DE102004012231B4

DE102004012231B4 - Metall-Keramik-Substrat

Info

Publication number: DE102004012231B4
Application number: DE102004012231A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Dr.-Ing. Schulz-Harder; Karl Dr. Exel
Original assignee: Curamik Electronics GmbH
Current assignee: Rogers Germany GmbH
Priority date: 2004-03-09
Filing date: 2004-03-12
Publication date: 2006-03-23
Anticipated expiration: 2024-03-13
Also published as: DE102004012231A1

Abstract

Metallisiertes Keramik-Substrat bestehend aus einer Keramikschicht (2), die an wenigstens einer Oberflächenseite mit mindestens einer Metallisierung (3, 4) in Form einer unter Verwendung der DCB-Technik aufgebrachten Folie oder Schicht aus Kupfer oder einer Kupferlegierung gebildet ist, wobei das die Keramikschicht (2) bildende Keramikmaterial Al₂O₃, ZrO₂ sowie Y₂O₃ und/oder CaO enthält, dadurch gekennzeichnet,
dass bei einem Substrat mit einer Schichtdicke der Keramikschicht im Bereich zwischen etwa 0,2 und 1,2 mm, mit einer Haftfestigkeit der wenigstens einen Metallisierung (3, 4) größer 40 N/cm ist, mit einer Biege-Bruch-Festigkeit der Keramikschicht größer 500 MPa und mit einer Wärmeleitfähigkeit der Keramikschicht (2) größer 20 W/mK
Al₂O₃, ZrO₂ sowie Y₂O₃ und/oder CaO in der Keramikschicht bezogen auf das Gesamtgewicht dieser Schicht in folgenden Anteilen enthalten sind:
Al₂O₃ zwischen 91 und 97,96 Gewichtsprozent;
ZrO₂ zwischen 2 und 9 Gewichtsprozent und
Y₂O₃ und/oder CaO zwischen 0,04 und 1 Gewichtsprozent:

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Substrat gemäß Oberbegriff Patentanspruch 1.

Ein metallisiertes Keramik-Substrat dieser Art ist bekannt ( US 5 675 181 ), wobei bei diesem bekannten Substrat zur Erzielung einer hohen mechanischen Festigkeit und einer hohen Wärmeleitfähigkeit für die Keramikschicht ein Keramikmaterial verwendet ist, welches einen Anteil an Zirkoniumdioxid (ZrO₂) im Bereich zwischen 10 und 30 Gewichtsprozent und einen Anteil an Yttriumoxid (Y₂O₃) oder Calciumoxid (CaO) im Bereich zwischen 0,2 und 2,0 Gewichtsprozent aufweist, und zwar jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht der Keramikschicht.

Nachteilig sind bei diesem bekannten Substrat u.a. die hohen Produktionskosten, die reduzierte Haftfestigkeit der Metallisierung auf der Keramikschicht sowie auch Unebenheiten an den Oberflächenseiten der Keramikschicht durch einen großen Schrumpfungsfaktor beim Sintern bzw. Brennen der Keramik, und zwar jeweils bedingt durch den hohen Anteil an ZrO₂. Dieses macht es schwierig, große Formate und Mehrfachnutzen herzustellen.

Bekannt ist weiterhin ein metallisiertes Keramik-Substrat ( DE 44 44 681 A1 ), bei dem die Keramikschicht aus Aluminiumnitrid (Al N) besteht und an wenigstens einer Oberflächenseite mit einer Zwischen- oder Hilfsschicht versehen ist, die Aluminiumoxid (Al₂O₃) sowie Siliciumoxid (SiO₂) und ein Oxid ein Metalls der vierten Nebengruppe des periodischen Systems, Manganoxid sowie Yttriumoxid (Y₂O₃) enthält. Auf diese Zwischenschicht ist dann eine die Metallisierung bildende Kupferschicht aufgebracht, und zwar beispielsweise mit Hilfe der sogannten DCB-Technik.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein metallisiertes Keramik-Substrat aufzuzeigen, die diese Nachteile vermeidet.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein metallisiertes Keramik-Substrat entsprechend dem Patentanspruch 1 ausgebildet.

Der Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, dass trotz eines relativ niedrigen Anteils an ZrO₂ eine hohe thermische Leitfähigkeit > 20 W/mK für das Keramikmaterial der Keramikschicht erreichbar ist und auch die mechanische Festigkeit ausreichend hoch ist, und zwar bei deutlich verbesserter Haftfestigkeit der Metallisierungen > als 40 N/cm, vielfach sogar größer als 50 N/cm.

Die Biege-Bruch-Festigkeit der Keramik ist bei dem erfindungsgemäßen Substrat > 500 MPa. Die Biege-Bruch-Festigkeit des Substrates insgesamt liegt bei der Erfindung bei beidseitiger Metallisierung deutlich über 600 MPa.

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
1 in schematischer Darstellung und in Seitenansicht ein Kupfer-Keramik-Substrat gemäß der Erfindung;
2 in perspektivischer Darstellung eine Substrat-Probe zur Messung der Haftfestigkeit der Kupfer-Schicht oder -Folie auf der Keramik;
3 in sehr schematischer Darstellung eine Messmethode zur Bestimmung der Haftfestigkeit;
4 in einer graphischen Darstellung die mit dem Verfahren der 3 gemessene Haftfestigkeit in Abhängigkeit von der Abziehgeschwindigkeit bei der Messmethode der 3;
5 in sehr schematischer Darstellung eine Vorrichtung zur Messung der Temperaturwechselfestigkeit des Substrates der 1;
6 in einer Graphik die Temperatur-Wechselbehandlung in Abhängig von der Zeit;
7 in vergrößerter Darstellung einen Schnitt durch das Substrat mit einer Rissbildung unter einer der Metallisierungen, zur Erläuterung des Verfahrens der 5 und 6;
8 in einer Graphik die Temperaturwechselfestigkeit in Abhängigkeit von dem ZrO₂-Gehalt der Keramik des Substrates bei einer Dicke der Keramikschicht von 0,32 und einer Dicke der Metallisierungen bzw. Kupferschichten von 0,30 mm;
9 in einer Graphik die Abhängigkeit des thermischen Längenausdehnungskoeffizienten α (ppm/K) in Abhängigkeit von der ZrO₂-Konzentration in der Keramik;
10 in einer Graphik die Wärmeleitfähigkeit (W/mK) in Abhängigkeit von der ZrO₂-Konzentration in der Keramik;
11 in einer Graphik die Fertigungskosten der Keramikschicht in Abhängigkeit von der ZrO₂-Konzentration in der Keramik, und zwar normiert auf die Fertigungskosten ohne einen ZrO₂-Anteil.
Das in den Figuren allgemein mit 1 bezeichnete Substrat besteht aus einer Keramikschicht 2, die an ihren beiden Oberflächenseiten jeweils mit einer Metallisierung 3 bzw. 4 versehen ist, und zwar in Form einer Kupferfolie, die mit Hilfe der DCB-Technik jeweils auf die betreffende Oberflächenseite der Keramikschicht 2 aufgebracht ist.
Üblicherweise wird das Substrat 1 mit einer Vielzahl gleichartiger Substrate im Mehrfachnutzen hergestellt, und zwar unter Verwendung einer großflächigen Keramikplatte, die an beiden Oberflächenseite unter Verwendung der DCB-Technik mit einer die späteren Metallisierungen 3 und 4 bildenden Kupferfolie versehen und die dann nach dem Strukturieren der Kupferfolien durch Brechen entlang von Sollbruchlinien in die einzelnen Substrate 1 zertrennt wird.
Das Substrat 1 dient in bekannter Weise als Leiterplatte für elektrische oder elektronische Schaltungen oder Module, insbesondere für Leistungsschaltungen oder Module, wobei beispielsweise die Metallisierung 3 zur Bildung von Leiterbahnen, Kontaktflächen usw. mit den üblichen Techniken, beispielsweise mit Hilfe einer Maskierungs- und Ätztechnik entsprechend strukturiert ist. Die Dicke der Keramikschicht 2 liegt bei der Erfindung im Bereich zwischen 0,2 – 1,2 mm. Die Dicke der die Metallisierungen 3 und 4 bildenden Kupferschicht 2 oder -folien liegt bei bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung im Bereich zwischen 0,1 und 1,0 mm.
Die Keramik der Keramikschicht 2 ist eine Aluminiumoxid-Keramik (Al₂O₃) mit einem ZrO₂-Anteil und mit einem Y₂O₃-Anteil und/oder CaO-Anteil. Um verschiedene, sich teilweise widersprechende Parameter für die Keramikschicht 2 in optimaler Weise zu erreichen, nämlich eine möglichst hohe Haftfestigkeit der Metallisierungen 3 und 4 auf der Keramikschicht 2, eine hohe Biege-Bruch-Festigkeit der Keramikschicht 2 sowie auch des Substrates 1 insgesamt, eine möglichst hohe Temperaturwechselfestigkeit des Substrates 1, einen möglichst geringen Temperaturausdehnungskoeffizienten für die Keramik und dennoch eine möglichst hohe Wärmeleitfähigkeit für die Keramik, weist das Keramikmaterial folgende Zusammensetzung auf:
ZrO₂ im Bereich zwischen 2 und 9 Gewichtsprozent,
Al₂O₃ im Bereich zwischen etwa 91 – 97,96 Gewichtsprozent,
Y₂O₃ maximal 1 Gewichtsprozent, vorzugsweise im Bereich zwischen 0,04 und 1 Gewichtsprozent,
und zwar jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht des Keramikmaterials der Keramikschicht 2.
Hierbei ist es auch möglich, dass der Anteil an Y₂O₃ ganz oder teilweise durch CaO ersetzt ist. Mit dieser Zusammensetzung des Materials der Keramikschicht 2 werden sämtliche oben genannte Eigenschaften und Anforderungen an die Keramikschicht 2 in optimaler Weise erreicht, d.h. insbesondere trotz des geringen Anteils an ZrO₂ eine ausreichend hohe Leitfähigkeit der Keramik, die (Wärmeleitfähigkeit) die erforderliche Kühlung eines beispielsweise auf der Metallisierung 3 angeordneten Leistungs-Bauelementes über eine mit der Metallisierung 4 verbundene Wärmesenke (z. B. aktiver oder passiver Kühler) ermöglicht, eine ausreichend hohe Festigkeit, insbesondere Biegefestigkeit der Keramikschicht 2 sowie des Substrates 1 insgesamt, eine hohe Temperaturwechselfestigkeit sowie hohe Haftfestigkeit für die Metallisierungen 3 und 4.
Messungen haben ergeben, dass die Haftfestigkeit (Peelfestigkeit) der mit dem DCB-Verfahren (Direct Copper Bonding – US-PS 37 44 120 oder DE-PS 23 19 854) auf die Keramikschicht 2 aufgebrachten Metallisierungen 3 und 4 bzw. der diese Metallisierungen bildenden Kupferfolien größer als 40 N/cm ist. Eine hohe Haftfestigkeit trägt wesentlich dazu bei, den Temperaturausdehnungskoeffzienten des Kupfers der Metallisierungen 3 und 4 in der Fläche parallel zur Keramikschicht 2 zu reduzieren und diesen trotz einer dicken Kupferschicht, sodass trotz einer großen Dicke der Metallisierungen deren Temperaturausdehnungskoeffizient an denjenigen von Halbleitermaterial (Silicium) angepasst ist, wodurch die Zuverlässigkeit von auf eine Metallisierung aufgelöteten Halbleiter-Bauelementen (Silizium-Bauelementen) erhöht wird.
Die Haftfestigkeit der Metallisierungen 3 bzw. 4 an der Keramikschicht 2 läßt sich durch ein standardisiertes Verfahren bestimmen. Hierfür wird entsprechend der 2 ein Probesubstrat 1a hergestellt, welches aus einer rechteckförmigen Keramikschicht 2a aus einem Keramikmaterial mit der für die Keramikschicht 2 angegebenen Zusammensetzung sowie aus einer auf eine Oberflächenseite der Keramikschicht 2a mit Hilfe des DCB-Verfahrens aufgebrachten, wiederum von einer Kupferfolie gebildeten Metallisierung 3a besteht, die an einer Schmalseite der Keramikschicht 2a zu einem verbreiterten Kopfstück 3a.1 ausgebildet ist. Entlang des Kopfstückes 3a.1 ist die Keramikschicht 2a in Querrichtung, d. h. senkrecht zu den Längsseiten dieser Keramikschicht beispielsweise durch Lasern mit einer Sollbruchlinie 5 versehen. Für die Messung der Haftfestigkeit wird die Keramikschicht 2a entlang der Sollbruchlinie 5 gebrochen und dann der das Kopfstück 3a.1 aufweisende Teil der Keramikschicht 2a nach oben gebogen. Der übrige Teil der Keramikschicht 2a wird flächig auf eine Unterlage 6 gelegt und dort fixiert, und zwar derart, dass der streifenförmige Abschnitt 3a.2 der Metallisierung 3a oben liegt. Bei eingespanntem Kopfstück 3a.1 wird eine Abziehkraft F senkrecht nach oben auf die Metallisierung 3a ausgeübt. Die Haftfestigkeit H ergibt sich dann als Quotient der für das Ablösen bzw. Abziehen der Metallschicht 3a von der Keramikschicht 2 erforderlichen vertikalen Kraft F und der Breite b des streifenförmigen Abschnittes 3a.2, d.h. H = F/b. Die 4 zeigt den grundsätzlichen Verlauf der Haftfestigkeit H in Abhängigkeit von der Abziehgeschwindigkeit V, d. h. die Abziehkraft F und damit auch die Haftfestigkeit H steigen mit Zunahme der Geschwindigkeit V, mit der das Abziehen der Metallisierung 3a bzw. das nach oben Bewegen des Kopfabschnittes 3a.1 erfolgen, zunächst an und erreichen schließlich einen konstanten Grenzwert. Einer standardisierten Messmethode entsprechend wird die Abziehgeschwindigkeit V auf 5 mm/min eingestellt. Hierbei ergeben sich dann für das Keramikmaterial des Probesubstrats 1a und damit auch für das Keramikmaterial des Substrats 1 Werte für die Haftfestigkeit > 40 N/cm.
Von Bedeutung für die Qualität des Substrates 1 ist weiterhin die Temperaturwechselfestigkeit, da insbesondere auch bei Verwendung des Substrates für elektronische Schaltungen oder Module, die beispielsweise auch außerhalb von klimatisierten Räumen benutzt und getaktet betätigt werden, z. B. in Steuerungen von Straßen- oder Schienenfahrzeugen, in der Satelitentechnik usw. beim Aktivieren und Deaktivieren des entsprechenden Leistungsbauteils der Schaltung oder des Moduls usw. hohe Temperaturschwankungen auftreten. Diese haben zur Folge, dass durch den im Vergleich zur Keramik größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Metallisierungen 3 und 4 Spannungen in der Keramikschicht auftreten. Durch eine entsprechend hohe Temperaturwechselfestigkeit ist sichergestellt, dass auch bei einer Vielzahl von extremen Temperaturwechseln eine Rissbildung in der Keramikschicht 2, wie dies in der 7 mit der Linie 7 unterhalb der Metallisierung 3 angedeutet ist, und damit ein Ablösen der Metallisierung vom restlichen Substrat nicht eintritt.
Die Messung der Temperaturwechselfestigkeit erfolgt unter extremen Bedingungen, die in dieser Form in der Praxis zwar nicht auftreten, dennoch aber ein zuverlässiges und aussagekrätiges Messergebnis liefern. Für die Messung der Temperaturwechselfestigkeit wird eine Einrichtung verwendet, die in der 5 sehr schematisch dargestellt ist. Diese Einrichtung besteht im Wesentlichen aus zwei in einem Gehäuse gebildeten Kammern 8 und 9, von denen die obere Kammer 8 beheizt und die untere Kammer 9 gekühlt ist. Das Substrat 1 wird dann über einen nicht dargestellten Transporteur, der beispielsweise in Form eines kleinen Liftes ausgebildet ist, wechselweise in die Kammer 8 und aus dieser in die Kammer 9 und zurück in die Kammer 8 usw. eingebracht, wie dies in der 5 mit den Pfeilen A und B angedeutet ist.
In jeder Kammer 8 und 9 verbleibt das Substrat 1 dann etwa 15 Minuten. Die Zeit für die Übergabe des Substrates 1 aus der einen Kammer in die andere Kammer ist extrem kurz und liegt beispielsweise in der Größenordnung < 10 Sekunden. Die Kammer 8 ist derart beheizt, dass das Substrat 1 dort auf eine Temperatur von etwa + 150°C erhitzt wird. Die Kammer 9 ist derart gekühlt, dass das Substrat 1 dort auf eine Temperatur von etwa –55°C abgekühlt wird. Während jedes Wechsels von einer Kammer in die andere Kammer oder aber periodisch nach einer gewissen Anzahl von derartigen Wechseln wird festgestellt, ob eine Rissbildung in der Keramikschicht 2 eingetreten ist. Eine Rissbildung gilt dann als eingetreten, wenn sich durch die Temperaturwechselbehandlung ein Teilriss ergeben hat, der in der 7 mit 7.1 bezeichnet ist und am Rand der Metallisierung 3 von der Oberflächenseite der Keramikschicht 2 schräg in diese verläuft, und zwar bevor der in der 7 mit 7.2 bezeichnete, parallel zu den Oberflächenseiten der Keramikschicht 2 und unterhalb der Metallisierung 3 verlaufende Riss auftritt.
Für die Ermittlung, ob eine Rissbildung bereits eingetreten ist oder nicht, eignet sich die sogenannte Grindo-Sonic-Methode, die üblicherweise zur Bestimmung des E-Moduls verwendet wird. Bei dieser Methode wird jeweils die Eigenfrequenz des Substrates 1 durch Anschlagen gemessen. Weicht die gemessene Frequenz etwa 2 von der Eigenfrequenz ab, die das Substrat 1 im ursprünglichen Zustand aufwies, so wird dies als Kriterium für eine eingetretene Rissbildung (schräg zur Oberfläche verlaufender Teilriss 7.1) gewertet. Die Anzahl der bis dahin erfolgten Zyklen der Temperaturwechselbehandlung des Substrates 1 werden gezählt und bestimmen die Temperaturwechselfestigkeit.
Die 6 zeigt in einem Temperatur-Zeitdiagramm die auf das Substrat 1 beim Messen der Temperaturwechselfestigkeit auf das Substrat 1 einwirkenden Temperaturwechsel zwischen + 150°C und –55°C. In der 8 ist der typische Verlauf der Temperaturwechselfestigkeit in Abhängigkeit von der ZrO₂-Konzentration angegeben, und zwar bei einer Dicke der Keramikschicht 2 im Bereich von 0,32 mm und einer Dicke der die Metallisierungen 3 und 4 im Bereich von 0,3 mm. Die 8 zeigt, dass die Temperaturwechselfestigkeit zwar mit zunehmendem Anteil an ZrO₂ ansteigt, in dem für das Material der Keramikschicht 2 gewählten Anteil zwischen 2 – 9 Gewichtsprozent aber eine ausreichend hohe Temperaturwechselfestigkeit erreicht ist, insbesondere auch eine wesentliche Verbesserung gegenüber einer Keramik ohne einen Anteil an ZrO₂.
Von besonderer Bedeutung für die Qualität des Substrates 1 ist weiterhin auch der thermische Längenausdehnungskoeffizient α des die Keramikschicht 2 bildenden Keramikmaterials. Angestrebt ist ein möglichst kleiner Wert für diesen Wärmeausdehnungskoeffizienten, da die Keramikschicht 2 auch dazu dient, bei Temperaturänderungen des Substrates 1 den relativ hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Kupfers der Metallisierungen 3 und 4 zu „bremsen", d. h. zu reduzieren und damit an den thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Halbleitermaterial anzunähern, um so durch Temperaturänderungen bedingt Spannungen im Halbleitermaterial eines Halbleiterbauelementes zu vermeiden, welches auf der Metallisierung 3 oder aber auf einem von dieser Metallisierung durch Strukturieren gebildeten Bereich befestigt ist.
Die 9 zeigt die Abhängigkeit des thermischen Längenausdehnungskoeffizienten α (angegeben in ppm/K) des Keramikmaterials der Keramikschicht 2 in Abhängigkeit von dem Anteil an ZrO₂. Die 9 zeigt auch, dass bei der für das Material der Keramikschicht 2 gewählten Zusammensetzung, bei der der Anteil an ZrO₂ im Bereich zwischen 2 und 9 Gewichtsprozent liegt, der thermische Längenausdehnungskoeffizient nur geringfügig über dem entsprechenden Wert der Keramik ohne Zusatz an ZrO₂ liegt. Der Temperaturausdehnungskoeffizient der Keramikschicht 2 bzw. des für diese Schicht verwendeten Keramikmaterials ist somit auf jeden Fall < 7,6 × 10^–6/K.
Von ganz entscheidender Bedeutung ist aber die Wärmeleitfähigkeit der Keramikschicht 2 bzw. des diese Schicht bildenden Keramikmaterials, da diese Wärmeleitfähigkeit die Möglichkeit einer wirksamen Kühlung eines Leistungsbauelmentes unmittelbar berührt. Mit der speziellen Zusammensetzung des Keramikmaterials ist es gelungen, eine hohe Wärmeleitfähigkeit zu erreichen, die bei dem Anteil an ZrO₂ zwischen 0,1 und 9 im Bereich von 28,5 und 25 W/mK liegt. Die Wärmeleitfähigkeit der Keramikschicht 2 bzw. des für diese Schicht verwendeten Keramikmaterials ist somit insbesondere auch bei Raumtemperatur > 20W/mK.
Von entscheidender Bedeutung ist insbesondere auch bei den geringen Dicken der Keramikschicht 2 in der Größenordnung von 0,2 bis 1,2 mm eine ausreichend hohe Biege-Bruch-Festigkeit der Keramikschicht 2 sowie auch des Substrates 1 insgesamt, um ein Brechen der Keramikschicht 2 und des Substrates 1 während der Herstellung und/oder Weiterverarbeitung sowie auch im späteren Einsatz zu verhindern. Mit der oben angegebenen Zusammensetzung des für die Keramikschicht 2 verwendeten Keramikmaterials wird für die Keramik selbst eine Biege-Bruch-Festigkeit > 600 MPa erreicht.
Die 11 zeigt noch die Abhängigkeit der Herstellungskosten der Keramikschicht 2 von der ZrO₂-Konzentration wiederum in Gewichtsprozent bezogen auf das Gesamtgewicht der Keramikschicht 2, und zwar bei einer Größe des Substrates 1 von 12,7 cm × 17,78 cm und einer Dicke der Keramikschicht 2 von 0,32 mm. Die in der 11 angegebenen Kosten sind auf die Kosten eines Substrates mit einer Keramikschicht normiert, die keinen Anteil an ZrO₂ aufweist. Wie die 11 zeigt, liegen die Herstellungskosten bei dem erfindungsgemäßen Anteil an ZrO₂ im Bereich zwischen 2 und 9 Gewichtsprozent nur geringfügig über den Kosten eines metallisiertes Keramik-Substrates ohne ZrO₂. Bei einer höheren Konzentration an ZrO₂ steigen die Kosten deutlich an. Dies ist darauf zurückzuführen, dass sich bei höheren Konzentrationen zunehmend Probleme beim Sintern bzw. Brennen der Keramik ergeben, und zwar u. a. durch Schrumpfen der Rohkeramik, wobei dieses Schrumpfen mit zunehmendem Anteil an ZrO₂ überproportional zunimmt. Dies bedeutet u.a., dass zur Erzielung einer bestimmten Größe einer gebrannten Keramikplatte, wie sie beispielsweise zur Herstellung der Substrate 1 im Mehrfachnutzen benötigt wird, die Platte aus der rohen, noch nicht gebrannten Keramik mit zunehmenden Anteil an ZrO₂ zunehmend größer gewählt werden muss, was das Handling erschwert und beispielsweise auch die Bruchgefahr und damit den Anteil an Ausschuss bereits beim Brennen erhöht. Weiterhin ergeben sich durch das durch den ZrO₂-Anteil bedingte Schrumpfen Unregelmäßigkeiten an den Oberflächenseiten der Keramikschicht. Weiterhin ist das Brennen der Rohkeramik im Stapel bei einem höheren Anteil an ZrO₂ wegen des Schrumpfens nicht möglich. Dies führt zu einem überproportionalen Anstieg der Herstellungskosten bei einer ZrO₂-Konzentration > 10%.

1: Kupfer-Keramik-Substrat
1a: Mess- oder Prüfsubstrat
2, 2a: Keramikschicht
3, 3a: Metallisierung
3a.1: verbreiteter Abschnitt der Metallisierung 3a
3a.2: streifenförmiger Abschnitt der Metallisierung 3a
4: Metallisierung
5: Sollbruchlinie
6: Unterlage
7: Bruchlinie
7.1, 7.2: Teilbruch
8, 9: Behandlungsraum

Claims

Metallisiertes Keramik-Substrat bestehend aus einer Keramikschicht (2), die an wenigstens einer Oberflächenseite mit mindestens einer Metallisierung (3, 4) in Form einer unter Verwendung der DCB-Technik aufgebrachten Folie oder Schicht aus Kupfer oder einer Kupferlegierung gebildet ist, wobei das die Keramikschicht (2) bildende Keramikmaterial Al₂O₃, ZrO₂ sowie Y₂O₃ und/oder CaO enthält, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Substrat mit einer Schichtdicke der Keramikschicht im Bereich zwischen etwa 0,2 und 1,2 mm, mit einer Haftfestigkeit der wenigstens einen Metallisierung (3, 4) größer 40 N/cm ist, mit einer Biege-Bruch-Festigkeit der Keramikschicht größer 500 MPa und mit einer Wärmeleitfähigkeit der Keramikschicht (2) größer 20 W/mK Al₂O₃, ZrO₂ sowie Y₂O₃ und/oder CaO in der Keramikschicht bezogen auf das Gesamtgewicht dieser Schicht in folgenden Anteilen enthalten sind: Al₂O₃ zwischen 91 und 97,96 Gewichtsprozent; ZrO₂ zwischen 2 und 9 Gewichtsprozent und Y₂O₃ und/oder CaO zwischen 0,04 und 1 Gewichtsprozent:
Substrat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Metallisierung (3, 4) im Bereich zwischen 0,1 und 1,2 mm liegt.
Substrat nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Biege-Bruch-Festigkeit des Substrates bei einer an beiden Oberflächenseiten mit wenigstens einer Metallisierung (3, 4) versehenen Keramikschicht (2) größer 600 MPa ist.
Substrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperaturausdehnungskoeffizient des Materials der Keramikschicht (2) kleiner 7,6 × 10^–6/K ist.
Substrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangssubstrat eine Fläche von größer 50 cm² hat