DE69023745T2 - Oberflächenstruktur eines Keramiksubstrates und Verfahren zu deren Herstellung. - Google Patents

Oberflächenstruktur eines Keramiksubstrates und Verfahren zu deren Herstellung.

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Description

    Hintergrund der Erfindung Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Keramiksubstrat zum Aufbringen von elektronischen Bauteilen und dergleichen insbesondere auch eine Oberflächenstruktur eines Keramiksubstrates, das eine überlegene Hitzebeständigkeit hat und ein Verfahren zur Herstellung desselben.
    • Beschreibung des technischen Hintergrunds
  • Eine Oberfläche eines Keramiksubstrates ist metallisiert, um elektronische Bauteile anzubringen oder abzudichten. Mit Bezug auf Fig. 1, die eine konventionelle Oberflächenstruktur eines Keramiksubstrates zeigt, ist ein hitzebeständiges Metall 2 wie W oder Mo durch Brennen auf einem Keramiksubstrat 1 aus Aluminium gebildet, zum Beispiel wird eine Ni-Plattierungsschicht 3 darauf gebildet und eine Au- Plattierungsschicht 4 wird als weiteres darauf gebildet. Die Ni-Plattierungsschicht 3 erleichtert das Anlöten der elektronischen Bauteile oder dergleichen, und dient dazu, die metallisierte Schicht 2, die darunter gebildet ist, zu schützen. Die Au-Plattierungsschicht 4 verhindert das Oxidieren der Ni-Plattierungsschicht 3, die darunter gebildet ist, um eine überlegene Verbindung zwischen der Ni-Plattierungsschicht 3 und den elektronischen Bauteilen zu schaffen, wodurch eine überlegene Zuverlässigkeit der elektronischen Bauteile und dergleichen erhalten wird.
  • Wenn Elemente auf der Goldplattierung durch Löten verbunden werden müssen, wird das Keramiksubstrat oder die Oberfläche des Kerainiksubstrates erhitzt. Die oberste Goldschicht wird durch das Erhitzen anlaufen, welches ein hervorragendes Verbinden verhindert. Die Ursache für das Anlaufen der Au-Plattierungsschicht kann Diffusion von Ni aus der Ni- Plattierungsschicht in die Au-Plattierungsschicht aufgrund des Erhitzens sein, in welchem Ni sich mit Sauerstoff verbindet, der aus der Luft stammt, wodurch Ni-Oxid gebildet wird.
  • Um das oben beschriebene Problem zu vermeiden, wird die Dicke der Au-Plattierungsschicht im allgemeinen ungefähr 2 µm dick gemacht. Um Kosten zu reduzieren, sollte die Au- Plattierungsschicht vorzugsweise in der Dicke reduziert werden.
  • Die Japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 59-114846 offenbart ein Verfahren zur Unterdrückung der Diffusion von Ni von der Ni-Plattierungsschicht in die Au-Plattierungsschicht. Genauer gesagt, nachdem die Ni-Plattierungsschicht gebildet ist, wird die Ni-Plattierungsschicht in einem Temperaturbereich von 900ºC bis 1400ºC in einer reduzierenden Atmosphäre wärmebehandelt, um so die Hitzebeständigkeit der Ni-Plattierungs schicht zu verbessern.
  • Das oben beschriebene Verfahren kann das Anlaufen der Au-Plattierungsschicht nicht ausreichend verhindern. Insbesondere, wenn die Dicke der Au-Plattierungsschicht nicht größer als 1 µm ist, wird die Au-Plattierungsschicht anlaufen, wenn elektronische Bauteile und dergleichen verbunden werden.
  • Die JP Nr. 59-114846 offenbart eine Oberflächenstruktur mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1.
    • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf das Vorhergehende gemacht, und ihr Ziel ist eine Oberflächenstruktur eines Keramiksubstrates zu erschaffen, welche dazu fähig ist, die Diffusion von Ni von der Ni- Schicht zu der Au-Plattierungsschicht zu unterdrücken und die Dicke der Au-Plattierungsschicht zu reduzieren, und ein Verfahren zur Herstellung derselbigen zu erschaffen.
  • Die Oberflächenstruktur des Keramiksubstrates gemäß der vorliegenden Erfindung ist in Anspruch 1 gekennzeichnet.
  • Das Verfahren zur Herstellung der Oberflächenstruktur des Keramiksubstrates gemäß der vorliegenden Erfindung ist in Anspruch 6 gekennzeichnet.
  • In der vorliegenden Erfindung wird eine NiAu-Legierungsschicht unter die Au-Plattierungsschicht gebracht. Da Ni in der NiAu-Legierungsschicht nicht leicht löslich ist, kann die Fusion von Ni in die Au-Plattierungsschicht ausreichend unterdrückt werden. Deshalb kann die Au-Plattierungsschicht in der Dicke reduziert werden.
  • Die vorangegangenen und anderen Ziele, Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch die folgende detaillierte Beschreibung der vorliegenden Erfindung offensichtlicher werden, sofern sie in Verbindung mit den dazugehörigen Figuren gebracht werden.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Fig.1 ist eine Ansicht im Schnitt, die eine konventionelle Oberflächenstruktur eines Keramiksubstrates zeigt; und
  • Fig.2A-2E sind Ansichten im Schnitt zur Erklärung eines Verfahrens zur Herstellung einer Oberflächenstruktur eines Keramiksubstrates gemäß der vorliegenden Erfindung.
    • Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
  • Ein Beispiel eines speziellen Herstellungsverfahrens zum Erschaffen der Oberflächenstruktur des Keramiksubstrates gemäß der vorliegenden Erfindung wird im folgenden in Verbindung mit Fig. 2A - 2E beschrieben werden.
  • Zuerst wird eine metallisierte Schicht 12 auf einem Keramiksubstrat 11 gebildet, wie es in Fig. 2A gezeigt ist. Ein hitzebeständiges Metall wie W, Mo oder Ta kann für ein Metall zum Bilden der metallisierten Schicht 12 verwendet werden. Eine Plalttierungsschicht kann auf der hitzebeständigen Metallschicht gebildet werden. Aufdampfen, Ionenplattierung, Sputtern oder dergleichen können verwendet werden, um die metallisierte Schicht zu bilden.
  • Wie in Fig. 2B gezeigt wird, wird eine Ni-Schicht 13 auf der metallisierten Schicht 12 gebildet. Verschiedene Verfahren können benutzt werden, um die Ni-Schicht 13 zu bilden.
  • Vorzugsweise wird ein elektrolytisches Plattierverfahren verwendet. Autokatalytisches Plattieren kann verwendet werden. Die Ni-Schicht kann nicht durch das Plattierverfahren gebildet werden, jedoch durch Aufdampfen, Ionenplattierung oder Sputtern.
  • Dann wird eine Au-Schicht 14 auf der Ni-Schicht 13 gebildet, wie es in Fig. 2C dargestellt ist. Gleichzeitig kann die Au-Plattierungsschicht 14 durch gewöhnliche Plattierverfahren oder durch Aufdampfen, Ionenplattierung oder Sputtern gebildet werden. Die Ni-Schicht kann nicht direkt auf der metallisierten Schicht gebildet werden. Die Ni-Schicht kann gebildet werden, nachdem eine andere Metallschicht gebildet ist.
  • Die oben erwähnte Ni-Schicht 13 und die Au-Schicht 14 sollten eine einheitliche Dicke, soweit möglich, auf der gesamten Oberfläche haben. Wenn diese Schichten nicht einheitlich in der Dicke sind, können Farbschatten entstehen. Das Verhältnis von der Dicke der Au-Schicht 14 zu der Ni-Schicht 13 ist vorzugsweise nicht größer als 1/2. Wenn die Dicke der Au-Schicht 14 größer ist als dieses Verhältnis, wird es schwierig sein, eine taugliche Legierungsschicht durch die Legierungsherstellung, die später beschrieben wird, zu haben. Das am meisten bevorzugteste Verhältnis der Dicke der Au- Schicht 14 zu der Ni-Schicht 13 ist nicht höher als 1/10.
  • Dann wird das Keramiksubstrat 11, das die metallisierte Schicht 12, die Ni-Schicht 13 und die Au-Schicht 14 darauf hat, für 4 bis 5 Minuten in einer nicht-oxidierenden Atmosphäre bei einer Temperatur höher als 500ºC aufgeheizt, um eine Legierungsreaktion zwischen der Ni-Schicht 13 und der Au-Schicht 14 herbeizuführen. Durch diese Wärmebehandlung wird eine NiAu-Legierungsschicht 15 als die oberste Schicht gebildet, wie es in Fig. 2D gezeigt ist.
  • Dann wird eine Au-Plattierungsschicht 16 durch gewöhnliche Plattierverfahren auf die NiAu-Legierungsschicht 15 gebildet, wie es in Fig. 2E gezeigt ist. Bevorzugt werden elektrolytische Plattierverfahren oder autokatalytische Plattierverfahren verwendet, um die Au-Plattierungsschicht 16 zu bilden. Die Hitzebeständigkeit wird verbessert, wenn die Dicke der Au-Plattierungsschicht 16 steigend ist.
  • Da die NiAu-Legierungsschicht 15 darunter das Lösen von Ni unterdrückt, kann die Diffusion von Ni in die Au- Plattierungsschicht 16 soweit wie möglich verhindert werden. Deshalb ist sogar, wenn die Dicke der Au-Plattierungsschicht 16 nicht größer als 1,0 µm ist, das Anlaufen der Au- Plattierungsschicht 16 nicht während des Aufheizens zum Verbinden der elektronischen Bauteile und dergleichen entstanden. Die Wärmebehandlung zum Verbinden wird für gewöhnlich unter der Bedingung von 450ºC x 3 min. ausgetragen. Da die NiAu-Legierungsschicht 15 das Lösen von Ni unterdrückt, ist die ausreichende Dicke der Au-Plattierungsschicht 16 für gewöhnlich ungefähr 0.2 µm. Auf jeden Fall wird die Dicke der Au-Plattierungsschicht 16 entsprechend den notwendigen Kennzeichen bestimmt.
    • Beispiele
  • 16 AlN-Substrate, die eine W-metallisierte Schicht besitzen, wurden hergestellt. Eine Ni-Plattierungsschicht wurde unter verschiedenen Bedingungen auf jedes Substrat gebildet und eine Au-Plattierungsschicht wurde darauf gebildet.
  • Tabelle 1 zeigt die Dicken und die Plattierungsschichten entsprechend den zugehörigen Proben. Tabelle 1 Probe Nr. Ni Plattierungsdicke Au Plattierungsdicke Heiztemperatur Obere Au Plattierungsschicht Bewertung des Anlaufens
  • Mit Ausnahme von Probe Nr. 9 wurde die Wärmebehandlung für 15 Proben mit verschiedenen Heiztemperaturen unter einem Fluß von Wasserstoff ausgetragen, um eine Legierungsreaktion zwischen der Ni-Schicht 13 und der Au-Schicht 14 herbeizuführen. Schließlich wurde eine Au-Plattierungsschicht als die oberste Schicht auf jeder der Proben gebildet.
  • Das Anlaufen der obersten Au-Plattierungsschicht von jeder Probe wurde bewertet. Die Bewertung wurde durch Wärmebehandlung der schließlich erhaltenenen Probe für 5 Minuten in einer Atmosphäre von 450ºC ausgetragen und das Anlaufen der obersten Au-Plattierungsschicht wurde nach der Wärmebehandlung untersucht. In Tabelle 1 stellt die Markierung o kein Anlaufen und die Markierung Δ leichtes Anlaufen und X starkes Anlaufen dar.
  • Auf der Probe Nr. 15 wurde eine Ni-Schicht, die eine Dicke von 4µm hat, durch Sputtern gebildet und eine Au- Plattierungsschicht, die eine Dicke von 0.2 µm hat, wurde darauf durch Plattieren gebildet. In dem Beispiel Nr. 16 wurde eine Ni-Schicht, die eine Dicke von 4 µm hat, durch Sputtern gebildet, und eine Au-Schicht, die eine Dicke von 0.2 µm hat, wurde darauf durch Sputtern gebildet. Obwohl bei der Probe Nr. 14 kein Anlaufen gezeigt wurde, erschienen Farbschatten. Bezüglich der Probe Nr. 9, welche starkes Anlaufen zeigt, wurde Wärmebehandlung für eine Legierungsreaktion an dieser Probe nicht durchgeführt. Dies ist die Ursache für das starke Anlaufen der obersten Au-Plattierungsschicht. Bezüglich der Probe Nr. 1 war die Dicke der obersten Au-Plattierungsschicht wesentlich kleiner im Vergleich zu anderen Proben. Da die oberste Au-Plattierungsschicht zu klein in der Dicke war, kam leichtes Anlaufen zum Vorschein.
  • Bezüglich der Probe Nr. 6 war die Heiztemperatur der Legierungsreaktion niedriger im Vergleich zu anderen Proben. Die niedrigere Temperatur wird als die Ursache für das Anlaufen betrachtet.
  • Bezüglich der Probe Nr. 10 war die Dicke der Ni- Plattierungsschicht wesentlich kleiner als bei anderen Proben. Dies wird als die Ursache für das Anlaufen der obersten Au-Plattierungs schicht betrachtet.
  • Obwohl die vorliegende Erfindung beschrieben und im Detail dargestellt worden ist, ist es klar verständlich, daß selbiges nur durch Darstellung und Beispiel ist und nicht zu Einschränkungen führen soll.

Claims (10)

1. Oberflächenstruktur eines Keramiksubstrates (11) umfassend eine metallisierte Schicht (12) eines hitzebeständigen Metalls, eine Ni-Schicht (13), die auf der Metallschicht (12) gebildet ist, und eine Au-Plattierungsschicht (16), die darauf gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine NiAu-Schicht (15) auf der Ni-Schicht (13) und unterhalb der Au-Plattierungsschicht (16) vorgesehen ist.
2. Oberflächenstruktur eines Keramiksubstrates gemäß Anspruch 11 worin eine Dicke der Au-Plattierungsschicht (16) nicht größer als 1,0 µm ist.
3. Oberflächenstruktur eines Keramiksubstrates gemäß Anspruch 2, worin eine Dicke der Au-Plattierungsschicht (16) in dem Bereich von 0,2 µm bis 1,0 µm liegt.
4. Oberflächenstruktur eines Keramiksubstrates gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, mit einem AlN-Substrat (11).
5. Oberflächenstruktur eines Keramiksubstrates nach einem der vorangegangenen Ansprüche, worin das hitzebeständige Metall W, Mo oder Ta ist.
6. Verfahren zur Herstellung einer Oberflächenstruktur eines Keramiksubstrates, umfassend die Schritte der Bildung einer metallisierten Schicht (12) aus hitzebeständigen Metall, einer Ni-Schicht (13) und einer Au-Schicht (14) in dieser Reihenfolge auf einer Oberfläche eines Keramiksubstrates (11), gekennzeichnet durch Aufheizen des Substrates in einer nicht-oxidierenden Atmosphäre, um eine Legierungsreaktion zwischen der Ni- Schicht (13) und der Au-Schicht (14) herbeizuführen, und Bilden einer Au-Plattierungsschicht (16) auf der NiAu-Legierungsschicht (15).
7. Verfahren nach Anspruch 6, worin die Wärmebehandlung für die Legierungsreaktion in einer nicht-oxidierenden Atmosphäre und bei einer Temperatur von nicht weniger als 500ºC ausgeführt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, worin die Dicke der Au- Plattierungsschicht (16) nicht größer als 1,0 µm ist.
9. Verfahren nach Anspruch 8, worin eine Dicke der Au- Plattierungsschicht (16) in dem Bereich von 0,2 µm bis 1,0 µm liegt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, worin das Verhältnis der Dicke der Au-Schicht (14) zu der der Ni Schicht (13) nicht größer als 1:2 ist.
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