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    • 专利摘要:
    Bei einem Metall-Keramik-Substrat, bestehend aus einer Keramikschicht, die an wenigstens einer Oberflächenseite mit mindestens einer Metallisierung in Form einer unter Verwendung der DCB-Technik aufgebrachten Folie oder Schicht aus Kupfer oder einer Kupferlegierung gebildet ist, wobei das die Keramikschicht bildende Keramikmaterial Al¶2¶O¶3¶, ZrO¶2¶ und Y¶2¶O¶3¶ enthält, liegt, bezogen auf das Gesamtgewicht der Keramikschicht, der Anteil an Al¶2¶O¶3¶ im Bereich zwischen 91 und 98 Gewichtsprozent, der Anteil an ZrO¶2¶ im Bereich zwischen 2 und 9 Gewichtsprozent und der Anteil an Y¶2¶O¶3¶ im Bereich zwischen 0,04 und 1 Gewichtsprozent.In a metal-ceramic substrate, consisting of a ceramic layer formed on at least one surface side with at least one metallization in the form of a film or layer of copper or a copper alloy applied using the DCB technique, the ceramic material forming the ceramic layer Al ¶2¶O¶3¶, ZrO¶2¶ and Y¶2¶O¶3¶, based on the total weight of the ceramic layer, the proportion of Al¶2¶O¶3¶ ranges between 91 and 98 weight percent , the proportion of ZrO¶2¶ in the range between 2 and 9 weight percent and the proportion of Y¶2¶O¶3¶ in the range between 0.04 and 1 weight percent.
    公开号:DE102004012231A1
    申请号:DE200410012231
    申请日:2004-03-12
    公开日:2005-09-29
    发明作者:Karl Dr. Exel；Jürgen Dr.-Ing. Schulz-Harder
    申请人:Curamik Electronics GmbH；
    IPC主号:B32B15-04
    专利说明:
    [0001] DieErfindung bezieht sich auf ein Substrat gemäß Oberbegriff Patentanspruch1.TheThe invention relates to a substrate according to the preamble claim1.
    [0002] EinMetall-Keramik-Substrat dieser Art ist bekannt ( US 5 675 181 ), wobei bei diesem bekanntenSubstrat zur Erzielung einer hohen mechanischen Festigkeit und einerhohen Wärmeleitfähigkeit für die Keramikschichtein Keramikmaterial verwendet ist, welches einen Anteil an Zirkondioxid(ZrO2) im Bereich zwischen 10 und 30 Gewichtsprozentund einen Anteil an Yttriumoxid (Y2O3) oder Calziumoxid (CaO) im Bereich zwischen0,2 und 2,0 Gewichtsprozent aufweist, und zwar jeweils bezogen aufdas Gesamtgewicht der Keramikschicht.A metal-ceramic substrate of this type is known ( US 5,675,181 ), wherein in this known substrate for obtaining a high mechanical strength and a high thermal conductivity for the ceramic layer, a ceramic material is used, which has a zirconium dioxide (ZrO 2 ) in the range between 10 and 30 weight percent and a proportion of yttria (Y 2 O 3 ) or calcium oxide (CaO) in the range between 0.2 and 2.0 weight percent, in each case based on the total weight of the ceramic layer.
    [0003] Nachteiligsind bei diesem bekannten Substrat u.a. die hohen Produktionskosten,die reduzierte Haftfestigkeit der Metallisierung auf der Keramikschichtsowie auch Unebenheiten an den Oberflächenseiten der Keramikschichtdurch einen großen Schrumpfungsfaktorbeim Sintern bzw. Brennen der Keramik, und zwar jeweils bedingtdurch den hohen Anteil an ZrO2. Dieses machtes schwierig, große Formateund Mehrfachnutzen herzustellen.Disadvantages of this known substrate include the high production costs, the reduced adhesive strength of the metallization on the ceramic layer and also unevennesses on the surface sides of the ceramic layer due to a large shrinkage factor during sintering or firing of the ceramic, in each case due to the high proportion of ZrO 2 , This makes it difficult to produce large formats and multiple uses.
    [0004] Aufgabeder Erfindung ist es, ein Metall-Keramik-Substrat aufzuzeigen, diediese Nachteile vermeidet. Zur Lösungdieser Aufgabe ist ein Metall-Keramik-Substrat entsprechend demPatentanspruch 1 ausgebildet.taskThe invention is to show a metal-ceramic substrate, theavoids these disadvantages. To the solutionThis object is a metal-ceramic substrate according to theClaim 1 is formed.
    [0005] DerErfindung liegt die überraschendeErkenntnis zugrunde, dass trotz eines relativ niedrigen Anteilsan ZrO2 eine hohe thermische Leitfähigkeit > 20 W/mK für das Keramikmaterialder Keramikschicht erreichbar ist und auch die mechanische Festigkeitausreichend hoch ist, und zwar bei deutlich verbesserter Haftfestigkeitder Metallisierungen > als 40N/cm, vielfach sogar größer als50 N/cm.The invention is based on the surprising finding that, despite a relatively low proportion of ZrO 2, a high thermal conductivity> 20 W / mK can be achieved for the ceramic material of the ceramic layer and also the mechanical strength is sufficiently high, namely with significantly improved adhesion of the metallizations > than 40 N / cm, often even greater than 50 N / cm.
    [0006] DieBiege-Bruch-Festigkeit der Keramik ist bei dem erfindungsgemäßen Substrat > 500 MPa. Die Biege-Bruch-Festigkeitdes Substrates insgesamt liegt bei der Erfindung bei beidseitigerMetallisierung deutlich über600 MPa.TheBend-fracture strength of the ceramic is> 500 MPa in the substrate according to the invention. The bending-fracture-strengththe total substrate is in the invention in bilateralMetallization clearly over600 MPa.
    [0007] Weiterbildungender Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Die Erfindung wird imFolgenden anhand der Figuren an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Eszeigen:further developmentsThe invention are the subject of the dependent claims. The invention is inExplained below with reference to the figures of exemplary embodiments. Itdemonstrate:
    [0008] 1 inschematischer Darstellung und in Seitenansicht ein Kupfer-Keramik-Substratgemäß der Erfindung; 1 in schematic representation and in side view of a copper-ceramic substrate according to the invention;
    [0009] 2 inperspektivischer Darstellung eine Substrat-Probe zur Messung derHaftfestigkeit der Kupfer-Schicht oder -Folie auf der Keramik; 2 a perspective view of a substrate sample for measuring the adhesion of the copper layer or film on the ceramic;
    [0010] 3 insehr schematischer Darstellung eine Messmethode zur Bestimmung derHaftfestigkeit; 3 in a very schematic representation, a measuring method for determining the adhesive strength;
    [0011] 4 ineiner graphischen Darstellung die mit dem Verfahren der 3 gemesseneHaftfestigkeit in Abhängigkeitvon der Abziehgeschwindigkeit bei der Messmethode der 3; 4 in a graphic representation with the method of 3 measured adhesive strength as a function of the peel rate in the measuring method of 3 ;
    [0012] 5 insehr schematischer Darstellung eine Vorrichtung zur Messung derTemperaturwechselfestigkeit des Substrates der 1; 5 in a very schematic representation of a device for measuring the thermal shock resistance of the substrate 1 ;
    [0013] 6 ineiner Graphik die Temperatur-Wechselbehandlung in Abhängig vonder Zeit; 6 in a graph, the temperature-change treatment as a function of time;
    [0014] 7 invergrößerter Darstellungeinen Schnitt durch das Substrat mit einer Rissbildung unter einerder Metallisierungen, zur Erläuterungdes Verfahrens der 5 und 6; 7 in an enlarged view a section through the substrate with a crack under one of the metallizations, for explaining the method of 5 and 6 ;
    [0015] 8 ineiner Graphik die Temperaturwechselfestigkeit in Abhängigkeitvon dem ZrO2-Gehalt der Keramik des Substratesbei einer Dicke der Keramikschicht von 0,32 und einer Dicke derMetallisierungen bzw. Kupferschichten von 0,30 mm; 8th in a graph, the thermal shock resistance as a function of the ZrO 2 content of the ceramic of the substrate at a thickness of the ceramic layer of 0.32 and a thickness of the metallization or copper layers of 0.30 mm;
    [0016] 9 ineiner Graphik die Abhängigkeitdes thermischen Längenausdehnungskoeffizienten α (ppm/K)in Abhängigkeitvon der ZrO2-Konzentration in der Keramik; 9 in a graph, the dependence of the thermal expansion coefficient α (ppm / K) as a function of the ZrO 2 concentration in the ceramic;
    [0017] 10 ineiner Graphik die Wärmeleitfähigkeit(W/mK) in Abhängigkeitvon der ZrO2-Konzentration in der Keramik; 10 in a graph, the thermal conductivity (W / mK) as a function of the ZrO 2 concentration in the ceramic;
    [0018] 11 ineiner Graphik die Fertigungskosten der Keramikschicht in Abhängigkeitvon der ZrO2-Konzentration in der Keramik,und zwar normiert auf die Fertigungskosten ohne einen ZrO2-Anteil. 11 in a graph, the manufacturing cost of the ceramic layer as a function of the ZrO 2 concentration in the ceramic, standardized to the manufacturing cost without a ZrO 2 content.
    [0019] Dasin den Figuren allgemein mit 1 bezeichnete Substrat bestehtaus einer Keramikschicht 2, die an ihren beiden Oberflächenseitenjeweils mit einer Metallisierung 3 bzw. 4 versehenist, und zwar in Form einer Kupferfolie, die mit Hilfe der DCB-Technik jeweilsauf die betreffende Oberflächenseiteder Keramikschicht 2 aufgebracht ist.This in the figures generally with 1 designated substrate consists of a ceramic layer 2 , each with a metallization on its two surfaces 3 respectively. 4 is provided, in the form of a copper foil, which by means of the DCB technique, respectively on the respective surface side of the ceramic layer 2 is applied.
    [0020] Üblicherweisewird das Substrat 1 mit einer Vielzahl gleichartiger Substrateim Mehrfachnutzen hergestellt, und zwar unter Verwendung einer großflächigen Keramikplatte,die an beiden Oberflächenseiteunter Verwendung der DCB-Technik mit einer die späteren Metallisierungen 3 und 4 bildendenKupferfolie versehen und die dann nach dem Strukturieren der Kupferfoliendurch Brechen entlang von Sollbruchlinien in die einzelnen Substrate 1 zertrennt wird.Usually, the substrate becomes 1 made with a variety of similar substrates in multiple use, using a large-scale ceramic plate on both surface side using the DCB technique with a later metallizations 3 and 4 forming Kup provided ferfolfolie and then after the structuring of the copper foils by breaking along predetermined breaking lines in the individual substrates 1 is severed.
    [0021] DasSubstrat 1 dient in bekannter Weise als Leiterplatte für elektrischeoder elektronische Schaltungen oder Module, insbesondere für Leistungsschaltungenoder Module, wobei beispielsweise die Metallisierung 3 zurBildung von Leiterbahnen, Kontaktflächen usw. mit den üblichenTechniken, beispielsweise mit Hilfe einer Maskierungs- und Ätztechnikentsprechend strukturiert ist. Die Dicke der Keramikschicht 2 liegtbei bevorzugten Ausführungsformender Erfindung im Bereich zwischen 0,2–1,2 mm. Die Dicke der dieMetallisierungen 3 und 4 bildenden Kupferschicht 2 oder-folien liegt bei bevorzugten Ausführungsformen der Erfindungim Bereich zwischen 0,1 und 1,0 mm.The substrate 1 serves in a known manner as a printed circuit board for electrical or electronic circuits or modules, in particular for power circuits or modules, wherein, for example, the metallization 3 for the formation of conductor tracks, contact surfaces, etc. is structured according to the usual techniques, for example by means of a masking and etching technique. The thickness of the ceramic layer 2 is in preferred embodiments of the invention in the range between 0.2-1.2 mm. The thickness of the metallizations 3 and 4 forming copper layer 2 or films is in preferred embodiments of the invention in the range between 0.1 and 1.0 mm.
    [0022] DieKeramik der Keramikschicht 2 ist eine Aluminiumoxid-Keramik(Al2O3) mit einemZrO2-Anteil und mit einem Y2O3-Anteil und/oder CaO-Anteil. Um verschiedene,sich teilweise widersprechende Parameter für die Keramikschicht 2 inoptimaler Weise zu erreichen, nämlicheine möglichsthohe Haftfestigkeit der Metallisierungen 3 und 4 aufder Keramikschicht 2, eine hohe Biege-Bruch-Festigkeitder Keramikschicht 2 sowie auch des Substrates 1 insgesamt,eine möglichsthohe Temperaturwechselfestigkeit des Substrates 1, einenmöglichstgeringen Temperaturausdehnungskoeffizienten für die Keramik und dennoch einemöglichsthohe Wärmeleitfähigkeit für die Keramik,weist das Keramikmaterial folgende Zusammensetzung auf: ZrO2 maximal 9 Gewichtsprozent, bevorzugt imBereich zwischen etwa 2 und 9 Gewichtsprozent, Al2O3 im Bereich zwischen etwa 91–98 Gewichtsprozent, Y2O3 maximal 1 Gewichtsprozent,vorzugsweise im Bereich zwischen 0,04 und 1 Gewichtsprozent, undzwar jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht des Keramikmaterialsder Keramikschicht 2.The ceramic of the ceramic layer 2 is an alumina ceramic (Al 2 O 3 ) having a ZrO 2 content and having a Y 2 O 3 content and / or CaO content. To different, partially contradictory parameters for the ceramic layer 2 to achieve in an optimal manner, namely the highest possible adhesion of the metallizations 3 and 4 on the ceramic layer 2 , a high bending-fracture strength of the ceramic layer 2 as well as the substrate 1 Overall, the highest possible thermal shock resistance of the substrate 1 , the lowest possible coefficient of thermal expansion for the ceramic and yet the highest possible thermal conductivity for the ceramic, the ceramic material has the following composition: ZrO 2 at most 9 percent by weight, preferably in the range between about 2 and 9 percent by weight, Al 2 O 3 ranging between about 91-98 weight percent, Y 2 O 3 at most 1 percent by weight, preferably in the range between 0.04 and 1 percent by weight, in each case based on the total weight of the ceramic material of the ceramic layer 2 ,
    [0023] Hierbeiist es auch möglich,dass der Anteil an Y2O3 ganzoder teilweise durch CaO ersetzt ist. Mit dieser Zusammensetzungdes Materials der Keramikschicht 2 werden sämtlicheoben genannte Eigenschaften und Anforderungen an die Keramikschicht 2 inoptimaler Weise erreicht, d.h. insbesondere trotz des geringen Anteilsan ZrO2 eine ausreichend hohe Leitfähigkeitder Keramik, die (Wärmeleitfähigkeit)die erforderliche Kühlungeines beispielsweise auf der Metallisierung 3 angeordneten Leistungs-Bauelementes über einemit der Metallisierung 4 verbundene Wärmesenke (z. B. aktiver oder passiverKühler)ermöglicht,eine ausreichend hohe Festigkeit, insbesondere Biegefestigkeit derKeramikschicht 2 sowie des Substrates 1 insgesamt,eine hohe Temperaturwechselfestigkeit sowie hohe Haftfestigkeitfür dieMetallisierungen 3 und 4.It is also possible that the proportion of Y 2 O 3 is completely or partially replaced by CaO. With this composition of the material of the ceramic layer 2 All the above-mentioned properties and requirements for the ceramic layer 2 achieved in an optimal manner, ie in particular despite the low proportion of ZrO 2, a sufficiently high conductivity of the ceramic, the (thermal conductivity) the required cooling of, for example, on the metallization 3 arranged power device via one with the metallization 4 Connected heat sink (eg active or passive cooler) allows a sufficiently high strength, in particular bending strength of the ceramic layer 2 as well as the substrate 1 Overall, a high thermal shock resistance and high adhesion for metallization 3 and 4 ,
    [0024] Messungenhaben ergeben, dass die Haftfestigkeit (Peelfestigkeit) der mitdem DCB-Verfahren (DirectCopper Bonding – US-PS37 44 120 oder DE-PS 23 19 854) auf die Keramikschicht 2 aufgebrachtenMetallisierungen 3 und 4 bzw. der diese Metallisierungenbildenden Kupferfolien größer als40 N/cm ist. Eine hohe Haftfestigkeit trägt wesentlich dazu bei, denTemperaturausdehnungskoeffzienten des Kupfers der Metallisierungen 3 und 4 inder Flächeparallel zur Keramikschicht 2 zu reduzieren und diesentrotz einer dicken Kupferschicht, sodass trotz einer großen Dickeder Metallisierungen deren Temperaturausdehnungskoeffizient an denjenigenvon Halbleitermaterial (Silizium) angepaßt ist, wodurch die Zuverlässigkeitvon auf eine Metallisierung aufgelöteten Halbleiter-Bauelementen(Silizium-Bauelementen) erhöhtwird.Measurements have shown that the adhesive strength (peel strength) of the DCB method (Direct Copper Bonding - US-PS 37 44 120 or DE-PS 23 19 854) on the ceramic layer 2 applied metallizations 3 and 4 or the copper foils forming this metallization is greater than 40 N / cm. High adhesive strength contributes significantly to the thermal expansion coefficients of the copper of the metallizations 3 and 4 in the surface parallel to the ceramic layer 2 in spite of a thick copper layer, such that, despite a large thickness of the metallizations, their coefficient of thermal expansion is matched to that of semiconductor material (silicon), thereby increasing the reliability of semiconductor devices (silicon devices) soldered to a metallization.
    [0025] DieHaftfestigkeit der Metallisierungen 3 bzw. 4 ander Keramikschicht 2 lässtsich durch ein standardisiertes Verfahren bestimmen. Hierfür wird entsprechendder 2 ein Probesubstrat 1a hergestellt, welchesaus einer rechteckförmigenKeramikschicht 2a aus einem Keramikmaterial mit der für die Keramikschicht 2 angegebenenZusammensetzung sowie aus einer auf eine Oberflächenseite der Keramikschicht 2a mitHilfe des DCB-Verfahrens aufgebrachten, wiederum von einer Kupferfoliegebildeten Metallisierung 3a besteht, die an einer Schmalseite derKeramikschicht 2a zu einem verbreiterten Kopfstück 3a.1 ausgebildetist. Entlang des Kopfstückes 3a.1 istdie Keramikschicht 2a in Querrichtung, d. h. senkrechtzu den Längsseitendieser Keramikschicht beispielsweise durch Lasern mit einer Sollbruchlinie 5 versehen.Für dieMessung der Haftfestigkeit wird die Keramikschicht 2a entlangder Sollbruchlinie 5 gebrochen und dann der das Kopfstück 3a.1 aufweisendeTeil der Keramikschicht 2a nach oben gebogen. Der übrige Teilder Keramikschicht 2a wird flächig auf eine Unterlage 6 gelegtund dort fixiert, und zwar derart, dass der streifenförmige Abschnitt 3a.2 derMetallisierung 3a oben liegt. Bei eingespanntem Kopfstück 3a.1 wirdeine Abziehkraft F senkrecht nach oben auf die Metallisierung 3a ausgeübt. Die HaftfestigkeitH ergibt sich dann als Quotient der für das Ablösen bzw. Abziehen der Metallschicht 3a von derKeramikschicht 2 erforderlichen vertikalen Kraft F undder Breite b des streifenförmigenAbschnittes 3a.2, d.h. H = F/b. Die 4 zeigtden grundsätzlichenVerlauf der Haftfestigkeit H in Abhängigkeit von der AbziehgeschwindigkeitV, d. h. die Abziehkraft F und damit auch die Haftfestigkeit H steigenmit Zunahme der Geschwindigkeit V, mit der das Abziehen der Metallisierung 3a bzw.das nach oben Bewegen des Kopfabschnittes 3a.1 erfolgen,zunächstan und erreichen schließlicheinen konstanten Grenzwert. Einer standardisierten Messmethode entsprechend wirddie Abziehgeschwindigkeit V auf 5 mm/min eingestellt. Hierbei ergebensich dann fürdas Keramikmaterial des Probesubstrats 1a und damit auchfür dasKeramikmaterial des Substrats 1 Werte für die Haftfestigkeit > 40 N/cm.The adhesion of the metallizations 3 respectively. 4 on the ceramic layer 2 can be determined by a standardized procedure. For this purpose, according to the 2 a sample substrate 1a made of a rectangular ceramic layer 2a from a ceramic material with that for the ceramic layer 2 specified composition and from one on a surface side of the ceramic layer 2a applied by the DCB method, in turn formed by a copper foil metallization 3a exists on a narrow side of the ceramic layer 2a to a widened head piece 3a.1 is trained. Along the head piece 3a.1 is the ceramic layer 2a in the transverse direction, ie perpendicular to the longitudinal sides of this ceramic layer, for example by lasers with a predetermined breaking line 5 Mistake. For the measurement of the adhesive strength, the ceramic layer 2a along the break line 5 broken and then the head piece 3a.1 having part of the ceramic layer 2a bent upwards. The remaining part of the ceramic layer 2a becomes flat on a surface 6 placed and fixed there, in such a way that the strip-shaped section 3a.2 the metallization 3a is above. With clamped head piece 3a.1 a peel force F is perpendicular to the top of the metallization 3a exercised. The adhesive strength H is then given as the quotient of the detachment or removal of the metal layer 3a from the ceramic layer 2 required vertical force F and the width b of the strip-shaped portion 3a.2 ie H = F / b. The 4 shows the basic curve of the adhesive strength H as a function of the peel rate V, ie the peel force F and thus the adhesive strength H increase with increasing speed V, with the removal of the metallization 3a or the upward movement of the head section 3a.1 done, first on and finally reach a constant limit. According to a standardized measuring method, the peeling speed V becomes 5 mm / min posed. This then results for the ceramic material of the sample substrate 1a and thus also for the ceramic material of the substrate 1 Values for adhesive strength> 40 N / cm.
    [0026] VonBedeutung fürdie Qualitätdes Substrates 1 ist weiterhin die Temperaturwechselfestigkeit, dainsbesondere auch bei Verwendung des Substrates für elektronischeSchaltungen oder Module, die beispielsweise auch außerhalbvon klimatisierten Räumenbenutzt und getaktet betätigtwerden, z. B. in Steuerungen von Straßen- oder Schienenfahrzeugen,in der Satelitentechnik usw. beim Aktivieren und Deaktivieren desentsprechenden Leistungsbauteils der Schaltung oder des Moduls usw.hohe Temperaturschwankungen auftreten. Diese haben zur Folge, dassdurch den im Vergleich zur Keramik größeren thermischen Ausdehnungskoeffizientender Metallisierungen 3 und 4 Spannungen in derKeramikschicht auftreten. Durch eine entsprechend hohe Temperaturwechselfestigkeitist sichergestellt, dass auch bei einer Vielzahl von extremen Temperaturwechselneine Rissbildung in der Keramikschicht 2, wie dies in der 7 mitder Linie 7 unterhalb der Metallisierung 3 angedeutetist, und damit ein Ablösen derMetallisierung vom restlichen Substrat nicht eintritt.Of importance for the quality of the substrate 1 is still the thermal shock resistance, as in particular when using the substrate for electronic circuits or modules that are used, for example, outside of air-conditioned spaces and clocked, z. As in controls of road or rail vehicles, in satellite technology, etc. when activating and deactivating the corresponding power component of the circuit or the module, etc. high temperature fluctuations occur. These have the consequence that by comparison with the ceramic larger thermal expansion coefficients of the metallizations 3 and 4 Tensions in the ceramic layer occur. By a correspondingly high thermal shock resistance is ensured that even with a variety of extreme temperature changes cracking in the ceramic layer 2 like this in the 7 with the line 7 below the metallization 3 is indicated, and thus a detachment of the metallization from the rest of the substrate does not occur.
    [0027] DieMessung der Temperaturwechselfestigkeit erfolgt unter extremen Bedingungen,die in dieser Form in der Praxis zwar nicht auftreten, dennoch aberein zuverlässigesund aussagekrätigesMessergebnis liefern. Fürdie Messung der Temperaturwechselfestigkeit wird eine Einrichtungverwendet, die in der 5 sehr schematisch dargestelltist. Diese Einrichtung besteht im wesentlichen aus zwei in einemGehäusegebildeten Kammern 8 und 9, von denen die obereKammer 8 beheizt und die untere Kammer 9 gekühlt ist.Das Substrat 1 wird dann über einen nicht dargestelltenTransporteur, der beispielsweise in Form eines kleinen Liftes ausgebildetist, wechselweise in die Kammer 8 und aus dieser in die Kammer 9 undzurückin die Kammer 8 usw. eingebracht, wie dies in der 5 mitden Pfeilen A und B angedeutet ist.The measurement of thermal shock resistance takes place under extreme conditions, which do not occur in practice in this form, but nevertheless provide a reliable and informative measurement result. For the measurement of thermal shock resistance, a device is used which is used in the 5 is shown very schematically. This device consists essentially of two chambers formed in a housing 8th and 9 of which the upper chamber 8th heated and the lower chamber 9 is cooled. The substrate 1 is then via a conveyor, not shown, which is formed for example in the form of a small lift, alternately into the chamber 8th and from this to the chamber 9 and back to the chamber 8th etc. introduced, as in the 5 indicated by the arrows A and B.
    [0028] Injeder Kammer 8 und 9 verbleibt das Substrat 1 dannetwa 15 Minuten. Die Zeit fürdie Übergabedes Substrates 1 aus der einen Kammer in die andere Kammerist extrem kurz und liegt beispielsweise in der Größenordnung < 10 Sekunden. Die Kammer 8 istderart beheizt, dass das Substrat 1 dort auf eine Temperaturvon etwa +150°Cerhitzt wird. Die Kammer 9 ist derart gekühlt, dassdas Substrat 1 dort auf eine Temperatur von etwa –55°C abgekühlt wird.Währendjedes Wechsels von einer Kammer in die andere Kammer oder aber periodischnach einer gewissen Anzahl von derartigen Wechseln wird festgestellt,ob eine Rissbildung in der Keramikschicht 2 eingetretenist. Eine Rissbildung gilt dann als eingetreten, wenn sich durchdie Temperaturwechselbehandlung ein Teilriss ergeben hat, der inder 7 mit 7.1 bezeichnet ist und am Randder Metallisierung 3 von der Oberflächenseite der Keramikschicht 2 schräg in dieseverläuft,und zwar bevor der in der 7 mit 7.2 bezeichnete,parallel zu den Oberflächenseitender Keramikschicht 2 und unterhalb der Metallisierung 3 verlaufendeRiss auftritt.In every chamber 8th and 9 the substrate remains 1 then about 15 minutes. The time for the transfer of the substrate 1 from one chamber to the other chamber is extremely short and is for example of the order of <10 seconds. The chamber 8th is heated so that the substrate 1 is heated there to a temperature of about + 150 ° C. The chamber 9 is cooled so that the substrate 1 There is cooled to a temperature of about -55 ° C. During each change from one chamber to the other chamber, or periodically after a certain number of such changes, it is determined whether there is cracking in the ceramic layer 2 occurred. Cracking is regarded as having occurred when the temperature change treatment has given rise to a partial crack in the 7 With 7.1 is designated and at the edge of the metallization 3 from the surface side of the ceramic layer 2 runs obliquely into this, and before the in the 7 With 7.2 designated, parallel to the surface sides of the ceramic layer 2 and below the metallization 3 running crack occurs.
    [0029] Für die Ermittlung,ob eine Rissbildung bereits eingetreten ist oder nicht, eignet sichdie sogenannte Grindo-Sonic-Methode, die üblicherweise zur Bestimmungdes E-Moduls verwendetwird. Bei dieser Methode wird jeweils die Eigenfrequenz des Substrates 1 durchAnschlagen gemessen. Weicht die gemessene Frequenz etwa 2 von derEigenfrequenz ab, die das Substrat 1 im ursprünglichenZustand aufwies, so wird dies als Kriterium für eine eingetretene Rissbildung(schrägzur Oberflächeverlaufender Teilriss 7.1) gewertet. Die Anzahl der bisdahin erfolgten Zyklen der Temperaturwechselbehandlung des Substrates 1 werdengezähltund bestimmen die Temperaturwechselfestigkeit.To determine whether cracking has already occurred or not, the so-called Grindo-Sonic method, which is usually used to determine the modulus of elasticity, is suitable. In this method, the natural frequency of the substrate is in each case 1 measured by striking. The measured frequency deviates about 2 from the natural frequency, which is the substrate 1 in the original state, so this is a criterion for a cracking occurred (oblique to the surface extending partial crack 7.1 ). The number of cycles of the temperature change treatment of the substrate 1 are counted and determine the thermal shock resistance.
    [0030] Die 6 zeigtin einem Temperatur-Zeitdiagramm die auf das Substrat 1 beimMessen der Temperaturwechselfestigkeit auf das Substrat 1 einwirkendenTemperaturwechsel zwischen +150°Cund –55°C. In der 8 istder typische Verlauf der Temperaturwechselfestigkeit in Abhängigkeitvon der ZrO2-Konzentration angegeben, undzwar bei einer Dicke der Keramikschicht 2 im Bereich von 0,32 mm undeiner Dicke der die Metallisierungen 3 und 4 im Bereichvon 0,3 mm. Die 8 zeigt, dass die Temperaturwechselfestigkeitzwar mit zunehmendem Anteil an ZrO2 ansteigt,in dem fürdas Material der Keramikschicht 2 gewählten Anteil zwischen 2–9 Gewichtsprozentaber eine ausreichend hohe Temperaturwechselfestigkeit erreichtist, insbesondere auch eine wesentliche Verbesserung gegenüber einerKeramik ohne einen Anteil an ZrO2.The 6 shows in a temperature-time diagram on the substrate 1 when measuring the thermal shock resistance on the substrate 1 acting temperature change between + 150 ° C and -55 ° C. In the 8th shows the typical course of the thermal shock resistance as a function of the ZrO 2 concentration, namely at a thickness of the ceramic layer 2 in the range of 0.32 mm and a thickness of the metallizations 3 and 4 in the range of 0.3 mm. The 8th shows that the thermal shock resistance increases with increasing proportion of ZrO 2 , in that for the material of the ceramic layer 2 selected proportion between 2-9 weight percent but a sufficiently high thermal shock resistance is achieved, in particular a significant improvement over a ceramic without a proportion of ZrO 2 .
    [0031] Vonbesonderer Bedeutung fürdie Qualität desSubstrates 1 ist weiterhin auch der thermische Längenausdehnungskoeffizient α des dieKeramikschicht 2 bildenden Keramikmaterials. Angestrebtist ein möglichstkleiner Wert fürdiesen Wärmeausdehnungskoeffizienten,da die Keramikschicht 2 auch dazu dient, bei Temperaturänderungendes Substrates 1 den relativ hohen thermischen Ausdehnungskoeffizientendes Kupfers der Metallisierungen 3 und 4 zu „bremsen", d. h. zu reduzierenund damit an den thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Halbleitermaterialanzunähern,um so durch Temperaturänderungenbedingt Spannungen im Halbleitermaterial eines Halbleiterbauelementeszu vermeiden, welches auf der Metallisierung 3 oder aberauf einem von dieser Metallisierung durch Strukturieren gebildetenBereich befestigt ist.Of particular importance for the quality of the substrate 1 is also the thermal expansion coefficient α of the ceramic layer 2 forming ceramic material. The aim is the smallest possible value for this coefficient of thermal expansion, since the ceramic layer 2 also serves, with temperature changes of the substrate 1 the relatively high thermal expansion coefficient of the copper of the metallizations 3 and 4 to "brake", ie to reduce and thus approximate to the thermal expansion coefficient of semiconductor material, so as to avoid temperature changes due to stresses in the semiconductor material of a semiconductor device, which on the metallization 3 or on a region formed by this metallization by structuring.
    [0032] Die 9 zeigtdie Abhängigkeitdes thermischen Längenausdehnungskoeffizienten α (angegebenin ppm/K) des Keramikmaterials der Keramikschicht 2 inAbhängigkeitvon dem Anteil an ZrO2. Die 9 zeigtauch, dass bei der fürdas Material der Keramikschicht 2 gewählten Zusammensetzung, bei derder Anteil an ZrO2 im Bereich zwischen 2und 9 Gewichtsprozent liegt, der thermische Längenausdehnungskoeffizientnur geringfügig über dementsprechenden Wert der Keramik ohne Zusatz an ZrO2 liegt.Der Temperaturausdehnungskoeffizient der Keramikschicht 2 bzw.des fürdiese Schicht verwendeten Keramikmaterials ist somit auf jeden Fall < 7,6 × 10–6/K.The 9 shows the dependence of the thermal expansion coefficient α (in ppm / K) of the ceramic material of the ceramic layer 2 depending on the proportion of ZrO 2 . The 9 also shows that when for the material of the ceramic layer 2 selected composition in which the proportion of ZrO 2 is in the range between 2 and 9 weight percent, the thermal expansion coefficient is only slightly above the corresponding value of the ceramic without addition of ZrO 2 . The coefficient of thermal expansion of the ceramic layer 2 or of the ceramic material used for this layer is thus in any case <7.6 × 10 -6 / K.
    [0033] Vonganz entscheidender Bedeutung ist aber die Wärmeleitfähigkeit der Keramikschicht 2 bzw.des diese Schicht bildenden Keramikmaterials, da diese Wärmeleitfähigkeitdie Möglichkeiteiner wirksamen Kühlungeines Leistungsbauelmentes unmittelbar berührt. Mit der speziellen Zusammensetzungdes Keramikmaterials ist es gelungen, eine hohe Wärmeleitfähigkeitzu erreichen, die bei dem Anteil an ZrO2 zwischen0,1 und 9 im Bereich von etwa 28,5 und 25 W/mK liegt. Die Wärmeleitfähigkeitder Keramikschicht 2 bzw. des für diese Schicht verwendetenKeramikmaterials ist somit insbesondere auch bei Raumtemperatur > 20W/mK.Of crucial importance, however, is the thermal conductivity of the ceramic layer 2 or the ceramic material forming this layer, since this thermal conductivity directly affects the possibility of effective cooling of a power component. With the special composition of the ceramic material has been able to achieve a high thermal conductivity, which is in the proportion of ZrO 2 between 0.1 and 9 in the range of about 28.5 and 25 W / mK. The thermal conductivity of the ceramic layer 2 or of the ceramic material used for this layer is thus especially at room temperature> 20W / mK.
    [0034] Vonentscheidender Bedeutung ist insbesondere auch bei den geringenDicken der Keramikschicht 2 in der Größenordnung von 0,2 bis 1,2mm eine ausreichend hohe Biege-Bruch-Festigkeit der Keramikschicht 2 sowieauch des Substrates 1 insgesamt, um ein Brechen der Keramikschicht 2 unddes Substrates 1 währendder Herstellung und/oder Weiterverarbeitung sowie auch im späteren Einsatzzu verhindern. Mit der oben angegebenen Zusammensetzung des für die Keramikschicht 2 verwendeten Keramikmaterialswird fürdie Keramik selbst eine Biege-Bruch-Festigkeit > 600 MPa erreicht.Of particular importance is especially in the small thicknesses of the ceramic layer 2 in the order of 0.2 to 1.2 mm, a sufficiently high bending-fracture strength of the ceramic layer 2 as well as the substrate 1 Overall, to break the ceramic layer 2 and the substrate 1 during production and / or further processing as well as in later use to prevent. With the composition given above for the ceramic layer 2 used ceramic material is achieved for the ceramic itself a bending-breaking strength> 600 MPa.
    [0035] Die 11 zeigtnoch die Abhängigkeitder Herstellungskosten der Keramikschicht 2 von der ZrO2-Konzentration wiederum in Gewichtsprozent bezogenauf das Gesamtgewicht der Keramikschicht 2, und zwar beieiner Größe des Substrates 1 von5'' × 7'' undeiner Dicke der Keramikschicht 2 von 0,32 mm. Die in der 11 angegebenenKosten sind auf die Kosten eines Substrates mit einer Keramikschicht normiert,die keinen Anteil an ZrO2 aufweist. Wiedie 11 zeigt, liegen die Herstellungskosten bei dem erfindungsgemäßen Anteilan ZrO2 im Bereich zwischen 2 und 9 Gewichtsprozentnur geringfügig über denKosten eines Metall-Keramik-Substratesohne ZrO2. Bei einer höheren Konzentration an ZrO2 steigen die Kosten deutlich an. Dies istdarauf zurückzuführen, dasssich bei höherenKonzentrationen zunehmend Probleme beim Sintern bzw. Brennen der Keramikergeben, und zwar u. a. durch Schrumpfen der Rohkeramik, wobei diesesSchrumpfen mit zunehmendem Anteil an ZrO2 überproportionalzunimmt. Dies bedeutet u.a., dass zur Erzielung einer bestimmtenGröße einergebrannten Keramikplatte, wie sie beispielsweise zur Herstellungder Substrate 1 im Mehrfachnutzen benötigt wird, die Platte aus der rohen,noch nicht gebrannten Keramik mit zunehmenden Anteil an ZrO2 zunehmend größer gewählt werden muss, was das Handlingerschwert und beispielsweise auch die Bruchgefahr und damit denAnteil an Ausschuss bereits beim Brennen erhöht. Weiterhin ergeben sichdurch das durch den ZrO2-Anteil bedingteSchrumpfen Unregelmäßigkeitenan den Oberflächenseitender Keramikschicht. Weiterhin ist das Brennen der Rohkeramik imStapel bei einem höherenAnteil an ZrO2 wegen des Schrumpfens nicht möglich. Diesführt zueinem überproportionalenAnstieg der Herstellungskosten bei einer ZrO2-Konzentration > 10%.The 11 shows still the dependence of the manufacturing cost of the ceramic layer 2 from the ZrO 2 concentration again in weight percent based on the total weight of the ceramic layer 2 , with a size of the substrate 1 of 5 "× 7" and a thickness of the ceramic layer 2 of 0.32 mm. The in the 11 indicated costs are normalized to the cost of a substrate with a ceramic layer that has no share of ZrO 2 . As the 11 shows, the production cost of the proportion of ZrO 2 according to the invention in the range between 2 and 9 weight percent only slightly above the cost of a metal-ceramic substrate without ZrO 2 . With a higher concentration of ZrO 2 , the costs increase significantly. This is due to the fact that at higher concentrations increasingly problems arise during sintering or firing of the ceramic, among other things by shrinkage of the raw ceramic, this shrinkage increases disproportionately with increasing proportion of ZrO 2 . This means, inter alia, that in order to obtain a certain size of a fired ceramic plate, as used for example for the production of the substrates 1 is needed in multiple use, the plate from the raw, not yet fired ceramic with increasing proportion of ZrO 2 must be chosen to be increasingly larger, which complicates the handling and, for example, increases the risk of breakage and thus the proportion of rejects already during firing. Furthermore, due to the shrinkage caused by the ZrO 2 component, irregularities result on the surface sides of the ceramic layer. Furthermore, the burning of the raw ceramic in the stack at a higher proportion of ZrO 2 is not possible because of the shrinkage. This leads to a disproportionate increase in production costs at a ZrO 2 concentration> 10%.
    [0036] DieErfindung wurde voranstehend an einem Ausführungsbeispiel beschrieben.Es versteht sich, dass Abwandlungen möglich sind, ohne das dadurch derder Erfindung zugrunde liegende Erfindungsgedanke verlassen wird.TheThe invention has been described above with reference to an exemplary embodiment.It is understood that modifications are possible without thisThe invention underlying the invention is abandoned.
    11 Kupfer-Keramik-SubstratCopper-ceramic substrate 1a1a Mess-oder Prüfsubstratmeasurementor test substrate 2,2a2,2a Keramikschichtceramic layer 3,3a3,3a Metallisierungmetallization 3a.13a.1 verbreiteterAbschnitt der Metallisierung 3a common section of the metallization 3a 3a.23a.2 streifenförmiger Abschnittder Metallisierung 3a strip-shaped section of the metallization 3a 44 Metallisierungmetallization 55 SollbruchlinieLine of weakness 66 Unterlagedocument 77 Bruchliniebreakline 7.1,7.27.17.2 Teilbruchpartial break 8,98th,9 Behandlungsraumtreatment room
    权利要求:
    Claims (9)
    [1]
    Metall-Keramik-Substrat bestehend aus einer Keramikschicht(2), die an wenigstens einer Oberflächenseite mit mindestens einerMetallisierung (3, 4) in Form einer unter Verwendungder DCB-Technik aufgebrachten Folie oder Schicht aus Kupfer odereiner Kupferlegierung gebildet ist, wobei das die Keramikschicht(2) bildende Keramikmaterial Al2O3, ZrO2 und Y2O3 enthält, dadurchgekennzeichnet, dass bezogen auf das Gesamtgewicht der Keramikschicht derAnteil an Al2O3 imBereich zwischen 91 und 98 Gewichtsprozent, der Anteil an ZrO2 im Bereich zwischen 2 und 9 Gewichtsprozentund der Anteil an Y2O3 imBereich zwischen 0,04 und 1 Gewichtsprozent liegt, und dass dieHaftfestigkeit der wenigstens einen Metallisierung (3, 4) > 40 N/cm ist.Metal-ceramic substrate consisting of a ceramic layer ( 2 ), which on at least one surface side with at least one metallization ( 3 . 4 ) is formed in the form of a film or layer of copper or a copper alloy applied using the DCB technique, wherein the ceramic layer ( 2 ) comprises ceramic material Al 2 O 3 , ZrO 2 and Y 2 O 3 , characterized in that based on the total weight of the ceramic layer, the proportion of Al 2 O 3 in the range between 91 and 98 weight percent, the proportion of ZrO 2 in the range between 2 and 9 weight percent and the proportion of Y 2 O 3 is in the range between 0.04 and 1 weight percent, and that the adhesion of the at least one metallization ( 3 . 4 )> 40 N / cm.
    [2]
    Substrat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass der Anteil an Y2O3 ganzoder teilweise CaO ersetzt ist.Substrate according to claim 1, characterized in that the proportion of Y 2 O 3 is completely or partially replaced by CaO.
    [3]
    Substrat nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,dass die Dicke der Keramikschicht im Bereich zwischen etwa 0,2 und1,2 mm liegt.Substrate according to Claim 1 or 2, characterizedthat the thickness of the ceramic layer ranges between about 0.2 and1.2 mm.
    [4]
    Substrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurchgekennzeichnet, dass die Dicke der Metallisierung (3, 4)etwa im Bereich zwischen 0,1 und 1 mm liegt.Substrate according to one of the preceding claims, characterized in that the thickness of the metallization ( 3 . 4 ) is in the range between 0.1 and 1 mm.
    [5]
    Substrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurchgekennzeichnet, dass die Biege-Bruch-Festigkeit der Keramikschicht > 500 MPa ist.Substrate according to one of the preceding claims, characterizedcharacterized in that the bending fracture strength of the ceramic layer is> 500 MPa.
    [6]
    Substrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurchgekennzeichnet, dass die Biege-Bruch-Festigkeit des Substrates beieiner an beiden Oberflächenseitenmit wenigstens einer Metallisierung (3, 4) versehenenKeramikschicht (2) > 600 MPaist.Substrate according to one of the preceding claims, characterized in that the bending-fracture strength of the substrate in one at both surface sides with at least one metallization ( 3 . 4 ) provided ceramic layer ( 2 )> 600 MPa.
    [7]
    Substrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurchgekennzeichnet, dass die Wärmeleitfähigkeitdes Keramikmaterials der Keramikschicht (2) größer als20 W/mK ist.Substrate according to one of the preceding claims, characterized in that the thermal conductivity of the ceramic material of the ceramic layer ( 2 ) is greater than 20 W / mK.
    [8]
    Substrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurchgekennzeichnet, dass der Temperaturausdehnungskoeffizient des Materialsder Keramikschicht (2) < 7,6 × 10–6/Kist.Substrate according to one of the preceding claims, characterized in that the temperature expansion coefficient of the material of the ceramic layer ( 2 ) <7.6 × 10 -6 / K.
    [9]
    Substrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurchgekennzeichnet, dass das Ausgangssubstrat eine Fläche vongrößer 50 cm2 hat.Substrate according to one of the preceding claims, characterized in that the starting substrate has an area of greater than 50 cm 2 .
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    同族专利:
    公开号 | 公开日
    DE102004012231B4|2006-03-23|
    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    2005-09-29| OP8| Request for examination as to paragraph 44 patent law|
    2006-09-07| 8363| Opposition against the patent|
    2014-07-29| R082| Change of representative|Representative=s name: GRAF GLUECK KRITZENBERGER, DE |
    2014-09-04| R082| Change of representative|Representative=s name: MUELLER SCHUPFNER & PARTNER PATENT- UND RECHTS, DE Effective date: 20140729 Representative=s name: GLUECK - KRITZENBERGER PATENTANWAELTE PARTGMBB, DE Effective date: 20140729 Representative=s name: GRAF GLUECK KRITZENBERGER, DE Effective date: 20140729 |
    2014-09-04| R081| Change of applicant/patentee|Owner name: ROGERS GERMANY GMBH, DE Free format text: FORMER OWNER: CURAMIK ELECTRONICS GMBH, 92676 ESCHENBACH, DE Effective date: 20140729 |
    2017-05-11| R082| Change of representative|Representative=s name: MUELLER SCHUPFNER & PARTNER PATENT- UND RECHTS, DE |
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