DE69830810T2

DE69830810T2 - Verfahren zur Herstellung eines Keramik-Metall-Verbundsubstrats

Info

Publication number: DE69830810T2
Application number: DE69830810T
Authority: DE
Inventors: Masaya Chiyoda-ku Takahara; Junju Chiyoda-ku Nakamura; Masami Chiyoda-ku Sakuraba; Masami Chiyoda-ku Kimura
Original assignee: Dowa Mining Co Ltd
Current assignee: Dowa Holdings Co Ltd
Priority date: 1997-03-12
Filing date: 1998-03-11
Publication date: 2006-04-27
Anticipated expiration: 2018-03-12
Also published as: CN1201241A; CN1099120C; CN1422721A; CN100488689C; KR100477866B1; JP3682552B2; EP1295671A1; US6221511B1; DE69817648T2; JPH10251075A; DE69830810D1; US6399019B1; EP0868961B1; KR19980080073A; EP1295671B1; US6354484B1; DE69817648D1; EP0868961A1

Description

Die vorliegende Patentanmeldung ist eine Teilanmeldung der europäischen Patentanmeldung Nr. 98 301 799.7, die ein Verfahren zum Herstellen eines Metall/Keramik-Verbundsubstrats durch Verbinden einer Metallplatte mit einem Keramiksubstrat beansprucht.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Metall/Keramik-Verbundsubstraten.
Verschiedene Verfahren zum Verbinden von Metall, wie etwa Kupferplatten, mit Keramiksubstraten, wie etwa Aluminiumnitrid (AlN), sind bekannt, zwei typische Beispiele dafür sind das Aktivmetall-Lötverfahren, das in dem japanischen Laid-Open-Patent Nr. 166165/1985 mit dem Titel "A method of Joining Nitride-Base Ceramics to Metals" ("Verfahren zum Verbinden von auf Nitrid basierender Keramik mit Metallen") beschrieben ist, und das Verfahren, bei dem eine Kupferplatte direkt mit einer modifizierten Oberfläche eines Aluminiumnitridsubstrats verbunden wird (wie etwa typisch in dem japanischen Laid-Open-Patent Nr. 163093/1981 beschrieben).
Das Aktivmetall-Lötverfahren stellt eine höhere Festigkeit der Verbindung bereit als das direkte Verbindungsverfahren und die resultierende Verbindung hat die gewünschten Charakteristika, wie etwa hohe Beständigkeit gegenüber wiederholten Glühzyklen. Daher findet das Aktivmetall-Lötverfahren derzeit beim Verbinden von Kupferplatten mit nicht auf Oxid basierenden Keramiksubstraten, sprich Nitrid-Keramiksubstraten, verbreitet Anwendung.
Zwei Lötmaterialien werden in der Praxis des Aktivmetall-Lötverfahrens kommerziell genutzt, eines davon setzt sich aus Ag, Cu und einem Aktivmetall (reaktionsfähigen Metall) zusam men, das aus Ti, Zr und Hf ausgewählt wird (wie in dem japanischen Laid-Open-Patent Nr. 166165/1985 beschrieben), und das andere ist ein Aktivmetallpastenmaterial, das aus Ag, Cu und Titanhydrid zusammengesetzt ist (wie in dem japanischen Laid-Open-Patent Nr. 101153/1991 beschrieben).
Schaltungssubstrate, die durch Verbinden von Kupferplatten mit beiden Seiten eines Aluminiumnitridsubstrats unter Zuhilfenahme dieser Lötmaterialien hergestellt werden, werden bereits kommerziell genutzt.
Bei vielen Lötmaterialien wird ein Aktivmetall einer Struktur zugegeben, die 72% Ag und 28% Cu umfasst, wobei demgemäß das Verbindungsverfahren bei einer Temperatur durchgeführt wird, die über dem eutektischen Punkt von 780°C liegt, bevorzugt bei einer Temperatur von ungefähr 850°C.
Das europäische Patent Nr. 0 368 126 offenbart eine Legierung zum Löten von Keramikmaterialien mit einer Zusammensetzung von 0,5 bis 3 Gew.-% Titan, 0,25 bis 2 Gew.-% Aluminium, Silizium oder Zinn, 2 bis 6 Gew.-% Kupfer, Rest Silber.
Die japanische Patentveröffentlichung Nr. 09188582 offenbart ein Lötmaterial mit 60–94,25 Gew.-% Ag, 5–30 Gew.-% Cu, 0,5–4,5 Gew.-% eines aktiven Metalls und Titandioxid in einem spezifischen Bereich von 0,25–0,9 Gew.-%, das pastös gemacht und auf ein AIN-Substrat aufgetragen wird. Eine Kupferplatte wird auf das beschichtete Lötmaterial gestapelt und wärmebehandelt, um ein Verbundmaterial zu ergeben.
Die jüngsten Schaltungssubstrate müssen jedoch bei höherer elektrischer Energie arbeiten, wobei es zur Erfüllung dieser Anforderung erwünscht war, Schaltungssubstrate zu entwickeln, die nicht nur gute Wärmeausstrahlungs- und elektrische Isoliereigenschaften besitzen, sondern auch über höhere Festigkeit und thermische Schlagbiegefestigkeit verfügen.
Ein Ziel der Erfindung besteht daher darin, ein Verfahren zur Herstellung von Metall/Keramik-Verbundsubstraten unter Verwendung eines Lötmaterials bereitzustellen, das zur Verwendung in der Herstellung von Energiemodul-Verbundsubstraten geeignet ist, die keine kontaktlosen Abschnitte aufweisen, und die dazu in der Lage sind, ihre Charakteristika gegenüber herkömmlichen Lötmaterialien zu verbessern.
Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, das Lötmaterial bereitzustellen.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben intensive Studien durchgeführt, um die genannten Ziele zu erreichen, und herausgefunden, dass Verbindungsverfahren bei einer Temperatur von 780°C ~ 870°C durchgeführt werden könnten, d.h. die unter dem Schmelzpunkt von 875°C liegt, und zwar durch Verwendung von Aktivmetall-Lötmaterialien, denen 90% Ag und 9,5% Cu sowie 0,5% eines Aktivmetalls (TiO) zugegeben wird, und dass die zusammengefügten Verbundsubstrate keine kontaktlosen Abschnitte aufwiesen.
Die vorliegende Erfindung basiert auf dieser Feststellung.
Die Erfindung stellt ein Verfahren zur Herstellung eines Metall/Keramik-Verbundsubstrats nach Anspruch 1 der anhängigen Ansprüche bereit.
Die Erfindung stellt ferner ein Verfahren zum Herstellen einer Schaltung auf einem Metall/Keramik-Verbundsubstrat gemäß Anspruch 2 der anhängigen Ansprüche bereit.
Das Keramiksubstrat ist wenigstens eine Art von Keramiksubstrat, das aus einer Gruppe ausgewählt wird, die aus Al₂O₃, AlN und Si₃N, besteht.
Die Erwärmungstemperatur der Anordnung liegt zwischen 780°C und 870°C, die die Temperatur des Schmelzpunktes des Lötmaterials nicht übersteigt.
Das in der Erfindung zu verwendende Lötmaterial hat einen Ag-Gehalt von 90,0 ~ 99,5 Gew.-%. Wenn der Ag-Gehalt geringer als 90 Gew.-% ist, werden ungeeignete Verbundsubstrate mit kontaktlosen Abschnitten hergestellt.
Der Cu-Gehalt des Lötmaterials ist geringer als 9,5 Gew.-%. Der Grund dafür, warum der Cu-Gehalt geringer als der des herkömmlichen Ag/Cu-Lötmaterials ist, besteht darin, dass, wenn die Anordnung erwärmt wird, die Ag-Komponente und die Kontaktfläche der Kupferplatte zur Reaktion gebracht werden, um die eutektische Kristallisation zu bewirken.
Das Aktivmetall, das in der Erfindung verwendet werden kann, ist wenigestens ein Element der Gruppe IVa des Periodensystems, beispielsweise Ti, Zr oder Hf.
Diese Aktivmetalle können entweder in elementarer Form oder als Hybrid zugegeben werden, wobei die Menge ihrer Zugabe zwischen 0,5 und 4,0 Gew.-% liegt.
Unter 0,5 Gew.-% bildet sich eine Nitridschicht in einer Menge aus, die nicht ausreichend ist, um die erforderliche Haftfestigkeit bereitzustellen, über 4,0 Gew.-% erhöht sich die Haftfestigkeit, andererseits erhöht sich jedoch auch die Wahrscheinlichkeit einer Spaltung nach dem Verbinden einer Metallplatte mit einem Keramiksubstrat.
Titanoxid wird als TiO oder TiO₂ in einer Menge von bis zu 0,9 Gew.-% zugegeben. Das Titanoxid kann amorph oder kristallin sein.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben durch Versuche bestätigt, dass eine Zugabe dieser Menge an Titanoxid zu einem Lötmaterial der vorstehend beschriebenen Zusammensetzung zur Verbesserung verschiedener Charakteristika des resultierenden Verbundsubstrats beiträgt, wie etwa Beständigkeit gegenüber wiederholten Glühzyklen, Biegefestigkeit, Durchbiegung und Beständigkeit beim Durchlaufen eines Ofens. Ein wahrscheinlicher Grund dafür könnte darin liegen, dass das dem Lötmaterial zugegebene TiO₂ oder TiO zur Verringerung der Spannungskonzentration gleichmäßig verteilt ist.
Eine Legierung mit der oben definierten Zusammensetzung kann direkt als erfindungsgemäßes Lötmaterial verwendet werden. Wenn ein Metallteil einfach mit einem Keramikteil verbunden werden soll, kann ein Lötlegierungsmaterial in der Form einer Platte oder einer Folie verwendet werden.
Die vorliegende Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung im Ofen auf eine Temperatur erwärmt wird, die unter dem Schmelzpunkt des Lötmaterials liegt, bevorzugt auf 780°C 870°C, entsprechend der Zusammensetzung des Lötmaterials aus den nachfolgend genannten Gründen.
Wenn herkömmliches Lötmaterial verwendet wird, das aus 72% Ag und 28% Cu gebildet ist, dem ein Aktivmetall Ti zugegeben ist, wird das Verbinden bei einer Temperatur begonnen, die über dem eutektischen Schmelzpunkt von Ag-Cu liegt, das heißt, 780°C. Demgemäß wird das Verbinden in der Praxis bei einer Temperatur von ungefähr 850°C durchgeführt. Bei der vorliegenden Erfindung beträgt die Menge an Ag mehr als 90 Gew.-%. Wenn die Menge an Ag 90 Gew.-%, an Cu 9,5 Gew.-% und an Ti 0,5 Gew.-% beträgt, sollte der Schmelzpunkt eine Temperatur sein, die bei Berücksichtung des Gleichgewichtsdiagramms von Silber/Kupfer über 875°C liegt, so dass das Verbinden bei einer Temperatur von ungefähr 900°C durchgeführt werden muss, um bei dem herkömmlichen Verfahren eine perfekte Verbindung zu erhalten.
Wenn das erfindungsgemäße Lötmaterial nur auf eine Temperatur erwärmt wird, die unter dem genannten Schmelzpunkt (875°C) liegt, kann es nicht geschmolzen, sondern lediglich gesintert werden. Wenn jedoch, wie bei der vorliegenden Erfindung, eine Kupferplatte als Substrat für das Energiemodul verwendet wird, werden das Lötmaterial und die Kupferplatte miteinander in Kontakt gebracht, so dass, wenn die Anordnung erwärmt wird, das Ag im Lötmaterial und das Cu in der Kupferplatte vom Kontaktabschnitt im Mikronbereich allmählich zur eutektischen Reaktion gebracht werden, diffundiert das Ag allmählich in die Kupferplatte ein, ausgelöst durch die Reaktion und die eutektische Struktur bildet sich auf der gesamten Kontaktfläche aus.
Wie auf den vorhergehenden Seiten beschrieben, sind die unter Verwendung des erfindungsgemäßen Lötmaterials hergestellten Metall/Keramik-Verbundsubstrate im Hinblick auf die Verringerung der kontaktlosen Abschnitte hinreichend verbessert und können kostengünstig und effizient gefertigt werden.
Obgleich die Erfindung insbesondere unter Bezugnahme auf ihre bevorzugten Ausführungsformen dargestellt und beschrieben worden ist, versteht es sich für Fachleute auf dem Gebiet, dass verschiedene Abwandlungen hinsichtlich Form und Detail daran durchgeführt werden können, ohne den Schutzumfang der Erfindung, wie in den anhängigen Ansprüchen definiert, zu verlassen.

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Metall/Keramik-Verbundsubstrats durch Verbinden einer Metallplatte mit einem Keramiksubstrat, das die Schritte umfasst: – Formen eines Lötlegierungsmaterials in der Form einer Platte oder einer Folie, wobei die Zusammensetzung der Legierung 90,0–99,5 Gew.-% Ag, bis zu 9,5 Gew.-% Cu, und ein aktives Metall umfasst, das aus Ti, Zr und Hf in einer Menge von 0,5–4,0 Gew.-% ausgewählt ist; – Aufbringen des Lötlegierungsmaterials auf das keramische Substrat; und – Aufsetzen einer Metallplatte auf die aufgebrachte Lötlegierungsplatte oder -folie sowie Erwärmen der Anordnung bei einer Temperatur, die nicht höher ist als der Schmelzpunkt des Lötlegierungsmaterials, um eine Verbindung der Metallplatte mit dem Keramiksubstrat zu bilden.
Verfahren zum Herstellen einer Schaltung auf einem Metall-/Keramik-Verbundsubstrat, das die Schritte umfasst: – Herstellen eines Metall/Keramik-Verbundsubstrats gemäß Anspruch 1; und – Aufbringen eines Ätzresists auf der Metallplatte der Verbindung, um ein Schaltungsmuster zu bilden, und Ätzen der Metallplatte, um eine metallisierte Schaltung zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Lötlegierungsmaterial ferner bis zu 0,9 Gew.-% Titanoxid aufweist.