DE102012107399B4

DE102012107399B4 - Verfahren zum Herstellen von Metall-Keramik-Substraten sowie Metall-Keramik-Substrat

Info

Publication number: DE102012107399B4
Application number: DE201210107399
Authority: DE
Inventors: Jürgen Schulz-Harder
Original assignee: Rogers Germany GmbH
Current assignee: Rogers Germany GmbH
Priority date: 2012-07-10
Filing date: 2012-08-13
Publication date: 2014-09-11
Anticipated expiration: 2032-08-14
Also published as: WO2014008889A1; TW201418189A; DE102012107399A1

Abstract

Verfahren zum Herstellen von Metall-Keramik-Substraten (1) mit einer Keramikschicht (2), mit wenigstens einer ersten Metallisierung (3) an einer ersten Oberflächenseite der Keramikschicht (2) und mit wenigstens einer zweiten Metallisierung (4) an einer zweiten Oberflächenseite der Keramikschicht (2), wobei als Metallisierungen (3, 4) solche mit einer Dicke im Bereich zwischen 0,1 mm und 1,5 mm verwendet werden, wobei nach dem Aufbringen der Metallisierungen (3, 4) Risse (5), die an der ersten Oberflächenseite am Rand der dortigen Metallisierungen (3) zwischen der der Keramikschicht (2) und dem Metall der Metallisierungen (3, 4) vorhanden sind und/oder sich am Rand der wenigstens einer Metallisierung (3) in die Keramik der Keramikschicht (2) hinein erstrecken, mit einer aushärtbaren oder polymerisierbaren Kunststoff-Verschließ-Masse (7) ausgefüllt werden, dadurch gekennzeichnet, dass an beiden Oberflächenseiten der der Keramikschicht (2) das Ausfüllen vorhanndener Risse (5) mit der Kunststoff-Verschließ-Masse (7) so erfolgt, dass diese Masse ausschließlich die Risse (5) ausfüllt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß Oberbegriff Patentanspruch 1 sowie auf ein Metall-Keramik-Substrat gemäß Oberbegriff Patentanspruch 19.
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, aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung gebildet ist und mit Hilfe eines geeigneten Verfahrens vollflächig mit der keramischen Isolierschicht verbunden.
Bekannt ist hierfür u. a. das sogenannte „DCB-Verfahrens” (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 US 37 44 120 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), sodass durch Auflegen der Folie 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.
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.

Analog zu diesem vorgenannten DCB-Verfahren zum Direct-Bonden von Kupfer auf Kupfer oder Kupfer auf Keramik sind auch andere Direct-Metal-Bond-Verfahren- oder Technologien bekannt, mit denen in analoger Weise das Verbinden von Metallschichten oder -blechen ganz allgemein miteinander und/oder mit Keramik- oder Keramikschichten möglich ist. Das DCB-Verfahren und die mit diesem analogen Verfahren werden nachstehend als DMB-Verfahren (Direct-Metal-Bond-Verfahren) bezeichnet werden.
Bekannt ist weiterhin das sogenannte Aktivlot-Verfahren ( DE 22 13 115 A ; EP 153 618 A2 ) z. B. zum Verbinden von Metallisierungen bildenden Metallschichten oder Metallfolien, insbesondere auch von Kupferschichten oder Kupferfolien oder Aluminiumschichten oder Aluminiumfolien mit Keramikmaterial. 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 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 chemische Reaktion eine Verbindung zwischen dem Lot und der Keramik her, während die Verbindung zwischen dem Lot und dem Metall eine metallische Hartlöt-Verbindung ist.
Es hat sich gezeigt, dass insbesondere hohe thermische Wechselbelastungen des jeweiligen Metall-Keramik-Substrates, wie sie vor allem bei Verwendung eines solchen Substrates als Leiterplatte für Schaltkreise oder Module im Leistungsbereich auftreten, zu einer Vergrößerung von Rissen oder Mikrorissen am Übergang zwischen dem Metall der Metallisierung und der Keramik führen können, wobei diese Risse auch in der Keramik unterhalb der jeweiligen Metallisierung hinein reichen können. Hierdurch ergibt sich nicht nur eine Beeinträchtigung der mechanischen Standfestigkeit des jeweiligen Metall-Keramik-Substrates, sondern insbesondere auch eine Beeinträchtigung der elektrischen Eigenschaften des jeweiligen Metall-Keramik-Substrates, und zwar vor allem auch hinsichtlich Spannungsfestigkeit und Teilentladungsfestigkeit, was dann möglicherweise zu einem frühzeitigen Ausfallen des betreffenden Schaltkreises oder Moduls führt.
Bekannt ist auch ( DE 10 2010 024 520 A1 ), auf einer mit einer strukturierten Metallisierung versehenen Oberflächenseite der Keramikschicht eines Metall-Keramik-Substrates auf den Rand der dortigen Metallisierung bzw. auf den Rand der durch die Strukturierung erzeugten und Leiterbahnen, Kontakt- und Montageflächen bildenden Metallisierungsbereiche eine aushärtbare oder polymerisierbare Kunststoff-Verschluss- und/oder Verpress-Masse aufzubringen, welches in vorhandenen Rissen aufgenommen ist, aber zugleich auch den jeweiligen Rand abdeckt mit der Folge, dass die Kunststoff-Verschluss- und/oder Verpress-Masse durch Kriechen oder Adhäsion auch auf die der Keramikschicht abgewandte Seite der Metallisierungsbereiche gelangt. Dies ist äußerst nachteilig für die weitere Bearbeitung und Verwendung des Metall-Keramik-Substrates. So behindert die Kunststoff-Verschluss- und/oder Verpress-Masse beispielsweise das Aufbringen von metallischen Schutzschichten auf die Metallisierungsbereiche sowie das Auflöten von Bauelementen.
Es wurde bereits versucht, ( DE 43 18 241 A1 ) diesen Nachteil, der hauptsächlich durch die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Metall und Keramik bedingt ist, durch eine gezielte Schwächung des Randbereiches bzw. durch eine gezielte Reduzierung des Metallvolumens im Randbereich der Metallisierung (Randabschwächung) zu beheben, beispielsweise durch eine zusätzliche Strukturierung des Randbereichs, z. B. durch Stufenätzung, durch Einbringen von Vertiefungen usw. Nachteilig ist bei diesen Verfahren,
dass bei vorhandenen Rissen durch die Randabschwächung letztlich nur eine Verzögerung des Problems einer sich fortsetzenden oder erweiternden Rissbildung erreicht werden kann,
dass die für die Erzeugung der Randabschwächungen notwendigen zusätzliche Strukturierung der Metallisierungen bzw. Metallisierungsbereiche einen erhöhten Aufwand bei der Fertigung bedingt, und
dass das Aufbringen von Polymeren auf den Randbereich der Metallisierungen und der Metallisierungsbereiche aufwendig ist und dennoch nicht zu dem gewünschten Erfolg führt, allenfalls wiederum nur eine Verzögerung der sich fortsetzenden oder erweiternden Rissbildung bewirkt.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Herstellen von Metall-Keramik-Substraten aufzuzeigen, mit dem die Nachteile wirksam vermieden werden, die sich aus vorhandenen Rissen zwischen der Metallisierung und der Keramik sowie innerhalb der Keramik ergeben. Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Verfahren entsprechend dem Patentanspruch 1 ausgebildet. Weiterbildungen des Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche. Ein Metall-Keramik-Substrat ist Gegenstand des Patentanspruchs 19.
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.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
1 in vereinfachter Darstellung und im Schnitt ein Metall-Keramik-Substrat;
2 in den Positionen a) und b) jeweils in vergrößerter Schnittdarstellung Details des Metall-Keramik-Substrats der 1;
3 in den Positionen a)–d) verschiedene Verfahrensschritte zum Herstellen des Metall-Keramik-Substrats der 1;
4 in den Positionen a)–e) verschiedene Verfahrensschritte zum Herstellen des Metall-Keramik-Substrats der 1 entsprechend einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
5 in den Positionen a)–d) verschiedene Verfahrensschritte zum Herstellen des Metall-Keramik-Substrats der 1 bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
6 eine Draufsicht auf ein Mehrfachsubstrat.
Das in den Figuren allgemein mit 1 bezeichnete Metall-Keramik-Substrat umfasst u. a. ein Keramiksubstrat bzw. eine Keramikschicht 2, eine in der 1 obere Metallisierung 3, die zur Ausbildung von Leiterbahnen, Kontaktflächen, Befestigungsflächen für Bauelemente usw. strukturiert ist, z. B. durch ein Maskierungs- und Ätzverfahren, und hierdurch Metallisierungsbereiche 3.1 bildet, sowie eine in der 1 untere Metallisierung 4. Die Metallisierungen 3 und 4 bzw. die Metallisierungsbereiche 3.1 sind mit einer geeigneten Verbindungs- oder Bondtechnik flächig mit der betreffenden Oberflächenseite der Keramikschicht 2 verbunden.
Die 2 zeigt in Positionen a) und b) nochmals in vergrößerter Schnittdarstellung Details des Metall-Keramik-Substrates 1 im Randbereich der Metallisierungen 3 und 4 bzw. der Metallisierungsbereiche 3.1. Mit 5 sind dort schematisch Risse (Mikrorisse) angedeutet, die sich am Rand der Metallisierung 3 und 4 bzw. der Metallisierungsbereiche 3.1 jeweils teilweise im Verbindungsbereich zwischen der Metallisierung 3/4 und der Keramikschicht 2 erstrecken, sodass dort keine Verbindung zwischen den Metall und der Keramik besteht. Die Risse 5, die beispielsweise durch das Bonden der Metallisierungen 3 und 4 mit der Keramikschicht 2 und durch die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Metall und Keramik verursacht sind, erstrecken sich teilweise auch in die Keramikschicht 2 hinein, und zwar auch unterhalb der jeweiligen Metallisierung 3 und 4 oder der Metallisierungsbereiche 3.1.
Diese Risse 5 beeinträchtigen nicht nur die mechanische Stabilität der Verbindung zwischen den Metallisierungen 3 und 4 und der Keramikschicht 2, sondern insbesondere auch die elektrische Spannungsfestigkeit des Metall-Keramik-Substrates 1 und dessen Teilentladungsfestigkeit. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass bei thermischen Wechselbelastungen des Metall-Keramik-Substrates 1, wie sie insbesondere bei Verwendung dieses Substrates als Leiterplatte für Leistungsschaltkreise oder -module, beispielsweise zum Steuern von elektrischen Antrieben, durch die wechselnde Verlustwärme von Leistungsbauteilen auftreten, dazu neigen, sich zu vergrößern und zu verlängern, was zu einem vorzeitigen Ausfall des betreffenden Schaltkreises oder Moduls führen kann. Um hier wirksam Abhilfe zu schaffen, schlägt die Erfindung generell vor, die Risse 5 mit einer geeigneten aushärtbaren oder polymerisierbaren Kunststoff-Verschließ- und/oder Verpress-Masse 7 vollständig zu verfüllen, sodass die so verfüllten Risse 5 keine Beeinträchtigung der mechanischen Stabilität und/oder der elektrischen Eigenschaften des betreffenden Metall-Keramik-Substrates 1 mehr verursachen, insbesondere auch eine Fortsetzung oder Erweiterung der Rissbildung während des Betriebes eines das Metall-Keramik-Substrat 1 enthaltenen Schaltkreises oder Moduls wirksam verhindert ist. Der einfacheren Darstellung wegen ist in den Positionen c) und d) die Metallisierung 4 nicht gezeigt.
Die Länge l der zu verschließenden oder verpressenden Risse 5 beträgt beispielsweise, l ≤ 0,2 × d, wobei d die Dicke der Keramikschicht 2 ist.
Weiterhin gilt: L ≥ 3 × kd_m, wobei kd_m der mittlere Korndurchmesser der Keramik ist.
Nur wenn die Risse 5 den vorstehenden Bedingungen entsprechen, macht es grundsätzlich Sinn, die Risse 5 zu verschließen oder zu verpressen.
Die 3 zeigt in den Positionen a)–d) wesentliche Verfahrensschritte eines Verfahrens gemäß der Erfindung zur Herstellung des Metall-Keramik-Substrates 1. Entsprechend der Position a) wird zunächst die Keramikschicht 2 an beiden Oberflächenseiten mit Hilfe einer geeigneten Bondtechnik mit Metallfolien versehen, die die Metallisierungen 3 und 4 bilden.
Im Anschluss daran erfolgt eine Strukturierung der oberen Metallisierung 3 beispielsweise mit Hilfe einer Maskierungs- und Ätztechnik, sodass die Keramikschicht 2 entsprechend der Position b) an einer Oberflächenseite mit der die Metallisierungsbereiche 3.1 bildenden strukturierten Metallisierung 3 versehen ist. Im Anschluss daran wird entsprechend der Position c) seitlich von den Metallisierungsbereichen 3.1 und insbesondere aber auch in den Ätzgräben 6, die beim Strukturieren der Metallisierung 3 zwischen den Metallisierungsbereichen 3.1 entstanden sind, ein die Kunststoff-Verschließ- und/oder Verpress-Masse 7 aufgebracht, und zwar auf die jeweils freiliegende Keramik der Keramikschicht 2. In einem weiteren Verfahrensschritt wird die fließfähige Kunststoff-Verschließ- und/oder Verpress-Masse 7 durch Verpressen in die vorhandenen Risse 5 gedrückt, und zwar durch Beaufschlagung des Metall-Keramik-Substrates 1 mit Druck, d. h. beispielsweise durch Einbringen des Metall-Keramik-Substrates 1 in eine Druckkammer, die mit einem Druckgas, beispielsweise mit Druckluft, bevorzugt aber mit einem unter Druck stehenden Inertgas, z. B. Stickstoff beaufschlagt wird. In der Position c) ist diese Druckbeaufschlagung insbesondere auch der Kunststoff-Verschließ- und/oder Verpress-Masse 7 mit dem Pfeil P angedeutet. Der bei dem Verpressen bzw. bei der Druckbehandlung verwendete Druck (Verpressdruck) liegt beispielsweise im Bereich zwischen 1,1 bar und 500 bar, beispielsweise zwischen 1,1 bar und 100 bar.
Das Verpressen der Risse 5 erfolgt beispielsweise bei Umgebungstemperatur oder bei erhöhter Temperatur bzw. bei auf diese Temperatur erhitztem Substrat 1. Die Position d) zeigt die mit der Kunststoff-Verschließ- und/oder Verpress-Masse 7 gefüllten Risse 5, die mit 5/7 bezeichnet sind. In einem weiteren Verfahrensschritt erfolgt dann das Aushärten bzw. Polymerisieren der in den Rissen 5 aufgenommenen Kunststoff-Verschließ- und/oder Verpress-Masse 7. Dieses Aushärten erfolgt dann bei Normaldruck, bevorzugt aber unter Druck, vorzugsweise bei Verpressdruck.
Die 4 zeigt in den Positionen a)–e) die wesentlichen Verfahrensschritte eines weiteren Verfahrens gemäß der Erfindung zum Herstellen des Metall-Keramik-Substrates 1. Das in der 4 dargestellte Verfahren unterscheidet sich von dem vorstehend im Zusammenhang mit der 3 beschriebenen Verfahren im Wesentlichen nur dadurch, dass nach der Strukturierung der Metallisierung 3, d. h. nach der Bildung der Metallisierungsbereiche 3.1, und vor dem Aufbringen der Kunststoff-Verschließ- und/oder Verpress-Masse 7 eine Vakuumbehandlung des Metall-Keramik-Substrates 1 erfolgt, und zwar z. B. durch Anordnung des Metall-Keramik-Substrates 1 mit der Strukturierten Metallisierung 3 in einer Vakuumkammer, die mit einem Unterdruck oder Vakuum, z. B. mit einem 70%-igen bis 99%-igen Vakuum beaufschlagt wird, sodass Gas-, Dampf- und/oder Flüssigkeitsreste durch das Vakuum aus den Rissen 5 entfernt werden, wie dies in der Position e) mit den Pfeilen V angedeutet ist.
Noch im Vakuum erfolgt dann entsprechend der Position c) das Aufbringen der Kunststoff-Verschließ- und/oder Verpress-Masse 7 auf die freiliegende Keramik der Keramikschicht 2 im Bereich der Ränder der Metallisierungen 3 und 4 bzw. der Metallisierungsbereiche 3.1 und dabei insbesondere auch wiederum in die Ätzgräben 6, und zwar mit dem besonderen Vorteil, dass die in die Ätzgräben 6 eingebrachte fließfähige Kunststoff-Verschließ- und/oder Verpress-Masse 7 durch die seitlichen Metallisierungsbereiche 3.1 an einem Abfließen zusätzlich gehindert wird. Die Kunststoff-Verschließ- und/oder Verpress-Masse 7 fließt dabei durch Kapillarwirkung in die Risse 5. Weiterhin kann es auch zweckmäßig sein, nach dem Aufbringen der Kunststoff-Verschließ- und/oder Verpress-Masse 7 das Substrat mit Druck zu beaufschlagen, beispielsweise mit einem Verpressdruck im Bereich zwischen 1,1 bar und 500 bar, wobei diese Vakuum und Druckbehandlung dann beispielsweise wenigstens einmal wiederholt wird. Das Verpressen der Risse 5 erfolgt beispielsweise wiederum bei Umgebungstemperatur oder bei erhöhter Temperatur bzw. bei auf diese Temperatur erhitztem Substrat 1.
Nach dem Aufbringen der Kunststoff-Verschließ- und/oder Verpress-Masse 7 wird das Vakuum entfernt, d. h. das Metall-Keramik-Substrat 1 wird mit Atmosphärendruck oder aber mit einem Überdruck beaufschlagt, wodurch die Kunststoff-Verschließ- und/oder Verpress-Masse 7 dann in die Risse 5 fließt und diese vollständig verschließt, wie dies wiederum in der Position d) der 4 mit 5/7 gezeigt ist.
Insbesondere dann, wenn die Kunststoff-Verschließ- und/oder Verpress-Masse 7 im noch nicht ausgehärteten bzw. polymerisierten Zustand eine hohe Fließfähigkeit bzw. eine geringe Viskosität besitzt, ist es möglich, diese Masse durch Aufsprühen auf die Oberflächenseiten des Metall-Keramik-Substrates 1 aufzubringen. Nach dem Verpressen und Verschließen der Risse 5 werden die Metallisierungen 3 und 4 bzw. die Metallisierungsbereiche 3.1 an ihren freiliegenden, d. h. der Keramikschicht 2 abgewandten Oberflächenseiten von eventuellen Resten der Kunststoffvergussmasse 7 gereinigt, beispielsweise mechanisch, z. B. durch Bürsten, Schleifen usw. Grundsätzlich ist auch eine Reinigung mit einem geeigneten Lösungsmittel möglich, wobei in diesem Fall zur Vermeidung eines Entfernens der Kunststoff-Verschließ- und/oder Verpress-Masse 7 aus den Rissen 5 das Verpressen der Risse 5 derart erfolgt, dass nach dem Verpressen an den Rändern der Metallisierungen 3 und 4 bzw. Metallisierungsbereiche 3.1 außerhalb der Risse 5 eine Restmenge an Kunststoff-Verschließ- und/oder Verpress-Masse 7 verbleibt, und zwar mit einer Dicke, die größer ist als die Dicke der Kunststoff-Verschließ- und/oder Verpress-Masse 7 an den freiliegenden Oberflächenseiten der Metallisierungen 3 und 4 bzw. Metallisierungsbereiche 3.1. Bei der Reinigung der Metallisierungen 3 und 4 bzw. der Metallbereiche 3.1 wird dann allenfalls diese Restmenge abgetragen, ohne dass die Kunststoff-Verschließ- und/oder Verpress-Masse 7 aus den Rissen 5 entfernt wird. Zweckmäßig ist es weiterhin, die frei liegenden Oberflächenseiten der Metallisierungen 3 und 4 bzw. der Metallisierungsbereiche 3.1 vor dem Aufbringen der Kunststoff-Verschließ- und/oder Verpress-Masse 7 mit einer Trennschicht zu versehen, die zusammen mit der ausgehärteten Kunststoff-Verschließ- und/oder Verpress-Masse 7 leicht entfernt werden kann. Als Trennschicht eignet sich dann beispielsweise ein temperaturbeständiges Atzresist, welches für die Maskierung beim Strukturieren der Metallisierungen 3 und 4 mit dem Maskierungs- und Ätzverfahren verwendet wird. Generell und speziell auch hierbei kann es dann auch zweckmäßig sein, das Aushärten der Kunststoff-Verschließ- und/oder Verpress-Masse 7 durch Erhitzen in wenigstens zwei Stufen vorzunehmen, und zwar in einer ersten Stufe ein Teilaushärten bei reduzierter Temperatur und dann ein vollständiges Aushärten bei erhöhter Temperatur.
Die 5 zeigt in den Positionen a)–d) Verfahrensschritte eines weiteren Verfahrens gemäß der Erfindung. Bei diesem Verfahren wird nach dem Aufbringen der Metallisierungen 3 und 4 auf die Keramikschicht 2 (Position a)) und nach der Strukturierung der Metallisierung 3 (Position b)) auf die freiliegende Keramik der Keramikschicht 2 im Bereich der Ränder der Metallisierungen 3 und 4 bzw. der Metallisierungsbereiche 3.1 und dabei wiederum insbesondere auch im Bereich der Ätzgräben 6 die Kunststoff-Verschließ- und/oder Verpress-Masse 7 in Granulat- oder Pulverform aufgebracht (Position e)). Im Anschluss daran erfolgt ein Erhitzen des Metall-Keramik-Substrates 1 auf eine Temperatur, bei der die bei dieser Ausführungsform thermoplastische Kunststoff-Verschließ- und/oder Verpress-Masse 7 in den flüssigen Zustand übergeht (Position c)). Bei weiterhin auf dieser Temperatur gehaltenem Metall-Keramik-Substrat 1 erfolgt dann beispielsweise durch Beaufschlagung des Metall-Keramik-Substrates 1 mit dem Druck P das Verpressen der flüssigen Kunststoff-Verschließ- und/oder Verpress-Masse 7 in die Risse 5, sodass diese vollständig mit der Kunststoff-Verschließ- und/oder Verpress-Masse 7 gefüllt sind, die nach dem Abkühlen des Metall-Keramik-Substrates 1 aushärtet. Auch bei diesem Verfahren ist es möglich, das Metall-Keramik-Substrat 1 vor dem Aufbringen der Kunststoff-Verschließ- und/oder Verpress-Masse 7 mit einem Vakuum zu beaufschlagen, wobei dann im Vakuum das Erhitzen des Metall-Keramik-Substrates zum Verflüssigen der zunächst granulatartigen oder pulverförmigen Kunststoff-Verschließ- und/oder Verpress-Masse 7 erfolgt, die dann im flüssigen Zustand nach dem Aufheben des Vakuums, z. B. durch Beaufschlagung des Metall-Keramik-Substrates 1 mit Umgebungsdruck oder Überdruck in die Risse 7 fließt und dort mit dem Abkühlen des Metall-Keramik-Substrates 1 aushärtet und die Risse 5 vollständig verschließt.
Die Verwendung einer beim Aufbringen auf das Metall-Keramik-Substrat 1 pulverförmigen oder granulatartigen Kunststoff-Verschließ- und/oder Verpress-Masse 7 hat den Vorteil, dass diese Masse vor dem Erhitzen des Metall-Keramik-Substrates 1 von den der Keramikschicht 2 abgewandten Oberflächenseiten der Metallisierungen 3 und 4 bzw. der Metallisierungsbereiche 3.1 einfach entfernt werden kann, und zwar z. B. durch Abbürsten, Abwischen usw.
Die 6 zeigt in Draufsicht ein Metall-Keramik-Substrat 1 in Form eines Mehrfachsubstrates mit großformatiger Keramikschicht 2, mit den Metallisierungsbereichen 3.1 und mit zusätzlichen randseitigen Metallisierungsbereichen 3.2, die ebenso wie die Metallisierungsbereiche 3.1 durch Strukturieren einer DMB-gebondeten Metallisierung (Metallfolie) erzeugt sind. Zwischen den randseitigen Metallisierungsbereichen 3.2 im Bereich der Ecken des Metall-Keramik-Substrates 1 sind Barrieren 9 vorgesehen, die dort die Ätzgräben 6 zwischen den Metallisierungsbereichen 3.1 und 3.2 seitlich verschließen, eine der Dicke der Metallisierungsbereiche 3.1 und 3.2 entsprechende Höhe aufweisen und dadurch eine seitliches Wegfließen der in die Ätzgräben 6 eingebrachten Kunststoff-Verschließ- und/oder Verpress-Masse 7 vor ihrem Aushärten verhindern. Da es für die spätere Verwendung des Metall-Keramik-Substrates 1 erforderlich ist, dass die randseitigen Metallisierungsbereiche 3.2 von einander getrennt sind, sind die Barrieren 9 leit entfern- und/oder durchtrennbar ausgebildet. Sie bestehen hierfür beispielsweise aus dünnen Metallstegen, die beim Strukturieren der Metallisierung erzeugt wurden, oder aus einer leicht entfernbaren Masse, z. B. aus Kunststoff und/oder Wachs.
Bei allen vorgenannten Verfahren kann es zweckmäßig sein, die Risse 5 vor dem Einbringen der Kunststoff-Verschließ- und/oder Verpress-Masse 7, d. h. nach der Strukturierung der Metallisierung 3 bzw. nach dem jeweils mit der Position b) angedeuteten Verfahrensschritt und vor dem weiteren Verfahrensschritt c) bzw. e) zu weiten, und zwar durch Beaufschlagung des Metall-Keramik-Substrates 1 mit einem einmaligen oder mehrmaligen Temperaturzyklus zwischen einer reduzierten und einer erhöhten Temperatur, z. B. zwischen einer Temperatur deutlich unter Raumtemperatur und einer Temperatur über 100°C, beispielsweise zwischen einer Temperatur von –50°C und einer Temperatur von +150°C.
Als Kunststoff-Verschließ- und/oder Verpress-Masse 7 eignen sich bei der Erfindung grundsätzlich aushärtbare oder polymerisierbare Monomere, Polymere bzw. Kunststoffe oder Kunststoffverbindungen oder Mischpolymere bzw. Kunststoffmischungen thermoplastischer oder duroplastischer Art, die für das Einbringen in die Risse 5 im noch nicht ausgehärteten bzw. polymerisierten Zustand flüssig oder zähflüssig sind und im ausgehärteten Zustand vorzugsweise eine Quer- und Längsvernetzung aufweisen. Geeignete Kunststoff-Verschließ- und/oder Verpress-Massen 7 sind beispielsweise solche auf Polyamid-Basis oder Epoxyharz-Basis. Bevorzugt ist der thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Kunststoff-Verschließ- und/oder Verpress-Masse 7 größer als der thermische Ausdehnungskoeffizient der Keramik der Keramikschicht 2.
Das Aushärten oder Polymerisieren erfolgt z. B. durch Energieeintrag, beispielsweise durch Erhitzen, durch Behandlung mit Ultraschall, mit Mikrowellenstrahlung, mit Elektronenstrahlung, mit radioaktiver Strahlung usw., oder durch chemische, das Vernetzen bewirkende Zusätze (Härter). Speziell bei Verwendung einer Kunststoff-Verschließ- und/oder Verpress-Masse 7 auf Epoxyharz-Basis mit Härter erfolgt das Aushärten durch Hitzeeinwirkung bei einer Temperatur im Bereich zwischen 100°C und 180°C. Das Aushärten der Kunststoff-Verschließ- und/oder Verpress-Masse 7 durch Erhitzen hat den Vorteil, dass sich diese Masse nach dem Aushärten beim Abkühlen des Substrates 1 auf Umgebungstemperatur zusammenzieht. Hierdurch wird die Keramik an den Rissen 5 zusammengezogen, was u. a. Zugkräften in den Metallisierungen 3 und 4 entgegen wirkt.
Das Bonden oder Verbinden der die Metallisierungen 3 und 4 bildenden Metallfolien mit der Keramikschicht 2 erfolgt beispielsweise durch DMB-Bonden, durch Aktivlöten oder durch ein geeignetes Klebematerial, auch polymeres Klebematerial. Als Werkstoff für die Metallisierungen 3 und 4 bzw. die Metallisierungsbereiche 3.1 eignet sich z. B. Kupfer, Aluminium, Silber, Nickel sowie auch Legierungen der vorgenannten Metalle. Als Keramik für die Keramikschicht eignet sich beispielsweise Al₂O₃, Si₃N₄, AlN sowie auch Mischkeramiken, z. B. Al₂O₃-ZrO₂.
Die Dicke der Metallisierungen 3 und 4 sowie der Metallisierungsbereiche 3.1 liegt beispielsweise im Bereich zwischen 0,1 mm und 1,5 mm. Die Dicke der Keramikschicht 2 liegt beispielsweise im Bereich zwischen 0,2 mm und 2 mm.
Zur Unterstützung der Wirkung, die mit dem Verpressen der Risse 5 erreicht wird, kann es auch zweckmäßig sein, die Metallisierungen 3 und 4 bzw. die Metallisierungsbereiche 3.1 mit einer Randabschwächung zu versehen, beispielsweise durch Stufenätzen und/oder durch Einbringen von Vertiefungen 8 im Randbereich, die in den Positionen c)–d) der 5 dargestellt sind und beispielsweise während der Strukturierung der Metallisierung 3 oder aber vor oder nach dieser Strukturierung erzeugt werden. Die Vertiefungen 8 sind an der der Keramikschicht 2 abgewandten Seite der Metallisierungen 3 und 4 bzw. der Metallisierungsbereiche 3.1 offen und reichen aber bei der dargestellten Ausführungsform nicht bis an die Keramikschicht 2.
Die Erfindung wurde voranstehend an Ausführungsbeispielen beschrieben. Es versteht sich, dass zahlreiche Änderungen sowie Abwandlungen möglich sind, ohne dass dadurch der der Erfindung zugrundeliegende Erfindungsgedanke verlassen wird.
Vorstehend wurde davon ausgegangen, dass die Metallisierungen 3 und 4 sowie die Metallisierungsbereiche 3.1 von Metallfolien gebildet sind. Die Metallisierungen 3 und/oder 4 und/oder speziell die strukturierten Metallisierungsbereiche 3.1 können aber auch in Dick-/Dünnfilmtechmik durch Auftragen einer Metallpaste auf die Keramikschicht 2 und durch Einbrennen dieser Metallpaste erzeugt sein.
Bezugszeichenliste

1: Metall-Keramik-Substrat
2: Keramikschicht
3, 4: Metallisierung
3.1: Metallisierungsbereich
5: Riss
6: Ätzgraben
7: Kunststoff-Verschließ- und/oder Verpress-Masse
8: Vertiefung
9: Barriere
P: Druckbeaufschlagung
V: Vakuumbeaufschlagung

Claims

Verfahren zum Herstellen von Metall-Keramik-Substraten (1) mit einer Keramikschicht (2), mit wenigstens einer ersten Metallisierung (3) an einer ersten Oberflächenseite der Keramikschicht (2) und mit wenigstens einer zweiten Metallisierung (4) an einer zweiten Oberflächenseite der Keramikschicht (2), wobei als Metallisierungen (3, 4) solche mit einer Dicke im Bereich zwischen 0,1 mm und 1,5 mm verwendet werden, wobei nach dem Aufbringen der Metallisierungen (3, 4) Risse (5), die an der ersten Oberflächenseite am Rand der dortigen Metallisierungen (3) zwischen der der Keramikschicht (2) und dem Metall der Metallisierungen (3, 4) vorhanden sind und/oder sich am Rand der wenigstens einer Metallisierung (3) in die Keramik der Keramikschicht (2) hinein erstrecken, mit einer aushärtbaren oder polymerisierbaren Kunststoff-Verschließ-Masse (7) ausgefüllt werden, dadurch gekennzeichnet, dass an beiden Oberflächenseiten der der Keramikschicht (2) das Ausfüllen vorhanndener Risse (5) mit der Kunststoff-Verschließ-Masse (7) so erfolgt, dass diese Masse ausschließlich die Risse (5) ausfüllt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Kunststoff-Verschließ-Masse ein duroplastisches oder thermoplastisches Monomer, Polymer, Copolymer und/oder Mischpolymer verwendet wird, beispielsweise ein solches auf Polyamid-Basis oder auf Epoxyharz-Basis.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Aushärten oder Polymerisieren der Kunststoff-Verschließ-Masse (7) chemisch unter Verwendung eines Härters oder eines Polymerisationsmittels und/oder durch Energieeintrag, beispielsweise durch Erwärmen oder Erhitzen, beispielsweise durch Erhitzen auf eine Temperatur im Bereich zwischen 100°C und 180°C, und/oder durch Beaufschlagung mit UV-Licht und/oder mit elektromagnetischer Strahlung und/oder mit Elektronenstrahlung und/oder mit radioaktiver Strahlung erfolgt, beispielsweise unter Druck oder unter Aufrechterhaltung des Verpressdrucks oder unter Vakuum.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Aushärten oder Polymerisieren der Kunststoff-Verschließ-Masse (7) in wenigstens zwei Stufen erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoff-Verschließ-Masse (7) durch Verpressen unter Druck (P) in die Risse (5) eingebracht wird, wobei das jeweilige Metall-Keramik-Substrat (1) zumindest nach dem Aufbringen der Kunststoff-Verschließ-Masse (7) auf die freiliegende Keramik der Keramikschicht (2) im Bereich des Randes der wenigstens einen Metallisierung (3, 4) oder der Metallisierungsbereiche (3.1, 3.2) mit einem Überdruck beaufschlagt wird, beispielsweise mit einem Druck im Bereich zwischen 1,1 bar und 500 bar, und dass anschließend das Aushärten oder Polymerisieren der Kunststoff-Verschließ-Masse (7) in den Rissen (5) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckbeaufschlagung durch ein flüssiges und/oder gas- und/oder dampfförmiges Druckmedium, vorzugsweise in Form von Druckluft oder in Form eines unter Druckstehenden Inertgases erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor und während des Aufbringens der Kunststoff-Verschließ-Masse (7) das jeweilige Metall-Keramik-Substrat (1) evakuiert, d. h. mit einem Unterdruck, beispielsweise mit einem 70%-igen bis 99%-igen Vakuum beaufschlagt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Einbringen der Kunststoff-VerschließMasse (7) in die Risse (5) durch Kapillarwirkung und/oder dadurch erfolgt, dass das Metall-Keramik-Substrat (1) nach dem Aufbringen der Kunststoff-Verschließ-Masse (7) mit Umgebungsdruck oder einem Überdruck, beispielsweise mit einem Überdruck im Bereich zwischen 1,1 bar und 500 bar beaufschlagt wird und anschließend das Aushärten oder Polymerisieren der Kunststoff-Verschließ-Masse (7) in den Rissen (5) erfolgt, wobei beispielsweise nach dem Aufbringen und vor dem Aushärten der Kunststoff-Verschließ-Masse (7) wenigstes ein nochmalige Evakuieren mit anschließender Druckbeaufschlagung erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die noch nicht ausgehärtete oder polymerisierte Kunststoff-Verschließ-Masse (7) im flüssigen oder zähflüssigen und/oder im erwärmten Zustand aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoff-Verschließ-Masse (7) in pulverförmigen oder/oder granulatartigen Zustand aufgebracht wird, dass anschließend das Metall-Keramik-Substrat (1) zur Verflüssigung der Kunststoff-Verschließ-Masse (7) erhitzt wird, und dass das Metall-Keramik-Substrat (1) nach dem Eindringen der Kunststoff-Verschließ-Masse (7) in die Risse (5) zum Aushärten oder Polymerisieren der Kunststoff-VerschließMasse (7) abgekühlt wird, beispielsweise auf Umgebungstemperatur.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor und/oder während des Einbringens der Kunststoff-Verschließ-Masse (7) in die Risse (5) diese durch eine wenigstens einmalige Beaufschlagung des Metall-Keramik-Substrates mit einem wenigstens einmaligen Temperaturzyklus zwischen einer reduzierten und einer erhöhten Temperatur geöffnet werden, beispielsweise mit einem wenigstens einmaligen Temperaturzyklus zwischen einer Temperatur deutlich unter Raumtemperatur und einer Temperatur über 100°C, z. B. mit einem wenigstens einmaligen Temperaturzyklus zwischen einer Temperatur von –50°C und einer Temperatur von +150°C.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung einer Kunststoff-Verschließ-Masse (7) mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten der größer ist als der thermische Ausdehnungskoeffizient der Keramik der Keramikschicht (2).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Metallisierung (3, 4) an wenigstens einem Rand mit einer Randabschwächung, beispielsweise durch Einbringen von Vertiefungen (8) und/oder durch eine Stufenätzung versehen werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbinden der wenigstens einen Metallisierung mit der Keramikschicht (2) durch DMB-Bonden, durch Aktivlöten oder Kleben erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die wenigstens eine Metallisierung (3, 4) oder für Bereiche der Metallisierung (3.1, 3.2) Kupfer, Aluminium, Silber, Nickel oder eine Legierung jeweils der vorgenannten Metalle verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Keramikschicht ein Keramikmaterial der nachstehenden Gruppe Al₂O₃, Si₃N₄, AlN oder eine Mischkeramik, beispielsweise Al₂O₃-ZrO₂ verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Keramikschicht (2) eine solche mit einer Dicke im Bereich zwischen 0,2 mm und 2 mm verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoff-Verschließ-Masse in Ätzgräben (6) zwischen den Bereichen (3.1, 3.2) der Metallisierung eingebracht wird, und dass die Atzgräben (6) hierfür seitlich durch Barrieren (9) verschlossen werden.
Metall-Keramik-Substrat mit einer Keramikschicht (2), mit wenigstens einer ersten Metallisierung (3) an einer ersten Oberflächenseite der Keramikschicht (2) und mit wenigstens einer zweiten Metallisierung (4) an einer zweiten Oberflächenseite der Keramikschicht (2), wobei Risse (5), die an einer Seite der Keramikschicht am Rand der wenigstens einer Metallisierung (3) zwischen der Keramikschicht (2) und dem Metall der wenigstens einen Metallisierung (3) vorhanden sind und/oder sich am Rand der wenigstens einer Metallisierung (3) in die Keramik der Keramikschicht (2) hineinerstrecken mit einer aushärtbaren oder polymerisierbaren Kunststoff-Verschließ-Masse (7) ausgefüllt sind, dadurch gekennzeichnet, dass an beiden Seiten der Keramikschicht (2) die Risse (5) mit der Kunststoff-Verschließ-Masse (7) ausgefüllt sind, und dass die Kunststoff-Verschließ-Masse (7) ausschließlich die Risse (5) ausfüllt.