DE10207109B4

DE10207109B4 - Keramische Leiterplatte

Info

Publication number: DE10207109B4
Application number: DE10207109.8A
Authority: DE
Inventors: Tetsuo Hirakawa
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2001-02-21
Filing date: 2002-02-20
Publication date: 2018-12-27
Anticipated expiration: 2022-02-21
Also published as: US20020112882A1; US6787706B2; DE10207109A1

Abstract

Keramische Leiterplatte (10) mit
einem keramischen Substrat (6),
mehreren metallisierten Verdrahtungsschichten (7), die auf dem keramischen Substrat ausgebildet sind, und
einem metallischen Plattenleiter (3) aus Kupfer, der auf einem Teil der metallisierten Verdrahtungsschichten (7) angebracht ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Bedingung S ≥ 6 · 10^-5 i² erfüllt ist, wobei S die Querschnittsfläche (mm²) des metallischen Plattenleiters (3) und i der Wert (A) des fließenden elektrischen Stroms ist, und
die metallisierte Verdrahtungsschicht (7) aus einer eutektischen Silber-Kupfer-Legierung gefertigt ist, der zumindest einer der Stoffe Zirkoniumhydrid und Hafniumhydrid beigefügt ist.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Technischer Bereich der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine keramische Leiterplatte, bei der eine metallisierte Verdrahtungsschicht auf einem keramischen Substrat ausgebildet ist, und insbesondere eine keramische Leiterplatte, bei der der Fluß eines großen elektrischen Stroms zulässig ist.
Beschreibung der verwandten Technik
Als Leiterplatte, auf der elektronische Bauteile, wie ein Halbleiterelement montiert und angeschlossen sind, wurde herkömmlicher weise verbreitet eine keramische Leiterplatte verwendet, die durch Erzeugen mehrerer metallisierter Verdrahtungsschichten auf einem keramischen Substrat gefertigt wird.
Bei einer derartigen keramischen Leiterplatte ist das keramische Substrat im allgemeinen aus gesintertem Aluminiumoxid oder Mullit gefertigt, und mehrere metallisierte Verdrahtungsschichten sind jeweils aus einem Metallmaterial mit einem hohen Schmelzpunkt, wie Wolfram, Molybdän oder Mangan gefertigt. Folgendes ist ein Beispiel für Verfahren zur Herstellung der keramischen Leiterplatte. Wenn das keramische Substrat aus gesintertem Aluminiumoxid gefertigt ist, wird zunächst einem Pulver aus einem Ausgangsmaterial wie Aluminiumoxid, Siliciumoxid, Magnesiumoxid oder Kalziumoxid ein geeignetes organisches Bindemittel, Plastifiziermittel oder Lösungsmittel beigemengt, um eine Aufschlämmung zu erzeugen. Aus der Aufschlämmung werden dann entsprechend herkömmlicher Weise bekannter Banderzeugungstechniken, wie einem Streichmesserverfahren oder einem Kalanderwalzverfahren, mehrere keramische Rohlinge geformt. Zweites wird einem Metallpulver mit hohem Schmelzpunkt, wie Wolfram oder Molybdän ein geeignetes organisches Bindemittel, ein Plastifiziermittel oder ein Lösungsmittel beigemengt, um eine Metallpaste zu erzeugen. Die Metallpaste wird dann gemäß einer Drucktechnik, wie einem Siebdruckverfahren, in einem vorgegebenen Muster auf den Keramikrohling aufgedruckt. Zuletzt werden die Keramikrohlinge, auf die die Metallpaste in einem vorgegebenen Muster aufgedruckt wurde, den Erfordernissen entsprechend vertikal aufeinandergestapelt und dann bei einer Temperatur von ca. 1600°C in einer reduzierenden Atmosphäre gebrannt. Dadurch werden die Keramikrohlinge und die Metallpaste durch Sintern zu einem Stück verbunden, wodurch die keramische Leiterplatte realisiert wird.
Es wird darauf hingewiesen, daß typischerweise die freiliegende Oberfläche der metallisierten Verdrahtungsschicht mit einem Metallmaterial mit einer bestimmten Dicke beschichtet ist, das hoch korrosionsbeständig ist und in bezug auf einen Klebstoff, wie ein Lötmittel (beispielsweise Nickel) gemäß einer Technik, wie einem Plattierverfahren, eine ausgezeichnete Näßbarkeit aufweist. Dadurch ist es möglich, eine Korrosion aufgrund einer Oxidation effektiv zu verhindern und unter Verwendung eines Klebemittels, wie Lot, ein festes Verbinden eines elektronischen Bauteils, wie eines Halbleiterelements, mit der metallisierten Verdrahtungsschicht zu ermöglichen.
Die herkömmliche keramische Leiterplatte hat jedoch den folgenden Nachteil. Die metallisierte Verdrahtungsschicht ist aus einem Metallmaterial mit hohem Schmelzpunkt, wie Molybdän oder Wolfram, gefertigt. Da Molybdän und Wolfram einen spezifischen Widerstand aufweisen, der 5,2 · 10^-6 Ω · cm oder mehr beträgt (Molybdän: 5,2 · 10^-6 Ω · cm, Wolfram: 5,64 · 10^-6 Ω · cm), weist die metallisierte Verdrahtungsschicht einen hohen elektrischen Widerstand auf. Daher wird bei einer keramischen Leiterplatte, auf der ein IGBT (bipolarer Isolierschichttransistor) oder ein Leistungs-FET (Feldeffekttransistor) montiert ist, eine intensive Joulewärme erzeugt, wenn ein großer elektrischer Strom von ca. 10 A an die metallisierte Verdrahtungsschicht angelegt wird, und die metallisierte Verdrahtungsschicht unterliegt einer Verschmelzung. Dadurch kann die keramische Leiterplatte nicht mehr ordnungsgemäß funktionieren.
In einem Versuch zur Lösung des vorstehend beschriebenen Nachteils wurden die Dicke und Breite der metallisierten Verdrahtungsschicht gesteigert. Dies verursacht jedoch eine Steigerung der im Innenteil der metallisierten Verdrahtungsschicht entwickelten Spannung, was zu einem Riß oder Bruch führt. Überdies ist es unvermeidlich, daß die keramische Leiterplatte als ganze übermäßig groß ist.
Aus der JP 2000-340913 A ist eine keramische Leiterplatte gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine keramische Leiterplatte gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 4 bekannt.
Die DE 698 08 415 T2 beschreibt das Elektroplattieren von Nickel-Phosphor-Legierungsbeschichtungen. Beschrieben werden elektrolytisch abzuscheidende Nickel-Phosphor-Überzüge.
Die EP 0 945 215 B1 beschreibt Keramiksubstrate aus Aluminiumoxid oder Aluminiumnitrid oder Siliciumnitrid mit mindestens einer polierten Oberfläche.
Die DE 694 06 581 T2 beschreibt gedruckte Schaltungsplatten.
Die EP 1 029 838 A1 beschreibt eine Hartlötstruktur und eine metallisierte Struktur.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung wurde in Anbetracht der vorstehend beschriebenen Nachteile der herkömmlichen Technik geschaffen, und dementsprechend ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine kompakte keramische Leiterplatte zu schaffen, die den Fluß eines großen elektrischen Stroms zuläßt.
Durch die Erfindung wird eine keramische Leiterplatte gemäß Anspruch 1 bereitgestellt.
Erfindungsgemäß wird ein aus Kupfer gefertigter metallener Plattenleiter mit einem niedrigen spezifischen Widerstand in dem Bereich der metallisierten Verdrahtungsschicht angeordnet, durch die ein großer Strom von ca. 10 A fließt, und der metallene Plattenleiter ist so konstruiert, daß die Bedingung S ≥ 6 · 10^-5 i² erfüllt ist, wobei S die Querschnittsfläche (mm²) des metallischen Plattenleiters und i der Wert (A) des fließenden elektrischen Stroms ist. Daher kann, selbst wenn ein großer elektrischer Strom von ca. 10 A an die metallisierte Verdrahtungsschicht angelegt wird, der elektrische Strom durch den metallenen Plattenleiter gleichmäßig hindurchfließen, und gleichzeitig kann die Erzeugung einer intensiven Joulewärme effektiv verhindert werden. Dadurch kann die keramische Leiterplatte über einen längeren Zeitraum ordnungsgemäß und stabil funktionieren.
Durch die Erfindung wird ferner eine keramische Leiterplatte gemäß Anspruch 4 bereitgestellt.
Erfindungsgemäß wird ein aus Aluminium gefertigter metallener Plattenleiter mit einem niedrigen spezifischen Widerstand in dem Bereich der metallisierten Verdrahtungsschicht angeordnet, durch die ein großer Strom von ca. 10 A fließt, und der metallene Plattenleiter ist so konstruiert, daß er die Bedingung S ≥ 9 · 10^-5 i² erfüllt, wobei S die Querschnittsfläche (mm²) des metallischen Plattenleiters und i der Wert (A) des fließenden elektrischen Stroms ist. Daher kann, selbst wenn ein großer elektrischer Strom von ca. 10 A an die metallisierte Verdrahtungsschicht angelegt wird, der elektrische Strom über den metallenen Plattenleiter gleichmäßig hindurchfließen, und gleichzeitig kann die Erzeugung einer intensiven Joulewärme effektiv verhindert werden. Dadurch kann die keramische Leiterplatte über einen längeren Zeitraum ordnungsgemäß und stabil funktionieren.
Weitere Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Figurenliste
Andere und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der folgenden genauen Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen genauer hervor. Es zeigen:

1 eine Schnittansicht, die eine erste Ausführungsform einer keramischen Leiterplatte zeigt;
2 eine Schnittansicht, die eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen keramischen Leiterplatte zeigt;
3 eine Schnittansicht, die eine dritte Ausführungsform einer keramischen Leiterplatte zeigt; und
4 eine Schnittansicht, die eine vierte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen keramischen Leiterplatte zeigt.

GENAUE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nachstehend werden nun unter Bezugnahme auf die Zeichnungen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben.
1 ist eine Schnittansicht, die eine erste Ausführungsform einer keramischen Leiterplatte 5 zeigt. Die keramische Leiterplatte 5 umfaßt ein keramisches Substrat 1, eine metallisierte Verdrahtungsschicht 2 und einen metallenen Plattenleiter 3, der im Folgenden auch als „metallene Leiterplatte“ oder „metallische Leiterplatte“ bezeichnet wird.
Das keramische Substrat 1 hat eine rechteckige Form, und auf seiner oberen Oberfläche sind mehrere metallisierte Verdrahtungsschichten 2 angebracht. Der metallene Plattenleiter 3 ist an einem Teil der metallisierten Verdrahtungsschichten 2 angebracht.
Das keramische Substrat 1 dient als Halterungselement zum Halten der metallisierten Verdrahtungsschicht 2 und ist aus einem elektrisch isolierenden Material, wie gesintertem Aluminiumoxid, Mullit, Siliciumnitrid, Aluminiumnitrid oder Siliciumcarbid gefertigt.
Nachstehend erfolgt eine Beschreibung eines Verfahrens zur Herstellung des keramischen Substrats 1. In einem Fall, in dem das keramische Substrat 1 beispielsweise aus gesintertem Aluminiumoxid gefertigt ist, wird zuerst einem pulverförmigen Ausgangsmaterial, wie Aluminiumoxid, Siliciumoxid, Magnesiumoxid oder Kalziumoxid, ein geeignetes organisches Bindemittel, Plastifiziermittel oder Lösungsmittel beigemischt, um eine Aufschlämmung zu erzeugen. Aus der Aufschlämmung wird dann gemäß einem herkömmlicher Weise bekannten Streichmesserverfahren oder Kalanderwalzverfahren ein Keramikrohling (eine keramische Rohplatte) gebildet. Zweitens wird der Keramikrohling einem geeigneten Stanzprozeß unterzogen, damit er eine vorgegebene Form annimmt, und mehrere Platten werden den Erfordernissen entsprechend aufeinander geschichtet, um einen Formkörper zu erzeugen. Schließlich wird der Formkörper bei einer Temperatur von ca. 1600°C gebrannt, wodurch das keramische Substrat 1 realisiert wird.
Ein weiteres Verfahren zur Herstellung des keramischen Substrats wird beschrieben. Zunächst wird einem pulverförmigen Ausgangsmaterial, wie Aluminiumoxid, ein geeignetes organisches Lösungsmittel beigemengt, um ein eingestelltes pulverförmiges Ausgangsmaterial zu erhalten. Danach wird das pulverförmige Ausgangsmaterial durch eine Druckgußtechnik in eine vorgegebene Form gegossen, wodurch ein Formkörper erzeugt wird. Anschließend wird der Formkörper bei einer Temperatur von ca. 1600°C gebrannt. Dementsprechend wird das keramische Substrat 1 hergestellt.
Zudem befinden sich auf der Oberfläche des keramischen Substrats 1 mehrere metallisierte Verdrahtungsschichten 2, die als Übertragungswege zur Zufuhr vorgegebener elektrischer Signale bzw. einer vorgegebenen elektrischen Energie zu einem auf dem keramischen Substrat 1 zu montierenden elektronischen Bauteil dient.
Die metallisierte Verdrahtungsschicht 2 ist aus einem Metallmaterial mit einem hohen Schmelzpunkt, wie Wolfram, Molybdän oder Mangan gefertigt. So wird beispielsweise Wolframpulver ein geeignetes organisches Bindemittel, Plastifiziermittel oder Lösungsmittel beigemengt, um eine Metallpaste zu erzeugen. Die Metallpaste wird vorab durch Brennen gemäß einem herkömmlicher Weise bekannten Siebdruckverfahren in einem vorgegebenen Muster auf die Oberfläche des Keramikrohlings (der rohen Keramikplatte) aufgedruckt, aus der das keramische Substrat 1 gebildet wird. Dadurch wird die obere Oberfläche des keramischen Substrats 1 in einem vorgegebenen Muster mit einer metallisierten Verdrahtungsschicht 2 mit einer vorgegebenen Dicke beschichtet.
Vorzugsweise wird die Oberfläche der metallisierten Verdrahtungsschicht 2 nach Maßgabe des Plattierverfahrens in einer Dicke im Bereich von 1 bis 20 µm mit einem Metallmaterial mit exzellenter Leitfähigkeit beschichtet, das hoch korrosionsbeständig ist und in bezug auf ein hartgelötetes Füllmaterial (beispielsweise Nickel oder Gold) eine ausgezeichnete Näßbarkeit aufweist. Dies ermöglicht einen effektiven Schutz der metallisierten Verdrahtungsschicht 2 vor Korrosion aufgrund einer Oxidation und gestattet eine feste Verbindung einer Elektrode der auf der metallisierten Verdrahtungsschicht 2 montierten elektronischen Komponente mit der metallisierten Verdrahtungsschicht 2 unter Verwendung von Lot oder dergleichen.
Überdies wird die aus Kupfer gefertigte metallene Leiterplatte 3 mit geringem spezifischen Widerstand (spezifischer Widerstand: 1,72 · 10^-6 Ω · cm) durch Hartlöten im Bereich der metallisierte Verdrahtungsschicht 2 plaziert, durch die ein großer Strom von ca. 10 A fließt. Die metallene Leiterplatte 3 ist so konstruiert, daß die Bedingung S ≥ 6 · 10^-5 i² erfüllt ist, wobei S den Querschnittsbereich (mm²) und i den Wert des fließenden elektrischen Stroms (A) repräsentieren. Daher ermöglicht die metallene Leiterplatte 3 selbst dann ein gleichmäßiges Fließen des elektrischen Stroms, wenn ein großer elektrischer Strom von ca. 10 A an die metallisierte Verdrahtungsschicht 2 angelegt wird, und gleichzeitig kann die Erzeugung einer intensiven Joulewärme effektiv verhindert werden. Dadurch kann die keramische Leiterplatte über einen längeren Zeitraum ordnungsgemäß und stabil funktionieren.
Die aus Kupfer gefertigte metallene Leiterplatte 3 mit einer vorgegebenen Form wird erhalten, indem ein Kupferbarren (ein Kupferblock) einem herkömmlicher Weise bekannten Metallverarbeitungsverfahren, wie einem Walzverarbeitungsverfahren oder einem Stanzverarbeitungsverfahren, unterzogen wird. Die metallene Leiterplatte 3 wird über ein Hartlotfüllmaterial 4 wie Silberlot im Bereich der metallisierten Verdrahtungsschicht 2 plaziert, durch die ein großer Strom von ca. 10 A fließt.
Der Querschnittsbereich der metallenen Leiterplatte 3 ist durch S (mm²) definiert, und der Wert des fließenden elektrischen Stroms ist durch i (A) definiert. Wenn in diesem Fall die Beziehung zwischen S und i durch S < 6 · 10^-5 i² gegeben ist und ein großer elektrischer Strom von ca. 10 A angelegt wird, kann nicht nur der elektrische Strom nicht gleichmäßig fließen, sondern es wird auch eine intensive Joulewärme erzeugt, was zu einer Verschmelzung führt. In Anbetracht dessen ist die metallene Leiterplatte 3 so konstruiert, daß die Bedingung S ≥ 6 · 10^-5 i² erfüllt ist, wobei S den Querschnittsbereich (mm²) und i den Wert des fließenden elektrischen Stroms (A) repräsentieren.
Ferner sollte die aus Kupfer gefertigte metallene Leiterplatte 3 vorzugsweise aus sauerstoffreiem Kupfer gefertigt sein. Das sauerstoffreie Kupfer hat nicht den Nachteil, daß eine Kupferoberfläche aufgrund des innerhalb des Kupfers vorhandenen Sauerstoffs beim Hartlöten oxidiert. Daher ermöglicht seine Verwendung den Erhalt einer ausgezeichneten Näßbarkeit in bezug auf das Hartlotfüllmaterial 4 und eine feste Verbindung der metallenen Leiterplatte 3 mit der metallisierten Verdrahtungsschicht 2 über das Hartlotfüllmaterial 4.
Vorzugsweise wird die Oberfläche der metallenen Leiterplatte 3 gemäß dem Plattierverfahren mit einem Metallmaterial mit einer ausgezeichneten Leitfähigkeit beschichtet, das hoch korrosionsbeständig ist und in bezug auf ein Lötmittel (beispielsweise Nickel) eine ausgezeichnete Näßbarkeit aufweist. Dies ermöglicht die Herstellunge einer zufriedenstellenden elektrischen Verbindung zwischen der metallenen Leiterplatte 3 und externen elektrischen Schaltungen und eine feste Verbindung einer elektronischen Komponente, wie eines Halbleiterelements, mit der metallenen Leiterplatte 3 über das Lot.
Wenn die Oberfläche der metallenen Leiterplatte 3 mit einer Schicht plattiert ist, sollte die Überzugsschicht vorzugsweise aus einer amorphen Nickel-Phosphor-Legierung gefertigt sein, die Phosphor in einer Menge von 8 bis 15 Gew.-% enthält. Dies ermöglicht den Schutz der Oberfläche der Überzugsschicht gegen Oxidation und die Aufrechterhaltung der Näßbarkeit in bezug auf das Lot über einen längeren Zeitraum.
Überdies wird, wenn die Oberfläche der metallenen Leiterplatte 3 mit einer Schicht aus einer amorphen Nickel-Phosphor-Legierung plattiert ist, bei einem Phosphorgehalt von weniger als 8 Gew.-% oder mehr als 15 Gew.-% die Erzeugung der amorphen Nickel-Phosphor-Legierung schwierig, wodurch das Lot nicht fest mit der Überzugsschicht verbunden werden kann. Dementsprechend sollte, wenn die Oberfläche der metallenen Leiterplatte 3 mit einer Schicht aus einer amorphen Nickel-Phosphor-Legierung plattiert ist, der Gehalt an Phosphor in bezug auf Nickel vorzugsweise innerhalb eines Bereichs von 8 bis 15 Gew.-%, vorzugsweise 10 bis 15 Gew.-% gehalten werden.
Ferner kann, wenn die Dicke der Überzugsschicht, mit der die Oberfläche der metallenen Leiterplatte 3 beschichtet ist, weniger als 1,5 µm beträgt, die Oberfläche der metallenen Leiterplatte 3 nicht vollständig mit der Überzugsschicht bedeckt werden. Dies macht es unmöglich, die metallene Leiterplatte 3 effektiv vor einer Korrosion durch Oxidation zu schützen. Wenn die Dicke der Überzugsschicht dagegen 3 µm übersteigt, wird innerhalb der Überzugsschicht eine große interne Spannung entwickelt, wodurch sich das keramische Substrat 1 aufwölbt oder springt. Insbesondere ist es, wenn das Keramiksubstrat 1 so dünn gefertigt wird, daß seine Dicke 700 µm oder weniger beträgt, unvermeidlich, daß eine merklichere Aufwölbung bzw. merklichere Risse auftreten. Daher sollte die Dicke der Überzugsschicht, mit der die Oberfläche der metallenen Leiterplatte 3 beschichtet ist, vorzugsweise innerhalb eines Bereichs von 1,5 bis 3 µm gehalten werden.
Darüber hinaus wirkt das Hartlotfüllmaterial 4, das zum Hartlöten der metallenen Leiterplatte 3 auf die metallisierte Verdrahtungsschicht 2 verwendet wird, als Verbindungselement zum Verbinden der metallenen Leiterplatte 3 mit der metallisierten Verdrahtungsschicht. Es wird beispielsweise vorzugsweise ein aus Silberlot (einem eutektischen Silber-Kupfer-Hartlotfüllmaterial, das Silber in einer Menge von 72 Gew.-% und Kupfer in einer Menge von 28 Gew.-% enthält) gefertigtes Hartlotfüllmaterial verwendet.
Folgendes ist eine Prozedur zum Plazieren der metallenen Leiterplatte 3 in der metallisierten Verdrahtungsschicht 2 unter Verwendung des Hartlotfüllmaterials 4. Zunächst wird einem Pulver aus dem Hartlotfüllmaterial 4 ein organisches Lösungsmittel beigemengt, um eine Hartlötfüllmittelpaste zu erzeugen. Die Paste wird dann gemäß einer herkömmlicher Weise bekannten Drucktechnik, wie einem Siebdruckverfahren, in einer vorgegebenen Form auf die metallisierte Verdrahtungsschicht 2 aufgedruckt. Dann wird die metallene Leiterplatte darauf angeordnet. Zweitens wird die so erhaltene Komponente in einem Vakuum, einer neutralen Atmosphäre oder einer reduzierenden Atmosphäre bei einer vorgegebenen Temperatur (bei einem Silberlot ca. 900°C) erwärmt, um das Hartlotfüllmaterial 4 geschmolzen zu halten, wodurch die obere Oberfläche der metallisierten Verdrahtungsschicht mit der unteren Oberfläche der metallenen Leiterplatte 3 verbunden wird. Dadurch wird die metallene Leiterplatte 3 über das Hartlotfüllmaterial 4 an der metallisierten Verdrahtungsschicht 2 angebracht.
Daher werden bei der vorstehend beschriebenen keramischen Leiterplatte elektronische Bauteile, wie ein IGBT (ein bipolarer Isolierschichttransistor) oder ein Leistungs-FET (ein Leistungs-Feldeffekttransistor) auf dem Keramiksubstrat 1 montiert. Die Elektroden der elektronischen Bauteile werden mit der metallisierten Verdrahtungsschicht 2 und der metallenen Leiterplatte 3 verbunden, und dadurch werden die montierten elektronischen Bauteile über die metallisierte Verdrahtungsschicht 2 und die metallene Leiterplatte 3 elektrisch miteinander verbunden. Überdies wird die metallisierte Verdrahtungsschicht 2 so mit einer spezifizierten externen Schaltung verbunden, daß die montierten elektronischen Komponenten elektrisch mit der externen elektrischen Schaltung verbunden werden. Auf diese Weise ist es möglich, die Funktion der keramischen Leiterplatte zu erzielen.
Als nächstes wird unter Bezugnahme auf 2 eine zweite Ausführungsform der Erfindung beschrieben.
Es wird darauf hingewiesen, daß in der Figur die Komponenten, die die gleiche oder eine entsprechende Rolle spielen, wie bei der ersten Ausführungsform, durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind.
Die in 2 gezeigte keramische Leiterplatte 10 ist aus einem keramischen Substrat 6, einer metallisierten Verdrahtungsschicht 7 und einer metallenen Leiterplatte 3 zusammengesetzt.
Das Keramiksubstrat 6 hat die Form eines Rechtecks, und es sind mehrere metallisierte Verdrahtungsschichten 7 an seiner oberen Oberfläche angebracht. Die metallene Leiterplatte 3 ist in einem Teil der metallisierten Verdrahtungsschichten 7 angeordnet.
Das Keramiksubstrat 6 dient als Halteelement zum Halten der metallisierten Verdrahtungsschicht 7 und ist aus einem elektrisch isolierenden Material, wie gesintertem Aluminiumoxid, Mullit, Siliciumnitrid, Aluminiumnitrid oder Siliciumcarbid gefertigt.
Nachstehend erfolgt eine Beschreibung eines Verfahrens zur Herstellung des Keramiksubstrats 6. Wenn das Keramiksubstrat 6 beispielsweise aus gesintertem Siliciumnitrid gefertigt ist, wird zuerst einem pulverförmigen Ausgangsmaterial, wie Siliciumnitrid, Aluminiumoxid, Magnesiumoxid oder Yttriumoxid, ein geeignetes organisches Bindemittel, Plastifiziermittel oder Lösungsmittel beigemengt, um eine Aufschlämmung zu erzeugen. Aus der Aufschlämmung wird dann gemäß einem herkömmlich bekannten Streichmesserverfahren oder Kalanderwalzverfahren ein Keramikrohling (eine keramische Rohplatte) geformt. Zweitens wird der Keramikrohling einem geeigneten Stanzprozeß unterzogen, damit er eine vorgegebene Form annimmt, und es werden den Erfordernissen entsprechend mehrere Platten aufeinandergestapelt, um einen Formkörper zu erzeugen. Zuletzt wird der Formkörper bei einer hohen Temperatur von ca. 1600 bis 2000°C in einer nicht oxidierenden Atmosphäre, wie einer Stickstoffgas enthaltenden Atmosphäre, gebrannt, wodurch das Keramiksubstrat 6 realisiert wird.
Überdies befinden sich auf der Oberfläche des Keramiksubstrats 6 mehrere metallisierte Verdrahtungsschichten 7, die als Übertragungswege zur Zufuhr vorgegebener elektrischer Signale oder einer vorgegebenen elektrischen Energie zu einer auf dem Keramiksubstrat 6 zu montierenden elektronischen Komponente dienen.
Die metallisierte Verdrahtungsschicht 7 besteht aus einer eutektischen Silber-Kupfer-Legierung, der zumindest Zirkoniumhydrid oder Hafniumhydrid in einer Menge von 2 bis 5 Gew.-% beigefügt ist. Zunächst wird der pulverförmigen Legierung ein geeignetes organisches Bindemittel, Plastifiziermittel oder Lösungsmittel beigemischt, um eine Metallpaste zu erzeugen. Die Metallpaste wird gemäß dem herkömmlicher Weise bekannten Siebdruckverfahren in einem vorgegebenen Muster auf das Keramiksubstrat 6 aufgedruckt. Zweitens wird das so erhaltene Bauteil in einem Vakuum, einer neutralen Atmosphäre oder einer reduzierenden Atmosphäre bei einer Temperatur von ca. 900°C gebrannt. Dadurch wird die Oberfläche des Keramiksubstrats 6 in einem vorgegebenen Muster mit einer metallisierten Verdrahtungsschicht 7 mit einer vorgegebenen Dicke beschichtet.
Überdies wird die aus Kupfer gefertigte metallene Leiterplatte 3 mit einem niedrigen spezifischen Widerstand (spezifischer Widerstand: 1,72 · 10^-6 Ω · cm) in dem Bereich der metallisierten Verdrahtungsschicht 7 plaziert, durch den ein großer elektrischer Strom von ca. 10 A fließt. Die metallene Leiterplatte 3 ist so konstruiert, daß die Bedingung S > 6 · 10^-5 i² erfüllt ist, wobei S den Querschnittsbereich (mm²) und i den Wert des fließenden elektrischen Stroms (A) repräsentieren. Daher ermöglicht die metallene Leiterplatte 3 selbst dann ein gleichmäßiges Fließen des elektrischen Stroms, wenn ein großer elektrischer Strom von ca. 10 A an die metallisierte Verdrahtungsschicht 7 angelegt wird, und gleichzeitig kann die Erzeugung einer intensiven Joulewärme effektiv verhindert werden. Dadurch kann die keramische Leiterplatte über einen längeren Zeitraum ordnungsgemäß und stabil funktionieren.
Die aus Kupfer gefertigte metallene Leiterplatte 3 mit einer vorgegebenen Form wird erhalten, indem ein Kupferbarren (ein Kupferblock) einem herkömmlicher Weise bekannten Metallverarbeitungsverfahren, wie einem Walzverarbeitungsverfahren oder einem Stanzverarbeitungsverfahren, unterzogen wird. Die metallene Leiterplatte 3 wird in dem Bereich der metallisierten Verdrahtungsschicht 7 plaziert, durch den ein großer Strom von ca. 10 A fließt.
Der Querschnittsbereich der metallenen Leiterplatte 3 ist als S (mm²) definiert, und der Wert des fließenden elektrischen Stroms ist als i (A) definiert. Wenn die Beziehung zwischen S und i in diesem Fall durch S < 6 · 10^-5 i² gegeben ist und ein großer elektrischer Strom von ca. 10 A angelegt wird, kann nicht nur der Strom nicht gleichmäßig fließen, sondern es wird auch eine intensive Joulewärme erzeugt, was zu einer Verschmelzung führt. Unter diesem Gesichtspunkt ist die metallene Leiterplatte 3 so konstruiert, daß die Bedingung S > 6 · 10^-5 i² erfüllt ist, wobei S den Querschnittsbereich (mm²) und i den Wert des fließenden elektrischen Stroms (A) repräsentieren.
Die Plazierung der metallenen Leiterplatte 3 in der metallisierten Verdrahtungsschicht 7 wird durch Ausnutzung des Reaktionsvermögens der metallisierten Verdrahtungsschicht 7 erreicht. Genauer wird eine Metallpaste (eine eutektische Silber-Kupfer-Legierung, der zumindest entweder Zirkoniumhydrid oder Hafniumhydrid beigefügt ist), aus der die metallisierte Verdrahtungsschicht 7 gebildet wird, in einem vorgegebenen Muster auf das Keramiksubstrat 6 aufgedruckt. Dann wird die metallene Leiterplatte 3 auf der in einem vorgegebenen Muster aufgedruckten Metallpaste plaziert. Anschließend wird die so erhaltene Komponente in einem Vakuum, einer neutralen Atmosphäre oder einer reduzierenden Atmosphäre bei einer Temperatur von ca. 900°C gebrannt, wodurch die metallene Leiterplatte 3 an der metallisierten Verdrahtungsschicht angebracht wird.
Ferner sollte die aus Kupfer gefertigte metallene Leiterplatte 3 vorzugsweise aus sauerstoffreiem Kupfer gefertigt sein. Das sauerstoffreie Kupfer hat nicht den Nachteil, daß eine Kupferoberfläche aufgrund des im Kupfer vorhandenen Sauerstoffs beim Brennen oxidiert. Daher ermöglicht seine Verwendung das Erzielen einer ausgezeichneten Näßbarkeit in bezug auf die Metallpaste und eine feste Verbindung der metallenen Leiterplatte 3 mit der metallisierten Verdrahtungsschicht 7.
Vorzugsweise werden die freiliegenden Oberflächen der metallisierten Verdrahtungsschicht 7 und der metallenen Leiterplatte 3 gemäß dem Plattierverfahren mit einem 1 bis 20 µm dicken Metallmaterial mit ausgezeichneter Leitfähigkeit beschichtet, das hoch korrosionsbeständig ist und in bezug auf ein Lötmittel (beispielsweise Nickel oder Gold) eine ausgezeichnete Näßbarkeit aufweist. Dies ermöglicht einen effektiven Schutz der metallisierten Verdrahtungsschicht 7 und der metallenen Leiterplatte 3 vor einer Korrosion aufgrund einer Oxidation, eine feste Verbindung der metallisierten Verdrahtungsschicht 7, der metallenen Leiterplatte 3 und der auf der metallisierten Verdrahtungsschicht 7 und der metallenen Leiterplatte 3 montierten elektronischen Bauteile miteinander über die Elektroden der elektronischen Bauteile und die Herstellung einer zufriedenstellenden elektrischen Verbindung zwischen der metallisierten Verdrahtungsschicht 7 oder der metallenen Leiterplatte 3 und den externen elektrischen Schaltungen.
Wenn die Oberflächen der metallisierten Verdrahtungsschicht 7 und der metallenen Leiterplatte 3 mit einer Schicht plattiert sind, sollte die Überzugsschicht vorzugsweise aus einer amorphen Nickel-Phosphor-Legierung gefertigt sein, die Phosphor in einer Menge von 8 bis 15 Gew.-% enthält. Dies ermöglicht den Schutz der Oberfläche der Überzugsschicht gegen Oxidation und die Aufrechterhaltung der Näßbarkeit in bezug auf das Lot über einen längeren Zeitraum.
Überdies wird, wenn die Oberflächen der metallisierten Verdrahtungsschicht 7 und der metallenen Leiterplatte 3 mit einer Schicht aus einer amorphen Nickel-Phosphor-Legierung plattiert sind und der Gehalt an Phosphor relativ zu Nickel weniger als 8 Gew.-% oder mehr als 15 Gew.-% beträgt, die Erzeugung der amorphen Nikkel-Phosphor-Legierung schwierig, wodurch das Lot nicht fest mit der Überzugsschicht verbunden werden kann. Dementsprechend sollte, wenn die Oberflächen der metallisierten Verdrahtungsschicht 7 und der metallenen Leiterplatte 3 mit einer Schicht aus einer amorphen Nickel-Phosphor-Legierung plattiert werden, der Gehalt an Phosphor relativ zu Nickel vorzugsweise innerhalb eines Bereichs von 8 bis 15 Gew.-%, vorzugsweise 10 bis 15 Gew.-% gehalten werden.
Ferner können, wenn die Dicke der Überzugsschicht, mit der die Oberflächen der metallisierten Verdrahtungsschicht 7 und der metallenen Leiterplatte 3 überzogen sind, weniger als 1,5 µm beträgt, die Oberflächen der metallisierten Verdrahtungsschicht 7 und der metallenen Leiterplatte 3 nicht vollständig mit der Überzugsschicht überzogen werden. Dies macht einen effektiven Schutz der metallisierten Verdrahtungsschicht 7 und der metallenen Leiterplatte 3 vor einer Korrosion aufgrund einer Oxidation unmöglich. Wenn die Dicke der Überzugsschicht dagegen 3 µm überschreitet, wird innerhalb der Überzugsschicht eine große interne Spannung entwickelt, und daher wölbt sich das Keramiksubstrat 6 auf oder reißt. Insbesondere wenn das Keramiksubstrat 6 so dünn gefertigt wird, daß es eine Dicke von 700 µm oder weniger aufweist, ist es unvermeidlich, daß merklichere Aufwölbungen oder merklichere Risse auftreten. Daher sollte die Dikke der Überzugsschicht, mit der die Oberflächen der metallisierten Verdrahtungsschicht 7 und der metallenen Leiterplatte 3 überzogen sind, vorzugsweise in einem Bereich von 1,5 bis 3 µm gehalten werden.
Daher sind bei der vorstehend beschriebenen keramischen Leiterplatte elektronische Komponenten, wie ein IGBT (bipolarer Isolierschichttransistor) oder ein Leistungs-FET (Leistungs-Feldeffekttransistor) auf dem Keramiksubstrat 6 montiert. Die Elektroden der elektronischen Komponenten sind mit der metallisierten Verdrahtungsschicht 7 und der metallischen Leiterplatte 3 verbunden, und dadurch sind die montierten elektronischen Komponenten über die metallisierte Verdrahtungsschicht 7 und die metallene Leiterplatte 3 elektrisch miteinander verbunden. Überdies ist die metallisierte Verdrahtungsschicht 7 so mit einer spezifizierten externen elektrischen Schaltung verbunden, daß die montierten elektronischen Komponenten elektrisch mit der externen elektrischen Schaltung verbunden sind. Auf diese Weise ist es möglich, die Funktion der keramischen Leiterplatte zu erreichen.
Es wird darauf hingewiesen, daß die Erfindung nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen und Beispiele beschränkt ist und daß verschiedene Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne vom Geist oder Rahmen der Erfindung abzuweichen. Obwohl bei den vorstehend beschriebenen Beispielen beispielsweise ein eutektisches Silber-Kupfer-Hartlotfüllmaterial als Hartlotfüllmaterial 4 verwendet wird, ist es auch möglich, ein Hartlotfüllmaterial aus einem aktiven Metall zu verwenden, das durch Beifügen eines aktiven Metalls wie Titan oder seinen Hydriden in einer Menge von 2 bis 5 Gew.-% zu dem eutektischen Silber-Kupfer-Hartlotfüllmaterial erhalten wird.
3 ist eine Querschnittsansicht, die eine dritte Ausführungsform der keramischen Leiterplatte zeigt. Bei der dritten Ausführungsform sind die Komponenten, die die gleiche oder eine entsprechende Rolle wie bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen spielen, durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet, und auf überlappende Beschreibungen wird verzichtet.
Eine keramische Leiterplatte 15 gemäß der dritten Ausführungsform hat mit der Ausnahme den gleichen grundsätzlichen Aufbau wie die keramische Leiterplatte 5 gemäß der ersten Ausführungsform, daß bei der zuerst genannten die metallene Leiterplatte 11 aus Aluminium gefertigt und so konstruiert ist, daß die Bedingung S ≥ 9 · 10^-5 i² erfüllt ist, wenn davon ausgegangen wird, daß ihr Querschnittsbereich S (mm²) und der Wert des fließenden elektrischen Stroms i (A) sind.
Die keramische Leiterplatte 15 umfaßt ein keramisches Substrat 1, eine metallisierte Verdrahtungsschicht 2 und eine metallene Leiterplatte 11.
Das Keramiksubstrat 1 ist rechteckig, und auf seiner oberen Oberfläche sind mehrere metallisierte Verdrahtungsschichten 2 angebracht. Die metallene Leiterplatte 11 ist in einem Teil der metallisierten Verdrahtungsschichten 2 plaziert.
Das Keramiksubstrat 1 gemäß der dritten Ausführungsform ist hinsichtlich der Funktion, des Materials und des Herstellungsverfahrens mit dem gemäß der ersten Ausführungsform identisch, und daher wird auf eine überlappende Beschreibung verzichtet.
Die metallisierte Verdrahtungsschicht 2 gemäß der dritten Ausführungsform ist hinsichtlich der Funktion, des Materials und der Dicke mit der gemäß der ersten Ausführungsform identisch, und daher wird auf eine überlappende Beschreibung verzichtet.
Die aus Aluminium gefertigte metallene Leiterplatte 11 mit einem niedrigen spezifischen Widerstand (spezifischer Widerstand: 2,65 · 10^-6 Ω · cm) wird durch Hartlöten in dem Bereich der metallisierten Verdrahtungsschicht 2 plaziert, durch den ein großer Strom von ca. 10 A fließt. Die metallene Leiterplatte 11 ist so konstruiert, daß die Bedingung S > 9 · 10^-5 i² erfüllt ist, wobei S den Querschnittsbereich (mm²) und i den Wert des fließenden elektrischen Stroms (A) repräsentieren. Daher ermöglicht die metallene Leiterplatte 11 selbst dann ein gleichmäßiges Fließen des elektrischen Stroms, wenn ein großer elektrischer Strom von ca. 10 A an die metallisierte Verdrahtungsschicht 2 angelegt wird, und gleichzeitig kann die Erzeugung einer intensiven Joulewärme effektiv verhindert werden. Dadurch kann die keramische Leiterplatte über einen längeren Zeitraum ordnungsgemäß und stabil funktionieren.
Die aus Aluminium gefertigte metallene Leiterplatte 11 mit einer vorgegebenen Form wird erhalten, indem ein Aluminiumbarren (ein Aluminiumblock) einem bekannten herkömmlichen Metallverarbeitungsverfahren, wie einem Walzverarbeitungsverfahren oder einem Stanzverarbeitungsverfahren, unterzogen wird. Die metallene Leiterplatte 11 wird über ein Hartlotfüllmaterial 12, wie Aluminiumlot, in dem Bereich der metallisierten Verdrahtungsschicht 2 plaziert, durch den ein großer Strom von ca. 10 A fließt.
Der Querschnittsbereich der metallenen Leiterplatte 11 ist durch S (mm²) und der Wert des fließenden elektrischen Stroms durch i (A) definiert. Wenn die Beziehung zwischen S und i in diesem Fall durch S < 9 · 10^-5 i² gegeben ist und ein großer elektrischer Strom von ca. 10 A angelegt wird, kann nicht nur der elektrische Strom nicht gleichmäßig fließen, sondern es wird auch eine intensive Joulewärme erzeugt, was zu einer Verschmelzung führt. Unter diesem Gesichtspunkt ist die metallene Leiterplatte 11 so konstruiert, daß die Bedingung S ≥ 9 · 10^-5 i² erfüllt ist, wobei S den Querschnittsbereich (mm²) und i den Wert des fließenden elektrischen Stroms (A) repräsentieren.
Genau wie bei der ersten Ausführungsform wird die Oberfläche der metallenen Leiterplatte 11 vorzugsweise gemäß dem Plattierungsverfahren mit einem Metallmaterial mit einer ausgezeichneten Leitfähigkeit beschichtet, das hoch korrosionsbeständig ist und in bezug auf ein Lötmittel (beispielsweise Nickel) eine ausgezeichnete Näßbarkeit aufweist. Dies ermöglicht die Herstellung einer zufriedenstellenden elektrischen Verbindung zwischen der metallenen Leiterplatte 11 und externen elektrischen Schaltungen und eine feste Verbindung eines elektronischen Bauteils, wie eines Halbleiterelements, mit der metallenen Leiterplatte 11 über das Lot.
Überdies sollte die Überzugsschicht vorzugsweise aus einer amorphen Nickel-Phosphor-Legierung gefertigt sein, die Phosphor in einer Menge von 8 bis 15 Gew.-% enthält, wenn die Oberfläche der metallenen Leiterplatte 11 mit einer Schicht plattiert ist. Dies ermöglicht über einen längeren Zeitraum einen Schutz der Oberfläche der Überzugsschicht gegen Oxidation und die Aufrechterhaltung der Näßbarkeit in bezug auf das Lot.
Ferner wird die Erzeugung der amorphen Nickel-Phosphor-Legierung schwierig, wenn die Oberfläche der metallenen Leiterplatte 11 mit einer Schicht aus einer amorphen Nickel-Phosphor-Legierung plattiert ist und der Gehalt an Phosphor in bezug auf das Nickel weniger als 8 Gew.-% beträgt oder 15 Gew.-% übersteigt, wodurch das Lot nicht fest mit der Überzugsschicht verbunden werden kann. Dementsprechend sollte der Gehalt des Phosphors in bezug auf das Nickel vorzugsweise in einem Bereich von 8 bis 15 Gew.-%, vorzugsweise 10 bis 15 Gew.-%, gehalten werden, wenn die Oberfläche der metallenen Leiterplatte 11 mit einer Schicht aus einer amorphen Nikkel-Phosphor-Legierung plattiert ist.
Darüber hinaus kann die Oberfläche der metallenen Leiterplatte 11 nicht vollständig mit der Überzugsschicht bedeckt werden, wenn die Dicke der Überzugsschicht, mit der die Oberfläche der metallenen Leiterplatte 11 beschichtet ist, weniger als 1,5 µm beträgt. Dies macht einen effektiven Schutz der metallenen Leiterplatte 11 gegen eine Korrosion aufgrund einer Oxidation unmöglich. Wenn die Dicke der Überzugsschicht dagegen 3 µm übersteigt, wird in der Überzugsschicht eine große interne Spannung entwickelt, wodurch sich das Keramiksubstrat 1 aufwölbt oder reißt. Insbesondere wenn das Keramiksubstrat 1 so dünn gefertigt wird, daß es eine Dicke von 700 µm oder weniger aufweist, ist das Auftreten einer merklicheren Aufwölbung bzw. merklicherer Risse unvermeidlich. Daher sollte die Dicke der Überzugsschicht, mit der die Oberfläche der metallenen Leiterplatte 11 überzogen ist, vorzugsweise in einem Bereich von 1,5 bis 3 µm gehalten werden.
Das zum Hartlöten der metallenen Leiterplatte 11 auf die metallisierte Verdrahtungsschicht 2 verwendete Hartlotfüllmaterial 12 wirkt als Verbindungselement zum Verbinden der metallenen Leiterplatte 11 mit der metallisierten Verdrahtungsschicht 2. Vorzugsweise wird beispielsweise ein Hartlotfüllmaterial aus Aluminiumlot (ein eutektisches Aluminium-Silicium-Hartlotfüllmaterial, das Aluminium in einer Menge von 88 Gew.-% und Silicium in einer Menge von 12 Gew.-% enthält) verwendet.
Folgendes ist eine Prozedur zur Plazierung der metallenen Leiterplatte 11 in der metallisierten Verdrahtungsschicht 2 unter Verwendung des Hartlotfüllmaterials 12. Zuerst wird einem Pulver aus dem Hartlotfüllmaterial 12 ein organisches Lösungsmittel beigemengt, um eine Hartlotfüllmittelpaste herzustellen. Die Paste wird dann gemäß einer bekannten, herkömmlichen Drucktechnik, wie einem Siebdruckverfahren, in einer vorgegebenen Form auf die metallisierte Verdrahtungsschicht 2 aufgedruckt. Dann wird die metallene Leiterplatte 11 darauf angeordnet. Zweitens wird das so erhaltene Bauteil in einem Vakuum, einer neutralen Atmosphäre oder einer reduzierenden Atmosphäre bei einer vorgegebenen Temperatur (ca. 600°C) erwärmt, um das Hartlotfüllmaterial 12 geschmolzen zu halten, wodurch die obere Oberfläche der metallisierten Verdrahtungsschicht 2 mit der unteren Oberfläche der metallenen Leiterplatte 11 verbunden wird. Dadurch wird die metallene Leiterplatte 11 über das Hartlotfüllmaterial 12 auf der metallisierten Verdrahtungsschicht 2 angebracht.
Daher werden bei der vorstehend beschriebenen keramischen Leiterplatte elektronische Bauteile, wie ein IGBT (bipolarer Isolierschichttransistor) oder ein Leistungs-FET (Leistungs-Feldeffekttransistor) auf dem Keramiksubstrat 1 montiert. Die Elektroden der elektronischen Bauteile werden mit der metallisierten Verdrahtungsschicht 2 und der metallenen Leiterplatte 11 verbunden, und dadurch werden die montierten elektronischen Bauteile über die metallisierte Verdrahtungsschicht 2 und die metallene Leiterplatte 11 elektrisch miteinander verbunden. Überdies ist die metallisierte Verdrahtungsschicht 2 so mit einer spezifizierten externen elektrischen Schaltung verbunden, daß die montierten elektronischen Bauteile elektrisch mit der externen elektrischen Schaltung verbunden sind. Auf diese Weise ist es möglich, die Funktion der keramischen Leiterplatte zu erhalten.
Als nächstes wird unter Bezugnahme auf 4 eine vierte Ausführungsform der Erfindung beschrieben.
Es wird darauf hingewiesen, daß in der Figur die Bauteile, die die gleiche oder eine entsprechende Rolle wie bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen spielen, durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind.
Die in 4 gezeigte keramische Leiterplatte 20 hat den gleichen grundsätzlichen Aufbau wie die keramische Leiterplatte 10 gemäß der zweiten Ausführungsform, mit der Ausnahme, daß bei der zuerst genannten die metallene Leiterplatte 11 aus Aluminium gefertigt und so konstruiert ist, daß die Bedingung S ≥ 9 · 10^-5 i² erfüllt ist, wenn davon ausgegangen wird, daß ihr Querschnittsbereich S (mm²) und ein Wert eines fließenden elektrischen Stroms i (A) ist.
Die keramische Leiterplatte 20 ist aus einem Keramiksubstrat 6, einer metallisierten Verdrahtungsschicht 13 und einer metallenen Leiterplatte 11 zusammengesetzt.
Das Keramiksubstrat 6 ist rechteckig, und auf seiner oberen Oberfläche sind mehrere metallisierte Verdrahtungsschichten angebracht. Die metallene Leiterplatte 11 wird auf einem Teil der metallisierten Verdrahtungsschicht 13 plaziert.
Das Keramiksubstrat 6 dient als Halteelement zum Halten der metallisierten Verdrahtungsschicht 13 und ist aus einem elektrisch isolierenden Material, wie gesintertem Aluminiumoxid, Mullit, Siliciumnitrid, Aluminiumnitrid oder Siliciumcarbid gefertigt.
Das Keramiksubstrat 6 gemäß der vierten Ausführungsform wird auf die gleiche Weise wie bei der zweiten Ausführungsform hergestellt, und daher wird auf eine überlappende Beschreibung verzichtet.
Überdies hat das Keramiksubstrat 6 auf seiner Oberfläche mehrere metallisierte Verdrahtungsschichten 13, die als Übertragungswege zur Zufuhr vorgegebener elektrischer Signale oder eines vorgegebenen Stroms zu einer auf dem Keramiksubstrat 6 zu montierenden elektronischen Komponente dienen.
Die metallisierte Verdrahtungsschicht 13 ist aus einer eutektischen Aluminium-Silicium-Legierung gefertigt, der zumindest eines aus Titan, Zirkonium, Hafnium und deren Hydride in einer Menge von 2 bis 5 Gew.-% beigemengt ist. Zuerst wird dem Pulver aus der Legierung ein geeignetes organisches Bindemittel, Plastifiziermittel oder Lösungsmittel beigemengt, um eine Metallpaste zu erzeugen. Die Metallpaste wird gemäß dem bekannten herkömmlichen Siebdruckverfahren in einem vorgegebenen Muster auf das Keramiksubstrat 6 aufgedruckt. Zweitens wird das so erhaltene Bauteil in einem Vakuum, einer neutralen Atmosphäre oder einer reduzierenden Atmosphäre bei einer Temperatur von ca. 600°C gebrannt. Dadurch wird die obere Oberfläche des Keramiksubstrats 6 in einem vorgegebenen Muster mit der metallisierten Verdrahtungsschicht 13 mit einer vorgegebenen Dicke beschichtet.
Überdies wird die aus Aluminium mit einem geringen spezifischen Widerstand (spezifischer Widerstand: 2,65 · 10^-6 Ω · cm) gefertigte metallene Leiterplatte 11 in dem Bereich der metallisieren Verdrahtungsschicht 13 plaziert, durch die ein großer elektrischer Strom von ca. 10 A fließt. Die metallene Leiterplatte 11 ist so konstruiert, daß die Bedingung S ≥ 9 · 10^-5 i² erfüllt ist, wobei S den Querschnittsbereich (mm²) und i den Wert des fließenden elektrischen Stroms (A) repräsentieren. Daher ermöglicht die metallene Leiterplatte 11 selbst dann ein gleichmäßiges Fließen des elektrischen Stroms, wenn ein großer elektrischer Strom von ca. 10 A an die metallisierte Verdrahtungsschicht 13 angelegt wird, und gleichzeitig kann die Erzeugung einer intensiven Joulewärme effektiv verhindert werden. Dadurch kann die keramische Leiterplatte über einen längeren Zeitraum ordnungsgemäß und stabil arbeiten.
Die aus Aluminium gefertigte metallene Leiterplatte 11 mit einer vorgegebenen Form wird erhalten, indem ein Aluminiumbarren (ein Aluminiumblock) einem bekannten herkömmlichen Metallverarbeitungsverfahren, wie einem Walzverarbeitungsverfahren oder einem Stanzverarbeitungsverfahren unterzogen wird. Die metallene Leiterplatte 11 wird in dem Bereich der metallisierten Verdrahtungsschicht 13 plaziert, durch den ein großer Strom von ca. 10 A fließt.
Der Querschnittsbereich der metallenen Leiterplatte 11 ist durch S (mm²) und der Wert des fließenden elektrischen Stroms durch i (A) definiert. Wenn die Beziehung zwischen S und i diesem Fall durch S < 9 · 10^-5 i² gegeben ist und ein großer elektrischer Strom von ca. 10 A angelegt wird, kann nicht nur der Strom nicht gleichmäßig fließen, sondern es wird auch eine intensive Joulewärme erzeugt, was zu einer Verschmelzung führt. Im Hinblick darauf ist die metallene Leiterplatte 11 so konstruiert, daß die Bedingung S ≥ 9 · 10^-5 i² erfüllt ist, wobei S den Querschnittsbereich (mm²) und i den Wert des fließenden elektrischen Stroms (A) repräsentieren.
Die Plazierung der metallenen Leiterplatte 11 in der metallisierten Verdrahtungsschicht 13 wird erreicht, indem das Reaktionsvermögen der metallisierten Verdrahtungsschicht 13 genutzt wird. Genauer wird eine Metallpaste (eine eutektische Aluminium-Silicium-Legierung, der zumindest eines aus Titan, Zirkonium, Hafnium und deren Hydride beigemengt ist), aus der die metallisierte Verdrahtungsschicht 13 gebildet wird, in einem vorgegebenen Muster auf das Keramiksubstrat 6 aufgedruckt. Dann wird die metallene Leiterplatte 11 auf der in dem vorgegebenen Muster aufgedruckten Metallpaste plaziert. Anschließend wird das so erhaltene Bauteil bei einer Temperatur von ca. 600°C in einem Vakuum, einer neutralen Atmosphäre oder in einer reduzierenden Atmosphäre gebrannt, wodurch die metallene Leiterplatte 11 auf der metallisierten Verdrahtungsschicht 13 angebracht wird.
Ebenso wie bei der zweiten Ausführungsform werden die freiliegenden Oberflächen der metallisierten Verdrahtungsschicht 13 und der metallenen Leiterplatte 11 vorzugsweise gemäß dem Plattierverfahren mit einem 1 bis 20 µm dicken Metallmaterial mit einer exzellenten Leitfähigkeit beschichtet, das hoch korrosionsbeständig ist und in bezug auf ein Lot (beispielsweise Nickel oder Gold) eine ausgezeichnete Näßbarkeit aufweist. Dies ermöglicht einen effektiven Schutz der metallisierten Verdrahtungsschicht 13 und der metallenen Leiterplatte 11 gegen eine Korrosion aufgrund einer Oxidation, eine feste Verbindung der metallisierten Verdrahtungsschicht 13, der metallenen Leiterplatte 11 und der auf der metallisierten Verdrahtungsschicht 13 und der metallenen Leiterplatte 1 montierten elektronischen Bauteile miteinander über die Elektroden der elektronischen Bauteile sowie die Herstellung einer zufriedenstellenden elektrischen Verbindung zwischen der metallisierten Verdrahtungsschicht 13, der metallenen Leiterplatte 11 und den externen elektrischen Schaltungen.
Wenn die Oberflächen der metallisierten Verdrahtungsschicht 13 und der metallenen Leiterplatte 11 mit einer Schicht plattiert sind, sollte die Überzugsschicht vorzugsweise aus einer amorphen Nickel-Phosphor-Legierung gefertigt sein, die Phosphor in einer Menge von 8 bis 15 Gew.-% enthält. Dies ermöglicht einen Schutz der Oberfläche der Überzugsschicht gegen Oxidation und eine Aufrechterhaltung der Näßbarkeit in bezug auf das Lot über einen längeren Zeitraum.
Überdies wird die Erzeugung der amorphen Nickel-Phosphor-Legierung schwierig, wenn die Oberflächen der metallisierten Verdrahtungsschicht 13 und der metallenen Leiterplatte 1 mit einer Schicht aus einer amorphen Nickel-Phosphor-Legierung plattiert sind und der Gehalt an Phosphor in bezug auf das Nickel weniger als 8 Gew.-% beträgt oder 15 Gew.-% übersteigt, wodurch das Lot nicht fest mit der Überzugsschicht verbunden werden kann. Dementsprechend sollte der Gehalt an Phosphor in bezug auf das Nickel vorzugsweise in einem Bereich von 8 bis 15 Gew.-%, vorzugsweise 10 bis 15 Gew.-% gehalten werden, wenn die Oberflächen der metallisierten Verdrahtungsschicht 13 und der metallenen Leiterplatte 11 mit einer Schicht aus einer amorphen Nickel-Phosphor-Legierung beschichtet sind.
Ferner können die Oberflächen der metallisierten Verdrahtungsschicht 13 und der metallenen Leiterplatte 11 nicht vollständig mit der Überzugsschicht bedeckt werden, wenn die Dicke der Überzugsschicht, mit der die Oberflächen der metallisierten Verdrahtungsschicht 13 und der metallenen Leiterplatte 1 überzogen sind, weniger als 1,5 µm beträgt. Dadurch wird ein effektiver Schutz der metallisierten Verdrahtungsschicht 13 und der metallenen Leiterplatte 11 gegen eine Korrosion aufgrund einer Oxidation unmöglich. Wenn die Dicke der Überzugsschicht dagegen 3 µm übersteigt, wird innerhalb der Überzugsschicht eine große interne Spannung entwikkelt, und daher wölbt sich das Keramiksubstrat 6 auf oder bekommt Sprünge. Besonders wenn das Keramiksubstrat 6 so dünn gefertigt ist, daß es eine Dicke von 700 µm oder weniger aufweist, ist das Auftreten einer merklicheren Aufwölbung oder merklicherer Risse unvermeidlich. Daher sollte die Dicke der Überzugsschicht, mit der die Oberflächen der metallisierten Verdrahtungsschicht 13 und der metallenen Leiterplatte 11 überzogen sind, vorzugsweise in einem Bereich von 1,5 bis 3 µm gehalten werden.
Daher sind bei der vorstehend beschriebenen keramischen Leiterplatte elektronische Bauteile, wie ein IGBT (ein bipolarer Isolierschichttransistor) oder ein Leistungs-FET (ein Leistungs-Feldeffekttransistor) auf dem Keramiksubstrat 6 montiert. Die Elektroden der elektronischen Bauteile sind mit der metallisierten Verdrahtungsschicht 13 und der metallenen Leiterplatte 11 verbunden, und dadurch werden die montierten elektronischen Bauteile über die metallisierte Verdrahtungsschicht 13 und die metallene Leiterplatte 11 elektrisch miteinander verbunden. Überdies ist die metallisierte Verdrahtungsschicht 13 so mit einer spezifizierten externen Schaltung verbunden, daß die montierten elektronischen Bauteile elektrisch mit der externen elektrischen Schaltung verbunden sind. Auf diese Weise ist es möglich, die Funktion der keramischen Leiterplatte zu erhalten.
Es wird darauf hingewiesen, daß die Erfindung nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen und Beispiele beschränkt ist, und daß daher verschiedene Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne vom Geist oder dem Rahmen der Erfindung abzuweichen. Obwohl bei den vorstehend beschriebenen Beispielen ein eutektisches Alluminium-Silicium-Hartlotfüllmaterial als Hartlotfüllmaterial 12 verwendet wird, ist es beispielsweise auch möglich, ein Hartlotfüllmaterial mit aktivem Metall zu verwenden, das erhalten wird, indem dem eutektischen Aluminium-Silicium-Hartlotfüllmaterial ein aktives Metall, wie Titan oder seine Hydride in einer Menge von 2 bis 5 Gew.-% beigegeben wird.
Die Erfindung kann in anderen spezifischen Formen ausgeführt werden, ohne daß von ihrem Geist und ihren essentiellen Merkmalen abgewichen würde. Die vorliegenden Ausführungsformen sind daher in jeder Hinsicht als Illustrativ und nicht als restriktiv zu betrachten, wobei der Rahmen der Erfindung eher durch die beiliegenden Ansprüche als durch die vorstehende Beschreibung definiert wird und sämtliche Änderungen, die in die Bedeutung und den Bereich der Äquivalenz zu den Ansprüchen fallen, daher als darin enthalten zu betrachten sind.

Claims

Keramische Leiterplatte (10) mit einem keramischen Substrat (6), mehreren metallisierten Verdrahtungsschichten (7), die auf dem keramischen Substrat ausgebildet sind, und einem metallischen Plattenleiter (3) aus Kupfer, der auf einem Teil der metallisierten Verdrahtungsschichten (7) angebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Bedingung S ≥ 6 · 10^-5 i² erfüllt ist, wobei S die Querschnittsfläche (mm²) des metallischen Plattenleiters (3) und i der Wert (A) des fließenden elektrischen Stroms ist, und die metallisierte Verdrahtungsschicht (7) aus einer eutektischen Silber-Kupfer-Legierung gefertigt ist, der zumindest einer der Stoffe Zirkoniumhydrid und Hafniumhydrid beigefügt ist.
Keramische Leiterplatte (10) nach Anspruch 1, bei der der metallische Plattenleiter (3) eine Oberfläche hat, die mit einer Schicht plattiert ist, die aus einer amorphen Legierung aus Nickel und Phosphor besteht, die 8 bis 15 Gew.-% Phosphor enthält.
Keramische Leiterplatte (10) nach Anspruch 2, bei der das keramische Substrat (6) eine Dicke von 700 µm oder weniger und die Oberflächenplattierungsschicht eine Dicke von 1,5 bis 3 µm aufweisen.
Keramische Leiterplatte (20) mit einem keramischen Substrat (6), mehreren metallisierten Verdrahtungsschichten (13) auf dem keramischen Substrat und einem metallischen Plattenleiter (11) aus Aluminium, der auf einem Teil der metallisierten Verdrahtungsschichten (13) angebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Bedingung S ≥ 9 · 10^-5 i² erfüllt ist, wobei S die Querschnittsfläche (mm²) des metallischen Plattenleiters (11) und i der Wert (A) des fließenden elektrischen Stroms ist, und die metallisierte Verdrahtungsschicht (13) aus einer eutektischen Aluminium-Silicium-Legierung gefertigt ist, der zumindest einer der Stoffe Titan, Zirkonium, Hafnium bzw. deren Hydride beigefügt ist.
Keramische Leiterplatte (20) nach Anspruch 4, bei der die Oberfläche des metallischen Plattenleiters (11) mit einer Schicht überzogen ist, die aus einer amorphen Nickel-Phosphor-Legierung besteht, die Phosphor in einer Menge von 8 bis 15 Gew.-% enthält.
Keramische Leiterplatte (20) nach Anspruch 5, bei der das keramische Substrat (6) eine Dicke von 700 µm oder weniger und die Oberflächenüberzugsschicht eine Dicke zwischen 1,5 und 3 µm aufweisen.
Keramische Leiterplatte (10, 20) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der metallische Plattenleiter (3, 11) für einen Stromfluss von ca. 10 A ausgelegt ist.