DE102012106244B4 - Metal-ceramic substrate - Google Patents
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Abstract
Metall-Keramik-Substrat mit mehreren einen Substratkörper (12) bildenden Schichten (12.1, 12.2), die jeweils aus einem keramischen Werkstoff bestehen und stapelförmig aufeinander liegend und miteinander flächig zu dem Substratkörper (12, 21) verbunden sind,ferner mit wenigstens einer von einem metallischen Werkstoff gebildeten äußeren Metallisierung (9), die an wenigstens einer Oberflächenseite des Substratkörpers (12, 21) vorgesehen und zur Ausbildung von Leiterbahnen, Kontaktflächen und/oder Befestigungsflächen für Bauelemente (11) bildenden Bereichen (9.1, 9.2) strukturiert ist,ferner mit einer Kühlerstruktur, die ausschließlich in den Schichten (12.2) aus dem keramischen Werkstoff vorgesehen und von wenigstens zwei aneinander anschließenden Schichten (12.2) aus dem keramischen Werkstoff gebildet ist, die zur Ausbildung wenigstens eines Kühlkanals (13, 26), der von einem Kühlmedium durchströmbar ist, mit einer Vielzahl von Öffnungen (15) derart versehen sind, dass der Kühlkanal (13, 26) Strömungswege für das Kühlmedium aufweist, die sich in Richtung parallel zu den Oberflächenseiten der Schichten (12.2, 23, 24) sowie senkrecht hierzu verzweigen, wobei die Öffnungen (15) in den die Kühlerstruktur bildenden Schichten (12.2) eine siebartige Struktur bilden, in der die Öffnungen (15) von sich kreuzenden Materialstegen (16) aus dem keramischen Werkstoff umgeben und durch diese von einander getrennt sind, wobei die Öffnungen (15) in benachbarten die Kühlerstruktur bildenden Schichten (12.2) derart gegeneinander versetzt angeordnet sind, dass jeder Öffnung (15) in einer Schicht (12.2) ein Materialsteg (16) aus dem keramischen Werkstoff einer benachbarten Schicht (12.2) gegenüberliegt,wobei Kreuzungspunkte (17) der Materialstege (16) jeder Schicht (12.2) Kreuzungspunkten (17) der Materialstege (16) der benachbarten Schicht (12.2) in einer Richtung senkrecht zu den Oberflächenseiten der Schichten (12.2) aneinander anschließen und dadurch innerhalb der Kühlstruktur Pfosten (18) bilden und wobei die von den Kreuzungspunkten (17) gebildeten Pfosten (18) mit einem Kern aus metallischen Werkstoff versehen sind, der an einer Schicht (12.1) aus einem keramischen Werkstoff endet.Metal-ceramic substrate with a plurality of layers (12.1, 12.2) forming a substrate body (12), each consisting of a ceramic material and lying in a stack on top of one another and connected to one another in a planar manner to form the substrate body (12, 21), furthermore with at least one of an outer metallization (9) formed of a metallic material, which is provided on at least one surface side of the substrate body (12, 21) and is structured to form conductor tracks, contact surfaces and / or fastening surfaces for regions (9.1, 9.2) forming components (11) having a cooler structure which is provided exclusively in the layers (12.2) made of the ceramic material and is formed by at least two adjoining layers (12.2) made of the ceramic material, which is used to form at least one cooling channel (13, 26) which is provided by a cooling medium can be flowed through, are provided with a plurality of openings (15) such that the cooling channel (13, 26) has flow paths for the cooling medium which branch in the direction parallel to the surface sides of the layers (12.2, 23, 24) and perpendicular thereto, the openings (15) in the layers (12.2) forming the cooler structure form a sieve-like structure in which the openings (15) are surrounded by intersecting material webs (16) made of the ceramic material and are separated from one another by them, the openings (15) in adjacent layers (12.2) forming the cooler structure being offset relative to one another in this way are arranged in such a way that each opening (15) in a layer (12.2) is opposite a material web (16) made of the ceramic material of an adjacent layer (12.2), with intersection points (17) of the material webs (16) of each layer (12.2) crossing points (17 ) connect the material webs (16) of the adjacent layer (12.2) to one another in a direction perpendicular to the surface sides of the layers (12.2) and thereby in form posts (18) within the cooling structure and the posts (18) formed by the crossing points (17) are provided with a core made of metallic material, which ends at a layer (12.1) made of a ceramic material.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Metall-Keramik-Substrat gemäß Patenanspruch 1.The invention relates to a metal-ceramic substrate according to patent claim 1.
Metall-Keramik-Substrate, insbesondere auch solche in Form von Leiterplatten für elektrische und elektronische Schaltkreise oder Module sowie Verfahren zum Herstellen derartiger Substrate sind bekannt. In der Regel bestehen diese Substrate aus einer keramischen Isolierschicht, die an ihren beiden Oberflächenseiten jeweils mit einer Metallisierung versehen ist. Diese ist dann beispielsweise von einer Metallsfolie, z.B. aus Kupfer aus einer Kupferlegierung gebildet ist, welches mit Hilfe eines geeigneten Verfahrens vollflächig mit der keramischen Isolierschicht verbunden ist.Metal-ceramic substrates, in particular also those in the form of printed circuit boards for electrical and electronic circuits or modules, and methods for producing such substrates are known. As a rule, these substrates consist of a ceramic insulating layer, each of which is provided with a metallization on its two surface sides. This is then, for example, a metal foil, e.g. is formed from copper from a copper alloy, which is connected over the entire surface to the ceramic insulating layer using a suitable method.
Bekannt ist u.a. das sogenannte „DCB-Verfahren“ (Direct-Copper-Bond-Technology) beispielsweise zum Verbinden von Metallschichten oder -blechen (z.B. 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
Dieses DCB-Verfahren weist dann z.B. folgende Verfahrensschritte auf:
- • Oxidieren einer Kupferfolie derart, dass sich eine gleichmäßige Kupferoxidschicht ergibt;
- • Auflegen des Kupferfolie auf die Keramikschicht;
- • Erhitzen des Verbundes auf eine Prozesstemperatur zwischen etwa 1025 bis 1083°C, z.B. auf ca. 1071 °C;
- • Abkühlen auf Raumtemperatur.
- • Oxidizing a copper foil in such a way that a uniform copper oxide layer results;
- • placing the copper foil on the ceramic layer;
- • heating the composite to a process temperature between about 1025 to 1083 ° C, for example to about 1071 ° C;
- • Cool down to room temperature.
Ein DCB-Verfahren wird zudem beschrieben in
Bekannt ist weiterhin das sogenannte Aktivlot-Verfahren (
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Metall-Keramik-Substrat gemäß Patentanspruch 1 so weiterzubilden, dass eine optimale Kühlwirkung auch von Leistungs-Bauelementen erreicht wird, und zwar bei kompakter Ausbildung des Substrates. Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Metall-Keramik-Substratentsprechend dem Patentanspruch 1 ausgebildet. Substrate zur Kühlung von Bauelementen sind zudem auch aus
Bei der Erfindung sind sämtliche, die Kühlerstruktur bildende Strömungs- oder Kühlkanäle jeweils ausschließlich in wenigstens einer Schicht aus Keramik ausgebildet. Bei einer Ausführungsform des Metall-Keramik-Substrates mit einem Substratkörper mit mehreren Schichten aus Keramik sind weiterhin innere Metallisierungen und Durchkontaktierungen vorgesehen, und zwar außerhalb der Kühlerstruktur. Hierdurch ergibt sich bei Aufrechterhaltung einer optimalen Kühlung auch die Möglichkeit einer sehr komplexen und vielseitigen Ausbildung der von den äußeren und inneren Metallisierung gebildeten Leiterbahnstrukturen bei reduziertem Substrat-Bauvolumen.In the invention, all flow or cooling channels forming the cooler structure are each formed exclusively in at least one layer of ceramic. In one embodiment of the metal-ceramic substrate with a substrate body with a plurality of layers of ceramic, internal metallizations and plated-through holes are also provided, specifically outside the cooler structure. As a result, while maintaining optimal cooling, there is also the possibility of a very complex and versatile design of the conductor track structures formed by the outer and inner metallization with a reduced substrate construction volume.
„Durchkontaktierung“ bedeutet im Sinne der Erfindung ganz allgemein einen Bereich, der in einer Schicht aus dem keramischen Werkstoff vorgesehen ist, diese Schicht vollständig durchdringt, d.h. von einer Oberflächenseite dieser Schicht bis an deren andere Oberflächenseite reicht, aus einem metallischen Werkstoff besteht und vorzugsweise massiv ausgebildet ist sowie eine elektrische und/oder thermische Verbindung durch die Schicht aus dem keramischen Werkstoff herstellt. For the purposes of the invention, “through-plating” means in general a region that is provided in a layer made of the ceramic material, penetrates this layer completely, ie extends from one surface side of this layer to the other surface side, consists of a metallic material and is preferably solid is formed and creates an electrical and / or thermal connection through the layer of the ceramic material.
„Keramischer Werkstoff“ bedeutet im Sinne der Erfindung Keramik oder Mischkeramik.“Ceramic material” in the sense of the invention means ceramic or mixed ceramic.
Der Ausdruck „im Wesentlichen“ bzw. „etwa“ bedeutet 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.For the purposes of the invention, the expression “essentially” or “approximately” means deviations from the respectively exact value by +/- 10%, preferably by +/- 5% and / or deviations in the form of changes which are insignificant for the function.
In Weiterbildung der Erfindung ist das Metall-Keramik-Substrat beispielsweise so ausgebildet,
dass die Kühlerstruktur mit dem wenigstens einen Strömungskanal ausschließlich in wenigstens zwei Schichten aus dem keramischen Werkstoff ausgebildet ist, und/oder
dass sich die inneren Metallisierungen und/oder Durchkontaktierungen außerhalb des die Kühlerstruktur bildenden Bereichs des Substratkörpers befinden, und/oder
dass sich zumindest eine innere Metallisierung zwischen zwei Schichten des Substratkörpers befindet, von denen wenigstens eine Schicht auch die Kühlerstruktur mit dem wenigstens einen Strömungskanal bildet,
und/oder
dass wenigstens eine Durchkontaktierung in einer Schicht des Substratkörpers vorgesehen ist, die zugleich Teil der Kühlerstruktur ist, und dass sich diese Durchkontaktierung außerhalb des Bereichs der Kühlerstruktur befindet,
und/oder
dass die wenigstens eine Kühlerstruktur von mehreren aneinander anschließenden Schichten oder Teilschichten gebildet ist, die jeweils an der wenigstens einen Kühlerstruktur eine siebartige Struktur mit einer Vielzahl von durch Materialstege getrennten Öffnungen und diese umgebenden Materialstegen ausgebildet und derart gegeneinander versetzt angeordnet sind, dass jeder Öffnung einer Schicht oder Teilschicht ein Materialsteg einer benachbarten Schicht oder Teilschicht gegenüberliegt und die Öffnungen eine Kühlerstruktur mit sich verzweigenden Strömungswegen bilden, insbesondere mit Strömungswegen, die sich in Achsrichtungen parallel zu den Oberflächenseiten der Schichten oder Teilschichten sowie senkrecht hierzu verzweigen, wobei vorzugsweise Kreuzungspunkte der Materialstege jeder Teilschicht oder Schicht an Kreuzungspunkte der Materialstege benachbarter Teilschichten oder Schichten in einer Achsrichtung senkrecht zu den Oberflächenseiten der Schichten oder Teilschichten aneinander anschließen, und zwar zur Ausbildung von Pfosten, die sich über die gesamte Höhe der Kühlerstruktur erstrecken,
und/oder
dass die von den Kreuzungspunkten gebildeten Pfosten erfindungsgemäß mit einem Kern aus metallischem Werkstoff versehen sind,
und/oder
dass die die wenigstens eine äußere Metallisierung aufweisende Oberflächenseite des Substratkörpers von einer Schicht aus dem keramischen Werkstoff gebildet ist,
und/oder
dass der Substratkörper an seinen beiden einander abgewandten und jeweils von einer Schicht aus dem keramischen Werkstoff gebildeten Oberflächenseiten mit einer äußeren Metallisierung, vorzugsweise mit einer äußeren strukturierten Metallisierung versehen ist, und dass vorzugsweise an beiden äußeren Metallisierungen (
und/oder
dass der Substratkörper hinsichtlich seiner Schichten, deren Dicke und der Art des für die Schichten verwendeten Werkstoffs symmetrisch oder im Wesentlichen symmetrisch zu einer parallel zu den Oberflächenseiten des Substratkörpers verlaufenden Mittelebene ausgebildet ist,
und/oder
dass bei Ausbildung der Kühlerstruktur ausschließlich in wenigstens einer Schicht aus dem keramischen Werkstoff der wenigstens eine Strömungskanal bis an die äußere Metallisierung oder wenigstens einen Bereich der äußeren Metallisierung reicht,
und/oder
dass bei Ausbildung der Kühlerstruktur ausschließlich in wenigstens einer Schicht aus dem keramischen Werkstoff zwischen dem wenigstens einen Strömungskanal der Kühlerstruktur und der wenigstens einen äußeren Metallisierung zumindest
eine Schicht aus dem keramischen Werkstoff vorgesehen ist, und dass in dieser Schicht vorzugsweise wenigstens eine Durchkontaktierung ausgebildet ist, die bis an die äußere Metallisierung reicht,
und/oder
dass an einer Oberflächenseite des Substratkörpers Anschlüsse zum Zuführen und/oder Abführen des Kühlmediums vorgesehen sind,
und/oder
dass die äußeren Metallisierungen von Folien aus einem metallischen Werkstoff gebildet sind, vorzugsweise mit einer Dicke im Bereich zwischen 0,02 mm-1 mm, beispielsweise im Bereich zwischen 0,15 mm und 0,6 mm,
und/oder
dass die inneren Metallisierungen in Dick- oder Dünnfilmtechnik durch Einbrennen einer elektrisch leitenden Paste hergestellt sind, und zwar mit einer Dicke kleiner als die Dicke der äußeren Metallisierungen,
und/oder
dass der keramische Werkstoff wenigstens ein Material der nachstehenden Gruppe Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Siliziumnitrid, Siliziumcarbid oder eine Mischkeramik aus Aluminiumoxid und Zirkonoxid ist,
und/oder
dass der Werkstoff der äußeren und inneren Metallisierungen sowie der Durchkontaktierungen Kupfer oder Kupferlegierung oder Aluminium oder eine Kupfer- oder Aluminiumlegierung ist,
und/oder
dass die Schichten des Substratkörpers durch flächiges Bonden, vorzugsweise durch Aktivlöten und/oder DMB-Bonden und/oder durch Kleben und/oder durch Sinterbonden miteinander verbunden sind,
und/oder
dass die wenigstens eine äußere Metallisierung durch flächiges Bonden, vorzugsweise durch Aktivlöten oder DMB-Bonden und/oder durch Kleben mit dem Substratkörper verbunden ist,
wobei die vorgenannten Merkmale jeweils einzeln oder in beliebiger Kombination verwendet sein können.In a further development of the invention, the metal-ceramic substrate is designed, for example,
that the cooler structure with the at least one flow channel is formed exclusively in at least two layers of the ceramic material, and / or
that the inner metallizations and / or plated-through holes are located outside the region of the substrate body that forms the cooler structure, and / or
that there is at least one inner metallization between two layers of the substrate body, of which at least one layer also forms the cooler structure with the at least one flow channel,
and or
that at least one plated-through hole is provided in a layer of the substrate body, which is also part of the cooler structure, and that this plated-through hole is located outside the area of the cooler structure,
and or
that the at least one cooler structure is formed by a plurality of adjoining layers or partial layers, each of which is formed on the at least one cooler structure by a sieve-like structure with a plurality of openings separated by material webs and material webs surrounding them and are arranged such that they are offset from one another such that each opening of a layer or partial layer, a material web is opposite an adjacent layer or partial layer and the openings form a cooler structure with branching flow paths, in particular with flow paths that branch in the axial directions parallel to the surface sides of the layers or partial layers and perpendicular thereto, preferably crossing points of the material webs of each partial layer or Layer at crossing points of the material webs of adjacent partial layers or layers in an axial direction perpendicular to the surface sides of the layers or partial layers connect each other to form posts that extend the entire height of the cooler structure,
and or
that the posts formed by the crossing points are provided according to the invention with a core made of metallic material,
and or
that the surface side of the substrate body which has at least one outer metallization is formed by a layer of the ceramic material,
and or
that the substrate body is provided with an outer metallization, preferably with an outer structured metallization, on its two sides of the surface facing away from one another and each formed by a layer of the ceramic material, and that preferably on both outer metallizations (
and or
that the substrate body, with respect to its layers, its thickness and the type of material used for the layers, is symmetrical or essentially symmetrical to a central plane running parallel to the surface sides of the substrate body,
and or
that when the cooler structure is formed exclusively in at least one layer made of the ceramic material, the at least one flow channel extends to the outer metallization or at least a region of the outer metallization,
and or
that when the cooler structure is formed exclusively in at least one layer of the ceramic material between the at least one flow channel of the cooler structure and the at least one outer metallization, at least
a layer made of the ceramic material is provided, and that in this layer preferably at least one plated-through hole is formed which extends to the outer metallization,
and or
that connections for supplying and / or discharging the cooling medium are provided on a surface side of the substrate body,
and or
that the outer metallizations of foils are formed from a metallic material, preferably with a thickness in the range between 0.02 mm-1 mm, for example in the range between 0.15 mm and 0.6 mm,
and or
that the inner metallizations in thick or thin film technology by baking an electrical conductive paste are made, with a thickness smaller than the thickness of the outer metallizations,
and or
that the ceramic material is at least one of the following aluminum oxide, aluminum nitride, silicon nitride, silicon carbide or a mixed ceramic made of aluminum oxide and zirconium oxide,
and or
that the material of the outer and inner metallizations and the plated-through holes is copper or copper alloy or aluminum or a copper or aluminum alloy,
and or
that the layers of the substrate body are connected to one another by surface bonding, preferably by active soldering and / or DMB bonding and / or by adhesive bonding and / or by sinter bonding,
and or
that the at least one outer metallization is connected to the substrate body by flat bonding, preferably by active soldering or DMB bonding and / or by adhesive bonding,
the aforementioned features can be used individually or in any combination.
Weiterbildungen, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und aus den Figuren.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
-
1 in vereinfachter Darstellung und im Schnitt den Aufbau eines gekühlten Metall-Keramik-Substrates, der Teilaspekte der vorliegenden Erfindung betrifft; -
2 in vereinfachter Darstellung und in Draufsicht eine der die Kühlerstruktur bildenden Schichten aus Keramik des Substrates der 1; -
3 in vergrößerter Teildarstellung und in Draufsicht einen die Kühlerstruktur bildenden Bereich der Schicht aus Keramik, der einen Teilaspekt der vorliegenden Erfindung betrifft; -
4 in Einzeldarstellung einen Schnitt durch Pfosten der Kühlerstruktur des Substrates der3 gemäß der vorliegenden Erfindung; -
5-7 jeweils in vereinfachter Darstellung und im Schnitt weitere Ausführungsformen eines Metall-Keramik-Substrates, Teilaspekte der vorliegende Erfindung betreffend; -
8 in vereinfachter Darstellung und im Schnitt eine Schicht aus keramischen Werkstoff.
The invention is explained in more detail below with reference to the figures using exemplary embodiments. Show it:
-
1 in a simplified representation and in section the structure of a cooled metal-ceramic substrate, which relates to partial aspects of the present invention; -
2 in a simplified representation and in plan view one of the layers of ceramic of the substrate of FIG. 1 forming the cooler structure; -
3 in an enlarged partial representation and in plan view, a region of the layer of ceramic which forms the cooler structure and relates to a partial aspect of the present invention; -
4 in a single representation a section through the post of the cooler structure of the substrate3 according to the present invention; -
5-7 each in a simplified representation and in section further embodiments of a metal-ceramic substrate, relating to partial aspects of the present invention; -
8th in a simplified representation and in section, a layer of ceramic material.
Das in der
Entsprechend den
Bei dem Metall-Keramik-Substrat
Eine Besonderheit des Metall-Keramik-Substrates
Die Strukturierung der Schichten
Eine Besonderheit des Metall-Keramik-Substrates
Die
Die Teilaspekte der vorliegenden Erfindung betreffende
Auch bei dem Metall-Keramik-Substrat
Die Teilaspekte der vorliegenden Erfindung betreffende
Die beiden Anschlüsse
Für die dichte Verbindung der Anschlüsse
Auch das Metall-Keramik-Substrat
Die Teilaspekte der vorliegenden Erfindung betreffende
Allen vorbeschriebenen Metall-Keramik-Substraten
Allen vorbeschriebenen Metall-Keramik-Substraten
Als Werkstoff für die Metallisierungen
Das Verbinden der die Metallisierungen
Das unmittelbare Verbinden der Schichten aus Keramik erfolgt bevorzugt durch Sintern. Auch andere Verfahren sind möglich, beispielsweise Aktivlöten, DMB-Bonden unter Verwendung jeweils einer dünnen oxidierten Metallfolie zwischen den miteinander zu verbindenden Schichten aus Keramik oder Verbinden durch Kleben.The ceramic layers are preferably joined directly by sintering. Other methods are also possible, for example active soldering, DMB bonding using a thin oxidized metal foil in each case between the layers of ceramic to be bonded to one another or bonding by gluing.
Zumindest eine der Schichten
Claims (14)
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