DE102013104739B4 - Metal-ceramic substrates and method for producing a metal-ceramic substrate - Google Patents
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Abstract
Metall-Keramik-Substrat umfassend zumindest eine Keramikschicht (2), die an zumindest einer Oberflächenseite (2.1) mit wenigstens einer Metallisierung (3) mit einer Schichtdicke (D) von wenigstens 0,1 mm versehen ist, die zur Ausbildung von Leiterbahnen und/oder Kontakt- oder Anschlussflächen (5, 5a, 5b) derart strukturiert ist, dass im äußeren Randbereich (3') der strukturierten Metallisierung (3) ein sich zumindest abschnittsweise entlang des äußeren Randbereiches (3') erstreckender Metallisierungsabschnitt (3a, 3b) mit reduzierter Schichtdicke (DR) entsteht, wobei der schichtdickenreduzierte Metallisierungsabschnitt (3a, 3b) mit einer Beschichtung aus einem Füllmaterial (6) versehen ist, wobei das Füllmaterial (6) aus einem Kunststoffmaterial mit einem Keramikanteil und/oder graphitisierten Kohlenstoffanteil hergestellt ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein bündiger Übergang zwischen der Oberseite der Metallisierung (3) und der Oberseite der Beschichtung aus dem Füllmaterial (6) gebildet ist.Metal-ceramic substrate comprising at least one ceramic layer (2), which is provided on at least one surface side (2.1) with at least one metallization (3) with a layer thickness (D) of at least 0.1 mm, which is used to form conductor tracks and/or or contact or connection surfaces (5, 5a, 5b) is structured in such a way that in the outer edge area (3') of the structured metallization (3) there is a metallization section (3a, 3b) that extends at least in sections along the outer edge area (3'). reduced layer thickness (DR), the layer-thickness-reduced metallization section (3a, 3b) being provided with a coating of a filling material (6), the filling material (6) being made of a plastic material with a ceramic content and/or graphitized carbon content, characterized that a flush transition between the top of the metallization (3) and the top of the coating of the filler material (6) born ildet is.
Description
Die Erfindung betrifft Metall-Keramik-Substrate gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 13 sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Metall-Keramik-Substrates gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 14.The invention relates to metal-ceramic substrates according to the preambles of
Metall-Keramik-Substrate in Form von Leiterplatten bestehend aus einer Keramikschicht und wenigstens einer mit einer Oberflächenseite der Keramikschicht verbundenen und zur Ausbildung von Leiterbahnen, Kontakten, Kontakt- oder Anschlussflächen strukturierten Metallisierung sind in verschiedensten Ausführungen bekannt. Derartige Metall-Keramik-Substrate finden beispielsweise Verwendung zum Aufbau von Leistungshalbleiter-Modulen.Metal-ceramic substrates in the form of printed circuit boards consisting of a ceramic layer and at least one metallization connected to a surface side of the ceramic layer and structured to form conductor tracks, contacts, contact or connection surfaces are known in a wide variety of designs. Such metal-ceramic substrates are used, for example, to construct power semiconductor modules.
Zum Verbinden von die Metallisierung bildenden Metallfolien oder Metallschichten miteinander oder mit einem Keramiksubstrat bzw. einer Keramikschicht ist ferner das sogenannte „DCB-Verfahren“ („Direct-Copper-Bonding“) bekannt. Dabei werden Metallschichten, vorzugsweise Kupferschichten oder -folien miteinander und/oder mit einer Keramikschicht verbunden, 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
- • - 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.
- • - oxidizing a copper foil in such a way that a uniform copper oxide layer results;
- • - Laying the copper foil with the even layer of copper oxide on the ceramic layer;
- • - heating the composite to a process temperature between about 1025 to 1083°C, for example to about 1071°C;
- • - Cooling down to room temperature.
Ferner ist aus den Druckschriften
Auch sind Verfahren zur flächigen Verbindung einer Aluminiumschicht mit einer Keramikschicht unter der Bezeichnung „Direct-Aluminium-Bonding“ („DAB-Verfahren“) bekannt. Grundsätzlich können auch Klebeverbindungen oder Klebe-Techniken unter Verwendung von Kunststoff-Klebern, beispielsweise unter Verwendung von Klebern auf Epoxyharz-Basis für ein derartiges Bonden zweier Schichten verwendet werden, und zwar insbesondere auch faserverstärkte Kleber. Bekannt ist insbesondere auch die Verwendung von speziellen Klebern, die Carbon-Fasern und/oder Carbon-Nanofasern und/oder Carbon-Nanotubes enthalten, und/oder Kleber, mit denen eine thermische und/oder elektrisch gut leitende Klebeverbindung möglich ist. Genannte Verbindungstechnologien können bei Vorsehen mehrere Metallschichten sowohl an der Unter- als auch der Oberseite der Keramikschicht selbstverständlich auch in Kombination Anwendung finden.Methods for the surface connection of an aluminum layer with a ceramic layer are also known under the designation “direct aluminum bonding” (“DAB method”). In principle, adhesive connections or adhesive techniques using plastic adhesives, for example using adhesives based on epoxy resin, can also be used for such a bonding of two layers, and in particular also fiber-reinforced adhesives. In particular, the use of special adhesives that contain carbon fibers and/or carbon nanofibers and/or carbon nanotubes and/or adhesives with which a thermally and/or electrically highly conductive adhesive connection is possible is also known. Said connection technologies can, of course, also be used in combination if several metal layers are provided both on the underside and on the top side of the ceramic layer.
Es ist bekannt, dass derartige Metall-Keramik-Substrate in vielen Anwendungen hohen Temperaturwechselbelastungen unterliegen, bei denen beispielsweise Temperaturänderungen zwischen -40°C und + 125 °C auftreten können. Bedingt durch den unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der Keramikschicht und der Metallisierung bzw. Metallschicht ergeben sich am Übergang zwischen diesen Schichten bei Temperaturschwankungen erhebliche mechanische Druck- oder Zugspannungen, deren Gradient im Keramikmaterial am Rand der Metallschicht besonders groß ist und zu Rissen im Bereich der Oberfläche der Keramikschicht führt.It is known that such metal-ceramic substrates are subject to high thermal cycling stresses in many applications, in which, for example, temperature changes between −40° C. and +125° C. can occur. Due to the different thermal expansion coefficients of the ceramic layer and the metallization or metal layer, considerable mechanical compressive or tensile stresses arise at the transition between these layers during temperature fluctuations, the gradient of which is particularly large in the ceramic material at the edge of the metal layer and leads to cracks in the area of the surface of the ceramic layer .
Auch ist bekannt, dass durch eine Strukturierung der Metallisierung bzw. Metallschicht, die bereits häufig durch das für den Schaltkreis notwendige Layout vorgegeben ist, der Gradient der Zug- und Druckspannungen verringert werden kann.It is also known that the gradient of the tensile and compressive stresses can be reduced by structuring the metallization or metal layer, which is already often predetermined by the layout required for the circuit.
Zur Vermeidung derartiger Rissbildung und Erhöhung der Temperaturwechselbeständigkeit des Metall-Keramik-Substrates sind bereits unterschiedliche Maßnahmen bekannt. Beispielsweise ist aus der
Aus der US 2008 / 0 164 588 A1 ist ein Leistungshalbleitermodul bekannt, welches eine Keramikschicht aufweist, auf deren Oberseite wenigstens eine Metallisierung vorgesehen ist, welche zur Ausbildung von Kontakt- oder Anschlussflächen strukturiert ist. Ferner weist zumindest eine der eine Kontakt- oder Anschlussflächen bildenden Metallisierung einen sich zumindest abschnittsweise entlang des äußeren Randbereiches der Metallisierung erstreckenden Metallisierungsabschnitt mit reduzierter Schichtdicke auf. Das gesamte Leistungshalbleitermodul ist oberseitig eingekapselt ausgebildet.A power semiconductor module is known from US 2008/0 164 588 A1, which has a ceramic layer, on the upper side of which at least one metallization is provided, which is structured to form contact or connection surfaces. Furthermore, at least one of the metallizations forming a contact or connection area has a metallization section with a reduced layer thickness that extends at least in sections along the outer edge region of the metallization. The entire power semiconductor module is encapsulated on the top.
Ferner ist aus der
Aus der US 2007 / 0 224 400 A1 ist ein Metall-Keramik-Substrat mit einer Keramikschicht und auf dieser angeordneten Kontaktflächen bekannt, wobei die Kontaktflächen mit einer Metallisierung versehen sind und eine Schichtdicke von lediglich 20µm aufweisen. In einzelnen Ausführungsvarianten ist im äußeren Randbereich der Kontaktflächen eine Glasschicht mit einem zweischichtigen Aufbau, und zwar umfassend eine erste Glasunterschicht und eine zweite Glasunterschicht, vorgesehen, welche sich über die äußeren Randbereich der Kontaktflächen auf die Unterseite der Keramikschicht erstreckt und damit den vollständigen Randbereich, einschließlich der Stirnseiten der Kontaktflächen abdeckt.A metal-ceramic substrate with a ceramic layer and contact surfaces arranged on this is known from US 2007/0 224 400 A1, the contact surfaces being provided with a metallization and having a layer thickness of only 20 μm. In individual design variants, a glass layer with a two-layer structure is provided in the outer edge area of the contact surfaces, namely comprising a first glass sub-layer and a second glass sub-layer, which extends over the outer edge area of the contact surfaces onto the underside of the ceramic layer and thus the entire edge area, including covers the front sides of the contact surfaces.
Aus der gattungsbildenden
Ausgehend von dem voranstehend genannten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Metall-Keramik-Substrates als auch zugehöriges Verfahren zur Herstellung eines Metall-Keramik-Substrates aufzuzeigen, welches eine verbesserte Temperaturwechselbeständigkeit aufweist. Die Aufgabe wird durch ein Metall-Keramik-Substrat bzw. ein Verfahren zu dessen Herstellung gemäß der Patentansprüche 1, 13 . und 14 gelöst.Proceeding from the prior art mentioned above, the invention is based on the object of demonstrating a metal-ceramic substrate as well as the associated method for producing a metal-ceramic substrate which has improved thermal shock resistance. The object is achieved by a metal-ceramic substrate and a method for its production according to
Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Metall-Keramik-Substrat vorgesehen, umfassend zumindest eine Keramikschicht, die an zumindest einer Oberflächenseite mit wenigstens einer Metallisierung mit einer Schichtdicke von wenigstens 0,1 mm versehen ist, die zur Ausbildung von Leiterbahnen und/oder Kontakt- oder Anschlussflächen derart strukturiert ist, dass im äußeren Randbereich der strukturierten Metallisierung ein sich zumindest abschnittsweise entlang des äußeren Randbereiches erstreckender Metallisierungsabschnitt mit reduzierter Schichtdicke entsteht, wobei der schichtdickenreduzierte Metallisierungsabschnitt mit einer Beschichtung aus einem Füllmaterial versehen ist, wobei das Füllmaterial aus einem Kunststoffmaterial mit einem Keramikanteil und/oder graphitisierten Kohlenstoffanteil hergestellt ist, wobei ein bündiger Übergang zwischen der Oberseite der Metallisierung und der Oberseite der Schicht Beschichtung aus dem Füllmaterial gebildet istAccording to a first aspect, a metal-ceramic substrate is provided, comprising at least one ceramic layer which is provided on at least one surface side with at least one metallization with a layer thickness of at least 0.1 mm, which is used to form conductor tracks and/or contact or connecting surfaces is structured in such a way that in the outer edge area of the structured metallization there is a metallization section with a reduced layer thickness that extends at least in sections along the outer edge area, the metallization section with the reduced layer thickness being provided with a coating of a filling material, the filling material consisting of a plastic material with a ceramic content and / or graphitized carbon portion is produced, wherein a flush transition between the top of the metallization and the top of the coating layer is formed from the filler material
Der wesentliche Aspekt des erfindungsgemäßen Metall-Keramik-Substrates ist darin zu sehen, dass der schichtdickenreduzierte Metallisierungsabschnitt mit einer Beschichtung aus einem Füllmaterial versehen ist. Besonders vorteilhaft wird durch die erfindungsgemäße Beschichtung des schichtdickenreduzierten Randbereiches der strukturierten Metallisierung eine merkliche Verbesserung der Temperaturwechselbeständigkeit erreicht. Das verwendete Füllmaterial ist vorzugsweise kompatibel mit diversen Metallisierungsverfahren, beispielsweise Nickelbad, Goldbad, Silberbad und auch säuren- und laugenbeständig. Schließlich weist das Füllmaterial auch eine Hitzebeständigkeit größer 350°C auf.The essential aspect of the metal-ceramic substrate according to the invention can be seen in the fact that the layer-thickness-reduced metallization section is provided with a coating of a filling material. A noticeable improvement in the resistance to temperature changes is particularly advantageously achieved by the coating according to the invention of the edge region of reduced layer thickness of the structured metallization. The filling material used is preferably compatible with various metallization processes, for example nickel bath, gold bath, silver bath, and is also resistant to acids and alkalis. Finally, the filling material also has a heat resistance of more than 350°C.
Besonders vorteilhaft ist in einer ersten Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Metall-Keramik-Substrat der schichtdickenreduzierte Metallisierungsabschnitt durch einen stufenartig ausgebildeten äußeren Randabschnitt der Metallisierung gebildet, der vorzugsweise vollflächig mit dem Füllmaterial beschichtet ist. Die reduzierte Schichtdicke des Metallisierungsabschnittes und die Schichtdicke des Füllmaterials entsprechen in Summe näherungsweise der Schichtdicke der Metallisierung, d.h. es entsteht erfindungsgemäß ein bündiger Übergang zwischen Oberseite Metallisierung und Oberseite der Schicht aus dem Füllmaterial. Auch kann sich die Schicht aus dem Füllmaterial über den äußeren Randabschnitt in den anschließenden freigeätzten Bereich der Keramikschicht erstrecken.In a first variant of the metal-ceramic substrate according to the invention, the layer-thickness-reduced metallization section is particularly advantageously formed by a step-like outer edge section of the metallization, which is preferably coated over the entire surface with the filling material. The reduced layer thickness of the metallization section and the layer The total thickness of the filling material corresponds approximately to the layer thickness of the metallization, ie according to the invention there is a flush transition between the top side of the metallization and the top side of the layer made of the filling material. The layer of the filling material can also extend over the outer edge section into the adjoining etched-free area of the ceramic layer.
In einer zweiten Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Metall-Keramik-Substrates ist der schichtdickenreduzierte Metallisierungsabschnitt durch eine vorzugsweise einen wannenartiger Querschnitt aufweisende Ausnehmung im äußeren Randbereich der Metallisierung gebildet. Vorteilhaft ergibt sich durch das Ätzen einer derartigen einen wannenartigen Querschnitt aufweisenden Ausnehmung ein Ausnehmungsrand, der ein randseitiges Abfließen des Füllmaterials in den freigeätzten Bereich der Keramikschicht effektiv verhindert. Vorzugsweise ist die wannenartige Ausnehmung mit dem Füllmaterial vollständig verfüllt.In a second embodiment variant of the metal-ceramic substrate according to the invention, the layer-thickness-reduced metallization section is formed by a recess preferably having a trough-like cross-section in the outer edge region of the metallization. The etching of such a recess having a trough-like cross-section advantageously results in a recess edge which effectively prevents the filling material from flowing off the edge into the etched-away region of the ceramic layer. The trough-like recess is preferably completely filled with the filling material.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsvariante ist das erfindungsgemäße Metall-Keramik-Substrat derart ausgebildet, dass der schichtdickenreduzierte Metallisierungsabschnitt durch entsprechendes Maskieren und Ätzen der Metallisierung und/oder durch eine mechanische Oberflächenbearbeitung, insbesondere Fräsen erzeugt ist und/oder
dass der äußeren Randbereiches einen zentralen Metallisierungsbereich einschließt, welcher eine Kontakt- oder Bondfläche zum Anschluss eines elektrischen Bauelementes bildet, wobei
als Kunststoffmaterial beispielsweise Polyimid, Polyamide, Epoxid oder Polyetheretherketon und als Keramikanteil beispielsweise Siliziumnitrid, Aluminiumnitrid, Aluminiumoxid oder Glas vorgesehen sind, und/oder dass der thermische Ausdehnungskoeffizient des Füllmaterials kleiner als der thermische Ausdehnungskoeffizient der Metallisierung ist, und/oder dass die Keramikschicht aus Oxid-, Nitrid- oder Karbidkeramiken wie Aluminiumoxid oder Aluminiumnitrid oder Siliziumnitrid oder Siliziumkarbid oder Aluminiumoxid mit Zirkonoxid hergestellt ist, und/oder
dass die weitere Oberflächenseite der Keramikschicht mit wenigstens einer weiteren Metallisierung versehen ist, wobei die vorgenannten Merkmale wiederum jeweils einzeln oder in beliebiger Kombination vorgesehen sein können. Ferner ist der Gegenstand der Erfindung ein Metall-Keramik-Substrat, wobei das Metall-Keramik-Substrat zumindest eine Keramikschicht umfasst, die an zumindest einer Oberflächenseite mit wenigstens einer Metallisierung mit einer Schichtdicke von wenigstens 0,1 mm versehen ist, die zur Ausbildung von Leiterbahnen und/oder Kontakt- oder Anschlussflächen derart strukturiert ist, dass im äußeren Randbereich der strukturierten Metallisierung ein sich zumindest abschnittsweise entlang des äußeren Randbereiches erstreckender Metallisierungsabschnitt mit reduzierter Schichtdicke entsteht, wobei der schichtdickenreduzierte Metallisierungsabschnitt mit einer Beschichtung aus einem Füllmaterial versehen ist, wobei das Füllmaterial aus einem Kunststoffmaterial mit einem Keramikanteil und/oder graphitisierten Kohlenstoffanteil hergestellt ist, wobei der schichtdickenreduzierte Metallisierungsabschnitt durch eine Vielzahl von Ausnehmungen gebildet ist und wobei ein bündiger Übergang zwischen der Oberseite der Metallisierung und der Oberseite der Schicht aus dem Füllmaterial gebildet ist.In a further advantageous embodiment variant, the metal-ceramic substrate according to the invention is designed in such a way that the layer-thickness-reduced metallization section is produced by appropriate masking and etching of the metallization and/or by mechanical surface processing, in particular milling, and/or
that the outer edge region includes a central metallization region, which forms a contact or bonding surface for connecting an electrical component, wherein
polyimide, polyamide, epoxy or polyetheretherketone as the plastic material and silicon nitride, aluminum nitride, aluminum oxide or glass as the ceramic component, for example, and/or that the thermal expansion coefficient of the filling material is smaller than the thermal expansion coefficient of the metallization, and/or that the ceramic layer consists of oxide -, Nitride or carbide ceramics such as aluminum oxide or aluminum nitride or silicon nitride or silicon carbide or aluminum oxide is made with zirconium oxide, and / or
that the further surface side of the ceramic layer is provided with at least one further metallization, wherein the aforementioned features can in turn be provided individually or in any combination. Furthermore, the subject of the invention is a metal-ceramic substrate, wherein the metal-ceramic substrate comprises at least one ceramic layer which is provided on at least one surface side with at least one metallization with a layer thickness of at least 0.1 mm, which is used to form Conductor tracks and/or contact or connection surfaces is structured in such a way that a metallization section with a reduced layer thickness that extends at least in sections along the outer edge region is formed in the outer edge area of the structured metallization, the metallization section with the reduced layer thickness being provided with a coating of a filler material, the filler material is made of a plastic material with a ceramic component and/or graphitized carbon component, the layer-thickness-reduced metallization section being formed by a multiplicity of recesses and a flush transition between the upper side of the metallization and the top of the layer is formed from the filling material.
Ferner ist Gegenstand der Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Metall-Keramik-Substrates umfassend zumindest eine Keramikschicht, die an zumindest einer Oberflächenseite mit wenigstens einer Metallisierung mit einer Schichtdicke von wenigstens 0,1 mm versehen ist, bei dem zur Ausbildung von Leiterbahnen und/oder Kontakt- oder Anschlussflächen die Metallisierung derart strukturiert wird, dass im äußeren Randbereich der strukturierten Metallisierung ein sich zumindest abschnittsweise entlang des äußeren Randbereiches erstreckender Metallisierungsabschnitt mit reduzierter Schichtdicke erzeugt wird. Erfindungsgemäß wird der schichtdickenreduzierte Metallisierungsabschnitt mit einem Füllmaterial beschichtet, wobei das Füllmaterial aus einem Kunststoffmaterial mit einem Keramikanteil und/oder graphitisierten Kohlenstoffanteil hergestellt ist, wobei ein bündiger Übergang zwischen der Oberseite der Metallisierung und der Oberseite der Schicht aus dem Füllmaterial gebildet wird. Vorteilhaft ist das erfindungsgemäße Verfahren technisch einfach umsetzbar, so dass zur Herstellung der erfindungsgemäßen Metall-Keramik-Substrate kein erwähnenswerter Mehraufwand erforderlich ist.The invention also relates to a method for producing a metal-ceramic substrate comprising at least one ceramic layer which is provided on at least one surface side with at least one metallization with a layer thickness of at least 0.1 mm, in which for the formation of conductor tracks and/or Contact or connection surfaces, the metallization is structured in such a way that a metallization section with a reduced layer thickness that extends at least in sections along the outer edge region is produced in the outer edge region of the structured metallization. According to the invention, the layer-thickness-reduced metallization section is coated with a filler material, the filler material being made of a plastic material with a proportion of ceramic and/or graphitized carbon, with a flush transition between the top of the metallization and the top of the layer of the filler material being formed. Advantageously, the method according to the invention is technically easy to implement, so that no additional effort worth mentioning is required for the production of the metal-ceramic substrates according to the invention.
In einer vorteilhaften Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird auf die Metallisierung eine Ätzresistschicht aufgebracht, und zwar dort, wo die Metallisierung mit bestehender Schichtdicke verbleiben soll. Anschließend wird die mit der Ätzresistschicht versehene Metallisierung zur Erzeugung des schichtdickenreduzierten Metallisierungsabschnittes solange mit einer Ätzlösung beaufschlagt, bis Ausnehmungen einer vorgegebenen Tiefe in den von Ätzresistschicht freigegebenen Bereichen der Metallisierung freigeätzt sind. Die Ätzresistschicht wird von der Metallisierung wieder entfernt und die freigeätzten Ausnehmungen mit dem Füllmaterial verfüllt, vorzugsweise vollständig. Schließlich wird zumindest teilweise auf die Metallisierung und auf die Schicht aus dem Füllmaterial eine weitere Ätzresistschicht aufgebracht, und zwar dort, wo die Metallisierung und die Schicht aus dem Füllmaterial zur Ausbildung einer oder mehrerer Anschlussflächen verbleiben und die von der weiteren Ätzresistschicht freigegebenen Bereiche der Metallisierung werden mit einer Ätzlösung beaufschlagt und vollständig bis zur Keramikschicht entfernt.In an advantageous embodiment variant of the method according to the invention, an etching resist layer is applied to the metallization, namely where the metallization is to remain with the existing layer thickness. The metallization provided with the etching resist layer is then treated with an etching solution to produce the metallization section with reduced layer thickness until recesses of a predetermined depth are etched free in the areas of the metallization exposed by the etching resist layer. The etching resist layer is again removed from the metallization and the etched-open recesses are filled with the filling material, preferably completely. Finally, a further layer of etch resist is applied at least partially over the metallization and over the layer of filler material, specifically where the metallization and layer of filler material remain to form one or more pads and those from the width Areas of the metallization exposed to the etching resist layer are treated with an etching solution and completely removed down to the ceramic layer.
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.The expressions “approximately”, “substantially” or “roughly” mean deviations from the respective exact value by +/-10%, preferably by +/-5% and/or deviations in the form of changes that are insignificant for the function .
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
-
1 eine vereinfachte Schnittdarstellung durch eine erste Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßes Metall-Keramik-Substrat, -
2 eine vereinfachte Schnittdarstellung durch eine zweite Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßes Metall-Keramik-Substrat, -
3 eine vereinfachte Schnittdarstellung durch eine dritte Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßes Metall-Keramik-Substrat, -
4 eine vereinfachte Draufsicht auf das Metall-Keramik-Substrates gemäß 1 , -
5 eine vereinfachte Draufsicht auf das Metall-Keramik-Substrates gemäß 2 , -
6 eine vereinfachte Schnittdarstellung durch ein Metall-Keramik-Substrat umfassend eine vollflächig auf einer Keramikschicht aufgebrachte Metallisierung, -
7 das Metall-Keramik-Substrat gemäß 6 nach Aufbringen einer Ätzresistschicht, -
8 das Metall-Keramik-Substrat gemäß 7 mit der aufgebrachten Ätzresistschicht und nach dem Freiätzen von Ausnehmungen in der Metallisierung, -
9 das Metall-Keramik-Substrat gemäß 8 nach dem Entfernen der Ätzresistschicht, -
10 das Metall-Keramik-Substrat gemäß 9 nach Aufbringen einer weiteren Ätzresistschicht, -
11 das Metall-Keramik-Substrat gemäß 10 nach Entfernen der randseitigen Metallisierung mittels Ätzen, -
12 das Metall-Keramik-Substrat gemäß 11 nach Entfernen der weiteren Ätzresistschicht, -
13 das Metall-Keramik-Substrat gemäß 7 nach Einbringen von kanal- oder bahnartigen Aussparungen in die Metallisierung, -
14 das Metall-Keramik-Substrat gemäß13 nach Einbringen einer randseitigen gestuften Ausnehmung in die Metallisierung mittels Ätzen, -
15 das Metall-Keramik-Substrat gemäß14 nach Auffüllen der freigeätzten Bereiche mit dem Füllmaterial und anschließenden Entfernen der weiteren Ätzresistschicht, -
16 das Metall-Keramik-Substrat gemäß 7 nach Einbringen von kanal- oder bahnartigen Aussparungen in die Metallisierung, -
17 das Metall-Keramik-Substrat gemäß13 nach Einbringen einer randseitig gestuften Ausnehmung in die Metallisierung mittels Ätzen und Entfernen der randseitigen Metallisierungsabschnitte und -
18 das Metall-Keramik-Substrat gemäß17 nach Auffüllen des gestuften Randbereiches und eines Teils der anschließenden Oberfläche der Keramikschicht mit dem Füllmaterial sowie anschließenden Entfernen der weiteren Ätzresistschicht.
-
1 a simplified sectional view through a first embodiment of a metal-ceramic substrate according to the invention, -
2 a simplified sectional view through a second embodiment variant of a metal-ceramic substrate according to the invention, -
3 a simplified sectional view through a third embodiment of a metal-ceramic substrate according to the invention, -
4 a simplified top view of the metal-ceramic substrate according to FIG1 , -
5 a simplified top view of the metal-ceramic substrate according to FIG2 , -
6 a simplified sectional view through a metal-ceramic substrate comprising a metallization applied over the entire surface of a ceramic layer, -
7 according to the metal-ceramic substrate 6 after application of an etching resist layer, -
8th according to the metal-ceramic substrate 7 with the applied etching resist layer and after the etching of recesses in the metallization, -
9 according to the metal-ceramic substrate8th after removing the etch resist layer, -
10 according to the metal-ceramic substrate 9 after applying another layer of etching resist, -
11 according to the metal-ceramic substrate 10 after removing the peripheral metallization by etching, -
12 according to the metal-ceramic substrate 11 after removing the further etching resist layer, -
13 according to the metal-ceramic substrate 7 after introducing channel or track-like recesses in the metallization, -
14 according to the metal-ceramic substrate13 after introducing a stepped recess on the edge into the metallization by means of etching, -
15 according to the metal-ceramic substrate14 after filling the etched areas with the filling material and subsequent removal of the further etching resist layer, -
16 according to the metal-ceramic substrate 7 after introducing channel or track-like recesses in the metallization, -
17 according to the metal-ceramic substrate13 after making a recess with stepped edges in the metallization by means of etching and removing the metallization sections at the edges and -
18 according to the metal-ceramic substrate17 after filling the stepped edge area and a part of the adjoining surface of the ceramic layer with the filling material and then removing the further layer of etching resist.
Die erste Oberflächenseite 2.1 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel mit wenigstens einer Metallisierung 3 versehen, die vorzugsweise durch eine Folie oder Schicht aus Kupfer oder einer Kupferlegierung gebildet bzw. hergestellt ist und welche direkt und flächig auf der Keramikschicht 2 aufgebracht ist. In einer Ausführungsvariante der Erfindung ist die der ersten Oberflächenseite 2.1 gegenüberliegenden zweite Oberflächenseite 2.2 mit einer weiteren Metallisierung 4 versehen, die vorzugsweise ebenfalls durch eine Folie oder Schicht aus Kupfer oder einer Kupferlegierung und/oder Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gebildet bzw. hergestellt sind. Vorzugsweise weisen die Metallisierungen 3, 4 aus Kupfer oder einer Kupferlegierung eine Schichtdicke D von wenigstens 0,1 mm, vorzugsweise zwischen 0,3 mm und 0,8 mm und bei Realisierung in Aluminium oder einer Aluminiumlegierung eine Schichtdicke D zwischen 0,1 mm und 25 mm, vorzugsweise zwischen 0,3 mm und 3,0 mm auf.In the present exemplary embodiment, the first surface side 2.1 is provided with at least one
Die Metallisierungen 3, 4 aus Kupfer oder einer Kupferlegierung sind vorzugsweise direkt unter Verwendung des eingangs beschriebenen DCB-Verfahrens flächig mit der ersten bzw. zweiten Oberflächenseite 2.1, 2.2 der Keramikschicht 2 verbunden. Die Keramikschicht 2 ist hierbei beispielsweise aus einer Oxid-, Nitrid- oder Karbidkeramik wie Aluminiumoxid (Al2O3) oder Aluminiumnitrid (AlN) oder Siliziumnitrid (Si3N4) oder Siliziumkarbid (SiC) oder aus Aluminiumoxid mit Zirkonoxid (Al2O3 + ZrO2) hergestellt und weist eine Schichtdicke beispielsweise zwischen 0,1 mm und 1,0 mm, vorzugsweise zwischen 0,2 mm und 0,7 mm auf.The
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die mit der ersten Oberflächenseite 2.1 flächig verbundene Metallisierung 3 zur Ausbildung zumindest eines Anschlussbereiches bzw. einer Anschlussfläche 5 für zumindest ein elektronisches Bauelement, insbesondere Halbleiterbauelement 7 strukturiert ausgebildet. Die Strukturierung der Metallisierung 3 erfolgt vorzugsweise durch entsprechendes Maskieren und anschließendes Ätzen einer vollflächig auf die Keramikschicht 2 aufgebrachten noch unstrukturierten Metallisierung (siehe
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird der Grundgedanke der Erfindung an einer beispielsweise rechteckförmig strukturierten Metallisierung 3 zur Ausbildung einer Anschlussfläche 5 näher erläutert, welche vollständig von freigeätzten Bereichen 2' der Keramikschicht 2 umgeben ist. Es versteht sich, dass basierend auf diesem Grundgedanken eine Vielzahl von unterschiedlichen Strukturierungen der Metallisierung 3 eines Metall-Keramik-Substrates 1 herstellbar sind, welche ebenfalls durch den erfindungsgemäßen Gedanken getragen werden.In the present exemplary embodiment, the basic idea of the invention is explained in more detail using, for example, a rectangularly structured
Wie bereits hinreichend bekannt treten bei Temperaturschwankungen in den freigeätzten Bereichen 2' der Keramikschicht 2 Zugspannungen auf, während die mit der strukturierten Metallisierung 3 verbundenen Bereiche der Keramikschicht 2 unter Druckspannung stehen.As is already well known, temperature fluctuations cause tensile stresses in the etched-free areas 2' of the
Dadurch kann es aufgrund des Gradienten der Zug- und Druckspannungen am Übergang zwischen der strukturierten Metallisierung 3 zur den nichtmetallisierten Bereichen 2' der Keramikschicht 2 des Metall-Keramik-Substrates 1 zu einer Rissbildung in der Keramikschicht 2 kommen.As a result, due to the gradient of the tensile and compressive stresses at the transition between the
Zur Reduzierung dieser mechanischen Spannungen in der Keramikschicht 2 und damit Verbesserung der Temperaturwechselbeständigkeit weist die strukturierte Metallisierung 3 einen äußeren Randbereich 3' auf, welcher einen vorzugsweise zentralen Metallisierungsbereich 3" zur flächigen Anbindung des elektronisches Bauelementes 7 umgibt, der derart strukturiert ist, dass im äußeren Randbereich 3' der strukturierten Metallisierung 3 ein sich zumindest abschnittsweise entlang des äußeren Randbereiches 3' erstreckender Metallisierungsabschnitt 3a, 3b mit reduzierter Schichtdicke DR entsteht. Erfindungsgemäß ist dieser schichtdickenreduzierte Metallisierungsabschnitt 3a, 3b mit einer Schicht aus einem Füllmaterial 6 versehen. Hierbei wird der aufgrund der Schichtdickenreduzierung entfernte Anteil der strukturierten Metallisierung 3 sozusagen durch die Schicht aus dem Füllmaterial 6 „aufgefüllt“, wodurch eine Erhöhung der Temperaturwechselbeständigkeit erreicht wird.In order to reduce these mechanical stresses in the
In
Alternativ oder zusätzlich kann der schichtdickenreduzierte Metallisierungsabschnitt auch durch eine Vielzahl von Ausnehmungen unterschiedlicher Form und Größe gebildet sein.Alternatively or additionally, the layer-thickness-reduced metallization section can also be formed by a multiplicity of recesses of different shape and size.
Die Ausnehmungen können durch ovale, schlitzförmige, karo- oder rautenförmige Vertiefungen und/oder durch einen mäanderförmigen, briefmarkenrandförmigen oder sägezahnförmigen Randverlauf des schichtdickenreduzierten Metallisierungsabschnittes gebildet sein. Aufgrund der Ausnehmungen ist eine Erhöhung der Verbindungsstärke zwischen dem Füllmaterial 6 und der Metallisierung 3 möglich.The recesses can be formed by oval, slit-shaped, diamond-shaped or diamond-shaped indentations and/or by a meandering, stamp-shaped or sawtooth-shaped edge profile of the metallization section with reduced layer thickness. Due to the recesses, the connection is increased tion strength between the filling
Der stufenartige Randabschnitt 3a ist vorzugsweise derart mit dem Füllmaterial 6 beschichtet, dass ein nahezu bündiger Übergang zwischen dem zentralen Metallisierungsbereich 3" der strukturierten Metallisierung 3 und der Oberfläche der Schicht aus dem Füllmaterial 6 entsteht. Auch kann die Oberfläche des Füllmaterials 6 über das Niveau des zentralen Metallisierungsbereiches 3" der strukturierten Metallisierung 3 hinaus stehen.The step-
In einer zweiten Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Metall-Keramik-Substrates 1 gemäß
Als Füllmaterial 6 findet vorzugsweise ein Kunststoffmaterial, vorzugsweise Epoxidharze mit einem Anteil eines Keramikmaterials oder graphitisierten Kohlenstoff Anwendung. Als Kunststoffmaterial kann beispielsweise Polyimid oder Polyamide und als Keramikmaterial Siliziumnitrid, Aluminiumnitrid, Aluminiumoxid oder Glas Verwendung finden, und zwar ALN, Si3N4, SiC, AL2O3. Der thermische Ausdehnungskoeffizient bzw. Wärmeausdehnungskoeffizient des Füllmaterials 6 ist vorzugsweise kleiner als der thermische Ausdehnungskoeffizient bzw. Wärmeausdehnungskoeffizient der Metallisierung 3 gewählt. Ferner weist das Füllmaterial 6 beispielsweise eine relative Permittivität bzw. Dielektrizitätszahl zwischen 2,5 und 6,5, vorzugsweise zwischen 3,2 und 4,0 auf.A plastic material, preferably epoxy resins with a proportion of a ceramic material or graphitized carbon, is preferably used as the filling
In einer dritten Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Metall-Keramik-Substrates 1 gemäß
Ferner ist Gegenstand der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines voranstehend beschriebenen Metall-Keramik-Substrates 1, dessen wesentliche Verfahrensschritte in den
In
Gemäß
In
In einem nachfolgenden dritten Verfahrenschritt wird nun die Ätzresistschicht 8 von der Oberfläche der Metallisierung 3 entfernt, und zwar unter Verwendung an sich bekannter Lösungsmittel. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird das Metall-Keramik-Substrat 1 solange mit dem Ätzmittel beaufschlagt, bis die Ausnehmung 9 mit der gewünschten Tiefe T in die Metallisierung 3 eingebracht ist, wobei die reduzierte Schichtdicke DR im Bereich der Ausnehmung 9 mindestens die Hälfte der ursprünglichen Schichtdicke D der Metallisierung 3 beträgt. Schließlich wird das derart bearbeitete Metall-Keramik-Substrates 1 einer weiteren Oberflächenreinigung unterzogen.In a subsequent third method step, the etching resist
In einem vierten Verfahrenschritt werden die freigeätzten Ausnehmungen 9 in der Metallisierung 3 mit dem Füllmaterial 6 verfüllt und hierdurch eine Schicht gebildet, welche die Ausnehmungen 9 vorzugsweise vollständig ausfüllt. Zum Aufbringen des Füllmaterials 6 eignet sich beispielsweise ein Siebdruckverfahren oder Schablobendruckverfahren. Auch kann überschüssiges Füllmaterial mittels einer Rakel entfernt werden. Ggf. ist der Druckvorgang mehrmals zu wiederholen, um eine homogene Füllung der Ausnehmungen 9 zu erhalten. Nach Aushärten des Füllmaterials 6 kann eine mechanische Oberflächenbearbeitung der Metallisierung 3 und der befüllten Ausnehmungen 9 vorgenommen werden.
Gemäß einem fünften Verfahrenschritt wird auf die Metallisierung 3 und die Schicht aus dem Füllmaterial 6 eine weitere Ätzresistschicht 10 aufgebracht, und zwar dort, wo der den zentralen Metallisierungsbereich 3" bildende Teil der Metallisierung 3 aus Kupfer oder einer Kupferlegierung und die Schicht aus dem Füllmaterial 6 verbleiben sollen. Die weitere Ätzresistschicht 10 wird wiederum mittels an sich bekannter Techniken erzeugt.
Anschließend werden in einem sechsten Verfahrenschritt gemäß
Schließlich wird einem siebten Verfahrensschritt gemäß
In einer alternativen Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß den
Anschließend wird die Ätzresistschicht 8 zumindest teilweise entfernt. Alternativ kann dies auch vollständig entfernt und neu aufgebracht werden, so dass gemäß
Im nächsten Verfahrensschritt wird sowohl der stufenartige Rand der Metallisierung 3 als auch die kanal- oder bahnartige Aussparung 11 zwischen den freigeätzten Abschnitten der Metallisierung 3 mit dem Füllmaterial verfüllt und hierdurch eine sich über die kanal- oder bahnartige Aussparung 11 und die Isolationsschicht 6 gebildet.In the next method step, both the step-like edge of the
Abschließend wird wiederum die Ätzresistschicht 10 durch ein entsprechendes Lösungsmittel entfernt und die verbleibende gestuft ausgebildeten Metallisierung 3 mit aufgebrachter Isolationsschicht 6 bildet nun mehrere Anschlussflächen 5, 5a, 5b aus.Finally, the etch resist
Die Erzeugung der wannenartigen Ausnehmung 3b erfolgt analog zu den beschriebenen Verfahrensschritten durch entsprechende Maskierung und anschließendes gesteuertes Ätzen.The production of the trough-
Alternativ können der stufenartige Randabschnitt 3a oder die wannenartige Ausnehmung 3b auch durch ein mechanisches Oberflächenbearbeitungsverfahren, beispielsweise Fräsen erzeugt werden.Alternatively, the step-
In einer weiteren alternativen Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß den
Im nächsten Verfahrensschritt wird sowohl der stufenartige Randabschnitt 3a der Metallisierung 3 als auch ein Teil der daran unmittelbar anschließenden Oberfläche der Keramikschicht 2 mit dem Füllmaterial verfüllt und hierdurch eine sich über den Randabschnitt 3a auf die Oberfläche der Keramikschicht erstreckende Isolationsschicht 6 gebildet. Abschließend wird wiederum die Ätzresistschicht 10 durch ein entsprechendes Lösungsmittel entfernt und die verbleibende gestuft ausgebildeten Metallisierung 3 mit aufgebrachter Isolationsschicht 6 bildet nun zumindest eine Anschlussfläche 5 aus.In the next process step, both the step-
In einer vorteilhaften Ausführungsvariante können die Metallisierungen 3, 4 zumindest teilweise mit einer metallischen Oberflächenschicht versehen werden, beispielsweise einer Oberflächenschicht aus Nickel, Gold, Silber oder einer Nickel-, Gold- und Silber-Legierungen. Die Schichtdicke der Oberflächenschicht beträgt beispielsweise zwischen 0.1 Mikrometer und 10 Mikrometer. Eine derartige metallische Oberflächenschicht wird vorzugsweise nach dem Aufbringen der Metallisierungen 3, 4 auf die Keramikschicht 2 aufgebracht. Das Aufbringen der Oberflächenschicht erfolgt in einem geeigneten Verfahren, beispielsweise galvanisch und/oder durch chemisches Abscheiden und/oder durch Spritzen.In an advantageous embodiment variant, the
In einer in den Figuren nicht dargestellten Ausführungsvariante kann zwischen der Anschlussfläche 5 und dem Füllmaterial 6 eine die Anschlussfläche 5 zumindest abschnittsweise umgebende Lötstopstruktur vorgesehen ist, welche beispielsweise ebenfalls aus dem Füllmaterial hergestellt ist. Diese ist auf die Oberfläche der Metallisierung 3 aufgebracht, beispielsweise mittels eines Siebdruckverfahrens. Alternativ kann die Lötstopstruktur durch eine glashaltige Paste erzeugt werden, welche in die Metallisierung eingebrannt wird und im eingebrannten Zustand einen im Vergleich zu einer aus Kupfer oder einer Kupferlegierung gebildeten Metallisierung 3 einen kleinen Ausdehnungskoeffizienten aufweist.In an embodiment variant that is not shown in the figures, a solder stop structure that at least partially surrounds the
Bezugszeichenlistereference list
- 11
- Metall-Keramik-Substratmetal-ceramic substrate
- 22
- Keramikschichtceramic layer
- 2'2'
- freigeätzte Bereicheetched areas
- 2.12.1
- erste Oberflächenseitefirst surface side
- 2.22.2
- zweite Oberflächenseitesecond surface side
- 33
- strukturierte Metallisierungstructured metallization
- 3'3'
- äußerer Randbereichouter edge area
- 3"3"
- zentraler Metallisierungsbereichcentral metallization area
- 3a3a
- Metallisierungsabschnitt bzw. stufenartiger RandabschnittMetallization section or step-like edge section
- 3b3b
- Metallisierungsabschnitt bzw. wannenartige AusnehmungMetallization section or trough-like recess
- 3b'3b'
- Ausnehmungsrandrecess edge
- 44
- weitere Metallisierungfurther metallization
- 55
- Anschlussflächeland
- 66
- Füllmaterialfilling material
- 77
- Halbleiterbauteilsemiconductor device
- 88th
- Ätzresistschichtetch resist layer
- 99
- Ausnehmungenrecesses
- 1010
- weitere Ätzresistschichtanother layer of etch resist
- 1111
- kanal- oder bahnartige Aussparungchannel or web-like recess
- SS
- Übergangsbereichtransition area
- DD
- Schichtdickelayer thickness
- DRDR
- reduzierte Schichtdickereduced layer thickness
- BB
- Breite des stufenartigen RandabschnittesWidth of the stepped border section
- B'B'
- Breite der Ausnehmungwidth of the recess
- TT
- Tiefe der Ausnehmungdepth of recess
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