DE60037069T2

DE60037069T2 - Schaltung mit Substrat

Info

Publication number: DE60037069T2
Application number: DE60037069T
Authority: DE
Inventors: Yutaka Omuta-shi Hirashima; Yoshitaka Omuta-shi Taniguchi; Yasuhito Omuta-shi Hushii; Yoshihiko Omuta-shi Tujimura; Katsunori Omuta-shi Terano; Takeshi Omuta-shi Gotoh; Syoji Omuta-shi Takakura; Nobuyuki Omuta-shi Yoshino; Isao Omuta-shi Sugimoto; Akira Omuta-shi Miyai
Original assignee: Denki Kagaku Kogyo KK
Current assignee: Denka Co Ltd
Priority date: 1999-05-28
Filing date: 2000-05-23
Publication date: 2008-09-11
Anticipated expiration: 2020-05-24
Also published as: EP1056321A3; KR20010029747A; DE60037069D1; RU2204182C2; DK1056321T3; US6309737B1; EP1056321A2; KR100400504B1; US20020037435A1; EP1056321B1; ATE378800T1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine sehr zuverlässige Schaltung mit Substrat, die z. B. für Netzeinschübe geeignet ist.
Für Halbleitervorrichtungen, die z. B. für Netzeinschübe geeignet sind, wurden üblicherweise Schaltungen mit Substrat, die ein Keramiksubstrat aus z. B. Aluminiumoxid, Berylliumoxid, Siliciumnitrid oder Aluminiumnitrid, aufweisen, und eine Schaltung und eine Wärmestrahlungsplatte aus z. B. Cu, Al oder einer Legierung einer solchen Metallkomponente, an der Vorder- und der Rückseite des Keramiksubstrats ausgebildet, entwickelt ( U.S.P. 5 354 415 ) und praktisch verwendet. Diese Schaltungen mit Substrat weisen den Vorteil auf, dass im Vergleich zu Harzsubstraten oder Verbundsubstraten aus einem Harzsubstrat und einem Metallsubstrat hervorragende isolierende Eigenschaften stabil erhalten werden können.
Methoden zum Verbinden der Schaltung und der Wärmestrahlungsplatte an das Keramiksubstrat werden grob eingeteilt in Löten unter Verwendung eines Bindungsmaterials (d. h., eines Lötmaterials) und eine Methode, die kein Bindungsmaterial verwendet. Als repräsentative Methode für die letztere war eine DBC-Methode zum Binden von Aluminiumoxid an eine Garkupferplatte unter Verwenden des Cu-O-eutektischen Punkts bekannt.
In dem Fall, in dem die Schaltung aus Kupfer hergestellt ist, ist jedoch eine thermische Spannung, die durch Unterschiede in der thermischen Ausdehnung zwischen der Schaltung und dem Keramiksubstrat oder dem Lötmittel verursacht wird, jedoch unvermeidlich, und deshalb besteht die Tendenz, dass sich auf dem Keramiksubstrat oder dem Lötmittel aufgrund einer wiederholten Wärmebeanspruchung Risse ausbilden, und es wird keine zufriedenstellende hohe Verlässlichkeit erhalten. Wenn Al als Material für die Schaltung gewählt wird, wird, obwohl es im Hinblick auf die thermische Leitfähigkeit und die elektrische Leitfähigkeit im Vergleich zu Cu etwas schlechter ist, die Al-Schaltung andererseits, selbst wenn eine thermische Beanspruchung darauf appliziert wird, leicht einer plastischen Deformation unterliegen, wodurch die an das Keramiksubstrat oder das Lötmittel angelegte Spannung vermindert wird, und sich die Verlässlichkeit signifikant verbessert.
Die Al-Schaltung weist jedoch das Problem auf, dass sie teuer ist. Um eine Al-Schaltung auszubilden, gibt es die folgenden Methoden: (1) eine Schmelzmethode, in der geschmolzenes Aluminium mit einem Keramiksubstrat in Kontakt gebracht wird, gefolgt von einem Abkühlen unter Bildung eines verbundenen Produkts, und die Dicke der Al-Platte wird eingestellt durch maschinelles Schleifen, gefolgt von Ätzen ( JP-A-7-193358 , JP-A-7-27262 ), und (2) eine Methode zum Verlöten einer Al-Folie oder einer Al-Legierung-Folie, gefolgt von Ätzen ( JP-A-3-125463 ). Beide Methoden kosten ca. zweimal bis ca. fünfmal so viel wie im Falle der Ausbildung einer Cu-Schaltung, und es besteht deshalb nur eine geringe Wahrscheinlichkeit, dass diese Methoden, außer für Spezialzwecke, weit verbreitet angewendet werden.
Abgesehen von der Schmelzmethode, bei der die Produktionseffizienz schlecht ist, ist der Hauptgrund, warum die Al-Schaltung durch Löten kostspieliger ist als eine Cu-Schaltung, der, dass das Verbinden unter schwierigen Bedingungen durchgeführt wird. Die Schmelztemperatur von Al (660°C) und die Verbindungs temperatur (von ca. 630 bis ca. 650°C im Fall einer Al-Si-Materialart, das das üblichste Bindungsmaterial ist) sind sehr nahe, wodurch Al wahrscheinlich lokal schmelzen kann, wodurch Lötdefekte (auf der Aluminiumschaltung ausgebildetes Mottenfraß-Phänomen) verursacht werden, und deshalb beträchtliches Geschick und Mühe erforderlich sind, um die Al-Schaltung unter Vermeidung solcher Defekte herzustellen.
Der Stand der Technik umfasst auch die Dokumente GB-A-1259633 und EP-A-0422558 ).
Bei dieser Sachlage haben die Erfinder der vorliegenden Anmeldung gefunden, dass eine Al-Schaltung auf einem Keramiksubstrat durch Verbinden unter spezifischen Bedingungen leicht ausgebildet werden kann, indem man als Bindungsmaterial eine billige Al-Cu-Legierung verwendet, die keine Aufmerksamkeit auf sich gezogen hat, und sie haben außerdem ausgedehnte Untersuchungen durchgeführt, um die vorliegende Erfindung zu erzielen.
Eine Aufgabenstellung der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Schaltung mit Substrat, die ein Keramiksubstrat und eine Al- oder Al-Legierung-Schaltung auf dem Keramiksubstrat ausgebildet aufweist, mit geringen Kosten und mit einer hohen Verlässlichkeit. Insbesondere besteht sie darin, eine sehr verlässliche Schaltung mit Substrat bereitzustellen, worin nicht nur Risse an einem Lötmaterial oder dem Keramiksubstrat, sondern auch ein Ablösen eines Verbindungsdrahtes oder einer Platte signifikant verhindert werden.
Eine weitere Aufgabenstellung der vorliegenden Erfindung ist es, eine solche sehr zuverlässige Schaltung mit Substrat leicht herzustellen.
Die vorliegende Erfindung besteht aus einer Schaltung mit Substrat, wie in Anspruch 1 definiert, und einem Verfahren zur Herstellung der Schaltung mit Substrat, wie in Anspruch 13 definiert. Bevorzugte Ausführungsformen werden in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Die vorliegende Erfindung wird nun detailliert unter Bezugnahme auf die bevorzugten Ausführungsformen beschrieben.
In der anliegenden Zeichnung bedeutet:
1 eine schematische Darstellung, die das Verfahren zur Herstellung einer Schaltung-Substrat-Verbundes veranschaulicht.
Die vorliegende Erfindung ist im wesentlichen dadurch charakterisiert, dass eine Al-Schaltung oder eine Al-Legierung-Schaltung (nachstehend werden beide als Al-Schaltung bezeichnet) auf mindestens einer Seite eines Keramiksubstrats über eine Al und Cu umfassende Schicht ausgebildet wird. Mit anderen Worten wird eine Al-Schaltung auf mindestens einer Seite eines Keramiksubstrats unter Verwendung einer Al-Cu-Legierung oder einer Al und Cu enthaltenden Mischung als Bindungsmaterial gebunden. Die erfindungsgemäße Schaltung mit Substrat kann eine solche Struktur aufweisen, dass eine Wärmestrahlungsplatte auf dem Keramiksubstrat auf der Seite (Rückseite) gegenüber der Seite, auf der die Al-Schaltung ausgebildet ist, ausgebildet wird.
Bis jetzt war als Bindungsmaterial für die Al-Schaltung eine Al-Si-Legierung besonders bekannt, und einige Untersuchungen wurden z. B. an einem Al-Si-Mg-Typ, einem Al-Ge-Typ und einem Al-Si-Ge-Typ durchgeführt. Es wurde jedoch kein Stand der Technik festgestellt, worin eine Legierung vom Al-Cu-Typ als Bindungsmaterial verwendet wird. Es wird angenommen, dass die Legierung vom Al-Cu-Typ keine Aufmerk samkeit auf sich gezogen hat, da sie relativ hart und zerbrechlich ist, was Anwender zu der Annahme verleitete, dass sie für eine plastische Deformation, die eine thermische Spannung der Schaltung mit Substrat auflöst, nicht vorteilhaft ist.
Vom Standpunkt der Leichtigkeit des Bindens der Al-Schaltung ist jedoch die Legierung vom Al-Cu-Typ im Vergleich zu einem Al-Si-Typ, einem Al-Ge-Typ oder einem Typ, dem Magnesium zugesetzt wurde, absolut günstiger, weil Cu wahrscheinlich im Vergleich zu Si oder Ge gleichmäßig in Al diffundiert, und so wahrscheinlich kein lokales Schmelzen oder Austreiben von überflüssigem Bindungsmaterial erfolgt, und das Binden deshalb stabil in einer relativ kurzen Zeit durchgeführt werden.
Als hochfeste Al-Legierung oder als hitzebeständige Al-Legierung wird außerdem eine Legierung der AA-Serie 2000 weit verbreitet verwendet, und sie wird leicht zu einer Folie geformt, was im Hinblick auf die Kosten ebenfalls vorteilhaft ist.
In der erfindungsgemäßen Schaltung mit Substrat wird eine Al-Schaltung an ein Keramiksubstrat über eine Schicht gebunden, die Al und Cu umfasst. Eine solche Schicht besteht aus einer Schicht, die mindestens die zwei Komponenten Al und Cu enthält, und die ferner eine dritte Komponente enthalten kann. Als dritte Komponente können z. B. Mg, Zn, In, Mn, Cr, Ti oder Bi in einer Gesamtmenge von höchstens 5 Gew.-% enthalten sein. Unter ihnen ist Mg bevorzugt.
Die Al und Cu umfassende Schicht ist auf dem Keramiksubstrat vorzugsweise innerhalb von 100 μm von der Oberfläche des Keramiksubstrats lokalisiert. Zwischen der Al-Schaltung und der Al und Cu umfassenden Schicht kann eine dritte Schicht vorhanden oder nicht vorhanden sein.
Die Al und Cu umfassende Schicht wird in einer solchen Weise ausgebildet, dass auf einem Keramiksubstrat ein(e) Al- oder Al-Legierung-Platte, Leitermuster oder beide mittels eines Bindungsmaterials vom Al-Cu-Typ vorgesehen wird, gefolgt von einem Verbinden unter Erhitzen während darauf ein Druck appliziert wird.
Als Bindungsmaterial wird eine Al-Cu-Legierung oder eine Mischung, die Al und Cu enthält, umfassend 1 bis 6 Gew.-% Cu, verwendet. Unter ihnen ist eine Al-Cu-Legierung-Folie bevorzugt, insbesondere eine Legierungsfolie mit einer Dicke von 1/10 bis 1/50 der Dicke der Al-Schaltung. Wenn die Dicke geringer als 1/50 ist, wird kein zufriedenstellendes Binden erhalten, und wenn sie 1/10 übersteigt, weist die Al-Schaltung die Tendenz auf, hart zu sein, was für den Verlauf Hitzebeanspruchung der Schaltung mit Substrat ungünstig ist. Die Dicke beträgt insbesondere vorzugsweise höchstens 100 μm, und 1/12 bis 1/40 der Dicke der Al-Schaltung. Weil üblicherweise eine Al-Schaltung mit einer Dicke von 0,4 bis 0,6 mm verwendet wird, beträgt die Dicke des Bindungsmaterials 10 bis 50 μm, insbesondere ca. 15 bis ca. 30 μm.
Das Bindungsmaterial umfasst vorzugsweise mindestens 86 Gew.-% Al, 1 bis 6 Gew.-% Cu und höchstens 3 Gew.-%, insbesondere 0,2 bis 2,0 Gew.-%, aber nicht 0, Mg.
Um eine sehr verlässliche Schaltung mit Substrat zu erhalten, umfasst die Legierung vom Al-Cu-Typ vorzugsweise mindestens 86 Gew.-% Al und höchstens 3 Gew.-%, aber nicht 0, Mg. Wenn der Gehalt an Cu geringer als 1 Gew.-% ist, tendiert die Bindungstemperatur dazu, hoch und nahe am Schmelzpunkt von Al zu sein, und wenn sie 6% übersteigt, weist Cu die Tendenz auf, nach dem Verbinden in die Al-Schaltung zu diffundieren, was für den Verlauf der Hitzebeanspruchung der Schaltung mit Substrat ungünstig ist. Der Gehalt an Kupfer beträgt vorzugsweise 1,5 bis 5 Gew.-%.
Der Gehalt an Cu in der Al und Cu umfassenden Schicht bestimmt sich im wesentlichen durch den Gehalt an Cu in dem zum Verbinden verwendeten Bindungsmaterial.
Wenn Mg zugegeben wird, werden die Eigenschaften der Al-Cu-Legierung ausgeschöpft, und die Adhäsion der Al-Schaltung auf dem Keramiksubstrat wird verbessert.
Der Mechanismus, wie die Effekte durch die Mg-Zugabe zustande kommen, wird im einzelnen nicht klar verstanden. Es wird jedoch angenommen, dass Mg mit einer Oxidschicht an der Oberfläche von Al unter Bildung von MgO reagiert und die Oxidschicht entfernt, und MgN₂ an der Oberfläche des Keramiksubstrats ausgebildet wird, wodurch sich die Benetzbarkeit verbessert.
Wenn der Gehalt an Mg 3 Gew.-% übersteigt, verdampft Mg in großen Mengen während des Bindungsvorgangs, wodurch z. B. die Al-Schaltung gebrochen werden kann, oder Mg in großen Mengen in die Al-Schaltung diffundiert, wodurch Al einer signifikanten Nachbehandlung unterliegen kann. Wenn der Gehalt an Mg zu gering ist, wird die Wirkung der Verbesserung der Adhäsion gering, und deshalb beträgt der Gehalt an Mg vorzugsweise 0,2 bis 2,0 Gew.-%.
Eine vierte Komponente, wie z. B. Zn, In, Mn, Cr, Ti, Bi, B oder Fe, kann außerdem in einer Gesamtmenge von höchstens ca. 5 Gew.-% eingebaut werden. Unter Verwendung eines Bindungsmaterials, das eine solche Zusammensetzung aufweist, wird eine Schaltung mit Substrat stabiler und mit geringeren Kosten bereitgestellt.
Spezifische Beispiele (im Handel erhältliche Legierungen) des Bindungsmaterials umfassen Al-Cu-Legierung mit einem Cu-Gehalt von 1 bis 6 Gew.-%, 2018-Legierung, die ca. 4 Gew.-% Cu und ca. 0,5 Gew.-% Mg enthält, 2017-Legierung, die ca. 0,5 Gew.-% Mn enthält, und JIS-Legierungen 2001, 2003, 2005, 2007, 2011, 2014, 2024, 2025, 2030, 2034, 2036, 2048, 2090, 2117, 2124, 2218, 2224, 2324 und 7050.
Es wird nun die Al-Schaltung erläutert.
Als Material für die Al-Schaltung können zusätzlich zu den 1000-Serien aus reinem Al, 4000-Serien aus Legierungen vom Al-Si-Typ, mit denen das Binden leicht durchgeführt werden kann, und 6000-Serien aus Legierungen vom Al-Mg-Si-Typ verwendet werden. Unter ihnen ist hochreines Al (Reinheit: mindestens 99,85 Gew.-%), das eine geringe Durchschlagsfestigkeit aufweist, bevorzugt. Eine solche Al-Platte ist im Handel erhältlich als 1085- oder 1N85-Material. Außerdem können ein Al mit einer Reinheit von 99,9 Gew.-% (3N), ein Al mit einer Reinheit von 99,99 Gew.-% (4N) und ein Al mit einer Reinheit von 99,999 Gew.-% (5N) verwendet werden, da sie nicht so teuer sind.
Die Al-Schaltung kann eine einfache Substanz oder ein Laminat, wie z. B. ein Schichtwerkstoff aus mindestens zwei Arten, sein. Beispiele für das Laminat umfassen Al-Ni, Al-Ni-Cu, Al-Mo, Al-W und Al-Cu. Sie können optional nach dem Zweck der Verwendung und der Bindungsmethode ausgewählt werden. Bevorzugt ist es jedoch, eine Walzplatte aus Al als Einfachsubstanz mit einer Reinheit von mindestens 99,99 Gew.-% zu verwenden, insbesondere eine Walzenplatte mit einem Reduktionsverhältnis von mindestens 10%. Der Grund, warum eine Al-Walzenplatte bevorzugt ist, ist es, dass ein gleichmäßiges Walzen wieder holt durch eine Walze durchgeführt wird, wodurch sich wahrscheinlich, im Vergleich zur obigen Aluminium-Schmelzmethode, eine gleichmäßige plastische Deformation ergibt.
Die Dicke der Al-Schaltung beträgt üblicherweise 0,3 bis 0,5 mm. Wenn sie von diesem Bereich deutlich abweicht, ist das vorstehend bevorzugte Verhältnis zur Dicke des Bindungsmaterials weniger wahrscheinlich zu erhalten. Wenn die Dicke der Al-Schaltung z. B. 3 mm beträgt, ist eine Dicke einer Legierungsfolie von 200 μm, die 1/15 der Dicke der Al-Schaltung beträgt, nicht zweckmäßig, und es besteht die Tendenz, dass eine harte Schicht, die für den Hitzeverlauf ungünstig ist, gebildet wird.
Die Dicke der Al-Schaltung beträgt ferner vorzugsweise mindestens 100 μm und die Vickers-Härte beträgt vorzugsweise mindestens 15 kgf/mm², um die Härte der Al-Schaltung zu optimieren, um eine relativ gleichmäßige plastische Deformation zu erreichen, um ein Ablösen eines Verbindungsdrahts und einer Beschichtung zu verhindern, und um Schäden, wie z. B. Lötmittelrisse, signifikant zu verringern.
Die Dicke der Al-Schaltung von mindestens 100 μm ist eine notwendige Bedingung, um einen Diffusionsabstand des Bindungsmaterials von ca. einigen 10 μm zu erhalten, und um die Vickers-Härte der Al-Schaltung auf höchstens 15 kgf/mm² zu bringen. Wenn die Vickers-Härte 15 kgf/mm² übersteigt, weist die plastische Deformation die Tendenz auf, nicht gleichmäßig zu sein, wenn die Al-Schaltung einer thermischen Spannung unterworfen wird, wodurch die partielle Deformation signifikant werden kann, und eine Beschichtung oder ein Verbindungsdraht die Tendenz aufweist, sich abzulösen, oder Schäden, wie z. B. Lötmittelrisse, signifikant werden können. Die untere Grenze der Vickers-Härte ist nicht besonders beschränkt, und je geringer sie ist, umso besser ist es. Bevorzugt beträgt sie jedoch 10 bis 14 kgf/mm², da die Al-Schaltung beschädigt werden kann, wenn sie zu weich ist.
Im Hinblick auf ein Schaltungssubstrat, das eine Al-Schaltung darauf ausgebildet aufweist, wurden zur Erhöhung der Zuverlässigkeit Vorschläge gemacht, wie z. B. eine Beschichtungszusammensetzung ( JP-A-8-260187 ), eine Modifizierung der Oberfläche des Keramiksubstrats ( JP-A-8-260186 ) und eine Teilchengrößendefinition der Al-Platte ( JP-A-8-156330 ). Dies sind jedoch keine zufriedenstellenden Lösungen. Erfindungsgemäß können andererseits die Probleme leicht überwunden werden, indem man die Dicke und die Vickers-Härte der Al-Schaltung optimiert.
Im Hinblick auf eine Schaltung mit Substrat, die eine solche Struktur aufweist, dass auf der gegenüberliegenden Seite (Rückseite) des Keramiksubstrats eine Wärmestrahlungsplatte ausgebildet ist, ist es bevorzugt, das Volumenverhältnis der Al-Schaltung zur Wärmestrahlungsplatte (Volumen der Schaltung/Volumen der Wärmestrahlungsplatte) in der Nachbarschaft von 1 auszubilden, um Verwerfungen und Schwellungen aufgrund einer thermischen Spannung zu minimieren, und um Schäden, wie z. B. Lötmittelrisse und ein Ablösen eines Verbindungsdrahts oder einer Beschichtung ausreichend zu verhindern. Dieses Verhältnis beträgt vorzugsweise 0,80 bis 1,2, insbesondere 0,85 bis 1,15 und in erster Linie 0,90 bis 1,1. In einem solchen Fall ist die Dicke der Wärmestrahlungsplatte vorzugsweise gleich oder geringer als die Dicke der Schaltung.
Das Volumen der Al-Schaltung und das Volumen der Wärmestrahlungsplatte werden aus den Formeln (Schaltungsfläche) × (Schaltungsdicke) bzw. (Fläche der Wärmestrahlungsplatte) × (Dicke der Wärmestrahlungsplatte) berechnet.
In dem Fall, in dem das Volumenverhältnis das vorstehend angegebene beträgt, beträgt die Vickers-Härte der Al-Schaltung vorzugsweise höchstens 16 kgf/mm², und die Vickers-Härte der Wärmestrahlungsplatte vorzugsweise 19 bis 30 kgf/mm².
Die Vickers-Härte ist die Härte der Al-Schaltung oder der Wärmestrahlungsplatte und verschieden von der Härte einer Al-Platte vor dem Verbinden. Die Al-Platte wird an das Keramiksubstrat unter Verwendung des Bindungsmaterials und durch Erhitzen bei einer Temperatur von 500 bis 640°C gebunden. Deshalb kann sich die Mikrostruktur aufgrund der Wärmebehandlung verändern, und das Bindungsmaterial kann diffundieren, um die Al-Reinheit zu verringern. Die Hitzebehandlung kann außerdem nach dem Binden durchgeführt werden, wodurch sich die Al-Eigenschaften ändern. Es hat deshalb wenig Bedeutung, die Härte der Al-Platte vor dem Binden genau zu definieren.
Die Vickers-Härte wird nach einer Methode bestimmt, bei der ein feiner Eindruck ausgebildet wird, während darauf eine Last appliziert wird, um die Härte zu messen, und wird als Methode zur Messung der Härte von Metallen und Keramiken weit verbreitet verwendet. Abhängig von den Messbedingungen können leicht unterschiedliche Werte erhalten werden. In der vorliegenden Erfindung wird die Messung deshalb bei der Belastung von 1 kgf während einer Haltezeit von 15 Sekunden durchgeführt.
Es wird nun das Keramiksubstrat erläutert.
Im Hinblick darauf, dass es für Netzeinschübe verwendet wird, die eine hohe Verlässlichkeit erfordern, wird als Material für das Keramiksubstrat zweckmäßigerweise Aluminiumnitrid oder Siliciumnitrid mit einer thermischen Leitfähigkeit von mindestens 70 W/mK verwendet. Siliciumcarbid, Berylliumoxid oder dergleichen können verwendet werden, sie weisen jedoch schlechte Isoliereigenschaften und Sicherheit auf.
Das für die vorliegende Erfindung geeignete Keramiksubstrat ist ein Aluminiumnitrid-Substrat mit einer thermischen Leitfähigkeit von mindestens 130 W/mK, und mit einem Röntgenbeugungspeak-Intensitätsverhältnis an der Oberfläche mittels Cu/Kα-Strahlen, dass 2 ≤ Y₂O₃·Al₂O₃ × 100/MN ≤ 17 und 2Y₂O₃·Al₂O₃ × 100/AIN ≤ 2 sind. Unter Verwendung dieses Aluminiumnitrid-Substrats steigt die Bindungsfestigkeit durch das vorstehende Bindungsmaterial vom Al-Cu-Typ, und außerdem wird eine sehr zuverlässige Schaltung mit Substrat erhalten.
Ein solches Aluminiumnitrid-Substrat kann ausgebildet werden durch Verwendung (a) eines Aluminiumnitrid-Pulvermaterials, das 1 bis 10 Gew.-% grobe Teilchen mit Größen von nicht geringer als 100 μm und 10 bis 50 Gew.-% feine Teilchen mit Größen von nicht mehr als 1 μm aufweist, gemessen mittels Laserbeugungsstreuung, und durch Optimieren von z. B. (b) des Zusammensetzungsverhältnisses von Al₂O₃-Gehalt und Y₂O₃-Gehalt im Aluminiumnitrid-Pulvermaterial, (c) der Menge des nach dem Entfernen eines Bindemittels vor dem Sintern erhöhten Sauerstoffs und (d) der Sintertemperatur.
In dem Fall, in dem der 2Y₂O₃·Al₂O₃-Gehalt hoch ist, muss der Al₂O₃-Gehalt z. B. relativ erhöht werden, und deshalb wird ein Aluminiumnitrid-Pulvermaterial mit einem hohen Sauerstoffgehalt verwendet, oder ein Al₂O₃ zugegeben, um den Y₂O₃-Gehalt zu verringern. In dem Fall, in dem der Y₂O₃·Al₂O₃-Gehalt hoch ist, wird andererseits die zugegebene Menge von Y₂O₃ verringert oder die Sintertemperatur erniedrigt. Der Al₂O₃-Gehalt kann ferner erhöht werden, indem man eine Entfernung eines Bindemittels an der Luft durchführt.
Als Sinterhilfsmittel wird ein Pulver aus z. B. Yttriumoxid, Aluminiumoxid, Magnesiumoxid oder einem Seltenerdmetalloxid im Aluminiumnitrid-Pulvermaterial in einer Menge von ca. 0,5 bis ca. 10 Gew.-%, bezogen auf das Pulvermaterial, eingebaut. Das Ausformen wird unter Verwendung eines organischen Bindemittels, wie z. B. Butyral oder Methylcellulose, durchgeführt, und nach Entfernen des Bindemittels wird das Sintern durchgeführt, indem man das geformte Produkt in einer nicht-oxidierenden Atmosphäre von z. B. Stickstoff oder Argon bei einer Temperatur von 1700 bis 1900°C 1 bis 12 Stunden hält.
Die Dicke des Keramiksubstrats beträgt üblicherweise 0,635 mm, kann aber gemäß den geforderten Eigenschaften verändert werden. In einem Fall, in dem die Hitzebeständigkeit wichtig ist und die Isoliereigenschaften bei hoher Spannung nicht so wichtig sind, kann z. B. ein dünnes Substrat von 0,5 bis 0,3 mm verwendet werden. Andererseits kann in einem Fall, in dem die Isolierdruckwiderstände bei hoher Spannung oder partielle Entladungseigenschaften wichtig sind, ein dickes Substrat von 1 bis 3 mm verwendet werden. Nun wird das Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Schaltung mit Substrat erläutert.
Die erfindungsgemäße Schaltung mit Substrat wird ausgebildet z. B. nach einem Verfahren des Bindens einer Al-Platte oder einer Al-Legierungsplatte an ein Keramiksubstrat unter Verwendung des vorstehenden Bindungsmaterials vom Al-Cu-Typ unter Erhitzen, gefolgt von Ätzen, oder einem Verfahren des Bindens eines in einer Al-Platte oder in einer Al-Legierungsplatte ausgestanzten Leitungsmusters an ein Keramiksubstrat unter Verwendung des obigen Bindungsmaterials vom Al-Cu-Typ.
In jedem Fall liegt die Bindungstemperatur im Bereich von 540 bis 640°C. Der geeignete Bereich ist jedoch abhängig von der Zusammensetzung des Bindungsmaterials verschieden. In einem Fall, in dem eine Komponente mit einem relativ niedrigen Schmelzpunkt, wie z. B. Zn oder In, eingebaut ist, oder der Gehalt von z. B. Cu oder Mg relativ hoch ist, wird das Binden zufriedenstellend bei einer Temperatur von höchstens 600°C durchgeführt. Wenn die Bindungstemperatur 640°C übersteigt, können andererseits wahrscheinlich Lötdefekte (auf der Al-Schaltung ausgebildetes Mottenfraß-Phänomen) resultieren. Ferner ist es bevorzugt, einen Druck von 1 bis 100 kgf/cm² in einer Richtung senkrecht zum Keramiksubstrat während des Verbindens zu applizieren.
Bei der üblichen Herstellung der Schaltung mit Substrat wird, wenn die Metallplatte an das Keramiksubstrat gebunden wird, darauf ein Druck appliziert, indem man ein Gewicht darauf stellt. Der Druck beträgt jedoch höchstens ca. 0,1 kgf/cm², und mit einem Druck dieses Niveaus folgt die Metallplatte nur relativ geringen Verwindungen und Wellungen. Andererseits wird erfindungsgemäß ein hoher Druck von 1 bis 100 kgf/cm² (1 kgf/cm² = 98070 Pa), was im Stand der Technik äußerst hoch ist, appliziert. Deshalb wird ein Standard-Keramiksubstrat direkt ohne Erfordernis einer strikten Glätte und Flachheit verwendet, wodurch sich die Produktivität verbessert. Da das Keramiksubstrat eine hohe Druckfestigkeit aufweist, wird es durch den Druck bei diesem Niveau kaum beschädigt. Da ein Keramiksubstrat üblicherweise jedoch einige Verwerfungen und Wellungen aufweist, besteht das Risiko, dass, wenn ein Druck, der 50 kgf/cm², und insbesondere ein Druck, der 100 kgf/cm², übersteigt, daran appliziert wird, eine Spaltung auftritt, und deshalb muss das Verfahren sorgfältig ausgeführt werden.
Al oder eine Al-Legierung selbst ist bei einer Temperatur von mindestens 500°C ein sehr weiches Material, wie dies aus der Tatsache ersichtlich ist, dass es bei einer Temperatur von 300 bis 350°C getempert wird. Selbst wenn beim Verbinden Lötdefekte ausgebildet werden, werden sie deshalb durch Applizieren eines Drucks von 1 bis 100 kgf/cm² zerdrückt und verschwinden. Wenn es wichtig ist, die Lötdefekte zu minimieren, wird deshalb das verbundene Produkt bei einer Temperatur von mindestens 400°C wieder erhitzt, während darauf nach dem Verbinden ein Druck appliziert wird, oder ein Druck wird darauf bei einer Temperatur von mindestens 400°C in einer Kühlstufe nach dem Verbinden appliziert.
Der Druck wird in einer Richtung senkrecht zum Keramiksubstrat appliziert, und die Methode oder dergleichen ist nicht besonders beschränkt. Eine Methode des darauf Stellens eines Gewichts oder eine Methode einer mechanischen sandwichartigen Anbringung des Substrats unter Verwendung einer Einspannvorrichtung kann z. B. verwendet werden.
Das Bindematerial ist eine Legierung vom Al-Cu-Typ oder eine Mischung, die Al und Cu enthält, mit 1 bis 6 Gew.-% Kupfer, vorzugsweise eine Al-Cu-Legierung-Folie und insbesondere eine Al-Cu-Mg-Legierung-Folie, die mindestens 86 Gew.-% Al umfasst, und mit höchstens 3 Gew.-% (insbesondere 0,2 bis 2,0 Gew.-%), aber nicht mit 0, Mg. Außerdem kann eine Paste, die ein Pulver dieser Legierung oder eine Metallpulvermischung, die diese Legierungszusammensetzung aufweist, und ein organisches Bindemittel und ein Lösungsmittel umfasst, verwendet werden. In diesem Fall muss das Verfahren sorgfältig durchgeführt werden, damit das Metall nicht oxidiert wird, und die Menge an Sauerstoff im Metallpulver wird auf höchstens 1 Gew.-%, insbesondere höchstens 0,8 Gew.-%, eingestellt. Um das vorstehend erwähnte Verhältnis in der Dicke zur Al-Schaltung aufrechtzuerhalten, wird die Dicke des Bindungsmaterials als Dicke der Legierungsfolie kalkuliert. Eine Dicke von 100 μm einer Pastenschicht mit einer Rohdichte von 50% entspricht nämlich einer Dicke von 50 μm einer Legierungsfolie.
Das Bindungsmaterial kann entweder auf dem Keramiksubstrat oder an der Metallplatte oder dem Leitermuster vorgesehen werden. Die Metallplatte oder das Leitermuster können außerdem vorher mit der Legierungsfolie beschichtet werden.
Dann wird das verbundene Produkt, wie erforderlich, geätzt. Wenn ein Muster einer Schaltung oder eine Wärmestrahlungsplatte gebunden wird, ist das Ätzen nicht besonders erforderlich. Das Ätzen kann nach einem üblichen Resist-Ätzverfahren durchgeführt werden. Wie erforderlich, kann außerdem eine Oberflächenbehandlung, wie z. B. ein Beschichten, durchgeführt werden.
Die bevorzugten Bedingungen für das Verbinden sind in der vorliegenden Erfindung solche, dass eine Al-Cu-Legierung-Folie mit einer Dicke von 15 bis 35 μm als Bindungsmaterial verwendet wird, ein Druck von 8 bis 50 kgf/cm² appliziert wird, die Bindungstemperatur mindestens 590°C beträgt, und die Haltezeit mindestens 20 Minuten unter diesem Druck bei dieser Bindungstemperatur beträgt, wodurch eine Vickers-Härte der Al-Schaltung mit höchstens 16 kgf/cm² leicht hergestellt werden kann. Insbesondere wird die Haltezeit bei einer Temperatur von 595 bis 635°C während 20 bis 90 Minuten durchgeführt.
Der Mechanismus, wie die Vickers-Härte sich die in der vorliegenden Erfindung verringert, wird im einzelnen nicht klar verstanden. Es wird angenommen, dass, da das Binden in der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu einer konventionellen Tempertemperatur von 300 bis 350°C bei einer äußerst hohen Temperatur durchgeführt wird, Al in einem sehr weichen Zustand vorliegt, wodurch der Druck wahrscheinlich gleichmäßig übertragen wird, und so ein Teilchenwachstum unterdrückt wird.
Die vorliegende Erfindung wird nun näher unter Bezugnahme auf Beispiele beschrieben. Es ist jedoch darauf hinzuweisen, dass die Erfindung keinesfalls auf solche spezifischen Beispiele beschränkt ist.
BEISPIELE 1 bis 6 und VERGLEICHSBEISPIELE 1 bis 3
Als Aluminiumnitrid-Substrat wurde direkt ein gesintertes ohne Nachbehandlung, wie z. B. Oberflächenpolieren oder Nachbehandeln von Verwerfungen, verwendet, das eine Dicke von 0,635 mm, eine Größe von 2 Inch², eine thermische Leitfähigkeit von 170 W/mK und eine Biegefestigkeit von 400 MPa aufwies. Als Al-Platte zum Ausbilden einer Al-Schaltung wurde JIS1090 (Dicke: 0,5 mm, Al-Reinheit: 99,9 Gew.-%) verwendet.
Zunächst wurden die Al-Platten auf die Vorderseite und die Rückseite des Aluminiumnitrid-Substrats mittels eines Bindungsmaterials aufgelegt, und die resultierende Anordnung wurde zwischen C-C-Verbundplatten (Dicke: 2 mm) sandwichartig angebracht und bei einer Temperatur von 550 bis 620°C unter Vakuum oder in N₂ unter Applikation eines gleichmäßigen Druckes in Richtung senkrecht zum Keramiksubstrat mittels einer Heißpressvorrichtung erhitzt.
Als Bindematerial wurde (a) eine Al-9,6-Gew.-%-Si-1Gew.-%-Mg-Legierungsfolie, (b) eine Al-15 Gew.-%-Ge-Legierungsfolie, (c) eine Al-4,1 Gew.%-Cu-0,5 Gew.-%-Mn-Legierungsfolie, (d) eine Al-2,8 Gew.-%-Cu-Legierungsfolie und (e) eine Paste, die ein durch Zerstäuben der obigen Legierungsfolie (c) in Stickstoff auf eine mittlere Teilchengröße von 10 μm und ein organisches Bindemittel (PIBMA) und ein Lösungsmittel (Terpineol) umfasst, verwendet.
In jedem Beispiel wurden 100 verbundene Produkte hergestellt, und die Bindungsfehler und Lötdefekte wurden unter dreifacher Vergrößerung unter Verwendung von weicher Röntgenstrahlung untersucht. Die untere Grenze der Bestimmung betrug ca. 0,3 mm im Durchmesser. Außerdem wurden 10 Produkte in jedem Beispiel ausgewählt, und ein Ätzen mit einer FeCl₃-Flüssigkeit innerhalb von 2 mm von der Peripherie von jeder Al-Platte an jedem Produkt durchgeführt, ein stromloses Ni-P-Plattieren daran mit einer Dicke von 3 μm auf jeder Seite durchgeführt, und dann wurden zwei Siliciumchips von 12,5 mm² auf dem Mittelteil auf der Frontseite mittels eines eutektischen Lötmittels aufgelötet, und die gegenüberliegende Seite wurde auf eine Al/SiC-Wärmesenke aufgelötet. Die Lötmitteldicke betrug an jeder Seite 150 μm.
Dann wurde ein Hitzeverlaufstest für 3000 und 5000 Zyklen durchgeführt, wobei jeder Zyklus aus 30 Minuten bei –40°C, 10 Minuten bei Raumtemperatur, 30 Minuten bei 125°C und 10 Minuten bei Raumtemperatur bestand, und Fehler im Aussehen, wie z. B. Blasen und Ablösungen, wurden überprüft, und die Gegenwart oder Abwesenheit von Lötrissen wurde untersucht, indem man Querschnitte von drei Schaltungen mit Substrat beobachtete. Dann wurde der Schaltungsteil von jeder von sieben Schaltungen mit Substrat gelöst, um die Gegenwart oder Abwesenheit von Rissen durch Tintentestmethode (rote Prüfung) festzustellen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 angegeben.
BEISPIEL 7 und VERGLEICHSBEISPIEL 4
Auf gleiche Weise wie in Beispiel 2 oder Vergleichsbeispiel 2 wurden Schaltungen mit Substrat hergestellt, mit der Ausnahme, dass ein Siliciumnitrid-Substrat (Dicke: 0,635 mm, Größe: 2 Inch², thermische Leitfä higkeit: 70 W/mK, Biegefestigkeit: 800 MPa) anstelle des Aluminiumnitrid-Substrats verwendet wurde. Die erhaltenen Schaltungen mit Substrat wurden auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 bewertet. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 angegeben.
Aus Tabelle 1 ist es ersichtlich, dass in den erfindungsgemäßen Beispielen 1 bis 7 der Verbindungszustand hervorragend war, und Schaltungen mit Substrat sogar in N₂ stabil hergestellt wurden, während in den Vergleichsbeispielen 1 bis 4 viele Fehler auftraten, und die Produktivität schlecht war. Überraschenderweise waren ferner die Eigenschaften in den erfindungsgemäßen Beispielen gleich zu denen der Vergleichsbeispiele.
Die in den Vergleichsbeispielen verwendeten Legierungsfolien (a) und (b) wiesen außerdem eine wie in JP-A-3-125463 beschriebene Zusammensetzung auf, waren aber kundenspezifisch hergestellt und nicht als Legierungsfolien im Handel, und deshalb schwer erhältlich. Die in den Beispielen verwendete Legierungsfolie (c) ist andererseits ein im Handel erhältliches Produkt, hergestellt durch Formen von 2017-Legierung zu einer Folie, und ist leicht mit geringen Kosten erhältlich.
BEISPIELE 8 bis 12
Al-Platten (Reinheit: mindestens 99,99 Gew.-%, Dicke: in Tabelle 2 angegeben) wurden auf die Vorder- und Rückseite eines Aluminiumnitrid-Substrats (Dicke: 0,635 mm, Größe 2 Inch², thermische Leitfähigkeit: 175 W/mK, Dreipunkt-Biegefestigkeit: 420 MPa) mittels eines Bindungsmaterials aufgelegt, und darauf in einer Richtung senkrecht zum Aluminiumnitrid-Substrat unter Verwendung einer Einspannvorrichtung, worin Kohleplatten auf das Substrat geschraubt und gepresst wurden, ein Druck appliziert. Die Bindungsbedingungen sind in Tabelle 2 angegeben. Als Bindungsmaterial wurde verwendet (f) eine Al-3,9-Gew.-%-Cu-Legierungsfolie oder (g) eine auf solche Weise erhaltene Paste, bei der die Aluminiumfolie (f) in N₂ auf eine mittlere Teilchengröße von 9 μm zerstäubt wurde, die erhaltenen Teilchen mit Größen von 45 μm oder weniger gesammelt wurden, und ein organisches Bindemittel und ein Lösungsmittel dazugegeben wurden, um eine Paste zu erhalten.
Nach dem Binden wurden durch Siebdruck Ätz-Resists aufgedruckt, gefolgt von einem Ätzen mittels einer FeCl₃-Flüssigkeit. Muster für eine Al-Schaltung und eine Wärmestrahlungsplatte waren Quadrate (Ecken R: 2 mm), die auf dem Mittelteil des Keramiksubstrats ausgebildet wurden. Ihre Größen wurden verschieden geändert, um das Volumenverhältnis der Al-Schaltung zur Wärmestrahlungsplatte wie in Tabelle 2 angegeben einzustellen. Dann wurden die Resists abgenommen und ein stromloses Ni-P-Plattieren in einer Dicke von 3 μm auf jeder Seite appliziert, und eine Schaltung mit Substrat erhalten.
Die Vickers-Härte der erhaltenen Schaltung mit Substrat wurde gemessen. Dann wurde ein Al-Draht von 300 μm mittels Ultraschallwellen daran gebunden, und ein Si-Chip von 13 mm² wurde auf den Mittelteil angelötet. Dann wurden solche Proben hergestellt und einem Hitzezyklustest auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 unterworfen. Nach dem Test wurde die Anwesenheit oder Abwesenheit eines Ablösens des Bindungsdrahts oder Schädigungen, wie z. B. Lötrisse, untersucht, und dann wurden die Schaltungen und die Wärmestrahlungsplatten mit Chlorwasserstoffsäure gelöst, um die Gegenwart oder Abwesenheit von Rissen auf den Aluminiumnitrid-Substraten festzustellen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 3 angegeben.
Aus den Tabellen 2 und 3 ist es ersichtlich, dass der Bindungsdraht und die Beschichtung sogar nach einem Hitzezyklustest für 5000 Zyklen nicht beschädigt waren, und die Risse im Lötmittel und dem Aluminiumnitrid-Substrat minimiert werden konnten, indem man die Dicke der Al-Schaltung mindestens 100 μm und die Vickers-Härte höchstens 15 kgf/mm² machte. Wie aus einem Vergleich zwischen den Beispielen 8, 10 und 11 und den Vergleichsbeispielen 9 und 12 ersichtlich ist, wurden die vorstehenden Effekte insbesondere signifikant, wenn die Dicke der Al-Schaltung 150 bis 300 μm betrug, und das Volumenverhältnis der Al-Schaltung zur Wärmestrahlungsplatte (Schaltungsvolumen/Wärmestrahlungsplatten-Volumen) 0,80 bis 1,2 betrug.
BEISPIELE 13 bis 18
Unter Verwendung des in Beispiel 1 verwendeten Aluminiumnitrid-Substrats wurden Schaltungen mit Substrat auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 hergestellt, mit der Ausnahme, dass die Al-Platte (im Handel erhältliches Produkt), das Bindungsmaterial und die Bindungsbedingungen die in Tabelle 4 angegebenen waren, und die Bewertungen wurden auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 durchgeführt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 5 angegeben.
Aus einem Vergleich zwischen Tabelle 1 und Tabellen 4 und 5 ist es ersichtlich, dass bei Verwendung eines Bindungsmaterials, das mindestens 86 Gew.-% Al, 1 bis 6 Gew.-% Cu und höchstens 3 Gew.-% (aber nicht 0) Mg umfasst, Schaltungen mit Substrat hergestellt werden konnten, die einen hervorragenden Bindungszustand, ohne z. B. Lunker, aufweisen, die im wesentlichen keine Lötmittelrisse und Risse am Aluminiumnitrid-Substrat sogar nach einem Hitzezyklustest für 5000 Zyklen aufwiesen, und im Hinblick auf den Hitzeverlauf eine hohe Dauerhaftigkeit aufwiesen.
Wie aus einem Vergleich zwischen den Beispielen 13 und 18 und den Beispielen 14 bis 17 ersichtlich, weist die Zahl der Fehler aufgrund von Substratrissen sogar nach dem Hitzezyklustest für 5000 Zyklen bei einem Ansteigen der Al-Platten-Reinheit eine abnehmende Tendenz auf. Wie dies aus einem Vergleich zwischen Beispiel 14 und Beispiel 15 ersichtlich ist, wurde der obige Effekt insbesondere signifikant, wenn eine Walzen-Al-Platte mit einer Reinheit von mindestens 99,99 Gew.-% verwendet wurde.
Der Grund, warum der beste Effekt in Beispiel 15 erhalten wurde, ist der, dass die Dicke des Bindungsmaterials optimiert war. Aus einem Vergleich zwischen Beispiel 16 und Beispiel 17 war in Beispiel 17 das Bindematerial dick, was für eine Vorbeugung von Substratrissen ungünstig ist, die Al-Platten-Reinheit war jedoch hoch, wodurch die Zahl der Substratrisse kleiner war als in Beispiel 16.
BEISPIELE 19 bis 21
Herstellung eines Aluminiumnitrid-Substrats
Y₂O₃ wurde mit einem im Handeln erhältlichen Aluminiumnitrid-Pulver in einem wie in Tabelle 6 angegebenen Anteil gemischt, ein organisches Bindemittel und ein organisches Lösungsmittel wurden dazugegeben, gefolgt von einem Kneten, die Mischung wurde mittels einer Walzenverformungsvorrichtung in ein Blatt geformt. Das Blatt wurde geschnitten, ein Trennmaterial (BN-Pulver) darauf beschichtet, die geschnittenen Blätter wurden an einander laminiert, das Bindemittel wurde bei 450°C unter einem verringerten Druck von ca. 1 Pa entfernt, und außerdem wurde an der Luft eine Decarbonisierung durchgeführt. Jede Probe wurde unter den in Tabelle 6 angegebenen Bedingungen in N₂-Atmosphäre erhitzt und ein Aluminiumnitrid-Substrat 4 mit einer Größe von 40 mm × 40 mm und einer Dicke von 0,635 mm erhalten. Vom erhaltenen Aluminiumnitrid-Substrat wurde das Intensitätspeak-Verhältnis an der Oberfläche mittels Röntgenbeugung gemessen, und die thermische Leitfähigkeit wurde mittels Laserblitzlichtmethode erhalten. Die Ergebnisse sind in Tabelle 6 angegeben.
Herstellung eines Schaltung-Substrat-Verbundkörpers
Eine Wärmesenke 6 (im Handel erhältlicher Al/SiC-Verbundkörper mit einer Größe von 50 mm × 500 mm und einer Dicke von 3 mm) und eine Al-Schaltung 2 (aus einem handelsüblich erhältlichen Al-Material (Reinheit: mindestens 99,99 Gew.-%) ausgestanztes Schaltungsmuster) wurden auf jede Seite des erhaltenen Aluminiumnitrid-Substrats mittels eines Bindungsmaterials 3, 5, wie in Tabelle 7 angegeben und wie in 1 veranschaulicht, laminiert. In 1 bezeichnet die Bezugsziffer 1 einen Kohlenstoff-Abstandhalter. Das erhaltene Laminat wurde zum Binden in einem Ofen erhitzt, während in Richtung senkrecht zum Aluminiumnitrid-Substrat mittels eines Kohlenstoff-Stoßstabes unter Verwendung einer hydraulischen monoaxialen Druckvorrichtung von der Außenseite des Ofens ein Druck appliziert wurde. Das Binden wurde unter einem Vakuum von 4 × 10^–3 Pa (diskontinuierlich arbeitender Ofen) oder in N₂-Gas (kontinuierlich arbeitender Ofen) unter den in Tabelle 8 angegebenen Bedingungen durchgeführt.
Vom erhaltenen Schaltung-Substrat-Verbund wurde der Bindungszustand mittels eines Ultraschall-Fehlerdetektors (SAT) festgestellt, und ein solcher, in dem ein nicht gebundener Anteil mit einem Durchmesser von 1 mm oder größer oder eine nicht gebundene Anteilsfläche von mindestens 1% gefunden wurde, wurde als Bindungsfehler bewertet. Dann wurde jede Probe einem Hitzezyklustest für 3.000 und 5.000 Zyklen unterworfen, wobei jeder Zyklus 30 Minuten bei –40°C, 10 Minuten bei Raumtemperatur, 30 Minuten bei 125°C und 10 Minuten bei Raumtemperatur umfasste, wonach das Aussehen festgestellt wurde, um die Gegenwart oder Abwesenheit von Rissen zu bestätigen, und dann wurde der Bindungszustand mittels SAT geprüft. Die Ergebnisse sind in Tabelle 9 angegeben.
Aus den Tabellen 6 bis 9 ist es ersichtlich, dass unter Verwendung des Aluminiumnitrid-Substrats mit einer thermischen Leitfähigkeit von mindestens 130 W/mK und einem solchen Röntgenbeugungs-Peakintensitätsverhältnis auf der Substratoberfläche, dass 2 ≤ Y₂O₃·Al₂O₃ × 100/AIN ≤ 17 und 2Y₂O₃·Al₂O₃ × 100/AIN ≤ 2 ist, wurden Schaltung-Substrat-Verbundkörper erhalten, die einen hervorragenden Bindungszustand zeigen und sogar nach dem Hitzezyklustest für 5.000 Zyklen wenige Risse aufweisen. Insbesondere in den Beispielen 19 und 21 konnten Schaltung-Substrat-Verbundkörper hergestellt werden, die sogar unter Verwendung des vereinfachten kontinuierlichen Ofens nur wenige Bindungsfehler aufwiesen.
BEISPIELE 22 bis 25
Eine Al-Platte für eine Al-Schaltung und eine Al-Platte für eine Wärmestrahlungsplatte wurden auf der Vorder- bzw. Rückseite des in Beispiel 8 verwendeten Aluminiumnitrid-Substrats mittels eines wie in Tabelle 10 angegebenen Bindungsmaterials aufgelegt, und das Binden wurde unter den in Tabelle 11 angegebenen Bindungsbedingungen durchgeführt.
Nach dem Binden wurden mittels Siebdruck Ätz-Resists aufgedruckt, gefolgt von einem Ätzen mittels einer FeCl₃-Flüssigkeit. Muster für eine Al-Schaltung und eine Wärmestrahlungsplatte waren Quadrate (Ecke R: 2 mm), die auf dem Mittelteil des Keramiksubstrats ausgebildet wurden. Ihre Größen wurden variierend verändert, um das Volumenverhältnis der Al-Schaltung zu dem der Wärmestrahlungsplatte wie in Tabelle 10 angegeben einzustellen. Dann wurden die Resists abgelöst, und eine stromlose Ni-P-Plattierung wurde in einer Dicke von 3 μm auf jeder Seite appliziert, und eine Schaltung mit Substrat erhalten.
Unter Verwendung einiger der erhaltenen Schaltungen mit Substrat wurde die Al-Schaltung und die Wärmestrahlungsplatte abgelöst, um ihre Vickers-Härten zu messen. Außerdem wurde ein Si-Chip von 13 mm² auf den Mittelteil von jeder einiger Schaltungen mit Substrat aufgelötet, und ein Hitzezyklustest wurde auf die gleiche Weise wie in Beispiel 19 durchgeführt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 12 angegeben.
Aus einem Vergleich zwischen den Beispielen 22 bis 24 und Beispiel 25 ist es ersichtlich, dass im Hinblick auf die Schaltungen mit Substrat, die ein Volumenverhältnis der Al-Schaltung zur Wärmestrahlungsplatte von 0,80 bis 1,2 aufweisen, durch Erzeugen einer Vickers-Härte der Al-Schaltung von höchstens 16 kgf/mm² und der Vickers-Härte der Wärmestrahlungsplatte von 19 bis 30 kgf/mm², die Lötmittelrisse und die Substratrisse sogar nach 5.000 Zyklen signifikant unterdrückt werden konnten.
In den Beispielen 13 bis 25 wurde der Cu-Gehalt in der Al und Cu umfassenden Schicht in jeder gebundenen Schicht durch Quantifizierung des Peakverhältnisses in der Elementaranalyse durch Querschnittsbeobachtung als mit 1 bis 6 Gew.-% bestätigt.
Nach der vorliegenden Erfindung kann eine sehr zuverlässige Schaltung mit Substrat stabil und mit niedrigen Kosten bereitgestellt werden, die für Netzeinschübe geeignet ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann außerdem eine sehr zuverlässige Schaltung mit Substrat mit wenigen Lötmittelrissen und Rissen am Keramiksubstrat bereitgestellt werden.
Erfindungsgemäß kann ferner ein sehr zuverlässiger Schaltung-Substrat-Verbund (Schaltung mit Substrat mit Wärmesenke) bereitgestellt werden, der ein geringes Gewicht und hervorragende Wärmestrahlungseigenschaften aufweist.

Claims

Schaltung mit Substrat, die ein keramisches Substrat (4) und eine Al oder eine Al-Legierung umfassende Al-Schaltung (2) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung mit Substrat erhältlich ist durch Binden der Al oder eine Al-Legierung umfassenden Al-Schaltung an das Keramiksubstrat über eine Al und Cu umfassende Schicht (3) unter einem Druck von 1 bis 100 kgf/cm² (1 kgf/cm² = 98070 Pa), und bei einer Temperatur von 540°C bis 640°C, wobei der Anteil an Cu in der Al und Cu umfassenden Schicht 1 bis 6 Gew.-% beträgt.
Schaltung mit Substrat nach Anspruch 1, worin die Al oder eine Al-Legierung umfassende Al-Schaltung an das Keramiksubstrat gebunden wird unter Verwenden einer Al-Cu-Legierung oder einer Al und Cu enthaltenden Mischung als Bindematerial.
Schaltung mit Substrat nach Anspruch 2, worin das Bindematerial eine Folie vom Al-Cu-Legierungs-Typ ist.
Schaltung mit Substrat nach Anspruch 1, 2 oder 3, worin das Keramiksubstrat ein Aluminiumnitrid-Substrat oder ein Siliciumnitrid-Substrat ist.
Schaltung mit Substrat nach Anspruch 1 bis 4, worin das Keramiksubstrat ein Aluminiumnitrid-Substrat ist, das eine thermische Leitfähigkeit von mindestens 130 W/mK aufweist und ein solches Röntgenbeugungspeak-Intensitätsverhältnis aufweist, dass an der Oberfläche 2 ≤ Y₂O₃·Al₂O₃ × 100/AIN ≤ 17 und 2Y₂O₃·Al₂O₃ × 100/AIN ≤ 2.
Schaltung mit Substrat nach Anspruch 1 bis 5, worin die Al oder eine Al-Legierung umfassende Al-Schaltung erhältlich ist unter Verwendung von Al mit einer Reinheit von mindestens 99,85 Gew.-%.
Schaltung mit Substrat nach Anspruch 1 bis 6, worin die Al oder eine Al-Legierung umfassende Al-Schaltung erhältlich ist durch Verwenden eines Walzen-Al mit einer Reinheit von mindestens 99,99 Gew.-%.
Schaltung mit Substrat nach Anspruch 2 oder 3, worin die Al oder eine Al-Legierung umfassende Al-Schaltung an das Keramiksubstrat gebunden ist durch Verwenden eines Bindematerials, das mindestens 86 Gew.-% Al und höchstens 3 Gew.-%, aber nicht 0, Mg umfasst.
Schaltung mit Substrat nach Anspruch 1 bis 8, worin die Al oder eine Al-Legierung umfassende Al-Schaltung eine Dicke von mindestens 100 μm und eine Vickers-Härte von höchstens 15 kgf/mm² aufweist.
Schaltung mit Substrat nach Anspruch 1 bis 9, die eine Wärmestrahlungsplatte (6), die Al oder eine Al-Legierung umfasst, auf dem Keramiksubstrat an der Seite (Rückseite) gegenüber der Seite, an der die Al-Schaltung ausgebildet ist, aufweist.
Schaltung mit Substrat nach Anspruch 10, worin das Volumenverhältnis der Al-Schaltung zur Wärmestrahlungsplatte 0,80 bis 1,2 beträgt.
Schaltung mit Substrat nach Anspruch 9, worin die Al-Schaltung eine Vickers-Härte von höchstens 16 kgf/mm² aufweist, und die Wärmestrahlungsplatte eine Vickers-Härte von 19 bis 30 kgf/mm² aufweist.
Verfahren zur Herstellung einer Schaltung mit Substrat, das umfasst das Bereitstellen eines (einer) Al- oder Al-Legierung-Platte, -Leitungsmusters oder beider (2) auf einem Keramiksubstrat (4) mittels einer Al-Cu-Legierung oder einer Mischung, die Al und Cu enthält, als Bindematerial (3), wobei der Anteil von Cu im Bindungsmaterial 1 bis 6 Gew.-% beträgt, und Erhitzen der resultierenden Anordnung bei einer Temperatur von 540 bis 640°C, während man einen Druck von 1 bis 100 kgf/cm² (1 kgf/cm² = 98070 Pa), in einer Richtung senkrecht zum Keramiksubstrat daran appliziert, um die (das) Al- oder Al-Legierung-Platte, -Muster oder beide an das Keramiksubstrat zu binden, gefolgt von Ätzen, wie es der Fall erfordert.
Verfahren zur Herstellung einer Schaltung mit Substrat nach Anspruch 13, worin das Bindematerial eine Al-Cu-Legierung-Folie ist.
Verfahren zur Herstellung einer Schaltung mit Substrat nach Anspruch 14, worin das Bindematerial (3, 5) eine Al-Cu-Legierung-Folie ist, die eine Dicke von 15 bis 35 μm aufweist, die (das) Al- oder Al-Legierung-Platte, -Leitungsmuster oder beide (2) die eine Dicke von mindestens 100 μm aufweisen, an jeder Seite des Keramiksubstrats (4) mittels des Bindematerials (3, 5) vorgesehen wird, und die resultierende Anordnung bei einer Temperatur von mindestens 590°C während mindestens 20 Minuten erhitzt wird, während darauf in einer Richtung senkrecht zum Keramiksubstrat (4) ein Druck von 8 bis 50 kgf/cm² appliziert wird.
Verfahren zur Herstellung einer Schaltung mit Substrat nach Anspruch 14 oder 15, worin die Al-Cu-Legierung-Folie eine Al-Cu-Mg-Legierung-Folie ist, die mindestens 86 Gew.-% Al, 1 bis 6 Gew.-% Cu und höchstens 3 Gew.-%, aber nicht 0, Mg umfasst.