DE4318241A1 - Substrat - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Substrat gemäß Oberbegriff
Patentanspruch 1.
Insbesondere auch Keramiksubstrate sind in den unterschied
lichsten Ausführungen bekannt und werden bevorzugt für
elektrische Leistungsschaltkreise bzw. -module verwendet.
In vielen Anwendungen unterliegen solche Keramiksubstrate
hohen Temperaturwechselbelastungen, bei denen Temperaturände
rungen im Bereich zwischen -40°C und +125°C durchaus
auftreten können.
Bedingt durch den unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffi
zienten der Keramikschicht und Metallschicht ergeben sich am
Übergang zwischen diesen Schichten bei Temperaturschwankungen
erhebliche mechanische Druck- oder Zugspannungen, deren
Gradient im Keramikmaterial am Rand der Metallschicht
besonders groß ist und zu Rissen im Bereich der Oberfläche
der Keramikschicht führt.
Es ist bekannt, daß durch eine Strukturierung der Metall
schicht, die (Strukturierung) vielfach bereits durch das für
den Schaltkreis notwendige Layout vorgegeben ist, der
Gradient der Zug- und Druckspannungen verringert werden kann.
Vorgeschlagen wurde auch bereits (DE 40 04 844) durch
Ätztechniken eine strukturierte Metallisierung zu schaffen,
die an ihren Rändern zur Reduzierung des Gradienten der
Zug- und Druckspannungen stellenweise geschwächt ist. Die
hierbei vermittelte Lehre umfaßt in ihrer allgemein gehalte
nen Form auch bereits vorher bekannte Ausgestaltungen von
Leiterbahnen, Kontaktflächen oder dergl. strukturierten
Metallisierungen sowie auch Kantenabschwächungen, wie sie
beim Ätzen von Strukturen von Metallisierungen zwangsläufig
erhalten werden und sich nicht vermeiden lassen.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Keramiksubstrat aufzu
zeigen, welches sich durch eine verbesserte Lebensdauer
auszeichnet und bei dem auch bei einer großen Dicke der
Metallschicht Risse am Rand dieser Schicht selbst bei einer
hohen Anzahl von Temperaturwechselbelastungen besonders
wirksam verhindert sind.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Keramiksubstrat entspre
chend dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1
ausgebildet.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung, d. h. durch die
spezielle Schwächung der Metallschicht im Bereich ihres
Randes durch zwei Reihen von Öffnungen, wird eine besonders
günstige Verteilung der Druck- und Zugspannungen erreicht, so
daß auch bei sehr dicken Metallschichten, d. h. bei Metall
schichten, deren Dicke wenigstens 0,2 mm, bevorzugt jedoch
größer ist, und bei einer hohen Anzahl von Temperaturwechsel
belastungen durch Zug- und Druckspannungen bedingte Risse
wirksam verhindert sind.
Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteran
sprüche.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren an
Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 in Teildarstellung und in Draufsicht ein Keramiksub
strat gemäß der Erfindung;
Fig. 2 einen Schnitt entsprechend der Linie I-I;
Fig. 3 in ähnlicher Darstellung wie Fig. 2 eine Metallkern
platte.
In der Fig. 1 ist ein Teil eines Keramiksubstrates darge
stellt, welches im wesentlichen aus einer Keramikschicht 1,
beispielsweise aus einer Aluminiumoxid-Keramik oder einer
Aluminiumnitrid-Keramik, sowie aus Metallschichten 2 und 3,
beispielsweise aus Kupferschichten besteht, von denen die
Metallschicht 2 an der Oberseite und die Metallschicht 3 an
der Unterseite der Keramikschicht 1 vorgesehen ist.
Zumindest die Metallschicht 2 weist eine Dicke von wenigstens
0,2 mm auf. Beide Metallschichten sind jeweils mit einer Ober
flächenseite der Keramikschicht 1 flächig verbunden, und zwar
beispielsweise mittels des dem Fachmann bekannten und in der
Literatur mehrfach beschriebenen DCB-Verfahrens oder Aktiv
lot-Verfahrens.
Das Keramiksubstrat ist Teil eines elektrischen Leistungs-
Schaltkreises bzw. -Moduls. Die obere Metallschicht 2 ist
durch bekannte Techniken (z. B. Ätztechniken) strukturiert und
bildet Leiterbahnen sowie auch metallisierte Kontaktflächen,
auf denen die nicht dargestellten Leistungs-Bauelemente
befestigt sind, deren Verlustwärme über die Metallschicht 2,
die Keramikschicht 1 und die weitere Metallschicht 3 an einem
nicht dargestellten Kühlkörper abgeleitet wird.
In vielen Anwendungen, beispielsweise auch in der Kraft
fahrzeugelektronik, unterliegen Keramik-Substrate erheblichen
Temperaturwechselbelastungen, bei denen die Temperatur
schwankungen zwischen -60°C und +125°C liegen können.
Insbesondere dann, wenn die Metallisierung 2 eine Dicke
aufweist, die größer als 0,2 mm ist, um so Leiterbahnen
realisieren zu können, die einen für die hohen Ströme eines
Leistungsmoduls ausreichenden Querschnitt gewährleisten, kann
es entlang des Randes 4 der Metallschicht 2 bzw. der von
dieser gebildeten Strukturen im Bereich der Oberfläche der
Keramikschicht 1 zu Rissen 5 und damit zu einem Lösen der
Metallschicht 2 kommen. Diese Risse 5 sind darauf zurückzu
führen, daß es beim Abkühlen oder Erwärmen des Substrates
- bedingt durch durch den unterschiedlichen Wärmeausdehnungs
koeffizienten des Metalls der Metallschicht 2 und der Keramik
der Keramikschicht 1 - am Übergang zwischen der Metallschicht
2 und der Keramikschicht 1 zu mechanischen Druck- und
Zugspannungen kommt, wobei der Gradient des Spannungsver
laufs, also die Änderung der jeweiligen Druck-und Zugspannung
am Rand 4 besonders groß ist.
Um diesen Gradienten am Übergang von der Metallschicht 2 zur
Keramikschicht 1 insbesondere auch im Bereich des Randes 4 zu
mindern, sind in der Metallschicht 2 entlang des Randes 4
mehrere Öffnungen 6 und 7 in zwei Reihen eingebracht, von
denen die Öffnungen 6 die erste, dem Rand 4 näherliegende
Reihe und die Öffnungen 7 die zweite, vom Rand 4 weiter
beabstandete Reihe bilden.
Die Öffnungen 6 und 7, die bei der dargestellten Ausführungs
form jeweils den gleichen Querschnitt besitzen, sind von der
der Keramikschicht 1 abgewandten Oberseite der Metallschicht
2 in diese mit geeigneten, bekannten Techniken, beispiels
weise mit Ätztechniken, derart eingebracht, daß die Öffnungen
6 entweder ganz durchgehend sind, d. h. der Boden dieser
Öffnungen von der Oberseite der Keramikschicht 1 gebildet
ist, oder aber zwischen dem Boden der Öffnungen 6 und der
Oberseite der Keramikschicht 1 den Abstand verbleibt, der
etwa einem Drittel der Dicke der Metallschicht 2 entspricht.
Die Öffnungen 7 besitzen eine im Vergleich zu den Öffnungen 6
geringere Tiefe und sind so weit in die Metallschicht 2
eingebracht, daß der Abstand zwischen dem Boden dieser
Öffnungen und der Oberseite der Keramikschicht 1 etwa im
Bereich zwischen einem Drittel der Dicke der Metallschicht 2
und der Hälfte dieser Dicke liegt.
Der Abstand der Öffnungen 6 und 7 liegt etwa zwischen der
Hälfte und dem 3fachen des Radius dieser Öffnungen. Der
Durchmesser der Öffnungen 6 und 7 liegt im Bereich zwischen
dem 0,5-2,5fachen der Dicke der Metallschicht. Hierbei ist
auch eine Überlappung der Öffnungen 6 bzw. 7 möglich.
Bei der dargestellten Ausführungsform sind die Öffnungen 6
und 7 weiterhin auf Lücke derart versetzt, daß sich entlang
der Reihen jeweils eine Öffnung 7 zwischen zwei Öffnungen 6
befindet. Die beiden Reihen der Öffnungen 6 und 7 sind in
einen streifenförmigen Bereich entlang des Randes 4 vorge
sehen, dessen Breite höchstens 2 mm ist.
Durch die Öffnungen 6 und 7 ergibt sich eine wesentliche
Verringerung des Gradienten der Druck- und Zugspannungen
zwischen Keramikschicht 1 und der Metallschicht 2 entlang des
Randes 4, womit die Entstehung von Rissen 5 auch bei einer
hohen Anzahl von Temperaturwechselbelastungen mit extremen
Temperaturunterschieden wirksam vermieden wird.
Bei der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsform
besitzen die dem Rand 4 näherliegenden Öffnungen 6 einen
Querschnitt, der größer ist als der Querschnitt der Öffnungen
7.
Fig. 3 zeigt in vereinfachter Darstellung und im Teilschnitt
noch eine Metallkernplatte, die aus der oberen Kupferschicht
3, einer isolierenden Schicht 1′ mit einer Dicke von etwa 20-
10 Mikrometern sowie aus einer dicken Metallschicht bzw.
Platte 3′ besteht, die beispielsweise aus Aluminium herge
stellt ist. Die Kupferschicht 2′ ist wiederum entlang des
Randes mit den Öffnungen 6 und 7 versehen.
Die Erfindung wurde voranstehend an einem Ausführungsbeispiel
beschrieben. Es versteht sich, daß zahlreiche Änderungen
sowie Abwandlungen möglich sind, ohne daß dadurch der der
Erfindung zugrundeliegende Erfindungsgedanke verlassen wird.
So ist es beispielsweise möglich, daß die Öffnungen 6 und 7
in den beiden Reihen, aber auch von Reihe zu Reihe jeweils
unterschiedliche Größen bzw. Querschnitt und/oder unter
schiedliche Tiefen aufweisen, wobei aber die Tiefe der
Öffnungen 6 stets größer ist als die Tiefe benachbarter
Öffnungen 7. Weiterhin ist es auch möglich, daß die Öffnung 6
und/oder 7 einen von der Kreisform abweichenden Querschnitt
besitzen.
Bei der vorstehenden Beschreibung wurde der Einfachheit
halber davon ausgegangen, daß die Öffnungen 6 und 7 lediglich
am Rand 4 der Metallschicht 2 vorgesehen sind. Selbstver
ständlich können entsprechende Öffnungen auch am Rand der
Metallschicht 3 vorgesehen sein.
Bei der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsform
sind die von den Öffnungen 6 und 7 gebildeten Reihen derart
voneinander beabstandet und der Querschnitt dieser Öffnungen
ist so gewählt, daß sich die Reihen der Öffnungen überlappen.
Bezugszeichenliste
1 Keramikschicht
1′ isolierende Schicht
2, 3 Metallschicht
3′ Metallschicht
4 Rand
5 Riß
6, 7 Öffnung.
1′ isolierende Schicht
2, 3 Metallschicht
3′ Metallschicht
4 Rand
5 Riß
6, 7 Öffnung.
Claims (9)
1. Substrat bestehend aus wenigstens einer isolierenden
Schicht (1, 1′) sowie aus wenigstens einer an mindestens
einer Oberflächenseite der isolierenden Schicht (1, 1′)
flächig befestigten Metallschicht (2, 3), deren Dicke
wenigstens 0,2 mm beträgt und die an wenigstens einem
Randbereich (4) eine stellenweise Schwächung durch in die
Metallschicht eingebrachte Öffnungen (6, 7) aufweist,
dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (6, 7) entlang
des Randbereiches zwei Reihen bilden, daß die Öffnungen
einer ersten, dem Rand (4) näher liegenden Reihe eine
größere Tiefe als die Öffnungen (7) einer zweiten, dem
Rand (4) entfernter liegenden Reihe aufweisen, daß der
Boden der ersten Öffnungen einen Abstand von der iso
lierenden Schicht aufweist, der kleiner als etwa ein
Drittel der Dicke der Metallschicht (2) ist, und daß der
Boden der Öffnungen (7) der zweiten Reihe einen Abstand
von der Oberflächenseite der isolierenden Schicht (1, 1′)
aufweist, der etwa zwischen einem Drittel und der Hälfte
der Dicke der Metallschicht (2) liegt.
2. Substrat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
beiden Reihen der Öffnungen (6, 7) maximal 2 mm vom Rand
(4) beabstandet sind.
3. Substrat nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Öffnungen (6, 7) beider Reihen jeweils gleichen
Querschnitt aufweisen.
4. Substrat nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Öffnungen (6, 7) beider Reihen unterschiedlichen
Querschnitt aufweisen.
5. Substrat nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Öffnungen (6, 7) der beiden Reihen auf
Lücke versetzt sind.
6. Substrat nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekenn
zeichnet, daß die isolierende Schicht eine Keramikschicht
(1) aus einer Oxid-Keramik oder aus einer Nicht-Oxid-
Keramik ist.
7. Substrat nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekenn
zeichnet, daß die isolierende Schicht (1′) aus einem
Kunststoffmaterial, beispielsweise aus einem für Leiter
platten üblicherweise verwendeten Kunststoffmaterial
(GFK-Leiterplattenmaterial) besteht.
8. Substrat nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekenn
zeichnet, daß die isolierende Schicht (1′) aus einem
Kunststoffmaterial besteht und mit einer weiteren Metall
trägerplatte (3′) flächig verbunden ist.
9. Substrat nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Querschnitt der Öffnungen (6, 7) etwa
dem 0,5-3fachen der Dicke der wenigstens einen Metall
schicht (2) entspricht.
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---|---|---|---|
DE19934318241 DE4318241C2 (de) | 1993-06-02 | 1993-06-02 | Metallbeschichtetes Substrat mit verbesserter Widerstandsfähigkeit gegen Temperaturwechselbeanspruchung |
DE59403364T DE59403364D1 (de) | 1993-06-02 | 1994-05-21 | Metallbeschichtetes Substrat |
EP19940107880 EP0632681B1 (de) | 1993-06-02 | 1994-05-21 | Metallbeschichtetes Substrat |
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DE19934318241 DE4318241C2 (de) | 1993-06-02 | 1993-06-02 | Metallbeschichtetes Substrat mit verbesserter Widerstandsfähigkeit gegen Temperaturwechselbeanspruchung |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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DE4318241A1 true DE4318241A1 (de) | 1994-12-08 |
DE4318241C2 DE4318241C2 (de) | 1995-06-29 |
Family
ID=6489406
Family Applications (2)
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Owner name: ELECTROVAC AG, KLOSTERNEUBURG, AT |
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R071 | Expiry of right |