EP2414304A1 - Metall-keramik-substrat - Google Patents

Metall-keramik-substrat

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Publication number
EP2414304A1
EP2414304A1 EP10719582A EP10719582A EP2414304A1 EP 2414304 A1 EP2414304 A1 EP 2414304A1 EP 10719582 A EP10719582 A EP 10719582A EP 10719582 A EP10719582 A EP 10719582A EP 2414304 A1 EP2414304 A1 EP 2414304A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
intermediate layer
layer
metallization
substrate according
thickness
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP10719582A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jürgen SCHULZ-HARDER
Lars MÜLLER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Rogers Germany GmbH
Original Assignee
Curamik Electronics GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Curamik Electronics GmbH filed Critical Curamik Electronics GmbH
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Withdrawn legal-status Critical Current

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Definitions

  • the invention relates to a metal-ceramic substrate according to the preamble of claim 1 and to a method according to the preamble of claim 26.
  • Metal-ceramic substrates or ceramic substrates with metallizations are known in various designs, in particular as printed circuit boards or substrates for electrical and electronic circuits or modules and in particular for high power circuits or modules.
  • DCB direct bonding metallization on a ceramic substrate, e.g., a ceramic material or substrate, to produce the wiring required for traces, terminals, etc. on an aluminum oxide ceramic substrate.
  • a ceramic substrate e.g., a ceramic material or substrate
  • metal layers or foils e.g. Copper layers or foils are provided on their surface sides with a coating of a chemical compound of the metal (e.g., copper) and a reactive gas (preferably oxygen).
  • This coating forms with a thin layer of the adjacent metal a eutectic (melting layer) with a melting temperature below the melting temperature of the metal (eg copper), so that by laying the metal layer or foil on the ceramic and by heating all the layers they can be connected together , By melting the metal substantially only in the region of the reflow layer or oxide layer.
  • a eutectic (melting layer) with a melting temperature below the melting temperature of the metal (eg copper), so that by laying the metal layer or foil on the ceramic and by heating all the layers they can be connected together , By melting the metal substantially only in the region of the reflow layer or oxide layer.
  • DCB bonding direct copper bonding
  • This DCB process then has the following process steps, for example:> oxidizing a copper foil in such a way that a uniform copper oxide layer results; > Placing the copper foil on the ceramic layer;
  • active soldering method (DE 22 13 1 15, EP-A-153 618) for connecting metal layers or metal foils forming metallizations, in particular also copper layers or copper foils with the respective ceramic material.
  • this method which is also used especially for the production of metal-ceramic substrates, at a temperature between about 800 - 1000 0 C, a connection between a metal foil, such as copper foil, and a ceramic substrate, such as aluminum nitride ceramic, using a brazing filler metal, which also contains an active metal in addition to a main component such as copper, silver and / or gold.
  • This active metal which is, for example, at least one element of the group Hf, Ti, Zr, Nb, Ce, establishes a connection between the solder and the ceramic by chemical reaction, while the connection between the solder and the metal is a metallic braze joint ,
  • this reaction consumes the liquid eutectic Cu / Cu 2 phase necessary for the bonding.
  • bubbles are formed by the resulting gaseous nitrogen (N 2).
  • This adverse reaction can not be avoided by the intermediate layer of pure alumina ceramic. This is, according to one of the present invention underlying knowledge among other things, due to the very different thermal expansion coefficients of silicon nitride (3.0 x 10 "6 K '1 ) and aluminum oxide (8 x 10 ⁇ 6 K " 1 ).
  • the object of the invention is to show a metal-ceramic substrate, which avoids the aforementioned disadvantages while retaining the basic advantages of silicon nitride ceramic.
  • a metal-ceramic substrate according to the patent claim 1 is formed.
  • a method for Producing a metal-ceramic substrate is the subject of claim 26. Further developments are the subject of the dependent claims.
  • Zirconium oxide and / or a silicate in particular a zirconium silicate (ZrSiO 4) and / or a titanium silicate and / or a hafnium silicate are particularly suitable for the intermediate layer.
  • ZrSiO 4 zirconium silicate
  • TiO 4 titanium silicate and / or a hafnium silicate
  • the silicon nitride ceramic forming the base layer and / or the interlayer gfs. in addition sintering additives (e.g., rare earth elements) - also oxidic components such as e.g. LiO 2, TiO 2, BaO, ZnO, B 2 O 3, CsO, Fe 2 U 3, ZrO 2, CuO, CU 2 O. Combinations of at least two of these constituents can also be used as oxidic additive component, the proportion of this oxidic additive component being at most 20 percent by weight, based on the total mass of the intermediate layer. With this additional oxide component, the properties of the intermediate layer can i.a. be selectively controlled or adjusted with respect to the softening temperature.
  • sintering additives e.g., rare earth elements
  • oxidic additive component e.g. LiO 2, TiO 2, BaO, ZnO, B 2 O 3, CsO, Fe 2 U 3, ZrO 2, CuO, CU 2 O.
  • oxidic additive component e.g.
  • the substrate according to the invention has a high adhesion or peel strength of the metallization on the ceramic material.
  • Another essential advantage of the substrate according to the invention is that the intermediate layer has a modulus of elasticity of less than 300 GPa, so that via the intermediate layer an optimal compensation of the very different thermal
  • Expansion coefficients of the silicon nitride ceramic and the metal (eg copper) of the metallizations is achieved, in contrast to the relatively high modulus of 390 GPa of alumina.
  • the low modulus of elasticity of the intermediate layer makes it possible, in particular, to provide metallizations with a large thickness, specifically up to three times the thickness of the base layer made of the silicon nitride ceramic.
  • the substrate is embodied, for example, such that the silicate of the silicate layer is a zirconium silicate and / or a titanium silicate and / or a hafnium silicate, and / or that the at least one intermediate layer has a thermal
  • Expansion coefficient is less than or equal to at least 6 x 10 "6 K " 1 , and / or that the proportion of free silicon oxide (SiO 2 ) in the at least one
  • Intermediate layer and the metallization is negligible, and / or that the proportion of free silicon oxide in the at least one intermediate layer at least in the region of the connection between the intermediate layer and the
  • Metallization is zero or approximately equal to zero, and / or that the at least one base layer of the silicon nitride ceramic at both
  • Each surface side is provided with at least one intermediate layer, and / or that in each case at least one metallization is applied to both intermediate layers, and / or that the ceramic material with respect to the layer sequence and thickness of
  • Ceramic material extending center plane is formed, and / or in that the layer sequence and / or the thickness of the layers, including the thickness of the intermediate layers and the metallizations, are symmetrical with respect to a center plane parallel to the surface sides of the substrate, and / or that the material used for the at least one intermediate layer has a modulus of elasticity less than 300 GPa, in particular has a modulus of elasticity in the range between 100 and 300 GPa, and / or that the thickness of the at least one intermediate layer is significantly smaller than the thickness (de) of the base layer of the silicon nitride ceramic carrying said intermediate layer and / or significantly smaller is as the thickness (dm) of the at least one metallization, and / or that the thickness (dm) of the at least one metallization is at most equal to three times the thickness (de) of the base layer of the silicon nitride ceramic, and / or that the thickness of at least an intermediate layer in the range between 0.1 - 10 ⁇ m lie t, and / or that
  • the method is beispielsweie designed so that as intermediate layer, a layer of zirconium oxide and / or a silicate layer is applied whose thermal expansion coefficient is less than or equal to 6 x 10 "6 K " 1 and their share of free silicon (SiO 2) at least in the region of the connection between the intermediate layer (6, 7) and the metallization or at the junction between the intermediate layer and the metallization is negligibly small, and / or that the intermediate layer is formed so that the proportion of free Silicon oxide (SiO 2) in the at least one intermediate layer at least in the region of the connection between the intermediate layer and the metallization or at the transition between the intermediate layer and the metallization is zero or approximately equal to zero, and / or that the at least one base layer on both surface sides with each provided an intermediate layer and on both intermediate in each case at least one metallization is applied, and / or that the intermediate layer is produced with a thickness that is significantly smaller than the thickness (de) of the base layer and / or significantly smaller
  • Material is used, which at least one sintering aid, in particular in
  • Form contains at least one rare earth element, wherein the proportion of
  • Sintering aids in particular in the range of 1, 0 to 8.0 weight percent, and / or that for the at least one intermediate layer, a material is used as
  • Additional component at least one oxidic constituent from the group Li 2 O,
  • TiO 2 , BaO, ZnO, B2O3, CsO, Fe 2 O 3 , ZrO 2 , CuO, Cu 2 O contains, wherein the proportion of the additional component a maximum of 20 weight percent based on the
  • Total mass of the intermediate layer is, and / or that the base layer on at least one surface side with a the
  • Temperature is baked in the range between 1200 and 1680 0 C or densely sintered, and / or that the baking or dense sintering takes place in an oxidic atmosphere, and / or that the coating by spraying, dipping, for example from aqueous
  • Dispersions or carried out in a sol-gel process, and / or that the coating is carried out using the zirconium oxide and / or the at least one silicate-containing micro- to nanodispersed mixtures, wherein the aforementioned features of the method in turn each individually or can be used in any combination.
  • Fig. 1 in a simplified representation of a section through a substrate according to the
  • Invention 2 is a schematic representation of a method for determining the adhesion or
  • Fig. 3 is a diagram showing the distribution of free silicon oxide (SiCh) in the
  • the metal-ceramic substrate denoted generally by 1 in FIG. 1 consists of a plate-shaped ceramic material 2 which is metallized on both surface sides by means of the DCB method with one of a metal foil, ie in the illustrated embodiment of a copper foil metallization 3 or 4 is provided with a thickness dm.
  • the ceramic material 2 is made of a multilayer, consisting of an inner ceramic or base layer 5 of silicon nitride (SJ3N4), which is provided on both surface sides respectively with an intermediate layer 6 or 7 of zirconium oxide and / or at least one silicate, so it is possible to apply the metallizations 3 and 4 by means of the DCB method without impurities and with high adhesion strength of the copper forming the metallizations 3 and 4 to the ceramic material 2.
  • the base layer 5 has a thickness de and contains inter alia also sintering aids in the form of an oxide of Ho, Er, Yb, Y, La, Sc, Pr, Ce, Nd, Dy, Sm and / or Gd.
  • sintering aids in particular HO 2 O 3 or Er 2 O 3 find use.
  • the proportion of sintering aid in the middle layer 5 is for example in the range between 1 and 8 weight percent based on the total mass of the base layer 5 forming ceramic.
  • the two metallizations 3 and 4 have the same thickness dm, which can be at most three times the thickness de.
  • the thickness of the metallizations 3 and 4 is in the range between 0.01 to 1 mm.
  • the thickness de is, for example, in the range between 0.1 and 2 mm.
  • the much thinner compared to the base layer 5 and to the metallizations 3 and 4 intermediate layers 6 and 7, whose thickness is for example in the range between 0.1 and 10 m ⁇ , consists of zirconium oxide and / or at least one silicate, wherein the respective intermediate layer 6 or 7 has no free silicon oxide (SiO 2 ) or the proportion of free SiO 2 is negligibly small at least at the regions of the intermediate layer 6 and 7 which are adjacent to these metallizations 3 and 4.
  • zirconium silicate and / or titanium silicate and / or hafnium silicate are also suitable for interlayers 6 and 7, specifically silicates having a thermal expansion coefficient which is less than or equal to 6 ⁇ 10 -6 K "1 is.
  • a base of the silicon nitride ceramic (S ⁇ 3N4 ceramic) constituting the base layer 5 is used as the starting material. This is then coated on both sides with suitable methods for forming the respective intermediate layer 6 or 7 with the component (s) suitable for the intermediate layer.
  • the material forming the respective intermediate layer is deposited in admixture with a suitable liquid, for example water, on the surface sides of the plate-shaped starting material. Subsequently, then gfs. after a preliminary drying, baking and dense sintering of the respective intermediate layer 6 or 7 at a temperature in the range between 1200 and 1680 ° C in an oxidizing atmosphere.
  • the coating of the starting material is carried out, for example, by using the material of the intermediate layer 6 or 7 containing micro- to nanodisperse mixtures, for example by spraying, dipping (dipcoating or spin coating) from aqueous dispersions. Other methods, for example sol-gel methods are usable.
  • the substrate 1 can be produced over a large area, for example with dimensions greater than 80 ⁇ 80 mm, preferably greater than 100 ⁇ 150 mm, so that the substrate 1 can be further processed, i. by appropriate structuring of the metallizations 3 and 4 in multiple use the production of a variety of individual substrates is possible.
  • the substrate 1 having the structure described has improved mechanical strength due to the base layer 5 of silicon nitride ceramic. Furthermore, the bonding of the metallizations 3 and 4 with the established DCB method using the usual processing means is possible, without the risk of defects in the connection between the metallizations 3 and 4 and the ceramic material 2, the (defects) the adhesion of the Hardly affect metallizations on the ceramic material and can also lead to an impairment of the electrical strength of the substrate.
  • a specimen 1.1 which corresponds in structure to the substrate 1, but only with the metallization 3 and the intermediate layer 6, is in the prepared as described above, wherein the metallization 3 is made as a strip with a width of 1 cm and a thickness dm of 0.3 mm.
  • a force F is exerted with the test specimen 1.1 clamped, with a size such that the strip-shaped metallization 3 is drawn off the ceramic material 2 at a speed of 0.5 cm / min ,
  • the force F required for this purpose determines the adhesion or peel strength. This is greater than 40 N / cm in the substrate 1 with the above-described embodiment.
  • curve A shows a diagram of the distribution (curve A) of the free silicon oxide (SiO 2) in the intermediate layer 6 or 7, starting from the inner layer 5 to the metallization 3 or 4.
  • the proportion of free SiCh decreases sharply relative to the proportion of the intermediate layer-forming zirconium oxide and / or silicate to the respective metallization 3 or 4, the proportion of free SiO 2 being reduced to 0 percent by weight in the region of the metallization, and although based on the total mass of the intermediate layer.
  • curve B is in the figure 3, the profile of the proportion of the intermediate layer forming zirconium oxide and / or silicate gfs. represented with the aforementioned additions.
  • FIG. 4 shows in a representation similar to FIG. 1 as a further possible embodiment a substrate 1 a which differs from the substrate 1 in that the metallizations 3 and 4 are applied to the ceramic material 2 not by the DCB method but by an active soldering method are.
  • a layer 8 or 9 of active solder is applied to the ceramic material, which in turn consists of the base layer 5 of the Si3N4 ceramic and of the two intermediate layers 6 and 7, via which the respective metallization or the metal forming this metallization. or copper foil is connected flat with the ceramic material 2.
  • Suitable active solder are the commonly used materials, for example an activated, which contains a base component or a Lot staggeringteil, such as copper / silver, and an active component, such as Ti, Hf, Zr.
  • the production of the substrate 1 a is again such that initially in one or more preceding steps, the ceramic material 2 is manufactured. This is followed by the application of the metallizations 3 and 4 according to the known active soldering method, wherein the layers 8 and 9 are applied from active solder either as a paste or as a film.
  • the metal-ceramic substrates are patterned in the usual way and by the usual technique, e.g. with the known masking and etching technique.

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Abstract

Metall-Keramik-Substrat mit einem mehrschichtigen, plattenförmigen Keramikmaterial und mit wenigstens einer an einer Oberflächenseite des Keramikmaterials vorgesehenen Metallisierung, die mit dem Keramikmaterial durch Directbonden (DCB-Verfahren) oder Aktivlöten verbunden ist, wobei das Keramikmaterial aus wenigstens einer inneren Schicht oder Basisschicht aus einer Siliziumnitrid-Keramik besteht, und wobei die mit der wenigstens einen Metallisierung versehene Oberflächenseite des Keramikmaterials von einer auf die wenigstens eine Basisschicht aufgebrachten Zwischenschicht aus einer oxidischen Keramik gebildet ist.

Description

Metall-Keramik-Substrat
Die Erfindung bezieht sich auf ein Metall-Keramik-Substrat gemäß Oberbegriff Patentanspruch 1 sowie auf ein Verfahren gemäß Oberbegriff Patentanspruch 26.
Metall-Keramik-Substrate bzw. Keramiksubstrate mit Metallisierungen sind in verschiedensten Ausführungen bekannt, insbesondere auch als Leiterplatten oder Substrate für elektrische und elektronische Schaltkreise oder Module und dabei speziell für Schaltkreise oder Module mit hoher Leistung.
Bekannt ist weiterhin das sogenannte DCB-Verfahren zum direkten Verbinden von, mit Keramikmateriai oder -Substrat zum Herstellen der für Leiterbahnen, Anschlüssen usw. benötigte Metallisierung auf einem Keramiksubstrat, z.B. auf einem Aluminium- Oxid-Keramik-Substrat. Bei diesem beispielsweise in der US-PS 3744 120 oder in der DE-PS 23 19 854 beschriebenen Verfahren sind Metallschichten oder -folien, z.B. Kupferschichten oder -folien an ihren Oberflächenseiten mit einem Überzug aus einer chemischen Verbindung aus dem Metall (z.B. Kupfer) und einem reaktiven Gas (bevorzugt Sauerstoff) versehen. Dieser Überzug bildet mit einer dünnen Schicht des angrenzenden Metalls ein Eutektikum (Aufschmelzschicht) mit einer Schmelztemperatur unter der Schmelztemperatur des Metalls (z.B. Kupfers), so dass durch Auflegen der Metallschicht oder -folie auf die Keramik und durch Erhitzen sämtlicher Schichten diese miteinander verbunden werden können, und zwar durch Aufschmelzen des Metalls im wesentlichen nur im Bereich der Aufschmelzschicht bzw. Oxidschicht. Bei Verwendung von Kupfer oder eine Kupferlegierung als Metall wird dieses Verfahren auch als DCB-Bonden oder DCB-Verfahren (Direct-Copper- Bonding-Verfahren) bezeichnet.
Dieses DCB-Verfahren weist dann z.B. folgende Verfahrensschritte auf: > Oxidieren einer Kupferfolie derart, dass sich eine gleichmäßige Kupferoxidschicht ergibt; > Auflegen des Kupferfolie auf die Keramikschicht;
> Erhitzen des Verbundes auf eine Prozesstemperatur zwischen etwa 1025 bis 10830C, z.B. auf ca. 1071 0C;
> Abkühlen auf Raumtemperatur.
Bekannt ist weiterhin das sogenannte Aktivlot-Verfahren (DE 22 13 1 15; EP-A-153 618) zum Verbinden von Metallisierungen bildenden Metallschichten oder Metallfolien, insbesondere auch von Kupferschichten oder Kupferfolien mit dem jeweiligen Keramikmaterial. Bei diesem Verfahren, welches speziell auch zum Herstellen von Metall-Keramik-Substraten verwendet wird, wird bei einer Temperatur zwischen ca. 800 - 10000C eine Verbindung zwischen einer Metallfolie, beispielsweise Kupferfolie, und einem Keramiksubstrat, beispielsweise Aluminiumnitrid-Keramik, unter Verwendung eines Hartlots hergestellt, welches zusätzlich zu einer Hauptkomponente, wie Kupfer, Silber und/oder Gold auch ein Aktivmetall enthält. Dieses Aktivmetall, welches beispielsweise wenigstens ein Element der Gruppe Hf, Ti, Zr, Nb, Ce ist, stellt durch chemische Reaktion eine Verbindung zwischen dem Lot und der Keramik her, während die Verbindung zwischen dem Lot und dem Metall eine metallische Hartlot-Verbindung ist.
Bekannt ist weiterhin ein Metall-Keramik-Substrat mit einer inneren Schicht oder Basisschicht aus einer Siliziumnitrid-Keramik (EP 798 781), die im Vergleich zu anderen Keramiken, insbesondere auch im Vergleich zu einer Aluminiumoxid- Keramik (AbCh-Keramik) eine wesentlich höhere mechanische Festigkeit aufweist. LJm das Aufbringen der Metallisierungen mit dem DCB-Verfahren zu ermöglichen, wurde vorgeschlagen, auf die Basisschicht aus der Siliziumnitrid-Keramik jeweils eine Zwischenschicht aus einer reinen Aluminiumoxid-Keramik aufzubringen. Diese Verfahrensweise führt jedoch nicht zu einer vollständigen, insbesondere auch nicht zu einer fehlstellenfreien Verbindung zwischen dem Keramikmaterial und der Metallisierung. Vielmehr ergeben sich speziell auch bei Verwendung von Metallisierungen aus Kupfer zahlreiche Gaseinschlüsse zwischen der Metallisierung und dem Keramikmaterial, die durch eine Reaktion zwischen dem Sauerstoff aus dem Kupfer- bzw. Kupferoxid-Eutektikum (Cu/Cu2θ-Eutektikum) und der Siliziumnitrid- Keramik herrühren, und zwar entsprechend der nachstehenden Formel: 6 CuO + SJaN4 → 3 Siθ2 + 6 Cu + N2.
Durch diese Reaktion wird einerseits die für das Bonden notwendige flüssige eutektische Cu/Cu2-Phase verbraucht. Andererseits bilden sich durch den entstehenden gasförmigen Stickstoff (N 2) Blasen. Diese nachteilige Reaktion lässt sich durch die Zwischenschicht aus der reinen Aluminiumoxid-Keramik nicht vermeiden. Dies ist nach einer der vorliegenden Erfindung zugrunde liegenden Erkenntnis u.a. auf die sehr unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Siliziumnitrid (3,0 x 10"6 K'1) und von Aluminiumoxid (8 x 10~6 K"1) zurückzuführen. Diese Unterschiede im thermischen Ausdehnungskoeffizient führen z.B. während des Aufbrennens oder Sinterns der Zwischenschicht aus der Aluminiumoxid-Keramik, aber auch während des Bondens der Metallisierungen (DCB-Verfahren) zu Rissen in der Zwischenschicht, so dass durch diese Risse hindurch die vorstehende Reaktion zwischen dem Cu/Cu2θ-Eutektikum und der Siliziumnitrid-Keramik erfolgen kann.
Bekannt ist weiterhin (EP 0 499 589) auf eine Keramikbasisschicht wenigstens eine Zwischenschicht aus reinem Siliziumoxid (Siθ2) vorzusehen und dann mit Hilfe des DCB-Verfahrens die Metallisierung aufzubringen. Diese Verfahrensweise führt ebenfalls nicht zu einem brauchbaren Ergebnis, da die für das DCB-Verfahren notwendige eutektische Schmelze mit dem SiO2 zu flüssigen Cu2O-SiO2 reagiert. Eine Zwischenschicht aus SiO2 ist somit für das Aufbringen der Metallisierungen mit dem DCB-Verfahren nicht brauchbar.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Metall-Keramik-Substrat aufzuzeigen, welches unter Beibehaltung der grundsätzlichen Vorteile der Siliziumnitrid-Keramik die vorgenannten Nachteile vermeidet. Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Metall-Keramik- Substrat entsprechend dem Patentanspruch 1 ausgebildet. Ein Verfahren zum Herstellen eines Metall-Keramik-Substrats ist Gegenstand Patentanspruch 26. Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Für die Zwischenschicht eignet sich insbesondere Zirkonium-Oxid und/oder ein Silikat, insbesondere ein Zirkonium-Silikat (ZrSiO4) und/oder ein Titan-S i I i I kat und/oder ein Hafnium-Silikat.
Bevorzugt weisen die die Basisschicht bildende Siliziumnitrid-Keramik und/oder die Zwischenschicht - gfs. zusätzlich Sinterzusätzen (z.B. Seltenerdenelemente) - auch oxidische Bestandteile auf, wie z.B. LiO2, Tiθ2, BaO, ZnO, B2O3, CsO, Fe2Ü3, Zrθ2, CuO, CU2O. Auch Kombinationen von wenigstens zwei dieser Bestandteile können als oxidische Zusatzkomponente verwendet sein, wobei der Anteil an dieser oxidischen Zusatzkomponente maximal 20 Gewichtsprozent bezogen auf die Gesamtmasse der Zwischenschicht beträgt. Mit dieser oxidischen Zusatzkomponente können die Eigenschaften der Zwischenschicht u.a. in Bezug auf die Erweichungstemperatur gezielt gesteuert bzw. eingestellt werden. Weiterhin lassen sich mit dieser Zusatzkomponente auch Reaktionen des Kupferoxids (insbesondere CU2O) beim DCB- Verfahren unterdrücken, die zu schmelzflüssigen Reaktionsprodukten führen könnten. Diese Seltenerdenelemente in der Zwischenschicht können auch durch Diffusion aus der Siliziumnitrid-Keramik-Basisschicht beim Brennen der Zwischenschicht vorhanden sein.
Das erfindungsgemäße Substrat weist eine hohe Adhäsion bzw. Peelfestigkeit der Metallisierung an dem Keramikmaterial auf. Ein weiterer wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Substrats besteht darin, dass die Zwischenschicht ein Elastizitätsmodul kleiner als 300 GPa aufweist, so dass über die Zwischenschicht ein optimaler Ausgleich der sehr unterschiedlichen thermischen
Ausdehnungskoeffizienten der Siliziumnitrid-Keramik und des Metalls (z.B. Kupfer) der Metallisierungen erreicht ist, und zwar im Gegensatz zu dem relativ hohen Elastizitätsmodul von 390 GPa von Aluminiumoxid. Durch den geringen Elastizitätsmodul der Zwischenschicht sind insbesondere Metallisierungen mit großer Dicke möglich, und zwar bis zur dreifachen Dicke der Basisschicht aus der Siliziumnitrid-Keramik.
In Weiterbildung der Erfindung ist das Substrat beispielsweie so ausgeführt, dass das Silikat der Silikat-Schicht ein Zirkonium-Silikat und/oder ein Titan-Silikat und/oder ein Hafnium-Silikat ist, und/oder dass die wenigstens eine Zwischenschicht einen thermischen
Ausdehnungskoeffizienten kleiner oder höchstens gleich 6 x 10"6K"1 besitzt, und/oder dass der Anteil an freiem Siliziumoxid (SiO2) in der die wenigstens eine
Zwischenschicht zumindest im Bereich der Verbindung zwischen der
Zwischenschicht und der Metallisierung vernachlässigbar gering ist, und/oder dass der Anteil an freiem Siliziumoxid in der wenigstens einen Zwischenschicht zumindest im Bereich der Verbindung zwischen der Zwischenschicht und der
Metallisierung gleich Null oder annähernd gleich Null ist, und/oder dass die wenigstens eine Basisschicht aus der Siliziumnitrid-Keramik an beiden
Oberflächenseiten mit jeweils wenigstens einer Zwischenschicht versehen ist, und/oder dass auf beiden Zwischenschichten jeweils wenigstens eine Metallisierung aufgebracht ist, und/oder dass das Keramikmaterial hinsichtlich der Schichtfolge und Dicke der
Keramikschichten symmetrisch zu einer parallel zu den Oberflächenseiten des
Keramikmaterials verlaufenden Mittelebene ausgebildet ist, und/oder dass es hinsichtlich der Schichtfolge und/oder hinsichtlich der Dicke der Schichten, einschließlich der Dicke der Zwischenschichten und der Metallisierungen symmetrisch zu einer parallel zu den Oberflächenseiten des Substrates verlaufenden Mittelebene ausgebildet ist, und/oder dass das für die wenigstens eine Zwischenschicht verwendete Material einen Elastizitätsmodul kleiner 300 GPa, insbesondere einen Elastizitätsmodul im Bereich zwischen 100 und 300 GPa aufweist, und/oder dass die Dicke der wenigstens einen Zwischenschicht deutlich kleiner ist als die Dicke (de) der diese Zwischenschicht tragenden Basisschicht aus der Siliziumnitrid- Keramik und/oder deutlich kleiner ist als die Dicke (dm) der wenigstens einen Metallisierung, und/oder dass die Dicke (dm) der wenigstens einen Metallisierung maximal gleich der dreifachen Dicke (de) der Basisschicht aus der Siliziumnitrid-Keramik ist, und/oder dass die Dicke der wenigstens einen Zwischenschicht im Bereich zwischen 0,1 - 10μm liegt, und/oder dass die Dicke (de) der wenigstens einen Basisschicht aus der Siliziumnitrid- Keramik im Bereich zwischen 0,1 und 2 mm liegt, und/oder dass die Dicke (dm) der wenigstens einen Metallisierung im Bereich zwischen 0,5 - 1 mm liegt, und/oder dass die wenigstens eine Metallisierung aus Kupfer aus einer Kupferlegierung besteht, und/oder dass die Basisschicht und/oder die wenigstens eine Zwischenschicht Sinterhilfsmittel, insbesondere in Form wenigstens eines Seltenerdeelementes enthält, und/oder dass die Keramik der wenigstens einen Zwischenschicht als Sinterhilfsmittel ein Oxid von Ho, Er, Yb, Y, La, Sc, Pr, Ce, Nd, Dy, Sm, Gd oder Mischungen von wenigstens zwei dieser Oxide enthält, und/oder dass der Anteil an Sinterhilfsmittel im Bereich von 1 ,0 bis 8,0 Gewichtsprozent liegt, und/oder dass die wenigstens eine Zwischenschicht als Zusatzkomponente wenigstens einen oxidischen Bestandteil aus der Gruppe U2O, ÜO2, BaO, ZnO, B2O3, CsO, Fe2θ3, Zrθ2, CuO, CU2O enthält, wobei der Anteil an dieser Zusatzkomponente maximal 20 Gewichtsprozent bezogen auf die Gesamtmasse der Zwischenschicht beträgt, und/oder dass die wenigstens eine Basisschicht aus der Siliziumnitrid-Keramik eine Wärmeleitfähigkeit größer 45 W/mK aufweist, und/oder dass die Adhäsions- oder Peelfestigkeit der wenigstens einen Metallisierung an dem Keramikmaterial größer als 40 N/cm ist, und/oder dass zwischen der wenigstens einen Zwischenschicht und der anschließenden Metallisierung wenigstens eine weitere Schicht aus einem Aktivlot vorgesehen ist, und/oder dass das Aktivlot aus einem als Lot geeigneten Basisbestandteil und einem Aktiv- Metall, beispielsweise Ti, Hf, Zr, Nb und/oder Ce besteht, und/oder dass die äußeren Abmessungen des Substrates größer als 80 x 80 mm, vorzugsweise größer 100 x 150 mm sind, wobei die vorgenannten Merkmale des Substrates jeweils einzeln oder in beliebiger Kombination vorgesehen sein können.
In Weiterbildung der Erfindung ist das Verfahren beispielsweie so ausgeführt, dass als Zwischenschicht eine Schicht aus Zirkonium-Oxid und/oder eine Silikat- Schicht aufgebracht wird, deren thermischer Ausdehnungskoeffizienten kleiner oder höchsten gleich 6 x 10"6 K"1 ist und deren Anteil an freien Silizium (Siθ2) zumindest im Bereich der Verbindung zwischen der Zwischenschicht (6, 7) und der Metallisierung bzw. am Übergang zwischen der Zwischenschicht und der Metallisierung vernachlässigbar gering ist, und/oder dass die Zwischenschicht so ausgebildet wird, dass der Anteil an freiem Siliziumoxid (Siθ2) in der wenigstens einen Zwischenschicht zumindest im Bereich der Verbindung zwischen der Zwischenschicht und der Metallisierung bzw. am Übergang zwischen der Zwischenschicht und der Metallisierung gleich Null oder annähernd gleich Null ist, und/oder dass die wenigstens eine Basisschicht am beiden Oberflächenseiten mit jeweils einer Zwischenschicht versehen und auf beide Zwischenschichten jeweils wenigstens eine Metallisierung aufgebracht wird, und/oder dass die Zwischenschicht mit einer Dicke erzeugt wird, die deutlich kleiner ist als die Dicke (de) der Basisschicht und/oder deutlich kleiner ist als die Dicke (dm) der wenigstens einen Metallisierung, und/oder dass für die wenigstens eine Metallisierung eine Metallfolie mit einer Dicke (dm) verwendet wird, die maximal gleich der dreifachen Dicke (de) der Basisschicht ist, und/oder dass die wenigstens eine Zwischenschicht mit einer Dicke im Bereich zwischen 0,1 - 10 μm erzeugt wird, und/oder dass für die Basisschicht und/oder für die wenigstens eine Zwischenschicht ein
Material verwendet wird, welches wenigstens ein Sinterhilfsmittel, insbesondere in
Form wenigstens eines Seltenerdenelementes enthält, wobei der Anteil an
Sinterhilfsmitteln insbesondere im Bereich von 1 ,0 bis 8,0 Gewichtsprozent liegt, und/oder dass für die wenigstens eine Zwischenschicht ein Material verwendet wird, das als
Zusatzkomponente wenigstens einen oxidischen Bestandteil aus der Gruppe Li2O,
TiO2, BaO, ZnO, B2O3, CsO, Fe2O3, ZrO2, CuO, Cu2O enthält, wobei der Anteil an der Zusatzkomponente maximal 20 Gewichtsprozent bezogen auf die
Gesamtmasse der Zwischenschicht beträgt, und/oder dass die Basisschicht an wenigstens einer Oberflächenseite mit einem die
Zwischenschicht Material beschichtet und diese Beschichtung bei einer
Temperatur im Bereich zwischen 1200 und 16800C eingebrannt bzw. dichtgesintert wird, und/oder dass das Einbrennen oder Dichtsintern in einer oxidischen Atmosphäre erfolgt, und/oder dass das Beschichten durch Sprühen, Tauchen, beispielsweise aus wässrigen
Dispersionen, oder in einem Sol-Gel-Verfahren erfolgt, und/oder dass das Beschichten unter Verwendung von das Zirkonium-Oxid und/oder das wenigstens eine Silikat enthaltenden micro- bis nanodispersen Mischungen erfolgt, wobei die vorgenannten Merkmale des Verfahrens wiederum jeweils einzeln oder in beliebiger Kombination verwendet sein können.
Weiterbildungen, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und aus den Figuren. Dabei sind alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination grundsätzlich Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung. Auch wird der Inhalt der Ansprüche zu einem Bestandteil der Beschreibung gemacht.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 in vereinfachter Darstellung einen Schnitt durch ein Substrat gemäß der
Erfindung; Fig. 2 in schematischer Darstellung eine Methode zur Ermittlung der Adhäsions- bzw.
Peelfestigkeit eine auf das Keramikmaterial aufgebrachten, von einer Folie gebildeten Metallisierung; Fig. 3 in einem Diagramm die Verteilung von freiem Siliziumoxid (SiCh) in der aus
Zirkonium-Oxid und/oder wenigstens einem Silikat, bestehenden
Zwischenschicht; Fig. 4 in ähnlicher Darstellung wie Figur 1 eine weitere mögliche Ausführungsform des erfindungsgemäßen Substrats.
Das in der Figur 1 allgemein mit 1 bezeichnete Metall-Keramik-Substrat besteht aus einem plattenförmigen Keramikmaterial 2, welches an beiden Oberflächenseiten mit Hilfe des DCB-Verfahrens mit jeweils einer von einer Metallfolie, d.h. bei der dargestellten Ausführungsform von einer Kupferfolie versehene Metallisierung 3 bzw. 4 mit einer Dicke dm versehen ist. Das Keramikmaterial 2 ist mehrschichtig ausgeführt, und zwar bestehend aus einer inneren Keramik- oder Basisschicht 5 aus Siliziumnitrid (SJ3N4), die an beiden Oberflächenseiten jeweils mit einer Zwischenschicht 6 bzw. 7 aus Zirkonium-Oxid und/oder wenigstens einem Silikat versehen ist, sodass das Aufbringen der Metallisierungen 3 und 4 mit Hilfe des DCB-Verfahrens ohne Störstellen und mit hoher Adhäsionsfestigkeit des die Metallisierungen 3 und 4 bildenden Kupfers an dem Keramikmaterial 2 möglich ist. Die Basisschicht 5 besitzt eine Dicke de und enthält beispielsweise u.a. auch Sinterhilfsmittel in Form eines Oxids von Ho, Er, Yb, Y, La, Sc, Pr, Ce, Nd, Dy, Sm und/oder Gd. Auch Kombinationen aus einem oder mehreren dieser Oxide sind als Sinterhilfsmittel möglich, wobei insbesondere HO2O3 oder Er2θ3 Verwendung finden. Der Anteil an Sinterhilfsmittel in der mittleren Schicht 5 liegt beispielsweise im Bereich zwischen 1 und 8 Gewichtsprozent bezogen auf die Gesamtmasse der die Basisschicht 5 bildenden Keramik.
Bei der dargestellten Ausführungsform besitzen die beiden Metallisierungen 3 und 4 die selbe Dicke dm, die maximal das Dreifache der Dicke de betragen kann. Üblicherweise liegt die Dicke der Metallisierungen 3 und 4 aber im Bereich zwischen 0,01 bis 1 mm. Die Dicke de liegt beispielsweise im Bereich zwischen 0,1 und 2 mm.
Die im Vergleich zu der Basisschicht 5 und zu den Metallisierungen 3 und 4 sehr viel dünneren Zwischenschichten 6 und 7, deren Dicke beispielsweise im Bereich zwischen 0,1 und 10 mμ liegt, besteht aus Zirkonium-Oxid und/oder aus wenigstens einem Silikat, wobei die jeweilige Zwischenschicht 6 oder 7 kein freies Siliziumoxid (SiO2) aufweist oder der Anteil an freiem Siθ2 zumindest an den diesen Metallisierungen 3 und 4 benachbarten Bereichen der Zwischenschicht 6 und 7 vernachlässigbar klein ist.
Für die Zwischenschichten 6 und 7 eignen sich neben Zirkonium-Oxid insbesondere auch Zirkonium-Silikat und/oder Titan-Silikat und/oder Hafnium-Silikat, und zwar speziell auch Silikate mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten, der kleiner, höchstens gleich 6 x 10"6 K"1 ist. Der thermische Ausdehnungskoeffizient von Aluminiumoxid (AI2O3) liegt hingegen bei 8 x 10"6 K"1.
Auch Mischungen von mehreren der vorgenannten Materialien sind für die Zwischenschichten 6 und 7 geeignet, wobei in jedem Fall aber bevorzugt ein E-Modul für die Zwischenschichten von kleiner, höchsten gleich 300 GPa angestrebt wird, um so über die jeweilige Zwischenschicht 6 bzw. 7 einen gewissen Ausgleich der sehr unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Metall bzw. Kupfer der Metallisierungen 3 und 4 und dem S'MHA der inneren Schicht 5 zu erreichen.
Mit den vorgenannten Materialien für die Zwischenschichten 6 und 7 lässt sich auch diese Forderung bezüglich des Ausdehnungsverhaltens bzw. der Elastizität der Zwischenschichten optimal einhalten.
Bevorzugt enthalten die Zwischenschichten 6 und 7, wie ausgeführt, als Zusatzkomponente einen oder mehrere Zusätze aus der Gruppe UO2, TΪO2, BaO, ZO, B2, O3, CsO, FΪ2O3, ZrO2, CuO und/oder CU2O, und zwar bis zu einem maximalen Anteil von 20 Gewichtsprozent bezogen auf die Masse der jeweiligen Zwischenschicht.
Bei der Herstellung des Substrates 1 wird als Ausgangsmaterial eine die Basisschicht 5 bildende Platte aus der Siliziumnitrid-Keramik (SΪ3N4-Keramik) verwendet. Diese wird dann mit geeigneten Verfahren beidseitig zur Bildung der jeweiligen Zwischenschicht 6 bzw. 7 mit der (den) für die Zwischenschicht geeigneten Komponente (n) beschichtet.
Für diese Beschichtung stehen verschiedene Techniken zur Verfügung, bei denen z.B. das die jeweilige Zwischenschicht bildende Material in Mischung mit einer geeigneten Flüssigkeit, beispielsweise Wasser auf den Oberflächenseiten des plattenförmigen Ausgangsmaterials abgeschieden. Im Anschluss daran erfolgt dann gfs. nach einem vorausgegangenen Trocknen ein Einbrennen und Dichtsintern der jeweiligen Zwischenschicht 6 bzw. 7 bei einer Temperatur im Bereich zwischen 1200 und 1680 °C in einer oxidieren Atmosphäre. Das Beschichten des Ausgangsmaterials erfolgt beispielsweise unter Verwendung von das Material der Zwischenschicht 6 bzw. 7 enthaltenden mikro- bis nanodispersen Mischungen, z.B. durch Sprühen, Tauchen (Dipcoating oder Spincoating) aus wässrigen Dispersionen. Auch andere Verfahren, beispielsweise Sol-Gel-Verfahren sind verwendbar.
Nach dem Aufbringen der Zwischenschichten 6 und 7 erfolgt mit Hilfe des bekannten DCB-Verfahrens das Bonden bzw. Aufbringen der die Metallisierungen 3 und 4 bildenden Metall- oder Kupferfolien.
Das Substrat 1 kann großflächig hergestellt werden, beispielsweise mit Abmessungen größer 80 x 80 mm, vorzugsweise größer 100 x 150 mm, so dass mit dem Substrat 1 durch weitere Verarbeitung, d.h. durch entsprechende Strukturierung der Metallisierungen 3 und 4 im Mehrfach nutzen die Fertigung einer Vielzahl von Einzelsubstraten möglich ist.
Das Substrat 1 mit dem beschriebenen Aufbau besitzt eine verbesserte mechanische Festigkeit, und zwar bedingt durch die Basisschicht 5 aus Siliziumnitrid-Keramik. Weiterhin ist das Bonden der Metallisierungen 3 und 4 mit dem bewährten DCB- Verfahren unter Verwendung der üblichen Verfahrensmittel möglich, und zwar ohne die Gefahr von Fehlstellen in der Verbindung zwischen den Metallisierungen 3 und 4 und dem Keramikmaterial 2, die (Fehlstellen) die Adhäsion der Metallisierungen am Keramikmaterial stark beeinträchtigen und auch zu einer Beeinträchtigung der elektrischen Spannungsfestigkeit des Substrates führen kann.
Bei dem Substrat 1 mit dem vorstehend beschriebenen Aufbau wird eine ausreichend hohe Adhäsion der Metallisierungen an dem Keramikmaterial 2 erreicht. Diese Adhäsion bzw. Peelfestigkeit wird mit der in der Figur 2 dargestellten Methode gemessen. Ein Prüfling 1.1 , der von seinem Aufbau her dem Substrat 1 entspricht, allerdings nur mit der Metallisierung 3 und der Zwischenschicht 6, wird in der vorbeschriebenen Weise hergestellt, wobei die Metallisierung 3 als Streifen mit einer Breite von 1 cm und mit einer Dicke dm mit 0,3 mm gefertigt ist. An dem nach oben wegstehenden Ende 3.1 der streifenförmigen Metallisierung 3 wird bei eingespanntem Prüfling 1.1 eine Kraft F ausgeübt, und zwar mit einer solchen Größe, dass die streifenförmige Metallisierung 3 mit einer Geschwindigkeit von 0,5 cm/min, von dem Keramikmaterial 2 abgezogen wird. Die hierfür benötigte Kraft F bestimmt dann die Adhäsions- bzw. Peelfestigkeit. Diese ist bei dem Substrat 1 mit der vorbeschriebenen Ausbildung größer als 40 N/cm.
Die Figur 3 zeigt in einem Diagramm die Verteilung (Kurve A) des freien Siliziumoxids (Siθ2) in der Zwischenschicht 6 bzw. 7, und zwar ausgehend von der Innenschicht 5 bis an die Metallisierung 3 bzw. 4. Wie mit der Kurve A angedeutet, nimmt der Anteil an freiem SiCh bezogen auf den Anteil des die Zwischenschicht bildenden Zirkonium- Oxids und/oder Silikats zu der jeweiligen Metallisierung 3 bzw. 4 hin stark ab, wobei der Anteil an freiem SiO2 sich im Bereich der Metallisierung auf 0 Gewichtsprozent reduziert, und zwar bezogen auf die Gesamtmasse der Zwischenschicht. Mit der Kurve B ist in der Figur 3 der Verlauf des Anteils des die Zwischenschicht bildenden Zirkonium-Oxids und/oder Silikats gfs. mit den vorgenannten Zusätzen dargestellt.
Die Figur 4 zeigt in einer Darstellung ähnlich Figur 1 als weitere mögliche Ausführungsform ein Substrat 1 a, welches sich von dem Substrat 1 dadurch unterscheidet, dass die Metallisierungen 3 und 4 nicht mit dem DCB-Verfahren, sondern mit einem Aktivlötverfahren auf das Keramikmaterial 2 aufgebracht sind. Hierzu ist auf das Keramikmaterial, welches wiederum aus der Basisschicht 5 aus der Si3N4-Keramik sowie aus den beiden Zwischenschichten 6 und 7 besteht, eine Schicht 8 bzw. 9 aus Aktivlot aufgebracht, über die die jeweilige Metallisierung bzw. die diese Metallisierung bildende Metall- oder Kupferfolie flächig mit dem Keramikmaterial 2 verbunden ist. Als Aktivlot eignen sich die üblicherweise verwendeten Materialien, z.B. ein Aktiviert, welches eine Basiskomponente oder einen Lotbestandteil, wie z.B. Kupfer/Silber, sowie eine Aktiv-Komponente enthält, wie z.B. Ti, Hf, Zr. Die Herstellung des Substrates 1 a erfolgt wiederum derart, dass zunächst in einem oder mehreren vorausgehenden Verfahrensschritten das Keramikmaterial 2 gefertigt wird. Im Anschluss daran erfolgt dann das Aufbringen der Metallisierungen 3 und 4 nach dem an sich bekannten Aktivlotverfahren, wobei die Schichten 8 und 9 aus Aktivlot entweder als Paste oder als Folie aufgebracht werden.
Zur Herstellen von Leiterbahnen, Kontaktflächen usw. werden die Metall-Keramik- Substrate in der üblichen Weise und mit der üblichen Technik strukturiert, z.B. mit der bekannten Maskier- und Ätztechnik.
Die Erfindung wurde voranstehend an Ausführungsbeispielen beschrieben. Es versteht sich, dass zahlreiche Änderungen sowie Abwandlungen möglich sind, ohne dass dadurch der der Erfindung zugrundeliegende Erfindungsgedanke verlassen wird.
Bezugszeichenliste
1 , 1 a Metall-Keramik-Substrat
1.1 Prüfling
2 Keramikmaterial
3, 4 Metallisierung
5 innere Schicht aus Siliziumnitrid-Keramik
5, 6 Zwischenschicht aus einer oxidischen Keramik
8, 9 Aktivlotschicht
F Abreißkraft de Dicke der inneren Schicht aus Siliziumnitrid-Keramik dm Dicke der die Metallisierungen bildenden Metallschichten

Claims

Patentansprüche
1. Metall-Keramik-Substrat mit einem mehrschichtigen, plattenförmigen Keramikmaterial (2) und mit wenigstens einer an einer Oberflächenseite des Keramikmaterials vorgesehenen Metallisierung (3, 4), die mit dem Keramikmaterial durch Directbonden (DCB-Verfahren) oder Aktivlöten verbunden ist, wobei das Keramikmaterial (2) aus wenigstens einer inneren Schicht oder Basisschicht (5) aus einer Siliziumnitrid-Keramik besteht, und wobei die mit der wenigstens einen Metallisierung (3, 4) versehene Oberflächenseite des Keramikmaterials (2) von einer auf die wenigstens eine Basisschicht (5) aufgebrachten Zwischenschicht (6, 7) aus einer oxidischen Keramik gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Zwischenschicht (6, 7) eine Schicht aus Zirkon-Oxid und/oder eine Silikat-Schicht ist.
2. Substrat nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Silikat der Silikat- Schicht ein Zirkonium-Silikat und/oder ein Titan-Silikat und/oder ein Hafnium- Silikat ist.
3. Substrat nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Zwischenschicht (6, 7) einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten kleiner oder höchstens gleich 6 x 106K"1 besitzt.
4. Substrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, der Anteil an freiem Siliziumoxid (Siθ2) in der die wenigstens eine Zwischenschicht (6, 7) zumindest im Bereich der Verbindung zwischen der Zwischenschicht (6, 7) und der Metallisierung (3, 4) vernachlässigbar gering ist.
5. Substrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil an freiem Siliziumoxid in der wenigstens einen Zwischenschicht (6, 7) zumindest im Bereich der Verbindung zwischen der Zwischenschicht und der Metallisierung (3, 4) gleich Null oder annähernd gleich Null ist.
6. Substrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Basisschicht (5) aus der Siliziumnitrid-Keramik an beiden Oberflächenseiten mit jeweils wenigstens einer Zwischenschicht (6, 7) versehen ist.
7. Substrat nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass auf beiden Zwischenschichten (6, 7) jeweils wenigstens eine Metallisierung (3, 4) aufgebracht ist.
8. Substrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Keramikmaterial (2) hinsichtlich der Schichtfolge und Dicke der Keramikschichten (5, 6, 7) symmetrisch zu einer parallel zu den Oberflächenseiten des Keramikmaterials verlaufenden Mittelebene ausgebildet ist.
9. Substrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es hinsichtlich der Schichtfolge und/oder hinsichtlich der Dicke der Schichten, einschließlich der Dicke der Zwischenschichten (6, 7) und der Metallisierungen (3, 4) symmetrisch zu einer parallel zu den Oberflächenseiten des Substrates verlaufenden Mittelebene ausgebildet ist.
10. Substrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das für die wenigstens eine Zwischenschicht (6, 7) verwendete Material einen Elastizitätsmodul kleiner 300 GPa, insbesondere einen Elastizitätsmodul im Bereich zwischen 100 und 300 GPa aufweist.
1 1. Substrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der wenigstens einen Zwischenschicht (6, 7) deutlich kleiner ist als die Dicke (de) der diese Zwischenschicht tragenden Basisschicht (5) aus der Siliziumnitrid-Keramik und/oder deutlich kleiner ist als die Dicke (dm) der wenigstens einen Metallisierung (3, 4).
12. Substrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke (dm) der wenigstens einen Metallisierung (3, A) maximal gleich der dreifachen Dicke (de) der Basisschicht (5) aus der Siliziumnitrid-Keramik ist.
13. Substrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der wenigstens einen Zwischenschicht (6, 7) im Bereich zwischen 0,1 - 10/ym liegt.
14. Substrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke (de) der wenigstens einen Basisschicht (5) aus der Siliziumnitrid- Keramik im Bereich zwischen 0,1 und 2 mm liegt.
15. Substrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke (dm) der wenigstens einen Metallisierung im Bereich zwischen 0,5 - λ mm liegt.
16. Substrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Metallisierung aus Kupfer aus einer Kupferlegierung besteht.
17. Substrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Basisschicht (5) und/oder die wenigstens eine Zwischenschicht (6, 7) Sinterhilfsmittel, insbesondere in Form wenigstens eines Seltenerdeelementes enthält.
18. Substrat nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramik der wenigstens einen Zwischenschicht (6, 7) als Sinterhilfsmittel ein Oxid von Ho, Er, Yb, Y, La, Sc, Pr, Ce, Nd, Dy, Sm, Gd oder Mischungen von wenigstens zwei dieser Oxide enthält.
19. Substrat nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil an Sinterhilfsmittel im Bereich von 1,0 bis 8,0 Gewichtsprozent liegt.
20. Substrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Zwischenschicht (6, 7) als Zusatzkomponente wenigstens einen oxidischen Bestandteil aus der Gruppe U2O, Tiθ2, BaO, ZnO, B2O3, CsO, Fe2θ3, Zrθ2, CuO, CU2O enthält, wobei der Anteil an dieser Zusatzkomponente maximal 20 Gewichtsprozent bezogen auf die Gesamtmasse der Zwischenschicht beträgt.
21. Substrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Basisschicht aus der Siliziumnitrid-Keramik eine Wärmeleitfähigkeit größer 45 W/mK aufweist.
22. Substrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Adhäsions- oder Peelfestigkeit der wenigstens einen Metallisierung (3, 4) an dem Keramikmaterial größer als 40 N/cm ist.
23. Substrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der wenigstens einen Zwischenschicht (6, 7) und der anschließenden Metallisierung (3, 4) wenigstens eine weitere Schicht (8, 9) aus einem Aktivlot vorgesehen ist.
24. Substrat nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Aktivlot aus einem als Lot geeigneten Basisbestandteil und einem Aktiv-Metall, beispielsweise Ti, Hf, Zr, Nb und/oder Ce besteht.
25. Substrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die äußeren Abmessungen des Substrates größer als 80 x 80 mm, vorzugsweise größer 100 x 150 mm sind.
26. Verfahren zum Herstellen eines Metall-Keramik-Substrats mit einem mehrschichtigen, plattenförmigen Keramikmaterial (2), welches aus wenigstens einer inneren Schicht oder Basisschicht (5) aus einer Siliziumnitrid-Keramik besteht, sowie mit wenigstens einer an einer Oberflächenseite des Keramikmaterials (2) vorgesehenen Metallisierung (3, A)1 wobei an der mit der wenigstens einen Metallisierung (3, 4) zu versehenen Oberflächenseite der Basisschicht (5) eine Zwischenschicht (6, 7) gebildet wird und auf dieser Zwischenschicht die wenigstens eine Metallisierung (3, 4) durch Direct-Bonden (DCB-Verfahren) oder Aktivlöten wenigstens einer Metallschicht oder -folie aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass für die Zwischenschicht (6, 7) eine Schicht aus Zirkonium-Oxid und/oder eine Silikat-Schicht verwendet wird.
27. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass für die Zwischenschicht (6, 7) eine Schicht aus Zirkonium-Oxid und/oder eine Silikat- Schicht verwendet wird, deren thermischer Ausdehnungskoeffizienten kleiner oder höchsten gleich 6 x 10'6 K"1 ist und deren Anteil an freien Silizium (Siθ2) zumindest im Bereich der Verbindung zwischen der Zwischenschicht (6, 7) und der Metallisierung (3, 4) bzw. am Übergang zwischen der Zwischenschicht (6, 7) und der Metallisierung (3, 4) vernachlässigbar gering ist.
28. Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (6, 7) so ausgebildet wird, dass der Anteil an freiem Siliziumoxid (SiO2) in der wenigstens einen Zwischenschicht (6, 7) zumindest im Bereich der Verbindung zwischen der Zwischenschicht (6, 7) und der Metallisierung (3, 4) bzw. am Übergang zwischen der Zwischenschicht (6, 7) und der Metallisierung (3, 4) gleich Null oder annähernd gleich Null ist.
29. Verfahren nach Anspruch 27 oder 28, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Basisschicht (5) am beiden Oberflächenseiten mit jeweils einer Zwischenschicht (6, 7) versehen und auf beide Zwischenschichten (6, 7) jeweils wenigstens eine Metallisierung (3, 4) aufgebracht wird.
30. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (6, 7) mit einer Dicke erzeugt wird, die deutlich kleiner ist als die Dicke (de) der Basisschicht (5) und/oder deutlich kleiner ist als die Dicke (dm) der wenigstens einen Metallisierung (3,4).
31. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die wenigstens eine Metallisierung (3, 4) eine Metallfolie mit einer Dicke (dm) verwendet wird, die maximal gleich der dreifachen Dicke (de) der Basisschicht (5) ist.
32. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Zwischenschicht (6, 7) mit einer Dicke im Bereich zwischen 0,1 - 10 //m erzeugt wird.
33. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Basisschicht (5) und/oder für die wenigstens eine Zwischenschicht (6, 7) ein Material verwendet wird, welches wenigstens ein Sinterhilfsmittel, insbesondere in Form wenigstens eines Seltenerdenelementes enthält, wobei der Anteil an Sinterhilfsmitteln insbesondere im Bereich von 1 ,0 bis 8,0 Gewichtsprozent liegt.
34. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die wenigstens eine Zwischenschicht (6, 7) ein Material verwendet wird, das als Zusatzkomponente wenigstens einen oxidischen Bestandteil aus der Gruppe Li2O, TiO2, BaO, ZnO, B2O3, CsO, Fe2Oa, ZrO2, CuO, Cu2O enthält, wobei der Anteil an der Zusatzkomponente maximal 20 Gewichtsprozent bezogen auf die Gesamtmasse der Zwischenschicht beträgt.
35. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Basisschicht (5) an wenigstens einer Oberflächenseite mit einem die Zwischenschicht (6, 7) Material beschichtet und diese Beschichtung bei einer Temperatur im Bereich zwischen 1200 und 16800C eingebrannt bzw. dichtgesintert wird.
36. Verfahren nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, dass das Einbrennen oder Dichtsintern in einer oxidischen Atmosphäre erfolgt.
37. Verfahren nach Anspruch 35 oder 36, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichten durch Sprühen, Tauchen, beispielsweise aus wässrigen Dispersionen, oder in einem Sol-Gel-Verfahren erfolgt.
38. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichten unter Verwendung von das Zirkonium-Oxid und/oder das wenigstens eine Silikat enthaltenden micro- bis nanodispersen Mischungen erfolgt.
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