DE19708363C1 - Verfahren zum Herstellen eines Metall-Keramik-Substrats und Metall-Keramik-Substrat - Google Patents

Verfahren zum Herstellen eines Metall-Keramik-Substrats und Metall-Keramik-Substrat

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß Oberbegriff Patentanspruch 1.
Bekannt ist insbesondere auch, die zum Herstellen von Leiterbahnen, Anschlüssen usw. benötigte Metallisierung auf einer Keramik mit Hilfe des sogenannten "DCB-Verfahrens" (Direct-Copper-Bond-Technology) herzustellen, und zwar unter Verwendung von die Metallisierung bildenden, an ihren Oberflächen oxidierten Kupferfolien. Die Kupferoxidschicht dieser Folien bildet ein Eutektikum mit einer Schmelztemperatur unter der Schmelztemperatur des Kupfers, so daß durch Auflegen der Folien auf die Keramik und durch Erhitzen sämtlicher Schichten diese miteinander verbunden werden können, und zwar durch Aufschmelzen des Kupfers im wesentlichen nur im Bereich der Oxidschicht. Das DCB-Verfahren ist eine dem Fachmann bekannte Technik, die z. B. folgende Verfahrensschritte aufweist:
  • - Oxidieren eines Kupferbleches derart, daß sich eine gleichmäßige Kupferoxidschicht ergibt;
  • - auflegen des Kupferbleches auf die Keramikschicht bzw. auf das Keramiksubstrat;
  • - erhitzen des Verbundes auf beispielsweise ca. 1071°C;
  • - abkühlen auf Raumtemperatur.
Verfahrens der eingangs erwähnten Art sind grundsätzlich bekannt (DE 38 37 617 A1, DE 39 41 814 A1). Diese bekannten Verfahren dienen zum Herstellen von Metall-Keramik- Substraten, bei denen ein Keramiksubstrat beidseitig mit einer Metallisierung versehen ist und die Metallisierung an einer Oberflächenseite des Keramiksubstrats als Zwischenschicht für eine thermische und/oder elektrische Verbindung mit einer Grundplatte aus Metall ausgebildet ist. Wegen des unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoifizienten von Kupfer und Keramik und wegen der hier durch insbesondere bei großformatigen Substraten auftretenden thermischen Belastungen innerhalb des Keramiksubstrats ist dieses im bekannten Fall in mehrere Einzelschichten oder -Substrate zertrennt, die durch die erste Metallisierung miteinander verbunden sind und mit der zweiten Metallisierung auf dem gemeinsamen Grundkörper befestigt sind. Die Metallisierungen an beiden Oberflächenseiten der Keramik sind dabei mit der DCB-Technik hergestellt.
Bekannt ist weiterhin ein Verfahren (DE 43 19 944 A1) zum Herstellen von Metall-Keramik- Substraten im Mehrfach-Nutzen wobei jedes Substrat aus einem Keramiksubstrat besteht, das an den gegenüberliegenden Seiten jeweils mit einer Metallisierung versehen ist. Für eine rationellere Herstellung wird ein großformatiges Keramik-Substrat beidseitig unter Anwendung des DCB-Verfahrens mit einer strukturierten Metallisierung derart versehen, daß auf dem großformatigen Keramik-Substrat im Mehrfachnutzen eine Vielzahl von einzelnen Keramik-Metall-Substraten gebildet sind, und zwar jeweils beidseitig mit einer Metallisierung. Durch in das großflächige Keramik-Substrat eingebrachte Sollbruchlinien kann dann dieser Mehrfachnutzen durch Brechen entlang der Sollbruchlinien in die einzelnen Keramik-Metall-Substrate zertrennt werden.
Ein Vorteil der mit diesem bekannten Verfahren hergestellten Metall-Keramik-Substraten besteht u. a. in der guten Wärmeableitung.
Bekannt ist weiterhin die Herstellung von Metall-Keramik-Substraten durch Aufdrucken und Einbrennen einer metallhaltigen Paste auf ein Keramik-Substrat (Galvanotechnik 87 (1996), Seiten 246 und 247).
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Herstellungverfahren der gattungsgemäßen Art aufzuzeigen, welches es ermöglicht, Metall-Keramik-Substrate mit optimalen thermischen Eigenschaften noch preiswerter herzustellen. Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Verfahren entsprechend dem Patentanspruch 1 ausgebildet.
Bei den mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Substraten bildet die unter Verwendung der Dickfilm- oder Dünnfilmtechnik hergestellte "zweite" Metallisierung die Zwischenschicht, die den verbesserten thermischen und/oder elektrischen Übergang zwischen dem Keramik-Metall-Substrat und der metallischen Grundplatte bewirkt, auf der dieses Substrat angeordnet ist und die ihrerseits mit einem Kühlkörper oder einer Wärmesenke verbunden ist oder aber Bestandteil dieser Wärmesenke ist. Die Verbindung zwischen dem Substrat und der Grundplatte ist beispielsweise eine Lötverbindung. Grundsätzlich ist es auch möglich, diese Verbindung durch Verspannen herzustellen. Strukturiert ist bei der Erfindung die durch DCB-Technik hergestellte erste Metallisierung, die die Leiterbahnkontaktflächen usw. für die Bauelemente bildet.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt die Herstellung der Metall-Keramik- Substrate im Mehrfachnutzen, d. h. nach Fertigstellung der ersten und zweiten Metallisierung erfolgt das Vereinzeln der Substrate, wobei dann anschließend jedes Substrat mit einer Grundplatte verbunden werden kann. Die Herstellung im Mehrfachnutzen trägt ebenfalls zur Möglichkeit einer preiswerten Fertigung bei.
Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 in vereinfachter Darstellung und im Schnitt ein unter Verwendung der Erfindung hergestelltes Substrat bzw. ein mit diesem hergestellter elektrischer Schaltkreis;
Fig. 2 in vereinfachter Darstellung und in Draufsicht ein Mehrfach-Substrat mit einer Vielzahl von an Sollbruchlinien aneinander anschließenden Einzelsubstraten;
Fig. 3 einen Schnitt entsprechend der Linie I-I der Fig. 2;
Fig. 4 in einer Darstellung ähnlich Fig. 1 ein weiteres, nach der Erfindung hergestelltes Bauteil bzw. Substrat;
Fig. 5 in vereinfachter Schnittdarstellung ein weiteres, unter Verwendung der Erfindung hergestelltes Substrat.
In den Fig. 1-3 ist 1 ein Metall-Keramik-Einzelsubstrat bestehend aus einer Keramikschicht bzw. aus einem Keramiksubstrat 2 (beispielsweise Aluminiumnitrid- Keramik), aus einer oberen Metallisierung 3, die flächig auf der Oberseite des Keramiksubstrats 2 vorgesehen und flächig mit dieser verbunden ist, sowie aus einer unteren Metallisierung 4, die ebenfalls flächig mit der Unterseite des Keramiksubstrats 2 verbunden ist. Die Metallisierung 3 ist zur Bildung von Leiterbahnen und Kontaktflächen für elektronische Bauelemente 5, von denen wenigstens eines ein Leistungsbauelement ist, strukturiert. An die untere Metallisierung 4 schließt sich eine u. a. auch als Kühlkörper dienende oder mit einem Kühlkörper verbundene Grundplatte 6 aus Metall an. Die Metallisierungen 3 und 4 bestehen aus Kupfer. Ebenso ist die Grundplatte 6 aus Kupfer gefertigt. Über die Metallisierung 4 ist das Einzelsubstrat 1 entweder mit der Grundplatte 6 verspannt, und zwar durch ein nicht dargestelltes mechanisches Feder- oder Verspannelement, oder aber mit der Grundplatte 6 verlötet.
Die Herstellung des Substrates 1 erfolgt in mehreren Verfahrensschritten, nämlich zunächst wird auf einer Oberflächenseite des Keramiksubstrats, die eine Dicke zwischen 0,2 und 2 mm aufweist mit Hilfe des DCB-Prozesses unter Verwendung einer Kupferfolie mit einer Dicke von 0,2 bis 6 mm die obere Metallisierung aufgebracht.
In einem nachfolgenden Verfahrensschritt wird dann die Metallisierung 3 bildende Kupferschicht zur Erzeugung der Leiterbahnen, Kontaktflächen usw. strukturiert, und zwar durch Anwendung bekannter Maskierungs- und Ätztechniken.
In einem weiteren Verfahrensschritt erfolgt dann das Aufbringen einer die untere Metallisierung bildenden Paste als dünne Schicht, so daß die untere Metallisierung 4 etwa eine Dicke von 0,01 bis 0,1 mm aufweist. Als Paste eignet sich beispielsweise ein von der Firma Dupont unter der Bezeichnung Serie 6003 "Low fire copper" angebotenes Produkt. Die Paste wird mit einer geeigneten Technik, beispielsweise im Siebdruck aufgetragen, anschließend getrocknet und dann in Stickstoffatmosphäre bei einer im Vergleich zur Temperatur des DCB-Prozesses sehr viel niedrigeren Temperatur zur Bildung der unteren Metallisierung gebrannt.
In einem weiteren Verfahrensschritt erfolgt dann eine Säuberung der Oberflächen sowohl an der Oberseite als auch an der Unterseite des Keramiksubstrats 2 durch ein Mikroätzen. Hierbei werden vorhandene Oxyde sowie auch Reste der zur Herstellung der Metallisierung 4 verwendeten Paste entfernt.
In einem weiteren Verfahrensschritt kann dann eine Oberflächenveredelung, beispielsweise eine Vernickelung der freiliegenden Flächen der Metallisierung 3, ggfs. auch der Metallisierung 4 erfolgen.
Bei dem vorstehend beschriebenen Verfahren wird die Dicke der durch Dickfilmtechnik hergestellten Metallisierung 4 bewußt kleiner gehalten als die Dicke der Metallisierung 3, da die Metallisierung 4 lediglich dazu dient, einen möglichst gleichmäßigen, d. h. insbesondere auch Unebenheiten in der Keramikoberfläche ausgleichenden thermischen und/oder elektrischen Übergang zwischen dem Einzelsubstrat 1 und der Grundplatte 6 herzustellen.
Nach dem Säubern durch Mikroätzung sowie ggfs. nach der Oberflächenveredelung erfolgt dann die Bestückung mit dem Bauelement 5.
Die Einzelsubstrate 1 werden bevorzugt im Mehrfachnutzen 7, d. h. in Form eines Mehrfachsubstrates hergestellt, welches eine großflächige Keramikschicht oder -platte bzw. ein großflächiges Keramiksubstrat 2a aufweist, die mit einer Vielzahl von Sollbruchlinien 8 versehen ist. An diesen Sollbruchlinien kann dann das Mehrfachsubstrat 7 nach der Fertigstellung und Bestückung in Einzelsubstrate 1 durch Brechen zertrennt werden.
An der einen Oberflächenseite des Keramiksubstrats 2a erfolgt dann nach dem Aufbringen einer die Metallisierungen 3 bildenden Kupferfolie mit Hilfe des DCB- Prozesses und nach einer entsprechenden Strukturierung dieser Kupferfolie zur Bildung der einzelnen, voneinander unabhängigen "Lay-outs" für die Einzelsubstrate an der Unterseite des Keramiksubstrats 2a ein großflächiges Aufbringen der Paste für die Metallisierung 4 und ein anschließendes Trocknen und Brennen dieser Paste.
Die Sollbruchlinien sind beispielsweise durch Kerben oder Ritzungen gebildet, die bei der dargestellten Ausführungsform sich jeweils an der Ober- und Unterseite des Keramiksubstrats 2a gegenüberliegen und beispielsweise auf mechanischem Wege oder mittels Laser eingebracht sind.
Nach dem Fertigstellen des Mehrfachsubstrates 7, d. h. nach dem Abschluß der oben genannten Verfahrensschritte und vorzugsweise auch nach dem Bestücken der Einzelsubstrate 1 werden diese dann durch Brechen des Keramiksubstrats 2a entlang der Sollbruchlinien voneinander getrennt. Die Metallisierung 4 ist sehr dünn und außerdem relativ spröde, so daß ein Brechen möglich ist, obwohl die Sollbruchlinien 8 von der unteren Metallisierung 4 überbrückt sind.
Das großflächige Aufbringen der Metallisierung 4 bzw. das großflächige Aufbringen der diese Metallisierung bildenden Paste, welches beispielsweise wiederum mit einer Siebdrucktechnik erfolgt, hat den Vorteil, daß unabhängig von der Größe und Ausbildung der einzelnen Substrate 1, insbesondere auch unabhängig vom Verlauf und der Anzahl der Sollbruchlinien 8 für die Herstellung der Metallisierungen 4 ein Standardsieb verwendet werden kann.
Die Fig. 4 zeigt in einer Darstellung ähnlich Fig. 1 eine weitere mögliche Ausführungsform eines Schaltkreises mit einem Einzelsubstrat 1a. Dieses Einzelsubstrat 1a besteht wiederum aus dem Keramiksubstrat 2, den beiden Metallisierungen 3 und 4, wobei auf der dem Keramiksubstrat 2 abgewandten Seite der Metallisierung 4 eine dünne Oberflächenschicht 9 vorgesehen ist.
Hergestellt ist das Einzelsubstrat 1a in einem Verfahren mit folgenden Schritten:
Auf eine oben liegende Seite des Keramiksubstrats 2, die beispielsweise eine Dicke von 0,2 bis 2 mm aufweist, wird eine Paste, die Molybdän (Mo), Mangan (Mn) oder Wolfram enthält als dünne Schicht oder als Dünnfilm mit einer Dicke von 0,005 bis 0,01 mm aufgebracht. Die Schicht wird dann getrocknet und in einer reduzierenden, d. h. wasserstoffhaltigen Atmosphäre bei einer Temperatur zwischen etwa 1200 bis 1300°C eingebrannt.
In einem anschließenden Verfahrensschritt erfolgt dann nach einem evtl. Reinigen des Keramiksubstrats 2 das Aufbringen einer die Metallisierung 3 bildenden Kupferfolie mit einer Dicke von 0,2 bis 0,6 mm mit Hilfe des DCB-Prozesses.
In einem anschließenden Verfahrensschritt erfolgt das Strukturieren der Kupferschicht 3 insbesondere zur Bildung des "Lay-outs" für die Bauelemente 5 unter Verwendung üblicher Maskierungs- und Ätztechniken. Die erzeugte Metallisierung 4 wird bei dieser Strukturierung nicht beeinträchtigt.
In einem weiteren Verfahrensschritt erfolgt dann ein Reinigen oder Säubern der Oberflächen durch Mikroätzung.
In einem weiteren Verfahrensschritt wird zumindest die Metallisierung 4 zur Bildung der Zwischenschicht 9 vernickelt. Grundsätzlich kann auch eine Vernickelung der strukturierten Metallisierung 3 erfolgen. Durch die dünne Zwischenschicht 9 ist das Einzelsubstrat 1a dann auch an seiner Unterseite lötbar.
Die Fig. 5 zeigt in vereinfachter Darstellung ein Einzelsubstrat 1b, welches ähnlich dem Substrat 1 der Fig. 1 ausgebildet ist, d. h. aus dem Keramiksubstrat 2 und den beiden Metallisierungen 3 und 4 besteht. Das Keramiksubstrat 2 weist bei dem Substrat 1b allerdings eine Durchkontaktierung 10 auf, die durch eine Öffnung 11 im Keramiksubstrat 2 hergestellt ist, in die ebenfalls die zur Herstellung der Metallisierung 4 verwendete Paste eingebracht ist, und zwar derart, daß diese Paste bzw. die von der Paste gebildete Metallisierung sich bei 4' am Rand der Öffnung und bei 4'' am Boden der Öffnung 11 fortsetzt und mit der die Öffnung überdeckenden Metallisierung 3 eine elektrische Verbindung herstellt.
Die Herstellung des Substrates 1b erfolgt grundsätzlich mit den gleichen Verfahrensschritten und unter Verwendung der gleichen Materialien wie die Herstellung des Substrates 1, d. h. in einem ersten Verfahrensschritt wird auf das Keramiksubstrat 2 mit der Dicke im Bereich von etwa 0,2 bis 2 mm mit Hilfe des DCB-Prozesses die die Metallisierung 3 bildende Kupferfolie mit einer Dicke von etwa 0,2 bis 0,6 mm aufgebracht, und zwar derart, daß diese Kupferfolie bzw. Metallisierung 3 auch die Öffnung 11 an einer Oberflächenseite des Keramiksubstrats 2 überdeckt. Anschließend erfolgt wiederum die Strukturierung der Metallisierung 3 zur Bildung des Lay-outs für die Bauelemente 5. In einem weiteren Verfahrensschritt wird dann auf das mit der Metallisierung 3 nach unten orientierte Keramiksubstrat 2, die die Metallisierung aus Kupfer bildende Paste aufgebracht, und zwar derart, daß diese Paste auch den Randbereich 4' und Bodenbereich 4'' bildet. Das beim Auftragen der Paste verwendete Druck-Sieb ist hierfür beispielsweise entsprechend ausgebildet, so daß die Paste auch in die Öffnung 11 in der gewünschten Weise eingedrückt wird. Grundsätzlich besteht aber auch die Möglichkeit, die Paste in die Öffnung 11 unter Verwendung eines Dispensers einzubringen.
Nach dem Trocknen und Brennen der Paste stellt sich in überraschender Weise nicht nur eine Verbindung zwischen den Keramikflächen und der von der Paste gebildeten Metallisierung, sondern auch eine Verbindung zwischen den beiden Metallisierungen 3 und 4 am Boden der Öffnung 11 her.
An das Brennen der die Metallisierung 4 bildenden Paste schließen sich dann beispielsweise die vorstehend im Zusammenhang mit der Fig. 1 beschriebenen Verfahrensschritte an.
Als Paste eignet sich beispielsweise wiederum das von der Firma Dupont unter der Bezeichnung "Serie 6003-Low fire copper" angebotene Produkt.
Die Erfindung wurde voranstehend an Beispielen beschrieben. Es versteht sich, daß Änderungen und Abwandlungen möglich sind.
Bezugszeichenliste
1
,
1
a,
1
bSubstrat
2
,
2
aKeramiksubstrat
3
,
4
Metallisierung
4
'Randmetallisierung
4
''Bodenmetallisierung
5
Bauelement
6
Grundplatte
7
Mehrfachnutzen
8
Sollbruchlinie
9
Zwischenschicht
10
Durchkontaktierung
11
Öffnung

Claims (6)

1. Verfahren zum Herstellen eines Keramik-Metall-Substrates mit Leiterstrukturen, bei dem auf ein Keramik-Substrat auf den gegenüberliegenden Seiten eine erste Metallisierung (Cu-Folie) mittels des an sich bekannten DCB-Verfahrens und eine zweite Metallisierung aufgebracht wird, wenigstens eine Metallisierung strukturiert und die andere Metallisierung eine Metallfläche zum Verbinden mit einer aus Metall bestehenden Grundplatte (Kühlkörper) bildet, dadurch gekennzeichnet, daß das Keramik-Substrat aus einer großformatigen, mit Sollbruchlinien versehenen Keramikplatte besteht (Nutzenfertigung) und
die erste Metallisierung in Form einer 0,2-0,6 mm dicken Kupferfolie mittels des DCB-Verfahrens aufgebraucht und strukturiert wird und
die zweite Metallisierung ganzflächig in Form einer Leitpaste (Dickfilmtechnik) mit einer Dicke von 0,01 bis 0,1 mm aufgebracht wird, wobei die Einbrenntemperatur der Paste kleiner ist als die Prozeß-Temperatur des DCB-Prozesses und
die Substrate (1, 1b) für die Verbindung mit jeweils einer Grundplatte vereinzelt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet, durch die Verwendung eines Keramiksubstrats (2) mit einer Dicke im Bereich zwischen etwa 0,2 bis 2 mm.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Strukturierung der die erste Metallisierung bildenden Kupferfolie vor dem Aufbringen der die zweite Metallisierung aus Kupfer bildenden Paste erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Herstellen der zweiten Metallisierung ein Finishing zumindest durch Säuberung der Oberflächen und/oder durch Entfernen von Oxiden oder Pastenresten durch Fein- oder Mikroätzen erfolgt.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (1, 1a, 1b) an der zweiten Metallisierung (4) mit einer Grundplatte (6) aus Metall verbunden wird, beispielsweise durch Lötung oder Verspannen.
6. Substrat gekennzeichnet durch seine Herstellung nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1-5.
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