WO2003097557A1 - Method for producing a ceramic-copper composite substrate - Google Patents

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WO2003097557A1
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Jürgen SCHULZ-HARDER
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Definitions

  • the invention relates to the production of a ceramic-copper composite substrate which can be used, for example, as a printed circuit board for electrical circuits, in particular for electrical power circuits.
  • a plate-shaped ceramic material (ceramic layer or ceramic substrate) as well as from e.g. rolled copper foil used by cutting or punching, which are then connected to the ceramic layer using DCB technology.
  • the film blanks are each provided with a layer of copper oxide on their surface sides. This layer forms a eutectic with a melting temperature below the melting temperature of the copper, so that by placing the foil on the ceramic and by heating all the layers, these can be connected to one another, specifically by melting the copper only in the area of the oxide layer.
  • This DCB method then has e.g. the following procedural steps:
  • a method for producing a ceramic-copper composite substrate (EP 0 335 679 B1) is known in particular, in which, as the starting material for the DCB process, foil blanks made of copper with the greatest possible hardness, namely with a Vickers hardness in the range from 100 to 150 kg / mm can be used. This is to ensure that the hardness of the copper metallizations produced is still sufficiently high even after the DCB process.
  • the object of the invention is to demonstrate a method which ensures an improved quality of the DCB connection between the copper and the ceramic, in particular also without defects in the flat connection between these materials and with a sufficiently high tear-off strength between the copper and the ceramic , A method according to claim 1 is designed to achieve this object.
  • the invention is based on the finding that a quality of the DCB connection which is significantly improved over the known methods can be achieved in that, in contrast to known methods, the hardness of the material of the film blanks at the beginning of the actual DCB process is less than 70 kg / mm 2 is set and this can be reliably achieved by a tempering step preceding the DCB process.
  • Figure 1 in a simplified representation and in section a copper-ceramic composite substrate, produced by the method according to the invention. 2 to 5 the process steps in different processes according to the
  • FIG. 6 shows the process steps for only one-sided oxidation of the film blanks.
  • 1 generally designates a copper-ceramic composite substrate which was produced using the DCB process and has a ceramic layer 2 (for example made of aluminum nitride ceramic), each of which has a metallization formed by a copper foil on its two surface sides 3 or 4 is provided.
  • a ceramic layer 2 for example made of aluminum nitride ceramic
  • the ceramic layer 2 and foil cuts 3 'and 4' made from a copper foil 5 are used to produce the substrate 1.
  • the latter is produced by rolling and therefore has a Vickers hardness greater than 70 kg / mm.
  • the blanks 3 'and 4' are obtained, for example, from the copper foil 5 by punching.
  • the film blanks 3 'and 4' are oxidized, in particular also on their surface sides, for example using a suitable chemical oxidation process, so that as a result of this process step the film blanks 3 'and 4' on their surface sides in each case are provided with a copper oxide layer 6, which forms the eutectic melting layer in the later DCB process.
  • the film blanks provided with the oxide layer 6 are then tempered, specifically in a protective gas atmosphere and at a temperature in the range between 200 and 400 ° C., specifically over a period of 2 to 20 minutes so that the Vickers hardness of the film blanks 3 'and 4' as a result of the tempering then is well below 70 kg / mm.
  • protective gas atmosphere is to be understood as an atmosphere which contains no oxygen or in which the oxygen content is negligible.
  • Method step B1 Tensions which arise, for example, from the rolling of the copper foil 5 and / or from the punching of the foil blanks 3 'and 4' removed from the copper material. Furthermore, it has been shown that the greatly reduced hardness of the film blanks 3 'and 4' achieved with process step B enables a DCB connection with significantly improved quality to be achieved in the subsequent DCB process.
  • a subsequent process step C1 the oxidized and tempered film blank 3 'and the ceramic layer 2 (ceramic substrate) are brought together, so that in a further process step D1 to form the metallization 3, the film blank 3' using the DCB process with the ceramic substrate 2 is flat can be connected (first DCB step).
  • the ceramic substrate 3 which had hitherto been provided with the metallization 3 only on one side, is brought together with the oxidized and tempered film blank 4 ', so that in a further process step F1 for forming the metallization 4, the film blank 4' is also used using the DCB -Process (second DCB step) can be connected to the ceramic layer 2 and so the desired copper-ceramic composite substrate 1 is obtained.
  • FIG. 3 shows the individual method steps in a further possible embodiment of the method according to the invention for producing the copper-ceramic composite substrate 1.
  • the following method steps are used in this method: A2 oxidizing B2 tempering
  • the method shown in FIG. 3 differs from the method in FIG. 2 essentially in that the foil blanks 3 'and 4' obtained from the copper foil 5 are first annealed in method step B2, again in a protective gas atmosphere at a temperature in the range between 200 and 400 ° C over a period of two to twenty minutes, so that the Vickers hardness of the film blanks 3 'and 4' as a result of this tempering is clearly below 70 kg / mm 2 (process step B2). It is only in the next process step A2 that the tempered film blanks 3 'and 4' are oxidized, ie the sequence of process steps A2 and B2 in the process shown in FIG. 3 is interchanged with the process in FIG. By the annealing preceding the oxidation, the oxidation or the formation of the Oxide layers 6 significantly simplified.
  • the further method steps in the method in FIG. 3 correspond to the method steps in FIG. 2.
  • FIG. 4 shows a further embodiment of the method according to the invention. The following process steps are used in this process:
  • the foil blanks 3 'and 4' are oxidized to form the oxide layers 6, for example by punching them out of the copper foil 5 in method step A3.
  • process step A3 the invention takes place in a process step C3, the merging of the oxidized film cut 3 'with the ceramic layer 2.
  • the process step B3 is used for the annealing of the oxidized film cut 3', the tempering of the Ceramic layer 2 serves as a support for the oxidized film blank 3 '.
  • the tempering is again carried out at a temperature between 200 to 400 ° C in a protective gas atmosphere and with a duration between 2 and 20 minutes so that the film blank 3 'has a Vickers hardness significantly less than 70 kg / mm 2 as a result of process step B3 has, with which, among other things, all tensions are removed from the material of the film blank 3 '.
  • the pre-oxidized and tempered film blank 3 ' is then connected to the ceramic layer 2 by means of the DCB process to form the metallization 3.
  • the pre-oxidized film blank 4' is applied to the surface side of the metal coating 3 facing away Ceramic layer 2 placed.
  • the oxidized film blank 4' is then again tempered at a temperature of 200 to 400 ° C and in a protective gas atmosphere for a period of 2 to 20 minutes, so that the Vickers hardness of the film blank 4 'after completion this process step is definitely well below 70 kg / mm 2 .
  • step F3 the oxidized and tempered film blank 4 'is connected to the ceramic layer 2 using the DCB process in order to produce the metallization 4, so that the desired ceramic-copper composite substrate 1 is finally obtained.
  • FIG. 5 shows, in a representation similar to FIG. 4, the individual method steps in a modified embodiment of the method according to the invention
  • the film blanks 3 'and 4' obtained from the copper foil 5 are first annealed in a process step B4, again in a protective gas atmosphere at a temperature in the range between 200 and 400 ° C and over a period of two to twenty minutes, so that as a result of this treatment, the film cuts 3 'and 4' have a Vickers hardness of less than 70 kg / mm 2 .
  • a subsequent method step C4 the ceramic layer 2 and the tempered film blank 3 'are brought together.
  • a method step A4 the film blank 3 'resting on the ceramic layer 2 is oxidized, ie the copper oxide layer 6 is formed at least on the surface side of the film blank 3' facing away from the ceramic layer 2.
  • the film blank 3 ' is turned so that this cut then lies with its copper oxide layer 6 on the ceramic layer 2 and so in process step D4 the film blank 3' for forming the metallization 3 using the DCB -Process can be connected to the ceramic substrate 2 (first DCB step).
  • a further method step E4 the tempered film blank 4 'is brought together with the ceramic layer 2 metallized on one side, so that in a method step A4' the foil blank 4 'resting on the ceramic layer 2' is oxidized at least on its surface side facing away from the ceramic layer 2.
  • the oxidation of the film cut 3 '(process step A4) or the film cut 4' (process step A4 ') takes place, for example, in each case by thermal oxidation.
  • FIG. 6 shows a method in which the film blanks 3 ′ and 4 ′ are each provided only on one surface side of the oxide layer 6.
  • the starting material is again the copper foil 5, from which the foil blanks 3 'and 4' are produced by cutting or punching.
  • the film blank 3 is first placed with a surface side on an auxiliary body 7, which is made in the form of a plate from a rubber-elastic material.
  • the film blank 4 ' is placed on the other surface side of the auxiliary body 7.
  • the film cuts 3 'and 4' are each detachable again by vacuum, but are fixed flat and close to the auxiliary body 7, so that only a single surface side of each film cut 3 'or 4' is exposed and this surface side is then provided with the copper oxide layer 6, for example by chemical oxidation.
  • the tempering of the film cuts 3 'and 4' in the protective gas atmosphere at a temperature between 200 and 400 ° C for a period of two to twenty minutes to achieve the Vickers hardness well below 70 kg / mm is then carried out either before process step H or but following process step A5.
  • the further processing of the tempered and oxidized film blanks 3 'and 4' then takes place, for example, in accordance with the method in FIG. 2, although the film blanks are of course placed on the ceramic layer 2 with their surface side formed by the oxide layer.

Abstract

The invention relates to a method for producing a copper-ceramic composite substrate. According to said method, film blanks are oxidised on at least one surface, the oxidised film blanks are subsequently tempered in a protective gas atmosphere and then bonded with the ceramic by means of a DCB stage.

Description

Verfahren zum Herstellen eines Keramik-Kupfer-Verbundsubstrats Method of manufacturing a ceramic-copper composite substrate
Die Erfindung bezieht sich auf die Herstellung eines Keramik-Kupfer-Verbundsubstrats, welches beispielsweise als Leiterplatte für elektrische Schaltkreise, insbesondere für elektrische Leistungs-Schaltkreise verwendbar ist.The invention relates to the production of a ceramic-copper composite substrate which can be used, for example, as a printed circuit board for electrical circuits, in particular for electrical power circuits.
Als Ausgangsmaterial werden für die Herstellung derartiger Keramik-Kupfer- Verbundsubstrate ein plattenförmiges Keramikmaterial (Keramikschicht oder Keramiksubstrat) sowie aus einer z.B. gewalzten Kupferfolie durch Schneiden oder Stanzen gewonnene Folienzuschnitte verwendet, die dann mittels der DCB-Technik mit der Keramikschicht verbunden werden. Bei dieser beispielsweise aus der US-PS 37 44 120 oder aus der DE-PS 23 19 854 bekannten Verfahren sind die Folienzuschnitte an ihren Oberflächenseiten jeweils mit einer Schicht aus Kupferoxid versehen. Diese Schicht bildet ein Eutektikum mit einer Schmelztemperatur unter der Schmelztemperatur des Kupfers, so daß durch Auflegen der Folie auf die Keramik und durch Erhitzen sämtlicher Schichten diese miteinander verbunden werden können, und zwar durch Aufschmelzen des Kupfers im wesentlichen nur im Bereich der Oxidschicht.A plate-shaped ceramic material (ceramic layer or ceramic substrate) as well as from e.g. rolled copper foil used by cutting or punching, which are then connected to the ceramic layer using DCB technology. In this method, for example known from US Pat. No. 37 44 120 or from DE-PS 23 19 854, the film blanks are each provided with a layer of copper oxide on their surface sides. This layer forms a eutectic with a melting temperature below the melting temperature of the copper, so that by placing the foil on the ceramic and by heating all the layers, these can be connected to one another, specifically by melting the copper only in the area of the oxide layer.
Dieses DCB-Verfahren weist dann z.B. folgende Verfahrenssch ritte auf:This DCB method then has e.g. the following procedural steps:
• Oxidieren einer Kupferfolie derart, daß sich eine gleichmäßige Kupferoxidschicht ergibt;• Oxidizing a copper foil so that there is a uniform copper oxide layer;
• Auflegen des Kupferfolie auf die Keramikschicht;• placing the copper foil on the ceramic layer;
• Erhitzen des Verbundes auf eine Prozeßtemperatur zwischen etwa 1065 bis 1083°C, z.B. auf ca. 1071 °C;Heating the composite to a process temperature between about 1065 to 1083 ° C, e.g. to about 1071 ° C;
• Abkühlen auf Raumtemperatur. Bekannt ist speziell ein Verfahren zum Herstellen eines Keramik-Kupfer- Verbundsubstrats (EP 0 335 679 B1), bei dem als Ausgangsmaterial für den DCB- Prozeß Folienzuschnitte aus Kupfer mit einer möglichst große Härte, nämlich mit einer Vickers-Härte im Bereich von 100 bis 150 kg/mm verwendet werden. Hierdurch soll sichergestellt werden, daß auch nach dem DCB-Prozeß die Härte der hergestellten Metallisierungen aus Kupfer noch ausreichend hoch ist.• Cool down to room temperature. A method for producing a ceramic-copper composite substrate (EP 0 335 679 B1) is known in particular, in which, as the starting material for the DCB process, foil blanks made of copper with the greatest possible hardness, namely with a Vickers hardness in the range from 100 to 150 kg / mm can be used. This is to ensure that the hardness of the copper metallizations produced is still sufficiently high even after the DCB process.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren aufzuzeigen, welches eine verbesserte Qualität der DCB-Verbindung zwischen dem Kupfer und der Keramik sicher stellt, insbesondere auch ohne Fehlstellen in der flächigen Verbindung zwischen diesen Materialien und mit einer ausreichend hohen Abreißfestigkeit zwischen dem Kupfer und der Keramik. Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Verfahren entsprechend dem Patentanspruch 1 ausgebildet.The object of the invention is to demonstrate a method which ensures an improved quality of the DCB connection between the copper and the ceramic, in particular also without defects in the flat connection between these materials and with a sufficiently high tear-off strength between the copper and the ceramic , A method according to claim 1 is designed to achieve this object.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß eine gegenüber den bekannten Verfahren wesentlich verbesserte Qualität der DCB-Verbindung dadurch erreichbar ist, daß abweichend von bekannten Verfahren die Härte des Material der Folienzuschnitte am Beginn des eigentlichen DCB-Prozesses auf kleiner als 70 kg/mm2 eingestellt wird und dies durch einen dem DCB-Prozeß vorausgehenden Temper-Schritt zuverlässig erreicht werden kann.The invention is based on the finding that a quality of the DCB connection which is significantly improved over the known methods can be achieved in that, in contrast to known methods, the hardness of the material of the film blanks at the beginning of the actual DCB process is less than 70 kg / mm 2 is set and this can be reliably achieved by a tempering step preceding the DCB process.
Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:Developments of the invention are the subject of the dependent claims. The invention is explained in more detail below with reference to the figures using exemplary embodiments. Show it:
Fig. 1 in vereinfachter Darstellung und im Schnitt ein Kupfer-Keramik-Verbundubstrat, hergestellt nach dem Verfahren gemäß der Erfindung; Fig. 2 bis 5 die Verfahrensschritte bei unterschiedlichen Verfahren gemäß derFigure 1 in a simplified representation and in section a copper-ceramic composite substrate, produced by the method according to the invention. 2 to 5 the process steps in different processes according to the
Erfindung; Fig. 6 die Verfahrensschritte für ein nur einseitiges Oxidieren der Folienzuschnitte.Invention; Fig. 6 shows the process steps for only one-sided oxidation of the film blanks.
In den Figuren ist mit 1 allgemein ein Kupfer-Keramik-Verbundsubstrat bezeichnet, welches unter Verwendung des DCB-Prozesses gefertigt wurde und eine Keramikschicht 2 (z.B. aus Aluminiumnitrid-Keramik) aufweist, die an ihren beiden Oberflächenseiten jeweils mit einer von einer Kupferfolie gebildeten Metallisierung 3 bzw. 4 versehen ist.In the figures, 1 generally designates a copper-ceramic composite substrate which was produced using the DCB process and has a ceramic layer 2 (for example made of aluminum nitride ceramic), each of which has a metallization formed by a copper foil on its two surface sides 3 or 4 is provided.
Bei dem in der Figur 2 wiedergegebenen Verfahren werden zur Herstellung des Substrats 1 die Keramikschicht 2 sowie Folienzuschnitte 3' und 4' aus einer Kupferfolie 5 verwendet. Letztere ist durch Walzen hergestellt und besitzt dadurch eine Vickers- Härte größer 70 kg/mm . Die Zuschnitte 3' und 4' werden beispielsweise durch Stanzen aus der Kupferfolie 5 gewonnen.In the method shown in FIG. 2, the ceramic layer 2 and foil cuts 3 'and 4' made from a copper foil 5 are used to produce the substrate 1. The latter is produced by rolling and therefore has a Vickers hardness greater than 70 kg / mm. The blanks 3 'and 4' are obtained, for example, from the copper foil 5 by punching.
In einem in der Figur 2 mit A1 bezeichneten Verfahrensschritt erfolgt eine Oxidation der Folienzuschnitte 3' und 4' insbesondere auch an ihren Oberflächenseiten, beispielsweise mit einem geeigneten chemischen Oxidationsverfahren, so daß als Ergebnis dieses Verfahrensschrittes die Folienzuschnitte 3' und 4' an ihren Oberflächenseiten jeweils mit einer Kupferoxidschicht 6 versehen sind, die bei dem späteren DCB-Prozeß die eutektische Aufschmelzschicht bildet.In a process step denoted by A1 in FIG. 2, the film blanks 3 'and 4' are oxidized, in particular also on their surface sides, for example using a suitable chemical oxidation process, so that as a result of this process step the film blanks 3 'and 4' on their surface sides in each case are provided with a copper oxide layer 6, which forms the eutectic melting layer in the later DCB process.
In einem weiteren, in der Figur 2 mit B1 bezeichneten Verfahrensschritt erfolgt dann anschließend eine Temperung der mit der Oxidschicht 6 versehenen Folienzuschnitte, und zwar in einer Schutzgasatmosphäre und bei einer Temperatur im Bereich zwischen 200 und 400°C, und zwar über eine Zeitspanne von 2 bis 20 Minuten, so daß die Vickers-Härte der Folienzuschnitte 3' und 4' als Ergebnis der Temperung dann deutlich unter 70 kg/mm liegt. Unter „Schutzgasatmosphäre" ist im Sinne der Erfindung eine Atmosphäre zu verstehen, die keinen Sauerstoff enthält oder bei der der Sauerstoff-Anteil vernachlässigbar gering ist.In a further process step, designated B1 in FIG. 2, the film blanks provided with the oxide layer 6 are then tempered, specifically in a protective gas atmosphere and at a temperature in the range between 200 and 400 ° C., specifically over a period of 2 to 20 minutes so that the Vickers hardness of the film blanks 3 'and 4' as a result of the tempering then is well below 70 kg / mm. For the purposes of the invention, “protective gas atmosphere” is to be understood as an atmosphere which contains no oxygen or in which the oxygen content is negligible.
Durch den Verfahrensschritt B1 werden u.a. Spannungen, die beispielsweise vom Walzen der Kupferfolie 5 und/oder vom Stanzen der Folienzuschnitte 3' und 4' herrühren aus dem Kupfermaterial herausgenommen. Weiterhin hat sich gezeigt, daß sich durch die mit dem Verfahrensschritt B erzielte stark reduzierte Härte der Folienzuschnitte 3' und 4' im anschließenden DCB-Verfahren eine DCB-Verbindung mit wesentlich verbesserter Qualität erreichen läßt.Method step B1 Tensions which arise, for example, from the rolling of the copper foil 5 and / or from the punching of the foil blanks 3 'and 4' removed from the copper material. Furthermore, it has been shown that the greatly reduced hardness of the film blanks 3 'and 4' achieved with process step B enables a DCB connection with significantly improved quality to be achieved in the subsequent DCB process.
In einem anschließenden Verfahrensschritt C1 werden der oxidierte und getemperte Folienzuschnitt 3' und die Keramikschicht 2 (Keramiksubstrat) zusammengeführt, so daß dann in einem weiteren Verfahrensschritt D1 zur Bildung der Metallisierung 3 der Folienzuschnitt 3' unter Anwendung des DCB-Prozesses mit dem Keramiksubstrat 2 flächig verbunden werden kann (erster DCB-Schritt).In a subsequent process step C1, the oxidized and tempered film blank 3 'and the ceramic layer 2 (ceramic substrate) are brought together, so that in a further process step D1 to form the metallization 3, the film blank 3' using the DCB process with the ceramic substrate 2 is flat can be connected (first DCB step).
In einem weiteren Verfahrensschritt E1 wird das bis dahin nur einseitig mit der Metallisierung 3 versehene Keramiksubstrat 3 mit dem oxidierten und getemperten Folienzuschnitt 4' zusammengeführt, so daß dann in einem weiteren Verfahrensschritt F1 zur Bildung der Metallisierung 4 der Folienzuschnitt 4' ebenfalls unter Anwendung des DCB-Prozesses (zweiter DCB-Schritt) mit der Keramikschicht 2 verbunden werden kann und so das gewünschte Kupfer-Keramik-Verbundsubstrat 1 erhalten ist.In a further process step E1, the ceramic substrate 3, which had hitherto been provided with the metallization 3 only on one side, is brought together with the oxidized and tempered film blank 4 ', so that in a further process step F1 for forming the metallization 4, the film blank 4' is also used using the DCB -Process (second DCB step) can be connected to the ceramic layer 2 and so the desired copper-ceramic composite substrate 1 is obtained.
Bei dem beschriebenen Verfahren werden bewußt Folienzuschnitte 3' und 4' mit einer sehr niedrigen Vickers-Härte von kleiner als 70 kg/mm2 als Ausgangsmaterial für den DCB-Prozeß (Verfahrensschritte D1 und F1 ) verwendet. Hierdurch wird die Qualität der DCB-Verbindung zwischen der Keramik und der jeweiligen Metallisierung 3 bzw. 4 aus Kupfer wesentlich verbessert. Dies ist offenbar darauf zurückzuführen, daß das Kupfermaterial durch das Tempern spannungsfrei ist und durch die reduzierte Härte der Folienzuschnitte bereits am Beginn des jeweiligen DCB-Prozesses ein optimales Anschmiegen des Folienzuschnitts an die Oberfläche der Keramikschicht 2 erfolgt.In the process described, film cuts 3 'and 4' with a very low Vickers hardness of less than 70 kg / mm 2 are deliberately used as the starting material for the DCB process (process steps D1 and F1). As a result, the quality of the DCB connection between the ceramic and the respective metallization 3 or 4 made of copper significantly improved. This is apparently due to the fact that the copper material is stress-free due to the tempering and because of the reduced hardness of the foil blanks, the foil blank is optimally clinging to the surface of the ceramic layer 2 at the beginning of the respective DCB process.
Die Figur 3 zeigt die einzelnen Verfahrensschritte bei einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen des Kupfer- Keramik-Verbund-Substrates 1. Bei diesem Verfahren werden folgende Verfahrensschritte verwendet: A2 Oxidieren B2 TempernFIG. 3 shows the individual method steps in a further possible embodiment of the method according to the invention for producing the copper-ceramic composite substrate 1. The following method steps are used in this method: A2 oxidizing B2 tempering
C2 Zusammenführen der Keramikschicht 2 mit Folienzuschnitt 3' D2 erster DCB-Schritt E2 Zusammenführen der einseitig metallisierten Keramikschicht 2 mitC2 merging the ceramic layer 2 with film blank 3 'D2 first DCB step E2 merging the ceramic layer 2 metallized on one side with
Folienzuschnitt 4' F2 zweiter DCB-SchrittFoil cut 4 'F2 second DCB step
Das in der Figur 3 dargestellte Verfahren unterscheidet sich von dem Verfahren der Figur 2 im wesentlichen dadurch, daß die aus der Kupferfolie 5 gewonnenen Folienzuschnitte 3' und 4' zunächst in dem Verfahrensschritt B2 getempert, und zwar wiederum in einer Schutzgasatmosphäre bei einer Temperatur im Bereich zwischen 200 und 400°C über eine Zeitspanne von zwei bis zwanzig Minuten, so daß dann die Vickers-Härte der Folienzuschnitte 3' und 4' als Ergebnis dieser Temperung deutlich unter 70 kg/mm2 liegt (Verfahrensschritt B2). Erst in dem nächstfolgenden Verfahrensschritt A2 erfolgt das Oxidieren der getemperten Folienzuschnitte 3' und 4', d. h. die Reihenfolge der Verfahrensschritte A2 und B2 ist bei dem in der Figur 3 wiedergegebenen Verfahren gegenüber dem Verfahren der Figur 2 vertauscht. Durch das der Oxidation vorausgehende Tempern wird die Oxidation bzw. die Bildung der Oxidschichten 6 wesentlich vereinfacht. Die weiteren Verfahrensschritte entsprechen bei dem Verfahren der Figur 3 den Verfahrensschritten der Figur 2.The method shown in FIG. 3 differs from the method in FIG. 2 essentially in that the foil blanks 3 'and 4' obtained from the copper foil 5 are first annealed in method step B2, again in a protective gas atmosphere at a temperature in the range between 200 and 400 ° C over a period of two to twenty minutes, so that the Vickers hardness of the film blanks 3 'and 4' as a result of this tempering is clearly below 70 kg / mm 2 (process step B2). It is only in the next process step A2 that the tempered film blanks 3 'and 4' are oxidized, ie the sequence of process steps A2 and B2 in the process shown in FIG. 3 is interchanged with the process in FIG. By the annealing preceding the oxidation, the oxidation or the formation of the Oxide layers 6 significantly simplified. The further method steps in the method in FIG. 3 correspond to the method steps in FIG. 2.
Die Figur 4 zeigt eine weitere Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Bei diesem Verfahren werden folgende Verfahrensschritte verwendet:FIG. 4 shows a further embodiment of the method according to the invention. The following process steps are used in this process:
A3 OxidierenA3 Oxidize
B3 TempernB3 tempering
B3' TempernB3 'tempering
C3 Zusammenführen der Keramikschicht 2 mit Folienzuschnitt 3'C3 merging the ceramic layer 2 with the film blank 3 '
D3 erster DCB-SchrittD3 first DCB step
E3 Zusammenführen der einseitig metallisierten Keramikschicht 2 mitE3 merging the one-sided metallized ceramic layer 2 with
Folienzuschnitt 4' F3 zweiter DCB-SchrittFoil cut 4 'F3 second DCB step
Bei dieser Ausführung erfolgt wiederum nach dem Herstellen der Folienzuschnitte 3' und 4' beispielsweise durch Ausstanzen aus der Kupferfolie 5 in dem Verfahrensschritt A3 das Oxidieren der Folienzuschnitte 3' und 4' zur Bildung der Oxidschichten 6.In this embodiment, once the foil blanks 3 'and 4' have been produced, the foil blanks 3 'and 4' are oxidized to form the oxide layers 6, for example by punching them out of the copper foil 5 in method step A3.
Nach dem Oxidieren (Verfahrensschritt A3) erfolgt bei dieser Ausführung die Erfindung in einem Verfahrensschritt C3 das Zusammenführen des oxidierten Folienzuschnitts 3' mit der Keramikschicht 2. Im Anschluß daran erfolgt mit dem Verfahrensschritt B3 das Tempern des oxidierten Folienzuschnitts 3', wobei bei diesem Tempern die Keramikschicht 2 als Auflage für den oxidierten Folienzuschnitt 3' dient. Das Tempern wird wiederum bei einer Temperatur zwischen 200 bis 400°C in einer Schutzgasatmosphäre und mit einer Dauer zwischen 2 und 20 Minuten so durchgeführt, daß der Folienzuschnitt 3' als Ergebnis des Verfahrensschritts B3 eine Vickers-Härte deutlich kleiner als 70 kg/mm2 aufweist, womit u.a. auch alle Spannungen aus dem Material des Folienzuschnitts 3' herausgenommen sind. In einem anschließenden Verfahrensschritt D3 erfolgt dann mittels des DCB-Prozesses das Verbinden des voroxidierten und getemperten Folienzuschnitts 3' mit der Keramikschicht 2 zur Bildung der Metallisierung 3. In einem weiteren Verfahrensschritt E3 wird der voroxidierte Folienzuschnitt 4' auf die der Metallisierung 3 abgewandten Oberflächenseite der Keramikschicht 2 aufgelegt. In einem anschließenden Verfahrensschritt B3' erfolgt dann wiederum bei einer Temperatur von 200 bis 400°C und in einer Schutzgasatmosphäre das Tempern des oxidierten Folienzuschnitts 4' über eine Zeitdauer von 2 bis 20 Minuten, so daß die Vickers-Härte des Folienzuschnitts 4' nach Abschluß dieses Verfahrensschritts auf jeden Fall deutlich unter 70 kg/mm2 liegt.After the oxidation (process step A3), in this embodiment the invention takes place in a process step C3, the merging of the oxidized film cut 3 'with the ceramic layer 2. Subsequently, the process step B3 is used for the annealing of the oxidized film cut 3', the tempering of the Ceramic layer 2 serves as a support for the oxidized film blank 3 '. The tempering is again carried out at a temperature between 200 to 400 ° C in a protective gas atmosphere and with a duration between 2 and 20 minutes so that the film blank 3 'has a Vickers hardness significantly less than 70 kg / mm 2 as a result of process step B3 has, with which, among other things, all tensions are removed from the material of the film blank 3 '. In a subsequent process step D3, the pre-oxidized and tempered film blank 3 'is then connected to the ceramic layer 2 by means of the DCB process to form the metallization 3. In a further process step E3, the pre-oxidized film blank 4' is applied to the surface side of the metal coating 3 facing away Ceramic layer 2 placed. In a subsequent process step B3 ', the oxidized film blank 4' is then again tempered at a temperature of 200 to 400 ° C and in a protective gas atmosphere for a period of 2 to 20 minutes, so that the Vickers hardness of the film blank 4 'after completion this process step is definitely well below 70 kg / mm 2 .
In einem weiteren Verfahrensschritt F3 wird zur Herstellung der Metallisierung 4 der oxidierte und getemperte Folienzuschnitt 4' mit der Keramikschicht 2 unter Anwendung des DCB-Prozesses verbunden, so daß dann schließlich das gewünschte Keramik-Kupfer-Verbundsubstrat 1 erhalten ist.In a further process step F3, the oxidized and tempered film blank 4 'is connected to the ceramic layer 2 using the DCB process in order to produce the metallization 4, so that the desired ceramic-copper composite substrate 1 is finally obtained.
Die Figur 5 zeigt in einer Darstellung ähnlich Figur 4 die einzelnen Verfahrensschritte bei einer abgewandelten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zumFIG. 5 shows, in a representation similar to FIG. 4, the individual method steps in a modified embodiment of the method according to the invention
Herstellen des Kupfer-Keramik-Verbund-Substrates 1 .Manufacture of the copper-ceramic composite substrate 1.
Bei diesem Verfahren werden folgende Verfahrensschritte verwendet:The following process steps are used in this process:
A4 OxidierenA4 oxidize
A4' OxidierenA4 'Oxidize
B4 TempernB4 tempering
C4 Zusammenführen der Keramikschicht 2 mit Folienzuschnitt 3'C4 bringing the ceramic layer 2 together with the film blank 3 '
D4 erster DCB-SchrittD4 first DCB step
E4 Zusammenführen der einseitig metallisierten Keramikschicht 2 mitE4 Merging the ceramic layer 2 metallized on one side with
Folienzuschnitt 4' F4 zweiter DCB-Schritt G4 Wenden des Folienzuschnitts 3' G4' Wenden des Folienzuschnittes 4'Foil cut 4 'F4 second DCB step G4 turning the film cut 3 'G4' turning the film cut 4 '
Bei dem in der Figur 5 wiedergegebenen Verfahren werden ähnlich dem Verfahren der Figur 3 die aus der Kupferfolie 5 gewonnenen Folienzuschnitte 3' und 4' zunächst in einem Verfahrensschritt B4 getempert, und zwar wiederum in einer Schutzgasatmosphäre bei einer Temperatur im Bereich zwischen 200 und 400°C und über eine Zeitdauer von zwei bis zwanzig Minuten, so daß als Ergebnis dieser Behandlung die Folienzuschnitte 3' und 4' eine Vickers-Härte kleiner als 70 kg/mm2 aufweisen. In einem anschließenden Verfahrensschritt C4 werden die Keramikschicht 2 und der getemperte Folienzuschnitt 3' zusammengeführt. Anschließend erfolgt in einem Verfahrensschritt A4 das Oxidieren des auf der Keramikschicht 2 aufliegenden Folienzuschnitts 3', d. h. die Bildung der Kupfer-Oxid-Schicht 6 zumindest an der der Keramikschicht 2 abgewandten Oberflächenseite des Folienzuschnitts 3'. In einem zusätzlichen Verfahrensschritt G4 erfolgt das Wenden des Folienzuschnitts 3', so daß dieser Zuschnitt dann mit seiner Kupfer-Oxid-Schicht 6 auf der Keramikschicht 2 aufliegt und so in dem Verfahrensschritt D4 der Folienzuschnitt 3' zur Bildung der Metallisierung 3 unter Anwendung des DCB-Prozesses mit dem Keramik-Substrat 2 verbunden werden kann (erster DCB-Schritt).In the process shown in FIG. 5, similar to the process in FIG. 3, the film blanks 3 'and 4' obtained from the copper foil 5 are first annealed in a process step B4, again in a protective gas atmosphere at a temperature in the range between 200 and 400 ° C and over a period of two to twenty minutes, so that as a result of this treatment, the film cuts 3 'and 4' have a Vickers hardness of less than 70 kg / mm 2 . In a subsequent method step C4, the ceramic layer 2 and the tempered film blank 3 'are brought together. Then, in a method step A4, the film blank 3 'resting on the ceramic layer 2 is oxidized, ie the copper oxide layer 6 is formed at least on the surface side of the film blank 3' facing away from the ceramic layer 2. In an additional process step G4, the film blank 3 'is turned so that this cut then lies with its copper oxide layer 6 on the ceramic layer 2 and so in process step D4 the film blank 3' for forming the metallization 3 using the DCB -Process can be connected to the ceramic substrate 2 (first DCB step).
In einem weiteren Verfahrensschritt E4 wird der getemperte Folienzuschnitt 4' mit der einseitig metallisierten Keramikschicht 2 zusammengeführt, so daß dann in einem Verfahrensschritt A4' der auf der Keramikschicht 2 aufliegende Folienzuschnitt 4' zumindest an seiner der Keramikschicht 2 abgewandten Oberflächenseite oxidiert wird. Anschließend erfolgt in einem Verfahrensschritt G4' das Wenden des Folienzuschnittes 4', so daß dieser mit seiner Oxid-Schicht 6 auf der Keramikschicht 2 aufliegt und dann in dem Verfahrensschritt F4 der Folienzuschnitt 4' mittels des DCB- Prozesses (2. DCB-Schritt) zur Bildung der Metallisierung 4 flächig mit der Keramikschicht 2 verbunden wird.In a further method step E4, the tempered film blank 4 'is brought together with the ceramic layer 2 metallized on one side, so that in a method step A4' the foil blank 4 'resting on the ceramic layer 2' is oxidized at least on its surface side facing away from the ceramic layer 2. The film blank 4 'is then turned in a method step G4', so that it rests with its oxide layer 6 on the ceramic layer 2 and then in the method step F4 the foil blank 4 'by means of the DCB Process (2nd DCB step) to form the metallization 4 with the ceramic layer 2 is connected.
Die Oxidation des Folienzuschnitts 3' (Verfahrensschritt A4) bzw. des Folienzuschnitts 4' (Verfahrensschritt A4') erfolgt beispielsweise jeweils durch thermische Oxidation.The oxidation of the film cut 3 '(process step A4) or the film cut 4' (process step A4 ') takes place, for example, in each case by thermal oxidation.
Vorstehend wurde davon ausgegangen, daß zumindest bei dem Verfahren der Figuren 2 - 4 die Folienzuschnitte 3' und 4' jeweils an ihren beiden Oberflächenseiten oxidiert, d. h. mit der Oxidschicht 6 versehen werden. Die Figur 6 zeigt ein Verfahren, bei dem die Folienzuschnitte 3' und 4' jeweils gezielt nur an einer Oberflächenseite der Oxidschicht 6 versehen werden. Ausgangsmaterial ist wiederum die Kupferfolie 5, aus der durch Schneiden oder Stanzen die Folienzuschnitte 3' und 4' hergestellt werden. In einem Verfahrensschritt H wird zunächst der Folienzuschnitt 3 mit einer Oberflächenseite auf einen Hilfskörper 7 aufgelegt, der plattenförmig aus einem gummielastischen Material hergestellt ist. In einem weiteren Verfahrensschritt I wird auf die andere Oberflächenseite des Hilfskörpers 7 der Folienzuschnitt 4' aufgelegt. Durch Evakuieren von im Hilfskörper gebildeten Hohlräumen 8 werden die Folienzuschnitte 3' und 4' jeweils durch Vakuum wieder lösbar, aber flächig und dicht an dem Hilfskörper 7 fixiert, so daß nur jeweils eine einzige Oberflächenseite jedes Folienzuschnitts 3' bzw. 4' frei liegt und diese Oberflächenseite dann beispielsweise durch chemische Oxidation mit der Kupfer-Oxid-Schicht 6 versehen wird.It was assumed above that, at least in the method of FIGS. 2-4, the film blanks 3 'and 4' are oxidized on their two surface sides, i. H. be provided with the oxide layer 6. FIG. 6 shows a method in which the film blanks 3 ′ and 4 ′ are each provided only on one surface side of the oxide layer 6. The starting material is again the copper foil 5, from which the foil blanks 3 'and 4' are produced by cutting or punching. In a method step H, the film blank 3 is first placed with a surface side on an auxiliary body 7, which is made in the form of a plate from a rubber-elastic material. In a further method step I, the film blank 4 'is placed on the other surface side of the auxiliary body 7. By evacuating cavities 8 formed in the auxiliary body, the film cuts 3 'and 4' are each detachable again by vacuum, but are fixed flat and close to the auxiliary body 7, so that only a single surface side of each film cut 3 'or 4' is exposed and this surface side is then provided with the copper oxide layer 6, for example by chemical oxidation.
Das Tempern der Folienzuschnitte 3' und 4' in der Schutzgasatmosphäre bei einer Temperatur zwischen 200 und 400°C über eine Zeitdauer von zwei bis zwanzig Minuten zur Erreichung der Vickers-Härte deutlich unter 70 kg/mm erfolgt dann entweder vor dem Ver ahrensschritt H oder aber im Anschluß an den Verfahrensschritt A5. Die weitere Verarbeitung der getemperten und oxidierten Folienzuschnitte 3' und 4' erfolgt dann beispielsweise entsprechend dem Verfahren der Figur 2, wobei allerdings die Folienzuschnitte selbstverständlich mit ihrer von der Oxid-Schicht gebildeten Oberflächenseite jeweils auf die Keramikschicht 2 aufgelegt werden.The tempering of the film cuts 3 'and 4' in the protective gas atmosphere at a temperature between 200 and 400 ° C for a period of two to twenty minutes to achieve the Vickers hardness well below 70 kg / mm is then carried out either before process step H or but following process step A5. The further processing of the tempered and oxidized film blanks 3 'and 4' then takes place, for example, in accordance with the method in FIG. 2, although the film blanks are of course placed on the ceramic layer 2 with their surface side formed by the oxide layer.
Die Erfindung wurde voranstehend an Ausführungsbeispielen beschrieben. Es versteht sich, daß Änderungen sowie Abwandlungen möglich sind, ohne daß dadurch der der Erfindung zugrundeliegende Erfindungsgedanke verlassen wird. The invention has been described above using exemplary embodiments. It goes without saying that changes and modifications are possible without thereby departing from the inventive idea on which the invention is based.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
Keramik-Kupfer-Verbundsubstrat Keramikschicht , 4 Metallisierung aus Kupfer ', 4' Zuschnitt aus Kupferfolie Kupferfolie Oxidschicht Hilfskörper Ceramic-copper composite substrate ceramic layer, 4 metallization from copper ', 4' cut from copper foil copper foil oxide layer auxiliary body

Claims

Patentansprüche claims
1 . Verfahren zum Herstellen eines Kupfer-Keramik-Verbundsubstrats mit folgenden Verfahrensschritten:1 . Process for producing a copper-ceramic composite substrate with the following process steps:
(a) Herstellung von Folienzuschnitten (3', 4') aus einer Kupferfolie;(a) Production of foil blanks (3 ', 4') from a copper foil;
(b) Oxidieren der Folienzuschnitte (3', 4') an wenigstens einer ihrer Oberflächenseite zur Bildung einer Kupferoxid-Schicht (6) an dieser Oberflächenseite;(b) oxidizing the film blanks (3 ', 4') on at least one of their surface sides to form a copper oxide layer (6) on this surface side;
(c) Tempern der oxidierten Folienzuschnitte (3', 4') in einer Schutzgasatmosphäre bei einer Temperatur im Bereich zwischen 200 und 400°C und über eine Zeitdauer von 2 bis 20 Minuten zur Erzielung einer Vickers-Härte für das Folienmaterial kleiner als 70 kg/mm2;(c) annealing the oxidized film blanks (3 ', 4') in a protective gas atmosphere at a temperature in the range between 200 and 400 ° C and for a period of 2 to 20 minutes to achieve a Vickers hardness for the film material less than 70 kg / mm 2 ;
(d) Herstellen des Keramik-Kupfer-Verbundsubstrats durch Verbinden wenigstens eines auf wenigstens einer Oberflächenseite einer Keramikschicht (2) aufliegenden oxidierten und getemperten Folienzuschnitts (3', 4') mit der Keramikschicht durch Erhitzen in einer Schutzgasatmosphäre auf eine DCB-Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes von Kupfer, aber oberhalb der eutektischen Temperatur des Systems Kupfer/Sauerstoff; und(d) producing the ceramic-copper composite substrate by connecting at least one oxidized and tempered film blank (3 ', 4') lying on at least one surface side of a ceramic layer (2) to the ceramic layer by heating in a protective gas atmosphere to a DCB temperature below the Melting point of copper, but above the eutectic temperature of the copper / oxygen system; and
(e) Abkühlen des erhaltenen Keramik-Kupfer-Verbundsubstrats auf Raumtemperatur.(e) cooling the obtained ceramic-copper composite substrate to room temperature.
2. Verfahren zum Herstellen eines Kupfer-Keramik-Verbundsubstrats mit folgenden Verfahrensschritten:2. Method for producing a copper-ceramic composite substrate with the following method steps:
(a) Herstellung von Folienzuschnitten (3', 4') aus einer Kupferfolie;(a) Production of foil blanks (3 ', 4') from a copper foil;
(b) Tempern der oxidierten Folienzuschnitte (3', 4') in einer Schutzgasatmosphäre bei einer Temperatur im Bereich zwischen 200 und 400°C und über eine Zeitdauer von 2 bis 20 Minuten zur Erzielung einer Vickers-Härte für das Folienmaterial kleiner als 70 kg/mm2;(b) tempering the oxidized film blanks (3 ', 4') in a protective gas atmosphere at a temperature in the range between 200 and 400 ° C and for a period of 2 to 20 minutes to achieve a Vickers hardness for the film material less than 70 kg / mm 2 ;
(c) Oxidieren der Folienzuschnitte (3', 4') an wenigstens einer ihrer Oberflächenseite zur Bildung einer Kupferoxid-Schicht (6) an dieser Oberflächenseite;(c) oxidizing the film blanks (3 ', 4') on at least one of them Surface side to form a copper oxide layer (6) on this surface side;
(d) Herstellen des Keramik-Kupfer-Verbundsubstrats durch Verbinden wenigstens eines auf wenigstens einer Oberflächenseite einer Keramikschicht (2) aufliegenden oxidierten und getemperten Folienzuschnitts (3', 4') mit der Keramikschicht durch Erhitzen in einer Schutzgasatmosphäre auf eine DCB-Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes von Kupfer, aber oberhalb der eutektischen Temperatur des Systems Kupfer/Sauerstoff; und(d) producing the ceramic-copper composite substrate by connecting at least one oxidized and tempered film blank (3 ', 4') lying on at least one surface side of a ceramic layer (2) to the ceramic layer by heating in a protective gas atmosphere to a DCB temperature below the Melting point of copper, but above the eutectic temperature of the copper / oxygen system; and
(e) Abkühlen des erhaltenen Keramik-Kupfer-Verbundsubstrats auf Raumtemperatur.(e) cooling the obtained ceramic-copper composite substrate to room temperature.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Folienzuschnitte jeweils an ihren beiden Oberflächenseiten zur Bildung einer Oxidschicht (6) oxidiert werden.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the film blanks are each oxidized on their two surface sides to form an oxide layer (6).
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Folienzuschnite (3', 4') jeweils an einer Oberflächenseite zur Bildung einer Oxidschicht (6) oxidiert werden.4. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the film blanks (3 ', 4') are each oxidized on one surface side to form an oxide layer (6).
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf beiden Oberflächenseiten der Keramikschicht (2) jeweils wenigstens ein oxidierter und getemperter Folienzuschnitt (3', 4') mittels des DCB-Prozesses aufgebracht wird.5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that at least one oxidized and annealed film blank (3 ', 4') is applied to both surface sides of the ceramic layer (2) by means of the DCB process.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Tempern der Folienzuschnitte (3', 4') vor dem Oxidieren erfolgt. 6. The method according to claim 5, characterized in that the annealing of the film blanks (3 ', 4') takes place before the oxidation.
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Tempern der Folienzuschnitte (3', 4') nach dem Oxidieren erfolgt.7. The method according to claim 5, characterized in that the annealing of the film blanks (3 ', 4') takes place after the oxidation.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Tempern der Folienzuschnitte (3', 4') jeweils bei auf der Keramikschicht (2) aufliegenden Zuschnitten erfolgt.8. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the annealing of the film blanks (3 ', 4') is carried out in each case on the ceramic layer (2) resting blanks.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Oxidieren der Folienzuschnitte durch naßchemische Oxidation erfolgt.9. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the oxidation of the film blanks is carried out by wet chemical oxidation.
10Nerfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Oxidieren der Folienzuschnitte (3', 4') durch thermische Oxidation erfolgt.10 Method according to one of the preceding claims, characterized in that the film blanks (3 ', 4') are oxidized by thermal oxidation.
1 1 .Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Oxidieren der Folienzuschnitte (3', 4') unter Verwendung von Sauerstoff oder in einer Sauerstoff enthaltenden Schutzgasatmosphäre, beispielsweise in einer Stickstoffatmosphäre mit einem Sauerstoffanteil bis zu 20% erfolgt.1 1 .Method according to one of the preceding claims, characterized in that the oxidation of the film blanks (3 ', 4') is carried out using oxygen or in a protective gas atmosphere containing oxygen, for example in a nitrogen atmosphere with an oxygen content of up to 20%.
12Nerfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Tempern der Folienzuschnitte (3', 4') während der Oxidation erfolgt.12 Method according to one of the preceding claims, characterized in that the film blanks (3 ', 4') are tempered during the oxidation.
13Nerfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Oxidieren der Folienzuschnitte (3', 4') bei auf der Keramikschicht (2) aufliegendem Folienzuschnitt (3', 4') erfolgt.13 Method according to one of the preceding claims, characterized in that the film blanks (3 ', 4') are oxidized with the film blank (3 ', 4') resting on the ceramic layer (2).
14Nerfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei nur einseitiger Oxidation die Folienzuschnitte (3', 4') vor dem DCB-Prozess gewendet werden. Process according to one of the preceding claims, characterized in that, in the case of only one-sided oxidation, the film blanks (3 ', 4') before the DCB process be turned.
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