DE102014119386A1

DE102014119386A1 - Verfahren zum Herstellen eines Metall-Keramik-Substrates und zugehöriges Metall-Keramik-Substrat

Info

Publication number: DE102014119386A1
Application number: DE102014119386.5A
Authority: DE
Inventors: Andreas Meyer; Martin Reger; Christoph Bayer; Uwe Waltrich; Andreas Schletz; Eberhard Bär
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Rogers Germany GmbH
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Rogers Germany GmbH
Priority date: 2014-12-22
Filing date: 2014-12-22
Publication date: 2016-07-07
Anticipated expiration: 2034-12-23
Also published as: DE102014119386B4

Abstract

Die Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung eines Metall-Keramik-Substrates (1) sowie ein zugehöriges Metall-Keramik-Susbtrat (1) mit zumindest einer Keramikschicht (2) und zumindest einer feldstärkeoptimierten Metallisierung (3, 4), die zur Ausbildung von Anschluss- und/oder Kontaktflächen und/oder Leiterbahnen in mehrere, jeweils durch grabenförmige Zwischenräume (5) voneinander getrennte Metallisierungsbereiche (3.1, 3.2) strukturiert wird, umfassend folgende Schritte: Bereitstellen zumindest einer die spätere Metallisierung (3, 4) bildenden Metallschicht (6) und zumindest einer Keramikschicht (2), Herstellen einer vorstrukturierten Metallschicht (6‘) aus der Metallschicht (6) durch Einbringen von zumindest teilweise die späteren grabenförmigen Zwischenräume (5) bildenden grabenförmigen Ausnehmungen (8) in zumindest eine Oberfläche (6.1) der Metallschicht (6), Verbinden der vorstrukturierten Metallschicht (6‘) mit der Keramikschicht (2), und Abtragen der der Keramikschicht (2) gegenüberliegenden Oberfläche (6.2) der vorstrukturierten Metallschicht (6‘) zumindest im Bereich der grabenförmigen Ausnehmungen (8) zur Bildung der grabenförmigen Zwischenräume (5) zwischen den durch die Vorstrukturierung vorgegebenen Metallisierungsbereichen (3.1, 3.2), wobei die grabenförmigen Ausnehmungen (8) mit einer Querschnittsform erzeugt werden, die zumindest im an die Keramikschicht (2) anschließenden Randbereich (3.1‘, 3.2‘) der Metallisierungsbereiche (3.1, 3.2) einen abgerundeten Kantenverlauf (KV) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Metall-Keramik-Substrates gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie ein Metall-Keramik-Substrat gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 14.
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.
Zum Verbinden von die Metallisierung bildenden Metallfolien oder Metallschichten miteinander oder mit einem Keramiksubstrat bzw. einer Keramikschicht ist das sogenannte „DCB“(„Direct-Copper-Bonding“)-Verfahren bekannt. Dabei werden Metallfolien oder Metallschichten, vorzugsweise Kupferfolien oder -schichten 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 bei einer Schmelztemperatur unter der Schmelztemperatur des Metalls (z.B. Kupfers), so dass durch Auflegen der Metall- bzw. Kupferschicht 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 Kupferschicht derart, dass sich eine gleichmäßige Kupferoxidschicht ergibt;
– Auflegen der Kupferschicht 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.

Ferner ist aus den Druckschriften DE 22 13 115 und EP-A-153 618 das sogenannte Aktivlot-Verfahren zum Verbinden von Metallisierungen bildenden Metallschichten oder Metallfolien, insbesondere auch von Kupferschichten oder Kupferfolien mit einem Keramikmaterial bzw. einer Keramikschicht bekannt. Bei diesem Verfahren, welches speziell auch zum Herstellen von Metall-Keramik-Substraten verwendet wird, wird bei einer Temperatur zwischen ca. 800–1200°C eine Verbindung zwischen einer Metallschicht, beispielsweise Kupferschicht, und einem Keramiksubstrat bzw. einer Keramikschicht, 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.
Bei den genannten Verfahren kommen hohe Temperaturen zum Einsatz, aufgrund derer die Metallschichten bzw. erzeugten Metallisierungen beim Abkühlen auf Raumtemperatur bedingt durch die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten Kräfte auf die Keramikschicht ausüben. Darüber hinaus ist ein derartiges Metall-Keramik-Substrat beim Einsatz als Träger von elektronischen Bauteilen bzw. Baugruppen aufgrund der entstehenden Verlustleistung thermischen Schwankungen ausgesetzt, wodurch insbesondere Spannungskräfte im Randbereich der Metallisierungen auf die Keramikschicht entstehen können, die zu einer Rissbildung in der Keramikschicht und damit zu einer Zerstörung des Metall-Keramik-Substrates oder der elektronischen Baugruppe führen können. Zur Vermeidung derartiger temperaturbedingter Spannungen ist beispielsweise aus der DE 10 2010 024 520 A1 ein Verfahren zur Erhöhung der thermo-mechanischen Beständigkeit eines Metall-Keramik-Substrates bekannt, bei dem nach dem Aufbringen und Strukturierung der Metallisierung die Kanten, die zwischen der Metallisierung und der Keramikschicht auftreten, durch Aufbringen eines elektrisch isolierenden Füllmaterials abgedeckt werden. Das Füllmaterial kann beispielsweise ein temperaturfestes Polymermaterial oder eine Masse aus einem Glas- oder Keramikmaterial sein.
Darüber hinaus entsteht an den Kanten oder Flanken der strukturierten Metallisierung eines derartigen Metall-Keramik-Substrates und der hohen Betriebsspannungen eine partielle Feldstärkeüberhöhung, welche mit zunehmender Abrundung der Kantengeometrie abnimmt. Aus der US 8,258,632 B1 ist bereits ein optisches Schaltelement aus Siliziumkarbid oder einem dergleichen Substratmaterial bekannt, bei dem das Substratmaterial Ausnehmungen zur Aufnahme von Elektroden eingebracht werden, welche eine vorgegebene Profilierung aufweisen, beispielsweise ein Rogowski, Bruce, Chang, Harrison oder Ernst Profil. Der Verbindungsbereich der Elektroden ist entsprechend profiliert ausgebildet, so dass diese formschlüssig in die zugehörige Ausnehmungen im Substratmaterial eingreifen. Hierdurch werden Feldstärkeerhöhungen im Übergangsbereich zwischen Elektrode und Substratmaterial reduziert.
Ausgehend vom voranstehend genannten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Metall-Keramik-Substrates sowie ein zugehöriges Metall-Keramik-Substrat aufzuzeigen, welches eine optimierte Feldstärkeverteilung, insbesondere im Bereich der Randbereiche der Metallisierungen, aufweist. Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung eines Metall-Keramik-Substrates gemäß dem Patentanspruch 1 und durch eine Metall-Keramik-Substrat gemäß Patentanspruch 14 gelöst.
Der wesentliche Aspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in folgenden Schritten zu sehen, und zwar

– Bereitstellen zumindest einer die spätere Metallisierung bildenden Metallschicht und zumindest einer Keramikschicht,
– Herstellen einer vorstrukturierten Metallschicht aus der Metallschicht durch Einbringen von zumindest teilweise die späteren Zwischenräume bildenden grabenförmigen Ausnehmungen in zumindest eine Oberfläche der Metallschicht,
– Verbinden der vorstrukturierten Metallschicht mit der Keramikschicht, und
– Abtragen der der Keramikschicht gegenüberliegenden Oberfläche der vorstrukturierten Metallschicht zumindest im Bereich der grabenförmigen Ausnehmungen zur Bildung der grabenförmigen Zwischenräume zum Trennen der durch die vorstrukturierte Metallschicht gebildeten Metallisierung in die durch die Vorstrukturierung vorgebenen Metallisierungsbereiche, wobei die grabenförmigen Ausnehmungen mit einer Querschnittsform erzeugt werden, die zumindest im an die Keramikschicht anschließenden Randbereich der Metallisierungsbereiche einen abgerundeten Kantenverlauf aufweisen. Besonders vorteilhaft entsteht beim erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren quasi automatisch eine abgerundeter Kantenverlauf im an die Keramikschicht anschließenden Randbereich der Metallisierungsbereiche, wodurch die aus dem Stand der Technik bekannten Feldstärkeerhöhungen effektiv reduziert werden können. Die erfindungsgemäß abgerundeten Kantengeometrien der Metallisierungsbereiche der strukturierten Metallisierung entfalten ihre positive Wirkung insbesondere an Grenzflächen mit Potentialunterschied, beispielsweise zwischen der Keramikschicht als Hauptisolator und den Randbereichen der Metallisierungsbereiche oder auch zwischen zwei durch einen grabenförmigen Zwischenraum voneinander getrennten Metallisierungsbereichen mit unterschiedlichen Potential. Hierzu wird erfindungsgemäß eine vorstrukturierte Metallschicht vorzugsweise in der Form eines Formätzteils hergestellt, bei dem durch entsprechende Einstellung der Maskierungs- und Ätzparameter eine vorzugsweise symmetrische Querschnittsform der eingebrachten grabenartigen Ausnehmungen hergestellt wird, welche einen feldstärkeoptimierten Kantenverlauf der hieraus hergestellten Metallisierungsbereiche bildet. Um einen feldstärkeoptimierten Kantenverlauf im Verbindungsbereich zwischen der Metallisierung und der Keramikschicht zu erhalten, wird die Vorstrukturierung zumindest in diejenige Oberfläche der Metallschicht eingebracht, welche zur Verbindung mit der Keramikschicht dient. Hierzu ist es erforderlich, dass das Layout der Vorstrukturierung spiegelbildlich zum gewünschten Layout auf der zu strukturierenden Oberfläche der Metallschicht aufgebracht wird, um nach den Freilegen der vorbereiteten grabenförmigen Zwischenräume auf dem Substrat das gewünschte Layout zu erhalten. Weiterhin vorteilhaft weist das nach den erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte feldstärkenoptimeirete Metall-Keramik-Substrat einen verringerten thermischen Widerstand bezogen auf die zu isolierende elektrische Spannung und damit eine verbesserte Kühlung der darauf angeordneten elektronischen Bauteile und/oder Komponenten auf. Durch die verbesserte Feldstärkeverteilung kann die Breite der grabenförmigen Zwischenräumen zwischen den Metallisierungsbereichen reduziert werden, so dass eine verbesserte Flächenausnutzung des Substrates möglich wird. Auch kann bei gleichbleibender elektrischer Isolationsfestigkeit die Stärke des Keramikschicht reduziert werden, wodurch eine verbesserte Kühlung möglich wird.

In einer bevorzugten Ausführungsvariante werden die grabenförmige Ausnehmungen mit einer Querschnittsform erzeugt, so dass ein abgerundeter Katenverlauf mit einem teilkreisförmigen Profil oder einem Rogowski-Profil oder einem Borda-Profil entsteht. Bei den genannten Profilen kann im Randbereich der Metallisierungsbereiche eine besonders optimale Feldstärkenverteilung erreicht werden. Besonders vorteilhaft ist aufgrund der feldstärkeoptimierten Metallisierungen des Metall-Keramik-Substrates eine Reduzierung der Schichtdicke der Keramikschicht bei gleichbleibenden Isolationsverhältnissen möglich, wodurch die Kühleigenschaften der Keramikschicht deutlich verbessert werden.
Weiterhin vorteilhaft wird zum Einbringen der grabenförmigen Ausnehmungen in die zumindest eine Oberfläche der Metallschicht auf die zumindest eine Oberfläche der Metallschicht eine Laminat- oder Resistschicht aufgebracht, die Oberfläche der Metallschicht geätzt und die Laminat- oder Resistschicht anschließend wieder entfernt wird. Durch die entsprechende Auswahl der Maskierungs- und Ätzparameter kann besonders vorteilhaft die Querschnittsform der grabenförmigen Ausnehmungen eingestellt werden, welche den späteren Kantenverlauf der Metallisierungsbereiche zumindest abschnittsweise vorgeben.
In einer vorteilhaften Ausführungsvariante können die durch Ätzen erzeugten grabenförmigen Ausnehmungen nochmals überätzt werden, und zwar ohne oder unter Verwendung einer weiteren Laminat- oder Resistschicht und/oder zumindest zwei grabenförmige, über einen Verstärkungsrippe bzw. -steg voneinander getrennte Ausnehmungen benachbart zueinander erzeugt werden. Hierdurch wird besonders vorteilhaft sowohl eine Vergrößerung der Breite und Tiefe und/oder eine Abrundung des Übergangsbereiches zwischen der Oberfläche der Metallschicht und der grabenförmigen Ausnehmungen, d.h. des Randes der grabenförmigen Ausnehmung erreicht. Der spätere Kantenverlauf wird hierdurch nochmals deutlich stärker abgerundet.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird zum Abtragen der der Keramikschicht gegenüberliegenden Oberfläche der vorstrukturierten Metallschicht zumindest im Bereich der grabenförmigen Ausnehmungen oder der Verstärkungsrippe bzw. -stege die der Keramikschicht gegenüberliegende Oberfläche ohne oder unter Verwendung einer Laminat- oder Resistschicht geätzt. Vorteilhaft kann hierdurch sowohl abschnittsweise als auch vollflächig die Schichtdicke der vorstrukturierten Metallschicht bzw. der bereits gebondeten Metallisierung reduziert werden und damit zumindest die durch die Vorstrukturierung vorgegebenen Aufteilung der Metallisierung in mehrere Metallisierungsbereiche umgesetzt werden. Hierzu wird beim Abtragen der der Keramikschicht gegenüberliegenden Oberfläche der vorstrukturierten Metallschicht die Schichtdicke abschnittsweise oder vollflächig reduziert. Vorteilhaft ergibt sich dadurch eine erleichterter Entfernen der Metallisierung beim Freilegen der vorbereiteten Zwischenräume.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird vor dem Verbinden der vorstrukturierten Metallschicht mit der Keramikschicht auch die gegenüberliegende Oberfläche der Metallschicht zumindest im Bereich der grabenförmigen Ausnehmungen geätzt. Auch kann vor oder nach dem Verbinden der vorstrukturierten Metallschicht mit der Keramikschicht in der gegenüberliegenden Oberfläche der Metallschicht entlang der grabenförmigen Ausnehmungen eine Materialabschwächung eingebracht werden. Durch die randseitige Materialabschwächung in einer nahezu beliebigen mittels entsprechender Maskierungs- und Ätztechnik herstellbaren Form wird die Temperaturwechselbeständigkeit des Metall-Keramik-Substrates wesentlich verbessert.
Vorzugsweise werden die vorstrukturierte Metallschicht und die Keramikschicht abhängig vom Metall der vorstrukturierten Metallschicht mittels eines Direct-Copper-Bonding-Verfahrens oder eines Aktivlot- bzw. Hartlotverfahrens oder eines Direct-Aluminium-Bonding-Verfahrens oder eines Klebeverfahrens verbunden, wobei die zumindest eine Metallisierung aus Kupfer oder einer Kupferlegierung oder aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung hergestellt wird. Bei der Herstellung eines Metall-Keramik-Substrates mit mehreren Metallisierungen können auch Kombination der vorgenannten Verbindungs- bzw. Bondverfahren zur Anwendung kommen.
Auch kann das Metall-Keramik-Substrat eine erste und zweite, direkt flächig mit der Keramikschicht verbundene Metallisierung aufweisen, wobei die Keramikschicht mit einer ersten Metallisierung aus Kupfer oder einer Kupferlegierung und einer zweiten Metallisierung aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung versehen wird.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsvariante der Erfindung werden die Metallisierungsbereiche zumindest in den Randbereichen mit einem Vergussmaterial vergossen. Alternativ können die grabenförmigen Zwischenräume zumindest teilweise mit einem Vergussmaterial verfüllt werden. Hierbei wird vorzugweise die Dieelektrizitätskonstante des Vergussmaterials derart gewählt, dass weitere Feldstärkenüberhöhungen vermieden oder reduziert werden.
Erfindungsgemäße Metall-Keramik-Substrate können bei sonst ungeänderten Materialeigenschaften und Geometrien somit für höhere Spannungen eingesetzt werden. Alternativ können bei gleichbleibender Isolationsspannung die Isolationsabstände (dünnere Keramikschicht oder engere Isolationsgräben) verringert werden. Im Falle der Keramikschicht führt dies zu einem verringerten thermischen Widerstand und damit zu einer verbesserten Kühlung der Halbleiter usw. Das kann zu einer Erhöhung der Schaltleistung der Baugruppe genutzt werden. Auch wird durch die geringere Breite der Isogräben eine verbesserte Ausnutzung der Schaltungsträgerfläche bzw. der Keramikoberfläche erreicht. Eine verbesserte Flächenausnutzung liefert zusätzlich ein besseres elektrisches Verhalten (kleinerer parasitärer ohmscher Widerstand, kleinere parasitäre Induktivität, kleinere parasitäre Kapazitäten).
In einer Ausführungsvariante können sowohl die erste als auch die zweite Metallisierung strukturiert ausgebildet sein und Metallisierungsbereiche mit abgerundeten und damit feldstärkeoptimierten Kantenverläufen zumindest im Bereich der Grenzschichten zur Keramikschicht aufweisen.
Die Ausdrucke „näherungsweise“, „im Wesentlichen“ oder „etwa“ bedeuten im Sinne der Erfindung Abweichungen vom jeweils exakten Wert um +/–10%, bevorzugt um +/–5% und/oder Abweichungen in Form von für die Funktion unbedeutenden Änderungen.
Weiterbildungen, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und aus den Figuren. Dabei sind alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination grundsätzlich Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung. Auch wird der Inhalt der Ansprüche zu einem Bestandteil der Beschreibung gemacht.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine vereinfachte schematische Schnittdarstellung durch ein gemäß dem Stand der Technik ausgebildetes Metall-Keramik-Substrat,
2 eine vereinfachte Schnittdarstellung durch ein erfindungsgemäß ausgebildetes Metall-Keramik-Substrat mit feldstärkeoptimierter Metallisierung,
3 in einer schematischen Darstellung den ersten bis fünften Schritt (a)–(e) einer Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens,
4 beispielhaft zwei weitere Teilschritte (c1) und (c2), welche sich an den dritten Schritt (c) gemäß 3 anschließen können,
5 beispielhaft zwei weitere Teilschritte (c3) und (c4), welche zusätzlich zu den in 3 dargestellten Schritten (a) bis (e) Verwendung finden können,
6 beispielhaft einen zusätzlichen Schritt (f), der sich an den fünften Schritt (e) gemäß 3 anschließt,
7 beispielhaft zwei alternative Teilschritte (c1) und (c2) sowie den anschließen vierten und fünften Schritt (d) und (f) betreffend eine alternative Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens,
8 beispielhaft eine alternative Ausführungsvariante des dritten Schrittes (c),
9 beispielhaft einen Querschnitt durch den Randbereich eines erste feldstärkeoptimierten Metallisierungsbereiches mit Rogowski-Profil und
10 beispielhaft einen Querschnitt durch den Randbereich eines erste feldstärkeoptimierten Metallisierungsbereiches mit Borda-Profil.
1 zeigt in vereinfachter schematischer Darstellung einen Schnitt durch eine gemäß dem Stand der Technik ausgebildete Ausführungsform eines Metall-Keramik-Substrates 1 umfassend eine Keramikschicht 2 mit einer Oberseite 2.1 und einer Unterseite 2.2, welche im vorliegenden Ausführungsbeispiel mit einer ersten Metallisierung 3 versehen ist, und zwar ist die erste Metallisierung 3 auf der Oberseite 2.1 vorgesehen.
In einer alternativen Ausführungsform kann zumindest eine zweite Metallisierung 4 auf der Unterseite 2.2 vorgesehen sein, welche in 1 beispielhaft mittels eine strichliert gezeichneten Linie angedeutet ist. Vorzugsweise sind die erste und zweite Metallisierung 3, 4 direkt flächig mit der Ober- bzw. Unterseite 2.1, 2.2 des Keramiksubstrates verbunden.
Die erste Metallisierungs 3 weist beispielsweise eine erste Schichtdicke bzw. Dicke d1 und die zweite Metallisierung 4 eine zweite Schichtdicke bzw. Dicke d2, welche beispielsweise annähernd gleich oder unterschiedlich ausgebildet sein können. Die Metallisierungen 3, 4 können beispielsweise aus demselben oder unterschiedlichen Metall(en) hergestellt sein, und zwar beispielsweise aus Kupfer oder einer Kupferlegierung oder Aluminium oder einer Aluminiumlegierung. Die Schichtdicken d1, d2 der Metallisierungen 3, 4 betragen wenigstens 20 Mikrometer, vorzugsweise zwischen 20 und 900 Mikrometer, wobei im Bereich der Leistungselektronik vorzugsweise Schichtdicken zwischen 150 und 600 Mikrometer Anwendung finden.
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 eine Schichtdicke d3 beispielsweise zwischen 50 Mikrometer und 1000 Mikrometer, vorzugsweise zwischen 200 Mikrometer und 700 Mikrometer auf.
Zumindest eine der Metallisierungen 3, 4 eines derartigen Metall-Keramik-Substrates 1, im vorliegenden Ausführungsbeispiel die erste Metallisierung 3, ist strukturiert ausgebildet und bildet hierdurch beispielsweise Leiterbahnen, Verbindungsflächen, Kontakt- oder Anschlussflächen aus. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel weist die erste Metallisierung 3 beispielsweise zwei, vorzugsweise jedoch eine Vielzahl von Metallisierungsbereichen 3.1, 3.2 auf, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel Anschluss- oder Kontaktflächen zur Montage von elektronischen Bauteilen und/oder Komponenten bilden.
Derartige Metall-Keramik-Substrate 1 dienen in bekannter Weise als Leiterplatten für elektrische oder elektronische Schaltungen oder Schaltungsmodule, insbesondere für elektronische Leistungsschaltungen. Hierbei wird die Strukturierung der Metallisierungen 3, 4 mit an sich bekannten Maskierungs- und Ätztechnologien erstellt. Vorzugsweise erfolgt die Strukturierung der jeweiligen Metallisierung 3, 4 nach dem Bonden einer durchgängigen Metallschicht auf die Keramikschicht 2, d.h. Herstellen einer dauerhaften direkten Verbindung mit der Ober- oder Unterseite 2.1, 2.2 der Keramikschicht 2.
Im Anschluss daran wird das gewünschte Schaltungslayout mittels bekannter Maskierungs- und Ätztechnologien durch Einbringen von einer Vielzahl von grabenförmigen Zwischenräumen 5 in die durchgängig, gebondete Metallschicht erstellt, wobei die grabenförmigen Zwischenräume 5 sich bis zur Keramikschicht 2 erstrecken und somit die durchgängig bzw. vollflächige Metallschicht, welche nach dem Bonden die Metallisierung 3, 4 des Metall-Keramik-Substrates 1 bildet, in mehrere Metallisierungsbereiche 3.1, 3.2 unterteilen.
Beispielsweise wird gemäß bekannter Maskierungstechnologien zunächst eine Laminat- bzw. Resistschicht auf die der Keramikschicht 2 gegenüberliegende Oberflächenseite 3.1 der Metallisierung 3, 4 aufgebracht, anschließend die von der Laminat- bzw. Resistschicht nicht abgedeckten, d.h. freien Metallisierungsabschnitte der Oberflächenseite 3.1 mittels Ätzen entfernt und in einem weiteren Verfahrensschritt die Laminat- bzw. Resistschicht wieder von der verbliebenen Metallisierung 3, 4 entfernt. Durch das beschriebene Maskierungs- und Ätzverfahren entstehen Metallisierungsbereiche 3.1, 3.2 mit einer im Hinblick auf die Feldstärkeverteilung im Kantenbereich nachteiligen Kantengeometrie wie beispielsweise in 1 dargestellt.
Aufgrund der im Querschnitt näherungsweise wannenartig ausgebildeten grabenförmigen Zwischenräumen 5 läuft die Kantengeometrie der Metallisierungsabschnitte 3.1, 3.2 insbesondere in den unmittelbar an die Keramikschicht 2 anschließenden Randbereichen 3.1‘, 3.2‘ bzw. die mit der Keramikschicht 2 verbundenen Randbereiche 3.1‘, 3.2‘ sehr spitz zu, wodurch bei Verwendung des Metall-Keramik-Substrates 1 für eine elektronische Leistungsschaltung aufgrund der hohen Betriebsspannungen zu Feldstärkeüberhöhungen, insbesondere in den spitz zulaufenden Randbereichen 3.1‘, 3.2‘, kommen kann. Diese beeinträchtigen damit die Isolationsfestigkeit des Metall-Keramik-Substrates 1. Diese geringere Isolationsfestigkeit kann beispieslweise durch eine Erhöhung der Dicke d3 der Keramikschicht 2 und/oder eine Vergrößerung der Breite des grabenförmigen Zwischenraumes 5 ausgeglichen werden, was jedoch mit einer Erhöhung der Materialkosten und einer geringeren Integrationsdichte einhergeht.
Hier setzt die Erfindung an und schlägt ein Verfahren zur Herstellung eines Metall-Keramik-Substrates 1 mit zumindest einer feldstärkeoptimierten Metallisierung 3, 4 vor. In 2 ist beispielsweise ein gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Metall-Keramik-Substrat 1 dargestellt, dessen Aufbau prinzipiell mit dem Aufbau des in 1 dargestellten Metall-Keramik-Substrat 1 übereinstimmt, sich jedoch in der Kantengeometrie, insbesondere im Randbereich 3.1‘, 3.2‘ der Metallisierungsabschnitte 3.1, 3.2 von dem in 1 dargestellten Metall-Keramik-Substrat 1 unterscheidet, und zwar ist dort ein feldstärkeoptimierter Kantenverlauf KV der Randbereiche 3.1‘, 3.2‘ der Metallisierungsabschnitte 3.1, 3.2 gezeigt, welcher den grabenförmigen Zwischenraum 5, häufig auch als ISO-Graben bezeichnet, einschließt.
Zur Herstellung eines Metall-Keramik-Substrates 1 mit zumindest einer feldstärkeoptimierten Metallisierung 3, 4 wird zunächst zumindest eine die spätere Metallisierung 3, 4 bildenden Metallschicht 6 mit einer ersten und zweiten Oberfläche 6.1, 6.2 und zumindest einer Keramikschicht 2 bereitgestellt. Aus der Metallschicht 6 wird anschließend durch Einbringen von zumindest teilweise die späteren Zwischenräume 5 bildenden grabenförmigen Ausnehmungen 8 in zumindest eine Oberfläche 6.1 der Metallschicht 6 eine vorstrukturierte Metallschicht 6‘ hergestellt. Die vorstrukturierte Metallschicht 6‘ wird unter Verwendung eines Direct-Copper-Bonding-Verfahrens oder eines Aktivlot- oder Hartlotverfahrens mit der Keramikschicht 2 verbunden. Schließlich wird die durch die vorstrukturierte Metallschicht 6‘ gebildete Metallisierung 3, 4 in die durch die Vorstrukturierung vorgebenen Metallisierungsbereiche 3.1, 3.2 durch Abtragen der der Keramikschicht 2 gegenüberliegenden Oberfläche 6.2 der vorstrukturierten Metallschicht 6‘ zumindest im Bereich der grabenförmigen Ausnehmungen 8 zur Bildung der grabenförmigen Zwischenräume getrennt, wobei die grabenförmigen Ausnehmungen 8 mit einer Querschnittsform erzeugt werden, dass zumindest im an die Keramikschicht 2 anschließenden Randbereich 3.1‘, 3.2‘ der Metallisierungsbereiche 3.1, 3.2 ein abgerundeter Kantenverlauf KV entsteht. Erfindungsgemäß weisen damit die Metallisierungsbereiche 3.1, 3.2 einen zumindest abschnittsweise abgerundeten und damit feldstärkeoptimierten Kantenverlauf KV auf, wie beispielsweise in 2 dargestellt.
Der abgerundete und damit feldstärkeoptimierte Kantenverlauf KV weist vorzugsweise zumindest im an die Keramikschicht 2 anschließenden Randbereich 3.1‘, 3.2‘ der Metallisierungsabschnitte 3.1, 3.2 ein teilkreisförmiges Profil oder ein Rogowski-Profil oder ein Borda-Profil auf. Die beschriebenen feldstärkeoptimierte Kantenverläufe KV ermöglichen eine deutliche Reduzierung der Feldstärkeüberhöhungen im Randbereich 3.1‘, 3.2‘ der Metallisierungsbereiche 3.1, 3.2.
Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die in 3 schematisch dargestellten Verfahrensschritte (a) bis (e) das Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Metall-Keramik-Substrates 1 mit zumindest einer ersten feldstärkeoptimierten Metallisierung 3 an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.
In einem ersten Schritt (a) gemäß 3 wird auf die durchgehende Metallschicht 6 mit der ersten und zweiten Oberfläche 6.1, 6.2 eine Laminat- oder Resistschicht 7 aufgebracht. Die Metallschicht 6 weist beispielsweise eine Dicke d4 auf, die die Dicke d1 der zu erzeugenden ersten Metallisierung 3 überschreitet. Im vorliegenen Ausführungsbeispiel wird auf die erste Oberfläche 6.1 der Metallschicht 6 eine Laminat- oder Resistschicht 7 aufgebracht und hierdurch eine das spätere Schaltungslayout abbildende Maskierung der Metallschicht 6 vorgenommen.
In einem zweiten Schritt (b) wird dann die mit der Maskierung mittels der Laminat- oder Resistschicht 7 versehene erste Oberfläche 6.1 der Metallschicht 6 einem ersten Ätzschritt unterzogen, und zwar derart, dass an den mittels der Laminat- oder Resistschicht 7 nicht abgedeckten und damit freiliegenden Abschnitten der ersten Oberfläche 6.1 der Metallschicht 6 grabenförmige Ausnehmungen 8 in die Metallschicht 6 eingeätzt werden und hierdurch eine vorstrukturierte Metallschicht 6‘ erzeugt wird. Die grabenförmigen Ausnehmungen 8 bilden zumindest teilweise oder abschnittsweise den späteren grabenförmigen Zwischenraum 5 zwischen den Metallisierungsbereichen 3.1, 3.2 der ersten Metallisierung 3 des Metall-Keramik-Substrates 1. Vorzugsweise wird der erste Ätzschritt derart durchgeführt, dass ein zumindest geringfügiges Unterätzen der grabenartigen Ausnehmungen 8 entsteht.
In einem dritten Schritt (c) wird die erste Oberfläche 6.1 von der Laminat- oder Resistschicht 7 befreit und die erste, die grabenförmigen Ausnehmungen 8 aufweisende Oberfläche 6.1 einem zweiten Ätzschritt unterzogen, wodurch ein Überätzen der grabenartigen Ausnehmungen 8 entsteht, d.h. die Breite und Tiefe der grabenartigen Ausnehmungen 8 nimmt zu und der Übergangsbereich zwischen der ersten Oberflächenseite 6.1 und der grabenartigen Ausnehmung 8 wird hierdurch noch stärker abgerundet, d.h. ergibt einen annähernd teilkreisförmig abgerundeten Profilverlauf. Damit entsteht als Zwischenprodukt im Herstellungsprozesses eine vorstrukturierte Metallschicht 6‘, deren erste Oberfläche 6.1 bereits mehrere grabenförmige Ausnehmungen 8 aufweist, wohingegen die zweite Oberfläche 6.2 noch durchgehend, d.h. ohne Ausnehmungen ausgebildet ist.
Die vorstrukturierte Metallschicht 6‘ wird zur Herstellung der ersten Metallisierung 3 in einem vierten Schritt (d) mit der Keramikschicht 2 verbunden („gebondet“), und zwar wird die die grabenförmige Ausnehmungen 8 aufweisende erste Oberfläche 6.1 mit der Keramikschicht 2 direkt und flächig verbunden. Hierzu werden abhängig vom zur Herstellung der Metallschicht 6 verwendeten Metall beispielsweise ein „Direct-Copper-Bonding“-Verfahren, ein „Direct-Aluminium-Bonding“-Verfahren oder ein Hartlot- oder Aktivlotverfahren verwendet. Alternativ kann zum „Bonden“ eine Klebeverbindung Verwendung finden, beispielsweise ein Kunststoffkleber oder ein als Kleber geeignetes Polymer, vorzugsweise ein Kleber, der Carbon-Fasern, insbesondere Carbon-Nanofasern aufweist. Bei der Herstellung eines Metall-Keramik-Substrates 1 mit mehreren Metallisierungen 3, 4 können auch Kombinationen genannter Verbindung- bzw. Bondverfahren zur Anwendung kommen.
In einem fünften Schritt (e) wird die zweite Oberfläche 6.2 der auf die Keramikschicht 2 aufgebrachten und mit dieser fest verbundenen vorstrukturierten Metallschicht 6‘ zur Herstellung der ersten feldstärkeoptimierten Metallisierung 3 einem dritten Ätzschritt unterzogen und hierdurch beispielsweise vollflächig die Oberfläche 6.2 der Metallisierung 3 abgetragen, und zwar derart, dass aus der sich von der Keramikschicht 2 in Richtung der zweiten Oberfläche 6.2 erstreckenden grabenförmigen Ausnehmungen 8 die grabenförmigen Zwischenräume 5 gebildet werden und dadurch die vorstrukturierte Metallschicht 6‘ vollständig in mehrere Metallisierungsbereiche 3.1, 3.2 aufgeteilt wird. Bei der Durchführung des dritten Ätzschrittes ohne Verwendung einer weiteren Laminat- oder Resistschicht wird die Dicke d4 der Metallschicht 6 auf die Dicke d1 der ersten Metallisierung 3 reduziert und damit die bereits durch die vorstrukturierte Metallschicht 6‘ zumindest abschnittsweise „vorbereiteten“ grabenförmigen Zwischenräume 5 freigelegt und der Kantenverlauf KV der hierdurch entstehenden Metallisierungsbereiche 3.1, 3.2 auch in den von der Keramikschicht 2 abgewandten Randbereichen noch entsprechend abgerundet. Die Prozessparamter der Ätzschritte sind individuell zur Erzeugung eines gewünschten Kantenprofils KV einstellbar. Vorzugsweise sind diese derart gewählt, dass ein feldstärkeoptimierter Kantenverlauf KV mit einem teilkreisförmigen Profil oder einem Rogowski-Profil oder einem Borda-Profil entsteht.
In einer alternativen Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß der 4 umfasst der dritte Schritt (c) im Vergleich zur Ausführungsvariante gemäß 3 einen ersten und zweiten Teilschritt (c1) und (c2). Damit schließen sich an den ersten und zweiten Schritt (a) und (b) gemäß 3 einen ersten Teilschritt (c1) an, gemäß dem die erste Oberfläche 6.1 von der Laminat- oder Resistschicht 7 befreit wird, jedoch vor der Druchführung des zweiten Ätzschrittes eine weitere Laminat- oder Resistschicht 7‘ aufgebracht wird. Durch die weitere Laminat- oder Resistschicht 7‘ sind die bereits in die erste Oberfläche 6.1 eingeätzen grabenförmigen Ausnehmungen 8 großzügig freigestellt, so dass in einem zweiten Teilschritt (c2) mittels eines zweiten Ätzschrittes ein Überätzen der freigestellten Abschnitte der erste Oberfläche 6.1, und zwar im Bereich der grabenförmigen Ausnehmungen 8 erfolgt. Durch entsprechende Wahl der Prozessparameter des ersten und zweiten Ätzschrittes kann der Querschnitt der grabenförmigen Ausnehmungen 8, insbesondere im Bereich der ersten Oberfläche 6.1 auf eine gewünschte Form eingestellt werden, welche vorzugsweise spiegelsymmetrisch zu einer Mittenebene der grabenförmigen Ausnehmungen 8 ausgebildet ist. Daran schließen sich dann der vierte und fünfte Schritt (d) und (e) gemäß der 3 an, lediglich mit dem Unterschied, dass der der Kantenverlauf KV der entstehenden Metallisierungsbereiche 3.1, 3.2 unterschiedlich ausgebildet ist, und zwar weist dieser beispielsweise einen leicht wellenförmig gerundeten Verlauf auf.
In 5 sind beispielhaft ein dritter und vierter Teilschritt (c3) und (c4) dargestellt, welche sich entweder an den dritten Schritt (c) oder den ersten und zweiten Teilschritt (c1) und (c2) anschließen können. Im dritten Teilschritt (c3) wird eine weitere Laminat- oder Resistschicht 7‘‘ auf die Oberfläche 6.2 der vorstrukturierten Metallschicht 6‘ aufgebracht, und zwar derart, dass zumindest die den grabenförmigen Ausnehmungen 8 gegenüberliegenden Abschnitte der Oberfläche 6.2 freigestellt sind. Gemäß dem vierten Teilschritt (c4) wird die derart maskierte Oberfläche 6.2 der vorstrukturierten Metallschicht 6‘ einem weiteren Ätzschritt unterzogen und damit die vorstrukturierte Metallschicht 6‘ im Bereich der Oberfläche 6.2 der grabenförmigen Ausnehmungen 8 zusätzlich geschwächt. Im Anschluss daran wird die Laminat- oder Resistschicht 7‘‘ wieder entfernt. Damit ist die verbleibende Dicke der vorstrukturierten Metallschicht 6‘ weiter reduziert, so dass nach dem Bonden der vorbereiteten vorstrukturierten Metallschicht 6‘ auf der Keramikschicht (2) gemäß dem vierten Schritt (d) in einem fünften Schritt (e) durch erneutes Ätzen der Oberfläche 6.2 die grabenförmigen Ausnehmungen 8 geöffnet werden, so dass grabenförmige Zwischenräume 5 zur Strukturierung der Metallisierung 3 in zumindest einen ersten und zweiten Metallisierungsbereich 3.1, 3.2 entstehen.
Bei Verwendung des Aktivlötverfahrens zur Verbindung der vorstrukturierten Metallschicht 6‘ mit der Keramikschicht 2 gemäß dem vierten Schritt (d) ist neben dem Freiätzen der vorbereiteten grabenförmigen Zwischenräume 5 durch Reduzierung der Schichtdicke d4 der Metallisierung 3 zumindest im Bereich der grabenförmigen Ausnehmungen 8 gegenüberligenden Oberflächenbereiche noch ein weiterer Ätzschritt erforderlich, mit dem die beim Löten entstehende Zwischenschicht entfernt wird. Das Lot kann hierbei beispielsweise strukturiert oder vollflächig auf die Keramikschicht 2 aufgetragen werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsvariante gemäß der 6 schließt sich an den fünften Verfahrensschritt (e) ein sechster Schritt (f) an, gemäß dem der abgerundete Kantenverlauf KV der Metallisierungsbereiche 3.1, 3.2 zumindest im Randbereich 3.1, 3.2 mit einer Vergussmasse oder -material 10 vergossen wird. In einer alternativen Ausführungsvariante des sechsten Schrittes (f‘) wird der grabenförmige Zwischenraum 5 zumindest teilweise mit einer Vergussmasse oder -material 10 vergossen. Die Vergussmasse bzw. das Vergussmaterial 10 ist vorzugsweise aus Kunststoff, beispielsweise aus Epoxy, Polyiamid, Epoxidharz oder dergleichen Vergussmaterialen hergestellt. Aufgrund des abgerundeten Kantenverlaufes KV ist eine geringe Menge des Vergussmaterials 10 bereits ausreichend, welche darüber hinaus leicht applizierbar ist, und zwar kann die Vergussmasse oder das Vergussmaterial in einem höherer Verdünnungsgrad verarbeitet werden, wodurch eine verbesserte Kapillarwirkung entsteht. Vorzugsweise ist die Dielektrizitätskonstante der verwendeten Vergussmasse bzw. des verwendeten Vergussmaterials derart gewählt, dass weitere Feldstärkenüberhöhungen vermieden bzw. reduziert werden. Das Verhältnis der Dielektrizitätskonstanten e1/e2 des Vergussmaterials zum Hauptisolator gibt das Verhältnis der Feldstärken E2/E1 des Hauptisolators und des Vergussmaterials vor.
In einer weiteren Ausführungsvariante gemäß 7 schließt sich an den dritten Schritt (c) alternative Teilschritte (c1) und (c2) an, über welche in die vorstrukturierte Metallisierung 6‘ auf der gegenüberliegenden Oberfläche 6.2 entlang der grabenförmigen Ausnehmung 8 zur Verbesserung der Temperaturwechselbeständigkeit des daraus hergestellten Metall-Keramik-Substrates 1 eine weitere Materialschwächung 9 beispielsweise in Form einer grabenförmigen Ausnehmung oder kreisförmigen, ovalen oder langlochartigen Ausnehmungen oder sonstigen geometrischen Formen eingebracht werden. Hierzu wird in einem ersten Teilschritt (c1) wiederum eine Maskierung der Oberfläche 6.2 mittels einer weiteren Laminat- oder Resistschicht 7‘‘ vorgenommen, anschließend gemäß dem weiteren Teilschritt (c2) die maskierte Oberfläche 6.2 geätzt und schließlich die weitere Laminat- oder Resistschicht 7‘‘ wieder entfernt. Die vorsturkturierte und mit der zusätzlichen Materialschwächung 9 versehene Metallschicht 6‘ wird gemäß dem vierten Schritt (d) mit der Keramikschicht 2 verbunden und anschließend in einem fünften Schritt (e) der vorbereitete grabenförmige Zwischenraum 5 freigelegt, und zwar durch Materialabtrag der Oberfläche 6.2 der vorstrukturierten Metallschicht 6‘, welche die Metallisiserung 3 des Metall-Keramik-Substrates 1 bildet. Auch kann der Materialabtrag vollflächig erfolgen, d.h. die gesamte Oberfläche 6.2 der vorstrukturierten und gebondeten Metallschicht 6‘ wird einem Ätzschritt unterzogen, und zwar ohne eine weitere Laminat- oder Resistschicht 7‘‘ vorzusehen. Hierdurch entsteht somit weitere Materialschwächung 9 entlang der Randbereiche der Metallisierungsabschnitt 3.1, 3.2, welche zu einer Verbesserung der Temperaturwechselbeständigkeit des Metall-Keramik-Substrates 1 führen. Die weiteren Materialschwächungen 9 der Oberfläche 6.2 sind beabstandet zu den grabenförmigen Ausnehmungen 8 in die Metallschicht 6 eingebracht und verlaufen vorzugsweise parallel hierzu. Auch können diese abhängig von der Form teilweise oder vollständig mit einem zuvor beschriebenen Vergussmaterial 10 ausgefüllt sein.
Auch können in einer nicht in den Figuren dargestellten Ausführungsvariante mehrere grabenförmige Ausnehmungen 8 unmittelbar aneinander anschließend in die Oberfläche 6.1 der Metallschicht 6 eingebracht werden, um die Breite der hieraus erzeugten grabenförmigen Zwischenräume 5 zwischen den Metallisierungsbereichen 3.1, 3.2 des Metall-Keramik-Substrates zu erhöhen.
In einer weiteren alternativen Ausführungsvariante des dritten Schrittes (c5) gemäß 8 kann zur Erzeugung einer grabenförmigen Zwischenraumes 5 mit erhöhter Grabenbreite und damit erhöhten Abstand zwischen den Metallisierungsbereichen 3.1, 3.2 mittels eines modizierten dritten Schrittes (c5) zumindest eine Verstärkungsrippe bzw. ein Verstärkungssteg 11 erzeugt werden, welches ein ungewünschtes Durchbiegen des geschwächten Bereiches der Metallschicht 6 beim Verbinden mit der Keramikschicht 2 („Bondprozessschritt“) verhindert. Hierzu werden zumindets zwei oder mehrere grabenförmige Ausnehmungen 8 unmittelbar benachbart zueinander mittels entsprechenden Aufbringen einer angepassten weiteren Laminat- oder Resistschicht 7‘, so dass zwischen den zwei benachbarten grabenförmige Ausnehmungen 8 die gewünschte Verstärkungsrippe bzw. ein Verstärkungssteg 11 entsteht. Vorzugsweise wird in einem zusätzlichen weiteren Teilschritt, welcher ebenfalls bereits in 8 dargestellt ist, auch auf der Oberseite 6.2 der Metallschicht 6 eine weitere weiteren Laminat- oder Resistschicht 7‘‘ derart aufgebracht, dass im den Verstärkungsrippen bzw. ein Verstärkungsstegen 11 gegenüberliegenden Bereichen der Oberseite 6.2 der Metallschicht 6 ebenfalls eine Schwächung der Dicke der Metallschicht 6 entsteht, vorzugsweise ebenfalls in Form einer grabenförmigen Ausnehmung. Hierdurch ist das Entfernen der Verstärkungsrippen bzw. der Verstärkungsstege 11 im nach dem Bonden anschließenden fünften Schritt (e) durch erneutes Ätzen der Oberfläche 6.2 deutlich vereinfacht und die Verstärkungsrippen bzw. der Verstärkungsstege 11 können vollständig entfernt werden. Damit bilden die zwei oder mehreren, benachbarten grabenförmigen Ausnehmungen 8 eine im Vergleich zu den vorhergehenden Ausführungsbeispielen verbreiterten grabenförmigen Zwischenräum 5 aus.
Die alternative Ausführungsvariante des dritten Schrittes (c5) gemäß 8 kommt insbesondere dann zur Anwendung, wenn eine Breite des grabenförmigen Zwischenraumes 5 im Bereich von dem drei bis fünfachen der Metallisierungsdicke d1, d2 gewünscht ist.
In 9 ist beispielhaft der Randverlauf des ersten Metallisierungsbereiches 3.1 ohne Keramikschicht 2 im einer schematischen Schnittdarstellung dargestellt. Der abgerundete und damit feldstärkeoptimierte Kantenverlauf KV weist ein Rogowski-Profil auf. Der beschriebene feldstärkeoptimierte Kantenverlauf KV ist derart gewählt, dass die bei Anliegen einer entsprechenden Spannung am ersten Metallisierungsbereiches 3.1 die Feldstärke nach außen hin stetig abnimmt.
10 zeigt einen alternativen Randverlauf des ersten Metallisierungsbereiches 3.1 ohne Keramikschicht 2 im einer schematischen Schnittdarstellung. Der abgerundete und damit feldstärkeoptimierte Kantenverlauf KV weist ein Borda-Profil auf. Bei Anliegen einer entsprechenden Spannung am ersten Metallisierungsbereiches 3.1 stellt sich unterschiedlich zum Rogowski-Profil beim vorliegenden Borda-Profil eine näherungsweise gleichverteilte Feldstärke ein.
Die Erfindung wurde voranstehend an Ausführungsbeispielen beschrieben. Es versteht sich, dass zahlreiche Änderungen sowie Abwandlungen möglich sind, ohne dass dadurch der der Erfindung zugrunde liegend Erfindungsgedanke verlassen wird.
Bezugszeichenliste

1: Metall-Keramik-Substrat
2: Keramikschicht
2.1: Oberseite
2.2: Unterseite
3: erste Metallisierung
3.1: erster Metallisierungsbereich
3.2: zweiter Metallisierungsbereich
4: zweite Metallisierung
5: grabenförmiger Zwischenraum
6: Metallschicht
6‘: vorstrukturierte Metallschicht
6.1: erste Oberfläche
6.2: zweite Oberfläche
7: Laminat- oder Resistschicht
7‘, 7‘‘: weitere Laminat- oder Resistschichten
8: grabenförmige Ausnehmung
9: Materialschwächungen
10: Vergussmasse bzw. Vergussmaterial
11: Verstärkungsrippe bzw. -steg
d1: Schichtdicke der ersten Metallisierung
d2: Schichtdicke der zweiten Metallisierung
d3: Schichtdicke der Keramikschicht
d4: Schichtdicke der Metallschicht
KV: Kantenverlauf

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 3744120 [0003]
DE 2319854 [0003]
DE 2213115 [0004]
EP 153618 A [0004]
DE 102010024520 A1 [0005]
US 8258632 B1 [0006]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Metall-Keramik-Substrates (1) mit zumindest einer Keramikschicht (2) und zumindest einer feldstärkeoptimierten Metallisierung (3, 4), die zur Ausbildung von Anschluss- und/oder Kontaktflächen und/oder Leiterbahnen in mehrere, jeweils durch grabenförmige Zwischenräume (5) voneinander getrennte Metallisierungsbereiche (3.1, 3.2) strukturiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren folgende Schritte umfasst: – Bereitstellen zumindest einer die spätere Metallisierung (3, 4) bildenden Metallschicht (6) und zumindest einer Keramikschicht (2), – Herstellen einer vorstrukturierten Metallschicht (6‘) aus der Metallschicht (6) durch Einbringen von zumindest teilweise die späteren grabenförmigen Zwischenräume (5) bildenden grabenförmigen Ausnehmungen (8) in zumindest eine Oberfläche (6.1) der Metallschicht (6), – Verbinden der vorstrukturierten Metallschicht (6‘) mit der Keramikschicht (2), und – Abtragen der der Keramikschicht (2) gegenüberliegenden Oberfläche (6.2) der vorstrukturierten Metallschicht (6‘) zumindest im Bereich der grabenförmigen Ausnehmungen (8) zur Bildung der grabenförmigen Zwischenräume (5) zwischen den durch die Vorstrukturierung vorgegebenen Metallisierungsbereichen (3.1, 3.2), wobei die grabenförmigen Ausnehmungen (8) mit einer Querschnittsform erzeugt werden, die zumindest im an die Keramikschicht (2) anschließenden Randbereich (3.1‘, 3.2‘) der Metallisierungsbereiche (3.1, 3.2) einen abgerundeten Kantenverlauf (KV) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass grabenförmige Ausnehmungen (8) mit einer Querschnittsform erzeugt werden, deren abgerundeter Katenverlauf (KV) ein teilkreisförmiges Profil oder ein Rogowski-Profil oder ein Borda-Profil aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zum Einbringen der grabenförmigen Ausnehmungen (8) in die zumindest eine Oberfläche (6.1) der Metallschicht (6) auf die zumindest eine Oberfläche (6.1) der Metallschicht (6) eine Laminat- oder Resistschicht (7) aufgebracht wird, die Oberfläche (6.1) der Metallschicht (6) geätzt wird und die Laminat- oder Resistschicht (7) wieder entfernt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die durch Ätzen erzeugten grabenförmigen Ausnehmungen (8) nochmals überätzt werden, und zwar ohne oder unter Verwendung einer weiteren Laminat- oder Resistschicht (7‘) und/oder dass zumindest zwei grabenförmige, über einen Verstärkungsrippe bzw. -steg (11) voneinander getrennte Ausnehmungen (8) benachbart zueinander erzeugt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zum Abtragen der der Keramikschicht (2) gegenüberliegenden Oberfläche (6.2) der vorstrukturierten Metallschicht (6‘) zumindest im Bereich der grabenförmigen Ausnehmungen (8) die der der Keramikschicht (2) gegenüberliegende Oberfläche (6.2) ohne oder unter Verwendung einer Laminat- oder Resistschicht (7) geätzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass beim Abtragen der der Keramikschicht (2) gegenüberliegenden Oberfläche (6.2) der vorstrukturierten Metallschicht (6‘) die Schichtdicke (d4) abschnittsweise oder vollflächig reduziert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Verbinden der vorstrukturierten Metallschicht (6‘) mit der Keramikschicht (2) auch die gegenüberliegende Oberfläche (6.2) der Metallschicht (6) zumindest im Bereich der grabenförmigen Ausnehmungen (8) geätzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass vor oder nach dem Verbinden der vorstrukturierten Metallschicht (6‘) mit der Keramikschicht (2) in der gegenüberliegenden Oberfläche (6.2) der Metallschicht (6) entlang der grabenförmigen Ausnehmungen (8) oder der Verstärkungsrippen bzw. -stege (11) eine Materialabschwächung (9) eingebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die vorstrukturierte Metallschicht (6‘) und die Keramikschicht (2) abhängig vom Metall der vorstrukturierten Metallschicht (6‘) mittels eines Direct-Copper-Bonding-Verfahrens oder eines Aktivlot- bzw. Hartlotverfahrens oder eines Direct-Aluminium-Bonding-Verfahrens oder eine Klebeverfahrens verbunden werden oder bei mehreren Metallschichten (6, 6‘) aus einer Kombination vorgenannter Verbindungsverfahren verbunden werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Metallisierung (3, 4) aus Kupfer oder einer Kupferlegierung oder aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung hergestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramikschicht (2) mit einer ersten Metallisierung (3) aus Kupfer oder einer Kupferlegierung und einer zweiten Metallisierung (4) aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung versehen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallisierungsbereiche (3.1, 3.2) zumindest in den Randbereichen (3.1‘, 3.2‘) mit einem Vergussmaterial (10) vergossen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die grabenförmigen Zwischenräume (5) zumindest teilweise mit einem Vergussmaterial (10) verfüllt werden.
Metall-Keramik-Substrat (1) mit zumindest einer Keramikschicht (2) und zumindest einer feldstärkeoptimierten Metallisierung (3, 4), die zur Ausbildung von Anschluss- und/oder Kontaktflächen und/oder Leiterbahnen in mehrere, jeweils durch grabenförmige Zwischenräume (5) voneinander getrennte Metallisierungsbereiche (3.1, 3.2) strukturiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallisierungsbereiche (3.1, 3.2) zumindest in den an die Keramikschicht (2) anschließenden Randbereich (3.1‘, 3.2‘) einen abgerundeten Kantenverlauf (KV) aufweist.
Metall-Keramik-Substrat (1) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der abgerundete Kantenverlauf (KV) ein teilkreisförmiges Profil oder ein Rogowski-Profil oder ein Borda-Profil aufweist.