DE102010025313A1 - Producing structured electrically conductive layer on substrate or layer made of ceramic material, comprises e.g. providing mixture of metallic material and oxide of it, applying mixture on substrate or layer, and structuring - Google Patents

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Abstract

Producing structured electrically conductive layer (2) on a substrate (1) or a layer made of ceramic material, comprises: (a) providing a mixture of at least one metallic material and an oxide of it, which form a eutectic system; (b) applying the mixture either as structured or unstructured layer on the substrate or the layer made of the ceramic material, and structuring after temperature step; (c) heating the substrate or the layer made of the ceramic material with the applied layer of the mixture, to a temperature, in which the applied layer is melted, and cooling. An independent claim is also included for a composite material made of a ceramic substrate or a ceramic layer and a structured electrically conductive layer that is produced by the above method.

Description

Technisches AnwendungsgebietTechnical application

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer strukturierten, elektrisch leitfähigen Schicht auf einem Substrat oder einer Schicht aus einem keramischen Material, insbesondere unter Nutzung des sog. Direct-Copper-Bonding(DCB)-Verfahrens. Das Verfahren eignet sich vor allem zur Herstellung von feinen Schaltungsstrukturen auf keramischen Substraten.The present invention relates to a method for producing a structured, electrically conductive layer on a substrate or a layer of a ceramic material, in particular using the so-called direct copper bonding (DCB) method. The method is particularly suitable for the production of fine circuit structures on ceramic substrates.

Stand der TechnikState of the art

Das Aufbringen einer elektrisch leitfähigen Schicht auf ein Keramiksubstrat kann mit einer Technik erfolgen, wie sie beispielsweise in der DE 23 19 854 A beschrieben ist. Hierbei wird ein Metallteil, bspw. eine Kupferplatte oder Kupferfolie, an den Oberflächenseiten mit einem Überzug aus einer chemischen Verbindung aus dem Metall und einem reaktiven Gas, insbesondere Sauerstoff, versehen. Dieser Überzug bildet mit einer dünnen Schicht des angrenzenden Metalls ein Eutektikum mit einer Schmelztemperatur unterhalb der Schmelztemperatur des Metalls. Das Metallteil wird dann auf das Keramiksubstrat aufgelegt und zusammen mit der Keramik auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes des Eutektikums und unterhalb der Schmelztemperatur des Metalls erhitzt. Dadurch wird im Wesentlichen nur die eutektische Zwischenschicht aufgeschmolzen. Nach dem Abkühlen sind dann das Metallteil und das Keramiksubstrat miteinander verbunden. Bei Verwendung von Kupfer oder einer Kupferlegierung als Metall wird dieses Verfahren auch als DCB-Bonden oder DCB-Verfahren (DCB: Direct Copper Bonding) bezeichnet, lässt sich jedoch auch mit anderen Metallen durchführen. Das DCB-Verfahren umfasst beispielsweise folgende Verfahrensschritte:

  • – Oxidieren einer Kupferfolie derart, dass sich eine gleichmäßige Kupferoxidschicht bildet;
  • – Auflegen der Kupferfolie auf die Keramikschicht;
  • – Erhitzen des Verbundes auf eine Prozesstemperatur zwischen etwa 1025 und 1083°C, z. B. auf ca. 1071°C; und
  • – Abkühlen auf Raumtemperatur.
The application of an electrically conductive layer on a ceramic substrate can be done with a technique such as in the DE 23 19 854 A is described. Here, a metal part, for example. A copper plate or copper foil, on the surface sides with a coating of a chemical compound of the metal and a reactive gas, in particular oxygen, provided. This coating forms a eutectic with a thin layer of the adjacent metal having a melting temperature below the melting temperature of the metal. The metal part is then placed on the ceramic substrate and heated together with the ceramic to a temperature above the melting point of the eutectic and below the melting temperature of the metal. As a result, essentially only the eutectic intermediate layer is melted. After cooling, the metal part and the ceramic substrate are then joined together. When copper or a copper alloy is used as the metal, this process is also referred to as DCB bonding or DCB (Direct Copper Bonding) process, but it can also be performed with other metals. The DCB method comprises, for example, the following method steps:
  • - Oxidizing a copper foil such that forms a uniform copper oxide layer;
  • - placing the copper foil on the ceramic layer;
  • - Heating the composite to a process temperature between about 1025 and 1083 ° C, z. B. to about 1071 ° C; and
  • - Cool to room temperature.

Anschließend wird die auf dem Keramiksubstrat aufgebrachte Metallisierung in der gewünschten Weise strukturiert.Subsequently, the metallization applied to the ceramic substrate is patterned in the desired manner.

Die Voraussetzung für die Bildung der bei dem Verfahren erforderlichen Zwischenschicht aus einem eutektischen Gemisch wird in der DE 23 19 854 A durch eine thermische Oxidation des Metallteils geschaffen. Eine weitere Technik zur Bildung der Zwischenschicht zwischen einer Kupferfolie und einem Keramiksubstrat ist in Y. Yoshino et al., „Interface Structure and Bond Strength of Copper-Bonded Alumina Substrates”, Journal of the American Ceramic Society, Vol. 74, No. 9, 1991, Seiten 2184–2188 , beschrieben. Bei dieser Technik wird als Festkörperquelle für die Bildung der Zwischenschicht zunächst eine CuO-Paste auf das Keramiksubstrat aufgebracht. Anschließend wird die Kupferfolie aufgelegt und durch Aufschmelzen der Zwischenschicht mit dem Keramiksubstrat verbunden.The prerequisite for the formation of the required in the process intermediate layer of a eutectic mixture is in the DE 23 19 854 A created by a thermal oxidation of the metal part. Another technique for forming the intermediate layer between a copper foil and a ceramic substrate is shown in FIG Y. Yoshino et al., "Interface Structure and Bond Strength of Copper-Bonded Alumina Substrate", Journal of the American Ceramic Society, Vol. 9, 1991, pages 2184-2188 , described. In this technique, as a solid source for the formation of the intermediate layer, a CuO paste is first applied to the ceramic substrate. Subsequently, the copper foil is placed and connected by melting the intermediate layer with the ceramic substrate.

Bei bisher bekannten Verfahren wird mit der DCB-Technik ein Kupferblech, das als Metallisierung und Funktionsträger für die spätere Schaltung dient, mit dem Keramiksubstrat verbunden. Die erforderliche Handhabbarkeit des Bleches bei dieser Technik gibt eine Mindestdicke des Kupferbleches oder einer entsprechenden Kupferfolie vor. Durch diese Mindestdicke ist jedoch die im nachfolgenden Ätzprozess erzielbare Strukturbreite der metallischen Strukturen auf dem Keramiksubstrat nach unten begrenzt. Daher wird bei der Verwendung eines derartigen Schaltungsträgers für Bauteile der Leistungselektronik die Integration der Treiber sowie der Logik der späteren Schaltung häufig separat vom Leistungsteil auf nicht keramischen Trägern vorgenommen, um eine möglichst geringe Gesamtgröße des Bauteils zu erreichen.In previously known methods, a copper sheet, which serves as metallization and function carrier for the subsequent circuit, is connected to the ceramic substrate by the DCB technique. The required handleability of the sheet in this technique dictates a minimum thickness of the copper sheet or a corresponding copper foil. By this minimum thickness, however, the achievable in the subsequent etching process structure width of the metallic structures on the ceramic substrate is limited downwards. Therefore, when using such a circuit substrate for components of power electronics, the integration of the driver and the logic of the subsequent circuit is often made separately from the power unit on non-ceramic supports in order to achieve the smallest possible overall size of the component.

Bisher wurden unterschiedliche Ansätze verfolgt, um die minimal mögliche Strukturbreite der metallischen Schicht auf dem Keramikträger zu reduzieren und damit eine Integration von Logik, Treiber und Leistungsteil auf einem gemeinsamen keramischen Schaltungsträger bei geringer Bauteilgröße zu ermöglichen. Ein Ansatz besteht in der Entwicklung verbesserter Ätzprozesse, durch die feinere Strukturen aus der Metallisierung herausgeätzt werden können. Auf diesem Wege konnten bisher Strukturen mit einem Abstand hergestellt werden, der der Dicke der Metallisierung entspricht. Bei einem weiteren Ansatz werden nach dem erfolgten Bond- und eventuell nachfolgenden Ätzprozess zusätzliche, feinere metallische Strukturen auf Bereiche der Metallisierung sowie ggf. an weggeätzten Bereichen auf die Oberfläche des Keramiksubstrates aufgebracht. Hierzu werden Techniken der stromlosen Metallisierung, der Sprühtechnik sowie der Dickfilmtechnik in Verbindung mit geeigneter Maskierung eingesetzt.So far, different approaches have been pursued to reduce the minimum possible structural width of the metallic layer on the ceramic substrate and thus to allow integration of logic, driver and power unit on a common ceramic circuit substrate with small component size. One approach is to develop improved etching processes that can etch out finer structures from the metallization. In this way, previously structures could be made with a distance corresponding to the thickness of the metallization. In a further approach, after the successful bonding and possibly subsequent etching process, additional, finer metallic structures are applied to regions of the metallization and optionally to regions etched away on the surface of the ceramic substrate. For this purpose, techniques of electroless plating, spraying and thick film technology are used in conjunction with suitable masking.

Die bisherigen Ansätze zur Erzeugung einer feinstrukturierten, elektrisch leitfähigen Schicht auf einem Keramiksubstrat sind jedoch aufwändig.The previous approaches to producing a finely structured, electrically conductive layer on a ceramic substrate, however, are expensive.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein einfaches Verfahren zum Herstellen einer feinstrukturierten, elektrisch leitfähigen Schicht auf einem Substrat oder einer Schicht aus einem keramischen Material anzugeben. Die aufgebrachte Schicht soll zum einen feinere Strukturen als beim bisherigen DCB-Prozess ermöglichen und zum anderen gegenüber Dickschichttechnologien eine bessere Haftung an der Schicht oder dem Substrat aus dem keramischen Material aufweisen.The object of the present invention is to specify a simple method for producing a finely structured, electrically conductive layer on a substrate or a layer of a ceramic material. The applied layer should on the one hand enable finer structures than in the previous DCB process and, on the other hand, better than thick-film technologies Having adhesion to the layer or the substrate of the ceramic material.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Die Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie dem Ausführungsbeispiel entnehmen.The object is achieved by the method according to claim 1. Advantageous embodiments of the method are the subject of the dependent claims or can be found in the following description and the embodiment.

Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird ein Gemisch aus wenigstens einem metallischen Material und einem Oxid des metallischen Materials bereitgestellt, die ein eutektisches System bilden. Das Gemisch wird entweder als strukturierte Schicht auf das Substrat oder die Schicht aus dem keramischen Material aufgebracht oder als unstrukturierte Schicht auf das Substrat oder die Schicht aus dem keramischen Material aufgebracht und erst nach dem anschließenden Temperaturschritt strukturiert. Das Substrat oder die Schicht aus dem keramischen Material, im Folgenden auch als keramischer Träger bezeichnet, mit der aufgebrachten Schicht aus dem Gemisch wird dann auf eine Temperatur erhitzt, bei der die aufgebrachte Schicht aufschmilzt und ein eutektisches Gemisch bildet, und zur Verfestigung der anschließend wieder abgekühlt. Das vorgeschlagene Verfahren nutzt somit die DCB-Technik bzw. eine – im Falle anderer metallischer Materialien als Kupfer – der DCB-Technik analogen Technik zur Herstellung der Metallisierung, ohne jedoch hierfür eine Folie oder Platte aus einem metallischen Material auf den keramischen Träger aufzubringen. Vielmehr werden die für den DCB-Bondprozess benötigte Metallisierung sowie die erforderliche Sauerstoffmenge durch Aufbringen des Metall/Metalloxid-Gemisches in einem Schritt auf dem keramischen Träger bereitgestellt. Dabei kann es sich um herkömmliche Aufbringungsverfahren wie Siebdruck o. ä., aber auch um Sprühtechnologien handeln.The proposed method provides a mixture of at least one metallic material and an oxide of the metallic material forming a eutectic system. The mixture is applied either as a structured layer on the substrate or the layer of the ceramic material or applied as an unstructured layer on the substrate or the layer of the ceramic material and patterned only after the subsequent temperature step. The substrate or layer of the ceramic material, hereinafter also referred to as a ceramic support, with the applied layer of the mixture is then heated to a temperature at which the deposited layer melts and forms a eutectic mixture, and then for solidification cooled. The proposed method thus uses the DCB technique or a - in the case of other metallic materials than copper - the DCB technique analogous technique for producing the metallization, but without applying a foil or plate of a metallic material on the ceramic support. Rather, the metallization required for the DCB bonding process and the required amount of oxygen are provided by applying the metal / metal oxide mixture in one step on the ceramic support. These can be conventional application methods such as screen printing or the like, but also spray technologies.

In einer Alternative des Verfahrens wird das Gemisch bereits als strukturierte Schicht auf den keramischen Träger aufgebracht. Dies kann bspw. über eine geeignete Maskierung oder einen geeigneten Siebdruckprozess erfolgen. Durch den anschließenden Temperaturschritt, der aufgrund des eutektischen Systems bei Temperaturen deutlich unterhalb des Schmelzpunktes des eingesetzten Metalls durchgeführt wird, verbindet sich die Schicht mit dem Keramikträger unter Beibehaltung der Strukturen. Bei dieser Verfahrensalternative werden somit die benötigten Feinstrukturen bereits im DCB-Bondprozess aufgebracht, so dass keine weiteren Bearbeitungsschritte für das Aufbringen feinerer Strukturen oder das Ätzen der aufgebrachten Schicht mehr erforderlich sind.In an alternative of the method, the mixture is already applied as a structured layer on the ceramic support. This can be done, for example, via a suitable masking or a suitable screen printing process. By the subsequent temperature step, which is carried out due to the eutectic system at temperatures well below the melting point of the metal used, the layer connects to the ceramic substrate while maintaining the structures. In this method alternative, the required fine structures are thus already applied in the DCB bonding process, so that no further processing steps for the application of finer structures or the etching of the applied layer are more necessary.

In einer zweiten Alternative wird das Gemisch zunächst vollflächig auf den keramischen Träger aufgebracht und über den Temperaturschritt mit dem keramischen Träger verbunden. Die Dicke der aufgebrachten Schicht kann dabei klein genug gewählt werden, um bei einem anschließenden Strukturierungsprozess, insbesondere einem Ätzprozess mit entsprechenden Maskierungstechniken, die erforderlichen feinen Strukturen der Schicht auf dem Keramikträger zu erzeugen.In a second alternative, the mixture is first applied over the entire surface of the ceramic support and connected via the temperature step with the ceramic support. The thickness of the applied layer can be chosen to be small enough to produce the required fine structures of the layer on the ceramic substrate in a subsequent patterning process, in particular an etching process with appropriate masking techniques.

Vorzugsweise wird das Gemisch als pastöse Masse bzw. Paste auf den Keramikträger aufgebracht. Das Gemisch kann hierbei neben dem Metall und Metalloxid zusätzlich auch Keramikpulver enthalten. Dabei kann es sich um Pulver des keramischen Materials des keramischen Trägers, um Mischungen verschiedener Keramiken oder auch um mit dem keramischen Material des Trägers als Überzug versehene andere Keramikpulver handeln. Ein Beispiel ist Keramikpulver aus Al2O3 bei einem keramischen Träger aus diesem oder einem anderen Material. Andere Keramikpulver können bspw. aus AlN oder Si3N4 bestehen, die dann jedoch einen Überzug aus Al2O3 aufweisen müssen. Die keramische Beimischung dient dazu, die Fließeigenschaften bei der Bondtemperatur sowie den resultierenden thermischen Ausdehnungskoeffizienten und die Wärmeleitfähigkeit der metallischen Strukturen, insbesondere Leiterbahnen und Leiterflächen, einzustellen. Charakteristisch für das vorgeschlagene Verfahren ist, dass sich das beigemischte Keramikpulver im DCB-Prozess fest mit der Metallisierung verbindet und so integraler Teil der elektrisch leitfähigen Struktur wird.Preferably, the mixture is applied as a pasty mass or paste on the ceramic carrier. In addition to the metal and metal oxide, the mixture may additionally contain ceramic powder. These may be powders of the ceramic material of the ceramic carrier, mixtures of different ceramics, or other ceramic powders coated with the ceramic material of the carrier. An example is ceramic powder of Al 2 O 3 in a ceramic carrier of this or another material. Other ceramic powders may, for example, consist of AlN or Si 3 N 4 , which, however, then have to have a coating of Al 2 O 3 . The ceramic admixture is used to adjust the flow properties at the bonding temperature and the resulting thermal expansion coefficient and the thermal conductivity of the metallic structures, in particular conductor tracks and conductor surfaces. Characteristic of the proposed method is that the admixed ceramic powder in the DCB process firmly bonds to the metallization and thus becomes an integral part of the electrically conductive structure.

Mit dem vorgeschlagenen Verfahren können feinere Strukturen der elektrisch leitfähigen Schicht auf dem Keramikträger realisiert werden, als dies bisher bei DCB-Verfahren möglich war. Mit dem Verfahren kann damit eine höhere Integrationsdichte bei der weiteren Verarbeitung des Substrats zur Herstellung leistungselektronischer Module erreicht werden, welche eine Integration von Treiber- und Logikteil auf dem keramischen Träger- bzw. Leistungssubstrat ermöglicht. Gegenüber herkömmlichen Schaltungsträger-Technologien wie der Dickschichttechnik wird mit dem Verfahren eine weitaus stärkere Anhaftung der Metallisierung an den keramischen Träger sowie eine höhere Reinheit der Metallisierung – und die daraus folgenden besseren technischen Eigenschaften, insbesondere geringerer thermischer und elektrischer Widerstand – erreicht.With the proposed method finer structures of the electrically conductive layer can be realized on the ceramic support, as was previously possible in DCB process. With the method, a higher integration density can be achieved in the further processing of the substrate for the production of power electronic modules, which enables integration of driver and logic part on the ceramic carrier or power substrate. Compared to conventional circuit carrier technologies such as thick-film technology, the method achieves a far greater adhesion of the metallization to the ceramic carrier and a higher purity of the metallization - and the resulting better technical properties, in particular lower thermal and electrical resistance.

Zur Herstellung dickerer elektrisch leitfähiger Schichten auf dem Keramikträger können die einzelnen Verfahrensschritte auch mehrmals hintereinander durchgeführt werden. Nachdem Temperaturschritt und der darauf folgenden Abkühlung wird dann wieder eine neue Schicht aus dem Gemisch auf die darunter liegende Schicht aufgebracht und in gleicher Weise in einem Temperaturschritt mit der darunter liegenden Schicht verbunden. Alternativ können auch vor dem Temperaturschritt mehrere Schichten aus dem Gemisch durch Wiederholung der Aufbringungsschritte zur Bildung einer dickeren Schicht übereinander geschichtet werden. In diesem Fall ist dann nur ein abschließender Temperaturschritt erforderlich, um die Schichten untereinander und mit dem keramischen Träger zu verbinden.To produce thicker electrically conductive layers on the ceramic carrier, the individual process steps can also be carried out several times in succession. After temperature step and the subsequent cooling is then again applied a new layer of the mixture to the underlying layer and in in the same way connected in a temperature step with the underlying layer. Alternatively, prior to the temperature step, multiple layers of the mixture may be layered on top of each other by repeating the deposition steps to form a thicker layer. In this case, only one final temperature step is required to bond the layers to each other and to the ceramic support.

Eine weitere Ausgestaltung des vorgeschlagenen Verfahrens umfasst eine Kombination mit dem bekannten Bonding-Verfahren, bei dem eine Platte oder Folie aus dem metallischen Material über eine entsprechende Zwischenschicht, die ein eutektisches Gemisch bildet, mit dem Keramikträger verbunden wird. Hierzu wird nach dem Aufbringen des Gemisches auf den Keramikträger auf einen Abschnitt der aufgebrachten Schicht die entsprechende metallische Folie oder Platte aufgelegt und anschließend der Temperaturschritt durchgeführt. Während der nicht von der Platte oder Folie abgedeckte Bereich der aufgebrachten Schicht direkt die Metallisierung bildet, wird die Metallisierung im anderen Bereich durch die aufgebrachte Platte oder Folie gebildet, wobei dort die aufgebrachte Schicht aus dem Gemisch in bekannter Weise als Zwischenschicht für die Verbindung mit dem Keramikträger dient.A further embodiment of the proposed method comprises a combination with the known bonding method, in which a plate or foil made of the metallic material is connected to the ceramic carrier via a corresponding intermediate layer which forms a eutectic mixture. For this purpose, after the application of the mixture to the ceramic carrier, the corresponding metallic foil or plate is placed on a portion of the applied layer, and then the temperature step is carried out. While the area of the deposited layer not covered by the sheet or film directly forms the metallization, the metallization in the other area is formed by the applied plate or foil, where the applied layer of the mixture in a known manner as an intermediate layer for the connection with the Ceramic carrier serves.

Das vorgeschlagene Verfahren kann insbesondere mit den Parametern des bekannten DCB-Bonding-Prozesses durchgeführt werden. Hierbei wird als Gemisch eine Mischung aus Kupfer und Kupferoxid, ggf. mit Beimischung von Keramikpulver, eingesetzt. Das Gemisch besteht dabei aus mindestens 2% Kupferoxid und mindestens 2% Kupfer. Bei dem Kupferoxid kann es sich um CuO oder um Cu2O handeln. Je nach gewähltem Verfahren kann auch ein leicht flüssiges Bindemittel zugemischt werden. Das Verfahren lässt sich jedoch auch in analoger Weise mit anderen Metallen durchführen, soweit diese in Verbindung mit ihrem Oxid ein eutektisches System bilden.The proposed method can be carried out in particular with the parameters of the known DCB bonding process. In this case, the mixture used is a mixture of copper and copper oxide, optionally with admixture of ceramic powder. The mixture consists of at least 2% copper oxide and at least 2% copper. The copper oxide may be CuO or Cu 2 O. Depending on the chosen method, a slightly liquid binder can also be added. However, the process can also be carried out in an analogous manner with other metals, provided that they form a eutectic system in conjunction with their oxide.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Das vorliegende Verfahren wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Figuren nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:The present method will be explained in more detail below with reference to exemplary embodiments in conjunction with the figures. Hereby show:

1 schematisch ein erstes Beispiel für die Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens; 1 schematically a first example of the implementation of the proposed method;

2 schematisch ein zweites Beispiel für die Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens; 2 schematically a second example of the implementation of the proposed method;

3 schematisch ein drittes Beispiel für die Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens; und 3 schematically a third example of the implementation of the proposed method; and

4 schematisch ein viertes Beispiel für die Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens. 4 schematically a fourth example of the implementation of the proposed method.

Wege zur Ausführung der ErfindungWays to carry out the invention

Im Folgenden wird das vorgeschlagene Verfahren in verschiedenen Ausgestaltungen erläutert, bei denen eine Kupfer enthaltende Metallisierung auf ein Al2O3- oder ein AlN-Keramiksubstrat aufgebracht wird. Mit dem Verfahren lassen sich auf das Keramiksubstrat einseitig oder beidseitig metallische Strukturen aufbringen. Weiterhin kann anstelle des keramischen Substrats ein auch Substrat aus einem anderen Material mit einer keramischen Oberflächenschicht genutzt werden.In the following, the proposed method will be explained in various embodiments, in which a copper-containing metallization is applied to an Al 2 O 3 or an AlN ceramic substrate. With the method, metallic structures can be applied to the ceramic substrate on one or both sides. Furthermore, it is also possible to use a substrate made of another material with a ceramic surface layer instead of the ceramic substrate.

1 zeigt hierzu ein erstes Beispiel, bei dem die Metallisierung einseitig auf das Keramiksubstrat aufgebracht wird. Hierzu wird zunächst eine Cu/CuO-Paste, die das eutektische System darstellt, als strukturierte Schicht 2 auf das keramische Substrat 1 aufgebracht. Dies kann bspw. mittels eines Rakels erfolgen. Die Paste weist einen Sauerstoffanteil von 2–8 Gew.-% auf, so dass sich ein Kupferanteil von 98–92 Gew.-% ergibt. Im Anschluss an das Aufbringen der Cu/CuO-Paste durchläuft das keramische Substrat 1 mit der aufgebrachten Schicht 2 den DCB-Prozess, wobei aus der Paste bzw. aufgebrachten Schicht 2 die gewünschte strukturierte Metallisierung 3 entsteht, die fest mit dem keramischen Träger verbunden ist. Die Prozesstemperatur beträgt dabei etwa zwischen 1025 und 1083°C, bspw. ca. 1071°C. Die Struktur kann dabei bspw. Leiterbahnen für die spätere Aufbringung der elektrischen oder elektronischen Schaltungsteile umfassen. Die Auflösung der Struktur ist maßgeblich durch den Aufbringungsprozess der Paste bestimmt. Anders als bei dem bekannten DCB-Verfahren nach dem Stand der Technik wird das hier aufgebrachte Cu/CuO-Gemisch nicht als Sauerstoffträger für das Anbinden einer Metallisierungsplatte verwendet, sondern dient als eigenständiger Träger bzw. Leiterbahnstruktur der späteren Schaltung. 1 shows a first example, in which the metallization is applied to one side of the ceramic substrate. For this purpose, first a Cu / CuO paste, which represents the eutectic system, as a structured layer 2 on the ceramic substrate 1 applied. This can be done, for example, by means of a doctor blade. The paste has an oxygen content of 2-8 wt .-%, so that a copper content of 98-92 wt .-% results. Following the application of the Cu / CuO paste, the ceramic substrate passes through 1 with the applied layer 2 the DCB process being taken from the paste or applied layer 2 the desired structured metallization 3 arises, which is firmly connected to the ceramic support. The process temperature is approximately between 1025 and 1083 ° C, for example. About 1071 ° C. The structure may include, for example, conductor tracks for the subsequent application of the electrical or electronic circuit parts. The dissolution of the structure is largely determined by the application process of the paste. Unlike the known DCB method according to the prior art, the Cu / CuO mixture applied here is not used as an oxygen carrier for bonding a metallization plate, but serves as an independent carrier or conductor track structure of the later circuit.

2 zeigt ein Beispiel für ein zweiseitiges Aufbringen einer strukturierten Metallisierung auf ein Keramiksubstrat 1. Die ersten drei Schritte entsprechen dabei denen der 1, so dass an dieser Stelle nicht mehr näher darauf eingegangen wird. Das Aufbringen der Cu/CuO-Paste kann hierbei bspw. mittels Siebdruck erfolgen. Nach der Erzeugung der strukturieren Metallisierung 3 auf der Oberseite wird das Keramiksubstrat gewendet und die Paste in gleicher Weise in der gewünschten Struktur als Schicht 2 auf die Rückseite aufgebracht. Anschließend erfolgt wiederum der Temperaturschritt, der dem DCB-Prozess entspricht, so dass schließlich ein Keramiksubstrat 1 mit einer doppelseitigen strukturierten Metallisierung 3 erhalten wird. 2 shows an example of a two-sided application of a patterned metallization on a ceramic substrate 1 , The first three steps correspond to those of 1 , so that will not be discussed in more detail here. The application of the Cu / CuO paste can take place here, for example, by means of screen printing. After the formation of the structure metallization 3 on top of the ceramic substrate is turned and the paste in the same way in the desired structure as a layer 2 applied to the back. Subsequently, again the temperature step, which corresponds to the DCB process, so that finally a ceramic substrate 1 with a double-sided structured metallization 3 is obtained.

Für den Aufbau dickerer elektrisch leitfähiger Strukturen bzw. Metallisierungen, insbesondere dickerer Leiterbahnschichten, sowie zum abschließenden Sicherstellen einer lötfähigen Oberfläche kann das vorgeschlagene Verfahren mehrfach wiederholt werden. In einer Alternative wird dabei nach dem Fertigstellen der strukturierten Metallisierung auf dem Keramiksubstrat, wie sie mit dem letzten Schritt der Ausgestaltung gemäß 1 erhalten wird, erneut eine strukturierte Schicht aus dem Gemisch auf diese strukturierte Metallisierung aufgebracht und durch einen DCB-Prozess mit der darunter liegenden Metallisierung verbunden. Dies kann durch eine mehrfache Abfolge von Druck- und Hochtemperaturprozessen sooft wiederholt werden, bis die gewünschte Dicke der resultierenden Metallisierung auf dem Keramiksubstrat erhalten wird. For the construction of thicker electrically conductive structures or metallizations, in particular thicker interconnect layers, as well as for finally ensuring a solderable surface, the proposed method can be repeated several times. In an alternative, after completing the structured metallization on the ceramic substrate, as in the last step of the embodiment according to FIG 1 a patterned layer of the mixture is again applied to this patterned metallization and joined to the underlying metallization by a DCB process. This can be repeated by a multiple series of printing and high temperature processes until the desired thickness of the resulting metallization on the ceramic substrate is obtained.

In einer anderen Alternative, wie sie in 3 dargestellt ist, wird nur der Schritt des Aufbringens der Paste mehrfach wiederholt und lediglich ein abschließender Temperaturschritt entsprechend dem DCB-Prozess durchgeführt. 3 zeigt hierzu den Schritt des Aufbringens der strukturierten Schicht 2 auf das Keramiksubstrat 1, bspw. mittels Siebdruck. Anschließend wird mittels Siebdruck in den gewünschten Abschnitten eine weitere, ggf. strukturierte, Schicht 4 aus dem Gemisch auf die darunter liegende Schicht 2 aufgebracht. Auch dies kann wiederum bspw. mittels Siebdruck erfolgen. Schließlich erfolgt in diesem Beispiel der abschließende Hochtemperaturschritt, bei dem die strukturierte Metallisierung 3 erhalten wird, die fest mit dem darunter liegenden Keramiksubstrat 1 verbunden ist. Auf diese Weise lassen sich höhere Schichtdicken der Metallisierung auf dem Keramiksubstrat 1 erzeugen.In another alternative, as in 3 is shown, only the step of applying the paste is repeated several times and carried out only a final temperature step according to the DCB process. 3 shows the step of applying the structured layer 2 on the ceramic substrate 1 , for example by means of screen printing. Subsequently, by means of screen printing in the desired sections another, possibly structured, layer 4 from the mixture to the underlying layer 2 applied. Again, this can, for example, done by screen printing. Finally, in this example, the final high-temperature step, in which the structured metallization takes place 3 obtained firmly with the underlying ceramic substrate 1 connected is. In this way, higher layer thicknesses of the metallization on the ceramic substrate can be 1 produce.

Selbstverständlich können diese beiden Alternativen so durchgeführt werden, dass die Dicke der strukturierten Metallisierung 3 nur lokal an bestimmten Stellen oder auch durchgängig erhöht ist.Of course, these two alternatives can be performed so that the thickness of the patterned metallization 3 only locally in certain places or even continuously increased.

Für den Aufbau dickerer Leiterbahnschichten sowie zum abschließenden Sicherstellen einer lötfähigen Oberfläche kann der Prozess auch mit einem herkömmlichen DCB-Prozess kombiniert werden. dies ist in 4 beispielhaft dargestellt. Hierbei wird wiederum in bekannter Weise eine strukturierte Schicht 2 durch Aufbringen der Cu/CuO-Paste, bspw. mittels Siebdruck, auf dem Keramiksubstrat 1 erzeugt. Anschließend wird auf einen Abschnitt der strukturierten Schicht 2 ein Kupferblech 5 aufgelegt. Schließlich erfolgt in bekannter Weise der Hochtemperaturschritt, d. h. der DCB-Prozess, bei dem sich die strukturiere Metallisierung bildet, die fest mit dem Keramiksubstrat 1 verbunden ist.To build thicker wiring layers and finally ensure a solderable surface, the process can also be combined with a conventional DCB process. this is in 4 exemplified. Here, in turn, in a known manner, a structured layer 2 by applying the Cu / CuO paste, for example by screen printing, on the ceramic substrate 1 generated. Subsequently, a section of the structured layer 2 a copper sheet 5 hung up. Finally, in a known manner, the high-temperature step, ie the DCB process, in which the structured metallization forms, which firmly with the ceramic substrate 1 connected is.

Der technische Vorteil dieser Kombination mit dem herkömmlichen DCB-Prozess ist hier der feste und direkte Verbund zwischen Feinstruktur (Treiber/Logik) und Grobstruktur (Leistungsteil), der keine weiteren Verbindungselemente wie bspw. Drahtbonds mehr benötigt. Das Leistungsteil erfordert keine derart feine Strukturierung wie der Treiber- bzw. Logikteil. In dem in 4 dargestellten Beispiel werden somit die Treiber- bzw. Logikbauteile auf den feinstrukturierten linken Teil, die Leistungsteile auf den grober strukturierten bzw. strukturierbaren rechten Teil aufgebracht. Kosten- und prozessseitig bietet diese Ausgestaltung den Vorteil, dass der Hochtemperaturprozess nur ein einziges Mal durchlaufen werden muss.The technical advantage of this combination with the conventional DCB process is the fixed and direct connection between the fine structure (driver / logic) and the coarse structure (power section), which no longer requires any other connection elements, such as wire bonds. The power unit does not require as fine structuring as the driver or logic part. In the in 4 Thus, the driver or logic components are applied to the finely structured left part, the power parts on the coarsely structured or structurable right part. On the cost and process side, this embodiment offers the advantage that the high-temperature process only has to be run through once.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Keramiksubstratceramic substrate
22
strukturierte Schichtstructured layer
33
strukturierte Metallisierungstructured metallization
44
weitere strukturierte Schichtanother structured layer
55
Kupferblechcopper sheet

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • Y. Yoshino et al., „Interface Structure and Bond Strength of Copper-Bonded Alumina Substrates”, Journal of the American Ceramic Society, Vol. 74, No. 9, 1991, Seiten 2184–2188 [0004] Y. Yoshino et al., "Interface Structure and Bond Strength of Copper-Bonded Alumina Substrate", Journal of the American Ceramic Society, Vol. 9, 1991, pages 2184-2188 [0004]

Claims (9)

Verfahren zum Herstellen einer strukturierten, elektrisch leitfähigen Schicht (3) auf einem Substrat (1) oder einer Schicht aus einem keramischen Material, bei dem – ein Gemisch aus wenigstens einem metallischen Material und einem Oxid des metallischen Materials bereitgestellt wird, die ein eutektisches System bilden, – das Gemisch entweder als strukturierte Schicht (2) auf das Substrat (1) oder die Schicht aus dem keramischen Material aufgebracht oder als unstrukturierte Schicht auf das Substrat (1) oder die Schicht aus dem keramischen Material aufgebracht und nach dem anschließenden Temperaturschritt strukturiert wird, und – das Substrat (1) oder die Schicht aus dem keramischen Material mit der aufgebrachten Schicht (2) aus dem Gemisch auf eine Temperatur erhitzt wird, bei der die aufgebrachte Schicht (2) aufschmilzt, und anschließend unter Bildung der strukturierten, elektrisch leitfähigen Schicht (3) wieder abkühlt.Method for producing a structured, electrically conductive layer ( 3 ) on a substrate ( 1 ) or a layer of a ceramic material, in which - a mixture of at least one metallic material and an oxide of the metallic material is provided, which form a eutectic system, - the mixture either as a structured layer ( 2 ) on the substrate ( 1 ) or the layer of the ceramic material applied or as an unstructured layer on the substrate ( 1 ) or the layer of the ceramic material is applied and structured after the subsequent temperature step, and - the substrate ( 1 ) or the layer of the ceramic material with the applied layer ( 2 ) is heated from the mixture to a temperature at which the applied layer ( 2 ), and then forming the structured, electrically conductive layer ( 3 ) cools down again. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gemisch zusätzlich einen Anteil an Al2O3 und/oder an einem oder mehreren weiteren keramischen Materialien enthält.A method according to claim 1, characterized in that the mixture additionally contains a proportion of Al 2 O 3 and / or on one or more further ceramic materials. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gemisch als Pulver oder Paste bereitgestellt und auf das Substrat (1) oder die Schicht aus dem keramischen Material aufgebracht wird.A method according to claim 1 or 2, characterized in that the mixture is provided as a powder or paste and applied to the substrate ( 1 ) or the layer of the ceramic material is applied. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Gemisch mittels Siebdruck oder mittels einer Sprühtechnik auf das Substrat (1) oder die Schicht aufgebracht wird.Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that the mixture by means of screen printing or by means of a spraying technique on the substrate ( 1 ) or the layer is applied. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verfahrensabfolge vom Aufbringen des Gemisches bis zum Abkühlen bzw. Strukturieren mehrmals wiederholt wird, um eine dickere elektrisch leitfähige Schicht (3) auf dem Substrat (1) oder der Schicht aus dem keramischen Material zu erhalten, wobei das Aufbringen des Gemisches dann jeweils zumindest auf Abschnitte der bereits vorliegenden elektrisch leitfähigen Schicht (3) erfolgt.Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that the sequence of operations is repeated several times from application of the mixture to cooling or structuring, to form a thicker electrically conductive layer ( 3 ) on the substrate ( 1 ) or the layer of the ceramic material, wherein the application of the mixture then in each case at least to portions of the already present electrically conductive layer ( 3 ) he follows. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Aufbringens des Gemisches als strukturierte oder unstrukturierte Schicht (2) vor dem anschließenden Temperaturschritt mehrmals wiederholt wird, um eine dickere Schicht (2) aus dem Gemisch auf dem Substrat (1) oder der Schicht aus dem keramischen Material zu erhalten, wobei das Aufbringen des Gemisches dann jeweils zumindest auf Abschnitte der jeweils bereits vorliegenden aufgebrachten Schicht (2) aus dem Gemisch erfolgt.Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that the step of applying the mixture as a structured or unstructured layer ( 2 ) is repeated several times before the subsequent temperature step to form a thicker layer ( 2 ) from the mixture on the substrate ( 1 ) or the layer of the ceramic material, wherein the application of the mixture then in each case at least to portions of each already applied applied layer ( 2 ) takes place from the mixture. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass auf einen Abschnitt der strukturierten oder unstrukturierten Schicht (2) aus dem Gemisch vor dem anschließenden Temperaturschritt eine Folie oder Platte (5) aus dem metallischen Material aufgebracht und durch den anschließenden Temperaturschritt über die aufgeschmolzene strukturierte oder unstrukturierte Schicht (2) als Zwischenschicht mit dem Substrat (1) oder der Schicht aus dem keramischen Material verbunden wird.Method according to one of claims 1 to 6, characterized in that a portion of the structured or unstructured layer ( 2 ) from the mixture before the subsequent temperature step, a film or plate ( 5 ) is applied from the metallic material and through the subsequent temperature step via the molten structured or unstructured layer ( 2 ) as an intermediate layer with the substrate ( 1 ) or the layer of the ceramic material is connected. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Herstellung von Leiterplatten oder metallisierten Substraten für elektrische oder elektronische Schaltkreise.Method according to one of claims 1 to 7 for the production of printed circuit boards or metallized substrates for electrical or electronic circuits. Materialverbund aus einem keramischen Substrat (1) oder einer keramischen Schicht und einer strukturierten, elektrisch leitfähigen Schicht (3), der nach einem der Ansprüche 1 bis 7 hergestellt ist.Composite of a ceramic substrate ( 1 ) or a ceramic layer and a structured, electrically conductive layer ( 3 ) produced according to any one of claims 1 to 7.
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