铜-陶瓷基板制造技术

本发明专利技术涉及一种铜

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】铜
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陶瓷基板


[0001]本专利技术涉及一种具有权利要求书1的前序特征的铜
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陶瓷基板。

技术介绍

[0002]例如，铜
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陶瓷基板(例如直接铜键合(DCB)，活性金属钎焊(AMB))用于制造电子功率模块，是陶瓷载体和铜层的复合材料，铜层可以在一侧或两侧。铜层通常预制成呈铜箔形式的半成品铜制品，厚度为0.1至1.0毫米，并使用接合方法接合到陶瓷载体上。这种连接方法也被称为DCB(直接铜键合)或AMB(活性金属钎焊)。然而，在陶瓷载体强度更高的情况下，也可以应用更厚的铜层或铜箔，这在电学和热学性能方面具有根本性优势。
[0003]由例如莫来石、Al2O3、Si3N4、AlN、ZTA、ATZ、TiO2、ZrO2、MgO、CaO、CaCO3或至少两种这些材料的混合物制成的陶瓷板被用作陶瓷载体。
[0004]已知具有精细结构铜层，例如平均粒径最大为100μm的铜陶瓷基板，至少在背离陶瓷载体的自由表面上，在以下方面具有根本性优势：适于目视检查；适于线径小于50μm的细线接合的接合能力；非常精细结构的蚀刻行为；晶界配置；可镀锌性和总体上进一步加工。因此，主要是在自由表面上的精细均匀的结构在铜层中是有利的。此外，精细且因此更硬的结构对机械损伤(例如，划痕)具有更高的机械抵抗力。
[0005]DCB方法期间的过程控制发生在刚好低于铜的熔点而不是温度>1050℃时。AMB方法期间的钎焊过程发生在≥800℃的温度。AMB和DCB制造过程中的热效应使铜粗化，这种趋势随着纯度的增加而增强。因此，需要铜或铜合金对粗晶粒形成具有更高的抵抗力。
[0006]铜中有较高浓度的合金元素，即纯度降低的铜，与铜层导电性要求截然相反，而铜层导电性能需符合铜陶瓷基板最终使用的要求，至少在55MS/m的范围内。此外，铜
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陶瓷基板应该可经济地制造。

技术实现思路

[0007]在此背景下，本专利技术的目的提供一种具有精细均匀的微观结构和高导电性能，并且制造成本低廉的铜
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陶瓷基板。
[0008]根据本专利技术，提出了一种具有权利要求1特征的铜
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陶瓷基板，以实现上述目的。在从属权利要求中，可以获得进一步的优选改进。
[0009]因此，提出了一种包括陶瓷载体和至少一个接合到陶瓷载体表面的铜层的铜
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陶瓷基板。铜层具有至少99.5％的Cu(铜)含量。铜层还具有至少50ppm(百万分率)和最多3000ppm的Ag(银)含量。铜层可以获得其他元素的进一步分量。
[0010]在有利的实施例中，铜
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陶瓷基板包括两个铜层，每个铜层都接合到陶瓷载体的表面。
[0011]此外，提出了一种有利的实施方式，其中铜层具有至少99.7％、例如99.8％的Cu(铜)含量。
[0012]在铜层或铜陶瓷基板的铜层中，可以通过所提出的分量实现细晶粒形成。在铜层
中形成精细均匀的结构。可以实现最多为100μm的平均粒径，并且还能在高温处理条件下保持。
[0013]根据一个有利的实施例，建议铜层具有在40μm和100μm之间、更优选在40μm和80μm之间的平均粒径。平均粒径更优选地在40μm到60μm之间，例如50μm。平均粒径的标准差例如可以小于30μm。因此，铜层，特别是铜基板或铜层的自由表面区域，满足各种应用对精细均匀微结构的高要求。铜层因此特别适合目视检查和细线接合期间的接合能力。此外，由于精细均匀的微观结构，铜层对于非常精细的结构表现出特别好的蚀刻性能和对电镀方法的特别适用性，这特别是因为特别平坦的晶界沟槽和相关的低粗糙度。表面和结构的均匀和恒定的机械性能有助于在进一步处理操作中实现均一性能。相应的进一步处理操作例如可以是借助超声方法的线接合，其中直径例如在10至100μm范围内的接合线必须以精确的精度连接。在这种情况下，接合线接触点的结构均匀性非常重要。由于细晶粒的形成，也可以根据霍尔
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佩奇关系实现铜层强度的提高。
[0014]铜层表面特别适合芯片的钎焊，特别是在芯片逐渐微型化的情况下，因为均匀精细的结构可以减少钎焊芯片区域的应力梯度，从而相比于粗糙不均匀的结构，提高了钎焊质量与焊点的使用寿命。
[0015]由于铜含量高，因此所提出的铜
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陶瓷基板同时在铜层/多个铜层中提供高电导率>55MS/m。
[0016]一个特别的成本优势源于铜
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陶瓷基板既可以通过活性金属钎焊(AMB)也可以通过直接铜键合(DCB)来生产的事实。特别是铜
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陶瓷基板也可以采用无银焊料的AMB方式生产，其要求更高的焊料温度≥1000℃。铜
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陶瓷基板也可以通过其他热接合方法制造，例如热扩散接合。因此，所提出的铜
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陶瓷基板具有高抵抗粗晶形成的能力。
[0017]在此提出，铜层具有在0.4μm至0.6μm的穿透深度范围内的至少0.7GPa的穿透硬度。
[0018]进一步提出，铜层具有在0.1μm至0.25μm的压痕深度范围内的至少0.8GPa的压痕硬度。
[0019]尤其是对于低于1微米的压痕深度(这可通过深度分辨的QCSM(定量接触硬度显微镜)方法来确定)的铜层高表面硬度使得在进一步加工或运输过程中具有更高的机械作用抵抗力(例如更高的抗划伤性)。因此可以确保更高的表面质量。同样，在所指示的区域中具有相应的高表面硬度对于多种进一步的加工方法都是有利的。
[0020]根据进一步的改进，建议铜层具有最多为800ppm的Ag含量。这尤其可以导致成本降低。
[0021]进一步提出，铜层具有最多为30ppm的P含量。已经认识到，磷的存在可能抑制所提出合金的正向晶粒细化行为。这尤其适用于商业交易的铜，这些铜通常含有更多的磷。发现通过所建议的限制P含量可以有效地减少其负面影响。
[0022]还建议，铜层具有至少0.1ppm的P含量。进一步降低磷含量不会使铜层的性能进一步改善。
[0023]根据进一步的优选实施方案，建议铜层具有最多为10ppm，更优选的是最多为5ppm的O(氧)含量。相应低的氧含量可以实现足够的氢抵抗力，因此可以在氢气氛围下进行各种方法步骤。同时，低氧含量、尤其是O最大值为5ppm，对铜层的电导率有积极影响。
[0024]进一步提出，铜层具有至少0.1ppm的O含量。进一步降低氧含量不能进一步改善铜层的性能。
[0025]进一步提出，
[0026]‑
铜层中具有元素Cd、Ce、Ge、V、Zn的含量分别为最低0.01ppm至最高1ppm，其中：
[0027]‑
根据另一优选实施例的铜层具有元素Cd、Ce、Ge、V、Zn的总含量为至少0.1ppm且最多为5ppm。结果，可以简化实现高导电性和相应的精细微观结构。
[0028]进一步提出，
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.铜
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陶瓷基板(1)，包括：
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陶瓷载体(2)和
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接合到陶瓷载体(2)的表面的至少一个铜层(3、4)，其特征在于，
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铜层(3、4)具有至少99.5％的Cu含量，
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铜层(3、4)具有至少50ppm的Ag含量，并且
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铜层(3、4)具有最大为3000ppm的Ag含量。2.根据权利要求1所述的铜
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陶瓷基板(1)，其特征在于，铜层(3、4)具有在40μm和100μm之间的平均粒径。3.根据权利要求2所述的铜
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陶瓷基板(1)，其特征在于，铜层(3、4)具有40μm到80μm之间的平均粒径。4.根据前述权利要求中任一项所述的铜
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陶瓷基板(1)，其特征在于，铜层(3、4)具有在0.4μm至0.6μm的压痕深度范围内的至少0.7GPa的压痕硬度。5.根据前述权利要求中任一项所述的铜
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陶瓷基板(1)，其特征在于，铜层(3、4)具有在0.1μm至0.25μm的刻...

【专利技术属性】
技术研发人员：本杰明，
申请(专利权)人：阿鲁比斯斯托尔伯格股份有限公司，
类型：发明
国别省市：