DE102012110322A1

DE102012110322A1 - Metall-Keramik-Substrat sowie Verfahren zum Herstellen eines Metall-Keramik-Substrates

Info

Publication number: DE102012110322A1
Application number: DE102012110322.4A
Authority: DE
Inventors: Karsten Schmidt; Andreas Meyer; Alexander Legath; Martina Schmirler
Original assignee: Curamik Electronics GmbH
Current assignee: Rogers Germany GmbH
Priority date: 2012-10-29
Filing date: 2012-10-29
Publication date: 2014-04-30
Anticipated expiration: 2032-10-30
Also published as: JP2015534280A; US9642247B2; EP2911994B1; TW201422562A; EP2911994A1; CN104755445B; KR102034335B1; HUE047369T2; DE102012110322B4; CN104755445A; DE202013012790U1; KR20150079836A; TWI586632B; WO2014067511A1; US20150230334A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Metall-Keramik-Substrat sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung umfassend zumindest eine Keramikschicht (2) mit einer ersten und zweiten Oberflächenseite (2a, 2b), die an zumindest einer der Oberflächenseiten (2a, 2b) mit einer Metallisierung (3, 4) versehen ist, wobei das die Keramikschicht (2) bildende Keramikmaterial Aluminiumoxid, Zirkoniumdioxid sowie Yttriumoxid enthält. Besonders vorteilhaft sind in der Keramikschicht (2) Aluminiumoxid, Zirkoniumdioxid sowie Yttriumoxid jeweils bezogen auf dessen Gesamtgewicht in folgenden Anteilen enthalten:
– Zirkoniumdioxid zwischen 2 und 15 Gewichtsprozent;
– Yttriumoxid zwischen 0,01 und 1 Gewichtsprozent und
– Aluminiumoxid zwischen 84 und 97 Gewichtsprozent,
wobei die durchschnittliche Korngröße des verwendeten Aluminiumoxides zwischen 2 und 8 Mikrometer beträgt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Metall-Keramik-Substrat gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Metall-Keramik-Substrates gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 11.
Metall-Keramik-Substrate in Form von Leiterplatten bestehend aus einer Isolierschicht aus Keramik, aus wenigstens einer mit einer der Oberflächenseiten der Isolierschicht aus Keramik verbundenen und zur Ausbildung von Leiterbahnen, Kontakten, Kontakt- oder Befestigungsbereichen strukturierten Metallisierung sind in verschiedensten Ausführungen bekannt.
Um die Schichtdicke der auf einer Keramikschicht aufgebrachten Metallisierungen zu reduzieren, ist eine Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit der Keramikschicht wünschenswert. Hierzu ist beispielsweise aus der DE 10 2004 012 231 B4 bereits ein metallisiertes Keramik-Substrat bekannt, bei dem zur Erzielung einer hohen mechanischen Festigkeit und einer hohen Wärmeleitfähigkeit die Keramikschicht aus einem Keramikmaterial mit einem Zirkoniumdioxidanteil hergestellt ist. Das Keramikmaterial enthält neben Aluminiumoxid (Al₂O₃) Zirkoniumdioxid (ZrO₂) sowie Yttriumoxid (Y₂O₃) und/oder Calciumoxid (CaO), wobei Al₂O₃, ZrO₂ sowie Y₂O₃ und/oder CaO in der Keramikschicht bezogen auf das Gesamtgewicht dieser Schicht in folgenden Anteilen enthalten sind:

– Al₂O₃ zwischen 91 und 97,96 Gewichtsprozent;
– ZrO₂ zwischen 2 und 9 Gewichtsprozent und
– Y₂O₃ und/oder CaO zwischen 0,04 und 1 Gewichtsprozent

Die Wärmeleitfähigkeit einer derartigen Keramikschicht beträgt zwischen 20 und 23 W/mK bei Raumtemperatur. Wünschenswert ist eine jedoch eine weitere Erhöhungen der Wärmeleitfähigkeit, und zwar unter Beibehaltung oder lediglich geringfügiger Verschlechterung der Biegebruchfestigkeit der Keramikschicht bzw. des metallisierten Keramik-Substrates.
Bekannt ist beispielsweise auch das sogenannte „DCB-Verfahren“ („Direct-Copper-Bonding“) zum Verbinden von Metallschichten oder -blechen, vorzugsweise Kupferblechen oder -folien mit einander und/oder mit Keramik oder Keramikschichten, und zwar unter Verwendung von Metall- bzw. Kupferblechen oder Metall- bzw. Kupferfolien, die an ihren Oberflächenseiten eine Schicht oder einen Überzug („Aufschmelzschicht“) aus einer chemischen Verbindung aus dem Metall und einem reaktiven Gas, bevorzugt Sauerstoff aufweisen. Bei diesem beispielsweise in der US-PS 37 44 120 oder in der DE-PS 23 19 854 beschriebenen Verfahren bildet diese Schicht oder dieser Überzug („Aufschmelzschicht“) ein Eutektikum mit einer Schmelztemperatur unter der Schmelztemperatur des Metalls (z.B. Kupfers), so dass durch Auflegen der Metall- bzw. Kupferfolie auf die Keramik und durch Erhitzen sämtlicher Schichten diese miteinander verbunden werden können, und zwar durch Aufschmelzen des Metalls bzw. Kupfers im wesentlichen nur im Bereich der Aufschmelzschicht bzw. Oxidschicht. Ein derartiges DCB-Verfahren weist dann beispielsweise folgende Verfahrensschritte auf:

– Oxidieren einer Kupferfolie derart, dass sich eine gleichmäßige Kupferoxidschicht ergibt;
– Auflegen des Kupferfolie mit der gleichmäßige Kupferoxidschicht auf die Keramikschicht;
– Erhitzen des Verbundes auf eine Prozesstemperatur zwischen etwa 1025 bis 1083°C, beispielsweise auf ca. 1071°C;
– Abkühlen auf Raumtemperatur.

Ferner ist aus den Druckschriften DE 22 13 115 und EP-A-153 618 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.
Ausgehend von dem voranstehend genannten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Metall-Keramik-Substrat als auch ein zugehöriges Verfahren zu dessen Herstellung aufzuzeigen, welches ein Keramikmaterial mit einem Zirkoniumdioxidanteil mit einer verbesserten Wärmeleitfähigkeit aufweist. Die Aufgabe wird durch ein Metall-Keramik-Substrat bzw. ein Verfahren zu dessen Herstellung gemäß der Patentansprüche 1 bzw. 11 gelöst.
Der wesentliche Aspekt des erfindungsgemäßen Metall-Keramik-Substrates ist darin zu sehen, dass Aluminiumoxid, Zirkoniumdioxid sowie Yttriumoxid in der Keramikschicht bezogen auf dessen Gesamtgewicht in folgenden Anteilen enthalten sind: Zirkoniumdioxid zwischen 2 und 15 Gewichtsprozent; Yttriumoxid zwischen 0,01 und 1 Gewichtsprozent und Aluminiumoxid zwischen 84 und 97 Gewichtsprozent, wobei die durchschnittliche Korngröße des verwendeten Aluminiumoxid zwischen 2 und 8 Mikrometer beträgt. Aufgrund der erfindungsgemäßen Keramikschicht mit einem Zirkoniumdioxidanteil zwischen 2 und 15 Gewichtsprozent sowie unter Verwendung von Aluminiumoxid mit einer durchschnittlichen Korngröße zwischen 2 und 8 Mikrometer konnte eine Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit um bis zu 10 Prozent erreicht werden. Besonders vorteilhaft weist die Keramikschicht eine Wärmeleitfähigkeit größer als 25 W/mK auf. Dadurch besteht die Möglichkeit der Reduzierung der Schichtdicke der Metallisierung abhängig vom Anwendungsfall auf bis zu 0,05 mm.
In einer vorteilhaften Ausführungsvariante der Erfindung beträgt der Anteil an Zirkoniumdioxid zwischen 2 und 10 Gewichtsprozent, der Anteil an Yttriumoxid zwischen 0,01 und 1 Gewichtsprozent und der Anteil an Aluminiumoxid zwischen 89 und 97 Gewichtsprozent. Durch die Reduzierung des Zirkoniumdioxidanteils auf unter 10 Gewichtsprozent und vorzugsweise gleichzeitiger Erhöhung der Sintertemperatur konnte eine weitere merkliche Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit festgestellt werden, wobei eine zu hohe Sintertemperatur zu einer Verminderung der Biegebruchfestigkeit führt.
Weiterhin vorteilhaft ist das Verhältnis aus der Länge der Korngrenzen der Aluminiumoxid Körner und der Gesamtlänge aller Korngrenzen größer als 0,6. Durch das beschriebene Verhältnis der Länge der Korngrenzen ergibt sich eine deutlich höhere Temperaturwechselbeständigkeit.
In einer Weiterbildung der Erfindung weist die Keramikschicht eine Biege-Bruch-Festigkeit größer 500 MPa auf.
In einer vorteilhaften Ausführungsvariante der Erfindung weist das Zirkoniumdioxid in der kristallinen Phase eine größtenteils tetragonale Kristallstruktur auf, wobei der Anteil der tetragonalen Kristallstruktur an der gesamten Kristallstruktur des Zirkoniumdioxid größer als 80% ist. Die Erhöhung der tetragonalen Kristallstruktur der Kristallphasen und ein damit verbundenes Austreiben der Glasphasen aus der Keramik bewirkt ebenfalls eine Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist das erfindungsgemäße Metall-Keramik-Substrat beispielsweise derart ausgebildet,
dass die Keramikschicht eine Schichtdicke zwischen 0,1 mm und 1,0 mm, vorzugsweise zwischen 0,2 mm und 0,5 mm aufweist,
und/oder
dass die Metallisierung eine Schichtdicke zwischen 0,05 mm und 1,2 mm, vorzugsweise zwischen 0,1 mm und 0,5 mm aufweist
und/oder
dass die Metallisierung zur Ausbildung von Kontakt- oder Bondflächen strukturiert ist,
und/oder
dass die Metallisierung durch eine Folie oder Schicht aus Kupfer oder einer Kupferlegierung und/oder aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gebildet ist,
wobei die vorgenannten Merkmale jeweils einzeln oder in beliebiger Kombination Verwendung finden können.
Ebenfalls ist Gegenstand der Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Metall-Keramik-Substrates umfassend zumindest eine Keramikschicht mit einer ersten und zweiten Oberflächenseite, bei der zumindest eine der Oberflächenseiten mit mindestens einer Metallisierung verbunden wird, wobei die Keramikschicht aus einem Keramikmaterial umfassend Aluminiumoxid, Zirkoniumdioxid sowie Yttriumoxid hergestellt wird. Erfindungsgemäß werden zur Herstellung der Keramikschicht folgende Anteile an Aluminiumoxid, Zirkoniumdioxid sowie Yttriumoxid bezogen auf das Gesamtgewicht der Keramikschicht verwendet: Zirkoniumdioxid zwischen 2 und 15 Gewichtsprozent; Yttriumoxid zwischen 0,01 und 1 Gewichtsprozent und Aluminiumoxid zwischen 84 und 97 Gewichtsprozent, wobei die durchschnittliche Korngröße des verwendeten Aluminiumoxides zwischen 2 und 8 Mikrometer beträgt.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist beispielsweise derart weitergebildet,
dass bei Ausbildung der zumindest einen Metallisierung in Form einer Folie oder Schicht aus Kupfer oder einer Kupferlegierung die Metallisierung mit Keramikschicht mit Hilfe eines „Direct-Copper-Bonding“-Verfahrens oder eines Aktivlötverfahrens 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, verbunden wird
und/oder
dass bei Ausbildung der zumindest einen Metallisierung in Form einer Folie oder Schicht aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung die Metallisierung und die Keramikschicht 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, miteinander verbunden werden,
wobei die vorgenannten Merkmale jeweils einzeln oder Kombination Verwendung finden können.
Weiterhin vorteilhaft ist das erfindungsgemäße Verfahren derart ausgebildet,
dass das Verhältnis aus der Länge der Korngrenzen der Aluminiumoxid Körner und der Gesamtlänge aller Korngrenzen größer als 0,6 gewählt wird
und/oder
dass zur Herstellung der Keramikschicht Zirkoniumdioxid verwendet wird, welches in der kristallinen Phase eine größtenteils tetragonale Kristallstruktur aufweist, wobei der Anteil der tetragonalen Kristallstruktur an der gesamten Kristallstruktur des Zirkoniumdioxides größer als 80 Prozent ist,
wobei die vorgenannten Merkmale wiederum einzeln oder in Kombination Verwendung finden können.
Die Ausdrucke „näherungsweise“, „im Wesentlichen“ oder „etwa“ bedeuten im Sinne der Erfindung Abweichungen vom jeweils exakten Wert um +/–10%, bevorzugt um +/–5% und/oder Abweichungen in Form von für die Funktion unbedeutenden Änderungen.
Weiterbildungen, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und aus den Figuren. Dabei sind alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination grundsätzlich Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung. Auch wird der Inhalt der Ansprüche zu einem Bestandteil der Beschreibung gemacht.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine vereinfachte Schnittdarstellung durch ein erfindungsgemäßes Metall-Keramik-Substrat mit einer Metallisierung und
2 eine vereinfachte Schnittdarstellung durch ein erfindungsgemäßes Metall-Keramik-Substrat mit zwei Metallisierungen
3 eine vereinfachte Schnittdarstellung einer alternative Ausführungsform des Metall-Keramik-Substrat gemäß 2 mit zwei Metallisierungen und
4 in einem Diagramm den Verlauf der Wärmeleitfähigkeit einer herkömmlichen Keramikschicht und der beim erfindungsgemäßen Metall-Keramik-Substrates verwendeten Keramikschicht mit unterschiedlichen Zirkonoxidanteilen über der Temperatur.
1 zeigt in vereinfachter Darstellung einen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Metall-Keramik-Substrat 1 umfassend zumindest eine Keramikschicht 2 mit zwei gegenüberliegenden Oberflächenseiten, und zwar einer ersten und zweiten Oberflächenseite 2a, 2b.
Das erfindungsgemäße Metall-Keramik-Substrat 1 gemäß 1 ist mit mindestens einer Metallisierung 3 versehen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die erste Oberflächenseite 2a mit einer ersten Metallisierung 3 und die der ersten Oberflächenseite 2a gegenüberliegende zweite Oberflächenseite 2b weist keine Metallisierung auf.
2 und 3 zeigen zwei alternative Ausführungsvarianten eines erfindungsgemäße Metall-Keramik-Substrat 1, bei denen die erste Oberflächenseite 2a mit einer ersten Metallisierung 3 und die der ersten Oberflächenseite 2a gegenüberliegende zweite Oberflächenseite 2b mit einer zweiten Metallisierung 4 versehen ist.
Die erste und/oder zweite Metallisierungen 3, 4 sind vorzugsweise strukturiert ausgebildet, d.h. bildet mehrere Kontaktbereiche bzw. Kontaktflächen zum Anschluss von elektronischen Bauelementen aus. 1 und 2 zeigen beispielhaft jeweils eine strukturierte erste Metallisierung 3 und 3 eine strukturierte erste und zweite Metallisierung 3, 4.
Derartige Metall-Keramik-Substrate 1 dienen in bekannter Weise als Leiterplatten für elektrische oder elektronische Schaltungen oder Schaltungsmodule, insbesondere für Leistungsschaltungen. Hierbei wird die Strukturierung der Metallisierungen 3, 4 mit den üblichen Techniken wie beispielsweise Maskierungs- und Ätztechnologien erstellt.
Erfindungsgemäß umfasst das zur Herstellung der Keramikschicht 2 des Metall-Keramik-Substrates 1 verwendete Keramikmaterial Aluminiumoxid (Al₂O₃), Zirkoniumdioxid (ZrO₂) sowie Yttriumoxid (Y₂O₃). In der Keramikschicht 2 sind Aluminiumoxid, Zirkoniumdioxid sowie Yttriumoxid bezogen auf das das Gesamtgewicht der Keramikschicht 2 in folgenden Anteilen enthalten:

– Zirkoniumdioxid zwischen 2 und 15 Gewichtsprozent;
– Yttriumoxid zwischen 0,01 und 1 Gewichtsprozent und
– Aluminiumoxid zwischen 84 und 97 Gewichtsprozent.

Die durchschnittliche Korngröße des verwendeten Aluminiumoxides beträgt hierbei zwischen 2 und 8 Mikrometer. Eine noch verbesserte Wärmeleitfähigkeit ergibt sich insbesondere bei einer Zusammensetzung mit folgenden Anteilen:

– Zirkoniumdioxid zwischen 2 und 10 Gewichtsprozent;
– Yttriumoxid zwischen 0,01 und 1 Gewichtsprozent und
– Aluminiumoxid zwischen 89 und 97 Gewichtsprozent.

Die Keramikschicht 2 weist eine Kristallstruktur auf, d.h. besteht aus einer Vielzahl von Kristalliten bzw. Körnern, welche unmittelbar aneinander angrenzen. Kristalliten bzw. Körner unterschiedlicher Ausrichtung, jedoch ansonsten identischer Kristallstruktur sind mittels so genannter Korngrenzen voneinander getrennt. Ist das Verhältnis aus der Länge der Korngrenzen der Aluminiumoxid Körner und der Gesamtlänge der Korngrenzen der Körner aller Anteile größer als 0,6 gewählt, so ergibt sich eine deutliche Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit. Die Wärmeleitfähigkeit der Keramikschicht 2 ist vorzugsweise größer als 25 W/mK, d.h. es ergibt sich im Vergleich zu bekannten Keramikschichten 2 mit einem Zirkoniumdioxid-Anteil eine Erhöhung von 8 bis 10 Prozent.
Vorzugsweise weist das verwendete Zirkoniumdioxid in der kristallinen Phase eine größtenteils tetragonale Kristallstruktur auf, wobei der Anteil der tetragonalen Kristallstruktur an der gesamten Kristallstruktur des Zirkoniumdioxid größer als 80 Prozent ist.
Die Keramikschicht 2 weist ferner eine Schichtdicke zwischen 0,1 mm und 1,0 mm, vorzugsweise zwischen 0,2 mm und 0,5 mm auf, wobei die Biege-Bruch-Festigkeit der Keramikschicht 2 beispielsweise größer als 500 MPa gewählt ist.
Die Metallisierung 3, 4 sind beispielsweise durch eine Folie oder Schicht aus Kupfer oder einer Kupferlegierung und/oder aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gebildet ist, d.h. es sind auch Kombinationen einer Kupfer bzw. Kupferlegierung und einer Aluminium bzw. Aluminiumlegierung denkbar. Hierbei beträgt die Schichtdicke der Metallisierung 3, 4 zwischen 0,05 mm und 1,2 mm, vorzugsweise zwischen 0,1 mm und 0,5 mm.
Unter Berücksichtigung der für die Keramikschicht 2 und die Metallisierungen 3, 4 verwendeten Materialien eignen sich für das flächige Verbinden der Keramikschicht 2 mit der ersten bzw. zweiten Metallisierung 3, 4 unterschiedliche Verfahren.
So wird eine in Form einer Folie oder Schicht aus Kupfer oder einer Kupferlegierung gebildete Metallisierung 3, 4 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. Alternativ kann die flächige Verbindung der Keramikschicht unter Verwendung des DCB-Verfahrens oder mit Hilfe des Aktivlötverfahrens erfolgen.
Eine aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung hergestellte Metallisierung 3, 4 wird 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, mit der Keramikschicht 2 verbunden.
In 4 ist beispielhaft in einem Diagramm der Verlauf der Wärmeleitfähigkeit in W/mK einer herkömmlichen Keramikschicht gemäß dem Stand der Technik und der beim erfindungsgemäßen Metall-Keramik-Substrates verwendeten Keramikschicht 2 mit unterschiedlichen Zirkonoxidanteilen, und zwar einer Keramikschicht mit einem ZrO₂-Anteil von 5%, einer Keramikschicht mit einem ZrO₂-Anteil von 7% und einer Keramikschicht mit einem ZrO₂-Anteil von 9% über der Temperatur in °C dargestellt. Daraus ist ersichtlich, dass die Wärmeleitfähigkeit bei Raumtemperatur von ca. 24 °C über 25 W/mK beträgt und sich somit eine Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit um 8–10 % ergibt.
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
2a: erste Oberflächenseite
2b: zweite Oberflächenseite
3: erste Metallisierung
4: zweite Metallisierung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102004012231 B4 [0003]
US 3744120 [0005]
DE 2319854 [0005]
DE 2213115 [0006]
EP 153618 A [0006]

Claims

Metall-Keramik-Substrat umfassend zumindest eine Keramikschicht (2) mit einer ersten und zweiten Oberflächenseite (2a, 2b), die an zumindest einer der Oberflächenseiten (2a, 2b) mit einer Metallisierung (3, 4) versehen ist, wobei das die Keramikschicht (2) bildende Keramikmaterial Aluminiumoxid, Zirkoniumdioxid sowie Yttriumoxid enthält, dadurch gekennzeichnet, dass Aluminiumoxid, Zirkoniumdioxid sowie Yttriumoxid in der Keramikschicht (2) bezogen auf dessen Gesamtgewicht in folgenden Anteilen enthalten sind: – Zirkoniumdioxid zwischen 2 und 15 Gewichtsprozent; – Yttriumoxid zwischen 0,01 und 1 Gewichtsprozent und – Aluminiumoxid zwischen 84 und 97 Gewichtsprozent, wobei die durchschnittliche Korngröße des verwendeten Aluminiumoxides zwischen 2 und 8 Mikrometer beträgt.
Metall-Keramik-Substrat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Aluminiumoxid, Zirkoniumdioxid sowie Yttriumoxid in der Keramikschicht (2) bezogen auf das dessen Gesamtgewicht in folgenden Anteilen enthalten sind: – Zirkoniumdioxid zwischen 2 und 10 Gewichtsprozent; – Yttriumoxid zwischen 0,01 und 1 Gewichtsprozent und – Aluminiumoxid zwischen 89 und 97 Gewichtsprozent beträgt.
Metall-Keramik-Substrat nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis aus der Länge der Korngrenzen der Aluminiumoxid Körner und der Gesamtlänge aller Korngrenzen größer als 0,6 ist.
Metall-Keramik-Substrat nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramikschicht (2) eine Wärmeleitfähigkeit größer als 25 W/mK aufweist.
Metall-Keramik-Substrat nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramikschicht (2) eine Biege-Bruch-Festigkeit größer 500 MPa aufweist.
Metall-Keramik-Substrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramikschicht (2) eine Schichtdicke zwischen 0,1 mm und 1,0 mm, vorzugsweise zwischen 0,2 mm und 0,5 mm aufweist.
Metall-Keramik-Substrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Zirkoniumdioxid in der kristallinen Phase eine größtenteils tetragonale Kristallstruktur aufweist, wobei der Anteil der tetragonalen Kristallstruktur an der gesamten Kristallstruktur des Zirkoniumdioxid größer als 80 Prozent ist.
Metall-Keramik-Substrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallisierung (3) eine Schichtdicke zwischen 0,05 mm und 1,2 mm, vorzugsweise zwischen 0,1 mm und 0,5 mm aufweist.
Metall-Keramik-Substrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallisierung (3) zur Ausbildung von Kontakt- oder Bondflächen strukturiert ist.
Metall-Keramik-Substrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallisierung (3, 4) durch eine Folie oder Schicht aus Kupfer oder einer Kupferlegierung und/oder aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gebildet ist.
Verfahren zum Herstellen eines Metall-Keramik-Substrates (2) umfassend zumindest eine Keramikschicht (2) mit einer ersten und zweiten Oberflächenseite (2a, 2b), bei der zumindest eine der Oberflächenseiten (2a, 2b) mit mindestens einer Metallisierung (4) flächig verbunden wird, wobei die Keramikschicht (2) aus einem Keramikmaterial umfassend Aluminiumoxid, Zirkoniumdioxid sowie Yttriumoxid hergestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung der Keramikschicht (2) folgende Anteile an Aluminiumoxid, Zirkoniumdioxid sowie Yttriumoxid bezogen auf das Gesamtgewicht der Keramikschicht (2) verwendet werden: – Zirkoniumdioxid zwischen 2 und 15 Gewichtsprozent; – Yttriumoxid zwischen 0,01 und 1 Gewichtsprozent und – Aluminiumoxid zwischen 84 und 97 Gewichtsprozent, wobei die durchschnittliche Korngröße des verwendeten Aluminiumoxides zwischen 2 und 8 Mikrometer beträgt.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass bei Ausbildung der zumindest einen Metallisierung (3, 4) in Form einer Folie oder Schicht aus Kupfer oder einer Kupferlegierung die Metallisierung (3, 4) mit Keramikschicht (2) mit Hilfe eines „Direct-Copper-Bonding“-Verfahrens oder eines Aktivlötverfahrens 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, verbunden wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass bei Ausbildung der zumindest eine Metallisierung (3, 4) in Form einer Folie oder Schicht aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung die Metallisierung (3, 4) und die Keramikschicht (2) 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, miteinander verbunden werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis aus der Länge der Korngrenzen der Aluminiumoxid Körner und der Gesamtlänge aller Korngrenzen größer als 0,6 gewählt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung der Keramikschicht (2) Zirkoniumdioxid verwendet wird, welches in der kristallinen Phase eine größtenteils tetragonale Kristallstruktur aufweist, wobei der Anteil der tetragonalen Kristallstruktur an der gesamten Kristallstruktur des Zirkoniumdioxides größer als 80 Prozent ist.