DE102013113736A1 - Method for producing a metal-ceramic substrate and metal-ceramic substrate - Google Patents

Method for producing a metal-ceramic substrate and metal-ceramic substrate Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Metall-Keramik-Substrates (1) umfassend zumindest eine Keramikschicht (2) mit einer Ober- und Unterseite (2.1, 2.2) und zumindest eine Metallisierung (3, 4), bei dem die Ober- und/oder Unterseite (2.1, 2.2) der zumindest einen Keramikschicht (2) mit einem Metall oder einer Metalllegierung mittels eines Kaltgasspritzverfahrens derart beschichtet wird, dass eine Metallisierung (3, 4) auf der Ober- und/oder Unterseite (2.1, 2.2) der zumindest einen Keramikschicht (2) entsteht und dass die mit der zumindest einen Metallisierung (3, 4) beschichtete Keramikschicht (2) in einem Behandlungsraum (5) bei einem Gasdruck (P) zwischen 500 und 2000 bar und einer Behandlungstemperatur (T) zwischen 300°C bis 1000°C mittels eines heißisostatischen Pressverfahrens nachbehandelt wird. The invention relates to a method for producing a metal-ceramic substrate (1) comprising at least one ceramic layer (2) having a top and bottom (2.1, 2.2) and at least one metallization (3, 4), in which the top and / or underside (2.1, 2.2) of the at least one ceramic layer (2) with a metal or a metal alloy by means of a cold gas spraying process is coated such that a metallization (3, 4) on the top and / or bottom (2.1, 2.2) of at least one ceramic layer (2) is formed and that the with the at least one metallization (3, 4) coated ceramic layer (2) in a treatment chamber (5) at a gas pressure (P) between 500 and 2000 bar and a treatment temperature (T) between 300 ° C is treated to 1000 ° C by means of a hot isostatic pressing process.

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Metall-Keramik-Substrates sowie ein nach diesem Verfahren hergestelltes Metall-Keramik-Substrat. The invention relates to a method for producing a metal-ceramic substrate and a metal-ceramic substrate produced by this method.

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, d.h. sind für höhere Betriebsspannungen, und zwar 600 V und mehr bestimmt. Eine der Anforderungen an derartige Leistungshalbleiter-Module ist eine ausreichend hohe Teilentladungsfestigkeit, wobei auch Metall-Keramik-Substrate dieser Anforderung genügen müssen. Weiterhin ist es wünschenswert eine zuverlässige Verbindung mit hoher Haftkraft der Metallisierung mit zumindest einer der Oberflächenseiten der Keramikschicht zu erhalten. 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 printed conductors, contacts, contact surfaces or connection surfaces are known in various designs. Such metal-ceramic substrates find use, for example, in the construction of power semiconductor modules, i. are intended for higher operating voltages, namely 600 V and more. One of the requirements for such power semiconductor modules is a sufficiently high partial discharge resistance, whereby metal-ceramic substrates must meet this requirement. Furthermore, it is desirable to obtain a reliable high adhesion bond of the metallization with at least one of the surface sides of the ceramic layer.

Zum Verbinden von die Metallisierung bildenden Metallfolien oder Metallschichten miteinander oder mit einem Keramiksubstrat bzw. einer Keramikschicht ist beispielsweise 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 US-PS 37 44 120 oder in der DE-PS 23 19 854 beschriebenen Verfahren bildet diese Schicht oder dieser Überzug („Aufschmelzschicht“) ein Eutektikum mit einer Schmelztemperatur unter der Schmelztemperatur des Metalls (z.B. Kupfers), so dass durch Auflegen der Metall- bzw. Kupferfolie auf die Keramikschicht und durch Erhitzen sämtlicher Schichten diese miteinander verbunden werden können, und zwar durch Aufschmelzen der Metallschicht bzw. Kupferschicht im Wesentlichen nur im Bereich der Aufschmelzschicht bzw. Oxidschicht. Ein derartiges DCB-Verfahren weist dann beispielsweise folgende Verfahrensschritte auf:

  • – Oxidieren einer Kupferfolie derart, dass sich eine gleichmäßige Kupferoxidschicht ergibt;
  • – Auflegen der Kupferfolie mit der gleichmäßigen Kupferoxidschicht auf die Keramikschicht;
  • – Erhitzen des Verbundes auf eine Prozesstemperatur zwischen etwa 1025 bis 1083°C, beispielsweise auf ca. 1071°C;
  • – Abkühlen auf Raumtemperatur.
For joining metallization forming metal foils or metal layers with each other or with a ceramic substrate or a ceramic layer, for example, the so-called "DCB method"("Direct Copper Bonding") is known. Here, metal layers, preferably copper layers or foils are connected to each other and / or with a ceramic layer, using metal or copper sheets or metal or copper foils, on their surface sides of a layer or a coating ("reflow layer") a chemical compound of the metal and a reactive gas, preferably oxygen. In this example, in the US-PS 37 44 120 or in the DE-PS 23 19 854 described method, this layer or coating ("reflow layer") forms a eutectic having a melting temperature below the melting temperature of the metal (eg copper), so that by laying the metal or copper foil on the ceramic layer and by heating all the layers are joined together can, by melting the metal layer or copper layer substantially only in the region of the Aufschmelzschicht or oxide layer. Such a DCB method then has, for example, the following method steps:
  • - Oxidizing a copper foil such that a uniform copper oxide layer results;
  • - placing the copper foil with the uniform copper oxide layer on the ceramic layer;
  • - Heating the composite to a process temperature between about 1025 to 1083 ° C, for example, to about 1071 ° C;
  • - Cool to room temperature.

Ein Nachteil des DCB-Verfahrens besteht darin, dass prozessbedingte Fehlstellen zwischen der jeweiligen Kupferschicht und der Keramikschicht auftreten können. Diese Fehlstellen beeinträchtigen zwar die thermischen Eigenschaften eines unter Verwendung des DCB-Verfahrens hergestellten Metall-Keramik-Substrates kaum, jedoch ergibt sich aufgrund der Fehlstellen eine Verschlechterung der Teilentladungsfestigkeit des daraus hergestellten Leistungshalbleiter-Moduls. A disadvantage of the DCB method is that process-related defects can occur between the respective copper layer and the ceramic layer. Although these defects hardly affect the thermal properties of a metal-ceramic substrate produced by using the DCB method, there is a deterioration in the partial discharge resistance of the power semiconductor module produced therefrom due to the defects.

Ferner ist aus den Druckschriften DE 22 13 115 und EP-A-153 618 das so genannte Aktivlot-Verfahren zum Verbinden von Metallisierungen bildenden Metallschichten oder Metallfolien, insbesondere auch von Kupferschichten oder Kupferfolien mit einem Keramikmaterial bzw. einer Keramikschicht bekannt. Bei diesem Verfahren, welches speziell auch zum Herstellen von Metall-Keramik-Substraten verwendet wird, wird bei einer Temperatur zwischen ca. 800–1000°C eine Verbindung zwischen einer Metallfolie, beispielsweise Kupferfolie, und einem Keramiksubstrat, beispielsweise einer Aluminiumnitrid-Keramik, unter Verwendung eines Hartlots hergestellt, welches zusätzlich zu einer Hauptkomponente, wie Kupfer, Silber und/oder Gold auch ein Aktivmetall enthält. Dieses Aktivmetall, welches beispielsweise wenigstens ein Element der Gruppe Hf, Ti, Zr, Nb, Ce ist, stellt durch eine chemische Reaktion eine Verbindung zwischen dem Hartlot und der Keramik her, während die Verbindung zwischen dem Hartlot und dem Metall eine metallische Hartlöt-Verbindung ist. Nachteilig ist jedoch das erforderliche Hartlot sehr kostenintensiv und die Strukturierung der mittels eines Aktivlot-Verfahrens aufgebrachten Metallisierung prozesstechnisch aufwendig. Furthermore, from the publications DE 22 13 115 and EP-A-153 618 the so-called active soldering method for joining metallization-forming metal layers or metal foils, in particular also of copper layers or copper foils with a ceramic material or a ceramic layer. In this method, which is also used specifically for the production of metal-ceramic substrates, at a temperature between about 800-1000 ° C, a connection between a metal foil, such as copper foil, and a ceramic substrate, such as an aluminum nitride ceramic, under Use of a brazing alloy, which also contains an active metal in addition to a main component such as copper, silver and / or gold. This active metal, which is, for example, at least one element of the group Hf, Ti, Zr, Nb, Ce, establishes a bond between the braze and the ceramic by a chemical reaction, while the bond between the braze and the metal forms a metallic braze joint is. However, the disadvantage is that the required brazing material is very cost-intensive and the structuring of the metallization applied by means of an active brazing process is technically complex.

Aus der EP 1 716 624 B1 ist bereits ein Verfahren zum Herstellen eines Stapels aus mehreren Metallplatten zur Bildung eines Kühlers zu entnehmen, bei dem mehrere dünne Metallplatten bzw. Metallfolien miteinander zu einem Stapel verbunden werden, welche dann einen Kühler, insbesondere einen Mikrokühler bilden. Zur Vermeidung des Entstehens von Mikrolunkern in den Übergangsbereiches zwischen den Metallplatten findet eine Nachbehandlung des Plattenstapels in einer Schutzgasatmosphäre bei einer hohen Behandlungstemperatur unterhalb der Fügetemperatur und bei einem hohen Gasdruck im Bereich zwischen 200 und 2000 bar statt. Diese Nachbehandlung wird auch als heißisostatisches Pressen („HIP-Verfahren“) bezeichnet. Durch Beaufschlagung des Plattenstapels mit hohem Gasdruck in der Schutzgasatmosphäre bei den genannten Temperaturbedingungen führt u.a. dazu, dass die Verbindung zwischen den Platten weitestgehend frei von Mikrolunkern ist, d.h. Ausnehmungen oder Hohlräumen im Verbindungsbereich zweier Metallplatten nicht bestehen. Als Schutzgas finden hierbei Stickstoff, Argon oder andere Inert- oder Edelgase Anwendung. Die Behandlungstemperatur ist derart eingestellt, dass eine Diffusionsschweißverbindung zwischen den aneinander anschließenden Oberflächen der Metallplatten entsteht. From the EP 1 716 624 B1 is already a method for producing a stack of a plurality of metal plates to form a cooler, in which a plurality of thin metal plates or metal foils are joined together to form a stack, which then form a cooler, in particular a micro-cooler. To avoid the formation of micro-shrinkers in the transition region between the metal plates, a post-treatment of the plate stack takes place in a protective gas atmosphere at a high treatment temperature below the bonding temperature and at a high gas pressure in the range between 200 and 2000 bar. This post-treatment is also referred to as hot isostatic pressing ("HIP process"). By applying the plate stack with high gas pressure in the inert gas atmosphere at the temperature conditions mentioned leads, inter alia, that the Connection between the plates is largely free from micro-shrinkage, ie recesses or cavities in the connection region of two metal plates do not exist. As a protective gas find here nitrogen, argon or other inert or noble gases application. The treatment temperature is set such that a diffusion-welded connection is formed between the adjoining surfaces of the metal plates.

Aus der EP 1 774 841 B1 ist ein Verfahren zum Herstellen eines Metall-Keramik-Substrates bekannt, bei dem auf mindestens einer Oberflächenseite einer Keramikschicht eine Kupferschicht unter Verwendung des DCB-Verfahrens aufgebracht wird. Hierbei wird in einem nachfolgenden Verfahrensschritt das Metall-Keramik-Substrat einem Gasdruck im Bereich von 400–2000 bar unterzogen und bei einer Nachbehandlungstemperatur im Bereich zwischen 450 und 1060°C nachbehandelt. Zur Vermeidung von Fehlstellen bzw. Mikrolunkern im Bereich des Metall-Keramik-Überganges nach dem DCB-Prozess wird das Substrat in einem geschlossenen Druckraum in einer Schutzgasatmosphäre, beispielsweise Argonatmosphäre durch Erhitzen auf eine Temperatur von etwa 560°C bei einem Druck von etwa 1100 bar der beschriebenen Nachbehandlung unterzogen. Hierdurch wird die Anbindung der Kupfermetallisierungen an die Keramikschicht erhöht und das Entstehen von Fehlstellen deutlich reduziert. From the EP 1 774 841 B1 For example, a method for producing a metal-ceramic substrate is known in which a copper layer is applied on at least one surface side of a ceramic layer using the DCB method. Here, in a subsequent process step, the metal-ceramic substrate is subjected to a gas pressure in the range of 400-2000 bar and post-treated at an after-treatment temperature in the range between 450 and 1060 ° C. To avoid defects or micro-shrinkage in the region of the metal-ceramic transition after the DCB process, the substrate is in a closed pressure chamber in a protective gas atmosphere, such as argon atmosphere by heating to a temperature of about 560 ° C at a pressure of about 1100 bar subjected to the aftertreatment described. As a result, the connection of the copper metallization is increased to the ceramic layer and significantly reduces the formation of defects.

Zur Beschichtung eines Substrates mit einer Metallisierung sind diverse thermische Spritztechniken, insbesondere das so genannte Kaltgasspritzen bekannt, dessen Grundlagen beispielsweise in der EP 0 484 533 B1 beschrieben sind. Beim Kaltgasspritzen werden in einen kalten Trägergasstrom mit einer Gastemperatur unter 800°C vorzugsweise metallische Spritzpartikel injiziert und der mit den Spritzpartikeln beladene Trägergasstrom anschließend über eine Düse entspannt. Dadurch wird der Trägergasstrom mit den Spritzpartikeln auf eine die Schallgeschwindigkeit überschreitende Geschwindigkeit beschleunigt, welche anschließend auf eine zu beschichtende Oberfläche des Substrates auftreffen. Vorteilhaft werden beim Kaltgasspritzen die Spritzpartikeln nicht geschmolzen, sondern beim Aufprall auf die zu beschichtende Oberfläche entsteht eine mechanische Verklammerung, ein Kaltverschweißen und/oder diverse Reibschweißprozesse mit der Oberfläche des zu beschichtende Substrates, wodurch sich ein Schichtaufbau ergibt. Die metallische Beschichtung und die Oberfläche des Substrates gehen hierbei unmittelbar ineinander über, und zwar entsteht eine sehr dichte Metallisierung. Nachteilig weist jedoch eine Beschichtung einer Oberflächenseite eines Keramiksubstrates mit einer Metallisierung mittels Kaltgasspritzen eine im Vergleich zu bekannten Verbindungstechnologien eine geringe flächige Haftkraft bzw. Anbindungsstärke auf. Auch können beim Kaltgasspritzen Einschlüsse in der aufgespritzten Metallisierung entstehen, welche sich nachteilig auf die Eigenschaften eines derartig hergestellten Metall-Keramik-Substrates auswirken. For coating a substrate with a metallization various thermal spraying techniques, in particular the so-called cold gas spraying are known, the bases of which, for example, in the EP 0 484 533 B1 are described. In cold gas spraying, metallic spray particles are preferably injected into a cold carrier gas stream having a gas temperature below 800 ° C., and the carrier gas stream laden with the spray particles is subsequently expanded via a nozzle. As a result, the carrier gas flow with the spray particles is accelerated to a velocity exceeding the speed of sound, which subsequently impinges on a surface of the substrate to be coated. Advantageously, the spray particles are not melted in the cold gas spraying, but upon impact with the surface to be coated results in a mechanical clamping, cold welding and / or various Reibschweißprozesse with the surface of the substrate to be coated, resulting in a layer structure. The metallic coating and the surface of the substrate in this case go directly into each other, and that creates a very dense metallization. However, a disadvantage of a coating of a surface side of a ceramic substrate with a metallization by means of cold gas spraying in comparison to known connection technologies, a low surface adhesion or bonding strength. Also, in cold gas spraying, inclusions may occur in the sprayed metallization, which adversely affect the properties of a metal-ceramic substrate produced in this way.

Ausgehend von dem voranstehend genannten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Metall-Keramik-Substrates aufzuzeigen, welches zumindest eine einschlussfreie Metallisierung mit hoher, gleichmäßig verteilter Haftkraft bzw. Anbindungsstärke ermöglicht. Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß dem Patentanspruch 1 und ein nach diesem Verfahren hergestelltes Keramiksubstrat gemäß Patentanspruch 16 gelöst. Based on the above-mentioned prior art, the present invention seeks to provide a method for producing a metal-ceramic substrate, which allows at least one inclusion-free metallization with high, uniformly distributed adhesive force or bonding strength. The object is achieved by a method according to claim 1 and a ceramic substrate produced according to this method according to claim 16.

Der wesentliche Aspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin zu sehen, dass die Ober- und/oder Unterseite der zumindest einen Keramikschicht mit einem Metall oder einer Metalllegierung mittels Kaltgasspritzen derart beschichtet wird, dass eine Metallisierung auf der Ober- und/oder Unterseite der zumindest einen Keramikschicht entsteht und dass die mit zumindest einer Metallisierung beschichtete Keramikschicht bei einem Gasdruck zwischen 500 und 2000 bar und einer Behandlungstemperatur zwischen 300°C bis 1000°C nachbehandelt wird, und zwar mittels eines heißisostatischen Pressverfahrens. Hierdurch wird die Anbindungsstärke bzw. die Haftkraft der zumindest einen mittels Kaltgasspritzen erzeugten Metallisierung an der Keramikschicht erhöht und darüber hinaus das Entstehen von Fehlstellen bzw. so genannten Lunkern, insbesondere Mikrolunkern erheblich reduziert. Weiterhin vorteilhaft können mittels Kaltgasspritzen und einer Nachbehandlung mittels heißisostatischen Pressen im Vergleich zur DCB-Verbindungstechnologie Metallisierungen mit einer geringeren Schichtdicke von ca. 50–200 Mikrometer auf eine Keramikschicht aufgebracht werden. Weiterhin vorteilhaft können die Korngrößen beim HIP-Verfahren im Vergleich zum DCB-Verfahren ebenfalls eingestellt werden. Mittels Kaltgasspritzen kann beispielsweise eine Metallisierung mit einer Schichtdicke von bis 300 Mikrometer erzeugt werden. The essential aspect of the method according to the invention can be seen in that the top and / or bottom of the at least one ceramic layer is coated with a metal or a metal alloy by means of cold gas spraying such that a metallization on the top and / or bottom of the at least one ceramic layer arises and that the coated with at least one metallization ceramic layer is post-treated at a gas pressure between 500 and 2000 bar and a treatment temperature between 300 ° C to 1000 ° C, by means of a hot isostatic pressing method. As a result, the bonding strength or the adhesive force of the at least one metallization produced by means of cold gas spraying on the ceramic layer is increased and, moreover, the generation of imperfections or so-called voids, in particular micro-shrinkers, is considerably reduced. Further advantageously, by means of cold gas spraying and a post-treatment by means of hot isostatic pressing in comparison to the DCB connection technology metallizations with a smaller layer thickness of about 50-200 microns are applied to a ceramic layer. With further advantage, the particle sizes in the HIP process can also be adjusted in comparison to the DCB process. By means of cold gas spraying, for example, a metallization can be produced with a layer thickness of up to 300 microns.

In einer bevorzugten Ausführungsvariante wird mittels des Kaltgasspritzverfahrens eine geschlossene äußere Poren aufweisende, d.h. vorzugsweise gasdichte Metallisierung erzeugt. Unter einer gasdichten Metallisierung wird im Sinne der Erfindung eine Metallisierung mit einer Oberfläche mit geschlossenen Poren verstanden. Diese ist besonders gut für eine Nachbehandlung mittels eines HIP-Verfahrens geeignet, da mittels des HIP-Verfahrens vorzugsweise vollständig eingeschlossene Fehlstellen bzw. Hohlräume effektiv komprimiert werden können. In a preferred embodiment, by means of the cold gas spraying method, a closed outer pore-containing, i. preferably produces gas-tight metallization. In the sense of the invention, a gas-tight metallization is understood to mean a metallization having a surface with closed pores. This is particularly well suited for a post-treatment by means of a HIP process, since by means of the HIP process preferably fully enclosed voids or voids can be effectively compressed.

Um auch offene, d.h. äußere Poren der Metallisierungsoberfläche vermeiden, zumindest reduzieren zu können, können besonders vorteilhaft die mittels Kaltgasspritzen aufgebrachte Metallisierungen einer Diffusionsbehandlung oder einer Sinterbehandlung unterzogen werden, und zwar vorzugsweise vor Durchführung der Nachbehandlung mittels eines HIP-Verfahrens. In order to avoid open, ie outer pores of the metallization, at least to be able to reduce, particularly advantageous by means of cold gas spraying applied metallization of a diffusion treatment or a sintering treatment, preferably before carrying out the aftertreatment by means of a HIP process.

In einer bevorzugten Ausführungsvariante wird die Diffusionsbehandlung der mit zumindest einer Metallisierung beschichtete Keramikschicht in einer Vakuumatmosphäre oder in einer Sauerstoffatmosphäre oder in einer Inertgasatmosphäre, vorzugsweise einer Argonatmosphäre durchgeführt. Vorteilhaft wird dadurch die Anbindungsstärke bzw. die Haftkraft zwischen der Metallisierung und der Keramikschicht weiter verbessert. In a preferred embodiment variant, the diffusion treatment of the ceramic layer coated with at least one metallization is carried out in a vacuum atmosphere or in an oxygen atmosphere or in an inert gas atmosphere, preferably an argon atmosphere. Advantageously, this further improves the bonding strength or the adhesion between the metallization and the ceramic layer.

In einer Ausführungsvariante werden die Oberseite der Keramikschicht mit einer ersten Metallisierung und die Unterseite der Keramikschicht mit einer zweiten Metallisierung versehen, wobei in die zweite Metallisierung zur Vergrößerung der Metallisierungsoberfläche eine Strukturierung und/oder mehrere Ausnehmungen unterschiedlicher Form und/oder Tiefe eingebracht werden. Alternativ oder zusätzlich können in die Oberseite oder die Unterseite der Keramikschicht vor der Beschichtung mit dem Metall oder einer Metalllegierung mittels des Kaltgasspritzverfahrens zur Vergrößerung der Keramikoberfläche eine Strukturierung und/oder mehrere Ausnehmungen unterschiedlicher Form und/oder Tiefe eingebracht werden. In one embodiment variant, the upper side of the ceramic layer is provided with a first metallization and the underside of the ceramic layer with a second metallization, wherein structuring and / or multiple recesses of different shape and / or depth are introduced into the second metallization to increase the metallization surface. Alternatively or additionally, a structuring and / or a plurality of recesses of different shape and / or depth can be introduced into the top side or the bottom side of the ceramic layer before coating with the metal or a metal alloy by means of the cold gas spraying method for enlarging the ceramic surface.

Weiterhin vorteilhaft wird zumindest eine Metallisierung aus Kupfer oder einer Kupferlegierung hergestellt, wobei die mit Kupfer oder einer Kupferlegierung beschichtete Keramikschicht bei einer Behandlungstemperatur zwischen 800°C und 1000°C nachbehandelt wird. Die Keramikschicht kann beispielsweise zur Herstellung einer Metallisierung aus Kupfer oder einer Kupferlegierung mittels eines Direct-Copper-Bonding-Verfahren mit einer Kupferschicht oder mit einer Kupferlegierungsschicht beschichtet werden. Further advantageously, at least one metallization is made of copper or a copper alloy, wherein the coated with copper or a copper alloy ceramic layer is post-treated at a treatment temperature between 800 ° C and 1000 ° C. For example, the ceramic layer can be coated with a copper layer or with a copper alloy layer by means of a direct copper bonding method for producing a metallization from copper or a copper alloy.

Alternativ oder zusätzlich wird die zumindest eine Metallisierung aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung hergestellt, wobei die mit Aluminium oder einer Aluminiumlegierung beschichtete Keramikschicht bei einer Behandlungstemperatur zwischen 400°C und 600°C nachbehandelt wird. Beispielsweise kann zur Herstellung der Metallisierung aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung die Keramikschicht mittels eines Lotverfahrens, insbesondere eines Aktivlotverfahrens mit einer Aluminiumschicht oder mit einer Aluminiumlegierungsschicht beschichtet werden. Alternatively or additionally, the at least one metallization is made of aluminum or an aluminum alloy, wherein the ceramic layer coated with aluminum or an aluminum alloy is after-treated at a treatment temperature between 400 ° C and 600 ° C. For example, to produce the metallization from aluminum or an aluminum alloy, the ceramic layer can be coated with an aluminum layer or with an aluminum alloy layer by means of a soldering process, in particular an active soldering process.

Die Keramikschicht wird 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. The ceramic layer is made of an oxide, nitride or carbide ceramic such as alumina (Al 2 O 3) or aluminum nitride (AlN) or silicon nitride (Si 3 N 4) or silicon carbide (SiC) or alumina with zirconia (Al 2 O 3 + ZrO 2).

Ebenfalls ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Metall-Keramik-Substrat umfassend zumindest eine Keramikschicht, dessen Ober- und Unterseite mit zumindest einer erfindungsgemäß angebundener Metallisierung. Likewise provided by the present invention is a metal-ceramic substrate produced by the process according to the invention, comprising at least one ceramic layer whose top and bottom are provided with at least one metallization bonded to the invention.

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 "approximately" in the context of the invention mean deviations from the respective exact value by +/- 10%, preferably by +/- 5% and / or deviations in the form of changes insignificant for the function ,

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. Further developments, advantages and applications of the invention will become apparent from the following description of exemplary embodiments and from the figures. In this case, all described and / or illustrated features alone or in any combination are fundamentally the subject of the invention, regardless of their summary in the claims or their dependency. Also, the content of the claims is made an integral part of the description.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen: The invention will be explained in more detail below with reference to the figures of exemplary embodiments. Show it:

1 eine vereinfachte schematische Schnittdarstellung durch eine unbeschichtete Keramikschicht, 1 a simplified schematic sectional view through an uncoated ceramic layer,

2 eine schematische Seitenansicht einer mittels Kaltgasspritzenverfahrens erzeugten Beschichtung der Oberseite der Keramikschicht, 2 FIG. 2 a schematic side view of a coating of the upper side of the ceramic layer produced by means of a cold gas spraying process, FIG.

3 ein mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestelltes Metall-Keramik-Substrat, 3 a metal-ceramic substrate produced by the method according to the invention,

4 eine alternative Ausführungsform eines mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellten Metall-Keramik-Substrates und 4 an alternative embodiment of a metal-ceramic substrate produced by the method according to the invention and

5 eine alternative Ausführungsform eines mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellten Metall-Keramik-Substrates umfassend zumindest eine weitere, auf die erfindungsgemäß hergestellte Metallisierung aufgebrachte weitere Metallisierung. 5 an alternative embodiment of a metal-ceramic substrate produced by means of the method according to the invention comprising at least one further, further metallization applied to the metallization produced according to the invention.

1 zeigt in vereinfachter schematischer Darstellung einen Schnitt durch eine unbeschichtete Keramikschicht 2, welche ein Trägersubstrat für zumindest eine Metallisierung 3, 4 zur Herstellung eines Metall-Keramik-Substrates 1 bildet. 1 shows a simplified schematic representation of a section through an uncoated ceramic layer 2 which is a carrier substrate for at least one metallization 3 . 4 for producing a metal-ceramic substrate 1 forms.

Die Keramikschicht 2 ist 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 beispielsweise eine Schichtdicke beispielsweise zwischen 50 Mikrometer und 1000 Mikrometer, vorzugsweise zwischen 200 Mikrometer und 700 Mikrometer auf. The ceramic layer 2 For example, it is made of an oxide, nitride or carbide ceramic such as alumina (Al 2 O 3) or aluminum nitride (AlN) or silicon nitride (Si 3 N 4) or silicon carbide (SiC) or alumina with zirconia (Al 2 O 3 + ZrO 2) and has a layer thickness of, for example, 50 Microns and 1000 microns, preferably between 200 microns and 700 microns.

Die Keramikschicht 2 weist eine Oberseite 2.1 und eine Unterseite 2.2 auf, welche mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Metall-Keramik-Substrates 1 mit zumindest einer Metallisierung 3, 4 versehen werden. Vorzugsweise wird die Oberseite 2.1 mit zumindest einer ersten Metallisierung 3 und die Unterseite 2.2 mit zumindest einer zweiten Metallisierung 4 versehen. Die Metallisierungen 3, 4 werden hierzu vorzugsweise direkt flächig mit der Ober- bzw. Unterseite 2.1, 2.2 der Keramikschicht 2 verbunden. The ceramic layer 2 has a top 2.1 and a bottom 2.2 on, which by means of the inventive method for producing a metal-ceramic substrate 1 with at least one metallization 3 . 4 be provided. Preferably, the top is 2.1 with at least a first metallization 3 and the bottom 2.2 with at least one second metallization 4 Mistake. The metallizations 3 . 4 For this purpose, preferably directly flat with the top or bottom 2.1 . 2.2 the ceramic layer 2 connected.

Die Metallisierungen 3, 4 können aus demselben oder unterschiedlichen Metall(en) oder einer Metalllegierung bzw. Metalllegierungen hergestellt sein und zur Oberflächenvergrößerung eine Strukturierung und/oder eine Vielzahl von Ausnehmungen unterschiedlicher Form und Tiefe aufweisen. The metallizations 3 . 4 can be made of the same or different metal (s) or a metal alloy or metal alloys and have the surface enlargement structuring and / or a plurality of recesses of different shape and depth.

Das Beschichten der Ober- und/oder Unterseite 2.1, 2.2 der Keramikschicht 2 mit dem jeweiligen Metall und/oder der Metalllegierung erfolgt erfindungsgemäß mittels eines an sich bekannten Kaltgasspritzverfahren, bei dem in einen kalten Trägergasstrom TS mit einer Gastemperatur unter 800°C metallische Spritzpartikel injiziert und der mit den Spritzpartikeln beladene Trägergasstrom TS anschließend über eine Düsenanordnung D entspannt wird. Coating the top and / or bottom 2.1 . 2.2 the ceramic layer 2 According to the invention, the respective metal and / or the metal alloy are injected by means of a cold gas spraying process known per se, in which metallic spray particles are injected into a cold carrier gas stream TS having a gas temperature below 800 ° C. and the carrier gas stream TS laden with the spray particles is then expanded via a nozzle arrangement D. ,

In 2 ist beispielhaft eine oberhalb der Keramikschicht 2 angeordnete Düsenanordnung D dargestellt. Diese kann entweder entlang einer parallel zur Oberseite 2.1 der Keramikschicht 2 verlaufenden Ebene oder in einem vorgegebenen Winkel zur zur Oberseite 2.1 der Keramikschicht 2 verfahren werden, wobei die Düsenanordnung D zur Erzeugung einer vorzugsweise gleichmäßigen Beschichtung über die Oberseite 2.1 der Keramikschicht 2 ausgebildet ist. Weist die zu beschichtende Oberseite 2.1 der Keramikschicht 2 oder eine ggf. bereits durch ein alternatives Beschichtungsverfahren aufgebrachte Metallisierung (nicht in den Figuren dargestellt) eine oberflächenvergrößernde Strukturierung auf, so wird die Düsenanordnung D bzw. der der mit den Spritzpartikeln beladene Trägergasstrom TS dem jeweiligen Oberflächenverlauf derart nachgeführt, dass der Trägergasstrom TS zumindest annähernd senkrecht darauf auftrifft. Auch kann ein vorzugweise steiler Auftreffwinkel eingestellt werden. In 2 is an example above the ceramic layer 2 arranged nozzle assembly D shown. This can either be along a parallel to the top 2.1 the ceramic layer 2 extending plane or at a predetermined angle to the top 2.1 the ceramic layer 2 be moved, wherein the nozzle assembly D to produce a preferably uniform coating over the top 2.1 the ceramic layer 2 is trained. Indicates the top to be coated 2.1 the ceramic layer 2 or an optionally already by an alternative coating method applied metallization (not shown in the figures) on a surface enlarging structuring, the nozzle assembly D and the loaded with the spray particles carrier gas stream TS the respective surface course tracked such that the carrier gas flow TS at least approximately perpendicular to it. Also, a preferably steeper angle of impact can be set.

Hierdurch wird die Oberseite 2.1 der Keramikschicht 2 flächig mit dem mit Spritzpartikeln beladenen Trägergasstrom TS beaufschlagt. Der Trägergasstrom TS weist beim Verlassen der Düsenanordnung D eine die Schallgeschwindigkeit überschreitende Geschwindigkeit auf. Die derart beschleunigten Spritzpartikeln treffen auf die Oberseite 2.1 der Keramikschicht 2 auf, wodurch eine mechanische Verklammerung und/oder ein Kaltverschweißen mit der Oberseite 2.1 der Keramikschicht 2 erfolgt. Hierdurch ergibt sich ein Schichtaufbau bzw. eine erste Metallisierung 3 auf der Oberseite 2.1 der Keramikschicht 2. Analog hierzu kann die zweite Metallisierung 4 auf der Unterseite 2.1 der Keramikschicht 2 erzeugt werden. Nachteilig ist die mittels des Kaltgasspritzverfahrens erzeugte erste und/oder zweite Metallisierung 3, 4 zumindest abschnittsweise nicht ausreichend fest an der Keramikschicht 2 angebunden und/oder es bestehen unerwünschte Einschlüsse, und zwar so genannte Lunker bzw. Mikrolunker in den Metallisierungen 3, 4. Ggf. können auch offene, äußere Poren auf der Oberfläche der Metallisierungen 3, 4 vorhanden sein. This will be the top 2.1 the ceramic layer 2 surface loaded with the loaded with spray particles carrier gas stream TS. The carrier gas flow TS has a speed exceeding the speed of sound when leaving the nozzle arrangement D. The thus accelerated spray particles hit the top 2.1 the ceramic layer 2 on, whereby a mechanical clamping and / or a cold welding with the top 2.1 the ceramic layer 2 he follows. This results in a layer structure or a first metallization 3 on the top 2.1 the ceramic layer 2 , Analogously, the second metallization 4 on the bottom 2.1 the ceramic layer 2 be generated. A disadvantage is the first and / or second metallization produced by means of the cold gas spraying process 3 . 4 at least in sections not sufficiently firmly on the ceramic layer 2 Tethered and / or there are unwanted inclusions, and so-called voids or micro-slots in the metallizations 3 . 4 , Possibly. may also have open, outer pores on the surface of the metallizations 3 . 4 to be available.

Hier setzt die Erfindung an und schlägt ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines Metall-Keramik-Substrates 1 vor. Die mittels des Kaltgasspritzverfahrens hergestellte, direkte flächige Verbindung zwischen zumindest einer Metallisierung 3, 4 und der Ober- und/oder Unterseite 2.1, 2.2 der Keramikschicht 2 wird erfindungsgemäß durch Anwendung eines druckinduzierten Nachbehandlungsverfahrens, und zwar des heißisostatischen Pressverfahrens („HIP-Verfahren“) verstärkt. Hierzu wird die mit der zumindest einen Metallisierung 3, 4 beschichtete Keramikschicht 2 in einem Behandlungsraum 5 bei einem Gasdruck P zwischen 500 und 2000 bar und einer Behandlungstemperatur T zwischen 300°C bis 1000°C mittels eines heißisostatischen Pressverfahrens nachbehandelt. Vorteilhaft wird hierdurch die mittels Kaltgasspritzen erzeugte Anbindung der zumindest einen Metallisierung 3, 4 an der Ober- und/oder Unterseite 2.1, 2.2 der Keramikschicht wesentlich verbessert und bestehende Einschlüsse in der Metallisierung 3, 4 entfernt bzw. aufgelöst. Auch können durch die Kombination des Kaltgasspritzverfahrens und des heißisostatischen Pressverfahrens im Vergleich zum bekannten Verbindungstechnologien, beispielsweise der DCB-Technologie deutlich dünnere Metallisierungen 3, 4 hergestellt werden, beispielsweise mit einer Mindestschichtdicke ab ca. 50 Mikrometer. This is where the invention comes in and proposes an improved process for producing a metal-ceramic substrate 1 in front. The direct surface connection between at least one metallization produced by means of the cold gas spraying process 3 . 4 and the top and / or bottom 2.1 . 2.2 the ceramic layer 2 is reinforced according to the invention by applying a pressure-induced aftertreatment process, namely the hot isostatic pressing process ("HIP process"). For this purpose, the with the at least one metallization 3 . 4 coated ceramic layer 2 in a treatment room 5 at a gas pressure P between 500 and 2000 bar and a treatment temperature T between 300 ° C to 1000 ° C by means of a hot isostatic pressing process aftertreated. As a result, the connection of the at least one metallization produced by means of cold gas spraying becomes advantageous 3 . 4 at the top and / or bottom 2.1 . 2.2 the ceramic layer significantly improved and existing inclusions in the metallization 3 . 4 removed or dissolved. Also, the combination of the cold gas spraying process and the hot isostatic pressing process can significantly thinner metallizations compared to the known bonding technologies, such as the DCB technology 3 . 4 be prepared, for example, with a minimum layer thickness from about 50 microns.

3 zeigt beispielsweise anhand einer schematischen Prinzipdarstellung ein im Behandlungsraum 5 aufgenommene Keramikschicht 2, deren Oberseite 2.1 mit einer ersten Metallisierung 3 und deren Unterseite 2.2 mit einer zweiten Metallisierung 4 beschichtet sind. Im Behandlungsraum 5 herrscht ein Gas- oder Behandlungsdruck P zwischen 500 und 2000 bar und eine Behandlungstemperatur T zwischen 300°C bis 1000°C. 3 shows, for example, based on a schematic diagram of a principle in the treatment room 5 recorded ceramic layer 2 whose top 2.1 with a first metallization 3 and its bottom 2.2 with a second metallization 4 are coated. In the treatment room 5 There is a gas or treatment pressure P between 500 and 2000 bar and a treatment temperature T between 300 ° C to 1000 ° C.

Die prinzipielle Funktionsweise des heißisostatischen Pressverfahrens bzw. so genannten HIP-Verfahrens oder HIP-Prozesses ist bekannt. Der auf die zu behandelten Schichten vorzugsweise flächig aufgebrachte Druck P wird hierbei mittels eines Gases oder Fluides erzeugt. Vorteilhaft kann bei Verwendung des HIP-Verfahrens zur Nachbehandlung einer durch Kaltgasspritzen hergestellten flächigen Verbindung zwischen den Metallisierungen 3, 4 und der Keramikschicht 2 im Vergleich zu den weiteren bekannten Verbindungsverfahren die Schichtdicke reduziert werden, insbesondere können Metallschichten einer Dicke von 50 Mikrometer und mehr verarbeitet werden. Vorteilhaft weisen die der erfindungsgemäßen Nachbehandlung unterzogenen, kaltgasgespritzen Metallisierungen 3, 4 keine Lunker bzw. Mikrolunker auf. Mittels Kaltgasspritzen ist beispielsweise eine Metallisierung 3, 4 mit einer Schichtdicke von bis zu 300 Mikrometer erzeugbar. The basic mode of operation of the hot isostatic pressing process or so-called HIP process or HIP process is known. The preferably applied flat on the layers to be treated pressure P is generated here by means of a gas or fluid. Advantageously, when using the HIP process for the aftertreatment of a flat connection between the metallizations produced by cold gas spraying 3 . 4 and the ceramic layer 2 Compared to the other known bonding methods, the layer thickness can be reduced, in particular metal layers of a thickness of 50 micrometers and more can be processed. Advantageously, have the after-treatment of the invention, cold gas injection metallizations 3 . 4 no voids or micro-slots on. By means of cold gas spraying, for example, a metallization 3 . 4 producible with a layer thickness of up to 300 microns.

Auch kann auf der Ober- oder Unterseite 2.1, 2.2 der Keramikschicht 2 vor der Durchführung der Beschichtung mittels Kaltgasspritzen bereits eine Metallisierung (nicht in den Figuren dargestellt) vorhanden sein, welche beispielsweise durch ein alternatives Verbindungs- oder Beschichtungsverfahre aufgebracht wurde. Beispielsweise kann eine derartige Metallisierung durch ein Direct-Copper-Bonding-Verfahren oder ein Lötverfahren, insbesondere eine Aktivlötverfahren hergestellt werden. Beispielsweise kann die erste Metallisierung 3 mittels Kaltgasspritzen direkt auf die Oberseite 2.1 der Keramikschicht 2 aufgebracht werden und die zumindest eine weitere Metallisierung aufweisende Unterseite 2.2 mittelos Kaltgasspritzen mit der zweiten Metallisierung 4 versehen werden. Also can be on the top or bottom 2.1 . 2.2 the ceramic layer 2 Before performing the coating by cold gas spraying already a metallization (not shown in the figures) may be present, which was applied for example by an alternative compound or Beschichtungsverfahre. For example, such a metallization can be made by a direct copper bonding method or a soldering method, in particular an active soldering method. For example, the first metallization 3 by means of cold gas spraying directly on the top 2.1 the ceramic layer 2 be applied and the at least one further metallization having underside 2.2 mittelos cold gas spraying with the second metallization 4 be provided.

Die Metallisierungen 3, 4 können beispielsweise aus Kupfer oder einer Kupferlegierung oder Aluminium oder einer Aluminiumlegierung hergestellt sein. Die Schichtdicke der Metallisierungen 3, 4 beträgt wenigstens 20 Mikrometer, vorzugsweise zwischen 20 und 900 Mikrometer. Es versteht sich, dass auch andere geeignete Metalle zur Herstellung der Metallisierungen 3, 4 Anwendung finden können. Eine aus Kupfer oder einer Kupferlegierung hergestellte Metallisierung 3, 4 wird vorzugsweise bei einer Behandlungstemperatur T zwischen 700°C und 1000°C und eine aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung hergestellte Metallisierung 3, 4 bei einer Behandlungstemperatur T zwischen 400°C und 600°C durch Durchführung des HIP-Verfahrens nachbehandelt. Zur Herstellung einer Metallisierung 4 aus Kupfer oder einer Kupferlegierung kann das Direct-Copper-Bonding-Verfahren zum Einsatz kommen. Eine Herstellung einer Metallisierung 4 aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung erfolgt beispielsweise unter Verwendung eines Lotverfahrens, insbesondere eines Aktivlotverfahrens. The metallizations 3 . 4 For example, they may be made of copper or a copper alloy or aluminum or an aluminum alloy. The layer thickness of the metallizations 3 . 4 is at least 20 microns, preferably between 20 and 900 microns. It is understood that other suitable metals for making the metallizations 3 . 4 Application can be found. A metallization made of copper or a copper alloy 3 . 4 is preferably at a treatment temperature T between 700 ° C and 1000 ° C and a metallization made of aluminum or an aluminum alloy 3 . 4 aftertreated at a treatment temperature T between 400 ° C and 600 ° C by performing the HIP process. For the production of a metallization 4 made of copper or a copper alloy, the direct copper bonding method can be used. A production of a metallization 4 made of aluminum or an aluminum alloy, for example, using a soldering process, in particular an active soldering process.

Beim Kaltgasspritzen können Metallisierungen mit vereinzelt offenen, äußeren Poren entstehen. Um eine für die Durchführung des HIP-Verfahrens optimale, und zwar gasdichte Metallisierung 3, 4 zu erhalten, können die mittels Kaltgasspritzen aufgebrachten Metallisierungen 3, 4 vor der HIP-Nachbehandlung einer weiteren Nachbehandlung unterzogen werden, und zwar einer Diffusionsnachbehandlung oder einer Sinternachbehandlung. Hierdurch wird sichergestellt, dass die äußeren, offenen Poren der kaltgasgespritzten Metallisierungen 3, 4 geschlossen werden und damit eine äußere gasdichte Oberfläche der Metallisierung 3, 4 vorliegt, welche dem Behandlungsdruck P im Rahmen der HIP-Nachbehandlung ausgesetzt wird. In cold gas spraying, metallization can occur with occasionally open, outer pores. To an optimal for the implementation of the HIP process, namely gas-tight metallization 3 . 4 to obtain the applied by means of cold gas spraying metallizations 3 . 4 before the HIP post-treatment to undergo a further post-treatment, namely a diffusion aftertreatment or a sintering after treatment. This will ensure that the outer, open pores of the cold gas-sprayed metallizations 3 . 4 be closed and thus an outer gas-tight surface of the metallization 3 . 4 is present, which is exposed to the treatment pressure P in the context of HIP after-treatment.

Die Diffusionsnachbehandlung der mit der zumindest einer Metallisierung 3, 4 beschichteten Keramikschicht 2 kann in einer Vakuumatmosphäre durchgeführt werden. Alternativ oder zusätzlich kann die mit zumindest einer Metallisierung 3, 4 beschichtete Keramikschicht 2 in einer Sauerstoffatmosphäre diffusionsnachbehandelt werden. Auch ist eine Diffusionsnachbehandlung der mit zumindest einer Metallisierung 3, 4 beschichteten Keramikschicht 2 in einer Inertgasatmosphäre, vorzugsweise einer Argonatmosphäre denkbar. The diffusion aftertreatment with the at least one metallization 3 . 4 coated ceramic layer 2 can be carried out in a vacuum atmosphere. Alternatively or additionally, the with at least one metallization 3 . 4 coated ceramic layer 2 be post-diffusion treated in an oxygen atmosphere. Also, a diffusion aftertreatment is that with at least one metallization 3 . 4 coated ceramic layer 2 in an inert gas atmosphere, preferably an argon atmosphere imaginable.

Zur Vergrößerung der Metallisierungsoberfläche beispielsweise der zweiten Metallisierung 4 wird diese strukturiert ausgebildet und/oder mehrere Ausnehmungen unterschiedlicher Form und Tiefe eingebracht. 4 zeigt beispielsweise ein Metall-Keramik-Substrat 1 mit einer zweiten Metallisierung 4, deren Metallisierungsoberfläche beispielsweise mehrere runde, vorzugsweise kreisförmige oder ovale Vertiefungen aufweist. Es versteht sich das eine Vielzahl unterschiedlicher Ausnehmungen vorsehbar sind, um eine Vergrößerung der Metallisierungsoberfläche zu erreichen, beispielsweise linienartige, wellenartige, rautenförmige, schlitzartige und/oder punktförmige Vertiefungen, die vorzugsweise gleichmäßig über die Metallisierungsoberfläche verteilt sind. To increase the metallization surface, for example, the second metallization 4 this is structured and / or several recesses of different shape and depth introduced. 4 shows, for example, a metal-ceramic substrate 1 with a second metallization 4 whose metallization surface has, for example, a plurality of round, preferably circular or oval depressions. It is understood that a plurality of different recesses are providable in order to achieve an enlargement of the metallization surface, for example line-like, wave-like, diamond-shaped, slot-like and / or punctiform depressions, which are preferably uniformly distributed over the metallization surface.

Alternativ können vor Beschichtung der Ober- oder Unterseite 2.1, 2.2 der Keramikschicht 2 in diese eine oberflächenvergrößernde Strukturierung direkt eingebracht werden, beispielsweise in Form von ebenfalls linienartigen, wellenartigen, rautenförmigen, schlitzartigen und/oder punktförmigen Vertiefungen, die vorzugsweise gleichmäßig über die jeweilige Keramikoberfläche verteilt sind. Auch kann eine oberflächenvergrößernde Strukturierung auf den durch Kaltgasspritzen erzeugten Metallisierungen 3, 4 im Rahmen des Kaltgasspritzverfahrens erzeugt werden, und zwar durch eine entsprechen Variation der Schichtdicke der durch Kaltgasspritzen erzeugten Metallisierungen 3, 4. Die oberflächenvergrößernde Strukturierung kann auch durch Aufbringen einer weiteren Metallisierung auf der Ober- oder Unterseite 2.1, 2.2 der Keramikschicht 2 erfolgen, welche beispielsweise mittels des Direct-Copper-Bonding-Verfahren oder eines Lötverfahrens, insbesondere eines Aktivlötverfahrens mit der Keramikschicht 2 verbunden wird und anschließend mittels an sich bekannter Bearbeitungsverfahren, beispielsweise Ätzen oder Lasern entsprechend strukturiert wird, und zwar vor der Beschichtung mittels des Kaltgasspritzverfahrens mit einem Metall oder einer Metalllegierung. Alternatively, before coating the top or bottom 2.1 . 2.2 the ceramic layer 2 be introduced directly into this one surface enlarging structuring, for example in the form of likewise line-like, wave-like, diamond-shaped, slot-like and / or punctiform depressions, which are preferably distributed uniformly over the respective ceramic surface. Also, a surface-enlarging structuring on the metallizations produced by cold gas spraying 3 . 4 be generated in the context of the Kaltgasspritzverfahrens, by a corresponding variation the layer thickness of the metallizations produced by cold gas spraying 3 . 4 , The Oberflächenvergrößernde structuring can also by applying a further metallization on the top or bottom 2.1 . 2.2 the ceramic layer 2 carried out, for example, by means of the direct copper bonding method or a soldering process, in particular an active soldering with the ceramic layer 2 is then connected and then structured by means of per se known processing methods, such as etching or lasers, before the coating by means of the cold gas spraying process with a metal or a metal alloy.

Auch kann die Entstehung einer Oxidschicht durch eine Vorbehandlung der Keramikschicht 2 effektiv unterstützt werden, und zwar beispielsweise durch Aufbringen einer Hilfsschicht mittels eines chemischen Verfahrens. Bei diesem chemischen Verfahren wird auf zumindest eine Oberseite 2.1 der Keramikschicht 2, insbesondere eines AlN-Substrates zur Herstellung der Hilfsschicht eine Schicht aus Kupfer, Kupferoxid oder anderen kupferhaltigen Verbindungen aufgebracht. Das Aufbringung dieser Hilfsschicht kann unter Verwendung alternativer Verfahren erfolgen. Kupfer, Kupferoxid oder andere kupferhaltigen Verbindungen können beispielsweise mittels Sputter-Prozessen, stromloser Abscheidung von Kupfer mit einem handelsüblichen Bad, Aufdampfen, Siebdrucken, Tauchen in Lösungen usw. aufgebracht werden. Anschließend wird die Keramikschicht 2, insbesondere das AlN-Substrat einem Oxidationsvorgang unterworfen, mittels dem Kupfer, Kupferoxid bzw. andere Kupferverbindungen oxidiert werden. Also, the formation of an oxide layer by pretreatment of the ceramic layer 2 be effectively supported, for example, by applying an auxiliary layer by means of a chemical process. In this chemical process is on at least one top 2.1 the ceramic layer 2 , in particular an AlN substrate for producing the auxiliary layer, a layer of copper, copper oxide or other copper-containing compounds applied. The application of this auxiliary layer may be accomplished using alternative methods. Copper, copper oxide or other copper-containing compounds can be applied, for example, by means of sputtering processes, electroless deposition of copper with a commercially available bath, vapor deposition, screen printing, immersion in solutions, etc. Subsequently, the ceramic layer 2 , In particular, the AlN substrate subjected to an oxidation process by means of which copper, copper oxide or other copper compounds are oxidized.

Insbesondere ist bei Verwendung einer Aluminiumnitrid-Keramikschicht 2 zur Herstellung des Metall-Keramik-Substrates 1 die bei der Durchführung des HIP-Pressverfahrens entstehende mechanische Verzahnung bereits ausreichend haftstark, d.h. auf der Oberfläche der Aluminiumnitrid-Keramikschicht 2 bildet sich aufgrund des Umgebungssauerstoffes selbst bereits eine Oxidschicht aus, welche ausreichend ist, um eine haftstarke Verbindung herzustellen. In particular, when using an aluminum nitride ceramic layer 2 for the production of the metal-ceramic substrate 1 the mechanical gearing created when carrying out the HIP pressing process already has sufficient adhesive strength, ie on the surface of the aluminum nitride ceramic layer 2 Due to the ambient oxygen itself, an oxide layer is already formed, which is sufficient to produce an adhesive bond.

Bei Verwendung einer Siliziumnitrid-Keramikschicht 2 ist ebenfalls keine Vorbehandlung zur Erzeugung einer Oxidschicht notwendig. Der Umgebungssauerstoff ist ausreichend um eine für den Verbindungsprozess vorteilhafte Siliziumoxidschicht entstehen zu lassen. When using a silicon nitride ceramic layer 2 Also, no pretreatment to produce an oxide layer is necessary. The ambient oxygen is sufficient to give rise to a silicon oxide layer which is advantageous for the bonding process.

In einer weiteren Ausführungsvariante wird die erste Metallisierung 3 aus Kupfer oder einer Kupferlegierung und die zweite Metallisierung 4 aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung hergestellt, welche mittels des erfindungsgemäßen Verfahren auf die Keramikschicht oder auf eine ggf. vorhandene weitere Metallisierung aufgebracht sind. Alternativ können die erste Metallisierung 3 aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung und die zweite Metallisierung 4 aus Kupfer oder einer Kupferlegierung hergestellt sein. In a further embodiment, the first metallization 3 made of copper or a copper alloy and the second metallization 4 made of aluminum or an aluminum alloy, which are applied by means of the method according to the invention on the ceramic layer or on any existing further metallization. Alternatively, the first metallization 3 made of aluminum or an aluminum alloy and the second metallization 4 be made of copper or a copper alloy.

In einer Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine der Metallisierungen 3 durch Kaltgasspritzen erzeugt, wohingegen die weitere Metallisierung 4 vor dem heißisostatischen Verpressen unter Verwendung eines Direct-Copper-Bonding-Verfahrens oder eines Lotverfahrens, insbesondere eines Hartlot- bzw. Aktivlotverfahrens mit der Keramikschicht 2 direkt flächig verbunden wird. In one embodiment of the method according to the invention is one of the metallizations 3 produced by cold gas spraying, whereas the further metallization 4 before the hot isostatic pressing using a direct copper bonding method or a soldering process, in particular a brazing or Aktivlotverfahrens with the ceramic layer 2 is connected directly flat.

Auch kann auf die durch Kaltgasspritzen erzeugten Metallisierungen 3, 4 vor der HIP-Nachbehandlung eine weitere Metallisierungsschicht aufgebracht werden, beispielsweise durch galvanisches Abscheiden oder außen stromloses Abscheiden. Die Schichtdicke einer derartigen weiteren Metallisierungsschicht beträgt beispielsweise zwischen 2 und 40 Mikrometer. Vorteilhaft können dadurch offene, äußere Poren in der durch Kaltgasspritzen erzeugten Metallisierungen 3, 4 geschlossen werden. Die weitere Metallisierungsschicht kann beispielsweise aus Kupfer, einer Kupferlegierung, Silber, Nickel oder Aluminium oder einer Aluminiumlegierung hergestellt sein. Also can on the metallizations generated by cold gas spraying 3 . 4 before the HIP aftertreatment, a further metallization layer can be applied, for example by electrodeposition or externally electroless deposition. The layer thickness of such a further metallization layer is for example between 2 and 40 micrometers. This can advantageously open, outer pores in the metallizations produced by cold gas spraying 3 . 4 getting closed. The further metallization layer can be made, for example, from copper, a copper alloy, silver, nickel or aluminum or an aluminum alloy.

In einer alternativen Ausführungsvariante gemäß 5 können die erste und/oder zweite Metallisierungen 3, 4 mit zumindest einer weiteren Metallisierung 6, 7 versehen sein, welche entweder ebenfalls durch Kaltgasspritzen oder unter Verwendung einer alternativen Verbindungstechnologie, beispielsweise eines Direct-Copper-Bonding-Verfahrens oder eines Lotverfahrens, insbesondere Hartlot- bzw. Aktivlotverfahrens auf die erste und/oder zweite Metallisierung 3, 4 aufgebracht wird. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die erste Metallisierung 3 mit einer dritten Metallisierung 6 und die zweite Metallisierung 4 mit einer vierten Metallisierung 7 versehen. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens können somit Metall-Keramik-Substrate 1 mit nahezu beliebigem mehrschichtigem Aufbau erzeugt werden. In an alternative embodiment according to 5 may be the first and / or second metallizations 3 . 4 with at least one further metallization 6 . 7 be provided which either also by cold gas spraying or using an alternative bonding technology, such as a direct-copper bonding method or a Lotverfahrens, in particular brazing or Aktivlotverfahrens on the first and / or second metallization 3 . 4 is applied. In the present embodiment, the first metallization 3 with a third metallization 6 and the second metallization 4 with a fourth metallization 7 Mistake. By means of the method according to the invention can thus metal-ceramic substrates 1 be produced with almost any multilayer structure.

Die Erfindung wurde voranstehend an Ausführungsbeispielen beschrieben. Es versteht sich, dass zahlreiche Änderungen sowie Abwandlungen möglich sind, ohne dass dadurch der der Erfindung zugrunde liegend Erfindungsgedanke verlassen wird. The invention has been described above by means of exemplary embodiments. It is understood that numerous changes and modifications are possible, without thereby departing from the invention underlying the idea of the invention.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1 1
Metall-Keramik-Substrat Metal-ceramic substrate
2 2
Keramikschicht ceramic layer
2.1 2.1
Oberseite top
2.2 2.2
Unterseite bottom
3 3
erste Metallisierung first metallization
4 4
zweite Metallisierung second metallization
5 5
Behandlungsraum treatment room
6 6
dritte Metallisierung third metallization
7 7
vierte Metallisierung fourth metallization
D D
Düsenanordnung nozzle assembly
P P
Behandlungsdruck treatment pressure
T T
Behandlungstemperatur treatment temperature
TS TS
mit Partikeln beladener Trägergasstrom laden with particles carrier gas stream

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • US 3744120 [0003] US 3744120 [0003]
  • DE 2319854 [0003] DE 2319854 [0003]
  • DE 2213115 [0005] DE 2213115 [0005]
  • EP 153618 A [0005] EP 153618 A [0005]
  • EP 1716624 B1 [0006] EP 1716624 B1 [0006]
  • EP 1774841 B1 [0007] EP 1774841 B1 [0007]
  • EP 0484533 B1 [0008] EP 0484533 B1 [0008]

Claims (16)

Verfahren zur Herstellung eines Metall-Keramik-Substrates (1) umfassend zumindest eine Keramikschicht (2) mit einer Ober- und Unterseite (2.1, 2.2) und zumindest eine Metallisierung (3, 4), bei dem die Ober- und/oder Unterseite (2.1, 2.2) der zumindest einen Keramikschicht (2) mit einem Metall oder einer Metalllegierung mittels eines Kaltgasspritzverfahrens derart beschichtet wird, dass zumindest eine Metallisierung (3, 4) auf der Ober- und/oder Unterseite (2.1, 2.2) der zumindest einen Keramikschicht (2) entsteht und dass die mit der zumindest einen Metallisierung (3, 4) beschichtete Keramikschicht (2) in einem Behandlungsraum (5) bei einem Gasdruck (P) zwischen 500 und 2000 bar und einer Behandlungstemperatur (T) zwischen 300°C bis 1000°C mittels eines heißisostatischen Pressverfahrens nachbehandelt wird. Method for producing a metal-ceramic substrate ( 1 ) comprising at least one ceramic layer ( 2 ) with a top and bottom ( 2.1 . 2.2 ) and at least one metallization ( 3 . 4 ), in which the top and / or bottom ( 2.1 . 2.2 ) of the at least one ceramic layer ( 2 ) is coated with a metal or a metal alloy by means of a cold gas spraying process in such a way that at least one metallization ( 3 . 4 ) on the top and / or bottom ( 2.1 . 2.2 ) of the at least one ceramic layer ( 2 ) and that with the at least one metallization ( 3 . 4 ) coated ceramic layer ( 2 ) in a treatment room ( 5 ) is post-treated at a gas pressure (P) between 500 and 2000 bar and a treatment temperature (T) between 300 ° C to 1000 ° C by means of a hot isostatic pressing process. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Kaltgasspritzverfahrens eine geschlossene äußere Poren aufweisende Metallisierung (3, 4) erzeugt wird. A method according to claim 1, characterized in that by means of the cold gas spraying method, a closed outer pores having metallization ( 3 . 4 ) is produced. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mittels Kaltgasspritzen aufgebrachte Metallisierung (3, 4) einer Diffusionsnachbehandlung oder einer Sinternachbehandlung unterzogen wird, und zwar vorzugsweise vor der Nachbehandlung mittels des heißisostatischen Pressverfahrens. A method according to claim 2, characterized in that the applied by means of cold gas spraying metallization ( 3 . 4 ) is subjected to a diffusion aftertreatment or a sintering after treatment, preferably before the post-treatment by the hot isostatic pressing method. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Diffusionsnachbehandlung der mit zumindest einer Metallisierung (3, 4) beschichtete Keramikschicht (2) in einer Vakuumatmosphäre, einer Sauerstoffatmosphäre oder einer Inertgasatmosphäre, vorzugsweise einer Argonatmosphäre durchgeführt wird. A method according to claim 3, characterized in that the diffusion treatment of the at least one metallization ( 3 . 4 ) coated ceramic layer ( 2 ) is carried out in a vacuum atmosphere, an oxygen atmosphere or an inert gas atmosphere, preferably an argon atmosphere. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberseite (2.1) der Keramikschicht (2) mit einer ersten Metallisierung (3) und die Unterseite (2.2) der Keramikschicht (2) mit einer zweiten Metallisierung (4) versehen wird, wobei in die zweite Metallisierung (4) zur Vergrößerung der Metallisierungsoberfläche eine Strukturierung und/oder mehrere Ausnehmungen unterschiedlicher Form und/oder Tiefe eingebracht werden. Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that the top ( 2.1 ) of the ceramic layer ( 2 ) with a first metallization ( 3 ) and the underside ( 2.2 ) of the ceramic layer ( 2 ) with a second metallization ( 4 ), wherein in the second metallization ( 4 ) to increase the metallization surface structuring and / or a plurality of recesses of different shape and / or depth are introduced. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in die Oberseite (2.1) oder die Unterseite (2.2) der Keramikschicht (2) vor der Beschichtung mit Metall oder einer Metalllegierung mittels des Kaltgasspritzverfahrens zur Vergrößerung der Keramikoberfläche eine Strukturierung und/oder mehrere Ausnehmungen unterschiedlicher Form und/oder Tiefe eingebracht werden. Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that in the top ( 2.1 ) or the underside ( 2.2 ) of the ceramic layer ( 2 ) before the coating with metal or a metal alloy by means of the cold gas spraying process to increase the ceramic surface, a structuring and / or a plurality of recesses of different shape and / or depth are introduced. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine oberflächenvergrößerende Strukturierung einer Metallisierung (3, 4) mit einer Strukturierungstiefe von bis zu 5mm mittels des Kaltgasspritzverfahrens erzeugt wird. Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that a surface- increasing structuring of a metallization ( 3 . 4 ) is produced with a structuring depth of up to 5mm by means of the cold gas spraying process. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Metallisierung (3, 4) aus Kupfer oder einer Kupferlegierung hergestellt wird. Method according to one of claims 1 to 7, characterized in that the at least one metallization ( 3 . 4 ) is made of copper or a copper alloy. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramikschicht (2) zur Herstellung einer Metallisierung (3, 4) aus Kupfer oder einer Kupferlegierung mittels eines Direct-Copper-Bonding-Verfahren mit einer Kupferschicht oder mit einer Kupferlegierungsschicht beschichtet wird. Method according to one of claims 1 to 8, characterized in that the ceramic layer ( 2 ) for producing a metallization ( 3 . 4 ) is coated from copper or a copper alloy by means of a direct copper bonding method with a copper layer or with a copper alloy layer. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die mit Kupfer oder einer Kupferlegierung beschichtete Keramikschicht (2) bei einer Behandlungstemperatur (T) zwischen 700°C und 1000°C nachbehandelt wird. A method according to claim 8 or 9, characterized in that the coated with copper or a copper alloy ceramic layer ( 2 ) is post-treated at a treatment temperature (T) between 700 ° C and 1000 ° C. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Metallisierung (3, 4) aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung hergestellt wird. Method according to one of claims 1 to 10, characterized in that the at least one metallization ( 3 . 4 ) is made of aluminum or an aluminum alloy. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramikschicht (2) zur Herstellung einer Aluminium oder einer Aluminiumlegierung mittels eines Lotverfahrens, insbesondere eines Aktivlotverfahrens mit einer Aluminiumschicht oder mit einer Aluminiumlegierungsschicht beschichtet wird. Method according to one of claims 1 to 11, characterized in that the ceramic layer ( 2 ) is coated with an aluminum layer or with an aluminum alloy layer by means of a soldering process, in particular an active soldering process, to produce an aluminum or an aluminum alloy. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die mit Aluminium oder einer Aluminiumlegierung beschichtete Keramikschicht (2) bei einer Behandlungstemperatur (T) zwischen 400°C und 600°C nachbehandelt wird. A method according to claim 11 or 12, characterized in that the coated with aluminum or an aluminum alloy ceramic layer ( 2 ) is post-treated at a treatment temperature (T) between 400 ° C and 600 ° C. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramikschicht (2) 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 wird. Method according to one of claims 1 to 13, characterized in that the ceramic layer ( 2 ) is made of an oxide, nitride or carbide ceramic such as alumina (Al 2 O 3) or aluminum nitride (AlN) or silicon nitride (Si 3 N 4) or silicon carbide (SiC) or alumina with zirconia (Al 2 O 3 + ZrO 2). Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine oberflächenvergrößerende Strukturierung der Metallisierung (3, 4) mit einer Strukturierungstiefe von bis zu 5mm durch Kaltgasspritzen erzeugt wird. Method according to one of claims 1 to 14, characterized in that a surface- increasing structuring of the metallization ( 3 . 4 ) is produced with a structuring depth of up to 5mm by cold gas spraying. Metall-Keramik-Substrat (1) umfassend zumindest eine Keramikschicht (2) mit einer Ober- und Unterseite (2.1, 2.2) und zumindest eine Metallisierung (3, 4) hergestellt nach einem Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche. Metal-ceramic substrate ( 1 ) comprising at least one ceramic layer ( 2 ) with a top and Underside ( 2.1 . 2.2 ) and at least one metallization ( 3 . 4 ) prepared by a method according to any one of the preceding claims.
DE102013113736.9A 2013-12-10 2013-12-10 Method for producing a metal-ceramic substrate Active DE102013113736B4 (en)

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