DE69034139T2

DE69034139T2 - Keramiksubstrat zur Herstellung elektrischer oder elektronischer Schaltungen

Info

Publication number: DE69034139T2
Application number: DE69034139T
Authority: DE
Inventors: Hideaki 1-Chome Yoshida; Yoshirou 1-chome Kuromitsu; Makoto 1-chome Toriumi; Michio 1-chome Chiyoda-ku Yuzawa
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 1989-10-09
Filing date: 1990-10-08
Publication date: 2004-11-25
Anticipated expiration: 2010-10-09
Also published as: EP1020914A3; EP0422558B1; DE69033718D1; KR0173782B1; US5130498A; DE69034139D1; DE69033718T2; EP0422558A3; EP1020914A2; KR910008854A; EP1020914B1; EP0422558A2

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Keramiksubstrat, das für einen elektrischen oder elektronischen Schaltkreis verwendet wird, und insbesondere ein Leiterelement, das auf einer Keramikscheibe montiert ist.
Hintergrund der Erfindung
Ein typisches Beispiel für das Keramiksubstrat ist in 1 dargestellt und weist eine Keramikscheibe (1) aus Aluminiumoxyd auf, die zwischen zwei Kupferscheiben (2, 3) eingelegt ist, und ein Wärmeabführmittel (4). Die Kupferplatten (2, 3) sind mit beiden Oberflächen der Keramikscheibe (1) durch ein Flüssigphasenbindungsphänomen verbunden. Insbesondere sind die Verbindungsoberflächen der Kupferplatten (2, 3) zuerst oxidiert und die Keramikscheibe (1) ist mit den Kupferscheiben (2, 3) auf beiden Seiten laminiert. Während die Keramikscheibe, die mit den Kupferscheiben (2, 3) laminiert wird, bei einer Temperatur von 1065 bis 1085°C erwärmt wird, schmilzt das Kupfer und das Kupferoxyd, und die Kupferscheiben (2, 3) werden mit der Keramikscheibe (1) durch eine Kupfer- und Kupferoxyd-Deutektisches Phänomen verbunden. Eine der Kupferscheiben (2, 3) stellt einen Leitungspfad zwischen den Schaltkreiskomponenten zur Verfügung und die andere ist an das Wärmeabführmittel (4) bei weniger als 450°C gelötet. Die EP-A-0 097 944 zeigt ein keramisches Substrat das Leiterelemente beinhaltet, die aus Aluminium bestehen.
Von einem elektrischen oder elektronischen Schaltkreis wird erwartet, daß er komplexe Aufgaben löst und er wird daher mit einer großen Anzahl von Schaltungskomponenten auf einem einzelnen Keramiksubstrat hergestellt. Der elektrische oder elektronische Schaltkreis neigt dazu, schwer zu sein, aber vom Hersteller wird erwartet, das Gewicht des elektronischen Schaltkreises zu verringern, um ein Elektroniksystem von handlicher Größe zur Verfügung zu stellen. Dann sucht der Hersteller nach einem leichten Keramiksubstrat, und ein Problem der Keramiksubstrate vom Stand der Technik ist das Gewicht.
Ein anderes Problem, das den Keramiksubstraten vom Stand der Technik inhärent ist, ist eine geringe Widerstandsfähigkeit gegen die Wiederholung von thermischen Spannungen. Wenn der elektrische oder elektronische Schaltkreis aktiviert ist und eine Aufgabe ausführt, wird eine große Wärmemenge in den Schaltungskomponenten erzeugt und das Keramiksubstrat verbreitet die Wärme als Strahlung. Da die Kupferscheiben (2, 3) andere thermische Ausdehnungskoeffizienten als die Keramikscheibe (1) aufweisen, wird die Keramikscheibe thermischer Spannung unterworfen. Wenn die Schaltung inaktiviert wird, wird keine Wärme erzeugt und die Keramikscheibe wird von der thermischen Spannung befreit. Auf diese Weise findet ein Erwärmungszyklus in dem elektrischen oder elektronischen Schaltkreis statt und dementsprechend wird das Keramiksubstrat wiederholt thermischer Spannung unterworfen. Die thermische Spannung ist ursächlich für Risse in der Keramikscheibe (1) und das Keramiksubstrat kann im schlimmsten Falle brechen.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist daher eine wichtige Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Keramiksubstrat vorzusehen, das geringeres Gewicht aufweist.
Es ist eine weitere wichtige Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Keramiksubstrat vorzusehen, welches große Widerstandskraft gegen die Wiederholung von thermischer Spannung aufweist.
Die Erfinder haben herausgefunden, daß Kupfer eine größere statische Last aufnehmen kann, als andere Legierungen, jedoch eine geringere Ermüdungsgrenze gegen wiederholte Last aufweist, als andere Metalle und Legierungen. Insbesondere reduziert sich die Toleranz der verbleibenden Steifigkeit für Kupfer schneller als bei einigen Metallen und Legierungen, wie in 2 gezeigt. Wenn die wiederholte Last einen kritischen Wert zum Brechen der Keramikscheibe erreicht, dann sind die Toleranzen einiger anderer Metalle und Legierungen groß genug, um eine elektrische Komponente, die darauf montiert ist, zu tragen, aber ein relativ geringer Toleranzbetrag ist nur bei Kupfer übrig. Falls ein Leiterelement aus einem dieser Metalle und Legierungen, die ein geringeres spezifisches Gewicht als Kupfer aufweisen, gebildet ist, dann sind die Probleme, die dem Keramiksubstrat vom Stand der Technik inhärent sind, gelöst.
Um diese Aufgabe zu lösen, schlägt die vorliegende Erfindung ein Keramiksubstrat gemäß dem Anspruch 1 vor.
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wird ein Keramiksubstrat vorgesehen, das für einen elektrischen oder elektronischen Schaltkreis verwendet wird mit

a) einer keramischen Scheibe, die aus einer Substanz, hauptsächlich zusammengesetzt aus Aluminiumnitrit gebildet ist, und
b) Leitungselementen, die mit einer Oberfläche der Keramikscheibe verbunden sind, und aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gebildet sind, wobei die Leitungselemente einen Leitungspfad für zumindest eine Schaltungskomponente, die damit verbunden ist, zur Verfügung stellen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Merkmale und Vorteile eines Keramiksubstrats gemäß der vorliegenden Erfindung können genauer der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen entnommen werden, wobei:
1 eine Seitenansicht ist, die die Struktur eines Keramiksubstrats vom Stand der Technik zeigt;
2 ein Diagramm ist, das die Festigkeit verschiedener Metalle und Legierungen sowohl in Bezug auf statische Last als auch in Bezug auf wiederholt Last darstellt;
3 eine Schnittansicht ist, die die Struktur eines Keramiksubstrats gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt;
4 ein Diagramm ist, das die Verformung eines Keramiksubstrats in Bezug auf ein Verhältnis von Dicken zwischen jedem metallischen Leiterelement und einem metallischen Wärmeabführmittel darstellt;
5 ein Diagramm ist, das die Anzahl von Wärmezyklen zeigt, die auf ein Keramiksubstrat in Bezug auf einem Aluminiumanteil ausgeübt werden;
6 eine Schnittansicht ist, die die Struktur eines anderen Keramiksubstrats gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Erste Ausführungsform
Bezugnehmend auf die 3 der Zeichnungen, wird ein Keramiksubstrat, das die vorliegend Erfindung ausführt, mit einer Keramikscheibe (11), metallischen Leiterelementen (12) und einem metallischen Wärmeabführmittel (14) gezeigt. Die Keramikscheibe (11) weist ca. 95% Aluminiumnitrit (AlN), ca. 5% Yttriumoxid (Y2O3) und gelegentliche Verunreinigungen auf und die metallischen Leiterelemente (12, 13) und das metallische Wärmeabführmittel (14) sind mit beiden Flächen der Keramikscheibe (11) mit einer Lötlegierung (15) verbunden. Das metallische Leiterelement (12) hat in der Regel eine rechteckige Oberfläche und das metallische Leiterelement (12) hat eine in der Regel L-förmige Oberfläche, um sich von der Rückseite der metallischen Leiterelemente (12) zu erstrecken. Die Wärmeleitfähigkeit von Aluminiumnitrit reicht von 50 bis 270 Watt/(Meter × Kelvin) und ist größer als diejenige von Aluminiumoxyd, die zwischen 15 bis 20 Watt/(Meter × Kelvin) reicht.
Die metallischen Leiterelemente (12, 13) sind elektrisch voneinander isoliert und mit Kupfer oder Nickel plattiert. Die Schaltungskomponenten (16, 17), wie zum Beispiel eine diskrete Halbleitervorrichtung und eine integrierte Halbleitervorrichtung, sind jeweils auf die Kupfer- oder Nickelschichten (12a, 13a) gelötet und die Kupfer- oder Nickelschichten (12a, 13a) verbessern die Haftung zwischen den Schaltungskomponenten (16, 17) und den metallischen Leiterelementen (12, 13). In diesem Zusammenhang bedecken die Kupfer- oder Nickelschichten (12a, 13a) die gesamte obere Fläche der metallischen Leitelemente (12, 13); Jedoch können nur die Kontaktbereiche mit den Schaltungskomponenten (12, 13) mit Kupfer oder Nickel plattiert sein. Andere Leitungsmetalle können für die Plattierung möglich sein.
Die metallischen Leiterelemente (12, 13), die mit dem Kupfer oder Nickel plattiert sind, sind aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gebildet, die aus der Gruppe bestehend aus einer Aluminiummagnesiumchromlegierung, einer Aluminiummanganlegierung, einer Aluminiumnickellegierung und einer Aluminiumboronlegierung gebildet ist. Aluminium und die Aluminiumlegierung haben große Wärmeleitfähigkeit, die sich von 150 bis 250 Watt/(Meter × Kelvin) erstreckt. Die Wärmeleitfähigkeit von Aluminium und der Aluminiumlegierung ist geringfügig kleiner als die von Kupfer (390 Watt/(Meter × Kelvin)), aber Aluminium und die Aluminiumlegierung weisen ein wesentlich geringeres spezifisches Gewicht als Kupfer auf. Die Muster der metallischen Leiterelemente (12, 13) als auch die Belegungsbereiche auf dem Keramiksubstrat (11) hängen von einem elektrischen oder elektronischen Schalterkreis ab und verschiedene Anordnungen für praktische Keramiksubstrate gemäß der vorliegenden Erfindung werden hergestellt.
Die Lötlegierung (15) besteht aus einer Aluminiumlegierung, die aus der Gruppe bestehend aus einer Aluminiumsiliziumlegierung, einer Aluminiumsiliziummagnesiumlegierung, einer Aluminiumgermaniumlegierung und einer Aluminiumsiliziumgermaniumlegierung, und als Folie oder Kaschierungsblech zusammen mit jedem der metallischen Leiterelemente (12, 13) oder im Wärmeabführmittel (14) geformt. Es kann aber auch eine andere Lötlegierung verwendet werden, solange die Lötlegierung einen genügend hohen Betrag an Haftung bietet.
Verschieden Proben sind in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung hergestellt worden. Die Keramikscheiben (11) sind ca. 50 mm breit und ca. 75 mm lang und ca. 0,63 mm dick. Die Keramik besteht aus Y2O3–5% AlN, jedoch sind gelegentliche Einschlüsse darin beinhaltet. Die metallischen Wärmeabführmittel (14) sind ca. 50 mm breit, ca. 75 mm lang und ca. 3 mm dick. Die metallischen Leitelemente (12, 13) und die metallischen Wärmeabführmittel (14) sind aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gebildet. Die Zusammensetzungen der Aluminiumlegierungen sind in Tabelle 1 beschrieben. Die Wärmeabführmittel (14) und die metallischen Leitelemente (12, 13) werden durch ein Rollverfahren vorbereitet und mehrere Leiterelemente und Wärmeabführmittel werden gleichzeitig mit der Lötlegierung (15) verkleidet. Die Lötlegierungen (15) kaschieren auf diese Weise mit ca. 30 Mikrometer Dicke und die Lötlegierungen (15) in Form von Folien werden auch vorbereitet und in den anderen Proben verwendet. Die Zusammensetzungen der Lötlegierungen sind in Tabelle 1 gezeigt.
Jede der Keramikscheiben (11) ist mit den zugehörigen Wärmeabführmittel (14) und den Leiterelementen (12, 13) an beide Flächen laminiert und die folienförmige Lötlegierung (15) greift zwischen der Keramikscheibe (11) und entweder dem Wärmeabführmittel (14) oder dem metallischen Leiterelementen (12, 13) ein, falls erforderlich. Alle der Keramikscheiben (11), die auf diese Weise mit den zugehörigen Komponentenschichten laminiert sind, werden unter Vakuum auf eine Schmelztemperatur der Lötlegierung, die von 430°C bis 610°C reicht, erhitzt und dann für ca. 10 Minuten gehalten. Jede der Keramikscheiben (11) wird an das zugehörige Wärmeabführmittel (14) und die zugehörigen metallischen Leiterelemente (12, 13) gelötet. Die laminierten Strukturen, die auf diese Weise verbunden sind, werden weiter bei einer Temperatur von 350° C für 30 Minuten zur Wärmebehandlung gehalten und dann graduell im Ofen abgekühlt. Schließlich werden die Leiterelemente (12, 13) mit Kupfer oder Nickel bis zu einer Dicke von ca. 3 Mikrometer durch einen stromlosen Plattierungsvorgang plattiert. Proben 1 bis 10 sind auf diese Weise in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung hergestellt.
Zum Vergleich ist das Keramiksubstrat vom Stand der Technik hergestellt und in Tabelle 1 mit Bezugszeichen 11 gezeigt. Insbesondere die Keramikscheibe (1) ist aus Aluminiumoxid (Al2O3) mit einer Reinheit von 96% gebildet, die Dimensionen davon sind 50 mm Breite, 75 mm Länge und 0,63 mm Dicke. An beiden Flächen der Keramikscheibe (1) sind Sauerstofffreie Kupferscheiben (2, 3) angeordnet, jede 45 mm breit, 70 mm lang und 0,3 mm dick. Die Keramikscheibe (1), die zwischen den sauerstofffreien Kupferscheiben (2, 3) aufgenommen ist, wird in eine oxidierende Umgebung bestehend aus 1% Sauerstoff und 99% Argon angeordnet und bei 1075°C für 50 Minuten gehalten. Die Kupferscheiben (2, 3) werden oxidiert und Kupferoxyd (Co2O) wird auf den Oberflächen erzeugt. Da das Kupfer und das Kupferoxyd eine deutektische Mischung bilden, werden die Kupferscheiben (2, 3) mit der Keramikscheibe (1) verbunden. Eine folienförmige Sn-60% Pb Lötlegierung (5) ist zwischen der Kupferscheibe (3) und dem Wärmeabführmittel (4), das 50 mm breit, 75 mm lang und 3 mm dick ist, angeordnet. Das Wärmeabführmittel (4) ist aus saurestofffreiem Kupfer gebildet. Die folienförmige Lötlegierung (5) wird auf eine geeignet hohe Temperatur erhitzt und das Wärmeabführmittel (4) wird an die Kupferscheibe (3) gelötet. Tabelle 1
Die Proben 1 bis 11 werden auf 125°C erhitzt und dann auf –55°C abgekühlt. Die Temperaturerhöhung, die dem Abkühlen folgt bildet einen Wärmezyklus und der Wärmezyklus wird wiederholt, bis Risse in den Keramikscheiben (1 oder 11) auftreten. Der Auswertungsvorgang ist bei der Halbleiterherstellung gut bekannt. Bei der Auswertung wird der Wärmezyklus 20mal wiederholt und die Keramikscheiben 1 und 11 werden untersucht, ob irgendwelche Risse auftreten oder nicht. Falls keine Risse auftreten, wird der Erwärmungszyklus erneut 20mal wiederholt. Die Beobachtungen sind in Tabelle 2 zusammengefaßt.
Die Wärmeleitfähigkeit jeder der Proben 1 bis 11 ist durch eine Laserlichtmethode gemessen und ein Gewichtsverhältnis wird in Bezug auf das Keramiksubstrat vom Stand der Technik für jede der Proben 1 bis 10 berechnet. Die Wärmeleitfähigkeit und das Gewichtsverhältnis sind in Tabelle 2 gezeigt. In Tabelle 2 ist Kelvin durch Kvn. abgekürzt. Tabelle 2
Wie Tabelle 1 entnommen werden kann, ist die Widerstandsfähigkeit des Keramiksubstrats gemäß der vorliegenden Erfindung gegen wiederholte Wärmezyklen vergrößert und das Gewicht verringert. Dies ist der Fall, da das Keramiksubstrat mit der Kombination aus Keramikscheibe (11) aus Aluminiumnitrit und den Leiterelementen (12, 13) aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung hergestellt ist.
Im Allgemeinen ist es wünschenswert eine große Dicke in Hinblick auf die gegenwärtige Ausbreitung aufzuweisen. Jedoch sind die dicken metallischen Leiterelemente (12, 13) Ursache für große Spannungen, die auf die Keramikscheibe (11) ausgeübt werden, da ein großer Abstand von der neutralen Fläche einem großen Moment zu wirken erlaubt. Dann sind dünne metallische Leiterelemente (12, 13) in Hinsicht auf den Servicezeitraum wünschenswert. Das Verhältnis der Dicke t1 jedes Leitelements zu der Dicke t2 der Keramikscheibe (11) sollte kleiner als ein kritischer Wert sein und die Querschnittsfläche jedes Leiterelements wird entweder durch Breite oder Länge kompensiert.
Falls eine Keramikscheibe zwischen metallischen Leiterelementen und einem metallischen Wärmeabführmittel aufgenommen wird, dann wird ein Teil des Moments, das durch die metallischen Leiterelemente verursacht wird, durch ein Gegenmoment, das durch das metallische Wärmeabführmittel verursacht wird, aufgehoben. Das bedeutet, daß die Dicke t1 jedes Leiterelements gut mit der Dicke t3 des Wärmeabführmittels an einem gewissen Punkt ausbalanciert ist. Falls die Dicken t1 und t3 geeignet ausgewählt sind, dann bietet das Keramiksubstrat eine lange Dienstzeit ohne Verringerung der Zuverlässigkeit. 4 zeigt die Verformung eines Keramiksubstrats in Bezug auf das Verhältnis t1/t3. Obwohl ein Experiment mit den Keramikscheiben ausgeführt wurde, die auf dem Aluminiumoxyd gebildet sind, tritt die gleiche Tendenz bei einem Experiment mit Aluminiumnitritscheiben auf. Dreieckige Symbole stehen für Keramiksubstrate von vier Quadratzoll und Kreise stehen für Keramiksubstrate mit jeweils 30 mm Dicke und 70 mm Länge. Alle Keramiksubstrate sind 0,635 mm dick und beide Flächen jeder Aluminiumoxydscheibe sind zwischen zwei Aluminiumscheiben aufgenommen. Der Wärmezyklus, der auf die Keramiksubstrate ausgeübt wird, wiederholt eine Kurve zwischen +125° für 30 Minuten und –40°C für 30 Minuten. Die Anwendung des Wärmezyklus verwirft das Keramiksubstrat aufgrund des Unterschieds zwischen dem Moment und dem Gegenmoment in entgegengesetzter Richtung dazu. Die minimale Verformung findet bei einem Verhältnis von t1/t3 = 1 statt, wie in 4 gezeigt, und die minimale Deformation bei t1/t3 unterstützt gut die Existenz des Ausgleichpunkts, da das Moment mit dem Gegenmoment ausgeglichen wird. Falls das Besetzungsgebiet der metallischen Leiterelemente verkleinert wird, verschiebt sich der Ausgleichspunkt vom Verhältnis t1/t3 = 1 und die Einstellung des Verhältnisses zum Ausgleichpunkt verlängert den Dienstzeitraum.
Der Aluminiumgehalt der Leiterelemente und des Wärmeabführmittels hat einen Einfluß auf den Widerstand gegen die Wiederholung des Wärmezyklus. 5 zeigt die Anzahl der Wärmezyklen, die auf das Keramiksubstrat in Bezug auf den Aluminiumbestandteil ausgeübt werden. Kreise stehen für Keramiksubstrate ohne Abkühlung nach dem Verbinden von Keramikscheibe und Aluminiumscheiben und Punkte repräsentieren Keramiksubstrate, die durch die Verbindung gefolgt durch eine Abkühlung bei 400°C für sechs Stunden hergestellt worden sind. Alle Keramiksubstrate sind in einer rechteckigen Konfiguration von einem Zoll zu einem Zoll geformt und die Dicke ist ca. 0,4 mm. Falls der Mangangehalt vergrößert wird, nimmt der Widerstand ab, aber der Widerstand wird durch das Abkühlen verbessert. Falls eine Aluminiumlegierung für die Leiterelemente (12, 13) und das Wärmeabführmittel (14) verwendet wird, sollte ein geeigneter Abkühlvorgang für das Heilen des Widerstands gegen die Wiederholung des Wärmezyklus ausgeführt werden.
Zweite Ausführungsform
Mit Bezug auf 6 der Zeichnungen weist ein anderes Keramiksubstrat gemäß der vorliegenden Erfindung eine Keramikscheibe (21) auf, die hauptsächlich aus Aluminiumnitrit zusammengesetzt ist und mit einem Aluminiumoxydfilm (21a) bedeckt ist, einen Oberflächenfilm (22), der den Aluminiumoxydfilm (21a) überdeckt, ein metallisches Leiterelementmuster (23), ein metallisches Wärmeabführelement (24) und Lötlegierungsblöcke (25a, 25b), die die metallischen Leiterelementmuster (23) und das metallische Wärmeabführelement (24) mit beiden Flächen der Keramikscheibe (21) verbinden. Bei dieser Gelegenheit wird die Keramikscheibe (21) aus Aluminiumnitrit gebildet, das einen oder mehrere Oxydatoren aufweist; es kann jedoch ein reines Aluminiumnitrit für die Keramikscheibe (21) verwendet werden. Die Oxydatoren machen in diesem Fall zwischen 0,1% bis 10% des Gewichts aus und der Aluminiumoxydfilm (21a) ist 0,2 Mikrometer bis 20 Mikrometer dick.
Aluminiumpulver, das die Oxydatoren aufweist, wird gesintert, um die Keramikscheibe (21) herzustellen, und die Oxydatoren verbessern die Dichte des gesinterten Produkts oder der Keramikscheibe (21). Die große Dichte resultiert in einer großen mechanischen Festigkeit und das Keramiksubstrat gemäß der vorliegenden Erfindung bricht weniger häufig. Der Oxydator oder die Oxydatoren fördern ferner die Oxydation des Oberflächenabschnitts der Keramikscheibe (21), um rasch den Aluminiumoxydfilm (21a) zu bilden. Falls der Oxydator oder die Oxydatoren weniger als 0,1 Gewichtsprozent aufweisen, wird die Verbesserung bei der Dichte kaum erreicht und keine rasche Oxydation findet statt. Wenn der Oxydator oder die Oxydatoren jedoch mehr als 10 Gewichtsprozent aufweisen, wird die Wärmeleitfähigkeit der Keramikscheibe (21) verringert und aus diesem Grunde beläuft sich der Anteil des Oxydators oder der Oxydatoren von 0,1 Gewichtsprozent bis 10 Gewichtsprozent.
Der Aluminiumoxydfilm (21a) wird durch eine Flächenoxydation der Keramikscheibe (21) gebildet und die Flächenoxydation wird bei 1100°C bis 1500°C in einer oxydierenden Umgebung durchgeführt, wo der Sauerstoffpartialdruck von 10 –2 bis 1 Atmosphäre erreicht und der Wasserdampfdruck geringer als 10 –3 Atmosphären ist. Der Zeitraum für die Oxydation hängt von der Dicke des Aluminiumoxydfilms (21a) ab. Der Vorteil des Aluminiumoxydfilms (21a) wird im Zusammenhang mit dem Oberflächenfilm beschrieben. Falls der Aluminiumoxydfilm (21a) jedoch geringer als 0,2 Mikrometer ist, treten kaum Vorteile auf und ein Aluminiumoxydfilm von mehr als 20 Mikrometer verringert die Wärmeleitfähigkeit der Keramikscheibe.
Das metallische Leiterelementmuster (23) und das Wärmeabführmittel (24) sind aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gebildet, die aus der Gruppe bestehend aus Aluminiummanganlegierung, Aluminiumnickellegierung, Aluminiummagnesiumchromlegierung und Aluminiumboronlegierung ausgewählt ist. Die Oberfläche des metallischen Leitereulementmusters (23) ist teilweise mit Kupfer oder Nickel plattiert, so daß Schaltkreiskomponenten (nicht gezeigt) leicht daran gelötet werden können.
Die Lötlegierung ist aus der Gruppe bestehend aus einer Aluminiumsilikonlegierung,
einer Aluminiumsiliziummagnesiumlegierung, einer Aluminiumsiliziumgermaniumlegierung und einer Aluminiumgermaniumlegierung ausgewählt. Die Lötlegierung ist als Folie geformt oder das metallische Leiterelementmuster (23) und das metallische Wärmeabführmittel sind mit der Lötlegierung kaschiert. Die Lötlegierungsblöcke (25a, 25b) werden bei einer geeigneten hohen Temperatur über ihrem Schmelzpunkt geschmolzen und dementsprechend wird die Keramikscheibe (21), die mit dem Oberflächenfilm (22) bedeckt ist, mit dem metallischen Leiterelementmuster (23) und dem metallischen Wärmeabführmittel (24) verbunden.
Der Oberflächenfilm (22) ist hauptsächlich aus Siliziumoxyd (SiO2) oder aus dem Siliziumoxyd, das Zirkonoxyd oder Titanoxyd beinhaltet, zusammengesetzt. Der Oberflächenfilm (22) und der Aluminiumoxydfilm (21a) verbessern die Hafteigenschaften zwischen der Keramikscheibe (21) und dem metallischen Leiterelementmuster und zwischen der Keramikscheibe (21) und dem metallischen Wärmeabführmittel (24). Dies ist so, weil sowohl das Aluminiumoxyd als auch die Lötlegierung gut mit dem Siliziumoxyd benetzt sind. Der Oberflächenfilm (22) weist eine Dicke von 0,01 Mikrometer bis 10 Mikrometer auf. Falls der Oberflächenfilm (22) eine geringere Dicke als 0,01 Mikrometer aufweist, wird die Haftung kaum verbessert. Falls der Oberflächenfilm (22) eine größere Dicke als 10 Mikrometer aufweist, wird die Wärmeleitung verringert. Daher sollte der Oberflächenfilm (22) zwischen 0,01 und 10 Mikrometer eingestellt sein. Der Oberflächenfilm (22) der Siliziumoxydschicht verbessert sicher die Haftung. Falls der Oberflächenfilm (22) jedoch Zirkonoxyd oder Titanoxyd aufweist, wird sowohl die Haftung als auch Festigkeit desselben weiter verbessert und demgemäß die Widerstandsfähigkeit des Keramiksubstrats gegen wiederholte Wärmezyklen verbessert. Sowohl Zirkonoxyd als auch Titanoxyd belaufen sich auf 1 bis 50 Gewichtsprozent.
Falls der Oberflächenfilm (22) aus Siliziumoxyd gebildet ist, wird das Siliziumoxyd durch ein Hochfrequenzzerstäubungsverfahren aufgetragen. Bei dem Zerstäubungsverfahren wird das Ziel aus Quarz mit einer Reinheit von 99,9% gebildet und die Abmessungen des Ziels sind 3 mm im Durchmesser und 10 mm in der Höhe. Das Zerstäuben wird bei 100 Watt ausgeführt und die Keramikscheibe (21) wird angetrieben um bei 10 UpM zu rotieren. Ein Sol-Gelverfahren ist auch für den Oberflächenfilm (22) verfügbar. Das Sol-Gelverfahren beginnt mit der Vorbereitung einer Lösung, worin 347 Gramm Ethylsilikat in 500 Gramm Ethylalkohol und 190,2 Gramm von 0,3 prozentigem Hydrochlorid verdünnt in Wasser, gemischt werden. Die Lösung wird auf die Keramikscheibe (22) für 10 Sekunden gesprüht und die Keramikscheibe (22) wird angetrieben, um bei 500 UpM zu rotieren. Die Keramikscheibe (22) wird dann bei 800°C für 10 Minuten gehalten, so daß ein extrem dünner Siliziumoxydfilm auf der Keramikscheibe (22) erzeugt wird. Das Sol-Gelverfahren, was auf diese Weise ausgeführt wurde, wird wiederholt, bis der Oberflächenfilm (22) eine vorbestimmte Dicke erreicht. Ein anderes verfügbares Verfahren ist ein fotounterstütztes chemisches Aufdampfverfahren(CVD). Die Keramikscheibe (22) wird in einer Reaktionskammer eines fotounterstützten CVD-Systems angeordnet und die Reaktionskammer wird auf 0,2 Torr evakuiert. Ein Gasgemisch von Si2H6 und O2 wird in die Reaktionskammer eingeführt und Si2H6 wird auf 0,015 Volumenprozent reguliert. Eine chemische Reaktion findet unter Fotostrahlung einer Quecksilberlampe statt und das Siliziumoxyd lagert sich auf der Keramikscheibe (22) ab. Die zuvor erwähnten drei Verfahren sind auch für den Oberflächenfilm (22), der Zirkoniumoxyd oder Titanoxyd aufweist, verfügbar.
Verschiedene Proben sind in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung hergestellte worden. Pulver von Aluminiumnitrit, Pulver vom Yttriumoxyd (Y2O3) und Pulver von Kalziumoxyd (CaO) wurden vorbereitet und die Pulver weisen im Durchschnitt Durchmesser von 1 bis 3 Mikrometer auf. Die Pulver sind auf jeweilige Portionen, wie in Tabelle 3 gezeigt, reguliert worden und die individuellen Mischungen sind in einer Naßkugelmühle für 72 Stunden gemischt worden. Nach dem Trocknen ist ein organisches Bindemittel zu den individuellen Mischungen hinzugefügt worden und gut vermischt worden, um jeweilige Pasten zu erzeugen. Die Pasten, die auf diese Weise erhalten wurden, sind in jeweilige frische Platten durch die Abstreichtechnik (Doctoral-Blade-Technic) geformt worden und die frischen Platten sind in einer atmosphärischen Stickstoffumgebung bei 800°C für zwei Stunden gesintert worden. Die keramischen Scheiben (22), die auf diese Weise gesintert wurden, sind im Wesentlichen identisch in ihrer Zusammensetzung mit der jeweiligen Mischung und die Abmessungen jeder Keramikscheibe sind 50 mm Breit, 75 mm Lang und 0,63 mm Dick. Die Keramikscheiben (22) werden in einer oxidierenden Umgebung bei 1350°C bis 1450°C für entsprechende Zeiträume, abhängig von der Dicke des Aluminiumoxydfilms (21a), oxidiert. Die Oxydationsumgebung hat einen partiellen Druck von 1 × 10 –5 bis 1 × 10 –3 Atmosphären (AtÜ) und die Durchschnittsdicke jedes Aluminiumoxydfilms (21a) ist in Tabelle 3 gezeigt. Die Oberflächenfilme (22) sind jeweils auf den Aluminiumoxydfilmen (21a) entweder durch ein Hochfrequenzzerstäubungsverfahren, ein Sol-Gelverfahren oder ein fotounterstütztes CVD Verfahren aufgetragen und die Zusammensetzung der Dicke des Oberflächenfilms (22) wird in Tabelle 3 gezeigt. Tabelle 3
Die metallischen Leiterelementmuster (23) sind in den Abmessungen von 45 mm Breite, 70 mm Länge und 1 mm Dicke geformt und die metallischen Wärmeabführmittel (24) sind 50 mm breit, 75 mm lang und 3 mm dick. Die metallischen Leiterelementmuster (23) und die metallischen Wärmeabführmittel (24) sind aus reinem Aluminium und Aluminiumlegierungen, wie in Tabelle 4 gezeigt, gebildet. In Tabelle 4 wird reines Aluminium durch "Al" abgekürzt und Mg-2,5% Cr-0,2% Aluminiumlegierung, Mn-0,1% Aluminiumlegierung, Ni-0,02% Aluminiumlegierung und B-0,005% Aluminiumlegierung sind jeweils als "Al-Mg-Cr", "AlMn", "Al-Ni" und "Al-B" abgekürzt.
Folgende Lötlegierungen werden für die Herstellungen der Proben (21 bis 42) verwendet:

1. Si-13% Aluminiumlegierung (abgekürzt als "Al-13Si" in Tabelle 4)
2. Si-7,5% Aluminiumlegierung (abgekürzt als "Al-7,5Si")
3. Ge-15% Aluminiumlegierung (abgekürzt als "Al-Ge")
4. Si-N,5% Mg-1% Aluminiumlegierung (abgekürzt als "Al-Si-Mg")
5. Si-7,5 Ge-10% Aluminiumlegierung (abgekürzt als " Al-Si-Ge")

Die Lötlegierungen 1–3 sind als Folie von 50 μm Dicke gebildet oder jedes der metallischen Leiterelementmuster (23) und der metallischen Wärmeabführmittel (24) ist mit entweder Lötlegierung 4 oder 5 von 30 μm kaschiert.
Jede der Keramikscheiben (21), die mit dem Oberflächenfilm (22) bedeckt ist, ist mit dem metallischen Leiterelementmuster (23), dem metallischen Wärmeabführmittel (24) und dem Lötlegierungsfilm laminiert, falls erforderlich, und wird in einem Vakuum bei 430 bis 610°C für 10 Minuten angeordnet. Dann wird jede der Keramikscheiben (21) mit einem metallischen Leiterelementmuster (23) und dem metallischen Wärmeabführmittel (24) verbunden und wird bei 350°C für 30 Minuten abgekühlt und dann graduell auf Raumtemperatur im Ofen abgekühlt. Die metallischen Leiterelementmuster (23) werden dann mit Kupfer oder Nickel auf eine Dicke von ca. 3 μm durch ein stromloses Plattierungsverfahren plattiert.
Zum Vergleich wird ein Keramiksubstrat PR vom Stand der Technik durch Verwendung einer Aluminiumoxydscheibe mit einer Reinheit von 96% und den Abmessungen von 50 mm Breite, 50 mm Länge und 0,63 mm Dicke hergestellt. Die Aluminiumoxydscheibe wird zwischen sauerstofffreien Kupferplatten von 45 mm Breite, 70 mm Länge und 0,3 mm Dicke aufgenommen. Wenn die Aluminiumoxydscheibe, die auf diese Weise zwischen den sauerstofffreien Kupferscheiben angeordnet ist, in einer Argonumgebung mit 1% Sauerstoff bei 1075°C für 75 Minuten angeordnet wird, dann reagiert das oxidierte Kupfer (Cu2O) in der flüssigen Phase mit Kupfer, so daß eine eutektische Legierung zum Verbinden mit den Aluminiumoxydscheiben gebildet wird. Eine folienförmige Nn-60 % Pb Legierung wird zwischen einer der Kupferplatten und einem Wärmeabführmittel aus einem sauerstofffreien Kupfer aufgenommen. Das Wärmeabführmittel ist 50 mm breit, 75 mm lang und 3 mm dick. Tabelle 4
Proben 21 bis 42 und das Keramiksubstrat PR vom Stand der Technik werden Wärmezyklen zwischen 125° und –55°C zur Auswertung unterworfen und die Wärmezyklen werden 20 mal wiederholt. Nach den 20 Wärmezyklen werden die Proben 21 bis 42 und das Keramiksubstrat PR vom Stand der Technik untersucht, um zu sehen, ob Risse aufgetreten sind. Falls dies nicht der Fall ist, werden die Proben dem Wärmezyklus erneut 20 mal unterworfen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 5 beschrieben. Die Wärmeleitfähigkeit wird für jede Probe und für das Keramiksubstrat vom Stand der Technik durch ein Laserlichtverfahren gemessen und die Bindungsfestigkeit wird ferner, wie in 5 gezeigt, gemessen. Ausgehend von einer Gewichtseinheit von 1 für das Keramiksubstrat vom Stand der Technik wird das Gewichtsverhältnis für jede Probe berechnet. Tabelle 5
Wie aus Tabelle 5 entnommen werden kann, weist das Keramiksubstrat gemäß der vorliegenden Erfindung eine genauso große Wärmeleitfähigkeit wie das Keramiksubstrat vom Stand der Technik auf und ist bezüglich Gewicht und Widerstandsfähigkeit gegen Wiederholung der Wärmezyklen verbessert. 4 und 5 sind auf das in 6 gezeigte Keramiksubstrat anwendbar und die Designarbeiten sind unter Beachtung der mit Bezug auf 4 und 5 beschriebenen Tendenzen ausgeführt. Dies ist dienlich, um ein weiter verbessertes Keramiksubstrat herzustellen.
Eine andere Aluminiumlegierung kann für das Wärmeabführmittel (14) und die metallischen Leiterelemente verfügbar sein, insofern als die Aluminiumlegierung eine größere Ermüdungsgrenze gegen eine wiederholte Last als Kupfer aufweist und geringer im spezifischen Gewicht ist als Kupfer. Die Kandidaten hierfür sind eine Al-B Legierung, eine Al-Bi Legierung, eine Al-Ca Legierung, eine Al-Cd Legierung, eine Al-Ce Legierung, eine Al-Cr Legierung, eine Al-Cu Legierung, eine Al-Fe Legierung, eine Al-Ga Legierung, eine Al-In Legierung, eine Al-La Legierung, eine Al-Li Legierung, eine Al-Mn Legierung, Al-Mg Legierung, eine Al-Mo Legierung, eine Al-Nb Legierung, eine Al-Ni Legierung, eine Al-Pb Legierung, eine Al-Pd Legierung, eine Al-Pt Legierung, eine Al-Sb Legierung, eine Al-Si Legierung, eine Al-Ti Legierung , eine Al-Sn Legierung, eine Al-V Legierung, eine Al-W Legierung, eine Al-Y Legierung, eine Al-Zn Legierung und eine Al-Ze Legierung. Außerdem sind alle Ausführungsformen mit dem Wärmeabführmittel ausgestattet. Dennoch kann ein anderes erfindungsgemäßes Keramiksubstrat nicht mit einem Wärmeabführmittel ausgestattet sein.

Claims

Keramiksubstrat für einen elektrischen oder elektronischen Schaltkreis mit (a) einer hauptsächlich aus Aluminiumnitrid zusammengesetzten Keramikscheibe (11), (b) Leiterelementen (12, 13), die mit einer ersten Oberfläche der Keramikscheibe verbunden sind, und die einen Strompfad für wenigstens ein mit den Leiterelementen verbundenes Schaltkreiselement (16, 17) bereitstellen, dadurch gekennzeichnet, daß (d) die Leiterelemente (12, 13) aus Aluminium mit einer Reinheit von wenigstens 99.98% bestehen.
Keramiksubstrat nach Anspruch 1, wobei ein metallisches Wärmeableitmittel (14) mit der zweiten Oberfläche der Keramikscheibe verbunden ist und aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gebildet ist.
Keramiksubstrat nach Anspruch 2 wobei die Leiterelemente (12, 13) und das metallische Wärmeableitmittel (14, 24) mittels einer Lötlegierung, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Aluminium-Silizium, Aluminium-Germanium-Legierung, Aluminium-Silizium-Magnesium-Legierung und Aluminium-Silzium-Germanium-Legierung, mit der ersten bzw. mit der zweiten Oberfläche der Keramikscheibe (11) verbunden sind.
Keramiksubstrat nach Anspruch 3, dessen erste und zweite Oberfläche oxidiert sind und als Aluminiumoxidschicht (21a) ausgebildet sind, und wobei das Keramiksubstrat außerdem eine Oberflächenschicht (22) aus einem Oxid aufweist, die zwischen der Aluminiumoxidschicht (21a) und den Leiterelementen (12, 13) sowie zwischen der Aluminiumoxidschicht (21a) und dem metallischen Wärmeableitmittel (14, 24) ausgebildet ist, um die Haftung an der Aluminiumoxidschicht ( 21a ) zu verstärken.
Keramiksubstrat nach Anspruch 4, wobei die Aluminiumoxidschicht (21a) eine Dicke von wenigstens 0,2 μm und höchstens 20 μm hat und die Oberflächenschicht (22) eine Dicke von 0,01 μm bis 10 μm hat.
Keramiksubstrat nach Anspruch 4, wobei das Oxid ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Siliziumoxid; Siliziumoxid und Zirkoniumoxid; sowie Siliziumoxid und Titanoxid.
Keramiksubstrat nach Anspruch 2, wobei die Leiterelemente (12, 13) in etwa die gleiche Dicke haben wie das metallische Wärmeableitmittel (14, 24).