DE102012103786A1 - Metall-Keramik-Substrat sowie Verfahren zum Herstellen eines Metall-Keramik-Substrates - Google Patents
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Abstract
Description
- Die Erfindung betrifft ein Metall-Keramik-Substrat gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Metall-Keramik-Substrates gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 11.
- Metall-Keramik-Substrate in Form von Leiterplatten bestehend aus einer Isolierschicht aus Keramik, aus wenigstens einer mit einer Oberflächenseite der Isolierschicht aus Keramik verbundenen und zur Ausbildung von Leiterbahnen, Kontakten, Kontakt- oder Befestigungsbereichen strukturierten Metallisierung sind in verschiedensten Ausführungen bekannt.
- Derartige Metall-Keramik-Substrate finden häufig Verwendung zum Aufbau eines Leistungshalbleiter-Moduls. Hierbei kommt der Kühlung des Metall-Keramik-Substrats eine besondere Bedeutung zu. Beispielsweise erfolgt diese durch direkten Kontakt der der strukturierten Metallisierung gegenüber liegenden Oberflächenseite der Keramikschicht oder einer mit dieser Verbindung stehender Metallisierung mit einem Kühlmedium oder einem Kühlkörper. Insbesondere bei Verwendung von fluiden oder gasförmigen Kühlmedien bestehen besondere Anforderungen an die mit diesen in direkten Kontakt tretenden Metallisierungen der Metall-Keramik-Substrate beispielsweise im Hinblick auf Korrosionsbeständigkeit und Güte der Wärmeleitfähigkeit. Beim Einsatz im Kraftfahrzeugbereich ist es beispielsweise wünschenswert, den zur Kühlung des Fahrzeuges vorgesehen Kühlmittelkreislauf auch zur Kühlung des Substrates verwenden zu können
- Bekannt ist ferner auch das sogenannte „DCB-Verfahren” („Direct-Copper-Bonding”) zum Verbinden von Metallschichten oder -blechen, vorzugsweise Kupferblechen oder -folien mit einander und/oder mit Keramik oder Keramikschichten, und zwar unter Verwendung von Metall- bzw. Kupferblechen oder Metall- bzw. Kupferfolien, die an ihren Oberflächenseiten eine Schicht oder einen Überzug („Aufschmelzschicht”) aus einer chemischen Verbindung aus dem Metall und einem reaktiven Gas, bevorzugt Sauerstoff aufweisen. Bei diesem beispielsweise in der
US-PS 37 44 120 oder in derDE-PS 23 19 854 beschriebenen Verfahren bildet diese Schicht oder dieser Überzug („Aufschmelzschicht”) ein Eutektikum mit einer Schmelztemperatur unter der Schmelztemperatur des Metalls (z. B. Kupfers), so dass durch Auflegen der Metall- bzw. Kupferfolie auf die Keramik und durch Erhitzen sämtlicher Schichten diese miteinander verbunden werden können, und zwar durch Aufschmelzen des Metalls bzw. Kupfers im wesentlichen nur im Bereich der Aufschmelzschicht bzw. Oxidschicht. Ein derartiges DCB-Verfahren weist dann beispielsweise folgende Verfahrensschritte auf: - – Oxidieren einer Kupferfolie derart, dass sich eine gleichmäßige Kupferoxidschicht ergibt;
- – Auflegen des Kupferfolie mit der gleichmäßige Kupferoxidschicht auf die Keramikschicht;
- – Erhitzen des Verbundes auf eine Prozesstemperatur zwischen etwa 1025 bis 1083°C, beispielsweise auf ca. 1071°C;
- – Abkühlen auf Raumtemperatur.
- Ferner ist aus den Druckschriften
DE 22 13 115 undEP-A-153 618 - Zur Erzeugung von metallischen Schichten mit hoher Wärmeleitfähigkeit ist ferner das Kaltgasspritzverfahren bekannt, dessen Grundlagen beispielsweise in der
EP 0 484 533 B1 beschrieben sind. Bei einem Kaltgasspritzverfahren werden in einen kalten Trägergasstrom mit einer Gastemperatur unter 800°C vorzugsweise metallische Spritzpartikel injiziert und der mit den Spritzpartikeln beladene Trägergasstrom anschließend über eine Düse entspannt. Dadurch wird der Trägergasstrom mit den Spritzpartikeln auf eine die Schallgeschwindigkeit überschreitende Geschwindigkeit beschleunigt, welche anschließend auf ein zu beschichtendes Bauteil auftreffen. Vorteilhaft werden beim Kaltgasspritzen die Spritzpartikeln nicht geschmolzen, sondern beim Aufprall auf das zu beschichtende Bauteil entsteht eine mechanische Verklammerung, ein Kaltverschweißen und/oder diverse Reibschweißprozesse mit der Oberfläche des zu beschichtende Bauteils, wodurch sich ein Schichtaufbau ergibt. Die metallische Beschichtung und das Bauteil gehen hierbei unmittelbar ineinander über, und zwar entsteht eine sehr dichte und porenarme metallische Schicht. Diese metallische Schicht weist nahezu keine Oxideinschlüsse auf und besitzt daher eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit zum beschichteten Bauteil. - Ausgehend von dem voranstehend genannten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Metall-Keramik-Substrat als auch ein Verfahren zu dessen Herstellung aufzuzeigen, welches zur Kühlung mittels fluiden oder gasförmigen Kühlmedien geeignet ist und eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist. Die Aufgabe wird durch ein Metall-Keramik-Substrat bzw. ein Verfahren zu dessen Herstellung gemäß der Patentansprüche 1 bzw. 11 gelöst.
- Der wesentliche Aspekt des erfindungsgemäßen Metall-Keramik-Substrates ist darin zu sehen, dass die zweite Metallisierung durch eine mittels eines Kaltgasspritzverfahrens erzeugte Schicht aus Aluminium gebildet ist. Durch die Verwendung des Kaltgasspritzverfahrens zur Erzeugung einer Aluminiumbeschichtung ergibt sich eine Metallisierung mit hoher Wärmeleitfähigkeit. Besonders vorteilhaft ist dadurch hergestellte Metallisierung aus Aluminium auch problemlos in direkten Kontakt mit fluiden oder gasförmigen Kühlmedien bringbar, ohne dass hierdurch eine langfristige Beeinträchtigung der Funktionsweise des Metall-Keramik-Substrates beispielsweise durch Korrosion der zweiten Metallisierung hervorgerufen wird. Die zweite Metallisierung weist beispielsweise eine Schichtdicke zwischen 0,02 mm und 0,5 mm auf.
- In einer Weiterbildung der Erfindung ist zur Ausbildung eines kanalartiger Aufnahmeraumes ein blechartig, plattenartig oder halbschalenartig ausgebildeter Kühlkörper vorgesehen, der zumindest randseitig mit der zweiten Metallisierung verbunden ist. Besonders vorteilhaft kann durch den dadurch kanalartiger Aufnahmeraumes zur Kühlung des Substrates ein fluides oder gasförmiges Kühlmedien vorbeigeführt werden.
- In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsvariante ist das erfindungsgemäße Metall-Keramik-Substrat derart ausgebildet,
dass die zweite Metallisierung auf eine direkt mit der zweiten Oberflächenseite der Keramikschicht verbundene dritte Metallisierung durch Kaltgasspritzen aufgebracht ist, und/oder
dass die dritte Metallisierung strukturiert und/oder profiliert ausgebildet ist, und/oder dass zur Strukturierung und/oder Profilierung in die dritte Metallisierung mehrere Ausnehmungen unterschiedlicher Form und/oder Tiefe eingebracht sind, die kanalartig, schlitzartig, oval, langloch-, kreis- oder rautenförmig ausgebildet sind und/oder sich zumindest abschnittsweise über zumindest ein Viertel der Schichtdicke der dritten Metallisierung erstrecken, und/oder
dass auf die zweite Metallisierung von der Oberflächenseite nach außen abstehenden Kühlkörperabschnitte unterschiedlicher Form und/oder Höhe mittels Kaltgasspritzen unter Verwendung einer Maske aufgebracht sind, wobei die Kühlkörperabschnitte rippenartig, langloch-, kreis- oder rautenförmig ausgebildet sind und/oder eine Höhe von 1 mm bis 5 mm aufweisen, und/oder
dass die dritte Metallisierung aus Kupfer oder einer Kupferlegierung oder aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung hergestellt ist, und/oder
dass die erste Metallisierung eine Schichtdicke zwischen 0,1 mm und 1,0 mm, vorzugsweise zwischen 0,2 mm und 0,8 mm aufweist und/oder zur Ausbildung von Kontakt- oder Bondflächen strukturiert ist, und/oder
dass die Keramikschicht aus Oxid-, Nitrid- oder Karbidkeramiken wie Aluminiumoxid oder Aluminiumnitrid oder Siliziumnitrid oder Siliziumkarbid oder Aluminiumoxid mit Zirkonoxid hergestellt ist und/oder eine Schichtdicke zwischen 0,1 mm und 1,0 mm, vorzugsweise zwischen 0,2 mm und 0,4 mm aufweist,
wobei die vorgenannten Merkmale wiederum jeweils einzeln oder in beliebiger Kombination vorgesehen sein können. - Ferner ist Gegenstand der Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Metall-Keramik-Substrates umfassend eine Keramikschicht, die an einer ersten Oberflächenseite mit mindestens einer ersten, durch eine Folie oder Schicht aus Kupfer oder einer Kupferlegierung gebildeten Metallisierung versehen ist, und einer entweder direkt oder indirekt mit einer der ersten Oberflächenseite gegenüberliegenden zweiten Oberflächenseite verbundenen zweiten Metallisierung. Der wesentliche Aspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin zu sehen, dass die zweite Metallisierung aus Aluminium mittels eines Kaltgasspritzverfahrens hergestellt wird.
- Das erfindungsgemäße Verfahren ist beispielsweise derart weitergebildet,
dass die zweite Metallisierung auf eine direkt mit der zweiten Oberflächenseite der Keramikschicht verbundene dritte Metallisierung durch Kaltgasspritzen aufgebracht wird, und/oder
dass die dritte Metallisierung strukturiert und/oder profiliert wird, und zwar durch Einbringen von mehreren Ausnehmungen unterschiedlicher Form und/oder Tiefe, wobei die Ausnehmungen die kanalartig, schlitzartig, oval, langloch-, kreis- oder rautenförmig ausgebildet sind und/oder sich zumindest abschnittsweise über zumindest ein Viertel der Schichtdicke der dritten Metallisierung erstrecken, und/oder
dass die Ausnehmungen mittels Ätzen, einer Laserbehandlung und/oder eines mechanischen Bearbeitungsprozesses, beispielsweise Sägen in die nach außen gerichtete Oberflächenseite der dritten Metallisierung eingebracht werden, und/oder
dass auf die zweite Metallisierung nach außen abstehende Kühlkörperabschnitte unterschiedlicher Form und/oder Höhe mittels Kaltgasspritzen unter Verwendung einer Maske aufgebracht werden, wobei die Kühlkörperabschnitte rippenartig, langloch-, kreis- oder rautenförmig ausgebildet sind und/oder eine Höhe von 1 mm bis 5 mm aufweisen,
wobei die vorgenannten Merkmale jeweils einzeln oder in beliebiger Kombination verwendet sein können. - Die Ausdrucke „näherungsweise”, „im Wesentlichen” oder „etwa” bedeuten im Sinne der Erfindung Abweichungen vom jeweils exakten Wert um +/–10%, bevorzugt um +/–5% und/oder Abweichungen in Form von für die Funktion unbedeutenden Änderungen.
- Weiterbildungen, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und aus den Figuren. Dabei sind alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination grundsätzlich Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung. Auch wird der Inhalt der Ansprüche zu einem Bestandteil der Beschreibung gemacht.
- Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
-
1 eine vereinfachte Schnittdarstellung durch ein erfindungsgemäßes Metall-Keramik-Substrat mit einer zweiten, mittels Kaltgasspritzen hergestellten Metallisierung aus Aluminium, -
2 eine vereinfachte Schnittdarstellung des Metall-Keramik-Substrates gemäß1 mit einem zur Ausbildung eines Führungskanals mit der zweiten Metallisierung randseitig verbundenen Metallplatte, -
3 eine vereinfachte Schnittdarstellung durch ein erfindungsgemäßes Metall-Keramik-Substrat mit einer über eine dritte Metallisierung mit der Keramikschicht verbundenen zweiten, mittels Kaltgasspritzen hergestellten Metallisierung aus Aluminium, -
4 eine vereinfachte Schnittdarstellung durch das Metall-Keramik-Substrat gemäß3 mit einer strukturierten dritten Metallisierung, -
5 eine vereinfachte Schnittdarstellung durch das Metall-Keramik-Substrat gemäß3 mit einer profilierten dritten Metallisierung, -
6 eine vereinfachte Schnittdarstellung durch das Metall-Keramik-Substrat gemäß3 mit zusätzlichen Kühlkörperabschnitten und -
7 eine vereinfachte Schnittdarstellung durch ein erfindungsgemäßes Metall-Keramik-Substrat mit einer über eine randseitig überstehenden dritte Metallisierung analog zur3 . -
1 zeigt in vereinfachter Darstellung einen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Metall-Keramik-Substrat1 umfassend zumindest eine Keramikschicht2 mit zwei gegenüberliegenden Oberflächenseiten, und zwar einer ersten und zweiten Oberflächenseite2a ,2b . - Die erste Oberflächenseite
2a ist mit mindestens einer ersten Metallisierung3 und die der ersten Oberflächenseite2a gegenüberliegende zweite Oberflächenseite2b mit mindestens einer zweiten Metallisierung4 versehen, wobei die erste Metallisierung3 durch eine Folie oder Schicht aus Kupfer oder einer Kupferlegierung gebildet bzw. hergestellt ist. - Die erste Metallisierung
3 ist vorzugsweise strukturiert ausgebildet, d. h. bildet mehrere Kontaktbereiche bzw. Kontaktflächen zum Anschluss von elektronischen Bauelementen aus. Die erste, aus Kupfer oder einer Kupferlegierung hergestellte Metallisierung3 weist beispielsweise eine Schichtdicke zwischen 0,1 mm und 1,0 mm, vorzugsweise zwischen 0,2 mm und 0,8 mm auf. - Die Keramikschicht
2 ist beispielsweise aus einer Oxid-, Nitrid- oder Karbidkeramik wie Aluminiumoxid (Al2O3) oder Aluminiumnitrid (AlN) oder Siliziumnitrid (Si3N4) oder Siliziumkarbid (SiC) oder aus Aluminiumoxid mit Zirkonoxid (Al2O3 + ZrO2) hergestellt und weist eine Schichtdicke beispielsweise zwischen 0,1 mm und 1,0 mm, vorzugsweise zwischen 0,2 mm und 0,4 mm auf. - Erfindungsgemäß ist die zweite Metallisierung
4 durch eine mittels eines Kaltgasspritzverfahrens erzeugte Schicht aus Aluminium gebildet. Die durch Kaltgasspritzen erzeugte Aluminiumschicht bzw. zweite Metallisierung4 ist entweder direkt oder indirekt mit der mit der zweiten Oberflächenseiten2b der Keramikschicht2 verbunden bzw. auf diese aufgebracht. Durch direkte oder indirekte Beschichtung der Unterseite des Metall-Keramik-Substrates1 in Form der zweiten Metallisierung4 entsteht eine Beschichtung mit einer sehr hohen Wärmeleitfähigkeit, welche besonders vorteilhaft aufgrund der Verwendung des korrosionsbeständigen Materials Aluminium auch in direkten Kontakt mit fluiden oder gasförmigen Kühlmedien gebracht werden kann. Die durch Kaltgasspritzen erzeugte Aluminiumschicht bzw. zweite Metallisierung4 weist beispielsweise eine Schichtdicke von 0,02 mm bis 0,5 mm auf. - In einer Ausführungsvariante der Erfindung gemäß
2 ist zur Ausbildung eines kanalartiger Aufnahmeraumes5 ein blechartig, plattenartig oder halbschalenartig ausgebildeter Kühlkörper6 vorgesehen, der zumindest randseitig mit der zweiten Metallisierung4 verbunden ist. Der kanalartige Aufnahmeraum5 ist insbesondere zur Führung eines fluiden oder gasförmigen Kühlmediums ausgebildet. Hierzu wird der blechartig, plattenartig oder halbschalenartig ausgebildete Kühlkörper6 zumindest im Bereich seiner zweier gegenüberliegender Randabschnitte6' ,6'' durch Kleben, Löten oder in sonstiger Weise, vorzugsweise flüssigkeits- und/oder gasdicht mit der durch Kaltgasspritzen mit Aluminiumpartikel erzeugten zweiten Metallisierung4 verbunden, und zwar mit dem jeweils gegenüberliegenden Randabschnitte4' ,4'' der zweiten Metallisierung4 . Der Kühlkörper6 kann beispielsweise aus Aluminium, einer Aluminiumlegierung, Edelstahl, einer Magnesiumlegierung oder aus mit Chrom- oder Nickel veredelten Stählen hergestellt sein. - Auch kann in einer nicht dargestellten Ausführungsvariante die zweite Metallisierung
4 und/oder der Kühlkörper5 strukturiert oder profiliert ausgebildet sein, und zwar beispielsweise entlang der Längsachse des Substrates1 , um dadurch eine gerichtete Führung des fluiden oder gasförmigen Kühlmediums in einer vorgegebenen Richtung, insbesondere entlang der Längsachse des Substrates1 zu erzwingen. - Beispielsweise kann bei Verwendung des Metall-Keramik-Substrates
1 im Kraftfahrzeugbereich die Kühlung des Metall-Keramik-Substrates1 durch die Aufnahme in den vorhandenen Kühlmittelkreislauf erfolgen. Hierzu wird die zweite Metallisierung4 des Metall-Keramik-Substrates1 zumindest abschnittsweise in Kontakt mit dem Kühlmittel gebracht und beispielsweise bei einer Ausführung des Substrates1 gemäß2 das Kühlmittel des Fahrzeugkühlmittelkreislaufes durch den kanalartigen Aufnahmeraum5 geführt. - Gemäß den in den
3 bis6 dargestellten Ausführungsvarianten ist die zweite Metallisierung4 auf eine direkt mit der zweiten Oberflächenseite2b der Keramikschicht2 verbundenen dritten Metallisierung7 durch Kaltgasspritzen aufgebracht. - Die dritte Metallisierung
7 ist hierbei entweder als Metallschicht näherungsweise gleichmäßiger Dicke (3 und6 ) oder in Form einer strukturierten oder profilierten Metallschicht (4 und5 ) ausgebildet. Die dritte Metallisierung7 ist beispielsweise durch eine Folie oder Schicht aus Kupfer oder einer Kupferlegierung oder aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung hergestellt, deren Schichtdicke beispielsweise zwischen 0,1 mm und 1,0 mm beträgt. - Vorzugsweise wird zunächst die dritte Metallisierung
7 mit der zweiten Oberflächenseite2b der Keramikschicht2 verbunden und anschließend darauf mittels Kaltgasspritzen die zweite Metallisierung4 in Form einer Aluminiumschicht aufgebracht, welche sich vorzugsweise über die Randbereiche7' ,7'' der dritten Metallisierung7 zur frei liegenden Keramikschicht2 erstreckt. Hierdurch ergibt sich eine vollständige Beschichtung der dritten Metallisierung7 durch die mittels Kaltgasspritzen hergestellte Aluminiumschicht, welche diese randseitig gegenüber der Keramikschicht2 vorzugsweise flüssigkeits- und/oder gasdicht abdichtet. - In einer vorteilhaften Ausführungsvariante wird in die dritte Metallisierung
7 vor der erfindungsgemäßen Beschichtung eine Strukturierung und/oder Profilierung eingebracht, um eine Vergrößerung der Oberfläche der mittels Kaltgasspritzen hergestellten Aluminiumschicht zu erreichen. Die Strukturierung und/oder Profilierung der dritten Metallisierung7 erfolgt beispielsweise durch Einbringen mehrerer Ausnehmungen8 unterschiedlicher Form und Tiefe. Zur Unterdrückung des ggf. bei der Herstellung von Metall-Keramik-Substraten1 entstehenden Bi-Metall-Effektes können beispielsweise die erste und dritte Metallisierung3 ,7 näherungsweise gleich oder ähnlich strukturiert sein. - Die Ausnehmungen
8 können beispielsweise kanalartig, schlitzartig, oval, langloch-, kreis- oder rautenförmig ausgebildet sein und sich abschnittsweise zumindest über ein Viertel der Schichtdicke der zweiten Metallisierung4 erstrecken. Vorzugsweise weisen die genannten Ausnehmungen8 eine Ausnehmungstiefe von einem Viertel bis Dreiviertel der Schichtdicke der zweiten Metallisierung4 auf, d. h. die Ausnehmungstiefe kann beispielsweise zwischen 0,05 mm und 0,9 mm betragen. Die Ausnehmungen8 werden beispielsweise mittels Ätzen, einer Laserbehandlung und/oder eines mechanischen Bearbeitungsprozesses, beispielsweise Sägen in die nach außen gerichtete Oberflächenseite der zweiten Metallisierung4 eingebracht. - Die Ausnehmungen
8 können beispielsweise zur Vergrößerung der Oberfläche der dritten Metallisierung7 in dessen nach außen weisenden Oberseite in Form von Löchern eingebracht sein, welche vorzugsweise matrixartig über die Oberseite verteilt sind. Die durch Löcher gebildeten Ausnehmungen8 weisen beispielsweise eine Mindesttiefe von ca. 0,05 mm auf und können sich auch bis zur Oberfläche der Keramikschicht2 erstrecken. Alternativ können die Löcher8 auch unmittelbar nebeneinander und/oder zumindest abschnittsweise überlappend in die Oberfläche der dritten Metallisierung7 eingebracht werden. Das Einbringen der Löcher8 erfolgt beispielsweise mittels eines Ätzverfahrens. - Zusätzlich können durch Verwendung einer Maske auf die bestehende zweite Metallisierung
4 in Form einer Aluminiumschicht mittels Kaltgasspritzen Kühlkörperabschnitte9 ebenfalls aus Aluminium unterschiedlicher Form und Höhe erzeugt werden. Eine derartige Maske ist mit Ausnehmungen versehen, die das Negativ der zu erzeugenden Kühlkörperstruktur darstellen. Die Kühlkörperabschnitte9 können beispielsweise rippenartig, langloch-, kreis- oder rautenförmig ausgebildet sein, welche von der Oberflächenseite der zweiten Metallisierung4 nach außen abstehen. Diese können beispielsweise eine Höhe von 1 mm bis 5 mm aufweisen. Durch die Verwendung desselben Herstellungsprozesses sind die Kühlkörperabschnitte9 und die zweite Metallisierung4 einstückig ausgebildet, so dass hierdurch vorteilhaft die Strukturierung und/oder Profilierung der zweiten Metallisierung4 verstärkt werden kann. - In einer alternativen Ausführungsvariante gemäß
7 ist analog zur Ausführungsvariante gemäß3 die zweite Metallisierung4 auf eine direkt mit der zweiten Oberflächenseite2b der Keramikschicht2 verbundene dritte Metallisierung7 durch Kaltgasspritzen aufgebracht, wobei die die Randabschnitte7' ,7'' der dritten Metallisierung7 über die Randabschnitte2' ,2'' der Keramikschicht2 wegstehen. Die damit von oben zugänglichen Randabschnitte7' ,7'' der dritten Metallisierung7 bilden Befestigungsabschnitte bzw. Montageflächen aus, mittels denen eine Befestigung bzw. Montage des Metall-Keramik-Substrates1 möglich ist. - Unter Berücksichtigung der für die Keramikschicht
2 und die erste und dritte Metallisierungen3 ,7 verwendeten Materialien eignen sich für das flächige Verbinden der Keramikschicht2 mit der ersten und dritten Metallisierung3 ,7 unterschiedliche Verfahren. - Sind die erste und dritte Metallisierung
3 ,7 aus Kupfer oder einer Kupferlegierung hergestellt, so können diese beispielsweise durch Kleben unter Verwendung eines Kunststoffklebers oder eines als Kleber geeigneten Polymers, vorzugsweise unter Verwendung eines Klebers, der Carbon-Fasern, insbesondere Carbon-Nanofasern enthält, mit der Keramikschicht2 verbunden werden. Alternativ kann die flächige Verbindung der Keramikschicht unter Verwendung des DCB-Verfahrens oder mit Hilfe des Aktivlötverfahrens erfolgen. - Ist die dritte Metallisierung
7 aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung hergestellt, so kann die Verbindung mit der Keramikschicht2 beispielsweise durch ein „Direct-Aluminium-Bonding”-Verfahren („DAB-Verfahren”) oder durch Kleben unter Verwendung eines Kunststoffklebers oder eines als Kleber geeigneten Polymers, vorzugsweise unter Verwendung eines Klebers, der Carbon-Fasern, insbesondere Carbon-Nanofasern enthält, erfolgen. - Zusätzlich können in nicht dargestellten Ausführungsvarianten die erste Metallisierung
3 und/oder auch die in Form einer durch Kaltgasspritzen erzeugten Aluminiumschicht ausgebildete zweite Metallisierung4 zumindest teilweise mit einer metallischen Oberflächenschicht versehen werden, beispielsweise einer Oberflächenschicht aus Nickel, Gold, Silber oder Nickel-, Gold- und Silber-Legierungen. Eine derartige metallische Oberflächenschicht wird vorzugsweise nach dem Aufbringen der ersten Metallisierung3 auf die Keramikschicht2 bzw. der Erzeugung der zweiten Metallisierung4 aufgebracht. - Das Aufbringen der Oberflächenschicht erfolgt in einem geeigneten Verfahren, beispielsweise galvanisch und/oder durch chemisches Abscheiden und/oder durch Spritzen oder ebenfalls Kaltgasspritzen. Insbesondere bei Verwendung von Nickel besitzt die metallische Oberflächenschicht beispielsweise eine Schichtdicke im Bereich zwischen 0,002 mm und 0,015 mm.
- Die Erfindung wurde voranstehend an Ausführungsbeispielen beschrieben. Es versteht sich, dass zahlreiche Änderungen sowie Abwandlungen möglich sind, ohne dass dadurch der der Erfindung zugrunde liegend Erfindungsgedanke verlassen wird.
- Bezugszeichenliste
-
- 1
- Metall-Keramik-Substrat
- 2
- Keramikschicht
- 2', 2''
- Randabschnitte der Keramikschicht
- 2a
- erste Oberflächenseite
- 2b
- zweite Oberflächenseite
- 3
- erste Metallisierung
- 4
- zweite Metallisierung
- 4', 4''
- Randabschnitt der zweiten Metallisierung
- 5
- kanalartiger Aufnahmeraum
- 6
- Kühlkörper
- 6', 6''
- Randabschnitte des Kühlkörpers
- 7
- dritte Metallisierung
- 7', 7''
- Randabschnitte der dritten Metallisierung
- 8
- Ausnehmungen
- 9
- Kühlkörperabschnitte
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Patentliteratur
-
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- DE 2319854 [0004]
- DE 2213115 [0005]
- EP 153618 A [0005]
- EP 0484533 B1 [0006]
Claims (15)
- Metall-Keramik-Substrat umfassend zumindest eine Keramikschicht (
2 ), die an einer ersten Oberflächenseite (2a ) mit mindestens einer ersten, durch eine Folie oder Schicht aus Kupfer oder einer Kupferlegierung gebildeten Metallisierung (3 ) versehen ist, und einer entweder direkt oder indirekt mit einer der ersten Oberflächenseite (2a ) gegenüberliegenden zweiten Oberflächenseite (2b ) verbundenen zweiten Metallisierung (4 ), dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Metallisierung (4 ) durch eine mittels eines Kaltgasspritzverfahrens erzeugte Schicht aus Aluminium gebildet ist. - Metall-Keramik-Substrat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausbildung eines kanalartiger Aufnahmeraumes (
5 ) ein blechartig, plattenartig oder halbschalenartig ausgebildeter Kühlkörper (6 ) vorgesehen ist, der zumindest randseitig mit der zweiten Metallisierung (4 ) verbunden ist. - Metall-Keramik-Substrat nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Metallisierung (
4 ) eine Schichtdicke zwischen 0,02 mm und 0,5 mm aufweist. - Metall-Keramik-Substrat nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Metallisierung (
4 ) auf eine direkt mit der zweiten Oberflächenseite (2b ) der Keramikschicht (2 ) verbundene dritte Metallisierung (7 ) durch Kaltgasspritzen aufgebracht ist. - Metall-Keramik-Substrat nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Metallisierung (
7 ) strukturiert und/oder profiliert ausgebildet ist. - Metall-Keramik-Substrat nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Strukturierung und/oder Profilierung in die dritte Metallisierung (
7 ) mehrere Ausnehmungen (8 ) unterschiedlicher Form und/oder Tiefe eingebracht sind, die kanalartig, schlitzartig, oval, langloch-, kreis- oder rautenförmig ausgebildet sind und/oder sich zumindest abschnittsweise über zumindest ein Viertel der Schichtdicke der dritten Metallisierung (7 ) erstrecken. - Metall-Keramik-Substrat nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass auf die zweite Metallisierung (
4 ) von der Oberflächenseite nach außen abstehenden Kühlkörperabschnitte (9 ) unterschiedlicher Form und/oder Höhe mittels Kaltgasspritzen unter Verwendung einer Maske aufgebracht sind, wobei die Kühlkörperabschnitte (9 ) rippenartig, langloch-, kreis- oder rautenförmig ausgebildet sind und/oder eine Höhe von 1 mm bis 5 mm aufweisen. - Metall-Keramik-Substrat nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Metallisierung (
7 ) aus Kupfer oder einer Kupferlegierung oder aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung hergestellt ist. - Metall-Keramik-Substrat nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Metallisierung (
3 ) eine Schichtdicke zwischen 0,1 mm und 1,0 mm, vorzugsweise zwischen 0,2 mm und 0,8 mm aufweist und/oder zur Ausbildung von Kontakt- oder Bondflächen strukturiert ist. - Metall-Keramik-Substrat nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramikschicht aus Oxid-, Nitrid- oder Karbidkeramiken wie Aluminiumoxid oder Aluminiumnitrid oder Siliziumnitrid oder Siliziumkarbid oder Aluminiumoxid mit Zirkonoxid hergestellt ist und/oder eine Schichtdicke zwischen 0,1 mm und 1,0 mm, vorzugsweise zwischen 0,2 mm und 0,4 mm aufweist.
- Verfahren zum Herstellen eines Metall-Keramik-Substrates (
2 ) umfassend zumindest eine Keramikschicht (2 ), die an einer ersten Oberflächenseite (2a ) mit mindestens einer ersten, durch eine Folie oder Schicht aus Kupfer oder einer Kupferlegierung gebildeten Metallisierung (3 ) versehen ist, und einer entweder direkt oder indirekt mit einer der ersten Oberflächenseite (2a ) gegenüberliegenden zweiten Oberflächenseite (2b ) verbundenen zweiten Metallisierung (4 ), dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Metallisierung (4 ) aus Aluminium mittels eines Kaltgasspritzverfahrens hergestellt wird. - Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Metallisierung (
4 ) auf eine direkt mit der zweiten Oberflächenseite (2b ) der Keramikschicht (2 ) verbundene dritte Metallisierung (7 ) durch Kaltgasspritzen aufgebracht wird. - Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Metallisierung (
7 ) strukturiert und/oder profiliert wird, und zwar durch Einbringen von mehreren Ausnehmungen (8 ) unterschiedlicher Form und/oder Tiefe, wobei die Ausnehmungen (8 ) die kanalartig, schlitzartig, oval, langloch-, kreis- oder rautenförmig ausgebildet sind und/oder sich zumindest abschnittsweise über zumindest ein Viertel der Schichtdicke der dritten Metallisierung (7 ) erstrecken. - Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (
8 ) mittels Ätzen, einer Laserbehandlung und/oder eines mechanischen Bearbeitungsprozesses, beispielsweise Sägen in die nach außen gerichtete Oberflächenseite der dritten Metallisierung (7 ) eingebracht werden. - Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass auf die zweite Metallisierung (
4 ) nach außen abstehende Kühlkörperabschnitte (9 ) unterschiedlicher Form und/oder Höhe mittels Kaltgasspritzen unter Verwendung einer Maske aufgebracht werden, wobei die Kühlkörperabschnitte (9 ) rippenartig, langloch-, kreis- oder rautenförmig ausgebildet sind und/oder eine Höhe von 1 mm bis 5 mm aufweisen.
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