DE102019110106A1 - Method for producing a composite ceramic and composite ceramic produced using such a method - Google Patents

Method for producing a composite ceramic and composite ceramic produced using such a method Download PDF

Info

Publication number
DE102019110106A1
DE102019110106A1 DE102019110106.9A DE102019110106A DE102019110106A1 DE 102019110106 A1 DE102019110106 A1 DE 102019110106A1 DE 102019110106 A DE102019110106 A DE 102019110106A DE 102019110106 A1 DE102019110106 A1 DE 102019110106A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
layer
ceramic
composite ceramic
ceramic material
composite
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE102019110106.9A
Other languages
German (de)
Inventor
Karsten Schmidt
Yang Zhong
Lei Liu
Xinhe Tang
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Rogers Germany GmbH
Original Assignee
Rogers Germany GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Rogers Germany GmbH filed Critical Rogers Germany GmbH
Priority to DE102019110106.9A priority Critical patent/DE102019110106A1/en
Priority to PCT/EP2020/060613 priority patent/WO2020212438A1/en
Priority to EP20719992.8A priority patent/EP3956275A1/en
Publication of DE102019110106A1 publication Critical patent/DE102019110106A1/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/64Burning or sintering processes
    • C04B35/645Pressure sintering
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32LAYERED PRODUCTS
    • B32BLAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B18/00Layered products essentially comprising ceramics, e.g. refractory products
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/64Burning or sintering processes
    • C04B35/645Pressure sintering
    • C04B35/6455Hot isostatic pressing
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B37/00Joining burned ceramic articles with other burned ceramic articles or other articles by heating
    • C04B37/02Joining burned ceramic articles with other burned ceramic articles or other articles by heating with metallic articles
    • C04B37/021Joining burned ceramic articles with other burned ceramic articles or other articles by heating with metallic articles in a direct manner, e.g. direct copper bonding [DCB]
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B41/00After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone
    • C04B41/009After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone characterised by the material treated
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B41/00After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone
    • C04B41/45Coating or impregnating, e.g. injection in masonry, partial coating of green or fired ceramics, organic coating compositions for adhering together two concrete elements
    • C04B41/52Multiple coating or impregnating multiple coating or impregnating with the same composition or with compositions only differing in the concentration of the constituents, is classified as single coating or impregnation
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B41/00After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone
    • C04B41/80After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone of only ceramics
    • C04B41/81Coating or impregnation
    • C04B41/89Coating or impregnation for obtaining at least two superposed coatings having different compositions
    • C04B41/90Coating or impregnation for obtaining at least two superposed coatings having different compositions at least one coating being a metal
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/36Selection of materials, or shaping, to facilitate cooling or heating, e.g. heatsinks
    • H01L23/373Cooling facilitated by selection of materials for the device or materials for thermal expansion adaptation, e.g. carbon
    • H01L23/3735Laminates or multilayers, e.g. direct bond copper ceramic substrates
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2111/00Mortars, concrete or artificial stone or mixtures to prepare them, characterised by specific function, property or use
    • C04B2111/00474Uses not provided for elsewhere in C04B2111/00
    • C04B2111/00844Uses not provided for elsewhere in C04B2111/00 for electronic applications
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/02Aspects relating to interlayers, e.g. used to join ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/04Ceramic interlayers
    • C04B2237/08Non-oxidic interlayers
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/30Composition of layers of ceramic laminates or of ceramic or metallic articles to be joined by heating, e.g. Si substrates
    • C04B2237/32Ceramic
    • C04B2237/36Non-oxidic
    • C04B2237/365Silicon carbide
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/30Composition of layers of ceramic laminates or of ceramic or metallic articles to be joined by heating, e.g. Si substrates
    • C04B2237/32Ceramic
    • C04B2237/36Non-oxidic
    • C04B2237/368Silicon nitride
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/50Processing aspects relating to ceramic laminates or to the joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/70Forming laminates or joined articles comprising layers of a specific, unusual thickness
    • C04B2237/704Forming laminates or joined articles comprising layers of a specific, unusual thickness of one or more of the ceramic layers or articles
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/12Mountings, e.g. non-detachable insulating substrates
    • H01L23/14Mountings, e.g. non-detachable insulating substrates characterised by the material or its electrical properties
    • H01L23/15Ceramic or glass substrates

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Laminated Bodies (AREA)
  • Ceramic Products (AREA)

Abstract

Verfahren zur Herstellung einer Verbundkeramik (10) umfassend- Bereitstellen einer ersten Schicht (31) aus einem ersten Keramikwerkstoff,- Anordnen der ersten Schicht (32) in einem Ofen (20), wobei die erste Schicht (31) im Ofen (20) zumindest teilweise von einer pulverförmigen oder pastenförmigen, zweiten Schicht (32) aus einem zweiten Keramikwerkstoff umgeben ist und- Durchführen eines Heißpressverfahrens zur Ausbildung der Verbundkeramik (10), die im gefertigten Zustand eine erste Lage (11) aus dem ersten Keramikwerkstoff und eine zweite Lage (12) aus dem zweiten Keramikwerkstoff aufweist.A method for producing a composite ceramic (10) comprising- providing a first layer (31) made of a first ceramic material, - arranging the first layer (32) in an oven (20), the first layer (31) in the oven (20) at least is partially surrounded by a powdery or pasty, second layer (32) made of a second ceramic material and - carrying out a hot pressing process to form the composite ceramic (10), which in the manufactured state has a first layer (11) made of the first ceramic material and a second layer ( 12) made of the second ceramic material.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Verbundkeramik und eine Verbundkeramik hergestellt mit einem solchen Verfahren.The present invention relates to a method for producing a composite ceramic and a composite ceramic produced using such a method.

Aus Keramik gefertigte Isolationsschichten für Leiterplatten sind aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt. Dabei sind auf der Ober - und/oder Unterseite typischerweise Metallisierungen vorgesehen, die als Leiterbahnen oder als Anschlussbereiche für elektronische Bauteile dienen. Um an der Ober- und/oder Unterseite entstehenden Wärme effektiv abzuleiten, um so Schädigungen an der Leiterplatte zu vermeiden, ist beispielsweise die Verwendung von AIN bekannt. Trotz der für die Wärmableitung günstigen Materialeigenschaften von AIN erweist sich dessen Verwendung als Keramikwerkstoff oftmals wegen einer gegenüber anderen Keramiken reduzierten Festigkeit als nachteilhaft.Insulation layers made of ceramics for printed circuit boards are well known from the prior art. In this case, metallizations are typically provided on the upper and / or lower side, which serve as conductor tracks or as connection areas for electronic components. The use of AIN is known, for example, in order to effectively dissipate heat generated on the top and / or bottom in order to avoid damage to the circuit board. Despite the material properties of AIN which are favorable for heat dissipation, its use as a ceramic material often proves to be disadvantageous because of its reduced strength compared to other ceramics.

Daher ist es aus dem Stand der Technik, z. B. aus der US 0 640 039 A1 , bekannt, die Isolationsschicht mehrlagig auszugestalten, wobei die einzelnen Lagen jeweils aus verschiedenen Keramikwerkstoffen gefertigt sind. Eine solche Verbundkeramik gestattet es, ungewünschte Eigenschaften eines Keramikwerkstoffs, wie beispielweise eine reduzierte Festigkeit, durch entsprechend ausgeprägte Eigenschaften eines anderen Keramikwerkstoffs, zu kompensieren. Allerdings werden die Verbundkeramiken in der US 0 640 039 A1 durch ein Aktivlötverfahren hergestellt, so dass sich zwischen den einzelnen Lagen eine Lotschicht ausbildet, die wiederum Einfluss nimmt auf die Gesamteigenschaften der Verbundkeramik, insbesondere deren elektrischen Isolationseigenschaften. Grundsätzlich wird eine Höhe der elektrischen Isolationsfähigkeit eines Metall-Keramik Substrats zum einen durch die Dicke der Isolationsschicht, die die Schaltkreise gegen ein Bezugspotential isoliert und zum anderen durch eine Breite der Isolationsgräben zwischen den Leiterbahnen bestimmt. Durch ein Einbringen einer durchgängigen, elektrisch leitfähigen Lotschicht unterhalb der Leiterbahnen wird aber eine Isolationsfestigkeit der Schaltung im Vergleich zu einer keramikhaltigen Isolationsschicht ohne Lotschicht herabgesetzt. Dies trifft im besonderen Maße auf vergleichsweise dünne Deckschichten in der Verbundkeramik zu.Therefore it is known from the prior art, e.g. B. from the US 0 640 039 A1 , known to design the insulation layer in multiple layers, the individual layers being made from different ceramic materials. Such a composite ceramic allows undesired properties of a ceramic material, such as, for example, reduced strength, to be compensated for by correspondingly pronounced properties of another ceramic material. However, the composite ceramics in the US 0 640 039 A1 produced by an active soldering process, so that a solder layer is formed between the individual layers, which in turn influences the overall properties of the composite ceramic, in particular its electrical insulation properties. Basically, a level of electrical insulation capability of a metal-ceramic substrate is determined on the one hand by the thickness of the insulation layer, which insulates the circuits from a reference potential, and on the other hand by the width of the insulation trenches between the conductor tracks. By introducing a continuous, electrically conductive solder layer underneath the conductor tracks, however, the insulation strength of the circuit is reduced in comparison with an insulation layer containing ceramic without a solder layer. This applies in particular to comparatively thin cover layers in the composite ceramic.

Ausgehend von diesem Hintergrund macht es sich die vorliegende Erfindung zur Aufgabe, eine Verbundkeramik und ein Verfahren zu dessen Herstellung bereitzustellen, bei der sich die Eigenschaften möglichst optimal für die Nutzung als Leiterplatte einstellen lassen, insbesondere in Hinblick auf deren elektrischen Isolationseigenschaften.Based on this background, it is the object of the present invention to provide a composite ceramic and a method for its production in which the properties can be adjusted as optimally as possible for use as a printed circuit board, in particular with regard to their electrical insulation properties.

Die Aufgabe wird gelöst durch Verfahren nach Anspruch 1 und eine Verbundkeramik nach Anspruch 10. Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den in der nachfolgenden Beschreibung erläuterten, bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Gegenstands mit Bezug auf die beigefügten Figuren. Einzelne Merkmale der einzelnen Ausführungsformen können dabei im Rahmen der Erfindung miteinander kombiniert werdenThe object is achieved by a method according to claim 1 and a composite ceramic according to claim 10. Further advantages and features emerge from the preferred embodiments of the subject matter according to the invention explained in the following description with reference to the accompanying figures. Individual features of the individual embodiments can be combined with one another within the scope of the invention

Ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Verbundkeramik, umfassend

  • - Bereitstellen einer ersten Schicht aus einem ersten Keramikwerkstoff,
  • - Anordnen der ersten Schicht in einem Ofen, wobei die erste Schicht im Ofen zumindest teilweise von einer zweiten pulverförmigen, granulatförmigen oder pastenförmigen Schicht aus einem zweiten Keramikwerkstoff umgeben ist und
  • - Durchführen eines Heißpressverfahrens zur Ausbildung der Verbundkeramik, die im gefertigten Zustand eine erste Lage aus dem ersten Keramikwerkstoff und eine zweite Lage aus dem zweiten Keramikwerkstoff aufweist.
A first aspect of the present invention relates to a method for producing a composite ceramic comprising
  • - Providing a first layer made of a first ceramic material,
  • Arranging the first layer in an oven, the first layer in the oven being at least partially surrounded by a second powdery, granular or pasty layer made of a second ceramic material, and
  • - Carrying out a hot pressing process to form the composite ceramic which, in the manufactured state, has a first layer made of the first ceramic material and a second layer made of the second ceramic material.

Gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren, insbesondere den Verfahren, bei denen unter Verwendung eines Aktivlotverfahrens die Verbundkeramik hergestellt wird, ist es in vorteilhafter Weise durch das erfindungsgemäße Realisieren der Verbundkeramik durch ein Heißpressverfahren möglich, eine möglichst dichte und geschlossene zweite Lage in der Verbundkeramik herzustellen. Dabei dient die zweite Lage insbesondere als Deckschicht für die erste Lage und durch das vollständige und dichte Abdecken mittels dieser als zweiten Lage ausgebildeten Deckschicht lässt sich beispielsweise sicherstellen, dass die Durchschlagfestigkeit der Verbundkeramik möglichst hoch ist, wenn mit dem zweiten Keramikwerkstoff für eine entsprechende Erhöhung der Durchschlagfestigkeit in der Verbundkeramik gesorgt werden soll. Durch die Herstellung mittels des Heißpressverfahrens wird dabei eine unmittelbare, d. h. direkte, Anbindung der ersten Lage an die zweite Lage insbesondere ohne Lotschicht realisiert. Dabei ist es dem Fachmann klar, dass die Keramikwerkstoffe, d. h. der erste Keramikwerkstoff und der zweite Keramikwerkstoff, während des Herstellungsprozesses als erste bzw. zweite Schicht vorliegen und durch das Heißpressverfahren aus der ersten Schicht die erste Lage und aus der zweiten Schicht die zweite Lage wird.Compared to the methods known from the prior art, in particular the methods in which the composite ceramic is produced using an active soldering process, it is advantageously possible, by implementing the composite ceramic according to the invention by a hot pressing process, to have a second layer that is as dense and closed as possible Manufacture composite ceramics. The second layer serves in particular as a cover layer for the first layer and the complete and tight covering by means of this cover layer, which is designed as a second layer, ensures, for example, that the dielectric strength of the composite ceramic is as high as possible if the second ceramic material is used for a corresponding increase in the Dielectric strength in the composite ceramic should be provided. Production by means of the hot pressing process results in an immediate, i.e. H. direct connection of the first layer to the second layer, in particular without a solder layer. It is clear to the person skilled in the art that the ceramic materials, i. H. the first ceramic material and the second ceramic material are present as the first and second layers respectively during the manufacturing process and the first layer becomes the first layer and the second layer becomes the second layer through the hot pressing process.

Insbesondere ist es dabei vorgesehen, dass die erste Schicht plattenförmig ausgebildet ist, d. h. einen Festkörper bildet, der sich entlang einer Haupterstreckungsebene erstreckt, während die zweite Schicht vorzugsweise aus einem pulverförmigen oder granulatförmigen oder passtenförmigen zweiten Keramikwerkstoff gebildet ist. Vorzugsweise versteht der Fachmann unter dem Heißpressverfahren ein solches Verfahren, bei dem unter gleichzeitigem Aufwenden von Druck und Temperatur eine Verdichtung realisiert wird. Vorliegend wird mittels des Heißpressverfahrens dabei auch insbesondere eine Anbindung an die erste Schicht realisiert. Mit anderen Worten: Die Verbundkeramik wird durch das Heißpressverfahren realisiert.In particular, it is provided that the first layer is plate-shaped, ie forms a solid body that extends along a main plane of extent, while the second layer preferably consists of one powdery or granular or fitted-shaped second ceramic material is formed. The person skilled in the art preferably understands the hot pressing process to be such a process in which compression is achieved while simultaneously applying pressure and temperature. In the present case, a connection to the first layer is also implemented in particular by means of the hot pressing process. In other words: The composite ceramic is realized by the hot pressing process.

Insbesondere kennt der Stand der Technik z. B. ein uniaxiales Pressen oder ein isostatisches Pressen. Vorzugsweise wird die Verbundkeramik mittels eines heißisostatischen Pressen (HIP), dem sogenannten „Hippen“, realisiert. Hierzu wird beispielsweise eine Anordnung aus der ersten Schicht und zweiten Schicht in einem verformbaren Behälter eingeschlossen. Beispielsweise wird dieser verformbare Behälter aus einem Latexmaterial gebildet und anschließend wird diese eingeschlossene Anordnung einem entsprechenden Druck ausgesetzt sowie einer bestimmten Temperatur. Nach einer gewissen Verweildauer in dem Ofen wird dann die Verbundkeramik aus dem Ofen wieder herausgenommen. Insbesondere ist es vorgesehen, dass die zweite Schicht sowohl an der Oberseite als aus auch an der Unterseite ausgebildet ist, d. h. es wird eine Sandwich-Struktur für die Verbundkeramik ausgebildet. Hierzu wird insbesondere die erste Schicht vollständig von der zweiten Schicht ummantelt, wenn sie im Ofen angeordnet ist. Mit anderen Worten: Die erste Schicht wird in der zweiten Schicht eingebettet. Dabei weist die zweite Schicht bevorzugt ein rieselfähiges Granulat oder Pulver aus dem zweiten Keramikwerkstoff auf.In particular, the prior art knows z. B. uniaxial pressing or isostatic pressing. The composite ceramic is preferably realized by means of hot isostatic pressing (HIP), the so-called “hipping”. For this purpose, for example, an arrangement of the first layer and the second layer is enclosed in a deformable container. For example, this deformable container is formed from a latex material and then this enclosed arrangement is subjected to an appropriate pressure and a certain temperature. After a certain residence time in the furnace, the composite ceramic is then removed again from the furnace. In particular, it is provided that the second layer is formed both on the upper side and also on the underside, ie. H. a sandwich structure is formed for the composite ceramic. For this purpose, in particular the first layer is completely encased by the second layer when it is arranged in the oven. In other words, the first layer is embedded in the second layer. The second layer preferably has free-flowing granules or powder made from the second ceramic material.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist es vorgesehen, dass der erste Keramikwerkstoff, Siliziumcarbit SiC und/oder der zweite Keramikwerkstoff Siliziumnitrit Si3N4 ist. Dadurch ist es in vorteilhafter Weise möglich, unter Beibehaltung der ausgezeichneten thermischen Leitfähigkeit von Siliziumcarbit dessen geringe Durchschlagfestigkeit zu verbessern, indem die zweite Lage aus dem Keramikwerkstoff Siliziumnitrit mit einer hohen Durchschlagfestigkeit verwenden wird. Insbesondere hat sich herausgestellt, dass dadurch eine Durchschlagfestigkeit von bis zu 2 bis 3 kV realisiert werden kann, während Siliziumcarbit alleine nur eine Durchschlagfestigkeit von 10 V aufweist.According to a preferred embodiment it is provided that the first ceramic material, silicon carbide SiC and / or the second ceramic material is silicon nitride Si 3 N 4 . This makes it possible in an advantageous manner, while maintaining the excellent thermal conductivity of silicon carbide, to improve its low dielectric strength by using the second layer made of the ceramic material silicon nitride with a high dielectric strength. In particular, it has been found that a dielectric strength of up to 2 to 3 kV can be achieved in this way, while silicon carbide alone only has a dielectric strength of 10 V.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist es vorgesehen, dass die zweite Schicht mittels Rotationsbeschichtung aufgetragen wird. Dadurch lässt sich in vorteilhafter Weise eine gleichmäßige Verteilung der zweiten Schicht auf der ersten Schicht realisieren. Dabei wird das Rotationsbeschichtungsverfahren bevorzugt in einem Vorbereitungsschritt vor dem Heißpressverfahren durchgeführt. Typischerweise handelt es sich bei solchen Rotationsbeschichtungsprozessen um ein Vorgehen, bei dem auf die erste Schicht eine Paste aus dem zweiten Keramikwerkstoff angeordnet wird und durch Rotation um eine Rotationsachse, die senkrecht zur Haupterstreckungsebene HSE der ersten Schicht verläuft, werden Fliehkräfte erzeugt, die dazu führen, dass die Paste auf der Oberseite der ersten Schicht gleichmäßig verteilt wird. Insbesondere werden hier Rotationsgeschwindigkeiten von 1.000 bis 4.000 Umdrehungen pro Minute angewendet und das Drehen bzw. Rotieren erfolgt für ca. 10 bis 30 Sekunden. Besonders bevorzugt wird dieses Rotationsbeschichtungsverfahren kombiniert mit Y2O3, das der Paste aus dem zweiten Keramikmaterial beigefügt wurde.According to a preferred embodiment, it is provided that the second layer is applied by means of spin coating. In this way, a uniform distribution of the second layer on the first layer can advantageously be realized. The spin coating process is preferably carried out in a preparatory step before the hot pressing process. Typically, such rotary coating processes are a procedure in which a paste made of the second ceramic material is arranged on the first layer and by rotation around an axis of rotation that is perpendicular to the main extension plane HSE the first layer runs, centrifugal forces are generated, which lead to the fact that the paste is evenly distributed on the top of the first layer. In particular, rotation speeds of 1,000 to 4,000 revolutions per minute are used here and the turning or rotating takes place for approx. 10 to 30 seconds. This spin coating process is particularly preferably combined with Y 2 O 3 , which was added to the paste made from the second ceramic material.

Insbesondere hat sich herausgestellt, dass für Rotationsbeschichtungsverfahren mit Rotationsgeschwindigkeiten von 800 bis 1.200 Umdrehungen pro Minute vergleichsweise hohe Durchschlagfestigkeiten realisiert werden können.In particular, it has been found that for spin coating processes with rotation speeds of 800 to 1,200 revolutions per minute, comparatively high dielectric strengths can be achieved.

Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass in der gefertigten Verbundkeramik die zweite Lage eine zweite Dicke zwischen 10 und 150 µm, bevorzugt zwischen 30 und 50 µm und besonders bevorzugt zwischen 35 und 45 µm aufweist. Es hat sich dabei herausgestellt, dass insbesondere für zweite Dicken zwischen 35 und 45 µm als Deckschicht, d. h. als zweite Lage, Durchschlagfestigkeiten für die Verbundkeramik realisiert werden konnten, die zwischen 2 und 3 kV liegen. Besonders bevorzugt ist an der Ober- und Unterseite der Verbundkeramik jeweils eine zweite Lage ausgebildet, die im Wesentlichen die gleiche zweite Dicke aufweisen. Es ist alternativ allerdings auch vorstellbar, dass die zweite Lage an der Oberseite eine andere zweite Dicke hat als die Lage an der Unterseite.Provision is preferably made for the second layer in the manufactured composite ceramic to have a second thickness between 10 and 150 μm, preferably between 30 and 50 μm and particularly preferably between 35 and 45 μm. It has been found that especially for second thicknesses between 35 and 45 µm as a cover layer, i.e. H. as a second layer, dielectric strengths between 2 and 3 kV could be achieved for the composite ceramic. Particularly preferably, a second layer is formed on the top and bottom of the composite ceramic, which have essentially the same second thickness. Alternatively, however, it is also conceivable that the second layer on the upper side has a different second thickness than the layer on the lower side.

Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass in der gefertigten Verbundkeramik die erste Lage eine erste Dicke aufweist, wobei ein Verhältnis der zweiten Dicke zur ersten Dicke einen Wert zwischen 0,05 und 0,2, bevorzugt zwischen 0,05 und 0,15 und besonders bevorzugt zwischen 0,075 und 0,13 annimmt. Entsprechend wird mit der zweiten Lage eine Deckschicht ausgebildet, die die erste Lage ummantelt bzw. umgibt. Die erste Lage bildet hingegen eine Art Kernschicht der Verbundkeramik und trägt im Wesentlichen zu den Eigenschaften der Verbundkeramik bei. Insbesondere wegen der erhöhten thermischen Leitfähigkeit von beispielsweise Siliziumcarbit ist es von Vorteil, eine dicke erste Lage auszubilden, um möglichst viel Wärme abtransportieren zu können.It is preferably provided that the first layer in the manufactured composite ceramic has a first thickness, the ratio of the second thickness to the first thickness being between 0.05 and 0.2, preferably between 0.05 and 0.15 and particularly preferred takes between 0.075 and 0.13. Correspondingly, the second layer is used to form a cover layer which encases or surrounds the first layer. The first layer, on the other hand, forms a type of core layer of the composite ceramic and essentially contributes to the properties of the composite ceramic. In particular because of the increased thermal conductivity of silicon carbide, for example, it is advantageous to form a thick first layer in order to be able to transport away as much heat as possible.

Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass das Heißpressverfahren bei einer Temperatur zwischen 1.500 und 2.000 °C, bevorzugt zwischen 1.700 und 2.000 °C und besonders bevorzugt zwischen 1.850 und 1.950 °C durchgeführt wird. Insbesondere ist es vorgesehen, dass das Heißpressverfahren bei einer Temperatur von 1.900 °C durchgeführt wird.Preferably it is it is provided that the hot pressing process is carried out at a temperature between 1,500 and 2,000 ° C., preferably between 1,700 and 2,000 ° C. and particularly preferably between 1,850 and 1,950 ° C. In particular, it is provided that the hot pressing process is carried out at a temperature of 1,900 ° C.

Vorzugsweise wird das Heißpressverfahren für mehr als 4 Stunden, bevorzugt für mehr als 6 Stunden und besonders bevorzugt für mehr als 8 Stunden durchgeführt. Insbesondere für Verweildauern oberhalb von 6 Stunden, insbesondere von 8 Stunden, lässt sich eine deutliche Steigerung der Durchschlagsfestigkeit feststellen gegenüber solchen Verbundkeramiken, die nicht so lange dem Heißpressverfahren ausgesetzt waren.The hot pressing process is preferably carried out for more than 4 hours, preferably for more than 6 hours and particularly preferably for more than 8 hours. In particular for dwell times above 6 hours, in particular 8 hours, a significant increase in the dielectric strength can be determined compared to composite ceramics that have not been exposed to the hot pressing process for so long.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass das Heißpressverfahren in einer Gasatmosphäre, insbesondere in einer Sickstoffatmosphäre durchgeführt wird. Insbesondere erfolgt das Heißpressen unter Ausschluss von Sauerstoff. Alternativ zu Stickstoff ist auch die Verwendung von Argon vorstellbar.In a particularly preferred embodiment of the present invention it is provided that the hot pressing process is carried out in a gas atmosphere, in particular in a nitrogen atmosphere. In particular, the hot pressing takes place with the exclusion of oxygen. As an alternative to nitrogen, the use of argon is also conceivable.

Insbesondere ist es vorgesehen, dass eine strukturierte Metallisierung an der Verbundkeramik realisiert wird. Dadurch lässt sich insbesondere die Verbundkeramik als Leiterplatte nutzen. Insbesondere die Eigenschaften der hohen Durchschlagfestigkeit und der hohen thermischen Leitfähigkeit erweisen sich für eine Leiterplatte als besonders vorteilhaft. Dabei wird die Metallisierung mittels eines Direktmetallanbindungsverfahrens und/oder eines Aktivlötverfahrens hergestellt. Beispiele für ein Direktmetallanbindungsverfahren sind ein DCB- und/oder ein DAB-Verfahren.In particular, it is provided that a structured metallization is implemented on the composite ceramic. This allows the composite ceramic in particular to be used as a circuit board. In particular, the properties of high dielectric strength and high thermal conductivity prove to be particularly advantageous for a printed circuit board. The metallization is produced by means of a direct metal connection process and / or an active soldering process. Examples of a direct metal bonding process are a DCB and / or a DAB process.

Unter einem Direktmetallanbindungsverfahren, wie einem „DCB-Verfahren“ (Direct-Copper-Bond-Technology) bzw. DAB-Verfahren“ (Direct-Aluminium -Bond-Technology), versteht der Fachmann ein solches Verfahren, das beispielsweise zum Verbinden von Metallschichten oder -blechen (z. B. Kupferblechen oder -folien) miteinander und/oder mit Keramik oder Keramikschichten dient, und zwar unter Verwendung von Metall- bzw. Kupferblechen oder Metall- bzw. Kupferfolien, die an ihren Oberflächenseiten eine Schicht oder einen Überzug (Aufschmelzschicht) aufweisen. Bei diesem beispielsweise in der US 3 744 120 A oder in der DE23 19 854 C2 beschriebenen Verfahren bildet diese Schicht oder dieser Überzug (Aufschmelzschicht) ein Eutektikum mit einer Schmelztemperatur unter der Schmelztemperatur des Metalls (z. B. Kupfer), so dass durch Auflegen der Folie auf die Keramik und durch Erhitzen sämtlicher Schichten diese miteinander verbunden werden können, und zwar durch Aufschmelzen des Metalls bzw. Kupfers im Wesentlichen nur im Bereich der Aufschmelzschicht bzw. Oxidschicht.A direct metal bonding process, such as a “DCB process” (Direct Copper Bond Technology) or DAB process (Direct Aluminum Bond Technology), is understood by those skilled in the art to be such a process, which is used, for example, for joining metal layers or sheets (e.g. copper sheets or foils) are used with one another and / or with ceramic or ceramic layers, namely using metal or copper sheets or metal or copper foils that have a layer or a coating (melted layer) on their surface sides ) exhibit. For example, in the U.S. 3,744,120 A or in the DE23 19 854 C2 described method, this layer or this coating (melting layer) forms a eutectic with a melting temperature below the melting temperature of the metal (e.g. copper), so that by placing the foil on the ceramic and heating all the layers, these can be connected to one another, and by melting the metal or copper essentially only in the area of the melting layer or oxide layer.

Insbesondere weist das DCB-Verfahren dann z. B. folgende Verfahrensschritte auf:

  • - Oxidieren einer Kupferfolie derart, dass sich eine gleichmäßige Kupferoxidschicht ergibt;
  • - Auflegen der Kupferfolie auf die Keramikschicht;
  • - Erhitzen des Verbundes auf eine Prozesstemperatur zwischen etwa 1025 bis 1083°C, z. B. auf ca. 1071 °C;
  • - Abkühlen auf Raumtemperatur.
In particular, the DCB method then z. B. the following process steps:
  • - Oxidizing a copper foil in such a way that a uniform copper oxide layer results;
  • - placing the copper foil on the ceramic layer;
  • - Heating the composite to a process temperature between about 1025 to 1083 ° C, z. B. to about 1071 ° C;
  • - cooling to room temperature.

Unter einem Aktivlot-Verfahren, z. B. zum Verbinden von Metallschichten oder Metallfolien, insbesondere auch von Kupferschichten oder Kupferfolien mit Keramikmaterial, ist ein Verfahren zu verstehen, welches speziell auch zum Herstellen von Metall-Keramik-Substraten verwendet wird. Hier wird bei einer Temperatur zwischen ca. 650-1000°C eine Verbindung zwischen einer Metallfolie, beispielsweise einer Kupferfolie, und einem Keramiksubstrat, beispielsweise Aluminiumnitrid-Keramik, unter Verwendung eines Hartlots hergestellt, welches zusätzlich zu einer Hauptkomponente wie Kupfer, Silber und/oder Gold, auch ein Aktivmetall enthält. Dieses Aktivmetall, welches beispielsweise wenigstens ein Element der Gruppe Hf, Ti, Zr, Nb, Ce ist, stellt durch chemische Reaktion eine Verbindung zwischen dem Lot und der Keramik her, während die Verbindung zwischen dem Lot und dem Metall eine metallische Hartlöt-Verbindung ist.Under an active soldering process, e.g. B. for connecting metal layers or metal foils, in particular also copper layers or copper foils with ceramic material, a method is to be understood which is also used specifically for the production of metal-ceramic substrates. Here, at a temperature between approx. 650-1000 ° C, a connection between a metal foil, for example a copper foil, and a ceramic substrate, for example aluminum nitride ceramic, is produced using a hard solder which, in addition to a main component such as copper, silver and / or Gold, also contains an active metal. This active metal, which is, for example, at least one element from the group Hf, Ti, Zr, Nb, Ce, creates a connection between the solder and the ceramic through a chemical reaction, while the connection between the solder and the metal is a metallic brazed connection .

Alternativ sind zur Anbindung auch ein DAB - Verfahren bei Aluminiummetallisierung und/oder ein Dickschichtverfahren vorstellbar.Alternatively, a DAB process for aluminum metallization and / or a thick film process are also conceivable for the connection.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Verbundkeramik hergestellt mit dem erfindungsgemäßen Verfahren. Alle beschriebenen Merkmale und Vorteile lassen sich auf die Verbundkeramik übertragen und anders herum.Another aspect of the present invention is a composite ceramic produced using the method according to the invention. All of the features and advantages described can be applied to composite ceramics and vice versa.

Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Gegenstands mit Bezug auf die beigefügten Figuren. Einzelne Merkmale der einzelnen Ausführungsform können dabei im Rahmen der Erfindung miteinander kombiniert werden.Further advantages and features emerge from the following description of preferred embodiments of the subject matter according to the invention with reference to the attached figures. Individual features of the individual embodiment can be combined with one another within the scope of the invention.

Es zeigt:

  • 1: ein Verfahren zur Herstellung einer Verbundkeramik gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und
  • 2: eine Leiterplatte mit einer Verbundkeramik gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
It shows:
  • 1 FIG. 12 shows a method of manufacturing a composite ceramic according to an exemplary embodiment of the present invention and FIG
  • 2 Fig. 3 shows a circuit board with a composite ceramic according to an exemplary embodiment of the present invention.

In der 1 ist eine Verbundkeramik 10 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung illustriert. Insbesondere handelt es sich bei der Verbundkeramik 10 um ein Trägersubstrat bzw. eine Isolationsschicht, die einen wesentlichen Bestandteil einer Leiterplatte repräsentiert. Zur Ausbildung der Leiterplatte sind an einer Oberseite OS und/oder an einer Unterseite US Metallisierungen 3 bzw. weitere Metallisierungen 3', insbesondere durch Ätzen strukturierte Metallisierungen, vorgesehen, die Leiterbahnen oder Metallpads zum Anbinden von elektronischen Bauteilen bereitstellen. Durch die Kombination verschiedener Keramikwerkstoffe ist es mit Vorteil möglich, gezielt gewünschte Eigenschaften in der Verbundkeramik 10 zu vereinen, die andernfalls jeweils nur durch einen einzelnen Keramikstoff gegeben wären bzw. es lassen sich ungewünschte Eigenschaften eines ersten Keramikwerkstoffs mit Eigenschaften eines zweiten Keramikwerkstoffs kompensieren.In the 1 is a composite ceramic 10 illustrated in accordance with an exemplary embodiment of the present invention. In particular, it acts when it comes to composite ceramics 10 around a carrier substrate or an insulation layer, which represents an essential part of a circuit board. To form the circuit board are on a top OS and / or on a bottom US Metallizations 3 or further metallizations 3 ' , in particular metallizations structured by etching, are provided, which provide conductor tracks or metal pads for connecting electronic components. By combining different ceramic materials, it is advantageously possible to create specifically desired properties in the composite ceramic 10 to combine, which would otherwise only be given by a single ceramic material, or undesired properties of a first ceramic material can be compensated for with properties of a second ceramic material.

Unter einer Verbundkeramik 10 bzw. Hybridkeramik ist hier insbesondere ein Trägersubstrat zu verstehen, welches im gefertigten Zustand mindestens eine erste Lage 11 aus dem ersten Keramikwerkstoff und eine zweite Lage 12 aus dem zweiten Keramikwerkstoff aufweist. Dabei ist die erste Lage 11 unmittelbar an die zweite Lage 12 angebunden und die Verbundkeramik 10 erstreckt sich in einer Haupterstreckungsebene HSE. Die erste Lage 11 und die zweite Lage 12 sind dann entlang einer senkrecht zur Haupterstreckungsebene HSE verlaufenden Stapelrichtung S übereinander angeordnet. In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine erste Lage 11 und eine zweite Lage 12 vorgesehen. Vorzugsweise wird die erste Lage 11 von zwei zweiten Lagen 12 umgeben bzw. ummantelt. Mit anderen Worten: Die erste Lage 11 ist zwischen zwei zweiten Lagen 12 unter Ausbildung einer Sandwich-Struktur angeordnet (nicht gezeigt). Es ist auch möglich, dass die erste Lage 11 zwischen einer zweiten Lage 12 und einer von der zweiten Lage 12 unterschiedlichen dritten Lage (nicht dargestellt) angeordnet ist. Besonders bevorzugt ist es vorgesehen, dass sich der erste Keramikwerkstoff vom zweiten Keramikwerkstoff unterscheidet. Dadurch ist es in vorteilhafter Weise möglich, positive Spezifikation bzw. Eigenschaften des ersten Keramikwerkstoffes und des zweiten Keramikwerkstoffes in der Verbundkeramik 10 zu kombinieren.Under a composite ceramic 10 or hybrid ceramic is to be understood here in particular as a carrier substrate which in the manufactured state has at least one first layer 11 from the first ceramic material and a second layer 12 having from the second ceramic material. Here is the first layer 11 directly to the second layer 12 connected and the composite ceramics 10 extends in a main plane of extent HSE . The first location 11 and the second layer 12 are then along a perpendicular to the main extension plane HSE running stack direction S. arranged one above the other. In the in 1 illustrated embodiment is a first layer 11 and a second layer 12 intended. Preferably the first layer 11 of two second layers 12 surrounded or sheathed. In other words: the first layer 11 is between two second layers 12 arranged to form a sandwich structure (not shown). It is also possible that the first location 11 between a second layer 12 and one from the second layer 12 different third layer (not shown) is arranged. It is particularly preferred that the first ceramic material differ from the second ceramic material. This makes it possible in an advantageous manner to have positive specifications or properties of the first ceramic material and the second ceramic material in the composite ceramic 10 to combine.

Insbesondere ist der erste Keramikwerkstoff Siliziumcarbit SiC und der zweite Keramikwerkstoff Siliziumnitrit Si3N4. Während der erste Keramikwerkstoff z. B. als Siliziumcarbit eine vergleichsweise geringe Durchschlagfestigkeit und eine vergleichsweise hohe thermische Leitfähigkeit aufweist, ist es in vorteilhafter Weise durch die Realisierung der zweiten Lage 12 mit dem zweiten Keramikwerkstoff Siliziumnitrit Si3N4 möglich, eine deutlich höhere Durchschlagfestigkeit für die Verbundkeramik 10 zu realisieren, als es für eine reine Trägerschicht bzw. Isolationsschicht aus Siliziumcarbit der Fall wäre. Mit anderen Worden: Durch das Einkapseln bzw. Ummanteln der ersten Lage 11 aus Siliziumcarbit SiC mit der zweiten Lage 12 aus Siliziumnitrit Si3N4 lässt sich eine Verbundkeramik 10 herstellen, die eine hohe Durchschlagfestigkeit und eine hohe thermische Leitfähigkeit besitzt.In particular, the first ceramic material is silicon carbide SiC and the second ceramic material is silicon nitride Si 3 N 4 . While the first ceramic material z. B. has a comparatively low dielectric strength and a comparatively high thermal conductivity as silicon carbide, it is advantageous through the implementation of the second layer 12 with the second ceramic material silicon nitride Si 3 N 4 possible, a significantly higher dielectric strength for the composite ceramic 10 to be realized than would be the case for a pure carrier layer or insulation layer made of silicon carbide. In other words: by encapsulating or sheathing the first layer 11 made of silicon carbide SiC with the second layer 12 A composite ceramic can be made from silicon nitride Si 3 N 4 10 produce that has a high dielectric strength and a high thermal conductivity.

Dabei ist es insbesondere vorgesehen, dass die zweite Lage 12 eine zweite Dicke D2 aufweist und die erste Lage 11 eine erste Dicke D1, wobei ein Verhältnis der ersten Dicke D1 zur zweiten Dicke D2 einen Wert zwischen 0,5 und 0,2, bevorzugt zwischen 0,05 und 0,15 und besonders bevorzugt zwischen 0,075 und 0,13 annimmt. Mit anderen Worten: die zweite Lage 12 bildet eine Deckbeschichtung für die als Kernschicht ausgebildete erste Lage 11. Insbesondere ist es vorgesehen, dass an die Oberseite OS und Unterseite US der Verbundkeramik 10 mittels eines Direktmetallanbindungsverfahrens, z. B. eines DCB- oder DAB-Prozesses, und/oder durch ein Aktivlötverfahren eine Metallisierung 3 an der Oberseite OS und/oder Unterseite US realisiert wird, die anschließend durch ein entsprechendes Ätzverfahren strukturiert werden kann, sodass man eine Leiterplatte erhält, auf der Elektronikbauteile oder elektronische Bauteile montierbar sind.It is provided in particular that the second layer 12 a second thickness D2 and the first layer 11 a first thickness D1 , where a ratio of the first thickness D1 to the second thickness D2 assumes a value between 0.5 and 0.2, preferably between 0.05 and 0.15 and particularly preferably between 0.075 and 0.13. In other words: the second layer 12 forms a top coating for the first layer designed as a core layer 11 . In particular, it is provided that on the top OS and bottom US the composite ceramics 10 by means of a direct metal bonding process, e.g. B. a DCB or DAB process, and / or metallization by an active soldering process 3 at the top OS and / or bottom US is realized, which can then be structured by a suitable etching process, so that a circuit board is obtained on which electronic components or electronic components can be mounted.

In 2 ist ein Verfahren zur Herstellung einer Verbundkeramik 10, beispielsweise einer Verbundkeramik 10 aus 1, dargestellt. Dabei ist es vorgesehen, dass eine erste Schicht 31 aus einem ersten Keramikwerkstoff bereitgestellt wird. Dabei ist die erste Schicht 31 bevorzugt plattenförmig bzw. als Festkörper, der sich entlang der Haupterstreckungsebene HSE erstreckt, ausgebildet. Die erste Schicht 31 aus dem ersten Keramikwerkstoff wird dann in einem Ofen 20 angeordnet. Insbesondere wird die erste Schicht 31 im Ofen 20 derart angeordnet, dass sie von einer pulverförmigen, pastenförmigen und/oder granulatförmigen zweiten Schicht 32 aus einem zweiten Keramikwerkstoff zumindest teilweise, bevorzugt vollständig, umgeben ist. Mit anderen Worten: die erste Schicht 31 wird in einer zweiten Schicht 32 aus einem Pulver oder Granulat aus dem zweiten Keramikwerkstoff eingebettet.In 2 is a method for producing a composite ceramic 10 , for example a composite ceramic 10 out 1 , shown. It is provided that a first layer 31 is provided from a first ceramic material. This is the first layer 31 preferably plate-shaped or as a solid body that extends along the main plane of extent HSE extends, formed. The first layer 31 The first ceramic material is then placed in an oven 20th arranged. In particular, the first layer 31 in the oven 20th arranged in such a way that they are covered by a powdery, pasty and / or granular second layer 32 is at least partially, preferably completely, surrounded by a second ceramic material. In other words: the first layer 31 will be in a second shift 32 embedded from a powder or granules from the second ceramic material.

Anschließend wird durch ein Heißpressverfahren, bevorzugt einem heißisostatischen Pressen, eine Verbundkeramik 10 hergestellt, die im gefertigten Zustand die erste Lage 11 aus dem ersten Keramikwerkstoff und die zweite Lage 12 aus dem zweiten Keramikwerkstoff aufweist. Beim heißisostatischen Pressen ist esdann bevorzugt vorgesehen, dass bei einer Temperatur von etwa 1.900 °C für etwa 8 Stunden die Anordnung aus der ersten Schicht 31 und zweiten Schicht 32 einem Druck von 2,5 bis 3,5 MPa ausgesetzt ist. Insbesondere erfolgt das heißisostatische Pressen in einer Gasatmosphäre 35, die insbesondere aus Stickstoff besteht. Vorzugsweise erfolgt das heißisostatische Pressen bzw. das Heißpressverfahren unter Ausschluss von Sauerstoff.A composite ceramic is then produced by a hot pressing process, preferably hot isostatic pressing 10 produced, the first layer in the finished state 11 from the first ceramic material and the second layer 12 having from the second ceramic material. In the case of hot isostatic pressing, it is then preferably provided that the arrangement from the first layer is formed at a temperature of about 1900 ° C for about 8 hours 31 and second layer 32 is subjected to a pressure of 2.5 to 3.5 MPa. In particular, the hot isostatic pressing takes place in a gas atmosphere 35 , which consists in particular of nitrogen. Preferably done hot isostatic pressing or the hot pressing process with exclusion of oxygen.

Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn mit den angegebenen Parametern eine zweite Dicke D2 für die zweite Lage 12 realisiert wird, die zwischen 10 und 150 µm, bevorzugt zwischen 30 und 35 µm und besonders bevorzugt zwischen 35 und 45 µm liegt. Dadurch lassen sich Durchschlagsfestigkeiten von 2,6 bis 3 kV für die Verbundkeramik 10 realisieren. Insbesondere ist es vorgesehen, dass sowohl an der Oberseite OS als auch an der Unterseite US der Verbundkeramik 10 jeweils eine zweite Lage 12 ausgebildet ist mit einer der entsprechenden zweiten Dicken. Vorzugsweise sind beide zweiten Dicken D2 gleich groß dimensioniert.It has proven to be advantageous if, with the specified parameters, a second thickness D2 for the second layer 12 is realized, which is between 10 and 150 μm, preferably between 30 and 35 μm and particularly preferably between 35 and 45 μm. This enables dielectric strengths of 2.6 to 3 kV for the composite ceramic 10 realize. In particular, it is provided that both on the top OS as well as at the bottom US the composite ceramics 10 a second layer each 12 is formed with one of the corresponding second thicknesses. Preferably both are second thicknesses D2 the same size.

In 3 ist ein Verfahren zur Herstellung einer Verbundkeramik 10 gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Zusätzlich zu dem Heißpressverfahren, welches für 2 beschrieben worden ist, ist es hierbei vorgesehen, in einem Vorbereitungsschritt mittels einer Rotationsbeschichtung eine weitere zweite Schicht 32' aus einer Siliziumnitritpaste herzustellen. Dabei wird die Siliziumnitritpaste auf der ersten Schicht 31 aus Siliziumcarbit aufgetragen und die Siliziumcarbitschicht zur Rotation um eine Rotationsachse R angetrieben. Bei etwa 1.000 bis 4.000 Umdrehungen pro Minute für 10 bis 40 Sekunden wird dafür gesorgt, dass aufgrund der durch die Rotation entstehenden Fliehkräfte die Paste gleichmäßig auf der Oberseite OS der ersten Schicht 31, insbesondere der aus Siliziumcarbit bestehenden ersten Schicht 31, verteilt wird. Anschließend wird die erste Schicht 31, auf welcher die zweite Schicht 32 als Paste mittels des Rotationsbeschichtungsverfahrens aufgetragen wurde, in den Ofen 20 eingebettet und zusätzlich von der zweiten Schicht 32 aus dem zweiten Keramikwerkstoff umgeben, insbesondere vollständig ummantelt bzw. in dem Pulver bzw. Granulat eingebettet. Anschließend wird, wie oben beschrieben, das Heißpressverfahren durchgeführt.In 3 is a method for producing a composite ceramic 10 illustrated in accordance with a second preferred embodiment of the present invention. In addition to the hot pressing process used for 2 has been described, it is provided here, in a preparatory step by means of a spin coating, a further second layer 32 ' made from a silicon nitride paste. Thereby the silicon nitride paste is on the first layer 31 applied from silicon carbide and the silicon carbide layer for rotation around an axis of rotation R. driven. At around 1,000 to 4,000 revolutions per minute for 10 to 40 seconds, the centrifugal forces created by the rotation ensure that the paste is evenly on the top OS the first layer 31 , in particular the first layer consisting of silicon carbide 31 , is distributed. Then the first layer 31 on which the second layer 32 applied as a paste using the spin coating process, in the oven 20th embedded and additionally from the second layer 32 surrounded by the second ceramic material, in particular completely encased or embedded in the powder or granules. The hot pressing process is then carried out as described above.

In 4 sind verschiedene Beispiele für Verbundkeramiken dargestellt, die mit einem der Verfahren aus den 2 bzw. 3 hergestellt wurden. Dabei finden sich in der Spalte B die Parameter für den Heißpressvorgang bzw. das Heißpressverfahren. Wesentliche Parameter des Heißpressverfahrens sind die verwendete Temperatur und die Verweildauer im Ofen, während das Heißpressverfahren durchgeführt wird. In der Spalte A sind, sofern durchgeführt, die Parameter für die Rotationsbeschichtung eingetragen. Wesentliche Parameter für das Rotationsbeschichtungsverfahren sind die Anzahl der Umdrehungen pro Minute und die Dauer des Durchführens des Rotationsbeschichtungsverfahrens. In der Spalte D wird die zweite Dicke D2, d. h. die zweite Dicke D2 der zweiten Lage 12 in der gefertigten Verbundkeramik 10 angegeben. Diese liegt zwischen 20 und 100 µm. In der Spalte C findet sich die Durchschlagfestigkeit der Verbundkeramik 10. Insbesondere ist der Tabelle zu entnehmen, dass besonders hohe Durchschlagfestigkeiten von bis zu drei kV realisierbar sind, wenn mittels eines Rotationsbeschichtungsverfahrens mit 1.000 Umdrehungen pro Minute für mindestens 10 Sekunden in einem anschließenden Heißpressverfahren die Anordnung aus der ersten Schicht 31 und zweiten Schicht 32 für etwa 8 Stunden einer Temperatur von 1.900 °C ausgesetzt wird. Dadurch lassen sich Schichtdicken zwischen 35 und 40 µm realisieren sowie Durchschlagfestigkeiten zwischen 2 und 3 kV.In 4th various examples of composite ceramics are shown, which are produced using one of the methods from 2 or. 3 were manufactured. The parameters for the hot pressing process or the hot pressing process can be found in column B. Essential parameters of the hot pressing process are the temperature used and the length of time in the furnace while the hot pressing process is carried out. In column A, if carried out, the parameters for the spin coating are entered. Essential parameters for the spin coating process are the number of revolutions per minute and the duration of the implementation of the spin coating process. In column D is the second thickness D2 , ie the second thickness D2 the second layer 12 in the manufactured composite ceramic 10 specified. This is between 20 and 100 µm. Column C shows the dielectric strength of the composite ceramic 10 . In particular, the table shows that particularly high dielectric strengths of up to three kV can be achieved if the arrangement from the first layer is made using a rotation coating process at 1,000 revolutions per minute for at least 10 seconds in a subsequent hot pressing process 31 and second layer 32 exposed to a temperature of 1,900 ° C for about 8 hours. This means that layer thicknesses between 35 and 40 µm and dielectric strengths between 2 and 3 kV can be achieved.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

33
MetallisierungMetallization
3'3 '
weitere Metallisierungfurther metallization
1010
VerbundkeramikComposite ceramics
1111
erste Lagefirst position
1212
zweite Lagesecond layer
2020th
Ofenoven
3131
erste Schichtfirst layer
3232
zweite Schichtsecond layer
3232
weitere zweite Schichtanother second layer
3535
GasatmosphäreGas atmosphere
RR.
RotationsacheRotation matter
D1D1
erste Dickefirst thickness
D2D2
zweite Dickesecond thickness
SS.
StapelrichtungStacking direction
HSEHSE
HaupterstreckungsebeneMain plane of extent
OSOS
OberseiteTop
USUS
Unterseitebottom

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of the documents listed by the applicant was generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.

Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • US 0640039 A1 [0003]US 0640039 A1 [0003]
  • US 3744120 A [0019]US 3744120 A [0019]
  • DE 2319854 C2 [0019]DE 2319854 C2 [0019]

Claims (10)

Verfahren zur Herstellung einer Verbundkeramik (10) umfassend - Bereitstellen einer ersten Schicht (31) aus einem ersten Keramikwerkstoff, - Anordnen der ersten Schicht (32) in einem Ofen (20), wobei die erste Schicht (31) im Ofen (20) zumindest teilweise von einer pulverförmigen und/oder granulatförmigen und/oder pastenförmigen, zweiten Schicht (32) aus einem zweiten Keramikwerkstoff umgeben ist und - Durchführen eines Heißpressverfahrens zur Ausbildung der Verbundkeramik (10), die im gefertigten Zustand eine erste Lage (11) aus dem ersten Keramikwerkstoff und eine zweite Lage (12) aus dem zweiten Keramikwerkstoff aufweist.A method for producing a composite ceramic (10) comprising - providing a first layer (31) made of a first ceramic material, - Arranging the first layer (32) in an oven (20), the first layer (31) in the oven (20) at least partially from a powdery and / or granular and / or paste-like, second layer (32) made of a second ceramic material is surrounded and - Carrying out a hot pressing process to form the composite ceramic (10) which, in the manufactured state, has a first layer (11) made of the first ceramic material and a second layer (12) made of the second ceramic material. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der erste Keramikwerkstoff SiC ist und/oder der zweite Keramikwerkstoff Si3N4 ist.Procedure according to Claim 1 , wherein the first ceramic material is SiC and / or the second ceramic material is Si 3 N 4 . Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite Schicht (32) mittels Rotationsbeschichtung aufgetragen wird.Method according to one of the preceding claims, wherein the second layer (32) is applied by means of spin coating. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in der gefertigten Verbundkeramik (10) die zweite Lage (12) eine zweite Dicke (D2) zwischen 10 µm und 150 µm, bevorzugt zwischen 30 und 50 µm und besonders bevorzugt zwischen 35 µm und 45 µm aufweist.Method according to one of the preceding claims, wherein in the manufactured composite ceramic (10) the second layer (12) has a second thickness (D2) between 10 µm and 150 µm, preferably between 30 and 50 µm and particularly preferably between 35 µm and 45 µm . Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in der gefertigten Verbundkeramik (10) die erste Lage (11) einer erste Dicke (D1) aufweist, wobei ein Verhältnis der zweiten Dicke (D2) zur ersten Dicke (D1) einen Wert zwischen 0,05 und 0,2, bevorzugt zwischen 0,05 und 0,15 und besonders bevorzugt zwischen 0,075 und 0,13 annimmt.Method according to one of the preceding claims, wherein in the produced composite ceramic (10) the first layer (11) has a first thickness (D1), a ratio of the second thickness (D2) to the first thickness (D1) having a value between 0.05 and 0.2, preferably between 0.05 and 0.15 and particularly preferably between 0.075 and 0.13. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Heißpressverfahren bei einer Temperatur zwischen 1500 und 2000 °C, bevorzugt zwischen 1700 °C und 2000°C und besonders bevorzugt zwischen 1850 °C und 1950 °C durchgeführt wird.Process according to one of the preceding claims, wherein the hot pressing process is carried out at a temperature between 1500 and 2000 ° C, preferably between 1700 ° C and 2000 ° C and particularly preferably between 1850 ° C and 1950 ° C. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Heißpressverfahren für mehr als 4 Stunden, bevorzugt für mehr als 6 Stunden und besonders bevorzugt für mehr als 8 Stunden durchgeführt wird.Method according to one of the preceding claims, wherein the hot pressing process is carried out for more than 4 hours, preferably for more than 6 hours and particularly preferably for more than 8 hours. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Heißpressverfahren in einer Gasatmosphäre (35), insbesondere einer Stickstoffatmosphäre, durchgeführt wird.Method according to one of the preceding claims, wherein the hot pressing method is carried out in a gas atmosphere (35), in particular a nitrogen atmosphere. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine strukturierte Metallisierung (3, 3') an der Verbundkeramik (10) realisiert wird.Method according to one of the preceding claims, wherein a structured metallization (3, 3 ') is realized on the composite ceramic (10). Verbundkeramik (10) hergestellt mit einem Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.Composite ceramic (10) produced by a method according to one of the preceding claims.
DE102019110106.9A 2019-04-17 2019-04-17 Method for producing a composite ceramic and composite ceramic produced using such a method Pending DE102019110106A1 (en)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102019110106.9A DE102019110106A1 (en) 2019-04-17 2019-04-17 Method for producing a composite ceramic and composite ceramic produced using such a method
PCT/EP2020/060613 WO2020212438A1 (en) 2019-04-17 2020-04-15 Method for producing a composite ceramic, and composite ceramic produced using such a method
EP20719992.8A EP3956275A1 (en) 2019-04-17 2020-04-15 Method for producing a composite ceramic, and composite ceramic produced using such a method

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102019110106.9A DE102019110106A1 (en) 2019-04-17 2019-04-17 Method for producing a composite ceramic and composite ceramic produced using such a method

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102019110106A1 true DE102019110106A1 (en) 2020-10-22

Family

ID=70295120

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102019110106.9A Pending DE102019110106A1 (en) 2019-04-17 2019-04-17 Method for producing a composite ceramic and composite ceramic produced using such a method

Country Status (3)

Country Link
EP (1) EP3956275A1 (en)
DE (1) DE102019110106A1 (en)
WO (1) WO2020212438A1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3714240C1 (en) * 1987-04-29 1988-07-21 Feldmuehle Ag Sintered body made of silicon nitride with an outer ceramic wear layer based on aluminum nitride
US5955148A (en) * 1993-03-19 1999-09-21 Sumitomo Electric Industries, Ltd. Aluminium nitride ceramics and method for preparing the same
US20050019199A1 (en) * 2003-07-03 2005-01-27 Agency For Science, Technology And Research Double-layer metal sheet and method of fabricating the same
US9799601B1 (en) * 2017-02-06 2017-10-24 Vanguard International Semiconductor Corporation Fuse elements and methods for forming the same

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US640039A (en) 1899-03-18 1899-12-26 Cleveland Pneumatic Tool Co Pneumatic drill.
US3766634A (en) 1972-04-20 1973-10-23 Gen Electric Method of direct bonding metals to non-metallic substrates
US3744120A (en) 1972-04-20 1973-07-10 Gen Electric Direct bonding of metals with a metal-gas eutectic
DE112010004589T5 (en) * 2009-11-27 2013-01-24 Showa Denko K.K. Laminate and manufacturing method therefor
DE102014106694B3 (en) * 2014-05-13 2015-04-02 Rogers Germany Gmbh Method for metallizing at least one plate-shaped ceramic substrate and metal-ceramic substrate

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3714240C1 (en) * 1987-04-29 1988-07-21 Feldmuehle Ag Sintered body made of silicon nitride with an outer ceramic wear layer based on aluminum nitride
US5955148A (en) * 1993-03-19 1999-09-21 Sumitomo Electric Industries, Ltd. Aluminium nitride ceramics and method for preparing the same
US20050019199A1 (en) * 2003-07-03 2005-01-27 Agency For Science, Technology And Research Double-layer metal sheet and method of fabricating the same
US9799601B1 (en) * 2017-02-06 2017-10-24 Vanguard International Semiconductor Corporation Fuse elements and methods for forming the same

Also Published As

Publication number Publication date
WO2020212438A1 (en) 2020-10-22
EP3956275A1 (en) 2022-02-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2911994B1 (en) Electric or electronic circuit or circuit module containing a metal-ceramic substrate in the shape of a circuit board and a method for producing the same
DE69117819T2 (en) Process for producing a printed circuit board and printed circuit board itself produced by said process
DE69817648T2 (en) A method of manufacturing a ceramic-metal composite substrate and brazing material for use in this method
DE19927046B4 (en) Ceramic-metal substrate as a multi-substrate
DE3485930T2 (en) MULTILAYER CERAMIC SUBSTRATE AND METHOD FOR PRODUCING THE SAME.
DE102010049499B4 (en) Metal-ceramic substrate and method for producing such a substrate
DE102013104739A1 (en) Metal-ceramic substrate and method for producing a metal-ceramic substrate
DE3414065A1 (en) Configuration comprising at least one electronic component fixed on a substrate, and process for fabricating a configuration of this type
EP1917680A1 (en) Metal-ceramic substrate
DE102009015520A1 (en) Metal-ceramic substrate
EP2170026B1 (en) Metal ceramic substrate for electric components or modules, method for producing such a substrate and module with such a substrate
DE10033984A1 (en) Hybrid laminate and process for making the same
DE102014119386B4 (en) Method for producing a metal-ceramic substrate and associated metal-ceramic substrate
DE10207109B4 (en) Ceramic circuit board
DE102010024520A9 (en) Method for increasing the thermo-mechanical resistance of a metal-ceramic substrate
CH660176A5 (en) METAL-CERAMIC COMPOSITE ELEMENT AND METHOD FOR THE PRODUCTION THEREOF.
DE102019110106A1 (en) Method for producing a composite ceramic and composite ceramic produced using such a method
DE102013102637B4 (en) Metal-ceramic substrate and method for producing such a metal-ceramic substrate and arrangement of such metal-ceramic substrates
DE102014114132B4 (en) Metal-ceramic substrate and method for producing a metal-ceramic substrate
DE102004047033A1 (en) substratum
DE102019113308A1 (en) A method for producing a metal-ceramic substrate and a metal-ceramic substrate produced by such a method
DE102017114891A1 (en) Process for producing a via in a carrier layer made of a ceramic and carrier layer with plated through hole
WO2021122035A1 (en) Method for producing a metal-ceramic substrate, and metal-ceramic substrate produced using such a method
WO2022152788A1 (en) Process for producing a metal-ceramic substrate and metal-ceramic substrate produced using such a process
DE102022112376A1 (en) METHOD FOR PRODUCING A POWER ELECTRONICS SUBSTRATE AND METHOD FOR HEALING CRACKS IN A POWER ELECTRONICS SUBSTRATE

Legal Events

Date Code Title Description
R012 Request for examination validly filed
R016 Response to examination communication
R016 Response to examination communication