DE3837788A1 - Verfahren zur unmittelbaren verbindung einer kupferfolie mit einem substrat aus elektrisch isolierendem material - Google Patents

Verfahren zur unmittelbaren verbindung einer kupferfolie mit einem substrat aus elektrisch isolierendem material

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Description

Die vorliegende Erfindung liegt auf dem Gebiet der Verbindung einer Folie aus Kupfer mit einem Substrat aus elektrisch isolierendem Material.
Insbesondere findet die vorliegende Erfindung Anwendung bei der Realisierung elektronischer Leistungsmodule unter Verwen­ dung eines Substrates aus elektrisch isolierendem Material, und zwar Aluminiumoxid oder Aluminiumnitrid.
Bei der Realisation von elektrischen Leistungsmodulen müssen Materialien verwendet werden, die hinsichtlich elektrischer Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit gute Eigenschaften aufweisen. Darüber hinaus müssen die verwendeten Materialien einen Ausdehnungskoeffizienten besitzen, dessen Wert in der Nähe des Wertes des Ausdehnungskoeffizienten des verwendeten Halbleitermaterials, beispielsweise Silizium, liegt. Darüber hinaus ist es sehr erwünscht, daß die Materialien, welche die vorgenannten Module bilden, möglichst preisgünstig sind.
Es wurden bereits zahlreiche Verfahren zur Verbindung einer Kupferfolie mit einem Substrat aus elektrisch isolierendem Material vorgeschlagen.
PA
Die US-PS 25 70 248 und die GB-PS 5 84 931 zeigen beispiels­ weise, eine Metallfolie auf einem Substrat aus elektrisch isolierendem Material unter Verwendung eines zwischen der Metallfolie und dem Substrat eingebrachten Lotmaterials anzuordnen. Die Bildung einer Basisschicht aus Lotmaterial zwischen der Metallfolie und dem Substrat erlaubt es jedoch nicht, Anordnungen zu erhalten, die die für die Gestaltung elektronischer Leistungsmodule notwendigen physikalischen Eigenschaften (Ausdehnungskoeffizient, thermische Leitfähig­ keit) aufweisen.
Die US-PS 35 17 432, die CH-PS 2 02 198 und die GB-PS 7 61 045 zeigen, eine Metallfolie mit einem Substrat dadurch zu verbinden, daß das Metall über seine Schmelztemperatur hinaus erhitzt wird, um eine Diffusion des Metalles in das Substrat und damit eine mechanische Verbindung zwischen diesen Elementen zu erreichen. Dabei stellt man jedoch fest, daß das Metall nach dem Schmelzen im allgemeinen seine gleichförmige Beschaffenheit verliert und dazu neigt, sich in Metalltröpf­ chen zu zerlegen. Dies führt dazu, daß das Metall-Substrat- Ensemble nicht die physikalischen Eigenschaften aufweist, die für die Realisation von Modulen für die Leistungselektro­ nik notwendig sind.
Die EP-OS 00 97 944 sowie die EP-OS 01 23 212 zeigen, die Verbindung einer Metallfolie mit einem Substrat aus elektrisch isolierendem Material zu realisieren, indem zunächst, bei­ spielsweise durch Hitzebehandlung, eine Verbindungsschicht auf dem elektrisch isolierendem Substrat erzeugt wird. Auch die auf diese Weise erhaltenen Ensembles besitzen nicht die für die Realisation von elektronischen Leistungsmodulen notwendigen physikalischen Eigenschaften.
Darüber hinaus wurde schon vorgeschlagen, die Verbindung einer Kupferfolie mit einem Substrat aus einem elektrisch isolierendem Material durch die Bildung eines Eutektikums zu sichern.
So zeigt die FR-PS 21 81 049 bereits, eine Kupferfolie auf einem Substrat aus elektrisch isolierendem Material aufzu­ legen bzw. anzuordnen, sodann dieses Ensemble unter einer reaktionsfreudigen Gasatmosphäre auf eine Temperatur zu erhitzen, die zwischen der Temperatur, bei der sich ein Eutektikum bildet, und der Schmelztemperatur des Kupfers liegt, und sodann das Ensemble abzukühlen. Die US-PS 39 94 930, die US-PS 39 11 553, die DE-OS 30 36 128 und die DE-OS 32 04 167 zeigen, eine Voroxidation der Metallfolie vorzunehmen, bevor dieselbe auf das Substrat aus elektrisch isolierendem Material aufgelegt und das so erhaltene Ensemble unter einer kontrollier­ ten Atmosphäre auf eine Temperatur erhitzt wird, die zwischen der Temperatur, bei der sich ein Eutektikum bildet, und der Schmelztemperatur des Kupfers liegt.
Die Verfahren zur Verbindung einer Metallfolie mit einem Substrat aus elektrisch isolierendem Material durch Bildung eines Eutektikums haben, soweit bisher vorgeschlagen, große Vorteile. Jedoch sind sie noch nicht vollständig zufrieden­ stellend. Eine detailierte Analyse zeigt in der Tat, daß an der Grenzschicht Metall-Substrat Luftblasen auftreten. Das Vorhandensein dieser Luftblasen verhindert örtlich jegliche mechanische Verbindung zwischen dem Metall und dem Substrat. Außerdem ermöglichen diese Luftblasen die höchst unerwünschte Diffusion von Ätzmitteln zwischen dem Metall und dem isolieren­ den Substrat, wenn mittels einer subtraktiven Methode Metall­ felder entsprechend einem individuellen Entwurf erzeugt werden.
Es wurde bereits versucht, die aufgetretenen Luftblasen zu entfernen, indem in der Oberfläche der Metallfolie Rillen ausgebildet wurden, die als Evakuierungskanäle dienen, wie beispielsweise in der DE-OS 33 24 661 gezeigt wird. Es scheint, daß derartige Rillen tatsächlich ermöglichen, die Bildung der Luftblasen an der Grenzschicht zu begrenzen. Gleichwohl be­ günstigen die vorgenannten Rillen die höchst unerwünschte Diffusion von Ätzmitteln zwischen der Metallfolie und dem Substrat.
Zusammenfassend ist also festzustellen, daß die bisher vorge­ schlagenen Verfahren zur Verbindung einer Kupferfolie mit einem Substrat aus elektrisch isolierendem Material nicht vollständig zufriedenstellend sind.
Aufgrund vieler Versuche und Untersuchungen wurde von der Anmelderin festgestellt, daß der Grund für die Bildung der vorgenannten Luftblasen darin lag, daß die Metallfolien einer Voroxidation unterzogen wurden, welche bisher vor der Temperaturerhöhung über die Temperatur, bei der sich ein Eutektikum bildet, als unverzichtbar angesehen wurde (vgl. die Voroxidation, welche bei der Anwendung einer reaktiven Atmosphäre während der Temperaturerhöhung gemäß der FR-OS 21 81 049 erhalten oder bei der kontrollierten Voroxidation vor der thermischen Behandlung gemäß der US-PS 39 94 930, der US-PS 39 11 553, der DE-OS 30 36 128 und der DE-OS 32 04 167 bewirkt wird). Indem die Anmelderin einen Weg entgegen den oben beschriebenen Ideen eingeschlagen hat, wurde nach zahlreichen Versuchen und Untersuchungen festgestellt, daß eine völlig zufriedenstellende Verbindung Kupfer-Substrat, welche auch die für die Herstellung elektro­ nischer Leistungsmodule notwendigen Eigenschaften aufweist, ohne Voroxidation der Metallfolie erreicht werden kann.
Zu diesem Zweck schlägt die Anmelderin gemäß der vorliegenden Erfindung ein Verfahren vor, bei dem eine unmittelbare Verbin­ dung einer Kupferfolie mit einem Substrat aus elektrisch isolierendem Material, welches unter Aluminiumoxid und Aluminiumnitrid ausgewählt wird, vorgenommen wird; dieses Verfahren besteht darin, daß in an sich bekannter Weise die Kupferfolie auf das Substrat aufgelegt wird und daß dieses Ensemble unter kontrollierter Atmosphäre unter zumindest zeitweiser Verwendung eines reaktionsfreudigen oxidierenden Gases auf eine Temperatur erhitzt wird, die zwischen der Temperatur der Bildung eines Eutektikums zwischen dem Kupfer und dem reaktiven Gas und der Schmelztemperatur des Kupfers liegt, und daß das Ensemble danach abgekühlt wird; dabei ist die Erfindung durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet:
  • (i) das Kupfer wird gereinigt, um Oxidationsspuren auf seiner Oberfläche zu entfernen, bevor das Kupfer auf das Substrat aufgelegt wird,
  • (ii) das Ensemble Kupfer-Substrat wird unter einer neutralen Atmosphäre (Inertgasatmosphäre) bis zur Erreichung einer Temperatur oberhalb der Temperatur der Bildung des Eutektikums erhitzt, und
  • (iii) das reaktive oxidierende Gas wird erst nach Erreichen der Temperatur oberhalb der Temperatur der Bildung des Eutektikums angewendet, derart, daß dieselbe vor jeglicher Oxidation der Oberfläche des Kupfers erreicht wird.
Weitere Merkmale, Aufgabenstellungen und Vorzüge der vorlie­ genden Erfindung werden aus der detailierten nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung deutlich, in der die einzige Figur in schematischer Weise die verschiedenen Verfahrensschritte bei Durchführung des Verbindungsverfahrens gemäß der Erfindung zeigt.
Wie in der beigefügten Figur schematisch dargestellt ist, ist das erfindungsgemäße Verfahren darauf ausgerichtet, eine Kupferfolie 10 mit einem Substrat 20 zu verbinden, welches aus Aluminiumoxid oder Aluminiumnitrid hergestellt ist. Die Kupferfolie kann eine Dicke in der Größenordnung von 0,3 mm und das Aluminiumoxid eine Dicke in der Größen­ ordnung von 0,635 mm aufweisen; diese Maßangaben sind ledig­ lich ein Beispiel und stellen keinerlei Beschränkung dar.
Im Falle der Erfindung ist es darüber hinaus notwendig, die Zusammensetzung der Kupferfolie zu kontrollieren bzw. zu überprüfen. Dieser Verfahrensschritt des Kontrollierens und Überprüfens ist in der beigefügten Figur schematisch unter dem Bezugszeichen 11 wiedergegeben.
Die Anmelderin hat in der Tat festgestellt, daß die Anwesen­ heit von Phosphor in der Kupferfolie 10 der Bildung einer guten Verbindung zwischen Kupfer und Substrat entgegensteht.
Dabei hat die Anmelderin insbesondere festgestellt, daß eine optimale Verbindung zwischen Kupfer und Substrat bei einem Phosphoranteil unterhalb von 0,0015% erreicht wird. Außerdem ist es außerordentlich vorteilhaft, eine Kupferfolie 10 zu verwenden, welche lediglich einen Sauerstoffanteil zwischen 0,0020 und 0,0024 Gewichtsprozent aufweist.
Schließlich hat die Anmelderin festgestellt, daß es wünschens­ wert ist, eine Kupferfolie 10 zu verwenden, welche getempert ist und eine Härte zwischen 43 und 45 HV aufweist.
Die Kupferfolien 10 werden, soweit sie bei der Kontrolle und Überprüfung 11 die oben angegebenen Merkmale aufweisen, einem Reinigungsprozeß 12 unterzogen.
Vorzugsweise untergliedert sich das Verfahren der Reinigung 12 in eine vorausgehende Phase der Reinigung in verdünnter Salzsäurelösung, in der beigefügten Figur mit 120 bezeichnet, und in eine nachfolgende Phase der Spülung in deionisiertem Wasser, in der beigefügten Figur mit 121 bezeichnet.
Parallel dazu werden die Substrate 20 einer Prüfung bzw. Kontrolle 21 unterzogen. Die Anmelderin hat in der Tat fest­ gestellt, daß es für eine optimale Verbindung zwischen Kupfer und Substrat wünschenswert ist, Substrate aus Aluminiumoxid oder Aluminiumnitrid zu verwenden, deren Gehalt an Oxiden der Übergangsmetalle, insbesondere Eisenoxid, Fe2O3, unterhalb von 0,08 Gewichtsprozent liegt.
Nachfolgend werden die Substrate, welche den genannten Kriterien bei der Kontrolle bzw. Überprüfung 21 der Zusammensetzung genügen, einer Überprüfung 22 der Rauhheit unterzogen.
Die Anmelderin hat in der Tat festgestellt, daß es für eine optimale Verbindung zwischen Kupfer und Substrat wünschens­ wert ist, Substrate 20 aus Aluminiumoxid oder Aluminiumnitrid zu verwenden, welche eine Rauhheit in der Größenordnung von 3,3 ± 2×10-7 m liegt.
Die Substrate 20 aus Aluminiumoxid oder Aluminimnitrid, welche bei der Kontrolle bzw. Prüfung 22 der Rauhheit diesen Kriterien entsprechen, werden einem Reinigungsverfahren 23 unterworfen. Ein derartiger Reinigungsprozeß ist grundsätz­ lich bekannt und wird hier nicht näher erläutert.
Die auf diese Weise ausgewählten und gereinigten Kupfer­ folien 10 und Substrate 20 sind für den Prozeß der Verbindung 30 vorgesehen, wie oben ausgeführt wurde. Dazu werden die Folien 10, welche vom Reinigungsprozeß 12 kommen, direkt auf ein Substrat 20 aufgelegt, welches vom Reinigungsprozeß 23 kommt. Das Verfahren 30 der Verbindung untergliedert sich in drei elementare, aufeinanderfolgende Etappen:
Einer Temperaturerhöhung 301, einer Phase 302 gleichbleiben­ der Temperatur und einer Abkühlphase 303.
Die Temperaturerhöhung 301 erfolgt unter einer neutralen Atmosphäre (Inertgasatmosphäre), vorzugsweise unter Stick­ stoffatmosphäre. Die Temperaturerhöhung 301 unter der neutra­ len Atmosphäre wird durchgeführt bis zum Erreichen einer Temperatur oberhalb derjenigen theoretischen Temperatur, bei der ein Eutektikum erhalten wird, d.h. bis zu einer Temperatur oberhalb von 1065°C im Falle eines reaktiven, oxidierenden Gases.
Die zweite Phase 302 des Verbindungsprozesses besteht darin, daß eine Behandlungstemperatur zwischen der Temperatur der Bildung des Eutektikums, etwa 1065°C, und der Schmelztemperatur von Kupfer, etwa 1083°C, bei gleichzeitiger Einwirkung eines reaktiven, oxidierenden Gases aufrechterhalten wird.
Vorzugsweise liegt die Behandlungstemperatur bei der Phase 302 bei 1075°C ± 2°C.
Vorzugsweise wird das reaktive, oxidierende Gas, welches bei der Behandlungsphase 302 verwendet wird, durch Sauerstoff mit einem Partialdruck von 50 bis 100 ppm, vorzugsweise 70 ppm, gebildet. Gemäß einem bevorzugten Merkmal der Erfindung dauert die Phase der gleichbleibenden Temperatur von etwa 1075°C unter der reaktiven Gasatmosphäre 2 bis 4 Minuten.
Schließlich wird die letzte Phase der Abkühlung 303 unter neutraler Atmosphäre (Inertgasatmosphäre), vorzugsweise unter Stickstoffatmosphäre, durchgeführt.
Die Anmelderin hat außerordentlich zufriedenstellende Resultate dadurch erzielt, daß die thermische Behandlung unter kontrollier­ ter Atmosphäre 30 in einem Durchlaufofen mit einer Vorschub­ geschwindigkeit in der Größenordnung von 5 cm/min erfolgt, und daß die Gesamtzeit der Behandlung (Temperaturerhöhung 301, Phase gleichbleibender Temperatur 302, Abkühlung 303) bei ca. 45 Minuten liegt.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht sowohl die Herstellung einer Anordnung einer einzigen Kupferfolie auf einem Substrat aus Aluminiumoxid oder Aluminiumnitrid als auch die Herstellung einer Sandwich-Struktur, d.h. die Befestigung bzw. Anbindung von Kupferfolien auf beiden Seiten des Substrates aus Aluminiumoxid oder Aluminiumnitrid.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf das oben beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern bezieht sich auf alle dem allgemeinen Erfindungsgedanken entsprechenden Varianten.

Claims (12)

1. Verfahren zur unmittelbaren Verbindung einer Kupferfolie mit einem Substrat aus elektrisch isolierendem Material, ausgewählt unter Aluminiumoxid und Aluminiumnitrid, wobei die Kupferfolie (10) auf das Substrat (20) aufge­ legt und dieses Ensemble in kontrollierter Atmosphäre unter zumindest zeitweiser Anwendung eines reaktions­ freudigen oxidierenden Gases auf eine Temperatur erhitzt wird, welche zwischen der Temperatur, bei der sich auf Basis des Kupfers und des reaktionsfreudigen Gases ein Eutektikum bildet, und der Schmelztemperatur von Kupfer liegt, und wobei das Ensemble danach abgekühlt wird, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
  • (i) Reinigung (12) des Kupfers (10) zur Entfernung von Oxidationsspuren auf seiner Oberfläche, bevor das Kupfer (10) auf das Substrat (20) aufgelegt wird,
  • (ii) Erhitzen (301) des Ensembles Kupfer-Substrat in neutraler Atmosphäre (Inertgasatmosphäre), bis eine Temperatur oberhalb der Temperatur der Bildung des Eutektikums erreicht ist, und
  • (iii) Anwendung (302) des reaktionsfreudigen oxidierenden Gases erst nach Erreichen der Temperatur oberhalb der Temperatur der Bildung des Eutektikums, derart, daß dieselbe vor jeglicher Oxidation der Oberfläche des Kupfers (10) erreicht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupferfolie (10) einen Phosphoranteil unterhalb von 0,0015 Gewichtsprozent aufweist.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupferfolie (10) einen Sauerstoff­ anteil unterhalb von 0,0024 Gewichtsprozent aufweist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupferfolie einen Sauerstoffanteil zwischen 0,0020 und 0,0024 Gewichtsprozent aufweist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (20) eine Rauhheit in der Größenordnung von 3,3 ± 0,2 µm aufweist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (20) einen Anteil an Oxiden der Übergangsmetalle, insbesondere an Eisenoxid, unterhalb von 0,08 Gewichtsprozent aufweist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Ensemble Kupfer-Substrat bis auf eine Temperatur von 1075°C ± 2°C erhitzt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Ensemble Kupfer-Substrat auf dem Temperaturniveau von 1075°C ± 2°C während einer Zeit­ spanne von 2 bis 4 Minuten beheizt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das reaktionsfreudige Gas, welches nach Erreichen einer Temperatur oberhalb der Temperatur des Eutektikums angewendet wird, durch Sauerstoff mit einem Partialdruck von 50 bis 100 ppm, vorzugsweise von 70 ppm, gebildet wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Phase der Abkühlung (303) in einer neutralen Atmosphäre (Inertgasatmosphäre) vorge­ nommen wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die neutrale Atmosphäre (Inertgas­ atmosphäre) durch Stickstoff gebildet wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Verfahrensabschnitt der Reinigung des Kupfers aus der Reinigung desselben in einer verdünnten Salzsäurelösung (120) sowie in einer darauffolgenden Spülung des Kupfers mit deionisiertem Wasser (121) besteht.
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