DE4319848A1 - Verfahren zum Herstellen eines Metall-Keramik-Substrates - Google Patents

Verfahren zum Herstellen eines Metall-Keramik-Substrates

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß Oberbe­ griff Patentanspruch 1.
Bekannt ist es, Metall-Keramik-Substrate unter Anwendung des sogenannten Direct-Bonding-Verfahrens herzustellen, welches bei Metallisierungen aus Kupfer auch als Direct-Copper- Bonding-Verfahren oder -Technik bezeichnet wird. Bei diesem beispielsweise in der DE-PS 23 19 854 beschriebenen Verfahren wird die Verbindung zwischen der Keramikschicht und einer die Metallisierung bildenden Metallfolie oder -Platine dadurch hergestellt, daß die Folie an ihren Oberflächen eine Schicht oder einen Überzug (Aufschmelzschicht) aus einer chemischen Verbindung aus dem Metall und einem reaktiven Gas, bevorzugt Sauerstoff aufweist, und daß nach dem Auflegen der Metall­ folie auf eine Oberflächenseite der Keramikschicht diese Anordnung aus Keramik und Metall auf eine Prozeßtemperatur erhitzt wird, die oberhalb der eutektischen Temperatur der chemischen Verbindung zwischen Metall und reaktiven Gas, aber unterhalb der Schmelztemperatur des Metalls liegt, so daß an der Außenfläche der Metallfolie (an der Aufschmelzschicht) eine flüssige Phase entsteht, über die dann die Verbindung mit der Keramik erfolgt.
Bekannt ist es auch, mit dieser Direct-Bonding-Technik Metallelemente miteinander zu verbinden (US-PS 37 44 120).
Metall-Keramik-Substrate werden hauptsächlich in der elek­ trischen Schaltungstechnik verwendet. Problematisch ist die Herstellung solcher Substrate nach der Direct-Bonding-Technik dann, wenn beispielsweise für elektrische Schaltkreise mit hohen Leistungen Metallisierungen mit sehr großer Schicht­ dicke, d. h. mit Schichtdicken größer als 0,4 mm erforderlich sind. Bei diesen Schichtdicken ist eine einwandfreie groß­ flächige und vor allem gleichmäßige Verbindung der Metall­ folie mit der Keramikschicht bei Anwendung der Direct-Bon­ ding-Technik nicht mehr gewährleistet.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren aufzuzeigen, welches auf die Herstellung von Keramik-Metall-Substraten mit Schichtdicken für die Metallisierung größer als 0,4 mm zuverlässig gestattet.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Verfahren entsprechend dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 ausgebildet.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist durch die Verwendung der dünnen Metallschichten und durch Herstellung der Me­ tallisierung in einem Arbeitsgang gewährleistet, daß sich diese Metallschichten nach dem Erhitzen auf die Prozeßtem­ peratur dicht und großflächig aneinander sowie die unterste, d. h. der Keramikschicht benachbarten Metallschicht sich auch dicht und großflächig an die betreffende Oberflächenseite der Keramikschicht anschmiegen, so daß die Metallschichten nicht nur ein homogene Metallisierung mit der angestrebten großen Schichtdichte bilden, sondern auch eine homogene, groß­ flächige Verbindung zwischen dieser Metallisierung und der Keramikschicht hergestellt ist.
Die Dicke der voroxidierten Metallschichten ist etwa 0,3 mm oder kleiner. Bevorzugt beträgt die Dicke der Metallschichten entweder 0,3 oder 0,2 mm.
Bei einer Herstellung einer Metallisierung aus Kupfer sind dann die verwendeten Metallschichten Kupferschichten.
Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteran­ sprüche.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figur, die in vergrößerter Teildarstellung und im Schnitt ein nach der Erfindung hergestelltes Metall-Keramik-Substrat wiedergibt, näher erläutert.
In der Fig. 1 eine Keramikschicht, die beispielsweise von einer Aluminiumoxid-Keramik gebildet ist.
Bei der dargestellten Ausführungsform ist auf der einen Oberflächenseite der Keramikschicht 1 eine Metallisierung in Form einer Kupferschicht 2 aufgebracht, und zwar in Form einer Kupferschicht 2, die eine Dicke D aufweist, welche bei der dargestellten Ausführungsform etwa 0,6 mm beträgt. Das die Keramikschicht 1 und die Kupferschicht 2 aufweisende Substrat ist unter Anwendung des Direct-Bonding-Verfahren hergestellt. Um mit diesem Verfahren trotz der erheblichen Dicke D der Kupferschicht 2 eine einwandfreie großflächige Verbindung der Kupferschicht 2 mit der Keramikschicht 1 zu erreichen, ist die Kupferschicht 2 mehrlagig aus dünnen Kupferfolien oder Kupferschichten 2′ hergestellt. Die dünnen Kupferschichten 2′ die jeweils nur eine Dicke d, die gleich einem Bruchteil der Dicke D der Kupferschicht 2 ist und bei der dargestellten Ausführungsform etwa 0,2 mm ist, sind an beiden Oberflächenseiten jeweils voroxidiert. Die Dicke der Keramikschicht 1 ist mit D′ bezeichnet.
Zum Herstellen des Substrates wird auf die Oberflächenseite der Keramikschicht 1 ein Stapel aus mehreren dünnen, voroxi­ dierten Kupferschichten 2′ aufgelegt, d. h. bei der darge­ stellten Ausführungsform ein Stapel, der drei Kupferschichten 2′ aufweist. Anschließend wird diese aus der Keramikschicht 1 und den Kupferschichten 2′ gebildete Anordnung in einem Ofen in einer Schutzgasatmosphäre, beispielsweise in einer Stickstoffatmosphäre mit 5 ppm O₂-Gehalt auf eine Prozeß­ temperatur erhitzt, die oberhalb der eutektischen Temperatur des Systems Kupfer-Sauerstoff, aber unterhalb der Schmelz­ temperatur des Kupfers der Kupferschichten 2 ist, und auf dieser Prozeßtemperatur, die beispielsweise 1072° beträgt, für eine bestimmte Zeitdauer, beispielsweise für eine Zeitdauer von 2 Minuten gehalten. Durch die geringe Dicke d der Kupferschichten 2′ wird erreicht, daß sich die beim Erhitzen auf die Prozeßtemperatur weicher werdenden Kupfer­ schichten 2′ dicht aneinander sowie auch dicht an die Oberseite der Keramikschicht 1 anschmiegen, so daß durch das Aufschmelzen des Systems Kupfer-Sauerstoff an den Übergängen 3 zwischen den Kupferschichten 2′ sowie am Übergang 4 zwischen der untersten Kupferschicht 2′ und der Oberseite der Keramikschicht 1 nach dem Abkühlen eine flächige, gleichför­ mige Verbindung der Kupferschichten 2′ zu der Metallisierung 2 sowie auch eine flächige, gleichförmige Verbindung dieser Metallisierung 2 mit der Keramikschicht 1 ergeben.
Das hergestellte, die Keramikschicht 1 und die Metallisierung 2 aufweisende Substrat kann dann üblicherweise behandelt werden, beispielsweise für die Herstellung eines Mehrfach- Substrates strukturiert werden usw.
Vorstehend wurde davon ausgegangen, daß die Kupferschichten 2′ eine Dicke d von 0,2 mm aufweisen. Es versteht sich, daß auch andere Dicken für diese Kupferschichten 2′ möglich sind. Allerdings sollte die Dicke d nicht größer als etwa 0,3 mm sein, um während des Direct-Bonding-Verfahrens ein zuver­ lässiges Anschmiegen der einzelnen Kupferschichten 2′ aneinander sowie auch ein zuverlässiges Anschmiegen der untersten Kupferschicht 2′ an die betreffende Oberflächen­ seite der Keramikschicht 1 zu gewährleisten. Weiterhin läßt sich mit dem beschriebenen Verfahren selbstverständlich auch ein Substrat herstellen, bei dem die Dicke D der Metallisier­ ung 2 wesentlich größer als 0,6 mm ist, wobei in diesem Fall dann mehr als 3 Kupferschichten 2′ zur Anwendung kommen.
Weiterhin kann das Substrat auch derart hergestellt werden, daß beide Oberflächenseiten der Keramikschicht 1 mit jeweils einer Metallisierung versehen sind, wobei wenigstens eine Metallisierung die besonders große Dicke D aufweist.
Gemeinsam ist den möglichen Verfahren, daß die Metallisierung mit der besonders großen Dicke D in einem einzigen Ver­ fahrensschritt aus einer Vielzahl der voroxidierten Kupfer­ schichten 2′ hergestellt wird.
Bezugszeichenliste
1 Keramikschicht
2 Metallisierung
2′ Kupferschicht
3, 4 Übergang

Claims (6)

1. Verfahren zum Herstellen eines Metall-Keramik-Substrates bestehend aus wenigstens einer Keramikschicht (1) und aus wenigstens einer an einer Oberflächenseite der Keramik­ schicht vorgesehenen und dort flächig mit der Keramik­ schicht verbundenen Metallisierung, und zwar unter Verwendung des Direct-Bonding-Verfahrens durch Erhitzen der Keramikschicht und einer auf diese aufgelegten Metallauflage, die an ihren Oberflächen von einer chemischen Verbindung des Metalls mit einem reaktiven Gas gebildet ist, auf eine Prozeßtemperatur derart, daß eine eutektische Verbindung zwischen der Metallauflage und der Keramikschicht erhalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Keramikschicht als Metallauflage ein Stapel aus wenigstens zwei Metallschichten (2′) aufgebracht wird, die an ihren Oberflächenseiten jeweils die chemische Verbindung des Metalls mit dem reaktiven Gas aufweisen und eine Dicke (d) besitzen, die einen Teil der Dicke (D) der Metallisierung (2) entspricht, daß die Anzahl und Dicke der die Metallauflage bildenden Metallschichten (2′) so gewählt ist, daß der von diesen gebildete Stapel der gewünschten Dicke (D) der Metallisierung (2) ent­ spricht, und daß in einem einzigen Arbeitsgang sämtliche Metallschichten der Metallauflage miteinander sowie diese Metallauflage mit der Keramikschicht verbunden werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschichten (2′) voroxidierte Teilschichten sind.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschichten (2′) Kupferschichten sind.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschichten eine Dicke von etwa 0,3 mm oder kleiner aufweisen.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, gekennzeichnet durch Verwendung von Metallschichten (2′) mit einer Dicke von etwa 0,2 mm oder etwa 0,3 mm.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß auf beiden Oberflächenseiten der wenigstens einen Keramikschicht (1) eine Metallisierung aufgebracht wird, von denen zumindest die Metallisierung an einer Oberflächenseite unter Verwendung einer von mehreren stapelförmigen übereinander angeordneten Metall­ schichten gebildeten Metallauflage hergestellt wird.
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