专利名称：用于制造双面金属化陶瓷衬底的方法
技术领域：
本发明涉及用于根据直接结合工艺制造双面金属化陶瓷衬底的方法。
背景技术：
双面金属化陶瓷衬底通常是已知的。这种金属陶瓷衬底尤其在功率半导体模块的区域用作电路载体。这些电路载体包括顶侧和底侧，设有铜金属化的陶瓷，至少一个金属化侧利用其呈现电路结构。用于通过共熔结合制造这些金属陶瓷复合物的已知方法通常指直接结合工艺(直接铜结合，DCB)。US3, 994，430和EP0085914描述了用于根据直接结合工艺制造金属陶瓷衬底的方法。已知的制造工艺具有共同的因素，即金属板或箔片与陶瓷之间的连接的形成通过液相结合工艺实现。为此，利用施加到金属板上的中间层的局部熔化，中间层的熔点(共熔)在金属和陶瓷的熔点以下。已知的直接结合工艺基本包括以下方法步骤-将适当的层施加到非结构化金属板的至少一侧上，以产生共熔熔化层-将具有熔化层的非结构化金属板施加到非结构陶瓷的上侧上-将金属板和陶瓷加热到处于熔化层的熔点以上且处于所要结合的材料的熔点以下的温度-将复合物冷却到室温，以及-如果合适，将结合的金属层研磨和抛光以消除由于结合工艺而产生的局部不平坦区域。通过从US3994430得知的方法，已经证明了将金属板结合到陶瓷的顶侧和底侧优选以两个步骤执行的缺点，因为同时结合两金属板时，底部金属板倾向于粘结到衬底载体， 且随后的脱开导致金属陶瓷衬底的损坏。因而，在两侧上金属化的金属陶瓷衬底的制造要求至少两步工艺步骤，这是耗费时间且增加成本的。DE102004056879描述了用于将两片金属箔片同时结合到陶瓷的方法。通过该已知方法，其用于应当通过附加分离层的相互间隔来避免将底部金属箔片粘结到衬底载体，附加分离层由多孔材料构成。缺点是所需的分离层首先通过合适的方式施加，在结合工艺后， 再次通过合适的工艺从金属表面移除，这涉及额外的时间和成本。通过液相结合工艺结合金属陶瓷衬底的另一问题在于金属板与陶瓷衬底之间的结合部分地不是100%全表面进行。在金属与陶瓷之间的边界表面内的包含物尤其对衬底的局部放电电阻产生不利影响，并造成对金属与陶瓷之间的热结合和机械结合的局部干涉。US44092278、US4860939和DE102004033933描述了意图减少气泡形成或意图扩大结合表面的方法。US44092278提出“排气管线”位于金属板或陶瓷内。缺点在于，在建立功率半导体模块所需的结合工艺期间，诸如焊接期间的焊剂的工艺流体会积聚在这些结构内。在使用模块期间工艺流体可能露出，并缩短部件的使用寿命。除此之外，“排气管线”减少金属与陶瓷之间的热连结和电气连结。US4860939提出通过金属板和陶瓷的表面的密集清洁来避免气泡形成。目的是这应当尤其通过现场形成液相结合所必须的反应层来实现。但是，在实践中这似乎不是非常有价值，这是因为除了粘结脏污染物的可能性之外还有其它气泡形成的原因。通过DE102004033933中描述的方法，目的是在结合工艺期间产生的气泡应当在后续工艺中通过非常高的压力GOO巴至2000巴)和高温至1050°C )被挤压出边界表面。缺点是用于去除气泡的已知工艺非常耗费能量和时间，且因此成本高，于是该方法非常不适合批量生产。
发明内容
本发明基于以下问题提供一种用于根据直接结合工艺制造双面金属化金属陶瓷衬底的简单且可经济地实施的方法。根据本发明，该问题利用权利要求1的特征来解决。本发明的优选实施例是从属权利要求的内容。根据本发明的方法使得至少一个陶瓷衬底能够仅在一个工艺步骤中在顶侧和底侧分别结合到金属板或箔片，其中该结合工艺是液相结合。根据本发明，这通过使所要结合的复合物位于具有特别设计的载体上来实现。根据本发明，该载体的特征在于，载体的上侧通过形成大量的接触点而构造。载体可由仅一部分或几部分构成。唯一的决定性因素在于， 根据本发明，载体在其上侧上进行构造。根据本发明，将由第一金属板和第二金属板以及陶瓷衬底构成的布置放置在载体上。由于根据本发明载体的特殊构造，实现了这样的情况可使金属板和陶瓷衬底的复合物在结合工艺之后从载体脱离而没有任何残留，且如果必要在清洁之后可以再用。根据本发明的载体提供了以下优点不需要附加分离层，该分离层必须首先施加到载体上。载体和该布置的中间空间还确保在炉中加热期间保证良好的热传递。因而，简化了双面金属化金属陶瓷衬底的制造方法。接触点的数目和尺寸应当是以下量级金属板和金属衬底的布置一方面充分支承在载体上，另一方面在该布置与载体之间提供足够的中间空间。优选地，该组合的高度小于100mm，优选地小于50mm，且尤其优选地小于10mm。载体在面向第一金属板和第二金属板以及陶瓷衬底的布置的上侧上呈现多个突起组件(projecting assemblages)。这些突起组件沿该布置的方向逐渐变细。优选地，这些突起组件沿该布置的方向延伸到一点。这因而使得形成多个小接触点。在顶表面上“延伸到一点”的组合优选为呈点形式的“接触表面”，其例如是每个组合可处于在Imm2和3mm2之间，尤其是2mm2，由于生产技术原因，在实践中，难以生产和/或以相当的费用生产较小接触表面，且不要求或不需要接触表面尺寸进一步减小。即使较小接触表面也甚至会导致衬底的损坏。由在载体上所有突起组件的全体形成的接触表面与所要结合的表面成比例，优选在0. 至0.5%之间，且尤其是0.3%。尤其优选地，使用圆锥形体或棱锥形体作为突起组件。但是，突起组件形状也可以是柱形。其也可是方形和/或矩形和/或卵形横截面，或椭圆形横截面。唯一决定性的因素是该布置不能与突起组件全表面接触，而是仅与相对于底侧的整个表面面积非常小的表面面积接触。突起组件优选成排且成间隙分布布置在整个上侧上，优选以一致的间距分布布置。载体应由相对于结合工艺不活跃反应和/或不易湿的材料构成，诸如耐高温金属，其中，如果合适，载体可在清洁之后再次使用。其应由可在不同工艺环境(活性或惰性) 中使用的材料构成。载体或载体的部分优选地呈现选自由莫来石、氮化铝、氮化硼、氮化硅、氮化锆、碳化硅和石墨构成的组的化合物中的至少一种。通过根据本发明的方法，通过在定位在陶瓷衬底上之前被穿孔的第一金属板和/ 或第二金属板有效地避免了气泡形成。优选两个金属板的打孔使得在结合工艺过程中在金属板和陶瓷的边界表面中形成的气泡能够被“排出”。这于是扩大了发生结合的表面。两个金属板的至少一个的打孔具有其自身的发明意义。优选地，对于用于制造双面金属化金属陶瓷衬底的方法，使用根据本发明的结构化载体以及分别被穿孔的金属板或箔片。但是，原则上，也可能仅使用根据本发明被穿孔的金属板，而没有根据本发明的载体。优选地，两个金属板的至少一个设有孔，孔具有足够大以确保“排出”效果、而另一方面还足够小以确保金属板具有足够的高电流承载能力的直径。优选地，孔具有0. Imm-Imm 之间的直径，优选在0. 4mm-0. 6mm之间的直径。孔优选成排且优选以一致的间距的间隙布置。但是，原理上，可能在金属板上有任何所要求的孔分布。
以下参考附图更详细地解释本发明的实施例。附图示出图1是DCB封装的剖视图，其示出分别布置在顶部或底部金属板或箔片之间的陶瓷衬底，图2是位于载体上的图1的DCB封装，图3是图1的DCB封装的两金属板或箔片之一，图4是用于DCB封装的载体的替代实施例，以及图5是用于DCB封装的载体的又一实施例。
具体实施例方式图1示出形成为DCB封装的布置，该DCB封装由第一顶部金属板1和第二底部金属板3构成，在第一顶部金属板1和第二底部金属板3之间定位陶瓷衬底2。金属板1、2分别是铜板或箔片。陶瓷衬底是氧化物陶瓷衬底，尤其是氧化铝陶瓷。在EP0085914中详细描述了用于将氧化金属板1和3结合到陶瓷衬底2的称为直接结合工艺的方法，明确对该专利进行引用。根据本发明的方法的特征在于，将DCB封装放置在特殊构造的载体4(图2、上。载体4是由选自由莫来石、氮化铝、氮化硼、氮化硅、氮化锆、碳化硅和石墨构成的组的化合物中的至少一种制成的板。该板在面向DCB封装1、2、3的上侧上呈现多个突起组件4A。这
5些突起的高度H优选地在0 < H < 20mm之间。在实施例示例中，突起组件4A是高度约为 IOmm的圆锥体，其尖端4B指向外。圆锥体4A的尖端4B形成接触点，DCB衬底1、2、3位于载体4上的接触点处。圆锥体4A成排且以一致间距的间隙布置。在第一实施例示例中，陶瓷衬底由厚度为0. 38mm、尺寸为138mmX 190mm的Al2O3制成，且在两侧上结合有厚度为0.3mm的由铜制成的金属箔片。在结合工艺之前，铜箔片1、 3两侧以已知方式氧化。通过两个金属箔片1、3和陶瓷衬底2，组成了图1所示DCB封装。 然后将PCB组件1、2、3放置在图2所示的载体上，并放置在连续式加热炉的传送带上。在连续式加热炉中，放置在载体4上并以恒定传送速度的DCB封装1、2、3被加热到1065°C和 1083°C之间的温度，例如1071°C，且在穿过加热炉的加热区域之后，冷却到室温。在该结合工艺之后，金属陶瓷衬底1、2、3被与载体4分离并根据已知的DCB制造技术处理。在结合工艺之后，载体4被清洁以可再次用于下一结合工艺。附图中示出可在底部金属箔片3的底侧和载体4之间没有额外分离层，而无金属箔片粘接到载体的风险。DCB封装1、2、3的金属箔片1、3在被放置在金属陶瓷衬底2上之前被穿孔。使用激光来打孔，铜箔片通过其设有成排且以20mm间距间隙的直径为0. 5mm的孔5。在被穿孔之后，且在结合工艺之前，铜箔片被氧化。在结合工艺之前，将被穿孔且氧化的铜箔片1、3 放置在陶瓷衬底2上。该复合物被放置在连续式加热炉的以恒定传送速度的传送带上，且被加热到1065°C和1083°C之间的温度，例如1071°C，在穿过加热炉的加热区域之后，冷却到室温。在铜箔片和陶瓷衬底之间没有显示气泡形成。图4示出用于DCB封装1、2、3的载体4的替代实施例。载体4形成为具有横向腹板(web) 7的矩形框架6。突起组件以排7A至7E布置在横向腹板7的上侧上，突起组件被设计为截头四边棱锥8。但是，代替四侧棱锥，可设置呈现多于或少于四边的棱锥形体。棱锥的平坦尖端形成其上放置DCB衬底的表面。图5示出用于DCB封装1、2、3的载体4的另一实施例。图5的实施例与图4的实施例的不同之处仅在于突起组件的形成。因此，彼此相应的部件用相同的附图标记。该载体也形成为具有横向腹板7的矩形框架6。突起组件以排7A至7E布置在横向腹板6的上侧上，突起组件设计成半球形体9。但是，除了具有圆形横截面的体，还可设置具有卵形横截面或椭圆形横截面的体。
权利要求
1.用于根据直接结合工艺制造双面金属化陶瓷衬底的方法，其中将由第一金属板和第二金属板以及布置在所述第一金属板和所述第二金属板之间的陶瓷衬底构成的布置放置在载体上，并通过加热将放置在所述载体上的所述第一金属板和所述第二金属板以及所述陶瓷衬底的所述布置结合到所述双面金属化陶瓷衬底，其特征在于，在所述载体的面向由所述第一金属板和所述第二金属板以及所述陶瓷衬底构成的所述布置的上侧上，通过形成多个接触点而构造所述载体，所述布置在所述载体上位于所述多个接触点上，其中所述载体在面向由所述第一金属板和所述第二金属板以及所述陶瓷衬底构成的所述布置的上侧上呈现多个突起组件，所述多个突起组件在所述第一金属板和所述第二金属板以及所述陶瓷衬底的所述布置的方向上逐渐变细。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述突起组件在所述第一金属板和所述第二金属板以及所述陶瓷衬底的所述布置的方向上延伸到一点。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于所述突起组件是圆锥形体。
4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于所述突起组件是棱锥形体。
5.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于所述突起组件是半球形体。
6.如权利要求1至5中的任一项所述的方法，其特征在于所述突起组件以一致的间距分布布置在所述载体的面向由所述第一金属板和所述第二金属板以及所述陶瓷衬底构成的所述布置的上侧上。
7.如权利要求1至6中的任一项所述的方法，其特征在于所述载体或所述载体的至少一部分呈现为选自由莫来石、氮化铝、氮化硼、氮化硅、氮化锆、碳化硅和石墨构成的组的化合物中的至少一种化合物。
8.如权利要求1至7中的任一项所述的方法，其特征在于所述金属板在被放置到所述陶瓷衬底上之前被氧化。
9.如权利要求1至8中的任一项所述的方法，其特征在于将铜板用作所述金属板。
10.如权利要求1至9中的任一项所述的方法，其特征在于所述第一金属板和/或所述第二金属板在定位在所述陶瓷衬底上之前被穿孔。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于所述第一金属板和/或所述第二金属板在定位在所述陶瓷衬底上之前设有孔，所述孔具有在0. Imm到Imm之间的直径，优选具有在 0. 4mm到0. 6mm之间的直径。
12.如权利要求10或11所述的方法，其特征在于所述孔成排且成间隙布置，优选所述孔以一致的间距布置。
全文摘要
本发明涉及用于制造双面金属化陶瓷衬底的方法。根据本发明的方法使得至少一个陶瓷衬底(1)能够仅在一个工艺步骤中在顶侧和底侧分别结合到在一个例子中的金属板或箔片(2、3)。这通过使所要结合的复合物位于具有特别设计的载体(4)上而实现。根据本发明，该载体的特征在于，载体的上侧通过形成大量的接触点而构造。由于根据本发明的载体的特殊构造，在结合工艺之后，能够实现金属般和陶瓷衬底的复合物可从载体分离而无任何残留物。根据本发明的载体具有不要求额外分离层的优点。
文档编号H05K3/38GK102276284SQ20111015883
公开日2011年12月14日 申请日期2011年6月14日 优先权日2010年6月14日
发明者托马斯·斯潘, 海科·克诺尔, 维尔纳·威登奥尔 申请人:Ixys半导体有限公司