DE102004012231A1 - Metal-ceramic substrate for electronics switches or modules comprises a ceramic layer containing aluminum oxide, zirconium oxide and yttrium oxide with a copper foil or layer formed on both sides - Google Patents

Metal-ceramic substrate for electronics switches or modules comprises a ceramic layer containing aluminum oxide, zirconium oxide and yttrium oxide with a copper foil or layer formed on both sides Download PDF

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Abstract

Metal-ceramic substrate (1) comprises a ceramic layer (2) containing 91-98 weight % Al2O3, 2-9 weight % ZrO2 and 0.04-1 weight % Y2O3 with a copper foil (3, 4) or layer formed on both sides. The adhesive strength of the metal foil is more than 40 N/cm.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Substrat gemäß Oberbegriff Patentanspruch 1.The The invention relates to a substrate according to the preamble claim 1.

Ein Metall-Keramik-Substrat dieser Art ist bekannt ( US 5 675 181 ), wobei bei diesem bekannten Substrat zur Erzielung einer hohen mechanischen Festigkeit und einer hohen Wärmeleitfähigkeit für die Keramikschicht ein Keramikmaterial verwendet ist, welches einen Anteil an Zirkondioxid (ZrO2) im Bereich zwischen 10 und 30 Gewichtsprozent und einen Anteil an Yttriumoxid (Y2O3) oder Calziumoxid (CaO) im Bereich zwischen 0,2 und 2,0 Gewichtsprozent aufweist, und zwar jeweils bezogen auf das 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.

Nachteilig sind bei diesem bekannten Substrat u.a. die hohen Produktionskosten, die reduzierte Haftfestigkeit der Metallisierung auf der Keramikschicht sowie auch Unebenheiten an den Oberflächenseiten der Keramikschicht durch einen großen Schrumpfungsfaktor beim Sintern bzw. Brennen der Keramik, und zwar jeweils bedingt durch den hohen Anteil an ZrO2. Dieses macht es schwierig, große Formate und 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.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Metall-Keramik-Substrat aufzuzeigen, die diese Nachteile vermeidet. Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Metall-Keramik-Substrat entsprechend dem Patentanspruch 1 ausgebildet.task The invention is to show a metal-ceramic substrate, the avoids these disadvantages. To the solution This object is a metal-ceramic substrate according to the Claim 1 is formed.

Der Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, dass trotz eines relativ niedrigen Anteils an ZrO2 eine hohe thermische Leitfähigkeit > 20 W/mK für das Keramikmaterial der Keramikschicht erreichbar ist und auch die mechanische Festigkeit ausreichend hoch ist, und zwar bei deutlich verbesserter Haftfestigkeit der Metallisierungen > als 40 N/cm, vielfach sogar größer als 50 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.

Die Biege-Bruch-Festigkeit der Keramik ist bei dem erfindungsgemäßen Substrat > 500 MPa. Die Biege-Bruch-Festigkeit des Substrates insgesamt liegt bei der Erfindung bei beidseitiger Metallisierung deutlich über 600 MPa.The Bend-fracture strength of the ceramic is> 500 MPa in the substrate according to the invention. The bending-fracture-strength the total substrate is in the invention in bilateral Metallization clearly over 600 MPa.

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:further developments The invention are the subject of the dependent claims. The invention is in Explained below with reference to the figures of exemplary embodiments. It demonstrate:

1 in schematischer Darstellung und in Seitenansicht ein Kupfer-Keramik-Substrat gemäß der Erfindung; 1 in schematic representation and in side view of a copper-ceramic substrate according to the invention;

2 in perspektivischer Darstellung eine Substrat-Probe zur Messung der Haftfestigkeit 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;

3 in sehr schematischer Darstellung eine Messmethode zur Bestimmung der Haftfestigkeit; 3 in a very schematic representation, a measuring method for determining the adhesive strength;

4 in einer graphischen Darstellung die mit dem Verfahren der 3 gemessene Haftfestigkeit in Abhängigkeit von 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 ;

5 in sehr schematischer Darstellung eine Vorrichtung zur Messung der Temperaturwechselfestigkeit des Substrates der 1; 5 in a very schematic representation of a device for measuring the thermal shock resistance of the substrate 1 ;

6 in einer Graphik die Temperatur-Wechselbehandlung in Abhängig von der Zeit; 6 in a graph, the temperature-change treatment as a function of time;

7 in vergrößerter Darstellung einen Schnitt durch das Substrat mit einer Rissbildung unter einer der Metallisierungen, zur Erläuterung des 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 ;

8 in einer Graphik die Temperaturwechselfestigkeit in Abhängigkeit von dem ZrO2-Gehalt der Keramik des Substrates bei einer Dicke der Keramikschicht von 0,32 und einer Dicke der Metallisierungen 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;

9 in einer Graphik die Abhängigkeit des thermischen Längenausdehnungskoeffizienten α (ppm/K) in Abhängigkeit von 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;

10 in einer Graphik die Wärmeleitfähigkeit (W/mK) in Abhängigkeit von 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;

11 in einer Graphik die Fertigungskosten der Keramikschicht in Abhängigkeit von 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.

Das in den Figuren allgemein mit 1 bezeichnete Substrat besteht aus einer Keramikschicht 2, die an ihren beiden Oberflächenseiten jeweils mit einer Metallisierung 3 bzw. 4 versehen ist, und zwar in Form einer Kupferfolie, die mit Hilfe der DCB-Technik jeweils auf die betreffende Oberflächenseite der 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.

Üblicherweise wird das Substrat 1 mit einer Vielzahl gleichartiger Substrate im Mehrfachnutzen hergestellt, und zwar unter Verwendung einer großflächigen Keramikplatte, die an beiden Oberflächenseite unter Verwendung der DCB-Technik mit einer die späteren Metallisierungen 3 und 4 bildenden Kupferfolie versehen und die dann nach dem Strukturieren der Kupferfolien durch 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.

Das Substrat 1 dient in bekannter Weise als Leiterplatte für elektrische oder elektronische Schaltungen oder Module, insbesondere für Leistungsschaltungen oder Module, wobei beispielsweise die Metallisierung 3 zur Bildung von Leiterbahnen, Kontaktflächen usw. mit den üblichen Techniken, beispielsweise mit Hilfe einer Maskierungs- und Ätztechnik entsprechend strukturiert ist. Die Dicke der Keramikschicht 2 liegt bei bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung im Bereich zwischen 0,2–1,2 mm. Die Dicke der die Metallisierungen 3 und 4 bildenden Kupferschicht 2 oder -folien liegt bei bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung im 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.

Die Keramik der Keramikschicht 2 ist eine Aluminiumoxid-Keramik (Al2O3) mit einem ZrO2-Anteil und mit einem Y2O3-Anteil und/oder CaO-Anteil. Um verschiedene, sich teilweise widersprechende Parameter für die Keramikschicht 2 in optimaler Weise zu erreichen, nämlich eine möglichst hohe Haftfestigkeit der Metallisierungen 3 und 4 auf der Keramikschicht 2, eine hohe Biege-Bruch-Festigkeit der Keramikschicht 2 sowie auch des Substrates 1 insgesamt, eine möglichst hohe Temperaturwechselfestigkeit des Substrates 1, einen möglichst geringen Temperaturausdehnungskoeffizienten für die Keramik und dennoch eine möglichst hohe Wärmeleitfähigkeit für die Keramik, weist das Keramikmaterial folgende Zusammensetzung auf:
ZrO2 maximal 9 Gewichtsprozent, bevorzugt im Bereich 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,
und zwar jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht des Keramikmaterials der 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 ,

Hierbei ist es auch möglich, dass der Anteil an Y2O3 ganz oder teilweise durch CaO ersetzt ist. Mit dieser Zusammensetzung des Materials der Keramikschicht 2 werden sämtliche oben genannte Eigenschaften und Anforderungen an die Keramikschicht 2 in optimaler Weise erreicht, d.h. insbesondere trotz des geringen Anteils an ZrO2 eine ausreichend hohe Leitfähigkeit der Keramik, die (Wärmeleitfähigkeit) die erforderliche Kühlung eines beispielsweise auf der Metallisierung 3 angeordneten Leistungs-Bauelementes über eine mit der Metallisierung 4 verbundene Wärmesenke (z. B. aktiver oder passiver Kühler) ermöglicht, eine ausreichend hohe Festigkeit, insbesondere Biegefestigkeit der Keramikschicht 2 sowie des Substrates 1 insgesamt, eine hohe Temperaturwechselfestigkeit sowie hohe Haftfestigkeit für die Metallisierungen 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 ,

Messungen haben ergeben, dass die Haftfestigkeit (Peelfestigkeit) der mit dem DCB-Verfahren (Direct Copper Bonding – US-PS 37 44 120 oder DE-PS 23 19 854) auf die Keramikschicht 2 aufgebrachten Metallisierungen 3 und 4 bzw. der diese Metallisierungen bildenden Kupferfolien größer als 40 N/cm ist. Eine hohe Haftfestigkeit trägt wesentlich dazu bei, den Temperaturausdehnungskoeffzienten des Kupfers der Metallisierungen 3 und 4 in der Fläche parallel zur Keramikschicht 2 zu reduzieren und diesen trotz einer dicken Kupferschicht, sodass trotz einer großen Dicke der Metallisierungen deren Temperaturausdehnungskoeffizient an denjenigen von Halbleitermaterial (Silizium) angepaßt ist, wodurch die Zuverlässigkeit von auf eine Metallisierung aufgelöteten Halbleiter-Bauelementen (Silizium-Bauelementen) erhöht wird.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.

Die Haftfestigkeit der Metallisierungen 3 bzw. 4 an der Keramikschicht 2 lässt sich durch ein standardisiertes Verfahren bestimmen. Hierfür wird entsprechend der 2 ein Probesubstrat 1a hergestellt, welches aus einer rechteckförmigen Keramikschicht 2a aus einem Keramikmaterial mit der für die Keramikschicht 2 angegebenen Zusammensetzung sowie aus einer auf eine Oberflächenseite der Keramikschicht 2a mit Hilfe des DCB-Verfahrens aufgebrachten, wiederum von einer Kupferfolie gebildeten Metallisierung 3a besteht, die an einer Schmalseite der Keramikschicht 2a zu einem verbreiterten Kopfstück 3a.1 ausgebildet ist. Entlang des Kopfstückes 3a.1 ist die Keramikschicht 2a in Querrichtung, d. h. senkrecht zu den Längsseiten dieser Keramikschicht beispielsweise durch Lasern mit einer Sollbruchlinie 5 versehen. Für die Messung der Haftfestigkeit wird die Keramikschicht 2a entlang der Sollbruchlinie 5 gebrochen und dann der das Kopfstück 3a.1 aufweisende Teil der Keramikschicht 2a nach oben gebogen. Der übrige Teil der Keramikschicht 2a wird flächig auf eine Unterlage 6 gelegt und dort fixiert, und zwar derart, dass der streifenförmige Abschnitt 3a.2 der Metallisierung 3a oben liegt. Bei eingespanntem Kopfstück 3a.1 wird eine Abziehkraft F senkrecht nach oben auf die Metallisierung 3a ausgeübt. Die Haftfestigkeit H ergibt sich dann als Quotient der für das Ablösen bzw. Abziehen der Metallschicht 3a von der Keramikschicht 2 erforderlichen vertikalen Kraft F und der Breite b des streifenförmigen Abschnittes 3a.2, d.h. H = F/b. Die 4 zeigt den grundsätzlichen Verlauf der Haftfestigkeit H in Abhängigkeit von der Abziehgeschwindigkeit V, d. h. die Abziehkraft F und damit auch die Haftfestigkeit H steigen mit Zunahme der Geschwindigkeit V, mit der das Abziehen der Metallisierung 3a bzw. das nach oben Bewegen des Kopfabschnittes 3a.1 erfolgen, zunächst an und erreichen schließlich einen konstanten Grenzwert. Einer standardisierten Messmethode entsprechend wird die Abziehgeschwindigkeit V auf 5 mm/min eingestellt. Hierbei ergeben sich dann für das Keramikmaterial des Probesubstrats 1a und damit auch für das Keramikmaterial 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.

Von Bedeutung für die Qualität des Substrates 1 ist weiterhin die Temperaturwechselfestigkeit, da insbesondere auch bei Verwendung des Substrates für elektronische Schaltungen oder Module, die beispielsweise auch außerhalb von klimatisierten Räumen benutzt und getaktet betätigt werden, z. B. in Steuerungen von Straßen- oder Schienenfahrzeugen, in der Satelitentechnik usw. beim Aktivieren und Deaktivieren des entsprechenden Leistungsbauteils der Schaltung oder des Moduls usw. hohe Temperaturschwankungen auftreten. Diese haben zur Folge, dass durch den im Vergleich zur Keramik größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Metallisierungen 3 und 4 Spannungen in der Keramikschicht auftreten. Durch eine entsprechend hohe Temperaturwechselfestigkeit ist sichergestellt, dass auch bei einer Vielzahl von extremen Temperaturwechseln eine Rissbildung in der Keramikschicht 2, wie dies in der 7 mit der Linie 7 unterhalb der Metallisierung 3 angedeutet ist, und damit ein Ablösen der Metallisierung 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.

Die Messung der Temperaturwechselfestigkeit erfolgt unter extremen Bedingungen, die in dieser Form in der Praxis zwar nicht auftreten, dennoch aber ein zuverlässiges und aussagekrätiges Messergebnis liefern. Für die Messung der Temperaturwechselfestigkeit wird eine Einrichtung verwendet, die in der 5 sehr schematisch dargestellt ist. Diese Einrichtung besteht im wesentlichen aus zwei in einem Gehäuse gebildeten Kammern 8 und 9, von denen die obere Kammer 8 beheizt und die untere Kammer 9 gekühlt ist. Das Substrat 1 wird dann über einen nicht dargestellten Transporteur, der beispielsweise in Form eines kleinen Liftes ausgebildet ist, wechselweise in die Kammer 8 und aus dieser in die Kammer 9 und zurück in die Kammer 8 usw. eingebracht, wie dies in der 5 mit den 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.

In jeder Kammer 8 und 9 verbleibt das Substrat 1 dann etwa 15 Minuten. Die Zeit für die Übergabe des Substrates 1 aus der einen Kammer in die andere Kammer ist extrem kurz und liegt beispielsweise in der Größenordnung < 10 Sekunden. Die Kammer 8 ist derart beheizt, dass das Substrat 1 dort auf eine Temperatur von etwa +150°C erhitzt wird. Die Kammer 9 ist derart gekühlt, dass das Substrat 1 dort auf eine Temperatur von etwa –55°C abgekühlt wird. Während jedes Wechsels von einer Kammer in die andere Kammer oder aber periodisch nach einer gewissen Anzahl von derartigen Wechseln wird festgestellt, ob eine Rissbildung in der Keramikschicht 2 eingetreten ist. Eine Rissbildung gilt dann als eingetreten, wenn sich durch die Temperaturwechselbehandlung ein Teilriss ergeben hat, der in der 7 mit 7.1 bezeichnet ist und am Rand der Metallisierung 3 von der Oberflächenseite der Keramikschicht 2 schräg in diese verläuft, und zwar bevor der in der 7 mit 7.2 bezeichnete, parallel zu den Oberflächenseiten der Keramikschicht 2 und unterhalb der Metallisierung 3 verlaufende Riss 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.

Für die Ermittlung, ob eine Rissbildung bereits eingetreten ist oder nicht, eignet sich die sogenannte Grindo-Sonic-Methode, die üblicherweise zur Bestimmung des E-Moduls verwendet wird. Bei dieser Methode wird jeweils die Eigenfrequenz des Substrates 1 durch Anschlagen gemessen. Weicht die gemessene Frequenz etwa 2 von der Eigenfrequenz ab, die das Substrat 1 im ursprünglichen Zustand aufwies, so wird dies als Kriterium für eine eingetretene Rissbildung (schräg zur Oberfläche verlaufender Teilriss 7.1) gewertet. Die Anzahl der bis dahin erfolgten Zyklen der Temperaturwechselbehandlung des Substrates 1 werden gezählt und 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.

Die 6 zeigt in einem Temperatur-Zeitdiagramm die auf das Substrat 1 beim Messen der Temperaturwechselfestigkeit auf das Substrat 1 einwirkenden Temperaturwechsel zwischen +150°C und –55°C. In der 8 ist der typische Verlauf der Temperaturwechselfestigkeit in Abhängigkeit von der ZrO2-Konzentration angegeben, und zwar bei einer Dicke der Keramikschicht 2 im Bereich von 0,32 mm und einer Dicke der die Metallisierungen 3 und 4 im Bereich von 0,3 mm. Die 8 zeigt, dass die Temperaturwechselfestigkeit zwar mit zunehmendem Anteil an ZrO2 ansteigt, in dem für das Material der Keramikschicht 2 gewählten Anteil zwischen 2–9 Gewichtsprozent aber eine ausreichend hohe Temperaturwechselfestigkeit erreicht ist, insbesondere auch eine wesentliche Verbesserung gegenüber einer Keramik 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 .

Von besonderer Bedeutung für die Qualität des Substrates 1 ist weiterhin auch der thermische Längenausdehnungskoeffizient α des die Keramikschicht 2 bildenden Keramikmaterials. Angestrebt ist ein möglichst kleiner Wert für diesen Wärmeausdehnungskoeffizienten, da die Keramikschicht 2 auch dazu dient, bei Temperaturänderungen des Substrates 1 den relativ hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Kupfers der Metallisierungen 3 und 4 zu „bremsen", d. h. zu reduzieren und damit an den thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Halbleitermaterial anzunähern, um so durch Temperaturänderungen bedingt Spannungen im Halbleitermaterial eines Halbleiterbauelementes zu vermeiden, welches auf der Metallisierung 3 oder aber auf einem von dieser Metallisierung durch Strukturieren gebildeten Bereich 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.

Die 9 zeigt die Abhängigkeit des thermischen Längenausdehnungskoeffizienten α (angegeben in ppm/K) des Keramikmaterials der Keramikschicht 2 in Abhängigkeit von dem Anteil an ZrO2. Die 9 zeigt auch, dass bei der für das Material der Keramikschicht 2 gewählten Zusammensetzung, bei der der Anteil an ZrO2 im Bereich zwischen 2 und 9 Gewichtsprozent liegt, der thermische Längenausdehnungskoeffizient nur geringfügig über dem entsprechenden Wert der Keramik ohne Zusatz an ZrO2 liegt. Der Temperaturausdehnungskoeffizient der Keramikschicht 2 bzw. des für diese 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.

Von ganz entscheidender Bedeutung ist aber die Wärmeleitfähigkeit der Keramikschicht 2 bzw. des diese Schicht bildenden Keramikmaterials, da diese Wärmeleitfähigkeit die Möglichkeit einer wirksamen Kühlung eines Leistungsbauelmentes unmittelbar berührt. Mit der speziellen Zusammensetzung des Keramikmaterials ist es gelungen, eine hohe Wärmeleitfähigkeit zu erreichen, die bei dem Anteil an ZrO2 zwischen 0,1 und 9 im Bereich von etwa 28,5 und 25 W/mK liegt. Die Wärmeleitfähigkeit der Keramikschicht 2 bzw. des für diese Schicht verwendeten Keramikmaterials 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.

Von entscheidender Bedeutung ist insbesondere auch bei den geringen Dicken der Keramikschicht 2 in der Größenordnung von 0,2 bis 1,2 mm eine ausreichend hohe Biege-Bruch-Festigkeit der Keramikschicht 2 sowie auch des Substrates 1 insgesamt, um ein Brechen der Keramikschicht 2 und des Substrates 1 während der Herstellung und/oder Weiterverarbeitung sowie auch im späteren Einsatz zu verhindern. Mit der oben angegebenen Zusammensetzung des für die Keramikschicht 2 verwendeten Keramikmaterials wird für die 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.

Die 11 zeigt noch die Abhängigkeit der Herstellungskosten der Keramikschicht 2 von der ZrO2-Konzentration wiederum in Gewichtsprozent bezogen auf das Gesamtgewicht der Keramikschicht 2, und zwar bei einer Größe des Substrates 1 von 5'' × 7'' und einer Dicke der Keramikschicht 2 von 0,32 mm. Die in der 11 angegebenen Kosten sind auf die Kosten eines Substrates mit einer Keramikschicht normiert, die keinen Anteil an ZrO2 aufweist. Wie die 11 zeigt, liegen die Herstellungskosten bei dem erfindungsgemäßen Anteil an ZrO2 im Bereich zwischen 2 und 9 Gewichtsprozent nur geringfügig über den Kosten eines Metall-Keramik-Substrates ohne ZrO2. Bei einer höheren Konzentration an ZrO2 steigen die Kosten deutlich an. Dies ist darauf zurückzuführen, dass sich bei höheren Konzentrationen zunehmend Probleme beim Sintern bzw. Brennen der Keramik ergeben, und zwar u. a. durch Schrumpfen der Rohkeramik, wobei dieses Schrumpfen mit zunehmendem Anteil an ZrO2 überproportional zunimmt. Dies bedeutet u.a., dass zur Erzielung einer bestimmten Größe einer gebrannten Keramikplatte, wie sie beispielsweise zur Herstellung der 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 Handling erschwert und beispielsweise auch die Bruchgefahr und damit den Anteil an Ausschuss bereits beim Brennen erhöht. Weiterhin ergeben sich durch das durch den ZrO2-Anteil bedingte Schrumpfen Unregelmäßigkeiten an den Oberflächenseiten der Keramikschicht. Weiterhin ist das Brennen der Rohkeramik im Stapel bei einem höheren Anteil an ZrO2 wegen des Schrumpfens nicht möglich. Dies führt zu einem überproportionalen Anstieg 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%.

Die Erfindung wurde voranstehend an einem Ausführungsbeispiel beschrieben. Es versteht sich, dass Abwandlungen möglich sind, ohne das dadurch der der Erfindung zugrunde liegende Erfindungsgedanke verlassen wird.The The invention has been described above with reference to an exemplary embodiment. It is understood that modifications are possible without this The invention underlying the invention is abandoned.

11
Kupfer-Keramik-SubstratCopper-ceramic substrate
1a1a
Mess- oder Prüfsubstratmeasurement or test substrate
2, 2a2, 2a
Keramikschichtceramic layer
3, 3a3, 3a
Metallisierungmetallization
3a.13a.1
verbreiteter Abschnitt der Metallisierung 3a common section of the metallization 3a
3a.23a.2
streifenförmiger Abschnitt der Metallisierung 3a strip-shaped section of the metallization 3a
44
Metallisierungmetallization
55
SollbruchlinieLine of weakness
66
Unterlagedocument
77
Bruchliniebreakline
7.1, 7.27.1 7.2
Teilbruchpartial break
8, 98th, 9
Behandlungsraumtreatment room

Claims (9)

Metall-Keramik-Substrat bestehend aus einer Keramikschicht (2), die an wenigstens einer Oberflächenseite mit mindestens einer Metallisierung (3, 4) in Form einer unter Verwendung der DCB-Technik aufgebrachten Folie oder Schicht aus Kupfer oder einer Kupferlegierung gebildet ist, wobei das die Keramikschicht (2) bildende Keramikmaterial Al2O3, ZrO2 und Y2O3 enthält, dadurch gekennzeichnet, dass bezogen auf das Gesamtgewicht der Keramikschicht der Anteil an Al2O3 im Bereich zwischen 91 und 98 Gewichtsprozent, der Anteil an ZrO2 im Bereich zwischen 2 und 9 Gewichtsprozent und der Anteil an Y2O3 im Bereich zwischen 0,04 und 1 Gewichtsprozent liegt, und dass die Haftfestigkeit 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. Substrat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil an Y2O3 ganz oder 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. Substrat nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Keramikschicht im Bereich zwischen etwa 0,2 und 1,2 mm liegt.Substrate according to Claim 1 or 2, characterized that the thickness of the ceramic layer ranges between about 0.2 and 1.2 mm. Substrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, 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. Substrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Biege-Bruch-Festigkeit der Keramikschicht > 500 MPa ist.Substrate according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the bending fracture strength of the ceramic layer is> 500 MPa. Substrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Biege-Bruch-Festigkeit des Substrates bei einer an beiden Oberflächenseiten mit wenigstens einer Metallisierung (3, 4) versehenen Keramikschicht (2) > 600 MPa ist.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. Substrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitfähigkeit des Keramikmaterials der Keramikschicht (2) größer als 20 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. Substrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperaturausdehnungskoeffizient des Materials der Keramikschicht (2) < 7,6 × 10–6/K ist.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. Substrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangssubstrat eine Fläche von größer 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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