EP4315418A1 - Method for producing a metal-ceramic substrate, and metal-ceramic substrate produced using a method of this type - Google Patents

Method for producing a metal-ceramic substrate, and metal-ceramic substrate produced using a method of this type

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Publication number
EP4315418A1
EP4315418A1 EP22718103.9A EP22718103A EP4315418A1 EP 4315418 A1 EP4315418 A1 EP 4315418A1 EP 22718103 A EP22718103 A EP 22718103A EP 4315418 A1 EP4315418 A1 EP 4315418A1
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EP
European Patent Office
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metal
metal layer
ceramic
ceramic substrate
ceramic element
Prior art date
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Pending
Application number
EP22718103.9A
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German (de)
French (fr)
Inventor
Thomas Kohl
Bernhard Rettinger
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Rogers Germany GmbH
Original Assignee
Rogers Germany GmbH
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Publication date
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    • C04B2237/368—Silicon nitride

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 10 2013 104 739 A1, DE 19 927 046 B4 and DE 10 2009 033 029 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.
  • An etchant is then used to expose those areas that have remained free of the masking, as a result of which structuring in the metal layer corresponding to the masking is possible.
  • Such a procedure is material and time-consuming, particularly with regard to applying the masking and the use of an etchant.
  • a method for producing a metal-ceramic substrate comprising:
  • the laser light is used to define the course of the structuring, while the etching agent used, for example, serves to uniformly remove material from the at least one metal layer.
  • the etching agent used for example, serves to uniformly remove material from the at least one metal layer.
  • the production or removal by means of laser light and/or by means of an etchant takes place simultaneously, at least at times. i.e. the two independent methods for removing material can overlap in time in order to further speed up the manufacturing process.
  • an etchant is applied to the at least one metal layer over the entire area, while the laser light ensures further removal in further passes. Provision is preferably made for the processing with the laser light and the chemical treatment to be carried out one after the other.
  • Another advantage that results from the combination of etching and ablating with laser light is ensuring that no material of the ceramic element is ablated during processing with the laser light. As a result, damage to the ceramic element by the laser light can be avoided.
  • the removal with the etching agent does not is closed before the structuring with the laser light has been completed.
  • the ablation with the laser light as part of a preparatory or preparation step serves to specify a course for the isolation trenches and/or the depressions, which in turn only receive their final or final depth through the etching step.
  • At least 50%, preferably at least 75% and particularly preferably at least 90% of the material removal takes place by means of laser light.
  • Indentations are understood in particular to mean such profilings in the at least one metal layer that do not lead to an isolation of two adjacent metal sections, but instead are used, for example, to be used as a soldering stop.
  • a soldering stop prevents, for example, the soldering material from flowing unintentionally into certain areas, in that the recess acts as a ditch and receives the soldering material, thus preventing it from flowing further.
  • Conceivable 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, in particular 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.
  • SiC SiC
  • BeO MgO
  • MgO high-density MgO (> 90% of theoretical density)
  • TSZ tetragonal stabilized zirconium oxide
  • the ceramic element prefferably 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. It is also conceivable that 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
  • metal layers or sheets e.g . B. copper sheets or foils or aluminum sheets or foils
  • ceramics or ceramic layers namely using metal or copper sheets or metal or copper foils which have a layer or coating ( Reflow layer)
  • Reflow layer metal or copper sheets or metal or copper foils which have a layer or coating ( Reflow layer)
  • 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 brazing connection.
  • connection between the solder and the metal is a metallic brazing connection.
  • 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 structuring is specified by means of the ablation by the laser light and an isotropically acting etching is used in order to cause an even ablation on the entire upper side of the at least one metal layer.
  • masking is provided.
  • the recess which has a depth that is smaller than the thickness of the at least one metal layer, is produced in the preparatory step before the etching.
  • the recess that has already been formed can then be used to allow an etching medium to flow only into this recess or to concentrate it here.
  • an etchant is applied and, by tilting and swiveling movements on the upper side of the at least one metal layer, protruding etchant either flows off the metal-ceramic substrate or flows into the recess.
  • the chemical process that begins or continues after the end of the laser treatment ensures that a residual amount of the metal layer is removed to form an isolation trench.
  • a masking is provided at least in sections, for example in order to realize a stepped profile or in order to maintain the thickness in the areas outside the planned isolation trenches.
  • the pre-structuring by means of the laser light i.e. the formation of the recess during the preparation step, also proves to be advantageous because it allows the masking to be applied more flexibly and easily, for example by means of a corresponding printing process on the areas that do not have to be removed during the pre-structuring have experienced.
  • a masking is provided at least in sections, which is partially removed with laser light, as a result of which no material is removed from the upper side of the at least one metal layer during etching. The original metal layer thickness can thus be retained, at least in selected areas. In these areas it is also conceivable to structure the at least one metal layer analogously to the other examples mentioned with laser light in combination with the etching process.
  • a geometry of a side surface of the at least one metal layer that does not run parallel to the main plane of extension is preferably defined at least in sections by means of the laser method.
  • this relates to that side surface which connects an upper edge of the at least one metal layer to a lower edge of the at least one metal layer.
  • This side surface which essentially laterally delimits the at least one metal layer, can be shaped accordingly in order to have a particularly advantageous effect on the thermal shock resistance. For example, it has been shown that the thermal shock resistance can be increased by forming a local maximum and/or a local minimum between the upper edge and the lower edge.
  • the manufactured side surface runs obliquely and/or curved and/or curved and/or stepped and/or segmented.
  • Additional positive properties for the metal-ceramic substrate can be caused by the corresponding geometric design, in particular with regard to the temperature change resistance and the ability of the at least one metal layer to be pulled off the ceramic element.
  • the heat spread can also be taken into account when forming the corresponding geometry of at least one metal layer or its side surface.
  • a free area between two mutually insulated and adjacent metal sections has an aspect ratio (height to width of the free area) greater than 1, preferably greater than 1.5 and particularly preferably greater than 2.
  • narrow isolation trenches can be provided, which allow a very compact arrangement of the metal sections, in particular even when the metal layer is comparatively thick, for example greater than 1.5 mm.
  • an ultra-short pulsed laser to be used when ablating with laser light.
  • the light used can be continuously emitted or pulsed light, for example. It is preferably ultra-short-pulse laser light with light pulses whose pulse length or pulse durations are shorter than one nanosecond.
  • the USP laser is preferably a laser source that provides light pulses with a pulse duration of 0.1 to 800 ps, preferably 1 to 500 ps, particularly preferably 10 to 50 ps
  • mechanical processing for example machining, in particular milling, especially in those areas in which a predetermined breaking point is to be embedded later should, along which, in turn, a break between isolated metal-ceramic substrates should take place, for example in a large map.
  • the laser light is used to produce a recess with a depth measured perpendicularly to the main extension plane, with a ratio of a maximum depth of the recess to a thickness of the at least one metal layer being between 0.7 and 0.99, preferably between 0 .8 and 0.98 and more preferably between 0.9 and 0.95.
  • the maximum depth includes the greatest depth to be determined, which is measured from a top side of the at least one metal layer in a direction that runs perpendicular to the main plane of extension. If the depth of the recesses is modulated, the maximum depth also means in particular its arithmetic mean, which is determined, for example, by determining the depth of the recesses at a hundred different positions and then averaging it.
  • the at least one metal layer is preferably made to have a thickness which is greater than 1 mm, preferably greater than 1.5 mm and particularly preferably greater than 2.5 mm. Exploiting or pre-structuring by means of the laser light has proven to be particularly advantageous for such thick metal layers, because this enables particularly small distances to be achieved between two adjacent metal sections, which would otherwise not be possible if material is removed solely using an etchant. As a result, the correspondingly produced printed circuit board can be designed in such a way that metal sections can be realized and formed on the upper side of the ceramic element in the most space-saving manner possible.
  • Another object of the present invention is a method for producing a metal-ceramic substrate, comprising:
  • processing using the chemical method is ended after the end of the mechanical method and/or processing using the mechanical method is carried out as a preparatory step before or partially overlapping with the chemical method.
  • This advantageously makes it possible to avoid the outside of the ceramic element being adversely affected during removal by a mechanical tool. Instead, a remaining metal residue is removed from the outside of the ceramic element in a manner that is gentle on the material and the ceramic element is exposed again in certain areas. This is used for the final formation of the structuring or the desired insulation trenches between two adjacent metal sections.
  • 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 is part of a power module and serves as a carrier for electrical or electronic components.
  • FIG. 2 shows a metal-ceramic substrate according to a second preferred 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 (not shown).
  • 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. Since the at least one metal layer 10 is attached 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 10′, which, for example, are arranged next to one another, electrically isolated from one another, along a direction running parallel to the main plane of extent HSE.
  • 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 voltage coefficients in the at least one metal layer 10 and the ceramic element 30 are.
  • 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 prior art regularly provides for a masking or a resist layer to be applied to the attached at least one metal layer 10 in order to use an etching process to etch the areas to be removed in the at least one metal layer 10 that is not covered by a resist layer or the masking.
  • a structuring 15 of the at least one metal layer 1 which means that, for example, two metal sections 10′ of the at least one metal layer 10 are electrically insulated from one another.
  • applying and producing the masking is expensive and the consumption of the etching agent is comparatively large.
  • FIG. 2 schematically shows a sectional view through a metal-ceramic substrate 1 produced using a method according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • a structure 15 in particular to form a free area between two adjacent metal sections, i.e. to form a so-called isolation trench, material is removed in the at least one metal layer 10 both by using laser light and by etching becomes.
  • a recess 18 is first produced in the at least one metal layer 10 in a preparatory step by means of the laser light, where the recess 18 has a maximum depth T that is smaller than the thickness D of the at least one metal layer 10.
  • the recess 18 has a maximum depth T that is smaller than the thickness D of the at least one metal layer 10.
  • a ratio of a maximum depth T of the recess to a thickness D of the at least one metal layer 10 is a ratio of between 0.7 and 0.99, preferably between 0.8 and 0.98 and particularly preferably between 0. 9 and 0.95 assumes. In other words: a significant proportion of the material is removed from the at least one metal layer 10 by means of the laser light.
  • This can be, for example, a continuously operated cw laser or an ultra-short pulse laser, which is used to remove or abtra gene in the preparation step material of the at least one metal layer 10.
  • mechanical processing is used in order to convince the recess 18 with that maximum depth T as part of a preparatory step, which is smaller than the thickness D of the at least one metal layer 10. This is useful, for example, in cases in which where comparatively large areas are to be exposed, for example in those areas in which later predetermined breaking points are admitted along which, for example in the case of a large card, the metal-ceramic substrate is separated into several individual metal-ceramic substrates.
  • the material of the at least one metal layer 10 is removed by means of an etching process.
  • residual components 13 of the at least one metal layer 10 are removed by means of the etching process, which remain after removing the material of the at least one metal layer 10 by means of the laser light and are removed with the etching process.
  • the use of the etching process results in the removal of the residual components 13 required for the insulation of adjacent metal sections 10', for example in the area of the planned insulation trench.
  • the remaining components 13 also extend over the metal sections 13, which are to remain after the formation of the structuring or the depression on the manufactured metal-ceramic substrate 1.
  • no masking or a resist layer is used in the etching process or in the etching step. This results in material being removed uniformly, in particular on the at least one metal layer 10 , preferably on the side which faces away from the ceramic element 30 . Due to the profiling or contour of the recess 18 with the maximum depth T, which is smaller than the thickness D of the at least one metal layer 10, predetermined by the laser light, this means that, particularly in the area of this recess 18, the remaining residual component 13 of the material the at least one metal layer 10 can be removed in order to realize electrical insulation of two adjacent metal sections 10 ′ in the at least one metal layer 10 .
  • etchant can advantageously be saved and the process preferably also accelerated, since the etching process is only intended for a minor or smaller removal of material, in order to ensure in particular that no damage is caused during production using laser light and/or mechanical processing takes place on the ceramic element 30.
  • the method is also accelerated in particular when the formation of a masking or a resist layer, which specifies the position of the structure 15, is dispensed with.
  • the laser light is used to define at least in sections a geometry of a side face 17 of the at least one metal layer 10 that does not run parallel to the main plane of extension.
  • the laser light it is advantageously possible to use the laser light to specify how an edge region of the at least one metal layer 10 or of the metal sections 10' is designed. This is particularly because of that advantageous because it has proven to be advantageous to implement specific geometries in the side surface 17 for resistance to temperature changes, which connects an upper edge of the at least one metal layer 10 to a lower edge of the at least one metal layer 10, the lower edge representing the at least - Limits at least one metal layer on the side that faces the ceramic element 30, while the upper edge delimits the metal layer 10 on the side facing away from the ceramic element 30.
  • FIG. 3 shows top views of two different manufactured metal-ceramic substrates 1, the manufactured metal-ceramic substrates 1 having been produced using an exemplary method for producing the metal-ceramic substrate 1 according to the present invention.
  • the upper representation in FIG. 3 shows an island-like, square metal section 10', while in the lower representation a substantially circular free area for the structure 15 is realized in the at least one metal layer 10.

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Abstract

The present invention relates to a method for producing a metal-ceramic substrate (1) comprising: - providing a ceramic element (30) and at least one metal layer (10), wherein the ceramic element (30) and the at least one metal layer (10) extend along a main extension plane (HSE), - joining the ceramic element (30) to the at least one metal layer (10) to form a metal-ceramic substrate (1), in particular by means of a direct metal joining method, a hot isostatic pressing method and/or a soldering method. A structuring, preferably for forming an insulation of metal sections (10') and/or a recess, preferably for forming a solder stop is provided in the at least one metal layer (10) by means of a laser method and a chemical method, in particular an etching.

Description

Verfahren zur Herstellung eines Metall-Keramik-Substrats und Metall- Keramik-Substrat hergestellt mit einem solchen Verfahren Method for producing a metal-ceramic substrate and metal-ceramic substrate produced by such a method
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Metall-Kera- mik-Substrats und ein Metall-Keramik-Substrat, hergestellt mit einem solchen Ver fahren. The present invention relates to a method for producing a metal-ceramic substrate and a metal-ceramic substrate produced using such a method.
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 10 2013 104 739 A1 , der DE 19 927 046 B4 und der DE 10 2009 033 029 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. Carrier substrates for electrical components, for example in the form of metal-ceramic substrates, are well known, for example as printed circuit boards or circuit boards from the prior art, for example from DE 10 2013 104 739 A1, DE 19 927 046 B4 and DE 10 2009 033 029 A1 . Typically, 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.
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. Der Stand der Technik sieht es üblicherweise vor, dass zur Strukturierung bzw. Profilierung der mindestens einen Metallschicht ein Ätzverfahren herangezogen wird. Hierzu wird auf eine dem Keramikelement abgewandten Seite der Metall schicht eine Maskierung, insbesondere in Form einer Resistschicht, aufgebracht. Im Anschluss wird ein Ätzmittel dazu verwendet, diejenigen Bereiche freizulegen, die von der Maskierung freigeblieben sind, wodurch eine der Maskierungen ent sprechende Strukturierung in der Metallschicht möglich ist. Allerdings ist ein sol ches Vorgehen material- und zeitaufwändig, insbesondere in Hinblick auf das Auf trägen der Maskierungen und die Verwendung eines Ätzmittels. For such carrier substrates, in particular for metal-ceramic substrates, due to the different choice of material for the insulating layer on the one hand and the metallization on the other hand, there is the problem that, due to different thermal expansion coefficients when heat is generated, which can occur, for example, during operation or during production of the carrier substrate, thermome chanical stresses can be induced or caused, which can lead to bending or even damage to the carrier substrate. The prior art usually provides that an etching process is used for structuring or profiling of the at least one metal layer. For this purpose, a masking, in particular in the form of a resist layer, is applied to a side of the metal layer facing away from the ceramic element. An etchant is then used to expose those areas that have remained free of the masking, as a result of which structuring in the metal layer corresponding to the masking is possible. However, such a procedure is material and time-consuming, particularly with regard to applying the masking and the use of an etchant.
Hiervon ausgehend macht es sich die vorliegende Erfindung zur Aufgabe, den Zeitaufwand und/oder Materialaufwand bei der Herstellung von Metall-Keramik- Substraten, insbesondere bei deren Strukturierungen, zu reduzieren. Proceeding from this, it is the object of the present invention to reduce the expenditure of time and/or material in the production of metal-ceramic substrates, in particular in their structuring.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und ein Metall- Keramik-Substrat gemäß Anspruch 10. Weiterbildung und weitere Ausführungsfor men sind den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Figuren zu entneh men. This object is achieved by a method according to claim 1 and a metal-ceramic substrate according to claim 10. Further developments and further embodiments can be found in the dependent claims, the description and the figures.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Her stellung eines Metall-Keramik-Substrats, vorgesehen, umfassend: According to a first aspect of the present invention, there is a method for producing a metal-ceramic substrate, comprising:
- Bereitstellen eines Keramikelements und mindestens einer Metallschicht, wobei sich das Keramikelement und die mindestens eine Metallschicht entlang einer Haupterstreckungsebene erstrecken und - Providing a ceramic element and at least one metal layer, wherein the ceramic element and the at least one metal layer extend along a main extension plane and
- 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, wobei eine Strukturierung, vorzugsweise zur Bildung einer Isolation von Metallab schnitten, und/oder eine Vertiefung, vorzugsweise zur Bildung eines Lötstopps, in der mindestens einen Metallschicht mit einem Laserverfahren und einem chemi schen Verfahren, insbesondere einem Ätzen, realisiert wird. Gegenüber dem Stand der Technik ist es erfindungsgemäß vorgesehen zum Strukturieren nicht ausschließlich die Nutzung eines Ätzmittels heranzuziehen, sondern zusätzlich Laserlicht dazu zu verwenden, einen Materialabtrag zu veran lassen, der der Bildung der Strukturierung und/oder der Vertiefung dient. Durch die Kombination dieser beiden Verfahren ist es in vorteilhafter Weise möglich, auf die Ausbildung einer Maskierung zu verzichten. Insbesondere ist es dabei vorgese hen, dass das Laserlicht dazu verwendet wird, den Verlauf der Strukturierung fest zulegen, während beispielsweise das herangezogene Ätzmittel für einen gleich mäßigen Abtrag von Material der mindestens einen Metallschicht dient. Dadurch dass das Laserlicht die Vorgaben macht, in welchen Bereichen ein erhöhter Mate rialabtrag erfolgt, ist somit nicht länger die Vorgabe durch eine Maskierung erfor derlich, wodurch das Herstellen der Strukturierung beschleunigt und der Material aufwand reduziert wird, da beispielsweise kein Material für die Bildung einer Mas kierung erforderlich ist. - Connecting the ceramic element to the at least one metal layer to form a metal-ceramic substrate, in particular by means of a direct metal connection process, hot isostatic pressing and/or a soldering process, with structuring, preferably to form insulation from metal sections, and/or a Depression, preferably for the formation of a solder stop, is realized in the at least one metal layer with a laser process and a chemical process, in particular etching. Compared to the prior art, it is provided according to the invention not only to use an etchant for structuring, but also to use laser light to cause material removal, which serves to form the structuring and/or the depression. The combination of these two methods makes it possible in an advantageous manner to dispense with the formation of a mask. In particular, it is provided that the laser light is used to define the course of the structuring, while the etching agent used, for example, serves to uniformly remove material from the at least one metal layer. The fact that the laser light makes the specifications as to the areas in which increased material removal takes place means that masking is no longer required, which speeds up the production of the structuring and reduces the cost of material, for example because there is no material for the formation of a masking is required.
Dabei ist es vorstellbar, dass das Herstellen bzw. der Abtrag mittels Laserlicht und/oder mittels Ätzmittel zumindest zeitweise gleichzeitig erfolgt. D. h. die beiden voneinander unabhängigen Verfahren zum Abtragen von Material können sich zeitlich überlappen, um so das Fertigungsverfahren weiter zu beschleunigen. Bei spielsweise ist es vorstellbar, dass nach einer festgelegten Anzahl von Überfahr ten mit dem Laserlicht flächendeckend ein Ätzmittel auf die mindestens eine Me tallschicht aufgetragend wird, während das Laserlicht in weiteren Überfahrten für einen weiteren Abtrag sorgt. Bevorzugt ist es vorgesehen, dass die Bearbeitung mit dem Laserlicht und die chemische Behandlung nacheinander durchgeführt werden. It is conceivable that the production or removal by means of laser light and/or by means of an etchant takes place simultaneously, at least at times. i.e. the two independent methods for removing material can overlap in time in order to further speed up the manufacturing process. For example, it is conceivable that after a specified number of passes with the laser light, an etchant is applied to the at least one metal layer over the entire area, while the laser light ensures further removal in further passes. Provision is preferably made for the processing with the laser light and the chemical treatment to be carried out one after the other.
Ein weiterer Vorteil, der sich aus der Kombination von Ätzen und dem Abtragen mit Laserlicht, ergibt, ist das Sicherstellen, dass bei der Bearbeitung mit dem La serlicht kein Material des Keramikelements abgetragen wird. Dadurch lässt sich eine Schädigung des Keramikelements durch das Laserlicht vermeiden. Hierzu ist es insbesondere vorgesehen, dass das Abtragen mit dem Ätzmittel nicht abge- schlossen ist, bevor das Strukturieren mit dem Laserlicht beendet wurde. Insbe sondere dient das Abtragen mit dem Laserlicht im Rahmen eines Vorbereitungs- bzw. Präparationsschritts der Vorgabe eines Verlaufs der Isolationsgräben und/o der der Vertiefungen, die wiederum ihre finale oder abschließende Tiefe erst durch den Ätzschritt erhalten. Another advantage that results from the combination of etching and ablating with laser light is ensuring that no material of the ceramic element is ablated during processing with the laser light. As a result, damage to the ceramic element by the laser light can be avoided. For this purpose, it is provided in particular that the removal with the etching agent does not is closed before the structuring with the laser light has been completed. In particular, the ablation with the laser light as part of a preparatory or preparation step serves to specify a course for the isolation trenches and/or the depressions, which in turn only receive their final or final depth through the etching step.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass mindestens 50 %, bevorzugt mindestens 75% und besonders bevorzugt mindestens 90 % des Materialabtrags mittels Laserlicht erfolgt. It is preferably provided that at least 50%, preferably at least 75% and particularly preferably at least 90% of the material removal takes place by means of laser light.
Als Vertiefungen werden insbesondere solche Profilierungen in der mindestens ei nen Metallschicht verstanden, die nicht zu einer Isolation zweier benachbarter Me tallabschnitte führen, sondern beispielsweise dazu dienen, als Lötstopp verwendet zu werden. Ein solcher Lötstopp verhindert beispielsweise, dass ungewollte Flie ßen des Lötmaterials in bestimmte Bereiche, indem die Vertiefung als Graben das Lötmaterial aufnimmt und so am Weiterfließen hindert. Indentations are understood in particular to mean such profilings in the at least one metal layer that do not lead to an isolation of two adjacent metal sections, but instead are used, for example, to be used as a soldering stop. Such a soldering stop prevents, for example, the soldering material from flowing unintentionally into certain areas, in that the recess acts as a ditch and receives the soldering material, thus preventing it from flowing further.
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. Conceivable 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, in particular 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. Furthermore, it is preferably provided that the primary metal layer, in particular as a component metallization, is surface-modified. For example, 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.
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. The ceramic element preferably has Al2O3, S13N4, AlN, an HPSX ceramic (ie a ceramic with an Al2O3 matrix that includes an x percent share of Zr0 2 , for example Al2O3 with 9% Zr0 2 = HPS9 or Al2O3 with 25% Zr0 2 = HPS25), SiC, BeO, MgO, high-density MgO (> 90% of theoretical density), TSZ (tetragonal stabilized zirconium oxide) or ZTA as the material for the ceramics. 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. It is also conceivable that 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.
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. The person skilled in the art understands a “DCB method” (Direct Copper Bond Technology) or a “DAB method” (Direct Aluminum Bond Technology) to mean such a method which is used, for example, for connecting metal layers or sheets (e.g . B. copper sheets or foils or aluminum sheets or foils) together and/or with ceramics or ceramic layers, namely using metal or copper sheets or metal or copper foils which have a layer or coating ( Reflow layer), have. In this method, described for example in US Pat Placing the foil on the ceramic and by heating all the layers, these can be connected to one another, specifically by melting the metal or copper essentially only in the area of the melting layer or oxide layer.
Insbesondere weist das DCB-Verfahren dann z. B. folgende Verfahrensschritte auf: In particular, the DCB method then z. B. the following process steps:
• Oxidieren einer Kupferfolie derart, dass sich eine gleichmäßige Kupfer oxidschicht ergibt; Auflegen des Kupferfolie auf die Keramikschicht; • oxidizing a copper foil in such a way that a uniform copper oxide layer results; laying the copper foil on the ceramic layer;
• Erhitzen des Verbundes auf eine Prozesstemperatur zwischen etwa 1025 bis 1083°C, z. B. auf ca. 1071 °C; • Heating the composite to a process temperature between about 1025 to 1083°C, e.g. B. to about 1071 ° C;
• Abkühlen auf Raumtemperatur. • Cool down to room temperature.
Unter einem Aktivlot-Verfahren, z. B. zum Verbinden von Metallschichten oder Me tallfolien, insbesondere auch von Kupferschichten oder Kupferfolien mit Keramik material ist ein Verfahren zu verstehen, welches speziell auch zum Herstellen von Metall-Keramik-Substraten verwendet wird, 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,Under 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 Hauptkom 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,
Nb, Ce ist, stellt durch chemische Reaktion eine Verbindung zwischen dem Lot und der Keramik her, während die Verbindung zwischen dem Lot und dem Metall eine metallische Hartlöt-Verbindung ist. Alternativ ist zur Anbindung auch ein Dick schichtverfahren vorstellbar. Nb, Ce is, makes a connection between the solder and the ceramic by chemical reaction, while the connection between the solder and the metal is a metallic brazing connection. Alternatively, a thick layer process is also conceivable for connection.
Das heißisostatische Pressen ist beispielsweise aus der EP 3080055 B1 be kannt, auf deren Inhalt bezüglich des heißisostatischen Pressens hiermit explizit Bezug genommen wird. 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.
Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass die Strukturierung mit dem chemischen Verfahren insbesondere nach Beendigung des Präparationsschritts mit dem La serlicht beendet wird. Dadurch wird sichergestellt, dass ein finaler Abtrag aus schließlich mit dem Ätzmittel erfolgt, wodurch wiederum garantiert werden kann, dass keine Beschädigung durch das Laserlicht an dem Keramikelement erfolgt. Insbesondere ist es vorgesehen, dass bei der Herstellung der Strukturierung auf eine Maskierung während des Ätzens verzichtet wird. Dies ist insbesondere des wegen möglich, weil mittels des Abtrags durch das Laserlicht die Strukturierung vorgegeben wird und ein isotrop wirkendes Ätzen herangezogen wird, um einen gleichmäßigen Abtrag an der gesamten Oberseite der mindestens einen Metall schicht zu veranlassen. Alternativ ist es auch vorstellbar, dass eine Maskierung vorgesehen ist. Denkbar ist auch, dass im Vorbereitungsschritt vor dem Ätzen die Ausnehmung erzeugt wird, die eine Tiefe aufweist, die kleiner ist als die Dicke der mindestens einen Metallschicht. Beispielsweise kann dann die bereits entstan dene Ausnehmung dazu herangezogen werden nur in diese Ausnehmung ein Ätz mittel einfließen zu lassen oder hier zu konzentrieren. Beispielsweise ist es vor stellbar, dass ein Ätzmittel aufgetragen wird und durch Kipp- und Schwenkbewe gungen an der Oberseite der mindestens einen Metallschicht überstehende Ätz mittel entweder von dem Metall-Keramik-Substrat abfließt oder in die Ausnehmung hineinfließt. Provision is preferably made for the structuring with the chemical method to be ended, in particular after the end of the preparation step with the laser light. This ensures that a final removal takes place exclusively with the etchant, which in turn guarantees that the ceramic element is not damaged by the laser light. In particular, it is provided that during the production of the structuring there is no masking during the etching. This is possible in particular because the structuring is specified by means of the ablation by the laser light and an isotropically acting etching is used in order to cause an even ablation on the entire upper side of the at least one metal layer. Alternatively, it is also conceivable that masking is provided. It is also conceivable that the recess, which has a depth that is smaller than the thickness of the at least one metal layer, is produced in the preparatory step before the etching. For example, the recess that has already been formed can then be used to allow an etching medium to flow only into this recess or to concentrate it here. For example, it is conceivable that an etchant is applied and, by tilting and swiveling movements on the upper side of the at least one metal layer, protruding etchant either flows off the metal-ceramic substrate or flows into the recess.
Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass durch das chemische Verfahren, insbeson dere nur durch das chemische Verfahren, ein Abtragen von Metall bewirkt wird, mit dem ein Bereich der Außenseite des Keramikelements freigelegt wird. Mit an deren Worten: das chemische Verfahren, das nach dem Ende der Laserbehand lung einsetzt oder fortgesetzt wird, sorgt dafür, dass eine Restmenge der Metall schicht zur Bildung eines Isolationsgrabens entfernt wird. Provision is preferably made for metal to be removed by the chemical method, in particular only by the chemical method, with which a region of the outside of the ceramic element is exposed. In other words, the chemical process that begins or continues after the end of the laser treatment ensures that a residual amount of the metal layer is removed to form an isolation trench.
Grundsätzlich ist es auch vorstellbar, dass zumindest abschnittsweise eine Mas kierung vorgesehen ist, um beispielsweise einen gestuften Verlauf zu realisieren oder um die Dicke in den Bereichen außerhalb der geplanten Isolationsgräben zu erhalten. Dabei erweist sich die Vorstrukturierung mittels des Laserlichts, d. h. die Bildung der Ausnehmung während des Vorbereitungsschritts, ebenfalls als vorteil haft, weil man dadurch flexibler und vereinfacht die Maskierung auftragen kann, beispielsweise durch ein entsprechendes Druckverfahren auf die Bereiche, die im Rahmen der Vorstrukturierung keinen Materialabtrag erfahren haben. Weiterhin ist es vorstellbar, dass zumindest abschnittsweise eine Maskierung vor gesehen ist, die partiell mit Laserlicht entfernt wird, wodurch beim Ätzen kein Ma terial von der Oberseite der mindestens einen Metallschicht entfernt wird. Damit kann zumindest in ausgewählten Bereichen die ursprüngliche Metallschichtdicke erhalten bleiben. In diesen Bereichen ist es zusätzlich vorstellbar, die mindestens eine Metallschicht analog zu den weiteren genannten Beispielen mit Laserlicht in Kombination mit dem Ätzprozess zu strukturieren. In principle, it is also conceivable that a masking is provided at least in sections, for example in order to realize a stepped profile or in order to maintain the thickness in the areas outside the planned isolation trenches. The pre-structuring by means of the laser light, i.e. the formation of the recess during the preparation step, also proves to be advantageous because it allows the masking to be applied more flexibly and easily, for example by means of a corresponding printing process on the areas that do not have to be removed during the pre-structuring have experienced. Furthermore, it is conceivable that a masking is provided at least in sections, which is partially removed with laser light, as a result of which no material is removed from the upper side of the at least one metal layer during etching. The original metal layer thickness can thus be retained, at least in selected areas. In these areas it is also conceivable to structure the at least one metal layer analogously to the other examples mentioned with laser light in combination with the etching process.
Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass das chemische Verfahren und das Laser verfahren zumindest zeitweise gleichzeitig durchgeführt werden. Dies erweist sich als vorteilhaft für die Geschwindigkeit und die Dauer, die benötigt wird, um die ge wünschte Strukturierung und/oder die Vertiefung zu realisieren. Provision is preferably made for the chemical method and the laser method to be carried out simultaneously, at least at times. This turns out to be advantageous for the speed and the time needed to realize the desired structuring and/or indentation.
Vorzugsweise wird mittels des Laserverfahrens mindestens abschnittsweise eine Geometrie einer nicht parallel zur Haupterstreckungsebene verlaufenden Seiten fläche der mindestens einen Metallschicht festgelegt. Insbesondere betrifft dies diejenige Seitenfläche, die eine obere Kante der mindestens einen Metallschicht mit einer unteren Kante der mindestens einen Metallschicht verbindet. Diese Sei tenfläche, die im Wesentlichen die mindestens eine Metallschicht lateral begrenzt, kann dabei entsprechend ausgeformt werden, um sich insbesondere vorteilhaft auf die Temperaturwechselbeständigkeit auszuwirken. So hat sich beispielsweise gezeigt, dass durch die Ausbildung eines lokalen Maximums und/oder eines loka len Minimums zwischen der oberen Kante und der unteren Kante die Temperatur wechselbeständigkeit erhöht werden kann. A geometry of a side surface of the at least one metal layer that does not run parallel to the main plane of extension is preferably defined at least in sections by means of the laser method. In particular, this relates to that side surface which connects an upper edge of the at least one metal layer to a lower edge of the at least one metal layer. This side surface, which essentially laterally delimits the at least one metal layer, can be shaped accordingly in order to have a particularly advantageous effect on the thermal shock resistance. For example, it has been shown that the thermal shock resistance can be increased by forming a local maximum and/or a local minimum between the upper edge and the lower edge.
Vorzugsweise läuft die gefertigte Seitenfläche schräg und/oder gebogen und/oder geschwungen und/oder gestuft und/oder segmentiert. Durch die entsprechende geometrische Gestaltung lassen sich zusätzliche positive Eigenschaften für das Metall-Keramik-Substrat veranlassen, insbesondere im Hinblick auf die Tempera turwechselbeständigkeit und das Abziehvermögen der mindestens einen Metall schicht von dem Keramikelement. Außerdem lässt sich die Wärmespreizung mit berücksichtigen bei der Ausbildung der entsprechenden Geometrie der mindes tens einen Metallschicht bzw. deren Seitenfläche. Insbesondere ist es vorgesehen, dass ein Freibereich zwischen zwei voneinander isolierten und benachbarten Metallabschnitten ein Aspektverhältnis (Höhe zu Breite des Freibereichs) größer als 1 , bevorzugt größer als 1 ,5 und besonders be vorzugt größer als 2 aufweist. Dadurch lassen sich schmale Isolationsgräben be reitstellen, die eine sehr kompakte Anordnung der Metallabschnitte erlaubt, insbe sondere auch dann, wenn die Metallschicht vergleichsweise dick, beispielsweise größer als 1,5 mm, ist. Dabei macht man sich insbesondere zunutze, dass man nicht nur durch ein isotrop wirkendes Ätzen Material abträgt (mit dem nur ein theo retisches Aspektverhältnis von maximal 1 möglich wäre), sondern auch mittels des gerichteten Laserlichts. Dadurch sind entsprechende Aspektverhältnisse erst mög lich. Preferably, the manufactured side surface runs obliquely and/or curved and/or curved and/or stepped and/or segmented. Additional positive properties for the metal-ceramic substrate can be caused by the corresponding geometric design, in particular with regard to the temperature change resistance and the ability of the at least one metal layer to be pulled off the ceramic element. In addition, the heat spread can also be taken into account when forming the corresponding geometry of at least one metal layer or its side surface. In particular, it is provided that a free area between two mutually insulated and adjacent metal sections has an aspect ratio (height to width of the free area) greater than 1, preferably greater than 1.5 and particularly preferably greater than 2. As a result, narrow isolation trenches can be provided, which allow a very compact arrangement of the metal sections, in particular even when the metal layer is comparatively thick, for example greater than 1.5 mm. In particular, one makes use of the fact that material is removed not only by means of isotropic etching (with which only a theoretical aspect ratio of a maximum of 1 would be possible), but also by means of the directed laser light. Only then are corresponding aspect ratios possible, please include.
Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass beim Abtrag mit Laserlicht ein Ultrakurz- pulslaser verwendet wird. Bei dem verwendeten Licht kann es sich beispielsweise um kontinuierlich emittiertes oder gepulstes Licht handeln. Bevorzugt handelt es sich um Ultakurzpulslaserlicht mit Lichtpulsen, deren Pulslänge oder Pulsdauern kürzer sind als eine Nanosekunde. Vorzugsweise handelt es sich bei dem UKP- Laser um eine Laserquelle, die Lichtpulse mit einer Pulsdauer von 0,1 bis 800 ps, bevorzugt 1 bis 500 ps, besonders bevorzugt von 10 bis 50 ps bereitstellt Provision is preferably made for an ultra-short pulsed laser to be used when ablating with laser light. The light used can be continuously emitted or pulsed light, for example. It is preferably ultra-short-pulse laser light with light pulses whose pulse length or pulse durations are shorter than one nanosecond. The USP laser is preferably a laser source that provides light pulses with a pulse duration of 0.1 to 800 ps, preferably 1 to 500 ps, particularly preferably 10 to 50 ps
Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass die Realisierung der Strukturierung und/o der Vertiefung, insbesondere im Rahmen des Vorbereitungs- bzw. Präparations schritts, zusätzlich von einer mechanischen Bearbeitung unterstützt wird. Bei spielsweise ist es denkbar, dass ein großflächiges Abtragen von Material der min destens einen Metallschicht mittels eines mechanischen Bearbeitens, beispiels weise einer spanenden Bearbeitung, insbesondere einem Fräsen, vorgenommen wird, insbesondere in solchen Bereichen, in denen im späteren Verlauf eine Soll bruchstelle eingelassen werden soll, entlang der wiederrum beispielsweise in einer Großkarte einen Bruch zwischen vereinzelten Metall-Keramik-Substraten erfolgen soll. Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass mittels des Laserlichts eine Aussparung mit einer senkrecht zur Haupterstreckungsebene bemessenen Tiefe hergestellt wird, wobei ein Verhältnis einer maximalen Tiefe der Ausnehmung zu einer Dicke der mindestens einen Metallschicht ein Verhältnis zwischen 0,7 und 0,99, bevorzugt zwischen 0,8 und 0,98 und besonders bevorzugt zwischen 0,9 und 0,95. Unter der maximalen Tiefe wird insbesondere die größte festzustellende Tiefe erfasst, die gemessen wird von einer Oberseite der mindestens einen Metallschicht in einer Richtung, die senkrecht zur Haupterstreckungsebene verläuft. Sofern die Tiefe der Ausnehmungen moduliert ist, ist mit der maximalen Tiefe insbesondere auch des sen arithmetisches Mittel gemeint, das beispielsweise dadurch bestimmt wird, dass an hundert verschiedenen Positionen die Tiefe der Ausnehmungen bestimmt und dann gemittelt wird. Provision is preferably made for the realization of the structuring and/or the indentation, in particular in the context of the preparation step, to be additionally supported by mechanical processing. For example, it is conceivable that a large-area removal of material from at least one metal layer is carried out by means of mechanical processing, for example machining, in particular milling, especially in those areas in which a predetermined breaking point is to be embedded later should, along which, in turn, a break between isolated metal-ceramic substrates should take place, for example in a large map. It is preferably provided that the laser light is used to produce a recess with a depth measured perpendicularly to the main extension plane, with a ratio of a maximum depth of the recess to a thickness of the at least one metal layer being between 0.7 and 0.99, preferably between 0 .8 and 0.98 and more preferably between 0.9 and 0.95. The maximum depth, in particular, includes the greatest depth to be determined, which is measured from a top side of the at least one metal layer in a direction that runs perpendicular to the main plane of extension. If the depth of the recesses is modulated, the maximum depth also means in particular its arithmetic mean, which is determined, for example, by determining the depth of the recesses at a hundred different positions and then averaging it.
Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass die mindestens eine Metallschicht eine Di cke aufweist, die größer als 1 mm, bevorzugt größer als 1 ,5 mm und besonders bevorzugt größer als 2,5 mm ist. Das Ausnutzen bzw. Vorstrukturieren mittels des Laserlichts erweist sich insbesondere für solch dicke Metallschichten als vorteil haft, weil dadurch besonders geringe Abstände zwischen zwei benachbarten Me tallabschnitten realisiert werden können, die andernfalls nicht realisierbar wären, wenn man ausschließlich mittels eines Ätzmittels Material abgetragen wird. Dadurch lässt sich die entsprechend hergestellte Leiterplatte derart ausgestalten, dass möglichst bauraumökonomisch Metallabschnitte an der Oberseite des Kera mikelements realisiert und ausgebildet werden können. Provision is preferably made for the at least one metal layer to have a thickness which is greater than 1 mm, preferably greater than 1.5 mm and particularly preferably greater than 2.5 mm. Exploiting or pre-structuring by means of the laser light has proven to be particularly advantageous for such thick metal layers, because this enables particularly small distances to be achieved between two adjacent metal sections, which would otherwise not be possible if material is removed solely using an etchant. As a result, the correspondingly produced printed circuit board can be designed in such a way that metal sections can be realized and formed on the upper side of the ceramic element in the most space-saving manner possible.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstel lung eines Metall-Keramik-Substrats, umfassend: Another object of the present invention is a method for producing a metal-ceramic substrate, comprising:
- Bereitstellen eines Keramikelements und mindestens einer Metallschicht, wobei sich das Keramikelement und die mindestens eine Metallschicht entlang einer Haupterstreckungsebene erstrecken und - Providing a ceramic element and at least one metal layer, wherein the ceramic element and the at least one metal layer extend along a main extension plane and
- 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, wobei eine Strukturierung, vorzugsweise zur Bildung einer Isolation von Metallab schnitten, und/oder einer Vertiefung, vorzugsweise zur Bildung eines Lötstopps, in der mindestens einen Metallschicht mit einem mechanischen Verfahren, beispiels weise einem Fräsen oder Drehen, und einem chemischen Verfahren, insbeson dere einem Ätzen, realisiert wird. Alle für das Verfahren zur Herstellung des Me- tall-Keramik-Elements mit Laserlicht beschriebenen Vorteile und Eigenschaften gelten analog für das Verfahren zur Herstellung des Metall-Keramik-Elements mit tels mechanischem Verfahren. - Connecting the ceramic element to the at least one metal layer to form a metal-ceramic substrate, in particular by means of a direct metal connection method, hot isostatic pressing and/or a soldering method, structuring, preferably to form insulation of metal sections, and/or a recess, preferably to form a solder stop, in the at least one metal layer using a mechanical method, for example milling or turning, and a chemical method, in particular one Etching, is realized. All the advantages and properties described for the method for producing the metal-ceramic element using laser light apply analogously to the method for producing the metal-ceramic element using a mechanical method.
Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass eine Bearbeitung mit dem chemischen Ver fahren nach Beendigung des mechanischen Verfahrens beendet wird und/oder eine Bearbeitung mittels des mechanischen Verfahrens als Vorbereitungsschritt zeitlich vor oder teilweise überlappend mit dem chemischen Verfahren durchge führt wird. Dadurch ist es in vorteilhafter Weise möglich zu vermeiden, dass beim Abtragen durch ein mechanisches Werkzeug, die Außenseite des Keramikele ments beeinträchtigt wird. Stattdessen wird schonend ein übrigbleibender Metall rest in materialschonender Weise von der Außenseite des Keramikelements abge tragen und das Keramikelement bereichsweise wieder freigelegt. Dies dient zur abschließenden Ausbildung der Strukturierung bzw. der gewünschten Isolations gräben zwischen zwei benachbarten Metallabschnitten. It is preferably provided that processing using the chemical method is ended after the end of the mechanical method and/or processing using the mechanical method is carried out as a preparatory step before or partially overlapping with the chemical method. This advantageously makes it possible to avoid the outside of the ceramic element being adversely affected during removal by a mechanical tool. Instead, a remaining metal residue is removed from the outside of the ceramic element in a manner that is gentle on the material and the ceramic element is exposed again in certain areas. This is used for the final formation of the structuring or the desired insulation trenches between two adjacent metal sections.
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. 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. In particular, the metal-ceramic substrate is part of a power module and serves as a carrier for electrical or electronic components.
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: Further advantages and features emerge from the following description of preferred embodiments of the subject according to the invention with reference to the attached figures. Individual features of the individual embodiment can be combined with one another within the scope of the invention. It shows:
Fig.1: ein Metall-Keramik-Substrat gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung 1: a metal-ceramic substrate according to a first preferred embodiment of the present invention
Fig. 2 ein Metall-Keramik-Substrat gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung 2 shows a metal-ceramic substrate according to a second preferred embodiment of the present invention
Fig. 3 Metall-Keramik-Substrate gemäß einer dritten bevorzugten Aus führungsform der vorliegenden Erfindung Fig. 3 metal-ceramic substrates according to a third preferred embodiment of the present invention
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 (nicht dargestellt). Dabei ist es insbesondere vorgesehen, dass das Metall-Keramik-Substrat 1 ein Keramikelement 30 und mindestens eine Metallschicht 10 aufweist, wobei sich das Keramikelement 30 und die mindestens eine Metallschicht 10 entlang einer Haupterstreckungsebene HSE erstrecken. Da bei ist die mindestens eine Metallschicht 10 an dem Keramikelement 30 angebun den, 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 10' aufweist, die beispielsweise elektrisch isoliert voneinander nebeneinander entlang einer pa rallel zur Haupterstreckungsebene HSE verlaufenden Richtung angeordnet sind. FIG. 1 shows a schematic representation of a metal-ceramic substrate 1 according to a first preferred embodiment of the present invention. Such a metal-ceramic substrate 1 is preferably a carrier for electrical components (not shown). 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. Since the at least one metal layer 10 is attached 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. In particular, it is provided that the at least one metal layer 10 has a plurality of metal sections 10′, which, for example, are arranged next to one another, electrically isolated from one another, along a direction running parallel to the main plane of extent HSE.
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. 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 voltage coefficients in the at least one metal layer 10 and the ceramic element 30 are. At the same time, 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.
Zur Realisierung einer Strukturierung 15, die beispielsweise zwei benachbarte Me tallabschnitte 10' voneinander trennt, sieht es der Stand der Technik regelmäßig vor, eine Maskierung, bzw. eine Resistschicht auf die angebundene mindestens eine Metallschicht 10 aufzubringen, um so mittels eines Ätzverfahrens die Berei che in der mindestens einen Metallschicht 10 zu entfernen, die nicht von einer Re sistschicht bzw. der Maskierung bedeckt werden. Dadurch ist es vorteilhafterweise möglich, eine Strukturierung 15 der mindestens einen Metallschicht 1 vorzuneh men, die dazu führt, dass beispielsweise zwei Metallabschnitte 10' der mindestens einen Metallschicht 10 voneinander elektrisch isoliert sind. Allerdings ist das Auf trägen und Herstellen der Maskierung aufwendig und der Verbrauch des Ätzmit tels vergleichsweise groß. In order to implement a structure 15 which, for example, separates two adjacent metal sections 10' from one another, the prior art regularly provides for a masking or a resist layer to be applied to the attached at least one metal layer 10 in order to use an etching process to etch the areas to be removed in the at least one metal layer 10 that is not covered by a resist layer or the masking. As a result, it is advantageously possible to carry out a structuring 15 of the at least one metal layer 1, which means that, for example, two metal sections 10′ of the at least one metal layer 10 are electrically insulated from one another. However, applying and producing the masking is expensive and the consumption of the etching agent is comparatively large.
In Figur 2 ist schematisch eine Schnittansicht durch ein Metall-Keramik-Substrat 1 , hergestellt mit einem Verfahren gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, dargestellt. Insbesondere ist es vorgesehen, dass zur Herstellung einer Strukturierung 15, insbesondere zur Bildung eines Freibereichs zwischen zwei benachbarten Metallabschnitten, d.h. zur Bildung eines sogenann ten Isolationsgrabens, ein Materialabtrag in der mindestens einen Metallschicht 10 sowohl durch die Verwendung von Laserlicht als auch durch ein Ätzen realisiert wird. FIG. 2 schematically shows a sectional view through a metal-ceramic substrate 1 produced using a method according to an exemplary embodiment of the present invention. In particular, it is provided that to produce a structure 15, in particular to form a free area between two adjacent metal sections, i.e. to form a so-called isolation trench, material is removed in the at least one metal layer 10 both by using laser light and by etching becomes.
Bevorzugt wird hierbei zunächst in einem Vorbereitungsschritt mittels des Laser lichts eine Ausnehmung 18 in der mindestens einen Metallschicht 10 erzeugt, wo bei die Ausnehmung 18 eine maximale Tiefe T aufweist, die kleiner ist als die Di cke D der mindestens einen Metallschicht 10. Dadurch wird sichergestellt, dass bei der Bearbeitung der mindestens einen Metallschicht 10 mit dem Laserlicht kein vollständiges Abtragen des Materials aus der mindestens einen Metallschicht 10 erfolgt. Dies stellt sicher, dass das Laserlicht am Ende der Bearbeitung der min destens einen Metallschicht 10 keine Bestandteile des angebundenen Keramikele ments entfernt. Insbesondere ist es hierbei vorgesehen, dass ein Verhältnis einer maximalen Tiefe T der Ausnehmung zu einer Dicke D der mindestens einen Me tallschicht 10 ein Verhältnis zwischen 0,7 und 0,99 bevorzugt zwischen 0,8 und 0,98 und besonders bevorzugt zwischen 0,9 und 0,95 annimmt. Mit anderen Wor ten: Es wird ein signifikanter Anteil des Materials aus der mindestens einen Metall schicht 10 mittels des Laserlichts entfernt. Preferably, a recess 18 is first produced in the at least one metal layer 10 in a preparatory step by means of the laser light, where the recess 18 has a maximum depth T that is smaller than the thickness D of the at least one metal layer 10. This ensures that when processing the at least one metal layer 10 with the laser light, the material is not completely removed from the at least one metal layer 10 he follows. This ensures that the laser light does not remove any components of the bonded ceramic element at the end of the processing of the at least one metal layer 10 . In particular, it is provided here that a ratio of a maximum depth T of the recess to a thickness D of the at least one metal layer 10 is a ratio of between 0.7 and 0.99, preferably between 0.8 and 0.98 and particularly preferably between 0. 9 and 0.95 assumes. In other words: a significant proportion of the material is removed from the at least one metal layer 10 by means of the laser light.
Dabei kann es sich beispielsweise um einen kontinuierlich betriebenen cw-Laser oder ein Ultrakurzpuls-Laser handeln, der dazu verwendet wird, im Vorbereitungs schritt Material der mindestens einen Metallschicht 10 zu entfernen bzw. abzutra gen. Alternativ ist es auch vorstellbar, dass zusätzlich zu der Bearbeitung mit dem Laserlicht eine mechanische Bearbeitung herangezogen wird, um im Rahmen ei nes Vorbereitungsschrittes die Ausnehmung 18 mit derjenigen maximalen Tiefe T zu überzeugen, die kleiner ist als die Dicke D der mindestens einen Metallschicht 10. Dies bietet sich beispielsweise in solchen Fällen an, in denen vergleichsweise große Flächen freigelegt werden sollen, beispielsweise in solchen Bereiche, in de nen später Sollbruchstellen eingelassen werden, entlang derer, beispielsweise im Falle einer Großkarte, das Metall-Keramik-Substrat in mehrere einzelne Metall-Ke- ramik-Substrate vereinzelt wird. This can be, for example, a continuously operated cw laser or an ultra-short pulse laser, which is used to remove or abtra gene in the preparation step material of the at least one metal layer 10. Alternatively, it is also conceivable that in addition to the Processing with the laser light, mechanical processing is used in order to convince the recess 18 with that maximum depth T as part of a preparatory step, which is smaller than the thickness D of the at least one metal layer 10. This is useful, for example, in cases in which where comparatively large areas are to be exposed, for example in those areas in which later predetermined breaking points are admitted along which, for example in the case of a large card, the metal-ceramic substrate is separated into several individual metal-ceramic substrates.
Im Anschluss an den Vorbereitungsschritt, in dem die Ausnehmung 18 mit der ma ximale Tiefe T, die kleiner ist als die Dicke D der mindestens einen Metallschicht 10, erzeugt wird, erfolgt ein Abtragen des Materials der mindestens einen Metall schicht 10 mittels eines Ätzverfahrens. Insbesondere ist es vorgesehen, dass mit tels des Ätzverfahrens Restbestandteile 13 der mindestens einen Metallschicht 10 abgetragen werden, die nach dem Abtragen des Materials, der mindestens einen Metallschicht 10 mittels des Laserlichts übrig geblieben sind und mit dem Ätzver fahren abgetragen werden. Mit anderen Worten: Durch die Verwendung des Ätz verfahrens erfolgt die zur Isolation benachbarte Metallabschnitte 10' erforderliche Abtragung der Restbestandteile 13, beispielsweise im Bereich des geplanten Iso lationsgrabens. Dabei erstrecken sich beispielsweise die Restbestandteile 13 auch über den Metallabschnitten 13, die nach dem Ausbilden der Strukturierung bzw. der Vertiefung am gefertigten Metall-Keramik-Substrat 1 erhalten blieben sollen. Subsequent to the preparatory step, in which the recess 18 is produced with the maximum depth T, which is less than the thickness D of the at least one metal layer 10, the material of the at least one metal layer 10 is removed by means of an etching process. In particular, it is provided that residual components 13 of the at least one metal layer 10 are removed by means of the etching process, which remain after removing the material of the at least one metal layer 10 by means of the laser light and are removed with the etching process. In other words, the use of the etching process results in the removal of the residual components 13 required for the insulation of adjacent metal sections 10', for example in the area of the planned insulation trench. In this case, for example, the remaining components 13 also extend over the metal sections 13, which are to remain after the formation of the structuring or the depression on the manufactured metal-ceramic substrate 1.
Dabei ist es bevorzugt vorgesehen, dass beim Ätzverfahren bzw. beim Ätzschritt auf eine Maskierung oder einer Resistschicht verzichtet wird. Dies führt dazu, dass ein gleichmäßiger Abtrag von Material, insbesondere an der mindestens einen Metallschicht 10, erfolgt, vorzugsweise an der Seite, die dem Keramikelement 30 abgewandt ist. Aufgrund der durch das Laserlicht vorgegebenen Profilierung oder Kontur der Ausnehmung 18 mit der maximalen Tiefe T, die kleiner ist als die Dicke D der mindestens einen Metallschicht 10, führt dies dazu, dass insbesondere in dem Bereich dieser Ausnehmung 18 der übrig gelassene Restbestandteil 13 des Materials der mindestens einen Metallschicht 10 entfernt werden kann, um so eine elektrische Isolation zweier benachbarter Metallabschnitte 10' in der mindestens einen Metallschicht 10 zu realisieren. It is preferably provided that no masking or a resist layer is used in the etching process or in the etching step. This results in material being removed uniformly, in particular on the at least one metal layer 10 , preferably on the side which faces away from the ceramic element 30 . Due to the profiling or contour of the recess 18 with the maximum depth T, which is smaller than the thickness D of the at least one metal layer 10, predetermined by the laser light, this means that, particularly in the area of this recess 18, the remaining residual component 13 of the material the at least one metal layer 10 can be removed in order to realize electrical insulation of two adjacent metal sections 10 ′ in the at least one metal layer 10 .
Daher ist es mit der beschriebenen Vorgehensweise in vorteilhafterweise möglich, auf ein aufwendiges Maskieren bzw. Ausbilden einer Resistschicht an der Ober seite der mindestens einen Metallschicht 10 zu verzichten. Außerdem kann in vor teilhafterweise Ätzmittel gespart werden und das Verfahren bevorzugt auch be schleunigt werden, da das Ätzverfahren nur noch für einen geringfügigen bzw. kleineren Abtrag von Material vorgesehen ist, um insbesondere sicherzustellen, dass beim Herstellen mittels Laserlichts und/oder mechanischer Bearbeitung kein Schaden an dem Keramikelement 30 erfolgt. Die Beschleunigung des Verfahrens ergibt sich insbesondere auch dann, wenn auf die Ausbildung einer Maskierung bzw. einer Resistschicht verzichtet wird, die die Lage der Strukturierung 15 vor gibt. It is therefore advantageously possible with the procedure described to dispense with complex masking or formation of a resist layer on the upper side of the at least one metal layer 10 . In addition, etchant can advantageously be saved and the process preferably also accelerated, since the etching process is only intended for a minor or smaller removal of material, in order to ensure in particular that no damage is caused during production using laser light and/or mechanical processing takes place on the ceramic element 30. The method is also accelerated in particular when the formation of a masking or a resist layer, which specifies the position of the structure 15, is dispensed with.
Vorzugsweise ist es dabei vorgesehen, dass mittels des Laserlichts mindestens abschnittsweise eine Geometrie einer nicht parallel zur Haupterstreckungsebene verlaufenden Seitenfläche 17 der mindestens einen Metallschicht 10 festgelegt wird. Dadurch ist es in vorteilhafterweise möglich, mit dem Laserlicht bereits die Vorgabe zu machen, wie ein Randbereich der mindestens einen Metallschicht 10 bzw. der Metallabschnitte 10' ausgestaltet ist. Dies ist insbesondere deswegen von Vorteil, da es sich als vorteilhaft erwiesen hat, für die Temperaturwechselbe ständigkeit bestimmte Geometrien in der Seitenfläche 17 zu realisieren, die eine obere Kante der mindestens einen Metallschicht 10 mit einer unteren Kante der mindestens einen Metallschicht 10 verbindet, wobei die untere Kante die mindes- tens eine Metallschicht an der Seite begrenzt, die dem Keramikelement 30 zuge wandt ist, während die obere Kante die Metallschicht 10 an derjenigen Seite be grenz, die dem Keramikelement 30 abgewandt ist. It is preferably provided that the laser light is used to define at least in sections a geometry of a side face 17 of the at least one metal layer 10 that does not run parallel to the main plane of extension. As a result, it is advantageously possible to use the laser light to specify how an edge region of the at least one metal layer 10 or of the metal sections 10' is designed. This is particularly because of that advantageous because it has proven to be advantageous to implement specific geometries in the side surface 17 for resistance to temperature changes, which connects an upper edge of the at least one metal layer 10 to a lower edge of the at least one metal layer 10, the lower edge representing the at least - Limits at least one metal layer on the side that faces the ceramic element 30, while the upper edge delimits the metal layer 10 on the side facing away from the ceramic element 30.
In Figur 3 sind Draufsichten auf zwei verschiedene gefertigte Metall-Keramik-Sub- strate 1 dargestellt, wobei die gefertigten Metall-Keramik-Substrate 1 mit einem beispielhaften Verfahren zur Herstellung des Metall-Keramik-Substrats 1 gemäß der vorliegenden Erfindung hegestellt wurden. Insbesondere zeigt die obere Dar stellung in Figur 3 eine inselartigen, quadratischen Metallabschnitt 10‘, während in der unteren Darstellung ein im Wesentlich kreisrunder Freibereich für die Struktu- rierung 15 in der mindestens einen Metallschicht 10 realisiert wird. FIG. 3 shows top views of two different manufactured metal-ceramic substrates 1, the manufactured metal-ceramic substrates 1 having been produced using an exemplary method for producing the metal-ceramic substrate 1 according to the present invention. In particular, the upper representation in FIG. 3 shows an island-like, square metal section 10', while in the lower representation a substantially circular free area for the structure 15 is realized in the at least one metal layer 10.
Bezuqszeichen: Reference sign:
1 Metall-Keramik-Substrat 1 metal-ceramic substrate
10 Metallschicht 10 metal layer
10 Metallabschnitt 10 metal section
13 Restbestandteile 13 remaining ingredients
14 Vertiefung 14 deepening
15 Strukturierung 15 Structuring
17 Seitenfläche 17 side face
18 Ausnehmung 18 recess
20 Rückseitenmetallisierung 20 back metallization
30 Keramikelement 30 ceramic element
S Stapelrichtung S stacking direction
D Dicke D thickness
T Tiefe T depth
Haupterstreckungsebene main extension level

Claims

Ansprüche Expectations
1. Verfahren zur Herstellung eines Metall-Keramik-Substrats (1 ), umfassend: 1. A method for producing a metal-ceramic substrate (1), comprising:
- 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 und - Providing a ceramic element (30) and at least one metal layer (10), wherein the ceramic element (30) and the at least one metal layer (10) extend along a main extension plane (HSE) and
- 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, wobei eine Strukturierung (15), vorzugsweise zur Bildung einer Isolation von Metallabschnitten (10‘), und/oder einer Vertiefung (14), vorzugsweise zur Bil dung eines Lötstopps, in der mindestens einen Metallschicht (10) mit einem Laserverfahren und einem chemischen Verfahren, insbesondere einem Ät zen, realisiert wird. - Connecting the ceramic element (30) to the at least one metal layer (10) to form a metal-ceramic substrate (1), in particular by means of a direct metal connection method, hot isostatic pressing and/or a soldering method, with a structuring (15), preferably for forming an insulation of metal sections (10'), and/or a depression (14), preferably for forming a soldering stop, in the at least one metal layer (10) with a laser process and a chemical process, in particular an etching process becomes.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1 , wobei eine Bearbeitung mit dem chemischen Verfahren nach Beendigung des Laserverfahrens beendet wird. 2. The method according to claim 1, wherein processing with the chemical process is terminated after the laser process has ended.
3. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Bear beitung mittels des Laserverfahrens als Vorbereitungsschritt zeitlich vor dem chemischen Verfahren durchgeführt wird. 3. The method according to any one of the preceding claims, wherein machining by means of the laser method is carried out as a preparatory step before the chemical method.
4. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei durch das chemische Verfahren, insbesondere nur durch das chemische Verfahren, ein Abtragen von Metall bewirkt wird, mit dem ein Bereich der Außenseite des Keramikelements (30) freigelegt wird. 4. The method according to any one of the preceding claims, wherein a removal of metal is effected by the chemical method, in particular only by the chemical method, with which a region of the outside of the ceramic element (30) is exposed.
5. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das chemi sche Verfahren und das Laserverfahren zumindest zeitweise gleichzeitig durchgeführt werden. 5. The method as claimed in one of the preceding claims, in which the chemical method and the laser method are carried out at least temporarily at the same time.
6. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mittels des Laserverfahrens mindestens abschnittsweise eine Geometrie einer nicht pa rallel zur Haupterstreckungsebene (HSE) verlaufenden Seitenfläche (17) der mindestens einen Metallschicht (10) festgelegt wird. 6. The method according to any one of the preceding claims, wherein a geometry of a side surface (17) of the at least one metal layer (10) not running parallel to the main extension plane (HSE) is defined at least in sections by means of the laser method.
7. Verfahren gemäß Anspruch 6, wobei die gefertigte Seitenfläche (17) schräg und/oder gebogen und/oder geschwungen und/oder gestuft und/oder seg mentiert verläuft. 7. The method according to claim 6, wherein the manufactured side surface (17) runs obliquely and/or curved and/or curved and/or stepped and/or segmented.
8 Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Freibe reich zwischen zwei voneinander isolierten und benachbarten Metallabschnit ten ein Aspektverhältnis größer als 1, bevorzugt größer als 1,5 und beson ders bevorgzugt größer als 2 aufweist- . 8 Method according to one of the preceding claims, wherein a free area between two mutually insulated and adjacent metal sections has an aspect ratio greater than 1, preferably greater than 1.5 and particularly preferably greater than 2.
9. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im Laserver fahren ein Ultrakurzpulslaser verwendet wird. 9. The method according to any one of the preceding claims, wherein an ultra-short pulse laser is used in the laser process.
10. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Ausbil den der Strukturierung (15) und/oder Vertiefung (14) zusätzlich von einer me chanischen Bearbeitung unterstützt wird. 10. The method according to any one of the preceding claims, wherein the formation of the structuring (15) and/or depression (14) is additionally supported by mechanical processing.
11. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mittels La serlicht eine Ausnehmung (18) mit einer senkrecht zur Haupterstreckungs ebene (HSE) bemessenen Tiefe (T) hergestellt wird, wobei eine Verhältnis einer maximalen Tiefe (T) der Ausnehmung (18) zur einer Dicke (D) der min destens einem Metallschicht (10) ein Verhältnis zwischen 0,7 und 0,99, be vorzugt zwischen 0,8 und 0,98 und besonders bevorzugt zwischen 0,9 und 0,95 annimmt. 11. The method according to any one of the preceding claims, wherein laser light is used to produce a recess (18) with a depth (T) measured perpendicular to the main extension plane (HSE), with a ratio of a maximum depth (T) of the recess (18) to a thickness (D) of at least one metal layer (10) assumes a ratio of between 0.7 and 0.99, preferably between 0.8 and 0.98 and particularly preferably between 0.9 and 0.95.
12 Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mindes tens eine Metallschicht (10) eine Dicke (D) aufweist, die größer ist als 1 mm, bevorzugt größer als 1 ,5 mm und besonders bevorzugt größer als 2,5 mm. 12. The method according to any one of the preceding claims, wherein the at least one metal layer (10) has a thickness (D) that is greater than 1 mm, preferably greater than 1.5 mm and particularly preferably greater than 2.5 mm.
13. Verfahren zur Herstellung eines Metall-Keramik-Substrats (1), umfassend:13. A method for producing a metal-ceramic substrate (1), comprising:
- 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 und - Providing a ceramic element (30) and at least one metal layer (10), wherein the ceramic element (30) and the at least one metal layer (10) extend along a main extension plane (HSE) and
- 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, wobei eine Strukturierung (15), vorzugsweise zur Bildung einer Isolation von Metallabschnitten (10‘), und/oder einer Vertiefung (14), vorzugsweise zur Bil dung eines Lötstopps, in der mindestens einen Metallschicht (10) mit einem mechanischen Verfahren, beispielsweise einem Fräsen, und einem chemi schen Verfahren, insbesondere einem Ätzen, realisiert wird. - Connecting the ceramic element (30) to the at least one metal layer (10) to form a metal-ceramic substrate (1), in particular by means of a direct metal connection method, hot isostatic pressing and/or a soldering method, with a structuring (15), preferably for forming an insulation of metal sections (10') and/or a depression (14), preferably for forming a solder stop, in the at least one metal layer (10) using a mechanical method, for example milling, and a chemical method , In particular an etching, is realized.
14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei eine Bearbeitung mit dem chemischen Verfahren nach Beendigung des mechanischen Verfahrens beendet wird und/oder eine Bearbeitung mittels des mechanischen Verfahrens als Vorbe reitungsschritt zeitlich vor dem chemischen Verfahren durchgeführt wird 14. The method as claimed in claim 13, wherein processing using the chemical method is ended after the end of the mechanical method and/or processing using the mechanical method is carried out as a preparation step before the chemical method
15. Metall-Keramik-Substrat (1 ) hergestellt mit einem Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche. 15. Metal-ceramic substrate (1) produced by a method according to any one of the preceding claims.
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