DE102016203097B3 - Copper-ceramic composite and module - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kupfer-Keramik-Verbund, umfassend – ein Keramiksubstrat, das Aluminiumoxid enthält, – eine auf dem Keramiksubstrat vorliegende Beschichtung aus Kupfer oder einer Kupferlegierung, wobei die Korngrößen des Aluminiumoxids und des Kupfers oder der Kupferlegierung folgenden Bedingungen (i) und (ii) genügen: (i) dmin(Al2O3)/dmax(Cu) ≥ 1 × 10–5 und (ii) 2,5 ≥ dmax(Al2O3)/dmin(Cu).The present invention relates to a copper-ceramic composite comprising - a ceramic substrate containing alumina, - a coating of copper or a copper alloy present on the ceramic substrate, wherein the grain sizes of the aluminum oxide and the copper or the copper alloy have the following conditions (i) and (ii) satisfy: (i) dmin (Al2O3) / dmax (Cu) ≥1 × 10-5 and (ii) 2.5 ≥ dmax (Al2O3) / dmin (Cu).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kupfer-Keramik-Verbund sowie ein diesen Verbund enthaltendes Modul, das in Leistungselektronikbauteilen verwendet werden kann.The present invention relates to a copper-ceramic composite and a module containing this composite, which can be used in power electronics components.

Keramikschaltungsträger sind aufgrund ihrer hohen Wärmeleitfähigkeit, hohen Formstabilität bzw. mechanischen Festigkeit sowie ihrer hohen Isolationsfestigkeit insbesondere im Bereich der Hochleistungselektronik von Interesse.Ceramic circuit carriers are due to their high thermal conductivity, high dimensional stability or mechanical strength and their high insulation resistance, especially in the field of high-performance electronics of interest.

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.For the metallization of a ceramic substrate are various methods such. Direct-Copper-Bonding (commonly referred to as DCB-method) or Active-Metal-Brazing (commonly referred to as AMB-method) are available.

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.The composite material obtained after metallization of the ceramic substrate is also referred to as metal-ceramic substrate or metal-ceramic composite. For example, if made by a DCB process, the term "DCB substrate" is often used.

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.In the DCB process, oxygen is used to reduce the melting point of the copper from 1083 ° C to the eutectic melting temperature of 1065 ° C. The oxidation of copper foils before the metallization of the ceramic substrate or by supplying oxygen during the high-temperature process (for example, at a temperature between 1065 ° C and 1080 ° C) creates a thin eutectic melt layer. This reacts with the surface of the ceramic substrate, so that ceramic and metal can be firmly bonded together.

DCB-Verfahren werden beispielsweise in US 3 744 120 A oder DE 23 19 854 A1 beschriebenen.DCB methods are used, for example, in US Pat. No. 3,744,120 or DE 23 19 854 A1 described.

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.The metallization may, for example, occur only on one side of the ceramic substrate ("single-layer bonding" SLB) or alternatively also on both sides of the ceramic substrate simultaneously ("double-layer bonding" DLB). In addition, it is possible first to metallize a first side of the substrate by a first SLB step and then to metallize the opposite substrate side in a further SLB step.

Bekannt ist auch, die aufgebrachte Metallbeschichtung für die Ausbildung von Leiterbahnen zu strukturieren, beispielsweise über Ätzverfahren.It is also known to structure the applied metal coating for the formation of interconnects, for example via etching.

Prinzipiell ist erwünscht, dass die Metallbeschichtung möglichst fest auf der Oberfläche des Keramiksubstrats anhaftet, d. h. eine möglichst starke Adhäsion des Metalls auf der Keramikoberfläche vorliegt.In principle, it is desirable that the metal coating adheres as firmly as possible to the surface of the ceramic substrate, d. H. As strong as possible adhesion of the metal on the ceramic surface is present.

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.In many applications of power electronics, the metal-ceramic composite is subject to high thermal cycling, where significant temperature changes (eg in the range between -40 ° C and + 150 ° C) can occur.

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 C1 und DE4318241 A1 beschreiben Metallbeschichtungen auf Keramiksubstraten, die an ihren Kanten Randabschwächungen in Form von Vertiefungen oder Löchern aufweisen.Due to the different coefficients of thermal expansion of the ceramic substrate and the metal coating arise at the transition between these layers in temperature fluctuations significant mechanical stresses that can ultimately lead to an at least partial detachment of the metal from the ceramic surface. It is known that by a specific structuring of the metal layer on the macroscopic level in its edge region reduces tensile and compressive stresses and thus the thermal shock resistance can be improved. DE 40 04 844 C1 and DE4318241 A1 describe metal coatings on ceramic substrates which have edges at their edges in the form of depressions or holes.

Prinzipiell ist also wünschenswert, dass die Metallbeschichtung eine möglichst feste Bindung an die Keramikoberfläche aufweist und diese Bindung auch unter häufigen Temperaturwechselbelastungen ausreichend fest bleibt, um eine Ablösung des Metalls zu verhindern. In der Praxis hat es sich aber als schwierig herausgestellt, beide Eigenschaften gleichzeitig zu optimieren. Nicht hilfreich ist beispielsweise eine weitere Verbesserung der anfänglichen Haftfestigkeit der Metallbeschichtung auf der Keramik, wenn diese Haftfestigkeit im anschließenden Betrieb unter Temperaturwechselbelastungen dann wieder eine rasche Abnahme zeigt.In principle, it is therefore desirable for the metal coating to have the strongest possible bond to the ceramic surface and for this bond to remain sufficiently strong even under frequent thermal cycling, in order to prevent detachment of the metal. In practice, however, it has proven difficult to optimize both properties at the same time. For example, a further improvement in the initial adhesive strength of the metal coating on the ceramic is not helpful if this adhesive strength then shows a rapid decrease in the subsequent operation under thermal cycling.

Weitere relevante Eigenschaften eines Kupfer-Keramik-Verbunds für Anwendungen in der Elektronik sind außerdem dessen Temperaturwechselbeständigkeit, 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.Further relevant properties of a copper-ceramic composite for applications in electronics are its thermal shock resistance, thermal conductivity and mechanical strength ( in particular the thermal conductivity and mechanical strength of the ceramic substrate), a good bonding behavior of the copper coating with respect to bonding wires and a bond of the metal coating to the ceramic surface which is as strong as possible, and this bond should remain sufficiently strong even under prolonged thermal cycling.

In der DE 10 2012 110 322 A1 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 A1 trägt diese Kornstruktur zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit bei.In the DE 10 2012 110 322 A1 the ceramic substrate of the metal-ceramic composite is defined in more detail with respect to its grain structure (ie its structure at the microscopic level). The ceramic substrate contains a zirconia-reinforced alumina, the average grain size of the alumina being in the range of 2-8 μm, and the ratio of the grain boundary lengths of the Al 2 O 3 grains to the total grain boundary length being> 0.6. According to the information of DE 10 2012 110 322 A1 contributes this grain structure to improve the thermal conductivity.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt in der Bereitstellung eines Kupfer-Keramik-Verbunds mit verbessertem Eigenschaftsprofil, insbesondere einer möglichst guten Haftfestigkeit des Kupfers auf einem Keramiksubstrat, wobei diese Haftfestigkeit auch unter häufigen Temperaturwechselbelastungen ausreichend fest bleiben sollte.An object of the present invention is to provide a copper-ceramic composite having an improved property profile, in particular the best possible adhesion of the copper on a ceramic substrate, said adhesive strength should remain sufficiently strong even under frequent thermal cycling.

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,
wobei das Aluminiumoxid Korngrößen im Bereich von dmin(Al2O3) bis dmax(Al2O3) aufweist, das Kupfer oder die Kupferlegierung Korngrößen im Bereich von dmin(Cu) bis dmax(Cu) aufweist,
und die Verhältnisse von dmin(Al2O3) zu dmax(Cu) und von dmin(Al2O3) zu dmin(Cu) folgenden Bedingungen (i) und (ii) genügen:
  • (i) dmin(Al2O3)/dmax(Cu) ≥ 1 × 10–5 und
  • (ii) 2,5 ≥ dmax(Al2O3)/dmin(Cu).
The problem is solved by a copper-ceramic composite, comprising
  • A ceramic substrate containing alumina,
  • A coating of copper or a copper alloy present on the ceramic substrate,
wherein the alumina has particle sizes in the range of d min (Al 2 O 3 ) to d max (Al 2 O 3 ), the copper or the copper alloy has grain sizes in the range of d min (Cu) to d max (Cu),
and the ratios of d min (Al 2 O 3 ) to d max (Cu) and from d min (Al 2 O 3 ) to d min (Cu) satisfy the following conditions (i) and (ii):
  • (i) d min (Al 2 O 3 ) / d max (Cu) ≥ 1 × 10 -5 and
  • (ii) 2.5 ≥ d max (Al 2 O 3 ) / d min (Cu).

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.Both the copper plating and the ceramic substrate of a copper-ceramic composite are generally a polycrystalline material consisting of small crystallites (also referred to as grains). On the microscopic level, polycrystalline materials can be characterized in more detail on the basis of their grain structure (eg particle size distributions, shape of the grains, texture, etc.).

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde überraschend festgestellt, dass eine hohe Haftfestigkeit des Kupfers auf dem Keramiksubstrat realisiert werden kann und diese Haftfestigkeit auch unter häufigen Temperaturwechselbelastungen ausreichend hoch bleibt, wenn die Korngrößenverteilung des Kupfers oder der Kupferlegierung und die Korngrößenverteilung des Aluminiumoxids im Keramiksubstrat wie oben definiert aufeinander abgestimmt sind. Es handelt sich bei dmin(Al2O3) und dmax(Al2O3) um die minimale und maximale Korngröße des Aluminiumoxids und bei dmin(Cu) und dmax(Cu) um die minimale und maximale Korngröße des Kupfers.In the present invention, it has surprisingly been found that a high adhesive strength of the copper on the ceramic substrate can be realized and this adhesive strength remains sufficiently high even under frequent thermal cycling, when the grain size distribution of the copper or copper alloy and the grain size distribution of the alumina in the ceramic substrate as defined above are coordinated. D min (Al 2 O 3 ) and d max (Al 2 O 3 ) are the minimum and maximum grain size of the alumina and d min (Cu) and d max (Cu) are the minimum and maximum grain size of the copper ,

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 DE 10 2004 012 231 B4 ist dem Fachmann ein beispielhaftes Messverfahren bekannt (2 und 3 der DE 10 2004 012 231 B4 ).According to the invention, an improved copper adhesion strength is understood as meaning an adhesion strength of the copper to the copper-ceramic composite, so that the force with which the bonded copper foil can be detached from the ceramic surface of a copper-ceramic composite is increased. From the DE 10 2004 012 231 B4 the person skilled in an exemplary measuring method is known ( 2 and 3 of the DE 10 2004 012 231 B4 ).

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.According to the invention is understood by a thermal shock resistance, the resistance or resistance of the copper layer against delamination of the ceramic of a copper-ceramic substrate, wherein the resistance in consequence of at least one temperature change of the copper layer is determined relative to the ceramic. Improved thermal shock resistance means that the number of resistive temperature changes increases.

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.According to the invention, an improved wire bonding means that the force with which the bonding wire can be detached from the copper surface of a copper-ceramic composite is increased.

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 × 40 × 0,38 mm3 oder 20 × 40 × 0,63 mm3 aufweisen.According to the invention, an improved bending strength of the ceramic is understood to mean that in the case of a three-point bend, the force leading to breakage is increased. A person skilled in the art, for example, for determination of the bending strength of the ceramic is DIN EN 843-1 (2008). Preferably, the dodges Sample geometry compared to DIN EN 843-1 (2008) to the effect that the samples have a dimension of 20 × 40 × 0.38 mm 3 or 20 × 40 × 0.63 mm 3 .

Bevorzugt genügen die Verhältnisse von dmin(Al2O3) zu dmax(Cu) und von dmax(Al2O3) zu dmin(Cu) folgenden Bedingungen (i) und (ii):

  • (i) dmin(Al2O3)/dmax(Cu) ≥ 1 × 10–5 und
  • (ii) 1,5 ≥ dmax(Al2O3)/dmin(Cu).
und noch bevorzugter folgenden Bedingungen (i) und (ii):
  • (i) dmin(Al2O3)/dmax(Cu) ≥ 0,002 und
  • (ii) 1,0 ≥ dmax(Al2O3)/dmin(Cu).
The ratios of d min (Al 2 O 3 ) to d max (Cu) and of d max (Al 2 O 3 ) to d min (Cu) preferably satisfy the following conditions (i) and (ii):
  • (i) d min (Al 2 O 3 ) / d max (Cu) ≥ 1 × 10 -5 and
  • (ii) 1.5 ≥ d max (Al 2 O 3 ) / d min (Cu).
and more preferably the following conditions (i) and (ii):
  • (i) d min (Al 2 O 3 ) / d max (Cu) ≥0.002 and
  • (ii) 1.0 ≥ d max (Al 2 O 3 ) / d min (Cu).

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind

  • (i) 0,005 ≥ dmin(Al2O3)/dmax(Cu) ≥ 0,002 und
  • (ii) 1,0 ≥ dmax(Al2O3)/dmin(Cu) ≥ 0,05.
In a particularly preferred embodiment
  • (i) 0.005 ≥ d min (Al 2 O 3 ) / d max (Cu) ≥ 0.002 and
  • (ii) 1.0 ≥ d max (Al 2 O 3 ) / d min (Cu) ≥ 0.05.

Bevorzugt weist das Kupfer oder die Kupferlegierung Korngrößen im Bereich von 10 μm bis 300 μm auf, d. h. dmin(Cu) ≥ 10 μm und dmax(Cu) ≤ 300 μm. Bevorzugter sind dmin(Cu) ≥ 15 μm und dmax(Cu) ≤ 250 μm, noch bevorzugter dmin(Cu) ≥ 20 μm und dmax(Cu) ≤ 210 μμm. Für das Aluminiumoxid des Keramiksubstrats sind bevorzugt 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, unter der Maßgabe, dass die oben genannten Bedingungen hinsichtlich dmin(Al2O3)/dmax(Cu) und dmax(Al2O3)/dmin(Cu) erfüllt werden.The copper or copper alloy preferably has particle sizes in the range from 10 μm to 300 μm, ie d min (Cu) ≥ 10 μm and d max (Cu) ≤ 300 μm. More preferable are d min (Cu) ≥ 15 μm and d max (Cu) ≦ 250 μm, more preferably d min (Cu) ≥ 20 μm and d max (Cu) ≦ 210 μm. For the alumina of the ceramic substrate are preferably d min (Al 2 O 3 ) ≥ 0.01 microns and d max (Al 2 O 3 ) ≤ 25 microns, more preferably d min (Al 2 O 3 ) ≥ 0.3 microns and d max (Al 2 O 3 ) ≤ 23 μm, more preferably d min (Al 2 O 3 ) ≥ 0.5 μm and d max (Al 2 O 3 ) ≤ 20 μm, with the proviso that the above-mentioned conditions with respect to d min (Al 2 O 3 ) / d max (Cu) and d max (Al 2 O 3 ) / d min (Cu) are satisfied.

Im Rahmen der Erfindung konnte ferner festgestellt werden, dass durch Auswahl weiterer Produktparameter Produkteigenschaften verbessert werden konnten.In the context of the invention it was also found that product properties could be improved by selecting further product parameters.

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.As is well known to those skilled in the art, the determination of the grain size distribution may be made by reference to the number of grains (i.e., number distribution) or alternatively by reference to mass (i.e., mass distribution) or the volume of the grains. In the context of the present invention, the distribution of the grain sizes is determined on the basis of the number of grains.

Bevorzugt 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. Das Kupfers oder die Kupferlegierung weist bevorzugt 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.Preferably, the alumina of the ceramic substrate has a number distribution of grain sizes in which at most 5% of the grains have a grain size of less than 0.1 μm, more preferably less than 0.3 μm, even more preferably less than 0.5 μm; and / or in which at least 95% of the grains have a particle size of less than 15 μm, more preferably less than 10 μm, even more preferably less than 7 μm. The copper or copper alloy preferably has a number distribution of grain sizes in which at most 5% of the grains have a grain size of less than 15 μm, preferably less than 20 μm, more preferably less than 25 μm; and / or in which at least 95% of the grains have a particle size of less than 250 μm, preferably less than 230 μm, more preferably less than 200 μm.

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.As is well known, characteristic values of a grain size distribution include its d 50 value. d 5 value and d 95 value. For the d 50 value, which is often referred to as the median value, 50% of the grains have a diameter smaller than the d 50 value. Similarly, for the d 5 value, 5% of the grains have a diameter smaller than this d 5 value, and for the d 95 value, 95% of the grains have a diameter smaller than this d 95 value. The arithmetic mean d arith of a grain size distribution results from the sum of the grain sizes of the individual grains divided by the number of grains.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde überraschend festgestellt, dass eine weitere Optimierung der Adhäsion und Temperaturwechselbeständigkeit in dem Kupfer-Keramik-Verbund erzielt werden kann, wenn der d50-Wert der Korngrößenverteilung des Al2O3 (d. h. d50(Al2O3)) und d50-Werte der Korngrößenverteilung des Kupfers oder der Kupferlegierung (d. h. d50(Cu)) in bestimmter Weise aufeinander abgestimmt sind. 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.In the context of the present invention, it has surprisingly been found that a further optimization of the adhesion and thermal shock resistance in the copper-ceramic composite can be achieved if the d 50 value of the grain size distribution of Al 2 O 3 (ie d 50 (Al 2 O 3 )) and d 50 values of the grain size distribution of the copper or copper alloy (ie, d 50 (Cu)) are tuned to each other in a certain way. In a preferred embodiment, the ratio of d 50 (Al 2 O 3 ) to d 50 (Cu) is in the range of 0.008 to 0.055, more preferably in the range of 0.010 to 0.045.

Ein bevorzugter d50-Wert der Korngrößen-Anzahlverteilung des Aluminiumoxids liegt beispielsweise im Bereich von 1,0 μm bis 3,0 μm; und ein bevorzugter d50-Wert der Korngrößen-Anzahlverteilung des Kupfers oder der Kupferlegierung liegt beispielsweise im Bereich von 55 μm bis 115 μm; unter der Maßgabe, dass das oben beschriebene Verhältnis d50(Al2O3)/d50(Cu) erfüllt wird.A preferred d 50 value of the particle size distribution of the alumina is, for example, in the range of 1.0 μm to 3.0 μm; and a preferred d 50 value of the grain size-number distribution of the copper or copper alloy is, for example, in the range of 55 μm to 115 μm; provided that the above-described ratio d 50 (Al 2 O 3 ) / d 50 (Cu) is satisfied.

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 über längere Zeiträume 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 Untergrenze, die nicht unterschritten wird, und die Obergrenze, die nicht überschritten wird, der Korngrößenverteilung des Kupfers oder der Kupferlegierung. 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. Preferably, the grain sizes of the copper or copper alloy are in the range of 10 μm to 300 μm, more preferably in the range of 15 μm to 250 μm, still more preferably in the range of 20 μm to 210 μm. In this grain size range, the copper or the copper alloy still shows a good adhesion to a ceramic substrate, even if the copper-ceramic composite is exposed to thermal cycling for long periods of time. At the same time, the copper or copper alloy with these grain sizes enables efficient wire bonding. A metal coating shows a good wire bonding when the strongest possible connection to a bonding wire is formed, thereby minimizing the risk of unwanted detachment of the bonding wire. In the context of the present invention, these values are not to be regarded as strict upper and lower limits for the particle size distribution, but may vary by +/- 10%. In a preferred embodiment, however, it is the lower limit, which is not exceeded, and the upper limit, which is not exceeded, the grain size distribution of the copper or copper alloy. In this preferred embodiment, therefore, the copper or copper alloy does not have grains that are outside the above ranges. It is thus preferable that d min (Cu) ≥ 10 μm and d max (Cu) ≤ 300 μm, more preferably d min (Cu) ≥ 15 μm and d max (Cu) ≤ 250 μm, more preferably d min (Cu) ≥ 20 μm and d max (Cu) ≤ 210 μm, where d min (Cu) and d max (Cu) are the minimum and maximum grain sizes of the copper, respectively.

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.By using a copper starting film with a suitable particle size distribution, the desired grain sizes in the copper-ceramic composite can be adjusted. Such copper foils are commercially available or can be obtained by standard methods. A fine adjustment of the particle sizes may optionally be effected by a thermal treatment of the starting film.

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.In a preferred embodiment, the copper or copper alloy has a number distribution of grain sizes in which at most 5% of the grains have a grain size of less than 15 μm, preferably less than 20 μm, more preferably less than 25 μm; and / or in which at least 95% of the grains have a particle size of less than 250 μm, preferably less than 230 μm, more preferably less than 200 μm.

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.The number distribution of the grain sizes of the copper or the copper alloy preferably has a d 95 value of ≦ 250 μm, more preferably in the range of 140 μm to 250 μm, more preferably in the range of 140 μm to 230 μm, even more preferably in the range of 150 μm up to 200 μm. The d 5 value of the particle size distribution of the copper or the copper alloy is preferably ≥15 μm; more preferably, the d 5 value is in the range of 15 microns to 80 microns, more preferably in the range of 20 microns to 75 microns, even more preferably in the range of 25 microns to 70 microns. Thus, a further optimization of the thermal shock resistance and the bonding behavior of the copper or the copper alloy can be achieved.

Ein bevorzugter d50-Wert der Korngrößen-Anzahlverteilung des Kupfers oder der Kupferlegierung liegt beispielsweise im Bereich von 55 μm bis 115 μm.A preferred d 50 value of the particle size distribution of the copper or copper alloy is, for example, in the range of 55 μm to 115 μm.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann es bevorzugt sein, dass die d5-, d95- und d50-Werte der Korngrößen-Anzahlverteilung des Kupfers oder der Kupferlegierung so gewählt werden, dass sie der folgenden Bedingung genügen: 4,0 ≥ (d95 – d5)/d50 ≥ 0,5 In the context of the present invention, it may be preferred that the d 5 , d 95 and d 50 values of the particle size distribution of the copper or the copper alloy are selected such that they satisfy the following condition: 4.0 ≥ (d 95 - d 5 ) / d 50 ≥ 0.5

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/darirh; 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.The symmetry of a grain size distribution can be expressed in terms of the ratio of median value d 50 to the arithmetic mean d arith of this distribution (ie by the quotient d 50 / d arirh , also referred to below as the symmetry value S). The closer the symmetry value is to 1.0, the more symmetrical the particle size distribution. In a preferred embodiment, the copper or copper alloy has a number distribution of grain sizes with a median d 50 and an arithmetic mean d arith , where the ratio of d 50 to d arith (ie d 50 / d arith ) is in the range of 0.75 to 1.10, more preferably in the range of 0.78 to 1.05, even more preferably in the range of 0.80 to 1.00. Thus, a further optimization of thermal shock resistance and Drahtbondingeigenschaften can be achieved. Suitable methods with which the symmetry of the particle size distribution in the copper, for example, already in the copper starting film, can be adjusted, are known in the art. For example, the symmetry of the grain size distribution in a copper foil can be influenced by a suitable processing temperature or a rolling process. Copper starting films, with which the symmetry values given above can be realized in the final copper-ceramic composite, are commercially available or can be obtained by standard methods.

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. The width of the particle size distribution can be expressed by the ratio of d 5 value to d 95 value. In a preferred embodiment, the copper or copper alloy has a number distribution of grain sizes with a d 5 value and a d 95 value, the ratio of d 5 to d 95 being in the range of 0.1 to 0.4, more preferably Range of 0.11 to 0.35, more preferably in the range of 0.12 to 0.30. Thus, a further optimization of thermal shock resistance and Drahtbondingeigenschaften can be achieved.

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). 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.The shape of an individual grain can be expressed by its form factor R K , which is the ratio of the maximum grain diameter d K, max to the diameter d K, ortho , which is perpendicular to d K, max , determined at half the length of d K, max (ie R K = d K, ortho / d K, max ). From the arithmetic mean of the shape factors R K of the grains, the average grain shape factor R a of the material is obtained. For example, if a material contains a high proportion of elongated grains, the mean grain shape factor of that material will be relatively low. On the other hand, the higher the proportion of round, circular grains, the more the average grain form factor approaches 1.0.

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.Preferably, the mean grain shape factor R a (Cu) of the copper or copper alloy is ≥ 0.40, more preferably ≥ 0.60 or ≥ 0.80. Suitable methods by which the shape of the grains in the copper, for example, already in the copper starting film can be adjusted, are known in the art. For example, the grain shape in a copper foil may be influenced by a suitable processing temperature or a rolling process. Copper starting films, which can be used in the final copper-ceramic composite of the above mean grain shape factor R a (Cu) can be realized, are commercially available or can be obtained by standard methods.

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.A suitable thickness of the coating of copper or a copper alloy in a copper-ceramic composite is known in the art. As explained below, at some points of the coating, in particular in edge regions, a portion of the copper or the copper alloy can be removed again, for example, to form edge attenuations. Therefore, it is possible within the scope of the present invention that the thickness of the metal coating varies. Typically, 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. For example, it is possible that the thickness is about 300 μm.

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.Preferably, the thickness of the coating of copper or a copper alloy (D Cu ) and the median d 50 of the grain size number distribution of the copper or copper alloy are selected so that the ratio D Cu , d 50 is in the range of 0.05 to 0.40. For this purpose, the thickness D Cu of the copper or the copper alloy is determined at a point of the coating and divided by the median value d 50 of the particle size distribution of the copper or the copper alloy. Preferably, the ratio D Cu / d 50 is at least 70%, more preferably at least 90%, of the area of the coating of copper or a copper alloy in the range of 0.05 to 0.40.

Bevorzugt weist das Kupfer der Beschichtung eine Reinheit von ≥ 99,50%, bevorzugter ≥ 99,90%, noch bevorzugter ≥ 99,95% oder sogar ≥ 99,99% auf.The copper of the coating preferably has a purity of ≥ 99.50%, more preferably ≥ 99.90%, even more preferably ≥ 99.95% or even ≥ 99.99%.

Bevorzugt wird die Beschichtung 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.
Preferably, the coating of copper or a copper alloy is applied to the ceramic substrate by a DCB method. As already explained above, a conventional DCB method can have, for example, the following method steps:
  • - Oxidizing a copper foil, so that forms a copper oxide layer on the surface thereof;
  • - placing the copper foil with the copper oxide layer on the ceramic substrate;
  • Heating the composite to a temperature <1083 ° C. (eg a temperature in the range of 1065-1080 ° C.),
  • - Cool to room temperature.

Als Folge des DCB-Verfahrens können zwischen der Beschichtung aus Kupfer oder einer Kupferlegierung und dem Keramiksubstrat Spinellkristallite vorliegen (z. B. Kupfer-Aluminium-Spinelle).As a result of the DCB process, spinel crystallites may be present between the coating of copper or a copper alloy and the ceramic substrate (eg, copper-aluminum spinels).

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 1 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 2 gezeigt. Wie nachfolgend noch erläutert wird, können die einzelnen metallisierten Bereiche durch Sollbruchlinien (nicht gezeigt in 2) voneinander getrennt sein, so dass durch Brechen entlang dieser Sollbruchlinien eine Vereinzelung dieser Bereiche erfolgen kann.For example, the coating of copper or a copper alloy may be mounted on only one side of the ceramic substrate. Alternatively, it is possible that both sides (ie, top and bottom) of the ceramic substrate are provided with the coating of copper or a copper alloy. An exemplary copper-ceramic composite in which a ceramic substrate 1 a coating on both its bottom and top 2 made of copper or a copper alloy is in 1 shown. An exemplary copper-ceramic composite in which the ceramic substrate 1 has several areas, each one with a coating 2 are made of copper or copper alloy is in 2 shown. As will be explained below, the individual metallized areas can be replaced by predetermined breaking lines (not shown in FIG 2 ) be separated from each other, so that a separation of these areas can be done by breaking along these predetermined breaking lines.

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).To form electrical contact surfaces, the coating of copper or a copper alloy may at least partially have a structuring. The structuring of the metal coating can take place in a known manner, in particular via an etching process (for example using an etching mask).

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.In the etching process, the copper or the copper alloy can be completely removed in partial areas, so that in these partial areas the surface of the ceramic substrate is exposed. Furthermore, it is also possible for the coating made of copper or a copper alloy to have one or more depressions (preferably round depressions) which are obtained, for example, in the etching process by, for example, only partially removing the copper or copper alloy in the region of the depression to be applied and the surface of the ceramic substrate in this area is therefore still covered with copper or copper alloy. Alternatively or additionally, it is possible to etch the depressions through the copper or copper refining through to the ceramic surface. With regard to the possible arrangement of such depressions, preferably in the edge region of the coatings of copper or copper alloy, for example, on DE 40 04 844 C1 and DE 43 18 241 A1 to get expelled.

Wie oben ausgeführt, enthält das Keramiksubstrat Aluminiumoxid (Al2O3).As stated above, the ceramic substrate contains alumina (Al 2 O 3 ).

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 Ausfühmngsform 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.The particle sizes of the aluminum oxide are preferably 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. With grain sizes in this range, the ceramic substrate of the copper-ceramic composite has both high mechanical strength and high thermal conductivity. In the context of the present invention, these values are not to be regarded as strict upper and lower limits for the particle size distribution, but may vary by +/- 10%. In a preferred embodiment, however, it is the lower limit, which does not fall below, and upper limits, which are not exceeded, the particle size distribution of the alumina. In this preferred embodiment, therefore, the alumina has no grains which are outside the above ranges. It is therefore preferred that d min (Al 2 O 3 ) ≥ 0.01 μm and d max (Al 2 O 3 ) ≦ 25 μm, more preferably d min (Al 2 O 3 ) ≥ 0.3 μm and d max ( Al 2 O 3 ) ≤ 23 μm, more preferably d min (Al 2 O 3 ) ≥ 0.5 μm and d max (Al 2 O 3 ) ≤ 20 μm, where d min (Al 2 O 3 ) and d max ( Al 2 O 3 ) are the minimum and maximum grain sizes of the alumina.

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.By using a ceramic starting material with suitable Al 2 O 3 grain size distribution, the desired Al 2 O 3 grain sizes can be set in the copper-ceramic composite. Such ceramics are commercially available or can be obtained by standard methods. A fine adjustment of the grain sizes can optionally be done by a thermal treatment of the ceramic starting material.

Wie oben bereits erwähnt, wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Verteilung der Korngrößen auf Basis der Körneranzahl bestimmt (d. h. Korngrößen-Anzahlverteilung).As mentioned above, in the present invention, the distribution of grain sizes is determined based on the number of grains (i.e., grain size-number distribution).

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.In a preferred embodiment, the alumina of the ceramic substrate has a number distribution of grain sizes in which at most 5% of the grains have a grain size of less than 0.1 μm, more preferably less than 0.3 μm, even more preferably less than 0.5 μm; and / or in which at least 95% of the grains have a particle size of less than 15 μm, more preferably less than 10 μm, even more preferably less than 7 μm.

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.Further optimization of the mechanical strength and thermal conductivity of the ceramic substrate in the metal-ceramic composite can be achieved if the d 5 and d 95 values of the grain size distribution of the Al 2 O 3 meet certain requirements.

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.Preferably, the number distribution of the grain sizes of the alumina has a d 95 value of ≦ 15.0 μm, more preferably in the range of 4.0 μm to 15.0 μm, still more preferably in the range of 4.5 μm to 10.0 μm more preferably in the range of 5.0 microns to 8.0 microns. The d 5 value of the particle size distribution of the alumina is preferably ≥ 0.1 μm; more preferably, the d 5 value is in the range of 0.1 μm to 2.5 μm, more preferably in the range of 0.3 μm to 2.5 μm, still more preferably in the range of 0.5 μm to 2.0 μm , In order to For example, further optimization of the mechanical strength and thermal conductivity of the ceramic substrate in the metal-ceramic composite can be achieved.

Ein bevorzugter d50-Wert der Korngrößen-Anzahlverteilung des Aluminiumoxids liegt beispielsweise im Bereich von 1,0 μm bis 3,0 μm.A preferred d 50 value of the particle size distribution of the aluminum oxide is, for example, in the range from 1.0 μm to 3.0 μm.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann es bevorzugt sein, dass die d5-, d95- und d50-Werte der Korngrößen-Anzahlverteilung des Aluminiumoxids so gewählt werden, dass sie der folgenden Bedingung genügen: 9,5 ≥ (d95 – d5)/d50 ≥ 0,7 In the context of the present invention, it may be preferred that the d 5 , d 95 and d 50 values of the particle size distribution of the aluminum oxide are chosen such that they satisfy the following condition: 9.5 ≥ (d 95 - d 5 ) / d 50 ≥ 0.7

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.In a preferred embodiment, the alumina has a number distribution of grain sizes with a median d 50 and an arithmetic mean d arith , the ratio of d 50 to d arith (ie d 50 / d arith , hereinafter also referred to as symmetry value S (Al 2 O 3 ) of the alumina particle size distribution) is in the range of 0.75 to 1.10, more preferably in the range of 0.78 to 1.05, even more preferably in the range of 0.80 to 1.00. Thus, a further optimization of the mechanical strength and thermal conductivity of the ceramic substrate in the metal-ceramic composite can be achieved. Suitable methods by means of which the symmetry of the particle size distribution in the aluminum oxide, for example already during the preparation of the starting substrate, can be set, are known to the person skilled in the art. For example, the symmetry of the particle size distribution can be influenced by sintering time and sintering temperature in the production of the starting substrate. Al 2 O 3 substrates, with which the above symmetry values can be realized in the final copper-ceramic composite, are commercially available or can be obtained by standard methods.

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.The width of the particle size distribution can be expressed by the ratio of d 5 value to d 95 value. In a preferred embodiment, the alumina has a number distribution of grain sizes with a d 5 value and a d 95 value, the ratio of d 5 to d 95 being in the range of 0.1 to 0.4, more preferably in the range of 0 , 11 to 0.35, more preferably in the range of 0.12 to 0.30. Thus, a further optimization of the mechanical strength and thermal conductivity of the ceramic substrate in the metal-ceramic composite can be achieved.

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.Preferably, the mean grain shape factor R a (Al 2 O 3 ) of the alumina is ≥ 0.40, more preferably 0,6 0.60, even more preferably ≥ 0.80. As already explained above, the shape of an individual grain can be expressed by its form factor R K , which is the ratio of the maximum grain diameter d K, max to the grain diameter d K, ortho , which is perpendicular to d K, max , determined at half the length of d K, max , is (ie R K = d K, ortho / d K, max ). From the arithmetic mean of the shape factors R K of the grains, the mean grain shape factor R a (Al 2 O 3 ) of the aluminum oxide is obtained. Suitable methods by which the shape of the aluminum oxide grains can be adjusted, for example, already in the preparation of the starting substrate, are known to the person skilled in the art. For example, the shape of the Al 2 O 3 grains may be affected by sintering time and sintering temperature in the preparation of the starting substrate. Al 2 O 3 substrates, with which the above-mentioned form factor R a (Al 2 O 3 ) can be realized in the final copper-ceramic composite, are commercially available or can be obtained by standard methods.

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.A suitable thickness of the ceramic substrate in a copper-ceramic composite is known to those skilled in the art. Typically, the ceramic substrate has a thickness in the range of 0.2-1.2 mm over at least 70% of its area, more preferably at least 90% of its area. A thickness of the ceramic substrate is, for example, about 0.38 mm or about 0.63 mm.

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.Preferably, the thickness of the ceramic substrate (D cer ) and the median d 50 of the grain size number distribution of the alumina in the ceramic substrate are selected such that the ratio D cer to d 50 (ie D cer / d 50 ) ranges from 0.001 to 0.01 , more preferably in the range of 0.002 to 0.009, more preferably in the range of 0.004 to 0.008. For this purpose, the thickness D cer of the ceramic substrate is determined at one point and divided by the median d 50 of the particle size distribution of the alumina. Preferably, the ratio D cer / d 50 is at least 70%, more preferably at least 90%, of the area of the ceramic substrate in the range of 0.05 to 0.40.

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.Optionally, the alumina may still be reinforced with zirconia (ZrO 2 ). Such a ZrO 2 -reinforced Al 2 O 3 , based on its total mass, usually contains the zirconium oxide in a proportion of 0.5-30% by weight. In turn, the zirconia may optionally be doped with one or more doping oxide (s), in particular Yttrium oxide, calcium oxide, cerium oxide or magnesium oxide, usually in a proportion of up to 0.01% by weight or even up to 5% by weight, based on the total mass of zirconium oxide and aluminum oxide.

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.The ceramic substrate preferably contains at least 65% by weight Al 2 O 3 . If no ZrO 2 is present for reinforcing the Al 2 O 3 , the ceramic substrate may consist, for example, of at least 95% by weight, more preferably 96% by weight, of Al 2 O 3 .

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 ZrO2-verstärkten Al2O3 bestehen.If a ZrO 2 -reinforced aluminum oxide is used (ZrO 2 optionally being doped as mentioned above), the ceramic substrate may be at least 96% by weight, more preferably at least 98% by weight, of this ZrO 2 -reinforced Al 2 O 3 exist.

Das Keramiksubstrat kann beispielsweise eine Wärmeleitfähigkeit von ≥ 20 W/mK, und/oder eine Biegebruchfestigkeit von ≥ 400 MPa aufweisen.The ceramic substrate may for example have a thermal conductivity of ≥ 20 W / mK, and / or a bending strength of ≥ 400 MPa.

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.The ceramic substrate may be in the form of a single substrate. Alternatively, it is also possible for the ceramic substrate to have one or more (preferably rectilinear) predetermined breaking lines which divide the ceramic substrate into two or more regions and at least in one of these regions a coating of copper or a copper alloy is applied. With regard to the construction of such a multi-substrate with predetermined breaking lines can be exemplified DE 43 19 944 A1 and DE 199 27 046 A1 to get expelled.

Geeignete Abmessungen (Länge × 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 × Breite, von (180–200 mm) × (130–150 mm) oder (180–200 mm) × (270–290 mm) aufweisen. Auch kleinere Abmessungen, beispielsweise (8–12 mm) × (8–12 mm), sind möglich.Suitable dimensions (length × width) of the ceramic substrate (either as a single substrate or as a multiple substrate) in a metal-ceramic composite are known to the person skilled in the art. For example, the ceramic substrate may have a dimension, length × width, of (180-200 mm) × (130-150 mm) or (180-200 mm) × (270-290 mm). Even smaller dimensions, for example (8-12 mm) × (8-12 mm), are possible.

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 kannIn a preferred embodiment, the ratio of d 50 (Al 2 O 3 ) to d 50 (Cu) is in the range of 0.008 to 0.055, more preferably in the range of 0.010 to 0.045. Thus, a further optimization of the adhesion and thermal shock resistance in the metal-ceramic composite can be achieved

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: 0,7 ≤ S(Al2O3)/S(Cu) ≤ 1,4.In a preferred embodiment, the copper or copper alloy has a number distribution of grain sizes with a median d 50 , an arithmetic mean d arith and a symmetry value S (Cu) = d 50 / d arith , the alumina has a number distribution of grain sizes with a median value d 50 , an arithmetic mean d arith and a symmetry value S (Al 2 O 3 ) = d 50 / d arith , where S (Al 2 O 3 ) and S (Cu) satisfy the following condition: 0.7 ≤ S ( Al 2 O 3 ) / S (Cu) ≤ 1.4.

Bevorzugter genügen S(Al2O3) und S(Cu) der folgenden Bedingung: 0,74 ≤ S(Al2O3)/S(Cu) ≤ 1,35; noch bevorzugter der folgenden Bedingung 0,80 ≤ S(Al2O3)/S(Cu) ≤ 1,25. More preferably, S (Al 2 O 3 ) and S (Cu) satisfy the following condition: 0.74 ≦ S (Al 2 O 3 ) / S (Cu) ≦ 1.35; more preferably, the following condition 0.80 ≦ S (Al 2 O 3 ) / S (Cu) ≦ 1.25.

Damit lässt sich die Temperaturwechselbeständigkeit des Kupfer-Keramik-Verbunds verbessern.This can improve the thermal shock resistance of the copper-ceramic composite.

In einer bevorzugten Ausführungsform genügen der mittlere Korn-Formfaktor des Aluminiumoxids Ra(Al2O3) und der mittlere Korn-Formfaktor des Kupfers oder der Kupferlegierung Ra(Cu) der folgenden Bedingung: 0,5 ≤ Ra(Al2O3)/Ra(Cu) ≤ 2,0.In a preferred embodiment, the average grain shape factor of the alumina R a (Al 2 O 3 ) and the mean grain shape factor of the copper or copper alloy R a (Cu) satisfy the following condition: 0.5 ≤ R a (Al 2 O 3 ) / R a (Cu) ≤ 2.0.

Noch bevorzugter gilt 0,75 ≤ Ra(Al2O3)/Ra(Cu) ≤ 1,5 und noch weiter bevorzugt gilt 0,80 ≤ Ra(Al2O3)/Ra(Cu) ≤ 1,20. Even more preferred 0.75 ≦ R a (Al 2 O 3 ) / R a (Cu) ≦ 1.5 and even more preferably 0.80 ≦ R a (Al 2 O 3 ) / R a (Cu) ≦ 1.20.

Damit kann eine weitere Optimierung der Temperaturwechselbeständigkeit des Kupfer-Keramik-Verbunds realisiert werden. Thus, a further optimization of the thermal shock resistance of the copper-ceramic composite can be realized.

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.Furthermore, the present invention relates to a module comprising at least one copper-ceramic composite according to the above description and one or more bonding wires. Typically, the bonding wire or wires are bonded to the copper or copper alloy coating. Suitable bonding methods for bonding wires to a metal coating are known to those skilled in the art. The module may also include one or more electronic components such. B. contain one or more chips.

Die Kornstrukturen des Aluminiumoxids des Keramiksubstrats sowie des Kupfers bzw. der Kupferlegierung der Metallbeschichtung werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung folgendermaßen bestimmt:The grain structures of the aluminum oxide of the ceramic substrate and the copper or the copper alloy of the metal coating are determined in the context of the present invention as follows:

Korngrößenverteilung des Aluminiumoxids des KeramiksubstratsGrain size distribution of the alumina of the ceramic substrate

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.From the surface of the ceramic substrate, a scanning electron micrograph (SEM image) is taken. A special sample preparation in the form of a microsection is not required. The SEM photograph is taken at a location of the ceramic substrate that was previously copper-plated and exposed by etching.

Die Korngrößen werden über ein Linienschnittverfahren bestimmt. Linienschnittverfahren sind dem Fachmann bekannt und werden beispielsweise in ASTM 112-13 beschrieben.The grain sizes are determined by a line-cutting method. Line-cut methods are known to those skilled in the art and are described, for example, in ASTM 112-13.

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.The magnification is chosen so that the line grid cuts at least 50 Al 2 O 3 grains. If the ceramic substrate still contains grains of a different chemical composition, for example ZrO 2 grains, these can be distinguished well from the Al 2 O 3 grains in the SEM image with the aid of secondary electron contrast and are therefore not included in the subsequent calculations.

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 schematisch in 3 gezeigt. 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.In the present invention, two parallel lines in the x-direction and two parallel lines in the y-direction were respectively placed in the optical micrograph. The lines divide the recording into three equally wide stripes. This is schematically in 3 shown. When a grain is cut from one of these lines over a length L, this length L is taken as a grain size. For each grain cut from one of these lines, a grain size is obtained. At the crossing point of two lines, one obtains two values for a grain, both of which are included in the determination of the particle size distribution.

Aus den Korngrößen der geschnittenen Körner ergibt sich eine Korngrößenverteilung, aus der wiederum die d5-, d50- und d95-Werte sowie der arimethische 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.From the grain sizes of the cut grains results in a particle size distribution, from which in turn the d 5 , d 50 and d 95 values and the arimethical mean d arith can be determined. As already explained above and generally known to the person skilled in the art, for the d 50 value, which is frequently also referred to as median value, the following applies: 50% of the grains have a diameter which is smaller than the d 50 value. Similarly, for the d 5 value, 5% of the grains have a diameter smaller than this d 5 value, and for the d 95 value, 95% of the grains have a diameter smaller than this d 95 value. The arithmetic mean of the particle size distribution results from the sum of the grain sizes of the individual grains divided by the number of cut grains.

Korngrößenverteilung des Kupfers oder der KupferlegierungGrain size distribution of copper or copper alloy

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.From the surface of the coating of copper or a copper alloy (parallel to the coated substrate surface), a light micrograph is taken. A special sample preparation in the form of a microsection is not required.

Die Korngrößen werden über ein Linienschnittverfahren bestimmt. Linienschnittverfahren sind dem Fachmann bekannt und werden beispielsweise in ASTM 112-13 beschrieben.The grain sizes are determined by a line-cutting method. Line-cut methods are known to those skilled in the art and are described, for example, in ASTM 112-13.

Die Vergrößerung wird so gewählt, dass durch das Linienraster mindestens 50 Körner geschnitten werden.The magnification is chosen so that the line grid cuts at least 50 grains.

Hinsichtlich der weiteren Auswertung über das Linienschnittverfahren kann auf die oben bei dem Aluminiumoxid gemachten Ausführungen verwiesen werden.With regard to the further evaluation via the line-cutting method, reference may be made to the statements made above with regard to the aluminum oxide.

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. Both the grain sizes of the copper or the copper alloy and the grain sizes of the Al 2 O 3 are thus determined in a plane which is parallel to the coated substrate surface or coplanar with this.

Formfaktor einzelner Körner, mittlerer Korn-FormfaktorForm factor of individual grains, mean grain form factor

Aluminiumoxidalumina

Es wird die REM-Aufnahme herangezogen, die auch bei der Bestimmung der Korngrößenverteilung verwendet wurde.The SEM image is used, which was also used to determine the particle size distribution.

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 4 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.The following procedure is used to determine the shape factor of an individual grain:
Its longest dimension d K, max is determined. Subsequently, at half the length of d K, max the diameter d K, ortho of the grain running perpendicular to d K, max is determined. The form factor of the individual grain R K results from the ratio of d K, ortho to dK, max, ie R K = d K, ortho / d K, max . This is schematically in 4 represented by a grain with elliptical grain structure. The more the shape of a grain in its two-dimensional projection approaches that of a circle, the more the form factor of the grain approaches 1.0. The form factor is therefore also a measure of the circularity / roundness of the grains.

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.The form factor is determined for at least 50 grains of the SEM image. Usually, the grains are evaluated, which were also cut in line intersection of the lines.

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).The mean grain shape factor of the alumina then results from the arithmetic mean of the shape factors of the individual Al 2 O 3 grains (ie sum of the individual shape factors divided by the number of grains examined).

Kupfer, KupferlegierungCopper, copper alloy

Es wird die lichtmikroskopische Aufnahme herangezogen, die auch bei der Bestimmung der Korngrößenverteilung verwendet wurde.The light micrograph was used, which was also used in the determination of the particle size distribution.

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.With regard to the determination of the shape factor of individual grains and the mean grain shape factor of copper or copper alloy, reference may be made to the statements made above for Al 2 O 3 .

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.Both the grain shape factors of the copper and the copper alloy, as well as the grain shape factors of the Al 2 O 3 are thus determined in a plane which is parallel to the coplanar substrate surface or is coplanar with this.

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 A , US 3 994 430 A , EP 0 085 914 A2 oder der DE 23 19 854 A1 bekannt, deren entsprechende Offenbarung durch Bezugnahme in die vorliegende Erfindung eingeschlossen wird.A bonding method which is preferably used for the production of the copper-ceramic substrates according to the invention is described below:
A typical process, which is preferably used in the context of the present invention for the application of the copper coating on the ceramic substrate is, for example, from the documents US Pat. No. 3,744,120 . US 3 994 430 A . EP 0 085 914 A2 or the DE 23 19 854 A1 the disclosure of which is incorporated by reference into the present invention.

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.For example, in the context of the direct copper bonding process (DCB process), this production method disclosed there is common in that a copper foil is first oxidized in such a way that a substantially uniform copper oxide layer results. The resulting copper foil is then positioned on a ceramic substrate and the ceramic substrate / copper foil composite is heated to a bonding temperature between about 1025-1083 ° C, thereby forming a metallized ceramic substrate. The copper foil thus forms a coating after bonding. Finally, the resulting metallized ceramic substrate is cooled.

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.The bonding of ceramic substrate and copper foil is carried out in an oven, so-called bonding furnaces generally being used. Corresponding bonding ovens, often referred to as tunnel ovens include, inter alia, an elongated tunnel-like furnace chamber (also called muffle) and a transport device with a transport element, for example in the form of a flexible and heat-resistant conveyor belt for transporting the material to be treated by the heated furnace with a heater chamber. The ceramic substrates together with the copper foil on a Carrier positioned on the conveyor belt and then passed through in the bonding oven by the conveyor belt driven a heating area in which the required bonding temperature is reached. At the end of the bonding process, the resulting ceramic substrate / copper foil composite is recooled according to the invention.

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.This method can be used in principle for the production of single-sidedly metallized ceramic substrates as well as for the production of double-sided metallized substrates. In this case, the production of double-sided metallized substrates usually takes place via a two-stage bonding process, ie. H. using a two-stage single-layer process (SLB method). In the context of the invention, a two-stage bonding process is preferably used.

Bei diesem zweistufigen Bondprozess zur Herstellung von doppelseitig metallisierten Keramik-Substraten gemäß der Erfindung wird die Keramik in zwei Ofendurchlaufen 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.In this two-step bonding process for producing double-sided metallized ceramic substrates according to the invention, the ceramic is bonded in two ovens to the copper foils on opposite sides of the ceramic substrate. For this purpose, a ceramic substrate is first positioned on a support and then placed on the overhead, d. H. on the side facing away from the carrier, covered with a copper foil. By the action of heat, this side of the ceramic substrate is connected to the metal layer and subsequently the resulting assembly is cooled. Subsequently, the substrate is turned over and in a second bonding step, the other side of the substrate is coated in the same way with a metal layer, i. H. the copper foil, provided.

Es ist möglich Einzel-Teil-Karten herzustellen oder Großkarten, welche mehrere herausbrechbaren Einzelteil-Karten aufweisen.It is possible to make single-part cards or large cards that have multiple break-out item cards.

BeispieleExamples

Die nachfolgenden Beispiele zeigen, wie die Adhäsion zwischen Metallbeschichtung und Keramiksubstrat sowie die Temperaturwechselbeständigkeit des Kupfer-Keramik-Verbunds gleichzeitig optimiert werden können, wenn die Korngrößen des Kupfers und die Korngrößen des Al2O3 im Keramiksubstrat in geeigneter Weise aufeinander abgestimmt sind.The following examples show how the adhesion between the metal coating and the ceramic substrate and the thermal shock resistance of the copper-ceramic composite can be simultaneously optimized if the grain sizes of the copper and the grain sizes of the Al 2 O 3 in the ceramic substrate are suitably matched.

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)Three copper-ceramic samples were prepared by a DCB process:
Copper-ceramic composite 1, hereinafter "KKV 1" (according to the invention)
Copper-ceramic composite 2, hereafter "KKV 2" (comparative sample)
Copper-ceramic composite 3, hereinafter "KKV 3" (comparative sample)

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.In each of these three copper-ceramic composites, both the top and the bottom of the ceramic substrate was provided with a copper coating. The copper coating was first bonded to one side of the ceramic substrate by means of the SLB process. Subsequently, the opposite side of the ceramic substrate was made by the SLB method with another copper coating, so that a copper-ceramic substrate is formed in which a copper foil is bonded on both sides of the ceramic. One of the two copper coatings was subsequently patterned in each sample via an etching process (same structuring for all samples). In all examples, the substrates consisted of 96% by weight of Al 2 O 3 .

In jedem dieser 3 Kupfer-Keramik-Verbunde wies das Keramiksubstrat folgende Abmessungen auf:
Dicke des Keramiksubstrats: 0,38 mm;
Länge × Breite des Keramiksubstrats: 190 × 140 mm2 In each of these 3 copper-ceramic composites, the ceramic substrate had the following dimensions:
Thickness of the ceramic substrate: 0.38 mm;
Length × width of the ceramic substrate: 190 × 140 mm 2

Die Kupferbeschichtung wies jeweils eine Dicke von 0,3 mm auf.The copper coating each had a thickness of 0.3 mm.

5 zeigt eine REM-Aufnahme der Oberfläche des Keramiksubstrats von K-K-V 1, mittels der die Kornstruktur des Al2O3 bestimmt wurde. 5 shows a SEM image of the surface of the ceramic substrate of KKV 1, by means of which the grain structure of Al 2 O 3 was determined.

6 zeigt eine lichtmikroskopische Aufnahme von der Oberfläche der Kupferbeschichtung von K-K-V 1, mittels der die Kornstruktur des Kupfers bestimmt wurde. 6 shows a light micrograph of the surface of the copper coating of KKV 1, by means of which the grain structure of the copper was determined.

Für jede dieser 3 Proben wurden sowohl Metall-Keramik-Adhäsion wie auch Temperaturwechselbeständigkeit des Metall-Keramik-Verbunds bestimmt.Both metal-ceramic adhesion and thermal shock resistance of the metal-ceramic composite were determined for each of these three samples.

Die Adhäsion wurde nach dem in DE 10 2004 012 231 B4 (dort unter Absatz [0028]) beschriebenen Verfahren bestimmt. The adhesion was after the in DE 10 2004 012 231 B4 (described in paragraph [0028]).

Die Temperaturwechselbeständigkeit wurde folgendermaßen bestimmt: 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.
The thermal shock resistance was determined as follows: To determine the thermal shock resistance of the copper-ceramic substrate, a single-part substrate is preferably broken out of a large card. The component substrate was subjected to a temperature cycling cycle in a device known to those skilled in the art, which consists of:
  • • Storage at 150 ° C (preferably in a first chamber of a temperature change cabinet) for 15 minutes
  • • Store at -40 ° C (minus 40 ° C) (preferably in a second chamber of the thermal cycler) for 15 minutes
  • • there is a transfer time of 15 seconds between the transfer from one chamber to the other.

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.In the course of 5 cycles (aging 150 ° C to -40 ° C and back corresponds to one cycle), the area of the compound at the interface between copper and ceramic was examined for delamination by means of an ultrasonic microscope.

In der nachfolgenden Tabelle 1 werden für die getesteten Verbunde K-K-V 1, K-K-V 2 und K-K-V 3 die Eigenschaften der Kornstrukturen sowie die Ergebnisse der Adhäsions- und Temperaturwechselbeständigkeitstests zusammengefasst: Tabelle 1: Adhäsion und Temperaturwechselbeständigkeit in Abhängigkeit von dmin(Al2O3)/dmax(Cu) und dmax(Al2O3)/dmin(Cu) Kupfer-Keramik-Adhäsion Temperaturwechselbeständigkeit Probe K-K-V 1 (erfindungsgemäß) dmin(Al2O3)/dmax(Cu): 0,003 + + dmax(Al2O3)/dmin(Cu): 0,209 Probe K-K-V 2 (Vergleich) dmin(Al2O3)/dmax(Cu): 0,000006 + – dmax(Al2O3)/dmin(Cu): 0,034 Probe K-K-V 3 (Vergleich) dmin(Al2O3)/dmax(Cu): 0,010 – + dmax(Al2O3)/dmin(Cu): 7,45 Table 1 below summarizes the properties of the grain structures as well as the results of the adhesion and thermal shock resistance tests for the tested composites KKV 1, KKV 2 and KKV 3: Table 1: Adhesion and thermal shock resistance as a function of d min (Al 2 O 3 ) / d max (Cu) and d max (Al 2 O 3 ) / d min (Cu) Copper-ceramic adhesion Thermal shock resistance Sample KKV 1 (according to the invention) d min (Al 2 O 3 ) / d max (Cu): 0.003 + + d max (Al 2 O 3 ) / d min (Cu): 0.209 Sample KKV 2 (comparison) d min (Al 2 O 3 ) / d max (Cu): 0.000006 + - d max (Al 2 O 3 ) / d min (Cu): 0.034 Sample KKV 3 (comparison) d min (Al 2 O 3 ) / d max (Cu): 0.010 - + d max (Al 2 O 3 ) / d min (Cu): 7.45

Wie die Beispiele zeigen, können die Adhäsion zwischen Metallbeschichtung und Keramiksubstrat sowie die Temperaturwechselbeständigkeit des Kupfer-Keramik-Verbunds gleichzeitig optimiert werden, wenn die Korngrößen des Kupfers und die Korngrößen des Al2O3 im Keramiksubstrat gemäß der vorliegenden Erfindung aufeinander abgestimmt werden.As the examples show, the adhesion between the metal coating and the ceramic substrate as well as the thermal shock resistance of the copper-ceramic composite can be simultaneously optimized if the grain sizes of the copper and the grain sizes of the Al 2 O 3 in the ceramic substrate are matched according to the present invention.

Weiterhin wurde untersucht, welchen Einfluss das Verhältnis des d50-Werts der Al2O3-Körner zu dem d50-Wert der Kupferkörner auf Adhäsion und Temperaturwechselbeständigkeit hat. Die Ergebnisse zeigt Tabelle 2. Tabelle 2: Adhäsion und Temperaturwechselbeständigkeit in Abhängigkeit von d50(Al2O3)/d50(Cu) d50(Al2O3)/d50(Cu) Kupfer-Keramik-Adhäsion Temperaturwechselbeständigkeit 0,028 + + 0,005 + – 0,083 – + Furthermore, it was investigated what influence the ratio of the d 50 value of the Al 2 O 3 grains to the d 50 value of the copper grains has on adhesion and thermal shock resistance. The results are shown in Table 2. TABLE 2 Adhesion and thermal shock resistance as a function of d 50 (Al 2 O 3 ) / d 50 (Cu) d 50 (Al 2 O 3 ) / d 50 (Cu) Copper-ceramic adhesion Thermal shock resistance 0.028 + + 0.005 + - 0.083 - +

Wie Tabelle 2 zeigt, kann eine weitere Optimierung von Adhäsion und Temperaturwechselbeständigkeit erzielt werden, wenn die d50-Werte der Al2O3-Kornverteilung und der Kupfer-Kornverteilung gemäß der vorliegenden Erfindung aufeinander abgestimmt werden.As Table 2 shows, a further optimization of the adhesion and thermal shock resistance can be obtained when the d 50 values of the Al 2 O 3 -Kornverteilung be tuned and the copper particle size distribution according to the present invention, each other.

Claims (10)

Kupfer-Keramik-Verbund, umfassend – ein Keramiksubstrat, das Aluminiumoxid enthält, – eine auf dem Keramiksubstrat vorliegende Beschichtung aus Kupfer oder einer Kupferlegierung, wobei das Aluminiumoxid Korngrößen im Bereich von dmin(Al2O3) bis dmax(Al2O3) aufweist, das Kupfer oder die Kupferlegierung Korngrößen im Bereich von dmin(Cu) bis dmax(Cu) aufweist, und die Verhältnisse von dmin(Al2O3) zu dmax(Cu) und von dmax(Al2O3) zu dmin(Cu) folgenden Bedingungen (i) und (ii) genügen: (i) dmin(Al2O3)/dmax(Cu) ≥ 1 × 10–5 und (ii) 2,5 ≥ dmax(Al2O3)/dmin(Cu).A copper-ceramic composite comprising - a ceramic substrate containing alumina, - a coating of copper or a copper alloy present on the ceramic substrate, the alumina having grain sizes ranging from d min (Al 2 O 3 ) to d max (Al 2 O 3 ), the copper or the copper alloy has grain sizes ranging from d min (Cu) to d max (Cu), and the ratios of d min (Al 2 O 3 ) to d max (Cu) and d max (Al 2 O 3 ) to d min (Cu) the following conditions (i) and (ii) suffice: (i) d min (Al 2 O 3 ) / d max (Cu) ≥ 1 × 10 -5 and (ii) 2, 5 ≥ d max (Al 2 O 3 ) / d min (Cu). Kupfer-Keramik-Verbund nach Anspruch 1, wobei das Aluminiumoxid eine Anzahlverteilung der Korngrößen mit einem Medianwert d50(Al2O3) aufweist, das Kupfer oder die Kupferlegierung eine Anzahlverteilung der Korngrößen mit einem Medianwert d50(Cu) aufweist, und 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 liegt.The copper-ceramic composite according to claim 1, wherein the alumina has a number distribution of grain sizes with a median d 50 (Al 2 O 3 ), the copper or copper alloy has a number distribution of grain sizes with a median d 50 (Cu), and Ratio of d 50 (Al 2 O 3 ) to d 50 (Cu) in the range of 0.008 to 0.055, more preferably in the range of 0.010 to 0.045. Kupfer-Keramik-Verbund nach Anspruch 1 oder 2, wobei 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 sind.A copper-ceramic composite according to claim 1 or 2, wherein d min (Cu) ≥ 10 μm and d max (Cu) ≤ 300 μm, more preferably d min (Cu) ≤ 15 μm and d max (Cu) ≤ 250 μm, still More preferably, d min (Cu) ≦ 20 μm and d max (Cu) ≦ 210 μm. Kupfer-Keramik-Verbund nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei 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 sind.Copper-ceramic composite according to one of the preceding claims, wherein d min (Al 2 O 3 ) ≥ 0.01 μm and d max (Al 2 O 3 ) ≤ 25 μm, more preferably d min (Al 2 O 3 ) ≥ 0, 3 μm and d max (Al 2 O 3 ) ≤ 23 μm, more preferably d min (Al 2 O 3 ) ≥ 0.5 μm and d max (Al 2 O 3 ) ≤ 20 μm. Kupfer-Keramik-Verbund nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Verhältnisse von dmin(Al2O3) zu dmax(Cu) und von dmax(Al2O3) zu dmin(Cu) folgenden Bedingungen (i) und (ii): (i) dmin(Al2O3)/dmax(Cu) ≥ 0,001 und (ii) 1,5 ≥ dmax(Al2O3)/dmin(Cu); und noch bevorzugter folgenden Bedingungen (i) und (ii): (i) dmin(Al2O3)/dmax(Cu) ≥ 0,002 und (ii) 1,0 ≥ dmax(Al2O3)/dmin(Cu) genügen.Copper-ceramic composite according to one of the preceding claims, wherein the ratios of d min (Al 2 O 3 ) to d max (Cu) and of d max (Al 2 O 3 ) to d min (Cu) following conditions (i) and (ii): (i) d min (Al 2 O 3 ) / d max (Cu) ≥0.001 and (ii) 1.5 ≥ d max (Al 2 O 3 ) / d min (Cu); and more preferably, the following conditions (i) and (ii): (i) d min (Al 2 O 3 ) / d max (Cu) ≥0.002 and (ii) 1.0 ≥ d max (Al 2 O 3 ) / d min (Cu) suffice. Kupfer-Keramik-Verbund nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Keramiksubstrat mindestens 65 Gew% Aluminiumoxid aufweist.A copper-ceramic composite according to any one of the preceding claims, wherein the ceramic substrate comprises at least 65% by weight of alumina. Kupfer-Keramik-Verbund nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Beschichtung aus Kupfer oder einer Kupferlegierung über ein DCB-Verfahren auf das Keramiksubstrat aufgebracht ist.Copper-ceramic composite according to one of the preceding claims, wherein the coating of copper or a copper alloy via a DCB method is applied to the ceramic substrate. 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.Copper-ceramic composite according to one of the preceding claims, wherein the coating of copper or a copper alloy for forming electrical contact surfaces at least partially has a structuring. 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.A copper-ceramic composite according to any one 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. Modul, enthaltend zumindest einen Kupfer-Keramik-Verbund gemäß einem der Ansprüche 1–9 und einen oder mehrere Bonddrähte sowie ein oder mehrere elektronische Bauteile.Module comprising at least one copper-ceramic composite according to any one of claims 1-9 and one or more bonding wires and one or more electronic components.
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