EP3956275A1 - Method for producing a composite ceramic, and composite ceramic produced using such a method - Google Patents

Method for producing a composite ceramic, and composite ceramic produced using such a method

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EP3956275A1
EP3956275A1 EP20719992.8A EP20719992A EP3956275A1 EP 3956275 A1 EP3956275 A1 EP 3956275A1 EP 20719992 A EP20719992 A EP 20719992A EP 3956275 A1 EP3956275 A1 EP 3956275A1
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EP
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layer
ceramic
composite ceramic
ceramic material
hot pressing
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Application number
EP20719992.8A
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Karsten Schmidt
Lei Liu
Xinhe Tang
Yang Zhong
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Rogers Germany GmbH
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Rogers Germany GmbH
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Publication date
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    • H01L23/14Mountings, e.g. non-detachable insulating substrates characterised by the material or its electrical properties
    • H01L23/15Ceramic or glass substrates

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing a composite ceramic and a composite ceramic produced using such a method.
  • Insulation layers made of ceramics for printed circuit boards are well known from the prior art.
  • metallizations are typically provided on the upper and / or lower side, which serve as conductor tracks or as connection areas for electronic components.
  • the use of AIN is known, for example, in order to effectively dissipate heat generated on the top and / or bottom side in order to avoid damage to the circuit board.
  • AIN material properties which are favorable for heat dissipation, its use as a ceramic material often proves to be disadvantageous because of its reduced strength compared to other ceramics.
  • a first aspect of the present invention relates to a method for producing a composite ceramic comprising
  • the second layer serves in particular as a cover layer for the first layer and the complete and tight covering by means of this cover layer designed as a second layer ensures, for example, that the dielectric strength of the composite ceramic is as high as possible if the second ceramic material is used for a corresponding increase the dielectric strength in the composite ceramic should be provided.
  • a direct, ie direct, connection of the first layer to the second layer, in particular without a solder layer is realized.
  • the ceramic materials, ie the first ceramic material and the second ceramic material are present as the first or second layer during the manufacturing process and, through the hot pressing process, the first layer is formed from the first layer and the second layer from the second layer becomes.
  • a gas pressure and / or a mechanical pressure which acts on the first and second layers in the furnace.
  • a hot pressing method to mean the action of a pressure, for example a gas pressure or a mechanical pressure, which acts on the ensemble of the first layer and the second layer while heat is supplied or heating takes place.
  • the mechanical pressure is carried out by a corresponding Pressvor direction in which the first layer and the second layer are arranged.
  • a mechanical pressure acting on the first layer and the second layer is implemented by means of a pressing device, the first layer and the second layer being arranged in the pressing device.
  • the pressing device allows the desired pressure to be transferred to the ensemble of first layer and second layer during pressing.
  • the pressing device preferably has a protruding contour on its inside which comes into contact with the second layer, and the second layer is at least locally displaced by the protruding contour. It is thereby advantageously possible to implement structuring in the cover layer.
  • it is implemented like a composite ceramic in which the second layer has a modulated thickness or does not cover the first layer in sections.
  • a height profile is specifically implemented on the outside of the composite ceramic. In particular, this creates areas in which, when the metal is globally bound to the composite ceramic, there is no or only a weak local connection. In these areas, the metal is occasionally removed during subsequent structuring, especially during second etching.
  • the first layer is formed in the form of a plate, d. H. forms a solid body which extends along a main extension plane, while the second layer is preferably formed from a powdery or granular or fitted second ceramic material.
  • the hot pressing process preferably understands the hot pressing process to be such a process in which compression is achieved with the simultaneous application of pressure and temperature.
  • a connection to the first layer in particular is realized by means of the hot pressing process.
  • the composite ceramic is realized by the hot pressing process.
  • the prior art knows z. B. uniaxial pressing or isostatic pressing.
  • the composite ceramic is preferably implemented by means of hot isostatic pressing (HIP), known as “hipping”.
  • HIP hot isostatic pressing
  • an arrangement of the first layer and the second layer is enclosed in a deformable container.
  • this deformable container is formed from a latex material and then this is a closed arrangement subjected to a corresponding pressure and a certain temperature. After a certain residence time in the furnace, the composite ceramic is then removed again from the furnace.
  • the second layer is formed both on the upper side and also on the lower side, ie a sandwich structure is formed for the composite ceramics.
  • the first layer is completely encased by the second layer when it is arranged in the oven.
  • the first layer is embedded in the second layer.
  • the second layer preferably has free-flowing granules or powder made from the second ceramic material.
  • the first ceramic material, silicon carbide SiC and / or the second ceramic material is silicon nitrite S13N4.
  • the second layer is applied by means of spin coating.
  • the spin coating process is preferably carried out in a preparatory step before the hot pressing process.
  • rotary coating processes are a process in which a paste made of the second ceramic material is placed on the first layer and centrifugal forces are generated by rotation around an axis of rotation that runs perpendicular to the main plane of extension HSE of the first layer cause the paste to be evenly distributed on top of the first layer.
  • rotation speeds of 1,000 to 4,000 revolutions per minute are used here and the turning or Rotation takes place for approx. 10 to 30 seconds.
  • This rotary coating process is particularly preferably combined with Y2O3, which was added to the paste made from the second ceramic material.
  • the first layer in the manufactured composite ceramic has a first thickness, the ratio of the second thickness to the first thickness being between 0.05 and 0.2, preferably between 0.05 and 0.15 and particularly preferred takes between 0.075 and 0.13.
  • the second layer is used to form a cover layer which encases or surrounds the first layer.
  • the first layer forms a kind of core layer of the composite ceramic and essentially contributes to the properties of the composite ceramic. In particular because of the increased thermal conductivity of silicon carbide, for example, it is advantageous to form a thick first layer in order to be able to transport away as much heat as possible.
  • the hot pressing process is carried out at a temperature between 1,500 and 2,000 ° C., preferably between 1,700 and 2,000 ° C. is particularly preferably carried out between 1,850 and 1,950 ° C. In particular, it is provided that the hot pressing process is carried out at a temperature of 1,900 ° C.
  • the hot pressing process is preferably carried out for more than 4 hours, preferably for more than 6 hours and particularly preferably for more than 8 hours. In particular for dwell times of more than 6 hours, in particular 8 hours, a significant increase in the dielectric strength can be determined compared to composite ceramics that have not been exposed to the hot pressing process for so long.
  • the hot pressing process is carried out in a gas atmosphere, in particular in a nitrogen atmosphere.
  • the hot pressing takes place with the exclusion of oxygen.
  • nitrogen the use of argon is also conceivable.
  • a structured metallization is implemented on the composite ceramic.
  • This allows the composite ceramic in particular to be used as a circuit board.
  • the properties of high dielectric strength and high thermal conductivity have proven to be particularly advantageous for a printed circuit board.
  • the metallization is produced by means of a direct metal connection process and / or an active soldering process. Examples of a direct metal bonding process are a DCB and / or a DAB process.
  • a direct metal connection method such as a “DCB method” (Direct Copper Bond Technology) or DAB method (Direct Aluminum Bond Technology), is understood by the person skilled in the art to be such a method, for example for connecting Metal layers or sheets (e.g. copper sheets or foils) are used with one another and / or with ceramic or ceramic layers, namely using metal or copper sheets or metal or copper foils, which have a layer or a coating (melting layer) on their surface sides.
  • this layer or this coating (melting layer) forms a eutectic with a melting temperature below the melting temperature of the metal (e.g. copper), so that through Laying the film on the ceramic and by heating all layers these can be connected to one another, namely by melting the metal or copper essentially only in the area of the melting layer or oxide layer.
  • an active soldering process e.g. B. for connecting metal layers or Me tallfolien, in particular also of copper layers or copper foils with ceramic material
  • a method is to be understood, which is specifically used for the manufacture of metal-ceramic substrates.
  • a connection between a metal foil, for example a copper foil, and a ceramic substrate, for example aluminum nitride ceramic is produced using a hard solder, which in addition to a main component such as copper, silver and / or gold, also contains an active metal.
  • This active metal which is, for example, at least one element from the group Hf, Ti, Zr, Nb, Ce, establishes a connection between them through a chemical reaction the solder and the ceramic, while the connection between the solder and the metal is a metallic braze joint.
  • Another aspect of the present invention is a composite ceramic manufactured using the method according to the invention. All of the features and advantages described can be applied to composite ceramics and vice versa.
  • Fig. 2 a circuit board with a composite ceramic according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • the composite ceramic 10 is a carrier substrate or an insulation layer which represents an essential component of a printed circuit board.
  • the conductor tracks or metal pads for connection. that of electronic components.
  • a composite ceramic 10 or hybrid ceramic is to be understood here in particular as a carrier substrate which, in the manufactured state, has at least a first layer 11 made of the first ceramic material and a second layer 12 made of the second ceramic material.
  • the first layer 11 is directly connected to the second layer 12 and the composite ceramic 10 extends in a main plane of extent HSE.
  • the first layer 11 and the second layer 12 are then arranged one above the other along a stacking direction S running perpendicular to the main extension plane HSE.
  • a first layer 11 and a second layer 12 is provided.
  • the first layer 1 1 is preferably surrounded or sheathed by two second layers 12.
  • the first layer 11 is arranged between two second layers 12 with the formation of a sandwich structure (not shown).
  • the first layer 11 is arranged between a second layer 12 and a third layer (not shown) that is different from the second layer 12. It is particularly preferably provided that the first ceramic material differs from the second ceramic material. This makes it possible in an advantageous manner to combine positive specifications or properties of the first ceramic material and the second ceramic material in the composite ceramic 10.
  • the first ceramic material is silicon carbide SiC and the second ceramic material is silicon nitride S13N4.
  • the first ceramic material z. B. has a comparatively low dielectric strength and a comparatively high thermal conductivity as silicon carbide, it is advantageous By realizing the second layer 12 with the second ceramic material Si silicon nitride S13N4, it is possible to realize a significantly higher dielectric strength for the composite ceramic 10 than would be the case for a pure carrier layer or insulation layer made of silicon carbide.
  • a composite ceramic 10 can be produced which has high dielectric strength and high thermal conductivity.
  • the second layer 12 has a second thickness D2 and the first layer 11 has a first thickness D1, the ratio of the first thickness D1 to the second thickness D2 being between 0.5 and 0.2, preferably between 0.05 and 0.15 and particularly preferably between 0.075 and 0.13.
  • the second layer 12 forms a top coating for the first layer 11 designed as a core layer.
  • a direct metal connection method e.g. B.
  • a DCB or DAB process and / o a metallization 3 is realized on the top OS and / o the bottom US by an active soldering process, which can then be structured by an appropriate etching process so that a circuit board is obtained, on which electronic components or electronic components can be mounted.
  • FIG. 2 shows a method for producing a composite ceramic 10, for example a composite ceramic 10 from FIG. 1.
  • a first layer 31 made of a first ceramic material is provided.
  • the first layer 31 is preferably in the form of a plate or is designed as a solid body which extends along the main plane of extent HSE.
  • the first layer 31 of the first ceramic material is then net angeord in an oven 20.
  • the first layer 31 is arranged in the furnace 20 in such a way that it is at least partially, preferably completely, surrounded by a powdery, paste-like and / or granular second layer 32 made of a second ceramic material.
  • the first layer 31 is in a second layer 32 made of a powder or granules made of the second ceramic material embedded.
  • a composite ceramic 10 is produced by a hot pressing method, preferably a hot isostatic pressing, which has the first layer 11 made of the first ceramic material and the second layer 12 made of the second ceramic material in the manufactured state.
  • a hot isostatic pressing it is then preferably provided that the arrangement of the first layer 31 and second layer 32 is subjected to a pressure of 2.5 to 3.5 MPa at a temperature of about 1900 ° C. for about 8 hours.
  • the hot isostatic pressing takes place in a gas atmosphere 35, which in particular consists of nitrogen.
  • the hot isostatic pressing or the hot pressing process is preferably carried out with the exclusion of oxygen.
  • a second thickness D2 is realized for the second layer 12, which is between 10 and 150 ⁇ m, preferably between 30 and 35 ⁇ m and particularly preferably between 35 and 45 ⁇ m. This enables dielectric strengths of 2.6 to 3 kV for the composite ceramic 10.
  • a second layer 12 with one of the corresponding second thicknesses is formed both on the upper side OS and on the lower side US of the composite ceramic 10. Both second thicknesses D2 are preferably dimensioned to be the same.
  • FIG. 3 shows a method for producing a composite ceramic 10 according to a second preferred embodiment of the present invention.
  • a further second layer 32 'from a silicon nitride paste in a preparatory step by means of a rotary coating.
  • the silicon nitride paste is applied to the first layer 31 of silicon carbide and the silicon carbide layer is driven to rotate about an axis of rotation R. At around 1,000 to 4,000 revolutions per minute for 10 to 40 seconds, it is ensured that the resulting from the rotation Centrifugal forces the paste is evenly distributed on the top OS of the first layer 31, in particular the first layer 31 made of silicon carbide.
  • the first layer 31, on which the second layer 32 was applied as paste by means of the spin coating process is embedded in the furnace 20 and additionally surrounded by the second layer 32 made of the second ceramic material, in particular completely encased or in the powder or Granules embedded.
  • the hot pressing process is then carried out as described above.
  • FIG. 4 various examples of composite ceramics are shown, which were produced using one of the methods from FIGS. 2 or 3.
  • the parameters for the hot pressing process or the hot pressing process can be found in column B.
  • Essential parameters of the hot pressing process are the temperature used and the length of time in the furnace while the hot pressing process is carried out.
  • the parameters for the spin coating are entered.
  • Essential parameters for the Rotationsbe coating process are the number of revolutions per minute and the duration of the implementation of the rotary coating process.
  • the second thickness D2 i.e. H. the second thickness D2 of the second layer 12 in the manufactured composite ceramic 10 is indicated. This is between 20 and 100 pm.
  • Column C shows the dielectric strength of the composite ceramic 10.
  • the table shows that particularly high dielectric strengths of up to three kV can be achieved if a rotation coating process with 1,000 revolutions per minute is used for at least 10 seconds in a subsequent Hot-pressing process, the arrangement of the first layer 31 and second layer 32 is exposed to a temperature of 1,900 ° C. for about 8 hours. This means that layer thicknesses between 35 and 40 ⁇ m and dielectric strengths between 2 and 3 kV can be achieved.

Abstract

The invention relates to a method for producing a composite ceramic (10), having the steps of: - providing a first layer (31) made of a first ceramic material, - arranging the first layer (32) in a furnace (20), wherein the first layer (31) is at least partly surrounded by a pulverulent or pasty second layer (32) made of a second ceramic material in the furnace (20), and - carrying out a hot pressing method in order to form the composite ceramic (10) which has a first layer (11) made of the first ceramic material and a second layer (12) made of the second ceramic material in the finished state.

Description

Verfahren zur Herstellung einer Verbundkeramik und Verbundkeramik hergestellt mit einem solchen Verfahren Method for producing a composite ceramic and composite ceramic produced using such a method
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Verbundke ramik und eine Verbundkeramik hergestellt mit einem solchen Verfahren. The present invention relates to a method for producing a composite ceramic and a composite ceramic produced using such a method.
Aus Keramik gefertigte Isolationsschichten für Leiterplatten sind aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt. Dabei sind auf der Ober - und/oder Unterseite ty pischerweise Metallisierungen vorgesehen, die als Leiterbahnen oder als An schlussbereiche für elektronische Bauteile dienen. Um an der Ober- und/oder Un terseite entstehenden Wärme effektiv abzuleiten, um so Schädigungen an der Lei terplatte zu vermeiden, ist beispielsweise die Verwendung von AIN bekannt. Trotz der für die Wärmableitung günstigen Materialeigenschaften von AIN erweist sich dessen Verwendung als Keramikwerkstoff oftmals wegen einer gegenüber ande ren Keramiken reduzierten Festigkeit als nachteilhaft. Insulation layers made of ceramics for printed circuit boards are well known from the prior art. In this case, metallizations are typically provided on the upper and / or lower side, which serve as conductor tracks or as connection areas for electronic components. The use of AIN is known, for example, in order to effectively dissipate heat generated on the top and / or bottom side in order to avoid damage to the circuit board. Despite the material properties of AIN which are favorable for heat dissipation, its use as a ceramic material often proves to be disadvantageous because of its reduced strength compared to other ceramics.
Daher ist es aus dem Stand der Technik, z. B. aus der US 0 640 039 A1 , bekannt, die Isolationsschicht mehrlagig auszugestalten, wobei die einzelnen Lagen jeweils aus verschiedenen Keramikwerkstoffen gefertigt sind. Eine solche Verbundkera mik gestattet es, ungewünschte Eigenschaften eines Keramikwerkstoffs, wie bei spielweise eine reduzierte Festigkeit, durch entsprechend ausgeprägte Eigen schaften eines anderen Keramikwerkstoffs, zu kompensieren. Allerdings werden die Verbundkeramiken in der US 0 640 039 A1 durch ein Aktivlötverfahren herge stellt, so dass sich zwischen den einzelnen Lagen eine Lotschicht ausbildet, die wiederum Einfluss nimmt auf die Gesamteigenschaften der Verbundkeramik, ins besondere deren elektrischen Isolationseigenschaften. Grundsätzlich wird eine Höhe der elektrischen Isolationsfähigkeit eines Metall-Keramik Substrats zum ei nen durch die Dicke der Isolationsschicht, die die Schaltkreise gegen ein Bezugs potential isoliert und zum anderen durch eine Breite der Isolationsgräben zwischen den Leiterbahnen bestimmt. Durch ein Einbringen einer durchgängigen, elektrisch leitfähigen Lotschicht unterhalb der Leiterbahnen wird aber eine Isolationsfestig keit der Schaltung im Vergleich zu einer keramikhaltigen Isolationsschicht ohne Lotschicht herabgesetzt. Dies trifft im besonderen Maße auf vergleichsweise dünne Deckschichten in der Verbundkeramik zu. Therefore it is known from the prior art, e.g. B. from US 0 640 039 A1, known to design the insulation layer in several layers, the individual layers are each made of different ceramic materials. Such a composite ceramic makes it possible to compensate for undesired properties of a ceramic material, such as, for example, a reduced strength, through correspondingly pronounced properties of another ceramic material. However, the composite ceramics in US Pat. No. 0 640 039 A1 are manufactured using an active soldering process, so that a solder layer is formed between the individual layers, which in turn influences the overall properties of the composite ceramic, in particular its electrical insulation properties. Basically, a Height of the electrical insulation capacity of a metal-ceramic substrate on the one hand by the thickness of the insulation layer, which isolates the circuits from a reference potential and on the other hand by a width of the insulation trenches between the conductor tracks. By introducing a continuous, electrically conductive solder layer below the conductor tracks, however, the insulation strength of the circuit is reduced in comparison to an insulation layer containing ceramic without a solder layer. This applies in particular to comparatively thin cover layers in the composite ceramic.
Ausgehend von diesem Hintergrund macht es sich die vorliegende Erfindung zur Aufgabe, eine Verbundkeramik und ein Verfahren zu dessen Herstellung bereitzu stellen, bei der sich die Eigenschaften möglichst optimal für die Nutzung als Leiter platte einstellen lassen, insbesondere in Hinblick auf deren elektrischen Isolations eigenschaften. Based on this background, it is the object of the present invention to provide a composite ceramic and a method for its production in which the properties can be set as optimally as possible for use as a printed circuit board, in particular with regard to their electrical insulation properties.
Die Aufgabe wird gelöst durch Verfahren nach Anspruch 1 und eine Verbundkera mik nach Anspruch 10. Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den in der nachfolgenden Beschreibung erläuterten, bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Gegenstands mit Bezug auf die beigefügten Figuren. Ein zelne Merkmale der einzelnen Ausführungsformen können dabei im Rahmen der Erfindung miteinander kombiniert werden The object is achieved by a method according to claim 1 and a composite ceramic according to claim 10. Further advantages and features emerge from the preferred embodiments of the subject matter according to the invention explained in the following description with reference to the accompanying figures. Individual features of the individual embodiments can be combined with one another within the scope of the invention
Ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Verbundkeramik, umfassend A first aspect of the present invention relates to a method for producing a composite ceramic comprising
- Bereitstellen einer ersten Schicht aus einem ersten Keramikwerkstoff, - Providing a first layer made of a first ceramic material,
- Anordnen der ersten Schicht in einem Ofen, wobei die erste Schicht im Ofen zu mindest teilweise von einer zweiten pulverförmigen, granulatförmigen oder pasten förmigen Schicht aus einem zweiten Keramikwerkstoff umgeben ist und - Arranging the first layer in an oven, the first layer in the oven being at least partially surrounded by a second powdery, granular or pasty layer made of a second ceramic material and
- Durchführen eines Heißpressverfahrens zur Ausbildung der Verbundkeramik, die im gefertigten Zustand eine erste Lage aus dem ersten Keramikwerkstoff und eine zweite Lage aus dem zweiten Keramikwerkstoff aufweist. Gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren, insbesondere den Verfahren, bei denen unter Verwendung eines Aktivlotverfahrens die Ver bundkeramik hergestellt wird, ist es in vorteilhafter Weise durch das erfindungsge mäße Realisieren der Verbundkeramik durch ein Heißpressverfahren möglich, eine möglichst dichte und geschlossene zweite Lage in der Verbundkeramik her zustellen. Dabei dient die zweite Lage insbesondere als Deckschicht für die erste Lage und durch das vollständige und dichte Abdecken mittels dieser als zweiten Lage ausgebildeten Deckschicht lässt sich beispielsweise sicherstellen, dass die Durchschlagfestigkeit der Verbundkeramik möglichst hoch ist, wenn mit dem zwei ten Keramikwerkstoff für eine entsprechende Erhöhung der Durchschlagfestigkeit in der Verbundkeramik gesorgt werden soll. Durch die Herstellung mittels des Heißpressverfahrens wird dabei eine unmittelbare, d. h. direkte, Anbindung der ersten Lage an die zweite Lage insbesondere ohne Lotschicht realisiert. Dabei ist es dem Fachmann klar, dass die Keramikwerkstoffe, d. h. der erste Keramikwerk stoff und der zweite Keramikwerkstoff, während des Herstellungsprozesses als erste bzw. zweite Schicht vorliegen und durch das Heißpressverfahren aus der ersten Schicht die erste Lage und aus der zweiten Schicht die zweite Lage wird. - Carrying out a hot pressing process to form the composite ceramic which, in the manufactured state, has a first layer made of the first ceramic material and a second layer made of the second ceramic material. Compared to the methods known from the prior art, in particular the methods in which the composite ceramics are produced using an active soldering process, it is advantageously possible to create a second layer that is as dense and closed as possible by making the composite ceramic according to the invention using a hot pressing process in the composite ceramics. The second layer serves in particular as a cover layer for the first layer and the complete and tight covering by means of this cover layer designed as a second layer ensures, for example, that the dielectric strength of the composite ceramic is as high as possible if the second ceramic material is used for a corresponding increase the dielectric strength in the composite ceramic should be provided. As a result of the production by means of the hot pressing process, a direct, ie direct, connection of the first layer to the second layer, in particular without a solder layer, is realized. It is clear to the person skilled in the art that the ceramic materials, ie the first ceramic material and the second ceramic material, are present as the first or second layer during the manufacturing process and, through the hot pressing process, the first layer is formed from the first layer and the second layer from the second layer becomes.
Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass beim Heißpressen ein Gasdruck und/oder ein mechanischer Druck bereitgestellt wird, der auf die erste und zweite Schicht im Ofen wirkt. Unter einem Heißpressverfahren versteht der Fachmann hier insbe sondere ein Einwirken eines Drucks, beispielsweise eines Gasdrucks oder eines mechanischen Drucks, der auf das Ensemble aus der ersten Schicht und der zweiten Schicht wirkt, während eine Wärmzufuhr bzw. ein Erwärmen erfolgt. Bei spielsweise erfolgt der mechanische Druck durch eine entsprechende Pressvor richtung, in der die erste Schicht und zweite Schicht angeordnet ist. It is preferably provided that during hot pressing a gas pressure and / or a mechanical pressure is provided which acts on the first and second layers in the furnace. The person skilled in the art understands a hot pressing method to mean the action of a pressure, for example a gas pressure or a mechanical pressure, which acts on the ensemble of the first layer and the second layer while heat is supplied or heating takes place. For example, the mechanical pressure is carried out by a corresponding Pressvor direction in which the first layer and the second layer are arranged.
Insbesondere ist es vorgesehen, dass mittels einer Pressvorrichtung ein auf die erste Schicht und zweite Schicht wirkender mechanischer Druck realisiert wird, wobei die erste Schicht und die zweite Schicht in der Pressvorrichtung angeordnet ist. Durch die Pressvorrichtung lässt sich der gewünschte Druck während des Pressens auf das Ensemble aus erster Schicht und zweite Schicht übertragen. Vorzugsweise weist die Pressvorrichtung an ihrer mit der zweiten Schicht in Kon takt tretenden Innenseite eine vorstehende Kontur auf und die zweite Schicht wird zumindest lokal durch die vorstehende Kontur verdrängt. Dadurch ist es in vorteil hafter Weise möglich eine Strukturierung in der Deckschicht zu realisieren. Mit an deren Worten: es wie eine Verbundkeramik realisiert, bei der die zweite Schicht eine modulierte Dicke aufweist bzw. abschnittsweise die erste Schicht nicht be deckt. Dadurch wird insbesondere gezielt ein Höhenprofil an der Außenseite der Verbundkeramik realisiert. Insbesondere entstehen dadurch Bereiche, an denen bei einem globalen Anbinden des Metalls an die Verbundkeramik keine oder nur eine geschwächte Anbindung lokal erfolgt. In diesen Bereichen ist im späteren Strukturieren, insbesondere beim second etching ein Abtragen des Metalls verein zelt. In particular, it is provided that a mechanical pressure acting on the first layer and the second layer is implemented by means of a pressing device, the first layer and the second layer being arranged in the pressing device. The pressing device allows the desired pressure to be transferred to the ensemble of first layer and second layer during pressing. The pressing device preferably has a protruding contour on its inside which comes into contact with the second layer, and the second layer is at least locally displaced by the protruding contour. It is thereby advantageously possible to implement structuring in the cover layer. In other words: it is implemented like a composite ceramic in which the second layer has a modulated thickness or does not cover the first layer in sections. As a result, a height profile is specifically implemented on the outside of the composite ceramic. In particular, this creates areas in which, when the metal is globally bound to the composite ceramic, there is no or only a weak local connection. In these areas, the metal is occasionally removed during subsequent structuring, especially during second etching.
Insbesondere ist es dabei vorgesehen, dass die erste Schicht plattenförmig aus gebildet ist, d. h. einen Festkörper bildet, der sich entlang einer Haupterstre ckungsebene erstreckt, während die zweite Schicht vorzugsweise aus einem pul verförmigen oder granulatförmigen oder passtenförmigen zweiten Keramikwerk stoff gebildet ist. Vorzugsweise versteht der Fachmann unter dem Heißpressver fahren ein solches Verfahren, bei dem unter gleichzeitigem Aufwenden von Druck und Temperatur eine Verdichtung realisiert wird. Vorliegend wird mittels des Heiß pressverfahrens dabei auch insbesondere eine Anbindung an die erste Schicht re alisiert. Mit anderen Worten: Die Verbundkeramik wird durch das Heißpressverfah ren realisiert. In particular, it is provided that the first layer is formed in the form of a plate, d. H. forms a solid body which extends along a main extension plane, while the second layer is preferably formed from a powdery or granular or fitted second ceramic material. The person skilled in the art preferably understands the hot pressing process to be such a process in which compression is achieved with the simultaneous application of pressure and temperature. In the present case, a connection to the first layer in particular is realized by means of the hot pressing process. In other words: The composite ceramic is realized by the hot pressing process.
Insbesondere kennt der Stand der Technik z. B. ein uniaxiales Pressen oder ein isostatisches Pressen. Vorzugsweise wird die Verbundkeramik mittels eines hei ßisostatischen Pressen (HIP), dem sogenannten„Hippen“, realisiert. Hierzu wird beispielsweise eine Anordnung aus der ersten Schicht und zweiten Schicht in ei nem verformbaren Behälter eingeschlossen. Beispielsweise wird dieser verform bare Behälter aus einem Latexmaterial gebildet und anschließend wird diese ein geschlossene Anordnung einem entsprechenden Druck ausgesetzt sowie einer bestimmten Temperatur. Nach einer gewissen Verweildauer in dem Ofen wird dann die Verbundkeramik aus dem Ofen wieder herausgenommen. Insbesondere ist es vorgesehen, dass die zweite Schicht sowohl an der Oberseite als aus auch an der Unterseite ausgebildet ist, d. h. es wird eine Sandwich-Struktur für die Ver bundkeramik ausgebildet. Hierzu wird insbesondere die erste Schicht vollständig von der zweiten Schicht ummantelt, wenn sie im Ofen angeordnet ist. Mit anderen Worten: Die erste Schicht wird in der zweiten Schicht eingebettet. Dabei weist die zweite Schicht bevorzugt ein rieselfähiges Granulat oder Pulver aus dem zweiten Keramikwerkstoff auf. In particular, the prior art knows z. B. uniaxial pressing or isostatic pressing. The composite ceramic is preferably implemented by means of hot isostatic pressing (HIP), known as “hipping”. For this purpose, for example, an arrangement of the first layer and the second layer is enclosed in a deformable container. For example, this deformable container is formed from a latex material and then this is a closed arrangement subjected to a corresponding pressure and a certain temperature. After a certain residence time in the furnace, the composite ceramic is then removed again from the furnace. In particular, it is provided that the second layer is formed both on the upper side and also on the lower side, ie a sandwich structure is formed for the composite ceramics. For this purpose, in particular the first layer is completely encased by the second layer when it is arranged in the oven. In other words, the first layer is embedded in the second layer. The second layer preferably has free-flowing granules or powder made from the second ceramic material.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist es vorgesehen, dass der erste Ke ramikwerkstoff, Siliziumcarbit SiC und/oder der zweite Keramikwerkstoff Silizium nitrit S13N4 ist. Dadurch ist es in vorteilhafter Weise möglich, unter Beibehaltung der ausgezeichneten thermischen Leitfähigkeit von Siliziumcarbit dessen geringe Durchschlagfestigkeit zu verbessern, indem die zweite Lage aus dem Keramik werkstoff Siliziumnitrit mit einer hohen Durchschlagfestigkeit verwenden wird. Ins besondere hat sich herausgestellt, dass dadurch eine Durchschlagfestigkeit von bis zu 2 bis 3 kV realisiert werden kann, während Siliziumcarbit alleine nur eine Durchschlagfestigkeit von 10 V aufweist. According to a preferred embodiment it is provided that the first ceramic material, silicon carbide SiC and / or the second ceramic material is silicon nitrite S13N4. This makes it possible in an advantageous manner, while maintaining the excellent thermal conductivity of silicon carbide, to improve its low dielectric strength by using the second layer made of the ceramic material silicon nitride with a high dielectric strength. In particular, it has been found that this allows a dielectric strength of up to 2 to 3 kV, while silicon carbide alone only has a dielectric strength of 10 V.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist es vorgesehen, dass die zweite Schicht mittels Rotationsbeschichtung aufgetragen wird. Dadurch lässt sich in vor teilhafter Weise eine gleichmäßige Verteilung der zweiten Schicht auf der ersten Schicht realisieren. Dabei wird das Rotationsbeschichtungsverfahren bevorzugt in einem Vorbereitungsschritt vor dem Heißpressverfahren durchgeführt. Typischer weise handelt es sich bei solchen Rotationsbeschichtungsprozessen um ein Vor gehen, bei dem auf die erste Schicht eine Paste aus dem zweiten Keramikwerk stoff angeordnet wird und durch Rotation um eine Rotationsachse, die senkrecht zur Haupterstreckungsebene HSE der ersten Schicht verläuft, werden Fliehkräfte erzeugt, die dazu führen, dass die Paste auf der Oberseite der ersten Schicht gleichmäßig verteilt wird. Insbesondere werden hier Rotationsgeschwindigkeiten von 1.000 bis 4.000 Umdrehungen pro Minute angewendet und das Drehen bzw. Rotieren erfolgt für ca. 10 bis 30 Sekunden. Besonders bevorzugt wird dieses Ro tationsbeschichtungsverfahren kombiniert mit Y2O3, das der Paste aus dem zwei ten Keramikmaterial beigefügt wurde. According to a preferred embodiment, it is provided that the second layer is applied by means of spin coating. As a result, a uniform distribution of the second layer on the first layer can advantageously be achieved. The spin coating process is preferably carried out in a preparatory step before the hot pressing process. Typically, such rotary coating processes are a process in which a paste made of the second ceramic material is placed on the first layer and centrifugal forces are generated by rotation around an axis of rotation that runs perpendicular to the main plane of extension HSE of the first layer cause the paste to be evenly distributed on top of the first layer. In particular, rotation speeds of 1,000 to 4,000 revolutions per minute are used here and the turning or Rotation takes place for approx. 10 to 30 seconds. This rotary coating process is particularly preferably combined with Y2O3, which was added to the paste made from the second ceramic material.
Insbesondere hat sich herausgestellt, dass für Rotationsbeschichtungsverfahren mit Rotationsgeschwindigkeiten von 800 bis 1.200 Umdrehungen pro Minute ver gleichsweise hohe Durchschlagfestigkeiten realisiert werden können. In particular, it has been found that comparatively high dielectric strengths can be achieved for spin coating processes with rotation speeds of 800 to 1,200 revolutions per minute.
Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass in der gefertigten Verbundkeramik die zweite Lage eine zweite Dicke zwischen 10 und 150 pm, bevorzugt zwischen 30 und 50 pm und besonders bevorzugt zwischen 35 und 45 pm aufweist. Es hat sich dabei herausgestellt, dass insbesondere für zweite Dicken zwischen 35 und 45 pm als Deckschicht, d. h. als zweite Lage, Durchschlagfestigkeiten für die Verbundke ramik realisiert werden konnten, die zwischen 2 und 3 kV liegen. Besonders be vorzugt ist an der Ober- und Unterseite der Verbundkeramik jeweils eine zweite Lage ausgebildet, die im Wesentlichen die gleiche zweite Dicke aufweisen. Es ist alternativ allerdings auch vorstellbar, dass die zweite Lage an der Oberseite eine andere zweite Dicke hat als die Lage an der Unterseite. Provision is preferably made for the second layer in the manufactured composite ceramic to have a second thickness between 10 and 150 μm, preferably between 30 and 50 μm and particularly preferably between 35 and 45 μm. It has been found that especially for second thicknesses between 35 and 45 μm as a cover layer, i.e. H. as a second layer, dielectric strengths between 2 and 3 kV could be achieved for the composite ceramic. Particularly preferably, a second layer is formed on the top and bottom of the composite ceramic, which have essentially the same second thickness. Alternatively, however, it is also conceivable that the second layer on the upper side has a different second thickness than the layer on the lower side.
Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass in der gefertigten Verbundkeramik die erste Lage eine erste Dicke aufweist, wobei ein Verhältnis der zweiten Dicke zur ersten Dicke einen Wert zwischen 0,05 und 0,2, bevorzugt zwischen 0,05 und 0,15 und besonders bevorzugt zwischen 0,075 und 0,13 annimmt. Entsprechend wird mit der zweiten Lage eine Deckschicht ausgebildet, die die erste Lage ummantelt bzw. umgibt. Die erste Lage bildet hingegen eine Art Kernschicht der Verbundke ramik und trägt im Wesentlichen zu den Eigenschaften der Verbundkeramik bei. Insbesondere wegen der erhöhten thermischen Leitfähigkeit von beispielsweise Siliziumcarbit ist es von Vorteil, eine dicke erste Lage auszubilden, um möglichst viel Wärme abtransportieren zu können. It is preferably provided that the first layer in the manufactured composite ceramic has a first thickness, the ratio of the second thickness to the first thickness being between 0.05 and 0.2, preferably between 0.05 and 0.15 and particularly preferred takes between 0.075 and 0.13. Correspondingly, the second layer is used to form a cover layer which encases or surrounds the first layer. The first layer, on the other hand, forms a kind of core layer of the composite ceramic and essentially contributes to the properties of the composite ceramic. In particular because of the increased thermal conductivity of silicon carbide, for example, it is advantageous to form a thick first layer in order to be able to transport away as much heat as possible.
Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass das Heißpressverfahren bei einer Tempe ratur zwischen 1.500 und 2.000 °C, bevorzugt zwischen 1.700 und 2.000 °C und besonders bevorzugt zwischen 1.850 und 1.950 °C durchgeführt wird. Insbeson dere ist es vorgesehen, dass das Heißpressverfahren bei einer Temperatur von 1.900 °C durchgeführt wird. It is preferably provided that the hot pressing process is carried out at a temperature between 1,500 and 2,000 ° C., preferably between 1,700 and 2,000 ° C. is particularly preferably carried out between 1,850 and 1,950 ° C. In particular, it is provided that the hot pressing process is carried out at a temperature of 1,900 ° C.
Vorzugsweise wird das Heißpressverfahren für mehr als 4 Stunden, bevorzugt für mehr als 6 Stunden und besonders bevorzugt für mehr als 8 Stunden durchge führt. Insbesondere für Verweildauern oberhalb von 6 Stunden, insbesondere von 8 Stunden, lässt sich eine deutliche Steigerung der Durchschlagsfestigkeit feststel len gegenüber solchen Verbundkeramiken, die nicht so lange dem Heißpressver fahren ausgesetzt waren. The hot pressing process is preferably carried out for more than 4 hours, preferably for more than 6 hours and particularly preferably for more than 8 hours. In particular for dwell times of more than 6 hours, in particular 8 hours, a significant increase in the dielectric strength can be determined compared to composite ceramics that have not been exposed to the hot pressing process for so long.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass das Heißpressverfahren in einer Gasatmosphäre, insbeson dere in einer Sickstoffatmosphäre durchgeführt wird. Insbesondere erfolgt das Heißpressen unter Ausschluss von Sauerstoff. Alternativ zu Stickstoff ist auch die Verwendung von Argon vorstellbar. In a particularly preferred embodiment of the present invention it is provided that the hot pressing process is carried out in a gas atmosphere, in particular in a nitrogen atmosphere. In particular, the hot pressing takes place with the exclusion of oxygen. As an alternative to nitrogen, the use of argon is also conceivable.
Insbesondere ist es vorgesehen, dass eine strukturierte Metallisierung an der Ver bundkeramik realisiert wird. Dadurch lässt sich insbesondere die Verbundkeramik als Leiterplatte nutzen. Insbesondere die Eigenschaften der hohen Durchschlag festigkeit und der hohen thermischen Leitfähigkeit erweisen sich für eine Leiter platte als besonders vorteilhaft. Dabei wird die Metallisierung mittels eines Direkt metallanbindungsverfahrens und/oder eines Aktivlötverfahrens hergestellt. Bei spiele für ein Direktmetallanbindungsverfahren sind ein DCB- und/oder ein DAB- Verfahren. In particular, it is provided that a structured metallization is implemented on the composite ceramic. This allows the composite ceramic in particular to be used as a circuit board. In particular, the properties of high dielectric strength and high thermal conductivity have proven to be particularly advantageous for a printed circuit board. The metallization is produced by means of a direct metal connection process and / or an active soldering process. Examples of a direct metal bonding process are a DCB and / or a DAB process.
Unter einem Direktmetallanbindungsverfahren, wie einem„DCB-Verfahren” (Di- rect-Copper-Bond-Technology) bzw. DAB-Verfahren” (Direct-Aluminium -Bond- Technology), versteht der Fachmann ein solches Verfahren, das beispielsweise zum Verbinden von Metallschichten oder -blechen (z. B. Kupferblechen oder -fo- lien) miteinander und/oder mit Keramik oder Keramikschichten dient, und zwar un ter Verwendung von Metall- bzw. Kupferblechen oder Metall- bzw. Kupferfolien, die an ihren Oberflächenseiten eine Schicht oder einen Überzug (Aufschmelz schicht) aufweisen. Bei diesem beispielsweise in der US 3 744 120 A oder in der DE23 19 854 C2 beschriebenen Verfahren bildet diese Schicht oder dieser Über zug (Aufschmelzschicht) ein Eutektikum mit einer Schmelztemperatur unter der Schmelztemperatur des Metalls (z. B. Kupfer), so dass durch Auflegen der Folie auf die Keramik und durch Erhitzen sämtlicher Schichten diese miteinander ver bunden werden können, und zwar durch Aufschmelzen des Metalls bzw. Kupfers im Wesentlichen nur im Bereich der Aufschmelzschicht bzw. Oxidschicht. A direct metal connection method, such as a “DCB method” (Direct Copper Bond Technology) or DAB method (Direct Aluminum Bond Technology), is understood by the person skilled in the art to be such a method, for example for connecting Metal layers or sheets (e.g. copper sheets or foils) are used with one another and / or with ceramic or ceramic layers, namely using metal or copper sheets or metal or copper foils, which have a layer or a coating (melting layer) on their surface sides. In this method described, for example, in US Pat. No. 3,744,120 A or in DE23 19 854 C2, this layer or this coating (melting layer) forms a eutectic with a melting temperature below the melting temperature of the metal (e.g. copper), so that through Laying the film on the ceramic and by heating all layers these can be connected to one another, namely by melting the metal or copper essentially only in the area of the melting layer or oxide layer.
Insbesondere weist das DCB-Verfahren dann z. B. folgende Verfahrensschritte auf: In particular, the DCB method then z. B. the following process steps:
- Oxidieren einer Kupferfolie derart, dass sich eine gleichmäßige Kupfer oxidschicht ergibt; - Oxidizing a copper foil in such a way that a uniform copper oxide layer results;
- Auflegen der Kupferfolie auf die Keramikschicht; - placing the copper foil on the ceramic layer;
- Erhitzen des Verbundes auf eine Prozesstemperatur zwischen etwa 1025 bis 1083°C, z. B. auf ca. 1071 °C; - Heating the composite to a process temperature between about 1025 to 1083 ° C, z. B. to about 1071 ° C;
- Abkühlen auf Raumtemperatur. - cooling to room temperature.
Unter einem Aktivlot-Verfahren, z. B. zum Verbinden von Metallschichten oder Me tallfolien, insbesondere auch von Kupferschichten oder Kupferfolien mit Keramik material, ist ein Verfahren zu verstehen, welches speziell auch zum Herstellen von Metall-Keramik-Substraten verwendet wird. Hier wird bei einer Temperatur zwi schen ca. 650-1000°C eine Verbindung zwischen einer Metallfolie, beispielsweise einer Kupferfolie, und einem Keramiksubstrat, beispielsweise Aluminiumnitrid-Ke ramik, 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 Hartlöt-Verbindung ist. Under an active soldering process, e.g. B. for connecting metal layers or Me tallfolien, in particular also of copper layers or copper foils with ceramic material, a method is to be understood, which is specifically used for the manufacture of metal-ceramic substrates. Here, at a temperature between about 650-1000 ° C, a connection between a metal foil, for example a copper foil, and a ceramic substrate, for example aluminum nitride ceramic, is produced using a hard solder, which in addition to a main component such as copper, silver and / or gold, also contains an active metal. This active metal, which is, for example, at least one element from the group Hf, Ti, Zr, Nb, Ce, establishes a connection between them through a chemical reaction the solder and the ceramic, while the connection between the solder and the metal is a metallic braze joint.
Alternativ sind zur Anbindung auch ein DAB - Verfahren bei Aluminiummetallisie rung und/oder ein Dickschichtverfahren vorstellbar. Alternatively, a DAB process for aluminum metallization and / or a thick-film process are also conceivable for the connection.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Verbundkeramik herge stellt mit dem erfindungsgemäßen Verfahren. Alle beschriebenen Merkmale und Vorteile lassen sich auf die Verbundkeramik übertragen und anders herum. Another aspect of the present invention is a composite ceramic manufactured using the method according to the invention. All of the features and advantages described can be applied to composite ceramics and vice versa.
Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Gegenstands mit Bezug auf die beigefügten Figuren. Einzelne Merkmale der einzelnen Ausführungsform können dabei im Rahmen der Erfindung miteinander kombiniert werden. Further advantages and features emerge from the following description of preferred embodiments of the subject matter according to the invention with reference to the attached figures. Individual features of the individual embodiment can be combined with one another within the scope of the invention.
Es zeigt: It shows:
Fig.1 : ein Verfahren zur Herstellung einer Verbundkeramik gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfin dung und 1 shows a method for producing a composite ceramic according to an exemplary embodiment of the present invention and
Fig. 2: eine Leiterplatte mit einer Verbundkeramik gemäß einer bei spielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Fig. 2: a circuit board with a composite ceramic according to an exemplary embodiment of the present invention.
In der Figur 1 ist eine Verbundkeramik 10 gemäß einer beispielhaften Ausfüh rungsform der vorliegenden Erfindung illustriert. Insbesondere handelt es sich bei der Verbundkeramik 10 um ein Trägersubstrat bzw. eine Isolationsschicht, die ei nen wesentlichen Bestandteil einer Leiterplatte repräsentiert. Zur Ausbildung der Leiterplatte sind an einer Oberseite OS und/oder an einer Unterseite US Metalli sierungen 3 bzw. weitere Metallisierungen 3‘, insbesondere durch Ätzen struktu rierte Metallisierungen, vorgesehen, die Leiterbahnen oder Metallpads zum Anbin- den von elektronischen Bauteilen bereitstellen. Durch die Kombination verschiede ner Keramikwerkstoffe ist es mit Vorteil möglich, gezielt gewünschte Eigenschaf ten in der Verbundkeramik 10 zu vereinen, die andernfalls jeweils nur durch einen einzelnen Keramikstoff gegeben wären bzw. es lassen sich ungewünschte Eigen schaften eines ersten Keramikwerkstoffs mit Eigenschaften eines zweiten Kera mikwerkstoffs kompensieren. In FIG. 1, a composite ceramic 10 according to an exemplary embodiment of the present invention is illustrated. In particular, the composite ceramic 10 is a carrier substrate or an insulation layer which represents an essential component of a printed circuit board. To form the circuit board, on an upper side OS and / or on a lower side US metallizations 3 or further metallizations 3 ', in particular metallizations structured by etching, are provided, the conductor tracks or metal pads for connection. that of electronic components. By combining different ceramic materials, it is advantageously possible to combine specifically desired properties in the composite ceramic 10 that would otherwise only be provided by a single ceramic material or undesired properties of a first ceramic material with properties of a second ceramic material compensate.
Unter einer Verbundkeramik 10 bzw. Hybridkeramik ist hier insbesondere ein Trä gersubstrat zu verstehen, welches im gefertigten Zustand mindestens eine erste Lage 1 1 aus dem ersten Keramikwerkstoff und eine zweite Lage 12 aus dem zwei ten Keramikwerkstoff aufweist. Dabei ist die erste Lage 1 1 unmittelbar an die zweite Lage 12 angebunden und die Verbundkeramik 10 erstreckt sich in einer Haupterstreckungsebene HSE. Die erste Lage 1 1 und die zweite Lage 12 sind dann entlang einer senkrecht zur Haupterstreckungsebene HSE verlaufenden Sta pelrichtung S übereinander angeordnet. In dem in Figur 1 dargestellten Ausfüh rungsbeispiel ist eine erste Lage 1 1 und eine zweite Lage 12 vorgesehen. Vor zugsweise wird die erste Lage 1 1 von zwei zweiten Lagen 12 umgeben bzw. um mantelt. Mit anderen Worten: Die erste Lage 1 1 ist zwischen zwei zweiten Lagen 12 unter Ausbildung einer Sandwich-Struktur angeordnet (nicht gezeigt). Es ist auch möglich, dass die erste Lage 1 1 zwischen einer zweiten Lage 12 und einer von der zweiten Lage 12 unterschiedlichen dritten Lage (nicht dargestellt) ange ordnet ist. Besonders bevorzugt ist es vorgesehen, dass sich der erste Keramik werkstoff vom zweiten Keramikwerkstoff unterscheidet. Dadurch ist es in vorteil hafter Weise möglich, positive Spezifikation bzw. Eigenschaften des ersten Kera- mikwerkstoffes und des zweiten Keramikwerkstoffes in der Verbundkeramik 10 zu kombinieren. A composite ceramic 10 or hybrid ceramic is to be understood here in particular as a carrier substrate which, in the manufactured state, has at least a first layer 11 made of the first ceramic material and a second layer 12 made of the second ceramic material. The first layer 11 is directly connected to the second layer 12 and the composite ceramic 10 extends in a main plane of extent HSE. The first layer 11 and the second layer 12 are then arranged one above the other along a stacking direction S running perpendicular to the main extension plane HSE. In the exemplary embodiment shown in Figure 1, a first layer 11 and a second layer 12 is provided. The first layer 1 1 is preferably surrounded or sheathed by two second layers 12. In other words: the first layer 11 is arranged between two second layers 12 with the formation of a sandwich structure (not shown). It is also possible that the first layer 11 is arranged between a second layer 12 and a third layer (not shown) that is different from the second layer 12. It is particularly preferably provided that the first ceramic material differs from the second ceramic material. This makes it possible in an advantageous manner to combine positive specifications or properties of the first ceramic material and the second ceramic material in the composite ceramic 10.
Insbesondere ist der erste Keramikwerkstoff Siliziumcarbit SiC und der zweite Ke ramikwerkstoff Siliziumnitrit S13N4. Während der erste Keramikwerkstoff z. B. als Siliziumcarbit eine vergleichsweise geringe Durchschlagfestigkeit und eine ver gleichsweise hohe thermische Leitfähigkeit aufweist, ist es in vorteilhafter Weise durch die Realisierung der zweiten Lage 12 mit dem zweiten Keramikwerkstoff Si liziumnitrit S13N4 möglich, eine deutlich höhere Durchschlagfestigkeit für die Ver bundkeramik 10 zu realisieren, als es für eine reine Trägerschicht bzw. Isolations schicht aus Siliziumcarbit der Fall wäre. Mit anderen Worden: Durch das Einkap seln bzw. Ummanteln der ersten Lage 11 aus Siliziumcarbit SiC mit der zweiten Lage 12 aus Siliziumnitrit S13N4 lässt sich eine Verbundkeramik 10 hersteilen, die eine hohe Durchschlagfestigkeit und eine hohe thermische Leitfähigkeit besitzt. In particular, the first ceramic material is silicon carbide SiC and the second ceramic material is silicon nitride S13N4. While the first ceramic material z. B. has a comparatively low dielectric strength and a comparatively high thermal conductivity as silicon carbide, it is advantageous By realizing the second layer 12 with the second ceramic material Si silicon nitride S13N4, it is possible to realize a significantly higher dielectric strength for the composite ceramic 10 than would be the case for a pure carrier layer or insulation layer made of silicon carbide. In other words: By encapsulating or sheathing the first layer 11 made of silicon carbide SiC with the second layer 12 made of silicon nitride S13N4, a composite ceramic 10 can be produced which has high dielectric strength and high thermal conductivity.
Dabei ist es insbesondere vorgesehen, dass die zweite Lage 12 eine zweite Dicke D2 aufweist und die erste Lage 11 eine erste Dicke D1 , wobei ein Verhältnis der ersten Dicke D1 zur zweiten Dicke D2 einen Wert zwischen 0,5 und 0,2, bevorzugt zwischen 0,05 und 0,15 und besonders bevorzugt zwischen 0,075 und 0,13 an nimmt. Mit anderen Worten: die zweite Lage 12 bildet eine Deckbeschichtung für die als Kernschicht ausgebildete erste Lage 11. Insbesondere ist es vorgesehen, dass an die Oberseite OS und Unterseite US der Verbundkeramik 10 mittels eines Direktmetallanbindungsverfahrens, z. B. eines DCB- oder DAB-Prozesses, und/o der durch ein Aktivlötverfahren eine Metallisierung 3 an der Oberseite OS und/o der Unterseite US realisiert wird, die anschließend durch ein entsprechendes Ätz verfahren strukturiert werden kann, sodass man eine Leiterplatte erhält, auf der Elektronikbauteile oder elektronische Bauteile montierbar sind. It is provided in particular that the second layer 12 has a second thickness D2 and the first layer 11 has a first thickness D1, the ratio of the first thickness D1 to the second thickness D2 being between 0.5 and 0.2, preferably between 0.05 and 0.15 and particularly preferably between 0.075 and 0.13. In other words: the second layer 12 forms a top coating for the first layer 11 designed as a core layer. In particular, it is provided that on the upper side OS and lower side US of the composite ceramic 10 by means of a direct metal connection method, e.g. B. a DCB or DAB process, and / o a metallization 3 is realized on the top OS and / o the bottom US by an active soldering process, which can then be structured by an appropriate etching process so that a circuit board is obtained, on which electronic components or electronic components can be mounted.
In Figur 2 ist ein Verfahren zur Herstellung einer Verbundkeramik 10, beispiels weise einer Verbundkeramik 10 aus Figur 1 , dargestellt. Dabei ist es vorgesehen, dass eine erste Schicht 31 aus einem ersten Keramikwerkstoff bereitgestellt wird. Dabei ist die erste Schicht 31 bevorzugt plattenförmig bzw. als Festkörper, der sich entlang der Haupterstreckungsebene HSE erstreckt, ausgebildet. Die erste Schicht 31 aus dem ersten Keramikwerkstoff wird dann in einem Ofen 20 angeord net. Insbesondere wird die erste Schicht 31 im Ofen 20 derart angeordnet, dass sie von einer pulverförmigen, pastenförmigen und/oder granulatförmigen zweiten Schicht 32 aus einem zweiten Keramikwerkstoff zumindest teilweise, bevorzugt vollständig, umgeben ist. Mit anderen Worten: die erste Schicht 31 wird in einer zweiten Schicht 32 aus einem Pulver oder Granulat aus dem zweiten Keramik werkstoff eingebettet. FIG. 2 shows a method for producing a composite ceramic 10, for example a composite ceramic 10 from FIG. 1. It is provided that a first layer 31 made of a first ceramic material is provided. The first layer 31 is preferably in the form of a plate or is designed as a solid body which extends along the main plane of extent HSE. The first layer 31 of the first ceramic material is then net angeord in an oven 20. In particular, the first layer 31 is arranged in the furnace 20 in such a way that it is at least partially, preferably completely, surrounded by a powdery, paste-like and / or granular second layer 32 made of a second ceramic material. In other words: the first layer 31 is in a second layer 32 made of a powder or granules made of the second ceramic material embedded.
Anschließend wird durch ein Heißpressverfahren, bevorzugt einem heißisostati schen Pressen, eine Verbundkeramik 10 hergestellt, die im gefertigten Zustand die erste Lage 11 aus dem ersten Keramikwerkstoff und die zweite Lage 12 aus dem zweiten Keramikwerkstoff aufweist. Beim heißisostatischen Pressen ist es- dann bevorzugt vorgesehen, dass bei einer Temperatur von etwa 1.900 °C für etwa 8 Stunden die Anordnung aus der ersten Schicht 31 und zweiten Schicht 32 einem Druck von 2,5 bis 3,5 MPa ausgesetzt ist. Insbesondere erfolgt das hei ßisostatische Pressen in einer Gasatmosphäre 35, die insbesondere aus Stickstoff besteht. Vorzugsweise erfolgt das heißisostatische Pressen bzw. das Heißpress verfahren unter Ausschluss von Sauerstoff. Subsequently, a composite ceramic 10 is produced by a hot pressing method, preferably a hot isostatic pressing, which has the first layer 11 made of the first ceramic material and the second layer 12 made of the second ceramic material in the manufactured state. In the case of hot isostatic pressing, it is then preferably provided that the arrangement of the first layer 31 and second layer 32 is subjected to a pressure of 2.5 to 3.5 MPa at a temperature of about 1900 ° C. for about 8 hours. In particular, the hot isostatic pressing takes place in a gas atmosphere 35, which in particular consists of nitrogen. The hot isostatic pressing or the hot pressing process is preferably carried out with the exclusion of oxygen.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn mit den angegebenen Parametern eine zweite Dicke D2 für die zweite Lage 12 realisiert wird, die zwischen 10 und 150 pm, bevorzugt zwischen 30 und 35 pm und besonders bevorzugt zwischen 35 und 45 pm liegt. Dadurch lassen sich Durchschlagsfestigkeiten von 2,6 bis 3 kV für die Verbundkeramik 10 realisieren. Insbesondere ist es vorgesehen, dass sowohl an der Oberseite OS als auch an der Unterseite US der Verbundkeramik 10 jeweils eine zweite Lage 12 ausgebildet ist mit einer der entsprechenden zweiten Dicken. Vorzugsweise sind beide zweiten Dicken D2 gleich groß dimensioniert. It has proven to be advantageous if, with the specified parameters, a second thickness D2 is realized for the second layer 12, which is between 10 and 150 μm, preferably between 30 and 35 μm and particularly preferably between 35 and 45 μm. This enables dielectric strengths of 2.6 to 3 kV for the composite ceramic 10. In particular, it is provided that a second layer 12 with one of the corresponding second thicknesses is formed both on the upper side OS and on the lower side US of the composite ceramic 10. Both second thicknesses D2 are preferably dimensioned to be the same.
In Figur 3 ist ein Verfahren zur Herstellung einer Verbundkeramik 10 gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Zu sätzlich zu dem Heißpressverfahren, welches für Figur 2 beschrieben worden ist, ist es hierbei vorgesehen, in einem Vorbereitungsschritt mittels einer Rotationsbe schichtung eine weitere zweite Schicht 32' aus einer Siliziumnitritpaste herzustel len. Dabei wird die Siliziumnitritpaste auf der ersten Schicht 31 aus Siliziumcarbit aufgetragen und die Siliziumcarbitschicht zur Rotation um eine Rotationsachse R angetrieben. Bei etwa 1.000 bis 4.000 Umdrehungen pro Minute für 10 bis 40 Se kunden wird dafür gesorgt, dass aufgrund der durch die Rotation entstehenden Fliehkräfte die Paste gleichmäßig auf der Oberseite OS der ersten Schicht 31 , ins besondere der aus Siliziumcarbit bestehenden ersten Schicht 31 , verteilt wird. An schließend wird die erste Schicht 31 , auf welcher die zweite Schicht 32 als Paste mittels des Rotationsbeschichtungsverfahrens aufgetragen wurde, in den Ofen 20 eingebettet und zusätzlich von der zweiten Schicht 32 aus dem zweiten Keramik werkstoff umgeben, insbesondere vollständig ummantelt bzw. in dem Pulver bzw. Granulat eingebettet. Anschließend wird, wie oben beschrieben, das Heißpress verfahren durchgeführt. FIG. 3 shows a method for producing a composite ceramic 10 according to a second preferred embodiment of the present invention. In addition to the hot pressing process which has been described for FIG. 2, provision is made here to produce a further second layer 32 'from a silicon nitride paste in a preparatory step by means of a rotary coating. The silicon nitride paste is applied to the first layer 31 of silicon carbide and the silicon carbide layer is driven to rotate about an axis of rotation R. At around 1,000 to 4,000 revolutions per minute for 10 to 40 seconds, it is ensured that the resulting from the rotation Centrifugal forces the paste is evenly distributed on the top OS of the first layer 31, in particular the first layer 31 made of silicon carbide. At closing, the first layer 31, on which the second layer 32 was applied as paste by means of the spin coating process, is embedded in the furnace 20 and additionally surrounded by the second layer 32 made of the second ceramic material, in particular completely encased or in the powder or Granules embedded. The hot pressing process is then carried out as described above.
In Figur 4 sind verschiedene Beispiele für Verbundkeramiken dargestellt, die mit einem der Verfahren aus den Figuren 2 bzw. 3 hergestellt wurden. Dabei finden sich in der Spalte B die Parameter für den Heißpressvorgang bzw. das Heißpress verfahren. Wesentliche Parameter des Heißpressverfahrens sind die verwendete Temperatur und die Verweildauer im Ofen, während das Heißpressverfahren durchgeführt wird. In der Spalte A sind, sofern durchgeführt, die Parameter für die Rotationsbeschichtung eingetragen. Wesentliche Parameter für das Rotationsbe schichtungsverfahren sind die Anzahl der Umdrehungen pro Minute und die Dauer des Durchführens des Rotationsbeschichtungsverfahrens. In der Spalte D wird die zweite Dicke D2, d. h. die zweite Dicke D2 der zweiten Lage 12 in der gefertigten Verbundkeramik 10 angegeben. Diese liegt zwischen 20 und 100 pm. In der Spalte C findet sich die Durchschlagfestigkeit der Verbundkeramik 10. Insbeson dere ist der Tabelle zu entnehmen, dass besonders hohe Durchschlagfestigkeiten von bis zu drei kV realisierbar sind, wenn mittels eines Rotationsbeschichtungs verfahrens mit 1.000 Umdrehungen pro Minute für mindestens 10 Sekunden in ei nem anschließenden Heißpressverfahren die Anordnung aus der ersten Schicht 31 und zweiten Schicht 32 für etwa 8 Stunden einer Temperatur von 1.900 °C aus gesetzt wird. Dadurch lassen sich Schichtdicken zwischen 35 und 40 pm realisie ren sowie Durchschlagfestigkeiten zwischen 2 und 3 kV. In FIG. 4, various examples of composite ceramics are shown, which were produced using one of the methods from FIGS. 2 or 3. The parameters for the hot pressing process or the hot pressing process can be found in column B. Essential parameters of the hot pressing process are the temperature used and the length of time in the furnace while the hot pressing process is carried out. In column A, if carried out, the parameters for the spin coating are entered. Essential parameters for the Rotationsbe coating process are the number of revolutions per minute and the duration of the implementation of the rotary coating process. In column D, the second thickness D2, i.e. H. the second thickness D2 of the second layer 12 in the manufactured composite ceramic 10 is indicated. This is between 20 and 100 pm. Column C shows the dielectric strength of the composite ceramic 10. In particular, the table shows that particularly high dielectric strengths of up to three kV can be achieved if a rotation coating process with 1,000 revolutions per minute is used for at least 10 seconds in a subsequent Hot-pressing process, the arrangement of the first layer 31 and second layer 32 is exposed to a temperature of 1,900 ° C. for about 8 hours. This means that layer thicknesses between 35 and 40 μm and dielectric strengths between 2 and 3 kV can be achieved.
Bezuqszeichenliste: Reference list:
3 Metallisierung 3‘ weitere Metallisierung3 metallization 3 'further metallization
10 Verbundkeramik 10 composite ceramics
11 erste Lage 11 first layer
12 zweite Lage 12 second layer
20 Ofen 20 oven
31 erste Schicht 31 first layer
32 zweite Schicht 32 second layer
32 weitere zweite Schicht 32 further second layer
35 Gasatmosphäre 35 gas atmosphere
R Rotationsache R a matter of rotation
D1 erste Dicke D1 first thickness
D2 zweite Dicke D2 second thickness
S Stapelrichtung S stack direction
HSE Haupterstreckungsebene OS Oberseite HSE main extension plane OS upper side
US Unterseite US bottom

Claims

Ansprüche Expectations
1. Verfahren zur Herstellung einer Verbundkeramik (10) und insbesondere zur Herstellung eines Metall-Keramik-Substrats, umfassend 1. A method for producing a composite ceramic (10) and in particular for producing a metal-ceramic substrate, comprising
- Bereitstellen einer ersten Schicht (31 ) aus einem ersten Keramikwerkstoff, - providing a first layer (31) made of a first ceramic material,
- Anordnen der ersten Schicht (32) in einem Ofen (20), wobei die erste Schicht (31 ) im Ofen (20) zumindest teilweise von einer pulverförmigen und/oder granulatförmigen und/oder pastenförmigen, zweiten Schicht (32) aus einem zweiten Keramikwerkstoff umgeben ist und - Arranging the first layer (32) in an oven (20), the first layer (31) in the oven (20) at least partially from a powdery and / or granular and / or paste-like, second layer (32) made of a second ceramic material is surrounded and
- Durchführen eines Heißpressverfahrens zur Ausbildung der Verbundkera mik (10), die im gefertigten Zustand eine erste Lage (11 ) aus dem ersten Ke ramikwerkstoff und eine zweite Lage (12) aus dem zweiten Keramikwerkstoff aufweist. - Carrying out a hot pressing process to form the composite ceramic (10), which in the finished state has a first layer (11) made of the first ceramic material and a second layer (12) made of the second ceramic material.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1 , wobei der erste Keramikwerkstoff SiC ist und/oder der zweite Keramikwerkstoff S13N4 ist. 2. The method according to claim 1, wherein the first ceramic material is SiC and / or the second ceramic material is S13N4.
3. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Schicht (31 ) plattenförmig ausgebildet ist. 3. The method according to any one of the preceding claims, wherein the first layer (31) is plate-shaped.
4. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei beim Heiß pressen ein Gasdruck und/oder ein mechanischer Druck bereitgestellt wird, der auf die erste Schicht (31 ) und zweite Schicht (32) im Ofen (20) wirkt. 4. The method according to any one of the preceding claims, wherein a gas pressure and / or a mechanical pressure is provided during hot pressing, which acts on the first layer (31) and second layer (32) in the furnace (20).
5. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mittels einer Pressvorrichtung ein auf die erste Schicht (31 ) und zweite Schicht (32) wir kender mechanischer Druck realisiert wird, wobei die erste Schicht (31 ) und die zweite Schicht (32) zwischen in der Pressvorrichtung angeordnet ist. 5. The method according to any one of the preceding claims, wherein a pressing device on the first layer (31) and second layer (32) we kender mechanical pressure is realized, wherein the first layer (31) and the second layer (32) between in the pressing device is arranged.
6. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Press vorrichtung an ihrer mit der zweiten Schicht (32) in Kontakt tretenden Innen seite eine vorstehende Kontur aufweist und die zweite Schicht (32) zumin dest lokal durch die vorstehende Kontur verdrängt wird. . 6. The method according to any one of the preceding claims, wherein the pressing device has a protruding contour on its inner side coming into contact with the second layer (32) and the second layer (32) is at least locally displaced by the protruding contour. .
7. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite Schicht (32) mittels Rotationsbeschichtung aufgetragen wird. 7. The method according to any one of the preceding claims, wherein the second layer (32) is applied by means of spin coating.
8. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in der gefer tigten Verbundkeramik (10) die zweite Lage (12) eine zweite Dicke (D2) zwi schen 10 pm und 150 pm, bevorzugt zwischen 30 und 50 pm und besonders bevorzugt zwischen 35 pm und 45 pm aufweist. 8. The method according to any one of the preceding claims, wherein in the manufactured composite ceramic (10), the second layer (12) has a second thickness (D2) between 10 pm and 150 pm, preferably between 30 and 50 pm and particularly preferably between 35 pm and 45 pm.
9. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in der gefer tigten Verbundkeramik (10) die erste Lage (11 ) einer erste Dicke (D1 ) auf weist, wobei ein Verhältnis der zweiten Dicke (D2) zur ersten Dicke (D1 ) ei nen Wert zwischen 0,05 und 0,2, bevorzugt zwischen 0,05 und 0,15 und be sonders bevorzugt zwischen 0,075 und 0,13 annimmt. 9. The method according to any one of the preceding claims, wherein in the manufactured composite ceramic (10), the first layer (11) has a first thickness (D1), a ratio of the second thickness (D2) to the first thickness (D1) egg NEN Assumes a value between 0.05 and 0.2, preferably between 0.05 and 0.15 and particularly preferably between 0.075 and 0.13.
10. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Heiß pressverfahren bei einer Temperatur zwischen 1500 und 2000 °C, bevorzugt zwischen 1700 °C und 2000°C und besonders bevorzugt zwischen 1850 °C und 1950 °C durchgeführt wird. 10. The method according to any one of the preceding claims, wherein the hot pressing process at a temperature between 1500 and 2000 ° C, preferably between 1700 ° C and 2000 ° C and particularly preferably between 1850 ° C and 1950 ° C is carried out.
11. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Heiß pressverfahren für mehr als 4 Stunden, bevorzugt für mehr als 6 Stunden und besonders bevorzugt für mehr als 8 Stunden durchgeführt wird. 11. The method according to any one of the preceding claims, wherein the hot pressing process is carried out for more than 4 hours, preferably for more than 6 hours and particularly preferably for more than 8 hours.
12. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Heiß pressverfahren in einer Gasatmosphäre (35), insbesondere einer Stickstoffat mosphäre, durchgeführt wird. 12. The method according to any one of the preceding claims, wherein the hot pressing process in a gas atmosphere (35), in particular a nitrogen atmosphere, is carried out.
13. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine struktu rierte Metallisierung (3, 3‘) an der Verbundkeramik (10) realisiert wird. 13. The method according to any one of the preceding claims, wherein a structured metallization (3, 3 ‘) is realized on the composite ceramic (10).
14. Verbundkeramik (10) hergestellt mit einem Verfahren gemäß einem der vor- hergehenden Ansprüche. 14. Composite ceramic (10) produced with a method according to one of the preceding claims.
15. Metall-Keramik-Substrat mit einer Verbundkeramik gemäß Anspruch 14. 15. Metal-ceramic substrate with a composite ceramic according to claim 14.
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