 - Verfahren zur Herstellung einer Schaltungsplatte - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Herstellung einer Schaltungsplatte durch
– Inberührungbringen eines Kupferteils (3) mit 100–1000 ppm Sauerstoff mit einer auf einer Oberfläche eines Substrats (1) aus einem Aluminiumnitrid-Sinterkörper gebildeten Oxidschicht (2), und
– Erwärmen des Sustrats (1) in einer inerten Gas atmosphäre mit 5–50 ppm Sauerstoff auf eine Temperatur nicht über einer Temperatur entsprechend einem Liquidusbereich, der einen Reinkupferschmelzpunkt eines hypoeutektischen Bereichs eines Zweikomponentenphasendiagramms von Cu-Cu2O einschließt und nicht unter einer Temperatur entsprechend einer eutektischen Linie, die durch Verbinden einer Linie entsprechend Kupfer und einer Linie entsprechend einer Kupfer(I)-oxid-Zusammensetzung erhalten wurde, um das Kupferteil (3) direkt mit dem Substrat (1) zu verbinden.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Schaltungsplatte, bei der ein Kupferteil direkt an ein aus keramischen Materialien bestehendes Substrat gebunden ist.
  • In der JP 60-32343 A wird ein Verfahren zur Herstellung einer Schaltungsplatte beschrieben, bei der ein Kupferteil direkt an ein Substrat aus keramischen Materialien, z.B. an einen Aluminiumnitrid (AlN)-Sinterkörper, gebunden ist. Bei diesem Verfahren wird eine Paste oder Folie aus Ti oder Zr als aktives Metall zwischen das Substrat und das Kupferteil eingefügt, worauf das Substrat und das Kupferteil zur Verbindung miteinander in einer Vakuumatmosphäre erwärmt werden. Bei diesem Verfahren muß jedoch die Paste aufgetragen oder die Folie in Stücke einer Größe entsprechend dem Substrat und dem Kupferteil zurechtgeschnitten werden. Da darüber hinaus das Substrat und das Kupferteil zu ihr er Verbindung in einer Vakuumatmosphäre erwärmt werden müssen, muß ein chargenweise arbeitender Heizofen benutzt werden. Aus diesem Grunde ist das Verfahren nicht für eine Massenproduktion geeignet.
  • In der JP 59-3077 A, die der EP 00 97 944 B1 entspricht, wird ein Verfahren zur Herstellung einer Schaltungsplatte beschrieben, bei der ein Kupferteil direkt an ein Substrat aus einem AlN-Sinterkörper gebunden ist. Bei diesem Verfahren wird das Substrat oberflächlich oxidiert, worauf ein Kupferteil mit 100–2000 ppm Sauerstoff mit der auf dem Substrat gebildeten Oxidschicht in Berührung gebracht wird. Danach wird das erhaltene Gebilde in einer Inertgasatmosphäre, z.B. unter gasförmigem Stickstoff oder gasförmigem Argon erwärmt, wobei zur Herstellung einer Schaltungsplatte das Kupferteil direkt an das Substrat gebunden wird. Da bei diesem Verfahren das Erwärmen in einer Inertgasatmosphäre erfolgt, kommt es – obwohl das Kupferteil Sauerstoff enthält – zu einer teilweisen Zersetzung einer hypoeutektischen Legierungsflüssigphase an der Verbindungsgrenzfläche unter Verminderung des Sauerstoffanteils in der Zusammensetzung. Der Gleichgewichts-Sauerstoffpartialdruck einer Reaktion 2Cu2O ⇄ 4Cu + O2 bei einer Temperatur von 1065°C beträgt ca. 1,5 × 10–6 bar, so daß zu erwarten ist, daß die Reaktion in der hypoeutektischen Legierungsflüssigphase abläuft. Die hypoeutektische Legierungsflüssigphase erfährt nämlich eine teilweise Zersetzung durch das Erwärmen in dem Inertgas. Da darüber hinaus die Erwärmungstemperatur bei der Verbindung des Kupferteils mit dem Substrat über einer Temperatur entsprechend einer eutektischen Linie in einem hypoeutektischen Bereich liegt, steigt der Gleichgewichts-Sauerstoffpartialdruck bei dieser Temperatur (noch) weiter. Dies führt dazu, daß eine in dem Kupferteil durch (die) Reduktion, die die Reaktion nach rechts verschiebt, gebildete eutektische Legierungsflüssigphase abnimmt. Folglich entsteht an der Verbindungsgrenzfläche lediglich eine sehr geringe Menge an eutektischer Legierungsflüssigphase, so daß diese nicht zum Verbinden des Kupferteils mit dem Substrat benutzt werden kann. Dies führt zur Entstehung eines Teils, an welchem das Kupferteil nicht mikroskopisch an das Substrat gebunden ist oder in höchst nachteiliger Weise zu einer Verschlechterung der Bindefestigkeit einer Schaltungsplatte.
  • In der JP 59-3077 A wird ein Verfahren beschrieben, bei welchem ein Teil aus keinen Sauerstoff enthaltendem Kupfer, d.h. sauerstofffreiem Kupfer, benutzt wird. Bei diesem Verfahren werden ein Substrat aus einem AlN-Sinterkörper und das sauerstofffreie Kupferteil in einer reaktionsfähigen Gasatmosphäre mit 0,03–0,1 Vol.-% Sauerstoff zur Verbindung miteinander erwärmt. Auch bei diesem Verfahren tritt jedoch folgendes Problem auf. Da der Sauerstoff gehalt in der Heizatmosphäre groß, nämlich 0,03–0,1 Vol.-%, ist, läßt sich die Oxidation kaum in geeigneter Weise steuern, so daß die Oberfläche des Kupferteils übermäßig oxidiert wird. Somit muß die Oxidschicht auf der Oberfläche des Kupferteils nach dem Verbinden von der Oberfläche des Kupferteils durch Ätzen o.dgl. entfernt werden, oder aber die Oxidschicht muß durch Reduktion in einer Wasserstoffatmosphäre entfernt werden. Durch Einfügung dieser Stufen erhöht sich die Anzahl der Stufen, was für eine Massenproduktion schädlich ist. Darüber hinaus wird die Oberfläche des Kupferteils rauh.
  • Aus der GB 761045 B ist ein Verfahren zur Herstellung einer Schaltungsplatte bekannt, bei dem ein Kupferteil an ein Substrat aus einem Aluminiumoxid (Al2O3)-Sinterkörper gebunden ist. Bei diesem Verfahren wird das Kupferteil zunächst oxidiert, worauf die auf dem Kupferteil gebildete Oxidschicht auf das Substrat aus dem Aluminiumoxid-Sinterkörper gelegt und das erhaltene Gebilde auf eine Temperatur über der Schmelztemperatur von Kupfer (1083°C) und unter dem Schmelzpunkt von Kupfer(I)-oxid (etwa 1200°C) erwärmt wird. Letztere Literaturstelle beschreibt, daß bei dem Erwärmen das Kupfer, jedoch nicht das Kupfer(I)-oxid erschmilzt. Folglich werden das Substrat und das Kupferteil lediglich in dem Bereich mit einem Sauerstoffgehalt über demjenigen eines eutektischen Punktes (d.h. eines Punktes mit 3900 ppm Sauerstoff) in dem Cu-Cu2O-Phasendiagramm aneinander gebunden. Da das Kupferteil unvermeidlich oxidiert wird, wenn es auf eine Schaltungsplatte appliziert wird, muß die Oxidschicht von dem Kupferteil unter Aufrauhung seiner Oberfläche entfernt werden.
  • In der US 3 744 120 wird folgendes Verfahren beschrieben:
    Ein Kupferteil wird auf einem Substrat aus einem Aluminiumoxid-Sinterkörper angeordnet, worauf das Kupferteil und das Substrat zur wechselseitigen Verbindung in einer reaktionsfähigen Gasatmosphäre mit 0,01–0,5 Vol.-% Sauerstoff erwärmt werden. Da jedoch bei diesem Verfahren das Erwärmen in der reaktionsfähigen Gasatmosphäre mit 0,01–0,5 Vol.-% Sauerstoff erfolgt, bildet sich auf der Oberfläche des Kupferteils eine Oxidschicht. Folglich muß die Oxidschicht in einer eigenen mühsam durchzuführenden Stufe unter Aufrauhung der Kupferteiloberfläche entfernt werden.
  • In der JP 60-4154 A ist ein weiteres Verfahren zum Verbinden eines Kupferteils mit einem Substrat aus einem Aluminiumoxid-Sinterkörper beschrieben. Nachdem bei diesem Verfahren die Oberfläche des Kupferteils oxidiert worden ist; wird eine Oxidschicht des Kupferteils auf dem Substrat angeordnet, worauf das Kupferteil und das Substrat zur wechselseitigen Verbindung in einem Inertgas erwärmt werden. Bei diesem Verfahren wird wie beidem aus der JP 59-3077 A beschriebenen Verfahren eine als Sintermittel dienende eutektische Legierungsflüssigphase bei der Verbindungstemperatur (etwa 1070°C) zersetzt, wobei die eutektische Legierungsflüssigphase durch Reduktion abnimmt. Dies führt dazu, daß die eutektische Legierungsflüssigphase bei der Verbindungstemperatur nicht der gesamten Oberfläche des aus dem Aluminiumoxid-Sinterkörper bestehenden Substrats zugeführt wird und in einem Teil das Kupferteil und das Substrat nicht mikroskopisch miteinander verbunden sind.
  • Aus der JP 60-4154 A ist ein Verfahren bekannt, bei dem neben der Oxidation der Kupferoberfläche zusätzlich auch noch ein Bindemittel eingesetzt wird. Hierbei können auf die Verbindungsfläche des Kupferteils eine teilchenförmige Bindemittelverbindung und Kupfer appliziert werden. Wenn jedoch die teilchenförmige Verbindung zwischen Substrat und Kupferteil eingefügt wird, erfolgt von Natur aus eine Reduktion, da das Substrat und das Kupferteil in einem Inertgas bei einem Gleichgewichts-Sauerstoffpartialdruck miteinander verbunden werden. Da darüber hinaus ein Bindemittel mitverwendet werden muß, gestaltet sich die Verbindung des Kupferteils mit dem Substrats mühsam.
  • Aus der US 3 766 634 ist ein anderes Verfahren zum direkten Bonden von Kupferfolien auf Keramiksubstraten unter anderem aus Al2O3 bekannt, bei dem Kupferfolien auf Keramiksubstrate gelegt werden und in einer reaktiven Atmosphäre mit einem Sauerstoffgehalt von 0.01 bis 0.5 Vol.-% auf eine Temperatur zwischen 1065°C und 1083°C erwärmt werden. Der Sauerstoffgehalt der reaktiven Atmosphäre liegt über 1,5 ppm damit sich das Eutektikum des Cu/Cu2O- Systems überhaupt bildet.
  • Intern. J. Hybrid Microelectronics, Bd. 5, Nov. 1982, S.103–109 offenbart ein als "direct bond cooper technolgie" bezeichnetes Verfahren und seine Anwendungen.
  • US 4 585 706 beschreibt eine Halbleitervorrichtung mit gesintertem Aluminiumnitrid, auf die eine Kupferverdrahtung angewendet wird.
  • Machine Design Bd. 61 Nr. 24, 23. Nov. 1989, S. 95–100 offenbart ein Verfahren, bei dem ein Kupferteil auf ein Aluminiumoxidsubstrat gelegt und diese bei einer Temperatur oberhalb des Kupferschmelzpunktes miteinander verbunden werden, wobei dem Kupferteil entweder vor oder während dem Verbindungsvorgang geringe Mengen an Sauerstoff, z. B. in Form einer leicht oxidierenden Stickstoffumgebung, zu seiner oberflächlichen Oxidation hinzugefügt werden.
  • US 4 693 409 offenbart einen weitern Keramikkörper mit direkt gebondetem Metallelement.
    •
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer Schaltungsplatte zu schaffen, bei dem ein Kupferteil an ein Keramiksubstrat mit einer Abziehfestigkeit von 0,5 Nm–1 oder mehr gebunden wird. Der Ausdruck „Abziehfestigkeit" bedeutet die Mindestkraft, die in rechtem Winkel vom Substrat weg angeordnet werden muß, um das Kupferteil von dem Substrat abzuziehen.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 bzw. 5 gelöst.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Die Erfindung ermöglicht ein Verfahren zur Herstellung einer Schaltungsplatte, bei dem ein Kupferteil bei weitestgehender Oxidationsfreiheit seiner Oberfläche an ein Keramiksubstrat gebunden wird und bei welchem die Enden elektronischer Teile, z.B. von Halbleiterelementen, Widerständen und Kondensatoren in akzeptabler Weise an das Kupferteil angeschlossen und montiert werden können.
  • Der AlN-Sinterkörper läßt sich nach einem der folgenden drei Alternativverfahren herstellen. Beim ersten Verfahren wird AlN-Pulver mit einem Sinterhilfsmittel versetzt, das erhaltene Pulvergemisch ausgeformt und schließlich der erhaltene Formling unter Atmosphärendruck gesintert. Beim zweiten Verfahren wird AlN-Pulver mit einem Sinterhilfsmittel versetzt, um eine Aufschlämmung mit dem erhaltenen Pulvergemisch zuzubereiten. Danach werden aus der Aufschlämmung mit Hilfe einer Rakel folienartige Grünlinge hergestellt. Diese werden dann unter Atmosphärendruck gesintert. Bei dem dritten Verfahren wird AlN-Pulver heißgepreßt.
  • Als Sinterhilfsmittel können die verschiedensten pulverförmigen Erdalkalimetallverbindungen und/oder Seltenerdeverbindungen verwendet werden. Als pulverförmige Erdalkalimetallverbindungen eignen sich die Oxide, Carbide, Fluoride, Carbonate, Oxalate, Nitrate, Alkoxide und dergleichen von Ca, Ba und Sr. Als Seltenerdeverbindungen eignen sich die Oxide, Carbide, Fluoride, Carbonate, Oxalate, Nitrate, Alkoxide und dergleichen von Y, La, Ce, Nd, Dy und Pr. Vorzugsweise gelangt eine Verbindung aus Y, La und Ce zum Einsatz.
  • Als auf der Oberfläche des AlN-Sinterkörpers gebildete Oxidschicht dient eine α-Al2O3-Schicht oder eine Aluminiumoxynitridschicht. Die Oxidschicht entsteht durch thermische Oxidation, nach dem Sol-Gel-Verfahren oder nach dem Alkoxy-Verfahren. Der Dicke der Oxidschicht sind aus folgenden Gründen Grenzen gesetzt. Wenn die Dicke der Oxidschicht unter 0,1 μm liegt, entsteht durch teilweises Freiliegen des AlN-Sinterkörpers keine gleichmäßige Oxidschicht auf der gesamten Oberfläche des AlN-Sinterkörpers, wobei das Kupferteil teilweise in direkte Berührung mit dem Substrat aus dem AlN-Sinterkörper gelangt. Folglich wird die eutektische Legierungsflüssigphase beim Erwärmen durch den AlN-Sinterkörper reduziert, so daß sich die gewünschte Bindefestigkeit nicht erreichen läßt. Wenn andererseits die Dicke der Oxidschicht über 5 μm liegt, erhöht sich der Unterschied im Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem AlN-Sinterkörper und der Oxidschicht mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten über demjenigen des AlN-Sinterkörpers, so daß die gewünschte Bindefestigkeit nicht erreicht wird.
  • Das Kupferteil ist plattenförmig oder von ähnlicher Form wie das Schaltungsmuster.
  • Das Kupferteil enthält Sauerstoff, der für die Verbindung des Kupferteils und des Substrats von wesentlicher Bedeutung ist. Wenn Sauerstoff beim Verbinden des Substrats mit dem Kupferteil aus einer Atmosphäre zugeführt wird, wird die Oberfläche des Kupferteils unter Aufrauhung radikal oxidiert. Erfindungsgemäß wird folglich der Bindungsgrenzfläche zwischen Substrat und Kupferteil Sauerstoff nicht aus der Atmosphäre zugeführt. Vielmehr trägt der Sauerstoff im Kupferteil zur Verbindung desselben mit dem Substrat bei. Es ist wichtig, daß die Menge des im Kupferteil enthaltenen Sauerstoffs groß genug ist, um im Verbindungsbereich zwischen Kupferteil und der auf der Oberfläche des Substrats gebildeten Oxidschicht eine eutektische Legierungsflüssigphase zu bilden. Die Sauerstoffmenge beträgt 100 ppm oder mehr. Wenn die Sauerstoffmenge im Kupferteil unter 100 ppm liegt, werden das Substrat und das Kupferteil nur teilweise mikroskopisch aneinander gebunden, da an der Verbindungsgrenzfläche zwischen Kupferteil und Substrat eine ausreichende Menge an eutektischer Legierungsflüssigphase entsteht. Folglich erhält man auch keine Schaltungsplatte ausreichender Abziehfestigkeit. Wenn andererseits die in dem Kupferteil enthaltene Sauerstoffmenge 1000 ppm übersteigt, wird die Oberfläche des Kupferteils beim Erwärmen während des Verbindungsvorgangs aufgerauht, wodurch die Zuverlässigkeit der Schaltungsplatte beeinträchtigt wird. Vorzugsweise beträgt die Menge des in dem Kupferteil enthaltenen Sauerstoffs 150–600 ppm.
  • Das Erwärmen erfolgt auf eine Temperatur nicht über einer Temperatur entsprechend einem Liquidusbereich einschließlich eines reinen Kupferschmelzpunkts eines hypoeutektischen Bereichs eines Zweikomponentenphasendiagramms von Cu-Cu2O (vgl. 1) und nicht unter einer Temperatur entsprechend einer eutektischen Linie, die durch Verbinden einer Linie entsprechend Kupfer und einer Linie entsprechend einer Kupfer(I)-oxid-Zusammensetzung erhalten wurde, d.h. in einem durch die Schraffierung in 1 angegebenen Temperaturbereich. Der Erwärmungstemperatur sind aus folgenden Gründen Grenzen gesetzt: Wenn die Erwärmungstemperatur unterhalb einer Temperatur entsprechend der eutektischen Linie liegt, entsteht an der Verbindungsgrenzfläche zur zwischen Substrat und Kupferteil keine eutektische Legierungsflüssigphase. Wenn die Erwärmungstemperatur über einer Temperatur entsprechend dem Liquidusbereich einschließlich des reinen Kupferschmelzpunkts liegt, schmilzt das Kupferteil völlig.
  • Das Erwärmen erfolgt in einer Inertgasatmosphäre (Stickstoff, Argon, Helium u.dgl.) mit 1–50 ppm Sauerstoff. Der Grund für die Begrenzung der Sauerstoffmenge wird im folgenden erläutert.
  • Der Gleichgewichts-Sauerstoffpartialdruck von Cu2O bei einer Temperatur von 1065°C beträgt ca. 1,5 × 10–6 bar. Wenn die Sauerstoffmenge in der Atmosphäre des Ofens unter diesem Wert liegt, zersetzt sich Cu2O. Infolge derselben Reaktion, wie beschrieben, verringern sich auch die eutektische Legierungsflüssigphase und eine mit dem Bindungsvorgang assoziierte flüssige Phase, so daß das aus dem AlN-Sinterkörper bestehende Substrat nicht in zufriedenstellender Weise an das Kupferteil gebunden wird. Folglich muß die Sauerstoffmenge in der Atmosphäre 1 ppm oder mehr betragen. Wenn darüber hinaus die Sauerstoffmenge geringfügig unterhalb des Gleichgewichts-Sauerstoffpartialdrucks liegt, wird die eutektische Legierungsflüssigphase kaum reduziert. Im vorliegenden Falle ist vorher in dem Kupferteil eine Sauerstoffmenge im Bereich von 100–1000 ppm enthalten. Diese Sauerstoffmenge befähigt das Kupferteil zur festen Verbindung mit dem Substrat. Wenn das Substrat und das Kupferteil in einer Atmosphäre mit weniger als 1 ppm Sauerstoff thermisch miteinander verbunden werden, besitzt die Bindungsfestigkeit (Abziehfestigkeit; weniger als 0,5 N/m zwischen Substrat und Kupferteil selbst bei Anwesenheit des Maximalwerts an Sauerstoff, nämlich von 1000 ppm, in dem Kupferteil einen für den praktischen Gebrauch nur eben tolerierbaren Wert oder weniger.
  • Wenn die Sauerstoffmenge in der Atmosphäre weit größer ist als der Gleichgewichts-Sauerstoffpartialdruck beim Erwärmen auf eine Temperatur innerhalb des angegebenen Bereichs, wird das Kupferteil übermäßig oxidiert und läßt sich nicht direkt als Schaltungsplatte verwenden. Folglich muß die maximale Sauerstoffmenge in der Atmosphäre 100 ppm betragen. Wenn darüber hinaus das Verbinden in einer diese Sauerstoffmenge enthaltenden Atmosphäre erfolgt, dauert die Reaktion nur kurze Zeit, d.h. einige s bis einige min. Da in diesem Falle die Sauerstoffmenge nur geringfügig größer ist als der Gleichgewichts-Sauerstoffpartialdruck, erfolgt keine merkliche Oxidation, so daß das Kupferteil in der Praxis verwendet werden kann. Die Sauerstoffmenge in der Atmosphäre beträgt vorzugsweise 1–50 ppm.
  • Nachdem erfindungsgemäß das Kupferteil an das Substrat aus dem AlN-Sinterkörper gebunden ist, kann ersteres durch Ätzen u.dgl. zur Ausbildung eines Schaltungsmusters bearbeitet werden.
  • Erfindungsgemäß kann lediglich das Kupferteil zur Bildung eines Schaltungsmusters unter Herstellung einer Schaltungsplatte bearbeitet werden. Andererseits kann die Schaltungsplatte auch unter Anwendung einer Dickfilmtechnik oder einer Dünnfilmtechnik hergestellt werden.
  • Erfindungsgemäß wird ein Kupferteil mit 100–1000 ppm Sauerstoff mit einer auf einer Oberfläche eines Substrats aus einem AlN-Sinterkörper entstandenen Oxidschicht einer Dicke von 0,1–5 μm in Berührung gebracht, worauf das erhaltene Gebilde in einer Inertgasatmosphäre auf eine Temperatur von nicht über einer Temperatur entsprechend einem Liquidusbereich einschließlich eines reinen Kupferschmelzpunkts eines hypoeutektischen Bereichs eines Zweikomponenten-Phasendiagramms von Cu-Cu2O (vgl. 1) und nicht unter einer Temperatur entsprechend einer eutektischen Linie, die durch Verbinden einer Linie entsprechend Kupfer und einer Linie entsprechend einer Kupfer(I)-oxid-Zusammensetzung erhalten wurde, erwärmt wird. Die Inertgasatmosphäre enthält 5–50 ppm Sauerstoff. Beim Erwärmen wird der Verbindungsgrenzfläche zwischen Substrat und Kupferteil kaum Sauerstoff aus der Atmosphäre zugeführt. Vielmehr trägt der Sauerstoff im Kupferteil zur Verbindung des Kupferteils mit dem Substrat bei. Dies führt dazu, daß die Oberfläche des Kupferteils kaum oxidiert wird und daß an der Verbindungsgrenzfläche zwischen Kupferteil und Oxidschicht auf der Oberfläche des Substrats aus einem AlN-Sinterkörper eine ausreichende Menge an eutektischer Legierungsflüssigphase entsteht. Im Ergebnis läßt sich somit eine in hohem Maße zuverlässige Schaltungsplatte hoher Abziehfestigkeit, bei der das Kupferteil direkt an das Substrat gebunden ist, herstellen. Genauer gesagt ist das Kupferteil so fest an das Substrat gebunden, daß eine Abziehfestigkeit von 0,5 N/m oder mehr erreicht wird. Obwohl nach dem Verbinden an der Korngrenze des Kupferteils ein Oxid vorhanden ist, entsteht auf der Oberfläche des Kupferteils im wesentlichen kein Oxidfilm, so daß das Kupfer freiliegt. Selbst wenn also keine Ätzmaßnahmen zur Entfernung des Oxidfilms auf der Oberfläche des Kupferteils nach dem Verbinden durchgeführt werden, lassen sich Enden elektrischer Teile, z.B. Halbleiterelemente, Widerstandselemente und Kondensatoren in befriedigender Weise an das Kupferteil anschließen und montieren.
  • Das Kupferteil enthält Sauerstoff, der für eine Verbindung desselben mit einem als Substrat dienenden Aluminiumoxid (Al2O3)-Sinterkörper von wesentlicher Bedeutung ist. Wenn Sauerstoff beim Verbinden des Substrats mit dem Kupferteil aus einer Atmosphäre zugeführt wird, wird die Oberfläche des Kupferteils unter Aufrauhung radikal oxidiert. Erfindungsgemäß wird folglich der Bindungsgrenzfläche zwischen Substrat und Kupferteil Sauerstoff nicht aus der Atmosphäre zugeführt. Vielmehr trägt der Sauerstoff im Kupferteil zur Verbindung desselben mit dem Substrat bei. Es ist wichtig, daß die Menge des im Kupferteil enthaltenen Sauerstoffs groß genug ist, um im Verbindungsbereich zwischen Kupferteil und dem Substrat aus dem Aluminiumoxid-Sinterkörper eine eutektische Legierungsflüssigphase zu bilden. Die Sauerstoffmenge beträgt 100 ppm oder mehr. Wenn die Sauerstoffmenge im Kupferteil unter 100 ppm liegt, werden das Substrat und das Kupferteil nur teilweise mikroskopisch aneinander gebunden, da an der Verbindungsgrenzfläche zwischen Kupferteil und Substrat eine ausreichende Menge an eutektischer Legierungsflüssigphase entsteht. Folglich erhält man auch keine Schaltungsplatte ausreichender Abziehfestigkeit. Wenn andererseits die in dem Kupferteil enthaltene Sauerstoffmenge 1000 ppm übersteigt, wird die Oberfläche des Kupferteils beim Erwärmen während des Verbindungsvorgangs aufgerauht, wodurch die Zuverlässigkeit der Schaltungsplatte beeinträchtigt wird. Vorzugsweise beträgt die Menge des in dem Kupferteil enthaltenen Sauerstoffs 100–600 ppm.
  • Das Erwärmen erfolgt auf eine Temperatur nicht über einer Temperatur entsprechend einem Liquidusbereich einschließlich eines reinen Kupferschmelzpunkts eines hypoeutektischen Bereichs eines Zweikomponentenphasendiagramms von Cu-Cu2O (vgl. 1) und nicht unter einer Temperatur entsprechend einer eutektischen Linie, die durch Verbinden einer Linie entsprechend Kupfer und einer Linie entsprechend einer Kupfer(I)-oxid-Zusammensetzung erhalten wurde, d.h. in einem durch die Schraffierung in 1 angegebenen Temperaturbereich. Der Erwärmungstemperatur sind aus folgenden Gründen Grenzen gesetzt: Wenn die Erwärmungstemperatur unterhalb einer Temperatur entsprechend der eutektischen Linie liegt, entsteht an der Verbindungsgrenzfläche zwischen Substrat und Kupferteil keine eutektische Legierungsflüssigphase. Wenn die Erwärmungstemperatur über einer Temperatur entsprechend dem Liquidusbereich einschließlich des reinen Kupferschmelzpunkts liegt, schmilzt das Kupferteil völlig.
  • Das Erwärmen erfolgt in einer Inertgasatmosphäre (Stickstoff, Argon, Helium u.dgl.) mit 1–50 ppm Sauerstoff. Der Grund für die Begrenzung der Sauerstoffmenge wird im folgenden erläutert.
  • Der Gleichgewichts-Sauerstoffpartialdruck von Cu2O bei einer Temperatur von 1065°C beträgt 1,5 × 10–6 bar. Wenn die Sauerstoffmenge in der Atmosphäre des Ofens unter diesem Wert liegt, zersetzt sich Cu2O. Infolge derselben Reaktion, wie beschrieben, verringern sich auch die eutektische Legierungsflüssigphase und eine mit dem Bindungsvorgang assoziierte flüssige Phase, so daß das aus dem Aluminiumoxid-Sinterkörper bestehende Substrat nicht in zufriedenstellender Weise an das Kupferteil gebunden wird. Folglich muß die Sauerstoffmenge in der Atmosphäre 1 ppm oder mehr betragen. Wenn darüber hinaus die Sauerstoffmenge geringfügig unterhalb dem Gleichgewichts-Sauerstoffpartialdruck liegt, wird die eutektische Legierungsflüssigphase kaumreduziert. Im vorliegenden Falle ist vorher in dem Kupferteil eine Sauerstoffmenge im Bereich von 100–1000 ppm enthalten. Diese Sauerstoffmenge befähigt das Kupferteil zur festen Verbindung mit dem Substrat. Wenn das Substrat und das Kupferteil in einer Atmosphäre mit weniger als 1 ppm Sauerstoff thermisch miteinander verbunden werden, besitzt die Bindungsfestigkeit (Abziehfestigkeit; weniger als 0,5 N/m zwischen Substrat und Kupferteil selbst bei Anwesenheit des Maximalwerts an Sauerstoff, nämlich von 1000 ppm, in dem Kupferteil einen für den praktischen Gebrauch nur eben tolerierbaren Wert oder weniger.
  • Wenn die Sauerstoffmenge in der Atmosphäre weit größer ist als der Gleichgewichts-Sauerstoffpartialdruck beim Erwärmen auf eine Temperatur innerhalb des angegebenen Bereichs, wird das Kupferteil übermäßig oxidiert und läßt sich nicht direkt als Schaltungsplatte verwenden. Folglich muß die maximale Sauerstoffmenge in der Atmosphäre 100 ppm betragen. Wenn darüber hinaus das Verbinden in eine diese Sauerstoffmenge enthaltenden Atmosphäre erfolgt, dauert die Reaktion nur kurze Zeit, d.h. einige s bis einige min. Da in diesem Falle die Sauerstoffmenge nur geringfügig größer ist als der Gleichgewichts-Sauerstoffpartialdruck, erfolgt keine merkliche Oxidation, so daß das Kupferteil in der Praxis verwendet werden kann. Die Sauerstoffmenge in der Atmosphäre beträgt daher vorzugsweise 1–50 ppm.
  • Nachdem ein eine gegebene Menge Sauerstoff enthaltendes Kupferteil mit einem Substrat aus einem Aluminiumoxid-Sinterkörper in Berührung gebracht worden ist, wird das Substrat in einer Inertgasatmosphäre auf eine Temperatur nicht über einer Temperatur entsprechend dem Liquidusbereich einschließlich eines reinen Kupferschmelzpunkts eines hypoeutektischen Bereichs eines Zweikomponenten-Phasendiagramms von Cu-Cu2O (vgl. 1) und nicht unter einer Temperatur entsprechend einer eutektischen Linie, die durch Verbinden einer Linie entsprechend Kupfer und einer Linie entsprechend einer Kupfer(I)-oxid-Zusammensetzung erhalten wurde, erwärmt. Die Inertgasatmosphäre enthält eine gegebene Menge Sauerstoff. Folglich wird kein auf eine übermäßige Oxidation der Oberfläche des Kupferteils zurückzuführender Oxidfilm gebildet, so daß man eine in hohem Maße zuverlässige Schaltungsplatte hoher Abziehfestigkeit, in der das Kupferteil in zufriedenstellender Weise direkt an das Substrat gebunden ist, erhält.
    •
  • Bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrens gemäß der Erfindung werden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Im einzelnen zeigen:
  • 1 ein Zweikomponenten-Phasendiagramm Cu-Cu2O;
  • 2A bis 2D im Querschnitt Herstellungsstufen einer Schaltungsplatte gemäß dem erfindungsgemäßen Beispiel 1 und
  • 3 in ebener Darstellung eine Schaltungsplatte gemäß 2D.
  • Die folgenden Beispiele sollen die Erfindung näher veranschaulichen.
  • Beispiel 1
  • Die 2A bis 2D zeigen im Querschnitt Herstellungsstufen einer Schaltungsplatte unter Verwendung eines AlN-Sinterkörpers als Substrat.
  • Ein AlN-Pulver mit 3 Gew.-% Yttriumoxid als Sinterhilfsmittel wird ausgeformt und danach unter Atmosphärendruck zur Bildung eines AlN-Sinterkörpers gesintert. Andererseits kann der AlN-Sinterkörper auch wie folgt hergestellt werden:
    Unter Zugabe von 3 Gew.-% Yttriumoxid zu AlN-Pulver wird eine das betreffende Pulvergemisch enthaltende Aufschlämmung zubereitet. Aus diesem werden mit Hilfe einer Rakel folienartige Grünlinge hergestellt. Diese werden dann unter Atmosphärendruck gesintert.
  • Aus dem erhaltenen AlN-Sinterkörper wird ein plattenförmiges AlN-Sinterkörpersubstrat 1 einer Größe von 35 mm × 55 mm × 0,7 mm hergestellt. Wie aus 2A hervorgeht, wird das Substrat 1 3 h lang auf eine Temperatur von 1130°C erwärmt, wobei eine α-Al2O3-Schicht 2 einer Dicke von etwa 1 μm auf beiden Oberflächen und sämtlichen Seitenflächen des Substrats 1 entsteht. Andererseits läßt sich die α-Al2O3-Schicht 2 auch lediglich auf derjenigen Oberfläche des Substrats, auf der das Kupferteil aufgebracht wird, herstellen.
  • 2B zeigt, daß auf der α-Al2O3-Schicht 2 auf der Oberseite des Substrats 1 ein plattenförmiges Kupferteil 3 einer Größe von 20 mm × 40 mm × 0,3 mm mit 400 ppm Sauerstoff befestigt wird. Das Substrat, auf dem das Kupferteil befestigt worden ist, wird in einen nicht dargestellten Heizofen eingebracht. In diesem wird für eine Stickstoffgasatmosphäre mit 7 ppm Sauerstoff gesorgt. Das Substrat wird dann 3 min lang auf eine maximale Temperatur von 1070°C erwärmt und danach auf Raumtemperatur abgekühlt. Auf der Grenzfläche zwischen dem Kupferteil 3 und der auf der Oberfläche des aus dem Heizofen entnommenen Substrats 1 aus dem AlN-Sinterkörper hat sich, wie 2C zeigt, eine eutektische Legierungsschicht 4 aus Cu und Cu2O gebildet. Zu diesem Zeitpunkt war an der Korngrenze des Kupferteils 3 Sauerstoff in geringer Menge vorhanden, auf der Oberfläche des Kupferteils 3 konnten jedoch keine Oxidfilme festgestellt werden. Wurde zur Ermittlung der Bindefestigkeit des Kupferteils 3 ein Abziehfestigkeitstest durchgeführt, zeigte es sich, daß die Abzie hfestigkeit des Kupferteils 3 hoch war, d.h. 0,11 N/m betrug.
  • Das Kupferteil 3 und die eutektische Legierungsschicht 4 auf dem Substrat 1, wurden durch Photoätzen zur Herstellung einer Schaltungsplatte 6 mit einem Kupferschaltungsmuster 5 einer Mustergebung unterworfen (vgl. 2D und 3). Wie bereits ausgeführt, zeigt 3 eine ebene Darstellung von 2D.
  • Es wurde bestätigt, daß das erhaltene Schaltungsmuster 5 auf der Schaltungsplatte 6 dieselbe hohe Abziehfestigkeit (0,11 N/m) entsprechend dem Verbindungszustand des Kupferteils 3 aufwies. Die Enden elektrischer Teile, z.B. Halbleiterelemente, konnten in akzeptabler Weise an das Schaltungsmuster 5 der Schaltungsplatte 6 angeschlossen werden, wobei eine in hohem Maße zuverlässige Montage der Teile auf dem Schaltungsmuster 5 erreicht wurde.
  • Vergleichsbeispiel 1
  • Entsprechend Beispiel 1 wurde ein Substrat aus einem AlN-Sinterkörper hergestellt. Auf dem Substrat wurde ohne Erwärmen desselben an Luft direkt ein plattenförmiges Kupferteil mit 400 ppm Sauerstoff montiert. Das Substrat, auf dem das Kupferteil direkt montiert war, wurde in einen Heizofen gelegt. In diesem wurde für eine Stickstoffgasatmosphäre mit 7 ppm Sauerstoff gesorgt. Das Substrat wurde 3 min lang auf eine maximale Temperatur von 1070°C erwärmt und dann auf Raumtemperatur abgekühlt. Lediglich ein Teil des Kupferteils war an das aus dem Heizofen ausgetragene Substrat aus dem AlN-Sinterkörper gebunden. Wurde zur Ermittlung der Abziefestigkeit des Kupferteils ein Abziehfestigkeitstest durchgeführt, zeigte dieser, daß die Abziehfestigkeit des Kupferteils weit geringer war als in Beispiel 1, nämlich nur 0,1 N/m betrug.
  • Vergleichsbeispiel 2
  • Entsprechend Beispiel 1 wurde ein Substrat aus einem AlN-Sinterkörper 3 h lang an Luft auf eine Temperatur von 1130°C erwärmt, wobei auf einer Oberfläche des Substrats eine Al2O3-Schicht entstand. Auf der auf der Oberseite des Substrats entstandenen Al2O3-Schicht wurde dann ein plattenförmiges Kupferteil mit 400 ppm Sauerstoff montiert. Das Substrat, auf dem das Kupferteil montiert worden war, wurde in einen Heizofen gelegt. Darin wurde für eine Nitridgasatmosphäre mit 0,1 ppm Sauerstoff gesorgt. Das Substrat wurde dann 3 min lang auf eine maximale Temperatur von 1070°C erwärmt und schließlich auf Raumtempratur abgekühlt. Ein Abziehfestigkeitstest zur Ermittlung der Abziehfestigkeit des Kupferteils auf dem aus dem Heizofen entnommenen Substrat aus demAlN-Sinterkörper zeigte, daß die Abziehfestigkeit des Kupferteils weit geringer war als in Beispiel 1 und nur 0,4 N/m betrug.
  • Vergleichsbeispiel 3
  • Entsprechend Beispiel 1 wurde ein Substrat aus einem AlN-Sinterkörper 3 h lang an Luft auf eine Temperatur von 1130°C erwärmt, wobei auf der Oberfläche des Substrats eine Al2O3-Schicht gebildet wurde. Auf der auf der Oberfläche des Substrats gebildeten Al2O3-Schicht wurde ein plattenförmiges; sauerstofffreies Kupferteil montiert. Das Substrat, auf das das Kupferteil montiert worden war, wurde in einen Heizofen überführt. In diesem wurde für eine Nitridgasatmosphäre mit 300 ppm Sauerstoff gesorgt. Das Substrat wurde 30 s auf eine maximale Temperatur von 1070°C erwärmt und dann auf Raumtemperatur abgekühlt. Ein Abziehfestigkeits test zur Bestimmung der Bindefestigkeit des Kupferteils an dem aus dem Heizofen entnommenen Substrat aus dem AlN-Sinterkörper zeigte, daß das Kupferteil eine relativ hohe Abziehfestigkeit 0,8 N/m besaß. Die Oberfläche des Kupferteils war jedoch in der Verbindungsstufe so stark oxidiert worden, daß sich ihre Farbe in rötlich purpur geändert hatte.
  • Beispiel 2
  • Ein Aluminiumoxidpulver mit 3 Gew.-% Magnesiumoxid als Sinterhilfsmittel wurde unter Atmosphärendruck zu einem Aluminiumoxid-Sinterkörper gesintert. Danach wurde der Sinterkörper in ein Substrat in Form eines plattenförmigen Aluminiumoxid-Sinterkörpers einer Größe von 35 mm × 55 mm × 0,7 mm überführt. Auf der Oberseite des Substrats wurde ein plattenförmiges Kupferteil einer Größe von 10 mm × 50 mm × 0,3 mm montiert. Das Substrat, auf welchem das Kupferteil montiert worden war, wurde in einen Heizofen gelegt. Darin wurde für eine Stickstoffgasatmosphäre mit 7 ppm Sauerstoff gesorgt. Das Substrat wurde 3 min lang auf eine maximale Temperatur von 1070°C erwärmt und dann auf Raumtemperatur gekühlt. An der Grenzfläche zwischen dem aus dem Heizofen entnommenen Substrat aus dem Aluminiumoxid-Sinterkörper und dem Kupferteil hatte sich eine eutektische Legierungsschicht aus Cu und Cu2O gebildet. Zu diesem Zeitpunkt war an der Korngrenze des Kupferteils Oxid (nur) in geringer Menge vorhanden. Auf der Oberseite des Kupferteils konnten keine Oxidfilme festgestellt werden. Wurde zur Ermittlung der Bindefestigkeit des Kupferteils ein Abziehfestigkeitstest durchgeführt, zeigte es sich, daß das Kupferteil 3 eine hohe Abzieh- oder Bindefestigkeit 0, 11 N/m aufwies.
  • Das Kupferteil auf dem Substrat wurde zur Herstellung einer Schaltungsplatte mit einem Kupferschaltungsmuster durch Photoätzung einer Mustergebung unterworfen. Es zeigte sich, daß das erhaltene Schaltungsmuster auf der Schaltungsplatte dieselbe hohe Abziehfestigkeit (0,11 N/m) aufwies, wie im Verbindungszustand des Kupferteils. Die Enden elektrischer Teile, z.B. Halbleiterelemente, konnten in akzeptabler Weise an das Schaltungsmuster der Schaltungsplatte angeschlossen werden, wobei eine in hohem Maße zuverlässige Montage der Teile auf dem Schaltungsmuster erreicht wurde.
  • Vergleichsbeispiel 4
  • Ein plattenförmiges Kupferteil mit 400 ppm Sauerstoff wurde auf einem Substrat aus einem Aluminiumoxid-Sinterkörper entsprechend Beispiel 2 montiert. Das Substrat, auf dem das Kupferteil montiert worden war, wurde in. einen Heizofen gelegt. Darin wurde für eine Nitridgasatmosphäre mit 0,1 ppm Sauerstoff gesorgt. Das Substrat wurde 3 min lang auf eine maximale Temperatur von 1070°C erwärmt und dann auf Raumtemperatur abgekühlt. Ein Abziehfestigkeitstest zur Ermittlung der Bindefestigkeit des Kupferteils auf dem aus dem Heizofen entnommenen Substrat aus dem Aluminiumoxid-Sinterkörper zeigte, daß die Abzieh- oder Bindefestigkeit des Kupfer teils weit geringer war als in Beispiel 2 und nur 0,4 N/m betrug.
  • Vergleichsbeispiel 5
  • Ein plattenförmiges, sauerstofffreies Kupferteil wurde auf einem Substrat aus dem Aluminiumoxid-Sinterkörper gemäß Beispiel 2 montiert. Das Substrat, auf dem das Kupferteil montiert worden war, wurde in einen Heizofen gelegt. Darin wurde für eine Nitridgasatmosphäre mit 300 ppm Sauerstoff gesorgt. Das Substrat wurde 30 s auf eine maximale Temperatur von 1070°C erwärmt und dann auf Raumtemperatur abgekühlt. Ein Abziehfestigkeitstest zur Ermittlung der Bindefestigkeit des Kupferteils an dem aus dem Heizofen entnommenen Substrat aus dem Aluminiumoxid-Sinterkörper zeigte, daß das Kupferteil zwar eine relativ hohe Binde- oder Abziehfestigkeit von 0,8 N/m aufwies, daß jedoch die Oberfläche des Kupferteils in der Verbindungsstufe so stark oxidiert worden war, daß sich ihre Farbe in rötlich-purpur geändert hat.
  • Wie beschrieben, wird erfindungsgemäß ein Verfahren zur einfachen Massenproduktion von in hohem Maße zuverlässigen Schaltungsplatten geschaffen. Bei den erhaltenen Schaltungsplatten ist ein Kupferteil fest an ein Substrat aus einem AlN-Sinterkörper oder einem Aluminiumoxid-Sinterkörper unter weitestgehender Vermeidung einer Oxidation der Oberfläche des Kupferteils gebunden. Die Enden elektronischer Teile, z.B. Halbleiterelemente, Widerstände oder Kondensatoren können in akzeptabler Weise an das Kupferteil gebunden und montiert werden.

Claims (7)

  1. Verfahren zur Herstellung einer Schaltungsplatte durch – Inberührungbringen eines Kupferteils (3) mit 100–1000 ppm Sauerstoff mit einer auf einer Oberfläche eines Substrats (1) aus einem Aluminiumnitrid-Sinterkörper gebildeten Oxidschicht (2), und – Erwärmen des Sustrats (1) in einer inerten Gas atmosphäre mit 5–50 ppm Sauerstoff auf eine Temperatur nicht über einer Temperatur entsprechend einem Liquidusbereich, der einen Reinkupferschmelzpunkt eines hypoeutektischen Bereichs eines Zweikomponentenphasendiagramms von Cu-Cu2O einschließt und nicht unter einer Temperatur entsprechend einer eutektischen Linie, die durch Verbinden einer Linie entsprechend Kupfer und einer Linie entsprechend einer Kupfer(I)-oxid-Zusammensetzung erhalten wurde, um das Kupferteil (3) direkt mit dem Substrat (1) zu verbinden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Aluminiumnitrid-Sinterkörper durch Sintern eines ein Sinterhilfsmittel enthaltenden Aluminiumnitridpulvers hergestellt wurde.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kupferteil (3) 150–600 ppm-Sauerstoff enthält.
  4. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß Kupfer im wesentlichen an einer an das Substrat (1) zu bindenden Oberfläche des Kupferteils (3) freiliegt.
  5. Verfahren zur Herstellung einer Schaltungsplatte durch – Inberührungbringen eines Kupferteils mit 100–1000 ppm Sauerstoff mit einem aus einem Aluminiumoxid-Sinterkörper bestehenden Substrat, und – Erwärmen des Substrats in einer inerten Gasatmosphäre mit 5–50 ppm Sauerstoff auf eine Temperatur nicht über einer Temperatur entsprechend einem Liquidusbereich, der einen reinen Kupferschmelzpunkt eines hypoeutektischen Bereichs eines Zweikomponentenphasendiagramms von Cu-Cu2O einschließt und nicht unter einer Temperatur entsprechend einer eutektischen Linie, die durch Verbinden einer Linie entsprechend Kupfer und einer Linie entsprechend einer Kupfer(I)-oxid-Zusammensetzung erhalten wurde, um das Kupferteil direkt mit dem Substrat zu verbinden.
  6. Verfahren nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, daß das Kupferteil 100–600 ppm Sauerstoff enthält.
  7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß Kupfer im wesentlichen an einer an das Substrat zu bindenden Oberfläche des Kupferteils freiliegt.
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