DE69817648T2

DE69817648T2 - Verfahren zum Herstellen eines Keramik-Metall-Verbundsubstrats und Hartlotwerkstoff zum Verwenden in diesem Verfahren

Info

Publication number: DE69817648T2
Application number: DE69817648T
Authority: DE
Inventors: Masami Chiyoda-ku Sakuraba; Masaya Chiyoda-ku Takahara; Masami Chiyoda-ku Kimura; Junji Chiyoda-ku Nakamura
Original assignee: Dowa Mining Co Ltd
Current assignee: Dowa Holdings Co Ltd
Priority date: 1997-03-12
Filing date: 1998-03-11
Publication date: 2004-07-01
Anticipated expiration: 2018-03-12
Also published as: EP1295671B1; CN1099120C; KR100477866B1; DE69817648D1; KR19980080073A; EP0868961B1; US6221511B1; EP1295671A1; DE69830810D1; EP0868961A1; CN100488689C; US6354484B1; US6399019B1; JP3682552B2; DE69830810T2; CN1422721A; JPH10251075A; CN1201241A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Metall/Keramik-Verbundsubstrate sowie Herstellungsverfahren derselben. Die Erfindung betrifft außerdem Lötmaterialien, die beim Verbinden von Metallen mit Keramiksubstraten wirksam verwendet werden können.
Verschiedene Verfahren zum Verbinden von Metall, wie etwa Kupferplatter, mit Keramiksubstraten, wie etwa Aluminiumnitrid (AlN), sind bekannt, zwei typische Beispiele dafür sind das Aktivmetall-Lötverfahren, das in dem japanischen Laid-Open-Patent Nr. 166165/1985 mit dem Titel "A method of Joining Nitride-Base Ceramics to Metals" ("Verfahren zum Verbinden von auf Nitrid basierender Keramik mit Metallen") beschrieben ist, und das Verfahren, bei dem eine Kupferplatte direkt mit einer modifizierten Oberfläche eines Aluminiumnitridsubstrats verbunden wird (wie etwa typisch in dem japanischen Laid-Open-Patent Nr. 163093/1981 beschrieben).
Das Aktivmetall-Lötverfahren stellt eine höhere Festigkeit der Verbindung bereit als das direkte Verbindungsverfahren und die resultierende Verbindung hat die gewünschten Charakteristika, wie etwa hohe Beständigkeit gegenüber wiederholten Glühzyklen. Daher findet das Aktivmetall-Lötverfahren derzeit beim Verbinden von Kupferplatten mit nicht auf Oxid basierenden Keramiksubstraten, sprich Nitrid-Keramiksubstraten, verbreitet Anwendung.
Zwei Lötmaterialien werden in der Praxis des Aktivmetall-Lötverfahrens kommerziell genutzt, eines davon setzt sich aus Ag, Cu und einem Aktivmetall (reaktionsfähigen Metall) zusammen, das aus Ti, Zr und Hf ausgewählt wird (wie in dem japanischen Laid-Cpen-Patent Nr. 166165/1985 beschrieben), und das andere ist ein Aktivmetallpastenmaterial, das aus Ag, Cu und Titanhydrid zusammengesetzt ist (wie in dem japanischen Laid-Open-Patent Nr. 101153/1991 beschrieben).
Schaltungssubstrate, die durch Verbinden von Kupferplatten mit beiden Seiten eines Aluminiumnitridsubstrats unter Zuhilfenahme dieser Lötmaterialien hergestellt werden, werden bereits kommerziell genutzt.
Bei vielen Lötmaterialien wird ein Aktivmetall einer Struktur zugegeben, die 72% Ag und 28% Cu umfasst, wobei demgemäß das Verbindungsverfahren bei einer Temperatur durchgeführt wird, die über dem eutektischen Punkt von 780°C liegt, bevorzugt bei einer Temperatur von ungefähr 850°C.
Die jüngsten Schaltungssubstrate müssen jedoch bei höherer elektrischer Energie arbeiten, wobei es zur Erfüllung dieser Anforderung erwünscht war, Schaltungssubstrate zu entwickeln, die nicht nur gute Wärmeausstrahlungs- und elektrische Isoliereigenschaften besitzen, sondern auch über höhere Festigkeit und thermische Schlagbiegefestigkeit verfügen.
Ein Ziel der Erfindung besteht daher darin, ein Lötmaterial bereitzustellen, das zur Verwendung in der Herstellung von Energiemodul-Verbundsubstraten geeignet ist, die keine kontaktlosen Abschnitte aufweisen, und das dazu in der Lage ist, ihre Charakteristika gegenüber herkömmlichen Lötmaterialien zu verbessern.
Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung von Metall/Keramik-Verbundsubstraten unter Verwendung des Lötmaterials bereitzustellen.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben intensive Studien durchgeführt, um die genannten Ziele zu erreichen, und herausgefunden, dass Verbindungsverfahren bei einer Temperatur von 780°C ~ 870°C durchgeführt werden könnten, die unter dem Schmelzpunkt von 875°C liegt, und zwar durch Verwendung von Aktivmetall-Lötmaterialien, denen 90% Ag und 9,5% Cu sowie 0,5% eines Aktivmetalls (Ti) zugegeben wird, und dass die zusammengefügten Verbundsubstrate keine kontaktlosen Abschnitte aufwiesen. Es hat sich herausgestellt, dass die weitere Zugabe von bis zu 0,9% Titanoxid die verschiedenen Charakteristika der Verbundsubstrate verbessert.
Die vorliegende Erfindung basiert auf dieser Feststellung.
Die Erfindung stellt ein Verfahren zur Herstellung eines Metall/Keramik-Verbundsubstrats nach Anspruch 1 der anhängigen Ansprüche bereit.
Das Keramiksubstrat ist wenigstens eine Art von Keramiksubstrat, das aus einer Gruppe ausgewählt wird, die aus Al₂O₃, AlN und Si₃N₄ besteht.
Das Aktivmetall ist wenigstens ein Aktivmetall, das aus einer Gruppe ausgewählt wird, die aus Ti, Zr und Hf besteht.
Erfindungsgemäß ist daher ein Verfahren zum Herstellen eines Metall/Keramik-Verbundsubstrats durch Verbinden einer Metallplatte mit einem Keramiksubstrat bereitgestellt, das die Schritte umfasst:

– Zugeben von 10–14 Gewichtsanteilen eines Vehikels zu 100 Gewichtsanteilen eines Pulvers, dessen Feststoffgehalt ein Ag-Pulver in einer Menge von 90,0%–99,5%, ein Cu-Pulver in einer Menge von bis zu 9,5 %, ein reaktionsfähiges Metallpulver in einer Menge von 0,5–2,0% und ein Titanoxidpulver in einer Menge von bis zu 0,9% auf einer Gewichtsbasis umfasst,
– Mischen der jeweiligen Bestandteile zur Bildung eines Lötmaterials in Pastenform,
– Auftragen des Lötmaterials auf das Keramiksubstrat,
– Auflegen einer Metallplatte auf das aufgetragene Lötmaterial und Erwärmen der Anordnung auf eine Temperatur, die nicht über dem Schmelzpunkt des Lötmaterials liegt, um eine Verbindung der Metallplatte und des Keramiksubstrats herzustellen, und
– Auftragen eines Ätzresists auf die Metallplatte der Verbindung zum Formen eines Schaltungsmusters und Ätzen der Metallplatte zum Formen einer metallisierten Schaltung.

Die Erwärmungstemperatur der Anordnung liegt zwischen 780°C und 870°C, die die Temperatur des Schmelzpunktes des Lötmaterials nicht übersteigt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Lötmaterial zur Verwendung beim Verbinden einer Metallplatte mit einem Keramiksubstrat bereitgestellt, das in Pastenform vorliegt und hergestellt wird durch Mischen von 10–14 Gewichtsanteilen eines Vehikels mit 100 Gewichtsanteilen eines Pulvers, dessen Feststoffgehalt ein Ag-Pulver in einer Menge von 90,0% – 99,5%, ein Cu-Pulver in einer Menge von bis zu 9,5%, ein reaktionsfähiges Metallpulver in einer Menge von 0,5–2,0% und ein Titanoxidpulver in einer Menge von bis zu 0,9% auf einer Gewichtsbasis umfasst.
Das in der Erfindung zu verwendende Lötmaterial hat einen Ag-Gehalt von 90,0% 99,5 Gew.-%. Wenn der Ag-Gehalt geringer als 90 Gew.-% ist, werden ungeeignete Verbundsubstrate mit kontaktlosen Abschnitten hergestellt.
Der Cu-Gehalt des Lötmaterials ist geringer als 9,5 Gew.-%. Der Grund dafür, warum der Cu-Gehalt geringer als der des herkömmlichen Ag/Cu-Lötmaterials ist, besteht darin, dass, wenn die Anordnung erwärmt wird, die Ag-Komponente und die Kontaktfläche der Kupferplatte zur Reaktion gebracht werden, um die eutektische Kristallisation zu bewirken.
Das Aktivmetall, das in der Erfindung verwendet werden kann, ist wenigestens ein Element der Gruppe IVa des Periodensystems, beispielsweise Ti, Zr oder Hf.
Diese Aktivmetalle können entweder in elementarer Form oder als Hybrid zugegeben werden, wobei die Menge ihrer Zugabe zwischen 0,5 und 2,0 Gew.-% liegt.
Unter 0,5 Gew.-% bildet sich eine Nitridschicht in einer Menge aus, die nicht ausreichend ist, um die erforderliche Haftfestigkeit bereitzustellen, über 2,0 Gew.-% erhöht sich die Haft festigkeit, andererseits erhöht sich jedoch auch die Wahrscheinlichkeit einer Spaltung nach dem Verbinden einer Metallplatte mit einem Keramiksubstrat.
Titanoxid wird als TiO oder TiO₂ in einer Menge von bis zu 0,9 Gew.-% zugegeben. Das Titanoxid kann amorph oder kristallin sein.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben durch Versuche bestätigt, dass eine Zugabe dieser Menge an Titanoxid zu einem Lötmaterial der vorstehend beschriebenen Zusammensetzung zur Verbesserung verschiedener Charakteristika des resultierenden Verbundsubstrats beiträgt, wie etwa Beständigkeit gegenüber wiederholten Glühzyklen, Biegefestigkeit, Durchbiegung und Beständigkeit beim Durchlaufen eines Ofens. Ein wahrscheinlicher Grund dafür könnte darin liegen, dass das dem Lötmaterial zugegebene TiO₂ oder TiO zur Verringerung der Spannungskonzentration gleichmäßig verteilt ist.
Ein Pulver, das die Partikel der jeweiligen Bestandteile enthält, kann mit einem organischen Lösungsmittel vermischt werden, um eine Paste des Lötmaterials zu bilden.
Eine bevorzugte Anwendungsmöglichkeit der Paste des Lötmaterials besteht in der Herstellung einer elektronischen Schaltung auf einem Keramiksubstrat.
Zur Herstellung der Paste des Lötmaterials können 55–75 Volumenanteile eines organischen Lösungsmittels, wie etwa Terpineol, Toluen, Methylcellosolve oder Ethylcellosolve, mit 25–45 Volumenanteilen eines organischen Bindemittels, wie etwa PMMA, Methylcellulose oder Ethylcellulose, vermischt werden, um ein Vehikel zu bilden, welches dann in einer Menge von 10–14 Gewichtsanteilen 100 Gewichtsanteilen des Pulvers zugegeben wird, das die Partikel der jeweiligen Bestandteile des Lötmaterials enthält.
Wenn weniger als 10 Gewichtsanteile des Vehikels verwendet werden, ist die resultierende Paste so viskos, dass verschwommene Aufdrucke auftreten können. Wenn mehr als 14 Gewichtsanteile des Vehikels verwendet werden, hat die resultierende Paste eine so geringe Viskosität, dass leicht Aufdruckauswaschungen auftreten können.
Die vorliegende Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung im Ofen auf eine Temperatur erwärmt wird, die unter dem Schmelzpunkt des Lötmaterials liegt, bevorzugt auf 780°C 870°C, entsprechend der Zusammensetzung des Lötmaterials aus den nachfolgend genannten Gründen.
Wenn herkömmliches Lötmaterial verwendet wird, das aus 72% Ag und 28% Cu gebildet ist, dem ein Aktivmetall Ti zugegeben ist, wird das Verbirden bei einer Temperatur begonnen, die über dem eutektischen Schmelzpunkt von Ag-Cu liegt, das heißt, 780°C. Demgemäß wird das Verbinden in der Praxis bei einer Temperatur von ungefähr 850°C durchgeführt. Bei der vorliegenden Erfindung beträgt die Menge an Ag mehr als 90 Gew.-%. Wenn die Menge an Ag 90 Gew.-%, an Cu 9,5 Gew.-% und an Ti 0,5 Gew.-% beträgt, sollte der Schmelzpunkt eine Temperatur sein, die bei Berücksichtung des Gleichgewichtsdiagramms von Silber/Kupfer über 875°C liegt, so dass das Verbinden bei einer Temperatur von ungefähr 900°C durchgeführt werden muss, um bei dem herkömmlichen Verfahren eine perfekte Verbindung zu erhalten.
Wenn das erfindungsgemäße Lötmaterial nur auf eine Temperatur erwärmt wird, die unter dem genannten Schmelzpunkt (875°C) liegt, kann es nicht geschmolzen, sondern lediglich gesintert werden. Wenn jedoch, wie bei der vorliegenden Erfindung, eine Kupferplatte als Substrat für das Energiemodul verwendet wird, werden das Lötmaterial und die Kupferplatte miteinander in Kontakt gebracht, so dass, wenn die Anordnung erwärmt wird, das Ag im Lötmaterial und das Cu in der Kupferplatte vom Kontaktabschnitt im Mikronbereich allmählich zur eutektischen Reaktion gebracht werden, diffundiert das Ag allmählich in die Kupfer platte ein, ausgelöst durch die Reaktion und die eutektische Struktur bildet sich auf der gesamten Kontaktfläche aus.
Die folgenden Beispiele dienen dem Zweck, die vorliegende Erfindung weiter zu veranschaulichen, sind jedoch in keiner Weise als einschränkend zu verstehen.
Beispiel 1
Ein AlN-Substrat mit den Abmessungen 53 × 29 × 0,635 mm wurde als Keramiksubstrat vorgesehen. 100 Gewichtsanteile eines Pulvers, dessen Feststoffgehalt in einer Tabelle 1 (Muster 1–8) angegeben war, wurden mit 12,4 Gewichtsanteilen eines Vehikels gemischt, um eine Paste des Lötmaterials herzustellen. Nach dem Auftragen der Paste auf die gesamte Oberfläche des AlN-Substrats wurden zwei Kupferplatten mit einer Dicke von 0,3 mm bzw. 0,15 mm auf die jeweiligen Seiten aufgelegt und die Anordnung bei in der Tabelle 1 angegebenen Temperaturen gebrannt, um eine Verbindung, herzustellen.
Die Muster 1–6 liegen außerhalb der Erfindung, da sie sich nicht auf Lötpulver beziehen, die Titanoxid enthalten.
TABELLE 1
Die 100 Stück jedes der Muster wurden bei vielen Brenntemperaturen getestet, um die kontaktlosen Abschnitte zu ermitteln.
Die Ergebnisse zeigen, dass nur wenige Muster kontaktlose Abschnitte aufwiesen.
Vergleichsbeispiel 1
Ein AlN-Susbstrat mit denselben Abmessungen wie in Beispiel 1 beschrieben wurde als Keramiksubstrat vorgesehen.
100 Gewichtsanteile eines Pulvers, dessen Feststoffgehalt in einer Tabelle 2 (Vergleichsmuster 1–6) angegeben war, wurden mit 12,4 Gewichtsanteilen eines Vehikels gemischt, um eine Paste des Lötmaterials herzustellen. Nach dem Auftragen der Paste auf die gesamte Oberfläche des AlN-Substrats wurden zwei Kupferplatten mit einer Dicke von 0,3 mm bzw. 0,15 mm auf die jeweiligen Seiten aufgelegt und die Anordnung bei in der Tabelle 2 angegebenen Temperaturen gebrannt, um eine Verbindung herzustellen.
TABELLE 2
Die 100 Stück jedes der Muster wurden bei vielen Brenntemperaturen getestet, um wie im Beispiel 1 die kontaktlosen Abschnitte zu ermitteln.
Die Ergebnisse zeigen, dass die vielen Muster mit kontaktlosen Abschnitten in Übereinstimmung mit der Abnahme der Ag-Dichte und der Brenntemperatur hergestellt wurden, wie in Tabelle 2 gezeigt.
Wie auf den vorhergehenden Seiten beschrieben, sind die unter Verwendung des erfindungsgemäßen Lötmaterials hergestellten Metall/Keramik-Verbundsubstrate im Hinblick auf die Verringerung der kontaktlosen Abschnitte hinreichend verbessert und können kostengünstig und effizient gefertigt werden.
Obgleich die Erfindung insbesondere unter Bezugnahme auf ihre bevorzugten Ausführungsformen dargestellt und beschrieben worden ist, versteht es sich für Fachleute auf dem Gebiet, dass verschiedene Abwandlungen hinsichtlich Form und Detail daran durchgeführt werden können, ohne den Schutzumfang der Erfindung, wie in den anhängigen Ansprüchen definiert, zu verlassen.

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Metall/Keramik-Verbundsubstrats durch Verbinden einer Metallplatte mit einem Keramiksubstrat, das die Schritte umfasst: – Zugeben von 10–14 Gewichtsanteilen eines Vehikels mittels zu 100 Gewichtsanteilen eines Pulvers, dessen Feststoffgehalt ein Ag-Pulver in einer Menge von 90,0%–99,5%, ein Cu-Pulver in einer Menge von bis zu 9,5%, ein reaktionsfähiges Metallpulver in einer Menge von 0,5–2,0% und ein Titanoxidpulver in einer Menge von bis zu 0,9% auf einer Gewichtsbasis umfasst, – Mischen der jeweiligen Bestandteile zur Bildung eines Lötmaterials in Pastenform, – Auftragen des Lötmaterials auf das Keramiksubstrat, – Auflegen einer Metallplatte auf das aufgetragene Lötmaterial und Erwärmen der Anordnung auf eine Temperatur, die nicht über dem Schmelzpunkt des Lötmaterials liegt, um eine Verbindung der Metallplatte und des Keramiksubstrats herzustellen, und – Auftragen eines Ätzlackes auf die Metallplatte der Verbindung zum Formen eines Schaltungsmusters und Ätzen der Metallplatte zum Formen einer metallisierten Schaltung.
Lötmaterial zur Verwendung beim Verbinden einer Metallplatte mit einem Keramiksubstrat, das in Pastenform vorliegt und hergestellt wird durch Zugeben von 10– 14 Gewichtsanteilen eines Vehikels zu 100 Gewichtsanteilen eines Pulvers, dessen Feststoffgehalt ein Ag-Pulver in einer Menge von 90,0% – 99,5%, ein Cu-Pulver in einer Menge von bis zu 9,5%, ein reaktionsfähiges Metallpulver in einer Menge von 0,5–2,0% und ein Titanoxidpulver in einer Menge von bis zu 0,9% auf einer Gewichtsbasis umfasst.