Entwicklung und Charakterisierung zuverlässiger Dickschicht-Leiterbahnstrukturen auf Aluminiumnitrid Keramiksubstraten

Abstract

Im Automobilbereich steigen die Anforderungen an die Leistungsdichte von Elektronikmodulen vor allem im aufstrebenden Markt der Hybrid- und Elektroantriebe. Konventionell werden Active Metal Brazing- oder Direct Bonded Copper-Schaltungsträger für Hochleistungsanwendungen eingesetzt. Die Designmöglichkeiten und die Langzeitstabilität unter schwierigen Bedingungen sind bei diesen Techniken jedoch begrenzt. Es wird daher ein alternatives Aufbaukonzept unter Verwendung der Dickschichttechnik, mit der schneller und flexibler auf Kundenwünsche eingegangen werden kann, entwickelt. Es resultiert ein Prozess zur siebdrucktechnischen Herstellung von Kupfer- und Silberleiterbahnen auf thermisch sehr gut leitfähiger Aluminiumnitrid- Keramik. Dafür findet eine Materialauswahl statt und die Prozessparameter werden festgelegt. Die Auswahl der Leiterbahnpasten beruht auf Charakterisierungen der entscheidenden Eigenschaften wie Flächenwiderstand, Haftfestigkeit und Eignung zum dicken Schichtaufbau. Ergänzend werden die Leiterbahnschichten und Grenzflächen mit dem Rasterelektronenmikroskop und mit energiedispersiver Röntgenspektroskopie analysiert.

In the automotive industry, the power density requirements for electronic modules are increasing, especially in the emerging markets of hybrid and electric drive. Conventionally, active metal brazing or direct bonded copper substrates are used for high power applications. The possibilities regarding design and the long-term stability under harsh conditions of these techniques are, however, limited. Therefore, an alternative build-up strategy is developed applying thick film technology, which allows more flexibility and faster response time for customized modules. The result is a manufacturing process for screen printed copper and silver conductors on thermally favorable aluminum nitride ceramic. For this purpose, the best materials and processing parameters are selected and defined. The selection of the conductor pastes is based on the characterization of essential properties like sheet resistance, adhesion and suitability for building up thick layers. In addition, the conductor layers and interfaces are analyzed using scanning electron microscopy and energy-dispersive X-ray spectroscopy.