DE10111185A1

DE10111185A1 - Keramik-Metall-Substrat

Info

Publication number: DE10111185A1
Application number: DE10111185A
Authority: DE
Inventors: Tobias Steiner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2001-03-08
Filing date: 2001-03-08
Publication date: 2002-06-13

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Keramik-Metall-Substrat mit einer Profilierung (P) in einer Metallschicht zur Reduzierung von thermomechanischen Spannungen. Mit Hilfe von Profilierungen (P) im Kontaktierungsbereich von elektrischen Bau- oder Kontaktelementen (S) wird eine erhöhte Temperaturwechselfestigkeit erreicht. Mit Hilfe einer Kaskadierung von Profilierungen (P) ist es möglich, einen erweiterten Ausdehnungsanpassungsbereich zu schaffen. Mit Hilfe einer Trägerplatte (T) auf mindestens einem freien Profil (M11) besteht die Möglichkeit, elektrische Bau- oder Kontaktelemente (S) zu befestigen, die eine ebene Fläche benötigen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Keramik-Metall-Substrat mit einer Profilierung in einer Metallschicht zur Reduzierung von thermomechanischen Spannungen.

Aus der Firmenschrift "DCB-Substrate mit Dimple-Design" der Firma curamik electronics gmbh, ist bekannt, dass Keramik- Metall-Substrate der oben genannten Art selbst, nicht nur während des Herstellungsprozesses, sondern auch im Einsatz von Leistungsmodulen hohen Temperaturschwankungen unterlie gen. Aufgrund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungs koeffizienten der durch den Hochtemperatur-Prozess des Kera mik-Metall-Substrats fest miteinander verbundenen Materia lien, kommt es bei Temperaturdifferenzen zu mechanischen Spannungen in der Grenzfläche zwischen der Metallisierung und der Keramik. Die thermomechanisch induzierten Spannungen kön nen zur Zerstörung des Keramik-Metall-Substrats führen. Daher werden im Randbereich der Kupfermetallisierung der Keramik- Metall-Substrate definierte Löcher eingebracht, so dass die Metallisierung im Randbereich annähernd mit 45°-Neigung zur Keramik ausläuft, um einen annähernd kontinuierlichen mecha nischen Spannungsabbau zu erzielen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Reduzierung von thermome chanischen Spannungen zwischen den Kontaktierungsstellen von elektrischen Bau- oder Kontaktelementen und einem Keramik- Metall-Substrat zu erzielen.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe für ein Keramik- Metall-Substrat der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Profilierung im Kontaktierungsbereich von elektri schen Bau- oder Kontaktelementen vorgesehen ist. Insbesondere thermisch stark belastete Bauelemente, die mit einem Keramik- Metall-Substrat verbunden werden, unterliegen an der bzw. den Kontaktierungsstellen besonders hohen thermomechanischen Spannungen.

Werden elektrische Bau- oder Kontaktelemente an mindestens zwei Punkten mit einem Keramik-Metall-Substrat verbunden, wie dies beispielsweise bei Shunt-Widerständen der Fall ist, so rufen die umgesetzten elektrischen Verlustleistungen im Wi derstandsmaterial Temperaturhübe hervor, die wiederum zu ei ner Ausdehnung des Shunt-Widerstands und damit zu mechani schen Spannungen an den Kontaktierungsstellen führen. Dies kann zu einer Materialermüdung des Verbindungsmaterials, bei spielsweise von Lotmaterial, aber auch zu einer Materialermü dung der Kontaktpartner führen.

Mit Hilfe der Erfindung wird gezielt eine Materialschwächung durch eine Profilierung im Kontaktierungsbereich von elektri schen Bau- oder Kontaktelementen vorgenommen. Die Profilie rung kann dabei entweder im elektrischen Bau- oder Kontakt element selber oder an der Kontaktierungsstelle des Kontakt partners erfolgen. Somit werden beispielsweise rippen-, steg-, finger- oder kraterförmige Strukturen im Kontaktbe reich hergestellt, um den elastischen mechanischen Ausdeh nungsbereich der Kontaktpartner zu erweitern.

Durch die Profilierung im Kontaktierungsbereich wird für die elektrischen Bau- oder Kontaktelemente ein erweiterter rever sibler elastischer mechanischer Ausdehnungsbereich geschaf fen, der in vorteilhafter Weise zu einer erhöhten Temperatur wechselfestigkeit führt. Als Temperaturwechselfestigkeit wird hier die Fähigkeit eines Materialverbundes verstanden, eine Anzahl von zyklischen Temperaturhüben gegebenenfalls mit ei ner festgelegten Frequenz ohne merkliche Eigenschaftsänderun gen oder Zerstörung des Materialverbundes zu überstehen.

Die Profilierung grenzt einen Ausdehnungsanpassungsbereich ab, in dem ausgehend von einer Verbindungstemperatur der Ver bundpartner erhöhte elastische Druck-, Zug- oder Scherspan nungen im Vergleich zu einem nicht profilierten Bereich auf genommen werden können. Die Profilierung kann beispielsweise auch unter Halbleiterbauelementen und elektrischen Anschluss fahnen vorgenommen werden.

Eine erste vorteilhafte Ausbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass in Form einer Kaskadierung mindestens ein weiteres metallisches Profil auf einer Metallschicht des Keramik-Metall-Substrats aufgebracht ist. Mit Hilfe der Kaskadierung, also einer "Reihenschaltung" gleichartiger Tei le, kann bei Bedarf der Ausdehnungsanpassungsbereich zwischen einem elektrischen Bau- oder Kontaktelement und der Keramik beliebig erweitert werden. Die Art der Profilierung der Me tallisierungen kann dabei unterschiedlich sein.

Eine weitere vorteilhafte Ausbildung der Erfindung ist da durch gekennzeichnet, dass auf mindestens ein freies Profil eine Trägerplatte aufgebracht ist. Da die Profilierung im Kontaktbereich von elektrischen Bau- oder Kontaktelementen stattfindet, kann es sinnvoll sein, auch einer besseren Küh lungsmöglichkeit der kontaktierten Elemente Rechnung zu tra gen. Insbesondere wenn Halbleiterbauelemente auf der Profi lierung befestigt werden, ist es vorteilhaft, wenn diese flä chig aufgelötet werden können. Eine Trägerplatte auf dem freien Profil schafft eine ebene Kontaktierungsfläche, die neben einer flächigen Kontaktierung auch eine verbesserte Wärmeabfuhr gewährleistet. Die Stärke der Trägerplatte ist so zu wählen, dass ihre thermische Längenausdehnung maßgeblich von den elektrischen Bau- oder Kontaktelementen bestimmt wird.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dar gestellt und werden im folgenden näher erläutert. Dabei zei gen:

Fig. 1 den Aufbau eines Keramik-Metall-Substrats mit einer Profilierung im Kontaktbereich eines elektrischen Bau elementes,

Fig. 2 beispielhafte Profilierungsflächen eines Shunt- Widerstandes,

Fig. 3 beispielhafte Profilierungsfläche eines Halbleiter chips,

Fig. 4 eine Kaskadierung von Profilierungen und

Fig. 5 der Abschluss einer Profilierung mit einer Trägerplat te.

In der Darstellung gemäß Fig. 1 ist in Form einer Schnitt zeichnung der Aufbau eines Keramik-Metall-Substrats mit einer Profilierung P im Kontaktbereich eines elektrischen Bauele mentes gezeigt. Dabei ist das Keramik-Metall-Substrat zu er kennen, das aus der Keramik K und den Metallisierungen M1 bis M3 besteht. Die unterschiedlichen Materialien des Keramik- Metall-Substrats sind durch unterschiedliche Strichelungen in Fig. 1 gekennzeichnet. In die Metallisierung M1 und M2 ist ei ne Profilierung P eingebracht, die durch stehende, nicht ge strichelte Rechtecke in Fig. 1 symbolisiert ist. Von der Pro filierung P ist nur ein stehendes Rechteck der Übersichtlich keit halber gekennzeichnet. Die Profilierung P kann bei spielsweise rotationssymmetrisch zur vertikalen Achse der Rechtecke ausgeführt sein und gleichmäßig oder zufällig unter den Kontaktierungsflächen eines Shunt-Widerstands S verlau fen. Der Shunt-Widerstand S sei beispielhaft für ein Kontakt- oder Bauelement herangezogen.

Auf der Metallisierung M1 im Bereich der Profilierung P ist mit Hilfe von Lotschichten L1 und L2 ein Shunt-Widerstand S aufgelötet. Dieser besitzt lötfähige Kontaktmaterialien K1 und K2, die beispielsweise aus Kupfer bestehen können. Zwi schen den Kontaktmaterialien K1 und K2 ist ein Widerstandsma terial W eingefügt, das beispielsweise aus Manganin oder Alu- Chrom bestehen kann. Im Bereich des Widerstandsmaterials W wird üblicherweise die größte elektrische Verlustleistung im Shunt-Widerstand S umgesetzt. Die damit verbundene Tempera turänderung des Widerstandsmaterials W führt zu einer Längen ausdehnung des Shunt-Widerstands S, der über die Lotschichten L1 und L2 mit dem Keramik-Metall-Substrat verbunden ist. Auf grund der Profilierung P ist die mechanische elastische Kraftaufnahmefähigkeit der Metallisierungen M1 und M2 erwei tert.

In der Darstellung gemäß Fig. 2 ist eine Profilierungsfläche eines Shunt-Widerstands S dargestellt. Zu erkennen sind die Metallisierungen M4 und M5, die üblicherweise auf einer Kera mik K aufgebracht sind und der Stromzuführung zum Shuntwi derstand S dienen. Die Keramik K ist der Übersichtlichkeit halber in Fig. 2 nicht dargestellt. In den Metallisierungen M4 und M5 sind die Kontaktflächen KF1 bzw. KF2 eingerichtet, in deren Bereichen Profilierungen P eingebracht sind.

In der Darstellung gemäß Fig. 3 ist eine Profilierungsfläche eines Halbleiterchips dargestellt. Der Halbleiterchip wird beispielsweise auf ein Keramik-Metall-Substrat im Bereich der Kontaktfläche KF3 auf die Metallisierung M6 aufgelötet. Des Weiteren sind Metallisierungen M7 und M8 zu erkennen, die zur elektrischen Kontaktierung der Halbleiteroberfläche mit Hilfe von Bonddrähten dienen. Die Metallisierungen M6 bis M8 und die Keramik K sind integraler Bestandteil eines Keramik- Metall-Substrats.

In der Darstellung gemäß Fig. 4 ist eine Kaskadierung von Pro filierungen P gezeigt. Ein Keramik-Metall-Substrat besteht dabei aus der Keramik K, der Metallisierung M9 und der Metal lisierung M10. Dabei ist die Metallisierung M9 aus den Teil metallisierungen TM1 und TM2 aufgebaut. In die Teilmetalli sierungen TM1 und TM2 sind die Teilprofilierungen TP1 bzw. TP2 eingebracht. Dieser Aufbau stellt eine Kaskadierung von Profilierungen P dar und entkoppelt damit beliebig einstell bar Ausdehnungen oder Stauchungen, die aufgrund von festen Kontaktierungen elektrischer Bau- oder Kontaktelemente an der Teilmetallisierung TM1 begründet sind. Ein elektrisches Bau- oder Kontaktelement auf der Teilmetallisierung TM1 ist der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt.

In der Darstellung gemäß Fig. 5 ist ein Abschluss einer Profi lierung P mit einer Trägerplatte T dargestellt. Ein Keramik- Metall-Substrat bestehend aus einer Keramik K und den Metal lisierungen M11 und M12 besitzt eine Profilierung P in der Metallisierung M11. Die Profilierung P ist dabei durch ein offenes stehendes Rechteck gekennzeichnet, von dem der Über sichtlichkeit halber nur eines bezeichnet ist. Auf der Metal lisierung M11 befindet sich als Abschluss der Profilierung P eine Trägerplatte T. Die Trägerplatte T besitzt im Vergleich zur Metallisierung M11 nur eine geringe Stärke. Dadurch soll gewährleistet sein, dass die thermischen Ausdehnungskräfte der Trägerplatte T eine untergeordnete Rolle im Vergleich zu den thermischen Ausdehnungskräften der Metallisierung M11, als auch zu den thermischen Ausdehnungskräften des gesamten Keramik-Metall-Substrats spielen.

Auf der ebenen Trägerplatte T kann ein flächiges Bauelement aufgebracht werden, beispielsweise ein Halbleiterbauelement, so dass die Trägerplatte T zu einer verbesserten Wärmesprei zung beiträgt, soweit eine Verlustleistung im elektrischen Bauelement anfällt.

Zusammenfassend ist zu bemerken, dass die Profilierung P in unterschiedlichster Weise erfolgen kann, jedoch letztendlich zu einer Materialschwächung führt. Die Materialschwächung dient dazu, unterschiedliche Kontaktpartner mit unterschied lichen Ausdehnungen in vorteilhafter Weise zu verbinden, so dass eine erweiterte Temperaturwechselfestigkeit des Materi alverbunds erreicht wird.

Claims

1. Keramik-Metall-Substrat mit einer Profilierung in einer Metallschicht zur Reduzierung von thermomechanischen Spannun gen, dadurch gekennzeichnet, dass die Profilierung (P) im Kontaktierungsbereich von elektri schen Bau- oder Kontaktelementen (S) vorgesehen ist.

2. Keramik-Metall-Substrat nach einem der vorstehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Form einer Kaskadierung mindestens ein weiteres me tallisches Profil (TM1) auf einer Metallschicht (TM2) des Ke ramik-Metall-Substrats aufgebracht ist.

3. Keramik-Metall-Substrat nach einem der vorstehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf mindestens ein freies Profil (M11) eine Trägerplatte (T) aufgebracht ist.