EP4168375A1 - Verfahren zur herstellung eines metall-keramik-substrats und metall-keramik-substrat hergestellt mit einem solchen verfahren - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines metall-keramik-substrats und metall-keramik-substrat hergestellt mit einem solchen verfahren

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EP4168375A1
EP4168375A1 EP21754709.0A EP21754709A EP4168375A1 EP 4168375 A1 EP4168375 A1 EP 4168375A1 EP 21754709 A EP21754709 A EP 21754709A EP 4168375 A1 EP4168375 A1 EP 4168375A1
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EP
European Patent Office
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metal layer
metal
ceramic element
ceramic
sections
Prior art date
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Pending
Application number
EP21754709.0A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Vitalij GIL
Marco Englhard
Markus RÜPPEL
Fabian Wagle
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Rogers Germany GmbH
Original Assignee
Rogers Germany GmbH
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Filing date
Publication date
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    • C04B2237/50—Processing aspects relating to ceramic laminates or to the joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/70—Forming laminates or joined articles comprising layers of a specific, unusual thickness
    • C04B2237/706—Forming laminates or joined articles comprising layers of a specific, unusual thickness of one or more of the metallic layers or articles

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing a metal-ceramic substrate and a metal-ceramic substrate produced using such a method.
  • Carrier substrates for electrical components are well known, for example as printed circuit boards or circuit boards from the prior art, for example from DE 102013 104739 A1, DE 19927046 B4 and DE 102009033029 A1.
  • connection surfaces for electrical components and conductor tracks are arranged on one component side of the metal-ceramic substrate, with the electrical components and conductor tracks being able to be interconnected to form electrical circuits.
  • Essential components of the metal-ceramic substrates are an insulation layer, which is preferably made of a ceramic material, and a metal layer or component metallization connected to the insulation layer. Because of their comparatively high insulation strength, ceramic insulation layers have proven to be particularly advantageous in power electronics. By structuring the metal layer, conductor tracks and/or connection areas for the electrical components can then be implemented.
  • thermomechanical stresses can be induced or caused, which can lead to bending or even damage to the carrier substrate.
  • a method of manufacturing a metal-ceramic substrate comprising:
  • a mechanical tool and/or a laser to define the geometry of the side surfaces at least in sections.
  • a corresponding course of the side faces is realized in order, for example, to improve the thermal shock resistance of the connection of the at least one metal layer to the ceramic element.
  • This proves to be particularly advantageous in cases in which structuring or the formation of the side faces does not take place as part of a conventional etching process in which a curved or sloping etched edge profile is automatically generated at the border area between the at least one metal layer and the ceramic element , which has an advantageous effect on the thermal shock resistance of the bond between the at least one metal layer and the ceramic layer.
  • the metal-ceramic substrates produced are circuit boards in which the ceramic element is used as insulation between two metal sections and serves as the at least one metal layer.
  • the individual sections of the at least one metal layer form conductor tracks and/or connections to which electrical or electronic components that are carried by the ceramic elements or by the printed circuit board can be connected.
  • the formation of the side surfaces, in particular as part of a structuring separates the individual metal sections of the at least one metal layer from one another, so that so-called insulation trenches are realized between the individual metal sections, as a result of which the individual metal sections are electrically insulated from one another.
  • the profile of the side surface is fixed or determined by a combination of an etching process and processing with a mechanical tool and/or laser.
  • a rear side metallization is provided on the opposite side of the at least one metal layer of the ceramic element.
  • the rear-side metallization is preferably provided to counteract sagging of the metal-ceramic substrate, which would otherwise be expected due to the different thermal expansion coefficients.
  • the rear side metallization has a correspondingly large thickness to form a sufficient heat capacity.
  • the increased thickness of at least one metal layer proves to be particularly advantageous for increasing the heat capacity, since this can already cause effective heat spreading on the component side.
  • a thicker at least one metal layer and/or rear-side metallization also proves to be advantageous because it increases the thermal capacity, as a result of which better cooling is possible and at the same time the mechanical stability is increased. This allows for example an omission of a base plate.
  • the at least one metal layer is preferably processed before and/or after the connection with the ceramic element by means of a mechanical tool, preferably with different tools, as a result of which a large number of different geometric shapes can be realized.
  • processing is carried out by means of the mechanical tool and/or by means of the laser light before the at least one metal layer is connected to the ceramic element and after the connection, the metal layer on the opposite side is cut with the same or another mechanical tool, with laser light and/or or treated with an etchant to remove metal locally.
  • the structuring preferably takes place in this way.
  • the processing of the metal layer on the opposite sides preferably takes place congruently along the stacking direction perpendicular to the main plane of extension.
  • Materials for the at least one metal layer or the rear-side metallization in the metal-ceramic substrate are copper, aluminum, molybdenum and/or their alloys, and laminates such as CuW, CuMo, CuAl, AlCu and/or CuCu conceivable, in particular a copper sandwich structure with a first copper layer and a second copper layer, wherein a grain size in the first copper layer differs from the grain size in a second copper layer.
  • the primary metal layer in particular as a component metallization, is surface-modified.
  • sealing with a precious metal, in particular silver and/or gold, or ENIG (“electroless nickel immersion gold”), nickel or edge casting on the at least one metal layer to suppress crack formation or widening is conceivable as a surface modification.
  • Zr0 2 HPS25
  • SiC SiC
  • BeO MgO
  • high-density MgO > 90% of theoretical density
  • TSZ tetragonal stabilized zirconium oxide
  • ZTA zirconium oxide
  • the ceramic element it is also conceivable for the ceramic element to be designed as a composite or hybrid ceramic, in which several ceramic layers, which differ in terms of their material composition, are arranged one on top of the other and joined together to form an insulating layer to combine various desired properties.
  • a metallic intermediate layer is arranged between two ceramic layers, which is preferably thicker than 1.5 mm and/or thicker than the two ceramic layers in total.
  • a ceramic that is as thermally conductive as possible is preferably used for the lowest possible thermal resistance.
  • DCB method Direct Copper Bond Technology
  • DAB method Direct Aluminum Bond Technology
  • an active soldering process e.g. B. for connecting metal layers or metal foils, in particular copper layers or copper foils with ceramic material
  • a method is to be understood, which is also used specifically for the production of metal-ceramic substrates, at a temperature between approx. 600-1000° C a connection between a metal foil, such as copper foil, and a ceramic substrate, such as aluminum nitride ceramic, produced un ter using a hard solder, which in addition to a Schokom component such as copper, silver and / or gold also contains an active metal.
  • This active metal which for example contains at least one element from the group Hf, Ti, Zr,
  • connection between the solder and the ceramic by chemical reaction, while the connection between the solder and the metal is a metallic braze joint.
  • connection between the solder and the metal is a metallic braze joint.
  • a thick layer process is also conceivable for connection.
  • Hot isostatic pressing is known, for example, from EP 3080055 B1, the content of which with regard to hot isostatic pressing is hereby explicitly referred to.
  • the at least one metal layer has a thickness running perpendicularly to the main extension plane, which is greater than 1 mm, preferably greater than 1.3 mm and particularly preferably between 1.5 and 3 mm.
  • the use of a mechanical tool or laser light for separating individual sections in at least one metal layer has proven particularly advantageous for such metal-ceramic substrates with such large thicknesses, since this implements comparatively narrow isolation trenches, resulting in a pattern that is as dense as possible can be implemented on cableways and connections. Otherwise, an aspect ratio of less than 1 would be realized by a corresponding etching process, with the aspect ratio defining a ratio of depth to width.
  • the thickness of the at least one metal layer above 1 mm a comparatively large distance between the two metal sections that are electrically insulated from one another in the at least one metal layer would be caused.
  • the recess between two sections of the at least one metal layer has an aspect ratio that is greater than 1, preferably greater than 1.5 and particularly preferably greater than 2.
  • the machining with the mechanical tool and/or the laser light is carried out before the ceramic element is connected to the at least one metal layer.
  • the remaining metalization (preferably in the form of a web) that connects the individual metal sections (in particular on the side or on the surface side of the at least one metal layer that faces away from the ceramic element) can then be removed in order to ensure complete insulation between to ensure two adjacent portions of the at least egg nen metal layer.
  • the mechanical tool is an embossing and/or punching device and/or comprises a milling or saw blade.
  • the light used can be, for example, continuously emitted or pulsed light. It is preferably ultra-short-pulse laser light, with light pulses whose pulse length or pulse durations are shorter than one nanosecond.
  • the geometry of the side surface is preferably determined by guiding the tool. For example, a specific course is let into the side surface or caused in it by a targeted lifting movement together with a lateral movement of the mechanical tool.
  • the movement of a tip of the milling tool can determine the curved course.
  • the geometry of the side face changes along the circumference of the metal layer.
  • a geometry that changes in sections and along the direction of rotation around the outermost edge of the at least one metal layer can be set.
  • the geometry can, for example, with respect to a Change the curvature of a curved course or, for example, the geometry type changes, for example from curved side surfaces to sloping or stepped side surfaces.
  • the processing is carried out in such a way that a web connecting at least two sections of the at least one metal layer is realized.
  • the web is in particular dimensioned in such a way that it allows, for example, simple and dimensionally stable handling or simple transport of the at least one metal layer and thus allows simple arrangement from the ceramic element.
  • the web is not completely removed after the connection of the at least one metal layer to the ceramic element, but rather sections of the web are provided as a connection surface. In other words, the ridge is only partially removed, i. H. an overhanging section of the web is left and thus provided in order to use it, if necessary, to connect to another metal section and/or to an electrical component and/or an external control source.
  • the mechanical tool comprises a milling tool, for example a milling head, and a saw blade and/or a punched or embossed part, the shape of which determines the geometry of the side surface.
  • a milling tool for example a milling head
  • a saw blade and/or a punched or embossed part the shape of which determines the geometry of the side surface.
  • the manufactured side surface at least in sections, inclined and / or bent and / or curved and / or runs in stages.
  • the optimized geometry for the side surface can be set for the respective application, so that the metal-ceramic substrate produced has sufficient thermal shock resistance to guarantee a desired, comparatively long service life for the metal-ceramic substrate.
  • a plurality of different mechanical tools As a result, further subtleties in the geometry can be implemented, in particular in a flexible manner. For example, different milling or embossing tools with different outer contours are used in order to realize different geometries or a specific course on the side surface.
  • the at least one metal layer is preferably divided into a plurality of isolated metal sections and the geometry of the side surface of the isolated metal sections is then defined.
  • the at least one metal layer is first electrically insulated from one another by the embedding of insulation trenches.
  • the side surfaces running, for example, essentially perpendicularly to the main extension plane are then brought into the desired geometric shape by mechanical processing and/or laser light.
  • the side surface and its geometry can be defined at the same time as the metal sections that are insulated from one another are created. This speeds up the process because no separate work steps are required.
  • the processing of the at least one metal layer for at least sectional definition of a geometry of a side surface that does not run parallel to the main plane of extension is carried out largely by means of laser light. “Usually” is to be understood as meaning that more than 50%, preferably more than 75% and particularly preferably more than 85% of the time required to create the side surface is due to processing using laser light.
  • Another object of the present invention is a method for producing a metal-ceramic substrate, comprising:
  • a further object of the present invention is a metal-ceramic substrate produced using the method according to the invention. All the properties and advantages described for the process can be transferred analogously to the metal-ceramic substrate and vice versa.
  • the metal-ceramic Substrate Part of a power module and serves as a carrier for electrical or electronic components.
  • Fig.1 a metal-ceramic substrate according to a first preferred
  • FIG. 3 shows a method for producing a metal-ceramic substrate according to a first, a second and a third embodiment of the present invention
  • FIG. 4 shows a method for producing a metal-ceramic substrate according to a fourth embodiment of the present invention
  • FIG. 5 shows a method for producing a metal-ceramic substrate according to a fifth embodiment of the present invention
  • 6 shows a method for producing a metal-ceramic substrate according to a sixth embodiment of the present inventions
  • 7 shows a method of manufacturing a metal-ceramic substrate according to a seventh embodiment of the present invention
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a metal-ceramic substrate 1 according to a first preferred embodiment of the present invention.
  • a metal-ceramic substrate 1 is preferably a carrier for electrical components. It is provided in particular that the metal-ceramic substrate 1 has a ceramic element 30 and at least one metal layer 10, the ceramic element 30 and the at least one metal layer 10 extending along a main extension plane HSE.
  • the at least one metal layer 10 is bonded to the ceramic element 30, the at least one metal layer 10 and the ceramic element 30 being arranged one above the other in a stacking direction S running perpendicular to the main plane of extension HSE.
  • the at least one metal layer 10 has a plurality of metal sections which, for example, are arranged next to one another, electrically insulated from one another, along a direction running parallel to the main extension plane HSE. Furthermore, it is particularly preferably provided that, seen in the stacking direction S, a rear-side metallization 20 is provided on the ceramic element 30 on the opposite side of the at least one metal layer 10 .
  • the rear side metallization 20 is intended in particular to counteract bending that would otherwise occur during operation, which is caused by thermomechanical stresses, which in turn are the result of different expansion coefficients in the at least one metal layer 10 and the ceramic element 30 .
  • the rear-side metallization 20 should provide sufficient thermal capacity, which is particularly desirable in order to be able to provide a corresponding buffer in overload situations.
  • the increased thickness of the at least one metal layer 10 also proves to be particularly advantageous here for increasing the thermal capacity, since this can already cause effective heat spreading on the component side.
  • a thicker at least one metal layer 10 and/or rear-side metallization 20 also proves to be advantageous because it increases the thermal capacity, as a result of which better cooling is possible and at the same time the mechanical stability is increased. This makes it possible, for example, to eliminate a floor panel.
  • the at least one metal layer 10 has a thickness D1 perpendicular to the main extension plane HSE that is greater than 1 mm , is preferably greater than 1.3 mm or particularly preferably between 1.5 mm and 3 mm. With such a comparatively large thickness of the at least one metal layer 10, it is possible to bring about a comparatively high degree of symmetry between the at least one metal layer 10 and the rear-side metallization 20 and at the same time to ensure sufficient thermal capacity through the rear-side metallization 20.
  • the mechanical tool 40 can be a milling tool and/or a stamping or embossing tool, with which the at least one metal layer 10 is structured. Provision is preferably made for the processing to be carried out using the mechanical tool 40 or the laser light in such a way that the at least one metal layer 10 can still be transported as a component. For this purpose, for example, there is no need to separate individual metal sections from one another by means of the mechanical tool 40 or the laser light, i. H. webs 14 are realized between the metal sections in the at least one metal layer 10, which are sufficiently thick so that they do not bend during transport or handling, for example by means of a robot.
  • connection methods such as a direct connection method, hot isostatic pressing or an active soldering method, are used to connect the at least one metal layer 10 to the ceramic element 30 .
  • web 14 which connects two adjacent metal sections of at least one metal layer 10 to one another, is partially or completely removed, for example by means of mechanical processing, using laser light or a chemical process or etching process.
  • metal sections are provided on the ceramic element 10, which are arranged comparatively close to one another and thus provide comparatively narrow isolation trenches.
  • connection lugs or connection areas can be used, for example, to connect different metal sections of the at least one metal layer 10 to one another and/or to realize a connection between components and/or to realize a connection to an external controller.
  • FIG. 2 shows a metal-ceramic substrate 1 according to a second exemplary embodiment of the present invention.
  • a geometry of a side surface 15 that does not run parallel to the main extension plane HSE is defined by machining using the mechanical tool 40 and/or the laser light. While in the prior art, in particular by etching, a course is produced in the side surface ⁇ 5, which in particular is curved or inclined to the main plane of extension HSE, this is not necessarily the case if a mechanical tool 40 or laser light is used.
  • the inclined or curved side surface 15, in particular at the boundary between the at least one metal layer 10 and the ceramic element 30 for the thermal shock resistance has proven to be advantageous, it is advantageous for comparatively narrow insulation trenches, which cannot be realized by etching alone, to define the geometry of the side surface 15 by means of the mechanical tool 40 or with the laser light.
  • sections of the side surface 15 in the at least one metal layer 10 in the lower third, ie in the third that faces the ceramic element 30, assume a curved or curved shape.
  • FIG. 3 shows metal-ceramic substrates 1 according to a third (left), fourth (middle) and fifth (right) embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 shows the respective metal-ceramic substrates 1 schematically with mechanical tools 40, with which the at least one metal layer 10 is structured in order to realize corresponding recesses or insulating areas between sections of the at least one metal layer 10.
  • the embodiment on the left shows a Milling head, which is essentially conical, whereby an essentially inclined geometry of the side surfaces 15 can be realized.
  • the milling head is narrower than the recess between the adjacent metal sections of the at least one metal layer 10. In the middle of FIG curved course of the side surfaces 15 in the at least one metal layer 10 allows.
  • a saw blade is provided for cutting or structuring between two metal sections of the at least one metal layer 10, i.e. for defining the geometry of the side surfaces 15, the outer contours of which are essentially wedge-shaped or trapezoidal in order to cut corresponding side surfaces 15 on the at least to design a metal layer 10 in such a way that they run obliquely, in particular not forming an angle of 90°, to the flap extension plane FISE.
  • FIG. 4 shows a method for preparing a metal-ceramic substrate 1 according to a fourth preferred embodiment of the present invention. It is provided in particular that the at least one metal layer 10 is structured, for example by means of an embossing tool, and is combined with a further metal layer 10′, into which a structure has been embedded by means of an etching process.
  • the structured at least one metal layer 10 is structured in such a way that its structuring is configured congruently with the structuring in the at least one additional metal layer 10', so that the at least one metal layer 10 and the at least one additional metal layer 10 can be connected
  • Metal layer 10' leads to a pre-composite in which the geometries produced during the individual structuring conditions are combined in the pre-composite.
  • the at least one metal layer 10 is more than 0.5 times, preferably more than 1.0 times and particularly preferably more than 2.0 times as thick as at least one further metal layer 10′.
  • the at least one metal layer 10 comparatively large and (partial) side surfaces 15 that are deep, preferably straight and/or perpendicular to the main plane of extension, while the at least one additional metal layer 10' creates a curved or curved profile of the (partial) side surface 15, in particular on a manufactured State the ceramic element 30 facing portion.
  • the at least one metal layer 10 and/or the at least one further metal layer 10' for the connection in the pre-assembly is heated in such a way that a connection is formed between them, whereby the at least one metal layer 10 and the at least a further metal layer 10' can be connected to form a one-piece, in particular monolithic, body which can be attached to a ceramic element 30 comparatively easily.
  • the at least one metal layer 10 or the pre-composite is processed in such a way that a web 14 connecting the two adjacent metal sections is removed and/or or is structured in such a way that two adjacent metal sections are produced, between which a comparatively narrow isolation trench is arranged. It is conceivable, for example, for the etching process in the at least one additional metal layer 10' to produce the desired curved or bent side surface on the manufactured at least one metal layer 10 or on the preliminary composite.
  • FIG. 5 a method for producing a metal-ceramic substrate 1 according to a fifth embodiment of the present invention is shown schematically.
  • This exemplary embodiment provides for structuring in the at least one metal layer 10 on a side facing the ceramic element 30 in the manufactured state, for example by means of etching, and then for realizing a connection of the at least one metal layer 10 to the ceramic element 30 .
  • the etched structures are preferably placed in the at least one metal layer 10 in such a way that they define the areas of the planned isolation trenches. gen. With subsequent mechanical processing in the areas above half of these etched structures, the isolation trenches are exposed.
  • the course or the geometry of the side surface 15 is defined by a combination of etching and mechanical processing or by means of laser light. In this way, for example, corresponding isolation trenches with overlapping in the area of the ceramic element 30 can be realized. In particular, there is no risk of the ceramic element 30 being damaged by the mechanical tool 40 .
  • FIG. 6 shows a method for producing a metal-ceramic substrate 1 according to a sixth exemplary embodiment of the present invention.
  • the embodiment of FIG. 6 essentially differs from that of FIG. 5 only in that, in addition to a structuring of the side that faces the ceramic element 30 in the manufactured state, there is also structuring on the opposite side, in particular congruent with the structuring on the side facing the ceramic element 30.
  • a structuring of the side that faces the ceramic element 30 in the manufactured state there is also structuring on the opposite side, in particular congruent with the structuring on the side facing the ceramic element 30.
  • the structuring of the at least one metal layer 10 on both sides is also visible from the outside after it has been attached to the ceramic element 30, at which points the structuring in the at least one metal layer 10 is placed, so that it can be used in the subsequent mechanical processing, for example by means of a milling tool or a sawing tool, and/or to remove the metal areas between the structured upper sides or structured recesses on the opposite side of the at least one metal layer 10 by means of laser light, as a result of which the isolation trenches are finally exposed.
  • FIG. 7 shows a method for producing a metal-ceramic substrate 1 according to a seventh exemplary embodiment of the present invention.
  • recesses or recesses 50 are embedded, in particular using a mechanical see tool or laser light, to then connect the at least one metal layer 10 with the side that includes the recess 50 and/or recess to the ceramic element 30.
  • the cutout or recess 50 which faces the ceramic element 30 during the connection process, is exposed coming from the opposite side.
  • a stepped profile of the side faces 15 is preferably realized in that recesses of different widths are realized on the opposite sides of the at least one metal layer 10 .
  • the step height of the side surface 15 of the individual steps is approximately the same size in order to bring about the most efficient possible heat spreading for the components that are arranged in the edge region of the at least one metal layer 10 or the corresponding metallization .
  • the step depth created after the binding is greater than that caused by the preparation step when forming the recess 50 .
  • FIGS. 8a to 8h Various embodiments of metal-ceramic substrates 1, in particular of various isolation trenches, are shown in FIGS. 8a to 8h.
  • the insulation trenches are, in particular, the areas of a metal-ceramic substrate 1 in which two adjacent metal layer sections are separated from one another and are mechanically connected to one another via the ceramic element 30 that has an insulating effect.
  • FIG. 8a shows a stepped profile of the side surface 15, which can be produced, for example, using the method from FIG. Also all Other embodiments of the side surface 15 shown in Figures 8a to 8h can preferably be implemented by combining the formation of a recess 50 and/or recess using a mechanical tool or laser light on the side of the at least one metal layer 10, which after bonding the Ceramic element 30 faces, while the recess 50 and/or recess on the side of the at least one metal layer 10 facing away from the ceramic element 30 is realized, for example by an etching process, laser light and/or a mechanical tool, preferably after bonding.
  • FIG. 8b shows a side face 15 in which an intermediate section 17 running obliquely relative to the main plane of extension HSE is provided between two side face sections 16 running substantially vertically.
  • a side surface section 16 running obliquely to the main extension plane HSE extends from the upper side of the at least one metal layer 10 to a substantially vertical side surface section 16 adjoining the ceramic element 30 .
  • One of the side surface sections 16 can run essentially vertically or perpendicularly to the main plane of extension HSE.
  • FIG. 8d shows an exemplary embodiment which essentially differs from the purely stepped profile, for example from FIG. 8a, in that the at least one metal layer 10 on the side facing ceramic element 30 has a curved profile, in particular in the a flinter cut 18 has.
  • Figure 8d combines a curved profile of the at least one metal layer 10 in the area adjacent to the ceramic element 30 with a stepped profile of the at least one metal layer 10.
  • the curved profile is curved or aligned in such a way that a lateral
  • the extent of the recess 50 (measured parallel to the main extension plane HSE) of the at least one metal layer 10 decreases as the distance from the ceramic element 30 increases.
  • FIG. 8e it is provided that the bent or curved course of the at least one metal layer 10--in contrast to the embodiment from FIG. 8d--extends from the ceramic element 30 to a substantially horizontal side surface section 16.
  • the side surface section 16 running essentially vertically from FIG. 8d is missing here.
  • the side surface 15 In the embodiment of the example in FIG increases again until the side surface 15 merges into the top of the min least one metal layer 10 . Provision is preferably made for the side surface 15 to be formed from at least two, preferably exactly two, three or four, side surface sections 16, with the individual side surface sections 16 differing in their geometric shape or in their general course.
  • the dem Ceramic element 30 is turned away.
  • etching can be used to produce comparatively large curvatures or large radii of curvature, while the use of mechanical tools and/or lasers cuts light from the narrow and preferably rectilinear isolation trenches with side surface sections 16 running essentially perpendicular to the main plane of extension HSE on the dem Ceramic element 30 facing side of the at least one metal layer 10 can be realized.
  • FIGS. 9a and 9b show a method for producing a metal-ceramic substrate 1 according to an eighth preferred embodiment of the present invention. It is provided that a recess 50 is first made in the at least one metal layer 10 on the side facing the ceramic element 30 in the manufactured state by means of a mechanical tool 40 . In this case, a milling and/or drilling depth is greater than half, preferably greater than 2/3 and particularly preferably greater than % of the thickness D1 of the at least one metal layer 10. After bonding, for example via a soldering material 60, the at least one Metal layer 10 is processed by means of an etching process, in particular in an area which was not removed after processing with the mechanical tool 40, ie was left standing.
  • the etching process is controlled in such a way that a projection 55 tapering to a point remains on the side surface 15 .
  • two tapered protrusions 55 located at the same height remain after etching.
  • the etched portion of the side face 15, ie the side face portion 16 associated with the etching has a curved shape which results in particular from the isotropic effect of the etchant.
  • the Projection 55 on the side facing the ceramic element 30 has a flat, in particular essentially horizontal, course, while the side facing away from the ceramic element 30 has a curved course.
  • a structured resist layer 70 is arranged on the at least one metal layer 10 for the etching, with which the localization and/or the size of the etching can be advantageously determined.
  • the projection 55 is arranged in the upper section facing away from the ceramic element 30 , ie the upper half, preferably the upper third and particularly preferably the upper quarter of the at least one metal layer 10 .
  • FIGS. 10a to 10c Various side surfaces 15 are shown in FIGS. 10a to 10c, which can be realized with the method for producing the metal-ceramic substrates 1 according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • recesses 50 of different widths are made in the at least one metal layer 10 by means of two machining processes, for example on two opposite sides.
  • FIG. 10a This makes it possible to provide the largest possible area on the upper side or on the outside of the at least one metal layer 10, in which a connection for electrical components is possible.
  • a projection 55 protruding from the at least one metal layer 10 extends at least in regions above the isolation trench.
  • the projection 55 is flush with the outside of the at least one metal layer 10 .
  • two saw blades of different thicknesses which then realize recesses 50 of different widths in the at least one metal layer 10 on opposite sides.
  • This makes it possible to realize side faces 15 with side face sections 16 which are laterally offset from one another and preferably run parallel to one another, so that a stepped profile of the side face 15 can be realized.
  • a stepped course in the at least one metal layer 10 is admitted, in particular in the half that faces the ceramic element 30.
  • the side face preferably comprises at least three, preferably at least four and particularly preferably five steps.
  • the at least one metal layer 10 is then bonded to the ceramic element 30 . After the bonding process, the at least one metal layer 10 is then separated on the side facing away from the ceramic element 30 to form different metal sections in the at least one metal layer 10.
  • the exemplary embodiment in FIG. 10c differs from the exemplary embodiment in FIG Metal layer 10 facing away th side of the at least one metal layer 10 to realize.

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Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Metall-Keramik-Substrats (1), umfassend: - Bereitstellen eines Keramikelements (30) und mindestens einer Metallschicht (10), wobei sich das Keramikelement (30) und die mindestens eine Metallschicht (10) entlang einer Haupterstreckungsebene (HSE) erstrecken, - Verbinden des Keramikelements (30) mit der mindestens einen Metallschicht (10) zur Ausbildung eines Metall-Keramik-Substrats (1), insbesondere mittels eines Direktmetallanbindungsverfahrens, eines heißisostatischen Pressens und/oder eines Lötverfahrens, und - Bearbeiten der mindestens einen Metallschicht (10) mittels eines mechanischen Werkzeugs (40) und/oder Laserlicht zum mindestens abschnittsweise Festlegen einer Geometrie einer nicht parallel zur Haupterstreckungsebene (HSE) verlaufenden Seitenfläche (15) der mindestens einen Metallschicht (10).

Description

Verfahren zur Herstellung eines Metall-Keramik-Substrats und Metall-Keramik-Substrat hergestellt mit einem solchen Verfahren
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Metall-Kera- mik-Substrats und ein Metall-Keramik-Substrat, hergestellt mit einem solchen Ver fahren.
Trägersubstrate für elektrische Bauteile, beispielsweise in Form von Metall-Kera- mik-Substraten, sind beispielsweise als Leiterplatten oder Platinen aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt, beispielsweise aus der DE 102013 104739 A1 , der DE 19927046 B4 und der DE 102009033029 A1. Typischerweise werden auf einer Bauteilseite des Metall-Keramik-Substrats Anschlussflächen für elektri sche Bauteile und Leiterbahnen angeordnet, wobei die elektrischen Bauteile und Leiterbahnen zu elektrischen Schaltkreisen zusammenschaltbar sind. Wesentliche Bestandteile der Metall-Keramik-Substrate sind eine Isolationsschicht, die bevor zugt aus einer Keramik gefertigt ist, und eine an die Isolationsschicht angebun dene Metallschicht bzw. Bauteilmetallisierung. Wegen ihren vergleichsweise ho hen Isolationsfestigkeiten haben sich aus Keramik gefertigte Isolationsschichten in der Leistungselektronik als besonders vorteilhaft erwiesen. Durch eine Strukturie rung der Metallschicht können sodann Leiterbahnen und/oder Anschlussflächen für die elektrischen Bauteile realisiert werden.
Für solche Trägersubstrate, insbesondere für Metall-Keramik-Substrate, besteht aufgrund der unterschiedlichen Materialwahl für die Isolationsschicht einerseits und die Metallisierung andererseits das Problem, dass wegen unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten bei einer Wärmeentwicklung, die beispiels weise im Betrieb oder bei der Fertigung des Trägersubstrats auftreten, thermome chanische Spannungen induziert bzw. veranlasst werden können, die zu einem Verbiegen oder gar zu einer Beschädigung des Trägersubstrats führen können.
Daher hat es sich im Stand der Technik etabliert, an einer der Bauteilmetallisierun gen gegenüberliegenden Seite der Isolationsschicht eine Rückseitenmetallisierung vorzusehen, um mit der entsprechenden Symmetrie im Hinblick auf die thermi schen Ausdehnungskoeffizienten in Stapelrichtung einem Durchbiegen entgegen zuwirken. Da allerdings die Bauteilmetallisierung in der Regel nicht dicker ist als 0,8 mm, würde eine symmetrische Ausbildung der Rückseitenmetallisierung dazu führen, dass eine entsprechend ausgeformte Rückseitenmetallisierung sehr dünn ist und nicht die erforderliche Wärmekapazität bereitstellt, die insbesondere ge wünscht ist, um Wärme abzuleiten bzw. um einen thermischen Puffer in Überlast situation bereitzustellen.
Ausgehend hiervon macht es sich die vorliegende Erfindung zur Aufgabe, ein Ver fahren zur Herstellung eines Metall-Keramik-Substrats und ein Metall-Keramik- Substrat bereitzustellen, dessen Temperaturwechselbeständigkeit verbessert ist gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren und Metall-Kera- mik-Substraten.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung eines Metall-Keramik-Sub- strats gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 9 und ein Metall-Keramik-Substrats gemäß Anspruch 10 gelöst. Weitere Vorteile und Eigenschaften ergeben sich aus den Un teransprüchen sowie der Beschreibung und den beigefügten Figuren.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Her stellung eines Metall-Keramik-Substrats vorgesehen, umfassend:
- Bereitstellen eines Keramikelements und mindestens einer Metallschicht, wobei sich das Keramikelement und die mindestens eine Metallschicht entlang einer Haupterstreckungsebene erstrecken, - Verbinden des Keramikelements mit der mindestens einen Metallschicht zur Ausbildung eines Metall-Keramik-Substrats, insbesondere mittels eines Direktme tallanbindungsverfahrens, eines heißisostatischen Pressens und/oder eines Lötverfahrens, und
- Bearbeiten der mindestens einen Metallschicht mittels eines mechanischen Werkzeugs und/oder Laserlicht zum mindestens abschnittsweise Festlegen einer Geometrie einer nicht parallel zur Haupterstreckungsebene verlaufenden Seiten fläche der mindestens einen Metallschicht, insbesondere am gefertigten Metall- Keramik-Substrat.
Gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren ist es vorgese hen, zum zumindest abschnittsweise erfolgenden Festlegen der Geometrie der Seitenflächen ein mechanisches Werkzeug und/oder einen Laser zu verwenden. Mit anderen Worten: Mit dem anspruchsgemäßen Verfahren wird ein entsprechen der Verlauf der Seitenflächen realisiert, um beispielsweise so die Temperatur wechselbeständigkeit der Anbindung der mindestens einen Metallschicht an das Keramikelement zu verbessern. Dies erweist sich insbesondere in solchen Fällen als besonders vorteilhaft, in denen eine Strukturierung oder die Ausbildung der Seitenflächen nicht im Rahmen eines üblichen Ätzvorganges erfolgt, bei dem au tomatisch ein gebogener oder schräger Ätzkantenverlauf an dem Grenzbereich zwischen der mindesten einen Metallschicht und dem Keramikelement erzeugt wird, der sich vorteilhaft auf die Temperaturwechselbeständigkeit der Bindung zwi schen der mindestens einen Metallschicht und der Keramikschicht auswirkt.
Weiterhin hat es sich als vorteilhaft erwiesen, mittels eines mechanischen Werk zeugs und/oder Laserlichts die Geometrie der Seitenflächen festzulegen, da dies eine präzisere und insbesondere reproduzierbare Art und Weise darstellt, die Sei tenflächen bezüglich ihrer Geometrie festzulegen, insbesondere im Vergleich zum ätzenden Herstellen der Seitenflächen. Unter dem Festlegen der Geometrie ist insbesondere zu verstehen, dass durch die Einwirkung des mechanischen Werk zeugs und des Laserlichts ein Verlauf der Seitenfläche produziert wird, der im ge- fertigten Metall- Keramik-Substrat von einem im Wesentlichen geraden und senk recht zur Haupterstreckungsebene bzw. zur Oberseite des Keramikelements er streckenden Verlauf abweicht. Insbesondere ist es sogar möglich, mittels eines mechanischen Werkzeugs und/oder eines Lasers gezielt modulierte Seitenflä chenverläufe einzustellen, bei denen beispielsweise ein Krümmungsradius der Seitenfläche entlang einer parallel zur Haupterstreckungsebene verlaufenden Richtung moduliert ist und/oder im Verlauf der Seitenfläche lokal Maxima und Mi nima ausgeprägt sind.
Insbesondere handelt es sich bei den hergestellten Metall-Keramik-Substraten um Leiterplatten, bei denen das Keramikelement als Isolation zwischen zwei Metallab schnitten der mindestens einen Metallschicht dient. Dabei bilden die einzelnen Ab schnitte der mindestens einen Metallschicht Leiterbahnen und/oder Anschlüsse aus, an die wiederrum elektrische oder elektronische Bauteile anbindbar sind, die von den Keramikelementen beziehungsweise von der Leiterplatte getragen wer den. Durch die Ausbildung der Seitenflächen, insbesondere im Rahmen einer Strukturierung, werden die einzelnen Metallabschnitte der mindestens einen Me tallschicht voneinander getrennt, so dass sogenannte Isolationsgräben zwischen den einzelnen Metallabschnitten realisiert werden, wodurch die einzelnen Metall abschnitte voneinander elektrisch isoliert werden.
Weiterhin ist es bevorzugt vorstellbar, dass der Verlauf der Seitenfläche durch eine Kombination aus einem Ätzverfahren und einem Bearbeiten mit einem me chanischen Werkzeug und/oder Laser festgelegt bzw. bestimmt wird.
Weiterhin ist es besonders bevorzugt vorgesehen, dass, neben der mindestens ei nen Metallschicht, auf der mindestens einen Metallschicht gegenüberliegenden Seite des Keramikelements eine Rückseitenmetallisierung vorgesehen ist. Vor zugsweise ist die Rückseitenmetallisierung dazu vorgesehen, einem Durchbiegen des Metall-Keramik-Substrats entgegenzuwirken, was andernfalls aufgrund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten zu erwarten wäre. Um zudem in Überlastsituation einen Puffer bereitstellen zu können, ist es bevorzugt vorgesehen, dass zur Ausbildung einer ausreichenden Wärmekapazität die Rück seitenmetallisierung eine entsprechend große Dicke aufweist. Um wiederum ei nem Durchbiegen, veranlasst durch die vergleichsweise große Dicke der Rücksei tenmetallisierung, entgegenzuwirken, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die Di cke der mindestens einen Metallschicht vergleichbar groß zur Dicke der Rücksei tenmetallisierung zu gestalten. Dabei erweist sich die erhöhte Dicke der mindes tens einen Metallschicht auch hier als besonders vorteilhaft für die Erhöhung der Wärmekapazität, da dadurch bereits an der Bauteilseite eine wirksame Wärme spreizung veranlasst werden kann. Grundsätzlich erweist sich eine dickere min destens eine Metallschicht und/oder Rückseitenmetallisierung zudem als vorteil haft, weil sie die Wärmekapazität erhöht, wodurch eine bessere Kühlung möglich ist und gleichzeitig die mechanische Stabilität erhöht wird. Dies ermöglicht bei spielsweise einen Wegfall einer Bodenplatte.
Vorzugsweise wird die mindestens eine Metallschicht vor und/oder nach der Ver bindung mit dem Keramikelement mittels eines mechanischen Werkzeugs bear beitet, vorzugsweise mit unterschiedlichen Werkzeugen, wodurch eine Vielzahl von verschiedenen geometrischen Formen realisierbar sind. Vorzugsweise erfolgt eine Bearbeitung mittels des mechanischen Werkzeugs und/oder mittels des La serlichts vor dem Durchführen des Verbindens der mindestens einen Metallschicht mit dem Keramikelement und nach dem Verbinden wird die Metallschicht auf der gegenüberliegenden Seite mit demselben oder einem anderen mechanischen Werkzeug, mit Laserlicht und/oder mit einem Ätzmittel zum lokalen Abtragen von Metall bearbeitet. Vorzugsweise erfolgt so die Strukturierung. Dabei erfolgt die Be arbeitung der Metallschicht an den gegenüberliegenden Seiten vorzugsweise de ckungsgleich entlang der senkrecht zur Haupterstreckungsebene verlaufenden Stapelrichtung.
Als Materialien für die mindestens eine Metallschicht bzw. die Rückseitenmetalli sierung im Metall-Keramik-Substrat, sind Kupfer, Aluminium, Molybdän und/oder deren Legierungen, sowie Laminate wie CuW, CuMo, CuAI, AICu und/oder CuCu vorstellbar, insbesondere eine Kupfer-Sandwichstruktur mit einer ersten Kupfer schicht und einer zweiten Kupferschicht, wobei sich eine Korngröße in der ersten Kupferschicht von der Korngröße in einer zweiten Kupferschicht unterscheidet. Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass die primäre Metalllage, insbesondere als Bauteilmetallisierung, oberflächenmodifiziert ist. Als Oberflächenmodifikation ist beispielsweise eine Versiegelung mit einem Edelmetall, insbesondere Silber und/oder Gold, oder ENIG („ electroless nicket immersion gold “), Nickel oder ein Kantenverguss an der mindestens einen Metallschicht zur Unterdrückung einer Rissbildung bzw. -Weitung denkbar.
Vorzugsweise weist das Keramikelement AI2O3, S13N4, AIN, eine HPSX-Keramik (d. h. eine Keramik mit einer AI2O3- Matrix, die einen x-prozentigen Anteil an Zr02 umfasst, beispielsweise AI2O3 mit 9% Zr02 = HPS9 oder AI2O3 mit 25%
Zr02 = HPS25), SiC, BeO, MgO, hochdichtes MgO (> 90% der theoretischen Dichte), TSZ (tetragonal stabilisiertes Zirkonoxid) oder ZTA als Material für die Ke ramik auf. Es ist dabei auch vorstellbar, dass das Keramikelement als Verbund- bzw. Hybridkeramik ausgebildet ist, bei der zur Kombination verschiedener ge wünschter Eigenschaften mehrere Keramikschichten, die sich jeweils in Hinblick auf ihre materielle Zusammensetzung unterscheiden, übereinander angeordnet und zu einer Isolationsschicht zusammengefügt sind. Denkbar ist auch, dass zwi schen zwei Keramikschichten eine metallische Zwischenschicht angeordnet ist, die vorzugsweise dicker als 1 ,5 mm und/oder dicker als die zwei Keramikschichten in Summe ist. Vorzugsweise wird eine möglichst wärmeleitfähige Keramik für ei nen möglichst geringen Wärmewiderstand verwendet.
Unter einem „DCB-Verfahren” (Direct-Copper-Bond-Technology) oder einem „DAB-Verfahren” (Direct-Aluminium-Bond-Technology) versteht der Fachmann ein solches Verfahren, das beispielsweise zum Verbinden von Metallschichten oder - blechen (z. B. Kupferblechen oder -folien oder Aluminiumblechen oder -folien) miteinander und/oder mit Keramik oder Keramikschichten dient, und zwar unter Verwendung von Metall- bzw. Kupferblechen oder Metall- bzw. Kupferfolien, die an ihren Oberflächenseiten eine Schicht oder einen Überzug (Aufschmelzschicht), aufweisen. Bei diesem beispielsweise in der US 3744 120 A oder in der DE23 19 854 C2 beschriebenen Verfahren bildet diese Schicht oder dieser Überzug (Auf schmelzschicht) ein Eutektikum mit einer Schmelztemperatur unter der Schmelz temperatur des Metalls (z. B. Kupfers), so dass durch Auflegen der Folie auf die Keramik und durch Erhitzen sämtlicher Schichten diese miteinander verbunden werden können, und zwar durch Aufschmelzen des Metalls bzw. Kupfers im We sentlichen nur im Bereich der Aufschmelzschicht bzw. Oxidschicht.
Insbesondere weist das DCB-Verfahren dann z. B. folgende Verfahrensschritte auf:
• Oxidieren einer Kupferfolie derart, dass sich eine gleichmäßige Kupfer oxidschicht ergibt;
• Auflegen des Kupferfolie auf die Keramikschicht;
• Erhitzen des Verbundes auf eine Prozesstemperatur zwischen etwa 1025 bis 1083°C, z. B. auf ca. 1071 °C;
• Abkühlen auf Raumtemperatur.
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, wird bei einer Temperatur zwischen ca. 600-1000°C eine Verbindung zwischen einer Metallfolie, beispielsweise Kup ferfolie, und einem Keramiksubstrat, beispielsweise Aluminiumnitrid-Keramik, un ter Verwendung eines Hartlots hergestellt, welches zusätzlich zu einer Hauptkom ponente wie Kupfer, Silber und/oder Gold auch ein Aktivmetall enthält. Dieses Ak tivmetall, 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. Alternativ ist zur Anbindung auch ein Dick schichtverfahren vorstellbar.
Das heißisostatische Pressen ist beispielsweise aus der EP 3080055 B1 be kannt, auf deren Inhalt bezüglich des heißisostatischen Pressens hiermit explizit Bezug genommen wird.
Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass im gefertigten Zustand die mindestens eine Metallschicht mit zunehmenden Abstand von dem Keramikelement, mindestens abschnittsweise, verjüngt. Dies erweist sich insbesondere für eine Wärmesprei zung als vorteilhaft und erlaubt es, die elektrischen Bauteile möglichst nah an den Rand des jeweiligen Metallabschnitts der mindestens einen Metallschicht anzuord nen.
Weiterhin ist es bevorzugt vorgesehen, dass die mindestens eine Metallschicht eine senkrecht zur Haupterstreckungsebene verlaufende Dicke aufweist, die grö ßer ist als 1 mm, bevorzugt größer als 1,3 mm und besonders bevorzugt zwi schen 1 ,5 und 3 mm liegt. Insbesondere für solche Metall-Keramik-Substrate mit derartigen großen Dicken hat sich das Verwenden eines mechanischen Werk zeugs oder von Laserlicht für das Separieren einzelner Abschnitte in der mindes tens einen Metallschicht als vorteilhaft erwiesen, da dies vergleichsweise schmale Isolationsgräben realisiert, wodurch ein möglichst dichtes Muster an Leitungsbah nen und Anschlüssen realisierbar ist. Andernfalls würde durch einen entsprechen den Ätzvorgang ein Aspektverhältnis von kleiner als 1 realisiert werden, wobei das Aspektverhältnis ein Verhältnis der Tiefe zur Breite definiert. In entsprechender Weise würde mit der Dicke der mindestens einen Metallschicht oberhalb von 1 mm ein vergleichsweise großer Abstand zwischen den zwei voneinander elektrisch isolierten Metallabschnitten in der mindestens einen Metallschicht ver anlasst werden. Insbesondere ist es von Vorteil, wenn die Ausnehmung zwischen zwei Abschnitten der mindestens einen Metallschicht ein Aspektverhältnis auf weist, das größer ist als 1 , vorzugsweise größer als 1 , 5 und besonders bevorzugt größer als 2. Weiterhin ist es bevorzugt vorgesehen, dass das Bearbeiten mit dem mechani schen Werkzeug und/oder dem Laserlicht vor dem Verbinden des Keramikele ments mit der mindestens einen Metallschicht durchgeführt wird. Dadurch ist es in vorteilhafter Weise möglich, diejenige Seite der mindestens einen Metallschicht zu strukturieren und/oder zu bearbeiten, die im angebundenen Zustand dem Kerami kelement zugewandt ist. Im Anschluss lässt sich dann die übrig gebliebene Metal lisierung (vorzugsweise in Form eines Stegs), die die einzelnen Metallabschnitte verbindet (insbesondere auf der Seite oder an Oberflächenseite der mindestens einen Metallschicht, die dem Keramikelement abgewandt ist ) abtragen, um so die vollständige Isolation zwischen zwei benachbarten Abschnitten der mindestens ei nen Metallschicht zu gewährleisten.
Weiterhin ist es vorstellbar, dass das mechanische Werkzeug eine Präge- und/o der Stanzvorrichtung ist und/oder ein Fräs- oder Sägeblatt umfasst. Bei dem ver wendeten Licht kann es sich beispielsweise um kontinuierlich emittiertes oder ge pulstes Licht handeln. Bevorzugt handelt es sich um Ultakurzpulslaserlicht, mit Lichtpulsen, deren Pulslänge oder Pulsdauern kürzer sind als eine Nanosekunde.
Vorzugsweise wird durch eine Führung des Werkzeugs die Geometrie der Seiten fläche bestimmt. Beispielsweise wird durch eine gezielte Hub-Bewegung zusam men mit einer seitlichen Bewegung des mechanischen Werkzeugs ein bestimmter Verlauf in die Seitenfläche eingelassen bzw. in dieser verursacht. Hierbei kann zum Beispiel die Bewegung einer Spitze des Fräswerkzeugs den geschwungenen Verlauf festlegen.
Denkbar ist auch, dass sich die Geometrie der Seitenfläche entlang des Umfangs der Metallschicht ändert. Mit anderen Worten: durch die Nutzung eines mechani schen Werkzeugs und/oder einer Laserstrahlvorrichtung zum Bearbeiten der Sei tenflächen lässt sich eine abschnittsweise und sich eine entlang der Umlaufrich tung um den äußersten Rand der mindestens einen Metallschicht ändernde Geo metrie einstellen. Dabei kann sich die Geometrie beispielsweise bezüglich einer Krümmung eines gebogenen Verlaufs ändern oder beispielsweise ändert sich der Geometrietyp, zum Beispiel von gebogenen Seitenflächen zu schräg oder gestuft verlaufenden Seitenflächen.
Weiterhin ist es bevorzugt vorgesehen, dass das Bearbeiten derart durchgeführt wird, dass ein mindestens zwei Abschnitte der mindestens einen Metallschicht verbindender Steg realisiert wird. Der Steg ist insbesondere derart dimensioniert, dass er beispielsweise eine einfache und formstabile Handhabung bzw. einen ein fachen Transport der mindestens einen Metallschicht erlaubt und so ein einfaches Anordnen aus dem Keramikelement gestattet. Vorstellbar ist auch, dass der Steg nicht vollständig nach der Anbindung der mindestens einen Metallschicht an das Keramikelement entfernt wird, sondern Abschnitte des Stegs als Anschlussfläche bereitgestellt werden. In anderen Worten: der Steg wird nur teilweise entfernt, d. h. ein überhängender Abschnitt des Stegs wird stehengelassen und somit bereitge stellt, um mit ihm gegebenenfalls eine Anbindung an einen anderen Metallab schnitt und/oder an ein elektrisches Bauteil und/oder eine externe Steuerquelle zu vollziehen.
Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass der Steg nach dem Verbinden, zumindes- tens abschnittsweise entfernt wird, beispielsweise durch Laser und/oder Ätzen und/oder Fräsen und/oder Funkenerodieren und/oder ein elektro-chemisches Ver fahren. Dadurch lässt sich die finale Trennung der Abschnitte in der mindestens einen Metallschicht realisieren.
Weiterhin ist es vorstellbar, dass das mechanische Werkzeug einFräswerkzeug, beispielsweise ein Fräskopf, und ein Sägeblatt und/oder einen Stanz- oder Präge teil umfasst, dessen Form die Geometrie der Seitenfläche bestimmt. Dadurch ist es in einfacher Weise möglich, die Geometrie, der Seitenfläche mit der Form des Werkzeugs zu bestimmen und in reprozierbarer und präziser Weise festzulegen.
Weiterhin ist es bevorzugt vorgesehen, dass die gefertigte Seitenfläche, zumin dest abschnittsweise, schräg und/oder gebogen und/oder geschwungen und/oder gestuft verläuft. In entsprechender Weise lässt sich an den jeweiligen Anwen dungsfall die optimierte Geometrie für den Seitenfläche einstellen, sodass das her gestellte Metall-Keramik-Substrat die ausreichende Temperaturwechselbeständig keit aufweist, um eine gewünschte, vergleichsweise hohe Lebensdauer für das Metall-Keramik-Substrat zu garantieren.
Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass das Bearbeiten mittels mehrerer verschie dener mechanischer Werkzeuge erfolgt. Dadurch lassen sich weitere Feinheiten in der Geometrie, insbesondere in flexibler Art und Weise, realisieren. Beispielsweise werden unterschiedliche Fräs- oder Prägewerkzeuge mit unterschiedlichem Au ßenkonturen verwendet, um unterschiedliche Geometrien oder einen bestimmten Verlauf an der Seitenfläche zu realisieren.
Insbesondere ist es vorgesehen, dass die mindestens eine Metallschicht und/oder die mindestens eine weitere Metallschicht vor dem Verbinden zum Vorverbund strukturiert werden.
Vorzugsweise wird die mindestens eine Metallschicht in mehrere isolierte Metall abschnitte unterteilt und anschließend wird die Geometrie der Seitenfläche der isolierten Metallabschnitte festgelegt. Mit anderen Worten: Nach dem Anbinden der mindestens einen Metallschicht an das Keramikelement wird die mindestens eine Metallschicht zunächst durch das Einlassen von Isolationsgräben voneinan der elektrisch isoliert. Die beispielsweise im Wesentlichen senkrecht zur Haupter streckungsebene verlaufenden Seitenflächen werden anschließend durch das me chanische Bearbeiten und/oder das Laserlicht in die gewünschte geometrische Form gebracht.
Alternativ ist es vorstellbar, dass zeitgleich mit der Erstellung der voneinander iso lierten Metallabschnitte die Seitenfläche und deren Geometrie festgelegt wird. Dadurch wird das Verfahren beschleunigt, da keine separaten Arbeitsschritte er forderlich sind. Insbesondere wird das Bearbeiten der mindestens einen Metallschicht zum min destens abschnittsweisen Festlegen einer Geometrie einer nicht parallel zur Haupterstreckungsebene verlaufenden Seitenfläche größtenteils mittels Laserlicht durchgeführt. Unter „größtenteils“ ist zu verstehen, dass mehr als 50 %, bevorzugt mehr als 75% und besonders bevorzugt mehr als 85% des Zeitaufwands für das Erstellen der Seitenfläche auf eine Bearbeitung mittels Laserlicht zurückzuführen ist.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstel lung eines Metall-Keramik-Substrats, umfassend:
- Bereitstellen eines Keramikelements, mindestens einer Metallschicht und min destens einerweiteren Metallschicht, wobei sich das Keramikelement, die mindes tens eine Metallschicht und die mindestens eine weitere Metallschicht entlang ei ner Haupterstreckungsebene erstrecken,
- Verbinden der mindestens einen Metallschicht und der mindestens einen weite ren Metallschicht zu einem Vorverbund,
- Verbinden des Keramikelements mit dem Vorverbund, insbesondere mittels ei nes Direktmetallanbindungsverfahrens, eines heißisostatischen Pressens und/o der eines Lötverfahrens, und
- Bearbeiten der mindestens einen Metallschicht mittels eines mechanischen Werkzeugs und/oder Laserlicht und Bearbeiten der mindestens einen weiteren Metallschicht mittels Ätzens, vorzugsweise zeitlich vor dem Verbinden, zum min destens abschnittsweise Festlegen einer Geometrie einer nicht parallel zur Haupt erstreckungsebene verlaufenden Seitenfläche des Vorverbunds aus der mindes tens einen Metallschicht und der mindestens einen weiteren Metallschicht. Alle für das oben Verfahren beschriebenen Eigenschaften und Vorteile lassen sich analog übertragen auf diese Verfahren und andersrum.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Metall-Keramik-Sub- strat hergestellt mit dem erfindungsgemäßen Verfahren. Alle für das Verfahren be schriebenen Eigenschaften und Vorteile lassen sich analog übertragen auf das Metall-Keramik-Substrat und andersrum. Insbesondere ist das Metall-Keramik- Substrat Bestandteil eines Leistungsmoduls und dient als Träger von elektrischen oder elektronischen Bauteilen.
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.
Es zeigt:
Fig.1 : ein Metall-Keramik-Substrat gemäß einer ersten bevorzugten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
Fig. 2 ein Metall-Keramik-Substrat gemäß einer zweiten bevorzugten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
Fig. 3 ein Verfahren zur Herstellung eines Metall-Keramik-Substrats ge mäß einer ersten, einer zweiten und einer dritten Ausführungs form der vorliegenden Erfindung,
Fig. 4 ein Verfahren zur Herstellung eines Metall-Keramik-Substrats ge mäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Fig. 5 ein Verfahren zur Herstellung eines Metall-Keramik-Substrats ge mäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und
Fig. 6 ein Verfahren zur Herstellung eines Metall-Keramik-Substrats ge mäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfin dung, Fig. 7 ein Verfahren zur Herstellung eines Metall-Keramik-Substrats ge mäß einer siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
Fig .8a bis 8h verschiedene Seitenflächen für ein Metall-Keramik-Substrat her gestellt mit einem Verfahren gemäß einer beispielhaften Ausfüh rungsform der vorliegenden Erfindung.
Fig. 9a und 9b in Verfahren zur Herstellung eines Metall-Keramik-Substrats ge mäß einer achten bevorzugten Ausführungsform der vorliegende Erfindung und
Fig. 10a bis 10c verschiedene Seitenflächen für ein Verfahren hergestellt mit ei nem Verfahren gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegende Erfindung.
In Figur 1 ist schematisch ein Metall-Keramik-Substrat 1 gemäß einer ersten be vorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Bei solch ei nem Metall-Keramik-Substrat 1 handelt es sich vorzugsweise um einen Träger für elektrische Bauteile. Dabei ist es insbesondere vorgesehen, dass das Metall-Kera mik-Substrat 1 ein Keramikelement 30 und mindestens eine Metallschicht 10 auf weist, wobei sich das Keramikelement 30 und die mindestens eine Metallschicht 10 entlang einer Haupterstreckungsebene HSE erstrecken. Dabei ist die mindes tens eine Metallschicht 10 an dem Keramikelement 30 angebunden, wobei die mindestens eine Metallschicht 10 und das Keramikelement 30 in einer senkrecht zur Haupterstreckungsebene HSE verlaufenden Stapelrichtung S übereinander angeordnet sind. Dabei ist es insbesondere vorgesehen, dass die mindestens eine Metallschicht 10 eine Mehrzahl an Metallabschnitten aufweist, die beispielsweise elektrisch isoliert voneinander nebeneinander entlang einer parallel zur Haupter streckungsebene HSE verlaufenden Richtung angeordnet sind. Weiterhin ist es besonders bevorzugt vorgesehen, dass in Stapelrichtung S gese hen, an dem Keramikelement 30 an der mindestens einen Metallschicht 10 gegen überliegenden Seite eine Rückseitenmetallisierung 20 vorgesehen ist. Die Rück seitenmetallisierung 20 ist insbesondere dazu vorgesehen, andernfalls im Betrieb auftretenden Verbiegungen entgegenzuwirken, die durch thermomechanische Spannungen veranlasst werden, die wiederrum Folge unterschiedlicher Ausdeh nungskoeffizienten in der mindestens eine Metallschicht 10 und dem Keramikele ment 30 sind. Gleichzeitig soll die Rückseitenmetallisierung 20 eine ausreichende Wärmekapazität bereitstellen, die insbesondere deswegen gewünscht ist, um ei nen entsprechenden Puffer in Überlastsituationen bereitstellen zu können. Dabei erweist sich auch die erhöhte Dicke der mindestens einen Metallschicht 10 hier als besonders vorteilhaft für die Erhöhung der Wärmekapazität, da dadurch bereits an der Bauteilseite eine wirksame Wärmespreizung veranlasst werden kann. Grund sätzlich erweist sich eine dickere mindestens eine Metallschicht 10 und/oder Rückseitenmetallisierung 20 zudem als vorteilhaft, weil sie die Wärmekapazität er höht, wodurch eine bessere Kühlung möglich ist und gleichzeitig die mechanische Stabilität erhöht wird. Dies ermöglicht beispielsweise einen Wegfall einer Boden platte.
Dies erfordert eine gewisse Dicke der Rückseitenmetallisierung 20, um die ge wünschte Wärmekapazität bereitzustellen. Um gleichzeitig wiederrum eine sym metrische Gestaltung der mindestens einen Metallschicht 10 und der Rückseiten metallisierung 20 zu gewährleisten, ist es in bevorzugter Weise vorgesehen, dass die mindestens eine Metallschicht 10 eine senkrechte zur Haupterstreckungs ebene HSE verlaufende Dicke D1 aufweist, die größer ist als 1 mm, bevorzugt größer ist als 1 ,3 mm oder besonders bevorzugt zwischen 1 ,5 mm und 3 mm liegt. Mit derartig vergleichsweise großen Dicken der mindestens einen Metallschicht 10 ist es möglich, eine vergleichsweise hohe Symmetrie zwischen der mindestens ei nen Metallschicht 10 und der Rückseitenmetallisierung 20 zu veranlassen und gleichzeitig eine ausreichende Wärmekapazität durch die Rückseitenmetallisie rung 20 zu gewährleisten. Um bei derartig großen Dicken D1 der mindestens ei nen Metallschicht 10 die Oberfläche des Keramikelements 30 möglichst dicht mit Metallabschnitten auszustatten, ist es wünschenswert, vergleichsweise schmale Gräben, sogenannte Isolationsgräben, zwischen den einzelnen Metallabschnitten der mindestens einen Metallschicht 10 zu realisieren.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass ein Bereich zwischen zwei Metallabschnitten der mindestens einen Metallschicht 10 ein Aspektverhältnis aufweist, das größer ist als 1 , bevorzugt größer als 1 ,5 und besonders bevorzugt größer als 2. Da derar tige Aspektverhältnisse mittels Ätzen nicht bzw. nur aufwändig realisierbar sind, ist es vorteilhafter Weise vorgesehen, derartige Strukturierungen der mindestens ei nen Metallschicht 10 mittels eines mechanischen Werkzeugs 40 oder mittels La serlicht zu realisieren. Dabei ist es besonders bevorzugt vorgesehen, dass vor dem Verbinden, insbesondere vor einem Verbinden mittels eines DCB-, DAB- o- der Aktivlötverfahren oder mittels eines heißisostatischen Pressens, die mindes tens eine Metallschicht 10 strukturiert wird, beziehungsweise mit einem mechani schen Werkzeug 40 und/oder mittels Laserlicht bearbeitet wird. Beispielsweise kann es sich bei dem mechanischen Werkzeug 40 um einen Fräswerkzeug und/o der einem Stanz- oder Prägewerkzeug handeln, mit dem die mindestens eine Me tallschicht 10 strukturiert wird. Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass das Bearbei ten mittels des mechanischen Werkzeugs 40 oder des Laserlichts derart erfolgt, dass die mindestens eine Metallschicht 10 als Bauteil noch transportfähig bleibt. Hierzu wird beispielsweise darauf verzichtet, mittels des mechanischen Werk zeugs 40 oder des Laserlichts einzelne Metallabschnitte voneinander zu trennen, d. h. es werden Stege 14 zwischen den Metallabschnitten in der mindestens einen Metallschicht 10 realisiert, die ausreichend dick sind, so dass sie während eines Transports oder einer Handhabung, beispielsweise mittels eines Roboters, nicht verbiegen.
Nachdem die mindestens eine Metallschicht 10 auf dem Keramikelement 30 ange ordnet wird, insbesondere derart, dass die strukturierte Seite der mindestens eine Metallschicht 10 dem Keramikelement 30 zugewandt ist, wird vorzugsweise ein Anbindungsverfahren, wie beispielsweise ein Direktanbindungsverfahren, ein hei ßisostatisches Pressen oder ein Aktivlötverfahren, dazu genutzt, um die mindes tens eine Metallschicht 10 mit dem Keramikelement 30 zu verbinden.
In einem anschließenden Verfahrensschritt ist es vorstellbar, dass der Steg 14, der zwei benachbarte Metallabschnitte der mindestens einen Metallschicht 10 mit einanderverbindet, teilweise oder vollständig entfernt wird, beispielsweise mittels eines mechanischen Bearbeitens, mittels Laserlicht oder eines chemischen Vor gangs bzw. Ätzvorgangs. Dadurch werden nach dem Verbinden Metallabschnitte auf dem Keramikelement 10 bereitgestellt, die vergleichsweise nah beieinander angeordnet sind und so vergleichsweise schmale Isolationsgräben bereitstellen.
Es ist auch vorstellbar, dass beispielsweise unter Heranziehen von Laserlicht oder eines mechanischen Werkzeugs 40 der Steg 14 nur teilweise bzw. abschnitts weise entfernt wird, und dass beispielweise von der Oberseite der mindestens ei nen Metallschicht 10 lateral in Richtung der Haupterstreckungsebene HSE über stehende Stegabschnitte als Anschlussfahne oder Anschlussbereiche verwendet werden, um beispielsweise verschiedene Metallabschnitte der mindestens einen Metallschicht 10 miteinanderzu verbinden und/oder eine Verbindung zwischen Bauteilen zu realisieren und/oder einen Anschluss an eine externe Steuerung zu realisieren.
In Figur 2 ist ein Metall-Keramik-Substrat 1 gemäß einer zweiten beispielhaften Ausführung der vorliegenden Erfindung dargestellt. Insbesondere ist hierbei vorge sehen, dass eine Geometrie einer nicht parallel zur Haupterstreckungsebene HSE verlaufenden Seitenfläche 15 durch Bearbeiten mittels des mechanischen Werk zeugs 40 und/oder des Laserlichts festgelegt wird. Während im Stand der Technik, insbesondere durch das Ätzen, ein Verlauf in der Seitenfläche^ 5 erzeugt wird, der insbesondere gebogen oder schräg zur Haupterstreckungsebene HSE ver läuft, ist dies nicht zwingend der Fall, wenn man ein mechanisches Werkzeug 40 oder Laserlicht verwendet. Da sich allerdings die schräg bzw. gebogenen Seiten fläche 15, insbesondere am Grenzbereich zwischen der mindestens einen Metall schicht 10 und dem Keramikelement 30 für die Temperaturwechselbeständigkeit als vorteilhaft erwiesen hat, ist es von Vorteil für vergleichsweise schmale Isolati onsgräben, die durch alleiniges Ätzen nicht realisierbar sind, mittels des mechani schen Werkzeugs 40 oder mit dem Laserlicht die Geometrie der Seitenfläche 15 festzulegen. In der in Figur 2 dargestellten Ausführungsform nehmen hierbei Ab schnitte der Seitenfläche 15 in der mindestens einen Metallschicht 10 im unteren Drittel, d. h. in dem Drittel, das dem Keramikelement 30 zugewandt ist, einen ge bogenen, bzw. geschwungenen Verlaufen an. Dadurch ist es auch in vorteilhafter Weise möglich, den für die Temperaturwechselbeständigkeit vorteilhaften Verlauf der Seitenfläche 15 auch für solche Metall-Keramik-Substrate 1 zu realisieren, bei denen die mindestens eine Metallschicht 10 vergleichsweise dick ist und bei dem Aspektverhältnisse vorgesehen sind, die größer sind als 1 und somit ein alleiniges Ätzen der Isolationsgräben nicht ohne weiteres auf der Hand liegt.
Weiterhin hat es sich als vorteilhaft erwiesen, dass durch die Nutzung eines me chanischen Werkzeugs 40 und/oder Laserlichts zur Ausbildung der Geometrie der Seitenfläche 15 diese reproduzierbarer hergestellt werden kann im Vergleich zur Fertigung durch ein Ätzen und zudem genauer modifiziert werden kann. Insbeson dere ist es sogar vorstellbar, dass mittels des mechanisches Werkzeuges 40 und/oder des Laserlichts ein Krümmungsradius entlang der Seitenfläche 15 bzw. in einer parallel zur Haupterstreckungsebene HSE verlaufenden Richtung modifi zierbar ist bzw. modifiziert wird. Dies ist im Falle eines isotop-wirkenden Ätzens in der Regel nicht der Fall, bei dem eine unabhängige Anpassung der verschiedenen Abschnitte der Seitenfläche 15 voneinander nicht bzw. nur eingeschränkt möglich ist.
In Figur 3 sind Metall-Keramik-Substrate 1 gemäß einer dritten (links), vierten (mittel) und fünften (rechts) Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darge stellt. Insbesondere zeigt die Figur 3 die jeweiligen Metall-Keramik-Substrate 1 schematisch mit mechanischen Werkzeugen 40, mit denen die mindestens eine Metallschicht 10 strukturiert wird, um entsprechende Ausnehmungen bzw. Isolati onsbereiche zwischen Abschnitten der mindestens einen Metallschicht 10 zu reali sieren. Beispielsweise zeigt das Ausführungsbeispiel auf der linken Seite einen Fräskopf, der im Wesentlichen kegelförmig ist, wodurch ein im Wesentlich schräg verlaufender Geometrie der Seitenflächen 15 realisierbar ist. Dabei ist es insbe sondere vorgesehen, dass der Fräskopf schmaler ist als die Ausnehmung zwi schen den benachbarten Metallabschnitten der mindestens einen Metallschicht 10. In der Mitte der Figur 3 ist ein Fräskopf mit einem runden Profil bzw. mit einer runden Außenseite dargestellt, der insbesondere einen gebogenen Verlauf der Seitenflächen 15 in der mindestens einen Metallschicht 10 ermöglicht. In der rechts dargestellten Ausführungsform ist für das Fierstellen bzw. Strukturieren zwi schen zwei Metallabschnitten der mindestens einen Metallschicht 10, d. h. zum Geometriefestlegen der Seitenflächen 15, ein Sägeblatt vorgesehen, dessen Au ßenkonturen im Wesentlichen keilförmig oder trapezförmig ist, um entsprechende Seitenflächen 15 an der mindestens einen Metallschicht 10 so zu gestalten, dass sie schräg, insbesondere nicht unter Ausbildung eines Winkels von 90°, zur Flaupterstreckungsebene FISE verlaufen.
In Figur 4 ist ein Verfahren zur Fierstellung eines Metall-Keramik-Substrats 1 ge mäß einer vierten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar gestellt. Dabei ist es insbesondere vorgesehen, dass die mindestens eine Metall schicht 10, beispielsweise mittels eines Prägewerkzeugs, strukturiert wird und kombiniert wird mit einer weiteren Metallschicht 10‘, in die mittels eines Ätzvor gangs eine Strukturierung eingelassen wurde. Insbesondere ist es dabei vorgese hen, dass die strukturierte mindestens eine Metallschicht 10 derart strukturiert ist, dass ihre Strukturierung deckungsgleich mit der Strukturierung in der mindestens einen weiteren Metallschicht 10' ausgestaltet ist, sodass ein Verbinden der min destens einen Metallschicht 10 und der mindestens einen weiteren Metallschicht 10' zu einem Vorverbund führt, bei dem die während der einzelnen Strukturierun gen hergestellten Geometrien im Vorverbund miteinander kombiniert sind. Dabei ist es insbesondere vorgesehen, dass die mindestens eine Metallschicht 10 mehr als 0,5-mal, bevorzugt mehr als 1 ,0-mal und besonders bevorzugt mehr als 2,0- mal so dick ist wie mindestens eine weitere Metallschicht 10‘. Dadurch lassen sich insbesondere in der mindestens einen Metallschicht 10 vergleichsweise große und tiefe, vorzugsweise, gerade und/oder senkrecht zur Haupterstreckungsebene ver laufende (Teil-)Seitenflächen 15 realisieren, während sich mittels der mindestens einen weiteren Metallschicht 10' ein geschwungener oder gebogener Verlauf der (Teil-)Seitenfläche 15 erstellt, insbesondere an einem im gefertigten Zustand dem Keramikelement 30 zugewandten Abschnitt. Dabei ist es besonders bevorzugt vorgesehen, dass die mindestens eine Metallschicht 10 und/oder die mindestens eine weitere Metallschicht 10' zur Verbindung im Vorverbund derart erwärmt wer den, dass sich eine Verbindung zwischen ihnen ausbildet, wodurch die mindes tens eine Metallschicht 10 und die mindestens eine weitere Metallschicht 10' zu ei nem einstückigen, insbesondere monolithischen, Körper verbunden werden, der sich vergleichsweise einfach auf ein Keramikelement 30 anbringen lässt. Dabei ist es vorgesehen, dass nach der Anbindung der mindestens einen Metallschicht 10 bzw. des Vorverbunds an das Keramikelement 30 die mindestens eine Metall schicht 10 bzw. der Vorverbund derart bearbeitet wird, dass ein die beiden be nachbarten Metallabschnitte verbindender Steg 14 entfernt wird und/oder derart strukturiert wird, dass zwei benachbarte Metallabschnitte hergestellt werden, zwi schen denen ein vergleichsweise schmaler Isolationsgraben angeordnet ist. Dabei ist es beispielsweise vorstellbar, dass durch den Ätzvorgang in der mindestens ei nen weiteren Metallschicht 10' die gewünschte geschwungene bzw. gebogene Seitenfläche an der gefertigten mindestens einen Metallschicht 10 bzw. am Vor verbund realisiert wird.
In Figur 5 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Metall-Keramik-Substrats 1 ge mäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schematisch dar gestellt. In diesem Ausführungsbeispiel ist es vorgesehen, in die mindestens eine Metallschicht 10 an einer im gefertigten Zustand dem Keramikelement 30 zuge wandten Seite eine Strukturierung vorzunehmen, beispielsweise mittels Ätzens, und anschließend eine Anbindung der mindestens einen Metallschicht 10 an Kera mikelement 30 zu realisieren. Dabei ist es insbesondere vorgesehen, dass die ge ätzten Strukturierungen in der mindestens einen Metallschicht 10 vorzugsweise derart platziert sind, dass sie die Bereiche der geplanten Isolationsgräben festle- gen. Mit einem anschließenden mechanischen Bearbeiten in den Bereichen ober halb dieser geätzten Strukturen, werden die Isolationsgräben freigelegt. Dabei wird durch eine Kombination des Ätzens und des mechanischen Bearbeitens bzw. mittels Laserlicht der Verlauf bzw. die Geometrie der Seitenfläche 15 festgelegt. Damit lassen sich beispielsweise entsprechende Isolationsgräben mit Überschnei dung im Bereich des Keramikelements 30 realisieren. Insbesondere ist dabei nicht zu befürchten, dass mittels des mechanischen Werkzeugs 40 eine Beschädigung am Keramikelement 30 erfolgt.
In Figur 6 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Metall-Keramik-Substrats 1 ge mäß einer sechsten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Dabei unterscheidet sich die Ausführungsform der Figur 6 im Wesentli chen von derjenigen aus der Figur 5 nur dahingehend, dass neben einer Struktu rierung der Seite, die im gefertigten Zustand dem Keramikelement 30 zugewandt ist, zusätzlich eine Strukturierung an der gegenüberliegenden Seite, insbesondere deckungsgleich zur Strukturierung an der dem Keramikelement 30 zugewandten Seite, vorgenommen wird. Dadurch, d. h. durch die beidseitige Strukturierung der mindestens einen Metallschicht 10 ist es auch nach dem Anbinden an das Kerami kelement 30 von außen sichtbar, an welchen Stellen die Strukturierung in der min destens einen Metallschicht 10 platziert sind, um so in den nachfolgenden mecha nischen Bearbeitung, beispielweise mittels eine Fräs- oder eines Sägewerkzeugs, und/oder mittels Laserlicht die Metallbereiche noch zu entfernen, die zwischen den strukturierten Oberseiten oder strukturierten Ausnehmungen an den gegenüberlie genden Seite der mindestens einen Metallschicht 10 zu entfernen, wodurch die Isolationsgräben final freigelegt werden.
In Fig. 7 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Metall-Keramik-Substrats 1 ge mäß einer siebten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Insbesondere ist es dabei vorgesehen, dass in einem Präparations schritt in der mindestens einen Metallschicht 10 Aussparungen bzw. Ausnehmun gen 50 eingelassen werden, insbesondere unter Verwendung eines mechani- sehen Werkzeugs oder Laserlichts, um anschließend die mindestens eine Metall schicht 10 mit der Seite, die die Ausnehmung 50 und/oder Aussparung umfasst, an das Keramikelement 30 anzubinden. Anschließend wird durch ein weiteres Ab tragen von Metall der mindestens einen Metallschicht 10, beispielsweise durch ein Ätzen, die Aussparung bzw. Ausnehmung 50, die während des Anbindungspro zesses dem Keramikelement 30 zugewandt ist, von der gegenüberliegenden Seite kommend freigelegt. Dabei wird vorzugsweise ein gestufter Verlauf der Seitenflä che 15 realisiert, indem an den gegenüberliegenden Seiten der mindestens einen Metallschicht 10 unterschiedlich breite Ausnehmung realisiert werden. Dabei ist es besonders bevorzugt vorgesehen, wenn eine Stufenhöhe der Seitenfläche 15 der einzelnen Stufen in etwa gleich groß ist, um eine möglichst effiziente Wärmesprei zung für die Bauteile, die im Randbereich der mindestens einen Metallschicht 10 bzw. der entsprechenden Metallisierung angeordnet sind, zu bewirken. Alternativ ist es vorstellbar, dass beispielsweise die nach dem Anbinden entstandene Stu fentiefe größer ist als diejenige, die durch den Präparationsschritt beim Ausbilden der Ausnehmung 50 verursacht wurde.
Insbesondere erweist es sich als vorteilhaft, dass durch diese Kombination der Realisierung der Ausnehmung 50 bzw. Aussparung im Präparationsschritt und dem anschließenden Freilegen vergleichsweise dünne Isolationsgräben realisier bar sind.
In den Figuren 8a bis 8h sind verschiedene Ausführungsformen von Metall-Kera- mik-Substraten 1, insbesondere von verschiedenen Isolationsgräben, dargestellt. Bei den Isolationsgräben handelt es sich insbesondere um die Bereiche eines Me- tall-Keramik-Substrats 1, in denen zwei benachbarte Metallschichtabschnitte von einander getrennt sind und über das isolierend wirkende Keramikelement 30 me chanisch miteinander verbunden sind.
In der Figur 8a ist ein gestufter Verlauf der Seitenfläche 15 dargestellt, der bei spielsweise durch das Verfahren aus Figur 7 hergestellt werden kann. Auch alle weiteren in den Figuren 8a bis 8h ausgeführten Ausführungsformen der Seitenflä che 15 lassen sich vorzugsweise durch die Kombination der Bildung einer Aus nehmung 50 und/oder Aussparung mittels eines mechanischen Werkzeugs oder Laserlicht auf der Seite der mindestens einen Metallschicht 10 realisieren, die nach dem Anbinden dem Keramikelement 30 zugewandt ist, während die Ausneh mung 50 und/oder Aussparung auf der dem Keramikelement 30 abgewandten Seite der mindestens einen Metallschicht 10, beispielsweise durch ein Ätzverfah ren, Laserlicht und/oder ein mechanisches Werkzeug realisiert wird, vorzugsweise nach dem Anbinden.
In der Fig. 8b ist eine Seitenfläche 15 dargestellt, bei der zwischen zwei im We sentlichen vertikal verlaufenden Seitenflächenabschnitten 16 ein gegenüber der Haupterstreckungsebene HSE schräg verlaufender Zwischenabschnitt 17 vorge sehen ist.
In der Fig. 8c ist es vorgesehen, dass ein schräg zur Haupterstreckungsebene HSE verlaufender Seitenflächenabschnitt 16 sich von der Oberseite der mindes tens einen Metallschicht 10 bis zu einem sich an das Keramikelement 30 anschlie ßenden im Wesentlichen vertikal verlaufenden Seitenflächenabschnitt 16 er streckt.
Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass die mindestens eine Metallschicht 10 meh rere Seitenflächenabschnitte 16 aufweist, die gegenüber der Haupterstreckungs ebene HSE unterschiedlich geneigt sind. Dabei kann eine der Seitenflächenab schnitte 16 im Wesentlichen vertikal bzw. senkrecht zur Haupterstreckungsebene HSE verlaufen. Durch die unterschiedliche Einstellung verschiedener Neigungs winkel der Seitenflächenabschnitte 16, ist es in vorteilhafter Weise möglich, mehr Einfluss auf das elektrische Verhalten der aneinander angrenzenden Metallab schnitte der mindestens einen Metallschicht 10 zu nehmen. In der Figur 8d ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, das sich im Wesentlichen von dem rein gestuften Verlauf, beispielsweise aus der Figur 8a, dahingehend un terscheidet, dass die mindestens eine Metallschicht 10 auf der dem Keramikele ment 30 zugewandten Seite einen gebogenen Verlauf, insbesondere in Form einer Flinterschneidung 18, aufweist. Mit anderen Worten: Die Figur 8d kombiniert einen geschwungenen Verlauf der mindestens einen Metallschicht 10 in dem an das Ke ramikelement 30 angrenzenden Bereich mit einem gestuften Verlauf der mindes tens einen Metallschicht 10. Dabei ist der gebogene Verlauf derart gewölbt bzw. ausgerichtet, dass eine laterale Ausdehnung der Ausnehmung 50 (gemessen pa rallel zur Haupterstreckungsebene HSE) der mindestens einen Metallschicht 10 mit zunehmenden Abstand vom Keramikelement 30 abnimmt.
In der Figur 8e ist es vorgesehen, dass sich der gebogene bzw. geschwungene Verlauf der mindestens einen Metallschicht 10 - im Gegensatz zu der Ausfüh rungsform aus der Figur 8d - vom Keramikelement 30 bis zu einem im Wesentli chen horizontal verlaufenden Seitenflächenabschnitt 16 erstreckt. Damit fehlt hier der im Wesentlichen vertikal verlaufenden Seitenflächenabschnitt 16 aus der Figur 8d.
In der Ausführungsform des Beispiels der Figur 8f ist es insbesondere vorgese hen, dass durch das sukzessive Ausbilden der Ausnehmungen 50 bei der Bildung des Isolationsgraben, die mindestens eine Metallschicht 10 mit zunehmenden Ab stand von dem Keramikelement 30 in ihrer lateralen Ausdehnung zunächst ver jüngt und dann wiederzunimmt, bis die Seitenfläche 15 in die Oberseite der min destens einen Metallschicht 10 übergeht. Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass die Seitenfläche 15 aus mindestens zwei, vorzugsweise aus genau zwei, drei oder vier, Seitenflächenabschnitten 16 gebildet ist, wobei sich die einzelnen Seitenflä chenabschnitte 16 in ihrer geometrischen Form bzw. in ihrem generellen Verlauf voneinander unterscheiden.
In der Figur 8 g ist es vorgesehen, dass der geschwungene bzw. gebogene Ver lauf der Seitenfläche 15 in dem Seitenflächenabschnitt 16 ausgebildet ist, der dem Keramikelement 30 abgewandt ist. Insbesondere durch ein Ätzen lassen sich hier bei vergleichsweise große Wölbungen bzw. große Krümmungsradien hersteilen, während durch die Verwendung von mechanischen Werkzeugen und/oder Laser licht der schmal und vorzugsweise geradlinig verlaufenden Isolationsgräben mit im Wesentlichen senkrecht zur Haupterstreckungsebene HSE verlaufenden Seiten flächenabschnitten 16 auf der dem Keramikelement 30 zugewandten Seite der mindestens einen Metallschicht 10 realisiert werden.
In dem Ausführungsbeispiel der Figur 8 h ist es insbesondere vorgesehen, dass eine Höhe des im Wesentlichen vertikal verlaufenden Seitenflächenabschitts 16 größer ist, als die Erstreckung des gebogenen Seitenflächenabschnitts 16 in dem Bereich der mindestens einen Metallschicht 10, der dem Keramikelement 30 ab gewandt ist.
In den Figuren 9a und 9b ist ein Verfahren zur Herstellung eines Metall-Keramik- Substrats 1 gemäß einer achten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Dabei ist es vorgesehen, dass zunächst in der mindestens einen Metallschicht 10 auf der im gefertigten Zustand dem Keramikelement 30 zu gewandten Seite mittels eines mechanischen Werkzeugs 40 eine Ausnehmung 50 eingelassen wird. Dabei ist eine Fräs- und/oder Bohrtiefe größer als die Hälfte, be vorzugt größer als 2/3 und besonders bevorzugt größer als % der Dicke D1 der mindestens einen Metallschicht 10. Nach dem Anbinden, beispielsweise über ein Lötmaterial 60, wird die mindestens eine Metallschicht 10 mittels eines Ätzvor gangs bearbeitet, insbesondere in einem Bereich, der nach der Bearbeitung mit dem mechanischen Werkzeug 40 nicht entfernt wurde, d. h. stehengelassen wurde. Dabei ist es bevorzugt vorgesehen, dass der Ätzvorgang derart gesteuert wird, dass an der Seitenfläche 15 ein spitz zulaufender Vorsprung 55 stehen bleibt. Insbesondere bleiben zwei auf derselben Höhe angeordnete spitz zulau fende Vorsprünge 55 nach dem Ätzen übrig. Insbesondere weist der geätzte Ab schnitt der Seitenfläche 15, d. h. der dem Ätzen zugeordneten Seitenflächenab schnitt 16, einen geschwungenen Verlauf auf, der sich insbesondere aus der iso tropen Wirkung des Ätzmittels ergibt. Insbesondere ist es vorgesehen, dass der Vorsprung 55 auf der dem Keramikelement 30 zugewandten Seite einen ebenen, insbesondere im Wesentlichen horizontalen, Verlauf aufweist, während die dem Keramikelement 30 abgewandte Seite einen geschwungen Verlauf aufweist. Vor zugsweise wird dabei für das Ätzen eine strukturierte Resistschicht 70 auf der min destens einen Metallschicht 10 angeordnet, mit der sich die Lokalisierung und/o der Größe der Ätzung mit Vorteil bestimmen lässt. Insbesondere ist der Vorsprung 55 in dem vom Keramikelement 30 abgewandten oberen Abschnitt, d. h. der obe ren Hälfte, bevorzugt dem oberen Drittel und besonders bevorzugt dem oberen Viertel der mindestens einen Metallschicht 10 angeordnet.
In den Figuren 10a bis 10 c sind verschiedene Seitenflächen 15 dargestellt, die sich mit dem Verfahren zur Herstellung der Metall-Keramik-Substrate 1 gemäß ei ner beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung realisieren lassen. Beispielsweise ist es vorstellbar, dass mittels zweier spanender Vorgänge Aus nehmungen 50 unterschiedlicher Breite in die mindestens eine Metallschicht 10 eingelassen werden, beispielsweise an zwei gegenüberliegenden Seiten. In der Figur 10a ist hierzu eine Öffnung an der dem Keramikelement 30 abgewandten Seite der mindestens einen Metallschicht 10 eingelassen. Dadurch ist es möglich, an der Oberseite bzw. an der Außenseite der mindestens einen Metallschicht 10 einen möglichst großen Bereich bereitzustellen, in dem eine Anbindung für elektri sche Bauteile möglich ist. Mit anderen Worten: im Ausführungsbeispiel der Figur 10a erstreckt sich ein von der mindestens einen Metallschicht 10 abstehender Vorsprung 55 zumindest bereichsweise oberhalb des Isolationsgraben. Dabei schließt sich der Vorsprung 55 bündig an die Außenseite der mindestens einen Metallschicht 10 an. Hierzu ist es denkbar, zwei Sägeblätter unterschiedlicher Di cke zu verwenden, die dann entsprechend unterschiedlich breite Ausnehmungen 50 in der mindestens einen Metallschicht 10 an gegenüberliegenden Seiten reali sieren. Dadurch ist es möglich Seitenflächen 15 mit Seitenflächenabschnitten 16 zu realisieren, die seitlich zueinander versetzt sind und bevorzugt zueinander pa rallel verlaufen, so dass sich ein gestufter Verlauf der Seitenfläche 15 realisieren lässt. In diesem Ausführungsbeispiel ist es vorgesehen, dass mittels verschiede- ner nacheinander durchgeführter spanender Vorgänge an einer Seite der mindes tens einen Metallschicht 10 ein gestufter Verlauf in der mindestens einen Metall schicht 10 eingelassen wird, insbesondere in der Hälfte, die dem Keramikelement 30 zugewandt ist. Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass die Seitenflächenab schnitte 16 im Wesentlichen vertikal verlaufen bzw. senkrecht zur Haupterstre ckungsebene HSE. Vorzugsweise umfasst die Seitenfläche mindestens drei, be vorzugt mindestens vier und besonders bevorzugt fünf Stufen. Insbesondere ist es vorgesehen, dass zunächst die dem Keramikelement 30 zugewandte Seite der mindestens einen Metallschicht 10 bearbeitet wird, vorzugsweise mit mehreren spanenden Vorgängen, beispielsweise zur Realisierung eines gestuften Verlaufs. Alternativ werden ein oder mehrere gestufte Formfräser zur Realiesierung des ge stuften Verlaufes verwendet. Anschließend wird die mindestens eine Metallschicht 10 an das Keramikelement 30 angebunden. Nach dem Anbindungsprozess erfolgt dann die Auftrennung der mindestens einen Metallschicht 10 an der dem Kerami kelement 30 abgewandten Seite zur Bildung verschiedener Metallabschnitte in der mindestens einen Metallschicht 10.
Das Ausführungsbeispiel der Figur 10c unterscheidet sich von dem Ausführungs beispiel der Figur 10b dahingehend, dass an der dem Keramikelement 30 abge wandten Außenseite der mindestens einen Metallschicht 10 ein weiterer Bearbei tungsschritt vorgenommen wird, um einen den Isolationsgraben vergrößernden Verlauf auf der der Außenseite der mindestens einen Metallschicht 10 abgewand ten Seite der mindestens einen Metallschicht 10 zu realisieren.
Bezugszeichenliste:
1 Metall-Keramik-Substrat
10 Metallschicht
10' weitere Metallschicht
14 Steg
15 Seitenfläche
16 Seitenflächenabschnitt 17 Zwischenabschnitt
18 Hinterschneidung
20 Rückseitenmetallisierung
30 Keramikelement 40 mechanisches Werkzeug
50 Ausnehmung
55 Vorsprung
60 Lötmaterial
70 Resistschicht D1 Dicke
HSE Haupterstreckungsebene
S Stapelrichtung

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines Metall-Keramik-Substrats (1 ), umfassend:
- Bereitstellen eines Keramikelements (30) und mindestens einer Metall schicht (10), wobei sich das Keramikelement (30) und die mindestens eine Metallschicht (10) entlang einer Haupterstreckungsebene (HSE) erstrecken,
- Verbinden des Keramikelements (30) mit der mindestens einen Metall schicht (10) zur Ausbildung eines Metall-Keramik-Substrats (1), insbeson dere mittels eines Direktmetallanbindungsverfahrens, eines heißisostatischen Pressens und/oder eines Lötverfahrens, und
- Bearbeiten der mindestens einen Metallschicht (10) mittels eines mechani schen Werkzeugs (40) und/oder Laserlicht zum mindestens abschnittsweise Festlegen einer Geometrie einer nicht parallel zur Haupterstreckungsebene (HSE) verlaufenden Seitenfläche (15) der mindestens einen Metallschicht (10).
2. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Geomet rie der Seitenfläche (15) durch eine Kombination aus einem Ätzverfahren ei nerseits und einem Bearbeiten mit einem mechanischen Werkzeug (40) und/oder Laser andererseits festgelegt wird.
3. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mindes tens eine Metallschicht (10) eine senkrecht zur Haupterstreckungsebene (HSE) verlaufende Dicke (D1) aufweist, die größer als 1 mm, bevorzugt grö ßer als 1 ,3 mm und besonders bevorzugt zwischen 1 ,5 mm und 3 mm groß ist.
4. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Bearbei ten mit dem mechanischen Werkzeug (40) und/oder mittels Laserlicht vor dem Verbinden des Keramikelements (30) mit der mindestens einen Metall schicht (10) durchgeführt wird.
5. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Bearbei ten derart durchgeführt wird, dass ein mindestens zwei Abschnitte der min destens einen Metallschicht (10) verbindendender Steg (14) realisiert wird.
6. Verfahren gemäß Anspruch 5, wobei der Steg (14), vorzugsweise nach dem Verbinden, zumindest abschnittsweise entfernt wird, beispielsweise durch Laserlicht und/oder Ätzen und/oder Fräsen und/oder Funkenerodieren und/o der elektro-chemische Verfahren
7. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das mecha nische Werkzeug ein Fräswerkzeug und/oder ein Sägeblatt und/oder einen Stanz- oder Prägeteil umfasst, dessen Form die Geometrie der Seitenfläche (15) bestimmt.
8. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei durch eine Führung des Werkzeugs die Geometrie der Seitenfläche (15) bestimmt wird.
9. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die gefer tigte Seitenfläche (15) schräg und/oder gestuft und/oder segmentiert ver läuft.
10. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die gefer tigte Seitenfläche (15) gebogen und/oder geschwungen verläuft.
11. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mindes tens eine Metallschicht (10) in mehrere isolierte Metallabschnitte unterteilt wird und anschließend die Geometrie der Seitenfläche (15) der isolierten Me tallabschnitte festgelegt wird.
12. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Bearbei ten der mindestens einen Metallschicht (10) zum mindestens abschnittswei- sen Festlegen einer Geometrie einer nicht parallel zur Haupterstreckungs ebene (HSE) verlaufenden Seitenfläche (15) größtenteils mittels Laserlicht durchgeführt wird.
13. Verfahren zur Herstellung eines Metall-Keramik-Substrats (1), umfassend:
- Bereitstellen eines Keramikelements (30), mindestens einer Metallschicht (10) und mindestens einerweiteren Metallschicht (10‘), wobei sich das Kera mikelement (30), die mindestens eine Metallschicht (10) und die mindestens eine weitere Metallschicht (10‘) entlang einer Haupterstreckungsebene (HSE) erstrecken,
- Verbinden der mindestens einen Metallschicht (10) und der mindestens ei nen weiteren Metallschicht (10‘) zu einem Vorverbund,
- Verbinden des Keramikelements (30) mit dem Vorverbund, insbesondere mittels eines Direktmetallanbindungsverfahrens, eines heißisostatischen Pressens und/oder eines Lötverfahrens, und
- Bearbeiten der mindestens einen Metallschicht (10) mittels eines mechani schen Werkzeugs (40) und/oder Laserlicht und Bearbeiten der mindestens einen weiteren Metallschicht (10‘) mittels Ätzens zum mindestens abschnitts weise Festlegen einer Geometrie einer nicht parallel zur Haupterstreckungs ebene (HSE) verlaufenden Seitenfläche (15) des Vorverbunds aus der min destens einen Metallschicht (10) und der mindestens einen weiteren Metall schicht (10‘).
14. Verfahren gemäß Anspruch 13, wobei die mindestens eine Metallschicht (10) und/oder die mindestens eine weitere Metallschicht (10‘) vor dem Verbinden zum Vorverbund strukturiert werden.
15. Metall-Keramik-Substrat (1 ) hergestellt mit einem Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.
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