WO2004113041A2 - Verfahren zum herstellen eines keramik-metall-substrates - Google Patents

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WO2004113041A2
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Kurt Mitteregger
Karl Exel
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Definitions

  • the invention relates to a method according to the preamble of claim 1.
  • This DCB method then has e.g. following process steps:
  • the so-called active soldering method is also known (DE 22 1 3 1 15; EP-A-153 618), especially also for the production of metal-ceramic substrates.
  • a connection between a metal foil, for example copper foil, and a ceramic substrate, for example aluminum nitride ceramic is produced at a temperature between approximately 800-1000 ° C. using a hard solder, which in addition to a main component such as copper, silver and / or gold also contains an active metal.
  • This active metal which is, for example, at least one element from the group Hf, Ti, Zr, Nb, Cr, establishes a connection between the solder and the ceramic by chemical reaction, while the connection between the solder and the metal is a metallic braze connection ,
  • Mo-Mn method or Mo-Mn-Ni method
  • a paste of Mo-Mn is applied to a ceramic layer and then baked into the ceramic to form a metal layer, which then forms the basis for soldering a metallization.
  • the metal layer is preferably nickel-plated before soldering.
  • W process in which a tungsten-containing paste is applied and baked to form the metallization or the basis for the subsequent soldering.
  • LTCC process Low Temperature Cofired Ceramic
  • a green, i.e. not yet fired ceramic applied a paste containing a conductive metal and is fired into the ceramic during firing. It is also known here in particular to arrange a plurality of layers of the green ceramic provided with the paste on top of one another and then to burn them.
  • Metal-ceramic substrates in the form of a multiple substrate, in which, on a common, for example large-area ceramic plate or - Layer metallizations (metal areas) are provided, which are each assigned to individual substrates or form the metallizations of individual substrates. Grooves which form predetermined breaking lines, for example by laser, are then introduced into the ceramic layer, so that the multiple substrate can be separated into the individual substrates along these predetermined breaking lines by mechanical breaking.
  • a certain disadvantage here is that material which evaporates when the grooves forming the predetermined breaking lines are formed is deposited on the substrate again, and so on. contamination of the multiple substrate, in particular also of the metal areas, occurs, which can have a disruptive effect during further processing.
  • the object of the invention is to demonstrate a method which avoids this disadvantage. To achieve this object, a method is designed according to claim 1.
  • FIG. 2 shows a very simplified basic illustration of an arrangement for carrying out the thermal treatment in the method according to the invention
  • Figure 3 is an enlarged view of the work area when performing the thermal treatment of the inventive method
  • Figure 4 is a perspective view of the respective work area at
  • FIGS. 5-7 in schematic representations different methods for mechanically breaking the multiple substrate into individual substrates along the respective separation or predetermined breaking line.
  • 1 is a metal-ceramic multiple substrate which is produced by providing a large-format ceramic plate or a large-format ceramic layer 2 with a structured metallization on its two surface sides, in such a way that this metallization on both surface sides of the Ceramic layer 2 forms a plurality of metal areas 3 and 4, respectively.
  • a metal area 4 on the underside of the ceramic layer 2 is opposite a metal area 3 on the top of the ceramic layer 2.
  • Each metal region 3 defines an individual substrate 5 with the associated metal region 4.
  • These individual substrates adjoin one another via separating or predetermined breaking lines 6 and 7 formed in the ceramic layer 2.
  • the dividing or breaking lines 6 and 7 are introduced in the illustrated embodiment so that the dividing or breaking lines 6 run parallel to the narrow sides 2.1 of the rectangular ceramic layer 2 and the dividing line 7 parallel to the two long sides 2.2 of the ceramic layer 2.
  • the metal areas 3 and 4 are each from the edge of the Ceramic layer 2 and also spaced from the dividing and predetermined breaking lines 6 and 7.
  • the individual substrates 5 serve, for example, as printed circuit boards for electrical circuits or modules, at least the metallizations 3 are in turn structured into conductor tracks, contact areas, etc.
  • the ceramic layer 2 is, for example, one made of aluminum oxide (Al 2 0 3 ) or aluminum nitride (AIN).
  • Al 2 0 3 aluminum oxide
  • AIN aluminum nitride
  • Other ceramics such as Si 3 N 4 , SiC, BeO, Ti0 2 , Zr0 2 or Al 2 , 0 3 with a proportion of Zr0 2 , for example in the range from 5 to 30 percent by weight, as well as mullite (3AI 2 0 3 x 2 silicon oxide) are conceivable.
  • the metallizations 3 and 4 are applied to the ceramic layer 2, for example by a high-temperature process, for example in the form of a metal or copper foil using the direct bonding process (if using a copper foil using the DCB process) or by active soldering. In a subsequent process step, these metallizations are then structured into the individual metal regions 3 and 4, for example by masking and etching.
  • the metal regions 3 and 4 can also be applied individually, for example in the form of film cuts, to the surface sides of the ceramic layer 2 with the aid of the high-temperature processes specified above. There is also the possibility of producing the metal regions 3 and / or 4 using thick film technology, ie by applying and baking an appropriate electrically conductive paste, etc.
  • a special feature of the method according to the invention is the introduction of the separation or predetermined breaking lines 6 and 7 into the ceramic layer 2. This special method step, which is also referred to as thermal treatment, is shown in FIGS.
  • the Ceramic layer 2, where the respective separation or predetermined breaking line 6 or 7 is desired is in each case progressively heated in a patial and linear manner and then cooled in a shock-like manner so that mechanical stresses along the entire processing line or separation and predetermined breaking line within the ceramic layer, that arise during heating and subsequent cooling, a targeted weakening of material or crack formation takes place between the top and the bottom of the ceramic layer 2, as indicated at 8 in FIG.
  • the partial heating along the respectively generating dividing line or predetermined breaking line 6 or 7 takes place using a laser beam 9 of a laser 10.
  • the multiple substrate 1 is flat and with its surface sides lying in horizontal planes on a clamping surface Clamping bracket 1 1 held, with negative pressure on its underside.
  • the laser beam 9 is focused on the top of the multiple substrate or the ceramic layer 2 by the optics of the laser 10, in the embodiment shown such that the focus 9.1 there has an oval cross-section, the larger cross-sectional axis in the machining direction A, ie in the direction the dividing and breaking lines 6 and 7 to be produced is oriented.
  • the focus 9.1 or the instantaneous working area formed by this focus is narrow across the machining direction A, and is sufficiently large in the machining direction so that the relative movement between the laser beam 9 and the multiple substrate 1 has sufficient time for sufficient heating of the ceramic layer 2.
  • the relative movement between the laser beam 9 and the multiple substrate 1 in the machining direction is achieved, for example, by a corresponding movement of the clamping bracket 11.
  • the energy of the laser beam 9 is set taking into account various parameters, such as in particular the thickness of the ceramic layer 2, the type of material used for this ceramic layer and the speed at which the relative movement between the laser beam 9 and the multiple substrate 1 takes place in the machining direction A, etc., that the ceramic is optimally heated for the intended purpose, but there is no burning or evaporation, in particular no or at least no noticeable change in the surface of the ceramic layer 2.
  • the heating of the multiple substrate 1 or the ceramic layer 2 along the separation or predetermined breaking lines 6 and 7 can also be carried out using other techniques, for example using a hot gas jet, a flame or a plasma or by applying microwave energy to the ceramic layer 2.
  • the ceramic layer 2 is subjected to a beam 12 of cooling medium for cooling, in such a way that cracking 8 occurs as a result of this shock-like cooling.
  • a suitable cooling medium is, for example, cooled air or a cooled gas which emerges from a nozzle 13 arranged above the ceramic layer 2 and directed onto it.
  • Suitable cooling media include gases or gas mixtures (for example C0 2 ) which are fed under pressure to the nozzle 1 3 and are expanded at this nozzle cooling down.
  • gases or gas mixtures for example C0 2
  • suitable for cooling are, inter alia, different liquids, such as water, but also liquid-gas and / or air mixtures, for example in the form of an aerosol.
  • the distance x as well as the type and amount of the cooling medium are in turn taking various parameters into account, e.g. Feed or processing speed, applied with the laser beam 9 and stored in the ceramic layer 2, thermal energy, thickness and type of ceramic, type of cooling medium, etc., so that the desired cracking 8 results.
  • the thickness of the ceramic layer 2 in the embodiment shown is in the range between 0.1-3 mm.
  • the thickness of the metal areas 3 and 4 is i.a. depending on how these metal areas are created and ranges between 0.002 and 0.6 mm.
  • the thickness of the metal regions is, for example, 0.1-0.6 mm.
  • the distance between the metal regions 3 and 4 on each surface side of the ceramic layer is of the order of about 0.1-3 mm, so that this metal region 3 or 4 is approximately 0.05-1.5 mm from the respective dividing line or predetermined breaking line 6 or 7 is spaced.
  • the separation and predetermined breaking lines 6 and 7 have been introduced into the ceramic layer 2, there are various possibilities for further processing or processing of the multiple substrate 1. It is then possible, for example, to divide this multiple substrate 1 on the metal areas 3 to form conductor tracks, contact areas, etc. to be structured further using the usual techniques, if this has not already been done, and / or the metallizations 3 and 4 on the surfaces with an additional one To provide a metal layer, for example nickel-plating, and to equip the multiple substrate 1 or the structured metal regions 3 there with electrical components. Subsequently, the multiple substrate 1 is then cut into the individual substrates 5 already equipped with the components, ie into the circuits formed by them, by mechanical breaking along the separation or predetermined breaking lines 6 and 7.
  • FIG. 5 shows a possibility for separating the multiple substrate into the individual substrates 5 by breaking.
  • the multiple substrate 1 is supported on the corresponding dividing or predetermined breaking line 6 or 7 with a force P on a surface side, for example on the underside, while on both sides and at a distance from the dividing or predetermined breaking line 6 or 7 on the top of the Multiple substrates 1 are each acted on with a force Vi P, so that due to the bending load exerted on the ceramic layer, proper separation takes place along the respective separation or predetermined breaking line 6 or 7.
  • FIG. 6 shows a further possibility of breaking the multiple substrate 1 into the individual substrates 5.
  • the multiple substrate 1 is clamped on one side between the clamps 14 and 15 of a holder 16 along the respective separation and predetermined breaking lines 6 and 7, with a distance of the relevant dividing line or predetermined breaking line, so that the metal areas 3 and 4 between the terminals 14 and 15 are added.
  • the force P exerted on the multiple substrate so that it breaks again along the parting line or predetermined breaking line.
  • FIG. 7 shows a further, particularly rational possibility of separating the multiple substrate 1 into the individual substrates 5 by breaking.
  • the multiple substrate 1 is fixed with its underside or with the metal areas 4 there on a self-adhesive film 18, for example on a so-called blue foil, as is also used in semiconductor production.
  • the multiple substrate is then separated on this film 18 by breaking into the individual substrates 5.
  • the film 18 is stretched (position b).

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein neuartiges Verfahren zum Herstellen eines Metall­-Keramik-Substrates, bei dem (Verfahren) auf wenigstens einer Oberflächenseite einer Keramikschicht mindestens ein Metallbereich aufgebracht wird.

Description

Verfahren zum Herstellen eines Keramik-Metall-Substrates
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß Oberbegriff Patentanspruch 1 .
Bekannt ist es, die zum Herstellen von Leiterbahnen, Anschlüssen usw. benötigte Metallisierung auf einer Keramik, z.B. auf einer Aluminium-Oxid-Keramik mit Hilfe des sogenannten „DCB-Verfahrens" (Direct-Copper-Bond-Technology) herzustellen, und zwar unter Verwendung von die Metallisierung bildenden Metall- bzw. Kupferfolien oder Metall- bzw. Kupferblechen, die an ihren Oberflächenseiten eine Schicht oder einen Überzug (Aufschmelzschicht) aus einer chemischen Verbindung aus dem Metall und einem reaktiven Gas , bevorzugt Sauerstoff aufweisen. Bei diesem beispielsweise in der US-PS 37 44 120 oder in der DE-PS 23 19 854 beschriebenen Verfahren bildet diese Schicht oder dieser Überzug (Aufschmelzschicht) ein Eutektikum mit einer Schmelztemperatur unter der Schmelztemperatur 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 wesentlichen nur im Bereich der Aufschmelzschicht bzw. Oxidschicht.
Dieses DCB-Verfahren weist dann z.B. folgende Verfahrensschritte auf:
• Oxidieren einer Kupferfolie derart, daß sich eine gleichmäßige Kupferoxidschicht ergibt;
• Auflegen des Kupferfolie auf die Keramikschicht;
• Erhitzen des Verbundes auf eine Prozeßtemperatur zwischen etwa 1025 bis 1083°C, z.B. auf ca. 1071 °C;
• Abkühlen auf Raumtemperatur.
Bekannt ist weiterhin das sogenannte Aktivlot-Verfahren (DE 22 1 3 1 15; EP-A-153 618), speziell auch zum Herstellen von Metall-Keramik-Substraten. Bei diesem Verfahren wird bei einer Temperatur zwischen ca. 800 - 1000°C eine Verbindung zwischen einer Metallfolie, beispielsweise Kupferfolie, und einem Keramiksubstrat, beispielsweise Aluminiumnitrid-Keramik, unter Verwendung eines Hartlots hergestellt, welches zusätzlich zu einer Hauptkomponente, wie Kupfer, Silber und/oder Gold auch ein Aktivmetall enthält. Dieses Aktivmetall, welches beispielsweise wenigstens ein Element der Gruppe Hf, Ti, Zr, Nb, Cr ist, stellt durch chemische Reaktion eine Verbindung zwischen dem Lot und der Keramik her, während die Verbindung zwischen dem Lot und dem Metall eine metallische Hartlot- Verbindung ist.
Bekannt ist weiterhin auch das sogenannte Mo-Mn-Verfahren oder Mo-Mn-Ni- Verfahren, bei dem auf eine Keramikschicht eine Paste aus Mo-Mn aufgebracht und anschließend in die Keramik zur Bildung einer Metallschicht eingebrannt wird, die dann die Grundlage zum Auflöten einer Metallisierung bildet.Vorzugsweise wird hierbei die Metallschicht vor dem Löten vernickelt. Ein ähnliches Verfahren ist unter dem Begriff W-Verfahren bekannt, bei dem zur Bildung der die Metallisierung bzw. Grundlage für das spätere Auflöten eine Wolfram enthaltende Paste aufgebracht und eingebrannt wird.
Bekannt ist weiterhin auch das LTCC-Verfahren (Low Temperature Cofired Ceramic), bei dem auf eine grüne, d.h. noch nicht gebrannte Keramik eine ein leitendes Metall enthaltende Paste aufgebracht und beim Brennen der Keramik in diese eingebrannt wird. Bekannt ist hierbei speziell auch, mehrere derartige, mit der Paste versehene Schichten aus der grünen Keramik übereinander anzuordnen und dann zu brennen.
Bekannt sind speziell auch Metall-Keramik-Substrate in Form eines Mehrfachsubstrates, bei dem auf einer gemeinsamen, beispielsweise großflächigen Keramikplatte oder - schicht Metallisierungen (Metall bereiche) vorgesehen sind, die jeweils Einzelsubstraten zugeordnet sind bzw. die Metallisierungen von Einzelsubstraten bilden. In der Keramikschicht sind dann beispielsweise durch Lasern Sollbruchlinien bildende Nuten eingebracht, so daß das Mehrfachsubstrat entlang dieser Sollbruchlinien durch mechanisches Brechen in die Einzelsubstrate getrennt werden kann.
Ein gewisser Nachteil besteht hierbei darin, daß sich Material, welches beim Einbringen der die Sollbruchlinien bildenden Nuten verdampft, auf dem Substrat wieder abscheidendet und so u.a. eine Verschmutzung des Mehrfachsubstrates, insbesondere auch der Metallbereiche eintritt, was sich bei der weiteren Verarbeitung störend auswirken kann.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren aufzuzeigen, welches diesen Nachteil vermeidet. Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Verfahren entsprechen dem Patentanspruch 1 ausgebildet.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren, bei dem entweder" durch die thermische Behandlung ein thermisches Trennen oder Spalten der Keramikschicht entlang der jeweiligen Bearbeitungs- oder Trennlinie erfolgt oder aber durch die thermische Behandlung jeweils wenigstens eine Sollbruchlinie erzeugt wird, die ein späteres Trennen der Keramik durch mechanisches Brechen ermöglicht, erfolgt kein Verschmutzen des Substrates und insbesondere auch keine Ausbildung von Rändern oder Trichtern durch Abscheiden von verdampften Material auf dem Substrat entlang der jeweiligen Trenn- oder Sollbruchlinie, so daß die weitere Verarbeitung des Substrates nicht beeinträchtigt ist. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 in vereinfachter Darstellung und in Draufsicht ein Mehrfach-Metall-Keramik-
Substrat mit in die Keramikschicht eingebrachten Trennlinien zwischen
Einzelsubstraten, hergestellt mit dem Verfahren nach der Erfindung; Figur 2 in sehr vereinfachter Prinzipdarstellung eine Anordnung zum Durchführen der thermischen Behandlung bei dem erfindungsgemäßen Verfahren; Figur 3 in vergrößerter Darstellung den Arbeitsbereich beim Durchführen de thermischen Behandlung des erfindungsgemäßen Verfahrens; Figur 4 in einer perspektivischen Darstellung den jeweiligen Arbeitsbereich beim
Durchführen der thermischen Behandlung des erfindungsgemäßen Verfahrens; Figuren 5 - 7 in schematischen Darstellungen unterschiedliche Methoden zum mechanischen Brechen des Mehrfachsubstrates in Einzelsubstrate entlang der jeweiligen Trenn- oder Sollbruchlinie.
In den Figuren ist 1 ein Metall-Keramik-Mehrfachsubstrat, welches dadurch hergestellt wird, daß eine großformatige Platte aus Keramik oder eine großformatige Keramikschicht 2 an ihren beiden Oberflächenseiten mit einer strukturierten Metallisierung versehen wird, und zwar derart, daß diese Metallisierung an beiden Oberflächenseiten der Keramikschicht 2 eine Vielzahl von Metallbereichen 3 bzw. 4 bildet. Bei der dargestellten Ausführungsform liegt ein Metallbereich 4 an der Unterseite der Keramikschicht 2 jeweils einem Metallbereich 3 an der Oberseite der Keramikschicht 2 gegenüber. Jeder Metallbereich 3 definiert mit dem zugehörigen Metallbereich 4 ein Einzelsubstrat 5.
Diese Einzelsubstrate schließen über in der Keramikschicht 2 ausgebildete Trenn- bzw. Sollbruchlinien 6 bzw. 7 aneinander an. Die Trenn- oder Sollbruchlinien 6 und 7 sind bei der dargestellten Ausführungsform so eingebracht, daß die Trenn- oder Sollbruchlinien 6 parallel zu den Schmalseiten 2.1 der rechteckförmigen Keramikschicht 2 verlaufen und die Trennlinie 7 parallel zu den beiden Längsseiten 2.2 der Keramikschicht 2. Die Metall bereiche 3 und 4 sind jeweils von dem Rand der Keramikschicht 2 sowie auch von den Trenn- und Sollbruchlinien 6 und 7 beabstandet.
Die Einzelsubstrate 5 dienen beispielsweise als Leiterplatte für elektrische Schaltkreise oder Module zumindest die Metallisierungen 3 sind hierbei ihrerseits zu Leiterbahnen, Kontaktflächen usw. strukturiert.
Die Keramikschicht 2 ist beispielsweise eine solche aus Aluminiumoxid (Al203 ) oder Aluminiumnitrid (AIN). Auch andere Keramiken, wie z.B. Si3N4 , SiC, BeO, Ti02, Zr02 oder Al2,03 mit einem Anteil an Zr02, beispielsweise im Bereich von 5 - 30 Gewichtsprozent, sowie Mullit (3AI203 x 2Silizium-Oxid) sind denkbar.
Die Metallisierungen 3 und 4 werden beispielsweise durch ein Hochtemperatur- Verfahren auf die Keramikschicht 2 aufgebracht, und zwar z.B. in Form einer Metalloder Kupferfolie mit Hilfe des Direct-Bonding-Verfahrens (bei Verwendung einer Kupferfolie mittels des DCB-Verfahrens) oder durch Aktivlöten. In einem anschließenden Verfahrensschritt werden diese Metallisierungen dann beispielsweise durch Maskieren und Ätzen in die einzelnen Metallbereiche 3 und 4 strukturiert.
Die Metallbereiche 3 und 4 können auch jeweils einzeln, beispielsweise in Form von Folienzuschnitten auf die Oberflächenseiten der Keramikschicht 2 mit Hilfe der vorstehend angegebenen Hochtemperatur-Verfahren aufgebracht werden. Weiterhin besteht die Möglichkeit, die Metallbereich 3 und/oder 4 in Dickfilmtechnik herzustellen, d.h. durch Aufbringen und Einbrennen einer entsprechenden elektrisch leitenden Paste usw.. Eine Besonderheit des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht in dem Einbringen der Trenn- oder Sollbruchlinien 6 und 7 in die Keramikschicht 2. Dieser spezielle Verfahrensschritt, der auch als thermische Behandlung bezeichnet wird, ist in den Figuren 2 - 4 dargestellt und besteht im wesentlichen darin, daß die Keramikschicht 2 dort, wo die jeweilige Trenn- oder Sollbruchlinie 6 bzw. 7 gewünscht ist, jeweils patiell und linienförmig fortschreitend erhitzt und anschließend schockartig abgekühlt wird, so daß sich entlang der gesamten Bearbeitungslinie bzw. Trenn- und Sollbruchlinie innerhalb der Keramikschicht durch mechanische Spannungen, die beim Erhitzen und anschließenden Abkühlen entstehen, eine gezielte Materialschwächung oder Rißbildung zwischen der Oberseite und der Unterseite der Keramikschicht 2 erfolgt, wie dies in der Figur 4 bei 8 angedeutet ist.
Das entlang der jeweils erzeugenden Trenn- oder Sollbruchlinie 6 bzw. 7 fortlaufende patielle Erhitzen erfolgt bei der dargestellten Ausführungsform unter Verwendung eines Laserstrahles 9 eines Lasers 10. Das Mehrfachsubstrat 1 ist bei diesem Verfahrensschritt plan und mit seinen Oberflächenseiten in horizontalen Ebenen liegend an einer Einspannfläche einer Einspannhalterung 1 1 gehalten, und zwar mit Unterdruck an seiner Unterseite.
Der Laserstrahl 9 ist auf die Oberseite des Mehrfachsubstrates bzw. der Keramikschicht 2 durch die Optik des Lasers 10 focusiert, und zwar bei der dargestellten Ausführungsform derart, daß der Focus 9.1 dort einen ovalen Querschnitt aufweist, dessen größere Querschnittsachse in Bearbeitungsrichtung A, d.h. in Richtung der herzustellenden Trenn- und Sollbruchlinie 6 bzw. 7 orientiert ist. Hierdurch ist der Focus 9.1 bzw. der von diesem Focus gebildete augenblickliche Arbeitsbereich quer zur Bearbeitungsrichtung A schmal ausgebildet, und in Bearbeitungsrichtung ausreichend groß, so daß bei der Relativbewegung zwischen dem Laserstrahl 9 und dem Mehrfachstrubstrat 1 ausreichend Zeit für eine ausreichende Erhitzung der Keramikschicht 2 zur Verfügung steht. Die Relativbewegung zwischen dem Laserstrahl 9 und dem Mehrfachsubstrat 1 in Bearbeitungsrichtung wird beispielsweise durch eine entsprechende Bewegung der Einspannhalterung 1 1 erreicht.
Die Energie des Laserstrahls 9 ist unter Berücksichtigung verschiedener Parameter, wie insbesondere Dicke der Keramikschicht 2, Art des für diese Keramikschicht verwendeten Materials und Geschwindigkeit, mit der die Relativbewegung zwischen dem Laserstrahl 9 und dem Mehrfachsubstrat 1 in Bearbeitungsrichtung A erfolgt, usw. so eingestellt, daß zwar ein für den angestrebten Zweck optimales Erhitzen der Keramik erfolgt, aber kein Durchbrennen oder Verdampfen, insbesondere auch keine oder zumindest keine merkliche Veränderung der Oberfläche der Keramikschicht 2 eintreten.
Das Erhitzen des Mehrfachsubstrates 1 bzw. der Keramikschicht 2 entlang der Trennoder Sollbruchlinien 6 und 7 kann auch mit anderen Techniken erfolgen, beispielsweise unter Verwendung eines Heißgasstrahles, einer Flamme oder eines Plasmas oder aber durch Beaufschlagung der Keramikschicht 2 mit Mikrowellenenergie.
In Bearbeitungsrichtung A dem Laserstrahl 9 bzw. dem augenblicklichen Bearbeitungsbereich in einem Abstand x nachfolgend wird die Keramikschicht 2 zum Abkühlen mit einem Strahl 12 eines Kühlmediums beaufschlagt, und zwar derart, daß durch diese schockartige Abkühlung die Rißbildung 8 eintritt. Als Kühlmedium eignet sich beispielsweise gekühlte Luft oder ein gekühltes Gas, die bzw. das aus einer oberhalb der Keramikschicht 2 angeordneten und auf diese gerichtete Düse 13 austritt. Als Kühlmedium eignen sich u.a. auch solche Gase oder Gasgemische (z.B. C02 ), die unter Druck der Düse 1 3 zugeführt werden und an dieser Düse durch Expandieren abkühlen. Weiterhin eignen sich zur Kühlung u.a. auch unterschiedliche Flüssigkeiten, wie z.B. Wasser, aber auch Flüssigkeits-Gas- und/oder Luft-Gemische, z.B. in Form eines Aerosols.
Der Abstand x sowie die Art und Menge des Kühlmediums werden wiederum unter Berücksichtigung verschiedener Parameter, wie z.B. Vorschub- oder Bearbeitungsgeschwindigkeit, mit dem Laserstrahl 9 aufgebrachte und in der Keramikschicht 2 gespeicherte Wärmeenergie, Dicke und Art der Keramik, Art des Kühlmediums usw. so eingestellt, daß sich die gewünschte Rißbildung 8 ergibt.
Die Dicke der Keramikschicht 2 liegt bei der dargestellten Ausführungsform im Bereich zwischen 0,1 - 3 mm. Die Dicke der Metallbereiche 3 und 4 ist u.a. abhängig davon, wie diese Metallbereiche erzeugt werden und liegt im Bereich zwischen 0,002 und 0,6 mm. Bei Herstellung der Metall bereiche 3 und 4 unter Verwendung einer Metallfolie beispielsweise Kupferfolie und unter Anwendung des DCB-Verfahrens oder des Aktivlöt-Verfahrens beträgt die Dicke der Metallbereiche beispielsweise 0,1 - 0,6 mm.
Der Abstand zwischen den Metallbereichen 3 und 4 an jeder Oberflächenseite der Keramikschicht liegt in der Größenordnung von etwa 0,1 - 3 mm, so daß dieser Metallbereich 3 bzw. 4 etwa 0,05 - 1 ,5 mm von der jeweiligen Trenn- oder Sollbruchlinie 6 bzw. 7 beabstandet ist.
Nach dem Einbringen der Trenn- und Sollbruchlinien 6 und 7 in die Keramikschicht 2 bestehen unterschiedlichste Möglichkeiten eines Weiterbe- oder Verarbeitung des Mehrfachsubstrates 1. So ist es dann beispielsweise möglich, dieses Mehrfachsubstrat 1 an den Metall bereichen 3 zur Bildung von Leiterbahnen, Kontaktflächen usw. mit Hilfe der üblichen Techniken weiter zu strukturieren, soweit dies nicht bereits geschehen ist, und/oder die Metallisierungen 3 und 4 an den Oberflächen mit einer zusätzlichen Metallschicht zu versehen, beispielsweise zu vernickeln, und das Mehrfachsubstrat 1 bzw. die dortigen strukturierten Metallbereiche 3 mit elektrischen Bauelementen zu bestücken. Im Anschluß daran wird dann das Mehrfachsubstrat 1 in die bereits mit den Bauelementen bestückten Einzel Substrate 5, d.h. in die von diesen gebildeten Schaltkreise durch mechanisches Brechen entlang der Trenn- oder Sollbruchlinien 6 und 7 zertrennt.
Grundsätzlich ist es auch möglich, das Mehrfachsubstrat 1 vor dem Bestücken mit Bauelementen entlang der Trenn- oder Sollbruchlinien 7 durch Brechen in die Einzelsubstrate 5 zu zertrennen und diese dann jeweils einzeln weiter zu verarbeiten.
Die Figur 5 zeigt eine Möglichkeit für das Trennen des Mehrfachsubstrates in die Einzelsubstrate 5 durch Brechen. Hierbei wird das Mehrfachsubstrat 1 jeweils an der entsprechenden Trenn- oder Sollbruchlinie 6 bzw. 7 mit einer Kraft P an einer Oberflächenseite, beispielsweise an der Unterseite unterstützt, während beidseitig und im Abstand von der Trenn- oder Sollbruchlinie 6 bzw. 7 auf die Oberseite des Mehrfachsubstrates 1 jeweils mit einer Kraft Vi P eingewirkt wird, so daß durch die dabei auf die Keramikschicht ausgeübte Biegebelastung ein einwandfreies Trennen entlang der jeweiligen Trenn- oder Sollbruchlinie 6 bzw. 7 erfolgt.
Die Figur 6 zeigt eine weitere Möglichkeit des Brechens des Mehrfachsubstrates 1 in die Einzelsubstrate 5. Hierbei wird das Mehrfachsubstrat 1 entlang der jeweiligen Trenn- und Sollbruchlinie 6 bzw. 7 einseitig zwischen den Klemmen 14 und 15 einer Halterung 16 eingespannt, und zwar mit Abstand von der betreffenden Trenn- oder Sollbruchlinie, so daß auch die Metallbereich 3 und 4 zwischen den Klemmen 14 und 15 aufgenommen sind. Auf der der Halterung 16 gegenüberliegenden Seite der Trennoder Sollbruchlinie 6 bzw. 7 wird über eine weitere Einspannhalterung 1 7 die Kraft P auf das Mehrfachsubstrat ausgeübt, so daß dieses dann wiederum entlang der Trennoder Sollbruchlinie bricht.
Die Figur 7 zeigt in den Positionen a und b eine weitere, besonders rationelle Möglichkeit, das Mehrfachsubstrat 1 in die Einzelsubstrate 5 durch Brechen zu vereinzelt. Bei diesem Verfahren wird das Mehrfachsubstrat 1 mit seiner Unterseite bzw. mit den dortigen Metallbereichen 4 auf einer selbstklebenden Folie 18, beispielsweise auf einer sogenannten Blue-Foil fixiert, wie sie auch in der Halbleiterfertigung verwendet wird. Auf dieser Folie 18 erfolgt dann das Trennen des Mehrfachsubstrates durch Brechen in die Einzelsubstrate 5. Um die Einzelsubstrate 5 für eine vereinfachte Weiterverarbeitung voneinander zu beanstanden, wird die Folie 18 gedehnt (Position b).
Die Erfindung wurde voranstehend an Ausführungsbeispielen beschrieben. Es versteht sich, daß zahlreiche Änderungen sowie Abwandlungen möglich sind, ohne daß dadurch der der Erfindung zugrundeliegende Erfindungsgedanke verlassen wird.
Vorstehend wurde davon ausgegangen, daß mit der thermischen Behandlung, d.h. mit dem Erhitzen und anschließenden Abkühlen der Keramikschicht 2 in dieser die Trennoder Sollbruchlinien 6 und 7 die Form einer Rißbildung 8 erzeugt und erst zu einem späteren Zeitpunkt das Brechen des Mehrfachsubstrates 1 in die Einzelsubstrate 5 erfolgt. Durch entsprechende Einstellung der Prozeßparameter insbesondere der thermischen Behandlung kann aber auch bereits bei dieser Behandlung, d.h. ohne ein späteres mechanisches Brechen ein Trennen oder thermisches Spalten der Keramikschicht 2 erreicht werden, und zwar ohne das ein Verbrennen oder Verdampfen von Keramikmaterial im Bereich der jeweiligen Trennlinie erfolgt. Bezugszeichenliste
1 Mehrfachsubstrat
2 Keramikschicht
3, 4 Metallbereiche
5 Einzelsubstrat
6, 7 Trenn- oder Sollbruchlinie
8 Rißbildung
9 Laserstrahl
9.1 Strahlfocus
10 Laser
1 1 Einspannhalterung für Mehrfachsubstrate
12 Kühlstrahl
13 Kühldüse
14, 15 Klemme
16 Klemmhalterung
1 7 Klemmhalterung
18 selbstklebende Folie
A Bearbeitungs- oder Vorschubrichtung
P Kraft
X Abstand zwischen Mittelpunkt des Focus vom Kühlstrahl 12 gebildeten Kühlbereichs 12.1

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zum Herstellen eines Metall-Keramik-Substrates (1), bei dem (Verfahren) auf wenigstens einer Oberflächenseite einer Keramikschicht (2) mindestens ein Metallbereich (3, 4) aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Aufbringen des wenigstens einen Metallbereichs (3, 4) die Keramikschicht (2) in einem von dem Metallbereich (3, 4) nicht abgedeckten Bereich zumindest entlang einer Trenn- oder Sollbruchlinie (6, 7) in einer thermischen Behandlungs- oder Verfahrensschritt erhitzt und dann mit einem Kühlmedium schockartig derart abgekühlt wird, daß in der Keramikschicht (2) durch diesen Temperaturwechsel eine gezielte Rißbildung (8) oder Materialschwächung entlang der Trenn- oder Sollbruchlinie (6, 7) erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Keramikschicht (2) durch den thermischen Behandlungs- oder Verfahrensschritt entlang der jeweiligen Trennlinie thermisch getrennt oder gespalten wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß in der Keramikschicht (2) durch durch den thermischen Behandlungs- oder Verfahrensschritt jeweils eine Sollbruchlinie (6, 7) erzeugt wird, an der ein anschließendes gesteuertes mechanisches Brechen der Keramikschicht (2) möglich ist.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der thermischen Behandlungs- oder Verfahrensschritt fortschreitend entlang der jeweiligen Trenn- oder Sollbruchlinie (6, 7) durchgeführt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Erhitzen der Keramikschicht (2) während des thermischen Behandlungs- oder Verfahrensschrittes fortschreitend in einem sich relativ zu der Keramikschicht bewegenden Behandlungsbereich erfolgt.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Erhitzen der Keramikschicht (2) während des thermischen Behandlungsoder Verfahrensschrittes durch einen Energiestrahl erfolgt.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Erhitzen der Keramikschicht durch einen Laserstrahl (9) erfolgt.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Erhitzen der Keramikschicht durch einen Heißgasstrahl, durch eine Flamme oder ein Plasma erfolgt.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Erhitzen der Keramikschicht (2) durch Mikrowellenenergie erfolgt.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Abkühlen der Keramikschicht (2) während des thermischen Behandlungsoder Verfahrensschrittes fortschreitend in einem sich relativ zu der Keramikschicht bewegenden Behandlungsbereich erfolgt.
1 1 . Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Abkühlen der Keramikschicht (2) fortschreitend in einem vorgegebenen räumlichen und/oder zeitlichen Abstand (x) von dem Erhitzen erfolgt.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Behandlung der Keramikschicht (2) mit de Kühlmedium fortschreitend punktuell erfolgt.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmedium in Form wenigstens eines Kühlmediumstrahls (12) auf die Keramikschicht (2) aufgebracht wird.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmedium ein flüssiges Medium, beispielsweise Wasser, ein gas- oder dampfförmiges Medium oder eine Mischung dieser Medien ist, beispielsweise ein Aerosol.
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramikschicht (2) während des thermischen Behandlungs- oder Verfahrensschrittes in einer Aufspannhalterung (1 1 ) vorzugsweise durch Unterdruck gehalten ist.
16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramikschicht oder das von dieser Schicht gebildete Metall-Keramik- Substrat zum Trennen in Einzel Substrate (5) auf einer selbstklebenden Folie (18) angeordnet ist.
17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die thermische Behandlung jeweils entlang einer in die Keramikschicht (2) an wenigstens einer Oberfllächenseite eingebrachten Nut erfolgt.
18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf beide Oberflächenseiten der Keramikschicht (2) jeweils wenigstens ein Metallbereich (3, 4) aufgebracht wird.
19. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramikschicht (2) Teil eines Mehrfachsubstrates (1 ) ist, daß auf wenigstens einer Oberflächenseite der Keramikschicht (2) mehrere jeweils einem Einzelsubstrat (5) zugeordnete Metallbereiche (3, 4) vorgesehen sind, und daß zwischen den Einzelsubstraten (5) die Trenn- oder Sollbruchlinien (6, 7) durch den thermischen Behandlungs- oder Verfahrensschritt erzeugt werden.
20. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung einer Keramik der Gruppe Mullit, Al203/ AIN, Si3N4, SiC, BeO, Ti02, Zr02, Al2Oa mit einem Anteil an Zr02.
21. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung einer Keramikschicht (2) mit einer Dicke im Bereich zwischen 0,1 bis 3 mm.
22. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine Metallbereich (3, 4) eine Dicke im Bereich zwischen 0,02 bis 0,6 mm, vorzugsweise eine Dicke im Bereich zwischen 0,1 und 6 mm aufweist.
23. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei mehreren Metall bereichen (3, 4) an einer Oberflächenseite der Keramikschicht (2) diese mit einem gegenseitigen Abstand von 0,1 - 3 mm vorgesehen werden.
24. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallbereiche (3, 4) zumindest teilweise von einer Metallschicht oder - folie, beispielsweise einer Kupferschicht oder Kupferfolie hergestellt sind, und zwar vorzugsweise unter Anwendung des Direct-Bonding-Verfahrens oder des Aktivlöt-Verfahrens.
25. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine Metallbereich (3, 4) im Dickschichtverfahren oder Dickfilmtechnik erzeugt wird.
26. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine Metallbereich (3, 4) mit dem Mo-Mn-Verfahren und/oder W-Verfahren und/oder LTCC-Verfahren erzeugt wird.
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