DE102017114442B4

DE102017114442B4 - Modul mit Substrat für elektrische Schaltkreise und Verfahren zur Herstellung eines derartigen Moduls

Info

Publication number: DE102017114442B4
Application number: DE102017114442.0A
Authority: DE
Inventors: Karsten Schmidt; Shawn Williams; Nahum Travitzky; Peter Greil; Alexander Bonet
Original assignee: Rogers Germany GmbH
Current assignee: Rogers Germany GmbH
Priority date: 2017-06-29
Filing date: 2017-06-29
Publication date: 2019-10-24
Anticipated expiration: 2037-06-30
Also published as: DE102017114442A1; WO2019002541A1

Abstract

Modul mit
- einem Substrat (1) für elektrische Schaltkreise, wobei das Substrat eine Papierkeramikschicht (2) mit einer Ober- und Unterseite (2a, 2b) aufweist, die eine aus einer Vielzahl von porenförmigen Hohlräumen bestehende Porenstruktur aufweist, und
- zwei weiteren Substraten (6, 7), wobei über das Substrat (1) als Abstandhalter (5) eine Verbindung zwischen den zwei weiteren Substraten (6, 7) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die porenförmigen Hohlräume der Porenstruktur zumindest im Bereich der Ober- und/oder Unterseite (2a, 2b) der Papierkeramikschicht (2) unter Verwendung eines Infiltrationsverfahrens derart mit einem Metall oder einer Metalllegierung verfüllt sind, dass sich auf der Ober- und/oder Unterseite (2a, 2b) eine Metallisierungsschicht (3, 4) mit einer Schichtdicke (d2, d3) zwischen 0,1 bis 10 µm ausbildet und dass die Papierkeramikschicht (11) eine Schichtdicke (d3) zwischen 0,5 und 2 mm aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Modul für elektrische Schaltkreise gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen Modulsgemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 13. Substrate für elektrische Schaltkreise in Form von Leiterplatten sind hinlänglich bekannt.
Derartige Substrate sind ein- oder mehrschichtig aufgebaut und umfassen zumindest eine Isolationsschicht. Die Isolationsschicht ist an der Ober- und/oder Unterseite mit einer Metallschicht oder Metallisierung versehen, und zwar vorzugsweise beidseitig. Die Metallschicht oder Metallisierung erstreckt sich zumindest abschnittsweise flächig entlang der Ober- und/oder Unterseite der Isolationsschicht und ist mit dieser entweder direkt oder ggf. über weitere Metall- oder Isolationsschichten verbunden. Zumindest eine der äußeren Metallschichten kann hierbei zur Ausbildung von Leiterbahnen sowie Kontakt- und/oder Anschlussflächen in mehrere Metallisierungsflächenabschnitte strukturiert sein.
Insbesondere bei Verwendung derartiger Substrate im Bereich der Leistungselektronik ist es erforderlich, dass die Substrate bzw. deren Isolationsschicht eine hohe Isolationsfestigkeit, d.h. Spannungs- und Durchschlagfestigkeit aufweisen. Im Bereich der Leistungselektronik kommen daher häufig Metall-Keramik-Substrate zum Einsatz, deren Isolationsschicht durch zumindest eine eine hohe Isolationsfestigkeit aufweisende Keramikschicht gebildet ist. Die Keramikschicht 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.
Zur flächigen Verbindung der Keramikschicht mit zumindest einer eine Metallisierung bildenden Metallschicht finden abhängig vom verwendeten Keramikmaterial und/oder dem zu bondenden Metall der Metallschicht unterschiedliche, an sich bekannte Herstellungsverfahren Verwendung, und zwar beispielsweise ein „Direct-Copper-Bonding“-Verfahren, ein „Direct-Aluminium-Bonding“-Verfahren und ein „Active-Metal-Bonding“-Verfahren. Nachteilig ist bei der Verwendung von herkömmlichen Keramikschichten zur Durchführung genannter Bonding-Verfahren die Formgebung eingeschränkt. Ferner kann auch mittels der so genannten „Direct-Plated-Copper“ Verbindungstechnologie eine Metallisierung einer Keramikschicht erfolgen.
Aus der DE 10 2006 022 598 A1 ist zudem eine Keramik aus präkeramischen Papier- oder Pappstrukturen bekannt, bei der die präkeramischen Papiere oder Pappen einen Gehalt an keramischen Füllstoffen zwischen 30 und 95 Masse-% haben und die keramischen Füllstoffe eine Partikelgröße < 30 µm aufweisen.
Ferner sind Verfahren zur Herstellung von so genannten hochgefüllten Papieren beispielsweise aus der DE 10 2006 022 598 A1 , US 2009011208 A1 oder US 8608906 B2 bekannt, bei denen beim Papierherstellungsprozess das Papiergefüge bis zu 85 Gewicht-% mit funktionalen Füllstoffen angereichert wird, beispielsweise mit einem sinterfähigen keramischen Pulver, hoch adsorptiven Pulver oder Pulver mit guter Wärmespeicherkapazität. Diese keramischen Füllstoffe weisen die bekannten elektrischen Isolationseigenschaften auf. Als keramische Füllstoffe bzw. Hauptfüllstoffe für das Papiergefüge eignen sich beispielsweise vor allem Al₂O₃, Si₃N₄, AlN, ZrO₂, MgO, SiC und BeO oder auch Kombination wie z.B. ZTA, in Korngrößen von < 5µm bevorzugt < 1µm. Als weitere keramische Füllstoffe bzw. Nebenfüllstoffe werden die Sinterhilfsmittel der jeweiligen Hauptfüllstoffe, und zwar Y₂O₃, CaO, MgO, SiO₂ usw. in das Papiergefüge aufgenommen. Aus diesem mit sinterfähigen keramischen Füllstoffen angereicherten so genannten präkeramischen Papiergefüge wird ggf. nach einem weiterer Verformungsprozess durch thermische Umsetzung, u.a. Durchführung einer zweistufigen thermischen Umsetzung ein so genanntes Sinterpapier bzw. eine Papierkeramik hergestellt. Im Rahmen der ersten Stufe der thermischen Umsetzung werden die organischen Komponenten der präkeramischen Papiere, beispielsweise Zellstoff, Stärke und Latex oxidativ entfernt, wodurch ein so genannter „Braunling“ entsteht. Anschließend wird in einer zweiten Stufe der thermischen Umsetzung der „Braunling“ gesintert und es entsteht ein keramischer Werkstoff mit der typischen Biegefestigkeit einer Keramik. Die Mikrostruktur dieses Sinterpapiers bzw. der Papierkeramik zeigt u.a. die für Keramiken typische Materialeigenschaften, beispielsweise auch eine hohe Isolationsfestigkeit. Bei derartigen Papierkeramiken können die Vorteile von keramischen Materialien mit den papiertechnischen Vorteilen, beispielsweise der einfachen Verformung und des geringen Gewichts miteinander verbunden werden. Nachteilig entstehen jedoch durch die oxidative Entfernung der organischen Komponenten, insbesondere der Zellulosefasern als Bindemittel des Papiergefüges in der Papierkeramik porenförmige Hohlräume. Derartig hergestellte Papierkeramiken weisen beispielsweise eine offene Porenstruktur auf, die zwischen 5 und 70 Volumen% des Gesamtvolumens der Papierkeramik betragen kann. Die Porosität bzw. die Porenstruktur des Papierkeramikmaterials führt insbesondere bei Verwendung für elektrische Schaltungen zu einer Verschlechterung der Isolationsfestigkeit im Vergleich zu einem Vollkeramikmaterial. Auch neigen derartige Papierkeramiken bei entsprechender thermischer Belastung zur Bildung von Rissen in der Papierkeramik, die ggf. sogar zum Bruch der Papierkeramik führen können. Nachteilig weisen derartige Papierkeramiken eine geringe Wärmeleitfähigkeit und/oder elektrische Leitfähigkeit auf.
Auch sind bereits Verfahren zum Infiltrieren von derartigen Papierkeramiken mit Metallen und Metalllegierungen bekannt, und zwar beispielsweise aus der Veröffentlichung „Microstructure and mechanical properties of alumina/copper composites fabricated by different infiltration techniques“, von N.A. Tarvitzky in Materials Letters 36 (1998), Seiten 114 - 117. Hierbei wird flüssiges Metall oder eine flüssige Metalllegierung in die offene Porenstruktur der Papierkeramik eingebracht, und zwar erfolgt die Infiltration bei einer Temperatur über den Schmelzpunkt des zu infiltrierenden Keramikmaterials. Bei der so genannten drucklosen Infiltrationsverfahren bzw. Spontaninfiltrationsverfahren erfolgt die Infiltration unter Ausnutzung der bestehenden Kapillarkräfte der offenen Porenstruktur der Papierkeramik. Auch sind Infiltrationsverfahren unter Verwendung von Druck oder im Vakuum bekannt. Mittels der Infiltration von Metallen oder Metalllegierungen in die Poren der Papierkeramik wird eine formbare bzw. dehnbare Metallphase innerhalb der Papierkeramik erzeugt, mittels der die Bruchzähigkeit bzw. der Bruchwiderstand von derartigen „gefüllten“ Papieren bzw. Papierkeramiken erhöht werden kann. Maßgeblich für die erfolgreiche Infiltration des flüssigen Metalls bzw. der Metalllegierung ist die Benetzbarkeit der Keramikmaterials. Hierbei weisen Oxid- oder Nitridkeramikmaterialien eine geringe Benetzbarkeit auf, die eine Verwendung eines drucklosen Infiltrationsverfahren bzw. Spontaninfiltrationsverfahren erschweren. Die Benetzbarkeit von Oxid- oder Nitridkeramikmaterialien kann jedoch durch die Verwendung von Sauerstoff deutlich verbessert werden. Insbesondere hat sich gezeigt, dass beispielsweise eine drucklose Infiltration einer aus Al₂O₃ hergestellte Papierkeramik mit Kupferoxid bzw. mit einer Kupferoxidlegierung problemlos möglich ist. Derartige mit Cu-O gefüllten Al₂O₃ Papierkeramiken weisen im Vergleich zu nicht infiltrierten Papierkeramiken verbesserte mechanische Eigenschaften auf, beispielsweise eine Biegebruchfestigkeit von bis 355 MPa, einen Härtegrad von ca. 8,3 GPa und einen Bruchwiderstand von bis zu 8,4 MPa/m².
Insbesondere zum Aufbau von sogenannten Leistungsmodulen, welche zumindest zwei Substrate umfassen, werden so genannte „Spacer“ bzw. Abstandhalter benötigt, über welche eine vorzugsweise ausdehnungsangepasste Verbindung zwischen den zwei Substraten bzw. darauf montierten Bauteilen herstellbar ist.
Ausgehend vom voranstehend genannten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Modul mit einem Substrat für elektrische Schaltkreise sowie ein zugehöriges Verfahren zu dessen Herstellung zu schaffen, dessen Wärmeleitfähigkeit und/oder elektrische Leitfähigkeit des Substrats für das jeweilige Einsatzgebiet und/oder den jeweiligen Anwendungsfall anpassbar ist. Die Aufgabe wird durch ein Substrat gemäß dem Patentanspruch 1 und ein Verfahren gemäß den Patentanspruch 12 gelöst.
Der wesentliche Aspekt des erfindungsgemäßen Substrates für elektrische Schaltkreise ist darin zu sehen, dass die porenförmigen Hohlräume der Porenstruktur zumindest im Bereich der Ober- und/oder Unterseite der Papierkeramikschicht unter Verwendung eines Infiltrationsverfahrens derart mit einem Metall oder einer Metalllegierung verfüllt sind, dass sich auf der Ober- und/oder Unterseite zumindest eine Metallisierungsschicht mit einer Schichtdicke zwischen 0,1 bis 10 µm ausbildet. Die Infiltration des Metalls bzw. der Metalllegierung erfolgt hierbei im flüssigen Zustand. Besonders vorteilhaft können durch den Grad der Infiltrierung der Papierkeramik und/oder die Wahl der verwendeten Metall oder Metalllegierung die Wärmeleitfähigkeit und/oder elektrische Leitfähigkeit des Substrates an das jeweilige Einsatzgebiet individuell angepasst werden. Insbesondere wird besonders vorteilhaft durch die Bereitstellung der Metallisierungsschicht(en) eine Bondfläche bereitgestellt, die über die bekannten und häufig verwendeten Bondingtechnologien wie beispielsweise Löten und Kleben mit weiteren Substraten und/oder Formteilen verbindbar ist. Das erfindungsgemäße Substrat ist damit nicht nur kostengünstig herstellbar, sondern auch hinsichtlich seiner elektrischen und mechanischen Eigenschaften individuell an den jeweiligen Einsatzzweck anpassbar und darüber hinaus noch mit den bestehenden Bondingtechnologien mit weiteren Bauteilen verbindbar.
Unter einer erfindungsgemäßen Papierkeramikschicht wird hierbei ein bei der Papierherstellung mit einem sinterfähigen keramischen Füllstoff, vorzugsweise Aluminiumoxid-Pulver angereichertes Papiergefüge verstanden, aus dem ein präkeramisches Papiergefüge erzeugt wird. Das präkeramische Papiergefüge wird einem zweistufigen thermischen Umsetzungsprozess unterzogen und in erster Stufe aus dem präkeramisches Papiergefüge („Grünling“) zunächst ein „Braunling“ erzeugt, bei dem die organischen Komponenten des präkeramischen Papiergefüges, beispielsweise Zellstoff, Stärke und Latex oxidativ entfernt sind. Anschließend wird in der zweiten Stufe der „Braunling“ einem Sinterprozess zugeführt, wodurch ein keramischer Werkstoff, und zwar die Papierkeramik erzeugt wird. Vorteilhaft weist die Papierkeramikschicht die typischen Materialeigenschaften eines Keramikmaterials auf, und zwar eine hohe Biege- und Isolationsfestigkeit. Die Papierkeramikschicht ersetzt somit die bekannte Keramikschicht bei Metall-Keramik-Substraten. Durch das unterschiedliche Herstellungsverfahren ergeben sich enorme Vorteile im Herstellungsprozess sowie in der Formgestaltung der Papierkeramikschicht. Die Papierkeramikschicht ist im Vergleich zu einer herkömmlichen Keramikschicht leichter und vor der Durchführung des thermischen Umsetzungsprozesses individuell verformbar. Auch kann vorteilhaft das Ausgangsmaterial der Papierkeramikschicht aufgrund der Verformbarkeit als Rollenware gelagert und weiterverarbeitet werden.
Die Papierkeramikschicht ist besonders vorteilhaft aus einem mit einem sinterfähigen keramischen Füllstoffen angereicherten Papiergefüge mittels thermischer Umsetzung hergestellt ist, bei dem der Anteil des sinterfähigen keramischen Füllstoffe des angereicherten Papiergefüges größer 80 Gew.-%, vorzugsweise zwischen 80 und 90 Gew.-% beträgt. Als keramische Füllstoffe des Papiergefüges werden Al₂O₃, Si₃N₄, AlN, ZrO₂, MgO, SiC, BeO oder eine Kombination dessen sowie zugehörige typische Sinterhilfsmittel wie beispielsweise Y₂O₃, CaO, MgO, SiO₂ vorgesehen. Weiterhin vorteilhaft ist der Volumenanteil der Porenstruktur am Gesamtvolumen der Papierkeramik einstellbar.
Besonders vorteilhaft wird weist die Papierkeramikschicht eine Schichtdicke zwischen 0,5 und 2 mm aufweist. Zum Erreichen der genannten Schichtdicken kann die Papierkeramikschicht entweder durch eine „einzelne“ Papierkeramikschicht oder als Papierkeramikverbundschicht hergestellt sein, die durch entsprechende stoffschlüssige Verbindung mehrere Papierkeramikschichten geringerer Schichtdicke erzeugt ist.
Vorteilhaft bildet die zumindest eine Metallisierungsschicht eine Anschlussschicht zur Herstellung einer wärmeleitfähigen und/oder elektrisch leitfähigen, stoffschlüssigen Verbindung mit einer weiteren Metallisierungsschicht und/oder einer weiteren Papierkeramikschicht und/oder einem weiteren Substrat aus. Aufgrund der Metallisierungsschicht mit der erfindungsgemäßen Schichtdicke ergeben sich universelle Einsatzmöglichkeiten für die infiltrierte Papierkeramikschicht.
Besonders vorteilhaft ist über den Grad der Infiltration der Porenstruktur die Wärmeleitfähigkeit und/oder der elektrische Flächenwiderstand und/oder die elektrische Leitfähigkeit und/oder der mechanische Ausdehnungskoeffizient der infiltrierten Papierkeramikschicht einstellbar. Durch entsprechende Infiltrierung des Papierkeramikschicht ist beispielsweise die Realisierung eines ausdehnungsangepassten Substrates mit vorgegebenen elektrischen Eigenschaften möglich. Der mechanische Ausdehnungskoeffizient beträgt beispielsweise zwischen 4 - 12 ppm/K, vorzugsweise zwischen 6 - 8 ppm/K und die Wärmeleitfähigkeit beispielsweise zwischen 50 - 300 W/mK, vorzugsweise zwischen 120 - 200 W/mK.
Auch ist weiterhin vorteilhaft die Wärmeleitfähigkeit und/oder der elektrische Flächenwiderstand und/oder die elektrische Leitfähigkeit und/oder der mechanische Ausdehnungskoeffizient abhängig vom Volumenanteil der Porenstruktur am Gesamtvolumen der Papierkeramikschicht ist, d.h. durch den entsprechende Einstellung des Volumenanteils der Porenstruktur bei der Fertigung der Papierkeramik ist eine weitere Anpassung der mechanischen und elektrischen Eigenschaften des Substrates möglich. Vorzugsweise beträgt beispielsweise der Volumenanteil der Porenstruktur am Gesamtvolumens der Papierkeramikschicht zwischen 5 und 70 Volumen% und ist innerhalb des genannten Bereiches individuell einstellbar.
Vorzugsweise finden als Metall Kupfer, Aluminium, Gold, Silber Zinn, Zink, Molybdän, Wolfram, Chrom und als Metalllegierung eine Legierung aus den genannten Metallen zur Infiltration der Papierkeramikschicht Verwendung. Hierbei ist besonders vorteilhaft die Porenstruktur der infiltrierten Papierkeramikschicht vollständig oder nur teilweise mit Metall oder der Metalllegierung infiltriert, wodurch insbesondere der elektrische Flächenwiderstand und/oder die elektrische Leitfähigkeit individuell einstellbar sind.
In einer bevorzugten Ausführungsvariante bildet die infiltrierte Papierkeramikschicht mit der zumindest einen Metallisierungsschicht bzw. das erfindungsgemäße Substrat einen Abstandhalter zur Verbindung von zwei weiteren Substraten aus. Der Abstandhalter ist besondere vorteilhaft zumindest an ein Substrat ausdehnungsangepasst.
Vorzugsweise weist die Oberseite der infiltrierten Papierkeramikschicht eine erste Metallisierungsschicht und die Unterseite der infiltrierten Papierkeramikschicht eine zweite Metallisierungsschicht auf.
Ebenfalls ist Gegenstand der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Moduls mit einem Substrat für elektrische Schaltkreise, umfassend zumindest eine Papierkeramikschicht mit einer Ober- und Unterseite, die eine aus einer Vielzahl von porenförmigen Hohlräumen bestehende Porenstruktur aufweist. Besonders vorteilhaft werden die porenförmigen Hohlräume der Porenstruktur zumindest im Bereich der Ober- und/oder Unterseite der Papierkeramikschicht unter Verwendung eines Infiltrationsverfahrens derart mit einem flüssigen Metall oder einer flüssigen Metalllegierung verfüllt, dass sich auf der Ober- und/oder Unterseite zumindest eine Metallisierungsschicht mit einer Schichtdicke zwischen 0,1 bis 10 µm ausbildet. Das beschriebene Verfahren ermöglicht eine individuelle Einstellung der Wärmeleitfähigkeit und/oder des elektrischen Flächenwiderstandes und/oder der elektrischen Leitfähigkeit und/oder des mechanischen Ausdehnungskoeffizienten der infiltrierten Papierkeramikschicht über den Grad der Infiltration der Porenstruktur.
Weiterhin vorteilhaft wird die Papierkeramikschicht aus einem mit einem sinterfähigen keramischen Füllstoffen angereicherten Papiergefüge mittels thermischer Umsetzung hergestellt, wobei der Anteil des sinterfähigen keramischen Füllstoffe des angereicherten Papiergefüges größer 80 Gew.-%, vorzugsweise zwischen 80 und 90 Gew.-% beträgt. Bei der Herstellung der Papierkeramikschicht wird der Volumenanteil der Porenstruktur am Gesamtvolumens der Papierkeramikschicht derart eingestellt, dass dieser zwischen 5 und 70 Volumen% beträgt.
Besonders vorteilhaft wir die Wärmeleitfähigkeit und/oder der elektrische Flächenwiderstand und/oder die elektrische Leitfähigkeit und/oder der mechanische Ausdehnungskoeffizient der infiltrierten Papierkeramikschicht über den Grad der Infiltration der Porenstruktur eingestellt. Zusätzlich können genannte Materialeigenschaften auch über den Volumenanteil der Porenstruktur am Gesamtvolumen der Papierkeramikschicht eingestellt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsvariante wird die Porenstruktur der Papierkeramikschicht vollständig oder nur teilweise mit dem Metall oder der Metalllegierung infiltriert, und zwar beispielsweise mittels Druckloser-Infiltration, Druck-Infiltration oder Vakuum-Infiltration.
Die Papierkeramikschicht wird weiterhin vorteilhaft in einem Temperaturbereich infiltriert, der im Bereich des Schmelzpunktes des zu infiltrierenden Metalls oder der zu infiltrierenden Metalllegierung liegt. Insbesondere zur Infiltration von Kupfer oder einer Kupferlegierung sowie Aluminium oder einer Aluminiumlegierung können herkömmliche Heizöfen verwendet werden.
Ebenfalls ist Gegenstand der Erfindung ein Modul umfassend ein erfindungsgemäßes Substrat, bei dem die zumindest eine Metallisierungsschicht mit zumindest einer weiteren Papierkeramikschicht oder einer Papierkeramikverbundschicht oder zumindest einem weiteren Substrat verbunden ist.
Die zumindest eine weitere Papierkeramikschicht ist beispielsweise über eine Klebstoffschicht mit zumindest einen Metallisierungsschicht der Papierkeramikschicht verbunden, wobei in einer Ausführungsvariante die porenförmigen Hohlräume der weiteren Papierkeramikschicht zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig mit dem verwendeten Klebstoff verfüllt sind.
Die weiteren Substrate sind bevorzugt als Metall-Keramik-Substrate ausgebildet und zumindest eine Metallisierungsschicht der Papierkeramikschicht mit zumindest einer Metallisierung der Metall-Keramik-Substrate verbunden.
Bei einer besonders bevorzugten Ausbildung eines erfindungsgemäßen Moduls ist ein erstes Metall-Keramik-Substrat mit einer ersten Keramikschicht und einer ersten und zweiten Metallisierung und eine zweite Metall-Keramik-Substrat mit einer zweiten Keramikschicht und einer ersten und zweiten Metallisierung vorgesehen ist. Die erste Metallisierung zumindest des zweiten Metall-Keramik-Substrates ist zur Ausbildung von Anschluss- und Kontaktflächen in mehrere Metallisierungsabschnitte strukturiert, wobei ein elektronisches Bauteil mit einem Metallisierungsabschnitt des zweiten Metall-Keramik-Substrat über das einen Abstandhalter bildenden Substrat mit der zweiten Metallisierung des ersten Metall-Keramik-Substrates verbunden ist.
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(en). 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 erfindungsgemäßes Substrat umfassend eine Papierkeramikschicht mit an der Ober- und Unterseite vorgesehener Metallisierungsschichten,
2 eine vereinfachte schematische Darstellung eines Infiltrationsverfahrens zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Substrates gemäß 1,
3 ein vereinfachter schematischer Schnitt durch ein Leistungsmodul umfassend ein erfindungsgemäßes einen Abstandhalter bildendes Substrat und zwei Metall-Keramik-Substrate,
4 eine vereinfachte schematische Schnittdarstellung durch eine alternative Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Substrats umfassend zusätzliche Papierkeramikschichten und
5 eine vereinfachte schematische Schnittdarstellung durch eine weitere alternative Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßes Substrates umfassend weitere Verbundschichten aus Papierkeramik.

1 zeigt in vereinfachter schematischer Darstellung einen Schnitt durch ein erfindungsgemäß ausgebildetes Substrat 1 für elektrische Schaltkreise, welches einen plattenförmigen Aufbau aufweist, d.h. in der Form einer Leiterplatte ausgebildet ist.
Das erfindungsgemäße Substrat 1 ist insbesondere zur Verwendung für elektronische Schaltungen im Leistungsbereich, auch Leistungsmodule genannt, geeignet. Insbesondere kann das erfindungsgemäße Substrat 1 auch Teil eines derartigen Leistungsmoduls, insbesondere eines „Sandwich“-Leistungsmoduls oder eines so genannten „Multilayer“-Leistungsmoduls sein.
Hierbei bildet das erfindungsgemäße Substrat 1 insbesondere ein ausdehnungsangepasstes Bauteil aus, und zwar ist der Wärmeausdehungskoeffizient („thermal expansion coefficient“ = TCE) des erfindungsgemäßen Substrates 1 an die Ausdehnungskoeffizienten der damit verbundenen Komponenten des Leistungsmoduls angepasst, um eine hohe Temperaturwechselbeständigkeit des Leistungsmoduls zu gewährleisten.
Das erfindungsgemäße Substrat 1 für elektrische Schaltkreise umfasst in einer Ausführungsvariante zumindest eine Papierkeramikschicht 2 mit einer Ober- und Unterseite 2a, 2b, die eine aus einer Vielzahl von porenförmigen Hohlräumen bestehende Porenstruktur aufweist. Die Papierkeramikschicht 2 ist aus einer papiertechnisch hergestellten Keramikmaterial hergestellt. Derartige Papierkeramiken werden auch als Präkeramiken bezeichnet. Die erfindungsgemäße Papierkeramikschicht 2 weist beispielsweise eine erste Schichtdicke d1 zwischen 0,5 und 2 mm auf. Die Papierkeramikschicht 2 ist ferner vorzugsweise plattenartig ausgebildet, wobei die Länge und/oder Breite der plattenförmigen Papierkeramikschicht 2 abhängig vom Anwendungsfall sind.
Unter einer Papierkeramik im erfindungsgemäßen Sinne wird eine bei der Papierherstellung mit sinterfähigen keramischen, vorzugsweise pulverförmigen Füllstoffen angereichertes Papiergefüge verstanden, aus dem in einem Zwischenschritt ein präkeramisches Papiergefüge erzeugt wird. Vorzugsweise beträgt der Anteil des sinterfähigen keramischen Füllstoffes des präkeramischen Papiergefüges größer 80 Gew.-%, vorzugsweise zwischen 80 und 90 Gew.-%. Die Herstellung derartiger „Papierkeramiken“ ist prinzipiell bekannt.
Als keramische Füllstoffe bzw. Hauptfüllstoffe des Papiergefüges eignen sich vor allem Al₂O₃, Si₃N₄, AlN, ZrO₂, MgO, SiC und BeO oder auch Kombination wie beispielsweise ZTA, in Korngrößen von < 5µm bevorzugt < 1µm. Als weitere keramische Füllstoffe bzw. Nebenfüllstoffe werden die jeweiligen typischen Sinterhilfsmittel der Hauptfüllstoffe, und zwar beispielsweise Y₂O₃, CaO, MgO, SiO₂ etc. in das Papiergefüge mit aufgenommen. Das entsprechende präkeramische Papiergefüge wird dann einem zweistufigen thermischen Umsetzungsprozess unterzogen und in erster Stufe aus dem präkeramisches Papiergefüge („Grünling“) zunächst ein „Braunling“ erzeugt, bei dem die organischen Komponenten des präkeramischen Papiergefüges, beispielsweise Zellstoff, Stärke und Latex oxidativ entfernt sind. Anschließend wird in der zweiten Stufe der „Braunling“ einem Sinterprozess zugeführt, wodurch ein keramischer Werkstoff, und zwar die Papierkeramik mit den typischen Materialeigenschaften eines Keramikmaterials entsteht, wie beispielsweise einer hohen Biege- und Isolationsfestigkeit. Die Papierkeramik ist jedoch im Vergleich zu einer herkömmlichen Keramik leichter und vor der Durchführung des thermischen Umsetzungsprozesses individuell verformbar. Auch kann das Ausgangsmaterial der Papierkeramikschicht 2, und zwar das präkeramischen Papiergefüge aufgrund der Verformbarkeit als Rollenware gelagert und weiterverarbeitet wird. Für die Anwendung im elektronischen Bereich sind beispielsweise Al₂O₃ Papierkeramiken bevorzugt.
Im Rahmen des beschriebenen Herstellungsverfahrens der Papierkeramik entsteht durch die oxidative Entfernung der organischen Komponenten im Papiergefüge eine Porenstruktur umfassend eine Vielzahl von porenförmigen Hohlräumen, wobei die Porenstruktur zumindest im Bereich der Ober- und/oder Unterseite 2a, 2b der Papierkeramikschicht 2 offen ausgebildet ist. Die porenförmigen Hohlräume weisen hierbei häufig die Form der oxidativ entfernten Zellulosefasern auf und sind über die gesamte Papierkeramikschicht 2 annähernd gleichmäßig verteilt. Bezogen auf das Gesamtvolumen der Papierkeramikschicht 2 beträgt der Anteil der offenen Porenstruktur zwischen 5 und 70 Volumen%. Dieser ist durch entsprechende Wahl der Zusammensetzung der Komponenten des präkeramischen Papiergefüges einstellbar.
Bei derartigen präkeramischen Papieren bzw. Papierkeramiken entstehen vorzugsweise längliche Poren, die sich entlang der Blattebene bzw. der x-y-Ebene einer plattenförmigen Papierkeramik erstrecken. Diese sind somit räumlich annähernd homogen verteilt. Aufgrund der genannten Porenstruktur weist die Papierkeramik entlang der x-y-Ebene ähnliche Materialeigenschaften auf, wohingegen in z-Richtung die Papierkeramik unterschiedliche Materialeigenschaften entfalten kann. Hierdurch entsteht ein gewisser Anisotropieeffekt.
Erfindungsgemäß sind die porenförmigen Hohlräume der Porenstruktur der Papierkeramikschicht 2 zumindest im Bereich der Ober- und/oder Unterseite 2a, 2b unter Verwendung eines Infiltrationsverfahrens derart mit einem Metall oder einer Metalllegierung verfüllt bzw. infiltriert, dass sich auf der Ober- und/oder Unterseite 2a, 2b zumindest eine Metallisierungsschicht 3, 4 mit einer Schichtdicke d2, d3 zwischen 0,1 bis 10 µm ausbildet. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist auf der Oberseite 2a eine erste Metallisierungsschicht 3 mit einer zweiten Schichtdicke d2 und auf der Unterseite 2b eine zweite Metallisierungsschicht 4 mit einer dritten Schichtdicke d3 vorgesehen. Vorzugsweise stimmen die zweite und dritte Schichtdicke d2, d3 zumindest näherungsweise überein.
In den 1 bis 5 ist zur Erläuterung des Erfindungsgegenstandes ein kartesisches Koordinatensystem eingezeichnet, welches eine x-Achse, y-Achse sowie eine z-Achse umfasst. Das Substrat 1 erstreckt sich in einer parallel zur x-y-Ebene verlaufenden Ebene, und zwar derart, dass entlang der z- Achse die erste Metallisierungsschicht 3, die Papierkeramikschicht 2 und die zweite Metallisierungsschicht 4 aneinander anschließen.
Erfindungsgemäß werden die Ober- und/oder Unterseite 2a, 2b der Papierkeramikschicht 2 mit einem flüssigen Metall oder einer flüssigen Metalllegierung in einer vorzugsweise nicht-oxidierende Atmosphäre beaufschlagt und hierdurch zumindest die im Bereich der Ober- und/oder Unterseite 2a, 2b befindlichen porenförmigen Hohlräume bzw. Poren der vorgegebenen Porenstruktur mit dem flüssigen Metall oder der flüssigen Metalllegierung verfüllt, d.h. die Porenstruktur wird zu einem vorgegebenen Grad mit flüssigen Metall oder einer flüssigen Metalllegierung infiltriert, und zwar derart, dass sich zumindest an der infiltrierten Ober- und/oder Unterseite 2a, 2b die Metallisierungsschicht 3, 4 mit einer Schichtdicke d2, d3 zwischen 0,1 bis 10 µm ausbildet.
Diese Metallisierungsschichten 3, 4 dienen insbesondere der Anbindung weitere Metallisierungsschichten und/oder weiterer Papierkeramikschichten und/oder eines oder mehrerer weiterer Substrate. Der Infiltrationsprozess wird in einem Temperaturbereich T durchgeführt, der eine Verarbeitung des jeweiligen Metalls bzw. der jeweiligen Metalllegierung ermöglicht, d.h. zumindest im Bereich des Schmelzpunktes des jeweils verwendeten Metalls bzw. der jeweils verwendeten Metalllegierung. Beispielsweise können als Infiltrationsverfahren die drucklose Infiltration bzw. Spontan-Infiltration oder Druck-Infiltration oder Vakuum-Infiltration Anwendung finden.
2 zeigt in einer schematischen Darstellung beispielsweise das Infiltrationsverfahren in einer mittels einer strichliert gezeichneten Linie angedeuteten Atmosphäre mit einem Temperaturbereich T. Die Infiltration erfolgt hierbei im Bereich der Oberseite 2a in z- Richtung sowie im Bereich der Unterseite 2b entgegen der z-Richtung.
Zur Infiltration eignen sich prinzipiell sämtliche Metalle oder Metalllegierungen, wobei besonders bevorzugt Kupfer oder Kupferlegierungen oder Aluminium oder Aluminiumlegierungen für Anwendungen im Bereich der Leistungselektronik Verwendung finden. Letztgenannte Metalle bzw. Legierungen weisen vorteilhaft einen niedrigen Schmelzpunkt auf, so dass zur Durchführung des Infiltrationsverfahrens bzw. Bereitstellung des erforderlichen Temperaturbereiches T kostengünstige Öfen mit einer Heiztemperatur von bis zu 1300 °C Verwendung finden können.
Durch die Einstellung der Porenstruktur und/oder den Grad der Porosität der Papierkeramikschicht 2 und/oder den Grad der Infiltration der Porenstruktur und/oder das verwendete Metall oder Metalllegierung können die thermischen und/oder elektrischen Eigenschaften des Substrates 1 individuell eingestellt und damit an den jeweiligen Einsatzzweck des Substrates 1 angepasst werden. Neben den thermischen und/oder elektrischen Eigenschaften des Substrates 1 sind auch deren mechanische Eigenschaften einstellbar, d.h. an den jeweiligen Verwendungs- oder Einsatzzweck des Substrates 1 anpassbar.
Insbesondere kann die Papierkeramikschicht 2 mit speziellen Lotmaterialien oder Lotlegierungen infiltriert werden, um im Nachgang dazu eine optimale Anbindung des Substrates 1 über die erzeugten Metallisierungsschichten 3, 4 mittels auf die infiltrierten Lotmaterialien oder Lotlegierungen abgestimmten Verbindungs- und/oder Bondingtechnologien zu gewährleisten.
Bei einer aus Al₂O₃ hergestellten Papierkeramikschicht 2 ist zur Verwendung der drucklosen Infiltration bzw. Spontaninfiltration aufgrund der geringen Benetzbarkeit der Ober- und/oder Unterseite 2.1, 2.2 der Papierkeramikschicht 2 die Zugabe von Sauerstoff erforderlich, und zwar beispielsweise bei einer gewünschten Infiltration mit Kupfer in der Form von Kupferoxid oder einer Kupferoxidlegierung. Bei dieser Ausführungsvariante können über die Menge des zugegebenen Sauerstoff zusätzlich noch die thermischen und/oder elektrischen Eigenschaften des Substrates 1 eingestellt werden.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel gemäß 1 erstrecken sich die erste und zweite Metallisierungsschichten 3, 4 flächig über die Ober- und Unterseite 2a, 2b der Papierkeramikschicht 2. In einer bevorzugten Ausführungsvariante ist die Papierkeramikschicht 2 aus Al₂O₃ hergestellt. Unter Verwendung der drucklosen Infiltration bzw. Spontaninfiltration wurden sowohl die erste und zweite Metallisierungsschichten 3, 4 erzeugt sowie dabei zumindest ein Drittel der Porenstruktur beispielsweise mit einer Kupferoxidlegierung verfüllt, und zwar der an die Ober und/oder Unterseite 2a, 2b anschließende Bereich der Porenstruktur. Alternativ kann auch eine vollständige Infiltration der Papierkeramikschicht 2 und damit ein vollständiges Verfüllen der Porenstruktur mit dem flüssigen Metall bzw. der flüssigen Metalllegierung erfolgen, so dass sich eine elektrische Leitfähigkeit des Substrates 1 entlang der z-Achse bzw. in z- Richtung und somit von der ersten zur zweiten Metallisierungsschicht 3, 4 einstellt.
Auch das erfindungsgemäße Substrat 1 anstelle einer Papierkeramikschicht 2 auch zwei oder mehrere, miteinander verbundene Papierkeramikschichten 2 aufweisen, die einen Papierkeramikverbundschicht mit einer größeren Breite bzw. Erstreckung entlang der z-Achse bilden. Diese mehrere Papierkeramikschichten 2 umfassende Papierkeramikverbundschicht ist erfindungsgemäß an deren Ober- und/oder Unterseite unter Verwendung eines geeigneten Verfahrens mit einem Metall oder einer Metalllegierung infiltriert. Die Verbindung der einzelnen Papierkeramikschichten 2 zu einer Papierkeramikverbundschicht kann beispielsweise mittels geeigneter Klebeverfahren oder Sinterverfahren erfolgen. Auch hier ist wiederum eine teilweise oder vollständige Infiltration der Papierkeramikverbundschicht mit Metall oder einer Metalllegierung vorgesehen, wobei erfindungsgemäß wiederum an der Ober- und Unterseite der Papierkeramikverbundschicht jeweils eine Metallisierungsschicht 3, 4 vorgesehen ist. Die Papierkeramikverbundschicht kann auch als Kompositschicht ausgebildet sein, d.h. mehrere unterschiedliche Papierkeramikschichten bzw. Papierkeramikschichten mit unterschiedlichen Eigenschaften umfassen. Beispielsweise könnten die einzelnen Papierkeramikschichten eine unterschiedliche Porenstruktur aufweisen und/oder aus unterschiedlichen Keramikmaterialien hergestellt sein.
Nach der Infiltration der Papierkeramikschicht 2 kann die Schichtdicke d2, d3 der erzeugten Metallisierungsschichten 3, 4 durch den Einsatz von weiterer Metallisierungsverfahren wie beispielsweise galvanische Abscheidung oder Sputtern noch erhöht werden.
Die erfindungsgemäß erzeugten Metallisierungsschicht 3, 4 weisen näherungsweise eine der Oberflächenrauhigkeit der Ober- und/oder Unterseite der 2a, 2b der Papierkeramikschicht 2 entsprechende Oberflächenrauhigkeit auf. Besonders vorteilhaft ist hierdurch die Oberfläche entsprechend vergrößert, was zu einer Erhöhung der Haft- bzw. Verbindungsstärke beim Einsatz von Verbindungstechnologien mit einer die Oberflächenrauhigkeit deutlich überschreitenden Verbindungsschichten führt. Alternativ kann durch entsprechende mechanische Bearbeitung der Metallisierungsschicht 3, 4 u.a. die Oberflächenrauhigkeit und damit auch die Ebenheit sowie die Gesamtschichtdicke des Substrates 1 anwendungsspezifisch eingestellt werden.
Vorzugsweise findet das in 1 dargestellte Substrat 1 als so genannter „Spacer“ bzw. Abstandhalter 5 zwischen zwei weiteren Substraten 6, 7 Verwendung, wobei zumindest eines der weiteren Substrate 6, 7 mit einem elektronischen Bauteil 8 bestückt ist. Das elektronische Bauteil 8 kann beispielsweise durch ein Halbleiterbauelement für die Leistungselektronik wie beispielsweise einem Transistorverstärker, einem Bipolartransistor oder einem Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode gebildet sein. Auch kann über das erfindungsgemäße Substrat 1 eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den beiden Substraten 6, 7 hergestellt werden.
3 zeigt beispielhaft ein Leistungsmodul umfassend ein erfindungsgemäßes Substrat 1, welches einen Abstandhalter 5 zwischen einem ersten und einem zweiten Substrat 6, 7, insbesondere im vorliegenden Ausführungsbeispiel zwischen dem elektronischen Bauteil 8 und dem ersten Substrat 6, bildet.
Das erste und zweite Substrat 6, 7 sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel durch ein Metall-Keramik-Substrat gebildet, die beispielsweise jeweils entlang einer parallel zur x-y-Ebene verlaufenden Ebene angeordnet sind. Hierbei weist das erste Substrat 6 eine erste Keramikschicht 9 und eine auf dessen Oberseite 9a vorgesehene erste Metallisierung 10 sowie eine auf dessen Unterseite 9b vorgesehen zweite Metallisierung 11 auf. Das zweite Substrat 7 umfasst eine zweite Keramikschicht 12 und eine auf dessen Oberseite 12a vorgesehene erste Metallisierung 13 sowie eine auf dessen Unterseite 12b vorgesehen zweite Metallisierung 14. Die erste Metallisierung 13 des zweiten Substrates 7 ist in mehrere Metallisierungsabschnitte 13a, 13b strukturiert, die Anschluss- und/oder Kontaktflächen ausbilden.
Das elektronische Bauteil 8 ist mit der Unterseite auf einer der Metallisierungsflächen 13b des zweiten Substrates 7 montiert und die Oberseite des elektronischen Bauteils 8 beispielsweise über eine Lotverbindung 15 mit der zweiten Metallisierungsschicht 4 des erfindungsgemäßen Substrats 1 verbunden. Ferner ist die erste Metallisierungsschicht 3 über eine weitere Lotverbindung 16 mit der zweiten Metallisierung 11 des ersten Substrates 6 verbunden. Das erfindungsgemäße Substrat 1 bildet hier einen ausdehnungsangepassten Abstandhalter zwischen den beiden Substraten 6, 7 aus. Es versteht sich, dass anstelle der Lotverbindungen 16, 17 auch alternative Bondingtechnologien Anwendung finden, die eine wärmeleitende Verbindung zwischen dem elektrischen Bauteil 8 und dem Abstandhalter 5 gewährleisten.
Das erste und zweite Substrat 6, 7 kann beispielsweise durch ein Direct-Copper-Bonding-Substrat, ein Active-Metal-Bonding-Substrat, ein Direct-Aluminium-Bonding-Substrat, ein Direct-Plated-Copper-Substrat und/oder ein oder mehrere, ggf. aus unterschiedlichen Metallen und/oder Metalllegierungen gebildeten Metallschichten umfassendes Substrat gebildet sein.
In einer alternativen Ausführungsvariante sind zumindest zwei erfindungsgemäße Substrate 1 gemäß 1 zu einem Modul verbunden, und zwar direkt oder indirekt über deren jeweilige Metallisierungsschichten 3, 4. Beispielsweise können die Metallisierungsschichten 3, 4 durch Löten oder Kleben miteinander verbunden sein. In einer weiteren Ausführungsvariante weisen die miteinander zu einem Modul miteinander verbundenen Substrate 1 einen unterschiedlichen Infiltrierungsgrad auf, d.h. die Substrate 1 weisen unterschiedliche thermische und/oder elektrische Eigenschaften auf.
In einer weiteren Ausführungsvariante gemäß 4 weist das erfindungsgemäße Substrat 1 zumindest ein mit einer Metallisierungsschicht 3, 4 verbundene weitere Papierkeramikschicht 2.1, 2.2 auf, welche vorzugsweise nicht mit Metall oder einer Metalllegierung infiltriert und damit unbehandelt ist.
In 4 ist beispielsweise eine Substratanordnung umfassend ein erfindungsgemäßes Substrat 1 und einer ersten und zweiten Papierkeramikschicht 2.1, 2.2 dargestellt. Die erste Papierkeramikschicht 2.1 ist beispielsweise über eine erste Klebestoffschicht 17 mit der ersten Metallisierungsschicht 3 und die zweite Papierkeramikschicht 2.2 beispielsweise über eine zweite Klebestoffschicht 18 mit der zweiten Metallisierungsschicht 4 direkt verbunden.
Beispielsweise wird die zumindest eine Klebstoffschicht 17, 18 durch Auftragen zumindest eines Klebstoffes auf die jeweilige Metallisierungsschicht 3, 4 und/oder auf die Ober - bzw. Unterseite 2.1a, 2.2a der jeweiligen Papierkeramikschicht 2.1, 2.2 derart erzeugt, dass mittels des aufgetragenen Klebstoffes die porenförmigen Hohlräume der Porenstruktur der Papierkeramikschichten 2.1, 2.2 zumindest an deren Oberfläche, d.h. im Bereich der Ober- bzw. Unterseite 2.1a, 2.2a der Papierkeramikschicht 3, 4 zumindest teilweise verfüllt sind. Damit werden zumindest die oberflächenseitig geöffneten porenförmigen Hohlräume der Papierkeramikschichten 3, 4 im Verbindungsbereich mittels des Klebstoffes verschlossen.
In einer Ausführungsvariante wird der Klebstoff darüber hinaus zumindest teilweise in an die Ober- bzw. Unterseite 2.1a, 2.2a der Papierkeramikschicht 2.1, 2.2 anschließenden bzw. in dessen Bereich angeordneten porenförmigen Hohlräumen und ggf. ebenfalls vorhandenen Rissen der Papierkeramikschicht 2.1, 2.2 im Rahmen der Herstellung der Klebeverbindung zwischen der Metallisierungsschicht 3, 4 und der Papierkeramikschicht 2.1, 2.2 eingebracht, d.h. der Klebstoff dringt in die porenförmigen Hohlräume ein und verschließt diese vollständig in dem sich an die Ober- bzw. Unterseite 2.1a, 2.2a der Papierkeramikschicht 2.1, 2.2 anschließenden Abschnitt der Papierkeramikschicht 2.1, 2.2. Vorteilhaft wird hierdurch die bestehende Porosität bzw. Porenstruktur der Papierkeramikschicht 2.1, 2.2 auf unter 10% reduziert und damit dessen Isolationsfestigkeit deutlich verbessert. Zur weiteren Verbesserung der Isolationsfestigkeit können beispielsweise mehr als ein Drittel der porenförmigen Hohlräume in den Papierkeramikschichten 2.1, 2.2 zumindest teilweise mit dem Klebstoff verfüllt werden. Die erste und zweite Papierkeramikschicht 2.1, 2.2 weisen hierbei beispielsweise eine vierte und fünfte Schichtdicke zwischen 0,2 und 0,8 mm auf.
In einer weiteren Ausführungsvariante gemäß 5 sind mehrere Papierkeramikschichten 2.1, 2.3, 2.4 bzw. 2.2, 2.5, 2.6 zu einer Papierkeramikverbundschicht 20, 20' verbunden, welche sich jeweils an die Metallisierungsschicht 3, 4 des Substrates 1 anschließen und mit dieser vorzugsweise mittels der ersten bzw. zweiten Klebestoffschicht 17, 18 daran angebunden sind.
Die Verbindung der Papierkeramikschichten 2.1, 2.3, 2.4 bzw. 2.2, 2.5, 2.6 zur Bildung Papierkeramikverbundschicht 19, 20 erfolgt beispielsweise mittels Kleben oder Sintern. Besonders vorteilhaft können hierdurch beispielsweise Abstandhalter mit größerer Breite erzeugt werden, d.h. deren Erstreckung entlang der z-Achse merklich vergrößert werden. Durch eine entsprechende Wahl der Anzahl der Papierkeramikschichten 2.1, 2.3, 2.4 bzw. 2.2, 2.5, 2.6 der beiden Papierkeramikverbundschicht 19, 20 ist eine individuelle Anpassung an die innerhalt eines Leistungsmoduls geforderten Abstandsverhältnisse möglich.
Der Klebstoffauftrag kann unter Verwendung von bekannten Verfahren erfolgen, wobei insbesondere auch eine Vorhärtung des aufgetragenen Klebers, insbesondere eine Temperaturbehandlung dessen erfolgen kann, um ggf. im Klebstoff enthalten flüchtige Bestandteile wie beispielsweise Lösemittel oder Reaktionsprodukte zu entfernen.
In einer vorteilhaften Ausführungsvariante werden die weiteren Papierkeramikschichten 2.1, 2.3, 2.4 bzw. 2.2, 2.5, 2.6 bzw. die daraus hergestellten Papierkeramikverbundschicht 19, 20 vor der Verbindung miteinander und/oder vor der Anbindung an das erfindungsgemäße Substrat 1 mechanisch bearbeitet, um die jeweils geforderte Ebenheit und/oder vorgegebene Dickentoleranzen einzustellen.
Die mit dem jeweiligen Klebstoffauftrag versehenen Papierkeramikschichten 2, 2.1, 2.3, 2.4 bzw. 2.2, 2.5, 2.6 werden beispielsweise unter Verwendung eines Laminationsprozess gefügt, und zwar unter einem vorgegebenen Druck und/oder Temperatur. Der Druck ist hierbei derart bemessen, dass eine flächenmäßig homogene und blasenfreie Anbindung der Papierkeramikschichten 2, 2.1, 2.3, 2.4 bzw. 2.2, 2.5, 2.6 gewährleistet ist. Vorzugsweise wird hierbei die Durchbiegung des Substrats 1 auf ein Minimum reduziert. Beispielsweise können Rollen- und/oder Flachlaminatoren beim Laminationsprozess zum Einsatz kommen.
Als Klebstoffe zur Erzeugung der Klebstoffschicht können unterschiedliche Klebstoffe Verwendung finden, die nach dem Aushärten eine Temperaturstabilität von mindestens 100°C aufweisen. Beispielsweise können chemisch und/oder physikalisch aushärtbare Klebstoffe aus der Gruppe der Polyurethane, Epoxidharze, Polyimide und Methylmetacrylat verwendet werden, die als ein oder zwei Komponentenkleber aufgetragen werden und unter Temperaturerhöhung und/oder Druckerhöhung aushärten. Die entsprechend ausgehärteten zwischen den Papierkeramikschichten 2, 2.1, 2.3, 2.4 bzw. 2.2, 2.5, 2.6 weisen dann vorzugsweise eine Temperaturstabilität von 100°C bis 350 °C auf.
Ferner können zur Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit der Klebstoffschicht dem jeweils verwendeten Klebstoff feindisperse Partikel, die zwar elektrisch nichtleitend ausgebildet sind, jedoch eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweisen, und zwar beispielsweise Si₃N₄, ALN oder AL₂O₃, beigemischt werden. Bevorzugt finden jedoch Kleber bzw. Klebstoffe niedriger Viskosität Anwendung, und zwar vorzugsweise kleiner 30 Pas, um die poröse Ober- und Unterseite der Papierkeramikschichten 2.1, 2.3, 2.4 bzw. 2.2, 2.5, 2.6 zu verfüllen und damit deren Isolationsfestigkeit zu erhöhen. Auch können zur Herstellung der Klebstoffschichten 17, 18 unterschiedliche Klebstoffe verwendet werden, welche beispielsweise ein unterschiedliche Viskosität aufweisen. So sollten vorzugsweise die zum Verfüllen der porenförmigen Hohlräume und Herstellen der Klebeverbindung vorgesehenen Klebstoffe, die direkt auf die Ober- und/oder Unterseite der Papierkeramikschichten 2.1, 2.3, 2.4 bzw. 2.2, 2.5, 2.6 aufgetragen werden, eine niedrige Viskosität aufweisen, um ein einfaches Eindringen in die porenförmigen Hohlräume zu gewährleisten.
Zur Infiltration der Papierkeramikschicht 2 können unterschiedlichste Metalle und Metalllegierungen Verwendung finden, beispielsweise aus Kupfer, Aluminium, Gold, Silber, Zinn, Zink, Molybdän, Wolfram, Chrom, Titan oder deren Legierungen, beispielsweise eine mit Sauerstoff angereicherte Kupferlegierung. Auch ist die Verwendung von pulvermetallurgischen Mischungen aus verschiedenen Metallen möglich. Schließlich kann die Infiltration einer mehrere Papierkeramikschichten 2 umfassenden Papierkeramikverbundschicht gleichzeitig mit der Bildung dessen in einem Prozessschritt erfolgen, und durch Aufbringen von pulvermetallurgischen Mischungen aus verschiedenen Metallen auf der Ober- und/oder Unterseite der miteinander zu verbindenden Papierkeramikschichten 2.
Auch können zusätzliche Metallschichten Verwendung finden, die aus den vorgenannten Metallen oder Metalllegierungen hergestellt sind. Diese können beispielsweise auch an sich bekannten Widerstandslegierungsmaterialien hergestellt sein, die unter den Produktbezeichnungen Manganin, Ceranin oder Isaohm vertrieben werden.
Die erfindungsgemäßen Substrate 1 können auch als Leiterplatten für elektrische oder elektronische Schaltkreise oder Schaltungsmodule, insbesondere für elektronische Leistungsschaltungen dienen. Hierzu können zusätzliche Metallschichten vorgesehen werden, welche in an sich bekannter Weise mittels Maskierungs- und Ätztechnologien in mehrere Metallisierungsabschnitte strukturiert sind und somit beispielsweise Leiterbahnen, Kontakt- und/oder Anschlussflächen ausbilden. Vorzugsweise erfolgt die Strukturierung derartiger Metallschichten nach der Herstellung des erfindungsgemäßen Substrates 1. Diese Art des Strukturierens zählt zu den subtraktiven Verfahren beim dem in einem nasschemischen Prozess ein Teil der Metallisierung entfernt oder geschwächt wird. Demgegenüber können für o.g. Substrate 1 auch additive Verfahren wie beispielsweise eine galvanische Abscheidung zum Einsatz kommen um lokal oder ganzflächig die Schichtdicke einer zusätzlichen Metallschicht zu erhöhen. Dies kann z.B. auch durch Auflöten von Formteilen an definierten Stellen des strukturierten Substrats erfolgen.
Auch ist eine Herstellung der erfindungsgemäßen Substrate 1 in Form von Mehrfachsubstraten möglich, welche nach erfolgter Fertigung zu den gewünschten Substraten 1 vereinzelt werden. Die Vereinzelung erfolgt bei den erfindungsgemäßen Substraten 1 beispielsweise mittels mechanischer Bearbeitungsvorgänge wie beispielsweise Sägen, Schneiden oder Stanzen oder unter Verwendung einer Lasereinheit oder einer Wasserstrahlschneide.
Demnach erstreckt sich die unstrukturierte Metallschicht 7 unterschiedlich zum Stand der Technik vorzugsweise auch bis zum Rand der Schnittkante des jeweiligen Substrates 1.
Auch können durch Verwendung einer entsprechenden Prozesstemperatur von 120°C bis zu 160°C bestehende Risse und/oder porenförmige Hohlräume in den Papierkeramikschichten 2.1 bis 2.6 aufgeweitet werden und diese dann einfacher mit dem Klebstoff verfüllt werden. Die Temperaturerhöhung kann hierbei stufenartig oder kontinuierlich über einen vorgegebenen Zeitraum erfolgen. Vorteilhaft erfolgt bei einer stufenartigen Temperaturerhöhung ein Ausdampfen von im Kleber eventuell enthaltener Lösemittel bzw. Verdünner. Zur Verbesserung der Leitfähigkeit der verwendeten Klebstoffe können dieser in einer Ausführungsvariante der Erfindung auch mit Nanofasern angereicht sein.
In einer weiteren Ausführungsvariante weist die jeweilige Klebstoffschicht 17, 18 zumindest zwei unterschiedliche Klebstoffe auf, die vorzugsweise schichtartig hintereinander aufgetragen werden. Beispielsweise können Klebstoffe unterschiedlicher Viskosität Verwendung finden, wobei der eine Klebstoff mit geringerer Viskosität zum Verfüllen der porenförmigen Hohlräume in der Papierkeramikschicht 2.1, 2.2 und der weitere Klebstoff mit höher Viskosität zur Herstellung der Klebeverbindung des Schichtenverbundes vorgesehen wird.
Es versteht sich, dass mittels des beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens auch die Herstellung von Substraten 1 mit unterschiedlichsten Schichtaufbauten und insbesondere der Aufbau von Modulen umfassend mehrere erfindungsgemäßer Substrate 1 möglich ist.
Zur Einstellung der Porosität der Papierkeramikschichten 2, 2-.1 bis 2.6 vor der Herstellung des erfindungsgemäßen Substrates 1 können Vorbehandlungen durchgeführt werden, und zwar kann dies noch im Papierzustand und/oder auch an der bereits erzeugten Keramik erfolgen. Im Papierzustand kann ein dem Papierherstellungsprozess nachgeschaltetes Pressen, beispielsweise mittels Kalandrieren oder eine Beschichtung des Papier zu einer Verringerung der porenförmigen Hohlräume beitragen.
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: Substrat
2: Papierkeramikschicht
2a: Oberseite
2b: Unterseite
2.1 - 2.6: weitere Papierkeramikschichten
2.1a, 2.2a: Oberseiten
3: erste Metallisierungsschicht
4: zweite Metallisierungsschicht
5: Abstandhalter bzw. Spacer
6: erstes Substrat
7: zweites Substrat
8: elektronisches Bauteil
9: erste Keramikschicht
9a: Oberseite
9b: Unterseite
10: erste Metallisierung
11: zweite Metallisierung
12: zweite Keramikschicht
12a: Oberseite
12b: Unterseite
13: erste Metallisierung
13a, 13b: Metallisierungsabschnitte
14: zweite Metallisierung
15: Lotschicht
16: Lotschicht
17: erste Klebstoffschicht
18: zweite Klebstoffschicht
19: Papierkeramikverbundschicht
20: Papierkeramikverbundschicht
d1: erste Schichtdicke
d2: zweite Schichtdicke
d3: dritte Schichtdicke
d4: vierte Schichtdicke
d5: fünfte Schichtdicke
T: Temperaturbereich
x: x-Achse
y: y-Achse
z: z-Achse

Claims

Modul mit - einem Substrat (1) für elektrische Schaltkreise, wobei das Substrat eine Papierkeramikschicht (2) mit einer Ober- und Unterseite (2a, 2b) aufweist, die eine aus einer Vielzahl von porenförmigen Hohlräumen bestehende Porenstruktur aufweist, und - zwei weiteren Substraten (6, 7), wobei über das Substrat (1) als Abstandhalter (5) eine Verbindung zwischen den zwei weiteren Substraten (6, 7) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die porenförmigen Hohlräume der Porenstruktur zumindest im Bereich der Ober- und/oder Unterseite (2a, 2b) der Papierkeramikschicht (2) unter Verwendung eines Infiltrationsverfahrens derart mit einem Metall oder einer Metalllegierung verfüllt sind, dass sich auf der Ober- und/oder Unterseite (2a, 2b) eine Metallisierungsschicht (3, 4) mit einer Schichtdicke (d2, d3) zwischen 0,1 bis 10 µm ausbildet und dass die Papierkeramikschicht (11) eine Schichtdicke (d3) zwischen 0,5 und 2 mm aufweist.
Modul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallisierungsschicht (3, 4) eine Anschlussschicht zur Herstellung einer wärmeleitfähigen und/oder elektrisch leitfähigen, stoffschlüssigen Verbindung mit einer weiteren Metallisierungsschicht und/oder einer weiteren Papierkeramikschicht und/oder einem weiteren Substrat ausbildet.
Modul nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Volumenanteil der Porenstruktur am Gesamtvolumens der Papierkeramikschicht (2) zwischen 5 und 70 Volumen% aufweist.
Modul nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Papierkeramikschicht (2) aus einem mit einem sinterfähigen keramischen Füllstoffen angereicherten Papiergefüge mittels thermischer Umsetzung hergestellt ist, wobei der Anteil der sinterfähigen keramischen Füllstoffe des angereicherten Papiergefüges größer 80 Gew.-%, vorzugsweise zwischen 80 und 90 Gew.-% beträgt.
Modul nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als keramische Füllstoffe des Papiergefüges Al₂O₃, Si₃N₄, AlN, ZrO₂, MgO, SiC, BeO oder eine Kombination dessen sowie zugehörige typische Sinterhilfsmittel, beispielsweise Y₂O₃, CaO, MgO, SiO₂ vorgesehen sind.
Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Porenstruktur der Papierkeramikschicht (2) vollständig oder nur teilweise mit Metall oder der Metalllegierung infiltriert ist.
Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberseite (2a) der infiltrierten Papierkeramikschicht (2) eine erste Metallisierungsschicht (3) und die Unterseite (2b) der infiltrierten Papierkeramikschicht (2) eine zweite Metallisierungsschicht (4) aufweist.
Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Papierkeramikschicht (2) durch eine Papierkeramikverbundschicht gebildet ist.
Modul nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine weitere Papierkeramikschicht (2.1 - 2.6) über eine Klebstoffschicht (17, 18) mit zumindest einer Metallisierungsschicht (3, 4) der Papierkeramikschicht (2) verbunden ist.
Modul nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die porenförmigen Hohlräume der weiteren Papierkeramikschicht (2.1 - 2.6) zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig mit Klebstoff verfüllt sind.
Modul nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Substrate (6, 7) als Metall-Keramik-Substrate ausgebildet sind und die zumindest eine Metallisierungsschicht (3, 4) der Papierkeramikschicht (2) mit zumindest einer Metallisierung (10, 11, 13, 14) der Metall-Keramik-Substrate verbunden ist.
Modul nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Metall-Keramik-Substrat (6) mit einer ersten Keramikschicht (9) und einer ersten und zweiten Metallisierung (10, 11) und eine zweite Metall-Keramik-Substrat (7) mit einer zweiten Keramikschicht (12) und einer ersten und zweiten Metallisierung (13, 14) vorgesehen ist, dass die erste Metallisierung (13) zumindest des zweiten Metall-Keramik-Substrates (7) zur Ausbildung von Anschluss- und Kontaktflächen in mehrere Metallisierungsabschnitte (13a ,13b) strukturiert ist, dass ein elektronisches Bauteil (8) mit einem Metallisierungsabschnitt (13b) des zweiten Metall-Keramik-Substrat (7) über das einen Abstandhalter (5) bildenden Substrates (1) mit der zweiten Metallisierung (11) des ersten Metall-Keramik-Substrates (7) verbunden ist.
Verfahren zur Herstellung eines Modul mit - einem Substrat (1) für elektrische Schaltkreise, wobei das Substrat eine Papierkeramikschicht (2) mit einer Ober- und Unterseite (2a, 2b), die aus einer Vielzahl von porenförmigen Hohlräumen bestehende Porenstruktur aufweist, aufweist, und - zwei weiteren Substraten (6, 7), wobei über das Substrat (1) als Abstandhalter (5) eine Verbindung zwischen den zwei weiteren Substraten (6, 7) ausgebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die porenförmigen Hohlräume der Porenstruktur zumindest im Bereich der Ober- und/oder Unterseite (2a, 2b) der Papierkeramikschicht (2) unter Verwendung eines Infiltrationsverfahrens derart mit einem flüssigen Metall oder einer flüssigen Metalllegierung verfüllt werden, dass sich auf der Ober- und/oder Unterseite (2a, 2b) eine Metallisierungsschicht (3, 4) mit einer Schichtdicke (d2, d3) zwischen 0,1 bis 10 µm ausbildet und dass die Papierkeramikschicht (11) eine Schichtdicke (d3) zwischen 0,5 und 2 mm aufweist.
Modul nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Papierkeramikschicht (2) aus einem mit einem sinterfähigen keramischen Füllstoffen angereicherten Papiergefüge mittels thermischer Umsetzung hergestellt wird, wobei der Anteil der sinterfähigen keramischen Füllstoffe des angereicherten Papiergefüges größer 80 Gew.-%, vorzugsweise zwischen 80 und 90 Gew.-% beträgt.
Verfahren nach Anspruch 13 und 14, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Herstellung der Papierkeramikschicht (2) der Volumenanteil der Porenstruktur am Gesamtvolumens der Papierkeramikschicht (2) derart eingestellt wird, dass dieser zwischen 5 und 70 Volumen% beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitfähigkeit und/oder der elektrische Flächenwiderstand und/oder die elektrische Leitfähigkeit und/oder der mechanische Ausdehnungskoeffizient der infiltrierten Papierkeramikschicht über den Grad der Infiltration der Porenstruktur eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitfähigkeit und/oder der elektrische Flächenwiderstand und/oder die elektrische Leitfähigkeit und/oder der mechanische Ausdehnungskoeffizient der infiltrierten Papierkeramikschicht über den Volumenanteil der Porenstruktur am Gesamtvolumen der Papierkeramikschicht (2) eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Porenstruktur der Papierkeramikschicht (2) vollständig oder nur teilweise mit Metall oder der Metalllegierung infiltriert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Papierkeramikschicht (2) mittels Druckloser-Infiltration, Druck-Infiltration oder Vakuum-Infiltration mit dem Metall oder der Metalllegierung infiltriert wird.