DE69734341T2 - Leiterplatte für Leistungsmodul - Google Patents

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Description

  • Hintergrund der Erfindung
  • Diese Erfindung bezieht sich auf eine Leiterplatte, die einen hochfesten Keramik/Metall-Verbundstoff umfasst, sowie ein Verfahren zu deren Herstellung. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine Leiterplatte für ein Leistungsmodul, das eine derart ausreichend hohe Widerstandskraft gegen Wärmezyklen aufweist, dass es zur Montage integrierter Schaltungen und Halbleiterkomponenten geeignet ist.
  • Keramische Leiterplatten mit Leitermustern sind verbreitet als Substrate zur Montage von Leistungsbauelementen verwendet worden, wie z. B. Leistungstransistoren, IGBT (Bipolartransistor mit isoliertem Tor), IPM (integriertes Leistungsmodul) und Leistungsmodule, die große Mengen von Wärme generieren. In den letzten Jahren ist der Anwendung von AlN-Keramik-Leiterplatten mit hoher Wärmeleitfähigkeit besondere Aufmerksamkeit gewidmet worden, und zur Herstellung von Qualitäts-AlN-Keramik-Leiterplatten wurden solchen Aspekten wie der Herstellung von Keramiksubstraten und der Entwicklung von Leitermustern verschiedene Ausführungsverbesserungen hinzugefügt.
  • Um die Herstellung von AlN-Keramiksubstraten als Beispiel heranzuziehen, werden Yttriumoxid (Y2O3) als Beispiel für Seltenerdoxide oder Calcia als Beispiel für Erdalkalioxide als Sinterzusatzstoffe hinzugefügt, um dichte Substrate herzustellen; genauer gesagt, AlN-Keramiksubstraten mit hoher Wärmeleitfähigkeit, die derzeit auf dem Markt verkauft werden, wird Y2O3 in Mengen von ca. 2–8 Gew.-% hinzugefügt.
  • Bei der Massenproduktion von AlN-Keramiksubstraten werden mehrere bis einige zehn Substrate gestapelt und auf einmal gesintert, wobei gemeinhin Trennmittel, wie z. B. Bornitrid (BN), verwendet werden, um das Anhaften eines Substrats an einem anderen zu verhindern.
  • Leitermuster werden üblicherweise mit den folgenden drei allgemeinen Verfahren auf der Oberfläche von Keramiksubstraten gebildet: Metallisierung, wobei eine galvanische Paste auf die Substratoberfläche gedruckt und bei einer erhöhten Temperatur gebrannt wird, um das angestrebte Leitermuster zu formen (japanische Offenlegungsschrift Nr. 149485/1990); Direktbindung, wobei ein AlN-Keramiksubstrat bei einer Temperatur von ca. 1.000°C in Luft vorbehandelt wird, um Aluminiumoxid auf der Substratoberfläche zu bilden, entweder gefolgt von Erwärmen in einer Inertgasatmosphäre unter Verwendung einer sauerstoffhaltigen Kupferplatte oder Erwärmen in einer Oxidationsatmosphäre unter Verwendung einer sauerstofflosen Kupferplatte, um dadurch eine eutektische Lösung aus Cu2O und Cu an der Grenzfläche zu erzeugen, so dass das AlN-Keramikschaltungssubstrat mit dem Aluminiumoxid auf der Oberfläche mit der Kupferplatte verbunden wird und so das gewünschte Leitermuster geformt wird (japanische Offenlegungsschrift Nr. 93687/1991); und Löten, wobei ein Lötmaterial in ein Schaltungsmuster auf der Substratoberfläche beschichtet wird und ein auf dem Lötmaterial platzierter Kupferteil erwärmt wird, so dass der Kupferteil mit dem Substrat verbunden wird und dadurch das angestrebte Leitermuster geformt wird. Direktbindung und Löten sind die zwei Verfahren, die hauptsächlich zum Bilden von Leitermustern bei der Herstellung von Leistungsleiterplatten verwendet wurden.
  • Gemäß der japanischen Offenlegungsschrift Nr. 258686/1990 weisen AlN-Keramikschaltungssubstrate eine Oberflächenschicht auf, die reich an auslaufenden Korngrenzphasen-Bestandteilen und Verunreinigungen ist, wie z. B. ein auf der Oberfläche verbleibendes Trennmittel sich störend auf die wirksame Verbindung zwischen Aluminiumnitrid und den gebildeten Leitermustern auswirkt; daher müssen zum Formen von Leitermustern durch Metallisierung die Korngrenzphasen-Bestandteile durch eine geeignete Technik entfernt werden, z. B. durch Läppen und Honen.
  • Gemäß der japanischen Offenlegungsschrift Nr. 149485/1990 rauen die an der Oberfläche eines AlN-Keramiksubstrats auskristallisierenden Korngrenzphasen-Bestandteile die Substratoberfläche auf, wodurch sie die Festigkeit der Verbindung zwischen dem Keramiksubstrat und dem Leiter herabsetzen sowie die Wärmeleitfähigkeit der Leiterplatte beeinträchtigen; um diese Schwierigkeiten zu vermeiden, schlägt das angegebene Patent vor, die Korngrenzphasen-Bestandteile mittels flüssiger Lösungsmittel von der Substratoberfläche zu entfernen.
  • Gemäß der japanischen Offenlegungsschrift Nr. 93687/1991 sind die an der Oberfläche eines AlN-Keramikschaltungssubstrats auskristallisierenden Korngrenzphasen-Bestandteile praktisch unempfindlich gegen Oxidationsbehandlung und verbleiben an der Substratoberfläche, wodurch sie die Haftkraft zwischen einer Oberflächen-Überzugsschicht (d. h. einer Aluminiumoxidschicht bei der Direktbindungsmethode) und dem Keramiksubstrat herabsetzen; um diese Schwierigkeit zu überwinden, schlägt das angegebene Patent vor, die Oberflächen-Überzugsschicht nach Entfernen der Korngrenzphasen-Bestandteile durch Anwenden einer chemischen Oberflächenbehandlung mit einer sauren Lösung zu bilden.
  • Wie sich jedoch herausstellte, waren die Abschälfestigkeit und die Anzahl von thermo dynamischen Kreisprozessen, denen die durch die oben beschriebenen Verbindungsmethoden hergestellten keramischen Leiterplatten standhalten konnten, nicht hoch genug, um die Anforderungen zur Verwendung mit neueren Leistungsmodulversionen zu erfüllen; die Abschälfestigkeit betrug nur etwa 10 kg/cm und die Anzahl von Wärmezyklen betrug weniger als 100, beides im Sinne eines praktisch wirksamen Wertes.
  • Zur Lösung dieser Probleme führte der Anmelder intensive Studien durch und fand heraus, dass die Biegebruchfestigkeit eines Keramiksubstrats, das Gewichtsverhältnis zwischen dem Gehalt von Sauerstoff zu Yttrium in dem Substrat, der Bornitrid-Restgehalt an der Substratoberfläche und die Verbindungstemperatur signifikante Auswirkungen auf die Festigkeit der Verbindung hatten; basierend auf dieser Erkenntnis schlug der Anmelder in der japanischen Offenlegungsschrift Nr. 53624/1994 früher eine hochfeste Aluminiumnitrid-Leiterplatte mit einer Abschälfestigkeit von wenigstens 30 kg/mm2 vor.
  • Keramikleiterplatten für Leistungsmodule weisen nicht nur daran angeschlossene Halbleiter und integrierte Schaltungen auf, sondern auch makroskopische Elektroden und unterliegen somit stetigen Kräften, und dies hat es notwendig gemacht, Leiterplatten mit höherer Abschälfestigkeit zu entwickeln, die auch imstande sind, mehr Wärmezyklen standzuhalten.
  • Der Anmelder offenbarte in der japanische Offenlegungsschrift Nr. 53624/1994 oben, dass eine Abschälfestigkeit von wenigstens 30 kg/mm2 vorlag, wenn ein Aluminiumnitridsubstrat, in dem das Verhältnis zwischen der Intensität der Beugung der Röntgenstrahlung von in der Oberflächenschicht vorhandenem Bornitrid (IBN) und der Intensität der Beugung der Röntgenstrahlung von Aluminiumnitrid (IAlN) nicht mehr als 6 × 10–2 betrug, mittels eines aktiven metallischen Lötmaterials dazwischen mit einer Kupferplatte verbunden wurde.
  • Neuere Modelle von Leiterplatten für Leistungsmodule erfordern Abschälfestigkeiten von wenigstens 30 kg/mm2 in Verbindung mit der Fähigkeit, mehr als 30 Wärmezyklen standzuhalten, was ein typischer Wert für die existierenden Modelle ist. Jedoch kann die früher von dem Anmelder vorgeschlagene hochfeste AlN-Leiterplatte nicht als eine kupfergebundene Leiterplatte hergestellt werden, die beiden Anforderungen genügt.
  • Wesen der Erfindung
  • Aufgabe der Erfindung ist daher die Bereitstellung einer Leiterplatte für ein Leistungsmodul, welche die vorher erwähnten Probleme des Standes der Technik löst.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe führten die vorliegenden Erfinder intensive Studien durch, insbesondere zur Wechselbeziehung zwischen dem Typ eines als Ausgangsmaterial zu verwendenden Keramiksubstrats und dem BN-Restgehalt der Substratoberfläche, und fanden heraus, dass die Wärmekreisprozess-Merkmale der produzierten Leiterplatte von den Verhältnissen B/Al und B/Si abhängig waren, wobei B/Al das Verhältnis von IB zu IAl darstellt, wobei IB die Intensität der Beugung der Röntgenstrahlung von an der Oberflächenschicht vorhandenem Bor und IAl die Intensität der Beugung der Röntgenstrahlung von Aluminium ist und B/Si das Verhältnis von IB zu ISi darstellt, wobei IB so ist, wie oben definiert, und ISi die Intensität der Beugung der Röntgenstrahlung von Silicium ist. Die vorliegende Erfindung ist auf der Grundlage dieser Erkenntnis erreicht worden.
  • Demnach wird gemäß der Erfindung eine Leiterplatte für ein Leistungsmodul mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 bereitgestellt. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform besteht das Leitermuster der Leiterplatte aus einer Metallplatte, welche mittels eines Lötmaterials mit dem Keramiksubstrat verbunden ist und welche wenigstens ein aktives Metall der Gruppe bestehend aus Ti, Zr und Hf enthält.
  • In einer anderen bevorzugten Ausführungsform besteht das Leitermuster der Leiterplatte aus einer Metallplatte, die nach einer teilweisen Oberflächenoxidation direkt mit dem Keramiksubstrat verbunden ist.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Das Keramiksubstrat, das für die Erfindung verwendet werden kann, basiert entweder auf AlN oder Si3N4, und die mit dem Keramiksubstrat zu verbindende, das Leitermuster bildende Metallplatte ist eine Kupferplatte.
  • In der vorliegenden Erfindung wird durch Steuern der Vorbrennbedingungen, der Honzeit, des Hondrucks und der Anzahl von Spritzpistolen während des Entfernens des Trennmittels der BN-Gehalt des AlN- oder Si3N4-Substrats eingestellt, und mit den Substraten mit variierendem BN-Gehalt werden Kupferplatten mittels der folgenden Vorgehensweisen verbunden:
    Zwei 0,3 mm und 0,25 mm dicke Kupferplatten werden auf gegenüberliegenden Oberflächen des AlN- oder Si3N4-Substrats platziert und ein Ti-haltiges, aktives metallisches Lötmaterial (umfassend 71,0% Ag, 16,5% Cu und 2,5% Ti) dazwischengefügt und die Anordnung bei 850°C in Vakuum gebrannt, um die zwei Einzelteile zusammenzufügen (auf diese Methode wird nachstehend als "durch Löten von aktivem Metall unterstützte Bindung" Bezug genommen), und die Kupferplatte wird auf einer Oberfläche geätzt, um ein genau festgelegtes Schaltungsmuster zu formen und dadurch eine Leiterplatte mit dem gewünschten Schaltungsmuster herzustellen.
  • Alternativ wird das AlN- oder Si3N4-Substrat in Luftatmosphäre gebrannt, um die Oberflächenschicht zu oxidieren, und ein genau festgelegtes Kupfermuster wird direkt mit dem Substrat verbunden und dadurch eine Leiterplatte mit dem gewünschten Leitermuster hergestellt (auf diese Methode wird nachstehend als "Direktbindung" Bezug genommen).
  • Bornitrid, das beim Vorbrennen von Keramiksubstraten auf der Basis von Nitrid gemeinhin als Trennmittel verwendet wird, verbleibt in den meisten Fällen an den Korngrenzen von AlN- oder Si3N4-Kristallen in der Oberflächenschicht der Substrate und wenn der Bornitrid-Restgehalt zu groß ist, kann eine ausreichende Festigkeit der Verbindung nicht erlangt werden, selbst wenn das Substrat einen geeigneten Grad der Oberflächenrauheit aufweist. Dies ist so, weil das Aluminium oder Siliciumnitrid in dem Substrat eine Reaktivität mit Bornitrid aufweist, die nicht ausreicht, um eine zufriedenstellende Festigkeit der Verbindung zwischen benachbarten Körnern bereitzustellen; zudem sind die Bornitridkristalle so leicht zu spalten, dass sie keine ausreichende Festigkeit aufweisen.
  • Wie bereits in der japanischen Offenlegungsschrift Nr. 53624/1994 offenbart, ist der Bornitrid-Restgehalt ein kritischer Faktor bei der Bereitstellung von Verbindungsfestigkeit, und der Anmelder fand heraus, dass Abschälfestigkeiten von 30 kg/cm und mehr erhalten werden konnten, wenn IBN/IAlN oder die durchschnittliche Intensität der Beugung von Bornitrid bezüglich derjenigen von Aluminiumnitrid so gesteuert wurde, dass sie für keine der Flächen (100), (002) und (101) mehr als 6 × 10–2 betrug, wobei mittels eines Röntgendiffraktometers (Rigaku Denki K. K.) eine Diffraktionsabtastung der Oberfläche eines Keramiksubstrats mit Cu als Target mit einer Nachbeschleunigungsspannung von 50 kV und einem Beschleunigungsstrom von 30 mA vorgenommen wurde.
  • Was die Stabilität gegenüber Wärmezyklen betrifft, ist der bisher erzielbare Wert von ca. 30 Kreisprozessen für handelsübliche Vorrichtungen zufriedenstellend gewesen. Leiterplatten, die zur Verwendung mit neueren Leistungsmodulmodellen geeignet sind, erfordern jedoch neben der Abschälfestigkeit von wenigstens 30 kg/cm eine höhere Stabilität gegenüber Wärmezyklen. Gemäß der Erkenntnis der vorliegenden Erfinder war die Stabilität gegenüber Wärmezyklen deutlich verbessert, wenn das Verhältnis B/Al oder B/Si so gesteuert wurde, dass es nicht mehr als 50 × 10–6 ausgedrückt als Verhältnis von IB zu IAl oder das Verhältnis von IB zu ISi betrug, wie zuvor definiert.
  • Die folgenden Beispiele werden zum Zwecke der weiteren Darstellung der Erfindung bereitgestellt, sind aber in keinerlei Weise als einschränkend anzusehen.
  • Beispiel 1
  • Vierzehn Zusammenstellungen von gesinterten AlN-Substraten, jede Zusammenstellung bestehend aus 40 Proben, wurden in Abmessungen von 53 × 29 × 0,635 mm bereitgestellt. Der BN-Gehalt der Substrate wurde durch Steuern der Honbedingungen (Zeit, Druck und Anzahl von Spritzpistolen) variiert. Die Werte von B/Al in den jeweiligen Substraten sind in Tabelle 1 gezeigt. Honen ist der Schritt Entfernen des Trennmittels (z. B. BN), das beim Brennen gestapelter Keramiksubstrate verwendet wurde, um das Anhaften eines Substrats an einem anderen zu verhindern.
  • Kupferplatten mit einer Stärke von 0,3 mm bzw. 0,25 mm wurden auf gegenüberliegenden Seiten von sieben der vierzehn Zusammenstellungen von AlN-Substraten mit einer aktiven metallischen Lötpaste dazwischen platziert, die 71,0 Gew.-% Ag, 16,5 Gew.-% Cu und 2,5 Gew.-% Ti umfasste, und die Anordnungen wurden bei 850°C in Vakuum gebrannt, um die zwei Einzelteile zusammenzufügen; danach wurden die Kupferplatten auf einer Oberfläche geätzt, um ein genau festgelegtes Schaltungsmuster zu formen.
  • Die anderen sieben Zusammenstellungen von AlN-Substraten wurden in Luftatmosphäre gebrannt, um ihre Oberflächenschichten zu oxidieren, und danach wurden Kupferplatten mit jeweils einem vorbestimmten Schaltungsmuster und flache Kupferplatten auf gegenüberliegenden Seiten der oxidierten Oberflächen der Substrate platziert und bei 1.063°C in einer Inertgasatmosphäre gebrannt, so dass die Kupferplatten direkt mit den Substraten verbunden wurden.
  • Die Stabilität der auf diese Weise erhaltenen Verbindungen gegenüber thermischen Kreisprozessen wurde mit der folgenden Vorgehensweise beurteilt. Jede Leiterplattenprobe wurde genau festgelegten Anzahlen von Wärmezyklen ausgesetzt, jeweils bestehend aus Erwärmen bei 125°C für 30 Minuten und Abkühlen bei –40°C für 30 Minuten; danach wurde das Leitermuster von jeder Probe entfernt und die Entwicklung von Rissen durch Untersuchen der Oberflächen aller zehn Proben des bloßen Substrats nach 30, 50, 70 oder 100 Kreisprozessen mit einem Mikroskop geprüft; die Ergebnisse wurden nach drei Kriterien beurteilt, 0 (Rissbildung trat bei keiner Probe auf bzw. 0/10), Δ (Rissbildung trat bei einer bis drei Proben auf bzw. 1/10–3/10) und X (Rissbildung trat bei vier bis zehn Proben auf bzw. 4/10–10/10), und in Tabelle 1 zusammengefasst.
  • Tabelle 1
    Figure 00070001
  • Beispiel 2
  • Fünf Zusammenstellungen von gesinterten Si3N4-Substraten, jede Zusammenstellung bestehend aus 50 Proben, wurden in Abmessungen von 53 × 29 × 0,635 mm bereitgestellt. Der BN-Gehalt der Substrate wurde durch Steuern der Honbedingungen (Zeit, Druck und Anzahl von Spritzpistolen) variiert. Die Werte von B/Si in den jeweiligen Substraten sind in Tabelle 2 gezeigt.
  • Kupferplatten von 0,3 mm bzw. 0,25 mm wurden auf gegenüberliegenden Seiten jedes Substrats mit einer Lötpaste derselben Zusammensetzung wie in Beispiel 1 dazwischen platziert und die Anordnungen bei 850°C in Vakuum gebrannt, um die zwei Einzelteile zusammenzufügen; danach wurden die Kupferplatten auf einer Oberfläche jeder Verbindung geätzt, um ein genau festgelegtes Schaltungsmuster zu formen.
  • Die Stabilität der auf diese Weise erhaltenen Verbindungen gegenüber Wärmezyklen wurde unter denselben Bedingungen wie in Beispiel 1 getestet und die Entwicklung von Rissen nach 50, 100, 150, 200, 250 oder 300 Kreisprozessen geprüft; die Ergebnisse sind in Tabelle 2 zusammengefasst.
  • Tabelle 2
    Figure 00080001
  • In Beispiel 1 konnten die Leiterplatten, die durch eine durch aktives metallisches Löten unterstützte Bindung vorbereitet waren, bis zu 70 Wärmezyklen standhalten, wenn B/Al nicht mehr als 50 × 10–6 betrug, und Rissbildung trat erst nach 100 Wärmezyklen auf, wenn B/Al nicht mehr als 30 × 10–6 betrug; bei den durch Direktbindung vorbereiteten Leiterplatten war das Ergebnis im Wesentlichen dasselbe.
  • Die Leiterplatten gemäß Beispiel 2, die durch eine durch aktives metallisches Löten unterstützte Bindung vorbereitet wurden, waren bis nach 200 Wärmezyklen frei von Rissbildung, wenn B/Si nicht mehr als 50 × 10–6 betrug.
  • Auf diese Weise konnte die Stabilität von AlN-Substraten gegenüber Wärmezyklen durch Steuern des B/Al-Verhältnisses bezogen auf die relative Intensität von fluoreszierenden Röntgenstrahlen von der Größenordnung von 30 Kreisprozessen auf wenigstens 70 Kreisprozesse verbessert werden; was Si3N4-Substrate betrifft, reichte die Verbesserung von der Größenordnung von 100 Kreisprozessen bis zu wenigstens 200 Kreisprozessen, und dies wurde durch Steuern des B/Si-Verhältnisses erreicht. Als Folge konnte die Betriebszuverlässigkeit von Leiterplatten für Leistungsmodule durch die Erfindung deutlich verbessert werden.

Claims (6)

  1. Leiterplatte für ein Leistungsmodul mit einem Keramiksubstrat auf der Basis von AlN oder Si3N4, welches auf wenigstens einer seiner Oberflächen ein Leitermuster aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Keramiksubstrat derart ausgebildet ist, dass das Verhältnis B/Al oder B/Si des in der Oberflächenschicht des Keramiksubstrats verbleibenden Al im AlN oder Si im Si3N4 und B im BN, ausgedrückt in Form von IBN/IAlN oder IBN/ISi3N4, die durchschnittliche Intensität der Beugung der Röntgenstrahlen von BN bezüglich derjenigen von AlN oder Si3N4 für keine der Flächen (100), (001) und (101) mehr als 30 × 10–6 beträgt.
  2. Leiterplatte für ein Leistungsmodul nach Anspruch 1, betreffend ein auf AlN basierendes Keramiksubstrat, dadurch gekennzeichnet, dass das Keramiksubstrat derart ausgebildet ist, dass das Verhältnis B/Al des in der Oberflächenschicht des Keramiksubstrats verbleibenden Al im AlN und B im BN, ausgedrückt in Form von IBN/IAlN, für keine der Flächen (100), (002) und (101) mehr als 30 × 10–6 beträgt.
  3. Leiterplatte für ein Leistungsmodul nach Anspruch 1, betreffend ein auf Si3N4 basierendes Keramiksubstrat, dadurch gekennzeichnet, dass das Keramiksubstrat derart ausgebildet ist, dass das Verhältnis B/Si des in der Oberflächenschicht des Keramiksubstrats verbleibenden Si im Si3N4 und dem B im BN, ausgedrückt in Form von IBN/ISi3N4, für keine der Flächen (100), (002) und (101) mehr als 30 × 10–6 beträgt.
  4. Leiterplatte für ein Leistungsmodul nach Anspruch 1, betreffend ein auf Si3N4 basierendes Keramiksubstrat, dadurch gekennzeichnet, dass das Keramiksubstrat derart ausgebildet ist, dass das Verhältnis B/Si des in der Oberflächenschicht des Keramiksubstrats verbleibenden Si im Si3N4 und dem B im BN, ausgedrückt in Form von IBN/ISi3N4, für keine der Flächen (100), (002) und (101) mehr als 30 × 10–6 beträgt.
  5. Leiterplatte für ein Leistungsmodul nach einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitermuster aus einer Metallplatte besteht, welche mit dem Keramiksubstrat mittels eines Lötmaterials verbunden ist, welches wenigstens ein aktives Metall der Gruppe bestehend aus Ti, Zr und Hf enthält.
  6. Leiterplatte für ein Leistungsmodul nach einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitermuster aus einer Metallplatte besteht, die nach einer teilweisen Oberflächenoxidation direkt mit dem Keramiksubstrat verbunden ist.
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