Bleioxid-freie Kupfer-Dickschicht-Pasten für mehr Designflexibilität in der Leistungselektronik

Kupfer-Dickschicht-Systeme werden in vielen Bereichen der Hybrid-Technik eingesetzt, traditionell in der Multilayer-Technologie, aber gegenwärtig verstärkt auch in der Leistungselektronik. Vorteile der Kupfer-Dickschicht-Systeme sind eine hohe Leitfähigkeit, eine gute Lotbenetzung, eine hohe Ablegierfestigkeit und eine hohe Haftfestigkeit. Zur Realisierung solcher Schichtsysteme wird üblicherweise der kosten- und zeitintensive DBCProzess (Direct Bond Copper) angewendet. Vorteilhafter wäre eine Applikation der Cu- Schichten über die deutlich kostengünstigere Siebdrucktechnologie, bei welcher eine Kupferdickschichtpaste auf Keramiksubstraten (wie z.B. Al2O3) gedruckt wird. Mit Hilfe dieser Kupferpasten-Systeme könnten Kupferfilme und Anwendungen realisiert werden, welche unter ander em dünner (ca. 100 μm) und feiner strukturiert sind als übliche DBCSubstrate. So kann eine deutlich höhere Designflexibilität geschaffen werden. Zur Herstellung solcher Applikationen ist es notwendig, dickdruckende Kupferpasten zu verwenden, welche ein einfaches Strukturieren der Filme ermöglichen und einen hohen Pastenauftrag bereits mittels eines Druckschrittes zulassen. Die Schwierigkeit bei dickdruckenden Siebdruckschichten besteht jedoch darin, Pasten mit einem hohen Füllstoffgehalt zu entwickeln, welche sich gleichzeitig gut applizieren lassen. Weiterhin ist es notwendig eine ausreichend hohe Haftfestigkeit zwischen der Kupferschicht und dem Substrat zu erzielen, welche bei DBC-Systemen durch die Ausbildung einer CuAl2O4-Haftschicht bei 1066 °C (Eutektischer Punkt) gebi ldet wird. Diese Einbrenntemperaturen sind jedoch für Dickschichtanwendungen nicht möglich und so wurde unter den genannten Gesichtspunkten ein bleioxidfreies Kupfer-Dickschicht-System entwickelt, bei welchem durch eine geeignete Mischung anorganischer Additive eine haftfeste Schicht bei Temperaturen um die 900 °C erreicht werden konnte. Die Dicken der gebrannten Schichten betragen mehr als 30 μm und der spezifische Widerstand ist mit 0,021 Ohm*mm²/m lediglich 23,5% höher als der des Kupferbulkwiderstandes mit 0,017 Ohm*mm²/m. Es zeigt sich, dass sich die Siebdruck- Technologie zu einer alternativen Methode anstelle des Standard-DBC-Verfahrens entwickeln kann.