DE102020119208A1

DE102020119208A1 - Verfahren zur Herstellung eines Metall-Keramik-Substrats und Metall-Keramik-Substrat hergestellt mit einem solchen Verfahren

Info

Publication number: DE102020119208A1
Application number: DE102020119208.8A
Authority: DE
Inventors: Fabian Wagle; Vitalij Gil; Marco Englhard; Markus Rüppel
Original assignee: Rogers Germany GmbH
Current assignee: Rogers Germany GmbH
Priority date: 2020-07-21
Filing date: 2020-07-21
Publication date: 2022-01-27
Also published as: WO2022018061A1; CN115884952A; KR20230022443A; JP7478899B2; JP2023538229A; EP4168375A1; US20230294213A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Metall-Keramik-Substrats (1), umfassend:- Bereitstellen eines Keramikelements (30) und mindestens einer Metallschicht (10), wobei sich das Keramikelement (30) und die mindestens eine Metallschicht (10) entlang einer Haupterstreckungsebene (HSE) erstrecken,- Verbinden des Keramikelements (30) mit der mindestens einen Metallschicht (10) zur Ausbildung eines Metall-Keramik-Substrats (1), insbesondere mittels eines Direktmetallanbindungsverfahrens, eines heißisostatischen Pressens und/oder eines Lötverfahrens, und- Bearbeiten der mindestens einen Metallschicht (10) mittels eines mechanischen Werkzeugs (40) oder eines Lasers zum mindestens abschnittsweise Festlegen einer Geometrie einer nicht parallel zur Haupterstreckungsebene (HSE) verlaufenden Seitenfläche (10) der mindestens einen Metallschicht (10).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Metall-Keramik-Substrats und ein Metall-Keramik-Substrat, hergestellt mit einem solchen Verfahren.
Trägersubstrate für elektrische Bauteile, beispielsweise in Form von Metall-Keramik-Substraten, sind beispielsweise als Leiterplatten oder Platinen aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt, beispielsweise aus der DE 10 2013 104 739 A1 , der DE 19 927 046 B4 und der DE 10 2009 033 029 A1 . Typischerweise werden auf einer Bauteilseite des Metall-Keramik-Substrats Anschlussflächen für elektrische Bauteile und Leiterbahnen angeordnet, wobei die elektrischen Bauteile und Leiterbahnen zu elektrischen Schaltkreisen zusammenschaltbar sind. Wesentliche Bestandteile der Metall-Keramik-Substrate sind eine Isolationsschicht, die bevorzugt aus einer Keramik gefertigt ist, und eine an die Isolationsschicht angebundene Metallschicht bzw. Bauteilmetallisierung. Wegen ihren vergleichsweise hohen Isolationsfestigkeiten haben sich aus Keramik gefertigte Isolationsschichten in der Leistungselektronik als besonders vorteilhaft erwiesen. Durch eine Strukturierung der Metallschicht können sodann Leiterbahnen und/oder Anschlussflächen für die elektrischen Bauteile realisiert werden.
Für solche Trägersubstrate, insbesondere für Metall-Keramik-Substrate, besteht aufgrund der unterschiedlichen Materialwahl für die Isolationsschicht einerseits und die Metallisierung andererseits das Problem, dass wegen unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten bei einer Wärmeentwicklung, die beispielsweise im Betrieb oder bei der Fertigung des Trägersubstrats auftreten, thermomechanische Spannungen induziert bzw. veranlasst werden können, die zu einem Verbiegen oder gar zu einer Beschädigung des Trägersubstrats führen können.
Daher hat es sich im Stand der Technik etabliert, an einer der Bauteilmetallisierungen gegenüberliegenden Seite der Isolationsschicht eine Rückseitenmetallisierung vorzusehen, um mit der entsprechenden Symmetrie im Hinblick auf die thermischen Ausdehnungskoeffizienten in Stapelrichtung einem Durchbiegen entgegenzuwirken. Da allerdings die Bauteilmetallisierung in der Regel nicht dicker ist als 0,8 mm, würde eine symmetrische Ausbildung der Rückseitenmetallisierung dazu führen, dass eine entsprechend ausgeformte Rückseitenmetallisierung sehr dünn ist und nicht die erforderliche Wärmekapazität bereitstellt, die insbesondere gewünscht ist, um Wärme abzuleiten bzw. um einen thermischen Puffer in Überlastsituation bereitzustellen.
Ausgehend hiervon macht es sich die vorliegende Erfindung zur Aufgabe, ein Verfahren zur Herstellung eines Metall-Keramik-Substrats und ein Metall-Keramik-Substrat bereitzustellen, dessen Temperaturwechselbeständigkeit verbessert ist gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren und Metall-Keramik-Substraten.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung eines Metall-Keramik-Substrats gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 9 und ein Metall-Keramik-Substrats gemäß Anspruch 10 gelöst. Weitere Vorteile und Eigenschaften ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der Beschreibung und den beigefügten Figuren.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Metall-Keramik-Substrats vorgesehen, umfassend:

- Bereitstellen eines Keramikelements und mindestens einer Metallschicht, wobei sich das Keramikelement und die mindestens eine Metallschicht entlang einer Haupterstreckungsebene erstrecken,
- Verbinden des Keramikelements mit der mindestens einen Metallschicht zur Ausbildung eines Metall-Keramik-Substrats, insbesondere mittels eines Direktmetallanbindungsverfahrens, eines heißisostatischen Pressens und/oder eines Lötverfahrens, und
- Bearbeiten der mindestens einen Metallschicht mittels eines mechanischen Werkzeugs und/oder Laserlicht zum mindestens abschnittsweise Festlegen einer Geometrie einer nicht parallel zur Haupterstreckungsebene verlaufenden Seitenfläche der mindestens einen Metallschicht, insbesondere am gefertigten Metall-Keram ik-Substrat.

Gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren ist es vorgesehen, zum zumindest abschnittsweise erfolgenden Festlegen der Geometrie der Seitenflächen ein mechanisches Werkzeug und/oder einen Laser zu verwenden. Mit anderen Worten: Mit dem anspruchsgemäßen Verfahren wird ein entsprechender Verlauf der Seitenflächen realisiert, um beispielsweise so die Temperaturwechselbeständigkeit der Anbindung der mindestens einen Metallschicht an das Keramikelement zu verbessern. Dies erweist sich insbesondere in solchen Fällen als besonders vorteilhaft, in denen eine Strukturierung oder die Ausbildung der Seitenflächen nicht im Rahmen eines üblichen Ätzvorganges erfolgt, bei dem automatisch ein gebogener oder schräger Ätzkantenverlauf an dem Grenzbereich zwischen der mindesten einen Metallschicht und dem Keramikelement erzeugt wird, der sich vorteilhaft auf die Temperaturwechselbeständigkeit der Bindung zwischen der mindestens einen Metallschicht und der Keramikschicht auswirkt.
Weiterhin hat es sich als vorteilhaft erwiesen, mittels eines mechanischen Werkzeugs und/oder Laserlichts die Geometrie der Seitenflächen festzulegen, da dies eine präzisere und insbesondere reproduzierbare Art und Weise darstellt, die Seitenflächen bezüglich ihrer Geometrie festzulegen, insbesondere im Vergleich zum ätzenden Herstellen der Seitenflächen. Unter dem Festlegen der Geometrie ist insbesondere zu verstehen, dass durch die Einwirkung des mechanischen Werkzeugs und des Laserlichts ein Verlauf der Seitenfläche produziert wird, der im gefertigten Metall- Keramik-Substrat von einem im Wesentlichen geraden und senkrecht zur Haupterstreckungsebene bzw. zur Oberseite des Keramikelements erstreckenden Verlauf abweicht. Insbesondere ist es sogar möglich, mittels eines mechanischen Werkzeugs und/oder eines Lasers gezielt modulierte Seitenflächenverläufe einzustellen, bei denen beispielsweise ein Krümmungsradius der Seitenfläche entlang einer parallel zur Haupterstreckungsebene verlaufenden Richtung moduliert ist und/oder im Verlauf der Seitenfläche lokal Maxima und Minima ausgeprägt sind.
Insbesondere handelt es sich bei den hergestellten Metall-Keramik-Substraten um Leiterplatten, bei denen das Keramikelement als Isolation zwischen zwei Metallabschnitten der mindestens einen Metallschicht dient. Dabei bilden die einzelnen Abschnitte der mindestens einen Metallschicht Leiterbahnen und/oder Anschlüsse aus, an die wiederrum elektrische oder elektronische Bauteile anbindbar sind, die von den Keramikelementen beziehungsweise von der Leiterplatte getragen werden. Durch die Ausbildung der Seitenflächen, insbesondere im Rahmen einer Strukturierung, werden die einzelnen Metallabschnitte der mindestens einen Metallschicht voneinander getrennt, so dass sogenannte Isolationsgräben zwischen den einzelnen Metallabschnitten realisiert werden, wodurch die einzelnen Metallabschnitte voneinander elektrisch isoliert werden.
Weiterhin ist es bevorzugt vorstellbar, dass der Verlauf der Seitenfläche durch eine Kombination aus einem Ätzverfahren und einem Bearbeiten mit einem mechanischen Werkzeug und/oder Laser festgelegt bzw. bestimmt wird.
Weiterhin ist es besonders bevorzugt vorgesehen, dass, neben der mindestens einen Metallschicht, auf der mindestens einen Metallschicht gegenüberliegenden Seite des Keramikelements eine Rückseitenmetallisierung vorgesehen ist. Vorzugsweise ist die Rückseitenmetallisierung dazu vorgesehen, einem Durchbiegen des Metall-Keramik-Substrats entgegenzuwirken, was andernfalls aufgrund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten zu erwarten wäre. Um zudem in Überlastsituation einen Puffer bereitstellen zu können, ist es bevorzugt vorgesehen, dass zur Ausbildung einer ausreichenden Wärmekapazität die Rückseitenmetallisierung eine entsprechend große Dicke aufweist. Um wiederum einem Durchbiegen, veranlasst durch die vergleichsweise große Dicke der Rückseitenmetallisierung, entgegenzuwirken, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die Dicke der mindestens einen Metallschicht vergleichbar groß zur Dicke der Rückseitenmetallisierung zu gestalten. Dabei erweist sich die erhöhte Dicke der mindestens einen Metallschicht auch hier als besonders vorteilhaft für die Erhöhung der Wärmekapazität, da dadurch bereits an der Bauteilseite eine wirksame Wärmespreizung veranlasst werden kann. Grundsätzlich erweist sich eine dickere mindestens eine Metallschicht und/oder Rückseitenmetallisierung zudem als vorteilhaft, weil sie die Wärmekapazität erhöht, wodurch eine bessere Kühlung möglich ist und gleichzeitig die mechanische Stabilität erhöht wird. Dies ermöglicht beispielsweise einen Wegfall einer Bodenplatte.
Vorzugsweise wird die mindestens eine Metallschicht vor und/oder nach der Verbindung mit dem Keramikelement mittels eines mechanischen Werkzeugs bearbeitet, vorzugsweise mit unterschiedlichen Werkzeugen, wodurch eine Vielzahl von verschiedenen geometrischen Formen realisierbar sind. Vorzugsweise erfolgt eine Bearbeitung mittels des mechanischen Werkzeugs und/oder mittels des Laserlichts vor dem Durchführen des Verbindens der mindestens einen Metallschicht mit dem Keramikelement und nach dem Verbinden wird die Metallschicht auf der gegenüberliegenden Seite mit demselben oder einem anderen mechanischen Werkzeug, mit Laserlicht und/oder mit einem Ätzmittel zum lokalen Abtragen von Metall bearbeitet. Vorzugsweise erfolgt so die Strukturierung. Dabei erfolgt die Bearbeitung der Metallschicht an den gegenüberliegenden Seiten vorzugsweise deckungsgleich entlang der senkrecht zur Haupterstreckungsebene verlaufenden Stapelrichtung.
Als Materialien für die mindestens eine Metallschicht bzw. die Rückseitenmetallisierung im Metall-Keramik-Substrat, sind Kupfer, Aluminium, Molybdän und/oder deren Legierungen, sowie Laminate wie CuW, CuMo, CuAI, AICu und/oder CuCu vorstellbar, insbesondere eine Kupfer-Sandwichstruktur mit einer ersten Kupferschicht und einer zweiten Kupferschicht, wobei sich eine Korngröße in der ersten Kupferschicht von der Korngröße in einer zweiten Kupferschicht unterscheidet. Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass die primäre Metalllage, insbesondere als Bauteilmetallisierung, oberflächenmodifiziert ist. Als Oberflächenmodifikation ist beispielsweise eine Versiegelung mit einem Edelmetall, insbesondere Silber und/oder Gold, oder ENIG („electroless nickel immersion gold“), Nickel oder ein Kantenverguss an der mindestens einen Metallschicht zur Unterdrückung einer Rissbildung bzw. -weitung denkbar.
Vorzugsweise weist das Keramikelement Al₂O₃, Si₃N₄, AlN, eine HPSX-Keramik (d. h. eine Keramik mit einer Al₂O₃- Matrix, die einen x-prozentigen Anteil an ZrO₂ umfasst, beispielsweise Al₂O₃ mit 9% ZrO₂ = HPS9 oder Al₂O₃ mit 25% ZrO₂ = HPS25), SiC, BeO, MgO, hochdichtes MgO (> 90% der theoretischen Dichte), TSZ (tetragonal stabilisiertes Zirkonoxid) oder ZTA als Material für die Keramik auf. Es ist dabei auch vorstellbar, dass das Keramikelement als Verbund- bzw. Hybridkeramik ausgebildet ist, bei der zur Kombination verschiedener gewünschter Eigenschaften mehrere Keramikschichten, die sich jeweils in Hinblick auf ihre materielle Zusammensetzung unterscheiden, übereinander angeordnet und zu einer Isolationsschicht zusammengefügt sind. Denkbar ist auch, dass zwischen zwei Keramikschichten eine metallische Zwischenschicht angeordnet ist, die vorzugsweise dicker als 1,5 mm und/oder dicker als die zwei Keramikschichten in Summe ist. Vorzugsweise wird eine möglichst wärmeleitfähige Keramik für einen möglichst geringen Wärmewiderstand verwendet.
Unter einem „DCB-Verfahren“ (Direct-Copper-Bond-Technology) oder einem „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 oder Aluminiumblechen 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. Kupfers), 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.
Insbesondere weist das DCB-Verfahren dann z. B. folgende Verfahrensschritte auf:

• Oxidieren einer Kupferfolie derart, dass sich eine gleichmäßige Kupferoxidschicht ergibt;
• Auflegen des 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.

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, wird bei einer Temperatur zwischen ca. 600-1000°C eine Verbindung zwischen einer Metallfolie, beispielsweise 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. Alternativ ist zur Anbindung auch ein Dickschichtverfahren vorstellbar.
Das heißisostatische Pressen ist beispielsweise aus der EP 3 080 055 B1 bekannt, auf deren Inhalt bezüglich des heißisostatischen Pressens hiermit explizit Bezug genommen wird.
Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass im gefertigten Zustand die mindestens eine Metallschicht mit zunehmenden Abstand von dem Keramikelement, mindestens abschnittsweise, verjüngt. Dies erweist sich insbesondere für eine Wärmespreizung als vorteilhaft und erlaubt es, die elektrischen Bauteile möglichst nah an den Rand des jeweiligen Metallabschnitts der mindestens einen Metallschicht anzuordnen.
Weiterhin ist es bevorzugt vorgesehen, dass die mindestens eine Metallschicht eine senkrecht zur Haupterstreckungsebene verlaufende Dicke aufweist, die größer ist als 1 mm, bevorzugt größer als 1,3 mm und besonders bevorzugt zwischen 1,5 und 3 mm liegt. Insbesondere für solche Metall-Keramik-Substrate mit derartigen großen Dicken hat sich das Verwenden eines mechanischen Werkzeugs oder von Laserlicht für das Separieren einzelner Abschnitte in der mindestens einen Metallschicht als vorteilhaft erwiesen, da dies vergleichsweise schmale Isolationsgräben realisiert, wodurch ein möglichst dichtes Muster an Leitungsbahnen und Anschlüssen realisierbar ist. Andernfalls würde durch einen entsprechenden Ätzvorgang ein Aspektverhältnis von kleiner als 1 realisiert werden, wobei das Aspektverhältnis ein Verhältnis der Tiefe zur Breite definiert. In entsprechender Weise würde mit der Dicke der mindestens einen Metallschicht oberhalb von 1 mm ein vergleichsweise großer Abstand zwischen den zwei voneinander elektrisch isolierten Metallabschnitten in der mindestens einen Metallschicht veranlasst werden. Insbesondere ist es von Vorteil, wenn die Ausnehmung zwischen zwei Abschnitten der mindestens einen Metallschicht ein Aspektverhältnis aufweist, das größer ist als 1, vorzugsweise größer als 1, 5 und besonders bevorzugt größer als 2.
Weiterhin ist es bevorzugt vorgesehen, dass das Bearbeiten mit dem mechanischen Werkzeug und/oder dem Laserlicht vor dem Verbinden des Keramikelements mit der mindestens einen Metallschicht durchgeführt wird. Dadurch ist es in vorteilhafter Weise möglich, diejenige Seite der mindestens einen Metallschicht zu strukturieren und/oder zu bearbeiten, die im angebundenen Zustand dem Keramikelement zugewandt ist. Im Anschluss lässt sich dann die übrig gebliebene Metallisierung (vorzugsweise in Form eines Stegs), die die einzelnen Metallabschnitte verbindet (insbesondere auf der Seite oder an Oberflächenseite der mindestens einen Metallschicht, die dem Keramikelement abgewandt ist) abtragen, um so die vollständige Isolation zwischen zwei benachbarten Abschnitten der mindestens einen Metallschicht zu gewährleisten.
Weiterhin ist es vorstellbar, dass das mechanische Werkzeug eine Präge- und/oder Stanzvorrichtung ist und/oder ein Fräs- oder Sägeblatt umfasst. Bei dem verwendeten Licht kann es sich beispielsweise um kontinuierlich emittiertes oder gepulstes Licht handeln. Bevorzugt handelt es sich um Ultakurzpulslaserlicht, mit Lichtpulsen, deren Pulslänge oder Pulsdauern kürzer sind als eine Nanosekunde.
Weiterhin ist es bevorzugt vorgesehen, dass das Bearbeiten derart durchgeführt wird, dass ein mindestens zwei Abschnitte der mindestens einen Metallschicht verbindender Steg realisiert wird. Der Steg ist insbesondere derart dimensioniert, dass er beispielsweise eine einfache und formstabile Handhabung bzw. einen einfachen Transport der mindestens einen Metallschicht erlaubt und so ein einfaches Anordnen aus dem Keramikelement gestattet. Vorstellbar ist auch, dass der Steg nicht vollständig nach der Anbindung der mindestens einen Metallschicht an das Keramikelement entfernt wird, sondern Abschnitte des Stegs als Anschlussfläche bereitgestellt werden. In anderen Worten: der Steg wird nur teilweise entfernt, d. h. ein überhängender Abschnitt des Stegs wird stehengelassen und somit bereitgestellt, um mit ihm gegebenenfalls eine Anbindung an einen anderen Metallabschnitt und/oder an ein elektrisches Bauteil und/oder eine externe Steuerquelle zu vollziehen.
Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass der Steg nach dem Verbinden, zumindestens abschnittsweise entfernt wird, beispielsweise durch Laser und/oder Ätzen und/oder Fräsen und/oder Funkenerodieren und/oder ein elektro-chemisches Verfahren. Dadurch lässt sich die finale Trennung der Abschnitte in der mindestens einen Metallschicht realisieren.
Weiterhin ist es vorstellbar, dass das mechanische Werkzeug einFräswerkzeug, beispielsweise ein Fräskopf, und ein Sägeblatt und/oder einen Stanz- oder Prägeteil umfasst, dessen Form die Geometrie der Seitenfläche bestimmt. Dadurch ist es in einfacher Weise möglich, die Geometrie, der Seitenfläche mit der Form des Werkzeugs zu bestimmen und in reprozierbarer und präziser Weise festzulegen.
Weiterhin ist es bevorzugt vorgesehen, dass die gefertigte Seitenfläche, zumindest abschnittsweise, schräg und/oder gebogen und/oder geschwungen und/oder gestuft verläuft. In entsprechender Weise lässt sich an den jeweiligen Anwendungsfall die optimierte Geometrie für den Seitenfläche einstellen, sodass das hergestellte Metall-Keramik-Substrat die ausreichende Temperaturwechselbeständigkeit aufweist, um eine gewünschte, vergleichsweise hohe Lebensdauer für das Metall-Keramik-Substrat zu garantieren.
Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass das Bearbeiten mittels mehrerer verschiedener mechanischer Werkzeuge erfolgt. Dadurch lassen sich weitere Feinheiten in der Geometrie, insbesondere in flexibler Art und Weise, realisieren. Beispielsweise werden unterschiedliche Fräs- oder Prägewerkzeuge mit unterschiedlichem Außenkonturen verwendet, um unterschiedliche Geometrien oder einen bestimmten Verlauf an der Seitenfläche zu realisieren.
Insbesondere ist es vorgesehen, dass die mindestens eine Metallschicht und/oder die mindestens eine weitere Metallschicht vor dem Verbinden zum Vorverbund strukturiert werden.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Metall-Keramik-Substrats, umfassend:

- Bereitstellen eines Keramikelements, mindestens einer Metallschicht und mindestens einer weiteren Metallschicht, wobei sich das Keramikelement, die mindestens eine Metallschicht und die mindestens eine weitere Metallschicht entlang einer Haupterstreckungsebene erstrecken,
- Verbinden der mindestens einen Metallschicht und der mindestens einen weiteren Metallschicht zu einem Vorverbund,
- Verbinden des Keramikelements mit dem Vorverbund, insbesondere mittels eines Direktmetallanbindungsverfahrens, eines heißisostatischen Pressens und/oder eines Lötverfahrens, und
- Bearbeiten der mindestens einen Metallschicht mittels eines mechanischen Werkzeugs und/oder Laserlicht und Bearbeiten der mindestens einen weiteren Metallschicht mittels Ätzens, vorzugsweise zeitlich vor dem Verbinden, zum mindestens abschnittsweise Festlegen einer Geometrie einer nicht parallel zur Haupterstreckungsebene verlaufenden Seitenfläche des Vorverbunds aus der mindestens einen Metallschicht und der mindestens einen weiteren Metallschicht. Alle für das oben Verfahren beschriebenen Eigenschaften und Vorteile lassen sich analog übertragen auf diese Verfahren und andersrum.

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Metall-Keramik-Substrat hergestellt mit dem erfindungsgemäßen Verfahren. Alle für das Verfahren beschriebenen Eigenschaften und Vorteile lassen sich analog übertragen auf das Metall-Keramik-Substrat und andersrum. Insbesondere ist das Metall-Keramik-Substrat Bestandteil eines Leistungsmoduls und dient als Träger von elektrischen oder elektronischen Bauteilen.
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.
Es zeigt:

1: ein Metall-Keramik-Substrat gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
2 ein Metall-Keramik-Substrat gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
3 ein Verfahren zur Herstellung eines Metall-Keramik-Substrats gemäß einer ersten, einer zweiten und einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
4 ein Verfahren zur Herstellung eines Metall-Keramik-Substrats gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
5 ein Verfahren zur Herstellung eines Metall-Keramik-Substrats gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und
6 ein Verfahren zur Herstellung eines Metall-Keramik-Substrats gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
7 ein Verfahren zur Herstellung eines Metall-Keramik-Substrats gemäß einer siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
Fig .8a bis 8h verschiedene Seitenflächen für ein Metall-Keramik-Substrat hergestellt mit einem Verfahren gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
9a und 9b in Verfahren zur Herstellung eines Metall-Keramik-Substrats gemäß einer achten bevorzugten Ausführungsform der vorliegende Erfindung und
10a bis 10c verschiedene Seitenflächen für ein Verfahren hergestellt mit einem Verfahren gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegende Erfindung.

In 1 ist schematisch ein Metall-Keramik-Substrat 1 gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Bei solch einem Metall-Keramik-Substrat 1 handelt es sich vorzugsweise um einen Träger für elektrische Bauteile. Dabei ist es insbesondere vorgesehen, dass das Metall-Keramik-Substrat 1 ein Keramikelement 30 und mindestens eine Metallschicht 10 aufweist, wobei sich das Keramikelement 30 und die mindestens eine Metallschicht 10 entlang einer Haupterstreckungsebene HSE erstrecken. Dabei ist die mindestens eine Metallschicht 10 an dem Keramikelement 30 angebunden, wobei die mindestens eine Metallschicht 10 und das Keramikelement 30 in einer senkrecht zur Haupterstreckungsebene HSE verlaufenden Stapelrichtung S übereinander angeordnet sind. Dabei ist es insbesondere vorgesehen, dass die mindestens eine Metallschicht 10 eine Mehrzahl an Metallabschnitten aufweist, die beispielsweise elektrisch isoliert voneinander nebeneinander entlang einer parallel zur Haupterstreckungsebene HSE verlaufenden Richtung angeordnet sind.
Weiterhin ist es besonders bevorzugt vorgesehen, dass in Stapelrichtung S gesehen, an dem Keramikelement 30 an der mindestens einen Metallschicht 10 gegenüberliegenden Seite eine Rückseitenmetallisierung 20 vorgesehen ist. Die Rückseitenmetallisierung 20 ist insbesondere dazu vorgesehen, andernfalls im Betrieb auftretenden Verbiegungen entgegenzuwirken, die durch thermomechanische Spannungen veranlasst werden, die wiederrum Folge unterschiedlicher Ausdehnungskoeffizienten in der mindestens eine Metallschicht 10 und dem Keramikelement 30 sind. Gleichzeitig soll die Rückseitenmetallisierung 20 eine ausreichende Wärmekapazität bereitstellen, die insbesondere deswegen gewünscht ist, um einen entsprechenden Puffer in Überlastsituationen bereitstellen zu können. Dabei erweist sich auch die erhöhte Dicke der mindestens einen Metallschicht 10 hier als besonders vorteilhaft für die Erhöhung der Wärmekapazität, da dadurch bereits an der Bauteilseite eine wirksame Wärmespreizung veranlasst werden kann. Grundsätzlich erweist sich eine dickere mindestens eine Metallschicht 10 und/oder Rückseitenmetallisierung 20 zudem als vorteilhaft, weil sie die Wärmekapazität erhöht, wodurch eine bessere Kühlung möglich ist und gleichzeitig die mechanische Stabilität erhöht wird. Dies ermöglicht beispielsweise einen Wegfall einer Bodenplatte.
Dies erfordert eine gewisse Dicke der Rückseitenmetallisierung 20, um die gewünschte Wärmekapazität bereitzustellen. Um gleichzeitig wiederrum eine symmetrische Gestaltung der mindestens einen Metallschicht 10 und der Rückseitenmetallisierung 20 zu gewährleisten, ist es in bevorzugter Weise vorgesehen, dass die mindestens eine Metallschicht 10 eine senkrechte zur Haupterstreckungsebene HSE verlaufende Dicke D1 aufweist, die größer ist als 1 mm, bevorzugt größer ist als 1,3 mm oder besonders bevorzugt zwischen 1,5 mm und 3 mm liegt. Mit derartig vergleichsweise großen Dicken der mindestens einen Metallschicht 10 ist es möglich, eine vergleichsweise hohe Symmetrie zwischen der mindestens einen Metallschicht 10 und der Rückseitenmetallisierung 20 zu veranlassen und gleichzeitig eine ausreichende Wärmekapazität durch die Rückseitenmetallisierung 20 zu gewährleisten. Um bei derartig großen Dicken D1 der mindestens einen Metallschicht 10 die Oberfläche des Keramikelements 30 möglichst dicht mit Metallabschnitten auszustatten, ist es wünschenswert, vergleichsweise schmale Gräben, sogenannte Isolationsgräben, zwischen den einzelnen Metallabschnitten der mindestens einen Metallschicht 10 zu realisieren.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass ein Bereich zwischen zwei Metallabschnitten der mindestens einen Metallschicht 10 ein Aspektverhältnis aufweist, das größer ist als 1, bevorzugt größer als 1,5 und besonders bevorzugt größer als 2. Da derartige Aspektverhältnisse mittels Ätzen nicht bzw. nur aufwändig realisierbar sind, ist es vorteilhafter Weise vorgesehen, derartige Strukturierungen der mindestens einen Metallschicht 10 mittels eines mechanischen Werkzeugs 40 oder mittels Laserlicht zu realisieren. Dabei ist es besonders bevorzugt vorgesehen, dass vor dem Verbinden, insbesondere vor einem Verbinden mittels eines DCB-, DAB- oder Aktivlötverfahren oder mittels eines heißisostatischen Pressens, die mindestens eine Metallschicht 10 strukturiert wird, beziehungsweise mit einem mechanischen Werkzeug 40 und/oder mittels Laserlicht bearbeitet wird. Beispielsweise kann es sich bei dem mechanischen Werkzeug 40 um einen Fräswerkzeug und/oder einem Stanz- oder Prägewerkzeug handeln, mit dem die mindestens eine Metallschicht 10 strukturiert wird. Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass das Bearbeiten mittels des mechanischen Werkzeugs 40 oder des Laserlichts derart erfolgt, dass die mindestens eine Metallschicht 10 als Bauteil noch transportfähig bleibt. Hierzu wird beispielsweise darauf verzichtet, mittels des mechanischen Werkzeugs 40 oder des Laserlichts einzelne Metallabschnitte voneinander zu trennen, d. h. es werden Stege 14 zwischen den Metallabschnitten in der mindestens einen Metallschicht 10 realisiert, die ausreichend dick sind, so dass sie während eines Transports oder einer Handhabung, beispielsweise mittels eines Roboters, nicht verbiegen.
Nachdem die mindestens eine Metallschicht 10 auf dem Keramikelement 30 angeordnet wird, insbesondere derart, dass die strukturierte Seite der mindestens eine Metallschicht 10 dem Keramikelement 30 zugewandt ist, wird vorzugsweise ein Anbindungsverfahren, wie beispielsweise ein Direktanbindungsverfahren, ein heißisostatisches Pressen oder ein Aktivlötverfahren, dazu genutzt, um die mindestens eine Metallschicht 10 mit dem Keramikelement 30 zu verbinden.
In einem anschließenden Verfahrensschritt ist es vorstellbar, dass der Steg 14, der zwei benachbarte Metallabschnitte der mindestens einen Metallschicht 10 miteinander verbindet, teilweise oder vollständig entfernt wird, beispielsweise mittels eines mechanischen Bearbeitens, mittels Laserlicht oder eines chemischen Vorgangs bzw. Ätzvorgangs. Dadurch werden nach dem Verbinden Metallabschnitte auf dem Keramikelement 10 bereitgestellt, die vergleichsweise nah beieinander angeordnet sind und so vergleichsweise schmale Isolationsgräben bereitstellen. Es ist auch vorstellbar, dass beispielsweise unter Heranziehen von Laserlicht oder eines mechanischen Werkzeugs 40 der Steg 14 nur teilweise bzw. abschnittsweise entfernt wird, und dass beispielweise von der Oberseite der mindestens einen Metallschicht 10 lateral in Richtung der Haupterstreckungsebene HSE überstehende Stegabschnitte als Anschlussfahne oder Anschlussbereiche verwendet werden, um beispielsweise verschiedene Metallabschnitte der mindestens einen Metallschicht 10 miteinander zu verbinden und/oder eine Verbindung zwischen Bauteilen zu realisieren und/oder einen Anschluss an eine externe Steuerung zu realisieren.
In 2 ist ein Metall-Keramik-Substrat 1 gemäß einer zweiten beispielhaften Ausführung der vorliegenden Erfindung dargestellt. Insbesondere ist hierbei vorgesehen, dass eine Geometrie einer nicht parallel zur Haupterstreckungsebene HSE verlaufenden Seitenfläche 15 durch Bearbeiten mittels des mechanischen Werkzeugs 40 und/oder des Laserlichts festgelegt wird. Während im Stand der Technik, insbesondere durch das Ätzen, ein Verlauf in der Seitenflächen15 erzeugt wird, der insbesondere gebogen oder schräg zur Haupterstreckungsebene HSE verläuft, ist dies nicht zwingend der Fall, wenn man ein mechanisches Werkzeug 40 oder Laserlicht verwendet. Da sich allerdings die schräg bzw. gebogenen Seitenfläche 15, insbesondere am Grenzbereich zwischen der mindestens einen Metallschicht 10 und dem Keramikelement 30 für die Temperaturwechselbeständigkeit als vorteilhaft erwiesen hat, ist es von Vorteil für vergleichsweise schmale Isolationsgräben, die durch alleiniges Ätzen nicht realisierbar sind, mittels des mechanischen Werkzeugs 40 oder mit dem Laserlicht die Geometrie der Seitenfläche 15 festzulegen. In der in 2 dargestellten Ausführungsform nehmen hierbei Abschnitte der Seitenfläche 15 in der mindestens einen Metallschicht 10 im unteren Drittel, d. h. in dem Drittel, das dem Keramikelement 30 zugewandt ist, einen gebogenen, bzw. geschwungenen Verlaufen an. Dadurch ist es auch in vorteilhafter Weise möglich, den für die Temperaturwechselbeständigkeit vorteilhaften Verlauf der Seitenfläche 15 auch für solche Metall-Keramik-Substrate 1 zu realisieren, bei denen die mindestens eine Metallschicht 10 vergleichsweise dick ist und bei dem Aspektverhältnisse vorgesehen sind, die größer sind als 1 und somit ein alleiniges Ätzen der Isolationsgräben nicht ohne weiteres auf der Hand liegt.
Weiterhin hat es sich als vorteilhaft erwiesen, dass durch die Nutzung eines mechanischen Werkzeugs 40 und/oder Laserlichts zur Ausbildung der Geometrie der Seitenfläche 15 diese reproduzierbarer hergestellt werden kann im Vergleich zur Fertigung durch ein Ätzen und zudem genauer modifiziert werden kann. Insbesondere ist es sogar vorstellbar, dass mittels des mechanisches Werkzeuges 40 und/oder des Laserlichts ein Krümmungsradius entlang der Seitenfläche 15 bzw. in einer parallel zur Haupterstreckungsebene HSE verlaufenden Richtung modifizierbar ist bzw. modifiziert wird. Dies ist im Falle eines isotop-wirkenden Ätzens in der Regel nicht der Fall, bei dem eine unabhängige Anpassung der verschiedenen Abschnitte der Seitenfläche 15 voneinander nicht bzw. nur eingeschränkt möglich ist.
In 3 sind Metall-Keramik-Substrate 1 gemäß einer dritten (links), vierten (mittel) und fünften (rechts) Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Insbesondere zeigt die 3 die jeweiligen Metall-Keramik-Substrate 1 schematisch mit mechanischen Werkzeugen 40, mit denen die mindestens eine Metallschicht 10 strukturiert wird, um entsprechende Ausnehmungen bzw. Isolationsbereiche zwischen Abschnitten der mindestens einen Metallschicht 10 zu realisieren. Beispielsweise zeigt das Ausführungsbeispiel auf der linken Seite einen Fräskopf, der im Wesentlichen kegelförmig ist, wodurch ein im Wesentlich schrägverlaufender Geometrie der Seitenflächen 15 realisierbar ist. Dabei ist es insbesondere vorgesehen, dass der Fräskopf schmaler ist als die Ausnehmung zwischen den benachbarten Metallabschnitten der mindestens einen Metallschicht 10. In der Mitte der 3 ist ein Fräskopf mit einem runden Profil bzw. mit einer runden Außenseite dargestellt, der insbesondere einen gebogenen Verlauf der Seitenflächen 15 in der mindestens einen Metallschicht 10 ermöglicht. In der rechts dargestellten Ausführungsform ist für das Herstellen bzw. Strukturieren zwischen zwei Metallabschnitten der mindestens einen Metallschicht 10, d. h. zum Geometriefestlegen der Seitenflächen 15, ein Sägeblatt vorgesehen, dessen Außenkonturen im Wesentlichen keilförmig oder trapezförmig ist, um entsprechende Seitenflächen 15 an der mindestens einen Metallschicht 10 so zu gestalten, dass sie schräg, insbesondere nicht unter Ausbildung eines Winkels von 90°, zur Haupterstreckungsebene HSE verlaufen.
In 4 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Metall-Keramik-Substrats 1 gemäß einer vierten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Dabei ist es insbesondere vorgesehen, dass die mindestens eine Metallschicht 10, beispielsweise mittels eines Prägewerkzeugs, strukturiert wird und kombiniert wird mit einer weiteren Metallschicht 10', in die mittels eines Ätzvorgangs eine Strukturierung eingelassen wurde. Insbesondere ist es dabei vorgesehen, dass die strukturierte mindestens eine Metallschicht 10 derart strukturiert ist, dass ihre Strukturierung deckungsgleich mit der Strukturierung in der mindestens einen weiteren Metallschicht 10' ausgestaltet ist, sodass ein Verbinden der mindestens einen Metallschicht 10 und der mindestens einen weiteren Metallschicht 10' zu einem Vorverbund führt, bei dem die während der einzelnen Strukturierungen hergestellten Geometrien im Vorverbund miteinander kombiniert sind. Dabei ist es insbesondere vorgesehen, dass die mindestens eine Metallschicht 10 mehr als 0,5-mal, bevorzugt mehr als 1 ,0-mal und besonders bevorzugt mehr als 2,0-mal so dick ist wie mindestens eine weitere Metallschicht 10'. Dadurch lassen sich insbesondere in der mindestens einen Metallschicht 10 vergleichsweise große und tiefe, vorzugsweise, gerade und/oder senkrecht zur Haupterstreckungsebene verlaufende (Teil-)Seitenflächen 15 realisieren, während sich mittels der mindestens einen weiteren Metallschicht 10' ein geschwungener oder gebogener Verlauf der (Teil-)Seitenfläche 15 erstellt, insbesondere an einem im gefertigten Zustand dem Keramikelement 30 zugewandten Abschnitt. Dabei ist es besonders bevorzugt vorgesehen, dass die mindestens eine Metallschicht 10 und/oder die mindestens eine weitere Metallschicht 10' zur Verbindung im Vorverbund derart erwärmt werden, dass sich eine Verbindung zwischen ihnen ausbildet, wodurch die mindestens eine Metallschicht 10 und die mindestens eine weitere Metallschicht 10' zu einem einstückigen, insbesondere monolithischen, Körper verbunden werden, der sich vergleichsweise einfach auf ein Keramikelement 30 anbringen lässt. Dabei ist es vorgesehen, dass nach der Anbindung der mindestens einen Metallschicht 10 bzw. des Vorverbunds an das Keramikelement 30 die mindestens eine Metallschicht 10 bzw. der Vorverbund derart bearbeitet wird, dass ein die beiden benachbarten Metallabschnitte verbindender Steg 14 entfernt wird und/oder derart strukturiert wird, dass zwei benachbarte Metallabschnitte hergestellt werden, zwischen denen ein vergleichsweise schmaler Isolationsgraben angeordnet ist. Dabei ist es beispielsweise vorstellbar, dass durch den Ätzvorgang in der mindestens einen weiteren Metallschicht 10' die gewünschte geschwungene bzw. gebogene Seitenfläche an der gefertigten mindestens einen Metallschicht 10 bzw. am Vorverbund realisiert wird.
In 5 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Metall-Keramik-Substrats 1 gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schematisch dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel ist es vorgesehen, in die mindestens eine Metallschicht 10 an einer im gefertigten Zustand dem Keramikelement 30 zugewandten Seite eine Strukturierung vorzunehmen, beispielsweise mittels Ätzens, und anschließend eine Anbindung der mindestens einen Metallschicht 10 an Keramikelement 30 zu realisieren. Dabei ist es insbesondere vorgesehen, dass die geätzten Strukturierungen in der mindestens einen Metallschicht 10 vorzugsweise derart platziert sind, dass sie die Bereiche der geplanten Isolationsgräben festlegen. Mit einem anschließenden mechanischen Bearbeiten in den Bereichen oberhalb dieser geätzten Strukturen, werden die Isolationsgräben freigelegt. Dabei wird durch eine Kombination des Ätzens und des mechanischen Bearbeitens bzw. mittels Laserlicht der Verlauf bzw. die Geometrie der Seitenfläche 15 festgelegt. Damit lassen sich beispielsweise entsprechende Isolationsgräben mit Überschneidung im Bereich des Keramikelements 30 realisieren. Insbesondere ist dabei nicht zu befürchten, dass mittels des mechanischen Werkzeugs 40 eine Beschädigung am Keramikelement 30 erfolgt.
In 6 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Metall-Keramik-Substrats 1 gemäß einer sechsten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Dabei unterscheidet sich die Ausführungsform der 6 im Wesentlichen von derjenigen aus der 5 nur dahingehend, dass neben einer Strukturierung der Seite, die im gefertigten Zustand dem Keramikelement 30 zugewandt ist, zusätzlich eine Strukturierung an der gegenüberliegenden Seite, insbesondere deckungsgleich zur Strukturierung an der dem Keramikelement 30 zugewandten Seite, vorgenommen wird. Dadurch, d. h. durch die beidseitige Strukturierung der mindestens einen Metallschicht 10 ist es auch nach dem Anbinden an das Keramikelement 30 von außen sichtbar, an welchen Stellen die Strukturierung in der mindestens einen Metallschicht 10 platziert sind, um so in den nachfolgenden mechanischen Bearbeitung, beispielweise mittels eine Fräs- oder eines Sägewerkzeugs, und/oder mittels Laserlicht die Metallbereiche noch zu entfernen, die zwischen den strukturierten Oberseiten oder strukturierten Ausnehmungen an den gegenüberliegenden Seite der mindestens einen Metallschicht 10 zu entfernen, wodurch die Isolationsgräben final freigelegt werden.
In 7 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Metall-Keramik-Substrats 1 gemäß einer siebten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Insbesondere ist es dabei vorgesehen, dass in einem Präparationsschritt in der mindestens einen Metallschicht 10 Aussparungen bzw. Ausnehmungen 50 eingelassen werden, insbesondere unter Verwendung eines mechanischen Werkzeugs oder Laserlichts, um anschließend die mindestens eine Metallschicht 10 mit der Seite, die die Ausnehmung 50 und/oder Aussparung umfasst, an das Keramikelement 30 anzubinden. Anschließend wird durch ein weiteres Abtragen von Metall der mindestens einen Metallschicht 10, beispielsweise durch ein Ätzen, die Aussparung bzw. Ausnehmung 50, die während des Anbindungsprozesses dem Keramikelement 30 zugewandt ist, von der gegenüberliegenden Seite kommend freigelegt. Dabei wird vorzugsweise ein gestufter Verlauf der Seitenfläche 15 realisiert, indem an den gegenüberliegenden Seiten der mindestens einen Metallschicht 10 unterschiedlich breite Ausnehmung realisiert werden. Dabei ist es besonders bevorzugt vorgesehen, wenn eine Stufenhöhe der Seitenfläche 15 der einzelnen Stufen in etwa gleich groß ist, um eine möglichst effiziente Wärmespreizung für die Bauteile, die im Randbereich der mindestens einen Metallschicht 10 bzw. der entsprechenden Metallisierung angeordnet sind, zu bewirken. Alternativ ist es vorstellbar, dass beispielsweise die nach dem Anbinden entstandene Stufentiefe größer ist als diejenige, die durch den Präparationsschritt beim Ausbilden der Ausnehmung 50 verursacht wurde.
Insbesondere erweist es sich als vorteilhaft, dass durch diese Kombination der Realisierung der Ausnehmung 50 bzw. Aussparung im Präparationsschritt und dem anschließenden Freilegen vergleichsweise dünne Isolationsgräben realisierbar sind.
In den 8a bis 8h sind verschiedene Ausführungsformen von Metall-Keramik-Substraten 1, insbesondere von verschiedenen Isolationsgräben, dargestellt. Bei den Isolationsgräben handelt es sich insbesondere um die Bereiche eines Metall-Keramik-Substrats 1, in denen zwei benachbarte Metallschichtabschnitte voneinander getrennt sind und über das isolierend wirkende Keramikelement 30 mechanisch miteinander verbunden sind.
In der 8a ist ein gestufter Verlauf der Seitenfläche 15 dargestellt, der beispielsweise durch das Verfahren aus 7 hergestellt werden kann. Auch alle weiteren in den 8a bis 8h ausgeführten Ausführungsformen der Seitenfläche 15 lassen sich vorzugsweise durch die Kombination der Bildung einer Ausnehmung 50 und/oder Aussparung mittels eines mechanischen Werkzeugs oder Laserlicht auf der Seite der mindestens einen Metallschicht 10 realisieren, die nach dem Anbinden dem Keramikelement 30 zugewandt ist, während die Ausnehmung 50 und/oder Aussparung auf der dem Keramikelement 30 abgewandten Seite der mindestens einen Metallschicht 10, beispielsweise durch ein Ätzverfahren, Laserlicht und/oder ein mechanisches Werkzeug realisiert wird, vorzugsweise nach dem Anbinden.
In der 8b ist eine Seitenfläche 15 dargestellt, bei der zwischen zwei im Wesentlichen vertikal verlaufenden Seitenflächenabschnitten 16 ein gegenüber der Haupterstreckungsebene HSE schräg verlaufender Zwischenabschnitt 17 vorgesehen ist.
In der 8c ist es vorgesehen, dass ein schräg zur Haupterstreckungsebene HSE verlaufender Seitenflächenabschnitt 16 sich von der Oberseite der mindestens einen Metallschicht 10 bis zu einem sich an das Keramikelement 30 anschließenden im Wesentlichen vertikal verlaufenden Seitenflächenabschnitt 16 erstreckt.
Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass die mindestens eine Metallschicht 10 mehrere Seitenflächenabschnitte 16 aufweist, die gegenüber der Haupterstreckungsebene HSE unterschiedlich geneigt sind. Dabei kann eine der Seitenflächenabschnitte 16 im Wesentlichen vertikal bzw. senkrecht zur Haupterstreckungsebene HSE verlaufen. Durch die unterschiedliche Einstellung verschiedener Neigungswinkel der Seitenflächenabschnitte 16, ist es in vorteilhafter Weise möglich, mehr Einfluss auf das elektrische Verhalten der aneinander angrenzenden Metallabschnitte der mindestens einen Metallschicht 10 zu nehmen.
In der 8d ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, das sich im Wesentlichen von dem rein gestuften Verlauf, beispielsweise aus der 8a, dahingehend unterscheidet, dass die mindestens eine Metallschicht 10 auf der dem Keramikelement 30 zugewandten Seite einen gebogenen Verlauf, insbesondere in Form einer Hinterschneidung 18, aufweist. Mit anderen Worten: Die 8d kombiniert einen geschwungenen Verlauf der mindestens einen Metallschicht 10 in dem an das Keramikelement 30 angrenzenden Bereich mit einem gestuften Verlauf der mindestens einen Metallschicht 10. Dabei ist der gebogene Verlauf derart gewölbt bzw. ausgerichtet, dass eine laterale Ausdehnung der Ausnehmung 50 (gemessen parallel zur Haupterstreckungsebene HSE) der mindestens einen Metallschicht 10 mit zunehmenden Abstand vom Keramikelement 30 abnimmt.
In der 8e ist es vorgesehen, dass sich der gebogene bzw. geschwungene Verlauf der mindestens einen Metallschicht 10 - im Gegensatz zu der Ausführungsform aus der 8d - vom Keramikelement 30 bis zu einem im Wesentlichen horizontal verlaufenden Seitenflächenabschnitt 16 erstreckt. Damit fehlt hier der im Wesentlichen vertikal verlaufenden Seitenflächenabschnitt 16 aus der 8d.
In der Ausführungsform des Beispiels der 8f ist es insbesondere vorgesehen, dass durch das sukzessive Ausbilden der Ausnehmungen 50 bei der Bildung des Isolationsgraben, die mindestens eine Metallschicht 10 mit zunehmenden Abstand von dem Keramikelement 30 in ihrer lateralen Ausdehnung zunächst verjüngt und dann wiederzunimmt, bis die Seitenfläche 15 in die Oberseite der mindestens einen Metallschicht 10 übergeht. Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass die Seitenfläche 15 aus mindestens zwei, vorzugsweise aus genau zwei, drei oder vier, Seitenflächenabschnitten 16 gebildet ist, wobei sich die einzelnen Seitenflächenabschnitte 16 in ihrer geometrischen Form bzw. in ihrem generellen Verlauf voneinander unterscheiden.
In der 8 g ist es vorgesehen, dass der geschwungene bzw. gebogene Verlauf der Seitenfläche 15 in dem Seitenflächenabschnitt 16 ausgebildet ist, der dem Keramikelement 30 abgewandt ist. Insbesondere durch ein Ätzen lassen sich hierbei vergleichsweise große Wölbungen bzw. große Krümmungsradien herstellen, während durch die Verwendung von mechanischen Werkzeugen und/oder Laserlicht der schmal und vorzugsweise geradlinig verlaufenden Isolationsgräben mit im Wesentlichen senkrecht zur Haupterstreckungsebene HSE verlaufenden Seitenflächenabschnitten 16 auf der dem Keramikelement 30 zugewandten Seite der mindestens einen Metallschicht 10 realisiert werden.
In dem Ausführungsbeispiel der 8 h ist es insbesondere vorgesehen, dass eine Höhe des im Wesentlichen vertikal verlaufenden Seitenflächenabschitts 16 größer ist, als die Erstreckung des gebogenen Seitenflächenabschnitts 16 in dem Bereich der mindestens einen Metallschicht 10, der dem Keramikelement 30 abgewandt ist.
In den 9a und 9b ist ein Verfahren zur Herstellung eines Metall-Keramik-Substrats 1 gemäß einer achten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Dabei ist es vorgesehen, dass zunächst in der mindestens einen Metallschicht 10 auf der im gefertigten Zustand dem Keramikelement 30 zugewandten Seite mittels eines mechanischen Werkzeugs 40 eine Ausnehmung 50 eingelassen wird. Dabei ist eine Fräs- und/oder Bohrtiefe größer als die Hälfte, bevorzugt größer als 2/3 und besonders bevorzugt größer als ¾ der Dicke D1 der mindestens einen Metallschicht 10. Nach dem Anbinden, beispielsweise über ein Lötmaterial 60, wird die mindestens eine Metallschicht 10 mittels eines Ätzvorgangs bearbeitet, insbesondere in einem Bereich, der nach der Bearbeitung mit dem mechanischen Werkzeug 40 nicht entfernt wurde, d. h. stehengelassen wurde. Dabei ist es bevorzugt vorgesehen, dass der Ätzvorgang derart gesteuert wird, dass an der Seitenfläche 15 ein spitz zulaufender Vorsprung 55 stehen bleibt. Insbesondere bleiben zwei auf derselben Höhe angeordnete spitz zulaufende Vorsprünge 55 nach dem Ätzen übrig. Insbesondere weist der geätzte Abschnitt der Seitenfläche 15, d. h. der dem Ätzen zugeordneten Seitenflächenabschnitt 16, einen geschwungenen Verlauf auf, der sich insbesondere aus der isotropen Wirkung des Ätzmittels ergibt. Insbesondere ist es vorgesehen, dass der Vorsprung 55 auf der dem Keramikelement 30 zugewandten Seite einen ebenen, insbesondere im Wesentlichen horizontalen, Verlauf aufweist, während die dem Keramikelement 30 abgewandte Seite einen geschwungen Verlauf aufweist. Vorzugsweise wird dabei für das Ätzen eine strukturierte Resistschicht 70 auf der mindestens einen Metallschicht 10 angeordnet, mit der sich die Lokalisierung und/oder Größe der Ätzung mit Vorteil bestimmen lässt. Insbesondere ist der Vorsprung 55 in dem vom Keramikelement 30 abgewandten oberen Abschnitt, d. h. der oberen Hälfte, bevorzugt dem oberen Drittel und besonders bevorzugt dem oberen Viertel der mindestens einen Metallschicht 10 angeordnet.
In den 10a bis 10 c sind verschiedene Seitenflächen 15 dargestellt, die sich mit dem Verfahren zur Herstellung der Metall-Keramik-Substrate 1 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung realisieren lassen. Beispielsweise ist es vorstellbar, dass mittels zweier spanender Vorgänge Ausnehmungen 50 unterschiedlicher Breite in die mindestens eine Metallschicht 10 eingelassen werden, beispielsweise an zwei gegenüberliegenden Seiten. In der 10a ist hierzu eine Öffnung an der dem Keramikelement 30 abgewandten Seite der mindestens einen Metallschicht 10 eingelassen. Dadurch ist es möglich, an der Oberseite bzw. an der Außenseite der mindestens einen Metallschicht 10 einen möglichst großen Bereich bereitzustellen, in dem eine Anbindung für elektrische Bauteile möglich ist. Mit anderen Worten: im Ausführungsbeispiel der 10a erstreckt sich ein von der mindestens einen Metallschicht 10 abstehender Vorsprung 55 zumindest bereichsweise oberhalb des Isolationsgraben. Dabei schließt sich der Vorsprung 55 bündig an die Außenseite der mindestens einen Metallschicht 10 an. Hierzu ist es denkbar, zwei Sägeblätter unterschiedlicher Dicke zu verwenden, die dann entsprechend unterschiedlich breite Ausnehmungen 50 in der mindestens einen Metallschicht 10 an gegenüberliegenden Seiten realisieren. Dadurch ist es möglich Seitenflächen 15 mit Seitenflächenabschnitten 16 zu realisieren, die seitlich zueinander versetzt sind und bevorzugt zueinander parallel verlaufen, so dass sich ein gestufter Verlauf der Seitenfläche 15 realisieren lässt. In diesem Ausführungsbeispiel ist es vorgesehen, dass mittels verschiedener nacheinander durchgeführter spanender Vorgänge an einer Seite der mindestens einen Metallschicht 10 ein gestufter Verlauf in der mindestens einen Metallschicht 10 eingelassen wird, insbesondere in der Hälfte, die dem Keramikelement 30 zugewandt ist. Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass die Seitenflächenabschnitte 16 im Wesentlichen vertikal verlaufen bzw. senkrecht zur Haupterstreckungsebene HSE. Vorzugsweise umfasst die Seitenfläche mindestens drei, bevorzugt mindestens vier und besonders bevorzugt fünf Stufen. Insbesondere ist es vorgesehen, dass zunächst die dem Keramikelement 30 zugewandte Seite der mindestens einen Metallschicht 10 bearbeitet wird, vorzugsweise mit mehreren spanenden Vorgängen, beispielsweise zur Realisierung eines gestuften Verlaufs.
Alternativ werden ein oder mehrere gestufte Formfräser zur Realiesierung des gestuften Verlaufes verwendet. Anschließend wird die mindestens eine Metallschicht 10 an das Keramikelement 30 angebunden. Nach dem Anbindungsprozess erfolgt dann die Auftrennung der mindestens einen Metallschicht 10 an der dem Keramikelement 30 abgewandten Seite zur Bildung verschiedener Metallabschnitte in der mindestens einen Metallschicht 10.
Das Ausführungsbeispiel der 10c unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel der 10b dahingehend, dass an der dem Keramikelement 30 abgewandten Außenseite der mindestens einen Metallschicht 10 ein weiterer Bearbeitungsschritt vorgenommen wird, um einen den Isolationsgraben vergrößernden Verlauf auf der der Außenseite der mindestens einen Metallschicht 10 abgewandten Seite der mindestens einen Metallschicht 10 zu realisieren.
Bezugszeichenliste

1: Metall-Keramik-Substrat
10: Metallschicht
10': weitere Metallschicht
14: Steg
15: Seitenfläche
16: Seitenflächenabschnitt
17: Zwischenabschnitt
18: Hinterschneidung
20: Rückseitenmetallisierung
30: Keramikelement
40: mechanisches Werkzeug
50: Ausnehmung
55: Vorsprung
60: Lötmaterial
70: Resistschicht
D1: Dicke
HSE: Haupterstreckungsebene
S: Stapelrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013104739 A1 [0002]
DE 19927046 B4 [0002]
DE 102009033029 A1 [0002]
US 3744120 A [0016]
DE 2319854 C2 [0016]
EP 3080055 B1 [0019]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Metall-Keramik-Substrats (1), umfassend: - Bereitstellen eines Keramikelements (30) und mindestens einer Metallschicht (10), wobei sich das Keramikelement (30) und die mindestens eine Metallschicht (10) entlang einer Haupterstreckungsebene (HSE) erstrecken, - Verbinden des Keramikelements (30) mit der mindestens einen Metallschicht (10) zur Ausbildung eines Metall-Keramik-Substrats (1), insbesondere mittels eines Direktmetallanbindungsverfahrens, eines heißisostatischen Pressens und/oder eines Lötverfahrens, und - Bearbeiten der mindestens einen Metallschicht (10) mittels eines mechanischen Werkzeugs (40) und/oder Laserlicht zum mindestens abschnittsweise Festlegen einer Geometrie einer nicht parallel zur Haupterstreckungsebene (HSE) verlaufenden Seitenfläche (15) der mindestens einen Metallschicht (10).
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Geometrie der Seitenfläche (15) durch eine Kombination aus einem Ätzverfahren einerseits und einem Bearbeiten mit einem mechanischen Werkzeug (40) und/oder Laser andererseits festgelegt wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine Metallschicht (10) eine senkrecht zur Haupterstreckungsebene (HSE) verlaufende Dicke (D1) aufweist, die größer als 1 mm, bevorzugt größer als 1,3 mm und besonders bevorzugt zwischen 1,5 mm und 3 mm groß ist.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Bearbeiten mit dem mechanischen Werkzeug (40) und/oder mittels Laserlicht vor dem Verbinden des Keramikelements (30) mit der mindestens einen Metallschicht (10) durchgeführt wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Bearbeiten derart durchgeführt wird, dass ein mindestens zwei Abschnitte der mindestens einen Metallschicht (10) verbindendender Steg (14) realisiert wird.
Verfahren gemäß Anspruch 5, wobei der Steg (14), vorzugsweise nach dem Verbinden, zumindest abschnittsweise entfernt wird, beispielsweise durch Laserlicht und/oder Ätzen und/oder Fräsen und/oder Funkenerodieren und/oder elektro-chemische Verfahren
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das mechanische Werkzeug ein Fräswerkzeug und/oder ein Sägeblatt und/oder einen Stanz- oder Prägeteil umfasst, dessen Form die Geometrie der Seitenfläche (15) bestimmt.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die gefertigte Seitenfläche (15) schräg und/oder gebogen und/oder geschwungen und/oder gestuft und/oder segmentiert verläuft.
Verfahren zur Herstellung eines Metall-Keramik-Substrats (1), umfassend: - Bereitstellen eines Keramikelements (30), mindestens einer Metallschicht (10) und mindestens einer weiteren Metallschicht (10'), wobei sich das Keramikelement (30), die mindestens eine Metallschicht (10) und die mindestens eine weitere Metallschicht (10') entlang einer Haupterstreckungsebene (HSE) erstrecken, - Verbinden der mindestens einen Metallschicht (10) und der mindestens einen weiteren Metallschicht (10') zu einem Vorverbund, - Verbinden des Keramikelements (30) mit dem Vorverbund, insbesondere mittels eines Direktmetallanbindungsverfahrens, eines heißisostatischen Pressens und/oder eines Lötverfahrens, und - Bearbeiten der mindestens einen Metallschicht (10) mittels eines mechanischen Werkzeugs (40) und/oder Laserlicht und Bearbeiten der mindestens einen weiteren Metallschicht (10') mittels Ätzens zum mindestens abschnittsweise Festlegen einer Geometrie einer nicht parallel zur Haupterstreckungsebene (HSE) verlaufenden Seitenfläche (15) des Vorverbunds aus der mindestens einen Metallschicht (10) und der mindestens einen weiteren Metallschicht (10').
Verfahren gemäß Anspruch 9, wobei die mindestens eine Metallschicht (10) und/oder die mindestens eine weitere Metallschicht (10') vor dem Verbinden zum Vorverbund strukturiert werden.
Metall-Keramik-Substrat (1) hergestellt mit einem Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.