JP2023551759A - 銅セラミック基板 - Google Patents

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Abstract

本発明は、セラミックキャリア(2)と、セラミックキャリア(2)の表面に接合された少なくとも1つの銅層(3、4)とを備え、銅層(3、4)は少なくとも99.5%のCu含有量を有し、銅層(3、4)は少なくとも50ppmのAg含有量、および銅層(3、4)は3000ppmを超えないAg含有量を有する銅-セラミックス基板(1)に関する。【選択図】図1

Description

本発明は、請求項1のプリアンブルの特徴を有する銅-セラミック基板に関するものである。
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の製造に用いられ、片面または両面に銅層を有するセラミックキャリア(支持体)の複合体である。銅層は通常、厚さ0.1~1.0mmの銅箔の形で半銅製品としてプリファブリックされ、所定の接合方法を用いてセラミックキャリアに接合される。このような接続方法は、DCB(ダイレクトカッパーボンディング)またはAMB(アクティブメタルブレージング)としても知られている。しかし、セラミックキャリアの強度が高い場合には、さらに厚みのある銅プライまたは銅レイヤードを適用することもでき、これは電気的および熱的特性に関して基本的に有利である。
セラミックキャリアとしては、例えばムライト、Al2O3、Si3N4、AlN、ZTA、ATZ、TiO2、ZrO2、MgO、CaO、CaCO3、またはこれらの少なくとも2つのマテリアルの混合物からなるセラミックプレートが使用される。
微細構造、例えば平均粒径が100μm以下の銅層を有する銅-セラミック基板は、少なくともセラミック担体から離れる方向に面した開放面において、目視検査への適合性、50μm未満のワイヤ径に対する細線ワイヤボンディングによる接合能力、非常に微細な構造に対するエッチング挙動、粒界構成、亜鉛めっき性及びさらなる処理一般に関して基礎的優位性を有することが知られている。従って、銅層では、主に開放面において、微細で均質な構造が有利である。さらに、微細な、したがって硬い構造は、機械的損傷(例えば、傷)に対する高い機械的耐性を提供する。
DCB法中のプロセス制御は、1050℃を超える温度ではなく、銅の融点より低い温度で行われる。AMB法中のはんだ付け工程は、温度≧800℃で行われる。AMBとDCBの製造工程における熱処理効果により、銅片は粗くなり、この傾向は純度が高くなるにつれて強くなる。従って、銅または銅合金の粗大粒形成に対する高い耐性が要求される。
銅中の合金元素の濃度が高い、すなわち純度が低下した銅は銅-セラミック基板の最終用途における要件に対応する銅層の導電率の要件とは正反対であり、少なくとも55MS/mの範囲である。さらに、銅-セラミック基板は、製造が経済的であることが前提である。
このような背景から、本発明の目的は、微細かつ均質な微細構造及び高い導電性を有し、製造が安価な銅セラミック基板を提供することである。
本発明によれば、請求項1の特徴を有する銅-セラミック基板が、その目的を達成するために提案される。さらなる好ましい発展形態は、従属請求項に見出すことができる。
従って、セラミックキャリアと、セラミックキャリアの表面に結合された少なくとも1つの銅層とを含む銅-セラミック基板が提案される。銅層は、少なくとも99.5%のCu(銅)含有量を有する。銅層は、さらに、少なくとも50ppmのAg(銀)含有量と、3000ppm以下のAg含有量とを有している。銅層は、他の元素の更なる割合を含むことができる。
有利な実施形態では、銅-セラミック基板は、各々がセラミックキャリアの表面に結合された2つの銅層からなる。
さらに、有利な実施形態が提案され、銅層は、少なくとも99.7%、例えば99.8%のCu(銅)含有量を有するものである。
銅層または銅-セラミック基板の銅層において、提案された部分によって、微細な粒の形成が達成され得る。銅層では、微細で均質な構造が形成される。100μm以下の平均粒径が達成され得、また、高い要求プロセス温度で維持することができる。
1つの有利な実施形態によれば、銅層が、40μmと100μmの間、より好ましくは40μmと80μmの間の平均粒径を有することが提案される。平均粒径は、さらに好ましくは40μmと60μmの間、さらに例えば50μmとすることができる。平均粒径の標準偏差は、例えば、30μm未満とすることができる。したがって、銅層、特に銅基板または銅層の開放表面積は、様々な用途のための微細かつ均質な微細構造という高い要求を満たす。従って、銅層は、目視検査及びファインワイヤボンディング中のボンディング能力に特によく適合している。さらに、微細で均質な微細構造のため、銅層は非常に微細な構造に対して特に優れたエッチング挙動を示し、特に平坦な粒界トレンチと関連する低い粗さのため、ガルバニックコーティング法に特に適していることがわかる。表面と構造の均質で一定の機械的特性は、さらなる加工作業で均一な特性を達成するのに役立つ。例えば、超音波を用いたワイヤボンディングでは、直径が10~100μmのボンディングワイヤをピンポイントで接合する必要がある。この場合、ボンディングワイヤの接触点における構造的な均質性が非常に重要である。微細な結晶粒の形成の結果、ホール・ペッチの関係式により、銅層の強度の向上も達成することができる。
銅層の表面は、チップのはんだ付けに特に適しており、特にチップの小型化が進行している場合には、均質で微細な構造により、はんだ付けされたチップの領域における応力勾配を低減することができ、粗く不均一な構造と比較して、はんだ付けの品質とはんだ接合部の寿命を向上させる。
本発明により提案された銅セラミック基板は、同時に、高い銅含有量により、銅層/層において55MS/mを超える高い導電性を提供する。
銅-セラミック基板は、活性金属ろう付け(AMB)および直接銅接合(DCB)の両方で製造できるという事実から、特にコスト上の利点が得られる。
特に、銅-セラミック基板は、より高いはんだ温度(1000℃以上)を必要とする銀を含まないはんだを用いたAMBによって製造することも可能である。銅-セラミック基板は、さらなる熱接合法、例えば、熱拡散接合によっても製造することができる。提案された銅-セラミック基板は、それに応じて、粗い粒の形成に対する高い耐性を有する。
銅層は、0.4μmから0.6μmの間の貫入深さ(penetration
depth)に対して少なくとも0.7GPaの貫入硬度(penetration
hardness)を有することが提案される。
さらに、銅層は、0.1μmと0.25μmの間の貫入深さに対して少なくとも0.8GPaの貫入硬度を有することが提案される。
銅層の高い表面硬度は、主に深さ分解QCSM法によって決定される1μm未満の浅い貫入深さについて、さらなる加工中またはこれらの加工への輸送中にも機械的影響に対する高い耐性(例えば、傷に対する高い耐性)をもたらすことになる。したがって、より高い表面品質を確保することができる。同様に、示された領域における対応する高い表面硬度は、複数のさらなる処理方法にとって有利である。
さらなる展開によれば、銅層が800ppm以下のAg含有量を有することが提案される。これは、特にコスト低減につながる。
さらに、銅層が含有量30ppm以下のP(リン)を含むことが提案される。リンの存在は、提案された合金の積極的な、結晶粒を微細化する挙動を抑制することができると認識されている。これは、特に、通常リンを多く含むことができる商業的に取引される銅に適用される。この負の影響は、提案されたP含有量の制限によって効果的に低減され得ることが見出されている。
さらに、銅層が少なくとも0.1ppmのP含有量を有することが提案される。リン含有量のさらなる低減は、銅層の特性のさらなる改善を達成しない。
さらに好ましい実施形態によれば、銅層は、10ppm以下、より好ましくは5ppm以下のO(酸素)含有量を有する。対応する低い酸素含有量は、十分な水素耐性を達成するので、様々な方法ステップが水素雰囲気圏で行われることができる。同時に、低い酸素含有量、特に最大5ppmの酸素が、銅層の導電性に好影響を与える。
銅層が少なくとも0.1ppmの酸素含量を有することがさらに提案される。酸素含有量のさらなる低減は、銅層の特性におけるさらなる改善を達成しない。
さらに、以下のことが提案される。
- 銅層は、各場合において、最小0.01ppmから最大1ppmまでのCd、Ce、Ge、V、Znの元素の含有量を有する。
- さらに好ましい実施形態による銅層は、Cd、Ce、Ge、V、Znの元素の含有量が、合計で、少なくとも0.1ppm、5ppm以下であることを特徴とする。その結果、高い導電率およびそれに対応する微細構造の達成を簡略化することができる。
さらに、以下のことが提案される。
- 銅層は、各場合において、最小0.01から最大2ppmの元素Bi、Se、Sn、Teの含有量を有する。
- さらなる好ましい実施形態による銅層は、少なくとも0.1ppm、8ppm以下のBi、Se、Sn、Teの元素の含有量を有する。その結果、高い導電率およびそれに対応する微細構造の達成を簡略化することができる。
さらに、以下のことが提案される。
- 銅層は、各場合において、最小0.01ppmから最大3ppmまでの元素Al、Sb、Ti、Zrの含有量を有する。
- さらなる好ましい実施形態による銅層は、Al、Sb、Ti、Zrの元素の含有量が、合計で、少なくとも0.1ppm、10ppm以下であることを特徴とする。その結果、高い導電率およびそれに対応する微細構造の達成を簡略化することができる。
さらに、以下のことが提案される。
- 銅層は、各場合において、最小0.01から最大5ppmの元素As、Co、In、Mn、Pb、Siの含有量を有することを特徴とする。
- さらなる好ましい実施形態による銅層は、As、Co、In、Mn、Pb、Siの元素の含有量が、合計で、少なくとも0.1ppm以上、20ppm以下である。その結果、高い導電率および対応する微細構造の達成を簡略化することができる。
さらに、以下のことが提案される。
- 銅層は、各場合において、最小0.01から最大10ppmの元素B、Be、Cr、Fe、Mn、Ni、Sの含有量を有する。
- さらなる好ましい実施形態による銅層は、B、Be、Cr、Fe、Mn、Ni、Sの元素の含有量が、合計で、少なくとも0.1ppm以上、50ppm以下であることを特徴とする。その結果、高い導電率および対応する微細構造の達成を簡略化することができる。
さらに、銅層が、50ppm以下のさらなる不純物を含むCd、Ce、Ge、V、Zn、Bi、Se、Sn、Te、Al、Sb、Ti、Zr、As、Co、In、Mn、Pb、Si、B、Be、Cr、Fe、Mn、Ni、Sという元素を含有することが提案された。その結果、高い導電率および対応する微細構造の達成を簡略化することができる。
前述の内容は、各場合において重量分率を指す。
以下、添付の図を参照しつつ、好ましい実施形態を用いて本発明を説明する。
図1は、1つの銅層を有する銅-セラミック基板である。 図2は、2つの銅層を有する銅-セラミック基板である。 図3は、DCBプロセスによるコパーセラミック基板の本発明による微細な銅層の顕微鏡写真である。 図4は、AMBプロセスによる本発明による銅-セラミック基板の微細な銅層の顕微鏡写真である。 図5は、DCBプロセスおよびAMBプロセスによる銅セラミック基板の本発明による銅層の粒度分布を示す図である。 図6は、基準銅と比較した、DCBプロセスおよびAMBプロセスによる銅セラミック基板の本発明による銅層のナノ硬度である。 図7は、DCBプロセスおよびAMBプロセスによる銅セラミックサブストレートの本発明による銅層の結晶双晶の領域部分の識別を比較で示した顕微鏡写真である。
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る。これらは、1つの筐体にヒートシンクから電気的に絶縁された複数のパワー半導体(チップ)を含む。これらは、電気絶縁板(例えばセラミック材料製)のメタライズ面に、はんだ付けや接着などの手段で貼り付けられ、一方ではベースプレートへの放熱が確保され、他方では電気絶縁が確保される。メタライズ層と絶縁板の複合体は銅セラミック基板1と呼ばれ、いわゆるDCB技術(ダイレクトカッパーボンディング)またはいわゆるAMB技術(アクティブメタルブレージング)を使用して工業規模で製造される。
チップは、細いボンディングワイヤでボンディングすることによって接触される。また、異なる機能を有するモジュール(例えば、センサー、抵抗器)を集積することができる。
DCB基板を製造するために、セラミックキャリア2(例えば、Al2O3、Si3N4、AIN、ZTA、ATZ)は、接合プロセスで銅層3,4を用いて上部および下部に各々接合される。このプロセスの準備として、銅層3,4は、セラミックキャリア2上に配置される前に、(例えば、化学的または熱的に)表面酸化され、その後、セラミックキャリア2上に配置され得る。接合(ボンディング)は、高温プロセス≧1050℃で製造され、銅レイヤー3,4の表面に共晶溶融物が生成され、前記共晶溶融物はセラミックキャリア2との接合を形成する。例えば酸化アルミニウム(Al2O3)上の銅(Cu)の場合、この結合は薄いCu-Alスピネル層からなる。
AMB基板を製造するために、銅層3,4は、適切なろう付けはんだによってセラミックキャリア2上にはんだ付けされる。はんだ付け工程は、真空中または適切な保護雰囲気(例えば水素)中で、800℃を超える温度で行われる。バッチ処理でも連続処理でもよい。銀を含まないはんだ(例えば、CuAlTiSiはんだ)を使用すると、必要なプロセス温度が上昇するため、これらのはんだ付けプロセスは1050℃までの温度で行われることがある。
さらに、銅とセラミックとの間の結合が拡散ベースの接合プロセス(例えば、熱拡散接合)を介して製造される銅-セラミック基板1の製造にも方法を使用することができる。)
ここでのプロセス温度は、同様に、≧1000℃(1000℃以上)である。
図1は、セラミックキャリア2と、提案された銅層3とを有する銅-セラミック基板1の例示的な実施形態を示す概略図である。銅層3は、少なくとも99.5%の高い銅含有量Cu、少なくとも50ppmであり、3000ppmを超えないAg銀含有量を有する。
銅層3は、例えば、冒頭で説明したDCB法またはAMB法で、セラミックキャリア2に接合することができ、その結果、銅層が表面エッジゾーン5で一体接合によってセラミックキャリア2に接合される。
図2は、図1の例示的な実施形態に類似するセラミックキャリア2を有する銅-セラミック基板1の例示的な実施形態の概略図を示し、対照的に、2つの提案された銅層3および4が設けられる。銅層3および4は、少なくとも99.5%のCuの高い銅含有量を有し、少なくとも50ppmのAgおよび3000ppmを超えないAgの含有量の銀が含まれる。
銅層3および4は、例えば、冒頭に述べたDCB法に従って、またはAMB法を用いて、それぞれの表面エッジゾーン5および6において一体接合によってセラミックキャリア2に接合することができる。
提案されたCuおよびAg含有量銅層3及び4、特に提案された10ppm以下、より好ましくは5ppm以下のO含有量、の銅層3および4は、高導電性のCu材料であり、55MS/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の導電性を有する。
Agの添加、リン含有量の最大30ppmへの制限、および銅層3,4におけるさらなる元素の存在により、比較的小さなAg含有量が、AMB法またはDCB法における熱効果による銅層3,4の構造の粗大化を相殺するのに十分であり、その結果、銅-セラミック基板1の銅層3,4が微細で均質な構造を有する。これは、例えば、非常に微細な構造のエッチングに特に適している。さらに、微細な構造は、銅層3,4の強度を増加させ、したがって、ホール-ペッチ関係に合致して機械的損傷に対する耐性を増加させることになる。
銅層3,4の半製品は、0.1~1.0mmの厚さを有することができ、セラミックキャリア2上に大きな寸法で配置され、DCB法によってセラミックキャリア2に接着される。その後、大面積の銅-セラミック基板1を小さな単位に切断し、さらに加工する。あるいは、AMB法により接合を行うこともできる。
このような銅層3,4用の半製品は、例えば、酸素を除いた製造方法で製造することができる。
さらに、銅層3,4は、それぞれの場合において、最小0.01から最大1ppmまでの元素Cd、Ce、Ge、V、Zn、および/または、最小0.01から最大2ppmまでの元素Bi、Se、Sn、Te、および/または、最小0.01から最大3ppmまでの元素Al、Sb、Ti、Zr、および/または、最少0.01から最大5ppmまでの元素As、Co、In、Mn、Pb、Si、および/または、最小0.01から最大10ppmまでの元素B、Be、Cr、Fe、Mn、Ni、S、を含有することができる。列挙した追加元素は、鋳造直前の溶融プロセス中にドーピングによって意図的に微細構造体に導入することができ、または半製品銅製品の製造中に銅層3,4中に既に存在することもできる。いずれにしても、これらの元素の含有量は、追加の不純物を含めて、好ましくは50ppm以下であるべきである。
さらに、他の好ましい実施形態による銅層3,4は、Cd、Ce、Ge、V、Znの元素の含有量が、全体で少なくとも0.05ppm、5ppm以下、Bi、Se、Sn、Teの元素の含有量が、全体で少なくとも0. 1ppm以上8ppm以下、Al、Sb、Ti、Zrの元素の含有量は、全体で少なくとも0.1ppm以上10ppm以下、As、Co、In、Mn、Pb、Siの元素の含有量は、全体で少なくとも0.1ppm以上20ppm以下、B、Be、Cr、Fe、Mn、Ni、S元素の含有量は、全体で少なくとも0.1ppm以上50ppm以下である。
元素の記載された定量的な含有量は、微細構造の提案された平均粒径を生成するのに役立ち得る。微細構造形成は、特に、元素によって引き起こされる微細構造の粒子微細化、および接合プロセス中の微細構造における二次再結晶化の減少に起因する。
図3は、DCB法で製造された銅-セラミック基板1の銅層3,4の一方の顕微鏡写真である。この例示的な実施形態では、銅層3,4の構造は、56.5μmの平均粒径と28.5μmの標準偏差とによって特徴付けられ、したがって、100μmの平均粒径の要件を下回っている。粒径は、線形切片法(DIN EN ISO 2624)に従って測定した。
図4は、AMB法で製造された銅-セラミック基板1の銅層3,4のうちの1つの顕微鏡写真を示す。銅層3,4の構造は、この例示的な実施形態では、34.6μmの標準偏差を有する78μmの平均粒径によって特徴付けられ、したがって、100μmの平均粒径の要件を下回っている。粒径は、線形切片法(DIN EN ISO 2624)に従って測定した。
図3及び図4に従った2つの例示的な実施形態の粒度分布が、図5に示されている。DCB法に従って製造した場合とAMB法に従って製造した場合の両方で、単峰性の粒度分布が銅層(複数可)3,4において示されている。
図6では、DCB法(黒丸)、AMB法(白丸)及び基準銅層(黒四角)の銅層3,4について、深さ分解QCSM法によるナノ硬さ測定のμm単位の法線方向変位に対して、GPa単位の貫入硬度をプロットしている。) ナノ硬度測定は、複数の応力レベルを用いて行い、最大試験力は100mNであった。圧子にはベルコビッチ圧子を使用した。それに応じて、貫入硬度は、貫入深さの関数としてプロットされる。本発明による銅-セラミック基板1の銅層3,4の表面は、基準銅よりも、両方の製造経路にわたって3.5μmまでのすべての貫入深さにわたって高い貫入硬度を示す。提案された合金を用いると、低い貫入深さまたは銅層3,4の表面近傍領域に対する著しく改善された貫入硬度が達成され得ることが示されている。特に、これは傷に対する抵抗(耐性)を増加させ、さらなる加工作業における機械的影響に対する耐性において有利である。また、例えば、2μm未満、さらに例えば1μm未満、あるいは0.5μm未満の表面近傍領域に対する高い貫入硬度のこれらの特性は、超音波溶接法における非常に細いボンディングワイヤの適用に有利である。
さらに、AMB法に従ってだけでなくDCB法に従って製造された本発明による銅-セラミック基板1の銅層3,4の構造は、双晶の形成が増加することによって特徴付けられる。双晶は、顕微鏡写真において、双晶の位置に折り込まれた結晶粒の中央領域に対応するストリップとして検出することができる。微細構造は銅-セラミック基板1の選択された製造経路、例えばDCB(図7a)またはAMB(図7b)に応じて、わずかに異なることがある。
双晶の形成は、銅材料において実際に知られている現象である。銅-セラミック基板1の場合、熱的に活性化された接合プロセスにおいて、強化された双晶形成が観察される。このように、熱による双晶形成は再結晶の過程で起こる。これが熱誘起双晶(アニーリング双晶)である。この双晶形成は、特に微細構造の場合、材料の硬度に好影響を与える。
図7では、双晶を濃く着色している。図7aによれば、DCB法による銅層3,4の構造の場合、19.4%の双晶の面積割合が得られている。図7bの例示的な実施形態に対応するAMB法による銅層3,4については、21.6%の双晶表面部が得られる。このような面積部分は、基準銅とわずかに異なるだけであるが、より小さな双晶が多く、これは、より少ない数の大きな双晶よりも硬度の増加に大きな影響を与えるものである。

Claims (10)

  1. セラミックキャリア(2)と、セラミックキャリア(2)の表面に接合された少なくとも1つの銅層(3、4)とを有する銅-セラミック基板(1)であって、
    - 前記銅層(3、4)は、少なくとも99.5%のCu含有量を有し、
    - 前記銅層(3、4)は、少なくとも50ppmのAg含有量を有し、
    - 前記銅層(3、4)は、含有量が3000ppm以下のAgを含有することを特徴とする銅-セラミック基板(1)。
  2. 前記銅層(3、4)は、40μm以上100μm以下の平均粒径を有することを特徴とする請求項1に記載の銅-セラミック基板(1)。
  3. 銅層(3、4)の平均粒径が、40μm~80μmであることを特徴とする請求項2に記載の銅-セラミック基板(1)。
  4. 前記銅層(3、4)は、0.4μmから0.6μmの間の貫入深さに対して少なくとも0.7GPaの貫入硬度を有することを特徴とする、請求項1乃至3の何れか1項に記載の銅-セラミック基板(1)。
  5. 前記銅層(3、4)は、0.1μmと0.25μmの間の貫入深さに対して少なくとも0.8GPaの貫入硬度を有することを特徴とする、請求項1乃至4の何れか1項に記載の銅-セラミック基板(1)。
  6. - 前記銅層(3,4)のP含有量が、30ppm以下であることを特徴とする請求項1乃至5の何れか1項に記載の銅-セラミック基板(1)。
  7. - 前記銅層(3、4)は、少なくとも0.1ppmのP含有量を有することを特徴とする、請求項1乃至6の何れか1項に記載の銅-セラミック基板(1)。
  8. - 前記銅層(3,4)のO含有量が、10ppm以下であることを特徴とする、請求項1乃至7の何れか1項に記載の銅-セラミック基板(1)。
  9. - 前記銅層(3、4)は、O(酸素)の含有量が少なくとも0.1ppmであることを特徴とする、請求項1乃至8の何れか1項に記載の銅-セラミック基板(1)。
  10. 前記銅層(3、4)が、さらなる不純物を含む、50ppm以下のCd、Ce、Ge、V、Zn、Bi、Se、Sn、Te、Al、Sb、Ti、Zr、As、Co、In、Mn、Pb、Si、B、Be、Cr、Fe、Mn、NiおよびSという元素を含量することを特徴とする請求項1乃至9の何れか1項に記載の銅-セラミック基板(1)。
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