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1. (WO2019008003) SOLDERING MATERIAL FOR ACTIVE SOLDERING AND METHOD FOR ACTIVE SOLDERING
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Lötmaterial zum Aktivlöten und Verfahren zum Aktivlöten

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Lötmaterial zum Aktivlöten und ein Verfahren zum Aktivlöten von elektronischen Komponenten und Bauteilen.

Lötmaterialien sind aus dem Stand der Technik hinlänglich, z.B. aus US 2014 126 155 A1 , bekannt und dienen der stoffschlüssigen Verbindung von Bauteilen. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung solche Lötmaterialen, die zum Aktivlöten vorgesehen sind und der Anbindung einer Metallisierung an ein Keramik um-fassendes Trägersubtrat dienen. Typischerweise umfassen solche Lötmaterialien einen vergleichsweise hohen Silberanteil, wenn die Lötung bei Temperaturen von unter 1000°C erfolgen soll. Mit diesem hohen Silberanteil gehen vergleichsweise hohe Material kosten einher. Außerdem besteht die Gefahr einer Silbermigration an den Rändern der Lötschicht an dem Keramik umfassenden Trägersubstrat, wenn elektrische Felder im Betrieb angelegt werden.

Aus der US 4 603 0990 A ist eine duktile Lötfolie bekannt. Dabei kann die Lötfolie aus 0,1 - 5 Gew. % eines reaktiven Metalls aus der Gruppe Ti, V, Zr oder aus einer Mischung von Elementen aus dieser Gruppe sowie 1 - 30 Gew. % Indium und 55-99,8 Gew-% Kuper bestehen.

Aus der DE 10 2015 108 668 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung einer Leiterplatte bekannt, wobei die Leiterplatte ein flächiges Basismaterial, insbesondere eine Keramik, aufweist, an welcher ein- oder beidseitig mittels einer Lotschicht eine Metallisierung angebracht wird.

Die US 4 426 033 A betrifft reaktive Metall-Kupfer-Legierung mit einer bestimmten Menge an einem dritten Metall aus der Gruppe von Silizium, Zinn, Germanium, Mangan, Nickel, Kobalt oder Mischungen daraus, wobei diese Legierung geeignet ist Keramiken zu löten.

Die US 4 784 313 A nennt ein Verfahren zum Verbinden von Formteilen aus SiC-Keramik miteinander oder mit Formteilen aus anderer Keramik oder Metall, bei dem die zu verbindenden Oberflächen unter Zwischenschaltung einer Metallschicht unter Diffusionsschweißbedingungen vereinigt werden. Dabei ist es vorge-sehen, dass als Metallschicht eine Manganlegierungsschicht aus MnCu (mit 25-82 Gew.-% Cu) oder MnCo (mit 5-50 Gew.-% Co) vorgesehen wird, die ggf. zusätzlich je 2-45 Gew.-% von zumindest einem der Metalle Cr, Ti, Zr, Fe, Ni und/oder Ta aufweist, wobei die Summe der Zusätze 70 Gew.-% nicht überschreiten soll.

Die DE 698 22 533 T1 kennt darüber hinaus ein Keramikelement, das einen elektrischen Stromversorgungsanschluss aufweist, worin ein metallisches Element in das Keramikelement eingebettet ist und gegenüber einer Ausnehmung des Keramikelements teilweise frei liegt, ein röhrenförmiges Atmosphärenabschirmungselement in die Ausnehmung hinein gesetzt ist und mit dem eingebetteten metalli-sehen Element verbunden ist.

Es ist somit eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Lötmaterial bereitzustellen, das sich im Vergleich zum Stand der Technik kostengünstig herstellen lässt und bei dem eine Silbermigration vermieden werden kann.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Lötmaterial zum Aktivlöten gemäß Anspruch 1 , durch eine Trägerschicht gemäß Anspruch 9 und durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 1 . Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der Beschreibung und den beigefügten Figuren.

Erfindungsgemäß ist ein Lötmatehal zum Aktivlöten, insbesondere zum Aktivlöten einer Metallisierung an eine Keramik umfassende Trägerschicht, vorgesehen, wobei das Lötmaterial Kupfer umfasst und im Wesentlichen silberfrei ist.

Im Gegensatz zum Stand der Technik wird beim erfindungsgemäßen Lötmaterial mit Vorteil auf Silber verzichtet, wodurch Herstellungskosten reduziert werden können und eine Silbermigration vermieden werden kann. Dabei ist statt Silber Kuper oder eine Kupferlegierung der Hauptbestandteil des Lötmaterials. Unter„im Wesentlichen silberfrei" ist insbesondere zu verstehen, dass das Lötmaterial ein An-teil an Silber im Bereich von Verunreinigungen, d.h. von weniger als 0,5 Gew.- %, bevorzugt weniger als 0,1 Gew.-% und besonders bevorzugt weniger als 0,05 Gew. -% des Lötmaterials aufweist. Grundsätzlich lassen sich beispielsweise mittels des Lötmaterials mehrere Keramikschichten miteinander verbinden oder eine Metallisierung, bevorzugt eine Kupferschicht, an eine Keramik umfassende Trä-gerschicht, anbinden. Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass die an die Trägerschicht angebundene Metallisierung strukturiert wird, insbesondere strukturiert wird, um beispielsweise Leiterbahnen oder Anschlussstellen für elektrische bzw. elektronische Bauteile auszubilden.

Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass das Lötmaterial in einem Fertigungsschritt von Silber bzw. Silberrückständen befreit wird bzw. dessen Anteil reduziert wird. Dadurch lässt sich in vorteilhafter Weise sicherstellen, dass das Lötmaterial silberfrei ist.

Unter einem Aktivlöt-Verfahren, z. B. zum Verbinden von Metallschichten oder Metallfolien, insbesondere auch von Kupferschichten oder Kupferfolien mit Keramikmaterial, ist ein Verfahren zu verstehen, bei dem bei einer Temperatur zwischen ca. 650 - 1000 °C unter Verwendung des Lötmaterials eine Verbindung zwischen einer Metallfolie, beispielsweise einer Kupferfolie, und einem Keramiksubstrat, bei-spielsweise einer Aluminiumnitrid-Keramik, hergestellt wird. Dabei enthält das Lötmaterial zusätzlich zu einer Hauptkomponente Kupfer auch ein Aktivmetall. Dieses Aktivmetall, welches beispielsweise wenigstens ein Element der Gruppe Hf, Ti, Zr, Nb, Ce, Cr, V, Y, Sc ist, stellt durch chemische Reaktion mit der Keramik eine Verbindung zwischen dem Lötmaterial und der Keramik mittels einer Reaktionsschicht her, während die Verbindung zwischen dem Lötmaterial und dem Metall eine metallische Hartlöt-Verbindung ist.

Insbesondere ist es vorgesehen, dass die Trägerschicht AI2O3, Si3N4, AIN, BeO o-der eine ZTA (Zirconia toughened Alumina) - Keramik im weiteren HPSX Keramik genannt (, d. h. einer Keramik mit einer AI2O3- Matrix, die einen x-prozentigen Anteil an ZrO2 umfasst, beispielsweise AI2O3 mit 9% ZrO2 = HPS9 oder AI2O3 mit 25% ZrO2 = HPS25) aufweist, wobei auch Kombinationen der genannten Trägermaterialien denkbar sind.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass das Lötmaterial einen Kupferanteil zwischen 50 und 90 Gew.-%, bevor-zugt zwischen 55 und 85 Gew.-% und besonders bevorzugt zwischen 50 Gew.-% und 75 Gew.-% aufweist. Hier ersetzt mit Vorteil der Kupferanteil den üblicherweise vergleichsweise hohen Anteil an Silber. Der Kupferanteil kann dabei abhängig von den einzelnen weiteren Bestandteilen eingestellt werden.

Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass das Kupfer einen Anteil zwischen 63 und 75 Gew.-%, bevorzugt zwischen 64 und 70 Gew.-%und besonders bevorzugt zwischen 65 und 70 Gew.-% am Lötmaterial hat. Es hat sich in vorteilhafter Weise herausgestellt, dass bei einer solchen Zusammensetzung ein vergleichsweise große Anzahl von verschiedenen Begleitmetalle bzw. Aktivmetalle genutzt werden kann, um ein prozesssicheres Lötmaterial (d. h. einem Lötmaterial, mit dem eine sichere und dauerhafte Verlötung realisiert werden kann) ohne Silber zu realisieren. Dies gestattet in vorteilhafter Weise eine individuelle Anpassung des Lötmaterials an den jeweiligen Anwendungsfall, ohne auf eine silberhaltige Zusammensetzung für das Lötmaterial zurückgreifen zu müssen.

In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass das Lötmaterial zur Herabsetzung der Schmelztemperatur ein Begleitmaterial, vorzugsweise Gallium (Ga), Indium (In), Mangan (Mn) oder Zinn (Sn), aufweist. Durch das Hinzufügen der Begleitmaterialien, wie Begleitmetalle, lässt sich mit Vorteil eine Schmelztemperatur zwischen 700 - 900 °C einstellen. Die Begleitmetalle Ga, In, Mn oder Sn erweisen sich dabei als besonders vorteilhaft, weil sie sich für ein Lötprozess auch bei niedrigen Dampfdrücken, beispielsweise unterhalb von 10 "3 mbar, beispielsweise beim Vakuumlöten, eignen.

In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass das Begleitmaterial am Lötmaterial einen Anteil von 5 bis 50 - Gew- %, bevorzugt einen Anteil von 5 und 40 - Gew- % und besonders bevorzugt einen Anteil von 5 und 35 - Gew.-% aufweist. Die Zugabemenge des Begleitmaterials richtet sich vorzugsweise nach einer gewünschten Schmelztemperatur, die für den Löt-prozess vorgesehen ist. Hierbei gilt insbesondere für In, Ga und Sn: Je mehr Begleitmaterialien desto niedriger die Schmelz- bzw. Löttemperatur. Allerdings wird die Schmelztemperaturerniedrigung dahingehend beschränkt, dass die Schmelzbzw. Löttemperatur so hoch sein muss, dass eine chemische Reaktion zwischen dem Aktivmetall und der keramischen Oberfläche erfolgt. Typischerweise muss die Schmelztemperatur dabei oberhalb von 700 und 800 °C liegen. Mit einer Zusammensetzung, bei der der Anteil des Begleitmaterials zwischen 5 und 35 - Gew. % liegt, lässt sich mit Vorteil ein Aktivmetall bereitstellen, bei dem einerseits die Schmelztemperaturerniedrigung ausreichend groß ist und das andererseits mit einer möglichst großen Vielzahl an verschiedenen keramischen Oberflächen kom-patibel ist. Außerdem lässt sich ein Anteil an intermetallischen Phasen, die zu einer verminderten mechanischen Festigkeit der Lötverbindung führen können, reduzieren, da mit zunehmendem Anteil an Begleitmaterialien auch der Anteil von intermetallischen Phasen steigt.

Zweckmäßig ist es vorgesehen, dass das Lötmaterial als Aktivmetall Ti, Zr, Hf, Cr, V, Y, Sc oder Ce aufweist. Dabei ist es insbesondere vorgesehen, dass das Aktiv- metall einen Anteil von 0,5 bis 10 Gew.-%, bevorzugt von 1 bis 5 Gew.-% und besonders bevorzugt von 1 bis 3 Gew.-% am Lötmaterial aufweist. Der Anteil an Aktivmetall wird vorzugweise anwendungsfallabhängig, beispielsweise in Abhängigkeit von den zu fügenden Materialien, angepasst.

Insbesondere ist es vorgesehen, dass das Lötmaterial eine Paste oder eine Folie ist. Beispielsweise wird die Paste bevorzugt als Zusammensetzung aus einem Pulver, das neben Kupfer und dem Aktivmetall auch das Begleitmaterial umfasst, und organischen Stoffen bereitgestellt. Die organischen Stoffe machen die Paste mit Vorteil siebdruckfähig und aushärtbar. In einer vorteilhaften Ausführungsform ist es vorgesehen, dass das Kupfer und die Begleitmaterialien als mikrolegiertes Pulver vorliegen. Beispielsweise handelt es sich um ein mikrolegiertes Pulver, das im Rahmen eines Verdüsungsprozesses mittels einer Verdüsungsanlage entsteht. Das Aktivmetall wird vorzugsweise pulverförmig beigemischt, beispielsweis als Ti, Zr, TiH und/oder ZrH. Zur Erhöhung einer Löslichkeit des Aktivmetalls im Lötpro-zess, ist es vorteilhaft vorgesehen, dass das Aktivmetall auch zusammen mit den anderen Materialien des Lötmaterials als binäre oder ternäre Legierung dem Lötmaterial pulverförmig zugefügt bzw. beigemischt ist. Für eine möglichst homogene Verteilung des Aktivmetalls, ist es denkbar, dass das Aktivmetall in das in der Ver-düsungsanlage zu legierenden Pulver integriert wird. Da das Aktivmetall mit einer Wandung der Verdüsungsanlage reagiert, ist hier bevorzugt ein Anteil des Aktivmetalls von 1 bis 2 Vol- % vorgesehen.

Sofern das Lötmaterial als Folie bereitgestellt wird, lässt sich mit Vorteil auf organi-sehe Zusatzstoffe verzichten. Zur Bildung der Lötschicht wird dabei die Folie zwischen der Metallisierung und der Trägerschicht angeordnet. Besonders bevorzugt ist hierbei ein vergleichsweise niedriger Anteil an Begleitmaterialien und Aktivmetallen im Lötmaterial.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass das Lötmaterial im Wesentlichen

- 64 Gew.-% Kupfer, 34 Gew.-% Mangan und 2 Gew.-% Titan,

- 64 Gew. -% Kupfer, 34 Gew.-% Indium und 2 Gew.-% Titan,

- 75 Gew. -% Kupfer, 23 Gew.-% Zinnund 2 Gew.-% Titan,

- 69 Gew. -% Kupfer, 13 Gew.-% Zinn, 16 Gew.-% Indium und 2 Gew.-% Titan,

- 66 Gew. -% Kupfer, 16 Gew.-% Zinn, 16 Gew.-% Mangan und 2 Gew.-% Titan, - 66 Gew. -% Kupfer, 16 Gew.-% Indium, 16 Gew.-% Mangan und 2 Gew.-% Titan oder

- 69 Gew. -% Kupfer, 12 Gew.-% Zinn, 7 Gew.-% Mangan, 10 Gew.-% Indium und 2 Gew.-% Titan,

sowie unvermeidbare Verunreinigungen von weniger als 0,5 Gew.-% aufweist. Ins-besondere sind unter dem Ausdruck "im Wesentlichen" solche Abweichungen zu verstehen, die vom jeweiligen exakten Wert um +/- 10%, bevorzugt um +/-5% abweichen und/oder Abweichungen in Form von für die Funktion unbedeutenden Änderungen entsprechen.

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Trägerschicht mit einer Metallisierung, wobei die Metallisierung über das Lötmaterial gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche an die Trägerschicht angebunden ist. Alle für das erfindungsgemäße Lötmaterial beschriebenen Merkmale und deren Vorteile lassen sich sinngemäß ebenfalls auf die erfindungsgemäße Trägerschicht übertragen und andersherum. Vorzugsweise ist die Metallisierung, beispielsweise eine Kupfer- oder Molybdänschicht, zur Ausbildung von Leiterbahnen und Anschlusstellen für elektrische oder elektronische Bauteile, strukturiert. Die Strukturierung ist vorzugsweise durch ein Einätzen realisiert worden.

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Anbinden einer Metallisierung an eine Trägerschicht, insbesondere eine Keramik umfassende Trägerschicht, wobei ein Lötmaterial gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche verwendet wird. Alle für das erfindungsgemäße Lötmaterial beschriebenen Merkmale und deren Vorteile lassen sich sinngemäß ebenfalls auf das erfin-dungsgemäße Verfahren übertragen und andersherum.

Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass ein Anbinden bei einer Löttemperatur von weniger als 1000°, bevorzugt weniger als 900 °C und besonders bevorzugt weniger als 850 °C durchgeführt wird. Vorzugsweise ist das Lötmaterial entsprechend ausgelegt, beispielsweise durch Hinzugabe einer entsprechenden Menge an Ak-tivmetallen oder Begleitmetallen, um die gewünschte Temperatur zu realisieren. Durch das Löten bei niedrigen Temperaturen, insbesondere unterhalb von 850 °C, ist es möglich, den Energieaufwand beim Löten vergleichsweise gering zu halten.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorge-sehen, dass das Lötmaterial in einem Siebdruckverfahren auf die Keramik umfassende Trägerschicht aufgetragen wird. Dadurch lässt sich das Lötmaterial in vorteilhafter Weise gleichmäßig flächig auftragen, insbesondere für die flächige An-bindung einer Metallschicht an eine Keramikschicht.

Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Gegenstands mit Bezug auf die beigefügte Figur. Einzelne Merkmale der einzelnen Ausführungsform können dabei im Rahmen der Erfindung miteinander kombiniert werden.

Es zeigt:

Fig.1 : eine Trägerschicht mit einer Metallisierung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

In Figur 1 ist eine Trägerschicht 2 mit einer Metallisierung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Hierbei handelt es sich vorzugsweise um eine Trägerschicht 2, auf der elektronische oder elektrische Bauteile angeordnet werden. Hierfür ist eine Metallisierung 3 vorgesehen, vorzugsweise eine strukturiert Metallisierung 3, um Leiterbahnen oder Anschlussstel-len für die elektrischen oder elektronischen Bauteile bereitzustellen. Die Metallisierung 3 ist vorzugsweise mittels eines Aktivlötverfahrens an die Trägerschicht 2, die insbesondere Kupfer umfasst, gebunden worden. Zur Senkung der Herstellungskosten und zur Vermeidung einer Silbermigration ist es bevorzugt vorgesehen, dass zum Aktivlöten Lötmaterial 1 verwendet wurde, das Kupfer umfasst und im Wesentlichen silberfrei ist.

Beim Aktivlöt-Verfahren wird bei einer Temperatur zwischen ca. 650-1000°C eine Verbindung zwischen einer Metallfolie, beispielsweise einer Kupferfolie, und einem Keramiksubstrat, beispielsweise einer Aluminiumnitrid-Keramik, unter Verwendung des Lötmaterials 1 hergestellt, welches zusätzlich zu einer Hauptkomponente Kup-fer auch ein Aktivmetall enthält. Dieses Aktivmetall, welches beispielsweise wenigstens ein Element der Gruppe Hf, Ti, Zr, Nb, Ce ist, stellt durch chemische Reaktion eine Verbindung zwischen dem Lötmaterial und der Keramik her, während die Verbindung zwischen dem Lötmaterial und dem Metall eine metallische Hartlot-Verbindung ist.

Um das Lötmaterial an die erforderlichen Schmelztemperaturen anzupassen, ist es insbesondere vorgesehen, dass das Lötmaterial 1 ein Begleitmaterial, vorzugsweise Ga, In, Mn oder Sn, aufweist.