EP2155628A2 - Bauteil mit einem metallisierten keramikkörper - Google Patents

Bauteil mit einem metallisierten keramikkörper

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EP2155628A2
EP2155628A2 EP08736302A EP08736302A EP2155628A2 EP 2155628 A2 EP2155628 A2 EP 2155628A2 EP 08736302 A EP08736302 A EP 08736302A EP 08736302 A EP08736302 A EP 08736302A EP 2155628 A2 EP2155628 A2 EP 2155628A2
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EP
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layer
weight
copper
ceramic body
metallization
Prior art date
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Ceased
Application number
EP08736302A
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English (en)
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Claus Peter Kluge
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Ceramtec GmbH
Original Assignee
Ceramtec GmbH
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Publication date
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    • Y10T428/2495—Thickness [relative or absolute]

Definitions

  • the invention relates to a component with a ceramic body, which is covered at least at one point of its surface with a metallization and a method for producing such a component.
  • DE 196 03 822 C2 describes a method for producing a ceramic substrate with at least one layer of aluminum nitride ceramic and the ceramic substrate produced by this method.
  • an auxiliary or intermediate layer of aluminum oxide is produced, for which the metallization side surface provided with a layer of copper or copper oxide or other copper-containing compounds and then heat treated in an oxygen-containing atmosphere.
  • the object of the invention is to provide a component with a ceramic body, which is covered at least at one point of its surface with a metallization and plate-shaped or spatially structured and a method for producing such a component in which the metallization adheres particularly well.
  • the object is achieved with a component having the characterizing features of claim 1 and according to the method with the aid of the characterizing features of claim 19.
  • Advantageous embodiments of the invention are presented in the dependent claims.
  • the component according to the invention consists of a ceramic body, which is covered at least at one point of its surface with a metallization.
  • the ceramic body is plate-shaped or spatially structured. It can for example have an E-shape. Such a form, for example, heatsinks.
  • a heatsink is understood to mean a body which carries electrical or electronic components or circuits and which is shaped in such a way that it can dissipate the heat generated in the components or circuits in such a way that no accumulation of heat occurs, which can damage the components or circuits.
  • the carrier body is a body made of a material that is electrically non-conductive or almost non-conductive and has good thermal conductivity.
  • the ideal material for such a body is ceramic.
  • the body is integral and has heat dissipating or feeding elements for protecting the electronic components or circuits.
  • the carrier body is a circuit board and the elements are bores, channels, ribs and / or recesses, which can be acted upon by a heating or cooling medium.
  • the medium can be liquid or gaseous.
  • the carrier body and / or the cooling element preferably consist of at least one ceramic component or a composite of different ceramic materials.
  • the ceramic material contains as main component 50.1% by weight to 100% by weight ZrO 2 / HfO 2 or 50.1% by weight to 100% by weight Al 2 O 3 or 50.1% by weight to 100
  • the main components and the Secondary components with deduction of a content of impurities of ⁇ 3% by weight, can be combined in any combination with one another to give a total composition of 100% by weight.
  • the metallization can consist, for example, of tungsten, silver, gold, copper, platinum, palladium, nickel, aluminum or steel in pure or industrial quality or of mixtures of at least two different metals.
  • the metallization can also, for example, additionally or alone, from reaction solders, soft solders or brazing alloys.
  • the material on the surface of the ceramic body is chemically and / or crystallographically and / or physically modified with or without the addition of suitable reactants over the entire surface or part of its area by chemical or physical processes.
  • at least one dense or porous layer which has the same or unequal thickness of at least 0.001 nanometers and which consists of at least one homogeneous or heterogeneous new material, is formed on the ceramic body at the treated body or sites.
  • the remaining base material of the ceramic body remains unchanged. With this new material, at least one metallization can be connected over part or all of its surface.
  • the reactants are essentially metals such as copper or copper oxides by the DCB process (direct copper bonding) or calcium compounds or manganese oxide or oxygen.
  • Active metal components in the AMB process are, for example, Zn, Sn, Ni, Pd, Ag, Cu, In, Zr, Ti, Ag, Yt, T, N.
  • a new material is produced on the surface of metal oxide ceramics at least over the entire surface or part of the surface.
  • a layer of intermetallic phases is formed, with the help of which Metallizations can be applied to ceramic body without bubbles, flaking and other defects, especially under thermal stress occur.
  • the layer formed from the new material may comprise a mixed layer which consists at least of aluminum oxide or copper oxides of different or identical oxidation states or solid-chemical mixtures thereof.
  • the formed layer can, depending on the metallization, a
  • Intermediate layer comprising at least aluminum oxide or copper oxides of different or identical oxidation states or solid-chemical mixtures thereof.
  • Combinations of at least one intermediate layer and at least one mixed layer are also possible.
  • an intermediate layer of aluminum oxide the surface of a ceramic body made of aluminum nitride over the entire surface or part of a surface with a layer of copper or copper oxide or other copper-containing compounds or combinations thereof in a minimum thickness of 0.001 nanometers provided and then in an oxygen-containing atmosphere at a temperature between 700 0 C to 1380 0 C treated until the intermediate layer has formed with the desired thickness, which may be between 0.05 and 80 micrometers.
  • the intermediate layer contains at least in one part over its thickness a proportion of 0.01 to 80 weight percent copper oxide.
  • These intermediate layers, mixed layers or combinations of these layers enable a strong bond between the ceramic material and the metallization.
  • the copper oxide melts from applied copper foils and forms a defect-free, particularly durable compound with the layer formed.
  • composition of at least one layer or intermediate layer or mixed layer is a homogeneous or graded and at least one
  • Ceramic body increase or the concentration of a mixed phase of
  • Proportions of copper oxides of different or identical oxidation states with aluminum oxide decrease towards the aluminum oxide layer. This makes it possible to match the composition of the intermediate or mixed layer to the intended metallization.
  • At least one further identical or unequal metallization can be applied over the whole area or over a partial area, for example for the production of solder joints with electronic components.
  • a metal or copper layer can be fixed over the whole area or part of the area.
  • metallization may be performed on at least one of the intermediate layers produced a metal foil by means of the AMB process, preferably made of copper, aluminum or steel, are fixed over the entire surface or part of the area.
  • At least one identical or dissimilar DCB substrate and / or a DCB-based circuit or at least one identical or dissimilar AMB substrate and / or an AMB-based circuit or at least one substrate-based circuit or board or an active and / or a passive component and / or at least one sensory element can be connected to at least one metallization.
  • FIG. 1 shows a component according to the invention, which has been metallized by the DCB method, with an electronic component
  • Figure 2 shows an inventive component, which has been metallized by the AMB method, with an electronic component.
  • the component 1 in Figure 1 has a ceramic body 2 made of aluminum nitride, which is spatially structured, it is E-shaped.
  • the body 2 is a heat sink.
  • the upper side 3 and the lower side 4 of the ceramic body 2 each have a different sized surface.
  • the bottom 4 has cooling fins 5.
  • the upper side 3 of the component 1 has a flat surface in the present exemplary embodiment.
  • On the top 3 and on the leg of the outer fin 5 are metallized areas 6, where, for example, electronic components can be soldered.
  • an intermediate layer 7 was initially formed at the points 6 of the ceramic body 2 which are metallised
  • the metallization 8 is a copper foil with a copper oxide layer 9, which is connected via a layer 10 to the intermediate layer 7. In the layer 10 are proportions of copper oxide and alumina.
  • the upper side 3 of the ceramic body 2 is a circuit carrier.
  • an electronic component for example a chip 11 is fastened by means of a solder connection 12. Via lines 13 it is connected to a further metallized area 6.
  • This chip 11 represents a heat source whose heat is dissipated via the cooling fins 7.
  • the component 1 in Figure 2 has a ceramic body 2, which corresponds to that known from the figure 1. Matching features are therefore provided with the same reference numerals.
  • the ceramic body can consist, for example, of aluminum oxide, aluminum nitride, silicon nitride, zirconium oxides or carbides. He is spatially structured, he is E-shaped. In the present embodiment, the body 2 is also a heat sink.
  • the upper side 3 and the lower side 4 of the ceramic body 2 each have a different sized surface.
  • the bottom 4 has cooling fins 5.
  • the upper side 3 of the component 1 has a flat surface in the present exemplary embodiment.
  • On the top 3 and on the leg of the outer fin 5 are metallized areas 6, where, for example, electronic components can be soldered.
  • the metallization was carried out by means of the AMB method.
  • a metallic filler material filled as solder which contains active metallic additives, which with the surface of the Ceramic body 2 can react directly.
  • the alloys of the metallic filler contain as active metal components, for example, Zn, Sn, Ni, Pd, Ag, Cu, In, Zr, Ti, Ag, Yt, T, N. The remainder is formed by other alloying constituents. These alloys are preferably applied in the form of a paste on the surface of the ceramic body.
  • the brazing is preferably carried out in a vacuum or in an inert gas atmosphere of helium or argon.
  • the molten metallic filler material, the solder 16 has formed with the ceramic material of the ceramic body 2 a compound, a layer 17, in which the ceramic material has been changed.
  • the metallization 15 is connected to the ceramic body 2.
  • the upper side 3 of the ceramic body 2 is a circuit carrier.
  • an electronic component for example a chip 11 is fastened by means of a solder connection 12. Via lines 13 it is connected to a further metallized area 6.
  • This chip 11 represents a heat source whose heat is dissipated via the cooling fins 5.

Abstract

Bei Bauteilen mit einem Keramikkörper, der an mindestens einer Stelle seiner Oberfläche mit einer Metallisierung bedeckt ist, können Probleme mit der Haltbarkeit und der Haftfestigkeit der metallischen Beschichtungen auftreten. Erfindungsgemäß wird deshalb vorgeschlagen, dass der Werkstoff an der Oberfläche des Keramikkörpers an den Stellen der Metallisierung vollflächig oder teilflächig durch chemische oder physikalische Vorgänge chemisch und/oder kristallografisch und/oder physikalisch mit oder ohne Zugabe geeigneter Reaktionsstoffe verändert ist und mindestens eine mit dem Keramikkörper verbundene dichte oder poröse Schicht mit einer gleichen oder ungleichen Dicke von mindestens 0,001 Nanometern bildet, die aus mindestens einem homogenen oder heterogenen neuen Werkstoff besteht.

Description

Bauteil mit einem metallisierten Keramikkörper
Die Erfindung betrifft ein Bauteil mit einem Keramikkörper, der an mindestens einer Stelle seiner Oberfläche mit einer Metallisierung bedeckt ist sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Bauteils.
In der DE 196 03 822 C2 wird ein Verfahren zur Herstellung eines Keramik- Substrats mit wenigstens einer Schicht aus Aluminiumnitrid-Keramik sowie das nach diesem Verfahren hergestellte Keramik-Substrat beschrieben. Zur Erhöhung der Haltbarkeit der Metallisierung wird eine Hilfs- oder Zwischenschicht aus Aluminiumoxid erzeugt, wofür die zur Metallisierung vorgesehene Oberflächenseite mit einer Schicht aus Kupfer oder aus Kupferoxid oder aus anderen kupferhaltigen Verbindungen versehen und anschließend in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre wärmebehandelt wird.
Bei Bauteilen mit einem Keramikkörper, der an mindestens einer Stelle seiner Oberfläche mit einer Metallisierung bedeckt ist, können Probleme mit der Haltbarkeit und der Haftfestigkeit der metallischen Beschichtungen auftreten.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Bauteil mit einem Keramikkörper vorzustellen, der an mindestens einer Stelle seiner Oberfläche mit einer Metallisierung bedeckt und plattenförmig ausgebildet oder räumlich strukturiert ist sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Bauteils, bei dem die Metallisierung besonders gut haftet.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt mit einem Bauteil mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 und verfahrensgemäß mit Hilfe der kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 19. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen vorgestellt. Das erfindungsgemäße Bauteil besteht aus einem Keramikkörper, der an mindestens einer Stelle seiner Oberfläche mit einer Metallisierung bedeckt ist. Der Keramikkörper ist plattenförmig ausgebildet oder räumlich strukturiert. Er kann beispielsweise eine E-Form aufweisen. Eine solche Form haben beispielsweise Heatsinks.
Unter einem Heatsink wird ein Körper verstanden, der elektrische oder elektronische Bauelemente oder Schaltungen trägt und der so geformt ist, dass er die in den Bauelementen oder Schaltungen entstehende Wärme so abführen kann, dass kein Wärmestau entsteht, der den Bauelementen oder Schaltungen schaden kann. Der Trägerkörper ist ein Körper aus einem Werkstoff, der elektrisch nicht oder nahezu nicht leitend ist und eine gute Wärmeleitfähigkeit besitzt. Der ideale Werkstoff für einen solchen Körper ist Keramik.
Der Körper ist einstückig und weist Wärme ab- oder zuführende Elemente zum Schutz der elektronischen Bauelemente oder Schaltungen auf. Bevorzugt ist der Trägerkörper eine Platine und die Elemente sind Bohrungen, Kanäle, Rippen und/oder Ausnehmungen, die mit einem Heiz- oder Kühlmedium beaufschlagbar sind. Das Medium kann flüssig oder gasförmig sein. Der Trägerkörper und/oder das Kühlelement bestehen vorzugsweise aus mindestens einer keramischen Komponente oder einem Verbund von unterschiedlichen Keramikwerkstoffen.
Der Keramikwerkstoff enthält als Hauptkomponente 50,1 Gew-% bis 100 Gew-% ZrO2/HfO2 oder 50,1 Gew-% bis 100 Gew-% AI2O3 oder 50,1 Gew-% bis 100
Gew-% AIN oder 50,1 Gew-% bis 100 Gew-% Si3N4 oder 50,1 Gew-% bis 100 Gew-% BeO, 50,1 Gew-% bis 100 Gew-% SiC oder eine Kombinatinon von mindestens zwei der Hauptkomponenten in beliebiger Kombination im angegebenen Anteilsbereich sowie als Nebenkomponente die Elemente Ca, Sr, Si, Mg, B, Y, Sc, Ce, Cu, Zn, Pb in mindestens einer Oxidationsstufe und / oder Verbindung mit einem Anteil von < 49,9 Gew-% einzeln oder in beliebiger Kombination im angegebenen Anteilsbereich. Die Hauptkomponenten und die Nebenkomponenten, unter Abzug eines Anteils an Verunreinigungen von < 3 Gew-%, sind in beliebiger Kombination miteinander zu einer Gesamtzusammensetzung von 100 Gew-% miteinander kombinierbar.
Die Metallisierung kann beispielsweise aus Wolfram, Silber, Gold, Kupfer, Platin, Palladium, Nickel, Aluminium oder Stahl in reiner oder technischer Qualität oder aus Mischungen von mindestens zwei unterschiedlichen Metallen bestehen. Die Metallisierung kann beispielsweise auch, zusätzlich oder allein, aus Reaktionsloten, Weichloten oder Hartloten bestehen.
Damit die Metallisierung auf dem Keramikkörper des Bauteils gut haftet, wird der Werkstoff an der Oberfläche des Keramikkörpers vollflächig oder teilflächig durch chemische oder physikalische Vorgänge chemisch und/oder kristallografisch und/oder physikalisch mit oder ohne Zugabe geeigneter Reaktionsstoffe verändert. Dadurch entsteht auf dem Keramikkörper an der oder den behandelten Stellen mindestens eine mit dem Keramikkörper verbundene dichte oder poröse Schicht mit einer gleichen oder ungleichen Dicke von mindestens 0,001 Nanometern, die aus mindestens einem homogenen oder heterogenen neuen Werkstoff besteht. Der restliche Grundwerkstoff des Keramikkörpers bleibt unverändert. Mit diesem neuen Werkstoff kann teilflächig oder vollflächig mindestens einer Metallisierung verbunden werden.
Die Reaktionsstoffe sind im Wesentlichen Metalle wie Kupfer oder Kupferoxide beim DCB-Verfahren (Direct Copper Bonding) oder Calziumverbindungen oder Manganoxid oder Sauerstoff. Aktive Metallkomponenten beim AMB-Verfahren (Active Metal Brazing) sind beispielsweise Zn, Sn, Ni, Pd, Ag, Cu, In, Zr, Ti, Ag, Yt, T, N.
Durch das oben beschriebene Verfahren wird auf der Oberfläche von Metalloxid- Keramiken mindestens vollflächig oder teilflächig ein neuer Werkstoff erzeugt. Es wird eine Schicht intermetallischer Phasen gebildet, mit deren Hilfe Metallisierungen auf Keramikkörper aufgebracht werden können, ohne dass Blasen, Abplatzungen und andere Fehlstellen, insbesondere bei thermischer Belastung, auftreten.
Die aus dem neuen Werkstoff gebildete Schicht kann, in Abhängigkeit von der Metallisierung, eine Mischschicht umfassen, die mindestens aus Aluminiumoxid oder Kupferoxiden unterschiedlicher oder gleicher Oxidationsstufen oder festkörperchemischen Mischungen hiervon besteht.
Die gebildete Schicht kann, in Abhängigkeit von der Metallisierung, eine
Zwischenschicht umfassen, die mindestens aus Aluminiumoxid oder Kupferoxiden unterschiedlicher oder gleicher Oxidationsstufen oder festkörperchemischen Mischungen hiervon besteht.
Es sind auch Kombinationen von mindestens einer Zwischenschicht und mindestens einer Mischschicht möglich.
Zur Erzeugung einer Zwischenschicht aus Aluminiumoxid wird die Oberfläche eines Keramikkörpers aus Aluminiumnitrid vollflächig oder teilflächig mit einer Schicht aus Kupfer oder aus Kupferoxid oder aus anderen kupferhaltigen Verbindungen oder Kombinationen hiervon in einer minimalen Dicke von 0,001 Nanometern versehen und anschließend in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre bei einer Temperatur zwischen 700 0C bis 1380 0C so lange behandelt, bis sich die Zwischenschicht mit der gewünschten Dicke gebildet hat, die zwischen 0,05 und 80 Mikrometern liegen kann. Die Zwischenschicht enthält zumindest in einem Teil über ihre Dicke einen Anteil an 0,01 bis 80 Gewichtsprozent Kupferoxid.
Wenn das Aluminiumnitrid mit sauerstoffhaltiger Atmosphäre behandelt wird, kann gleichzeitig ein kupferoxidhaltiger Werkstoff über die Gasphase zur
Reaktion mit dem sich bildenden Aluminiumoxid gebracht werden. Die Behandlung in der sauerstoffhaltigen Atmosphäre mit einem Anteil an dampfförmigem Kupferoxid erfolgt so lange, bis sich eine Schichtdicke von 0,05 bis 80 Mikrometern eingestellt hat.
Diese Zwischenschichten, Mischschichten oder Kombinationen dieser Schichten ermöglichen eine haftfeste Verbindung zwischen dem keramischen Werkstoff und der Metallisierung. Insbesondere bei der Metallisierung mit Kupfer schmilzt das Kupferoxid von aufgelegten Kupferfolien auf und bildet mit der gebildeten Schicht eine fehlerfreie, besonders haltbare Verbindung.
Die Zusammensetzung mindestens einer Schicht oder Zwischenschicht oder Mischschicht ist eine homogene oder gradierte und mindestens eine
Gradierung weist in eine oder mehrere Richtungen. So kann in einer gradierten
Schicht die Konzentration an Aluminiumoxid hin zum Aluminiumnitrid des
Keramikkörpers ansteigen oder die Konzentration einer Mischphase von
Anteilen an Kupferoxiden unterschiedlicher oder gleicher Oxidationsstufen mit Aluminiumoxid zur Aluminiumoxidschicht hin abnehmen. Dadurch ist es möglich, die Zusammensetzung der Zwischen- oder Mischschicht auf die vorgesehene Metallisierung abzustimmen.
Auf eine Metallisierung kann mindestens eine weitere gleiche oder ungleiche Metallisierung vollflächig oder teilflächig aufgetragen werden, beispielsweise zur Herstellung von Lotverbindungen mit elektronischen Bauteilen.
Nach der Behandlung der Oberfläche des Keramikkörpers kann auf mindestens einer der erzeugten Zwischenschichten eine Metallisierung unter Verwendung einer oxidierten Metall- oder Kupferfolie mittels des DCB-Verfahrens eine Metall- oder Kupferschicht vollflächig oder teilflächig befestigt werden.
Nach der Behandlung der Oberfläche des Keramikkörpers kann auf mindestens einer der erzeugten Zwischenschichten eine Metallisierung unter Verwendung einer Metallfolie mittels des AMB-Verfahrens, vorzugsweise aus Kupfer, Aluminium oder Stahl, vollflächig oder teilflächig befestigt werden.
Mindestens ein gleiches oder ungleiches DCB-Substrat und/oder eine DCB- basierte Schaltung oder mindestens ein gleiches oder ungleiches AMB-Substrat und/oder eine AMB-basierte Schaltung oder mindestens eine substratbasierte Schaltung oder Platine oder ein aktives und/oder ein passives Bauelement und/oder mindestens ein sensorisches Element kann mit mindestens einer Metallisierung verbunden werden.
An Hand von Ausführungsbeispielen wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 ein erfindungsgemäßes Bauteil, das nach dem DCB-Verfahren metallisiert wurde, mit einem elektronischen Bauteil,
Figur 2 ein erfindungsgemäßes Bauteil, das nach dem AMB-Verfahren metallisiert wurde, mit einem elektronischen Bauteil.
Das Bauteil 1 in Figur 1 hat einen Keramikkörper 2 aus Aluminiumnitrid, der räumlich strukturiert ist, er ist E-förmig. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Körper 2 ein Heatsink. Die Oberseite 3 und die Unterseite 4 des Keramikkörpers 2 haben jeweils eine unterschiedlich große Oberfläche. Die Unterseite 4 weist Kühlrippen 5 auf. Die Oberseite 3 des Bauteils 1 weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine ebene Oberfläche auf. Auf der Oberseite 3 sowie an dem Schenkel der äußeren Kühlrippe 5 befinden sich metallisierte Bereiche 6, an denen beispielsweise elektronische Bauteile angelötet werden können.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wurde an den Stellen 6 des Keramikkörpers 2, die metallisiert sind, zunächst eine Zwischenschicht 7 aus
Aluminiumoxid gebildet, mit der über weitere Schichten, einer Mischschicht, die Metallisierung verbunden ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel erfolgte die Metallisierung nach dem DCB-Verfahren. Die Metallisierung 8 ist eine Kupferfolie mit einer Kupferoxidschicht 9, die über eine Schicht 10 mit der Zwischenschicht 7 verbunden ist. In der Schicht 10 befinden sich Anteile von Kupferoxid und Aluminiumoxid.
Die Oberseite 3 des Keramikkörpers 2 ist ein Schaltungsträger. Auf der Metallisierung 8 auf der Oberseite 3 ist ein elektronisches Bauteil, beispielsweise ein Chip 11 , mittels einer Lotverbindung 12 befestigt. Über Leitungen 13 ist er mit einem weiteren metallisierten Bereich 6 verbunden. Dieser Chip 11 stellt eine Wärmequelle dar, deren Wärme über die Kühlrippen 7 abgeführt wird.
Das Bauteil 1 in Figur 2 hat einen Keramikkörper 2, der mit dem aus der Figur 1 bekannten übereinstimmt. Übereinstimmende Merkmale sind deshalb mit denselben Bezugsziffern versehen. Der Keramikkörper kann beispielsweise aus Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Siliziumnitrid, Zirkonoxide oder Carbiden bestehen. Er ist räumlich strukturiert, er ist E-förmig. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Körper 2 ebenfalls ein Heatsink. Die Oberseite 3 und die Unterseite 4 des Keramikkörpers 2 haben jeweils eine unterschiedlich große Oberfläche. Die Unterseite 4 weist Kühlrippen 5 auf. Die Oberseite 3 des Bauteils 1 weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine ebene Oberfläche auf. Auf der Oberseite 3 sowie an dem Schenkel der äußeren Kühlrippe 5 befinden sich metallisierte Bereiche 6, an denen beispielsweise elektronische Bauteile angelötet werden können.
Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel erfolgte die Metallisierung mittels des AMB-Verfahrens. Dabei wird zwischen die zwei zu verbindenden Teile, dem Keramikkörper 2 und einer Metallfolie als Metallisierung 15, beispielsweise aus Kupfer, Aluminium oder Stahl, ein metallischer Füllwerkstoff als Lot gefüllt, welcher aktive metallische Zusätze enthält, welche mit der Oberfläche des Keramikkörpers 2 direkt reagieren können. Die Legierungen des metallischen Füllwerkstoffs enthalten als aktive Metallkomponenten beispielsweise Zn, Sn, Ni, Pd, Ag, Cu, In, Zr, Ti, Ag, Yt, T, N. Der Rest wird durch sonstige Legierungsbestandteile gebildet. Diese Legierungen werden vorzugsweise in Form einer Paste auf die Oberfläche des Keramikkörpers aufgetragen. Das Hartlöten (Brazing) erfolgt vorzugsweise im Vakuum oder in einer Inertgas- Atmosphäre aus Helium oder Argon.
Beim Hartlöten hat der aufgeschmolzene metallische Füllwerkstoff, das Lot 16, mit dem keramischen Werkstoff des Keramikkörpers 2 eine Verbindung, eine Schicht 17, gebildet, in der der keramische Werkstoff verändert wurde. Über diese Schicht 17 ist die Metallisierung 15 mit dem Keramikkörper 2 verbunden.
Die Oberseite 3 des Keramikkörpers 2 ist ein Schaltungsträger. Auf der Metallisierung 15 auf der Oberseite 3 ist ein elektronisches Bauteil, beispielsweise ein Chip 11 , mittels einer Lotverbindung 12 befestigt. Über Leitungen 13 ist er mit einem weiteren metallisierten Bereich 6 verbunden. Dieser Chip 11 stellt eine Wärmequelle dar, deren Wärme über die Kühlrippen 5 abgeführt wird.

Claims

Patentansprüche
1. Bauteil mit einem Keramikkörper, der an mindestens einer Stelle seiner Oberfläche mit einer Metallisierung bedeckt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Keramikkörper plattenförmig oder räumlich strukturiert ist, dass der Werkstoff an der Oberfläche des Keramikkörpers vollflächig oder teilflächig durch chemische oder physikalische Vorgänge chemisch und/oder kristallografisch und/oder physikalisch mit oder ohne Zugabe geeigneter Reaktionsstoffe verändert ist und mindestens eine mit dem Keramikkörper verbundene dichte oder poröse Schicht mit einer gleichen oder ungleichen Dicke von mindestens 0,001 Nanometern bildet, die aus mindestens einem homogenen oder heterogenen neuen Werkstoff besteht, dass dieser neue Werkstoff teilflächig oder vollflächig mit mindestens einer Metallisierung verbunden ist und dass der restliche Grundwerkstoff des Keramikkörpers unverändert ist.
2. Bauteil nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, der Keramikwerkstoff als Hauptkomponente 50,1 Gew-% bis 100 Gew-% ZrO2/HfO2 oder 50,1
Gew-% bis 100 Gew-% AI2O3 oder 50,1 Gew-% bis 100 Gew-% AIN oder
50,1 Gew-% bis 100 Gew-% Si3N4 oder 50,1 Gew-% bis 100 Gew-% BeO, 50,1 Gew-% bis 100 Gew-% SiC oder eine Kombinatinon von mindestens zwei der Hauptkomponenten in beliebiger Kombination im angegebenen
Anteilsbereich enthält sowie als Nebenkomponente die Elemente Ca, Sr, Si, Mg, B, Y, Sc, Ce, Cu, Zn, Pb in mindestens einer Oxidationsstufe und / oder Verbindung mit einem Anteil von < 49,9 Gew-% einzeln oder in beliebiger Kombination im angegebenen Anteilsbereich enthält und dass die Hauptkomponenten und die Nebenkomponenten, unter Abzug eines
Anteils an Verunreinigungen von < 3 Gew-%, in beliebiger Kombination miteinander zu einer Gesamtzusammensetzung von 100 Gew-% miteinander kombiniert sind.
3. Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallisierung vorzugsweise aus Wolfram, Silber, Gold, Kupfer, Platin, Palladium, Nickel, Aluminium oder Stahl in reiner oder technischer Qualität oder aus Mischungen von mindestens zwei unterschiedlichen Metallen oder, zusätzlich oder allein, aus Reaktionsloten, Weichloten oder Hartloten besteht.
4. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionsstoffe zur Bildung der Schicht aus dem neuen Werkstoff Calziumverbindungen oder Manganoxid oder Sauerstoff sind.
5. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim DCB-Verfahren die Reaktionsstoffe zur Bildung der Schicht aus dem neuen Werkstoff im Wesentlichen Metalle wie Kupfer oder Kupferoxide sind.
6. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim AMB-Verfahren die Reaktionsstoffe zur Bildung der Schicht aus dem neuen Werkstoff im Wesentlichen aktive Metallkomponenten von Zn, Sn, Ni, Pd, Ag, Cu, In, Zr, Ti, Ag, Yt, T, N sind.
7. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die aus dem neuen Werkstoff gebildete Schicht eine
Mischschicht umfasst, die mindestens aus Aluminiumoxid oder Kupferoxiden unterschiedlicher oder gleicher Oxidationsstufen oder festkörperchemischen Mischungen hiervon besteht.
8. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die aus dem neuen Werkstoff gebildete Schicht eine
Zwischenschicht umfasst, die mindestens aus Aluminiumoxid oder aus Kupferoxiden unterschiedlicher oder gleicher Oxidationsstufen oder festkörperchemischen Mischungen hiervon besteht.
9. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung einer Zwischenschicht aus Aluminiumoxid eine Fläche des Keramikkörpers mit einer Schicht aus
Kupfer oder aus Kupferoxid oder aus anderen kupferhaltigen Verbindungen oder Kombinationen hiervon mit einer minimalen Dicke von 0,001 Nanometern versehen ist.
10. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht eine Schichtdicke von 0,05 bis
80 Mikrometern aufweist.
11. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Zwischenschicht zumindest in einem Teil über ihre Dicke der Anteil an Kupferoxid zwischen 0,01 und 80 Gewichtsprozent beträgt.
12. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Kombinationen von mindestens einer Zwischenschicht und mindestens einer Mischschicht vorliegen.
13. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung mindestens einer Schicht oder Zwischenschicht oder Mischschicht eine homogene oder gradierte ist und mindestens eine Gradierung in eine oder mehrere Richtungen weist.
14. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einer gradierten Schicht die Konzentration an Aluminiumoxid hin zum Aluminiumnitrid des Keramikkörpers ansteigt.
15. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration einer Mischphase von Anteilen an Kupferoxiden unterschiedlicher oder gleicher Oxidationsstufen mit Aluminiumoxid zur Aluminiumoxidschicht hin abnimmt.
16. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf eine Metallisierung mindestens eine weitere gleiche oder ungleiche Metallisierung vollflächig oder teilflächig aufgetragen ist.
17. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein gleiches oder ungleiches DCB-
Substrat und/oder eine DCB-basierte Schaltung oder mindestens ein gleiches oder ungleiches AMB-Substrat und/oder eine AMB-basierte Schaltung oder mindestens eine substratbasierte Schaltung oder Platine oder ein aktives und/oder ein passives Bauelement und/oder mindestens ein sensorisches Element mit mindestens einer Metallisierung verbunden ist.
18. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Keramikkörper ein keramischer Heatsink ist.
19. Verfahren zum Herstellen eines Bauteils mit einem Keramikkörper, der an mindestens einer Stelle seiner Oberfläche mit einer Metallisierung bedeckt wird, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Keramikkörper plattenförmig ausgebildet oder räumlich strukturiert wird, dass der Werkstoff an der Oberfläche des Keramikkörpers vollflächig oder teilflächig durch chemische oder physikalische Vorgänge chemisch und/oder kristallografisch und/oder physikalisch mit oder ohne Zugabe geeigneter Reaktionsstoffe verändert wird und dadurch mindestens eine mit dem Keramikkörper verbundene dichte oder poröse Schicht mit einer gleichen oder ungleichen Dicke von mindestens 0,01 Nanometer gebildet wird, die aus mindestens einem homogenen oder heterogenen neuen Werkstoff besteht, dass dieser neue Werkstoff teilflächig oder vollflächig mit mindestens einer Metallisierung verbunden wird und dass der restliche Grundwerkstoff des Keramikkörpers nicht verändert wird.
20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Keramikwerkstoff aus einer Hauptkomponente von 50,1 Gew-% bis 100 Gew-% ZrO2/HfO2 oder 50,1 Gew-% bis 100 Gew-% AI2O3 oder 50,1 Gew- % bis 100 Gew-% AIN oder 50,1 Gew-% bis 100 Gew-% Si3N4 oder 50,1
Gew-% bis 100 Gew-% BeO, 50,1 Gew-% bis 100 Gew-% SiC oder aus einer Kombinatinon von mindestens zwei der Hauptkomponenten in beliebiger Kombination im angegebenen Anteilsbereich sowie aus mindestens einer Nebenkomponente aus den Elementen Ca, Sr, Si, Mg, B, Y, Sc, Ce, Cu, Zn, Pb in mindestens einer Oxidationsstufe und / oder
Verbindung mit einem Anteil von < 49,9 Gew-% einzeln oder in beliebiger Kombination im angegebenen Anteilsbereich zusammengesetzt wird und dass die Hauptkomponenten und die Nebenkomponenten, unter Abzug eines Anteils an Verunreinigungen von < 3 Gew-%, in beliebiger Kombination miteinander zu einer Gesamtzusammensetzung von 100 Gew-
% miteinander kombiniert werden.
21. Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallisierung des Keramikkörpers des Bauteils vorzugsweise mit Wolfram, Silber, Gold, Kupfer, Platin, Palladium, Nickel, Aluminium oder Stahl in reiner oder technischer Qualität oder aus Mischungen von mindestens zwei unterschiedlichen Metallen oder, zusätzlich oder allein, mit Reaktionsloten, Weichloten oder Hartloten vorgenommen wird.
22. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Reaktionsstoffe zur Bildung der Schicht aus dem neuen Werkstoff Calziumverbindungen oder Manganoxid oder Sauerstoff wirken.
23. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim DCB-Verfahren als Reaktionsstoffe zur Bildung der Schicht aus dem neuen Werkstoff im Wesentlichen Metalle wie Kupfer oder Kupferoxide wirken.
24. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim AMB-Verfahren als Reaktionsstoffe zur Bildung der Schicht aus dem neuen Werkstoff im Wesentlichen die aktiven Metallkomponenten von Zn, Sn, Ni, Pd, Ag, Cu, In, Zr, Ti, Ag, Yt, T, N wirken.
25. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die aus dem neuen Werkstoff gebildete Schicht eine
Mischschicht umfasst, die mindestens aus Aluminiumoxid oder aus Kupferoxiden unterschiedlicher oder gleicher Oxidationsstufen oder festkörperchemischen Mischungen hiervon gebildet wird.
26. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die aus dem neuen Werkstoff gebildete Schicht eine
Zwischenschicht umfasst, die mindestens aus Aluminiumoxid oder aus Kupferoxiden unterschiedlicher oder gleicher Oxidationsstufen oder festkörperchemischen Mischungen hiervon gebildet wird.
27. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Kombinationen von mindestens einer
Zwischenschicht und mindestens einer Mischschicht erzeugt werden.
28. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Oberfläche eines Keramikkörpers aus Aluminiumnitrid mindestens vollflächig oder teilflächig mindestens eine Zwischenschicht aus Aluminiumoxid erzeugt wird, wozu diese Flächen mit einer Schicht aus Kupfer oder aus Kupferoxid oder aus anderen kupferhaltigen Verbindungen oder Kombinationen hiervon mit einer minimalen Dicke von 0,001 Nanometern versehen und anschließend in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre wärmebehandelt werden.
29. Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung bei einer Temperatur zwischen 700 0C bis 1380 0C erfolgt.
30. Verfahren nach Anspruch 28 oder 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Behandlung des Aluminiumnitrids in der sauerstoffhaltigen Atmosphäre so lange erfolgt, bis sich für die jeweilige Zwischenschicht eine Schichtdicke von 0,05 bis 80 Mikrometern eingestellt hat.
31. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dann, wenn das Aluminiumnitrid mit sauerstoffhaltiger Atmosphäre behandelt wird, gleichzeitig ein kupferoxidhaltiger Werkstoff über die Gasphase zur Reaktion mit dem sich bildenden Aluminiumoxid gebracht wird.
32. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Behandlung in der sauerstoffhaltigen Atmosphäre mit einem Anteil an dampfförmigen Kupferoxid so lange erfolgt, bis sich eine Schicht aus Aluminiumoxid mit einer Dicke von 0,05 bis 80 Mikrometern eingestellt hat.
33. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Zwischenschicht zumindest in einem Teil über ihre Dicke ein Anteil an Kupferoxid zwischen 0,01 und 80 Gewichtsprozent erzeugt wird.
34. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Behandlung der Oberfläche eines Keramikkörpers auf der mindestens einen erzeugten Zwischenschicht eine Metallisierung unter Verwendung einer oxidierten Metall- oder Kupferfolie mittels des DCB-Verfahrens flächig befestigt wird.
35. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Behandlung der Oberfläche eines Keramikkörpers aus Aluminiumnitrid mindestens eine Zwischenschicht erzeugt wird und dass auf der mindestens einen Zwischenschicht unter Verwendung des DCB-Verfahrens eine Metall- oder Kupferschicht aufgebracht wird.
36. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, nach der Behandlung der Oberfläche eines Keramikkörpers auf der mindestens einen erzeugten Zwischenschicht eine Metallisierung unter Verwendung einer Metallfolie mittels des AMB- Verfahrens, vorzugsweise aus Kupfer, Aluminium oder Stahl, flächig befestigt wird.
37. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Behandlung der Oberfläche eines Keramikkörpers mindestens eine Zwischenschicht erzeugt wird und dass auf der mindestens einen Zwischenschicht unter Verwendung des AMB-
Verfahrens eine Metallfolie, vorzugsweise aus Kupfer, Aluminium oder Stahl, aufgebracht wird.
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