用于制备DCB-基材的方法 |
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| 申请号 | CN201280069294.2 | 申请日 | 2012-12-27 | 公开(公告)号 | CN104105678A | 公开(公告)日 | 2014-10-15 |
| 申请人 | 库拉米克电子学有限公司; | 发明人 | J·舒尔兹-哈德尔; K·施米德特; K·埃克塞尔; | ||||
| 摘要 | 用于制备DCB-基材的方法，所述DCB-基材各自具有至少一个基本上由氮化 铝 (AlN)组成的陶瓷层，所述陶瓷层在至少一个表面侧上具有基本上由 氧 化铝组成的 中间层 ，并且在中间层上具有至少一个由金属层或金属箔所形成的 金属化 物。 | ||||||
| 权利要求 | 1.用于制备DCB-基材的方法，所述DCB-基材各自设有至少一个基本上由氮化铝(AlN)组成的陶瓷层(2)，所述陶瓷层(2)在至少一个表面侧上，优选在两个表面侧上设有基本上由氧化铝(Al2O3)组成的中间层(3)，并且在各个中间层(3)上设有至少一个由金属层或金属箔形成的金属化物，其中通过浇铸和/或压延和/或压制由氮化铝和烧结助剂形成未加工箔(2.1)，并且通过烧结由所述未加工箔(2.1)制备原坯陶瓷层(2.2)，并且其中在陶瓷层(2)的至少一个表面侧上，优选在两个表面侧上形成中间层(3)，然后通过DCB-压接使经预氧化的金属层或金属箔与所述中间层(3)连接， |
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| 说明书全文 | 用于制备DCB-基材的方法[0002] 已知所谓的“DCB-方法”(直接铜压接技术)，所述方法例如通过使用金属板或金属箔，特别是由铜或铜合金组成的金属板或金属箔，从而使金属层或金属板(例如铜板或铜箔)彼此连接和/或与陶瓷或陶瓷层连接，所述金属板或金属箔在其表面侧上具有由金属和反应性气体(优选氧气)的化合物组成的层或涂层。在例如US-PS 37 44 120或在DE-PS 23 19 854中描述的方法中，所述层或涂层连同相邻金属形成熔融温度低于金属(例如铜)的熔融温度的共晶熔体(熔融层)，因此可以通过在陶瓷上施加箔并且通过加热所有层从而使其彼此连接，特别是通过基本上仅在熔融层或氧化物层的范围内熔融金属或铜。 [0003] 所述DCB-方法例如具有如下方法步骤： [0004] ·如此氧化金属箔(例如铜箔)，使得形成均匀的金属氧化物层或氧化铜层； [0005] ·在陶瓷层上施加金属箔，例如铜箔； [0006] ·将复合物加热至在约1025至1083℃之间，例如约1071℃的过程温度； [0007] ·冷却至室温。 [0008] 根据所述方法(下文也称为“DCB-压接”)制备的基材下文称为“DCB-基材”，而不论金属层或金属箔所使用的金属如何。 [0009] 在使用由氮化铝(AlN)组成的陶瓷层的情况下，也已知在各个陶瓷层的至少一个表面侧上首先通过在空气中或者在含氧气氛中热氧化从而形成由氧化铝(Al2O3)组成的中间层。只有经由所述中间层才有可能通过DCB-压接使形成相应金属化物的金属箔(例如铜箔)与陶瓷连接。 [0010] 本发明的目的是提供一种方法，使用所述方法可以制备具有更好的品质，特别是具有更好的机械和/或电和/或热性能的具有至少一个基本上由氮化铝组成的陶瓷层的DCB-基材。为了实现所述目的，提出根据权利要求1所述的方法。 [0011] 根据本发明的方法的基本特征在于，各所使用的基本上由氮化铝(AlN)组成的陶瓷层，例如具有至少90％的氮化铝份额，优选具有至少96％的氮化铝份额，其中其它组分尤其为烧结助剂，例如氧化钇(Y2O3)、氧化钙(CaO)、氧化镁(MgO)以及释放剂例如氮化硼(BN)以及反应产物例如石榴石(Y2O3'Al2O3)和氧化硼(B2O3)，在形成至少一个由氧化铝(Al2O3)组成的中间层之前在相关表面侧上进行机械和/或化学净化，即除去在相关表面侧上存在的由烧结过程造成的和尤其是包含烧结过程的反应产物的表面层。 [0012] 在本发明的改良方案中，例如如下设计所述方法， [0014] 和/或 [0016] 和/或 [0017] 在20℃和100℃之间的处理温度，优选在大于50℃的温度除去表面层，[0018] 和/或 [0020] 和/或 [0022] 和/或 [0023] 在形成至少一个中间层之前，在陶瓷层的至少一个表面侧上施涂由铜或氧化铜组成或者由至少一种另外的含铜化合物组成的薄层，并且之后通过热氧化形成至少一个中间层， [0024] 和/或 [0025] 热氧化进行如此长的时间，直至将至少一个中间层(3)的层厚度调节为0.5μm和10μm之间， [0026] 和/或 [0027] 用于除去至少一个表面层的机械和化学加工至少部分地在时间上重叠或者在时间上依次进行， [0028] 和/或 [0029] 通过将陶瓷层浸入含铜离子的水溶液，例如Cu++离子含量为0.005至2.0Mol/l的水溶液，从而施涂由铜或氧化铜组成或者由至少一种含铜化合物组成的薄层，[0030] 和/或 [0031] 通过溅射和/或通过CVD-沉积和/或通过化学沉积从而施涂由铜组成或由氧化铜组成或者由至少一种另外的含铜化合物组成的薄层， [0032] 和/或 [0033] 通过热氧化，即通过在空气中或在氧份额在10％和90％之间的含氧气氛中将陶瓷层加热至在800℃和1450℃之间的温度，从而形成至少一个中间层， [0034] 和/或 [0035] 所述方法具有如下方法步骤： [0036] 在由AlN组成的经净化的陶瓷层的至少一个表面侧上施加至少一个由铜或铜合金组成的经氧化的金属箔， [0037] 将至少一个金属箔和陶瓷层加热至400℃-1083℃的温度， [0038] 除去至少一个金属箔，优选在冷却金属箔和陶瓷层之后除去， [0039] 在850℃-1450℃的温度于含氧气氛中氧化陶瓷层从而在陶瓷层的至少一个表面侧上形成中间层，和 [0040] 在陶瓷层的至少一个表面侧上DCB-压接至少一个金属箔， [0041] 和/或 [0042] 所述方法具有如下方法步骤： [0043] 在800℃-1450℃的温度氧化由AlN组成的经净化的陶瓷层， [0044] 在经氧化的陶瓷层的至少一个表面侧上DCB-压接至少一个由铜或铜合金组成的金属箔， [0045] 除去至少一个金属箔，优选通过蚀刻除去， [0046] 在800℃-1450℃的温度再次氧化陶瓷层(2)，和 [0047] 在陶瓷层的至少一个表面侧上DCB-压接至少一个金属箔， [0048] 和/或 [0049] 所述方法具有如下方法步骤： [0050] 通过浇铸和/或压延和/或压制由氮化铝和烧结助剂形成未加工箔，并且通过烧结由所述未加工箔制备原坯陶瓷层，在陶瓷层的至少一个表面侧上形成中间层，然后通过DCB-压接使经预氧化的金属层或金属箔与所述中间层连接，在陶瓷层的相关表面侧上形成至少一个中间层之前，除去在陶瓷层的相关表面侧上存在的由烧结过程造成的表面层，然后形成中间层， [0051] 其中上述特征可以各自单独使用或者任意组合使用。 [0052] 在本发明的范围内，表述“基本上”或“约”意指相比于各个精确值+/-10％，优选+/-5％的偏差和/或对于功能而言不重要的变化的形式的偏差。 [0053] 通过实施例的如下描述并且通过附图得出本发明的改良方案、优点和应用可能性。在此，所有描述的和/或以附图方式显示的特征单独地或以任意组合构成本发明的基本主题，而不论其在权利要求中的概括或其引用如何。权利要求的内容也被认为是说明书的组成部分。 [0054] 借助实施例的附图更详细地解释本发明。 [0055] 图1显示了具有由氮化铝(AlN)组成的绝缘层或陶瓷层的DCB-基材的横截面图； [0056] 图2在情形a)-f)中显示了用于制备图1的DCB-基材的不同方法步骤； [0057] 图3显示了在图2的方法中的由氮化铝组成的陶瓷层连同施涂在所述陶瓷层上的基本上由氧化铝(Al2O3)组成的中间层的放大图； [0058] 图4在情形a)-f)中显示了在本发明的另一个实施方案中用于制备图1的DCB-基材的不同方法步骤； [0059] 图5显示了在图4的方法中的由氮化铝组成的陶瓷层连同施涂在所述陶瓷层上的基本上由氧化铝(Al2O3)组成的中间层的放大图。 [0060] 在图1中，1为金属-陶瓷-基材或DCB-基材，所述基材基本上由陶瓷层2、保护层或中间层3以及金属化物4和5组成，所述保护层或中间层3位于陶瓷层2的每个表面侧上，所述金属化物4和5各自施涂在中间层3上并且金属化物3被构造成用于形成例如导体引线、接触面、安装面等的形式的金属区域3.1。 [0061] 详细而言，陶瓷层2为由氮化铝(AlN)组成的陶瓷层，例如具有至少90重量％的氮化铝(AlN)份额，优选具有约96重量％的氮化铝(AlN)含量，其中剩余部分分别为其它添加剂或基本上为其它添加剂，特别是烧结助剂，例如氧化钇(Y2O3)、氧化钙(CaO)、氧化钡(B2O3)、氮化钡(BN)、氧化钙(CaO)等。 [0062] 中间层3同样为陶瓷层并且由氧化铝(Al3O2)组成，具有低份额的其它组分，特别是烧结助剂，例如具有低份额的氧化钇(Y2O3)、氮化钡(BN)、氧化钡(B2O3)、氧化钙(CaO)。金属化物4和5为由铜、由铜合金或由铝或由铝合金组成的层或箔。 [0063] 图2中在情形a)-f)中显示了用于制备基材1的基础方法步骤。 [0064] 根据情形a)，首先通过浇铸和/或压延和/或压制由氮化铝(AlN)组成的未加工箔2.1与烧结助剂，然后通过在所需的烧结温度，例如在1600℃和1900℃之间的温度烧结与其它未加工箔堆叠的各未加工箔2.1，从而准备由氮化铝组成的陶瓷层2。在烧结之后获得对应于情形b)的原坯陶瓷层2.2(经烧制陶瓷层)。在堆叠烧结时使用释放剂例如氮化硼(BN)。该原坯陶瓷层2.2特别具有由烧结过程造成的表面层6，所述表面层6例如具有在0.05mm和0.3mm之间的厚度。表面层6基本上由杂质以及由烧结助剂和释放剂的成分或化合物组成，例如氧化硼(B2O3)、氮化硼(BN)、氧化钇(Y2O3)、石榴石(Y2O3'Al2O3)、氧化钙(CaO)等。 [0065] 根据情形c)，在下一方法步骤中除去表面层6，从而获得具有净化或干净的表面侧的陶瓷层2。 [0066] 根据情形d)，在下一方法步骤中例如通过热氧化施涂中间层3。为此，在空气中或在含氧气氛中，例如在包含惰性气体(例如氮气、氩气等)以及份额为10％-90％的氧气的气氛中，将陶瓷层2加热至在800℃至11450℃之间的温度。中间层3同样包含烧结助剂的成分(3.1)或反应产物，例如Y2O3、BN、B2O3等(图3和5)。 [0067] 在另一个方法步骤中，根据情形e)，进行形成金属化物4和5的由铜、由铜合金、由铝或由铝合金组成的金属层或金属箔的DCB-压接或平面连接。为此，将经预氧化的金属层或金属箔分别施加在中间层3上然后通过DCB-压接与中间层3连接，并且通过中间层3与陶瓷层2连接。在具有低氧气份额的保护气体气氛或惰性气体气氛下，通过将由金属箔或金属层和陶瓷层2与中间层3形成的排列加热至在1025℃和1083℃之间的DCB-温度从而进行DCB-压接，然后冷却至环境温度。在此，各氧化铜或氧化铝与相邻的铜或铝形成共晶熔体，在冷却至低于DCB-温度之后，通过所述共晶熔体使形成各个金属化物4或5的金属层或金属箔与相邻中间层3连接，并且通过相邻中间层3也与陶瓷层2连接。通过中间层3实现对于该连接而言所必须的陶瓷被液体共晶熔体湿润，因此才有可能进行金属化物4和5或形成该金属化物的金属层或金属箔的DCB-压接。 [0068] 之后在另一个方法步骤中，根据情形f)，通过使用合适和已知的掩蔽方法和蚀刻方法进行至少金属化物4的结构化从而形成还彼此电分离的金属区域4.1。当金属化物4和5和在此特别是金属化物4已经预先结构化地通过DCB-压接施涂在设有中间层3的陶瓷层2上时，可以省略该结构化。 [0069] 为了除去表面层6，可以使用不同方法，特别是机械处理和/或除去材料的处理和/或化学处理，例如使用合适的水溶液或碱液，优选用PH-值大于10或优选大于12的碱性水溶液的化学处理，例如通过将原坯陶瓷层2.2浸入该水溶液或碱液。 [0070] 在此，适合作为处理溶液的特别是苛性钠溶液(NaOH)，在此特别是5％的苛性钠溶液。适合处理的还有其它碱性处理溶液，例如KOH、Na2CO3。在此，优选在20℃和100℃之间的温度，优选在大于50℃的温度进行处理。另一种可能性在于，用已知溶液在压力下在高达300℃的高压釜中进行处理。因此可以大大缩短处理时间。 [0071] 除了化学处理之外或者代替化学处理，也可以使用除去表面层6的材料的机械处理，例如通过擦刷和/或打磨和/或抛光、喷砂、高压喷射等除去表面层6。 [0072] 在根据本发明的方法的一个实施方案中，机械处理在化学处理之前进行或在化学处理之后进行。在根据本发明的方法的一个优选的实施方案中，机械处理和化学处理至少部分地在时间上重叠进行。 [0073] 还发现，当在中间层3中嵌入积铜或氧化铜或铜离子时，采用根据本发明的方法能够实现尤其在金属化物4和5与陶瓷的连接品质或机械强度以及电性能方面的特别良好的结果。同样发现，如果在中间层3中不嵌入铜或氧化铜或铜离子则形成间断7，在所述间断7处各个中间层3不完全形成或者中断。 [0074] 所述间断7(即特别是孔和中断)造成在间断7的范围内在陶瓷和各个金属化物4或5之间不产生DCB-连接，因此在各个金属化物4和5下方形成气泡或空腔。所述气泡或空腔尤其不仅决定性地影响金属化物4和5和陶瓷之间的连接的机械强度，而且还特别决定性地影响金属化物4和5之间的基材1的介电强度。通过在中间层3中嵌入铜或氧化铜或铜离子有效避免间断7和与其相关的缺点(图5)。 [0075] 可以以不同方式嵌入铜、氧化铜或铜离子。图4在情形a-f中显示了所述方法的基本步骤，其中在准备未加工陶瓷2.1(情形a)之后，在烧结和净化原坯陶瓷2.2(情形b和c)之后，在经净化的(即除去表面层6)的陶瓷层2的两个表面侧上分别施涂由铜组成或由包含铜的化合物组成的薄层8，如图4中情形c)之后的情形c)'所示。之后，再次根据情形d)通过在含氧气氛中热氧化形成具有期望厚度的两个中间层3。在所述方法中还将中间层3调节至0.5μm和10μm之间的层厚度。 [0076] 其它方法步骤(情形e)和f))对应于如结合图2所描述的方法。例如以在-4 -41.5x10 μm和1200x10 μm之间的厚度进行层8的施涂。可以例如通过将经净化的陶瓷层2浸入含铜离子的水溶液中，例如Cu++离子含量为0.005至2.0Mol/l的水溶液中，和/或通过溅射和/或通过CVD-沉积和/或化学沉积施涂层8。在机械除去表面层6时，也可以通过使用具有含铜刷毛的刷子形成层8。 [0077] 在热氧化时在Al2O3中间层3中掺杂铜的另一个方法可以通过如下方法步骤进行： [0078] 用上述方法净化陶瓷或陶瓷层2， [0079] 在陶瓷层2上施加经氧化的铜箔， [0080] 在DCB-方法气氛中将陶瓷层2和铜箔加热至400℃-1083℃的温度，[0081] 将陶瓷层2和铜箔冷却至室温，和 [0082] 在上述方法之后在850℃-1450℃的温度氧化陶瓷层2从而形成中间层3，其中优选在所述氧化之前除去所使用的铜箔。 [0083] 在Al2O3中间层3中掺杂铜的另一个方法可以通过如下方法步骤进行： [0084] 用上述方法净化陶瓷或陶瓷层2， [0086] 在中间层3上DCB-压接经氧化的铜箔， [0087] 除去铜箔，例如通过化学蚀刻除去， [0088] 在800℃-1450℃的温度重新氧化陶瓷层2从而形成中间层3。 [0089] 使用上述两个方法同样在Al2O3中间层3中嵌入铜/氧化铜。 [0090] 通过铜/氧化铜的嵌入物9形成不含缺陷位点和间断的连续中间层3，如图5中所示。 [0091] 上文基于实施例描述了本发明。应理解，大量改变以及变型是可能的，而不由此偏离本发明所基于的发明理念。 [0092] 附图标记列表 [0093] 1 基材 [0094] 2 陶瓷层 [0095] 2.1 由陶瓷物料组成的未加工箔 [0096] 2.2 经烧制的原坯陶瓷 [0097] 3 中间层 [0098] 4、5 金属化物 [0099] 4.1 金属区域 [0100] 6 表面层 [0101] 7 缺陷位点或间断 [0102] 8 由铜、氧化铜或铜离子组成的层 [0103] 9 含铜嵌入物 |
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