DE102014220650A1

DE102014220650A1 - Optimized trace design of metallic materials on ceramic substances

Info

Publication number: DE102014220650A1
Application number: DE102014220650.2A
Authority: DE
Inventors: Martin Turwitt; Thomas Loose
Original assignee: Heraeus Deutschland GmbH and Co KG
Current assignee: Heraeus Deutschland GmbH and Co KG
Priority date: 2014-10-13
Filing date: 2014-10-13
Publication date: 2016-04-14
Also published as: EP3207771A1; CN106797700A; WO2016058970A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verbundmaterial umfassend ein Keramiksubstrat S mit mindestens einer Metallschicht M an mindestens einer Oberfläche des Keramiksubstrates S, wobei diese Metallschicht M in lateraler und/oder vertikaler Richtung eine spezielle Form aufweist sowie ein entsprechendes Layout einer Leiterbahn und dessen Verwendung, ein Verfahren zur Herstellung mindestens einer Leiterbahn, eine Leiterplatte und ein Stanz- und/oder Prägewerkzeug.The present invention relates to a composite material comprising a ceramic substrate S having at least one metal layer M on at least one surface of the ceramic substrate S, this metal layer M in a lateral and / or vertical direction having a special shape and a corresponding layout of a conductor track and its use, a method for producing at least one conductor track, a printed circuit board and a stamping and / or embossing tool.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verbundmaterial umfassend ein Keramiksubstrat S mit mindestens einer Metallschicht M an mindestens einer Oberfläche des Keramiksubstrates S, wobei diese Metallschicht M in lateraler und/oder vertikaler Richtung eine spezielle Form aufweist. The present invention relates to a composite material comprising a ceramic substrate S having at least one metal layer M on at least one surface of the ceramic substrate S, wherein this metal layer M in the lateral and / or vertical direction has a special shape.

Keramische Leiterplatten haben sich insbesondere im Bereich der High-Power-Module etabliert, da diese den Betriebstemperaturen von bis zu 250 °C oder mehr, beispielsweise bei der Stromerzeugung durch Windgeneratoren, Steuerungen von Eisenbahnzügen, Hochleistunsgmaschinen oder in Zukunft in E-Mobilen, standhalten müssen. Ceramic printed circuit boards have become established particularly in the field of high-power modules, since they must withstand operating temperatures of up to 250 ° C. or more, for example in power generation by wind generators, controls of railway trains, high-performance engines or in the future in electric vehicles ,

Solche keramischen Leiterplatten umfassen in der Regel ein keramisches Substrat, auf das eine leitfähige Metallschicht, z.B. aus Kupfer, aufgebracht wird. Ein gängiges Verfahren zur Verbindung der beiden Werkstoffe ist das „Direct-Copper-Bonding“ (DCB-Verfahren), bei dem ein dünnes Kupferblech auf das Keramiksubstrat gelegt und angedrückt wird und in einer Sauerstoffatmosphäre auf eine Temperatur von 1020°C bis 1040°C erhitzt wird. Bei diesen Temperaturen reagiert die Oberfläche des Kupfers mit dem Sauerstoff und es bildet sich Kupferoxid, welches sich wiederum mit der Keramik verbindet. Es entsteht ein fester stoffschlüssiger Verbund, der langsam abgekühlt wird. Such ceramic circuit boards typically include a ceramic substrate onto which a conductive metal layer, e.g. made of copper, is applied. A common method for joining the two materials is the "direct copper bonding" (DCB method), in which a thin copper sheet is placed on the ceramic substrate and pressed and in an oxygen atmosphere to a temperature of 1020 ° C to 1040 ° C. is heated. At these temperatures, the surface of the copper reacts with the oxygen and it forms copper oxide, which in turn combines with the ceramic. The result is a solid cohesive composite, which is cooled slowly.

In der Regel weisen die verwendeten Keramiken einen von dem des verwendeten Metalls stark abweichenden Wärmeausdehnungskoeffizienten auf (Beispiel: Al₂O₃-Keramik mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 8,5·10^–6 1/K und Kupfer mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 17,3·10^–6 1/K). Dies führt dazu, dass in dem durch das DCB-Verfahren erhaltenen Verbund thermo-mechanische Verspannungen erzeugt werden und sich dieser Verbund verbiegen kann. Gleichzeitig entstehen an den Kanten der metallischen Leiterbahnen Spannungserhöhungen, die als Spannungssingularitäten bekannt sind. Da die keramischen Leiterplatten sowohl auf der Oberseite als auch auf der Unterseite mit metallischen Strukturen versehen werden, stellt diese Verbiegung ein akzeptables Problem dar. Allerdings ist die Konzentration der Spannung in den Kanten für die Lebensdauer der Leiterplatte, insbesondere für die Anzahl der Thermowechselzyclen, entscheidend. As a rule, the ceramics used have a coefficient of thermal expansion which differs greatly from that of the metal used (for example: Al ₂ O ₃ ceramic with a thermal expansion coefficient of 8.5 × 10 ^-6 1 / K and copper with a thermal expansion coefficient of 17, 3 · 10 ^-6 1 / K). As a result, in the composite obtained by the DCB process, thermo-mechanical strains are generated and this composite can bend. At the same time arise at the edges of the metallic tracks voltage increases, which are known as voltage singularities. Since the ceramic circuit boards are provided with metallic structures both on the upper side and on the lower side, this bending presents an acceptable problem. However, the concentration of the stress in the edges is decisive for the service life of the printed circuit board, in particular for the number of thermo change cycles ,

Es wurden bereits einige Vorschläge gemacht, wie die Lebensdauer einer Leiterplatte erhöht werden kann, indem die Spannungssingularitäten möglichst stark reduziert werden. Some suggestions have already been made as to how the life of a printed circuit board can be increased by reducing the voltage singularities as much as possible.

In der DE 11 2009 000 555 T5 wird beispielsweise zur Vermeidung von Rissen, verursacht durch den oben beschriebenen Unterschied der thermischen Expansionskoeffizienten, eine polygonale Gestalt der Metallfläche der Leiterbahn vorgeschlagen, welche abgerundete Ecken aufweist. Hier wird auch beschrieben, dass eben dadurch, dass die äußere Gestalt der Metallschicht keine Ecken aufweist, die thermische Spannung in diesen nicht konzentriert werden kann, was die Lebensdauer der Leiterplatten erhöht. Erwähnt werden hier insbesondere eine kreisförmige, elliptische oder polygonale Gestalt der Metallschicht. In the DE 11 2009 000 555 T5 For example, in order to prevent cracks caused by the above-described difference in thermal expansion coefficients, a polygonal shape of the metal surface of the wiring is proposed which has rounded corners. Here, it is also described that, precisely because the outer shape of the metal layer has no corners, the thermal stress therein can not be concentrated, which increases the life of the circuit boards. Mentioned here are in particular a circular, elliptical or polygonal shape of the metal layer.

Auch in der DE 10 2006 014 609 A1 wird beschrieben, dass eine Lokalisierung der Spannung in den Ecken der Metallisierung vermieden wird, wenn diese Ecken abgerundet sind. Also in the DE 10 2006 014 609 A1 It is described that locating the stress in the corners of the metallization is avoided when these corners are rounded.

In der US 6,798,060 B2 wird hingegen ein Verfahren beschrieben, bei dem die Kanten der Metallschicht vertikal geformt werden, um die Spannungszustände einer keramischen Leiterplatte zu verbessern. Dabei wird eine Abschrägung der Kanten in vertikaler Richtung von 30 bis 60° vorgeschlagen. In the US 6,798,060 B2 On the other hand, a method is described in which the edges of the metal layer are formed vertically to improve the voltage states of a ceramic circuit board. In this case, a bevel of the edges in the vertical direction of 30 to 60 ° is proposed.

Die DE 44 06 397 A1 erwähnt, dass es bekannt sei, dass durch das Maskieren und Ätzen der ursprünglichen Metallisierung auf dem Substrat, um diese zu strukturieren, in vertikaler Richtung relativ zum Substrat eine konkave Wölbung oder auch Hohlkehle entsteht. Diese beschreibt dieses Dokument jedoch als nachteilig, da die vertikalen Seitenflächen zumindest teilweise für in späteren Verfahrensprozessen verwendete Hilfsmittel (Beschichtungen, Abdecklacke) nur schwer zugänglich sind und sie außerdem scharfkantig sind, so dass sich dort bei der späteren Verwendung des Schaltkreises eine Konzentration der elektrischen Feldstärke ergibt, mit der Folge einer verminderten Spannungsfestigkeit. Dieses Dokument ist daher auf ein Verfahren gerichtet, um diese entstandene Form zu verändern. The DE 44 06 397 A1 mentions that it is known that by concealing and etching the original metallization on the substrate to pattern it, a concave curvature or groove is formed in the vertical direction relative to the substrate. However, this describes this document as disadvantageous, since the vertical side surfaces are at least partially difficult to access for aids used in later process processes (coatings, topcoats) and they are also sharp-edged, so that there is a concentration of the electric field strength in the subsequent use of the circuit results, with the result of a reduced dielectric strength. This document is therefore directed to a method for altering this resulting form.

Auch die EP 1 061 783 A2 beschreibt beispielsweise, dass auf Grund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten Spannungsgradienten parallel zur Oberfläche auftreten und zwar insbesondere am Übergang zwischen metallisierten und nicht-metalliserten Flächen. Um Brüche der Substrate zu vermeiden, werden Rand- oder Kantenabschwächungen an der Unterseite entlang der Ränder der Metallflächen vorgeschlagen. Hierbei wird das Metall-Volumen bzw. die Metallmenge je Volumeneinheit zum Rand der Metallschicht hin reduziert. Explizit vorgeschlagen wird hier eine Abschrägung der Metallfläche in einem Winkel, welcher kleiner als 45° ist. Ebenso werden lochartige oder nutenartige Vertiefungen sowie eine Kombination von Lochreihen erwähnt. Auch wird eine stufenförmige Abnahme der Metallschichtdicke vorgeschlagen. Des Weiteren werden zu den Rändern der Metallfläche hin offene Vertiefungen erwähnt, welche in mäanderartig verlaufenden Rändern resultieren. Die dargestellten Strukturen zeigen jedoch immer auch Bereiche, in denen ein kantenartiger Verlauf der Ränder vorliegt, also scharfe Winkel vorliegen. Also the EP 1 061 783 A2 describes, for example, that due to the different thermal expansion coefficients, stress gradients occur parallel to the surface, specifically at the transition between metallized and non-metallized surfaces. To avoid fractures of the substrates, edge or edge weakenings on the underside become along the edges of the metal surfaces proposed. In this case, the metal volume or the amount of metal per unit volume is reduced towards the edge of the metal layer. Explicitly proposed here is a bevel of the metal surface at an angle which is less than 45 °. Likewise, hole-like or groove-like depressions and a combination of rows of holes are mentioned. Also, a step-shaped decrease in the metal layer thickness is proposed. Furthermore, recesses open towards the edges of the metal surface are mentioned, which result in meandering edges. However, the structures shown always also show areas in which there is a ridge-like course of the edges, ie, sharp angles are present.

In der DE 4 004 844 C1 wird vorgeschlagen, die Ecken der Kupferleiterbahnen abzurunden und die Kanten der Kupferschicht abzuschrägen, um Anrisse oder Risse in der Keramik zu vermeiden. Hierbei kommt es zu einer Verminderung des Spannungsänderungsgradienten am Übergang von metallisierten zu nicht-metallisierten Flächen.In the DE 4 004 844 C1 It is proposed to round off the corners of the copper traces and to bevel the edges of the copper layer to avoid cracks or cracks in the ceramic. This results in a reduction of the voltage change gradient at the transition from metallized to non-metallized areas.

Diese Vorschläge des Standes der Technik bewirken zwar eine gewisse Reduzierung der Spannungssingularitäten, jedoch beheben sie diese noch nicht vollständig. Daher besteht ein Bedarf daran, diese Abnahme der Spannungen weiter zu reduzieren. Although these proposals of the prior art bring about a certain reduction in voltage singularities, they do not completely eliminate them yet. Therefore, there is a need to further reduce this decrease in voltages.

Ausgehend von diesem Stand der Technik lag der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, mindestens einen, bevorzugt alle Nachteile des Standes der Technik zu beheben. Insbesondere lag der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein Verbundmaterial umfassend ein Keramiksubstrat mit mindestens einer Leiterbahn bereit zu stellen, bei denen die Spannungssingularitäten geringer sind als diejenigen des Standes der Technik. Based on this prior art, the present invention was based on the object to remedy at least one, preferably all the disadvantages of the prior art. In particular, the present invention was based on the object to provide a composite material comprising a ceramic substrate having at least one conductor track, in which the voltage singularities are lower than those of the prior art.

Gelöst werden diese Aufgaben durch das erfindungsgemäße Verbundmaterial, das erfindungsgemäße Layout einer Leiterbahn sowie dessen Verwendung, das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung mindestens einer Leiterbahn, die erfindungsgemäße Leiterplatte und das erfindungsgemäße Stanz- und/oder Prägewerkzeug, wie sie im Folgenden beschrieben werden. These objects are achieved by the composite material according to the invention, the inventive layout of a conductor track and its use, the inventive method for producing at least one conductor, the circuit board according to the invention and the punching and / or embossing tool according to the invention, as described below.

Es hat sich insbesondere herausgestellt, dass durch das erfindungsgemäße Layout der Leiterbahnen die Spannungssingularitäten, welche zwischen einem Keramiksubstrat und einer Metallschicht zur Verwendung als Leiterbahn auftreten, gegenüber dem Stand der Technik reduziert werden konnte. Insbesondere konnte mittels FEM-Rechnungen gezeigt werden, dass das erfindungsgemäße Layout dazu führt, dass es innerhalb der Kontaktzonen von Metallschicht und Keramiksubstrat lediglich zu elastischen Verformungen der Metallschicht kommt. Die Streckgrenze des Kupers wird hier bevorzugt nicht überschritten. Dadurch kann das Auftreten von Spannungssingularitäten auf ein Minimum reduziert werden. Die Lebensdauer der erfindungsgemäßen Verbundmaterialien wird daher deutlich erhöht. It has been found, in particular, that the voltage singularities which occur between a ceramic substrate and a metal layer for use as a printed conductor could be reduced by the layout of the printed conductors according to the invention compared with the prior art. In particular, it could be shown by means of FEM calculations that the layout according to the invention leads to elastic deformation of the metal layer within the contact zones of metal layer and ceramic substrate. The yield strength of the copper is preferably not exceeded here. This can minimize the occurrence of voltage singularities. The lifetime of the composite materials according to the invention is therefore significantly increased.

Verbundmaterialcomposite material

Erfindungsgemäß wird ein Verbundmaterial bereitgestellt, umfassend ein Keramiksubstrat S mit mindestens einer Metallschicht M an mindestens einer Oberfläche des Keramiksubstrates S, wobei die Metallschicht M im Wesentlichen die Schichtdicke h in vertikaler Richtung relativ zum Keramiksubstrat S aufweist und die Form der Metallschicht M in lateraler Richtung relativ zum Keramiksubstrat durch den Verlauf der Außenkante L der Metallschicht M definiert wird, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass der Verlauf der Flanke F der Außenkante der Metallschicht M in vertikaler Richtung relativ zum Keramiksubstrat und/oder der Umriss der Außenkante L der Metallschicht in lateraler Richtung relativ zum Keramiksubstrat jeweils in jedem beliebigen Bereich, welcher einer Strecke von mindestens 10 µm entspricht, durch eine Funktion beschrieben werden kann, welche stetig differenzierbar ist, wobei die Flanke F von h = 0 bis h = h verläuft und die stetig differenzierbare Funktion keine Gerade (f(x) = mx + b) ist.According to the invention, a composite material is provided, comprising a ceramic substrate S having at least one metal layer M on at least one surface of the ceramic substrate S, the metal layer M having substantially the layer thickness h in the vertical direction relative to the ceramic substrate S and the shape of the metal layer M in the lateral direction relative to the ceramic substrate is defined by the profile of the outer edge L of the metal layer M, which is characterized in that the profile of the edge F of the outer edge of the metal layer M in the vertical direction relative to the ceramic substrate and / or the outline of the outer edge L of the metal layer in the lateral direction relative to the ceramic substrate in each arbitrary range, which corresponds to a distance of at least 10 microns, can be described by a function which is continuously differentiable, the edge F of h = 0 to h = h and the continuously differentiable function no straight line ( f ( x) = mx + b).

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.

Insbesondere ist es erfindungsgemäß bevorzugt, dass der Verlauf der Flanke F der Außenkante der Metallschicht M in vertikaler Richtung relativ zum Keramiksubstrat und der Umriss der Außenkante L der Metallschicht in lateraler Richtung relativ zum Keramiksubstrat jeweils in jedem beliebigen Bereich, welcher einer Strecke von mindestens 10 µm entspricht, durch eine Funktion beschrieben werden kann, welche stetig differenzierbar ist. Jegliche erfindungsgemäßen Ausgestaltungen beziehen sich zwar zunächst auf eine und/oder -Variante des Verlaufs der Flanke und des Umrisses der Außenkante. In sämtlichen dieser Ausgestaltungen ist die und -Variante jedoch bevorzugt. In particular, it is preferred according to the invention that the profile of the edge F of the outer edge of the metal layer M in the vertical direction relative to the ceramic substrate and the outline of the outer edge L of the metal layer in the lateral direction relative to the ceramic substrate in each case in any area which a distance of at least 10 microns corresponds, can be described by a function which is continuous is differentiable. Although all embodiments according to the invention initially relate to one and / or variant of the profile of the flank and the outline of the outer edge. However, in all of these embodiments, the and variant is preferred.

Ein „Keramiksubstrat S" im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist vorzugsweise ein aus einem keramischen Werkstoff bestehendes, vorzugweise plattenförmiges Element, das an bis zu zwei seiner Oberflächenseiten mit einer Metallschicht (Metallisierung) versehen werden kann oder ist. Als „Oberfläche des Keramiksubstrats S“ wird hierbei vorzugsweise mindestens eine der Seiten des plattenförmigen Elements verstanden, deren Ausdehnung größer ist als mindestens eine andere Seite des plattenförmigen Elementes.A "ceramic substrate S" in the present invention is preferably a plate-shaped member made of a ceramic material, which may or may be provided with a metal layer (metallization) on up to two of its surface sides In this case, preferably understood at least one of the sides of the plate-shaped element whose extent is greater than at least one other side of the plate-shaped element.

Bei dem Keramiksubstrat kann es sich beispielsweise um ein Substrat aus Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Siliziumnitrid oder Siliziumcarbid handeln. Für das Keramiksubstrat eignet sich beispielsweise auch eine Aluminiumoxid-Keramik (Al₂O₃) mit einem Anteil an Zirkonoxid (ZrO₂) in der Größenordnung von etwa 2–30 % oder eine Aluminiumnitrid-Keramik, beispielsweise mit Yttriumoxid als Zusatz, oder eine Siliziumnitrid-Keramik, wobei die Aluminiumnitrid-Keramik und/oder die Siliziumnitrid-Keramik beispielsweise eine oxidische Oberflächenschicht, beispielsweise eine Oberflächenschicht aus Aluminiumoxid aufweisen kann. Die Dicke des Keramiksubstrats liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 0,2 und 1,5 mm.The ceramic substrate may be, for example, a substrate of aluminum oxide, aluminum nitride, silicon nitride or silicon carbide. For the ceramic substrate, for example, an alumina ceramic (Al ₂ O ₃ ) with a content of zirconium oxide (ZrO ₂ ) in the order of about 2-30% or an aluminum nitride ceramic, for example with yttria as an additive, or a silicon nitride Ceramic, wherein the aluminum nitride ceramic and / or the silicon nitride ceramic, for example, may have an oxidic surface layer, for example, a surface layer of aluminum oxide. The thickness of the ceramic substrate is preferably in the range between 0.2 and 1.5 mm.

Eine „Metallschicht M“ im Sinne der vorliegenden Erfindung stellt vorzugsweise ein Element dar, dessen laterale Ausdehnung im Wesentlichen mindestens gleich der vertikalen Ausdehnung ist. Hierbei beziehen sich die Begriffe lateral und vertikal immer relativ auf das Keramiksubstrat S. A "metal layer M" in the sense of the present invention preferably represents an element whose lateral extent is substantially at least equal to the vertical extent. In this case, the terms always relate laterally and vertically relative to the ceramic substrate S.

Solche Metallschichten umfassen beispielsweise Metallfolien oder Metallbleche aus Kupfer, aus einer Kupferlegierung oder aus einer Kupfer enthaltenden Legierung oder aus Aluminium, aus einer Aluminiumlegierung oder aus einer Aluminium enthaltenden Legierung.Such metal layers comprise, for example, metal foils or metal sheets of copper, of a copper alloy or of a copper-containing alloy or of aluminum, of an aluminum alloy or of an aluminum-containing alloy.

Das erfindungsgemäße Verbundmaterial umfasst ein Keramiksubstrat S, welches an mindestens einer Oberfläche mindestens eine Metallschicht M aufweist. Diese Metallschicht M hat im Wesentlichen eine Schichtdicke h in vertikaler Richtung relativ zum Keramiksubstrat (siehe 1). The composite material according to the invention comprises a ceramic substrate S which has at least one metal layer M on at least one surface. This metal layer M has substantially a layer thickness h in the vertical direction relative to the ceramic substrate (see 1 ).

Der Ausdruck „im Wesentlichen“ bedeutet im Sinne der Erfindung vorzugsweise Abweichungen vom jeweils exakten Wert um +/–10 %, bevorzugt um +/–5 % und/oder Abweichungen in Form von für die Funktion unbedeutenden Änderungen. Insbesondere eingeschlossen ist auch der Fall, in dem die Schichtdicke h im Wesentlichen nur in einem begrenzten Bereich der Metallschicht M vorliegt und zu den Außenkanten L hin geringer wird (beispielsweise eine im Wesentlichen Halbkugelform der Metallschicht M in vertikaler Richtung relativ zum Keramiksubstrat S, bei dem h dem Radius der Halbkugel entspricht).The term "essentially" in the context of the invention preferably means deviations from the respective exact value by +/- 10%, preferably by +/- 5% and / or deviations in the form of changes that are insignificant for the function. Particularly included is also the case in which the layer thickness h exists substantially only in a limited area of the metal layer M and becomes smaller toward the outside edges L (for example, a substantially hemispherical shape of the metal layer M in the vertical direction relative to the ceramic substrate S, in FIG h corresponds to the radius of the hemisphere).

Vorzugsweise beträgt h 10 bis 950 µm, besonders bevorzugt 100 bis 600 µm und ganz besonders bevorzugt 300 bis 400 µm.H is preferably from 10 to 950 μm, particularly preferably from 100 to 600 μm and very particularly preferably from 300 to 400 μm.

Des Weiteren weist die Metallschicht M eine Außenkante L auf, welche die Form der Metallschicht M in lateraler Richtung relativ zum Keramiksubstrat wiedergibt (sieh 2). Die Außenkante L grenzt somit die Phase aus Metall der Metallschicht M von der Phase aus Luft in lateraler Hinsicht ab. Unter der Form der Metallschicht M wird im Wesentlichen die Gestaltung der Metallschicht M auf dem Keramiksubstrat S verstanden. Die Außenkante L erstreckt sich über die gesamte Höhe der Metallschicht h. Allerdings wird im Sinne der vorliegenden Erfindung bei der Form der Metallschicht M auf den Umriss der Außenkante L der Metallschicht M bei einer definierten Höhe h abgestellt. Bevorzugt wird auf die Höhe h abgestellt, bei der die Strecke des Umrisses der Außenkante L am höchsten ist. Die Form der Metallschicht in lateraler Richtung relativ zum Keramiksubstrat ist dann das zweidimensionale Gebilde, welches beispielsweise durch Beleuchtung der Metallschicht M, wobei die Lichtquelle vertikal relativ zur Keramikschicht S (und damit auch zur Metallschicht M; also parallel zu h) ausgerichtet ist, als Schattenwurf erhalten wird (hierbei sind die tatsächlichen Größen jedoch außer Betracht zu lassen; beispielsweise entsteht bei einer Kugel ein kreisförmiger Schatten, wobei der Schatten den Durchmesser der Kugel aufweist und die Form somit bei einer Höhe der Kugel, welche dem Radius der Kugel entspricht, gemessen wird). Furthermore, the metal layer M has an outer edge L which represents the shape of the metal layer M in the lateral direction relative to the ceramic substrate (see FIG 2 ). The outer edge L thus delimits the phase of metal of the metal layer M from the phase of air in a lateral direction. The shape of the metal layer M is essentially understood to mean the design of the metal layer M on the ceramic substrate S. The outer edge L extends over the entire height of the metal layer h. However, in the context of the present invention, in the case of the shape of the metal layer M, the outline of the outer edge L of the metal layer M is turned off at a defined height h. Preference is given to the height h, in which the distance of the outline of the outer edge L is highest. The shape of the metal layer in the lateral direction relative to the ceramic substrate is then the two-dimensional structure, which is aligned, for example, by illuminating the metal layer M, the light source being vertically aligned relative to the ceramic layer S (and thus also to the metal layer M, ie parallel to h), as a shadow For example, a sphere will have a circular shadow, with the shadow having the diameter of the sphere and thus measuring the shape at a height of the sphere corresponding to the radius of the sphere ).

Bevorzugt ist die Außenkante L größer als die Schichtdicke h. Ebenso bevorzugt ist der Umriss der Außenkante L der Metallschicht M in vertikaler Richtung relativ zum Keramiksubstrat bei h = 0 größer als der Umriss der Außenkante L bei h = h. Damit nimmt die Strecke des Umrisses der Außenkante L mit zunehmender Schichtdicke h vertikal relativ zum Keramiksubstrat S ab. Des Weiteren bevorzugt verläuft die Flanke F also konkav. Ebenso bevorzugt verläuft die Flanke F konvex.Preferably, the outer edge L is greater than the layer thickness h. Also preferably, the outline of the outer edge L of the metal layer M in the vertical direction relative to the ceramic substrate at h = 0 is greater than the outline of the outer edge L at h = h. Thus, the distance of the outline of the outer edge L decreases with increasing layer thickness h vertically relative to the ceramic substrate S. Furthermore, the flank F preferably also runs concave. Also preferably, the flank F is convex.

Die Metallschicht M weist des Weiteren eine Flanke F der Außenkante L der Metallschicht M in vertikaler Richtung relativ zum Keramiksubstrat auf (siehe 1). Die Flanke F verbindet somit die Außenkante L, welche bei der Schichtdicke h = 0 vorliegt mit der Außenkante L, welche bei der Schichtdicke h = h vorliegt. Auch der Verlauf der Flanke F weist erfindungsgemäß eine Form auf. Der Verlauf der Flanke F in vertikaler Richtung relativ zum Keramiksubstrat ist der Abschnitt zwischen h = 0 und h = h, welcher beispielsweise durch Beleuchtung der Metallschicht M, wobei die Lichtquelle lateral relativ zur Keramikschicht S (und damit auch zur Metallschicht M; also im rechten Winkel zu h) ausgerichtet ist, als Schattenwurf erhalten wird (hierbei sind die tatsächlichen Größen jedoch außer Betracht zu lassen; beispielsweise kann in einem Fall, bei dem der Umriss der Außenkante L bei h = 0 größer ist als bei h = h (siehe 1) ein Schatten entstehen, der einer Kurve gleicht (beispielsweise einer Parabel)). The metal layer M further has an edge F of the outer edge L of the metal layer M in the vertical direction relative to the ceramic substrate (see FIG 1 ). The flank F thus connects the outer edge L, which is present at the layer thickness h = 0 with the outer edge L, which is present at the layer thickness h = h. The course of the flank F also has a shape according to the invention. The profile of the flank F in the vertical direction relative to the ceramic substrate is the section between h = 0 and h = h, which for example by illumination of the metal layer M, wherein the light source laterally relative to the ceramic layer S (and thus also to the metal layer M; Angle to h) is obtained as a shadow cast (however, the actual sizes are to be disregarded, for example, in a case where the outline of the outer edge L is larger at h = 0 than at h = h (see 1 ) create a shadow that resembles a curve (for example, a parabola)).

Erfindungsgemäß kann der Verlauf der Flanke F der Außenkante der Metallschicht M in vertikaler Richtung relativ zum Keramiksubstrat in einem beliebigen Bereich, welcher einer Strecke von mindestens 10 µm entspricht, durch eine Funktion beschrieben werden, welche stetig differenzierbar ist und wobei es sich bei der Funktion nicht um eine Gerade (f(x) = mx + b) handelt. Ebenso kann erfindungsgemäß der Umriss der Außenkante L der Metallschicht M in lateraler Richtung relativ zum Keramiksubstrat in einem beliebigen Bereich, welcher einer Strecke von mindestens 10 µm entspricht, durch eine Funktion beschrieben werden, welche stetig differenzierbar ist und wobei es sich bei der Funktion nicht um eine Gerade (f(x) = mx + b) handelt.According to the invention, the profile of the edge F of the outer edge of the metal layer M in the vertical direction relative to the ceramic substrate can be described in any range corresponding to a distance of at least 10 μm by a function which is continuously differentiable and which does not function is a straight line (f (x) = mx + b). Likewise, according to the invention, the outline of the outer edge L of the metal layer M in the lateral direction relative to the ceramic substrate in any area which corresponds to a distance of at least 10 microns, be described by a function which is continuously differentiable and wherein the function is not is a straight line (f (x) = mx + b).

Erfindungsgemäß wird von einem beliebigen Bereich, welcher einer Strecke von mindestens 10 µm entspricht gesprochen. Ein solcher Bereich kann sich überall auf der Außenkante L und/oder auch auf der Flanke F befinden. Ein solcher Bereich verläuft entweder vertikal relativ zum Keramiksubstrat S, wobei sich der Bereich dem Verlauf der Flanke F anschmiegt oder aber lateral relativ zum Keramiksubstrat S, wobei sich der Bereich dem Umriss der Außenkante L anschmiegt. Die Strecke, welche in diesem Fall betrachtet wird, entspricht mindestens 10 µm, bevorzugt mindestens 15 µm, besonders bevorzugt mindestens 20 µm und ganz besonders bevorzugt mindestens 25 µm. Durch diesen Bereich wird insbesondere deutlich, dass die Metallschichten des Standes der Technik, welche beispielsweise durch ihren Herstellungsprozess bedingt, eine leichte Abrundung der eigentlich im Layout enthaltenen „Ecken“ und Kanten aufweisen, keinen Verlauf einer Flanke oder keinen Umriss der Außenkante aufweisen, welcher durch eine Funktion beschrieben werden kann, welche stetig differenzierbar ist. Solche bekannten Metallschichten weisen zumindest in einigen erfindungsgemäß angegebenen Bereichen (also nicht in jedem beliebigen Bereich) auch Ecken, Kanten und/oder Geraden auf. Solche Ausgestaltungen erfüllen somit nicht die erfindungsgemäße Forderung, dass jeder beliebige Bereich, welcher einer Strecke von mindestens 10 µm entspricht, der Flanke F der Außenkante der Metallschicht M in vertikaler Richtung relativ zum Keramiksubstrat und/oder der Umriss der Außenkante L der Metallschicht M in lateraler Richtung relativ zum Keramiksubstrat durch eine Funktion beschrieben werden, welche stetig differenzierbar ist und wobei es sich bei der Funktion nicht um eine Gerade (f(x) = mx + b) handelt.According to the invention is spoken by any area, which corresponds to a distance of at least 10 microns. Such an area can be located anywhere on the outer edge L and / or also on the flank F. Such a region extends either vertically relative to the ceramic substrate S, the region conforming to the profile of the flank F or laterally relative to the ceramic substrate S, the region conforming to the outline of the outer edge L. The distance considered in this case corresponds to at least 10 μm, preferably at least 15 μm, particularly preferably at least 20 μm and very particularly preferably at least 25 μm. This area makes it particularly clear that the metal layers of the prior art, which, for example, due to their manufacturing process, have a slight rounding of the "corners" and edges actually contained in the layout, have no profile of a flank or outline of the outer edge, which by a function can be described which is continuously differentiable. Such known metal layers also have corners, edges and / or straight lines, at least in some areas specified according to the invention (ie not in any arbitrary area). Such embodiments thus do not meet the inventive requirement that any area which corresponds to a distance of at least 10 microns, the edge F of the outer edge of the metal layer M in the vertical direction relative to the ceramic substrate and / or the outline of the outer edge L of the metal layer M in lateral Direction relative to the ceramic substrate by a function which is continuously differentiable and where the function is not a straight line (f (x) = mx + b).

Besonders bevorzugt werden diese beliebigen Bereiche gemessen, indem metallographische Schliffbilder im Lichtmikroskop aufgenommen werden und diese dann ausgewertet werden. Ebenso bevorzugt werden diese beliebigen Bereich gemessen, indem die Proben im Rasterelektronenmikroskop betrachtet und photographiert werden. Die beliebigen Bereiche, welche einer Strecke von mindestens 10 µm entsprechen, werden so aufgelöst, dass die 10 µm mindestens 1 cm, bevorzugt mindestens 1,5 cm, ganz besonders bevorzugt mindestens 2 cm entsprechen. These arbitrary ranges are particularly preferably measured by recording metallographic micrographs in a light microscope and then evaluating them. Also, preferably, these arbitrary ranges are measured by observing and photographing the samples in the scanning electron microscope. The arbitrary ranges, which correspond to a distance of at least 10 μm, are resolved such that the 10 μm correspond to at least 1 cm, preferably at least 1.5 cm, very particularly preferably at least 2 cm.

Eine stetig differenzierbare Funktion ist dem Fachmann bekannt. Stetig differenzierbar bedeutet, dass eine Funktion differenzierbar ist und ihre Ableitung stetig ist. Insbesondere ist die Betragsfunktion f(x) = │x│ nicht stetig differenzierbar. Ebenso sind sämtliche Funktionen, welche einen „Knick“ aufweisen (also Ecken und/oder Kanten) ebenso nicht stetig differenzierbar. Erfindungsgemäß sind somit Verläufe der Flanken F und/oder Umrisse der Außenkante L ausgeschlossen, welche Ecken aufweisen, da diese nicht durch eine stetig differenzierbare Funktion beschrieben werden können. A continuously differentiable function is known to the person skilled in the art. Constantly differentiable means that a function is differentiable and its derivative is continuous. In particular, the magnitude function f (x) = │x│ is not continuously differentiable. Likewise, all functions that have a "kink" (ie, corners and / or edges) are also not continuously differentiable. Thus, according to the invention, courses of the flanks F and / or outlines of the outer edge L are excluded, which have corners, since these can not be described by a continuously differentiable function.

Erfindungsgemäß können sämtliche stetig differenzierbaren Funktionen mit der Ausnahme von Geraden angewendet werden. Bevorzugt ist es jedoch, dass die Funktion, durch die der Verlauf der Flanke F und/oder der Umriss der Außenkante L beschrieben werden kann, ausgewählt wird aus der Gruppe, bestehend aus einer Parabelfunktion, einer e-Funktion, einer trigonometrischen Funktion, Splines, Bezier-Splines, NURBS und einer mathematischen Gleichung höherer Ordnung. Besonders bevorzugt ist es, dass die Funktion, durch die der Verlauf der Flanke F und/oder der Umriss der Außenkante L beschrieben werden kann, eine Parabelfunktion gegebenenfalls höherer Ordnung ist. Ganz besonders bevorzugt ist es, dass die Funktion, durch die der Verlauf der Flanke F und der Umriss der Außenkante L beschrieben werden kann, eine Parabelfunktion gegebenenfalls höherer Ordnung ist.According to the invention, all continuously differentiable functions can be used with the exception of straight lines. However, it is preferred that the function by which the profile of the flank F and / or the outline of the outer edge L can be described is selected from the group consisting of a parabolic function, an e-function, a trigonometric function, splines, Bezier splines, NURBS, and a higher-order mathematical equation. It is particularly preferred that the function by which the course of the flank F and / or the outline of the outer edge L can be described is a higher-order parabolic function. It is very particularly preferred that the function by which the profile of the flank F and the outline of the outer edge L can be described is a higher-order parabolic function.

Überraschenderweise hat sich herausgestellt, dass durch die Verwendung weicher Konturen entweder in lateraler oder auch in vertikaler Richtung oder sowohl in lateraler Richtung als auch in vertikaler Richtung relativ zum Keramiksubstrat die vertikalen und auch lateralen Spannungssingularitäten zwischen der Metallschicht M und dem Keramiksubstrat S verringert werden können. Dabei wird keinerlei Funktionalität eingebüßt. Die erfindungsgemäßen Verbundmaterialien weisen innerhalb der Kontaktzonen von Metallschicht und Keramiksubstrat lediglich elastischen Verformungen der Metallschicht auf. Die Streckgrenze des Metalls, bevorzugt Kupfer, wird hier bevorzugt nicht überschritten. Dadurch können insgesamt Verbundmaterialien erhalten werden, welche eine hohe Lebensdauer, insbesondere eine höhere Lebensdauer unter hohen thermischen Zyclen als die Verbundmaterialien des Standes der Technik aufweisen. Surprisingly, it has been found that by using soft contours in either the lateral or vertical direction, or both in the lateral direction and in the vertical direction relative to the ceramic substrate, the vertical and also lateral voltage singularities between the metal layer M and the ceramic substrate S can be reduced. No functionality is lost. The composite materials according to the invention have only elastic deformations of the metal layer within the contact zones of metal layer and ceramic substrate. The yield strength of the metal, preferably copper, is preferably not exceeded here. As a result, as a whole composite materials can be obtained which have a long service life, in particular a longer service life under high thermal cycles than the composite materials of the prior art.

Erfindungsgemäß ist die Strecke des Verlaufs der Flanke F immer größer als h, da ausgeschlossen ist, dass es sich bei dem Verlauf um eine Gerade handelt. Bevorzugt ist die Strecke des Verlaufs der Flanke F mindestens 1,1 bis 20 Mal größer, besonders bevorzugt 1,1 bis 15 Mal größer und ganz besonders bevorzugt 1,1 bis 10 Mal größer als h.According to the invention, the distance of the course of the flank F is always greater than h, since it is excluded that the course is a straight line. Preferably, the distance of the course of the flank F is at least 1.1 to 20 times greater, more preferably 1.1 to 15 times greater, and most preferably 1.1 to 10 times greater than h.

Layoutlayout

Das Entwerfen und Planen von Leiterbahnen auf Keramiksubstraten an sich ist dem Fachmann bekannt. Die vorliegende Erfindung stellt ein Layout für eine Leiterbahn auf einem Keramiksubstrat S bereit, wobei die Leiterbahn aus mindestens einer Metallschicht M besteht, die Metallschicht M im Wesentlichen die Schichtdicke h in vertikaler Richtung relativ zum Keramiksubstrat S aufweist und die Form der Metallschicht M in lateraler Richtung relativ zum Keramiksubstrat durch den Verlauf der Außenkante L der Metallschicht M definiert wird, wobei das Layout ausschließlich Verläufe von Flanken F der Außenkante der Metallschicht M in vertikaler Richtung relativ zum Keramiksubstrat und/oder Umrisse der Außenkante L der Metallschicht in lateraler Richtung relativ zum Keramiksubstrat aufweist, welche jeweils in jedem beliebigen Bereich, welcher einer Strecke von mindestens 10 µm entspricht, durch eine Funktion beschrieben werden können, welche stetig differenzierbar ist, wobei die Flanke F von h = 0 bis h = h verläuft und die stetig differenzierbare Funktion keine Gerade (f(x) = mx + b) ist. Das erfindungsgemäße Layout dient somit der Herstellung des erfindungsgemäßen Verbundmaterials. Sämtliche Bevorzugungen, welche in Bezug auf das erfindungsgemäße Verbundmaterial beschrieben wurden, gelten auch für das erfindungsgemäße Layout. The design and planning of printed conductors on ceramic substrates per se is known to the person skilled in the art. The present invention provides a layout for a trace on a ceramic substrate S, wherein the trace consists of at least one metal layer M, the metal layer M has substantially the layer thickness h in the vertical direction relative to the ceramic substrate S and the shape of the metal layer M in the lateral direction relative to the ceramic substrate is defined by the profile of the outer edge L of the metal layer M, the layout having only profiles of flanks F of the outer edge of the metal layer M in the vertical direction relative to the ceramic substrate and / or contours of the outer edge L of the metal layer in the lateral direction relative to the ceramic substrate which can be described in each arbitrary range, which corresponds to a distance of at least 10 μm, by a function which is continuously differentiable, whereby the edge F runs from h = 0 to h = h and the continuously differentiable function is not a straight line ( f (x) = mx + b) i st. The layout according to the invention thus serves to produce the composite material according to the invention. All preferences which have been described in relation to the composite material according to the invention also apply to the layout according to the invention.

Beispielhaft ist in 3 ein erfindungsgemäßes Layout gezeigt im Vergleich zu einem Layout des Standes der Technik. Das erfindungsgemäße Layout ist bevorzugt so konzipiert, dass die stetig differenzierbaren Funktionen den geplanten Bereich (rechtwinklig, wie im Stand der Technik) leicht ein- oder ausschließen. Die unterschiedlichen Funktionen sind dabei so aneinandergereiht, dass im Übergangspunkt die gleiche Steigung vorliegt. So wird in diesem Beispiel gewährleistet, dass sowohl die Verläufe der Flanken F der Außenkante der Metallschicht M in vertikaler Richtung relativ zum Keramiksubstrat als auch die Umrisse der Außenkante L der Metallschicht in lateraler Richtung relativ zum Keramiksubstrat durch stetig differenzierbare Funktionen (mit Ausnahme einer Gerade) in jedem beliebigen Bereich beschrieben werden können. Exemplary is in 3 a layout according to the invention shown in comparison to a layout of the prior art. The layout according to the invention is preferably designed so that the continuously differentiable functions easily include or exclude the planned area (at right angles, as in the prior art). The different functions are strung together in such a way that the same slope is present at the transition point. Thus, in this example it is ensured that both the profiles of the flanks F of the outer edge of the metal layer M in the vertical direction relative to the ceramic substrate and the contours of the outer edge L of the metal layer in the lateral direction relative to the ceramic substrate by continuously differentiable functions (with the exception of a straight line) can be described in any area.

Besonders bevorzugt weist das erfindungsgemäße Layout an den lateralen Bereichen, an denen sich im Stand der Technik Ecken befinden, knochenartige (epiphysäre) Formen auf. Particularly preferably, the layout according to the invention has bone-like (epiphyseal) forms on the lateral regions where corners are located in the prior art.

Ebenso ist Gegenstand der Erfindung die Verwendung des erfindungsgemäßen Layouts zur Herstellung von Leiterplatten zur Verwendung in Power-Modulen zur Steuerung hoher elektrischer Spannungen oder Strömen. Erfindungsgemäß wird bevorzugt unter „hohen elektrischen Spannungen“ ein Bereich von 1000 V bis zu 30000 V, besonders bevorzugt ein Bereich von 1250 V bis 25000 V und ganz besonders bevorzugt im Bereich von 1500 V bis 20000V verstanden. Power-Module an sich sind dem Fachmann bekannt. Dabei handelt es sich zunächst um elektrische Geräte, die den vorliegenden Zustand der elektrischen Energie in einen anderen Zustand überführen, z.B. hohe Spannungen in niedrige Spannungen und gleichzeitig hohe Wechselfrequenzen in niedrige Wechselfrequenzen transformieren, je nach dem was der Verbraucher gerade anfordert oder der Generator gerade liefert. Die Aufgabe, elektrische Energie zu transformieren, wird bevorzugt von Power-Modulen in Windgeneratoren, (wechselnde Windbelastung führt zu ständig wechselnden elektrischen Kenngrößen) Solarfarmen, Maschinensteuerungen oder Verteilungssystemen für Häuser gelöst.The invention likewise relates to the use of the layout according to the invention for the production of printed circuit boards for use in power modules for controlling high electrical voltages or currents. According to the invention, "high electrical voltages" are preferably understood as meaning a range of 1000 V to 30 000 V, particularly preferably a range of 1250 V to 25000 V and very particularly preferably in the range of 1500 V to 20 000 V. Power modules per se are known to the person skilled in the art. These are first of all electrical devices which convert the present state of electrical energy into another state, e.g. transform high voltages into low voltages and simultaneously high alternating frequencies into low alternating frequencies, depending on what the consumer is currently requesting or the generator is delivering. The task of transforming electrical energy is preferably solved by power modules in wind generators, (changing wind load leads to constantly changing electrical parameters) solar farms, machine control or distribution systems for houses.

Verfahrenmethod

Ebenso ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung mindestens eines Verbundmaterials umfassend eine Leiterbahn auf einem Keramiksubstrat S, wobei die Leiterbahn aus mindestens einer Metallschicht M besteht, die Metallschicht M im Wesentlichen die Schichtdicke h in vertikaler Richtung relativ zum Keramiksubstrat S aufweist und die Form der Metallschicht M in lateraler Richtung relativ zum Keramiksubstrat durch den Verlauf der Außenkante L der Metallschicht M definiert wird, umfassend die folgenden Schritte:

(i) Bereitstellen eines Keramiksubstrats S und eines Metalls, aus dem die Metallschicht M gebildet werden soll, und
(ii) Aufbringen des Metalls auf das Keramiksubstrat S unter Verwendung des erfindungsgemäßen Layouts, um die mindestens eine Metallschicht M zu erhalten.

Likewise subject matter of the present invention is a process for producing at least one composite material comprising a conductor on a ceramic substrate S, wherein the conductor track consists of at least one metal layer M, the metal layer M substantially the layer thickness h in vertical Direction relative to the ceramic substrate S and the shape of the metal layer M is defined in the lateral direction relative to the ceramic substrate by the course of the outer edge L of the metal layer M, comprising the following steps:

(i) providing a ceramic substrate S and a metal from which the metal layer M is to be formed, and
(ii) applying the metal to the ceramic substrate S using the layout according to the invention to obtain the at least one metal layer M.

Auch hierbei gelten sämtliche Bevorzugungen, welche oben beschrieben wurden, auch in Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren. Again, all preferences, which were described above, also apply to the inventive method.

In einer Ausführungsform wird Verfahrensschritt (ii) durch einen Ätzprozess durchgeführt. Hierbei wird insbesondere unter Verwendung von dem Fachmann bekannten Verfahren ein lichtempfindlicher, insbesondere UV-empfindlicher Photolack auf eine Metallschicht gesprüht. Die Metallschicht wurde zuvor auf das Keramiksubstrat S unter Verwendung von dem Fachmann bekannten Verfahren, bevorzugt dem „Direct-Copper-Bonding“ aufgebracht. Durch eine optische Maske wird diese Photolackschicht vorzugsweise in einem Belichtungsautomaten so belichtet, dass die Stellen, an denen die Leiterbahn erhalten bleiben soll verdunkelt sind, während die Stellen, an denen keine Leiterbahn sein soll, mit UV-Licht belichtet werden. Die optische Maske weist dabei zumindest in lateraler Hinsicht relativ zum Keramiksubstrat das erfindungsgemäße Layout auf. In einem Entwicklungsbad wird der Photolack an den belichteten Stellen entfernt. In einem anschließenden Ätzprozess wird nur das Metall an den Stellen entfernt, welche nicht durch den Photolack geschützt werden. Durch den Ätzprozess wird nun das erfindungsgemäße Layout in Bezug auf seine vertikalen Ausdehnungen relativ zum Keramiksubstrat realisiert. Dadurch wird, wenn es sich um den Fall handelt, dass sowohl der Verlauf der Flanke F der Außenkante der Metallschicht M in vertikaler Richtung relativ zum Keramiksubstrat als auch der Umriss der Außenkante L der Metallschicht in lateraler Richtung relativ zum Keramiksubstrat betrachtet wird, die Metallschicht zur erfindungsgemäßen Metallschicht M. Ansonsten wird die Metallschicht bereits bei der Durchführung nur eines der oben genannten Schritte (entweder vertikal oder laterale Ausformung der Metallschicht) bereits zur erfindungsgemäßen Metallschicht M. Vorzugsweise wird das Layout in vertikaler Richtung durch mehrere Ätzschritte ausgebildet. Insbesondere kann der erfindungsgemäße Verlauf der Flanke F dadurch erzielt werden, dass der Ätzprozess früher gestoppt wird als im Stand der Technik. Insbesondere können im Anschluss noch weitere Ätzschritte vorgenommen werden, um die Flanke F erfindungsgemäß zu formen. In one embodiment, process step (ii) is performed by an etching process. In this case, a photosensitive, in particular UV-sensitive, photoresist is sprayed onto a metal layer, in particular using methods known to those skilled in the art. The metal layer has previously been applied to the ceramic substrate S using methods known to those skilled in the art, preferably "direct copper bonding". By means of an optical mask, this photoresist layer is preferably exposed in an automatic exposure machine in such a way that the points at which the conductor track is to be preserved are darkened, while the points where no conductor track is to be exposed are exposed to UV light. The optical mask has the layout according to the invention at least laterally relative to the ceramic substrate. In a development bath, the photoresist is removed at the exposed areas. In a subsequent etching process, only the metal is removed at the locations which are not protected by the photoresist. The etching process now realizes the layout according to the invention with respect to its vertical dimensions relative to the ceramic substrate. Thereby, when it is the case that both the profile of the edge F of the outer edge of the metal layer M in the vertical direction relative to the ceramic substrate and the outline of the outer edge L of the metal layer in the lateral direction relative to the ceramic substrate is considered, the metal layer to Otherwise, when only one of the abovementioned steps (either vertical or lateral shaping of the metal layer) is carried out, the metal layer will already become the metal layer M according to the invention. The layout is preferably formed in the vertical direction by a plurality of etching steps. In particular, the inventive profile of the flank F can be achieved by stopping the etching process earlier than in the prior art. In particular, further etching steps can subsequently be carried out in order to form the flank F according to the invention.

In einer anderen Ausführungsform wird Verfahrensschritt (ii) durch einen Stanz- und/oder Prägeschritt durchgeführt. Hierbei wird zunächst ein Metallblech einem Stanz- und/oder Prägewerkzeug ausgesetzt, durch das der erfindungsgemäße Verlauf der Flanke F in vertikaler Hinsicht relativ zum Keramiksubstrat und/oder auch der Umriss der Außenkante L in lateraler Richtung relativ zum Keramiksubstrat auf die Metallschicht übertragen wird. Dadurch wird das Metallblech zur erfindungsgemäßen Metallschicht M.In another embodiment, method step (ii) is performed by a stamping and / or embossing step. Here, a metal sheet is first exposed to a punching and / or embossing tool by which the inventive profile of the flank F is transferred in a vertical direction relative to the ceramic substrate and / or the outline of the outer edge L in the lateral direction relative to the ceramic substrate on the metal layer. As a result, the metal sheet for the metal layer M according to the invention.

In dieser Ausführungsform wird die geformte Metallschicht M im Anschluss auf das Keramiksubstrat S aufgebracht. Dies erfolgt über die Verwendung von dem Fachmann bekannten Verfahren. Bevorzugt wird die erhaltene Metallschicht M auf das Keramiksubstrat S mittels einem „Direct-Copper-Bonding“-Verfahren aufgebracht. In this embodiment, the molded metal layer M is subsequently applied to the ceramic substrate S. This is done by using methods known to those skilled in the art. Preferably, the obtained metal layer M is applied to the ceramic substrate S by means of a "direct copper bonding" method.

Dementsprechend stellt die vorliegende Erfindung auch ein Stanz- und/oder Prägewerkzeug für die Herstellung mindestens einer Leiterbahn auf einem Keramiksubstrat S bereit, wobei die Leiterbahn aus mindestens einer Metallschicht M besteht, dadurch gekennzeichnet, dass das Stanz- und/oder Prägewerkzeug so ausgestaltet ist, dass das erfindungsgemäße Layout mittels Stanzen- und/oder Prägen durch das Stanz- und/oder Prägewerkzeug in die Metallschicht M eingebracht wird. Das Stanz- und/oder Prägewerkzeug enthält somit die invertierte Form des erfindungsgemäßen Layouts. Es enthält die Informationen über die laterale Ausdehnung und/oder auch die Informationen über die vertikalen Ausdehnungen der herzustellenden Leiterbahnen aus der Metallschicht M, jeweils relativ zum zu verwendenden Keramiksubstrat S. Die Ausbildung und Gestaltung allgemeiner Stanz- und/oder Prägewerkzeuge sind dem Fachmann bekannt. Die so erhaltene ausgestanzte Leiterbahn wird im Anschluss auf das Keramiksubstrat S aufgebracht, um das erfindungsgemäße Verbundmaterial zu erhalten. Accordingly, the present invention also provides a stamping and / or embossing tool for the production of at least one printed conductor on a ceramic substrate S, wherein the printed conductor consists of at least one metal layer M, characterized in that the stamping and / or embossing tool is designed such the layout according to the invention is introduced into the metal layer M by punching and / or embossing by the punching and / or embossing tool. The punching and / or embossing tool thus contains the inverted form of the layout according to the invention. It contains the information about the lateral extent and / or also the information about the vertical dimensions of the conductor tracks to be produced from the metal layer M, in each case relative to the ceramic substrate S to be used. The design and configuration of general punching and / or embossing tools are known to the person skilled in the art. The punched printed circuit thus obtained is then applied to the ceramic substrate S to obtain the composite material of the present invention.

Leiterplattecircuit board

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist des Weiteren eine Leiterplatte, umfassend das erfindungsgemäße Verbundmaterial. Hierbei kann das erfindungsgemäße Verbundmaterial in sämtlichen oben beschriebenen Ausgestaltungen vorliegen. The subject matter of the present invention is furthermore a printed circuit board comprising the composite material according to the invention. In this case, the composite material according to the invention can be present in all the embodiments described above.

Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS

S

ceramic substrate

M

metal layer

H

Layer thickness of the metal layer

L

Outer edge of the metal layer (lateral direction relative to the ceramic substrate)

F

Flank of the outer edge of the metal layer (vertical direction relative to the ceramic substrate)

Figurencharacters

1: schematische Darstellung des Verbundmaterials umfassend die Metallschicht M auf dem Keramiksubstrat S, wobei die Sicht parallel zur lateralen Ausdehnung des Keramiksubstrats dargestellt ist. Die Metallschicht M hat eine Schichtdicke h, welche über den gesamten gezeigten Bereich gleich groß ist. Die Flanke F verläuft von h = 0 bis h = h. Sie ist hier konkav geformt und kann durch eine Parabelfunktion beschrieben werden. 1 FIG. 2: Schematic representation of the composite material comprising the metal layer M on the ceramic substrate S, the view being shown parallel to the lateral extent of the ceramic substrate. The metal layer M has a layer thickness h, which is the same over the entire range shown. The flank F runs from h = 0 to h = h. It is concave and can be described by a parabolic function.

2: schematische Darstellung des Verbundmaterials umfassend die Metallschicht M auf dem Keramiksubstrat S, wobei die Sicht parallel zur vertikalen Ausdehnung des Keramiksubstrats dargestellt ist (Aufsicht). Die Metallschicht M weist eine Außenkante L auf (welche beispielsweise durch Projektion auf das Keramiksubstrat S sichtbar ist). Der Umriss der Außenkante L ist hier durch mehrere Funktionen beschreibbar (linker Bereich knochenartig, rechter Bereich parabelförmig), wobei die Übergänge der Funktionen in den einzelnen Punkten so angepasst sind, dass die Steigungen jeweils gleich sind. 2 : Schematic representation of the composite material comprising the metal layer M on the ceramic substrate S, wherein the view parallel to the vertical extent of the ceramic substrate is shown (top view). The metal layer M has an outer edge L (which is visible, for example, by projection onto the ceramic substrate S). The outline of the outer edge L can be described here by several functions (left area bony, right area parabolic), wherein the transitions of the functions in the individual points are adjusted so that the slopes are the same.

3: Gegenüberstellung eines Layouts für Leiterbahnen des Standes der Technik (gestrichelte Linien) und eines entsprechenden erfindungsgemäßen Layouts (durchgezogene Linien). 3 : Comparison of a layout for printed conductors of the prior art (dashed lines) and a corresponding layout according to the invention (solid lines).

4: Darstellung der in den Beispielen berechneten Ausformungen der Leiterbahnenden (jeweils Aufsicht und Querschnitt):

(a) 2 rechte Winkel in lateraler Richtung und senkrechte Flanken in vertikaler Richtung
(b) Rundungen von 2 mm in lateraler Richtung und senkrecht Flanken in vertikaler Richtung
(c) 2 rechte Winkel in lateraler Richtung und abgeschrägte Gerade als Flanke mit einer Steigung von 45° in vertikaler Richtung
(d) Parabole Form in lateraler Richtung und parabole Flanken in vertikaler Richtung wie schematisch in 1 gezeigt.

4 : Representation of the formations of the conductor ends calculated in the examples (in each case supervision and cross-section):

(a) 2 right angles in the lateral direction and vertical edges in the vertical direction
(b) Rounding of 2 mm in the lateral direction and vertical flanks in the vertical direction
(c) 2 right angles in the lateral direction and beveled straight line as a slope with a slope of 45 ° in the vertical direction
(d) parabolic shape in the lateral direction and parabolic edges in the vertical direction as shown schematically in 1 shown.

BeispieleExamples

Es wurde die plastische Ausdehnung und Eigenspannung eines Kupferstreifens in vier verschiedenen Ausformungen auf einem Keramiksubstrat nach der Abkühlung im Fertigungsprozess um 400 K mittels FEM-Rechnungen (Finite-Elemente-Methode) analysiert. The plastic expansion and residual stress of a copper strip in four different shapes on a ceramic substrate after cooling in the manufacturing process by 400 K was analyzed by FEM calculations (finite element method).

Alle Ausformungen wurden zunächst in einem ersten Schritt auf die maximale Fertigungstemperatur Tmax, ab welcher das Kupfer (thermischer Ausdehnungskoeffizient: 17,3·10^–6 1/K; Elastizitätsmodul 125·10⁹ Pa; Poissonsches Verhältnis: 0,35; Ausgangswert für Fließspannung: 50 MPa; isotropes Tangentenmodul: 500 MPa) am Keramiksubstrat (Al₂O₃; thermischer Ausdehnungskoeffizient: 8,5·10^–6 1/K; Elastizitätsmodul 390·10⁹ Pa; Poissonsches Verhältnis: 0,23) haftet, als spannungsfreie Referenztemperatur von 420 °C gesetzt. Dann wurde der Verbund um 400 K auf Raumtemperatur (20 °C) abgekühlt, wobei sich die Bauteile auf Grund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten gegeneinander verspannten. Die Temperaturverteilung blieb dabei zu jeder Zeit homogen (keine partielle Kühlung). Dabei wurde das plastische Fließen des Kupfermaterials im Bereich der Leiterbahnränder berechnet. Dazu wurde eine geometrische nichtlineare statische FE-Analyse verwendet. Es wurden keine Fixierung und keine äußeren Kräfte angenommen (die Bauteile konnten sich frei verformen). An den Schnittgrenzen wurden jeweils Symmetrie-Randbedingungen angelegt. All moldings were first in a first step to the maximum production temperature Tmax, from which the copper (coefficient of thermal expansion: 17.3 · 10 ^-6 1 / K, elastic modulus 125 · 10 ⁹ Pa; Poisson's ratio: 0.35, initial value for yield stress : 50 MPa; isotropic tangent modulus: 500 MPa) on the ceramic substrate (Al ₂ O ₃ ; coefficient of thermal expansion: 8.5 × 10 ^-6 1 / K; modulus of elasticity 390 × 10 ⁹ Pa; Poisson's ratio: 0.23)), as stress-free Reference temperature of 420 ° C set. Then the composite was cooled by 400 K to room temperature (20 ° C), whereby the components clamped against each other due to the different thermal expansion coefficients. The temperature distribution remained homogeneous at all times (no partial cooling). The plastic flow of the copper material in the area of the conductor track edges was calculated. For this purpose, a geometric nonlinear static FE analysis was used. No fixation and no external forces were assumed (the components could deform freely). Symmetry boundary conditions were applied at the intersection boundaries.

In der folgenden Tabelle 1 sind die untersuchten Ausformungen gezeigt: Tabelle 1: untersuchte Ausformungen von Kupferstreifen; betrachtet wird ein Ende eines Kupferstreifens (Formen siehe auch Figur 4) Ausformung 1 REFERENZ (Vergleich) Ausformung 2 (Vergleich) Ausformung 3 (Vergleich) Ausformung 4 Form lateral relativ zum Keramiksubstrat (entspricht L) 2 rechte Winkel 2 runde Ecken mit Radius von 2 mm, dazwischen gerader Verlauf 2 rechte Winkel Parabelfunktion (knochenartige Form) Form vertikal relativ zum Keramiksubstrat (entspricht F) Senkrecht Senkrecht Abgeschrägte Gerade mit Neigung von 45° Parabelfunktion In the following Table 1, the investigated forms are shown: Table 1: examined forms of copper strips; one end of a copper strip is considered (see also FIG. 4) Form 1 REFERENCE (comparison) Forming 2 (comparison) Shape 3 (comparison) Molding 4 Shape lateral relative to the ceramic substrate (corresponds to L) 2 right angles 2 round corners with radius of 2 mm, in between straight course 2 right angles Parabolic function (bone-like shape) Shape vertical relative to the ceramic substrate (corresponds to F) Perpendicular Perpendicular Beveled straight with inclination of 45 ° parabolic function

Eine konstante minimale Elementgröße im Bereich des Randes (Plastifizierungszone) wurde gewählt, um die Vergleichbarkeit der Ergebnisse zu gewährleisten. Zur Berechnung wurde das Programm ANSYS^® in der Version 15.0 verwendet. Als Einheitensystem wurden die metrischen Größen t, mm, s verwendet und die Diskretisierung erfolgte mittels Finiter Elemente. Die volumetrischen Bauteile wurden mit Volumenelementen mit quadratischem Verschiebungsansatz vernetzt. A constant minimum element size in the region of the edge (plasticizing zone) was chosen to ensure the comparability of the results. For the calculation the program ANSYS ^® in the version 15.0 was used. As unit system, the metric sizes t, mm, s were used and the discretization was carried out by means of finite elements. The volumetric components were networked with volume elements with a square displacement approach.

Es wurden die Zugspannung und der Schub untersucht. Die Ergebnisse sind in Tabelle 3 zusammengefasst. Tabelle 3: Ergebnisse (Kontaktergebnisse) Ausformungen Kontaktergebnisse, Maxima Zugspannung [MPa] Schub [MPa] Ausformung (1) REFERENZ (Vergleich) –271,8 423,5 Ausformung 2 (Vergleich) –195,3 271,5 Abweichung Ausformung 2 zu REFERENZ [%] –28,2 –35,9 Ausformung 3 (Vergleich) –31,7 61,8 Abweichung Ausformung 3 zu REFERENZ [%] –88,3 –85,4 Ausformung 4 –24,3 35,7 Abweichung Ausformung 4 zu REFERENZ [%] –91,0 –91,6 The tensile stress and the shear were examined. The results are summarized in Table 3. Table 3: Results (contact results) formations Contact results, maxima Tensile stress [MPa] Thrust [MPa] Forming (1) REFERENCE (comparison) -271.8 423.5 Forming 2 (comparison) -195.3 271.5 Deviation Form 2 to REFERENCE [%] -28.2 -35.9 Shape 3 (comparison) -31.7 61.8 Deviation Form 3 to REFERENCE [%] -88.3 -85.4 Molding 4 -24.3 35.7 Deviation of formation 4 to REFERENCE [%] -91.0 -91.6

Diese Ergebnisse zeigen deutlich, dass bei der Ausformung 4 die niedrigste Belastung des Kupfers vorliegt (Je höher die Werte über der Fließgrenze von Kupfer bei 50 MPa liegen, desto höher ist die Wahrscheinlichkeit für die Ablösung). Die Ausformung 4 zeigt sogar, dass eine Belastung unterhalb der Fließgrenze von Kupfer vorliegt, so dass es nur zu einer elastischen Verformung des Kupfers kam. These results clearly show that in design 4, the lowest stress of copper is present (the higher the values above the yield value of copper at 50 MPa, the higher the probability of detachment). The shape 4 even shows that a load is below the yield point of copper, so that it came only to an elastic deformation of the copper.

Demgegenüber zeigen die Ausformungen 1 und 3 deutlich schlechtere Werte auf. In contrast, the embodiments 1 and 3 show significantly worse values.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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DE 4406397 A1 [0009]
EP 1061783 A2 [0010]
DE 4004844 C1 [0011]

Claims

A composite material comprising a ceramic substrate (S) having at least one metal layer (M) on at least one surface of the ceramic substrate (S), the metal layer (M) having substantially the layer thickness (h) in the vertical direction relative to the ceramic substrate (S) and the shape the metal layer (M) is defined in the lateral direction relative to the ceramic substrate by the course of the outer edge (L) of the metal layer (M), characterized in that the profile of the flank (F) of the outer edge of the metal layer (M) in the vertical direction relative to Ceramic substrate and / or the outline of the outer edge (L) of the metal layer in the lateral direction relative to the ceramic substrate in any area, which corresponds to a distance of at least 10 microns, can be described by a function which is continuously differentiable, the flank ( F) runs from h = 0 to h = h and the continuously differentiable function is not a straight line (f (x) = mx + b).

Composite material according to claim 1, characterized in that the function by which the course of the flank (F) and / or the outline of the outer edge (L) can be described is selected from the group consisting of a parabolic function, an e-function , a trigonometric function, splines, Bezier splines, NURBS, and a higher-order mathematical equation.

Composite material according to one of claims 1 or 2, characterized in that the function by which the course of the flank (F) and / or the outline of the outer edge (L) can be described, a higher-order parabolic function.

Composite material according to one of claims 1 to 3, characterized in that the outline of the outer edge (L) of the metal layer (M) in the vertical direction relative to the ceramic substrate at h = 0 is greater than the outline of the outer edge (L) at h = h.

Composite material according to one of claims 1 to 4, characterized in that the distance of the course of the flank (F) is at least 1.1 to 20 times greater than h.

Layout of a conductor track on a ceramic substrate (S), the track being composed of at least one metal layer (M), the metal layer (M) having substantially the layer thickness (h) in the vertical direction relative to the ceramic substrate (S) and the shape of the metal layer ( M) is defined in the lateral direction relative to the ceramic substrate by the course of the outer edge (L) of the metal layer (M), characterized in that the layout only curves of edges (F) of the outer edge of the metal layer (M) in the vertical direction relative to the ceramic substrate and / or outlines of the outer edge (L) of the metal layer in the lateral direction relative to the ceramic substrate, which can be described in each arbitrary range, which corresponds to a distance of at least 10 microns, by a function which is continuously differentiable, the flank (F) runs from h = 0 to h = h and the continuously differentiable function is not a straight line (f (x) = mx + b) t.

A method for producing a composite material comprising at least one printed conductor on a ceramic substrate (S), wherein the printed conductor consists of at least one metal layer (M), the metal layer (M) substantially the layer thickness (h) in the vertical direction relative to the ceramic substrate (S) and the shape of the metal layer (M) in the lateral direction relative to the ceramic substrate is defined by the profile of the outer edge (L) of the metal layer (M), comprising the following steps: (i) providing a ceramic substrate (S) and a metal from which the metal layer (M) is to be formed, and (ii) applying the metal to the ceramic substrate (S) using the layout of claim 6 to obtain the at least one metal layer (M).

Use of the layout of claim 6 for the manufacture of printed circuit boards for use in power modules for controlling high electrical voltages or currents.

A printed circuit board comprising the composite material according to any one of claims 1 to 5.

Punching and / or embossing tool for the production of at least one conductor on a ceramic substrate (S), wherein the conductor consists of at least one metal layer (M), characterized in that the punching and / or embossing tool is designed so that the layout of Claim 6 is introduced by punching and / or embossing by the punching and / or embossing tool in the metal layer (M).