DE102021100463A1

DE102021100463A1 - Verfahren zum Herstellen eines Metall-Keramik-Substrats und Metall-Keramik-Substrat hergestellt mit einem solchen Verfahren

Info

Publication number: DE102021100463A1
Application number: DE102021100463.2A
Authority: DE
Inventors: Vitalij Gil; Marco Englhard
Original assignee: Rogers Germany GmbH
Current assignee: Rogers Germany GmbH
Priority date: 2021-01-13
Filing date: 2021-01-13
Publication date: 2022-07-14
Also published as: EP4278379A1; WO2022152788A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Metall-Keramik-Substrats (1), umfassend:- Bereitstellen einer Metallschicht (10) und eines Keramikelements (20),- Ausbilden von mindestens einer ersten Aussparung (21) an einer ersten Seite (S1) der Metallschicht (10), und- Verbinden der Metallschicht (10) und des Keramikelements (20), vorzugsweise mittels eines Lötverfahrens oder eines Direktanbindungsverfahrens, wobei das Keramikelement (20) an die erste Seite (S1) der Metallschicht (10) angebunden wird, wobei beim Ausbilden der mindestens einen ersten Aussparung (10) an einer der ersten Seite (S1) gegenüberliegenden zweiten Seite (S2) eine sich parallel zur Haupterstreckungsebene (HSE) erstreckende erste Restmetallteilschicht (31) übriggelassen wird, wobei die erste Restmetallteilschicht (31) nach dem Verbindung von Metallschicht (10) und Keramikschicht (20) zum Freilegen eines Isolationsgrabens zumindest bereichsweise entfernt wird, wobei ein Verhältnis der ersten Dicke (D1) zur Dicke (D) der Metallschicht (10) größer als 0,1, bevorzugt größer als 0,25 und besonders bevorzugt größer als 0,4 oder sogar größer als 0,5 ist, um einem Durchbiegen des Metall-Keramik-Substrats (1) beim Verbinden der Metallschicht (10) und des Keramikelements (20) entgegenzuwirken.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Metall-Keramik-Substrats und 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.
Zur Anbindung von Metallschichten an das Keramikelement ist es üblicherweise vorgesehen, ein Hochtemperaturverfahren, wie beispielsweise ein heißisostatisches Pressen, ein Diffusionsanbindungsverfahren, ein Direktmetallanbindungsverfahren, ein DCB-Verfahren oder ein Aktivlötverfahren zu verwenden. Die hierzu erforderlichen Temperaturen von mehr als 500 °C führen dabei in der Regel dazu, dass das Keramikelement während des Bindungsprozesses verbiegt. Diese Verbiegung muss in einem Nachbearbeitungsschritt nach der Fertigung bzw. nach der Anbindung aufwendig behoben werden, um ein möglichst flaches Metall-Keramik-Substrat im fertigen Zustand bereitzustellen zu können.
Es war eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das Verfahren zur Herstellung von Metall-Keramik-Substraten zu vereinfachen, insbesondere den Arbeitsaufwand zu reduzieren und den Fertigungsprozess zu beschleunigen.
Die vorliegende Erfindung löst diese Aufgabe mit einem Verfahren gemäß Anspruch 1 und einem Metall-Keramik-Substrat hergestellt mit einem Verfahren gemäß Anspruch 10.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Metall-Keramik-Substrats, vorgesehen, umfassend:

- Bereitstellen einer Metallschicht und eines Keramikelements,
- Ausbilden von mindestens einer ersten Aussparung an einer ersten Seite der Metallschicht, und
- Verbinden der Metallschicht und des Keramikelements, vorzugsweise mittels eines Lötverfahrens, eines heißisostatischen Pressens, eines Diffusionsverfahrens oder eines Direktanbindungsverfahrens, wobei das Keramikelement an die erste Seite der Metallschicht angebunden wird,

Insbesondere ist es vorgesehen, dass die erste Restmetallteilschicht eine erste Dicke von mehr als 150 µm, bevorzugt von mehr als 200 µm und besonders bevorzugt mehr als 250 µm aufweist, um einem Durchbiegen des Metall-Keramik-Substrats beim Verbinden der Metallschicht und des Keramikelements entgegenzuwirken.
Gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren ist es vorgesehen, in der Metallschicht eine erste Restmetallteilschicht übrig zu lassen, deren erste Dicke größer als 150 µm, bevorzugt größer als 250 µm und besonders bevorzugt größer als 400 µm oder größer als 500 µm ist. Es hat sich dabei herausgestellt, dass durch eine entsprechende Dimensionierung der ersten Dicke der ersten Restmetallteilschicht einem Verbiegen des Metall-Keramik-Substrats während des Anbindungsprozesses wirksam entgegengewirkt werden kann, wodurch der Aufwand beim Nacharbeiten reduziert wird und sogar auf ein Rückbiegen wegen einer störenden, beim Anbindungsprozess ausgebildeten Verbiegung des Metall-Keramik-Substrats verzichtet werden kann.
Das Verbinden bzw. der Anbindungsprozess umfasst dabei das Erwärmen und Abkühlen des Metall-Keramik-Substrats. Schließlich treten die Spannungen, die für das Verbiegen verantwortlich sind, erst beim Abkühlen auf, da beim Erwärmen die Metallschicht und das Keramikelement noch nicht miteinander verbunden sind und erst am Ende des Erwärmens die Bindung zwischen Keramikelement und Metallschicht verursacht wird. Aufgrund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten wird eine Zugspannung in der Metallschicht und eine Druckspannung in der Keramik veranlasst, die dazu führt, dass die Metallabschnitte, die an die Aussparungen angrenzen, dazu tendieren, sich aufeinander zuzubewegen. Dies führt schließlich zu einem Bimetalleffekt, der das Metall-Keramik-Substrat durchbiegt, wenn Metall und Keramik miteinander verbunden sind. Die erste Restmetallschichtdicke wirkt dem entgegen, indem sie in Form eines stegartigen Abschnitts eine Gegenkraft bereitstellt, die dem Bimetalleffekt entgegenwirkt. Dabei hat sich herausgestellt, dass der ungewollten Bewegung der Metallabschnitte umso mehr entgegengewirkt werden kann, je größer die Restmetallschichtdicke ist.
Dabei ist es insbesondere vorgesehen, dass die mindestens eine erste Restmetallteilschicht nach dem Anbinden wieder entfernt wird, um auf diese Weise im Bereich der mindestens einen ersten Aussparung einen Isolationsgraben zu bilden. Daher ist es von Vorteil, wenn der Verlauf der mindestens einen ersten Aussparung dem Verlauf der späteren Isolationsgräben entspricht. Dabei kann sich der Verlauf der mindestens einen ersten Aussparung entlang einer Richtung, die parallel zur Haupterstreckungsebene verläuft, kurvenförmig, stufenförmig, gradlinig und/oder gewinkelt erstrecken, um jeweils den gewünschten und erforderlichen Verlauf für die späteren Isolationsgräben zu realisieren, die die einzelnen Metallabschnitte im Metall-Keramik-Substrat voneinander trennen.
Insbesondere hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die mindestens einen ersten Aussparungen möglichst gleichmäßig entlang der ersten Seite der mindestens einen Metallschicht verteilt sind, sodass die Auslegung der Isolationsgräben neben deren bauräumlich möglichst ökonomischen Verteilung zusätzlich auch berücksichtigt, dass durch deren Anordnung einem Verbiegen während des Bindungsprozesses entgegengewirkt werden kann.
Grundsätzlich ist es dabei vorstellbar, dass die mindestens eine erste Aussparung mittels eines mechanischen Arbeitsschritts, beispielsweise durch Fräsen, durch Laserlicht und/oder mittels eines Ätzschritts erzeugt wird. Das anschließende Freilegen der mindestens einen ersten Aussparung oder mindestens einer zweiten Aussparung erfolgt vorzugsweise ebenfalls mittels eines Ätzschrittes und/oder mittels eines mechanischen Abtragens, beispielsweise in Form eines Polierens, Schleifens oder Fräsens.
Vorzugsweise weist das Keramikelement Al₂O₃, Si₃N₄, AIN, 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) 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 einem Isolationselement zusammengefügt sind.
Die Anbindung der Metallschicht an das Keramikelement kann beispielsweise über ein DCB-Verfahren, ein AMB-Verfahren, ein Diffusionsbonden und/oder ein heißisostatisches Pressen erfolgen
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.
Vorzugsweise erfolgt das Verbinden des Keramikelements und der Metallschicht bzw. der Rückseitenmetallschicht mittels eines Direktmetallanbindungsverfahrens, eines heißisostatischen Pressens, eines Lötverfahrens und/oder eines Diffusionsbondprozess.
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.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist es vorgesehen, dass mindestens eine zweite Aussparung an der ersten Seite ausgebildet wird, wobei beim Ausbilden der mindestens einen zweiten Aussparung an einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite ein sich parallel zur Haupterstreckungsebene erstreckende zweite Restmetallteilschicht übrig gelassen wird, wobei sich die zweite Dicke der zweiten Restmetallteilschicht von der ersten Dicke der ersten Restmetallteilschicht unterscheidet und ein Verhältnis der zweiten Dicke (D1) zur Dicke der Metallschicht größer als 0,1, bevorzugt größer als 0,25 und besonders bevorzugt größer als 0,4 oder sogar größer als 0,5. Vorzugsweise weist die zweite Restmetallteilschicht eine zweite Dicke D2 von mehr als 150 µm, bevorzugt von mehr als 250 µm und besonderes bevorzugt von mehr als 400 µm oder sogar mehr als 500 µm auf. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen neben der mindestens einen ersten Aussparung mindestens weitere zusätzliche zweite Aussparung vorzusehen. Dabei können sich die mindestens eine erste Aussparung und die mindestens eine zweite Aussparung in Hinblick auf ihre Breite unterscheiden, beispielsweise ist eine erste Breite der mindestens einen ersten Aussparung größer als eine zweite Breite der mindestens einen zweiten Aussparung. Durch eine entsprechende Verteilung und Dimensionierung kann zusätzlich Einfluss genommen werden auf das Biegeverhalten des Metall-Keramik-Substrats während des Bindungsprozesses.
Das Ausbilden einer mindestens einen ersten Aussparung, deren erste Breite größer ist als die zweite Breite der mindestens einen zweiten Aussparung erweist sich insbesondere dann als vorteilhaft, wenn im Bereich der mindestens einen ersten Aussparung ein Auftrennen des Keramikelements vorgesehen ist, um beispielsweise in einer Großkarte durch ein entsprechendes Zerbrechen oder Auftrennen das Metall-Keramik-Substrat in mehrere vereinzelte Metall-Keramik-Substrate zu unterteilen. Dadurch kann durch die geeignete Wahl der ersten Breite die Größe eines Isolationsgrabens dimensioniert und bestimmt werden. Mit anderen Worten: die erste Aussparung ist für Bereiche zum Auftrennen der Metall-Keramik-Substrate vorgesehen und die zweite Aussparung für Isolationsgräben oder anders herum.
Bevorzugt ist es vorgesehen, dass das Verfahren weiter umfasst:

- Bereitstellen einer Rückseitenmetallschicht,
- Ausbilden von mindestens einer dritten Aussparung an einer ersten Seite und/oder zweiten Seite der Rückseitenmetallschicht, und
- Verbinden der Rückseitenmetallschicht und des Keramikelements, vorzugsweise mittels eines Lötverfahrens oder eines Direktanbindungsverfahrens, wobei das Keramikelement an die erste Seite der Rückseitenmetallschicht angebunden wird,

Insbesondere dient die dritte Aussparung dazu, eine Symmetrie zwischen Vorderseite und Rückseite herzustellen, die durch das Einlassen der ersten Aussparung in die Metallschicht andernfalls nicht vorläge. Durch das alleinige Ausbilden einer ersten Aussparung kommt es nämlich andernfalls zu einem Bimetalleffekt, der eine Verbiegung im Bereich der ersten Aussparung veranlasst. Diesem kann entgegengewirkt werden, wenn in Stapelrichtung gesehen deckungsgleich oder versetzt zu den ersten Aussparungen und/oder zweiten Aussparungen die dritte Aussparung und/oder eine vierte Aussparung eingelassen wird. Dadurch kann einem Verbiegen auch dann entgegengewirkt werden, wenn die Ausbildung der ersten Aussparung in der Metallschicht erforderlich ist. Dies trifft insbesondere dann zu, wenn die erste Aussparung für die spätere Bildung von schmalen Isogräben vorgesehen ist.
Dabei ist es insbesondere im Fall der Ausbildung der dritten und/oder vierten Aussparung in der zweiten Seite der Rückseitenmetallschicht auch möglich, diese nach dem Verbinden zwischen Rückseitenmetallschicht und Keramikelement in die Rückseitenmetallschicht einzulassen, um so einem Verbiegen entgegenzuwirken. Dabei ist es bevorzugt vorgesehen, dass die dritte und/oder vierte Aussparung vergleichsweise tief sind, beispielsweise mehr als 50 %, bevorzugt mehr als 60 % und besonders bevorzugt mehr als 80 % der Dicke der Rückseitenmetallschicht ausmacht. Dabei wird die dritte und/oder vierte Restemetallschicht an der ersten Seite der Rückseitenmetallisierung nicht entfernt, um nicht bei der fräsenden Herstellung eine Beschädigung des Keramikelements zu bewirken und/oder die Wärmespreizung nicht nachteilig zu beeinflussen.
Vorzugsweise sind die dritten Aussparungen in Stapelrichtung deckungsgleich zu den zweiten Aussparungen angeordnet und/oder in einer parallel zur Haupterstreckungsebene verlaufenden Richtung zwischen zwei benachbarten zweiten Aussparungen, insbesondere mittig zwischen zwei benachbarten zweiten Aussparungen, angeordnet. Dadurch kann einem Bimetalleffekt durch die entsprechende Anordnung der zweiten Aussparrungen entgegengewirkt werden.
Insbesondere ist es vorgesehen, dass ein Verhältnis einer ersten Dicke bzw. der zweiten Dicke zur Dicke der Metallschicht, insbesondere vor dem Freilegen der Isolationsgräben, größer ist als 0,1, bevorzugt größer als 0,25 und besonders bevorzugt größer als 0,4 oder sogar größer als 0,5.
Insbesondere ist es vorgesehen, dass ein Verhältnis einer dritten Dicke bzw. einer vierten Dicke in einer vierten Aussparung in der Rückseitenmetallschicht zur Dicke der Rückseitenmetallschicht, größer ist als 0,1, bevorzugt größer als 0,25 und besonders bevorzugt größer als 0,4 oder sogar größer als 0,5
Insbesondere erstreckt sich erste Restmetallteilschicht, die zweite Restmetallteilschicht und/oder dritte Restmetallteilschicht durchgehend an der zweiten Seite der Metallschicht bzw. der Rückseitenmetallschicht. Mit anderen Worten: es ist eine geschlossene Decke an der zweiten Seite der mindestens einen Metallschicht bzw. Rückseitenmetallschicht vorgesehen, wodurch auch die Handhabung der mindestens einen Metallschicht/Rückseitenmetallschicht während der Fertigung vereinfacht wird.
Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass die erste Dicke der ersten Restmetallteilschicht, die zweite Dicke der zweiten Restmetallteilschicht und/oder die dritte Dicke der dritten Restmetallteilschicht einen Wert von mehr als 150 µm, bevorzugt von mehr als 250 µm und besonders bevorzugt mehr als 400 µm oder sogar mehr als 500 µm und/oder zwischen 200 µm und 1.000 µm, bevorzugt zwischen 300 µm und 800 µm und besonders bevorzugt zwischen 400 µm und 600 µm annimmt.. Im Falle einer vierten Restmetallteilschicht und/oder einer fünften Restmetallteilschicht ist es vorgesehen, dass eine vierte Dicke der vierten Restmetallteilschicht und /oder eine fünfte Dicke der fünften Restmetallteilschicht einen Wert von mehr als 150 µm, bevorzugt von mehr als 250 µm und besonders bevorzugt mehr als 400 µm oder sogar mehr als 500 µm und/oder zwischen 200 µm und 1.000 µm, bevorzugt zwischen 300 µm und 800 µm und besonders bevorzugt zwischen 400 µm und 600 µm annimmt. Es hat sich mit Vorteil herausgestellt, dass entsprechende Dimensionierungen der ersten Dicke, der zweiten Dicke, dritten Dicke der vierten Dicke und/oder fünften Dicke ausreichend sind für den positiven Einfluss auf die Unterdrückung des Durchbiegens des Keramikelements bzw. des Metall-Keramik-Substrats während des Anbindungsverfahrens. Dadurch kann vermieden werden, dass zu große erste Dicken, zweite Dicken oder dritte Dicken der jeweiligen Restmetallteilschicht wieder entfernt werden müssen. Dadurch wird im Fertigungsverfahren sowohl Material gespart als auch Zeit, da das Entfernen einer dicken Restmetallteilschicht länger dauert als das Entfernen einer dünnen Restmetallteilschicht. Dabei ist insbesondere zu berücksichtigen, dass gerade beim Freilegen durch Ätzen, die Größe des wegzuätzenden Abschnitts maßgeblich ist für die benötigte Zeit und somit ein limitierenden Faktor darstellt für die Geschwindigkeit des Fertigungsprozesses. In solchen Fällen, in denen durch Ätzen die Isolationsgräben freigelegt werden, ist eine vergleichsweise dünne erste Dicke, zweite Dicke, dritte Dicke und/oder vierte Dicke daher besonders vorteilhaft.
Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass die mindestens eine erste Aussparung, die mindestens eine zweite Aussparung und/oder die mindestens eine dritte Aussparung mittels einem spanenden Vorgangs bzw. mittels einer spanenden Bearbeitung realisiert wird und mit einem Aspektverhältnis ausgebildet wird, das größer ist als 1. Dadurch ist es möglich, im später gefertigten Metall-Keramik-Substrat, d. h. insbesondere nach Entfernen der ersten Restmetallteilschicht, der zweiten Restmetallteilschicht und/oder der dritten Restmetallteilschicht dünne und schmale Isolationsgräben bereitzustellen. Dies erweist sich insbesondere dann als vorteilhaft, wenn die Dicke der Metallschicht einen Wert annimmt, der größer ist als 1 mm, bevorzugt größer als 1,5 mm und besonders bevorzugt größer als 1,8 mm.
Die Verwendung von einem Ätzmedium zur Bildung der ersten, zweiten und/oder dritten Aussparung würde andernfalls zur Bildung eines Aspektverhältnisses von kleiner als 1 führen, wodurch insbesondere bei dicken Metallschichten die einzelnen Metallabschnitte im strukturierten Metall-Keramik-Substrat vergleichsweise weit voneinander entfernt wären und keine platzsparende Anordnung der Metallabschnitte auf dem Keramikelement realisiert werden könnte.
Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass zumindest ein Teil der zweiten Restmetallteilschicht nach dem Freistellen des Bereichs der mindestens einen ersten Aussparung als Teil einer Anbindungsfläche für elektrische Bauteile übriggelassen wird. Dies erweist sich insbesondere dann als vorteilhaft, wenn die zweite Restmetallteilschicht dicker ist oder einen Wert annimmt, der dicker ist als die erste Dicke der ersten Restmetallteilschicht. Dadurch kann die mindestens eine zweite Aussparung dazu benutzt werden, der Verbiegung entgegenzuwirken, und gleichzeitig wird sie im gefertigten Metall-Keramik-Substrat beispielsweise unter der Anbindungsfläche für ein elektrisches Bauteil versteckt. Es ist auch vorstellbar, dass die dritte Aussparung in der Rückseitenmetallschicht nicht freigelegt wird. Mit anderen Worten: Die mindestens eine zweite Aussparung und/oder dritte Aussparung und/oder vierte Aussparung dient insbesondere dazu, dem Durchbiegen entgegenzuwirken und kann zusätzlich zu den mindestens einen ersten Aussparungen vorgesehen sein, die zum Ausbilden von Isolationsgräben vorgesehen sind, die sich nach dem Freilegen der mindestens einen ersten Aussparungen ergeben.
Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass die mindestens eine erste Aussparung und die mindestens eine dritte Aussparung zumindest abschnittsweise in einer Richtung gesehen, die parallel zur Stapelrichtung des Metall-Keramik-Substrats verläuft, deckungsgleich zueinander angeordnet sind. Dadurch wird eine vorteilhafte Symmetrie bezweckt, die sich ebenfalls positiv auf das Biegungsverhalten bzw. Nichtbiegenverhalten des Metall-Keramik-Substrats auswirkt.
Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass sich eine Anzahl der ersten Aussparungen und/oder zweiten Aussparungen der Metallschicht von der Anzahl an dritten Aussparungen und/oder vierten Aussparungen an der Rückseitenmetallschicht unterscheidet. Insbesondere wird dadurch sichergestellt, dass die Rückseitenmetallschicht einen ausreichend massiven Metallabschnitt zur Verfügung stellt, der im gefertigten Metall-Keramik-Substrat sicherstellt, dass aufgrund der erhöhten Wärmeleitfähigkeit des Metalls Wärmeenergie möglichst schnell abtransportiert werden kann. Sollten zu viele dritte und/oder vierte Aussparungen in der Rückseitenmetallisierung bzw. Rückseitenmetallschicht eingelassen sein, würde dies andernfalls zu einer Reduktion der Wärmeleitfähigkeit in der Rückseitenmetallschicht führen, was wiederrum nachteilig wäre für das Abführen der Wärmeenergie.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Metall-Keramik-Substrat, hergestellt mit dem erfindungsgemäßen Verfahren. Alle für das Verfahren beschriebene Vorteile und Eigenschaften lassen sich analog übertragen auf das Metall-Keramik-Substrat und andersrum.
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 dem Stand der Technik,
2 eine Anordnung einer Metallschicht und eines Keramikelements zur Ausbildung eines Metall-Keramik-Substrats gemäß einer ersten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
3 eine Anordnung einer Metallschicht und eines Keramikelements zur Ausbildung eines Metall-Keramik-Substrats gemäß einer zweiten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
4 eine Anordnung einer Metallschicht und eines Keramikelements zur Ausbildung eines Metall-Keramik-Substrats gemäß einer dritten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
5 eine Anordnung einer Metallschicht und eines Keramikelements zur Ausbildung eines Metall-Keramik-Substrats gemäß einer vierten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
6 eine Anordnung einer Metallschicht und eines Keramikelements zur Ausbildung eines Metall-Keramik-Substrats gemäß einer fünften beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
7 eine Anordnung einer Metallschicht und eines Keramikelements zur Ausbildung eines Metall-Keramik-Substrats gemäß einer sechsten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
8 eine Anordnung einer Metallschicht und eines Keramikelements zur Ausbildung eines Metall-Keramik-Substrats gemäß einer siebten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
9 eine Anordnung einer Metallschicht und eines Keramikelements zur Ausbildung eines Metall-Keramik-Substrats gemäß einer achten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
10 eine Anordnung einer Metallschicht und eines Keramikelements zur Ausbildung eines Metall-Keramik-Substrats gemäß einer neunten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und
11 eine Anordnung einer Metallschicht und eines Keramikelements zur Ausbildung eines Metall-Keramik-Substrats gemäß einer zehnten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung

In 1 ist schematisch ein Metall-Keramik-Substrat 1 gemäß dem Stand der Technik 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 20 und mindestens eine Metallschicht 10 aufweist, wobei sich das Keramikelement 20 und die mindestens eine Metallschicht 10 entlang einer Haupterstreckungsebene HSE erstrecken. Dabei ist die mindestens eine Metallschicht 10 an dem Keramikelement 20 angebunden, wobei die mindestens eine Metallschicht 10 und das Keramikelement 20 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 10' aufweist, die beispielsweise elektrisch isoliert voneinander und nebeneinander entlang einer parallel zur Haupterstreckungsebene HSE verlaufenden Richtung angeordnet sind.
Insbesondere ist es im Stand der Technik üblich, zunächst eine Anbindung der Metallschicht 10 an das Keramikelement 20 vorzunehmen, insbesondere mittels eines Direktmetallanbindungsverfahren und/oder eines Aktivlötverfahrens bzw. AMB-Verfahrens. Solche Anbindungsverfahren sind Hochtemperaturverfahren, bei denen die Anordnung aus Keramikelement 20 und der mindestens einen Metallschicht 10 einer erhöhten Temperatur ausgesetzt werden, insbesondere Temperaturen oberhalb von 500 °C . Nach dem Anbindungsprozess erfolgt anschließend mittels eines Ätzverfahrens die Strukturierung, um voneinander elektrisch isolierte Metallabschnitte 10' zu realisieren, die als Leiterbahn und/oder Anschlussflächen, sogenannte Pads, für elektrische Schaltkreise genutzt werden können.
Auf der der Metallschicht 10 gegenüberliegenden Seite des Keramikelements 20 ist vorzugsweise eine Rückseitenmetallschicht 30 angebunden, die insbesondere zeitgleich, d. h. in einem gemeinsamen Arbeitsschritt, mit der mindestens einen Metallschicht 10 an das Keramikelement 20 angebunden wird. Eine solche Rückseitenmetallschicht 30 dient insbesondere der Kompensation von thermomechanischen Spannungen in dem Metall-Keramik-Substrat 1, die aufgrund der unterschiedlichen thermomechanischen Ausdehnungskoeffizienten in der mindestens einen Metallschicht 10 und dem Keramikelement 20 veranlasst werden. Allerdings hat sich herausgestellt, dass es mit dem aus dem Stand der Technik bekanntem Vorgehen zur Anbindung von Metallschichten 10 an das Keramikelement 20 sich nicht vermeiden lässt, dass sich das Metall-Keramik-Substrat 1 während des Anbindungsprozesses der mindestens einen Metallschicht 10 an das Keramikelement 20 verbiegt bzw. durchbiegt. Dies muss aufwendig in einem Nachbearbeitungsschritt rückgängig gemacht werden, um ein möglich flaches Metall-Keramik-Substrat 1 als fertiges Metall-Keramik-Substrat 1 bereitstellen zu können.
Die Darstellungen in den folgenden 2 bis 10 zeigen Schnittansichten und keine Seitenansichten.
In 2 ist eine Anordnung einer Metallschicht 10 und eines Keramikelements 20 für ein Verfahren gemäß einer ersten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Insbesondere ist es dabei vorgesehen, dass zeitlich vor dem Anbinden in der mindestens einen Metallschicht 10 eine erste Aussparung 21 und/oder eine zweite Aussparung 22 an einer ersten Seite S1 der mindestens einen Metallschicht 10 eingelassen wird. Die in der mindestens ersten Metallschicht 10 eingelassene erste Aussparung 21 und/oder zweite Aussparung 22 erstreckt sich dabei nicht über die gesamte Dicke D der mindestens einen Metallschicht 10. Dabei ist es ferner vorstellbar, dass sich die erste Aussparung 21 und/oder die zweite Aussparung 22 entlang einer parallel zur Haupterstreckungsebene HSE verlaufenden Richtung über die gesamte Länge bzw. Breite der mindestens einen Metallschicht 10 erstreckt. Alternativ oder ergänzend ist es vorstellbar, dass die mindestens eine erste Aussparung 21 und/oder die mindestens eine zweite Aussparung 22 nur im Inneren bzw. Zentralbereich der mindestens einen Metallschicht 10 ausgebildet werden oder als Teilabschnitte hintereinander ausgebildet sind.
Insbesondere ist es vorgesehen, dass nach dem Ausbilden der mindestens einen Aussparung 21 und der mindestens einen zweiten Aussparung 22 die Metallschicht 10 mit dem Keramikelement 20 verbunden wird, insbesondere über die erste Seite S1 der Metallschicht 10. Damit wird das Keramikelement 30 an der ersten Seite S1 der Metallschicht 10 angebunden, die die Öffnungen der mindestens einen ersten Aussparung 21 und/oder der mindestens einen zweiten Aussparung 22 aufweist. Dadurch dass die mindestens eine erste Aussparung 21 und die mindestens eine zweite Aussparung 22 nicht durch die gesamte Dicke D der Metallschicht 10 hindurchragen, bleibt in einem Bereich in Stapelrichtung S gesehen oberhalb der mindestens einen ersten Aussparung 21 und/oder der mindestens einen zweiten Aussparung 22 eine erste Restmetallteilschicht 31 und/oder zweite Restmetallteilschicht 32 übrig. Diese erste Restmetallteilschicht 31 und/oder die zweite Restmetallteilschicht 32 sorgt dafür, dass einem Durchbiegen des Metall-Keramik-Substrats 1 während des Verbindens, d. h. während das Metall-Keramik-Substrat 1 einer erhöhten Temperatur von mehr als 500° ausgesetzt ist, entgegengewirkt wird. Insbesondere hat es sich herausgestellt, dass einem Verbiegen des Keramikelements 20 bzw. des Metall-Keramik-Substrats 1 entgegengewirkt werden kann, wenn die erste Restmetallteilschicht 31 und/oder die zweite Restmetallteilschicht 32 eine erste Dicke D1 bzw. eine zweite Dicke D2 aufweist, die größer als 150 µm ist, bevorzugt größer als 250 µm und besonders bevorzugt größer als 400 oder sogar 500 µm ist. Vorzugsweise ist die erste Dicke D1 und/oder zweite Dicke D2 200 - 400 µm dick. In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die erste Dicke D1 und die zweite Dicke D2 gleich groß. Dabei weist die Dicke D der mindestens einen Metallschicht 10 einen Wert zwischen 500 µm und 2.500 µm, bevorzugt größer als 1000 µm auf.
Darüber hinaus ist es vorgesehen, dass die mindestens erste Aussparung 21 eine erste Breite B1 und die mindestens eine zweite Aussparung 22 eine zweite Breite B2 aufweist, wobei sich die erste Breite B1 von der zweiten Breite B2 unterscheidet. Vorliegend ist es vorgesehen, dass die zweite Breite B2 kleiner ist als die erste Breite B1. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Metall-Keramik-Substrat 1 um eine Großkarte, die im Bereich der mindestens einen ersten Aussparung 21 mit der Breite B1 separiert wird, um aus dieser Großkarte mehrere vereinzelte Metall-Keramik-Substrate 1 herzustellen.
Weiterhin hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Rückseitenmetallschicht 30 an ihrer ersten Seite S1 eine mindestens eine dritte Aussparung 23 aufweist. Die mindestens eine dritte Aussparung 23 weist in Stapelrichtung S gesehen im zusammengesetzten Zustand der mindestens einen Metallschicht 10, der Rückseitenmetallschicht 30 und des Keramikelements 20 in Stapelrichtung S gesehen unterhalb der mindestens einen dritten Aussparung 23 eine dritte Restmetallteilschicht 33 auf. Die dritte Restmetallteilschicht 33 hat eine dritte Dicke D3, die ebenfalls bevorzugt größer als 150 µm, besonders bevorzugt größer als 250 µm und besonders bevorzugt größer als 400 oder sogar 500 µm ist. In dem in 2 dargestellten Beispiel weist die mindestens eine dritte Aussparung 23 eine dritte Breite B3 auf, die im Wesentlichen der ersten Breite B1 der mindestens einen ersten Aussparung 21 entspricht. Bevorzugt ist die mindestens eine dritte Aussparung 23 in Stapelrichtung S gesehen deckungsgleich unterhalb der mindestens einen ersten Aussparung 21 ausgebildet. Weiterhin ist es vorgesehen bzw. vorstellbar, dass die dritte Dicke D3 im Wesentlichen der ersten Dicke D1 oder zweiten Dicke D2 entspricht oder von dieser abweicht. Dabei ist es vorstellbar, dass die mindestens eine dritte Aussparung 23 in einer parallel zur Stapelrichtung S verlaufenden Richtung größer bemessen ist als die Ausdehnung der mindestens einen ersten Aussparung 21 und/oder mindestens einen zweiten Aussparung 22. Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass die Dicke D der Rückseitenmetallschicht 30 gleich oder kleiner ist als die Dicke D der Metallschicht 10.
In 3 ist eine Anordnung aus einer Metallschicht 10 und einem Keramikelement 20 für ein Verfahren gemäß einer zweiten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Dabei unterscheidet sich das Ausführungsbeispiel der 3 im Wesentlichen nur von dem Ausführungsbeispiel der 2 dahingehend, dass zusätzlich zu der mindestens einen dritten Aussparung 23 mindestens eine vierte Aussparung 24 vorgesehen ist, die an der ersten Seite S1 der Rückseitenmetallschicht 30 ausgebildet ist. Insbesondere sind die in 3 dargestellten mindestens einen vierten Aussparungen 24 deckungsgleich angeordnet zu der mindestens einen zweiten Aussparung 22 der Metallschicht 10. Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass eine dritte Dicke D3 der dritten Restmetallteilschicht 33 sich unterscheidet von einer vierten Dicke D4 der vierten Restmetallteilschicht 34, die sich im zusammengefügten Zustand in Stapelrichtung S gesehen unterhalb der mindestens einen vierten Aussparung 24 ausbildet.
Weiterhin ist es bevorzugt vorgesehen, dass nach dem Anbindungsprozess die die erste Restmetallteilschicht 31 und/oder die zweite Restmetallteilschicht 32 entfernt wird, um so die mindestens eine erste Aussparung 21 oder mindestens eine zweite Aussparung 22 freizulegen, wodurch Isolationsgräben in der mindestens einen Metallschicht 10 ausgebildet werden. Somit wird die Strukturierung durch das Entfernen bzw. das zumindest bereichsweise Entfernen der ersten Restteilmetallschicht 31 und/oder zweiten Restmetallteilschicht 32 final abgeschlossen. Vorstellbar ist, dass auf ein solches Entfernen der Rückseitenmetallschicht 30 zumindest abschnittsweise verzichtet wird. Mit anderen Worten: in der Rückseitenmetallschicht 30 sind im gefertigten Metall-Keramik-Substrat, d. h. nach Strukturierung der Metallschicht 10, die mindestens eine dritte Aussparung 23 und/oder mindestens eine vierte Aussparung 24 innerhalb der Rückseitenmetallschicht 30 angeordnet, d. h. die mindestens eine dritte Aussparung 23 und/oder die mindestens eine vierte Aussparung 24 bleibt an ihrer Unterseite in Stapelrichtung S gesehen verschlossen.
In 4 ist eine Anordnung aus einer Metallschicht 10 und einem Keramikelement 20 für ein Verfahren gemäß einer dritten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Dabei zeichnet sich die Ausführungsform der 4 dadurch aus, dass sie mindestens eine erste Aussparung 21 und/oder eine mindestens zweite Aussparung 22 aufweist, deren erste Breite B1 und/oder zweite Breite B2 kleiner ist, vorzugsweise mehr als 1,5-mal oder bevorzugt mehr als 3-mal kleiner, als eine Tiefe der ersten Aussparung 21 und/oder der zweiten Aussparung 22 in einer senkrecht zur Haupterstreckungsebene HSE verlaufenden Richtung. Dabei entspricht die Tiefe der ersten Aussparung 21 / der zweiten Aussparung der Differenz aus der ersten Dicke D1 bzw. zweiten Dicke D2 und der Dicke D der Metallschicht. Gleiches gilt für die dritte Aussparung 23 und/oder vierte Aussparung 24. Mit anderen Worten: in der mindestens einen Metallschicht 10 und/oder der Rückseitenmetallschicht 30 werden mindestens eine erste Aussparung 21, mindestens eine zweite Aussparung 22 und/oder mindestens eine dritte Aussparung 23 realisiert, deren Aspektverhältnis größer als 1 ist. Solch schmalen Aussparungen 21, 22, 23 lassen sich beispielsweise mit einem Fräswerkzeug, insbesondere einer Scheibenfräse, realisieren. Eine derartige Herstellung von schmalen Aussparungen 21, 22, 23 ist insbesondere für vergleichsweise große Dicken D der mindestens einen Metallschicht 10 und/oder der Rückseitenmetallschicht 30 von Vorteil, da ein andernfalls verwendetes Ätzen zu sehr großen Abständen zwischen den einzelnen Metallabschnitten 10' führen würden, was auf dem Metall-Keramik-Substrat 1 bauraumökonomisch ungünstig wäre.
In 5 ist eine Anordnung aus einer Metallschicht 10 und einem Keramikelement 20 für ein Verfahren gemäß einer vierten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Dabei unterscheidet sich die Ausführungsform der 5 von den vorherigen dahingehend, dass neben der mindestens einen ersten Aussparung 21 und der mindestens einen zweiten Aussparung 22 an der ersten Seite S1 der Metallschicht 10 mindestens eine fünfte Aussparung 25 an der ersten Seite S1 der Metallschicht 10 eingelassen ist. Insbesondere ist es vorgesehen, dass sich im zusammengesetzten Zustand in Stapelrichtung S gesehen oberhalb der mindestens einen fünften Aussparung 25 eine fünfte Restmetallteilschicht 35 übrig gelassen wird. Ferner ist es vorstellbar, dass die Rückseitenmetallschicht 20 die mindestens eine dritte Aussparung 23 und/oder mindestens eine vierte 24 Aussparung enthält, wie sie in den vorherigen Ausführungsbeispielen dargestellt ist. Insbesondere ist es vorgesehen, dass sich die erste Restmetallteilschicht 31, die zweite Restmetallteilschicht 32 und/oder die fünfte Restmetallteilschicht 33 voneinander unterscheiden, insbesondere derart, dass eine fünfte Dicke D5 der fünften Restmetallteilschicht 35 größer ist als die erste Dicke D1 und/oder die zweite Dicke D2. Dabei ist es insbesondere vorgesehen, dass die mindestens eine fünfte Aussparung 25 innerhalb eines Zentralbereichs der mindestens einen Metallschicht 10 angeordnet ist, während die mindestens eine zweite Aussparung 24 im Randbereich der Metallschicht 10 angeordnet ist. Dadurch wird eine Anordnung realisiert, bei der zum Zentrum hin die Dicke der jeweiligen Restmetallteilschicht zunimmt, nämlich von der zweiten Restmetallteilschicht 32 zur ersten Restmetallteilschicht 31 und schließlich zur fünften Restmetallteilschicht 35.
In 6 ist eine Anordnung aus einer Metallschicht 10 und einem Keramikelement 20 für ein Verfahren gemäß einer fünften beispielhaften Ausführungsform dargestellt. Dabei unterscheidet sich das Ausführungsbeispiel der 6 im Wesentlichen von denjenigen der vorhergehenden Figuren dadurch, dass sich in einer parallel zur Haupterstreckungsebene HSE verlaufenden Richtung die mindestens eine erste Aussparung 21 und/oder die mindestens eine zweite Aussparung 22 abwechseln.
In 7 ist eine Anordnung aus einer Metallschicht 10 und einem Keramikelement 20 für ein Verfahren gemäß einer sechsten beispielhaften Ausführungsform dargestellt. Dabei ist es vorgesehen, dass die mindestens eine erste Aussparung 21 zusammen mit der mindestens einen zweiten Aussparung 22 eine Gruppe bildet, die insbesondere mehrfach an der ersten Seite S1 der Metallschicht 10 ausgebildet wird. Insbesondere zeichnet sich die Gruppe dadurch aus, dass die mindestens eine erste Aussparung 21 zwischen zwei zweiten Aussparungen 22 angeordnet ist. Dabei ist die zweite Dicke D2 der zweiten Restmetallteilschicht 32 grö-ßer, vorzugsweise mehr als doppelt so groß, wie die erste Dicke D1 der ersten Restmetallteilschicht 31. Insbesondere ist es vorgesehen, dass eine zweite Breite B2 der zweiten Aussparung 22 kleiner als die erste Breite B1 der mindestens einen ersten Aussparung 21 ist. Insbesondere ist die zweite Breite B2 um mindestens einen Faktor 1,2, bevorzugt einen Faktor 2 und besonders bevorzugt einen Faktor 3 kleiner als die erste Breite B1. Weiterhin ist es vorstellbar, dass die Gruppe aus der mindestens einen ersten Aussparung 21 und den zweiten Aussparungen 22 jeweils im Randbereich der mindestens einen Metallschicht 10 angeordnet sind.
In 8 ist eine Anordnung einer Metallschicht 10 und eines Keramikelement 20 für ein Verfahren gemäß einer siebten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. In dem in 8 dargestellten Ausführungsbeispiel ist es vorgesehen, dass die mindestens eine erste Aussparung 21 und/oder die mindestens eine zweite Aussparung 22 keinen rechteckigen Querschnitt aufweist. In einer Schnittansicht, die senkrecht zur Haupterstreckungsebene HSE verläuft, weist die mindestens eine erste Aussparung 21 und/oder mindestens zweite Aussparung 22 stattdessen einen dreieckförmigen, gebogenen und/oder spitz zulaufenden Querschnitt auf. Dabei ist es vorgesehen, dass die mindestens eine erste Aussparung 21 und/oder die mindestens eine zweite Aussparung 22 von der ersten Seite S1 der mindestens einen Metallschicht 10 zur zweiten Seite S2 hin gesehen verjüngt.
In 9 ist eine Anordnung aus einer Metallschicht 10 und einem Keramikelement 20 für ein Verfahren gemäß einer achten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Dabei ist es vorgesehen, dass insbesondere für das Ausführungsbeispiel der 6 die Rückseitenmetallschicht 30 an ihren Randbereichen der zweiten Seite S2 einen Stufenverlauf 38 aufweist. Ein solcher stufenartiger Verlauf im Randbereich der zweiten Seite S2 der Rückseitenmetallschicht 30 erweist sich ebenfalls als positiv für die Vermeidung von Durchbiegung während des Herstellungsprozesses bzw. des Bindungsprozesses zwischen der mindestens einen Metallschicht 10 und dem Keramikelement 20.
Die 10 zeigt beispielhaft zwei Ausführungsformen des Metall-Keramik-Substrats 1, nachdem die erste Restmetallteilschicht 31 und/oder zweite Restmetallteilschicht 32 zum Freilegen der Isolationsgräben zumindest teilweise entfernt wurde. Dabei kann durch das Freilegen der Isolationsgräben ein gestufter Verlauf in der Metallschicht 10, insbesondere in dessen Seitenwand, erzeugt werden. Beispielsweise kann eine Breite eines Abschnitts, der aus der ersten Restmetallteilschicht 31 entfernt wurde, kleiner sein als die erste Breite B1 der Aussparung ( 10 oben) oder andersrum (siehe 10 unten). Insbesondere gestattet die obere Ausführungsvariante, dass ein größerer Nutzbereich für elektrische Bauteile bereitgestellt werden kann.
In 11 ist ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt, in dem die vierte Aussparungen 24 in die zweite Seite S2 der Rückseitenmetallschicht 30 eingelassen ist. Eine solche vierte Aussparung 24 in die zweite Seite S2 lässt sich vor dem Verbinden der Rückseitenmetallschicht 30 und dem Keramikelement 20 veranlassen oder nachträglich nach dem Verbinden des Keramikelements 20 mit der Rückseitenmetallschicht 30. Dabei ist es auch vorstellbar, dass auf die dritte Aussparung 23 und/oder vierte Aussparung 24 auf der ersten Seite S1 verzichtet wird und nur in der zweiten Seite S2 die dritte Aussparungen 23 und/oder vierte Aussparung 24 eingelassen sind (anders als in 11 dargestellt). Weiterhin ist es bevorzugt vorgesehen, dass in einer parallel zur Haupterstreckungsebene HSE verlaufenden Richtung gesehen, die dritte Aussparung 23 und/oder vierte Aussparung 24 zwischen zwei ersten Aussparungen 21 und/oder zweiten Aussparungen 22 angeordnet ist und/oder auf derselben Höhe. Dabei handelt es sich bei den ersten Aussparungen 21 in der Metallschicht 10 in diesem Ausführungsbeispiel insbesondere um solche Aussparungen, die für ein späteres Auftrennen des Keramikelements 20 vorgesehen sind. Bei den zweiten Aussparungen 22 in der Metallschicht 10 handelt es sich in diesem Ausführungsbeispiel insbesondere um solche Aussparungen, die die späteren Isolationsgräben bilden.
Bezugszeichenliste

1: Metall-Keramik-Substrat
10: Metallschicht
20: Keramikelement
21: erste Aussparung
22: zweite Aussparung
23: dritte Aussparung
24: vierte Aussparung
25: fünfte Aussparung
30: Rückseitenmetallschicht
31: erste Restmetallteilschicht
32: zweite Restmetallteilschicht
33: dritte Restmetalteilsicht
34: vierte Restmetallteilsicht
35: fünfte Restmetallteilsicht
38: Stufenverlauf
S1: erste Seite
S2: zweite Seite
D: Dicke
D1: erste Dicke
D2: zweite Dicke
D3: dritte Dicke
D4: vierte Dicke
D5: fünfte Dicke
B1: erste Breite
B2: zweite Breite
B3: dritte Breite
S: Stapelrichtung
HSE: Haupterstreckungsebene

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 [0015]
DE 2319854 C2 [0015]
EP 3080055 B1 [0019]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Metall-Keramik-Substrats (1), umfassend: - Bereitstellen einer Metallschicht (10) und eines Keramikelements (20), - Ausbilden von mindestens einer ersten Aussparung (21) an einer ersten Seite (S1) der Metallschicht (10), und - Verbinden der Metallschicht (10) und des Keramikelements (20), vorzugsweise mittels eines Lötverfahrens oder eines Direktanbindungsverfahrens, wobei das Keramikelement (20) an die erste Seite (S1) der Metallschicht (10) angebunden wird, wobei beim Ausbilden der mindestens einen ersten Aussparung (21) an einer der ersten Seite (S1) gegenüberliegenden zweiten Seite (S2) eine sich parallel zur Haupterstreckungsebene (HSE) erstreckende erste Restmetallteilschicht (31) übriggelassen wird, wobei die erste Restmetallteilschicht (31) nach dem Verbinden von Metallschicht (10) und Keramikschicht (20) zum Freilegen eines Isolationsgrabens zumindest bereichsweise entfernt wird, wobei ein Verhältnis der ersten Dicke (D1) zur Dicke (D) der Metallschicht (10) größer als 0,1, bevorzugt größer als 0,25 und besonders bevorzugt größer als 0,4 oder sogar größer als 0,5 ist, um einem Durchbiegen des Metall-Keramik-Substrats (1) beim Verbinden der Metallschicht (10) und des Keramikelements (20) entgegenzuwirken.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens eine zweite Aussparung (22) an der ersten Seite (S1) ausgebildet wird, wobei beim Ausbilden der mindestens einen zweiten Aussparung (22) an einer der ersten Seite (S1) gegenüberliegenden zweiten Seite (S2) ein sich parallel zur Haupterstreckungsebene (HSE) erstreckende zweite Restmetallteilschicht (32) übriggelassen wird, wobei sich die zweite Dicke (D2) der zweiten Restmetallteilschicht (32) von der ersten Dicke (D1) der ersten Restmetallteilschichtdicke (31) unterscheidet und ein Verhältnis der zweiten Dicke (D2) zur Dicke der Metallschicht (10) größer als 0,1, bevorzugt größer als 0,25 und besonders bevorzugt größer als 0,4 oder sogar größer als 0,5 ist.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend: - Bereitstellen einer Rückseitenmetallschicht (30), - Ausbilden von mindestens einer dritten Aussparung (23) an einer ersten Seite (S1) und/oder zweiten Seite (S2) der Rückseitenmetallschicht (30), und - Verbinden der Rückseitenmetallschicht (30) und des Keramikelements (20), vorzugsweise mittels eines Lötverfahrens oder eines Direktanbindungsverfahrens, wobei das Keramikelement (20) an die erste Seite (S1) der Rückseitenmetallschicht (30) angebunden wird, wobei beim Ausbilden der mindestens einen dritten Aussparung (23) an einer der ersten Seite (S1) gegenüberliegenden zweiten Seite (S2) und/oder der ersten Seite der Rückseitenmetallschicht (30) eine sich parallel zur Haupterstreckungsebene (HSE) erstreckende dritte Restmetallteilschicht (33) der Rückseitenmetallschicht (30) übriggelassen wird, wobei die dritte Restmetallteilschicht (33) der Rückseitenmetallschicht (30) eine dritte Dicke (D3) aufweist, wobei ein Verhältnis der dritten Dicke (D3) zur Dicke (D) der Rückseitenmetallschicht (30) größer als 0,1, bevorzugt größer als 0,25 und besonders bevorzugt größer als 0,4 oder sogar größer als 0,5 ist um einem Durchbiegen des Metall-Keramik-Substrats (1) beim Verbinden der Rückseitenmetallschicht (30), der Metallschicht (10) und des Keramikelements (20) entgegenzuwirken.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Dicke (D1) der ersten Restmetallteilschicht (31), die zweite Dicke (D2) der zweiten Restmetallteilschicht (32) und die dritte Dicke (D3) der dritten Restmetallteilschicht (33) einen Wert von mehr als 150 µm, bevorzugt von mehr als 250 µm und besonders bevorzugt mehr als 400 µm oder sogar mehr als 500 µm und/oder zwischen 200 µm und 1.000 µm, bevorzugt zwischen 300 µm und 800 µm und besonders bevorzugt zwischen 400 µm und 600 µm annimmt..
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine erste Aussparung (21), die mindestens eine zweite Aussparung (22) und/oder die mindestens eine dritte Aussparung (33) mittels einer spanenden Bearbeitung realisiert wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine erste Aussparung (21), die mindestens eine zweite Aussparung (22) und/oder die mindestens eine dritte Aussparung (33) mit einem Aspektverhältnis ausgebildet wird, das größer ist als 1.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest ein Teil der zweiten Restmetallteilschicht (32) als Teil einer Anbindungsfläche für elektrische Bauteile nach dem Freistellen des Bereichs der mindestens einen ersten Aussparung (21) übriggelassen wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine erste Aussparung (21) und die mindestens eine dritte Aussparung (23) zumindest abschnittsweise in einer Richtung gesehen, die parallel zur Stapelrichtung des Metall-Keramik-Substrats (1) verläuft, deckungsgleich zueinander angeordnet sind.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich eine Anzahl ersten Aussparungen (21) und/oder zweiten Aussparungen (22) in der Metallschicht (10) von der Anzahl an dritten Aussparungen (23) und/oder vierten Aussparungen (24) an der Rückseitenmetallschicht (30) unterscheidet.
Metall-Keramik-Substrat hergestellt mit einem Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche.