DE19758452C2 - 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.
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 ferner (DE 43 18 061 A1) ein Verfahren zum Herstellen eines Keramik- Metall-Substrates mit zwei jeweils von Kupferfolien gebildeten Metallisierungen auf gegenüberliegenden Seiten des Keramik-Substrates und mit wenigstens einer Durchkontaktierung. Bei dem bekannten Verfahren wird zur Herstellung der Durchkontaktierung in eine Öffnung des Keramik-Substrates ein massiver Kupferkörper eingesetzt, der dann während des DCB-Prozesses auch mit den Kupferfolien verbunden wird.
Bekannt ist weiterhin (DE 41 03 294 A1) ein Verfahren zum Herstellen eines Keramik- Metall-Substrates mit Metallisierungen an beiden Seiten des Keramik-Substrates, die jeweils von mittels der DCB-Technik aufgebrachten Kupferfolien gebildet sind, und mit einer Durchkontaktierung, hergestellt unter Verwendung eines in eine Öffnung eingebrachtes Metallpulvers, welches beim DCB-Prozeß die Durchkontaktierung bildet. Ein gewisser Nachteil bei diesen bekannten Verfahren ist, daß eine Vielzahl von vorbereitenden Arbeitsschritten notwendig ist. So muß z. B. nach dem Auflegen des Keramik-Substrates auf eine der Kupferfolien in einem weiteren Arbeitsgang der die Durchkontaktierung bildende Metallkörper oder das die Durchkontaktierung bildende Metallpulver in die Öffnung eingebracht werden, bevor in einem weiteren Verfahrensschritt die zweite Kupferfolie aufgelegt werden kann. Ferner ist bei den bekannten Verfahren ohne weitere, zusätzliche Maßnahmen nicht gewährleistet, daß es tatsächlich zu der gewünschten Durchkontaktierung während des DCB-Prozesses kommt.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein vereinfachtes Verfahren aufzuzeigen, welches auch eine hohe Verfahrenssicherheit bietet. 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 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.
Nach dem Strukturieren der die erste Metallschicht bildenden Kupferfolie erfolgt beispielsweise ein Finishing, zumindest ein Fein- oder Mikroätzen.
Das Substrat kann zusammen mit einer Vielzahl weiterer Substrate in einem Mehrfachnutzen unter Verwendung einer großformatigen Keramikplatte derart hergestellt werden, daß die mit Sollbruchlinien versehene Keramikplatte an einer Oberflächenseite großflächig mit der zweiten Metallisierung versehen ist bzw. auf diese eine Oberflächenseite der Keramikplatte großflächig und die Sollbruchlinien überdeckend die die zweite Metallisierung bildende Paste aufgebracht wird.
Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 in vereinfachter Teildarstellung und im Schnitt ein unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestelltes Einzelsubstrat;
Fig. 2 in Seitenansicht einen mit dem Einzelsubstrat elektrischen Schaltkreis;
Fig. 3 in vereinfachter Darstellung und in Draufsicht ein Mehrfachsubstrat mit einer Vielzahl von an Sollbruchlinien aneinander anschließenden Einzelsubstraten.
Die Fig. 1 und 2 zeigen in vereinfachter Darstellung ein Einzelsubstrat 1, welches aus der Keramikschicht 2 und den beiden Metallisierungen 3 und 4 besteht. Die Metallisierung 3 ist unter Verwendung einer Kupferfolie und die Metalliesierung 4 unter Verwendung einer Paste hergestellt. 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 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 1 erfolgt dadurch, daß in einem ersten Verfahrensschritt 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 wird, und zwar derart, daß diese Kupferfolie bzw. Metallisierung 3 auch die Öffnung 11 an einer Oberflächenseite der Keramikschicht 2 überdeckt. Anschließend erfolgt die Strukturierung der Metallisierung 3 zur Bildung des Layouts für die Bauelemente 5. In einem weiteren Verfahrensschritt wird dann auf die mit der Metallisierung 3 nach unten orientierte Keramikschicht 2, die die Metallisierung 4 aus Kupfer bildende Paste aufgebracht, und zwar beispielsweise mit einer Art Siebdrucktechnik 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. Als Paste eignet sich beispielsweise wiederum das von der Firma Dupont unter der Bezeichnung "Serie 6003-Low fire copper" angebotene Produkt.
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 weitere Verfahrensschritte an, wie z. B. Säuberung der Oberflächen oder Entfernen von Oxiden oder Pastenresten durch Fein- oder Mikroätzen, Vernickelung der Metallisierung 3 oder 4.
Das Einzelsubstrat 1 wird entsprechend der Fig. 3 bevorzugt im Mehrfachnutzen, 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 das Mehrfachsubstrat 7 nach der Fertigstellung und Bestückung in die Einzelsubstrate 1 durch Brechen zertrennt werden. An der einen Oberflächenseite der Keramikschicht 2a erfolgt dann nach dem Aufbringen der die Metallisierungen 3 bildenden Kupferfolie mit Hilfe des DCB- Prozesses und nach einer entsprechenden Strukturierung dieser Kupferfolie zur Bildung der einzelnen, voneinander unabhängigen "Layouts" für die Einzelsubstrate 1 an der Unterseite der Keramikschicht 2a das großflächige Aufbringen der Paste für die Metallisierung 4 und das anschließende Trocknen und Trennen dieser Paste.
Die Sollbruchlinien sind beispielsweise durch Kerben oder Ritzungen gebildet, die bei der dargestellten Ausführungsform 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, d. h. nach dem Abschluß der o. g. Verfahrensschritte und vorzugsweise 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 Metallisierung 4 überbrückt sind.
Das großflächige Aufbringen der Metallisierung 4 bzw. das großflächige Aufbringen der diese Metallisierung bildenden Paste erfolgt auch hier beispielsweise wiederum in Siebdrucktechnik und 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 Erfindung wurde voranstehend an Beispielen beschrieben. Es versteht sich, daß Änderungen und Abwandlungen möglich sind.
Bezugszeichenliste
1
Substrat
2
,
2
a Keramikschicht
3
,
4
Metallisierung
4
' Randmetallisierung
4
" Bodenmetallisierung
5
Bauelement
6
Grundplatte
7
Mehrfachnutzen
8
Sollbruchlinie
9
Zwischenschicht
10
Durchkontaktierung
11
Öffnung

Claims (9)

1. Verfahren zum Herstellen eines Keramik-Metall-Substrates, bei dem auf ein Keramik-Substrat eine erste Metallschicht in Form einer Kupferfolie mittels an sich bekannter DCB-Verfahren und auf der gegenüberliegenden Seite des Substrates eine zweite Metallisierung aufgebracht werden, über die das Keramik-Metall-Substrat mit einem weiteren Bauteil, z. B. mit einer metallischen Grundplatte verbindbar ist,
gekennzeichnet durch
ganzflächiges Aufbringen einer Metallfolie (3) mittels DCB-Technik auf eine Seite des mit wenigstens einer Öffnung (11) versehenen Keramik-Substrats (2),
Aufbringen einer Cu-Leitpaste (4) mit geringerer Dicke als die Metallfolie (3) auf der der ersten Metallisierung gegenüberliegenden Seite des Substrates (2), wobei sowohl die Öffnungswandungen (4') als auch eine freiliegende Fläche (4") der ersten Metallisierung an einem Boden der Öffnung (11) bedeckt werden und
Trocknen sowie Brennen der Cu-Leitpaste unter Stickstoffatmosphäre und in einer im Vergleich zum DCB-Prozeß niedrigeren Temperatur.
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet, durch die Verwendung einer Keramikschicht (2) mit einer Dicke im Bereich zwischen etwa 0,2 bis 2 mm.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung einer Kupferfolie mit einer Dicke im Bereich zwischen etwa 0,2 bis 0,6 mm.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung der zweiten Metallisierung aus Kupfer eine Kupfer enthaltende Paste mit einer Dicke von etwa 0,01 bis 0,1 mm aufgebracht wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Aufbringen einer Metallfolie (3) mittels DCB-Technik diese Metallfolie (3) strukturiert wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 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.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in einem weiteren Verfahrensschritt eine Vernickelung der ersten und/oder zweiten Metallisierung (3, 4) an freiliegenden Flächen erfolgt.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (1) an der zweiten Metallisierung (4) mit einer Grundplatte (6) aus Metall verbunden wird, beispielsweise durch Lötung oder Verspannen.
9. Substrat gekennzeichnet durch seine Herstellung nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1-8.
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