DE102012103786B4

DE102012103786B4 - Metall-Keramik-Substrat sowie Verfahren zum Herstellen eines Metall-Keramik-Substrates

Info

Publication number: DE102012103786B4
Application number: DE102012103786.8A
Authority: DE
Inventors: Andreas Meyer; Christoph Wehe; Karsten Schmidt; Jürgen Schulz-Harder
Original assignee: Rogers Germany GmbH
Current assignee: Rogers Germany GmbH
Priority date: 2012-04-30
Filing date: 2012-04-30
Publication date: 2017-05-18
Anticipated expiration: 2032-05-01
Also published as: WO2013163993A1; DE102012103786A1

Abstract

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 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, die auf eine direkt mit der zweiten Oberflächenseite (2b) der Keramikschicht (2) verbundene dritte Metallisierung (7) durch Kaltgasspritzen aufgebracht ist, und dass auf die zweite Metallisierung (4) von der Oberflächenseite nach außen abstehende Kühlkörperabschnitte (9) unterschiedlicher Form und/oder Höhe mittels Kaltgasspritzen unter Verwendung einer Maske aufgebracht sind.

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 10.
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 3 744 120 A oder in der DE 23 19 854 C2 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 A und EP 0 153 618 A2 das sogenannte Aktivlot-Verfahren zum Verbinden von Metallisierungen bildenden Metallschichten oder Metallfolien, insbesondere auch von Kupferschichten oder Kupferfolien mit einem Keramikmaterial bzw. einer Keramikschicht bekannt. Bei diesem Verfahren, welches speziell auch zum Herstellen von Metall-Keramik-Substraten verwendet wird, wird bei einer Temperatur zwischen ca. 800–1000°C eine Verbindung zwischen einer Metallfolie, beispielsweise Kupferfolie, und einem Keramiksubstrat, beispielsweise einer Aluminiumnitrid-Keramik, unter Verwendung eines Hartlots hergestellt, welches zusätzlich zu einer Hauptkomponente, wie Kupfer, Silber und/oder Gold auch ein Aktivmetall enthält. Dieses Aktivmetall, welches beispielsweise wenigstens ein Element der Gruppe Hf, Ti, Zr, Nb, Ce ist, stellt durch eine chemische Reaktion eine Verbindung zwischen dem Hartlot und der Keramik her, während die Verbindung zwischen dem Hartlot und dem Metall eine metallische Hartlöt-Verbindung ist.
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.
Aus der US 6 033 787 A ist beispielsweise ein Keramiksubstrat mit einer Wärmesenke und einer hohen Wärmewiderstandsfähigkeit bekannt, wobei das Keramiksubstrat eine Aluminiumschicht aufweist, die direkt auf die Keramikschicht aufgebracht ist.
Ebenso offenbart die EP 0 676 800 A2 ein Verfahren zur Herstellung eines Metall-Keramik-Substrates mit einer Aluminiumschicht, bei dem die Aluminiumschicht auf der Unterseite der Keramikschicht direkt aufgebracht wird. Die Aluminiumschicht weist eine nach außen abstehende Kühlkörperabschnitte bildende Strukturierung auf.
Ferner ist aus der WO 2009/053357 A1 ein Leistungshalbleiter-Modul mit einer Kühlvorrichtung und ein Verfahren zu dessen Herstellung bekannt. Die Kühlvorrichtung ist als Rippenkühler ausgebildet und ist über zumindest eine Metallisierung mit der Unterseite der Keramikschicht verbunden. Der Rippenkühler ist aus Aluminium gefertigt, wobei auf eine flächig ausgebildete Kontaktfläche des Rippenkühlers eine Zwischenschicht mittels Kaltgasspritzen aufgetragen wird. Zur flächigen und wärmeleitenden Anbindung der Kühlvorrichtung an das Substrat wird die aus lötbarem Kupfer bestehende Metallisierung mit der an der Kontaktfläche des Rippenkühlers ausgebildeten Zwischenschicht mittels eines Lots aus Kupfer verlötet.
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. 10 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, die auf eine direkt mit der zweiten Oberflächenseite der Keramikschicht verbundene dritte Metallisierung durch Kaltgasspritzen aufgebracht ist, wobei auf die zweite Metallisierung von der Oberflächenseite nach außen abstehende Kühlkörperabschnitte unterschiedlicher Form und/oder Höhe mittels Kaltgasspritzen unter Verwendung einer Maske aufgebracht sind.
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 kanalartigen Aufnahmeraumes ein blechartig, plattenartig oder halbschalenartig ausgebildeter Kühlkörper vorgesehen, der zumindest randseitig mit der zweiten Metallisierung verbunden ist. Besonders vorteilhaft kann durch den kanalartigen Aufnahmeraum zur Kühlung des Substrates ein fluides oder gasförmiges Kühlmedium vorbeigeführt werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsvariante ist das erfindungsgemäße Metall-Keramik-Substrat derart ausgebildet,
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 die von der Oberflächenseite nach außen abstehenden 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 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, dass die zweite Metallisierung auf eine direkt mit der zweiten Oberflächenseite der Keramikschicht verbundene dritte Metallisierung durch Kaltgasspritzen aufgebracht wird und dass auf die zweite Metallisierung nach außen abstehende Kühlkörperabschnitte unterschiedlicher Form und/oder Höhe mittels Kaltgasspritzen unter Verwendung einer Maske aufgebracht werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist beispielsweise derart weitergebildet, dass die dritte Metallisierung strukturiert und/oder profiliert wird, und zwar durch Einbringen von mehreren Ausnehmungen unterschiedlicher Form und/oder Tiefe, wobei die Ausnehmungen 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 die nach außen abstehenden Kühlkörperabschnitte in einer rippenartigen, langloch-, kreis- oder rautenförmigen Ausbildung und/oder mit einer Höhe von 1 mm bis 5 mm mittels Kaltgasspritzen unter Verwendung einer Maske aufgebracht werden, 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 Metall-Keramik-Substrat mit einer zweiten, mittels Kaltgasspritzen hergestellten Metallisierung aus Aluminium,
2 eine vereinfachte Schnittdarstellung des Metall-Keramik-Substrates gemäß 1 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 gemäß 3 mit einer strukturierten dritten Metallisierung,
5 eine vereinfachte Schnittdarstellung durch das Metall-Keramik-Substrat gemäß 3 mit einer profilierten dritten Metallisierung,
6 eine vereinfachte Schnittdarstellung durch das Metall-Keramik-Substrat gemäß 3 mit zusätzlichen Kühlkörperabschnitten und
7 eine vereinfachte Schnittdarstellung durch ein erfindungsgemäßes Metall-Keramik-Substrat mit einer über eine randseitig überstehenden dritte Metallisierung analog zur 3.
1 zeigt in vereinfachter Darstellung einen Schnitt durch ein Metall-Keramik-Substrat 1 umfassend zumindest eine Keramikschicht 2 mit zwei gegenüberliegenden Oberflächenseiten, und zwar einer ersten und zweiten Oberflächenseite 2a, 2b.
Die erste Oberflächenseite 2a ist mit mindestens einer ersten Metallisierung 3 und die der ersten Oberflächenseite 2a gegenüberliegende zweite Oberflächenseite 2b mit mindestens einer zweiten Metallisierung 4 versehen, wobei die erste Metallisierung 3 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 Metallisierung 3 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.
Die zweite Metallisierung 4 ist durch eine mittels eines Kaltgasspritzverfahrens erzeugte Schicht aus Aluminium gebildet. Die durch Kaltgasspritzen erzeugte Aluminiumschicht bzw. zweite Metallisierung 4 ist entweder direkt oder indirekt mit der zweiten Oberflächenseiten 2b der Keramikschicht 2 verbunden bzw. auf diese aufgebracht. Durch direkte oder indirekte Beschichtung der Unterseite des Metall-Keramik-Substrates 1 in Form der zweiten Metallisierung 4 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 Metallisierung 4 weist beispielsweise eine Schichtdicke von 0,02 mm bis 0,5 mm auf.
In einer Ausführungsvariante gemäß 2 ist zur Ausbildung eines kanalartigen Aufnahmeraumes 5 ein blechartig, plattenartig oder halbschalenartig ausgebildeter Kühlkörper 6 vorgesehen, der zumindest randseitig mit der zweiten Metallisierung 4 verbunden ist. Der kanalartige Aufnahmeraum 5 ist insbesondere zur Führung eines fluiden oder gasförmigen Kühlmediums ausgebildet. Hierzu wird der blechartig, plattenartig oder halbschalenartig ausgebildete Kühlkörper 6 zumindest im Bereich seiner zweier gegenüberliegender Randabschnitte 6’, 6’’ durch Kleben, Löten oder in sonstiger Weise, vorzugsweise flüssigkeits- und/oder gasdicht mit der durch Kaltgasspritzen mit Aluminiumpartikel erzeugten zweiten Metallisierung 4 verbunden, und zwar mit dem jeweils gegenüberliegenden Randabschnitte 4’, 4’’ der zweiten Metallisierung 4. Der Kühlkörper 6 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 Kühlkörper 5 strukturiert oder profiliert ausgebildet sein, und zwar beispielsweise entlang der Längsachse des Substrates 1, um dadurch eine gerichtete Führung des fluiden oder gasförmigen Kühlmediums in einer vorgegebenen Richtung, insbesondere entlang der Längsachse des Substrates 1 zu erzwingen.
Beispielsweise kann bei Verwendung des Metall-Keramik-Substrates 1 im Kraftfahrzeugbereich die Kühlung des Metall-Keramik-Substrates 1 durch die Aufnahme in den vorhandenen Kühlmittelkreislauf erfolgen. Hierzu wird die zweite Metallisierung 4 des Metall-Keramik-Substrates 1 zumindest abschnittsweise in Kontakt mit dem Kühlmittel gebracht und beispielsweise bei einer Ausführung des Substrates 1 gemäß 2 das Kühlmittel des Fahrzeugkühlmittelkreislaufes durch den kanalartigen Aufnahmeraum 5 geführt.
Gemäß den in den 3 bis 6 dargestellten Ausführungsvarianten ist die zweite Metallisierung 4 auf eine direkt mit der zweiten Oberflächenseite 2b der Keramikschicht 2 verbundenen dritten Metallisierung 7 durch Kaltgasspritzen aufgebracht.
Die dritte Metallisierung 7 ist hierbei entweder als Metallschicht näherungsweise gleichmäßiger Dicke (3 und 6) oder in Form einer strukturierten oder profilierten Metallschicht (4 und 5) ausgebildet. Die dritte Metallisierung 7 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 Oberflächenseite 2b der Keramikschicht 2 verbunden und anschließend darauf mittels Kaltgasspritzen die zweite Metallisierung 4 in Form einer Aluminiumschicht aufgebracht, welche sich vorzugsweise über die Randbereiche 7’, 7’’ der dritten Metallisierung 7 zur frei liegenden Keramikschicht 2 erstreckt. Hierdurch ergibt sich eine vollständige Beschichtung der dritten Metallisierung 7 durch die mittels Kaltgasspritzen hergestellte Aluminiumschicht, welche diese randseitig gegenüber der Keramikschicht 2 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 Metallisierung 7 erfolgt beispielsweise durch Einbringen mehrerer Ausnehmungen 8 unterschiedlicher Form und Tiefe. Zur Unterdrückung des ggf. bei der Herstellung von Metall-Keramik-Substraten 1 entstehenden Bi-Metall-Effektes können beispielsweise die erste und dritte Metallisierung 3, 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 Metallisierung 4 erstrecken. Vorzugsweise weisen die genannten Ausnehmungen 8 eine Ausnehmungstiefe von einem Viertel bis Dreiviertel der Schichtdicke der zweiten Metallisierung 4 auf, d.h. die Ausnehmungstiefe kann beispielsweise zwischen 0,05 mm und 0,9 mm betragen. Die Ausnehmungen 8 werden beispielsweise mittels Ätzen, einer Laserbehandlung und/oder eines mechanischen Bearbeitungsprozesses, beispielsweise Sägen in die nach außen gerichtete Oberflächenseite der zweiten Metallisierung 4 eingebracht.
Die Ausnehmungen 8 können beispielsweise zur Vergrößerung der Oberfläche der dritten Metallisierung 7 in dessen nach außen weisenden Oberseite in Form von Löchern eingebracht sein, welche vorzugsweise matrixartig über die Oberseite verteilt sind. Die durch Löcher gebildeten Ausnehmungen 8 weisen beispielsweise eine Mindesttiefe von ca. 0,05 mm auf und können sich auch bis zur Oberfläche der Keramikschicht 2 erstrecken. Alternativ können die Löcher 8 auch unmittelbar nebeneinander und/oder zumindest abschnittsweise überlappend in die Oberfläche der dritten Metallisierung 7 eingebracht werden. Das Einbringen der Löcher 8 erfolgt beispielsweise mittels eines Ätzverfahrens.
Zusätzlich können durch Verwendung einer Maske auf die bestehende zweite Metallisierung 4 in Form einer Aluminiumschicht mittels Kaltgasspritzen Kühlkörperabschnitte 9 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 Kühlkörperabschnitte 9 können beispielsweise rippenartig, langloch-, kreis- oder rautenförmig ausgebildet sein, welche von der Oberflächenseite der zweiten Metallisierung 4 nach außen abstehen. Diese können beispielsweise eine Höhe von 1 mm bis 5 mm aufweisen. Durch die Verwendung desselben Herstellungsprozesses sind die Kühlkörperabschnitte 9 und die zweite Metallisierung 4 einstückig ausgebildet, so dass hierdurch vorteilhaft die Strukturierung und/oder Profilierung der zweiten Metallisierung 4 verstärkt werden kann.
In einer alternativen Ausführungsvariante gemäß 7 ist analog zur Ausführungsvariante gemäß 3 die zweite Metallisierung 4 auf eine direkt mit der zweiten Oberflächenseite 2b der Keramikschicht 2 verbundene dritte Metallisierung 7 durch Kaltgasspritzen aufgebracht, wobei die die Randabschnitte 7’, 7’’ der dritten Metallisierung 7 über die Randabschnitte 2’, 2’’ der Keramikschicht 2 wegstehen. Die damit von oben zugänglichen Randabschnitte 7’, 7’’ der dritten Metallisierung 7 bilden Befestigungsabschnitte bzw. Montageflächen aus, mittels denen eine Befestigung bzw. Montage des Metall-Keramik-Substrates 1 möglich ist.
Unter Berücksichtigung der für die Keramikschicht 2 und die erste und dritte Metallisierungen 3, 7 verwendeten Materialien eignen sich für das flächige Verbinden der Keramikschicht 2 mit der ersten und dritten Metallisierung 3, 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 Keramikschicht 2 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 Keramikschicht 2 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 Metallisierung 4 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 Metallisierung 3 auf die Keramikschicht 2 bzw. der Erzeugung der zweiten Metallisierung 4 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

Claims

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 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, die auf eine direkt mit der zweiten Oberflächenseite (2b) der Keramikschicht (2) verbundene dritte Metallisierung (7) durch Kaltgasspritzen aufgebracht ist, und dass auf die zweite Metallisierung (4) von der Oberflächenseite nach außen abstehende Kühlkörperabschnitte (9) unterschiedlicher Form und/oder Höhe mittels Kaltgasspritzen unter Verwendung einer Maske aufgebracht sind.
Metall-Keramik-Substrat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausbildung eines kanalartigen 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 dritte Metallisierung (7) strukturiert und/oder profiliert ausgebildet ist.
Metall-Keramik-Substrat nach Anspruch 4, 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 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Oberflächenseite nach außen abstehenden 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 1 bis 6, 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 7, 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 8, 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 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, dass die zweite Metallisierung (4) auf eine direkt mit der zweiten Oberflächenseite (2b) der Keramikschicht (2) verbundene dritte Metallisierung (7) durch Kaltgasspritzen aufgebracht wird und dass auf die zweite Metallisierung (4) nach außen abstehende Kühlkörperabschnitte (9) unterschiedlicher Form und/oder Höhe mittels Kaltgasspritzen unter Verwendung einer Maske aufgebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 10, 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) 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 11, 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 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die nach außen abstehenden Kühlkörperabschnitte (9) in einer rippenartigen, langloch-, kreis- oder rautenförmigen Ausbildung und/oder mit einer Höhe von 1 mm bis 5 mm mittels Kaltgasspritzen unter Verwendung einer Maske aufgebracht werden.