DE102005038760A1 - Metal-ceramic hybrid substrate for power-semiconductor components, has top metal layer structured into conductor paths and pads - Google Patents

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Abstract

A metal-ceramic-hybrid substrate has ceramic plate and an upper metal layer (3) applied to the surface of the ceramic plate, where the upper metal layer (3) is structured into conductor paths and pads (14) for receiving the power-semiconductor components (5) with the corners of the conductor paths (12) and the corners of the pads (14) having obtuse convex angles between 90 and 180 deg.

Description

Die Erfindung betrifft ein Metall-Keramik-Hybridsubstrat zur Aufnahme von Leistungs-Halbleiterbauelementen.The The invention relates to a metal-ceramic hybrid substrate for receiving of power semiconductor devices.

Im Bereich der Leistungselektronik, insbesondere bei Leistungsendstufen, sind aufgrund der hohen Ströme und Verlustleistungen konventionelle Substrate bzw. Schaltungsträger, z.B. Leiterplatten, im Allgemeinen nicht verwendbar. Daher werden zum Teil Metall-Keramik-Hybridsubstrate in Sandwich-Bauweise mit einer Keramikplatte und Metallbeschichtungen verwendet.in the Range of power electronics, in particular at power output stages, are due to the high currents and power dissipation conventional substrates, e.g. Circuit boards, generally not usable. Therefore, become Part of sandwiched metal-ceramic hybrid substrates with a Ceramic plate and metal coatings used.

DBC- (direkt bonded copper) Substrate werden aus einer Keramikplatte mit einer oberen Metallschicht gebildet; vorteilhafterweise ist oftmals ergänzend eine untere Metallschicht vorgesehen. Die beiden Werkstoffe werden bei hoher Temperatur unter Ausbildung einer Spinell-Verbindung miteinander verbunden. Durch den Unterschied der thermischen Ausdehnungskoeffizienten treten beim Abkühlen auf Raumtemperaturen und im Betrieb mechanische Spannungen im Substrat auf.DBC (directly bonded copper) Substrates are made of a ceramic plate formed with an upper metal layer; is advantageous often complementary a lower metal layer is provided. The two materials will be at high temperature to form a spinel connection with each other. Due to the difference of the thermal expansion coefficient occur on cooling at room temperatures and in operation mechanical stresses in the substrate on.

Neben DBC-Substraten sind weiterhin auch andere Metall-Keramik-Hybridsubstrate bzw. Hybridschaltungsträger auf Metall-Keramik-Basis bekannt, bei denen jedoch im Allgemeinen zwischen den Metallschichten und der Keramikplatte ein Lot angebracht wird. Die Metall-Keramik-Hybridsubstrate werden im Allgemeinen mit ihrer Unterseite, d.h. mit der Unterseite der Keramikplatte oder vorteilhafterweise mit der unteren Metallschicht, auf einer Wärmesenke, z.B. einem Metallträger, montiert.Next DBC substrates are also other metal-ceramic hybrid substrates or Hybrid circuit carriers known on metal-ceramic basis, which, however, in general a solder is placed between the metal layers and the ceramic plate becomes. The metal-ceramic hybrid substrates are generally used with its underside, i. with the underside of the ceramic plate or advantageously with the lower metal layer, on a heat sink, e.g. a metal carrier, assembled.

Zur Ausbildung einer elektrischen Schaltung wird im Allgemeinen die obere Metallschicht in einem Ätzschritt strukturiert. Aufgrund der Vorspannungen im Materialsandwich und der Strukturierung kommt es zu einer Änderung des Spannungszustandes und einer Deformation des Substrates, der sich vor allem unterhalb der Ecken und Kanten des Metalls in der Keramik äußert. Durch aktive (Bestromung des Leistungsbauelementes) und passive (Umgebungsbedingungen) Temperaturwechsel, weiterhin auch durch die jeweiligen Einbaubedingungen (z. B. die Befestigung des Substrates auf einer Grundplatte) und lokale Kräfte durch aufgebrachte Bauelemente kann es zu Beschädigungen und hierdurch zum Versagen derartiger Schichtsysteme kommen; bei DBC-Substraten kann hierbei insbesondere eine Rissinitiierung in der Keramik auftreten. Da sich hierbei die Metallschicht muschelförmig abhebt, wird dieser Versagungsmechanismus als Muschelbruch bezeichnet. Bei AMB-Substraten können auch andere Schadensbilder auftreten, z. B. eine Delamination.to Training an electrical circuit is generally the upper metal layer in an etching step structured. Due to the biases in the material sandwich and The structuring leads to a change of the stress state and a deformation of the substrate, which is mainly below the corners and edges of the metal in the ceramic expresses. By active (energizing of the power component) and passive (environmental conditions) temperature changes, furthermore also by the respective installation conditions (eg the Mounting the substrate on a base plate) and local forces Applied components may cause damage and thereby to Failure of such layer systems come; in DBC substrates In this case crack initiation in the ceramic in particular occur. As the metal layer stands out like a shell, this refusal mechanism becomes referred to as mussel breakage. For AMB substrates can also other damage patterns occur, eg. B. a delamination.

Derartige Risse und Muschelbrüche treten insbesondere am Ende von Leiterbahnen auf, an denen sich durch unterschiedliches thermisches Ausdehnungsverhalten erzeugte – im allgemeinen nicht gleichmäßige – mechanische Spannungen addieren. Da gerade an den Enden der Leiterbahnen jedoch meist Funktionsflächen, z.B. Bondbereiche, angeordnet sind, ist ein Versagen an diesen Stellen besonders kritisch.such Cracks and shell breaks occur in particular at the end of printed conductors on which produced by different thermal expansion behavior - in general not uniform - mechanical Add voltages. However, especially at the ends of the tracks, mostly Functional surfaces, e.g. Bond areas that are arranged is a failure at these locations especially critical.

Zum Abbau der mechanischen Spannungen werden herkömmlicherweise verschiedene Maßnahmen durchgeführt; so wird zum Teil der Randbereich der Metallstrukturelemente derartig designed, dass ein stetiger oder stufenweiser Übergang vom Metall zur Keramik erreicht wird. Entsprechend können die metallischen Strukturelemente in ihrem Randbereich auch perforiert werden; die Ausbildung derartiger Strukturen und Konstruktionselemente ist z. B. in der DE 44 06 397 A1 gezeigt. Hierdurch kann ein gleichmäßigerer Stressabbau erreicht werden. Es kann jedoch gegebenenfalls ein Erhöhung der erforderlichen Fläche auf dem Substrat erfolgen.To reduce the mechanical stresses conventionally various measures are carried out; Thus, in part, the edge region of the metal structure elements is designed such that a steady or stepwise transition from metal to ceramic is achieved. Accordingly, the metallic structural elements can also be perforated in their edge region; the formation of such structures and construction elements is z. B. in the DE 44 06 397 A1 shown. As a result, a more uniform stress reduction can be achieved. However, if necessary, an increase in the required area on the substrate can take place.

Weiterhin können die Bauelemente auf einzelne, voneinander getrennte Module verteilt werden, so dass die Flächen und der thermisch induzierte Belastungsanteil kleiner werden. Hierdurch steigt jedoch zum einen der Gesamtflächenbedarf und insbesondere die Produktionskosten. Weitere Maßnahmen können der Eingriff in Materialparameter (z. B. die Veränderung der Textur der Keramik oder der Duktilität und Kristallstruktur des Metalls), der Eingriff in den Verbindungsprozess (Zeit, Temperaturprofil) oder die Wahl von anderen, in der Regel teureren Materialien sein. Hierbei können die im Allgemeinen als Metallbleche aufgebrachten Metallschichten an der Keramik mit aufwendigeren Verbindungsverfahren angebracht werden, was jedoch im Allgemeinen die Herstellungskosten erhöht.Farther can the components distributed to individual, separate modules be so that the surfaces and the thermally induced load fraction become smaller. hereby However, on the one hand, the overall demand for space is increasing, and in particular the production costs. Further measures can be the intervention in material parameters (eg the change the texture of the ceramic or the ductility and crystal structure of the Metal), the intervention in the connection process (time, temperature profile) or the choice of other, usually more expensive materials. in this connection can the metal layers generally applied as metal sheets attached to the ceramic with more complex connection method which, however, generally increases manufacturing costs.

Die US 6,844,621 B1 zeigt eine Halbleiteranordnung mit einem Metall-Keramik-Hybridsubstrat mit rechteckiger Grundform, bei dem die Ecken der Rechteckform der Keramikplatte und/oder die Ecken der rechteckigen oberen Metallplatte entfernt werden, so dass sich eine achteckige Ausbildung ergibt, die den auftretenden thermischen Belastungen besser Stand hält.The US Pat. No. 6,844,621 B1 shows a semiconductor assembly with a metal-ceramic hybrid substrate having a rectangular basic shape, in which the corners of the rectangular shape of the ceramic plate and / or the corners of the rectangular upper metal plate are removed, so that an octagonal configuration results that better withstand the thermal stresses occurring ,

Das erfindungsgemäße Metall-Keramik-Hybridsubstrat weist demgegenüber einige Vorteile auf.The Inventive metal-ceramic hybrid substrate indicates in contrast some advantages.

Erfindungsgemäß werden somit wohl die Leiterbahnen mit Winkeln größer als 90° und entsprechend die Pads mit konvexen stumpfwinkligen Ecken, d.h. mit Winkeln größer als 90° und kleiner 180°, ausgebildet. Vorteilhafterweise sind die Pads als stumpfwinklige Vielecke mit mehr als vier Ecken ausgebildet, und die Leiterbahnen in mehrere, über stumpfe Ecken miteinander verbundene Leiterbahnabschnitte unterteilt.Thus, according to the invention, the printed conductors with angles greater than 90 ° and correspondingly the pads with convex obtuse-angled corners, ie with angles greater than 90 ° and less than 180 °, are thus formed. Advantageously, the pads are formed as obtuse-angled polygons with more than four corners, and divided the interconnects into a plurality of interconnected via blunt corners interconnect sections.

Erfindungsgemäß wird somit eine Modifikation der Schaltungsstrukturierung vorgenommen, um die Lebensdauer des Metall-Keramik-Hybridsubstrates zu erhöhen. Durch die erfindungsgemäße Strukturierung werden 90°-Ecken, an denen sich aus zwei Richtungen kommende Spannungen zu Spannungsspitzen addieren können, vermieden. Die entlang langer Kanten bzw. Leiterbahnen auftretenden Spannungen werden erfindungsgemäß auf kleinere Bereiche verteilt, wobei die Wirkrichtung der thermischen Kräfte einmal oder mehrmals verändert wird.Thus, according to the invention a modification of the circuit structuring made to the Life of the metal-ceramic hybrid substrate to increase. By structuring the invention are 90 ° corners, where voltages coming from two directions to voltage spikes can add avoided. The occurring along long edges or traces Voltages are inventively smaller Distributed areas, where the direction of action of the thermal forces once or changed several times becomes.

Weiterhin können ganz oder teilweise auf die eingangs genannten zusätzlichen Konstruktionselemente in den Metallschichten und Ätzgruben, die die Lebensdauer des Substrates erhöhen sollen und vor allem in den Ecken und Kanten angeordnet werden und zusätzliche Fläche erfordern, vermieden werden.Farther can in whole or in part to the aforementioned additional Construction elements in the metal layers and etching pits, which should increase the life of the substrate and especially in can be arranged at the corners and edges and require additional area to be avoided.

Vorteilhafterweise wird eine Strukturierung der Metallschicht in eine Vielzahl von Strukturelementen vorgenommen, die insbesondere regelmäßige Sechsecke, aber z.B. auch regelmäßige oder unregelmäßige Fünf-, Sieben- oder Achtecke sein können. Bei einer derartigen Strukturierung der Metallfläche können sowohl die Pads als auch die Leiterbahnen durch entsprechende Aneinanderreihung angrenzender Strukturelemente ausgebildet werden. Der Verlauf der Leiterbahnen kann der Form der jeweiligen Vielecke angepasst werden. Hierbei können die jeweils auftretenden Kanten bzw. Ecken der Strukturelemente nach außen abgerundet werden. Weiterhin kann in an sich bekannter Weise zum gleichmäßigen Spannungsabbau eine stufenweise oder kontinuierliche Verdünnung der Schichtdicke, auch durch Ätzgruben oder Perforationen, vorgenommen werden.advantageously, is a structuring of the metal layer in a variety of Structural elements, in particular regular hexagons, but e.g. also regular or irregular five-, seven- or octagons. In such a structuring of the metal surface, both the pads and the interconnects by appropriate juxtaposition adjacent Structural elements are formed. The course of the tracks can be adapted to the shape of the respective polygons. in this connection can they respectively occurring edges or corners of the structural elements Outside rounded off. Furthermore, in a conventional manner for uniform voltage reduction a gradual or continuous thinning of the layer thickness, too through etching pits or perforations.

Durch die Ausbildung derartiger Vielecke können auftretende mechanische Spannungen in mehrere Richtungen verteilt werden, so dass gegenüber der rechteckigen, herkömmlichen Ausbildung von Flächen und Leiterbahnen eine gleichmäßigere Spannungs- bzw. Kraftverteilung und weiterhin eine gleichmäßigere Wärmeableitung möglich ist.By the formation of such polygons can occur mechanical Voltages are distributed in several directions, so that opposite the rectangular, conventional Training of areas and tracks a more even voltage or force distribution and further a more uniform heat dissipation is possible.

Insbesondere bei Ausbildung entsprechender Sechsecke als Struktur elemente mit anschließender Verrundung der äußeren Ecken, können sowohl Rechteckformen nachgebildet als auch z.B. im Wesentlichen kreisförmige Elemente gebildet werden. Die Leiterbahnen können hierbei zwischen den Pads hindurchgeführt werden, statt wie bei herkömmlichen Architekturen an den Außenseiten über große Wege geführt zu werden.Especially in training appropriate hexagons as a structure elements with followed by Rounding of the outer corners, can both rectangular shapes simulated and e.g. essentially circular Elements are formed. The tracks can be between the pads passed instead of conventional ones Architectures on the outsides over great paths guided to become.

Die erfindungsgemäßen Schaltungen mit dem erfindungsgemäßen Metall-Keramiksubstrat können auch vergossen werden.The inventive circuits with the metal-ceramic substrate according to the invention can also to be shed.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beiliegenden Zeichnungen an einigen Ausführungsformen erläutert. Es zeigen:The Invention will be described below with reference to the accompanying drawings on some embodiments explained. Show it:

1a, b Leiterbahnen mit durch Stressbelastung geschädigten Bereichen: a) eine herkömmliche, gradlinige Leiterbahn, b) eine erfindungsgemäß ausgebildete Leiterbahn, 1a , b printed circuit traces with areas damaged by stress: a) a conventional, straight-line conductor track, b) a conductor track formed according to the invention,

2a–c den Verlauf von Leiterbahnen auf Substraten:

  • a) ein herkömmlicherweise realisierter Leiterbahn-Verlauf,
  • b) ein herkömmlicherweise als ideal angesehener, aber kaum realisierbarer Leiterbahn-Verlauf,
  • c) ein erfindungsgemäßer Leiterbahn-Verlauf bzw. Leiterbahn-Architektur,
2a -C the course of tracks on substrates:
  • a) a conventionally realized trace course,
  • b) a conductor track course, which is conventionally regarded as ideal, but hardly realizable
  • c) an inventive track trace or trace architecture,

3 einen Querschnitt durch ein DBC-oder AMB-Substrat, 3 a cross section through a DBC or AMB substrate,

4 eine erfindungsgemäße Strukturierung der Metallschichten in Strukturierungselemente bzw. Designelemente für Die-Pads; 4 an inventive structuring of the metal layers in structuring elements or design elements for die pads;

5a, b Aufsichten auf Metallflächen erfindungsgemäßer Substrate. 5a , b superimposed on metal surfaces of inventive substrates.

Gemäß 3 weist ein erfindungsgemäßes Substrat 1 eine Keramikplatte 2, eine auf der Oberseite der Keramikplatte 2 aufgebrachte obere Me tallschicht 3 und eine auf der Unterseite der Keramikplatte 2 aufgebrachte untere Metallschicht 4 auf. Alternativ zu der gezeigten Ausführungsform kann die untere Metallschicht 4 auch weggelassen werden. Das so ausgebildete Metall-Keramik-Substrat 1 nimmt auf der Oberseite der oberen Metallschicht 3 auf Pads 14 Leistungs-Halbleiterbauelemente 5 auf, die z. B. über Drahtbonds 6 kontaktiert sind. Weiterhin können auf den Pads 14 ergänzend oder auch anstelle der Leistungs-Halbleiterbauelemente 5 weitere Komponenten vorgesehen sein. Das Metall-Keramik-Substrat 1 kann bei der gezeigten Ausführungsform mit seiner unteren Metallschicht 4, bei einer Ausführungsform ohne die untere Metallschicht 4 direkt mit der Keramikplatte 2 auf einer als Wärmesenke dienenden Metallplatte 7 oder einem fluiddurchströmten Kühlkörper befestigt werden. Die Befestigung kann mittels Stoff-., Kraft- und/oder Formschluss erfolgen.According to 3 has a substrate according to the invention 1 a ceramic plate 2 , one on the top of the ceramic plate 2 applied upper Me tallschicht 3 and one on the bottom of the ceramic plate 2 applied lower metal layer 4 on. As an alternative to the embodiment shown, the lower metal layer 4 also be omitted. The thus formed metal-ceramic substrate 1 takes on top of the top metal layer 3 on pads 14 Power semiconductor devices 5 on, the z. B. via wire bonds 6 are contacted. Furthermore, on the pads 14 in addition or instead of the power semiconductor devices 5 be provided further components. The metal-ceramic substrate 1 may in the embodiment shown with its lower metal layer 4 in one embodiment, without the lower metal layer 4 directly with the ceramic plate 2 on a serving as a heat sink metal plate 7 or a heat sink through which a fluid flows. The attachment can be done by means of material, force and / or positive locking.

Das Substrat 1 kann insbesondere ein DBC (direct bonded copper) mit Al2O3 (Aluminiumoxid) als Keramikmaterial und direkt – d.h. ohne Lot – als Bleche aufgebrachten Kupferschichten 3, 4 sein. Hierbei bildet sich eine Grenzfläche der Kupferschichten 3, 4 zu der Al2O3-Keramikplatte 2 eine Spinell-Schicht aus, so dass an dieser Grenzfläche kein Lot erforderlich ist. Weiterhin können als Keramik-Material z.B. auch Aluminiumnitrid (AIN) oder Siliziumnitrid (Si3N4) und als Metall z.B. Aluminium verwendet werden. Als Metall-Keramik-Substrate können insbesondere Al auf Aluminiumoxid, z. B. direct aluminium bonded (DAB), Cu auf Siliziumnitrid, Al auf Siliziumnitrid oder Al auf Aluminiumnitrid verwendet werden. Hierbei können insbesondere AMB-Substrate (active metal brazing) mit Al auf AIN verwendet werden. Bei derartigen Systemen kommen im Allgemeinen Verbindungsverfahren wie z. B. Hartlötprozesse zum Einsatz, um die Metallschichten 3, 4 und die Keramikplatte 2 zu verbinden. Als Materialien können auch partikelverstärkte Werkstoffe wie MMCs (metal matrix composits) wie z. B. AlSiC oder CMCs (ceramic matrix composits) verwendet werden; es kann z. B. auch SiC eingesetzt werden, dessen Ausdehnungskoeffizient – wie auch der von AlSiC – sich über einen weiten Bereich variieren lässt.The substrate 1 In particular, a DBC (direct bonded copper) with Al 2 O 3 (aluminum oxide) as ceramic material and directly - ie without solder - as Sheets applied copper layers 3 . 4 be. This forms an interface of the copper layers 3 . 4 to the Al2O3 ceramic plate 2 a spinel layer, so that no solder is required at this interface. Furthermore, as a ceramic material, for example, aluminum nitride (AIN) or silicon nitride (Si3N4) and as a metal such as aluminum can be used. As metal-ceramic substrates in particular Al on alumina, z. Direct aluminum bonded (DAB), Cu on silicon nitride, Al on silicon nitride or Al on aluminum nitride. In particular, AMB substrates (active metal brazing) with Al on AIN can be used here. In such systems are generally connecting methods such. B. brazing processes used to the metal layers 3 . 4 and the ceramic plate 2 connect to. As materials also particle-reinforced materials such as MMCs (metal matrix composites) such. As AlSiC or CMCs (ceramic matrix composites) are used; it can, for. B. SiC are used, the coefficient of expansion - as well as that of AlSiC - can vary over a wide range.

Die Herstellung der Metall-Keramik-Substrate 1 erfolgt im Allgemeinen durch Anbringen der Metallschichten 3, 4 als Bleche und einem Temperaturbehandlungsschritt wie z. B. Sintern, Löten oder Tempern. Die Metallschicht 3 und gegebenenfalls 4 wird nachfolgend in einem oder mehreren Ätzschritten strukturiert. Aufgrund der Vorspannungen im Materialsandwich und der Strukturierung kommt es zu einer Änderung des Spannungszustandes, der sich vor allem unterhalb der Ecken und Kanten des Metalls in der Keramik äußert.The production of metal-ceramic substrates 1 is generally done by attaching the metal layers 3 . 4 as sheets and a temperature treatment step such. B. sintering, soldering or tempering. The metal layer 3 and optionally 4 is subsequently patterned in one or more etching steps. Due to the bias in the material sandwich and the structuring, there is a change in the stress state, which manifests itself above all below the corners and edges of the metal in the ceramic.

Erfindungsgemäß sind in der oberen Metallschicht 3 Leiterbahnen 12 zwischen ihren Endpunkten 12a, 12b nicht gemäß 1a geradlinig, sondern mit mehreren Ecken 12c ausgebildet, die grundsätzlich auch abgerundet sein können. Endpunkte 12a, 12b der Leiterbahnen dienen hierbei (z. B. als Bondlands) der externen Kontaktierung und der Kontaktierung der Pads 14 mit den Leiterbahnen 12. Vorteilhafterweise wird eine in 1b idealisiert gezeigte mäanderförmige Ausbildung gewählt, wie auch in 2c gezeigt. Dieser Verlauf unterscheidet sich somit von dem herkömmlicherweise gemäß 1b angestrebten möglichst geradlinigen Verlauf der Leiterbahn 12 zwischen ihren Endpunkten 12a, 12b, der – da sich dies in der Regel nur über kleine Strecken verwirklichen lässt – bei größeren Erstreckungen als ein rechtwinkliger Verlauf, d.h. im allgemeinen gemäß der L-Form der 1a verwirklicht wird, bei der rechtwinklige Kanten 12c zwischen größeren, gradlinigen Leiterbahnabschnitten auftreten. In den gradlinigen Leiterbahnabschnitten treten jedoch gemäß den obigen Ausführungen insbesondere temperaturbedingte Spannungen gegenüber der Keramikplatte 2 auf, die insbesondere bei längeren Leiterbahnabschnitten zu den Endpunkten hin deutlich zunehmen können. In den rechtwinkligen Kanten 12c treten hierbei Vektorsummen erheblicher Spannungsvektoren, die bei rechten Winkeln im Allgemeinen das 1,4-fache der an den einzelnen Leiterbahnabschnitten auftretenden Kräfte bzw. Spannungen sind und zu einem Versagen führen können.According to the invention are in the upper metal layer 3 conductor tracks 12 between their endpoints 12a . 12b not according to 1a straight, but with several corners 12c trained, which can be rounded in principle. endpoints 12a . 12b The conductor tracks serve here (eg as Bondlands) the external contacting and the contacting of the pads 14 with the tracks 12 , Advantageously, an in 1b idealized shown meandering training chosen as well as in 2c shown. This course thus differs from that conventionally according to 1b aspired as straight as possible course of the conductor 12 between their endpoints 12a . 12b , which - as this can usually only be achieved over small distances - for larger extents than a right-angle course, ie in general according to the L-shape of 1a is realized at the right-angled edges 12c occur between larger, straight track sections. In the straight-line conductor track sections, however, occur in particular according to the above statements, temperature-induced stresses relative to the ceramic plate 2 on, which can increase significantly, especially for longer trace sections to the end points. In the right-angled edges 12c In this case, vector sums of considerable voltage vectors occur, which at right angles are generally 1.4 times the forces or stresses occurring at the individual conductor track sections and can lead to failure.

Erfindungsgemäß werden nunmehr Leiterbahnen 12c gemäß 1b und 2c gewählt. Der Leiterbahnverlauf gemäß 2c kann hierbei um aufgenommene Bauelemente herum verlaufen und weist dennoch einen kürzeren Verlauf als der Verlauf gemäß 1a auf, da stellenweise schräge Verläufe gewählt werden können, die die Gesamtlänge gegenüber 1a etwas verringern können. Die Kanten 12c gemäß 1a, 2c weisen Winkel α > 90°, z.B. 120° auf, so dass die Vektorsumme der in Richtung der Leiterbahn auftretenden Spannungen zu keinen größeren Vektorbeträgen führt; vorteilhafterweise erfolgt sogar eine teilweise Aufhebung der Spannungen.According to the invention now strip conductors 12c according to 1b and 2c selected. The track course according to 2c can in this case run around recorded components and yet has a shorter course than the course according to 1a on, as in places oblique courses can be selected, which compared to the total length 1a can reduce something. The edges 12c according to 1a . 2c have angles α> 90 °, for example 120 °, so that the vector sum of the voltages occurring in the direction of the track does not lead to larger vector amounts; Advantageously, even a partial cancellation of the voltages takes place.

Erfindungsgemäß kann vorteilhafterweise eine sechszählige Symmetrie bzw. Wabenstruktur für die Ausbildung von Pads 14 zur Aufnahme der Bauelemente 5 mit entsprechend 120°-Winkeln α in den Leiterbahnen 12 gewählt werden. Die 4, 5 zeigen entsprechende Strukturierungen der Metallschicht 3 auf der Keramikplatte 2. Die Bauelemente 5, insbesondere Leistungs-Bauelemente 5, sind somit auf Pads 14 montiert, die sich aus mehreren einzelnen Waben bzw. symmetrischen Vielecken 16 zusammensetzen, wobei je nach Form des Bauelementes 5 eine eher quadratische oder auch längliche Ausbildung gewählt werden kann. Leiterbahnen 12 können als Aneinanderreihung mehrerer Sechsecke 16 ausgebildet werden, die um die einzelnen Pads 3 herum zur Außenseite geführt sind. Die Kontaktierung der Enden der Leiterbahnen 12, d.h. im Bereich ihrer Leiterbahnenden 12a, b, und entsprechend auch die Kontaktierung der Bauelemente 5 mit den Leiterbahnen 12 erfolgt in bekannter Weise z. B. über Drahtbonds 6. Hierbei sind zwischen den einzelnen Waben 16 metallfreie Spalte 17 ausgebildet, die somit die Metallschicht 3 strukturieren und jeweils ein oder mehrere Sechsecke 16 freilegen.According to the invention, a hexagonal symmetry or honeycomb structure can advantageously be used for the formation of pads 14 for receiving the components 5 with corresponding 120 ° angles α in the tracks 12 to get voted. The 4 . 5 show corresponding structuring of the metal layer 3 on the ceramic plate 2 , The components 5 , in particular power components 5 , are thus on pads 14 mounted, consisting of several individual honeycomb or symmetrical polygons 16 composing, depending on the shape of the component 5 a rather square or elongated training can be chosen. conductor tracks 12 can be arranged as a series of hexagons 16 Be trained around the individual pads 3 led around to the outside. The contacting of the ends of the conductor tracks 12 , ie in the area of their conductor ends 12a , b, and according to the contacting of the components 5 with the tracks 12 takes place in a known manner z. B. via wire bonds 6 , Here are between the individual honeycombs 16 metal-free column 17 formed, which thus the metal layer 3 structure and each one or more hexagons 16 uncover.

Alternativ zu regelmäßigen Sechsecken 16 können auch andere Vielecke, z.B. auch unsymmetrische Vielecke gewählt werden. Falls in der Keramikplatte 2 eine Anisotopie festgestellt wird, z.B. eine Textur aufgrund des Fertigungsprozesses durch Walzen oder Verstrecken eines Ausgangsmate rials vor dem Sintern der Keramikplatte 2, kann entsprechend eine Anisotropie der jeweils gewählten Strukturelemente 16 gewählt werden, die diese Anisotropie ausgleicht bzw. berücksichtigt.Alternative to regular hexagons 16 Other polygons, for example unbalanced polygons, can also be chosen. If in the ceramic plate 2 Anisotopia is detected, for example, a texture due to the manufacturing process by rolling or stretching a Ausgangsmate material before sintering the ceramic plate 2 , Accordingly, an anisotropy of the selected structural elements 16 can be selected, which compensates or takes into account this anisotropy.

Die Strukturelemente 16, d.h. insbesondere Waben 16, können entsprechend auch abgerundete Ecken aufweisen. Weiterhin können in an sich bekannter Weise an ihren Rändern Abschwächungen der Schichtdicke durch Stufungen und/oder Ätzgruben und/oder Ätzperforationen vorgenommen werden, um einen gleichmäßigen Spannungsübergang zwischen Metallschicht und Keramiksubstrat-Material zu gewährleisten. So können z.B. ein gestrecktes Fünf- oder Siebeneck oder anderen Strukturelemente mit stumpfen Winkeln gewählt werden.The structural elements 16 , ie in particular honeycomb 16 , may accordingly also have rounded corners. Furthermore, attenuations of the layer thickness by steps and / or etching pits and / or etching perforations can be carried out in a manner known per se in order to ensure a uniform voltage transition between metal layer and ceramic substrate material. Thus, for example, an elongated five or heptagon or other structural elements with obtuse angles can be selected.

Claims (14)

Metall-Keramik-Hybridsubstrat für Leistungs-Halbleiterbauelemente (5), das aufweist: eine Keramikplatte (2), und eine auf der Oberseite der Keramikplatte (2) angebrachte obere Metallschicht (3), wobei die obere Metallschicht (3) in Leiterbahnen (12) und Pads (14) zur Aufnahme der Leistungs-Halbleiterbauelemente (5) strukturiert ist, und wobei die Ecken (12c) der Leiterbahnen (12) und die Ecken (14a) der Pads (14) konvexe stumpfe Winkel (α) zwischen 90° und 180° aufweisen.Metal-ceramic hybrid substrate for power semiconductor devices ( 5 ) comprising: a ceramic plate ( 2 ), and one on top of the ceramic plate ( 2 ) attached upper metal layer ( 3 ), wherein the upper metal layer ( 3 ) in printed conductors ( 12 ) and pads ( 14 ) for accommodating the power semiconductor devices ( 5 ) and the corners ( 12c ) of the tracks ( 12 ) and the corners ( 14a ) of the pads ( 14 ) have convex obtuse angles (α) between 90 ° and 180 °. Metall-Keramik-Hybridsubstrat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sämtliche Ecken (12c) der Leiterbahnen (12) stumpfe Winkel (α) aufweisen.Metal-ceramic hybrid substrate according to claim 1, characterized in that all corners ( 12c ) of the tracks ( 12 ) have obtuse angles (α). Metall-Keramik-Hybridsubstrat nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahnen (12) in mehrere, durch die Ecken (12c) verbundene Leiterbahnabschnitte unterteilt sind.Metal-ceramic hybrid substrate according to claim 1 or 2, characterized in that the conductor tracks ( 12 ) in several, through the corners ( 12c ) connected conductor track sections are divided. Metall-Keramik-Hybridsubstrat nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Unterseite der Keramikplatte (2) eine untere Metallschicht (4) angebracht ist.Metal-ceramic hybrid substrate according to one of the preceding claims, characterized in that on the underside of the ceramic plate ( 2 ) a lower metal layer ( 4 ) is attached. Metall-Keramik-Hybridsubstrat nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die obere Metallschicht (3) ein Strukturierungsmuster mit einer Unterteilung in mehrere gleiche Strukturelemente (16) aufweist, wobei die Strukturelemente (16) Vielecke mit stumpfen Winkeln sind und die Leiterbahnen (12) und Pads (14) jeweils aus mehreren zusammenhängenden Strukturelementen (16) gebildet sind.Metal-ceramic hybrid substrate according to one of the preceding claims, characterized in that at least the upper metal layer ( 3 ) a structuring pattern with a subdivision into several identical structural elements ( 16 ), wherein the structural elements ( 16 ) Are polygons with obtuse angles and the interconnects ( 12 ) and pads ( 14 ) each of several related structural elements ( 16 ) are formed. Metall-Keramik-Hybridsubstrat nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturelemente (16) regelmäßige oder unregelmäßige Fünfecke, Sechsecke oder Siebenecke oder Achtecke sind.Metal-ceramic hybrid substrate according to claim 5, characterized in that the structural elements ( 16 ) are regular or irregular pentagons, hexagons or heptagones or octagons. Metall-Keramik-Hybridsubstrat nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturelemente (16) regelmäßige Sechsecke (16) sind.Metal-ceramic hybrid substrate according to claim 6, characterized in that the structural elements ( 16 ) regular hexagons ( 16 ) are. Metall-Keramik-Hybridsubstrat nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ecken (12c, 14a) der Leiterbahnen (12) und/oder Pads (14) abgerundet sind.Metal-ceramic hybrid substrate according to one of the preceding claims, characterized in that the corners ( 12c . 14a ) of the tracks ( 12 ) and / or pads ( 14 ) are rounded. Metall-Keramik-Hybridsubstrat nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramikplatte (2) und die Metallschichten (3, 4) aus einer der folgenden Kombinationen bestehen: Aluminiumoxid und Kupfer, Aluminiumoxid und Aluminium, Siliziumnitrid und Kupfer, Siliziumnitrid und Aluminium, Aluminiumnitrid und Aluminium, oder einer Kombination mit einem SiC oder einem CMC als keramischen Werkstoff und/oder einer Kombination mit einem MMC als metallischen Werkstoff.Metal-ceramic hybrid substrate according to one of the preceding claims, characterized in that the ceramic plate ( 2 ) and the metal layers ( 3 . 4 ) consist of one of the following combinations: aluminum oxide and copper, aluminum oxide and aluminum, silicon nitride and copper, silicon nitride and aluminum, aluminum nitride and aluminum, or a combination with a SiC or a CMC as a ceramic material and / or a combination with an MMC as metallic Material. Metall-Keramik-Hybridsubstrat nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass es ein DBC-, DAB- oder AMB-Substrat ist.Metal-ceramic hybrid substrate according to claim 9, characterized characterized in that it is a DBC, DAB or AMB substrate. Metall-Keramik-Hybridsubstrat nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der oberen Metallschicht (3) der Flächenanteil der metallfreien Bereichen (17) kleiner als der Flächenanteil der Pads (14) und Leiterbahnen (12) ist.Metal-ceramic hybrid substrate according to one of the preceding claims, characterized in that in the upper metal layer ( 3 ) the area fraction of the metal-free areas ( 17 ) smaller than the area fraction of the pads ( 14 ) and printed conductors ( 12 ). Metall-Keramik-Hybridsubstrat nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Pads (14) und den Leiterbahnen (12) ausgebildete metallfreie Spalte (17) im Wesentlichen linienförmig ausgebildet ist.Metal-ceramic hybrid substrate according to claim 11, characterized in that between the pads ( 14 ) and the tracks ( 12 ) formed metal-free column ( 17 ) is formed substantially linear. Metall-Keramik-Hybridsubstrat nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahn (12) zu ihren Kanten und Ecken hin eine stufenweise oder kontinuierlich abnehmende Dicke aufweist.Metal-ceramic hybrid substrate according to one of the preceding claims, characterized in that the conductor track ( 12 ) has a stepwise or continuously decreasing thickness towards its edges and corners. Metall-Keramik-Hybridsubstrat nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahn (12) und/oder Pads (14) an ihren Kanten und Ecken (12c) Ätzgruben zur Verringerung der mittleren Dicke aufweisen.Metal-ceramic hybrid substrate according to one of the preceding claims, characterized in that the conductor track ( 12 ) and / or pads ( 14 ) at their edges and corners ( 12c ) Have etching pits for reducing the average thickness.
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