DE102013013842A1

DE102013013842A1 - Verfahren zum Herstellen von Metall-Keramik-Substraten sowie Metall-Keramik-Substrat

Info

Publication number: DE102013013842A1
Application number: DE201310013842
Authority: DE
Inventors: Jürgen Schulz-Harder; Xinhe Tang
Original assignee: Rogers Germany GmbH
Current assignee: Rogers Germany GmbH
Priority date: 2013-08-20
Filing date: 2013-08-20
Publication date: 2015-02-26
Anticipated expiration: 2033-08-21
Also published as: WO2015024541A1; DE102013013842B4

Abstract

Verfahren zum Herstellen von Metall-Keramik-Substraten mit einer Keramikschicht und mit wenigstens einer Metallisierung und/oder mit wenigstens eine strukturierte Metallisierung bildenden Metallbereichen an wenigstens einer Oberflächenseite der Keramikschicht.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß Oberbegriff Patentanspruch 1 sowie auf ein Metall-Keramik-Substrat gemäß Oberbegriff Patentanspruch 26.
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-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), 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 2213115 ; EP-A-153 618 ) 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.
Es wurde bereits versucht, ( DE 43 18 241 ) 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.
Vorgeschlagen wurde auch bereits ( DE 10 2010 024 520 A1 ), in Ätzgräben zwischen Metallbereichen einer strukturierten Metallisierung von Metall-Keramik-Substraten ein polymeres Material als Verschließ- und/oder Verpress-Masse zum Verschließen von Rissen zwischen der Metallisierung und der Keramik einzubringen. Angestrebt wird hierbei speziell, dass das polymere Material zugleich die Metallbereiche an ihren Rändern oder Randbereichen vollständig abdeckt und hierfür bis an die der Keramikschicht abgewandte Außenseite der jeweiligen Metallisierung reicht. Es lässt sich dabei allerdings nicht verhindern, dass auch Teilbereiche der Außenseiten der Metallisierungen zumindest von Resten des polymeren Materials bedeckt werden, was dann u. a. das Bonden von Bauelementen, z. B. durch Löten, das Aufbringen von metallischen Oberflächenbeschichtungen auf die Metallisierungen usw. behindert.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Herstellen von Metall-Keramik-Substraten aufzuzeigen, mit dem die Nachteile, die sich aus vorhandenen Rissen zwischen der Metallisierung und der Keramik sowie innerhalb der Keramik ergeben, wirksam vermieden werden, und zwar ohne dass sich durch die Verschließ- und/oder Verpress-Masse Nachteile bei der Verwendung und/oder weiteren Bearbeitung des jeweiligen Metall-Keramik-Substrates 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 26.
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.
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 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 in vergrößerter Teildarstellung und im Schnitt das Metall-Keramik-Substrat im Bereich eines Ätzgrabens einer oberen Metallisierung nach dem Aufbringen einer Verschließ- und/oder Verpress-Masse;
7 eine Draufsicht auf ein Mehrfachsubstrat;
8 in vergrößerter Teildarstellung und im Schnitt das Mehrfachsubstrat im Bereich eines Ätzgrabens einer oberen Metallisierung nach dem Aufbringen einer Verpress-Masse.
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 Metallbereiche 3.1 bildet, sowie eine in der 1 untere Metallisierung 4. Die Metallisierungen 3 und 4 bzw. die Metallbereiche 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 Metallbereiche 3.1. Mit 5 sind dort schematisch Risse (Mikrorisse) angedeutet, die sich am Rand der Metallisierung 3 und 4 bzw. der Metallbereiche 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 Metallbereiche 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 Verschließ- und/oder Verpress-Masse 7 (Kunststoff-Verschließ- und/oder Verpress-Masse) 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.
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.
Als Verschließ- und/oder Verpress-Masse 7 oder als polymeres Material dieser Masse 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 Verschließ- und/oder Verpress-Massen 7 sind beispielsweise solche auf Polyamid-Basis oder Epoxyharz-Basis. Bevorzugt ist der thermischen Ausdehnungskoeffizient der Verschließ- und/oder Verpress-Masse 7 größer als der thermische Ausdehnungskoeffizient des Metalls der Metallisierungen 3 und 4 und größer ist 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 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 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.
Bevorzugt wird als Verschließ- und/oder Verpress-Masse 7 eine Kunststofflösung verwendet, die in einem Lösungsmittel das zum Verschließen bzw. Verpressen der Risse dienende polymere Material enthält. Insbesondere bei Verwendung von Epoxyharz eignet sich als Lösungsmittel beispielsweise Butylrolacton. Aber auch andere Lösungsmittel sind geeignet, sofern sie leicht abdampfbar sind und keine chemische Reaktion mit dem jeweiligen Kunststoff oder polymeren Material eingehen.
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 sowie die Metallbereiche 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 d_c der Metallisierungen 3 und 4 sowie der Metallbereiche 3.1 liegt beispielsweise im Bereich zwischen 0,1 mm und 1,5 mm. Die Dicke d der Keramikschicht 2 liegt beispielsweise im Bereich zwischen 0,2 mm und 2 mm.
Weitere Details von Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Verfahrens weden nachfolgend im Zusammenhang mit den 3–5 beschrieben:
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 Metallbereiche 3.1 bildenden strukturierten Metallisierung 3 versehen ist. Im Anschluss daran wird entsprechend der Position c) seitlich von den Metallbereichen 3.1 und insbesondere aber auch in den Ätzgräben 6, die beim Strukturieren der Metallisierung 3 zwischen den Metallbereichen 3.1 entstanden sind, ein die Verschließ- und/oder Verpress-Masse 7 aufgebracht, und zwar auf die jeweils freiliegende Keramik der Keramikschicht 2. In einem weiteren Verfahrensschritt wird die fließfähige 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 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 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 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. Der einfacheren Darstellung wegen ist in den Positionen c)–e) die Metallisierung 4 nicht gezeigt.
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 Metallbereiche 3.1, und vor dem Aufbringen der 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 Verschließ- und/oder Verpress-Masse 7 auf die freiliegende Keramik der Keramikschicht 2 im Bereich der Ränder der Metallisierungen 3 und 4 bzw. der Metallbereiche 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 Verschließ- und/oder Verpress-Masse 7 durch die seitlichen Metallbereiche 3.1 an einem Abfließen zusätzlich gehindert wird. Die Verschließ- und/oder Verpress-Masse 7 fließt dabei durch Kapillarwirkung in die Risse 5. Weiterhin kann es auch zweckmäßig sein, nach dem Aufbringen der 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 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 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 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 sowie die Metallbereiche 3.1 beispielsweise vorsorglich 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 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 sowie Metallbereiche 3.1 außerhalb der Risse 5 eine Restmenge an Verschließ- und/oder Verpress-Masse 7 verbleibt, und zwar mit einer Dicke, die größer ist als die Dicke der Verschließ- und/oder Verpress-Masse 7 an den freiliegenden Oberflächenseiten der Metallisierungen 3 und 4 bzw. Metallbereiche 3.1. Bei der Reinigung der Metallisierungen 3 und 4 bzw. der Metallbereiche 3.1 wird dann allenfalls diese Restmenge abgetragen, ohne dass die 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 sowie der Metallbereiche 3.1 vor dem Aufbringen der Verschließ- und/oder Verpress-Masse 7 mit einer Trennschicht zu versehen, die zusammen mit der ausgehärteten 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 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. Der einfacheren Darstellung wegen ist in den Positionen c) und d) die Metallisierung 4 nicht gezeigt. 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 Metallbereiche 3.1 und dabei wiederum insbesondere auch im Bereich der Ätzgräben 6 die 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 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 Verschließ- und/oder Verpress-Masse 7 in die Risse 5, sodass diese vollständig mit der 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 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 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 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 und der Metallbereiche 3.1 einfach entfernt werden kann, und zwar z. B. durch Abbürsten, Abwischen usw.
Das Verschließen oder Verpressen der Risse 5 erfolgt bei allen Ausführungen der Erfindung grundsätzlich so, dass nach dem Verschließen oder Verpressen die Verschließ- und/oder Verpress-Masse ausschließlich in den Rissen 5 aufgenommen und der Randbereich 3.1.1 bzw. 4.1 der Metallisierung und dabei insbesondere auch die jeweilige der Keramikschicht 2 abgewandte Oberflächen- oder Außenseite der Metallisierungen 3.1 und 4 von der Verschließ- und/oder Verpress-Masse freigehalten ist bzw. nach dem Verschließen oder Verpressen allenfalls ein vernachlässigbar kleiner Teil der Randbereiche 3.1.1 bzw. 4.1 von Verschließ- und/oder Verpress-Masse abgedeckt ist, d. h. ausgehend von der Keramikschicht 2 maximal 10% der Höhe oder Dicke d_c der Metallisierungen 3.1. Nur hierdurch ist gewährleistet, dass auch durch Adhäsions- oder Kapillarwirkung keine Verschließ- und/oder Verpress-Masse insbesondere auf die der Keramikschicht 2 abgewandte Oberflächenseiten der Metallisierungen 3.1 und 4 gelangt und so ein durch die Verschließ- und/oder Verpress-Masse ungestörtes Verbinden der Metallisierungen 3.1 und 4 mit Bauteilen, z. B. der Metallisierungen 3.1 mit elektronischen Bauelementen und der Metallisierung 4 mit einem Kühler usw., und/oder ein durch die Verschließ- und/oder Verpress-Masse ungestörtes Aufbringen von metallischen Oberflächenschichten, z. B. aus Silber, Nickel und/oder Gold auf die Metallisierungen 3, 3.1 und 4 möglich ist.
Um dies zu erreichen, wird die Verschließ- und/oder Verpress-Masse 7 so bzw. mit einer solchen Menge auf die freiliegende Oberfläche der Keramikschicht 2, beispielsweise in den Ätzgraben 6 zwischen zwei Metallbereichen 3.1 derart eingebracht, dass die flüssige oder verflüssigte Verschließ- und/oder Verpress-Masse 7 nach dem Aufbringen an dem jeweiligen Randbereich 3.1.1 bzw. 4.1 durch Adhäsions- bzw. Kapillarwirkung eine maximale Höhe oder Dicke dv_max, die höchstens 50% der Dicke d_c ist, und in der Mitte oder etwa in der Mitte zwischen zwei Metallbereichen 3.1 eine Dicke dv_min von 20 μm–100 μm aufweist. Die Dicke dv_min ist dabei abhängig von der Viskosität der Verschließ- und/oder Verpress-Masse 7 bzw. von dem Kunststoffanteil in der als Verschließ- und/oder Verpress-Masse 7 verwendeten Kunststofflösung.
So ist die Dicke dv_min umgekehrt proportional zum Anteil des Kunststoffs in der als Verschließ- und/oder Verpressmasse verwendeten Kunststofflösung, d. h. bei einem geringen Anteil an Kunststoff in dieser Lösung ist die Dicke dv_min kleiner als bei einem höheren Anteil in der Kunststofflösung. So liegt die Dicke dv_min bei einem Kunststoffanteil von 10 Gewichtsprozent im Bereich zwischen 20 μm und 40 μm und bei einem Kunststoffanteil von 50 Gewichtsprozent im Bereich zwischen 80 μm und 100 μm.
Um ein zuverlässiges Verschließen der Risse 7 bei geringem Druck, insbesondere auch bei Umgebungsdruck zu erreichen, liegt der Anteil an Kunststoff in der Kunststofflösung generell im Bereich zwischen 2,5 Gewichtsprozent bis 70 Gewichtsprozent.
Das Aufbringen der flüssigen Verschließ- und/oder Verpressmasse 7 oder der diese Verschließ- und/oder Verpressmasse 7 bildenden Kunststofflösung erfolgt beispielsweise punktförmig entlang des jeweiligen Randbereichs 3.1.1 bzw. 4.1, beispielsweise unter Verwendung eines pipettenartigen Applikators, wobei sich die Verschließ- und/oder Verpressmasse 7 bzw. die Kunststofflösung dann entlang des jeweiligen Randbereichs 3.1.1 bzw. 4.1 auf der freiliegenden Fläche der Keramikschicht 2 verteilt.
Die 7 zeigt in Draufsicht ein Metall-Keramik-Substrat 1 in Form eines Mehrfachsubstrates mit großformatiger Keramikschicht 2, mit den Metallbereichen 3.1 und mit zusätzlichen randseitigen Metallbereichen 3.2, die ebenso wie die Metallbereiche 3.1 durch Strukturieren einer DMB-gebondeten Metallisierung (Metallfolie) erzeugt sind. Mit 10 sind in der 7 Sollbruchlinien bezeichnet, die in die Keramikschicht 2 zwischen den Metallbereichen 3.1 und 3.2 eingebracht sind, um das Mehrfachsubstrat 1 in die die Metallbereiche 3.1 aufweisenden Einzelsubstrate durch Brechen trennen zu können. Die Sollbruchlinien 10 sind beispielsweise in die Keramikschicht 2 als durchgehende oder unterbrochene Gräben oder Nuten mittels eines Laserstrahls eingebracht.
Zwischen den randseitigen Metallbereichen 3.2 im Bereich der Ecken des Metall-Keramik-Substrates 1 sind Barrieren 9 vorgesehen, die dort die Ätzgräben 6 zwischen den Metallbereichen 3.1 und 3.2 seitlich verschließen, eine der Dicke der Metallbereiche 3.1 und 3.2 entsprechende Höhe aufweisen und dadurch eine seitliches Wegfließen der in die Ätzgräben 6 eingebrachten 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 Metallbereiche 3.2 von einander getrennt sind, sind die Barrieren 9 leicht 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.
Das Auf- oder Verfüllen oder Verpressen der Risse 5 erfolgt auch bei dieser Ausführungsform wieder so, dass nach dem Verpressen die Verpress-Masse ausschließlich in den Rissen 5 aufgenommen ist und insbesondere der Randbereich 3.1.1 bzw. 4.1 der Metallisierungen 3.1 und 4 und vor allem auch die jeweilige der Keramikschicht 2 abgewandte Oberflächenseite der Metallisierungen 3.1 und 4 von der Verpress-Masse freigehalten ist bzw. nach dem Verpressen allenfalls ein vernachlässigbar kleiner Teil der Randbereiche 3.1.1 bzw. 4.1 von Verpress-Masse abgedeckt ist, d. h. ausgehend von der Keramikschicht 2 maximal 10% der Höhe oder Dicke d_c der Metallisierungen 3.1. Nur hierdurch ist wieder gewährleistet, dass auch durch Adhäsions- oder Kapillarwirkung keine Verpress-Masse insbesondere auf die der Keramikschicht 2 abgewandte Oberflächenseiten der Metallisierungen 3.1 und 4 gelangt und so ein durch die Verpress-Masse ungestörtes Verbinden der Metallisierungen 3.1 und 4 der Einzelsubstrate mit Bauteilen, z. B. der Metallisierungen 3.1 mit elektronischen Bauelementen und der Metallisierungen 4 mit Kühlern usw. und/oder ein durch die Verpress-Masse ungestörtes Aufbringen von metallischen Oberflächenschichten, z. B. aus Silber, Nickel und/oder Gold auf die Metallisierungen 3.1 und 4 möglich ist.
Um dies zu erreichen, wird die Verschließ- und/oder Verpress-Masse 7 auch bei dem Mehrfachsubstrat 1 so bzw. mit einer solchen Menge auf die freiliegende Oberfläche der Keramikschicht 2, beispielsweise in den Ätzgraben 6 zwischen zwei Metallbereichen 3.1 oder 3.1/3.2 derart eingebracht, dass die flüssige oder verflüssigte Verschließ- und/oder Verpress-Masse 7 nach dem Aufbringen an dem Randbereich 3.1.1 der Metallbereiche 3.1 jeweiligen durch Adhäsions- bzw. Kapillarwirkung eine maximale Höhe oder Dicke dv_max, die höchstens 50% der Dicke d_c dieser Bereiche ist, und in der Mitte oder etwa in der Mitte zwischen zwei Metallbereichen 3.1 eine Dicke dv_min von 20 μm–100 μm aufweist. Die Dicke dv_min ist dabei abhängig von der Viskosität der Verschließ- und/oder Verpress-Masse 7 bzw. von dem Kunststoffanteil in der als Verschließ- und/oder Verpress-Masse 7 verwendeten Kunststofflösung.
Das Aufbringen der Verschließ- und/oder Verpressmasse 7 oder der diese Masse bildenden Kunststofflösung erfolgt auch bei dieser Ausführungsform wiederum beispielsweise punktförmig unter Verwendung eines pipettenartigen Applikators, und zwar in den Ätzgräben 6 und dabei bevorzugt an Eckbereichen oder Ecken der Metallbereiche 3.1, und zwar beispielsweise vor dem Einbringen der Sollbruchlinien 10, so dass sich die Verschließ- und/oder Verpress-Masse wiederum entlang der Ätzgräben 6 verteilt und dann beim Einbringen der Sollbruchlinien 10 durch den hierbei verwendeten Laserstrahl entlang der jeweiligen Sollbruchlinie 10 entfernt wird.
Das Aufbringen der Verschließ- und/oder Verpressmasse 7 erfolgt aber bevorzugt nach dem Einbringen der Sollbruchlinien 10 mit dem Vorteil, dass dann nicht nur ein Verdampfen von Kunststoff und ein evtl. Verschmutzen von benachbarten Metallbereichen durch sich niederschlagenden Kunststoff-Dampf vermieden wird, sondern mit der Verschließ- und/oder Verpressmasse 7 auch bei der Erzeugung der Sollbruchlinien 10 eventuell entstandene Risse in der Keramikschicht 2 mit dem Kunststoff der Verschließ- und/oder Verpressmasse verschlossen werden.
Bei allen vorgenannten Verfahren kann es weiterhin zweckmäßig sein, die Risse 5 vor dem Einbringen der 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.
Zur Unterstützung der Wirkung, die mit dem Verschließen oder Verpressen der Risse 5 erreicht wird, kann es auch zweckmäßig sein, die Metallisierungen 3 und 4 sowie die Metallbereiche 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 und der Metallbereiche 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 Metallbereiche 3.1 von Metallfolien gebildet sind. Die Metallisierungen 3 und/oder 4 und/oder speziell die strukturierten Metallbereiche 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
11: Metallbereich
3.1.1: Randbereich
4.1: Randbereich
5: Riss
6: Ätzgraben
7: Verschließ- und/oder Verpress-Masse
8: Vertiefung
9: Barriere
d: Dicke der Keramikschicht 2
d_c: Dicke der Metallisierung 3.1 und 4
kd_m: mittlerer Korndurchmesser der Keramik der Keramikschicht 2
dv_min, dv_max: Dicke des Auftrags der Verschließ- und/oder Verpress-Masse
P: Druckbeaufschlagung
V: Vakuumbeaufschlagung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 3744120 [0003]
DE 2319854 [0003]
DE 2213115 [0006]
EP 153618 A [0006]
DE 4318241 [0008]
DE 102010024520 A1 [0009]

Claims

Verfahren zum Herstellen von Metall-Keramik-Substraten (1) mit einer Keramikschicht (2) und mit wenigstens einer Metallisierung (3, 4) und/oder mit wenigstens eine strukturierte Metallisierung bildenden Metallbereichen (3.1, 3.2) an wenigstens einer Oberflächenseite der Keramikschicht (2), wobei nach dem Aufbringen der wenigstens einen Metallisierung (3, 4) und/oder der Metallbereiche (3.1, 3.2) Risse (5), die am Randbereich der wenigstens einen Metallisierung (3, 4) oder der Metallbereiche (3.1, 3.2) zwischen der Keramik der Keramikschicht (2) und dem Metall der wenigstens einen Metallisierung (3, 4) oder der Metallbereiche (3.1, 3.2) vorhanden sind und/oder die sich in die Keramik der Keramikschicht (2) hinein erstrecken mit einer aushärtbaren oder polymerisierbaren Verschließ- und/oder Verpress-Masse (7) ausgefüllt oder verpresst werden, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausfüllen oder Verpressen der Risse (5) derart erfolgt, dass nach dem Ausfüllen oder Verpressen die Verschließ- und/oder Verpress-Masse (7) ausschließlich oder im Wesentlichen ausschließlich in den Rissen (5) aufgenommen ist und nach dem Ausfüllen oder Verpressen Randbereiche (3.1.1, 4.1) der wenigstens einen Metallisierung (3, 3.1, 4) zumindest auf dem größeren Teil der Höhe oder Dicke d_c der Metallisierung (3.1, 4) von der Verschließ- und/oder Verpress-Masse (7) nicht abgedeckt sind
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschließ- und/oder Verpress-Masse ein duroplastisches oder thermoplastisches Monomer, Polymer, Copolymer und/oder Mischpolymer ist, beispielsweise ein solches auf Polyamid-Basis oder auf Epoxyharz-Basis oder eine Lösung ist, die das polymere Material bzw. das duroplastisches oder thermoplastisches Monomer, Polymer, Copolymer und/oder Mischpolymer enthält, beispielsweise ein solches auf Polyamid-Basis oder auf Epoxyharz-Basis.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausfüllen oder Verpressen der Risse (5) derart erfolgt, dass nach dem Ausfüllen oder Verpressen Randbereiche (3.1.1, 4.1) der wenigstens einen Metallisierung (3, 3.1, 4) höchstens bis zu einer Höhe von maximal 50% Dicke d_c der Metallisierung (3.1, 4), vorzugsweise bis zu einer Höhe von maximal 20% Dicke d_c der Metallisierung (3.1, 4) von der Verschließ- und/oder Verpress-Masse (7) abgedeckt sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschließ- und/oder Verpressmasse (7) derart aufgebracht wird, dass sie im flüssigen oder verflüssigten Zustand an den Randbereichen (3.1.1, 4.1) der wenigstens einen Metallisierung (3, 3.1, 4) aufgrund der Kapillarwirkung ausgehend von der Keramikschicht (2) maximal auf eine Höhe reicht, die 50% der Dicke (d_c) der Metallisierungen (3, 3.1, 4) entspricht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil an Kunststoff in der als Verschließ- und/oder Verpressmasse (7) verwendeten Kunststofflösung zwischen 2,5 Gewichtsprozent und 70 Gewichtsprozent bezogen auf die Gesamtmasse der Lösung beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschließ- und/oder Verpressmasse (7) derart aufgebracht wird, dass die Dicke dieser Masse im Bereich zwischen zwei Metallbereichen (3.1) abhängig von der Viskosität der Verschließ- und/oder Verpressmasse (7) oder abhängig vom Anteil des Kunststoffs in der diese Masse bildenden Kunststofflösung im Bereich zwischen 20 μm und 100 μm liegt, beispielsweise bei einem Kunststoffanteil von 10 Gewichtsprozent in der Kunststofflösung im Bereich zwischen 20 μm und 40 μm und bei einem Kunststoffanteil von 50 Gewichtsprozent in der Kunststofflösung im Bereich zwischen 80 μm und 100 μm.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Lösungsmittel für die als Verschließ- und/oder Verpressmasse (7) verwendete Kunststofflösung ein leicht abdampfbares und mit dem Kunststoff oder polymären Material nicht reagierendes Lösungsmittel, beispielsweise Butylrolacton verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Metall-Keramik-Substraten (1) mit einer Keramikschicht (2) und mit Metallisierungen (3, 4) und/oder mit Metallbereichen (3.1, 3.2) an beiden Oberflächenseite der Keramikschicht (2) das Ausfüllen oder Verpressen der Risse (7) an beiden Seiten des jeweiligen Metall-Keramik-Substrats (1) zeitgleich oder zeitlich überlappend oder zeitversetzt erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung einer Verschließ- und/oder Verpress-Masse (7) mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten, der größer ist als der Ausdehnungskoeffizient des Metalls der wenigstens eine Metallisierung (3, 3.1, 4) und der Keramik der Keramikschicht (2).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschließ- und/oder Verpress-Masse ein duroplastisches oder thermoplastisches Monomer, Polymer, Copolymer und/oder Mischpolymer ist, beispielsweise ein solches auf Polyamid-Basis oder auf Epoxyharz-Basis oder eine Lösung ist, die das polymere Material bzw. das duroplastisches oder thermoplastisches Monomer, Polymer, Copolymer und/oder Mischpolymer enthält, beispielsweise ein solches auf Polyamid-Basis oder auf Epoxyharz-Basis.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Aushärten bzw. Polymerisieren der Verschließ- und/oder Verpress-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 bzw. Polymerisieren der Verschließ- und/oder Verpress-Masse (7) in wenigstens zwei Stufen erfolgt:
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschließ- und/oder Verpress-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 Verschließ- und/oder Verpress-Masse (7) auf die freiliegende Keramik der Keramikschicht (2) im Bereich des Randes der wenigstens einen Metallisierung (3, 4) oder der Metallbereiche (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 Verschließ- und/oder Verpress-Masse (7) in den Rissen (5) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 13, 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 Verschließ- und/oder Verpress-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 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Einbringen der Verschließ- und/oder Verpress-Masse (7) in die Risse (5) durch Kapillarwirkung und/oder dadurch erfolgt, dass das Metall-Keramik-Substrat (1) nach dem Aufbringen der Verschließ- und/oder Verpress-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 Verschließ- und/oder Verpress-Masse (7) in den Rissen (5) erfolgt, wobei beispielsweise nach dem Aufbringen und vor dem Aushärten der Verschließ- und/oder Verpress-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 Verschließ- und/oder Verpress-Masse (7) im flüssigen oder zähflüssigen und/oder im erwärmten Zustand aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschließ- und/oder Verpress-Masse (7) in pulverförmigen oder/oder granulatartigen Zustand aufgebracht wird, dass anschließend das Metall-Keramik-Substrat (1) zur Verflüssigung der Verschließ- und/oder Verpress-Masse (7) erhitzt wird, und dass das Metall-Keramik-Substrat (1) nach dem Eindringen der Verschließ- und/oder Verpress-Masse (7) in die Risse (5) zum Aushärten bzw. Polymerisieren der Verschließ- und/oder Verpress-Masse (7) abgekühlt wird, beispielsweise auf Umgebungstemperatur.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor und/oder während des Einbringens der Verschließ- und/oder Verpress-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 Verschließ- und/oder Verpress-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) und/oder die Metallbereiche (3.1, 3.2) an wenigstens einem Randbereich 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) und/oder für die Metallbereiche (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 die wenigstens eine Metallisierung (3, 4) und/oder die Metallbereiche (3.1, 3.2) eine Dicke im Bereich zwischen 0,1 mm und 1,5 mm und/oder die Keramikschicht (2) eine Dicke im Bereich zwischen 0,2 mm und 2 mm aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschließ- und/oder Verpress-Masse in Ätzgräben (6) zwischen den Metallbereichen (3.1, 3.2) eingebracht wird, und dass die Ätzgräben (6) seitlich durch Barrieren (9) verschlossen sind.
Metall-Keramik-Substrat mit einer Keramikschicht (2) und mit wenigstens einer Metallisierung (3, 4) und/oder mit wenigstens einer strukturierten Metallisierung bildenden Metallbereichen (3.1, 3.2) an wenigstens einer Oberflächenseite der Keramikschicht (2), wobei Risse (5), die am Randbereich der wenigstens einer Metallisierung (3, 4) und/oder der Metallbereiche (3.1, 3.2) zwischen der Keramik der Keramikschicht (2) und dem Metall der wenigstens einen Metallisierung (3, 4) oder der Metallbereich (3.1, 3.2) vorhanden sind und/oder die sich in die Keramik der Keramikschicht (2) hineinerstrecken mit einer aushärtbaren oder polymerisierbaren Kunststoff-Verschluss- und/oder Verpress-Masse (7) ausgefüllt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschließ- und/oder Verpressmasse (7) ausschließlich oder im Wesentlichen ausschließlich die Risse (5) ausfüllt, und dass Randbereiche (3.1.1, 4.1) der wenigstens einen Metallisierung vollständig oder zumindest zum größten Teil von der Verschluss- und/oder Verpress-Masse (7) freigehalten sind.