DE19627713A1

DE19627713A1 - Electrical circuit carrier plate manufacturing method for microelectronics - applying multiple layers of paste containing copper in organic solution on aluminium oxide substrate, and heating out each layer individually after application

Info

Publication number: DE19627713A1
Application number: DE1996127713
Authority: DE
Inventors: Klaus-Peter Wilczek
Original assignee: AB Mikroelektronik GmbH
Current assignee: AB Mikroelektronik GmbH
Priority date: 1995-07-17
Filing date: 1996-07-10
Publication date: 1997-01-23
Also published as: AT402871B; ATA121195A

Abstract

The method initially involves depositing a conductive layer on a non-conductive base layer of esp. Al2O3. In the conductive layer is a paste in which a copper portion is contained in an organic solvent. The paste is applied on a reference surface and is sintered via heating. At least two layers of paste are applied one over the other. After the application, each single layer in the whole solution becomes steamed out and all layers become sintered together. The steaming out of the solution is carried out at a temperature of at most 150[deg]C, pref. at around 120[deg]C.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Trägerplatte für elektrische Schaltungen, wobei auf einer nichtleitenden Grundlage insbesondere aus Al₂O₃ eine leitende Schicht aufgebracht wird, indem eine Paste, die in einer ein Lösungsmittel umfassenden organischen Trägerflüssigkeit verteilte Kupferteilchen enthält, auf Teilflächen aufgetragen und durch Erhitzen gesintert wird.The invention relates to a method for producing a carrier plate for electrical circuits, on a non-conductive basis in particular from Al₂O₃ A conductive layer is applied by using a paste that is in a solvent comprehensive organic carrier liquid contains distributed copper particles on partial surfaces is applied and sintered by heating.

Bei der Herstellung von Trägerplatten für elektrische Leitungen werden derzeit nur ganz dünne Schichten für Stromstärken unter 1 A durch Sintern von aufgetragenen Pasten hergestellt. Bevorzugt werden Pasten verwendet, welche Silberteilchen enthalten, doch sind auch Kupferpasten in Verwendung. Bei einer Schichtdicke von 20 µ spricht man bereits von einem Dickschichtmodul.In the manufacture of carrier plates for electrical lines are currently only whole thin layers for currents below 1 A by sintering applied pastes produced. Pastes which contain silver particles are preferred also copper pastes in use. With a layer thickness of 20 µ one speaks of a thick film module.

Für höhere Leistungen sind so dünne Schichten nicht geeignet, weshalb für Stromstärken oberhalb von 1 A Kupferfolien bis 1 mm Dicke unter Vermittlung einer Zwischenschicht aus Cu₂O mit keramischen Grundplatten aus Al₂O₃ verbunden werden. Bekannt sind auch Leiterplatten bei denen auf ein Aluminiumblech eine thermisch leitende, aber isolierende Kleberschicht und darauf eine Kupferfolie bis zu 0,1 mm Dicke aufgebracht werden. Die leitende Kupferfolie wird jeweils durch ein Ätzverfahren strukturiert.Such thin layers are not suitable for higher capacities, which is why for currents above 1 A copper foils up to 1 mm thick with an intermediate layer Cu₂O can be connected to ceramic base plates made of Al₂O₃. Are also known Printed circuit boards with a thermally conductive but insulating on an aluminum sheet Adhesive layer and a copper foil up to 0.1 mm thick can be applied. The Conductive copper foil is structured using an etching process.

Der naheliegende Gedanke, für den höheren Leistungsbereich die bekannten Silberpasten einfach dicker aufzutragen, ist nicht praktikabel, da die Glasanteile der Paste beim Sintern in die Schicht eindiffundieren. Außerdem wäre Silber in der notwendigen Schichtdicke viel zu teuer.The obvious idea, the well-known silver pastes for the higher performance range simply applying thicker is not practical because the glass parts of the paste when sintering in diffuse the layer. In addition, silver would be too much in the necessary layer thickness expensive.

Die Erfindung soll es ermöglichen, die für den niedrigen Leistungsbereich in Schichtdicken bis zu 20 µ zur Herstellung von gesinterten leitenden Schichten verwendeten Kupferpasten nunmehr im hohen Leistungsbereich und bei entsprechend großer Schichtdicke zu verwenden. Um dies zu erreichen, wurde zunächst versucht, zunächst eine dicke Schicht von Kupferpaste aufzutragen, diese zu sintern, dann die nächste Schicht aufzutragen usw. Die Haftung der Schichten aneinander war jedoch äußerst schlecht. Mitunter ließen sich die äußeren Schichten sogar wie eine Haut abziehen. Es war daher überraschend, daß es schließlich doch gelungen ist, durch Modifikation des Auftragungs- und Trocknungsverfahrens eine leitende Schicht aus gesintertem Kupfer mit einer Dicke von über 100 µ zu erzielen.The invention is intended to make it possible for the low power range in layer thicknesses up to 20 µ copper pastes used to produce sintered conductive layers now in the high performance range and with a correspondingly large layer thickness use. To achieve this, an attempt was first made to first apply a thick layer apply copper paste, sinter it, then apply the next layer, etc. However, the adhesion of the layers to one another was extremely poor. Sometimes they let themselves go peel off the outer layers like a skin. It was therefore surprising that it finally succeeded by modifying the application and Drying process a conductive layer of sintered copper with a thickness of to achieve over 100 µ.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß mindestens zwei Schichten der Paste unmittelbar übereinander aufgetragen werden, wobei nach dem Auftragen jeder einzelnen Schicht das in dieser enthaltene Lösungsmittel ausgedampft wird, und daß alle Schichten gemeinsam gesintert werden.This is achieved according to the invention in that at least two layers of the paste be applied immediately one above the other, after each individual Layer the solvent contained in this is evaporated, and that all layers be sintered together.

Das geschilderte Verfahren konnte ohne weiteres bei bis zu fünf Schichten angewendet werden, wobei diese Schichtzahl keineswegs eine obere Grenze darstellen muß.The described method could be applied to up to five layers be, whereby this number of layers does not have to represent an upper limit.

Die Erfindung liefert erstmals eine Trägerplatte mit einer gesinterten Kupferschicht, deren Impedanz unter 2 mOhm/Flächeneinheit liegt. Mit einer Schichtdicke von 180 µ konnte die Impedanz sogar auf 0,25 mOhm/Flächeneinheit herabgedrückt werden. Jetzt, da das durch die schwierige Herstellbarkeit begründete Vorurteil gegen derartig dicke Kupferbeläge überwunden ist, scheint es durchaus möglich, derartige Schichten auch mittels anderer Herstellungsverfahren zu erzielen. Der Schutz der beanspruchten Trägerplatte soll daher vom hier geoffenbarten speziellen Verfahren unabhängig sein. Die mit diesem Verfahren hergestellten Schichten weisen eine extrem hohe Haftfestigkeit zum Substrat auf. Sie liegt etwa bei dem doppelten Wert einer silberhaltigen Schicht.The invention provides for the first time a carrier plate with a sintered copper layer, the Impedance is less than 2 mOhm / unit area. With a layer thickness of 180 µ the Impedance can even be reduced to 0.25 mOhm / unit area. Now that that's through the difficult manufacturability justified prejudice against such thick copper coatings is overcome, it seems quite possible, such layers by means of others To achieve manufacturing processes. The protection of the claimed carrier plate is therefore intended be independent of the specific process disclosed here. Those with this procedure produced layers have an extremely high adhesive strength to the substrate. she lies about twice the value of a layer containing silver.

Anschließend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles weiter erläutert.The invention is then further explained using an exemplary embodiment.

Embodiment

Auf eine keramische Grundplatte aus Al₂O₃ wurde mittels einer Metallschablone oder im Siebdruck eine Kupferpaste aufgetragen. Diese enthielt 75 Gew.-% Kupferpulver mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 3 µ, 8 Gew.-% eines pulverförmigen keramischen Flußmittels und eine organische Trägerflüssigkeit. Im vorliegenden Fall bestand das keramische Flußmittel aus einer Mischung von Zinkoxid, Kalziumoxid, Aluminiumoxid und Siliziumoxid. Die Verwendung von Bleioxid, Wismutoxid usw. wäre ebenso möglich.On a ceramic base plate made of Al₂O₃ was using a metal template or in Screen printing a copper paste applied. This contained 75 wt .-% copper powder with a average particle size of 3 μ, 8 wt .-% of a powdered ceramic Flux and an organic carrier liquid. In the present case that was the case ceramic flux from a mixture of zinc oxide, calcium oxide, aluminum oxide and Silicon oxide. The use of lead oxide, bismuth oxide, etc. would also be possible.

Als organische Trägerflüssigkeit, welche der Paste die gewünschte Viskosität verleiht, wurde eine 5-prozentige Lösung von Ethylcellulose in Texanol verwendet. As an organic carrier liquid, which gives the paste the desired viscosity used a 5 percent solution of ethyl cellulose in Texanol.

Die Kupferpaste wurde in einer Lage von 60 µ Dicke partiell auf die Grundplatte aufgetragen und anschließend noch unter normaler Atmosphäre bei 120°C vom Lösungsmittel befreit. In gleicher Weise wurde eine zweite Schicht aufgetragen und das Lösungsmittel abgedampft und schließlich eine dritte Schicht aufgetragen und in gleicher Weise getrocknet. An-
schließend wurde die beschichtete Platte in Stickstoffatmosphäre auf etwa 500 °C erhitzt und die sich entwickelnden Gase, welche auf die Reste der organischen Trägerflüssigkeit zurückzuführen sind, entfernt. Bei weiterer Erhöhung der Temperatur bis auf schließlich 900 °C kam es zum Schmelzen des Flußmittels und schließlich zur Sinterung der Kupferteilchen.The copper paste was partially applied to the base plate in a layer of 60 .mu.m and then freed of the solvent under a normal atmosphere at 120.degree. A second layer was applied in the same way and the solvent was evaporated, and finally a third layer was applied and dried in the same way. On-
finally, the coated plate was heated to about 500 ° C. in a nitrogen atmosphere and the evolving gases, which are attributable to the residues of the organic carrier liquid, were removed. When the temperature was further increased to finally 900 ° C., the flux melted and the copper particles finally sintered.

Die elektrischen Eigenschaften der fertigen Trägerplatte waren hervorragend, wobei sich vor allem eine Dicke der Gesamtschicht zwischen 150 bsi 200 µ als günstig erwies. Bei spielsweise konnte bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel mit einer Schichtdicke von 180 µ der Widerstand pro Flächeneinheit auf 0,25 mOhm gesenkt werden.The electrical properties of the finished backing plate were excellent, being clear in particular, a thickness of the entire layer between 150 and 200 μ proved to be favorable. At for example, in the described embodiment with a layer thickness of 180 µ the resistance per unit area can be reduced to 0.25 mOhm.

Claims

1. A method for producing a carrier plate for electrical circuits, a conductive layer being applied on a non-conductive base, in particular made of Al₂o₃, by applying a paste containing copper particles distributed in an organic carrier liquid comprising a solvent to partial areas and sintering by heating , characterized in that at least two layers of the paste are applied directly one above the other, the solvent contained in the solvent being evaporated after the application of each individual layer, and in that all the layers are sintered together.

2. The method according to claim 1, characterized in that the evaporation of the Solvent at a temperature of at most 150 ° C, preferably at about 120 ° C takes place.

3. The method according to any one of claims 1 or 2, characterized in that the Sintering is carried out by heating the carrier plate in a nitrogen atmosphere Temperature range of about 500 ° C in gas form escaping residues of the organic Carrier liquid are sucked off and only then the sintering temperature of about 900 ° C is set.

4. Carrier plate for electrical circuits, which on a non-conductive basis, especially from Al₂o₃, carries a sintered copper layer, thereby characterized in that the thickness of the layer is at least 100 µ.

5. Carrier plate according to claim 4, characterized in that the thickness of the Copper layer is 150 to 200 μ.

6. Carrier plate according to claim 5, characterized in that the resistance of a square area of the copper layer is less than 0.5 mOhm.

7. Carrier plate according to claim 4, characterized in that the resulting Layers have adhesive strengths of 20 N / mm².