DE19753148C2 - Verfahren zum Herstellen eines Metall-Keramik-Substrates und Metall-Keramik-Substrat - Google Patents

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

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß Oberbegriff Patentanspruch 1. Ein Verfahren dieser Art ist Gegenstand des Hauptpatentes (DE 197 08 363 C1).
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;
  • - erhitzen des Verbundes auf beispielsweise ca. 1071°C;
  • - abkühlen auf Raumtemperatur.
Bekannt ist speziell auch ein Verfahren zum Herstellen von Metall-Keramik-Substraten mit elektrisch leitenden Durchkontaktierungen (DE 41 03 294 A1). Bei diesem bekannten Verfahren sind auf den Oberflächenseiten eines Keramik-Substrats Leiterbahnen und/oder Kontaktflächen aus Metall mittels des DCB-Vefahrens aufgebracht. Im Keramik-Substrat sind Löcher vorgesehen, die mit einem das Metall der Leiterbahnen enthaltenden Pulver gefüllt sind, beispielsweise mit Kupferoxid, so daß dann während des DCB-Verfahrens eine Durchkontaktierung im Bereich der jeweiligen Öffnung erhalten sind.
Bekannt ist es weiterhin (US 5 317 801), bei einer mehrlagigen Leiterplatte ein Kontaktieren zwischen Leiterbahnen in verschiedenen Ebenen der Leiterplatte dadurch herzustellen, daß in die Leiterplatte eine nur zu einer Oberflächenseite dieser Leiterplatte hin offene und bis an eine Metallisierung der anderen Oberflächenseite der Leiterplatte reichende Öffnung eingebracht und anschließend auf die eine Oberflächenseite der Platterplatte, auf den Rand der Öffnung und auf die in der Öffnung freiliegende Metallisierung der anderen Oberflächenseite eine Metallschicht durch chemisches Abscheiden aufgebracht wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Herstellungsverfahren aufzuzeigen, mit welchem es möglich ist, Metall-Keramik-Substrate für elektrische Leistungsschaltkreise besonders preiswert und mit optimalen thermischen Eigenschaften 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 bevorzugt eine Zwischenschicht, die insbesondere einen verbesserten thermischen und/oder elektrischen Übergang zwischen der Keramikschicht und einer metallischen Grundplatte bewirkt, auf der das 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.
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 Metall-Keramik-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 vereinfachter Darstellung einen Schnitt durch ein mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Metall-Keramik-Substrat mit einer Durchkontaktierung;
Fig. 5 und 6 in vereinfachter Darstellung und im Schnitt weitere mögliche Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Substrats.
In den Fig. 1-3 ist 1 ein Metall-Keramik-Einzelsubstrat bestehend aus einer Keramikschicht 2 (beispielsweise Aluminiumnitrid-Keramik), aus einer oberen Metallisierung 3, die flächig auf der Oberseite der Keramikschicht 2 vorgesehen und flächig mit dieser verbunden ist, sowie aus einer unteren Metallisierung 4, die ebenfalls flächig mit der Unterseite der Keramikschicht 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 der Keramikschicht, 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 der Keramikschicht 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 Vernikelung 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.
Nachdem 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 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 der Keramikschicht 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 der Keramikschicht 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 der Keramikschicht 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 der Keramikschicht 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. 3 zeigt in vereinfachter Darstellung ein Einzelsubstrat 1b, welches aus der Keramikschicht 2 und den beiden Metallisierungen 3 und 4 besteht. Die Keramikschicht 2 weist eine Durchkontaktierung 10 auf, die durch eine Öffnung 11 in der Keramikschicht 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 die Keramikschicht 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 der Keramikschicht 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 die mit der Metallisierung 3 nach unten orientierte Keramikschicht 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 Fig. 5 zeigt in vereinfachter Schnittdarstellung ein Substrat 1c, bei dem die Durchkontaktierung 10a dadurch erzeugt ist, daß die Metallisierung 3 im Bereich der Durchkontaktierung 10a eine Öffnung 12 aufweist, die deckungsgleich mit der in der Keramikschicht 2 für die Durchkontaktierung 10a vorgesehene Öffnung 11 ist. Das Aufbringen der Metallisierung 4 bildenden Paste erfolgt dann so, daß diese Paste nicht nur den Randbereich 4' der Öffnung 11 abdeckt, sondern auch bis an die mit der Metallisierung 3 versehene Seite der Keramikschicht 2 reicht, dort den die Öffnung 11 umschließenden Rand der Keramikschicht 2 und auch den die Öffnung 12 umschließenden Bereich der Metallisierung 3 abdeckt.
Im Anschluß daran erfolgt dann wiederum das Trocknen und Brennen der Paste, so daß sich in überraschender Weise eine Verbindung nicht nur zwischen den Keramikflächen und der von der Paste gebildeten Metallisierung 4, sondern auch die Verbindung zwischen den beiden Metallisierungen 3 und 4 in dem die Öffnung 12 umgebenden Bereich eintritt, und zwar sowohl an dem die Öffnung 12 umschließenden Rand der Metallisierung 3, als auch an dem der Keramikschicht 2 abgewandten Oberseite bzw. an dem dortigen Randbereich der Metallisierung 3.
Die Fig. 6 zeigt ein Substrat 1d, welches sich von dem Substrat 1b im wesentlichen nur dadurch unterscheidet, daß in der Metallisierung 3 im Bereich der Öffnung 11 wenigstens ein Durchlaß 13 vorgesehen ist, welcher allerdings einen im Vergleich zur Öffnung 11 sehr viel kleineren Durchmesser aufweist und lediglich zur Entlüftung dient, so daß die die Metallisierung bildende Paste beim Herstellen der Durchkontaktierung 10b, die der Durchkontaktierung 10 entspricht, besser in die Öffnung 11 einfließen kann, da evtl. von der Paste eingeschlossene Luft nach unten durch die Entlüftungsöffnung 13 entweichen kann.
Wie in der Fig. 6 dargestellt ist, wird die Entlüftungsöffnung 13 von der die Metallisierung 4 bzw. den Abschnitt 4" bildenden Paste überdeckt. Der Durchmesser der Entlüftungsöffnung 13 ist unter Berücksichtigung der Viskosität der verwendeten Paste so gewählt, daß diese nicht durch die Öffnung 13 abfließt, sondern auch im noch zähflüssigen Zustand die Entlüftungsöffnung 13 überbrückt.
Bezugszeichenliste
1
,
1
b Substrat
1
c,
1
d Substrat
2
,
2
a Keramikschicht
3
,
4
Metallisierung
4
' Randmetallisierung
4
" Bodenmetallisierung
5
Bauelement
6
Grundplatte
7
Mehrfachnutzen
8
Sollbruchlinie
9
Zwischenschicht
10
,
10
a,
10
b Durchkontaktierung
11
Öffnung
12
,
13
Öffnung

Claims (5)

1. Verfahren zum Herstellen eines Keramik-Metall-Substrates (1b, 1c, 1d) mit Leiterbahnstrukturen, bei dem auf ein Keramik-Substrat (2) auf den gegenüberliegenden Seiten eine erste Metallisierung (3) mittels des an sich bekannten DCB-Verfahrens und eine zweite Metallisierung (4) aufgebracht wird, wenigstens eine Metallisierungs (3) strukturiert und die andere Metallisierung (4) eine Metallfläche zum Verbinden mit einer aus Metall bestehenden Grundplatte (Kühlkörper) bildet, wobei die erste Metallisierung (3) in Form einer 0,2-0,6 mm dicken Kupferfolie mittels des DCB-Verfahrens aufgebracht und strukturiert wird und die zweite Metallisierung (4) 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 für die Verbindung mit jeweils einer Grundplatte vereinzelt werden, nach DE 197 08 363 C1 dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Aufbringen der Metallisierungen (3, 4) in die Keramikschicht wenigstens eine Öffnung (11) eingebracht wird, und nach dem Aufbringen der ersten Metallisierung beim ganzflächigen Aufdrucken der Leitpaste (Cu-Paste) die Innenwände der Öffnungen und der freiliegenden Flächen der ersten Metallisierung (3) im Bereich der Öffnungen mit Paste beschichtet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Keramik-Substrat (2) Teil einer großformatigen mit Sollbruchlinien bestehende Keramikplatte (2a) ist (Nutzenfertigung).
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in die erste, Metallisierung im Bereich der Öffnungen (11) eine Öffnung (12) eingebracht wird und die aufgebrachte Leitpaste auch die der Öffnung (12) benachbarten Bereich abdeckt.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in die erste Metallisierung im Bereich der Öffnungen (11) wenigstens eine Entlüftungsöffnung eingebracht wird.
5. Keramik-Metall-Substrat gekennzeichnet durch seine Herstellung nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4.
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