DE102010007919A1

DE102010007919A1 - Verfahren zum Herstellen von Metall-Keramik-Verbundmaterialien, insbesondere Metall-Keramik-Substraten sowie nach diesem Verfahren hergestelltes Keramik-Verbundmaterial, insbesondere Metall-Keramik-Substrat

Info

Publication number: DE102010007919A1
Application number: DE102010007919A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Dr.-Ing. 91207 Schulz-Harder
Original assignee: Curamik Electronics GmbH
Current assignee: Rogers Germany GmbH
Priority date: 2010-02-12
Filing date: 2010-02-12
Publication date: 2011-08-18
Anticipated expiration: 2030-02-13
Also published as: EP2534115A1; DE102010007919B4; WO2011098071A1

Abstract

Verfahren zum Herstellen von Metall-Keramik-Substraten, bei dem wenigstens ein Keramiksubstrat, beispielsweise wenigstens ein plattenförmiges Keramiksubstrat mit einer oxidierten Metallfolie durch Direct-Bonden verbunden wird, und zwar durch Erhitzen unter Schutzgas auf eine Prozess- oder Bondingtemperatur, die unterhalb des Schmelzpunktes des Metalls der Metallfolie liegt, aber wenigstens gleich der Schmelztemperatur des von der Oxidschicht und dem Metall gebildeten Eutektikums ist, wobei das wenigstens eine Keramik-Substrat und die mit diesem zu verbindende wenigstens eine Metallfolie während des Verfahrens in einem von einem Innenraum einer Kapsel gebildeten Reaktionsraum untergebracht sind.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß Oberbegriff Patentanspruch 1 sowie auf ein Metall-Keramik-Verbundmaterial gemäß Oberbegriff 9.
Unter dem Begriff „Direct-Bonding” sind Verfahren zum Verbinden eines Metalls mit Keramik, d. h. zum Herstellen von Metall-Keramik-Verbundmaterialien bekannt, und zwar unter Verwendung einer als Eutektikum wirkenden und unter Verwendung eines reaktiven Gases erzeugten Oberflächenschicht des Metalls, beispielsweise Metalloxidschicht, die dann beim Erhitzen der gegeneinander anliegenden, zu verbindenden Komponenten Metall und Keramik (nachstehend auch „Verbindungskomponenten”) auf eine Prozeß- oder Bonding-Temperatur (eutektische Temperatur) aufschmilzt und unter Benetzung der Keramik als eine Art Lot beim anschließenden Abkühlen die Verbindung zwischen den Verbindungskomponenten herstellt. Die Bonding-Temperatur liegt dabei unterhalb der Schmelztemperatur des Metalls. Insbesondere auch in Abhängigkeit von dem verwenden Metall liegt diese Bonding-Temperatur im Bereich zwischen etwa 714°C (Kupfer-Phosphor) und 1820°C (Chrom-Sauerstoff)
Bei einem bekannten Direct-Bonding-Verfahren ( DE 23 19 854 / US 3,766,634 ) wird das Metall zunächst in einer Sauerstoff enthaltenden Schutzgasatmosphäre bei einer Temperatur unterhalb der Bonding-Temperatur oxidiert wird. Anschließend werden das Metall und die Keramik auf die Prozeß- oder Bonding-Temperatur erhitzt. Danach erfolgt die Abkühlung auf Raumtemperatur. Für das System Kupfer-Sauerstoff wird bei diesem Verfahren ein Sauerstoffgehalt der reaktiven Atmosphäre von 0,01–0,5 Volumenprozent (100 bis 5000 ppm) angegeben.
Bekannt ist auch ein weiterentwickeltes Direct-Bonding-Verfahren ( DE 26 338 69 / US 3,994,430 ), bei dem das Metall in einem separaten, dem Bonden vorausgehenden Verfahrensschritt mit dem reaktiven Gas behandelt bzw. oxidiert wird. Nach dem Zusammenführen der zu verbindenden Komponenten Metall und Keramik werden diese in einem Ofen auf die Prozeß- oder Bonding-Temperatur erhitzt, und zwar in einer Schutzgasatmosphäre mit einem Sauerstoffgehalt in der Größenordnung von 0,01–0,5 Volumenprozent (100–5000 ppm).
Bekannt ist weiterhin ein Direct-Bonding-Verfahren ( DE 30 36 128 ), bei dem die Verbindung von Kupfer und Keramik in einem Vakuumofen mit einem Sauerstoffgehalt zwischen 0,001–0,1 mbar (etwa 1–100 ppm) erfolgt.
Vorgeschlagen wurde auch bereits ( DE 32 04 167 / US 4,483,810 ), das Direct-Bonding-Verfahren in einem Durchlauf- oder Tunnelofen unter Schutzgasatmosphäre durchzuführen, wobei der Sauerstoffgehalt durch dosierte Zugabe von Sauerstoff in das Schutzgas auf 20–50 ppm eingestellt wird, und zwar bei einer Temperatur zwischen 960°C und 1072°C.
Bei allen vorgenannten, bekannten Verfahren haben liegt der Sauerstoffgehalt der Schutzgasatmosphäre weit über einem Gleichgewichtssauerstoffgehalt oder -anteil des Systems Kupfer-Sauerstoff. Aus der Literatur ist bekannt, dass der Sauerstoffgehalt dieses Systems im Temperaturbereich, bei dem das Direct-Bonding bzw. das DCB-Verfahren durchgeführt wird, in der Größenordnung von 2,6–5 ppm liegt.
So ist in „The Metallurgy of Copper" Incra Series, Band II, Seiten 56, 60 für logK der Reaktion Cu + 1/2 O₂ = Cu₂O bei einer Temperatur von 1085°C ein Wert von 2,704 angegeben. Dies entspricht einem Sauerstoffpartialgehalt von 3,9 × 10^–6 Atm, was etwa 3,9 ppm ist.
Aus „elektrochemische Gleichgewichtsuntersuchungen am System-Kupfer-Sauerstoff zwischen 1065 und 1300°C", Habilitationsarbeit J. Osterwald, Berlin, 1965 ist für die Temperaturabhängigkeit des Sauerstoffpartialgehaltes folgende Formel bekannt: log(p_O2) = –(20970/T) + 10,166.
Hierbei sind p_O2 der Sauerstoffpartialgehalt in ppm und T die Temperatur in °C.
Hieraus lassen sich in Abhängigkeit von der Temperatur folgende Sauerstoffpartialgehalte bestimmen:

Temperatur in °C Partialgehalt in ppm

1065 3,1

1075 4,2

1085 5,3
In einer weiteren Literaturstelle (Neumann et al Metal Process, 1985, Seite 85) wird der Sauerstoffgehalt des Systems Kupfer-Sauerstoff bei einer eutektischen Temperatur von 1065°C mit 2,69 × 10^–6 angegeben, was etwa 2,69 ppm entspricht.
Es kann also als gesichert angenommen werden, dass der Gleichgewichtssauerstoffgehalt beim Direct-Bonding von Kupfer und Keramik (DCB-Verfahren) im Bereich zwischen 2 und 6 ppm liegt.
Die eingangs genannten bekannten Verfahren haben demnach u. a. den Nachteil, dass durch den wesentlich größeren Sauerstoffgehalt in der Schutzgasatmosphäre, in der der DCB-Prozeß durchgeführt wird, eine Nachoxidation des Kupfers stattfindet.
Eine Regelung des Sauerstoffgehaltes in einer Schutzgasatmosphäre (z. B. aus Stickstoff und/oder Argon) im Bereich kleiner 10 ppm insbesondere auch bei einer fabrikmäßigen Produktion von Metall-Keramik-Verbundmaterialien oder -Substraten ist mit der erforderlichen Genauigkeit nicht, allenfalls nur mit einem extrem hohen technischen Aufwand möglich. Weiterhin führt ein Sauerstoffpartialdruck oder Sauerstoffanteil in der Schutzgasatmosphäre des DCB-Prozesses kleiner als der Gleichgewichtsdruck des Systems Metall-(Kupfer)-Sauerstoff zu einer Reduzierung der Haftfestigkeit des Metalls (Kupfers) an der Keramik, während es bei einem zu hohen Sauerstoffpartialdruck bzw. Sauerstoffgehalt in der Schutzgasatmosphäre zu einer starken Nachoxidation kommt, die im Extremfall ein Aufschmelzen des gesamten Metalls, beispielsweise der gesamten Metall- oder Kupferfolie zur Folge hat.
Aus diesem Grunde wurde bereits vorgeschlagen ( DE 101 48 550 ), beim Herstellen von Metall-Keramik-Verbundmaterialien, die jeweils aus wenigstens einem vorzugsweise plattenförmigen Keramiksubstrat und wenigstens einer Metallfolie bestehen, diese Verbindungskomponenten während des Direct-Bonding-Verfahrens in einem von einer Kapsel gebildeten Reaktionsraum mit einer inneren Schutzgasatmosphäre unterzubringen, die durch die Kapsel von einer diese Kapsel umgebenden äußeren Schutzgasatmosphäre getrennt ist und in der das Direct-Bonden der oxidierten Metallfolie an das Keramiksubstrat zwar durch Erhitzen unter Schutzgas auf die Prozess- oder Bonding-Temperatur erfolgt, die unterhalb des Schmelzpunkts des Metalls der Metallfolie liegt, aber wenigstens gleich der Schmelztemperatur des von der Oxidschicht und dem Metall der Metallfolie gebildeten Eutektikums ist.
Unter „innerer Schutzgasatmosphäre” ist im Sinne der Erfindung die Atmosphäre oder Schutzgasatmosphäre innerhalb des gekapselten Innenraums bzw. Reaktionsraumes einer Kapsel zu verstehen. Unter „äußerer Schutzgasatmosphäre” ist die Schutzgasatmosphäre zu verstehen, die die jeweilige Kapsel während des Direct-Bonding umgibt, d. h. die Schutzgasatmosphäre in einem Ofen.
Aufgabe der Erfindung ist es, das bekannte Verfahren weiter zu verbessern und insbesondere eine vereinfachte und rationelle Herstellung von Metall-Keramik-Verbundmaterialien, insbesondere Metall-Keramik-Substraten und speziell auch solcher für elektrische oder elektronische Schaltkreise mit höchster Qualität zu ermöglichen.
Zur Lösung dieser Aufgabe sind ein Verfahren entsprechend dem Patentanspruch 1 sowie ein Metall-Keramik-Verbundmaterial entsprechend dem Patentanspruch 9 ausgebildet.
Weiterbildungen, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und aus den Figuren. Dabei sind alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination grundsätzlich Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung. Auch wird der Inhalt der Ansprüche zu einem Bestandteil der Beschreibung gemacht.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren, welches sich ebenfalls insbesondere zur Herstellung von Metall-Keramik-Substraten und dabei speziell zur Herstellung von Kupfer-Keramik-Substraten für die Verwendung als Leiterplatten für elektrische Schaltungen und Schaltkreisen eignet, werden wenigstens ein Keramiksubstrat und eine oxidierte Metallfolie in dem in der Kapsel gebildeten gekapselten Raum oder Reaktionsraum derart angeordnet, dass die Metallfolie mit einer oxidierten Oberflächenseite flächig gegen eine Oberflächenseite des plattenförmigen Keramiksubstrats anliegt.
Zum Herstellen der Verbindung durch Direct-Bonding werden das wenigstens eine Keramiksubstrat und die wenigstens eine oxidierte Metallfolie (bevorzugt Kupferfolie) als zu verbindende Komponenten oder Verbindungskomponenten in den von dem Innenraum der Kapsel gebildeten Reaktionsraum eingebracht. In einer Vorbehandlungsphase, beispielsweise in einer Aufheizphase wird dann der über wenigstens eine Spül- oder Behandlungsöffnung zu einer umgebenden äußeren Schutzgasatmosphäre weit geöffnete Reaktionsraum zum Entfernen von Umgebungssauerstoff mit dem Schutzgas (z. B. Stickstoff und/oder Argon) gespült, so dass sich im Reaktionsraum eine Schutzgasatmosphäre mit geringen Sauerstoffanteil einstellt. Das Spülen des Reaktionsraums kann während einer Vorbehandlungsphase bei geöffneter Kapsel nicht nur in kurzer Zeit, sondern auch sehr intensiv bei reduziertem Verbrauch an Schutzgas (z. B. Argon oder Stickstoff) durchgeführt werden.
Am Ende der Vorbehandlungsphase wird die wenigstens eine Behandlungsöffnung geschlossen und die Verbindungskomponenten, d. h. das wenigstens eine Keramiksubstrat und die wenigstens eine oxidierte Metallfolie werden in einer Behandlungs- oder Bonding-Phase in dem von dem Innenraum der Kapsel gebildeten Reaktionsraum in einer dortigen inneren Schutzgasatmosphäre auf eine Bonding-Temperatur erhitzt, die unter der Schmelztemperatur des Metalls liegt, aber wenigstens gleich der Schmelztemperatur des Eutektikums aus dem Metall (z. B. Cu) und dem Metalloxids (z. B. Cu₂O) ist. In einem anschließenden Verfahrensschritt (Abkühl-Phase) erfolgt dann das Abkühlen der Kapsel und der im Reaktionsraum aufgenommenen Komponenten, und zwar weiterhin bei geschlossener Behandlungsöffnung und in der äußeren unter Schutzgasatmosphäre.
Die verwendete Kapsel ist z. B. auch während der Behandlungs- oder Bonding-Phase und während der Abkühl-Phase beispielsweise nicht vollständig nach außen hin verschlossen ist, sondern besitzt wenigstens eine Gasaustausch-Öffnung, die beispielsweise eine zusätzliche Öffnung ist und/oder durch nicht vollständiges Schließen der wenigstens einen Behandlungsöffnung erzeugt ist und durch die ein Gasaustausch zwischen der inneren und äußeren Schutzgasatmosphäre stattfinden kann. Die mit der Kapsel erzielte Kapselung des Reaktionsraumes beträgt allerdings wenigstens 60%. Unter „Kapselung” ist dabei im Sinne der Erfindung der Prozentsatz des geschlossenen Flächenanteils der den gekapselten Innenraum umgebenden Gesamtfläche (Gesamtfläche abzüglich der Fläche der Gasaustausch-Öffnungen) bezogen auf diese Gesamtfläche zu verstehen. Eine Kapselung von 95% bedeutet also, dass 95% der den Kapselinnenraum umgebenden Fläche verschlossen und nur 5% dieser Gesamtfläche von einer oder mehreren Gasaustausch-Öffnungen gebildet sind.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich also dadurch aus, dass während der Bonding-Phase und der Abkühl-Phase eine zumindest weitestgehende Trennung der Schutzgasatmosphäre im Ofenraum („äußere Schutzgasatmosphäre”), die die wenigstens eine Kapsel umgibt, von der Schutzgasatmosphäre im Innenraum bzw. Reaktionsraum der Kapsel („innere Schutzgasatmosphäre”) besteht, in dem (Reaktionsraum) das Direct-Bonding erfolgt und in dem die Verbindungskomponenten aus Metall und Keramik zumindest mit dem Bereich aufgenommen sind, an dem das Verbinden erfolgen soll.
Bevorzugt ist der Querschnitt der wenigstens einen Gasaustausch-Öffnung oder aber der Gesamtquerschnitt mehrerer Gasaustausch-Öffnungen so gewählt, dass dieser Querschnitt bzw. Gesamtquerschnitt weniger als 40% der gesamten, den Reaktionsraum begrenzenden Innenfläche der Kapsel ausmachen, die durch die Kapsel erzielte Kapselung also größer als 60% ist.
Der Sauerstoffgehalt in der äußeren Schutzgasatmosphäre hat keinen oder im wesentlichen keinen Einfluss auf die Qualität des hergestellten Metall-Keramik-Verbundes bzw. des hergestellten Metall-Keramik-Substrates, und zwar selbst dann nicht, wenn die äußere Schutzgasatmosphäre einen Sauerstoffgehalt aufweist, der weit unter oder aber weit über dem Gleichgewichtssauerstoffgehalt liegt. Diese weitestgehende Unabhängigkeit der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielten Ergebnisse von dem Sauerstoffgehalt der äußeren Schutzgasatmosphäre ist darauf zurückzuführen, dass bei der relativ hohen Prozesstemperatur (960–1072°C), bei der das Direct-Bonding erfolgt, die Diffusion von Sauerstoff aus der äußeren, die jeweilige Kapsel umgebenden Schutzgasatmosphäre in die innere Schutzgasatmosphäre im inneren der Kapsel bzw. im Reaktionsraum sehr gering ist. Dieser Effekt kann durch eine gezielte Stromführung der äußeren Schutzgasatmosphäre noch verstärkt werden, und zwar dadurch, dass am Anfang zum Spülen die Strömung auf die Gasaustausch-Öffnungen der jeweiligen Kapsel gerichtet ist. Bei dem eigentlichen Bonden bei Prozesstemperatur ist die Strömung dann auf die geschlossene Fläche der Kapsel gerichtet.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird aber der Sauerstoffgehalt in der die Kapsel umgebenden Schutzgasatmosphäre geregelt, zumindest aber durch eine Regelung begrenzt, wobei aber keine allzu große Genauigkeit für die Regelung oder Einstellung erforderlich ist. Hierdurch werden grobe Schwankungen des Sauerstoffgehalts kompensiert, die (Schwankungen) entweder durch den Eintrag von Sauerstoff an den Ofenöffnungen oder durch einen Verbrauch an Sauerstoff in Folge von Oxidation an metallischen Ofenkomponenten herrühren.
Die Einstellung des Sauerstoffgehalts in der äußeren Schutzgasatmosphäre erfolgt bevorzugt in Abhängigkeit von der Kapselung. In Abhängigkeit von der Kapselung wird der Sauerstoffanteil in der äußeren Schutzgasatmosphäre beispielsweise wie folgt eingestellt:

– Kapselung von 60 bis 80% bei einem Sauerstoffgehalt in der äußeren Schutzgasatmosphäre zwischen 2–20 ppm,
– Kapselung 80–95% bei einem Sauerstoffgehalt in der äußeren Schutzgasatmosphäre zwischen 50 und 200 ppm oder 1–20 ppm
– Kapselung über 95% bei einem Sauerstoffgehalt in der äußeren Schutzgasatmosphäre größer 200 ppm oder kleiner 20 ppm

In der nachstehenden Tabelle sind die Ergebnisse von Versuchen wiedergegeben, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beim Verbinden einer plattenförmigen Keramik (Aluminium-Oxid-Keramik) mit einer von einer Kupferfolie gebildeten Kupferschicht erzielt wurden, und zwar bei unterschiedlichem Sauerstoffgehalt der äußeren Schutzgasatmosphäre und bei unterschiedlicher Kapselung, jeweils bei einer Prozesstemperatur von 1068°C. Untersucht wurden die Festigkeit der Verbindung zwischen der Keramik und der Kupferschicht bzw. Kupferfolie (Abreißfestigkeit in N/cm) sowie auch die Oberflächenqualität der frei liegenden Kupferflächen (Kupferoberflächenaussehen).

O₂ ppm	Kapselung %	Abreißfestigkeit N/cm	Kupferoberflächenaussehen
< 2	95	> 60	blank
< 2	80	50	blank
< 2	60	40	blank
< 2	50	30	blank
10	95	> 60	blank
10	60	> 60	blank
10	50	> 60	leicht oxidiert
20	95	> 60	blank
20	80	> 60	blank
20	50	> 60	leicht oxidiert
50	95	> 60	blank
50	80	> 60	blank
50	60	> 60	blank
50	50	> 60	oxidiert
100	95	> 60	blank
100	80	> 60	blank
100	60	> 60	leicht oxidiert
100	40	> 60	stark oxidiert
200	95	> 60	blank
200	80	> 60	oxidiert

In der vorgenannten Tabelle sind also der Einfluss des Sauerstoffgehalts in der äußeren Atmosphäre und der Kapselung auf die Abreißfestigkeit und die Beschaffenheit der Kupferoberflächen wiedergegeben.
Vorstehend wurde davon ausgegangen, dass während der Bonding-Phase und während der Abkühl-Phase die Kapselung des Reaktionsraumes nicht hundertprozentig ist, sondern der Reaktionsraum über eine Gasaustausch-Öffnung mit der äußeren Schutzgasatmosphäre in Verbindung steht, um so das Einbringen der Verbindungskomponenten in den gekapselten Reaktionsraum in normaler Atmosphäre und am Beginn des eigentlichen Verfahrens ein Verdrängen der normalen Atmosphäre, insbesondere auch der Luft aus dem Reaktionsraum durch das Schutzgas zu ermöglichen.
Das wenigstens eine Keramiksubstrat sowie die wenigstens eine Metallfolie können getrennt nacheinander in die jeweilige Kapsel eingelegt werden, oder aber als außerhalb der Kapsel vorbereiteter Stapel.
Die Metallfolie wird beispielsweise vor dem Einbringen in die Kapsel in einem vorausgegangenen Verfahrensschritt oxidiert, beispielsweise durch Behandlung mit einem geeigneten reaktiven Gas, z. B. Sauerstoff. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann aber auch eine bereits voroxidierte Metallfolie verwendet werden.
Sauerstoff als reaktives Gas eignet sich insbesondere bei Metallfolien aus Kupfer.
Das Erhitzen der jeweiligen Kapsel und der in dieser Kapsel untergebrachten Komponenten auf die Direct-Bonding-Temperatur erfolgt in einem Ofen, bevorzugt in einem Durchlauf- oder Tunnelofen, wobei der Ofenraum die äußere Schutzgasatmosphäre mit einem eingestellten bzw. geregelten Sauerstoffgehalt enthält. Die Einstellung des Sauerstoffgehaltes in der äußeren Schutzgasatmosphäre erfolgt durch Zudosieren von Sauerstoff in das Schutzgas.
Grundsätzlich besteht aber auch die Möglichkeit einer hundertprozentigen Kapselung des Reaktionsraumes, wobei dann in diesen Reaktionsraum in der Vorbereitungsphase durch die wenigstens eine Behandlungs- oder Spülöffnung eine Schutzgasatmosphäre eingebracht wird, die einen gewissen Anteil an Sauerstoff enthält.
Es ist aber auch möglich, mit einem sauerstofffreien Schutzgas zu arbeiten, und zwar dann, wenn ein dem freien Volumen im Inneren der Kapsel entsprechend hoher Oxid-Gehalt auf der Metallfolie vorgesehen wird. Durch Dissoziation des Oxids stellt sich dann der notwendige Gleichgewichtssauerstoffgehalt ein.
Bevorzugt enthält der gekapselte Raum eine Puffersubstanz, zumindest bei einer 100%-igen Kapselung, mit der (Puffersubstanz) der Sauerstoffpartialdruck in der inneren Schutzgasatmosphäre, d. h. im gekapselten Reaktionsraum bei der Reaktions- oder Bonding-Temperatur auf einen Wert eingestellt und/oder gehalten wird, der eine optimale DCB-Verbindung zwischen dem Metall (Kupfer) und der Keramik sicherstellt, und zwar bei gleichzeitiger Verhinderung einer zumindest störenden Nachoxidation. Dieser durch die Puffersubstanz eingestellte Sauerstoffpartialdruck liegt dann vorzugsweise zwischen 3–10 ppm. Die Puffersubstanz enthält beispielsweise CuO in Form von Pulver, gegebenenfalls gemischt mit Kupferpulver.
In Weiterbildung der Erfindung ist das Verfahren beispielsweise so ausgebildet,
dass während des Direct-Bondens der Reaktionsraum gegenüber der äußeren, die Kapsel umgebenden Schutzgasatmosphäre dicht verschlossen oder die Kapselung größer als 60% ist,
und/oder
dass der bei dem Verfahren maximal zulässige Sauerstoffanteil in der äußeren Schutzgasatmosphäre mit zunehmender Kapselung zunimmt,
und/oder
dass die äußere Schutzgasatmosphäre bei einer Kapselung zwischen 60 und 80% etwa 50 bis 100 ppm Sauerstoff enthält,
und/oder
dass die äußere Schutzgasatmosphäre bei einer Kapselung zwischen 60 und 80% etwa 2 bis 20 ppm Sauerstoff enthält,
und/oder
dass die äußere Schutzgasatmosphäre bei einer Kapselung von 80–95% 50 bis 200 ppm Sauerstoff enthält,
und/oder
dass die äußere Schutzgasatmosphäre bei einer Kapselung von 80–95% 1 bis 20 ppm Sauerstoff enthält,
und/oder
dass die äußere Schutzgasatmosphäre bei einer Kapselung größer 95% Sauerstoff in einem Anteil kleiner 20 ppm oder größer 200 ppm enthält,
und/oder
dass die jeweilige Kapsel in Form eines den Reaktionsraum umschließenden Rahmens ausgebildet ist,
und/oder
dass die jeweilige Kapsel schalenartig mit einem Deckel ausgebildet ist,
und/oder
die jeweilige Kapsel mit wenigstens einer Auflage- oder Zwischenschicht für die Verbindungskomponenten ausgeführt ist,
und/oder
dass im Reaktionsraum untergebrachten eine Puffersubstanz zur Schaffung eines Sauerstoffgleichgewichtspotenzial im Reaktionsraum während des Direct-Bondens untergebracht ist,
und/oder
dass die Puffersubstanz eine solche auf der Basis von Kupferoxid, vorzugsweise auf der Basis Kupferoxid/Kupfer ist,
und/oder
dass die Kapselung im Bereich von 99 bis 65% gewählt ist,
und/oder
dass ein Tunnel- oder Durchlaufofens verwendet ist, bei dem die Kapseln auf einem Transporteur angeordnet sind,
und/oder
dass mehrere Kapseln oder Einzelkapseln gestapelt und/oder in mehreren Reihen nebeneinander auf einem Transporteur des Durchlauf- oder Tunnelofens angeordnet werden,
wobei die vorgenannten Merkmale jeweils einzeln oder in beliebiger Kombination verwendet sein können.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
1 in vereinfachter Darstellung und im Schnitt ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Metall-Keramik-Verbundmaterial;
2 in vereinfachter Darstellung eine als Tunnelofen ausgebildete Anlage zum Herstellen der Metall-Keramik-Substrate der 1;
3 u. 4 in vereinfachter Schnittdarstellung eine der bei der Anlage der 2 verwendeten Kapseln im geöffnetem Zustand sowie im geschlossenen Zustand;
5–9 in Darstellungen ähnlich den 3 und 4 weitere Ausführungsformen der bei der Erfindung verwendeten Kapseln.
Das in der 1 allgemein mit 1 bezeichnete Metall-Keramik-Substrat (Kupfer-Keramik-Substrat) besteht in bekannter Weise aus der flachen Keramikschicht 2 sowie aus zwei auf jeweils einer Oberflächenseite durch DCB-Bonden aufgebrachten Metallschichten in Form von Kupferschichten oder -folien 3 und 4.
Die Herstellung der Substrate 1 erfolgt in einer in der 2 schematisch dargestellten Anlage 5 mit einem Tunnelofen 7. Die das jeweilige Substrat bildenden Verbindungskomponenten (Keramikschicht 2 und voroxidierte Kupferfolien 3 und 4) werden jeweils in eine beispielsweise flache, rechteckförmige oder quadratische, schachtel- oder schalenartige Kapsel 7 eingebracht, und zwar beispielsweise als Schichtfolge 1.1 mit der Kupferschicht 4 unten liegend auf einer Trennschicht 8, die die Kupferschicht 4 von der Innenfläche des Bodens der Kapsel 7 trennt und ein Anbonden der Kupferschicht 4 an diesem Boden verhindert, mit der Keramikschicht 2 auf der Oberseite der Kupferfolie 4 aufliegend und mit der Kupferfolie 3 auf der der Kupferfolie 4 abgewandten Oberseite der Keramikschicht 2 aufliegend. Die Trennschicht 8 ist beispielsweise eine poröse Schicht aus feinen Partikeln oder aus einem Pulver aus einem hochtemperaturfesten Material, beispielsweise aus Mullit, Al₂O₃, TiO₂, ZrO₂, MgO, CaO, CaCO₂ und mit einer Korngröße beispielsweise kleiner als 30 μm.
Die so mit den Verbindungskomponenten bzw. mit der aus den Kupferfolien 3 und 4 und der Keramikschicht 2 bestehenden Schichtfolge 1.1 beladene Kapsel 7 wird mit einem Transportsystem oder Transporteur (Transportkette) des Tunnelofens 6 in einer Transportrichtung TR durch verschiedene Zonen dieses Ofens bewegt, und zwar zunächst durch eine Aufheizzone A, in der die Temperatur im Inneren des Tunnelofens 6 von Raumtemperatur beispielsweise auf eine Temperatur im Bereich zwischen 120°C und 300°C ansteigt, anschließend durch eine Behandlungs- oder Bondingzone B, in der die Temperatur im Tunnelofen von der Endtemperatur der Aufheizzone A bis auf die Bondtemperatur des DCB-Prozesses, d. h. auf eine Temperatur im Bereich zwischen 1065°C und 1085°C, beispielsweise auf eine Temperatur von 1083°C ansteigt, und anschließend durch eine Abkühlzone C, in der die Temperatur im Inneren des Tunnelofens 6 von der Bondtemperatur wieder auf die Umgebungstemperatur abfällt.
Der Innenraum des Tunnelofens 6 ist mit einer Schutzgasatmosphäre beaufschlagt. Das Schutzgas dieser Atmosphäre, welches insbesondere auch im Bereich der Aufheizzone A und im Bereich der Abkühlzone C in den Innenraum des Tunnelofens 6 eingeleitet wird, ist beispielsweise Stickstoff und/oder Argon. Die Schutzgasatmosphäre enthält weiterhin einen geringen Sauerstoffanteil. Der Sauerstoffgehalt der Schutzgasatmosphäre innerhalb des Tunnelofens 6 beträgt beispielsweise 0,2 ppm–1000 ppm.
Jede Kapsel 7 besteht beispielsweise aus einem wannenartigen Grundkörper 9, in dessen Innenraum die Schichtfolge 1.1 aufgenommen ist, sowie aus einem Deckel 10, der den Grundkörper 9 an seiner Oberseite verschließt. Eine Besonderheit besteht darin, dass durch entsprechende Führungs- und/oder Betätigungselemente innerhalb der Aufheizzone der Deckel 10 der jeweiligen Kapsel 7 vom Grundkörper 9 angehoben wird, sodass die jeweilige Kapsel 7 relativ großflächig geöffnet und damit ein intensives Spülen des Kapselinnenraums mit dem Gas der Schutzgasatmosphäre oder mit dem Schutzgas erfolgen kann, und zwar durch die zwischen dem angehobenen Deckel 10 und dem oberen Rand des napf- oder schalenartigen Grundkörpers 9 gebildete Spül- oder Behandlungsöffnung 11.
Nach dem Verlassen der Aufheizzone A1 wird der Deckel 10 durch die Führungs- oder Betätigungsmittel auf den Grundkörper 10 abgelegt, sodass der Innenraum der jeweiligen Kapsel 7 an der Kapseloberseite geschlossen ist und die im Innenraum bzw. im Reaktionsraum der Kapsel eingeschlossene „innere Schutzgasatmosphäre” bei einer 100%igen Kapselung vollständig von der „äußeren Schutzgasatmosphäre” im Inneren des Tunnelofens 6 getrennt ist oder aber bei einer Kapselung kleiner 100%, beispielsweise zwischen 40% und 100% über wenigstens eine Gasaustausch-Öffnung 9.1 bzw. 10.1, die im Grundkörper 9 und/oder Deckel 10 vorgesehen ist und deren Öffnungsquerschnitt der jeweiligen Kapselung entspricht, mit der äußeren Atmosphäre im Tunnelinnenraum in Verbindung steht.
Der Sauerstoffanteil der äußeren Schutzgasatmosphäre im Tunnelinnenraum ist dabei in Abhängigkeit von der jeweiligen Kapselung gewählt, und zwar beispielsweise entsprechend der nachstehenden Tabelle
Der geschlossene Zustand bzw. die Kapselung der jeweiligen Kapsel 7 wird auch innerhalb der Abkühlzone C aufrechterhalten.
Das Öffnen der jeweiligen Kapsel 7 in der Aufheizzone hat u. a. den Vorteil einer intensiven Spülung des Kapselinnenraumes mit Schutzgas bzw. mit der Schutzgasatmosphäre des Tunnelofens 6 in kurzer Zeit bei reduziertem Schutzgasverbraucht. Das Verschließen der jeweiligen Kapsel 7 und die dabei erzielte Kapselung des Kapselinnenraumes haben den Vorteil, dass sich innerhalb des Kapselinnenraumes während des DCB-Bonden in der oben beschriebenen Weise selbsttätig ein Gleichgewichtssauerstoffgehalt durch Nachoxidation des Kupfers der Kupferschichten 3 und 4 und/oder durch Abgabe von Sauerstoff aus diesen Kupferschichten an die innere bzw. gekapselte Schutzgasatmosphäre ein Sauerstoffanteil einstellt, der kleiner ist 10 ppm, vorzugsweise im Bereich zwischen 2 und 6 ppm liegt und damit ein optimales DCB-Bonden sicherstellt.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Kapselung in den Zonen B und C besteht darin, dass eine nachträgliche Oxidation der Kupferschichten 3 und 4 nach dem DCB-Bonden und während des Abkühlens auf Umgebungstemperatur verhindert, zumindest aber stark reduziert wird. Weiterhin ist durch die Kapselung auch eine Beeinträchtigung des DCB-Bondens durch äußere Einflüsse, beispielsweise durch eine Sauerstoffentnahme durch das Transportelement des Tunnelofens 6 vermieden, was insbesondere nach dem Erneuern des Transportelementes von großem Vorteil ist.
Nach dem Verlassen des Tunnelofens 6 an der Abkühlzone C und nach dem Entnehmen des jeweiligen Substrates 1 steht die betreffende Kapsel 7 für eine erneute Verwendung zur Verfügung.
Vorstehend wurde davon ausgegangen, dass das Öffnen der jeweiligen Kapsel 7 für das Spülen durch Anheben des Deckels 10 erfolgt. Selbstverständlich bestehen auch andere Möglichkeiten für das Öffnen und Verschließen der jeweiligen Kapsel, sodass der Kapselinnenraum bzw. die innere Schutzgasatmosphäre in der Bonding- und Abkühlzone B und C nicht oder aber nur noch der jeweils gewünschten Kapselung entsprechend mit der äußeren Schutzgasatmosphäre in Verbindung steht.
In der 5 ist schematisch eine Kapsel 7a dargestellt, deren durch den Deckel 10a an der Oberseite verschließbare Grundkörper 9a am Umfang, vorzugsweise an zwei einander gegenüberliegenden Umfangsseiten großflächige Spülöffnungen 12 aufweist, die jeweils durch einen Deckel 13 verschließbar sind. Die Öffnungen 12 und die zugehörigen Deckel 13 befinden sich dabei beispielsweise an den quer zur Transportrichtung TR orientierten Seiten der jeweiligen Kapsel. Die wenigstens eine Gasaustausch-Öffnung ist z. B. im Grundköper 9a und/oder im Deckel 10a vorgesehen, wie dies mit 9a.1 bzw. 10a.1 angedeutet ist.
Die 6 zeigt in einer vereinfachten Schnittdarstellung zwei in Transportrichtung TR aufeinander folgende Kapseln 7b, die an ihren senkrecht zur Transportrichtung orientierten Umfangsseiten mit jeweils einer großformatigen Spülöffnung 14 versehen sind, und zwar beispielsweise an dem schalenartigen Grundkörper 9b, der an seiner Oberseite mittels eines Deckels 10b verschließbar ist. Die Kapseln 7b werden durch den Tunnelofen 6 derart bewegt, dass in Transportrichtung TR aufeinander folgende Kapseln 7b innerhalb der Zone A voneinander beabstandet sind, sodass über die Öffnungen 14 das Spülen des jeweiligen Kapselinnenraums mit Schutzgas (Stickstoff und/oder Argon) möglich ist. Durch entsprechende Mittel werden die Kapsel 7b zumindest nach Erreichen der Behandlungszone B so abgebremst, dass entsprechend der 7 die in Transportrichtung TR aufeinander folgenden Kapseln 7b an den die Spülöffnungen 14 aufweisenden Stirnseiten dicht aneinander anschließen und dadurch diese Öffnungen zumindest soweit geschlossen sind, dass die innere Schutzgasatmosphäre in dem Innenraum oder Reaktionsraum jeder Kapsel 7b von der äußeren Schutzgasatmosphäre des Tunnelofens 6 zumindest entsprechend der angestrebten Kapselung getrennt ist.
Die 8 und 9 zeigen als weitere Ausführungsform eine Kapsel 7c, die aus mehreren übereinander angeordneten Einzelkapseln 15 besteht, die bei der dargestellten Ausführungsform jeweils schalenartig mit einem Boden und einer Umfangswand ausgebildet sind und jeweils zur Aufnahme einer Schichtfolge 1.1 bestehend aus den Kupferfolien 3 und 4 und der dazwischenliegenden Keramikschicht 2 dienen, und zwar in der Weise, wie dies vorstehend im Zusammenhang mit den 3 und 4 beschrieben wurde.
In der Aufheizzone A sind die Einzelkapseln 15 durch dortige Führungs- und/oder Betätigungsmittel in der in der 8 dargestellten Form voneinander beabstandet und auch ein Deckel 16 für die oberste Einzelkapsel 15 ist von dieser beabstandet, sodass der Innenraum der Einzelkapseln 15 über großflächige Spülöffnungen mit Schutzgas (Stickstoff und/oder Argon) gespült werden kann. Spätestens bei Erreichen der Behandlungszone B sind die Einzelkapseln 15 stapelartig aufeinander gesetzt, sodass der Innenraum oder Reaktionsraum der unteren Einzelkapseln jeweils durch die darüber liegende Einzelkapsel 15 verschlossen ist und der Innenraum bzw. Reaktionsraum der obersten Einzelkapsel 15 durch den Deckel 16 verschlossen sind. Durch nicht dargestellte Gasaustausch-Öffnungen beispielsweise in der Umfangswand der Einzelkapseln 15 bzw. durch den Öffnungsquerschnitt dieser Gasaustausch-Öffnungen ist die jeweils erforderliche Kapselung eingestellt.
Die Erfindung wurde voranstehend an Ausführungsbeispielen beschreiben. Es versteht sich, dass zahlreiche weitere Änderungen oder Abwandlungen möglich sind, ohne dass dadurch der der Erfindung zugrunde liegende Erfindungsgedanke verlassen wird.
So wurde vorstehend davon ausgegangen, dass die Herstellung der Substrate 1 unter Verwendung des Tunnelofens 6, d. h. kontinuierlich im Durchlaufverfahren erfolgt. Grundsätzlich besteht auch die Möglichkeit, das Bonden bei stationär in einem Ofeninnenraum angeordneten, vorzugsweise gestapelten und jeweils mit wenigstens einer Schichtfolge 1.1 beladenen Kapseln in einer Schutzgasatmosphäre beispielsweise wiederum aus Stickstoff und/oder Argon mit dem geringen Sauerstoffanteil im Bereich zwischen 0,2 ppm–1000 ppm durchzuführen, wobei in einer Aufheizphase die Kapseln zum Spülen des jeweiligen Kapselinnenraums mit dem Schutzgas großflächig geöffnet und dann während des DCB-Bondens soweit geschlossen sind, dass die erforderliche Kapselung erhalten ist.
Weiterhin ist es insbesondere auch unter Verwendung von Trennelementen möglich, in jede Kapsel 7, 7a–7d mehrere Schichtfolgen 1.1 übereinander anzuordnen, und zwar zur gleichzeitigen Herstellung mehrerer Substrate 1. Auch besteht die Möglichkeit, die Substrate 1 jeweils in zwei Arbeitsgängen herzustellen, und zwar durch Bonden beispielsweise zunächst einer Metallschicht an einer Oberflächenseite der Keramikschicht und dann in einem weiteren Arbeitsgang durch Bonden der anderen Metallschicht an der anderen Oberflächenseite der Keramikschicht.
Bezugszeichenliste

1: Substrat
2: Keramikschicht
3, 4: Kupferschicht bzw. Kupferfolie
5: Anlage
6: Tunnelofen
7, 7a, 7b, 7c: Kapsel
8: Trennschicht
9, 9a, 9b: Grundkörper
10, 10a, 10b: Deckel
11, 12: Öffnung
13: Deckel
14: Öffnung
15: Einzelkapsel
16: Deckel
A: Aufheizzone
B: Behandlungs- oder Bondzone
C: Abkühlzone
TR: Transportrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 2319854 [0003]
US 3766634 [0003]
DE 2633869 [0004]
US 3994430 [0004]
DE 3036128 [0005]
DE 3204167 [0006]
US 4483810 [0006]
DE 10148550 [0016]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

„The Metallurgy of Copper” Incra Series, Band II, Seiten 56, 60 [0008]
„elektrochemische Gleichgewichtsuntersuchungen am System-Kupfer-Sauerstoff zwischen 1065 und 1300°C”, Habilitationsarbeit J. Osterwald, Berlin, 1965 [0009]
Neumann et al Metal Process, 1985, Seite 85 [0012]

Claims

Verfahren zum Herstellen von Metall-Keramik-Substraten, bei dem wenigstens ein Keramiksubstrat, beispielsweise wenigstens ein plattenförmiges Keramiksubstrat mit einer oxidierten Metallfolie durch Direct-Bonden verbunden wird, und zwar durch Erhitzen unter Schutzgas auf eine Prozess- oder Bondingtemperatur, die unterhalb des Schmelzpunktes des Metalls der Metallfolie (3, 4) liegt, aber wenigstens gleich der Schmelztemperatur des von der Oxidschicht und dem Metall gebildeten Eutektikums ist, wobei das wenigstens eine Keramik-Substrat und die mit diesem zu verbindende wenigstens eine Metallfolie (3, 4) während des Verfahrens in einem von einem Innenraum einer Kapsel (7, 7a–7d) gebildeten Reaktionsraum untergebracht sind, wobei während des Direct-Bondens eine im Inneren des Reaktionsraumes gebildete innere Schutzgasatmosphäre von einer die Kapsel umgebenden äußeren Schutzgasatmosphäre getrennt oder über einen ersten Öffnungsquerschnitt mit der äußeren Schutzgasatmosphäre in Verbindung steht, wobei der erste Öffnungsquerschnitt so gewählt ist, dass eine Kapselung des Reaktionsraumes, die (Kapselung) als prozentualer Anteil des geschlossenen Teils einer den Reaktionsraum umschließenden Gesamtfläche bezogen auf diese Gesamtfläche definiert ist, größer als 60% ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktionsraum der Kapsel (7, 7a–7d) während einer dem Direct-Bonden vorausgehenden Vorbehandlungsphase, beispielsweise während einer Aufheizphase (A), mit der äußeren Schutzgasatmosphäre über einen von wenigstens einer Spülöffnung (11, 12, 14) gebildeten zweiten Öffnungsquerschnitt in Verbindung steht, der größer ist als der die Kapselung bestimmende Öffnungsquerschnitt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Vorbehandlungsphase über die wenigstens eine Spülöffnung Gas aus der äußeren Schutzgasatmosphäre und/oder Schutzgas zum Spülen in den Reaktionsraum der Kapsel (7, 7a–7d) eingeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass am Ende der Vorbehandlungsphase und/oder vor dem Direct-Bonden die wenigstens eine Spülöffnung (11, 12, 14) verschlossen oder zumindest soweit verschlossen wird, dass nur der für die Kapselung erforderliche erste Öffnungsquerschnitt verbleibt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Öffnen und Verschließen der wenigstens einen Spülöffnung durch Anheben und Absetzen eines Deckels (10, 16) von bzw. auf die Kapsel (7, 7d) oder von bzw. auf einen Grundkörper (9, 9d) der Kapsel und/oder durch Öffnen und Schließen wenigstens eines Deckels oder einer Klappe (13) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Verwendung von Kapseln (7b) mit wenigstens einer an zumindest einer Kapselwand vorgesehenen Spülöffnung das Öffnen und Schließen der Spülöffnungen dadurch erfolgt, dass bei geöffneten Spülöffnungen (14) die Kapseln (7b) so angeordnet sind, dass die Spülöffnungen (14) freiliegen, und dass bei geschlossenen Spülöffnungen (14) die Kapseln (7b) so angeordnet sind, dass sie im Bereich der Spülöffnungen (14) dicht aneinander anschließen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Spülöffnung der Kapseln (7, 7a–7d) auch während einer an das Direct-Bonden anschließenden Abkühlphase (C) geschlossen ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dass während des Direct-Bondens der Reaktionsraum gegenüber der äußeren, die Kapsel umgebenden Schutzgasatmosphäre dicht verschlossen oder die Kapselung größer als 60% ist, und/oder dass der bei dem Verfahren maximal zulässige Sauerstoffanteil in der äußeren Schutzgasatmosphäre mit zunehmender Kapselung zunimmt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Schutzgasatmosphäre bei einer Kapselung zwischen 60 und 80% etwa 50 bis 100 ppm Sauerstoff enthält, und/oder dass die äußere Schutzgasatmosphäre bei einer Kapselung zwischen 60 und 80% etwa 2 bis 20 ppm Sauerstoff enthält, und/oder dass die äußere Schutzgasatmosphäre bei einer Kapselung von 80–95% 50 bis 200 ppm Sauerstoff enthält, und/oder dass die äußere Schutzgasatmosphäre bei einer Kapselung von 80–95% 1 bis 20 ppm Sauerstoff enthält, und/oder dass die äußere Schutzgasatmosphäre bei einer Kapselung größer 95% Sauerstoff in einem Anteil kleiner 20 ppm oder größer 200 ppm enthält.
Metall-Keramik-Verbundmaterial, insbesondere Metall-Keramik-Substrat (1), hergestellt nach dem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche.