(19)
(11)EP 3 419 952 B1

(12)EUROPÄISCHE PATENTSCHRIFT

(45)Hinweis auf die Patenterteilung:
01.04.2020  Patentblatt  2020/14

(21)Anmeldenummer: 17708988.5

(22)Anmeldetag:  16.02.2017
(51)Internationale Patentklassifikation (IPC): 
C04B 37/02(2006.01)
C04B 41/00(2006.01)
(86)Internationale Anmeldenummer:
PCT/EP2017/053451
(87)Internationale Veröffentlichungsnummer:
WO 2017/144333 (31.08.2017 Gazette  2017/35)

(54)

KUPFER-KERAMIK-VERBUND

COPPER- CERAMIC COMPOSITE

COMPOSITE CUIVRE-CERAMIQUE


(84)Benannte Vertragsstaaten:
AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

(30)Priorität: 26.02.2016 DE 102016203112

(43)Veröffentlichungstag der Anmeldung:
02.01.2019  Patentblatt  2019/01

(73)Patentinhaber: Heraeus Deutschland GmbH & Co. KG
63450 Hanau (DE)

(72)Erfinder:
  • HERBST, Kai
    91056 Erlangen (DE)
  • MUSCHELKNAUTZ, Christian
    64347 Griesheim (DE)
  • ROGG, Alexander
    92724 Trabitz (DE)

(74)Vertreter: Haggenmüller, Christian 
Maiwald Patentanwalts- und Rechtsanwaltsgesellschaft mbH Elisenhof Elisenstraße 3
80335 München
80335 München (DE)


(56)Entgegenhaltungen: : 
DE-A1-102004 050 792
JP-A- 2014 222 619
  
      
    Anmerkung: Innerhalb von neun Monaten nach der Bekanntmachung des Hinweises auf die Erteilung des europäischen Patents kann jedermann beim Europäischen Patentamt gegen das erteilte europäischen Patent Einspruch einlegen. Der Einspruch ist schriftlich einzureichen und zu begründen. Er gilt erst als eingelegt, wenn die Einspruchsgebühr entrichtet worden ist. (Art. 99(1) Europäisches Patentübereinkommen).


    Beschreibung


    [0001] Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kupfer-Keramik-Verbund sowie ein diesen Verbund enthaltendes Modul, das in Leistungselektronikbauteilen verwendet werden kann.

    [0002] Keramikschaltungsträger sind aufgrund ihrer hohen Wärmeleitfähigkeit, hohen Formstabilität bzw. mechanischen Festigkeit sowie ihrer hohen Isolationsfestigkeit insbesondere im Bereich der Hochleistungselektronik von Interesse.

    [0003] Für die Metallisierung eines Keramiksubstrats stehen verschiedene Verfahren wie z.B. Direct-Copper-Bonding (üblicherweise als DCB-Verfahren bezeichnet) oder Active-Metal-Brazing (üblicherweise als AMB-Verfahren bezeichnet) zur Verfügung.

    [0004] Das nach der Metallisierung des Keramiksubstrats erhaltene Verbundmaterial wird auch als Metall-Keramik-Substrat oder Metall-Keramik-Verbund bezeichnet. Sofern es beispielsweise durch ein DCB-Verfahren hergestellt wurde, wird häufig auch die Bezeichnung "DCB-Substrat" verwendet.

    [0005] Bei dem DCB-Verfahren wird ausgenutzt, dass Sauerstoff den Schmelzpunkt des Kupfers von 1083°C auf die eutektische Schmelztemperatur von 1065°C reduziert. Durch die Oxidation von Kupferfolien vor der Metallisierung des Keramiksubstrates oder durch Sauerstoffzufuhr während des Hochtemperaturprozesses (beispielsweise bei einer Temperatur zwischen 1065°C und 1080°C) entsteht eine dünne eutektische Schmelzschicht. Diese reagiert mit der Oberfläche des Keramiksubstrats, so dass Keramik und Metall haftfest miteinander verbunden werden können.

    [0006] DCB-Verfahren werden beispielsweise in US 3,744,120 oder DE 23 19 854 beschriebenen.

    [0007] Die Metallisierung kann beispielsweise nur auf einer Seite des Keramiksubstrats ("Single-Layer-Bonding" SLB) oder alternativ auch auf beiden Seiten des Keramiksubstrates gleichzeitig ("Double-Layer-Bonding" DLB) erfolgen. Außerdem ist es möglich, zunächst eine erste Seite des Substrats durch einen ersten SLB-Schritt zu metallisieren und anschließend auch die gegenüberliegende Substratseite in einem weiteren SLB-Schritt zu metallisieren.

    [0008] Bekannt ist auch, die aufgebrachte Metallbeschichtung für die Ausbildung von Leiterbahnen zu strukturieren, beispielsweise über Ätzverfahren.

    [0009] In vielen Anwendungen der Leistungselektronik unterliegt der Metall-Keramik-Verbund hohen Temperaturwechselbelastungen, bei denen deutliche Temperaturänderungen (z.B. im Bereich zwischen -40°C und +150°C) auftreten können.

    [0010] Bedingt durch die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten des Keramiksubstrats und der Metallbeschichtung ergeben sich am Übergang zwischen diesen Schichten bei Temperaturschwankungen erhebliche mechanische Spannungen, die letztlich zu einer zumindest partiellen Ablösung des Metalls von der Keramikoberfläche führen können. Bekannt ist, dass durch eine spezifische Strukturierung der Metallschicht auf makroskopischer Ebene in ihrem Randbereich Zug- und Druckspannungen verringert und somit die Temperaturwechselbeständigkeit verbessert werden kann. DE 40 04 844 und DE4318241 A1 beschreiben Metallbeschichtungen auf Keramiksubstraten, die an ihren Kanten Randabschwächungen in Form von Vertiefungen oder Löchern aufweisen.

    [0011] Neben der Temperaturwechselbeständigkeit sind weitere relevante Eigenschaften eines Kupfer-Keramik-Verbunds für Anwendungen in der Elektronik dessen, Wärmeleitfähigkeit und mechanische Festigkeit (insbesondere die Wärmeleitfähigkeit und mechanische Festigkeit des Keramiksubstrats), ein gutes Bondingverhalten der Kupferbeschichtung gegenüber Bondingdrähten sowie eine möglichst feste Bindung der Metallbeschichtung an die Keramikoberfläche, wobei diese Bindung auch unter längeren Temperaturwechselbelastungen ausreichend fest bleibt sollte.

    [0012] In der DE 10 2012 110 322 wird das Keramiksubstrat des Metall-Keramik-Verbunds hinsichtlich seiner Kornstruktur (also seiner Struktur auf mikroskopischer Ebene) eingehender definiert. Das Keramiksubstrat enthält ein mit Zirkonoxid verstärktes Aluminiumoxid, wobei die mittlere Korngröße des Aluminiumoxids im Bereich von 2-8 µm liegt und das Verhältnis der Länge der Korngrenzen der Al2O3-Körner zu der Gesamtlänge aller Korngrenzen >0,6 ist. Nach den Angaben der DE 10 2012 110 322 trägt diese Kornstruktur zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit bei.

    [0013] DE102004050792 betrifft ein Bauelemente-Modul für Hochtemperaturanwendungen. Das Modul enthält eine Grundplatte, auf der ein mehrlagiger Stapel unterschiedlicher Materialien aufgebracht ist. Dieser mehrlagige Stapel enthält unter anderem zwei Keramikplatten, die jeweils an ihrer Ober- und Unterseite eine Metallbeschichtung aufweisen. Es handelt sich bei dem Metall um Kupfer, das über ein DCB Verfahren auf die Keramikplatte aufgebracht wird.

    [0014] Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt in der Bereitstellung eines Metall-Keramik-Verbunds mit verbessertem Eigenschaftsprofil, insbesondere mit verbesserter Temperaturwechselbeständigkeit.

    [0015] Gelöst wird die Aufgabe durch einen Kupfer-Keramik-Verbund, umfassend
    • ein Keramiksubstrat, das Aluminiumoxid enthält,
    • eine auf dem Keramiksubstrat vorliegende Beschichtung aus Kupfer oder einer Kupferlegierung, die über ein DCB-Verfahren auf das Keramiksubstrat aufgebracht wird,
    wobei

    die Körner des Aluminiumoxids jeweils einen maximalen Durchmesser dKmax, einen senkrecht zu dK,max verlaufenden Durchmesser dK,ortho, bestimmt auf halber Länge von dK,max, und einen Formfaktor RK(Al2O3)= dK,ortho / dK,max aufweisen und das Aluminiumoxid einen mittleren Korn-Formfaktor Ra(Al2O3), bestimmt als arithmetischer Mittelwert aus den Formfaktoren RK(Al2O3) der Körner des Aluminiumoxids, aufweist,

    die Körner des Kupfers oder der Kupferlegierung jeweils einen maximalen Durchmesser dK,max, einen senkrecht zu dK,max verlaufenden Durchmesser dK,ortho, bestimmt auf halber Länge von dK,max, und einen Formfaktor RK(Cu)= dK,ortho / dK,max aufweisen und das Kupfer oder die Kupferlegierung einen mittleren Korn-Formfaktor Ra(Cu), bestimmt als arithmetischer Mittelwert aus den Formfaktoren RK(Cu) der Körner des Kupfers oder der Kupferlegierung, aufweist,

    wobei die mittleren Korn-Formfaktoren des Aluminiumoxids und des Kupfers oder der Kupferlegierung der folgenden Bedingung genügen:



    [0016] Sowohl bei der Kupferbeschichtung als auch beim Keramiksubstrat eines Kupfer-Keramik-Verbunds handelt es sich allgemein um ein polykristallines Material, das aus kleinen Kristalliten (die auch als Körner bezeichnet werden) besteht. Auf mikroskopischer Ebene können polykristalline Materialien anhand ihrer Kornstruktur (z.B. Korngrößenverteilungen, Form der Körner, Textur, .... etc.) eingehender charakterisiert werden.

    [0017] Die Form eines individuellen Korns lässt sich über seinen Formfaktor RK ausdrücken, der das Verhältnis des maximalen Korndurchmessers dK,max zu dem senkrecht zu dK,max verlaufenden Durchmesser dK,ortho, bestimmt auf halber Länge von dK,max, ist (d.h. RK=dK,ortho/dK,max). Dies ist schematisch in Figur 1 anhand eines Korns mit elliptischer Kornstruktur dargestellt.

    [0018] Aus dem arithmetischen Mittelwert der Formfaktoren RK der Körner erhält man den mittleren Korn-Formfaktor Ra des Materials. Enthält ein Material beispielsweise einen hohen Anteil länglicher Körner, so wird der mittlere Korn-Formfaktor dieses Materials einen relativ niedrigen Wert einnehmen. Andererseits gilt, dass sich der mittlere Korn-Formfaktor umso mehr dem Wert 1,0 annähert, je höher der Anteil von runden, kreisförmigen Körnern ist.

    [0019] Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde überraschend festgestellt, dass sich die Temperaturwechselbeständigkeit eines Kupfer-Keramik-Verbunds verbessern lässt, wenn sich die Körner des Kupfers oder der Kupferlegierung der Metallbeschichtung und die Körner des Aluminiumoxids des Keramiksubstrats in ihrer Form ähnlich sind und daher die mittleren Korn-Formfaktoren des Aluminiumoxids und des Kupfers oder der Kupferlegierung der folgenden Bedingung genügen:



    [0020] Erfindungsgemäß versteht man unter einer Temperaturwechselbeständigkeit den Widerstand bzw. die Widerstandsfähigkeit der Kupferschicht gegen Delamination von der Keramik eines Kupfer-Keramik-Substrates, wobei der Widerstand in Folge von zumindest einem Temperaturwechsel der Kupferschicht gegenüber der Keramik bestimmt wird. Eine verbesserte Temperaturwechselbeständigkeit bedeutet, dass die Anzahl der widerstandenen Temperaturwechsel sich vergrößert.

    [0021] Erfindungsgemäß wird unter einem verbesserten Drahtbonding verstanden, dass die Kraft, mit der der Bonddraht von der Kupferoberfläche eines Kupfer-Keramik-Verbundes abgelöst werden kann, erhöht ist.

    [0022] Erfindungsgemäß wird unter einer verbesserten Kupferhaftfestigkeit eine Haftfestigkeit des Kupfers gegenüber dem Kupfer-Keramik-Verbundes verstanden, so dass die Kraft, mit der die gebondete Kupferfolie von der Keramikoberfläche eines Kupfer-Keramik-Verbundes abgelöst werden kann, erhöht ist. Aus der DE102004012231B4 ist dem Fachmann ein beispielhaftes Meßverfahren bekannt (Figuren 2 und 3 der DE102004012231B4).

    [0023] Erfindungsgemäß wird unter einer verbesserten Biegebruchfestigkeit der Keramik verstanden, dass bei einer Drei-Punkt-Biegung die zum Bruch führende Kraft erhöht ist. Dem Fachmann ist beispielsweise zur Biegebruchfestigkeitsbestimmung der Keramik die DIN EN 843-1 (2008). Bevorzugt weicht die Probengeometrie gegenüber der DIN EN 843-1 (2008) dahingehend ab, dass die Proben eine Abmessung von 20 x 40 x 0,38 mm3 oder 20 x 40 x 0,63 mm3 aufweisen.

    [0024] Bevorzugt liegt das Verhältnis des mittleren Korn-Formfaktors des Aluminiumoxids zu dem mittleren Korn-Formfaktor des Kupfers oder der Kupferlegierung im Bereich von 0,75-1,50, bevorzugter im Bereich von 0,80-1,20.

    [0025] Bevorzugt ist der mittlere Korn-Formfaktor Ra(Al2O3) des Aluminiumoxids ≥0,40, noch bevorzugter ≥0,60 oder ≥0,80; und der mittlere Korn-Formfaktor Ra(Cu) des Kupfers oder der Kupferlegierung ist bevorzugt ≥0,40, noch bevorzugter ≥0,60 oder ≥0,80; unter der Maßgabe, dass das Verhältnis Ra(Al2O3) / Ra(Cu) den oben genannten Bedingungen genügt.

    [0026] Im Rahmen der Erfindung konnte ferner festgestellt werden, dass durch Auswahl weiterer Produktparameter Produkteigenschaften verbessert werden konnten.

    [0027] Bevorzugt liegen die Korngrößen des Kupfers oder der Kupferlegierung im Bereich von 10 µm bis 300 µm, bevorzugter im Bereich von 15 µm bis 250 µm, noch bevorzugter im Bereich von 20 µm bis 210 µm. In diesem Korngrößenbereich zeigt das Kupfer oder die Kupferlegierung auch dann noch eine gute Haftung auf einem Keramiksubstrat, wenn der Kupfer-Keramik-Verbund häufigen Temperaturwechselbelastungen ausgesetzt ist. Gleichzeitig ermöglicht das Kupfer oder die Kupferlegierung mit diesen Korngrößen ein effizientes Drahtbonding. Eine Metallbeschichtung zeigt ein gutes Drahtbonding, wenn sich eine möglichst starke Verbindung zu einem Bonddraht ausbilden lässt und dadurch das Risiko einer unerwünschten Ablösung des Bonddrahts minimiert wird. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind diese Werte nicht als strikte Unter- und Obergrenzen für die Korngrößenverteilung anzusehen, sondern können um +/- 10% variieren. In einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich jedoch um die Unter- und Obergrenzen der Korngrößenverteilung des Kupfers oder der Kupferlegierung, die nicht unter- bzw. überschritten werden. In dieser bevorzugten Ausführungsform weist daher das Kupfer oder die Kupferlegierung keine Körner auf, die außerhalb der oben genannten Bereiche liegen. Es ist also bevorzugt, dass dmin(Cu) ≥ 10 µm und dmax(Cu) ≤ 300 µm, bevorzugter dmin(Cu) ≥ 15 µm und dmax(Cu) ≤ 250 µm, noch bevorzugter dmin(Cu) ≥ 20 µm und dmax(Cu) ≤ 210 µm, wobei dmin(Cu) und dmax(Cu) die minimalen bzw. maximalen Korngrößen des Kupfers sind.

    [0028] Durch Verwendung einer Kupferausgangsfolie mit geeigneter Korngrößenverteilung können die gewünschten Korngrößen im Kupfer-Keramik-Verbund eingestellt werden. Solche Kupferfolien sind kommerziell erhältlich oder können über Standardverfahren erhalten werden. Eine Feineinstellung der Korngrößen kann gegebenenfalls durch eine thermische Behandlung der Ausgangsfolie erfolgen.

    [0029] Wie dem Fachmann grundsätzlich bekannt ist, kann die Bestimmung der Korngrößenverteilung unter Bezugnahme auf die Anzahl der Körner (d.h. Anzahlverteilung) oder alternativ auch unter Bezugnahme auf die Masse (d.h. Massenverteilung) oder das Volumen der Körner erfolgen. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird die Verteilung der Korngrößen auf Basis der Körneranzahl bestimmt.

    [0030] In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Kupfer oder die Kupferlegierung eine Anzahlverteilung der Korngrößen auf, in der höchstens 5% der Körner eine Korngröße von weniger als 15 µm, bevorzugt weniger als 20 µm, noch bevorzugter weniger als 25 µm aufweisen; und/oder in der mindestens 95% der Körner eine Korngröße von weniger als 250 µm, bevorzugt weniger als 230 µm, noch bevorzugter weniger als 200 µm aufweisen.

    [0031] Wie allgemein bekannt ist, sind charakteristische Werte einer Korngrößenverteilung unter anderem deren d50-Wert, d5-Wert und d95-Wert. Für den d50-Wert, der häufig auch als Medianwert bezeichnet wird, gilt Folgendes: 50% der Körner weisen einen Durchmesser auf, der kleiner ist als der d50-Wert.
    Analog gilt für den d5-Wert, dass 5% der Körner einen Durchmesser aufweisen, der kleiner ist als dieser d5-Wert, und für den d95-Wert gilt, dass 95% der Körner einen Durchmesser aufweisen, der kleiner ist als dieser d95-Wert.
    Der arithmetische Mittelwert darith einer Korngrößenverteilung ergibt sich aus der Summe der Korngrößen der einzelnen Körner dividiert durch die Körneranzahl.

    [0032] Bevorzugt weist die Anzahlverteilung der Korngrößen des Kupfers oder der Kupferlegierung einen d95-Wert von ≤ 250 µm, bevorzugter im Bereich von 140 µm bis 250 µm, noch bevorzugter im Bereich von 140 µm bis 230 µm, noch weiter bevorzugt im Bereich von 150 µm bis 200 µm auf. Der d5-Wert der Korngrößen-Anzahlverteilung des Kupfers oder der Kupferlegierung ist bevorzugt ≥ 15 µm; bevorzugter liegt der d5-Wert im Bereich von 15 µm bis 80 µm, noch bevorzugter im Bereich von 20 µm bis 75 µm, noch weiter bevorzugt im Bereich von 25 µm bis 70 µm. Damit kann eine weitere Optimierung der Temperaturwechselbeständigkeit und des Bondingverhaltens des Kupfers oder der Kupferlegierung erzielt werden.

    [0033] Ein bevorzugter d50-Wert der Korngrößen-Anzahlverteilung des Kupfers oder der Kupferlegierung liegt beispielsweise im Bereich von 55 µm bis 115 µm.

    [0034] Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann es bevorzugt sein, dass die ds-, d95- und dso-Werte der Korngrößen-Anzahlverteilung des Kupfers oder der Kupferlegierung so gewählt werden, dass sie der folgenden Bedingung genügen:



    [0035] Die Symmetrie einer Korngrößenverteilung kann über das Verhältnis von Medianwert d50 zu dem arithmetischen Mittelwert darith dieser Verteilung ausgedrückt werden (d.h. durch den Quotienten d50/darith; nachfolgend auch als Symmetriewert S bezeichnet). Je näher der Symmetriewert bei 1,0 liegt, desto symmetrischer ist die Korngrößenverteilung. In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Kupfer oder die Kupferlegierung eine Anzahlverteilung der Korngrößen mit einem Medianwert d50 und einem arithmetischen Mittelwert darith auf, wobei das Verhältnis von d50 zu darith (d.h. d50/darith) im Bereich von 0,75 bis 1,10, bevorzugter im Bereich von 0,78 bis 1,05, noch bevorzugter im Bereich von 0,80 bis 1,00 liegt. Damit kann eine weitere Optimierung der Temperaturwechselbeständigkeit und der Drahtbondingeigenschaften erzielt werden. Geeignete Methoden, mit denen die Symmetrie der Korngrößenverteilung im Kupfer, beispielsweise bereits in der Kupferausgangsfolie, eingestellt werden können, sind dem Fachmann bekannt. Beispielsweise kann die Symmetrie der Korngrößenverteilung in einer Kupferfolie durch eine geeignete Verarbeitungstemperatur oder einen Walzprozess beeinflusst werden. Kupferausgangsfolien, mit denen im finalen Kupfer-Keramik-Verbund die oben angegebenen Symmetriewerte realisiert werden können, sind kommerziell erhältlich oder können über Standardverfahren erhalten werden.

    [0036] Die Breite der Korngrößenverteilung kann durch das Verhältnis von d5-Wert zu d95-Wert ausgedrückt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Kupfer oder die Kupferlegierung eine Anzahlverteilung der Korngrößen mit einem d5-Wert und einem d95-Wert auf, wobei das Verhältnis von d5 zu d95 im Bereich von 0,1 bis 0,4, bevorzugter im Bereich von 0,11 bis 0,35, noch bevorzugter im Bereich von 0,12 bis 0,30 liegt. Damit kann eine weitere Optimierung der Temperaturwechselbeständigkeit und der Drahtbondingeigenschaften erzielt werden.

    [0037] Bevorzugt ist der mittlere Korn-Formfaktor Ra(Cu) des Kupfers oder der Kupferlegierung ≥0,40, noch bevorzugter ≥0,60 oder ≥0,80. Geeignete Methoden, mit denen die Form der Körner im Kupfer, beispielsweise bereits in der Kupferausgangsfolie, eingestellt werden können, sind dem Fachmann bekannt. Beispielsweise kann die Kornform in einer Kupferfolie durch eine geeignete Verarbeitungstemperatur oder einen Walzprozess beeinflusst werden. Kupferausgangsfolien, mit denen im finalen Kupfer-Keramik-Verbund der oben angegebene mittlere Korn-Formfaktor Ra(Cu) realisiert werden kann, sind kommerziell erhältlich oder können über Standardverfahren erhalten werden.

    [0038] Eine geeignete Dicke der Beschichtung aus Kupfer oder einer Kupferlegierung in einem Kupfer-Keramik-Verbund ist dem Fachmann bekannt. Wie nachfolgend noch erläutert, kann an einigen Stellen der Beschichtung, insbesondere in Randbereichen, ein Teil des Kupfers oder der Kupferlegierung wieder abgetragen werden, beispielsweise zur Ausbildung von Randabschwächungen. Daher ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung möglich, dass die Dicke der Metallbeschichtung variiert. Üblicherweise weist die Beschichtung aus Kupfer oder einer Kupferlegierung über mindestens 70% ihrer Fläche eine Dicke im Bereich von 0.2-1.2 mm auf. Beispielsweise ist es möglich, dass die Dicke etwa 300 µm beträgt.

    [0039] Bevorzugt sind die Dicke der Beschichtung aus Kupfer oder einer Kupferlegierung (DCu) und der Medianwert d50 der Korngrößen-Anzahlverteilung des Kupfers oder der Kupferlegierung so ausgewählt, dass das Verhältnis DCu zu d50 im Bereich von 0.05 bis 0.40 liegt. Hierzu wird die Dicke DCu des Kupfers oder der Kupferlegierung an einer Stelle der Beschichtung bestimmt und durch den Medianwert d50 der Korngrößen-Anzahlverteilung des Kupfers oder der Kupferlegierung dividiert. Bevorzugt liegt das Verhältnis DCu/d50 über mindestens 70%, bevorzugter mindestens 90% der Fläche der Beschichtung aus Kupfer oder einer Kupferlegierung im Bereich von 0,05 bis 0,40.

    [0040] Bevorzugt weist das Kupfer der Beschichtung eine Reinheit von ≥ 99,50%, bevorzugter ≥ 99,90%, noch bevorzugter ≥ 99,95% oder sogar ≥ 99,99% auf.

    [0041] Die Beschichtung wird aus Kupfer oder einer Kupferlegierung über ein DCB-Verfahren auf das Keramiksubstrat aufgebracht. Wie bereits oben erläutert, kann ein übliches DCB-Verfahren beispielsweise folgende Verfahrensschritte aufweisen:
    • Oxidieren einer Kupferfolie, so dass sich an deren Oberfläche eine Kupferoxidschicht bildet;
    • Auflegen der Kupferfolie mit der Kupferoxidschicht auf das Keramiksubstrat;
    • Erhitzen des Verbundes auf eine Temperatur < 1083°C (z.B. eine Temperatur im Bereich von 1065-1080°C),
    • Abkühlen auf Raumtemperatur.


    [0042] Als Folge des DCB-Verfahrens können zwischen der Beschichtung aus Kupfer oder einer Kupferlegierung und dem Keramiksubstrat Spinellkristallite vorliegen (z.B. Kupfer-Aluminium-Spinelle).

    [0043] Die Beschichtung aus Kupfer oder einer Kupferlegierung kann beispielsweise nur auf einer Seite des Keramiksubstrats angebracht sein. Alternativ ist es möglich, dass beide Seiten (d.h. Ober- und Unterseite) des Keramiksubstrats mit der Beschichtung aus Kupfer oder einer Kupferlegierung versehen sind. Ein beispielhafter Kupfer-Keramik-Verbund, bei dem ein Keramiksubstrat 1 sowohl an seiner Unter- wie auch an seiner Oberseite eine Beschichtung 2 aus Kupfer oder einer Kupferlegierung aufweist, wird in Figur 2 gezeigt. Ein beispielhafter Kupfer-Keramik-Verbund, bei dem das Keramiksubstrat 1 mehrere Bereiche aufweist, die jeweils mit einer Beschichtung 2 aus Kupfer oder Kupferlegierung versehen sind, wird in Figur 3 gezeigt. Wie nachfolgend noch erläutert wird, können die einzelnen metallisierten Bereiche durch Sollbruchlinien (nicht gezeigt in Figur 3) voneinander getrennt sein, so dass durch Brechen entlang dieser Sollbruchlinien eine Vereinzelung dieser Bereiche erfolgen kann.

    [0044] Zur Ausbildung elektrischer Kontaktflächen kann die Beschichtung aus Kupfer oder einer Kupferlegierung zumindest teilweise eine Strukturierung aufweist. Die Strukturierung der Metallbeschichtung kann in bekannter Weise erfolgen, insbesondere über ein Ätzverfahren (beispielsweise unter Verwendung einer Ätzmaske).

    [0045] In dem Ätzverfahren kann das Kupfer oder die Kupferlegierung in Teilbereichen vollständig entfernt werden, so dass in diesen Teilbereichen die Oberfläche des Keramiksubstrats freigelegt wird. Weiterhin ist es auch möglich, dass die Beschichtung aus Kupfer oder einer Kupferlegierung eine oder mehrere Vertiefungen (bevorzugt runde Vertiefungen) aufweist, die beispielsweise in dem Ätzverfahren dadurch erhalten werden, dass beispielsweise das Kupfer oder die Kupferlegierung in dem Bereich der anzubringenden Vertiefung nur teilweise entfernt und die Oberfläche des Keramiksubstrats in diesem Bereich daher noch mit Kupfer oder Kupferlegierung belegt ist. Alternativ oder ergänzend ist es möglich, die Vertiefungen durch das Kupfer oder die Kupferleigerung hindurch bis auf die Keramikoberfläche freizuätzen. Hinsichtlich der möglichen Anordnung solcher Vertiefungen, bevorzugt im Randbereich der Beschichtungen aus Kupfer oder Kupferlegierung, kann beispielsweise auf DE 40 04 844 C1 und DE 43 18 241 A1 verwiesen werden.

    [0046] Wie oben ausgeführt, enthält das Keramiksubstrat Aluminiumoxid (Al2O3).

    [0047] Bevorzugt liegen die Korngrößen des Aluminiumoxids im Bereich von 0,01 µm bis 25 µm, bevorzugter im Bereich von 0,3 µm bis 23 µm, noch bevorzugter im Bereich von 0,5 µm bis 20 µm. Mit Korngrößen in diesen Bereich weist das Keramiksubstrat des Kupfer-Keramik-Verbunds sowohl eine hohe mechanische Festigkeit als auch eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind diese Werte nicht als strikte Unter- und Obergrenzen für die Korngrößenverteilung anzusehen, sondern können um +/- 10% variieren. In einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich jedoch um die Untergrenze, die nicht unterschritten wird, und Obergrenzen, die nicht überschritten wird, der Korngrößenverteilung des Aluminiumoxids. In dieser bevorzugten Ausführungsform weist daher das Aluminiumoxid keine Körner auf, die außerhalb der oben genannten Bereiche liegen. Es ist also bevorzugt, dass dmin(Al2O3) ≥ 0,01 µm und dmax(Al2O3) ≤ 25 µm, bevorzugter dmin(Al2O3) ≥ 0,3 µm und dmax(Al2O3) ≤ 23 µm, noch bevorzugter dmin(Al2O3) ≥ 0,5 µm und dmax(Al2O3) ≤ 20 µm, wobei dmin(Al2O3) und dmax(Al2O3) die minimalen bzw. maximalen Korngrößen des Aluminiumoxids sind.

    [0048] Durch Verwendung eines Keramik-Ausgangsmaterials mit geeigneter Al2O3-Korngrößenverteilung können die gewünschten Al2O3-Korngrößen im Kupfer-Keramik-Verbund eingestellt werden. Solche Keramikmaterialien sind kommerziell erhältlich oder können über Standardverfahren erhalten werden. Eine Feineinstellung der Korngrößen kann gegebenenfalls durch eine thermische Behandlung des Keramik-Ausgangsmaterials erfolgen.

    [0049] Wie oben bereits erwähnt, wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Verteilung der Korngrößen auf Basis der Körneranzahl bestimmt (d.h. Korngrößen-Anzahlverteilung).

    [0050] In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Aluminiumoxid des Keramiksubstrats eine Anzahlverteilung der Korngrößen auf, in der höchstens 5% der Körner eine Korngröße von weniger als 0,1 µm, bevorzugter weniger als 0,3 µm, noch bevorzugter weniger als 0,5 µm aufweisen; und/oder in der mindestens 95% der Körner eine Korngröße von weniger als 15 µm, bevorzugter weniger als 10 µm, noch bevorzugter weniger als 7 µm aufweisen.

    [0051] Eine weitere Optimierung der mechanischen Festigkeit und der Wärmeleitfähigkeit des Keramiksubstrats in dem Metall-Keramik-Verbund kann erzielt werden, wenn die d5- und d95-Werte der Korngrößenverteilung des Al2O3 bestimmten Anforderungen genügen.

    [0052] Bevorzugt weist die Anzahlverteilung der Korngrößen des Aluminiumoxids einen d95-Wert von ≤ 15,0 µm, bevorzugter im Bereich von 4,0 µm bis 15,0 µm, noch bevorzugter im Bereich von 4,5 µm bis 10,0 µm, noch weiter bevorzugt im Bereich von 5,0 µm bis 8,0 µm auf. Der d5-Wert der Korngrößen-Anzahlverteilung des Aluminiumoxids ist bevorzugt ≥ 0,1 µm; bevorzugter liegt der d5-Wert im Bereich von 0,1 µm bis 2,5 µm, noch bevorzugter im Bereich von 0,3 µm bis 2,5 µm, noch weiter bevorzugt im Bereich von 0,5 µm bis 2,0 µm. Damit kann eine weitere Optimierung der mechanischen Festigkeit und der Wärmeleitfähigkeit des Keramiksubstrats in dem Metall-Keramik-Verbund erzielt werden.

    [0053] Ein bevorzugter d50-Wert der Korngrößen-Anzahlverteilung des Aluminiumoxids liegt beispielsweise im Bereich von 1,0 µm bis 3,0 µm.

    [0054] Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann es bevorzugt sein, dass die ds-, d95- und dso-Werte der Korngrößen-Anzahlverteilung des Aluminiumoxids so gewählt werden, dass sie der folgenden Bedingung genügen:



    [0055] In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Aluminiumoxid eine Anzahlverteilung der Korngrößen mit einem Medianwert d50 und einem arithmetischen Mittelwert darith auf, wobei das Verhältnis von d50 zu darith (d.h. d50/darith; nachfolgend auch als Symmetriewert S(Al2O3) der Korngrößen-Anzahlverteilung des Aluminiumoxids bezeichnet)) im Bereich von 0,75 bis 1,10, bevorzugter im Bereich von 0,78 bis 1,05, noch bevorzugter im Bereich von 0,80 bis 1,00 liegt. Damit kann eine weitere Optimierung der mechanischen Festigkeit und Wärmeleitfähigkeit des Keramiksubstrats im Metall-Keramik-Verbund erzielt werden.
    Geeignete Methoden, mit denen die Symmetrie der Korngrößenverteilung im Aluminiumoxid, beispielsweise bereits bei der Herstellung des Ausgangssubstrats, eingestellt werden können, sind dem Fachmann bekannt. Beispielsweise kann die Symmetrie der Korngrößenverteilung durch Sinterdauer und Sintertemperatur bei der Herstellung des Ausgangssubstrats beeinflusst werden. Al2O3-Substrate, mit denen im finalen Kupfer-Keramik-Verbund die oben angegebenen Symmetriewerte realisiert werden können, sind kommerziell erhältlich oder können über Standardverfahren erhalten werden.

    [0056] Die Breite der Korngrößenverteilung kann durch das Verhältnis von d5-Wert zu d95-Wert ausgedrückt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Aluminiumoxid eine Anzahlverteilung der Korngrößen mit einem d5-Wert und einem d95-Wert auf, wobei das Verhältnis von d5 zu d95 im Bereich von 0,1 bis 0,4, bevorzugter im Bereich von 0,11 bis 0,35, noch bevorzugter im Bereich von 0,12 bis 0,30 liegt. Damit kann eine weitere Optimierung der mechanischen Festigkeit und Wärmeleitfähigkeit des Keramiksubstrats im Metall-Keramik-Verbund erzielt werden.

    [0057] Bevorzugt ist der mittlere Korn-Formfaktor Ra(Al2O3) des Aluminiumoxids ≥0,40, bevorzugter ≥0,60, noch bevorzugter ≥0,80. Wie oben bereits erläutert, lässt sich die Form eines individuellen Korns über seinen Formfaktor RK ausdrücken, der das Verhältnis des maximalen Korndurchmessers dK,max zu dem senkrecht zu dK,max verlaufenden Korndurchmesser dK,ortho, bestimmt auf halber Länge von dK,max, ist (d.h. RK= dK,ortho/dK,max). Aus dem arithmetischen Mittelwert der Formfaktoren RK der Körner erhält man den mittleren Korn-Formfaktor Ra(Al2O3) des Aluminiumoxids. Geeignete Methoden, mit denen die Form der Aluminiumoxidkörner, beispielsweise bereits bei der Herstellung des Ausgangssubstrats, eingestellt werden können, sind dem Fachmann bekannt. Beispielsweise kann die Form der Al2O3-Körner durch Sinterdauer und Sintertemperatur bei der Herstellung des Ausgangssubstrats beeinflusst werden. Al2O3-Substrate, mit denen im finalen Kupfer-Keramik-Verbund der oben angegebene Formfaktor Ra(Al2O3) realisiert werden kann, sind kommerziell erhältlich oder können über Standardverfahren erhalten werden.

    [0058] Eine geeignete Dicke des Keramiksubstrats in einem Kupfer-Keramik-Verbund ist dem Fachmann bekannt. Üblicherweise weist das Keramiksubstrat über mindestens 70% seiner Fläche, bevorzugter mindestens 90% seiner Fläche eine Dicke im Bereich von 0.2-1.2 mm auf. Eine Dicke des Keramiksubstrates ist beispielsweise etwa 0,38 mm oder etwa 0,63 mm.

    [0059] Bevorzugt sind die Dicke des Keramiksubstrats (Dcer) und der Medianwert d50 der Korngrößen-Anzahlverteilung des Aluminiumoxids im Keramiksubstrat so ausgewählt, dass das Verhältnis Dcer zu d50 (d.h. Dcer / d50) im Bereich von 0,001 bis 0,01, bevorzugter im Bereich von 0,002 bis 0,009, noch bevorzugter im Bereich von 0,004 bis 0,008 liegt. Hierzu wird die Dicke Dcer des Keramiksubstrats an einer Stelle bestimmt und durch den Medianwert d50 der Korngrößen-Anzahlverteilung des Aluminiumoxids dividiert. Bevorzugt liegt das Verhältnis Dcer/d50 über mindestens 70%, bevorzugter mindestens 90% der Fläche des Keramiksubstrats im Bereich von 0,05 bis 0,40.

    [0060] Optional kann das Aluminiumoxid noch mit Zirkonoxid (ZrO2) verstärkt sein. Ein solches ZrO2-verstärktes Al2O3 enthält, bezogen auf seine Gesamtmasse, das Zirkonoxid üblicherweise in einem Anteil von 0,5-30 Gew%. Das Zirkonoxid wiederum kann optional mit einem oder mehreren Dotieroxid(en), insbesondere Yttriumoxid, Calciumoxid, Ceroxid oder Magnesiumoxid, dotiert sein, üblicherweise in einem Anteil von bis zu 0,01 Gew% oder sogar bis zu 5 Gew%, bezogen auf die Gesamtmasse Zirkonoxid und Aluminiumoxid.

    [0061] Bevorzugt enthält das Keramiksubstrat mindestens 65 Gew% Al2O3. Sofern kein ZrO2 zur Verstärkung des Al2O3 vorliegt, kann das Keramiksubstrat beispielsweise zu mindestens 95 Gew%, bevorzugter 96 Gew% aus Al2O3 bestehen.

    [0062] Sofern ein mit ZrO2 verstärktes Aluminiumoxid verwendet wird (wobei das ZrO2, wie oben erwähnt, optional noch dotiert ist), kann das Keramiksubstrat beispielsweise zu mindestens 96 Gew%, bevorzugter zu mindestens 98 Gew% aus diesem Zr02-verstärkten Al2O3 bestehen.

    [0063] Das Keramiksubstrat kann beispielsweise eine Wärmeleitfähigkeit von ≥ 20 W/mK, und/oder eine Biegebruchfestigkeit von ≥ 400 MPa aufweisen.

    [0064] Das Keramiksubstrat kann in Form eines Einzelsubstrats vorliegen. Alternativ ist es auch möglich, dass das Keramiksubstrat eine oder mehrere (bevorzugt geradlinig verlaufende) Sollbruchlinien aufweist, die das Keramiksubstrat in zwei oder mehr Bereiche unterteilen und zumindest in einem dieser Bereiche eine Beschichtung aus Kupfer oder einer Kupferlegierung aufgebracht ist. Hinsichtlich des Aufbaus eines solchen Mehrfachsubstrats mit Sollbruchlinien kann beispielhaft auf DE 43 19 944 A1 und DE 199 27 046 A1 verwiesen werden.

    [0065] Geeignete Abmessungen (Länge x Breite) des Keramiksubstrats (entweder als Einzelsubstrat oder auch als Mehrfachsubstrat) in einem Metall-Keramik-Verbund sind dem Fachmann bekannt. Beispielsweise kann das Keramiksubstrat eine Abmessung, Länge x Breite, von (180-200 mm) x (130-150 mm) oder (180-200 mm) x (270-290 mm) aufweisen. Auch kleinere Abmessungen, beispielsweise (8-12 mm) x (8-12 mm), sind möglich.

    [0066] In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Aluminiumoxid Korngrößen im Bereich von dmin(Al2O3) bis dmax(Al2O3) auf, das Kupfer oder die Kupferlegierung weist Korngrößen im Bereich von dmin(Cu) bis dmax(Cu) auf,
    und die Verhältnisse von dmin(Al2O3) zu dmax(Cu) und von dmax(Al2O3) zu dmin(Cu) genügen folgenden Bedingungen (i) und (ii):
    1. (i) dmin(Al2O3) / dmax(Cu) ≥ 1 x 10-5 und
    2. (ii) 2,5 ≥ dmax(Al2O3) / dmin(Cu).
    Noch bevorzugter genügen die Verhältnisse von dmin(Al2O3) zu dmax(Cu) und von dmax(Al2O3) zu dmin(Cu) folgenden Bedingungen (i) und (ii):
    1. (i) dmin(Al2O3) / dmax(Cu) ≥ 0,001 und
    2. (ii) 1,5 ≥ dmax(Al2O3) / dmin(Cu);
    und am meisten bevorzugt folgenden Bedingungen (i) und (ii):
    1. (i) dmin(Al2O3) / dmax(Cu) ≥ 0,002 und
    2. (ii) 1,0 ≥ dmax(Al2O3) / dmin(Cu).


    [0067] In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind
    1. (i) 0,005 ≥ dmin(Al2O3) / dmax(Cu) ≥ 0,002 und
    2. (ii) 1,0 ≥ dmax(Al2O3) / dmin(Cu) ≥ 0,05.
    Damit kann zwischen der Metallbeschichtung und dem Keramiksubstrat eine feste Bindung realisiert werden kann, die auch unter häufigeren
    Temperaturwechselbelastungen Bestand hält.
    Wie oben bereits erwähnt, ist bevorzugt, dass dmin(Cu) ≥ 10 µm und dmax(Cu) ≤ 300 µm, bevorzugter dmin(Cu) ≥ 15 µm und dmax(Cu) ≤ 250 µm, noch bevorzugter dmin(Cu) ≥ 20 µm und dmax(Cu) ≤ 210 µm, wobei dmin(Cu) und dmax(Cu) die minimalen bzw. maximalen Korngrößen des Kupfers sind.

    [0068] In einer bevorzugten Ausführungsform liegt das Verhältnis von d50(Al2O3) zu d50(Cu) im Bereich von 0,008 bis 0,055, bevorzugter im Bereich von 0,010 bis 0,045. Damit kann eine weitere Optimierung der Adhäsion und
    Temperaturwechselbeständigkeit in dem Metall-Keramik-Verbund erzielt werden kann

    [0069] In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Kupfer oder die Kupferlegierung eine Anzahlverteilung der Korngrößen mit einem Medianwert d50, einem arithmetischen Mittelwert darith und einem Symmetriewert S(Cu) = d50 / darith auf, das Aluminiumoxid weist eine Anzahlverteilung der Korngrößen mit einem Medianwert d50, einem arithmetischen Mittelwert darith und einem Symmetriewert S(Al2O3)= d50 / darith auf, wobei S(Al2O3) und S(Cu) der folgenden Bedingung genügen:



    [0070] Bevorzugter genügen S(Al2O3) und S(Cu) der folgenden Bedingung:

    noch bevorzugter der folgenden Bedingung



    [0071] Damit lässt sich die Temperaturwechselbeständigkeit des Kupfer-Keramik-Verbunds verbessern.

    [0072] Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Modul, enthaltend zumindest einen Kupfer-Keramik-Verbund gemäß der obigen Beschreibung und einen oder mehrere Bonddrähte. Üblicherweise sind der Bonddraht oder die Bonddrähte mit der Beschichtung aus Kupfer oder Kupferlegierung verbunden. Geeignete Bondingverfahren zum Verbinden von Drähten mit einer Metallbeschichtung sind dem Fachmann bekannt. Das Modul kann außerdem ein oder mehrere elektronische Bauteile wie z.B. einen oder mehrere Chips enthalten.

    [0073] Die Kornstrukturen des Aluminiumoxids des Keramiksubstrats sowie des Kupfers bzw. der Kupferlegierung der Metallbeschichtung werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung folgendermaßen bestimmt:

    Korngrößenverteilung des Aluminiumoxids des Keramiksubstrats



    [0074] Von der Oberfläche des Keramiksubstrats wird eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme (REM-Aufnahme) gemacht. Eine spezielle Probenpräparation in Form eines Schliffbildes ist nicht erforderlich. Die REM-Aufnahme wird an einer Stelle des Keramiksubstrats gemacht, die zuvor mit Kupfer belegt war und durch Ätzen freigelegt wurde.

    [0075] Die Korngrößen werden über ein Linienschnittverfahren bestimmt. Linienschnittverfahren sind dem Fachmann bekannt und werden beispielsweise in ASTM 112-13 beschrieben.

    [0076] Die Vergrößerung wird so gewählt, dass durch das Linienraster mindestens 50 Al2O3-Körner geschnitten werden. Sofern das Keramiksubstrat noch Körner anderer chemischer Zusammensetzung, beispielsweise ZrO2-Körner, enthält, lassen sich diese in der REM-Aufnahme mit Hilfe von Sekundärelektronenkontrast gut von den Al2O3-Körnern unterscheiden und werden somit nicht in die weiterfolgenden Berechnungen einbezogen.

    [0077] In der vorliegenden Erfindung wurden jeweils 2 parallele Linien in x-Richtung und zwei parallele Linien in y-Richtung in die lichtmikroskopische Aufnahme gelegt. Die Linien unterteilen die Aufnahme jeweils in drei gleichmäßig breite Streifen. Dies ist in Figur 4 schematisch dargestellt. Wenn ein Korn von einer dieser Linien über eine Länge L hinweg geschnitten wird, so wird diese Länge L als Korngröße genommen. Für jedes von einer dieser Linien geschnittene Korn erhält man so eine Korngröße. Am Kreuzungspunkt zweier Linien erhält man für ein Korn zwei Werte, die beide in die Bestimmung der Korngrößenverteilung eingehen.

    [0078] Aus den Korngrößen der geschnittenen Körner ergibt sich eine Korngrößenverteilung, aus der wiederum die d5-, d50- und d95-Werte sowie der arithmetische Mittelwert darith bestimmt werden können.
    Wie oben bereits erläutert und dem Fachmann allgemein bekannt ist, gilt für den d50-Wert, der häufig auch als Medianwert bezeichnet wird, Folgendes: 50% der Körner weisen einen Durchmesser auf, der kleiner ist als der d50-Wert. Analog gilt für den d5-Wert, dass 5% der Körner einen Durchmesser aufweisen, der kleiner ist als dieser d5-Wert, und für den d95-Wert gilt, dass 95% der Körner einen Durchmesser aufweisen, der kleiner ist als dieser d95-Wert.
    Der arithmetische Mittelwert der Korngrößenverteilung ergibt sich aus der Summe der Korngrößen der einzelnen Körner dividiert durch die Anzahl der geschnittenen Körner.

    Korngrößenverteilung des Kupfers oder der Kupferlegierung



    [0079] Von der Oberfläche der Beschichtung aus Kupfer oder einer Kupferlegierung (parallel zur beschichteten Substratoberfläche) wird eine lichtmikroskopische Aufnahme gemacht. Eine spezielle Probenpräparation in Form eines Schliffbildes ist nicht erforderlich.

    [0080] Die Korngrößen werden über ein Linienschnittverfahren bestimmt. Linienschnittverfahren sind dem Fachmann bekannt und werden beispielsweise in ASTM 112-13 beschrieben.

    [0081] Die Vergrößerung wird so gewählt, dass durch das Linienraster mindestens 50 Körner geschnitten werden.

    [0082] Hinsichtlich der weiteren Auswertung über das Linienschnittverfahren kann auf die oben bei dem Aluminiumoxid gemachten Ausführungen verwiesen werden.

    [0083] Sowohl die Korngrößen des Kupfers bzw. der Kupferlegierung wie auch die Korngrößen des Al2O3 werden also in einer Ebene bestimmt, die parallel zur beschichteten Substratoberfläche verläuft oder koplanar mit dieser ist.

    Formfaktor einzelner Körner, mittlerer Korn-Formfaktor


    Aluminiumo xid



    [0084] Es wird die REM-Aufnahme herangezogen, die auch bei der Bestimmung der Korngrößenverteilung verwendet wurde.

    [0085] Für die Bestimmung des Formfaktors eines individuellen Korns wird folgendermaßen vorgegangen:
    Es wird dessen längste Abmessung dK,max bestimmt. Anschließend wird auf halber Länge von dK,max der senkrecht zu dK,max verlaufende Durchmesser dK,ortho des Korns bestimmt. Der Formfaktor des individuellen Korns RK ergibt sich aus dem Verhältnis von dK,ortho zu dK,max, d.h. RK = dK,ortho / dK,max.
    Dies ist schematisch in Figur 3 anhand eines Korns mit elliptischer Kornstruktur dargestellt. Je mehr sich die Form eines Korns in seiner zweidimensionalen Projektion derjenigen eines Kreises annähert, desto mehr nähert sich der Formfaktor des Korns dem Wert 1,0 an. Der Formfaktor ist daher auch ein Maß für die Kreisförmigkeit/Rundheit der Körner.

    [0086] Der Formfaktor wird für mindestens 50 Körner der REM-Aufnahme bestimmt. Es werden üblicherweise die Körner ausgewertet, die auch im Linienschnittverfahren von den Linien geschnitten wurden.

    [0087] Der mittlere Korn-Formfaktor des Aluminiumoxids ergibt sich dann aus dem arithmetischen Mittelwert der Formfaktoren der individuellen Al2O3-Körner (d.h. Summe der individuellen Formfaktoren dividiert durch die Anzahl der untersuchten Körner).

    Kupfer, Kupferlegierung



    [0088] Es wird die lichtmikroskopische Aufnahme herangezogen, die auch bei der Bestimmung der Korngrößenverteilung verwendet wurde.

    [0089] Hinsichtlich der Bestimmung des Formfaktors individueller Körner sowie des mittleren Korn-Formfaktors des Kupfers oder der Kupferlegierung kann auf die oben beim Al2O3 gemachten Ausführungen verwiesen werden.

    [0090] Sowohl die Korn-Formfaktoren des Kupfers bzw. der Kupferlegierung wie auch die Korn-Formfaktoren des Al2O3 werden also in einer Ebene bestimmt, die parallel zur beschichteten Substratoberfläche verläuft oder koplanar mit dieser ist.

    [0091] Nachfolgend wird ein Bonding-Verfahren beschrieben, welches zur Herstellung der erfindungsgemäßen Kupfer-Keramik-Substrate bevorzugt verwendet wird:
    Ein typischer Verfahrensprozess, der im Rahmen der vorliegenden Erfindung bevorzugt für das Aufbringen der Kupferbeschichtung auf das Keramiksubstrat verwendet wird, ist beispielsweise aus den Druckschriften US 3,744,120, US 3,994,430, EP 0 085 914 A oder der DE 23 19 854 A bekannt, deren entsprechende Offenbarung durch Bezugnahme in die vorliegende Erfindung eingeschlossen wird.

    [0092] Diesen dort offenbarten Herstellungsverfahren ist beispielsweise im Rahmen des Direct-Copper-Bonding-Prozesses (DCB-Prozess) gemeinsam, dass eine Kupferfolie zunächst derartig oxidiert wird, dass sich eine im Wesentlichen gleichmäßige Kupferoxidschicht ergibt. Die resultierende Kupferfolie wird dann auf ein Keramik-Substrat positioniert und der Verbund aus Keramik-Substrat und Kupferfolie wird auf eine Prozess- bzw. Bondtemperatur zwischen etwa 1025 und 1083 °C erwärmt, wodurch es zu der Ausbildung eines metallisierten Keramik-Substrats kommt. Die Kupferfolie stellt nach dem Bonden somit eine Beschichtung dar. Abschließend wird das resultierende metallisierte Keramik-Substrat abgekühlt.

    [0093] Die Durchführung des Verbindens von Keramik-Substrat und Kupferfolie erfolgt in einem Ofen, wobei im Allgemeinen sogenannte Bondöfen eingesetzt werden. Entsprechende Bondöfen, häufig auch als Tunnelöfen bezeichnet, umfassen unter anderem einen langgestreckten tunnelartigen Ofenraum (auch Muffel genannt) sowie eine Transportvorrichtung mit einem Transportelement beispielsweise in Form eines flexiblen und hitzebeständigen Transportbandes zum Transportieren des Behandlungsgutes durch den mit einer Heizeinrichtung beheizten Ofenraum. Die Keramik-Substrate werden zusammen mit der Kupferfolie auf einen Träger auf dem Transportband positioniert und durchlaufen anschließend in dem Bondofen durch das Transportband angetrieben einen Heizbereich, in welchem die erforderliche Bondtemperatur erreicht wird. Am Ende des Bondprozesses wird der resultierende Verbund aus Keramik-Substrat und Kupferfolie gemäß der Erfindung wieder abgekühlt.

    [0094] Dieses Verfahren kann grundsätzlich zur Herstellung von einseitig metallisierten Keramik-Substraten sowie auch zur Herstellung von doppelseitig metallisierten Substraten angewendet werden. Dabei erfolgt die Herstellung von doppelseitig metallisierten Substraten in der Regel über einen zweistufigen Bondprozess, d.h. mittels eines zweistufigen Single-Layer-Prozesses (SLB-Verfahren). Im Rahmen der Erfindung wird bevorzugt ein zweistufiger Bondprozess verwendet.

    [0095] Bei diesem zweistufigen Bondprozess zur Herstellung von doppelseitig metallisierten Keramik-Substraten gemäß der Erfindung wird die Keramik in zwei Ofendurchläufen mit den Kupferfolien auf den gegenüberliegenden Seiten des Keramik-Substrats verbunden.
    Für diesen Zweck wird zunächst ein Keramik-Substrat auf einen Träger positioniert und anschließend auf der obenliegenden, d.h. auf der dem Träger abgewandten Seite, mit einer Kupferfolie bedeckt. Durch Wärmeeinwirkung wird diese Seite des Keramik-Substrats mit der Metallschicht verbunden und anschießend die resultierende Anordnung abgekühlt.
    Anschließend wird das Substrat umgedreht und in einem zweiten Bondschritt wird die andere Seite des Substrats auf gleiche Weise mit einer Metallschicht, d.h. der Kupferfolie, versehen.

    [0096] Es ist möglich Einzel-Teil-Karten herzustellen oder Großkarten, welche mehrere herausbrechbaren Einzelteil-Karten aufweisen.

    Beispiele



    [0097] Die nachfolgenden Beispiele zeigen, wie die Temperaturwechselbeständigkeit des Kupfer-Keramik-Verbunds verbessert werden kann, wenn die mittleren Formfaktoren des Kupfers und des Al2O3 einander angenähert werden.

    [0098] Es wurden 3 Kupfer-Keramik-Proben über ein DCB-Verfahren hergestellt: Kupfer-Keramik-Verbund 1, nachfolgend "K-K-V 1" (erfindungsgemäß) Kupfer-Keramik-Verbund 2, nachfolgend "K-K-V 2" (Vergleichsprobe) Kupfer-Keramik-Verbund 3, nachfolgend "K-K-V 3" (Vergleichsprobe)

    [0099] In jedem dieser drei Kupfer-Keramik-Verbunde wurde sowohl die Ober- wie auch die Unterseite des Keramiksubstrats mit einer Kupferbeschichtung versehen. Die Kupferbeschichtung wurde dabei zunächst mit einer Seite des Keramiksubstrates mittels des SLB-Verfahrens gebondet. Anschließend wurde die gegenüberliegende Seite des Keramiksubstrates mittels des SLB-Verfahrens mit einer weiteren Kupferbeschichtung, so dass ein Kupfer-Keramik-Substrat entsteht, bei dem auf beiden Seiten der Keramik eine Kupferfolie gebondet ist. Jeweils eine der beiden Kupferbeschichtungen wurde in jeder Probe über ein Ätzverfahren nachfolgend strukturiert (gleiche Strukturierung für alle Proben). In allen Beispielen bestanden die Substrate zu 96 Gew% aus Al2O3.

    [0100] In jedem dieser 3 Kupfer-Keramik-Verbunde wies das Keramiksubstrat folgende Abmessungen auf:

    Dicke des Keramiksubstrats: 0,38 mm;

    Länge x Breite des Keramiksubstrats: 190 x 140 mm2



    [0101] Die Kupferbeschichtung wies jeweils eine Dicke von 0,3 mm auf.

    [0102] Figur 5 zeigt eine REM-Aufnahme der Oberfläche des Keramiksubstrats von K-K-V 1, mittels der die Al2O3-Kornstruktur bestimmt wurde.
    Figur 6 zeigt eine lichtmikroskopische Aufnahme von der Oberfläche der Kupferbeschichtung von K-K-V 1, mittels der die Kupfer-Kornstruktur bestimmt wurde.

    [0103] Für jede dieser 3 Proben wurde die Temperaturwechselbeständigkeit des Metall-Keramik-Verbunds bestimmt, und zwar nach folgender Methode:
    Zur Ermittlung der Temperaturwechselbeständigkeit des Kupfer-Keramik-Substrats wird bevorzugt ein Einzel-Teil-Substrat aus einer Großkarte herausgebrochen. Das Einzelteilsubtrat wurde in einer dem Fachmann bekannten Vorrichtung einem Temperatur-Wechsel-Zyklus unterzogen, der sich zusammensetzt aus:
    • Auslagerung bei 150 °C (bevorzugt in einer ersten Kammer eines Temperaturwechselschranks) für 15 Minuten
    • Auslagerung bei - 40 °C (minus 40 °C) (bevorzugt in einer zweiten Kammer des Temperaturwechselschranks) für 15 Minuten
    • , wobei zwischen der Verlagerung von einer Kammer in die andere Kammer eine Transferzeit von 15 Sekunden liegt.


    [0104] Im Rahmen von 5 Zyklen (Auslagerung 150 °C zu -40 °C und zurück entspricht einem Zyklus) wurde jeweils mittels Ultraschallmikroskop die Fläche der Verbindung an der Grenzfläche zwischen Kupfer und Keramik auf Delamination untersucht.

    [0105] In der nachfolgenden Tabelle 1 werden für die getesteten Verbunde K-K-V 1, K-K-V 2 und K-K-V 3 die jeweiligen Verhältnisse der mittleren Korn-Formfaktoren (d.h. Ra(Al2O3) / Ra(Cu)) sowie die Ergebnisse der Temperaturwechselbeständigkeitstests zusammengefasst:
    Tabelle 1: Temperaturwechselbeständigkeit in Abhängigkeit von Ra(Al2O3) / Ra(Cu)
      Temperaturwechselbeständigkeit
    Probe K-K-V 1 (erfindungs-gemäß) Ra(Al2O3) / Ra(Cu): 1,0 +
    Probe K-K-V 2 (Vergleich) Ra(Al2O3) / Ra(Cu): 0,2 -
    Probe K-K-V 3 (Vergleich) Ra(Al2O3) / Ra(Cu): 2,8 -


    [0106] Wie die Beispiele zeigen, kann die Temperaturwechselbeständigkeit des Kupfer-Keramik-Verbunds verbessert werden, wenn die durchschnittliche Form der Körner und damit die mittleren Korn-Formfaktoren des Kupfers und des Al2O3 einander angeglichen werden.


    Ansprüche

    1. Kupfer-Keramik-Verbund, umfassend

    - ein Keramiksubstrat, das Aluminiumoxid enthält,

    - eine auf dem Keramiksubstrat vorliegende Beschichtung aus Kupfer oder einer Kupferlegierung, die über ein DCB-Verfahren auf das Keramiksubstrat aufgebracht wird,

    wobei

    die Körner des Aluminiumoxids jeweils einen maximalen Durchmesser dKmax, einen senkrecht zu dK,max verlaufenden Durchmesser dK,ortho, bestimmt auf halber Länge von dK,max, und einen Formfaktor RK(Al2O3)= dK,ortho / dK,max aufweisen und das Aluminiumoxid einen mittleren Korn-Formfaktor Ra(Al2O3), bestimmt als arithmetischer Mittelwert aus den Formfaktoren RK(Al2O3) der Körner des Aluminiumoxids, aufweist,

    die Körner des Kupfers oder der Kupferlegierung jeweils einen maximalen Durchmesser dK,max, einen senkrecht zu dK,max verlaufenden Durchmesser dK,ortho, bestimmt auf halber Länge von dK,max, und einen Formfaktor RK(Cu)= dK,ortho / dK,max aufweisen und das Kupfer oder die Kupferlegierung einen mittleren Korn-Formfaktor Ra(Cu), bestimmt als arithmetischer Mittelwert aus den Formfaktoren RK(Cu) der Körner des Kupfers oder der Kupferlegierung, aufweist,

    wobei die mittleren Korn-Formfaktoren des Aluminiumoxids und des Kupfers oder der Kupferlegierung der folgenden Bedingung genügen:


     
    2. Kupfer-Keramik-Verbund nach Anspruch 1, wobei das Kupfer oder die Kupferlegierung Korngrößen im Bereich von 10 µm bis 300 µm, bevorzugter im Bereich von 15 µm bis 250 µm, noch bevorzugter im Bereich von 20 µm bis 210 µm aufweist.
     
    3. Kupfer-Keramik-Verbund nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Aluminiumoxid Korngrößen im Bereich von 0,01 µm bis 25 µm, bevorzugter im Bereich von 0,3 µm bis 23 µm, noch bevorzugter im Bereich von 0,5 µm bis 20 µm aufweist.
     
    4. Kupfer-Keramik-Verbund nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Verhältnis des mittleren Korn-Formfaktors des Aluminiumoxids zu dem mittleren Korn-Formfaktor des Kupfers oder der Kupferlegierung im Bereich von 0,75-1,50, bevorzugter im Bereich von 0,80-1,20 liegt.
     
    5. Kupfer-Keramik-Verbund nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Keramiksubstrat zu mindestens 65 Gew% aus dem Aluminiumoxid besteht.
     
    6. Kupfer-Keramik-Verbund nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Beschichtung aus Kupfer oder einer Kupferlegierung zur Ausbildung von elektrischen Kontaktflächen zumindest teilweise eine Strukturierung aufweist.
     
    7. Kupfer-Keramik-Verbund nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Beschichtung aus Kupfer oder einer Kupferlegierung über mindestens 70% ihrer Fläche eine Dicke im Bereich von 0,2-1,2 mm aufweist; und/oder das Keramiksubstrat über mindestens 70% seiner Fläche eine Dicke im Bereich von 0,2-1,2 mm aufweist.
     
    8. Modul, enthaltend zumindest einen Kupfer-Keramik-Verbund gemäß einem der Ansprüche 1-7 und einen oder mehrere Bonddrähte.
     


    Claims

    1. Copper-ceramic composite comprising

    - a ceramic substrate containing aluminum oxide,

    - a coating of copper or a copper alloy present on the ceramic substrate, which coating is applied by a DCB process to the ceramic substrate,

    wherein

    the grains of the aluminum oxide each have a maximum diameter dKmax, a diameter dK,ortho running perpendicular to dK,max, determined on half the length of dK,max, and a shape factor RK(Al2O3) = dK,ortho / dK,max and the aluminum oxide has an average grain shape factor Ra(Al2O3), determined as arithmetic mean of the shape factors RK(Al2O3) of the grains of the aluminum oxide,

    the grains of the copper or of the copper alloy each have a maximum diameter dK,max, a diameter dK,ortho running perpendicular to dK,max, determined on half the length of dK,max, and a shape factor RK(Cu)= dK,ortho / dK,max and the copper or the copper alloy has an average grain shape factor Ra(Cu), determined as arithmetic mean of the shape factors RK(Cu) of the grains of the copper or of the copper alloy,

    where the average grain shape factors of the aluminum oxide and of the copper or of the copper alloy satisfy the following condition:


     
    2. Copper-ceramic composite according to Claim 1, wherein the copper or the copper alloy has grain sizes in the range from 10 µm to 300 µm, more preferably in the range from 15 µm to 250 µm, even more preferably in the range from 20 µm to 210 µm.
     
    3. Copper-ceramic composite according to Claim 1 or 2, wherein the aluminum oxide has grain sizes in the range from 0.01 µm to 25 µm, more preferably in the range from 0.3 µm to 23 µm, even more preferably in the range from 0.5 µm to 20 µm.
     
    4. Copper-ceramic composite according to any of the preceding claims, wherein the ratio of the average grain shape factor of the aluminum oxide to the average grain shape factor of the copper or of the copper alloy is in the range of 0.75-1.50, more preferably in the range of 0.80-1.20.
     
    5. Copper-ceramic composite according to any of the preceding claims, wherein the ceramic substrate consists to an extent of at least 65% by weight of the aluminum oxide.
     
    6. Copper-ceramic composite according to any of the preceding claims, wherein the coating of copper or a copper alloy at least partly has structuring to form electrical contact areas.
     
    7. Copper-ceramic composite according to any of the preceding claims, wherein the coating of copper or a copper alloy has a thickness in the range of 0.2-1.2 mm over at least 70% of its area; and/or the ceramic substrate has a thickness in the range of 0.2-1.2 mm over at least 70% of its area.
     
    8. Module containing at least one copper-ceramic composite according to any of Claims 1-7 and one or more bond wires.
     


    Revendications

    1. Composite cuivre-céramique, comprenant :

    - un substrat en céramique, qui contient de l'oxyde d'aluminium,

    - un revêtement en cuivre ou en un alliage de cuivre présent sur le substrat en céramique, qui est appliqué par un procédé DCB sur le substrat en céramique,

    les grains de l'oxyde d'aluminium présentant chacun un diamètre maximal dK,max, un diamètre perpendiculaire à dK,max, dK,ortho, déterminé à mi-longueur de dK,max, et un facteur de forme RK(Al2O3) = dK,ortho/dK,max. et l'oxyde d'aluminium présentant un facteur de forme de grain moyen Ra(Al2O3), déterminé en tant que valeur moyenne arithmétique à partir des facteurs de forme RK(Al2O3) des grains de l'aluminium,

    les grains du cuivre ou de l'alliage de cuivre présentant chacun un diamètre maximal dK,max, un diamètre perpendiculaire à dK,max, dK,ortho, déterminé à mi-longueur de dK,max, et un facteur de forme RK(Cu) = dK,ortho/dK,max, et le cuivre ou l'alliage de cuivre présentant un facteur de forme de grain moyen Ra(Cu), déterminé en tant que valeur moyenne arithmétique à partir des facteurs de forme RK(Cu) des grains du cuivre ou de l'alliage de cuivre,

    les facteurs de forme de grain moyen de l'oxyde d'aluminium et du cuivre ou de l'alliage de cuivre satisfaisant la condition suivante :


     
    2. Composite cuivre-céramique selon la revendication 1, dans lequel le cuivre ou l'alliage de cuivre présente des tailles de grain dans la plage allant de 10 µm à 300 µm, de manière davantage préférée dans la plage allant de 15 µm à 250 µm, de manière encore davantage préférée dans la plage allant de 20 µm à 210 µm.
     
    3. Composite cuivre-céramique selon la revendication 1 ou 2, dans lequel l'oxyde d'aluminium présente des tailles de grain dans la plage allant de 0,01 µm à 25 µm, de manière davantage préférée dans la plage allant de 0,3 µm à 23 µm, de manière encore davantage préférée dans la plage allant de 0,5 µm à 20 µm.
     
    4. Composite cuivre-céramique selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le rapport entre le facteur de forme de grain moyen de l'oxyde d'aluminium et le facteur de forme de grain moyen du cuivre ou de l'alliage de cuivre se situe dans la plage allant de 0,75 à 1,50, de manière davantage préférée dans la plage allant de 0,80 à 1,20.
     
    5. Composite cuivre-céramique selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le substrat en céramique est constitué par au moins 65 % en poids de l'oxyde d'aluminium.
     
    6. Composite cuivre-céramique selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le revêtement en cuivre ou en un alliage de cuivre présente au moins partiellement une structuration pour la formation de surfaces de contact électriques.
     
    7. Composite cuivre-céramique selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le revêtement en cuivre ou en un alliage de cuivre présente sur au moins 70 % de sa surface une épaisseur dans la plage allant de 0,2 à 1,2 mm ; et/ou le substrat en céramique présente sur au moins 70 % de sa surface une épaisseur dans la plage allant de 0,2 à 1,2 mm.
     
    8. Module, contenant au moins un composite cuivre-céramique selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, et un ou plusieurs fils de connexion.
     




    Zeichnung














    Angeführte Verweise

    IN DER BESCHREIBUNG AUFGEFÜHRTE DOKUMENTE



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    In der Beschreibung aufgeführte Patentdokumente