JP2021518669A

JP2021518669A - 銅−セラミック基板

Info

Publication number: JP2021518669A
Application number: JP2020550143A
Authority: JP
Inventors: リーマン、ヘルグ; ザイガー、カール; カピ、ベンジャミン
Original assignee: アルビスシュトルベルグゲーエムベーハーアンドシーオーケイジー
Priority date: 2018-03-20
Filing date: 2018-03-20
Publication date: 2021-08-02
Also published as: CN111886214A; KR20200134258A; WO2019179600A1; KR102514960B1; US20210002179A1; EP3768654B1; PL3768654T3; HUE058955T2; ES2917407T3; EP3768654A1

Abstract

本発明は、セラミック担体２と、前記セラミック担体２の表面に接合された少なくとも１つの銅層３、４であって、導体構造を形成するため、及び／又は、ボンディングワイヤを固定するための自由表面を有する、少なくとも１つの銅層とを備える銅−セラミック基板１であって、前記銅層３、４が、２００μｍ〜５００μｍ、好ましくは３００μｍ〜４００μｍの平均粒径を有するミクロ構造を有する、銅−セラミック基板に関する。【選択図】図１

Description

本発明は、請求項１におけるプリアンブル（preamble）の特徴を有する銅−セラミック基板に関する。

銅−セラミック基板（例えば、ＤＣＢ、ＡＭＢ）は、例えば、電子パワーモジュールを製造するために使用されており、片面又は両面のどちらかに銅層を有するセラミック担体の複合体である。この銅層は、通常、０．１ｍｍ〜１．０ｍｍの厚さを有する銅箔の形態の銅半製品として事前に作られ、接合方法を用いてセラミック担体に接合される。このような接合方法は、ＤＣＢ（直接銅接合）又はＡＭＢ（活性金属ろう付け）としても知られている。しかしながら、セラミック担体がより高強度を有する場合、更に大きな厚さを有する銅プライ（copper plies）又は銅層（copper layers）を適用することも可能となり、これは、電気的性質及び熱的性質において基本的な利点となる。

セラミック担体としては、例えば、ムライト、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＡｌＮ、ＺＴＡ、ＡＴＺ、ＴｉＯ_２、ＺｒＯ_２、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＣａＣＯ_３、又はこれらの材料の少なくとも２種の混合物から形成されるセラミック板が使用される。

ＤＣＢ法では、以下の方法工程を用いて、銅プライをセラミック基体に接合する：
均一な酸化銅層が得られるように、銅プライを酸化する工程；
セラミック担体上に銅プライを載置する工程；
複合体を、１０６０℃〜１０８５℃のプロセス温度で加熱する工程。

これにより、銅プライ上に共晶融液が生じ、セラミック担体と物質対物質接合を形成する。このプロセスは、ボンディングとして知られている。Ａｌ_２Ｏ_３をセラミック担体として使用する場合、ボンディングによって、薄いＣｕ−Ａｌスピネル層が形成される。

ボンディングプロセスに続いて、外側を向いた銅プライの表面、すなわち、銅プライの自由表面をエッチングすることにより、必要な導体トラックを構造化する。次いで、チップをはんだ付けし、ボンディングワイヤを適用することによって、各チップ上側の接点同士が接続される。この目的のため、銅層の自由表面のミクロ構造は、可能な限り均質かつ微細に構造化されるべきである。続いて、パワーモジュールを製造するために、銅−セラミック基板をベースプレートに追加で接合することもできる。

上述の銅−セラミック基板の利点としては、とりわけ、銅による高い通電容量、並びにセラミック担体による良好な電気絶縁性及び機械的支持が挙げられる。さらに、ＤＣＢ技術によって、銅プライをセラミック担体に対して良好に接着させることができる。また、使用する銅−セラミック基板は、この用途において見られることが多い高い周囲温度において安定である。

銅−セラミック基板の弱点は、いわゆる耐熱衝撃性であり、これは、一次的な熱によって、特定数の応力が誘発された後の構成部材の欠陥を表す材料パラメータである。パワーモジュールの運転中に極端な熱勾配が生じることから、このパラメータは、モジュールの寿命にとって重要である。使用するセラミック材料と銅材料とが異なる熱膨張係数を有することに起因して、銅−セラミック基板において使用時に機械的応力が熱によって誘発される。これにより、特定数のサイクル後に、セラミック層から銅層が層間剥離したり、及び／又は、セラミック層及び／又は銅層においてクラックが発生したりして、その結果、構成部材の欠陥につながるおそれがある。

一般的に、微細なミクロ構造を有する銅層を備えた銅−セラミック基板は、光学検査、接着能力、エッチング挙動、粒界形成、溶融めっき性（galvanisability）、及び更なる処理において有利であるという利点を有する。しかしながら、温度変動の際に、熱によって誘発される応力がより大きいため、寿命がより短く、耐温度変化性がより低いという不利点がある。

反対に、粗大なミクロ構造を有する銅層を備えた銅−セラミック基板は、寿命がより長いという利点を有するが、上述の追加的要件においては不利である。

特許文献１には、銅層のミクロ構造の粒径を、セラミック担体に面する側では、自由表面上におけるよりも、意図的により大きくした銅−セラミック基板が開示されている。

この解決法の利点は、銅層は、その自由表面上においては、ミクロ構造の粒径がより小さいため、軽く、非常に微細に構造化することができる一方で、セラミック担体に向いた側では、粒径がより大きいため、ホール・ペッチの関係に従って、より良好な耐熱衝撃性を有することにあると考えられる。よって、この銅−セラミック基板は、上述の様々な要件においてより良好な性質を有するように、改良することができる。銅層の両面における粒径を狙って選択することにより、銅−セラミック基板が、両要件において改良されるように設計することができる新しいデザインパラメータが得られる。

この解決方の不利点は、異なる粒径の実現が、追加の努力を意味することにあると考えられる。例えば、異なる粒径を実現するために、異なる粒径を有する２つの異なる銅層をめっきすることによって銅層を製造することが考えられるが、これは関連コストを有する追加の仕事負荷を意味する。その結果、特許文献１の銅−セラミック基板は、より高価になり、そのため、その高い価格に見合う特別な用途にのみ好適である。

独国特許出願公開第１０２０１５２２４４６４号

この背景に鑑みて、本発明の目的は、特許文献１の銅−セラミック基板よりも、高い費用対効果で製造することができる上に、様々な要件を満たす銅−セラミック基板を提供することである。

本発明によると、上記の目的を達成するために、請求項１におけるプリアンブルの特徴を有する銅−セラミック基板が提供される。更に好ましい発展形態は、従属項において分かるだろう。

本発明の基本的な概念によると、銅層が、２００μｍ〜５００μｍ、好ましくは３００μｍ〜４００μｍの平均粒径を有するミクロ構造を有することが提案される。

ミクロ構造の粒子は、この場合に提案された範囲の粒径のみを有する必要はない。すなわち、粒径の分布は、単峰性のガウス分布に対応し、粒子の一部が、２００μｍ未満若しくは５００μｍ超、又は、３００μｍ未満若しくは４００μｍ超の粒径を有することも可能である。平均粒径が提案された範囲内にあることだけが重要である。この粒径は、例えば、ＡＳＴＭ１１２−１３に記載のリニアインターセプト法を用いて求めることができる。しかしながら、いかなる場合にも、１０００μｍ超の粒径を有する粒子は回避する必要がある。

提案された銅層のミクロ構造は、セラミック担体上へのボンディングの際に直接実現することができ、例えば、ボンディングプロセスを早めたり遅らせたりしながら、所定のスループット、又は滞留時間、及び温度選択を着実に守ることによって実現することができる。或いは、提案された銅層のミクロ構造は、別途の温度後処理によっても実現することができる。

提案された銅−セラミック基板の利点は、銅−セラミック基板が十分に長い寿命を有することであると考えることができる。これは、所望の長い寿命を達成するために、平均粒径を選択することによって、通常使用下で、交互曲げ荷重が温度に誘発されて起こる際に、ホール・ペッチの関係に従って、十分に低い応力レベルが基板において実現することができるような平均粒径を粒子が有することによるものである。また、接着性、光学検査、導体構造を導入するのに必要なエッチングプロセス又はカットプロセスに対する要件、及び更なる特定の要件に合うことができ、この目的には、５００μｍ未満、又は特に好ましくは４００μｍ未満の平均粒径が有利である。

温度処理プロセス後に、銅層のミクロ構造がこれら有利な性質を達成するためには、銅層が、少なくとも９９．９５％Ｃｕ、好ましくは少なくとも９９．９９％Ｃｕの比率を有することが更に提案される。

さらに、銅層は、好ましくは、最大で２５ｐｐｍＡｇの比率を有し得る。

更に好ましい実施の形態によると、銅層は、最大で１０ｐｐｍＯ、好ましくは最大で５ｐｐｍＯの比率を有し得る。

銅層において、Ｃｄ、Ｃｅ、Ｇｅ、Ｖ、Ｚｎの元素の各々の比率が、最大で０ｐｐｍ〜１ｐｐｍであり、更に好ましい実施の形態による銅層においては、Ｃｄ、Ｃｅ、Ｇｅ、Ｖ、Ｚｎの元素の合計の比率が、少なくとも０．５ｐｐｍかつ最大で５ｐｐｍであることが更に提案される。

銅層において、Ｂｉ、Ｓｅ、Ｓｎ、Ｔｅの元素の各々の比率が、最大で０ｐｐｍ〜２ｐｐｍであり、更に好ましい実施の形態による銅層においては、Ｂｉ、Ｓｅ、Ｓｎ、Ｔｅの元素の合計の比率が、少なくとも１．０ｐｐｍかつ最大で８ｐｐｍであることが更に提案される。

銅層において、Ａｌ、Ｓｂ、Ｔｉ、Ｚｒの元素の各々の比率が、最大で０ｐｐｍ〜３ｐｐｍであり、更に好ましい実施の形態による銅層においては、Ａｌ、Ｓｂ、Ｔｉ、Ｚｒの元素の合計の比率が、少なくとも１．０ｐｐｍかつ最大で１０ｐｐｍであることが更に提案される。

銅層において、Ａｓ、Ｃｏ、Ｉｎ、Ｍｎ、Ｐｂ、Ｓｉの元素の各々の比率が、最大で０ｐｐｍ〜５ｐｐｍであり、更に好ましい実施の形態による銅層においては、Ａｓ、Ｃｏ、Ｉｎ、Ｍｎ、Ｐｂ、Ｓｉの元素の合計の比率が、少なくとも１．０ｐｐｍかつ最大で２０ｐｐｍであることが更に提案される。

銅層において、Ｂ、Ｂｅ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｐ、Ｓの元素の各々の比率が、最大で０ｐｐｍ〜１０ｐｐｍであり、更に好ましい実施の形態による銅層においては、Ｂ、Ｂｅ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｐ、Ｓの元素の合計の比率が、少なくとも１．０ｐｐｍかつ最大で５０ｐｐｍであることが更に提案される。

銅層において、更なる不純物を含む請求項４〜１６に記載の元素の比率が、好ましくは最大で５０ｐｐｍであることが更に提案される。

以下、本発明を、添付の図面を参照しながら、好ましい実施形態に基づいて説明する。

本発明による２つの銅層を有する銅−セラミック基板を示す図である。

パワーモジュールは、パワーエレクトロニクスの半導体部品であり、半導体スイッチとして使用されている。それらは、ヒートシンクと電気的に絶縁された複数のパワー半導体（チップ）を１つの筐体内に備えている。これらは、一方では、ベースプレートへ向けた熱伝達を確実にし、他方では、電気絶縁も確実にするように、はんだ付け又は接着によって電気絶縁板（例えば、セラミック製）の金属化表面に適用される。金属化層と絶縁板との複合体は、銅−セラミック基板と呼ばれ、いわゆるＤＣＢ技術（直接銅接合技術）を用いて工業的規模で実現されている。

チップ同士は、細いボンディングワイヤで接着することによって接触させる。また、異なる機能を有する更なるモジュール（例えば、センサ、レジスタ）が存在し、集積されてもよい。

ＤＣＢ基板を製造するためには、セラミック担体（例えば、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＡＩＮ、ＺＴＡ、ＡＴＺ）を、ボンディングプロセスにおいて、銅プライを用いてその上面及び下面で互いに接合させる。このプロセスの準備では、銅プライをセラミック担体上に載置する前に、（例えば、化学的又は熱的に）表面酸化させてもよく、続いて、セラミック担体上に載置してもよい。１０６０℃〜１０８５℃の高温プロセスにおいて接合部が形成される。その高温プロセスでは、共晶融液が銅プライの表面上に生じ、この融液により、セラミック担体との接合部が形成される。例えば、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）上に銅（Ｃｕ）がある場合、この接合部は薄いＣｕ−Ａｌスピネル層からなる。

本発明に従って更に発展した、セラミック担体２と、２つの銅層３及び４とを有する銅−セラミック基板１を図１に示す。本発明に従って更に発展した２つの銅層３及び４は、２００μｍ〜５００μｍ、好ましくは３００μｍ〜４００μｍの平均粒径を有するミクロ構造を有する。

銅層３及び４は、例えば、最初に説明したＤＣＢ法によって、銅層３及び４が、各表面端ゾーン５及び６において物質対物質接合によってセラミック担体２に接合するように、セラミック担体２に接合することができる。

ＤＣＢ法の際、銅層３及び４を、事前に酸化させた銅半製品の形態でセラミック担体２上に載置し、次いで、１０６０℃〜１０８５℃のプロセス温度に加熱する。銅層３及び４における酸化Ｃｕ（Cu-oxydul）が溶融し、表面端ゾーンにおいて、セラミック担体２との接合部を形成する。温度及び２つの銅材料の再結晶化の効果の結果、適切な滞留時間及び冷却時間を選択することにより、ミクロ構造を得ることができ、好ましい平均粒径が自動的に得られる。冷却プロセスを含む温度処理の影響は、当業者によく知られているため、当業者であれば、更なる温度処理が必要ではなく、本発明に従ってミクロ構造が形成されるように具体的にパラメータを選択することができる。ボンディングプロセスが、このような設定を許容しない場合、又は、経済的な理由で不利な場合には、温度処理を引き続き行うか、又は事前に行うことによってもミクロ構造を達成することができる。さらに、銅層３及び４は、ボンディング後に、４０〜１００のビッカース硬度を有することが好ましい。

本発明によるミクロ構造を有するか、又は本発明により提案した比率を有する、特に、提案したＯ比率を有する銅層３及び４は、高い導電性を有するＣｕ材料であり、５０ＭＳ／ｍ、好ましくは少なくとも５７ＭＳ／ｍ、特に好ましくは少なくとも５８ＭＳ／ｍの導電率を有する。しかしながら、より低い導電性を有する材料も考えられる。さらに、必要であれば、銅層３及び４を、更なるＣｕ材料又はＣｕ層によって補うこともできるが、ただし、それによって、銅層３及び４の材料性質が更に改良され、本発明によるミクロ構造に悪影響を及ぼさないものとする。

銅層３及び４の銅半製品は、０．１ｍｍ〜１．０ｍｍの厚さを有することができ、セラミック担体２上に大規模に載置して、ＤＣＢ法によってセラミック担体２に接合する。次いで、大面積の銅−セラミック基板１を、より小さいユニットに切断し、更に加工する。

さらに、銅層３及び４は、少なくとも９９．９５％Ｃｕ、好ましくは少なくとも９９．９９％Ｃｕ、最大で２５ｐｐｍＡｇ、最大で１０ｐｐｍ、又は好ましくは最大で５ｐｐｍＯを有することができる。

また、銅層３及び４において、Ｃｄ、Ｃｅ、Ｇｅ、Ｖ、Ｚｎの元素の各々の比率を、最大で０ｐｐｍ〜１ｐｐｍ、及び／又は、Ｂｉ、Ｓｅ、Ｓｎ、Ｔｅの元素の各々の比率を、最大で０ｐｐｍ〜２ｐｐｍ、及び／又は、Ａｌ、Ｓｂ、Ｔｉ、Ｚｒの元素の各々の比率を、最大で０ｐｐｍ〜３ｐｐｍ、及び／又は、Ａｓ、Ｃｏ、Ｉｎ、Ｍｎ、Ｐｂ、Ｓｉの元素の各々の比率を、最大で０ｐｐｍ〜５ｐｐｍ、及び／又は、Ｂ、Ｂｅ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｐ、Ｓの元素の各々の比率を、最大で０ｐｐｍ〜１０ｐｐｍとすることができる。列挙した追加元素は、鋳造の直前の溶融プロセスの際にドープによって意図的にミクロ構造中に導入することができるか、又は、半銅製品の製造の際には既に銅層３及び４に存在していてもよい。いずれの場合も、追加の不純物を含むこれらの元素の比率は、好ましくは最大で５０ｐｐｍとするべきである。

さらに、更に好ましい実施形態による銅層において、Ｃｄ、Ｃｅ、Ｇｅ、Ｖ、Ｚｎの元素の比率は、少なくとも０．５ｐｐｍかつ最大で５ｐｐｍであり、Ｂｉ、Ｓｅ、Ｓｎ、Ｔｅの元素の比率は、少なくとも１．０ｐｐｍかつ最大で８ｐｐｍであり、Ａｌ、Ｓｂ、Ｔｉ、Ｚｒの元素の比率は、少なくとも１．０ｐｐｍかつ最大で１０ｐｐｍであり、Ａｓ、Ｃｏ、Ｉｎ、Ｍｎ、Ｐｂ、Ｓｉの元素の比率は、少なくとも１．０ｐｐｍかつ最大で２０ｐｐｍであり、Ｂ、Ｂｅ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｐ、Ｓの元素の合計の比率は、少なくとも１．０ｐｐｍかつ最大で５０ｐｐｍである。

上述の元素の量的な比率は、本発明に従って提案されたミクロ構造の平均粒径を達成するために必要である。ミクロ構造の形成は、特に、元素によってミクロ構造の粒子が微細化されること、及びボンディングプロセス中にミクロ構造において二次再結晶化が低減することによって達成される。例えば、元素Ａｓは、再結晶化温度を変化、特に、上昇させることができるため、平均粒径が大きくなって提案した範囲外になる程には、ミクロ構造がボンディングプロセス中に変化しなくなる。さらに、元素Ｚｒは、外部シード（external seed）の役割を果たすため、温度に曝された場合に、平均粒径を維持しながらミクロ構造を保つために使用することができる。

Claims

セラミック担体（２）と、
前記セラミック担体（２）の表面に接合された少なくとも１つの銅層（３、４）であって、導体構造を形成するため、及び／又は、ボンディングワイヤを固定するための自由表面を有する、少なくとも１つの銅層と、を備える銅−セラミック基板（１）であって、
前記銅層（３、４）が、２００μｍ〜５００μｍ、好ましくは３００μｍ〜４００μｍの平均粒径を有するミクロ構造を有することを特徴とする、銅−セラミック基板。
請求項１に記載の銅−セラミック基板（１）であって、
前記銅層（３、４）が、少なくとも５０ＭＳ／ｍ、好ましくは少なくとも５７ＭＳ／ｍ、特に好ましくは少なくとも５８ＭＳ／ｍの導電率を有することを特徴とする、銅−セラミック基板。
請求項１又は２に記載の銅−セラミック基板（１）であって、
前記銅層（３、４）が、４０〜１００のビッカース硬度を有することを特徴とする、銅−セラミック基板。
請求項１〜３のいずれか一項に記載の銅−セラミック基板（１）であって、
前記銅層（３、４）が、少なくとも９９．９５％Ｃｕ、好ましくは少なくとも９９．９９％Ｃｕの比率を有することを特徴とする、銅−セラミック基板。
請求項４に記載の銅−セラミック基板（１）であって、
前記銅層（３、４）が、最大で２５ｐｐｍＡｇの比率を有することを特徴とする、銅−セラミック基板。
請求項４又は５に記載の銅−セラミック基板（１）であって、
前記銅層（３、４）が、最大で１０ｐｐｍＯ、好ましくは最大で５ｐｐｍＯの比率を有することを特徴とする、銅−セラミック基板。
請求項４〜６のいずれか一項に記載の銅−セラミック基板（１）であって、
前記銅層（３、４）において、Ｃｄ、Ｃｅ、Ｇｅ、Ｖ、Ｚｎの元素の各々の比率が、最大で０ｐｐｍ〜１ｐｐｍであることを特徴とする、銅−セラミック基板。
請求項７に記載の銅−セラミック基板（１）であって、
前記銅層（３、４）において、Ｃｄ、Ｃｅ、Ｇｅ、Ｖ、Ｚｎの元素の合計の比率が、少なくとも０．５ｐｐｍかつ最大で５ｐｐｍであることを特徴とする、銅−セラミック基板。
請求項４〜８のいずれか一項に記載の銅−セラミック基板（１）であって、
前記銅層（３、４）において、Ｂｉ、Ｓｅ、Ｓｎ、Ｔｅの元素の各々の比率が、最大で０ｐｐｍ〜２ｐｐｍであることを特徴とする、銅−セラミック基板。
請求項９に記載の銅−セラミック基板（１）であって、
前記銅層（３、４）において、Ｂｉ、Ｓｅ、Ｓｎ、Ｔｅの元素の合計の比率が、少なくとも１．０ｐｐｍかつ最大で８ｐｐｍであることを特徴とする、銅−セラミック基板。
請求項４〜１０のいずれか一項に記載の銅−セラミック基板（１）であって、
前記銅層（３、４）において、Ａｌ、Ｓｂ、Ｔｉ、Ｚｒの元素の各々の比率が、最大で０ｐｐｍ〜３ｐｐｍであることを特徴とする、銅−セラミック基板。
請求項１１に記載の銅−セラミック基板（１）であって、
前記銅層（３、４）において、Ａｌ、Ｓｂ、Ｔｉ、Ｚｒの元素の合計の比率が、少なくとも１．０ｐｐｍかつ最大で１０ｐｐｍであることを特徴とする、銅−セラミック基板。
請求項４〜１２のいずれか一項に記載の銅−セラミック基板（１）であって、
前記銅層（３、４）において、Ａｓ、Ｃｏ、Ｉｎ、Ｍｎ、Ｐｂ、Ｓｉの元素の各々の比率が、最大で０ｐｐｍ〜５ｐｐｍであることを特徴とする、銅−セラミック基板。
請求項１３に記載の銅−セラミック基板（１）であって、
前記銅層（３、４）において、Ａｓ、Ｃｏ、Ｉｎ、Ｍｎ、Ｐｂ、Ｓｉの元素の合計の比率が、少なくとも１．０ｐｐｍかつ最大で２０ｐｐｍであることを特徴とする、銅−セラミック基板。
請求項４〜１４のいずれか一項に記載の銅−セラミック基板（１）であって、
前記銅層（３、４）において、Ｂ、Ｂｅ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｐ、Ｓの元素の各々の比率が、最大で０ｐｐｍ〜１０ｐｐｍであることを特徴とする、銅−セラミック基板。
請求項１５に記載の銅−セラミック基板（１）であって、
前記銅層（３、４）において、Ｂ、Ｂｅ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｐ、Ｓの元素の合計の比率が、少なくとも１．０ｐｐｍかつ最大で５０ｐｐｍであることを特徴とする、銅−セラミック基板。
請求項４〜１６のいずれか一項に記載の銅−セラミック基板（１）であって、
前記銅層（３、４）において、更なる不純物を含む請求項７〜１６に記載の元素の比率が、最大で５０ｐｐｍであることを特徴とする、銅−セラミック基板。