WO2015018397A2 - Metall-keramik-substrat sowie verfahren zum herstellen eines metall-keramik-substrates - Google Patents

Metall-keramik-substrat sowie verfahren zum herstellen eines metall-keramik-substrates Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a metal-ceramic substrate according to the preamble of claim 1 or 2 and to a method according to the preamble of claim 12.
  • Metal-ceramic substrates or ceramic substrates with metallizations are known in various designs, in particular as printed circuit boards or substrates for electrical and electronic circuits or modules and in particular for high power circuits or modules.
  • This DCB method then has, for example, the following method steps: > Oxidizing a copper foil so that a uniform copper oxide layer results;
  • EP-A-1 53 61 8) for connecting metallizations forming metal layers or metal foils, in particular also of copper layers or copper foils with the respective ceramic material or ceramic substrate in this method, which is also used especially for the production of metal-ceramic substrates, at a temperature between about 800 ° C - 1000 ° C, a connection between a metal foil, such as copper foil, and a ceramic substrate, such as aluminum nitride ceramic, prepared using a brazing alloy which also contains an active metal in addition to a main component such as copper, silver and / or gold.
  • This active metal which is, for example, at least one element of the group Hf, Ti, Zr, Nb, Ce, establishes a chemical bond between the solder and the ceramic, while the bond between the solder and the metal is a metallic braze joint ,
  • metal-ceramic substrate with an inner layer or base layer made of a silicon nitride ceramic, for example from EP 798 781 B1, in comparison to other ceramics, in particular also in comparison to an aluminum oxide ceramic (AbO 2 ceramic). a much higher mechanical
  • this reaction consumes the liquid eutectic Cu / Cu 2 phase necessary for the bonding.
  • this reaction consumes the liquid eutectic Cu / Cu 2 phase necessary for the bonding.
  • metal-ceramic substrates having an inner base layer, which is formed by a silicon nitride ceramic and which is provided on both sides with an intermediate layer of an oxide ceramic, to each of which then a metallization is applied by DCB bonding (DE 10 2005 042 554 AI).
  • the intermediate layers consist for example of forsterite, cordierite, mullite or Mixtures thereof.
  • a balance of the very different expansion coefficients of the silicon nitride ceramic and of the metal (eg copper) of the metallizations is achieved by the intermediate layers. Furthermore, by the intermediate layers.
  • the proportion of free silicon dioxide at the transition between the intermediate layer and the respective metallization is substantially zero in order to improve the quality of the eutectic connection of the metallization with the intermediate layer and thus the quality of the Metal-ceramic substrate to avoid overall impairing reaction between the free silicon dioxide and the copper or copper oxide eutectic.
  • This distribution of the free silicon in the intermediate layer requires a special temperature-time profile during firing of the intermediate layer.
  • the object of the invention is to show a metal-ceramic substrate, which in particular as a circuit board for electrical circuits or modules further improved properties, in particular with regard to the adaptation of the coefficient of thermal expansion by the respective intermediate layer and with respect to the prevention of defects by the DCB bonding having released nitrogen.
  • a method for producing a metal-ceramic substrate is the subject of claim 12.
  • a special feature of the metal-ceramic substrate according to the invention is that the respective intermediate layer contains silicon dioxide (SiO 2) in crystalline form, also called cristobalite, in an arbitrary distribution.
  • SiO 2 silicon dioxide
  • Cristobalite is thus understood to mean a crystalline silicon dioxide. Since that
  • Silicon dioxide is present in crystalline form, there is no risk of
  • Reaction rate is greatly reduced.
  • a special temperature-time profile when burning the intermediate layer is therefore not required.
  • this makes it easier and improved to connect the individual phases of the melt.
  • the arbitrary distribution according to the invention of the individual phases in the intermediate layer causes a mechanical stabilization of the layer.
  • the different expansion coefficients can compensate each other by partially no voltage spikes occur. This results in an improved thermal shock resistance.
  • Arbitrary distribution in the sense of the invention is understood to mean a statistically homogeneous distribution without partial accumulations of silicon dioxide in crystalline form or cristobalite.
  • the interlayers compensate for the very different expansion coefficients of the silicon nitride ceramics and the metal (e.g., copper) of the metallizations, so that the metal (e.g., copper) of the metallizations.
  • the oxidic ceramic of the intermediate layer consists exclusively or almost exclusively
  • Magnesium silicate with zirconium and / or yttrium silicate and with a proportion of free silicon oxide in crystalline form Magnesium and zirconium as well as yttrium promote (catalyze) the conversion of glassy silicon oxide (no lattice structure) into the silicon oxide in crystalline form (cristobalite).
  • Figure 1 in a simplified representation of a section through a metal-ceramic substrate according to the invention
  • FIG. 2 shows different method steps in the production of the metal-ceramic substrate of FIG. 1;
  • FIG. 3 is a schematic representation of a method for determining the adhesion or peel strength of the metallization formed on the ceramic material or ceramic substrate and formed by a metal foil;
  • FIG. 4 shows a simplified representation of a section through a structured metal-ceramic substrate according to the invention
  • Figure 5 in a representation similar to Figure 4, a semiconductor module.
  • metal-ceramic substrate consists of a plate-shaped ceramic material or ceramic substrate 2, which on both surface sides by means of the DCB method, each with one of a
  • Metal foil 3.1 or 4.1 i. an illustrated embodiment of a
  • Copper foil formed metallization 3 or 4 is provided with a thickness dm.
  • the ceramic substrate 2 is in turn made of several layers, consisting of an inner ceramic or base layer 5 made of silicon nitride (Si 3 N 4), which is provided on both surface sides in each case with an intermediate layer 6 and 7 made of an oxide ceramic.
  • the intermediate layers 6 and 7 allow the metallization 3 and 4 to be applied by means of the DCB method, without the formation of impurities and with high adhesion or peel strength of the copper forming the metallizations 3 and 4 on the ceramic material 2.
  • the silicon nitride base layer 5 has a thickness de and contains, for example, in addition to silicon nitride and the like. also sintering aids in the form of at least one oxide of Ho, Er, Yb, Y, Mg, Ca, La, Sc, Pt, Ce, Nd, Dy, Sm and / or Gd, e.g. in an amount of 1.0 to 8.0 weight percent, as well as Ti, Fe, Cr as impurities, e.g. in a proportion of 0.1 to 1, 0 weight percent, each based on the total mass of the base layer 5 forming ceramic.
  • the two metallizations 3 and 4 have the same thickness dm, which may be at most four times the thickness de of the base layer 5 or the total thickness of the ceramic material 2.
  • the thickness dm of the metallizations 3 and 4 is in the range between 0.01 mm - 1, 0 mm.
  • the thickness de is for example in the range between 0.1 mm and 2.0 mm.
  • the two intermediate layers 6 and 7 are reproduced in the figure with a greatly increased thickness, which allows the representation of these layers.
  • the thickness of these intermediate layers is actually in the range between 0.5 ⁇ m and 15 ⁇ m, preferably in the range between 2.0 ⁇ m and 4.0 ⁇ m.
  • a special feature of the metal-ceramic substrate 1 is that the
  • Interlayers 6 and 7 contain silicon dioxide (SiO 2) in crystalline form distributed randomly over its entire layer thickness, preferably also amounts of zirconium oxide (ZrO 2) and traces of aluminum silicate (Al 2 SiO 4).
  • SiO 2 silicon dioxide
  • ZrO 2 zirconium oxide
  • Al 2 SiO 4 aluminum silicate
  • SiO2 in crystalline form is also referred to as cristobalite.
  • cristobalite By arbitrary distribution in the sense of the invention is a statistically homogeneous distribution without partial accumulations of silicon dioxide in crystalline form or cristobalite understood.
  • the average particle size diameter of the silicon dioxide (SiO 2) in crystalline form is less than 2 ⁇ , preferably between 0.5 and 1, 5 ⁇ . Furthermore, a matrix-like distribution is provided.
  • silicon dioxide (SiO 2) in crystalline form the existing gaps between other phases in the melt are closed and thereby a diffusion barrier for oxygen is effected.
  • the oxidic interlayers 6 and 7 consist exclusively or substantially exclusively of magnesium silicate (MgSiO 3, Mg 2 Si 2 O 6) with zirconium silicate (ZrSiO 4) and / or yttrium silicate (Y 2 Si 2 O 7), the balance silicon dioxide (SiO 2) in crystalline form, zirconium oxide (ZrO 2) and possibly traces of aluminum silicate (Al2Si04).
  • the intermediate layers 6 and 7 then have the following composition:
  • magnesium silicate 40% by weight magnesium silicate (MgSiO 3 / Mg 2 Si 2 O 6)
  • ZrSi04 zirconium silicate
  • Initial dispersion applied which contains at least Zr, Mg, Y, Al, crystallizers, Ca, Si, Ca.
  • the application is carried out e.g. by spraying, dipping or in a sol-gel process. This is followed by a baking and Dichtsintern the
  • the components of the intermediate layers 6 and 7 thus originate in part from the starting solution or initial dispersion applied to the base layer 5, but in some cases also from the base layer 5 itself
  • the base layer 5 also contains magnesium and / or yttrium, so that the magnesium silicates (MgSi03, Mg2Si206) and / or yttrium silicates (Y2Si207) of the intermediate layers 6 and 7 are at least partially formed from the magnesium or yttrium of the base layer 5.
  • magnesium silicates MgSi03, Mg2Si206
  • Y2Si207 yttrium silicates
  • the metallizations 3 and 4 are applied by means of the DCB method, namely by placing pre-oxidized copper foils 3.1 and 4.1 (position c of FIG. 2) and through
  • a further treatment of the produced metal-ceramic substrate 1 in a pressure method preferably further reduces defects (pores or voids) in the bonding layer, eg in the eutectic bonding layer between the metallizations 3 and 4 and the respective intermediate layer 6 or 7, the metal-ceramic substrate 1 is in this case in a protective gas atmosphere (eg argon) at a temperature between 500 ° C and 1000 ° C applied with such a pressure that a volume reduction of 5 % to 20% of the eutectic compound layer results, for example, with a pressure of up to 10OObar.
  • a protective gas atmosphere eg argon
  • the Pressure treatment is not only reduced defects in the connecting layer, but in the pressure treatment is also material of the metallizations 3 and 4 by permanent deformation in depressions or open pores of the
  • Metalizations 3 and 4 and the silicon nitride of the base layer 5 cause, so that in the DCB process no thermally induced cracks in the
  • the intermediate layers 6 and 7 thus effectively prevent oxygen from the copper or copper oxide eutectic (Cu / Cu 2 0 eutectic) from reaching the base layer 5 during the DCB process, where it can react with the silicon nitride with the release of nitrogen, which to a
  • Blocking effect of the intermediate layers 6 and 7 with respect to oxygen during the DCB process is particularly supported by the fact that the
  • Process temperature and the process duration of the DCB process are substantially smaller than the process temperature and the process duration during firing or dense sintering of the intermediate layers 6 and 7.
  • the base layer 5 has on its surface to be provided with the respective intermediate layer 6 and 7, an average surface roughness Ra after DIN 4760, which is in the range between 0.2 Ra and 0.7 Ra, for example, 0.4 Ra. Only with sufficient surface roughness, can a sufficiently high adhesion or peel strength be achieved for the intermediate layers 6 and 7 and the metallizations 3 and 4 connected thereto, for example a peel strength greater than 40 N / cm. This peel strength is measured by the method shown in FIG. A specimen 1 .1, which corresponds in structure to the metal-ceramic substrate, but only with the metallization 3 and the intermediate layer.
  • the metallization 3 is made as a strip with a width of 1 cm and a thickness of 0.3 mm.
  • a force is exerted with the test specimen 1 .1 clamped, with a size such that the strip-shaped metallization 3 is pulled off the ceramic material 2 at a speed of 0.5 cm / min.
  • the required force F then determines the adhesion or peel strength.
  • FIG. 4 shows the metal-ceramic substrate 1 with structured metallization 3 for forming structured metal regions 3s, e.g. in the form of printed conductors, contact surfaces and / or fastening surfaces.
  • the structuring is done with the usual techniques.
  • FIG. 5 shows the metal-ceramic substrate 1 with structured metallization 3, with the structured metal regions 3s and with electrical or electronic components 8 on the structured metallization 3.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Metall-Keramik-Substrat mit einem mehrschichtigen, plattenförmigen Keramikmaterial oder -Substrat, welches aus einer inneren Basisschicht aus einer Siliziumnitrid-Keramik und aus wenigstens einer auf eine Oberflächenseite der Basisschicht aufgebrachten Zwischenschicht aus einer oxidischen Keramik besteht, sowie mit wenigstens einer Metallisierung, die mit der Zwischenschicht durch Direktbonden (DCB-Verfahren) verbunden ist.

Description

Metall-Keramik-Substrat sowie Verfahren zum Herstellen eines Metall-Keramik- Substrates
Die Erfindung bezieht sich auf ein Metall-Keramik-Substrat gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 oder 2 sowie auf ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 12.
Metall-Keramik-Substrate bzw. Keramiksubstrate mit Metallisierungen sind in verschiedensten Ausführungen bekannt, insbesondere auch als Leiterplatten oder Substrate für elektrische und elektronische Schaltkreise oder Module und dabei speziell für Schaltkreise oder Module mit hoher Leistung.
Bekannt ist weiterhin das sogenannte DCB-Verfahren zum direkten Verbinden von Metallfolien oder Metallisierungen mit einem Keramikmaterial oder Keramiksubstrat zum Herstellen der für Leiterbahnen, Anschlüssen usw. benötigte Metallisierung auf einem Keramiksubstrat, z.B. auf einem Aluminium-Oxid-Keramik-Substrat. Bei diesem beispielsweise in der US-PS 37 44 120 oder in der DE-PS 23 19 854 beschriebenen Verfahren sind Metallschichten oder -folien, z.B. Kupferschichten oder -folien an ihren Oberflächenseiten mit einem Überzug aus einer chemischen Verbindung aus dem Metall (z.B. Kupfer) und einem reaktiven Gas (bevorzugt Sauerstoff) versehen. Dieser Überzug bildet mit einer dünnen Schicht des
angrenzenden Metalls ein Eutektikum (Aufschmelzschicht) mit einer
Schmelztemperatur unter der Schmelztemperatur des Metalls (z.B. Kupfers), so dass durch Auflegen der Metallschicht oder -folie auf die Keramik und durch Erhitzen sämtlicher Schichten diese miteinander verbunden werden können, und zwar durch Aufschmelzen des Metalls im Wesentlichen nur im Bereich der Aufschmelzschicht bzw. Oxidschicht. Bei Verwendung von Kupfer oder eine Kupferlegierung als Metall wird dieses Verfahren auch als DCB-Bonden oder DCB-Verfahren (Direct-Copper- Bonding-Verfahren) bezeichnet.
Dieses DCB-Verfahren weist dann z.B. folgende Verfahrensschritte auf: > Oxidieren einer Kupferfolie derart, dass sich eine gleichmäßige Kupferoxid Schicht ergibt;
> Auflegen des Kupferfolie auf die Keramikschicht;
> Erhitzen des Verbundes auf eine Prozesstemperatur zwischen etwa 1025°C bis 1083 °C, z.B. auf ca. 1071 °C;
> Abkühlen auf Raumtemperatur.
Bekannt ist weiterhin das sogenannte Aktivlot-Verfahren (DE 22 1 3 1 1 5;
EP-A-1 53 61 8) zum Verbinden von Metallisierungen bildenden Metallschichten oder Metallfolien, insbesondere auch von Kupferschichten oder Kupferfolien mit dem jeweiligen Keramikmaterial oder Keramiksubstrat. Bei diesem Verfahren, welches speziell auch zum Herstellen von Metall-Keramik-Substraten verwendet wird, wird bei einer Temperatur zwischen ca. 800°C - 1000°C eine Verbindung zwischen einer Metallfolie, beispielsweise Kupferfolie, und einem Keramiksubstrat, beispielsweise Aluminiumnitrid-Keramik, unter Verwendung eines Hartlots hergestellt, welches zusätzlich zu einer Hauptkomponente, wie Kupfer, Silber und/oder Gold auch ein Aktivmetall enthält. Dieses Aktivmetall, welches beispielsweise wenigstens ein Element der Gruppe Hf, Ti, Zr, Nb, Ce ist, stellt durch chemische Reaktion eine Verbindung zwischen dem Lot und der Keramik her, während die Verbindung zwischen dem Lot und dem Metall eine metallische Hartlöt-Verbindung ist.
Bekannt ist weiterhin ein Metall-Keramik-Substrat mit einer inneren Schicht oder Basisschicht aus einer Siliziumnitrid-Keramik, beispielsweise aus der EP 798 781 B1 , die im Vergleich zu anderen Keramiken, insbesondere auch im Vergleich zu einer Aluminiumoxid-Keramik (Ab02-Keramik) eine wesentlich höhere mechanische
Festigkeit aufweist. Um das Aufbringen der Metallisierungen mit dem DCB-Verfahren zu ermöglichen, wurde vorgeschlagen, auf die Oberflächenseiten der Basisschicht aus der Siliziumnitrid-Keramik jeweils eine Zwischenschicht aus einer reinen
Aluminiumoxid-Keramik aufzubringen. Diese Verfahrensweise führt jedoch nicht zu einer vollständigen, insbesondere auch nicht zu einer fehlstellenfreien Verbindung zwischen dem Keramikmaterial und der Metallisierung. Vielmehr ergeben sich speziell auch bei Verwendung von Metallisierungen aus Kupfer zahlreiche
Gaseinschlüsse zwischen der Metallisierung und dem Keramikmaterial, die durch eine Reaktion zwischen dem Sauerstoff aus dem Kupfer- bzw. Kupferoxid-Eutektikum (Cu/Cu20-Eutektikum) und der Siliziumnitrid-Keramik herrühren, und zwar entsprechend der nachstehenden Formel: 6 CuO + Si3N4 ^ 3 Si02 + 6 Cu + N2.
Durch diese Reaktion wird einerseits die für das Bonden notwendige flüssige eutektische Cu/Cu2-Phase verbraucht. Andererseits bilden sich durch den
entstehenden gasförmigen Stickstoff (N2) Blasen. Diese nachteilige Reaktion lässt sich bei einer Zwischenschicht aus der reinen Aluminiumoxid-Keramik nicht vermeiden. Dies ist nach einer der vorliegenden Erfindung zugrunde liegenden Erkenntnis u.a. auf die sehr unterschiedlichen thermischen
Ausdehnungskoeffizienten von Siliziumnitrid (3,0 x 10~6 K"1) und von Aluminiumoxid (8 x 10~6 K"1) zurückzuführen. Diese Unterschiede im thermischen
Ausdehnungskoeffizient führen z.B. während des Aufbrennens oder Sinterns der
Zwischenschicht aus der Aluminiumoxid-Keramik, aber auch während des Bondens der Metallisierungen (DCB-Verfahren) zu Rissen in der Zwischenschicht, so dass durch diese Risse hindurch die vorstehende Reaktion zwischen dem Cu/Cu20- Eutektikum und der Siliziumnitrid-Keramik erfolgen kann.
Bekannt ist weiterhin (EP 0 499 589) auf eine Keramikbasisschicht wenigstens eine Zwischenschicht aus reinem Siliziumoxid bzw. Siliziumdioxid (Si02) vorzusehen und dann mit Hilfe des DCB-Verfahrens die Metallisierung aufzubringen. Diese Verfahrensweise führt ebenfalls nicht zu einem brauchbaren Ergebnis, da die für das DCB-Verfahren notwendige eutektische Schmelze mit dem Si02 zu flüssigen Cu20- Si02 reagiert. Eine Zwischenschicht aus Siliziumdioxid (Si02) ist somit für das Aufbringen der Metallisierungen mit dem DCB-Verfahren nicht brauchbar.
Bekannt sind weiterhin Metall-Keramik-Substrate mit einer inneren Basisschicht, die von einer Siliziumnitrid-Keramik gebildet ist und die beidseitig mit jeweils einer Zwischenschicht einer oxidischen Keramik versehen ist, auf die dann jeweils eine Metallisierung durch DCB-Bonden aufgebracht ist (DE 10 2005 042 554 AI ). Die Zwischenschichten bestehen dabei beispielsweise aus Forsterit, Cordierit, Mullit oder Mischungen hiervon. Durch die Zwischenschichten wird u.a. auch ein Ausgleich der sehr unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten der Silizumnitrid-Keramik und des Metalls (z.B. Kupfer) der Metallisierungen erreicht. Weiterhin wird durch die
Zwischenschichten während des DCB-Prozesses eine Reaktion des Sauerstoffs aus dem Kupfer- bzw. Kupferoxid-Eutektikum mit der Siliziumnitrid-Keramik und damit durch freigesetzten Stickstoff bedingte Fehlstellen in der eutektischen Verbindung zwischen der jeweiligen Metallisierung und der Zwischenschicht vermieden.
Angestrebt ist bei diesem bekannten Metall-Keramik-Substrat auch, dass der Anteil an freiem Siliziumdioxid am Übergang zwischen der Zwischenschicht und der jeweiligen Metallisierung im Wesentlichen Null ist, um eine die Qualität der eutektischen Verbindung der Metallisierung mit der Zwischenschicht und damit eine die Qualität des Metall-Keramik-Substrates insgesamt beeinträchtigenden Reaktion zwischen dem freien Siliziumdioxid und dem Kupfer bzw. Kupferoxid-Eutektikum zu vermeiden. Diese Verteilung des freien Siliziums in der Zwischenschicht erfordert ein besonderes Temperatur-Zeit-Profil beim Brennen der Zwischenschicht.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Metall-Keramik-Substrat aufzuzeigen, welches insbesondere auch als Leiterplatte für elektrische Schaltkreise oder Module weiter verbesserte Eigenschaften, insbesondere hinsichtlich der Anpassung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten durch die jeweilige Zwischenschicht sowie hinsichtlich der Vermeidung von Fehlstellen durch beim DCB-Bonden freigesetzten Stickstoff aufweist.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Metall-Keramik-Substrat entsprechend den
Patentansprüchen 1 oder 2 ausgebildet. Ein Verfahren zum Herstellen eines Metall- Keramik-Substrates ist Gegenstand des Patentanspruches 12.
Eine Besonderheit des erfindungsgemäßen Metall-Keramik-Substrates besteht darin, dass die jeweilige Zwischenschicht Siliziumdioxid (Si02) in kristalliner Form, auch Cristobalit genannt, enthält, und zwar in einer willkürlichen Verteilung. Unter Cristobalit wird damit ein kristallines Siliziumdioxid verstanden. Da das
Siliziumdioxid in kristalliner Form vorliegt, besteht keine Gefahr einer
Beeinträchtigung der Qualität der eutektischen Verbindung zwischen der Zwischenschicht und der Metallisierung durch die Reaktion zwischen freiem
Siliziumoxid und dem Kupfer bzw. Kupferoxid-Eutektikum, da die
Reaktionsgeschwindigkeit stark herabgesetzt ist. Ein besonderes Temperatur-Zeit- Profil beim Brennen der Zwischenschicht ist daher nicht erforderlich. Ferner ist dadurch ein leichteres und verbessertes Verbinden der einzelnen Phasen der Schmelze möglich. Die erfindungsgemäße willkürliche Verteilung der einzelnen Phasen in der Zwischenschicht bewirkt eine mechanische Stabilisierung der Schicht. Vorteilhaft können die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten sich gegenseitig kompensieren indem partiell keine Spannungsspitzen entstehen. Daraus resultiert eine verbesserte Temperaturwechselbeständigkeit.
Unter willkürlicher Verteilung wird im erfindungsgemäßen Sinne eine statistisch homogene Verteilung ohne partielle Ansammlungen von Siliziumdioxid in kristalliner Form bzw. Cristobalit verstanden.
Auch bei der Erfindung wird durch die Zwischenschichten ein Ausgleich der sehr unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten der Silizumnitrid-Keramik und des Metalls (z.B. Kupfer) der Metallisierungen erreicht, so dass durch die
Zwischenschichten während des DCB-Prozesses eine Reaktion des Sauerstoffs aus dem Kupfer- bzw. Kupferoxid-Eutektikum mit der Siliziumnitrid-Keramik und damit Fehlstellen in der eutektischen Verbindung, die (Fehlstellen) durch freigesetzten Stickstoff bedingt sind, zwischen der jeweiligen Metallisierung und der
Zwischenschicht vermieden werden. Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht die oxidische Keramik der Zwischenschicht ausschließlich oder nahezu ausschließlich
Magnesiumsilikat mit Zirkonium- und/oder Yttriumsilikat und mit einem Anteil an freiem Siliziumoxid in kristalliner Form. Magnesium und Zirkonium sowie Yttrium fördern (katalysieren) die Umwandlung von glasförmigem Siliziumoxid (keine Gitter struktur) in das Siliziumoxid in kristalliner Form (Cristobalit).
Der Ausdruck„im Wesentlichen" bzw.„etwa" bzw.„ca." bedeutet im Sinne der Erfindung Abweichungen vom jeweils exakten Wert um +/- 10%, bevorzugt um +/- 5% und/oder Abweichungen in Form von für die Funktion unbedeutenden
Änderungen.
Weiterbildungen, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und aus den Figuren. Dabei sind alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten
Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination grundsätzlich Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung. Auch wird der Inhalt der Ansprüche zu einem Bestandteil der Beschreibung gemacht. Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 in vereinfachter Darstellung einen Schnitt durch ein Metall-Keramik-Substrat gemäß der Erfindung;
Figur 2 verschiedene Verfahrensschritte bei der Herstellung des Metall-Keramik- Substrats der Figur 1 ;
Figur 3 in schematischer Darstellung eine Methode zur Ermittlung der Adhäsions- bzw. Peelfestigkeit der auf das Keramikmaterial oder Keramiksubstrat aufgebrachten, von einer Metallfolie gebildeten Metallisierung;
Figur 4 in vereinfachter Darstellung einen Schnitt durch ein strukturiertes Metall- Keramik-Substrat gemäß der Erfindung;
Figur 5 in einer Darstellung ähnlich Figur 4 ein Halbleitermodul.
Das in den Figuren mit 1 bezeichnete Metall-Keramik-Substrat besteht aus einem plattenförmigen Keramik-Material oder Keramik-Substrat 2, welches an beiden Oberflächenseiten mit Hilfe des DCB-Verfahrens mit jeweils einer von einer
Metallfolie 3.1 bzw. 4.1 , d.h. einer dargestellten Ausführungsform von einer
Kupferfolie gebildeten Metallisierung 3 bzw. 4 mit einer Dicke dm versehen ist. Das Keramiksubstrat 2 ist seinerseits mehrschichtig ausgeführt, und zwar bestehend aus einer inneren Keramik- oder Basisschicht 5 aus Siliziumnitrid (Si3N4), die an beiden Oberflächenseiten jeweils mit einer Zwischenschicht 6 und 7 aus einer oxidischen Keramik versehen ist. Die Zwischenschichten 6 und 7 ermöglichen ein Aufbringen der Metallisierungen 3 und 4 mit Hilfe des DCB-Verfahrens, und zwar ohne die Ausbildung von Störstellen und mit hoher Adhäsions- oder Peelfestigkeit des die Metallisierungen 3 und 4 bildenden Kupfers an dem Keramikmaterial 2.
Die Basisschicht 5 aus Siliziumnitrid besitzt eine Dicke de und enthält beispielsweise zusätzlich zu Siliziumnitrid u.a. auch Sinterhilfsmittel in Form zumindest eines Oxids von Ho, Er, Yb, Y, Mg, Ca, La, Sc, Pt, Ce, Nd, Dy, Sm und/oder Gd, z.B. in einem Anteil von 1 ,0 bis 8,0 Gewichtsprozent sowie auch Ti, Fe, Cr als Verunreinigungen, z.B. in einem Anteil von 0,1 bis 1 ,0 Gewichtsprozent, jeweils bezogen auf die Gesamtmasse der die Basisschicht 5 bildenden Keramik. Bei der dargestellten Ausführungsform besitzen die beiden Metallisierungen 3 und 4 beispielsweise dieselbe Dicke dm, die maximal das Vierfache der Dicke de der Basisschicht 5 oder der Gesamtdicke des Keramikmaterials 2 betragen kann.
Üblicherweise liegt die Dicke dm der Metallisierungen 3 und 4 im Bereich zwischen 0,01 mm - 1 ,0 mm. Die Dicke de liegt beispielsweise im Bereich zwischen 0,1 mm und 2,0 mm.
Die beiden Zwischenschichten 6 und 7 sind in der Figur mit einer stark vergrößerten Dicke wiedergegeben, die die Darstellung dieser Schichten ermöglicht. Die Dicke dieser Zwischenschichten liegt tatsächlich im Bereich zwischen 0,5 μηι und 15 um, bevorzugt im Bereich zwischen 2,0 μηι und 4,0 μηι.
Eine Besonderheit des Metall-Keramik-Substrates 1 besteht darin, dass die
Zwischenschichten 6 und 7 Siliziumdioxid (SiO2) in kristalliner Form über ihre gesamte Schichtdicke willkürlich verteilt enthalten, bevorzugt auch Anteile an Zirkonoxid (ZrO2) und Spuren von Aluminiumsilikat (Al2SiO4). Siliziumdioxid
(SiO2) in kristalliner Form wird auch mit dem Begriff Cristobalite bezeichnet. Unter willkürlicher Verteilung wird im erfindungsgemäßen Sinne eine statistisch homogene Verteilung ohne partielle Ansammlungen von Siliziumdioxid in kristalliner Form bzw. Cristobalit verstanden. Der durchschnittliche Korngrößendurchmesser des Siliziumdioxids (Si02) in kristalliner Form liegt unter 2 μηι, vorzugsweise zwischen 0,5 und 1 ,5 μηι. Es ist ferner eine matrixartige Verteilung vorgesehen. Durch das Siliziumdioxid (Si02) in kristalliner Form die bestehenden Lücken zwischen anderen Phasen in der Schmelze geschlossen werden und dadurch eine Diffusionssperre für Sauerstoff bewirkt wird.
Im Detail bestehen die oxidischen Zwischenschichten 6 und 7 ausschließlich oder im Wesentlichen ausschließlich aus Magnesiumsilikat (MgSi03, Mg2Si206) mit Zirkoniumsilikat (ZrSi04) und/oder Yttriumsilikat (Y2Si207), Rest Siliziumdioxid (Si02) in kristalliner Form, Zirkoniumoxid (Zr02) sowie eventuell Spuren von Aluminiumsilikat (Al2Si04).
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Metall-Keramik- Substrates weisen die Zwischenschichten 6 und 7 dann folgende Zusammensetzung auf:
40 Gewichtsprozent Magnesiumsilikat (MgSi03 / Mg2Si206)
10 Gewichtsprozent Gewichtsprozent Zirkoniumsilikat (ZrSi04) und/oder
Yttriumsilikat (Y2Si207)
Rest: Si02 in kristalliner Form + Zr02 + Spuren von
Al2Si04,
jeweils bezogen auf die Gesamtmasse der jeweiligen Zwischenschicht 6 bzw. 7. Die Herstellung des Keramikmaterials 2 bestehend aus der Basisschicht 5 und den Zwischenschichten 6 und 7 erfolgt beispielsweise, wie folgt:
Auf die Basisschicht 5 (Figur 2, Position a) wird eine Ausgangslösung oder
Ausgangsdispersion aufgebracht, die zumindest Zr, Mg, Y, AI, Kristallbildner, Ca, Si, Ca enthält. Das Aufbringen erfolgt z.B. durch Sprühen, Tauchen oder in einem Sol- Gel-Prozess. Im Anschluss daran erfolgt ein Einbrennen und Dichtsintern der
Zwischenschichten 6 und 7 in einer oxidischen Atmosphäre, und zwar bei einer Temperatur und mit einer Prozessdauer, die deutlich über der Prozesstemperatur und Prozessdauer des DCB-Verfahrens liegen, d.h. bei einer Temperatur im Bereich zwischen 1 100°C und 1400°C und mit einer Brenn- oder Prozessdauer
beispielsweise von mehrere Stunden, z.B. von etwa ein bis sechs Stunden. Der bei diesem Einbrennen und Dichtsintern aus dem Siliziumnitrid der Basisschicht 5 freigesetzte Stickstoff kann über freie Gitterplätze in der jeweils entstehenden Zwischenschicht 6 bzw. 7 nach außen entweichen, so dass dichte
Zwischenschichten 6 und 7 ohne Fehlstellen erreicht werden. Nach dem Einbrennen und Dichtsintern ist das Keramikmaterial 2 erhalten (Figur 2, Position b).
Die Komponenten der Zwischenschichten 6 und 7 stammen somit teilweise aus der auf die Basisschicht 5 aufgebrachten Ausgangslösung oder Ausgangsdispersion, teilweise aber auch aus der Basisschicht 5 selbst. Bei einer bevorzugten
Ausführungsform enthält die Basisschicht 5 auch Magnesium und/oder Yttrium, sodass die Magnesiumsilikate (MgSi03, Mg2Si206) und/oder Yttriumsilikate (Y2Si207) der Zwischenschichten 6 und 7 zumindest zum Teil aus dem Magnesium oder Yttrium der Basisschicht 5 gebildet werden.
Nach dem Erzeugen der Zwischenschichten 6 und 7 werden mit Hilfe des DCB- Verfahrens die Metallisierungen 3 und 4 aufgebracht, und zwar durch Auflegen von voroxidierten Kupferfolien 3.1 und 4.1 (Position c der Figur 2) und durch
anschließendes Erhitzen der von dem Keramikmaterial 2 und den Kupferfolien 3.1 und 4.1 gebildeten Anordnung auf die DCB-Bond- oder Prozesstemperatur zwischen etwa 1025°C bis 1083 °C, beispielsweise 1071 °C über eine Zeitdauer kürzer 20 Minuten. (Position d der Figur2). Nach dem DCB-Bonden der Metallisierungen 3 und 4 erfolgt bevorzugt noch eine Nachbehandlung des hergestellten Metall-Keramik-Substrates 1 in einem Druck- Verfahren weiteren Reduzierung von Fehlstellen (Poren oder Lunkern) in der Verbindungsschicht, z.B. in der eutektischen Verbindungsschicht zwischen den Metallisierungen 3 und 4 und der jeweiligen Zwischenschicht 6 bzw. 7. das Metall- Keramik-Substrates 1 wird hierbei in einer Schutzgasatmosphäre (z.B. Argon) bei einer Temperatur zwischen 500°C und 1000°C mit einem solchen Druck beaufschlagt, dass sich eine Volumenreduzierung von 5% bis 20% der eutektischen Verbindungsschicht ergibt, beispielsweise mit einem Druck bis zu 10OObar. Mit der Druckbehandlung werden nicht nur Fehlstellen in der Verbindungsschicht reduziert, sondern bei der Druckbehandlung wird auch Material der Metallisierungen 3 und 4 durch bleibende Verformung in Vertiefungen oder offene Poren der
Verbindungsschicht hineingedrückt, wodurch die Haftfestigkeit der Metallisierungen 3 und 4 zusätzlich verbessert wird.
Es hat sich gezeigt, dass die Zwischenschichten 6 und 7 in der beschriebenen Zusammensetzung in vorteilhafter Weise einen Ausgleich der sehr unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Metalls bzw. Kupfers der
Metallisierungen 3 und 4 und des Siliziumnitrids der Basisschicht 5 bewirken, so dass sich beim DCB Prozess keine thermisch bedingten Risse in den
Zwischenschichten 6 und 7 ergeben, die die Dichtheit dieser Schichten
beeinträchtigen könnten. Die Zwischenschichten 6 und 7 verhindern somit wirksam, dass während des DCB-Prozesses Sauerstoff aus dem Kupfer- bzw. Kupferoxid- Eutektikum (Cu/Cu20-Eutektikum) an die Basisschicht 5 gelangen und dort mit dem Siliziumnitrid unter Freisetzung von Stickstoff reagieren kann, was zu einer
Blasenbildung bzw. zur Bildung von Fehlstellen in der Verbindung zwischen den Metallisierungen 3 und 4 und dem Keramikmaterial führen würde. Diese
Sperrwirkung der Zwischenschichten 6 und 7 gegenüber Sauerstoff während des DCB-Prozesses wird insbesondere auch dadurch unterstützt, dass die
Prozesstemperatur und die Prozessdauer des DCB-Prozesses wesentlich kleiner sind als die Prozesstemperatur und die Prozessdauer beim Brennen bzw. Dichtsintern der Zwischenschichten 6 und 7. Die Basisschicht 5 weist an ihrer mit der jeweiligen Zwischenschicht 6 bzw. 7 zu versehenen Oberfläche eine mittlere Oberflächenrauheit Ra nach DIN 4760 auf, die im Bereich zwischen 0,2 Ra und 0,7 Ra liegt, beispielsweise 0,4 Ra beträgt. Erst bei einer ausreichenden Oberflächenrauheit, lässt sich für die Zwischenschichten 6 und 7 und die mit diesen verbundenen Metallisierungen 3 und 4 eine ausreichend hohe Adhäsion- bzw. Peelfestigkeit erreichen, beispielsweise eine Peelfestigkeit größer als 40 N/cm. Diese Peelfestigkeit wird mit der in der Figur 3 dargestellten Methode gemessen. Ein Prüfling 1 .1 , der von seinem Aufbau her dem Metall-Keramik-Substrat entspricht, allerdings nur mit der Metallisierung 3 und der Zwischenschicht 6 versehen ist, wird in der vorbeschriebenen Weise hergestellt. Die Metallisierung 3 ist dabei als Streifen mit einer Breite von 1 cm und einer Dicke mit 0,3 mm gefertigt. An einem nach oben wegstehenden Ende der streifenförmigen Metallisierung 3 wird bei eingespanntem Prüfling 1 .1 eine Kraft ausgeübt, und zwar mit einer solchen Größe, dass die streifenförmige Metallisierung 3 mit einer Geschwindigkeit von 0,5 cm/min von dem Keramikmaterial 2 abgezogen wird. Die hierfür benötigte Kraft F bestimmt dann die Adhäsions- oder Peelfestigkeit.
Die Figur 4 zeigt das Metall-Keramik-Substrat 1 mit strukturierter Metallisierung 3 zur Ausbildung strukturierter Metal Ibereiche 3s z.B. in Form von Leiterbahnen, Kontakt- und/oder Befestigungsflächen. Die Strukturierung ist mit den üblichen Techniken erfolgt.
Die Figur 5 zeigt das Metall-Keramik-Substrat 1 mit strukturierter Metallisierung 3, mit den strukturierten Metallbereichen 3s und mit elektrischen oder elektronischen Bauelementen 8 auf der strukturierten Metallisierung 3.
Die Erfindung wurde voranstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es versteht sich, dass Änderungen sowie Abwandlungen möglich sind, ohne dass dadurch der der Erfindung zugrunde liegende Erfindungsgedanke verlassen wird.
Bezugszeichenliste
1 Metall-Keramik-Substrat
1 .1 Prüfling
2 Keramikmaterial
3, 4 Metallisierung
3s Metallbereich der strukturierten Metallisierung 3
3.1 , 4.1 Metallfolie
5 Basisschicht
6, 7 Zwischenschicht
8 Bauelement
F Kraft
de Dicke der Basisschicht 5
dm Dicke der Metallisierungen

Claims

Patentansprüche
Metal l-Keramik-Substrat mit einem mehrschichtigen, plattenförmigen
Keramikmaterial oder -Substrat (2), welches aus einer inneren Basisschicht (5) aus einer Si liziumnitrid-Keramik und aus wenigstens einer auf eine Oberflächenseite der Basisschicht (5) aufgebrachten Zwischenschicht (6, 7) aus einer oxidischen Keramik besteht, sowie mit wenigstens einer Metallisierung (3, 4), die mit der Zwischenschicht (6, 7) durch Direktbonden (DCB-Verfahren) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet,
dass die wenigstens eine Zwischenschicht (6, 7) aus der oxidischen Keramik Siliziumdioxid (SiO2) in kristal liner Form in einer wi l lkürlichen Vertei lung enthält.
Metal l-Keramik-Substrat mit einem mehrschichtigen, plattenförmigen
Keramikmaterial oder -Substrat (2), welches aus einer inneren Basisschicht (5) aus einer Si liziumnitrid-Keramik und aus wenigstens einer auf eine Oberflächenseite der Basisschicht (5) aufgebrachten Zwischenschicht (6, 7) aus einer oxidischen Keramik besteht, sowie mit wenigstens einer Metallisierung (3, 4), die mit der Zwischenschicht (6, 7) durch Direktbonden (DCB-Verfahren) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet,
dass die wenigstens eine Zwischenschicht (6, 7) aus Magnesium-Si likat
(MgSiO3/Mg2Si2O6) mit Zirkoniumsi likat (ZrSiO4) und/oder Yttriumsilikat (Y2Si2O3), Rest Si liziumdioxid (SiO2) in kristal liner Form und Zirkoniumoxid (ZrO2) besteht.
Metal l-Keramik-Substrat nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Zwischenschicht (6, 7) zusätzlich aus Magnesium-Silikat
(MgSiO3/Mg2Si2O6) mit Zirkoniumsi likat (ZrSiO4) und/oder Yttriumsilikat (Y2Si2O3) besteht. Metall-Keramik-Substrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Zwischenschicht (6, 7) ausschließlich oder im Wesentlichen ausschließlich, d.h. bis zu mindestens 40 Gewichtsprozent aus Magnesium-Silikat (MgSiO3/Mg2Si2O6) mit Zirkoniumsilikat (ZrSiO4) und/oder Yttriumsilikat (Y2Si2O3), Rest Siliziumdioxid (SiO2) in kristalliner Form und Zirkoniumoxid (ZrO2) besteht.
Metall-Keramik-Substrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Zwischenschicht (6, 7) Spuren von Aluminiumsilikat (Al2SiO4) enthält.
Metall-Keramik-Substrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Zwischenschicht folgende
Zusammensetzung aufweist:
40 Gewichtsprozent Magnesiumsilikat
10 Gewichtsprozent Zirkoniumsilikat und/oder Yttriumsilikat
50 Gewichtsprozent Siliziumdioxid in kristalliner Form, Zirkonoxid und
Spuren von Aluminiumsilikat und eventuell weiteren Komponenten
jeweils bezogen auf die Gesamtmasse der Zwischenschicht.
Metall-Keramik-Substrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Zwischenschicht eine Dicke im
Bereich zwischen 0,5 und 1 5 μηι, bevorzugt im Bereich zwischen 2 und 4 μηι aufweist.
Metall-Keramik-Substrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Basisschicht (5) am Übergang zu der wenigstens einen Zwischenschicht (6, 7) eine mittlere Oberflächenrauheit im Bereich zwischen 0,2 Ra und 0,7 Ra, vorzugsweise eine mittlere Oberflächenrauheit von 0,4 Ra aufweist.
9. Metall-Keramik-Substrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Basisschicht (5) an ihren beiden, einander
gegenüberliegenden Oberflächenseiten mit der Zwischenschicht (6, 7) versehen ist, und dass auf jede Zwischenschicht jeweils wenigstens eine Metallisierung durch DCB-Bonden aufgebracht ist.
10. Metall-Keramik-Substrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Metallisierung (3, 4) die freiliegende Außenfläche des Metall-Keramik-Substrates bildet.
1 1 . Metall-Keramik-Substrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Metallisierung (3, 4) strukturiert und beispielsweise mit wenigstens einem Bauelement (8) versehen ist. 12. Verfahren zum Herstellen eines Metall-Keramik-Substrats (1 ) nach einem der Ansprüche 2 - 1 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass die wenigstens eine Zwischenschicht (6, 7) aus der oxidischen Keramik in einem Brenn- und/oder Sinterprozess bei einer Prozesstemperatur und/oder Prozessdauer größer als die Prozesstemperatur und/oder Prozessdauer des DCB-
Prozesses erzeugt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Zwischenschicht (6, 7) durch Aufbringen einer Magnesium und/oder Zirkonium und/oder Silizium enthaltenden Lösung oder Dispersion erzeugt wird, z.B. durch Sprühen, Tauchen oder in einem Sol-Gel-Prozess.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das
Magnesium-Silikat der wenigstens einen Zwischenschicht (6, 7) zumindest teilweise aus dem in der Basisschicht (5) enthaltenden Magnesium während des Brennens und/oder Sinterns der Zwischenschicht (6, 7) in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre erzeugt wird.
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Basisschicht (5) an ihrer mit der wenigstens einen Zwischenschicht (6, 7) zu versehenden Oberflächenseite mit einer mittleren Oberflächenrauheit im Bereich zwischen 0,2 Ra und 0,7 Ra versehen wird.
16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Basisschicht (5) an ihren beiden Oberflächenseite mit jeweils einer Zwischenschicht (6, 7) versehen und auf jede Zwischenschicht wenigstens eine Metallisierung (3, 4) durch DCB-Bonden aufgebracht wird.
1 7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Metallisierung (3, 4) strukturiert wird.
18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Aufbringen der Metallisierungen (3, 4) eine Nach- oder
Druckbehandlung des hergestellten Metall-Keramik-Substrates (1 ) in einer Schutzgasatmosphäre (z.B. Argon) bei einer Temperatur zwischen 500°C und 1000°C erfolgt, bevorzugt mit einem solchen Druck, dass sich eine
Volumenreduzierung der Verbindungsschicht zwischen den Metallisierungen (3, 4) und dem Keramikmaterial oder -Substrat (2) von 5% bis 20% ergibt, beispielsweise mit einem Druck bis zu 1000 bar.
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