ISBN 9783843907002

978-3-8439-0700-2, Reihe Werkstoffwissenschaften

Lars Müller
Kupferbeschichtung einer Siliziumnitrid-Keramik zur Anwendung in der Verbindungstechnik

178 Seiten, Dissertation Universität Erlangen-Nürnberg (2012), Softcover, A5

Zusammenfassung / Abstract

Zur Ableitung der Verlustwärme leistungselektronischer Halbleiterbauelemente tragen maßgeblich der Schaltungsträger und das Leitungsmaterial Kupfer bei. Um den Ansprüchen heutiger Stromeinsatzbereiche gerecht zu werden, sind Schaltungsträger aus Keramik im Einsatz. Im Fokus der vorliegenden Arbeit stand das Aufbringen einer Barriere- und Haftschicht auf Siliziumnitridkeramik Si3N4, um erstmals unter Anwendung einer großserientauglichen Kupfer-Sauerstoff-Eutektikmethode das Fügen von Siliziumnitrid-Substraten mit Kupferfolien zu ermöglichen. Die zu entwickelnde metallorganische Beschichtung befindet sich zwischen dem elektrisch isolierenden Keramikträger und der elektrisch leitfähigen Kupferfolie. Als Basismaterial für den Keramikträger wurde hierbei auf neuartiges Si3N4 zurückgegriffen, das den zukünftigen Anforderungen im Bereich Hochtemperatur- und Leistungselektronik (Laserdioden, Getriebe, Zündungsmodule, Elektroantriebe etc.) gerecht wird. Dieses neue High-Performance-Substrat vereint neben den für Si3N4 üblichen Eigenschaften wie niedrige relative Permittivität, exzellente chemische Resistenz sowie eine thermische Ausdehnung nahe am Silizium weitere Eigenschaften wie große mechanische Festigkeit, hohen Risswiderstand sowie eine überdurchschnittliche Wärmeleitfähigkeit und damit eine sehr gute Temperaturwechselbeständigkeit.

Im Rahmen der Arbeit wurden die bei der Cu-O-Eutektikmethode ablaufenden Prozesse systematisch an drei Si3N4-Substratqualitäten mit unterschiedlichen Hauptsinteradditiven sowie zwei ZrO2-Beschichtungen analysiert und erstmals detaillierte Erklärungsmodelle für den Haftmechanismus zwischen Kupfer und Substrat aufgestellt. Des Weiteren wurden Bedingungen untersucht, unter denen hohe Temperaturwechselbeständigkeit und Haftfestigkeit des Metall-Keramik-Verbunds erreicht werden können. Ferner wurden die wesentlichen Charakteristika und Ausfallursachen der hergestellten Kupfer-Si3N4-Verbunde mit den gängigen Kupfer-Keramik-Verbunden aus Al2O3 sowie AlN verglichen, um Aussagen über mögliche Einsatzbedingungen zu treffen.

Neben Schwierigkeiten bei der Verbundbildung auf Grund unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen Cu und Si3N4, passiver Oxidation bei hohen Temperaturen und einer schlecht durch Metallschmelzen benetzenden Oberfläche der Keramik war die größte Herausforderung für die Herstellung eines solchen Kupfer-Keramik-Verbunds die Korrosion des Si3N4 durch die eingesetzte eutektische Cu-O-Schmelze.