ES2917407T3

ES2917407T3 - Sustrato de cobre-cerámica

Info

Publication number: ES2917407T3
Application number: ES18713175T
Authority: ES
Inventors: Helge Lehmann; Karl Zeiger; Benjamin Cappi
Original assignee: Aurubis Stolberg GmbH and Co KG
Current assignee: Aurubis Stolberg GmbH and Co KG
Priority date: 2018-03-20
Filing date: 2018-03-20
Publication date: 2022-07-08
Anticipated expiration: 2038-03-20
Also published as: WO2019179600A1; KR20200134258A; PL3768654T3; KR102514960B1; HUE058955T2; JP2021518669A; EP3768654A1; EP3768654B1; US20210002179A1; CN111886214A

Abstract

La invención se relaciona con un sustrato de cobre-cerámico que comprende: un portador de cerámica, y al menos una capa de cobre unida a una superficie del portador de cerámica, que tiene una superficie afreir para formar una estructura de conductor y/o para asegurar los cables de unión, donde la capa de cobre tiene la capa de cobre una microestructura con un diámetro de tamaño de grano promedio de 200 a 500 μm, preferiblemente 300 a 400 μm. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Sustrato de cobre-cerámica

La invención se refiere a un sustrato de cobre-cerámica con los rasgos característicos del preámbulo de la reivindicación 1.

Los sustratos de cobre-cerámica (por ejemplo, DCB, AMB) se utilizan, por ejemplo, para la producción de módulos de potencia electrónicos y son un compuesto de un soporte de cerámica con capas de cobre dispuestas en uno lado o en ambos lados sobre él. Las capas de cobre se prefabrican como productos semiacabados de cobre en forma de lámina de cobre, normalmente con un espesor de 0,1 a 1,0 mm, y se conectan al soporte de cerámica mediante un proceso de conexión. Tales procedimientos de conexión también se conocen como DCB (Direct Copper Bonding) o como AMB (Active Metal Brazing). No obstante, con una mayor resistencia del soporte de cerámica, también se pueden aplicar capas de cobre o estratos de cobre con un espesor aún mayor, lo que es básicamente ventajoso con respecto a las propiedades eléctricas y térmicas.

Como soportes de cerámica se utilizan placas cerámicas, por ejemplo, de mullita, A^O ³, Si3N4, AlN, ZTA, ATZ, TiO², ZrO², MgO, CaO, CaCO³o una mezcla de al menos dos de estos materiales.

A este respecto, la capa de cobre se conecta a la base de cerámica en el procedimiento DCB mediante las siguientes etapas del procedimiento:

- oxidación de la capa de cobre, de tal manera que resulte una capa uniforme de óxido de cobre;

- colocación de la capa de cobre sobre el soporte de cerámica;

- calentamiento del compuesto a una temperatura de proceso entre 1060 °C y 1085 °C.

A este respecto, en la capa de cobre se origina una masa fundida eutéctica, que forma una conexión por adherencia de materiales con el sustrato de cerámica. Este proceso se designa como unión. Si se utiliza A^O ³como soporte de cerámica, mediante la conexión se origina una fina capa de espinela de Cu-Al.

A continuación del proceso de unión se realiza la estructuración de las pistas conductoras necesarias mediante grabado de la superficie de la capa de cobre dirigida hacia el lado exterior, es decir, la superficie libre. A continuación se sueldan los chips y se realizan las conexiones a los contactos de lados superiores de los chips por medio de la aplicación de hilos de unión, para lo cual la microestructura de la superficie libre de la capa de cobre debe ser lo más homogénea y finamente estructurada posible. Para producir módulos de potencia, el sustrato de cobre-cerámica también se puede conectar a continuación a una placa base.

Las ventajas del sustrato de cobre-cerámica descrito consisten ante todo en la alta capacidad de conducción de corriente del cobre y el buen aislamiento eléctrico y soporte mecánico mediante el sustrato de cerámica. Además, mediante la tecnología DCB se puede lograr una alta adhesión de la capa de cobre sobre el soporte de cerámica. Además, los sustratos de cobre-cerámica utilizados son resistentes a unas altas temperaturas ambientales que están presentes con frecuencia en la aplicación.

El punto débil de los sustratos de cobre-cerámica es la llamada resistencia al choque térmico, un parámetro del material que describe el fallo de un componente después de un cierto número de tensiones temporales inducidas térmicamente. Este parámetro es importante para la vida útil de los módulos de potencia, ya que durante el funcionamiento de los módulos se producen gradientes de temperatura extremos. Debido a los diferentes coeficientes de dilatación térmica de los materiales de cerámica y de cobre utilizados, se inducen térmicamente tensiones mecánicas durante el uso en el sustrato de cobre-cerámica, lo que después de un determinado número de ciclos conduce a la delaminación de la capa de cobre de la capa de cerámica y/o a grietas en la capa de cerámica y/o en la capa de cobre y, por lo tanto, puede conducir a un fallo del componente.

Básicamente, los sustratos de cobre-cerámica con una capa de cobre con una microestructura fina tienen la ventaja de que presentan ventajas en términos de inspección óptica, adherencia, comportamiento de grabado, configuración de límites de grano, galvanoplastia y procesamiento posterior en general. No obstante, es desventajoso que presentan una vida útil más corta y una peor resistencia al choque térmico debido a las mayores tensiones inducidas térmicamente en caso de fluctuaciones de temperatura.

Por el contrario, los sustratos de cobre-cerámica con una capa de cobre con una microestructura más gruesa tienen la ventaja de una vida útil más larga, pero son desventajosos con respecto a los otros requisitos descritos anteriormente.

Por documento DE 102015224464 A1 se conoce un sustrato de cobre-cerámica, en el que la microestructura de la capa de cobre presenta deliberadamente un tamaño de grano más grande en el lado dirigido hacia el soporte de cerámica que en la superficie libre.

La ventaja de esta solución se puede ver en que la capa de cobre en la superficie libre se puede estructurar fácil y muy finamente debido al tamaño de grano más pequeño de la microestructura, mientras que la capa de cobre en el lado dirigido hacia el soporte de cerámica presenta mejor resistencia al choque térmico debido al tamaño de grano más grande de acuerdo con la relación de Hall-Petch. Por lo tanto, el sustrato de cobre-cerámica se puede mejorar de tal manera que presenta mejores propiedades con respecto a los diferentes requisitos descritos anteriormente. Mediante la selección específica de los tamaños de grano en ambos lados de la capa de cobre se crea un nuevo parámetro de diseño, a través del que el sustrato de cobre-cerámica se puede diseñar de manera mejorada con respecto a ambos requisitos.

Una desventaja de esta solución se puede ver en que la materialización de los diferentes tamaños de grano representa un gasto adicional. Así, por ejemplo, para la materialización de los diferentes tamaños de grano, es concebible producir la capa de cobre mediante chapado de dos capas de cobre diferentes con diferentes tamaños de grano, lo que representa un gasto de trabajo adicional con costos asociados a ello. De este modo, el sustrato de cobre-cerámica del documento DE 102015224464 A1 se vuelve más caro y, por lo tanto, solo es adecuado para aplicaciones especiales que justifican el precio más alto.

Ante estos antecedentes, la invención tiene el objetivo de proporcionar un sustrato de cobre-cerámica que se pueda producir de forma más económica que el sustrato de cobre-cerámica del documento DE 102015 224 464 A1 y aún satisfaga con los distintos requisitos.

De acuerdo con la invención se propone un sustrato de cobre-cerámica con los rasgos característicos del preámbulo de la reivindicación 1 para la solución del objetivo. Otros perfeccionamientos preferentes se pueden deducir de las reivindicaciones dependientes.

De acuerdo con la idea básica de la invención se propone que la capa de cobre presente una microestructura con un diámetro de tamaño de grano promedio de 300 a 500 pm, preferentemente de 300 a 400 pm.

Los granos de la microestructura no solo deben presentar tamaños de grano en los rangos propuestos, la distribución de los tamaños de grano corresponde a una distribución gaussiana monomodal y es posible que una pequeña proporción de los granos también presenten tamaños de grano menores o mayores de 300 o 500 ym o menores o mayores de 300 ym o 400 ym. Solo es importante que el promedio de los tamaños de grano se sitúe dentro de los rangos propuestos. A este respecto, el diámetro de tamaño de grano se puede determinar, por ejemplo, de acuerdo con el procedimiento de intersección de líneas, que se describe en ASTM 112-13. Pero, los granos con tamaños de grano mayores de 1000 pm se deben evitar en cualquier caso.

La microestructura propuesta de la capa de cobre se puede materializar directamente durante la unión sobre el soporte de cerámica, por ejemplo, mediante la observación de los tiempos de paso o de permanencia predeterminados y la selección de la temperatura en el avance y retroceso del proceso de unión, o también mediante un tratamiento posterior térmico separado.

La ventaja del sustrato de cobre-cerámica propuesto se puede ver en que presenta una vida útil suficientemente larga, ya que mediante la selección del diámetro de tamaño de grano promedio los granos presentan un tamaño promedio mediante el que, de acuerdo con la relación de Hall-Petch, se materializa un nivel de tensión suficientemente bajo en el sustrato durante la solicitación a cambio de flexión inducida por la temperatura que se produce bajo usos normales para lograr la larga vida útil deseada. Además, se pueden cumplir los requisitos de adherencia, inspección óptica, procedimiento de grabado o corte necesarios para la incorporación de la estructura conductora y otros requisitos específicos, para lo que es ventajoso un tamaño de grano promedio menor de 500 pm o de forma especialmente preferente menor 400 pm.

Para lograr estas propiedades microestructurales ventajosas de la capa de cobre después del proceso de tratamiento térmico, se propone además que

- la capa de cobre

- presente al menos un 99,95 % de Cu, preferentemente al menos 99,99 % de Cu.

Además, la capa de cobre presenta preferentemente una proporción de

- como máximo 25 ppm de Ag.

De acuerdo con otro modo de realización preferente, la capa de cobre presenta una proporción de

- como máximo 10 ppm, preferentemente como máximo 5 ppm de O.

Además, se propone que

- la capa de cobre presente una proporción de los elementos Cd, Ce, Ge, V, Zn de respectivamente como máximo 0 1 ppm, con lo que

- de acuerdo con otro modo de realización preferente, la capa de cobre presenta una proporción de los elementos Cd, Ce, Ge, V, Zn de en total al menos 0,5 ppm y como máximo 5 ppm.

Además, se propone que

- la capa de cobre presente una proporción de los elementos Bi, Se, Sn, Te de respectivamente como máximo 0-2 ppm, con lo que

- de acuerdo con otro modo de realización preferente, la capa de cobre presenta una proporción de los elementos Bi, Se, Sn, Te de en total al menos 1,0 ppm y como máximo 8 ppm.

Además, se propone que

- la capa de cobre presente una proporción máxima de los elementos Al, Sb, Ti, Zr de respectivamente como máximo 0-3 ppm, con lo que

- de acuerdo con otro modo de realización preferente, la capa de cobre presenta una proporción de los elementos Al, Sb, Ti, Zr de en total al menos 1,0 ppm y como máximo 10 ppm.

Además, se propone que

- la capa de cobre presente una proporción de los elementos As, Co, In, Mn, Pb, Si de respectivamente como máximo 0-5 ppm, con lo que

- de acuerdo con otro modo de realización preferente, la capa de cobre presenta una proporción de los elementos As, Co, In, Mn, Pb, Si de en total al menos 1,0 ppm y como máximo 20 ppm.

Además, se propone que

- la capa de cobre presente una proporción de los elementos B, Be, Cr, Fe, Mn, Ni, P, S de respectivamente como máximo 0-10 ppm, con lo que

- de acuerdo con otro modo de realización preferente, la capa de cobre presenta una proporción total de los elementos B, Be, Cr, Fe, Mn, Ni, P, S de en total al menos 1,0 ppm y como máximo 50 ppm.

Además, se propone que

- la capa de cobre presenta una proporción de los elementos mencionados en las reivindicaciones 4 a 16, incluyendo otras impurezas, de preferentemente como máximo 50 ppm.

La invención se explica a continuación en base a modos de realización preferentes con referencia a las figuras adjuntas. A este respecto, muestra

la fig. 1 un sustrato de cobre-cerámica de acuerdo con la invención con dos capas de cobre

Los módulos de potencia son componentes semiconductores de la electrónica de potencia y se utilizan como interruptores semiconductores. Contienen varios semiconductores de potencia (chips) eléctricamente aislados del disipador de calor en una carcasa. Estos se aplican sobre una superficie metalizada de una placa eléctricamente aislante (por ejemplo, de cerámica) por medio de soldadura o pegado, para que, por un lado, se garantice la disipación de calor en dirección a la placa base y, por otro lado, el aislamiento eléctrico. El compuesto de capas metalizadas y placa aislante se conoce como sustrato de cobre-cerámica y se implementa a gran escala a través de la mencionada tecnología DCB (Direct Copper Bonding).

La puesta en contacto de los chips se implementa mediante la unión con hilos de unión delgados. Además, pueden estar presentes e integrados otros grupos constructivos de la más diferente función (por ejemplo, sensores, resistencias).

Para producir un sustrato DCB, los soportes de cerámica (por ejemplo, AhO³, Si3N4, AIN, ZTA, ATZ) se conectan entre sí con capas de cobre en el lado superior e inferior en un proceso de unión. Durante la preparación para este proceso, las capas de cobre se pueden oxidar superficialmente (por ejemplo, química o térmicamente) antes de colocarlas sobre el soporte de cerámica y a continuación colocarse sobre el soporte de cerámica. La conexión se origina en un proceso a alta temperatura entre 1060 °C y 1085 °C, en el que se origina una masa fundida eutéctica en la superficie de la capa de cobre, que forma una conexión con el soporte de cerámica. En el caso del cobre (Cu) sobre óxido de aluminio (A^O³), por ejemplo, esta conexión se compone de una fina capa de espinela de Cu-Al.

En la fig. 1 se puede reconocer un sustrato de cobre-cerámica 1 perfeccionado de acuerdo con la invención con un soporte de cerámica 2 y dos capas de cobre 3 y 4. De acuerdo con la invención, las dos capas de cobre 3 y 4 perfeccionadas de acuerdo con la invención presentan una microestructura con un diámetro de tamaño de grano promedio de 200 a 500 ym, preferentemente de 300 a 400 ym.

Las capas de cobre 3 y 4 pueden estar conectadas con el sustrato de cerámica 2, por ejemplo, de acuerdo con el procedimiento DCB descrito al inicio, de modo que estas están conectadas con el soporte de cerámica 2 mediante una conexión por adhesión de material en las respectivas zonas de borde de superficie 5 y 6.

Durante el procedimiento DCB, las capas de cobre 3 y 4 en forma de productos semiacabados de cobre preoxidados se colocan sobre el soporte de cerámica 2 y luego se calientan a la temperatura de proceso de 1060 °C a 1085 °C. A este respecto, el óxido de Cu en las capas de cobre 3 y 4 se funde y configura las conexiones en las zonas de borde de la superficie con el soporte de cerámica 2. Debido a los efectos de la temperatura y la recristalización de los dos materiales de cobre, la microestructura se puede ajustar mediante la elección de tiempos de permanencia y tiempos de enfriamiento correspondientes, de modo que el diámetro de tamaño de grano promedio preferente se ajuste automáticamente. Dado que la influencia del tratamiento térmico, incluyendo el proceso de enfriamiento, se conoce sin más por un experto en la técnica, puede seleccionar los parámetros de forma específica, de modo que la microestructura se configure de acuerdo con la invención sin que se requiera un tratamiento térmico adicional. Pero, siempre que el proceso de unión no permita un ajuste de este tipo o esto sea desventajoso por razones económicas, la microestructura también se puede lograr mediante un tratamiento térmico posterior o llevado a cabo previamente. Además, las capas de cobre 3 y 4 presentan preferentemente una dureza Vickers de 40 a 100 después de la unión.

Las capas de cobre 3 y 4 con la microestructura de acuerdo con la invención o con las proporciones propuestas de acuerdo con la invención y en particular con las proporciones de O propuestas son materiales de Cu altamente conductores y presentan una conductividad de 50 MS/m, preferentemente al menos 57 MS/m y de forma especialmente preferente de al menos 58 MS/m. No obstante, también son concebibles materiales con una conductividad más baja.

Los productos semiacabados de cobre de las capas de cobre 3 y 4 pueden presentar un espesor de 0,1 a 1,0 mm y se colocan en grandes dimensiones sobre el soporte de cerámica 2 y se conectan al soporte de cerámica 2 mediante el procedimiento DCB. A continuación, el sustrato de cobre-cerámica 1 de gran superficie se corta en unidades más pequeñas y se procesa adicionalmente.

Las capas de cobre 3 y 4 también pueden presentar al menos un 99,95 % de Cu, preferentemente al menos un 99,99 % de Cu, como máximo 25 ppm de Ag, como máximo 10 ppm o preferentemente como máximo 5 ppm de O. Adicionalmente, las capas de cobre 3 y 4 pueden presentar una proporción de los elementos Cd, Ce, Ge, V, Zn de respectivamente como máximo 0-1 ppm y/o presentar una proporción de los elementos Bi, Se, Sn, Te de respectivamente como máximo 0-2 ppm y/o presentar una proporción de los elementos Al, Sb, Ti, Zr de respectivamente como máximo 0-3 ppm y/o presentar una proporción de los elementos As, Co, In, Mn, Pb, Si de respectivamente como máximo 0-5 ppm y/o presentar una proporción de los elementos B, Be, Cr, Fe, Mn, Ni, P, S de respectivamente como máximo 0-10 ppm. Los elementos adicionales enumerados se pueden incorporar deliberadamente en la microestructura mediante dopado durante el proceso de fusión inmediatamente antes de la colada, o también pueden estar presentes en las capas de cobre 3 y 4 durante la producción de los productos semiacabados de cobre debido a las impurezas. En cualquier caso, la proporción de estos elementos, incluyendo otras impurezas, debe ser preferentemente como máximo de 50 ppm.

Además, de acuerdo con otro modo de realización preferente, la capa de cobre puede presentar una proporción de los elementos Cd, Ce, Ge, V, Zn de en total al menos 0,5 ppm y como máximo 5 ppm, una proporción de los elementos Bi, Se, Sn, Te en total al menos 1,0 ppm y como máximo 8 ppm, una proporción de los elementos Al, Sb, Ti, Zr de en total al menos 1,0 ppm y como máximo 10 ppm, una proporción de los elementos As, Co, In, Mn, Pb, Si de en total al menos 1,0 ppm y como máximo 20 ppm y una proporción de los elementos B, Be, Cr, Fe, Mn, Ni, P, S de en total al menos 1,0 ppm y como máximo de 50 ppm.

Las proporciones de cantidad descritas de los elementos son necesarias para conseguir el tamaño de grano promedio de la microestructura propuesto de acuerdo con la invención. A este respecto, la configuración de la microestructura se puede atribuir en particular al refinamiento de grano de la microestructura provocado mediante los elementos y a la reducción de la recristalización secundaria en la microestructura durante el proceso de unión. Por ejemplo, la temperatura de recristalización se puede cambiar y, en particular, aumentar mediante el elemento As, de modo que la microestructura ya no se modifique tanto durante el proceso de unión que el tamaño de grano promedio se aumente y, por lo tanto, quede fuera del rango propuesto. Además, mediante el elemento Zr se puede provocar la conservación la microestructura con recepción del tamaño de grano promedio con una influencia de la temperatura, ya que el Zr actúa como un núcleo extraño.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Sustrato de cobre-cerámica (1) con

- un soporte de cerámica (2), y

- al menos una capa de cobre (3, 4) conectada con una superficie del soporte de cerámica (2), que

- presenta una superficie libre para configurar una microestructura conductora y/o para fijar hilos de unión, caracterizado por que

- la capa de cobre (3, 4) presenta una estructura con un diámetro de tamaño de grano promedio de 300 a 500 pm, y - la capa de cobre (3, 4) presenta una proporción de al menos un 99,95 % de Cu, preferentemente al menos un 99,99 % de Cu,

- la capa de cobre (3, 4) presenta una proporción de los elementos B, Be, Cr, Fe, Mn, Ni, P, S de respectivamente como máxima 0-10 ppm, en el que

- la capa de cobre (3, 4) presenta una proporción de los elementos B, Be, Cr, Fe, Mn, Ni, P, S de en total al menos 1,0 ppm y como máximo 50 ppm.

2. Sustrato de cobre-cerámica (1) de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por que

- la capa de cobre (3, 4) presenta una conductividad eléctrica de al menos 50 MS/m, preferentemente de al menos 57 MS/m y de forma especialmente preferente de al menos 58 MS/m.

3. Sustrato de cobre-cerámica (1) de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, caracterizado por que

- la capa de cobre (3, 4) presenta una dureza Vickers de 40 a 100.

4. Sustrato de cobre-cerámica (1) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que - la capa de cobre (3, 4) presenta una proporción de como máximo 25 ppm de Ag.

5. Sustrato de cobre-cerámica (1) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que - la capa de cobre (3, 4) presenta una proporción de como máximo 10 ppm, preferentemente como máximo 5 ppm de O.

6. Sustrato de cobre-cerámica (1) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que - la capa de cobre (3, 4) presenta una proporción de los elementos Cd, Ce, Ge, V, Zn de respectivamente como máximo 0-1 ppm.

7. Sustrato de cobre-cerámica (1) de acuerdo con la reivindicación 6, caracterizado por que

- la capa de cobre (3, 4) presenta una proporción de los elementos Cd, Ce, Ge, V, Zn de en total al menos 0,5 ppm y como máximo 5 ppm.

8. Sustrato de cobre-cerámica (1) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que - la capa de cobre (3, 4) presenta una proporción de los elementos Bi, Se, Sn, Te de respectivamente como máximo 0-2 ppm.

9. Sustrato de cobre-cerámica (1) de acuerdo con la reivindicación 8, caracterizado por que

- la capa de cobre (3, 4) presenta una proporción de los elementos Bi, Se, Sn, Te de en total al menos 1,0 ppm y como máximo 8 ppm.

10. Sustrato de cobre-cerámica (1) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que

- la capa de cobre (3, 4) presenta una proporción de los elementos Al, Sb, Ti, Zr de respectivamente como máximo 0 3 ppm.

11. Sustrato de cobre-cerámica (1) de acuerdo con la reivindicación 10, caracterizado por que

- la capa de cobre (3, 4) presenta una proporción de los elementos Al, Sb, Ti, Zr de en total al menos 1,0 ppm y como máximo 10 ppm.

12. Sustrato de cobre-cerámica (1) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que

- la capa de cobre (3, 4) presenta una proporción de los elementos As, Co, In, Mn, Pb, Si de respectivamente como máximo 0-5 ppm.

13. Sustrato de cobre-cerámica (1) de acuerdo con la reivindicación 12, caracterizado por que

- la capa de cobre (3, 4) presenta una proporción de los elementos As, Co, In, Mn, Pb, Si de en total al menos 1,0 ppm y como máximo 20 ppm.

14. Sustrato de cobre-cerámica (1) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que

- la capa de cobre (3, 4) presenta una proporción de los elementos mencionados en las reivindicaciones 6 a 13, incluyendo otras impurezas, de como máximo 50 ppm.