WO2014173391A1 - Basissubstrat, metall-keramik-substrat hergestellt aus einem basissubstrat sowie verfahren zum herstellen eines basissubstrates - Google Patents

Basissubstrat, metall-keramik-substrat hergestellt aus einem basissubstrat sowie verfahren zum herstellen eines basissubstrates Download PDF

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ceramic layer
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    • H05K3/0029—Etching of the substrate by chemical or physical means by laser ablation of inorganic insulating material

Definitions

  • the invention relates to a base substrate according to the preamble of
  • Patent claim 1 a metal l ceramic substrate Hergestel lt of a base substrate according to the preamble of claim 7 and a
  • Substrates in particular base substrates in the form of printed circuit boards consisting of a ceramic layer and at least one connected to a surface side of the ceramic layer and for Ausbi tion of printed conductors, contacts, contact or pads structurable metalization are known in various designs.
  • a plurality of metal-ceramic substrates can be produced on the base substrate and these can then be separated in the course of the production process.
  • the resulting metal I ceramic substrates are used, for example, for the construction of power semiconductor modules.
  • Metal ltiken with each other or with a ceramic substrate or a ceramic layer is also known as the so-called “DCB process” ("Direct Copper Bonding").
  • DCB process Direct Copper Bonding
  • metal layers preferably
  • a connection between a metal foil, for example copper foil, and a ceramic substrate, for example one at a temperature between about 800 ° and 1000 ° C. is achieved
  • Active metal I which is, for example, at least one element of the group Hf, Ti, Zr, Nb, Ce, establishes a compound by a chemical reaction between the braze and the ceramic while the bond between the braze and the metal is a metallic braze joint.
  • connection technologies can, of course, also be used in combination when providing a plurality of metal layers both on the lower and the upper side of the ceramic layer.
  • At least one of the metallization of the base substrate is patterned accordingly and predetermined breaking points or predetermined breaking lines at least along the free edge portions of the base substrate in the ceramic surface freed of metal
  • the metal-ceramic substrates produced on the base substrate are divided into a plurality of preferably rectangular or square individual elements by a plurality of parallel and perpendicularly extending predetermined breaking lines Substrate divided and by appropriate breaking of the Base substrate along the introduced into the ceramic layer
  • recesses may be spaced apart along a line or overlapping one another.
  • Base substrates are introduced. To unwanted breaking the base substrate to the introduced continuous slot-like
  • the predetermined breaking lines in the region of the free, unused edge portions of the base substrate to the lowest depth.
  • the material thickness of the remaining ceramic layer in the slot-like predetermined breaking lines at the edge is the largest, whereby unwanted breakage of the base substrate during the manufacturing process to be prevented.
  • the present invention seeks to provide a base substrate, a her stel LES Metal l-ceramic substrate and a suitable for its manufacture ment
  • Detect method which allows a reliable procedure les removing the unused edge portions of the base substrate and a reliable Verei nzeln the base substrate into individual metal l ceramic substrates without damaging the jewei time metal l ceramic substrates, which achieves a significant reduction in the reject rate becomes.
  • the object is achieved by a base substrate according to claim 1, a metal-ceramic substrate according to claim 7 and a method for the manufacture len of a base substrate according to claim 8.
  • the essential aspect of the base substrate according to the invention is to be seen in that the sol lbruchlinien have a first depth at least in the crossing regions and a second depth outside the crossing regions, wherein the first depth is greater than the second depth.
  • a lower breaking force is thus required in the corner regions of the metal-ceramic substrates to be separated, which in particular results in the formation of weak fractures, in particular also
  • the isolated Metal I ceramic substrate also has a high quality edge line.
  • the sol in a first surface side of the ceramic layer and / or in the placed opposite the second surface side of the ceramic layer can also be provided, for example, on the surface side of the ceramic layer opposite the structured metallization, so that the base substrate can already be equipped with electronic components prior to singulation into the individual metal-ceramic substrates.
  • predetermined breaking lines in the form of a
  • the continuous recesses are preferably formed like a slot and the discontinuous depressions of a line-like arrangement of a plurality of
  • Einschusskratern are formed in a surface side, for example, spaced from each other and / or arranged overlapping.
  • In the training in the form of continuous slot-like depressions or so-called “grooves” is a reduction in the width of the wells to up to a third compared to the Einschusskratern and thus a low material removal achieved.Advantage also results in an improved The notch effect and the initiation of crack initiation can be significantly better controlled and, in addition, the separation of the metal-ceramic substrates compared to those formed by the injection crater
  • Predetermined breaking points generated by a multiple acting on the crossing areas with a laser beam generated by the laser device with homogeneous power or by a single act on the crossing areas with a laser beam generated by the laser device with controllable power are generated quickly and easily.
  • the predetermined breaking points in the crossing regions have a first depth which is 20% to 80% greater than the second depth, the second depth preferably being between 30 ⁇ m and 200 ⁇ m and / or the first depth less than 80% of the material thickness
  • the first depth of the predetermined breaking points preferably extends in the crossing regions over a length of 0.2 mm to 20 mm.
  • the invention likewise provides a metal-ceramic substrate produced from a subregion of the ceramic layer of the base substrate delimited by at least four of the predetermined breaking lines with at least one structure provided on the surface side of the ceramic layer
  • the subject of the present invention is a method for
  • a base substrate comprising at least one ceramic layer, which is provided on at least one surface side with at least one metallization, in which the metallization for producing a plurality of individual metal-ceramic substrates from the base substrate is structured, and in which for separating unused edge portions of the
  • the predetermined breaking lines are particularly advantageously introduced into the ceramic layer by means of the laser device in such a way that they have a first depth at at least predetermined intersection areas and a second depth outside the intersection areas, the first depth being greater than the second depth is.
  • the method according to the invention can be implemented quickly and easily and considerably reduces the reject produced during the separation of the metal-ceramic substrates.
  • At least one of the metallizations is structured before the introduction of the predetermined breaking lines, and then the predetermined breaking lines are formed in the first
  • the predetermined breaking lines can be introduced in the form of a continuous or discontinuous predetermined breaking lines in the ceramic layer, wherein the continuous predetermined breaking lines in the form of
  • the discontinuous predetermined breaking lines is formed by a line-like arrangement of a plurality of Einschusskratern in the surface side of the ceramic layer.
  • the crossing areas enlarged first depth of the predetermined breaking points either by a multiple acting on the crossing areas with a generated by the laser device
  • the laser device with controllable laser power can be, for example, a diode laser, fiber laser or solid-state laser with different pulse durations, for example ultra short-pulse or short pulse-second laser.
  • the laser device with controllable laser power can be, for example, a diode laser, fiber laser or solid-state laser with different pulse durations, for example ultra short-pulse or short pulse-second laser.
  • the laser device with controllable laser power can be, for example, a diode laser, fiber laser or solid-state laser with different pulse durations, for example ultra short-pulse or short pulse-second laser.
  • Laser device in an oxygen-containing atmosphere which preferably has an oxygen content of at least 30%.
  • the expressions “approximately”, “substantially”, “approximately” or “approximately” in the context of the invention mean deviations from the respective exact value by +/- 10%, preferably by +/- 5% and / or deviations in the form of for the function insignificant changes.
  • Fig. 1 is a simplified sectional view through a base substrate for
  • FIG. 2 shows a simplified plan view of the base substrate according to FIG. 1,
  • Fig. 3 is a simplified sectional view through a first
  • FIG. 4 is a simplified sectional view through the predetermined breaking point according to FIG. 3 in the crossing region;
  • Fig. 5 is a simplified sectional view through a second
  • Fig. 7 in a sectional view a plan view of the
  • FIG. 1 shows a simplified example of a section through a base substrate 1 for producing metal-ceramic substrates 2 in FIG
  • the base substrate 1 comprises at least one ceramic layer 3 with two opposite surface sides, namely a first and a second surface side 3.1, 3.2. At least one of the surface sides 3.1 is provided with a metallization 4 in the base substrate 1.
  • the first surface side 3.1 has a first metallization 4 and the second surface side 3.2 has a second metallization 5, the first metallization 4 being used to form contact surfaces and / or conductor tracks and / or further
  • Fixing regions of metal-ceramic substrates 2 is structured, in such a way that a plurality of self-contained structuring regions, which are associated with a metal-ceramic substrate 2.
  • the first metallization 4 is in the for the production of the metal-ceramic substrates 2 unusable and therefore unused
  • Edge sections 1 a - 1 d removed at least in sections, so that in these sections, the first surface side 3.1 of the ceramic layer 3 is exposed. Furthermore, for the production in multiple use also in the
  • Transition areas between two juxtaposed on the base substrate 1 to form a metal-ceramic substrate regions of the metallizations 4, 5 removes them.
  • a plurality of predetermined breaking lines 6a-6f are introduced in a manner known per se by means of a laser device, not shown in the figures, namely a laser beam generated by the laser device.
  • the predetermined breaking lines 6a to 6f serve here for preferably manual breaking of the
  • the first metallization 4 is formed or produced by a foil or layer of copper or a copper alloy and applied directly to the ceramic layer 3.
  • Embodiment variant of the invention is the first surface side 3.1 opposite second surface side 3.2 with the second
  • metallization 5 which is preferably formed or made by a film or layer of copper or a copper legi er.
  • the first and second metallizations 4, 5 may be made of aluminum, an aluminum alloy, steel or a steel alloy.
  • Copper alloys are preferably planar directly to the first and second, respectively, using the DCB method described above
  • a bond can be made by gluing using a
  • Plastic kl ebers or suitable as an adhesive polymer preferably using an adhesive containing carbon fibers, in particular carbon nanofibers, be provided with the first and second surface side 3.1, 3.2 of the ceramic layer 3.
  • the active soldering method described above can be used.
  • the first metallization 4 for example made of copper or a copper alloy, has a layer thickness of between 0.1 mm and 1.0 mm the second metallization 5 may be formed accordingly
  • Aluminum is the layer thickness, for example between 0.1 mm and 5.0 mm, preferably between 0.3 mm and 3.0 mm.
  • Dick Schweizertechnologie be made of copper, silver and / or gold, preferably with a layer thickness of 1 5 ⁇ to 100 ⁇ .
  • the layers are preferably produced at a process temperature of 500 ° C to 1200 ° C.
  • the ceramic layer 3 is for example made of an oxide, nitride or
  • Carbide ceramics such as aluminum oxide (AI2O3) or aluminum nitride (AIN) or silicon nitride (Si3N4) or silicon carbide (SiC) or aus
  • Alumina produced with zirconium oxide (Al 2 O 3 + ZrO 2) and has a layer thickness, for example between 0.25 mm and 1, 0 mm, preferably between 0.2 mm and 0.7 mm.
  • FIG. 2 shows a plan view of the first surface side 3.1 of the base substrate 1 according to FIG. 1 according to the invention.
  • Embodiment variant are made of the base substrate 1 several metal-ceramic substrates 2 in multiple use, namely, for example four metal-ceramic substrates 2.
  • the unused edge portions 1 a, 1 b, 1 c, 1 d of the base substrate 1 to remove, by breaking along the introduced into the first surface side 3.1 of the ceramic layer 3 predetermined breaking lines 6a to 6d.
  • the predetermined breaking lines 6a to 6d run in pairs in parallel and in pairs perpendicular to one another and intersect at four crossing regions K1 to K4 of the base substrate 1, which are preferably located in the corner regions of the base substrate 1.
  • the introduced predetermined breaking lines 6a to 6d thus form a frame which encloses the region of the base substrate 1 intended for the production of the metal-ceramic substrates 2, preferably a rectangular and closed frame.
  • a first to fourth predetermined breaking line 6a to 6d are provided, wherein the first predetermined breaking line 6a the first unused edge portion 1 a, the second predetermined breaking line 6b the second unused edge portion 1 b, the third predetermined breaking line 6c the third unused edge portion 1 c and the fourth Rupture line 6d the fourth unused edge portion 1 d each of the provided on the base substrate 1 metal-ceramic substrates 2 separates.
  • the first and second predetermined breaking lines 6a, 6b and the third and fourth predetermined breaking lines 6c, 6d run parallel to each other. Accordingly, the first cuts
  • Rupture line 6a the fourth predetermined breaking line 6d in the first crossing area K1 and the third predetermined breaking line 6c in the second crossing area K2 and the second predetermined breaking line 6b the fourth predetermined breaking line 6d in the third
  • Crossing area K4 When manually removing the edge portions 1 a to 1 d of the base substrate 1, it may in the crossing regions K1 to K4 to fractures, especially also clods in the ceramic layer 3, whereby the respective metal-ceramic substrate 2 is unusable.
  • slot-like predetermined breaking lines 6a-6d are introduced into the ceramic layer 3 by means of the laser device such that they have a first depth T1 at least in the crossing regions K1 to K4 and a second depth T2 outside the crossing regions K1 to K4, wherein the first depth T1 is greater than the second depth is T2.
  • the first depth T1 is preferably 20% to 80% greater than the second depth T2, which is preferably between 30 ⁇ and 200 ⁇ .
  • the first depth T1 is preferably less than 80% of the material thickness of the ceramic layer 3, ie the first depth T1 exceeds 20% of the material thickness of the
  • the predetermined breaking lines 6a-6d have the first depth T1 in the respective one
  • Crossing area K1 to K4 preferably over a length L of 0.2 mm to 20 mm, which is preferably arranged symmetrically to the intersection point PI to P4 of the slit-like predetermined breaking lines 6a - 6d, i. the first depth T1 extends from the crossing point P in each case via a
  • Part length TL from 0.1 mm to 10 mm
  • the base substrate 1 still further predetermined breaking lines 6e - 6h, which from the first to the fourth
  • a fifth and sixth predetermined breaking line 6e, 6f are provided, wherein the fifth predetermined breaking line 6e parallel to the first and second predetermined breaking line 6a, 6b and perpendicular to the third and fourth predetermined breaking line 6c, 6d runs.
  • the sixth predetermined breaking line 6f extends parallel to the third and fourth predetermined breaking lines 6c, 6d and perpendicular to the first and second predetermined breaking lines 6a, 6b.
  • junction areas K5 to K9 line sections is also enlarged compared to the second depth T2.
  • the free end portions of the fifth and sixth predetermined breaking lines 6e, 6f extend in this case preferably beyond the crossing region K5 to K8 out into the respective unused edge portions 1 a to 1 d, preferably between 300 ⁇ and 700 ⁇ , preferably about 500 ⁇ .
  • the laser device may be formed by a laser device with adjustable laser power, via which the material generated by the laser beam erosion in the
  • Rupture lines 6a - 6f sections is controllable.
  • Laservoriquesen can, for example, by a diode laser or fiber laser in the KW range or a solid state laser with different pulse durations, for example U ltrakurzpuls- or Kurzpulsse Humanlaser in 100 Watt range or KW range.
  • the latter solid-state lasers can, for example, in the form of a nanosecond laser with, for example, a wavelength of 1064 nm or a picosecond laser with, for example be formed of a wavelength of 1090 nm to 1064 nm.
  • the mentioned laser devices work with it for example in the UV range,
  • Figures 3 and 4 each show a cross section through one with such
  • Laser device generated predetermined breaking line 6a, namely Figure 3 with a second depth T2 and Figure 4 with a first depth T1.
  • Ceramic layer 3 with the laser beam generated by the laser device which is optionally deflected by a corresponding optical device, in this case is preferably perpendicular to the respective surface side 3.1, 3.2 of the ceramic layer 3. Also telecentric optics or planar field optics can be used.
  • an arrangement of the base substrates 1 on a preferably procedural ble "xy-table" arrangement is possible, which is associated with a preferably also movable deflection optics, which is acted upon by the laser beam generated by the laser device -fly "-processing of the base substrates 1 and / or a
  • the laser device outputs a higher power when passing over the crossing regions K1 to K4 than outside the crossing regions K1 to K4, thereby resulting in a larger material removal in the
  • junction areas K1 to K4 arises i. E. in addition to the depth T1, T2 can also be a broadening of the predetermined breaking lines 6a - 6d in the
  • junction areas K1 to K4 done.
  • Such generated break lines 6a to 6f have, for example, a first depth T1 of about 40 ⁇ to 1 80 ⁇ and a second depth T2 of about 20 ⁇ to 90 ⁇ on.
  • Rupture lines 6a to 6f are generated, which are formed by a plurality of point-like shot craters, which may be either spaced from each other or overlapping. These point-like bullet holes have, for example, a distance between 1 .mu.m and 200 .mu.m and / or a pure opening diameter between 80 .mu.m and 1 .mu.m. In each of FIGS. 5 and 6, a cross-section through such is shown
  • Marginal crater shown, with a second depth T1 in Figure 5 and a first depth T1 in Figure 6. In discontinuous
  • Fracture lines 6a to 6f are the first and second depths T1, T2 to choose larger compared to continuous predetermined breaking lines 6a to 6f to ensure a reliable breaking behavior.
  • the first depth T1 between 40 ⁇ and 260 ⁇ or up to a maximum of 80% of the material thickness of the ceramic layer 3 and the second depth T2 between 20 ⁇ and 200 ⁇ .
  • located in the corner regions of the base substrate 1 crossing areas K1 to K4 extends at least one free end of jewei ls intersecting predetermined breaking lines 6a to 6d to the edge of the
  • Base substrate 1 to ensure a clean separation of the edge portions 1 a to 1 d from the base substrate 1. Also can be in one
  • Embodiment continued the first depth T1 from the intersection K1 to K4 to the edge of the base substrate 1.
  • Figure 7 shows in an enlarged section of the second
  • Crossing point K2 receiving corner region of dargestel in Figure 2 illustrated top view of the base substrate.
  • Figure 8 shows a section along the line A-A through the third sol lbruchline 6 c of the base substrate.
  • the first and third sol idle lines 6a, 6c extend over the second one
  • junction K2 of the first and third sol lbruchline 6a provided.
  • the first depth T1 can be reduced in the crossing regions K5 to K9 lying within the base substrate 1 in comparison to the crossing regions K1 to K4 located in the corner regions of the base substrate 1.
  • the transition between the region of first depth T1 and second depth T2 can be either continuous or stepwise. Also can the transition have a concave, convex or linear cross-sectional profile.
  • the base substrate 1 along the predetermined breaking lines 6a to 6f to a lower
  • Rupture lines 6a to 6f are acted upon by a coolant jet to effect a controlled material separation along the predetermined breaking lines 6a to 6f by a thermally induced mechanical stress difference. This is a reduction of the depths T1, T2 of the
  • the generation of the predetermined breaking points 6a to 6f by means of the described laser devices can be carried out in an oxygen-containing atmosphere, which preferably has an oxygen content of at least 30%.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Basissubstrat, ein Metall-Keramik-Substrat hergestellt aus einem derartigen Basissubstrat sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Basissubstrates umfassend zumindest eine Keramikschicht (2), die an zumindest einer Oberflächenseite (3a, 2 b) mit mindestens einer Metallisierung (3) versehen ist, bei dem die Metallisierung (3) zur Erzeugung vorzugsweise mehrerer einzelner Metall-Keramik-Substrate (2) aus dem Basissubstrat (1) strukturiert ist, und bei dem zum Abtrennen von ungenützten Randbereichen (1a - 1d) des Basissubstrates (1) und/oder zum Vereinzeln des Basissubstrates (1) in mehrere einzelne Metall-Keramik-Substrate (2) mittels einer Laservorrichtung in zumindest einer Oberflächenseite (3.1, 3.2) der Keramikschicht (3) des Basissubstrates (1) mehrere Sollbruchlinien (6a - 6f) eingebracht werden, wobei sich jeweils zwei der Sollbruchlinien (6a - 6f) in jeweils einem Kreuzungsbereich (K1 - K9) schneiden. Besonders vorteilhaft weisen die Sollbruchlinien (6a - 6f) zumindest in den Kreuzungsbereichen (K1 - K9) eine erste Tiefe (T1) und außerhalb der Kreuzungsbereiche (K1 - K9) eine zweite Tiefe (T2) auf, wobei die erste Tiefe (T1) größer als die zweite Tiefe (T2) ist.

Description

Basissubstrat, Metall-Keramik-Substrat hergestellt aus einem Basissubstrat sowie Verfahren zum Herstellen eines Basissubstrates
Die Erfindung betrifft ein Basissubstrat gemäß dem Oberbegriff des
Patentanspruches 1 , ein Metal l-Keramik-Substrat hergestel lt aus einem Basissubstrat gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 7 sowie ein
Verfahren zum Herstel len eines Basissubstrates gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 8.
Substrate, insbesondere Basissubstrate in Form von Leiterplatten bestehend aus einer Keramikschicht und wenigstens einer mit einer Oberflächenseite der Keramikschicht verbundenen und zur Ausbi ldung von Leiterbahnen, Kontakten, Kontakt- oder Anschlussflächen strukturierbaren Metal lisierung sind in verschiedensten Ausführungen bekannt. Durch entsprechende Strukturierung der Metal lisierung können insbesondere mehrere Metal l- Keramik-Substrate auf dem Basissubstrat erzeugt werden und diese dann im Laufe des Herstel lungsverfahrens vereinzelt werden. Die dadurch erhaltenen Metal l-Keramik-Substrate finden beispielsweise Verwendung zum Aufbau von Leistungshalbleitermodulen. Zum Verbinden von die Metal lisierung bi ldenden Metal lfolien oder
Metal lschichten miteinander oder mit einem Keramiksubstrat bzw. einer Keramikschicht ist ferner das sogenannte„DCB-Verfahren" („Direct-Copper- Bonding") bekannt. Dabei werden Metallschichten, vorzugsweise
Kupferschichten oder -folien miteinander und/oder mit ei ner Keramikschicht verbunden, und zwar unter Verwendung von Metal l- bzw. Kupferblechen oder Metal l- bzw. Kupferfol ien, die an ihren Oberflächenseiten eine Schicht oder einen Ü berzug („Aufschmelzschicht") aus einer chemischen
Verbindung aus dem Metal l und einem reaktiven Gas, bevorzugt Sauerstoff aufweisen. Bei diesem beispielsweise in der US-PS 37 44 1 20 oder in der DE-PS 23 1 9 854 beschriebenen Verfahren bi ldet diese Schicht oder dieser Ü berzug („Aufschmelzschicht") ein Eutektikum mit einer Schmelztemperatur unter der Schmelztemperatur des Metal ls (z.B. Kupfers), so dass durch Auflegen der Metal l- bzw. Kupferfolie auf die Keramikschicht und durch Erhitzen sämtlicher Schichten diese miteinander verbunden werden können, und zwar durch Aufschmelzen der Metallschicht bzw. Kupferschicht im Wesentlichen nur im Bereich der Aufschmelzschicht bzw. Oxidschicht. Ein derartiges DCB-Verfahren weist dann beispielsweise folgende
Verfahrensschritte auf: - Oxidieren einer Kupferfolie derart, dass sich eine gleichmäßige
Kupferoxidschicht ergibt;
- Auflegen des Kupferfolie mit der gleichmäßige Kupferoxidschicht auf die Keramikschicht;
Erhitzen des Verbundes auf eine Prozesstemperatur zwischen etwa 1 025 bis 1 083 °C, beispielsweise auf ca. 1071 °C;
- Abkühlen auf Raumtemperatur.
Ferner ist aus den Druckschriften DE 22 1 3 1 1 5 und EP-A-1 53 61 8 das sogenannte Aktivlot-Verfahren zum Verbinden von Metal lisierungen bi ldenden Metal lschichten oder Metal lfolien, insbesondere auch von
Kupferschichten oder Kupferfolien mit einem Keramikmaterial bzw. einer Keramikschicht bekannt. Bei diesem Verfahren, welches speziel l auch zum Herstel len von Metal l-Keramik-Substraten verwendet wird, wird bei einer Temperatur zwischen ca. 800 - 1 000°C eine Verbindung zwischen einer Metal lfolie, beispielsweise Kupferfolie, und einem Keramiksubstrat, beispielsweise einer Aluminiumnitrid-Keramik, unter Verwendung eines Hartlots hergestel lt, welches zusätzlich zu einer Hauptkomponente, wie Kupfer, Si lber und/oder Gold auch ein Aktivmetal l enthält. Dieses
Aktivmetal l, welches beispielsweise wenigstens ein Element der Gruppe Hf, Ti, Zr, Nb, Ce ist, stel lt durch eine chemische Reaktion eine Verbindung zwischen dem Hartlot und der Keramik her, während die Verbindung zwischen dem Hartlot und dem Metall eine metallische Hartlöt-Verbindung ist.
Auch sind Verfahren zur flächigen Verbindung einer Aluminiumschicht mit einer Keramikschicht unter der Bezeichnung„Direct-Aluminium-Bonding" („DAB-Verfahren") bekannt. Grundsätzlich können auch Klebeverbindungen oder Klebe-Techniken unter Verwendung von Kunststoff-Klebern, beispielsweise unter Verwendung von Klebern auf Epoxyharz-Basis für ein derartiges Bonden zweier Schichten verwendet werden, und zwar insbesondere auch faserverstärkte Kleber. Bekannt ist insbesondere auch die Verwendung von speziellen Klebern, die Carbon-Fasern und/oder Carbon- Nanofasern und/oder Carbon-Nanotubes enthalten, und/oder Kleber, mit denen eine thermische und/oder elektrisch gut leitende Klebeverbindung möglich ist. Genannte Verbindungstechnologien können bei Vorsehen mehrere Metallschichten sowohl an der Unter- als auch der Oberseite der Keramikschicht selbstverständlich auch in Kombination Anwendung finden.
Zur Herstellung der Metall-Keramik-Substrate wird zumindest eine der Metallisierung des Basissubstrates entsprechend strukturiert und zumindest entlang der freien Randabschnitte des Basissubstrates in die von Metall befreite Keramikoberfläche Sollbruchstellen bzw. Sollbruchlinien
eingebracht, entlang denen vorzugsweise manuell zumindest die
ungenützten Randabschnitte des Basissubstrates entfernt werden. Auch bei einer Herstellung von mehreren einzelnen Metall-Keramik-Substraten aus dem Basissubstrat im Mehrfach nutzen werden die auf dem Basissubstrat, beispielsweise einer Großsubstratplatte erzeugten Metall-Keramik-Substrate durch eine Vielzahl von parallel und senkrecht zueinander verlaufenden Sollbruchlinien in mehrere vorzugsweise rechteckförmige oder quadratische Einzel Substrate aufgeteilt und durch entsprechendes Brechen des Basissubstrates entlang der in die Keramikschicht eingebrachten
Sollbruchlinien vereinzelt.
Zur Erzeugung derartiger Sollbruchlinien sind diverse Verfahren bekannt. Häufig finden hierzu Laservorrichtungen Verwendung, über die zur
Erzeugung einer Sollbruchlinie mehrere Ausnehmungen derselben Tiefe in die Keramikoberfläche eingebracht werden, und zwar durch Beaufschlagen mit einem entsprechend modulierten oder gepulsten Laserstrahl. Die
Ausnehmungen können beispielsweise beabstandet zueinander entlang einer Linie angeordnet sein oder einander überlappen.
Aus der EP 2 31 5 508 A1 ist insbesondere auch bereits ein Verfahren zur Herstellung von einzelnen Keramiksubstraten aus einem Basissubstrat im Mehrfach nutzen bekannt, bei dem mittels einer Laservorrichtung
kontinuierliche schlitzartige Sollbruchlinien in eine Oberseite des
Basissubstrates eingebracht werden. Um ein ungewünschtes Brechen des Basissubstrates an den eingebrachten kontinuierlichen schlitzartigen
Sollbruchlinien während des Fertigungsverfahrens zu vermeiden, weisen die Sollbruchlinien im Bereich der freien, ungenutzten Randabschnitte des Basissubstrates die geringste Tiefe auf. Damit ist die Materialstärke der verbleibenden Keramikschicht in den schlitzartigen Sollbruchlinien randseitig am größten, wodurch ein ungewolltes Brechen des Basissubstrates während des Fertigungsprozesses verhindert werden soll.
Nachteilig treten jedoch bei Keramik-Substraten mit derartigen
Sollbruchlinien, beim manuellen Entfernen der Randabschnitte bzw.
Vereinzeln der einzelnen Substrate insbesondere in den Kreuzungsbereichen der Sollbruchlinien Brüche, ggf. auch Schollenbrüche in der Keramikschicht auf, welche zu einer erheblichen Beschädigung und damit Unbrauchbarkeit des vereinzelten Substrates führen. Eine Reduzierung der hierdurch bedingten Ausschussrate bei bekannten Herstel lungsverfahren ist daher von besonderer wirtschaftlicher Bedeutung.
Ausgehend von dem voranstehend genannten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Basissubstrat, ein daraus hergestel ltes Metal l-Keramik-Substrat sowie ein zu dessen Herstel lung geeignetes
Verfahren aufzuzeigen, welches ein zuverlässiges manuel les Entfernen der ungenützten Randabschnitte des Basissubstrates und ein zuverlässiges Verei nzeln des Basissubstrates in einzelne Metal l-Keramik-Substrate ohne Beschädigung des jewei ligen Metal l-Keramik-Substrate ermöglicht, wodurch die eine deutliche Reduzierung der Ausschussrate erreicht wird. Die Aufgabe wird durch ein Basissubstrat gemäß dem Patentanspruch 1 , ein Metall- Keramik-Substrat gemäß dem Patentanspruch 7 und ein Verfahren zum Herstel len eines Basissubstrates gemäß Patentanspruch 8 gelöst. Der wesentliche Aspekt des erfindungsgemäßen Basissubstrates ist darin zu sehen, dass die Sol lbruchlinien zumindest in den Kreuzungsbereichen eine erste Tiefe und außerhalb der Kreuzungsbereiche eine zweite Tiefe aufweisen, wobei die erste Tiefe größer als die zweite Tiefe ist. Besonders vortei lhaft wird damit in den Eckbereichen der zu vereinzelnden Metal l- Keramik-Substraten eine geringere Bruchkraft erforderlich, wodurch insbesondere das Entstehen von wi lden Brüchen, insbesondere auch
Schol lenbrüchen effektiv verhindert und damit die Ausschussrate des Verei nzelungsprozesses erheblich reduziert werden kann. Weiterhin vortei lhaft wird die im Basissubstrat vorhandene Spannung insbesondere in den Kreuzungsbereichen reduziert und das Entstehen von Mikrorissen minimiert. Das vereinzelte Metal l-Keramik-Substrat weist darüber hinaus eine hochqualitative Kantenlinie auf.
In einer vortei lhaften Weiterbi ldung der Erfindung sind die Sol lbruchlinien in einer ersten Oberflächenseite der Keramikschicht und/oder in der gegenüberliegenden zweiten Oberflächenseite der Keramikschicht eingebracht. Die Sollbruchlinien können beispielsweise auch an der der strukturierten Metallisierung gegenüberliegenden Oberflächenseite der Keramikschicht vorgesehen sein, so dass das Basissubstrat bereits mit elektronischen Bauteilen vor der Vereinzelung in die einzelnen Metall- Keramik-Substrate bestückt werden kann.
Weiterhin vorteilhaft können die Sollbruchlinien in Form einer
kontinuierlichen Vertiefung oder in Form einer diskontinuierlichen
Vertiefung ausgebildet sein, wobei die kontinuierlichen Vertiefungen vorzugsweise schlitzartig ausgebildet sind und die diskontinuierlichen Vertiefungen von einer linienartigen Anordnung einer Vielzahl von
Einschusskratern in einer Oberflächenseite gebildet sind, die beispielsweise beabstandet zueinander und/oder überlappend angeordnet sind. Bei der Ausbildung in Form von kontinuierlichen schlitzartigen Vertiefungen bzw. so genannte„Grooves" wird eine Reduzierung der Breite der Vertiefungen auf bis zu ein Drittel im Vergleich zu den Einschusskratern und damit auch ein geringer Material abtrag erreicht. Vorteilhaft ergibt sich darüber hinaus auch eine verbesserte Kerbwirkung und die Risseinleitung ist deutlich besser kontrollierbar. Darüber hinaus entstehen bei der Vereinzelung der Metall- Keramik-Substrate im Vergleich zu durch Einschusskrater gebildete
Sollbruchlinien deutlich weniger Bruchstaub und wenige Splitter.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die in den Kreuzungsbereichen vorgesehene vergrößerte erste Tiefe der
Sollbruchstellen durch ein mehrfaches Beaufschlagen der Kreuzungsbereiche mit einem durch die Lasereinrichtung erzeugten Laserstrahl mit homogener Leistung oder durch ein einmaliges Beaufschlagen der Kreuzungsbereiche mit einem durch die Lasereinrichtung erzeugten Laserstrahl mit regelbarer Leistung erzeugt. Abhängig von der jeweils verwendeten Laservorrichtung können in einem einfachen oder mehrfach durchzuführenden Prozessschritt die unterschiedlich tiefen Sollbruchstellen schnell und einfach erzeugt werden.
Vorteilhaft weisen die Sollbruchstellen in den Kreuzungsbereichen eine im Vergleich zur zweiten Tiefe um 20% bis 80% größere erste Tiefe auf, wobei die zweite Tiefe vorzugsweise zwischen 30 μηι und 200 μηι beträgt und/oder die erste Tiefe kleiner als 80% der Material stärke der
Keramikschicht ist. Die erste Tiefe der Sollbruchstellen erstreckt sich in den Kreuzungsbereichen vorzugsweise über eine Länge von 0,2 mm bis 20 mm. Gegenstand der Erfindung ist ebenfalls ein Metall-Keramik-Substrat hergestellt aus einen von zumindest vier der Sollbruchlinien abgegrenzten Teilbereich der Keramikschicht des Basissubstrates mit zumindest einem an der Oberflächenseite der Keramikschicht vorgesehen strukturierten
Metallisierungsabschnitt.
Ferner ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum
Herstellen eines Basissubstrates umfassend zumindest eine Keramikschicht, die an zumindest einer Oberflächenseite mit mindestens einer Metallisierung versehen ist, bei dem die Metallisierung zur Herstellung von mehreren einzelnen Metall-Keramik-Substraten aus dem Basissubstrat strukturiert wird, und bei dem zum Abtrennen von ungenützten Randbereichen des
Basissubstrates und/oder zum Vereinzeln des plattenartigen Basissubstrates in die einzelnen Metall-Keramik-Substrate mittels einer Laservorrichtung in zumindest einer Oberflächenseite der Keramikschicht des Basissubstrates mehrere Sollbruchlinien eingebracht werden, wobei sich jeweils zwei der Sollbruchlinien in jeweils einem Kreuzungsbereich schneiden. Besonders vorteilhaft werden die Sollbruchlinien derart mittels der Laservorrichtung in die Keramikschicht eingebracht, dass diese zumindest in vorgegebenen Kreuzungsbereichen eine erste Tiefe und außerhalb der Kreuzungsbereiche eine zweite Tiefe aufweisen, wobei die erste Tiefe größer als die zweite Tiefe ist. Das erfindungsgemäße Verfahren ist schnell und einfach umsetzbar und reduziert den beim Vereinzeln der Metall-Keramik-Substrate entstehenden Ausschuss erheblich.
Gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vor dem Einbringen der Sollbruchlinien zumindest eine der Metallisierungen strukturiert und anschließend werden die Sollbruchlinien in die erste
Oberflächenseite der Keramikschicht und/oder die gegenüberliegende zweite Oberflächenseite der Keramikschicht eingebracht. Vorteilhaft können die Sollbruchlinien in Form einer kontinuierlichen oder diskontinuierlichen Sollbruchlinien in die Keramikschicht eingebracht werden, wobei die kontinuierlichen Sollbruchlinien in Form von
schlitzartigen Vertiefungen ausgebildet sind und die diskontinuierlichen Sollbruchlinien von einer linienartigen Anordnung einer Vielzahl von Einschusskratern in der Oberflächenseite der Keramikschicht gebildet ist. Hierzu wird die in den Kreuzungsbereichen vorgesehene vergrößerte erste Tiefe der Sollbruchstellen entweder durch ein mehrfaches Beaufschlagen der Kreuzungsbereiche mit einem durch die Lasereinrichtung erzeugten
Laserstrahl mit homogener Leistung oder durch ein einmaliges
Beaufschlagen der Kreuzungsbereiche mit einem durch die Lasereinrichtung erzeugten Laserstrahl mit regelbarer Leistung erzeugt. Die Lasereinrichtung mit regelbarer Laserleistung kann beispielsweise ein Diodenlaser, Faserlaser oder Festkörperlaser mit unterschiedlichen Pulsdauern, beispielsweise U ltrakurzpuls- oder Kurzpulssekundenlaser sein. Alternativ kann zur
Erzeugung der diskontinuierlichen Sollbruchlinien eine CO2- Lasereinrichtung Anwendung finden.
Bevorzugt erfolgt das Einbringen der Sollbruchstellen mittel der
Laservorrichtung in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre, die vorzugsweise einen Sauerstoffanteil von mindestens 30% aufweist. Die Ausdrucke„näherungsweise",„im Wesentlichen",„ca." oder„etwa" bedeuten im Sinne der Erfindung Abweichungen vom jeweils exakten Wert um +/- 10%, bevorzugt um +/- 5% und/oder Abweichungen in Form von für die Funktion unbedeutenden Änderungen.
Weiterbildungen, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung von
Ausführungsbeispielen und aus den Figuren. Dabei sind alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger
Kombination grundsätzlich Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung. Auch wird der Inhalt der Ansprüche zu einem Bestandteil der Beschreibung gemacht. Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren an
Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine vereinfachte Schnittdarstellung durch ein Basissubstrat zur
Herstellung von mehreren Metall-Keramik-Substrates im
Mehrfachnutzen,
Fig. 2 vereinfachte Draufsicht auf das Basissubstrat gemäß Figur 1 ,
Fig. 3 eine vereinfachte Schnittdarstellung durch eine erste
Ausführungsvariante einer Sollbruchstelle in der Keramikschicht,
Fig. 4 eine vereinfachte Schnittdarstellung durch die Sollbruchstelle gemäß Figur 3 im Kreuzungsbereich, Fig. 5 eine vereinfachte Schnittdarstellung durch eine zweite
Ausführungsvariante einer Sollbruchstelle in der Keramikschicht,
Fig. 6 eine vereinfachte Schnittdarstellung durch die Sol lbruchstelle gemäß Figur 5 im Kreuzungsbereich,
Fig. 7 in Ausschnittdarstellung eine Draufsicht auf den
Kreuzungsbereich zweier Sollbruchstellen im Eckbereich eines
Basissubstrates und Fig. 8 einen Schnitt A-A entlang einer Sollbruchlinie durch das
Basissubstrat gemäß Fig. 7.
Figur 1 zeigt beispielhaft in vereinfachter Darstellung einen Schnitt durch ein Basissubstrat 1 zur Herstellung von Metall-Keramik-Substraten 2 im
Mehrfach nutzen.
Das Basissubstrat 1 umfasst jeweils zumindest eine Keramikschicht 3 mit zwei gegenüberliegenden Oberflächenseiten, und zwar einer ersten und zweiten Oberflächenseite 3.1 , 3.2. Zumindest eine der Oberflächenseiten 3.1 ist beim Basissubstrat 1 mit einer Metallisierung 4 versehen.
Vorzugsweise ist eine weitere Metallisierung 5 an der jeweils
gegenüberliegenden Oberflächenseite 3.2 vorgesehen.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel weise die erste Oberflächenseite 3.1 eine erste Metallisierung 4 und die zweite Oberflächenseite 3.2 eine zweite Metallisierung 5 auf, wobei die erste Metallisierung 4 zur Ausbildung von Kontaktflächen und/oder Leiterbahnen und/oder weiteren
Befestigungsbereichen von Metall-Keramik-Substraten 2 strukturiert ist, und zwar derart, dass mehrere in sich abgeschlossene Strukturierungsbereiche entstehen, welche einem Metall-Keramik-Substrat 2 zugeordnet sind. Insbesondere ist die erste Metallisierung 4 in den für die Herstellung der Metall-Keramik-Substrate 2 nicht nutzbaren und daher ungenutzten
Randabschnitten 1 a - 1 d zumindest abschnittsweise entfernt, so dass in diesen Abschnitten die erste Oberflächenseite 3.1 der Keramikschicht 3 freiliegt. Ferner ist zur Herstellung im Mehrfach nutzen auch in den
Übergangsbereichen zwischen zwei nebeneinander auf dem Basissubstrat 1 zur Ausbildung eines Metall-Keramik-Substrates strukturierten Bereichen der Metallisierungen 4, 5 diese entfernt. Zumindest in diesen Bereichen werden in an sich bekannter Weise mehrere Sollbruchlinien 6a - 6f mittels einer nicht in den Figuren dargestellten Laservorrichtung, und zwar einem von der Laservorrichtung erzeugten Laserstrahl eingebracht. Die Sollbruchlinien 6a bis 6f dienen hierbei zum vorzugsweise manuellen Brechen des
Basissubstrates 1 entlang der Sollbruchlinien 6a bis 6f. Die erste Metallisierung 4 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel durch eine Folie oder Schicht aus Kupfer oder einer Kupferlegierung gebildet bzw. hergestellt und direkt auf der Keramikschicht 3 aufgebracht. In einer
Ausführungsvariante der Erfindung ist die der ersten Oberflächenseite 3.1 gegenüberliegenden zweite Oberflächenseite 3.2 mit der zweiten
Metallisierung 5 versehen, die vorzugsweise auch durch eine Folie oder Schicht aus Kupfer oder einer Kupfer legi er ung gebildet bzw. hergestellt ist. Auch können die erste und zweite Metallisierung 4, 5 aus Aluminium, einer Aluminiumlegierung, Stahl oder einer Stahllegierung hergestellt sein. Die erste und zweite Metallisierung 4, 5 aus Kupfer oder einer
Kupferlegierung sind vorzugsweise direkt unter Verwendung des Eingangs beschriebenen DCB-Verfahrens flächig mit der ersten bzw. zweiten
Oberflächenseite 3.1 , 3.2 der Keramikschicht 3 verbunden. Alternativ kann auch eine Verbindung durch Kleben unter Verwendung eines
Kunststoff kl ebers oder eines als Kleber geeigneten Polymers, vorzugsweise unter Verwendung eines Klebers, der Carbon-Fasern, insbesondere Carbon- Nanofasern enthält, mit der ersten bzw. zweiten Oberflächenseite 3.1 , 3.2 der Keramikschicht 3 vorgesehen sein. Alternativ oder in Kombination kann das eingangs beschriebene Aktivlot-Verfahren Anwendung finden. Bei Realisierung der Metallisierungen 4, 5 in Form einer Schicht aus
Aluminium oder einer Aluminiumlegierung ist ein„Direct-Aluminium- Bonding" -Verfahren verwendbar. Die erste, beispielsweise aus Kupfer oder einer Kupfer legi er ung hergestellte Metallisierung 4 weist beispielsweise eine Schichtdicke zwischen 0,1 mm und 1 ,0 mm auf. Die Schichtdicke der zweiten Metallisierung 5 kann entsprechend ausgebildet sein. Bei
Aluminium beträgt die Schichtdicke beispielweise zwischen 0,1 mm und 5,0 mm, vorzugsweise zwischen 0,3 mm und 3,0 mm.
Alternativ kann zumindest eine der Metallisierungen 4, 5 in
Dickschichttechnologie aus Kupfer, Silber und/oder Gold hergestellt sein, und zwar vorzugsweise mit einer Schichtdicke von 1 5 μηι bis 100 μηι. Die Schichten werden vorzugsweise bei einer Prozesstemperatur von 500 °C bis 1200 °C erzeugt. Die Keramikschicht 3 ist beispielsweise aus einer Oxid-, Nitrid- oder
Karbidkeramik wie Aluminiumoxid (AI2O3) oder Aluminiumnitrid (AIN) oder Siliziumnitrid (Si3N4) oder Siliziumkarbid (SiC) oder aus
Aluminiumoxid mit Zirkonoxid (AI2O3 +ZrO2) hergestellt und weist eine Schichtdicke beispielsweise zwischen 0,25 mm und 1 ,0 mm, vorzugsweise zwischen 0,2 mm und 0,7 mm auf.
Figur 2 zeigt eine Draufsicht auf die erste Oberflächenseite 3.1 des erfindungsgemäßen Basissubstrates 1 gemäß Figur 1 . In dieser
Ausführungsvariante werden aus dem Basissubstrat 1 mehrere Metall- Keramik-Substrate 2 im Mehrfach nutzen hergestellt, und zwar beispielsweise vier Metall-Keramik-Substrate 2. Hierzu sind in einem ersten Schritt die ungenutzten Randabschnitte 1 a, 1 b, 1 c, 1 d des Basissubstrates 1 zu entfernen, und zwar durch Brechen entlang der in die erste Oberflächenseite 3.1 der Keramikschicht 3 eingebrachten Sollbruchlinien 6a bis 6d. Die Sollbruchlinien 6a bis 6d verlaufen hierzu paarweise parallel und paarweise senkrecht zueinander und kreuzen sich in vier Kreuzungsbereichen K1 bis K4 des Basissubstrates 1 , welche sich vorzugsweise in den Eckbereichen des Basissubstrates 1 befinden. Die eingebrachten Sollbruchlinien 6a bis 6d bilden damit einen den zur Herstellung der Metall-Keramik-Substrate 2 vorgesehenen Bereich des Basissubstrates 1 einschließenden, vorzugsweise rechteckförmigen und geschlossenen Rahmen aus.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind eine erste bis vierte Sollbruchlinie 6a bis 6d vorgesehen, wobei die erste Sollbruchlinie 6a den ersten ungenutzten Randabschnitt 1 a, die zweite Sollbruchlinie 6b den zweiten ungenutzten Randabschnitt 1 b, die dritte Sollbruchlinie 6c den dritten ungenutzten Randbereich 1 c und die vierte Sollbruchlinie 6d den vierten ungenutzten Randbereich 1 d jeweils von den auf dem Basissubstrat 1 vorgesehenen Metall-Keramik-Substraten 2 trennt. Hierbei verlaufen die erste und zweite Sollbruchlinie 6a, 6b sowie die dritte und vierte Sollbruchlinie 6c, 6d jewei ls parallel zueinander. Demgemäß schneidet die erste
Sollbruchlinie 6a die vierte Sollbruchlinie 6d im ersten Kreuzungsbereich K1 und die dritte Sollbruchlinie 6c im zweiten Kreuzungsbereich K2 sowie die zweite Sollbruchlinie 6b die vierte Sollbruchlinie 6d im dritten
Kreuzungsbereich K3 und die dritte Sollbruchlinie 6c im vierten
Kreuzungsbereich K4. Beim manuellen Entfernen der Randabschnitte 1 a bis 1 d des Basissubstrates 1 kann es in den Kreuzungsbereichen K1 bis K4 zu Brüchen, insbesondere auch Schollenbrüchen in der Keramikschicht 3 kommen, wodurch das jeweilige Metall-Keramik-Substrat 2 unbrauchbar wird. Erfindungsgemäß werden schlitzartige Sollbruchlinien 6a - 6d derart mittels der Laservorrichtung in die Keramikschicht 3 eingebracht, dass diese zumindest in den Kreuzungsbereichen K1 bis K4 eine erste Tiefe T1 und außerhalb der Kreuzungsbereiche K1 bis K4 eine zweite Tiefe T2 aufweisen, wobei die erste Tiefe T1 größer als die zweite Tiefe T2 ist. Die erste Tiefe T1 ist vorzugsweise um 20% bis 80% größer als die zweite Tiefe T2, welche vorzugsweise zwischen 30 μηι und 200 μηι beträgt. Die erste Tiefe T1 beträgt vorzugsweise weniger als 80% der Materialstärke der Keramikschicht 3, d.h. die erste Tiefe T1 überschreitet 20% der Materialstärke der
Keramikschicht 3 nicht.
Die Sollbruchlinien 6a - 6d weisen die erste Tiefe T1 im jeweiligen
Kreuzungsbereich K1 bis K4 vorzugsweise über einer Länge L von 0,2 mm bis 20 mm auf, wobei diese vorzugsweise symmetrisch zum Kreuzungspunkt PI bis P4 der schlitzartigen Sollbruchlinien 6a - 6d angeordnet ist, d.h. die erste Tiefe T1 erstreckt sich vom Kreuzungspunkt P jeweils über eine
Teillänge TL von 0,1 mm bis 10 mm
Zur Herstellung im Mehrfach nutzen weist das Basissubstrat 1 noch weitere Sollbruchlinien 6e - 6h auf, welche den von der ersten bis vierten
Sollbruchlinie 6a bis 6d eingeschlossenen Bereich des Basissubstrates 1 in mehrere Unterbereiche zur Herstellung der einzelnen Metall-Keramik- Substrate 2 unterteilen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind eine fünfte und sechste Sollbruchlinie 6e, 6f vorgesehen, wobei die fünfte Sollbruchlinie 6e parallel zur ersten und zweiten Sollbruchlinie 6a, 6b und senkrecht zur dritten und vierten Sollbruchlinie 6c, 6d verläuft. Die sechste Sollbruchlinie 6f erstreckt sich parallel zur dritten und vierten Sollbruchlinie 6c, 6d und senkrecht zur ersten und zweiten Sollbruchlinie 6a, 6b.
Hierdurch entstehen weitere Kreuzungsbereiche K5 bis K9, in welchen in einer bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung die erste Tiefe T1 der Sollbruchlinien 6a - 6f im Vergleich zu den außerhalb der
Kreuzungsbereiche K5 bis K9 befindlichen Linienabschnitten ebenfalls vergrößert ist im Vergleich zum zweiten Tiefe T2.
Im Einzelnen ergibt sich im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein fünfter Kreuzungsbereich K5 zwischen der ersten und sechsten Sollbruchlinie 6a, 6f, ein sechster Kreuzungsbereich K6 zwischen der dritten und fünften
Sollbruchlinie 6c, 6e, ein siebter Kreuzungsbereich K7 zwischen der zweiten und sechsten Sollbruchlinie 6b, 6f, ein achter Kreuzungsbereich K8 zwischen der vierten und fünften Sollbruchlinie 6d, 6e sowie ein neunter Kreuzungsbereich K9 zwischen der fünften und sechsten Sollbruchlinie 6e, 6f. Die freien Endabschnitte der fünfte und sechsten Sollbruchlinien 6e, 6f erstrecken sich hierbei vorzugsweise über den Kreuzungsbereich K5 bis K8 hinaus in die jeweiligen ungenutzten Randabschnitte 1 a bis 1 d, und zwar vorzugsweise zwischen 300 μηι und 700 μηι, vorzugsweise ca. 500 μηι.
Die Ausbildung der Querschnittsform der Sollbruchlinien 6a - 6f und/oder der jeweiligen Tiefe T1 , T2 ist hierbei abhängig von der zum Einbringen verwendeten Laservorrichtung. In einer ersten Ausführungsvariante der Erfindung kann die Laservorrichtung durch eine Laservorrichtung mit regelbarer Laserleistung gebildet sein, über welche der durch den Laserstrahl erzeugte Material abtrag in der
Keramikschicht 3 und damit die Tiefe T1 , T2 der schlitzartigen
Sollbruchlinien 6a - 6f abschnittsweise steuerbar ist. Derartige
Laservorrichtungen können beispielsweise durch einen Diodenlaser oder Faserlaser im KW-Bereich oder einen Festkörperlaser mit unterschiedlichen Pulsdauern, beispielsweise U ltrakurzpuls- oder Kurzpulssekundenlaser im 100 Wattbereich oder KW-Bereich. Letztgenannte Festkörperlaser können beispielsweise in Form eines Nanosekundenlaser mit beispielsweise einer Wel lenlänge von 1064 nm oder eines Picosekundenlasers mit beispielsweise einer Wellenlänge von 1090 nm bis 1064 nm gebildet sein. Die genannten Lasereinrichtungen arbeiten damit beispielsweise im UV-Bereich,
Infrarotbereich oder in einem grünen Spektralbereich. Die Figuren 3 und 4 zeigen jeweils einen Querschnitt durch eine mit einer derartigen
Lasereinrichtung erzeugten Sollbruchlinie 6a, und zwar Figur 3 mit einer zweiten Tiefe T2 und Figur 4 mit einer ersten Tiefe T1 .
Die Beaufschlagung der jeweiligen Oberflächenseite 3.1 , 3.2 der
Keramikschicht 3 mit dem durch die Lasereinrichtung erzeugten Laserstrahl, der ggf. durch eine entsprechende Optikeinrichtung umgelenkt wird, erfolgt hierbei vorzugsweise senkrecht zur jeweiligen Oberflächenseite 3.1 , 3.2 der Keramikschicht 3. Auch können telezentrische Optiken oder Planfeldoptiken zur Anwendung kommen.
Alternativ ist eine Anordnung der Basissubstrate 1 auf einer vorzugsweise verfahren baren„x-y-Tisch"-Anordnung möglich, der eine vorzugsweise ebenfalls verfahrbare Umlenkoptik zugeordnet ist, die mit dem von der Lasereinrichtung erzeugten Laserstrahl beaufschlagt wird. Damit ist u.a. auch eine„On-the-fly"-Bearbeitung der Basissubstrate 1 und/oder eine
segmentbezogene Bearbeitung („Stichen") möglich.
Mittels genannter Laservorrichtungen sind kontinuierliche Vertiefungen bildende, schlitzartige Sollbruchlinien 6a - 6d in der Keramikschicht 3 einbringbar, und zwar ohne dass hierdurch ein Einschusskegel bzw.
Schmelzaufwurf entsteht. Zur Ausbildung der unterschiedlichen Tiefen T1 und T2 gibt die Laservorrichtung beim Überfahren der Kreuzungsbereiche K1 bis K4 eine höhere Leistung als außerhalb der Kreuzungsbereiche K1 bis K4 ab, so dass dadurch ein größerer Material abtrag in den
Kreuzungsbereichen K1 bis K4 entsteht, d.h. neben der Tiefe T1 , T2 kann auch eine Verbreiterung der Sollbruchlinien 6a - 6d in den
Kreuzungsbereichen K1 bis K4 erfolgen. Derartig erzeugte Sollbruchlinien 6a bis 6f weisen beispielsweise eine erste Tiefe T1 von ca. 40 μηι bis 1 80 μηι und eine zweite Tiefe T2 von ca. 20 μηι bis 90 μηι auf.
In einer zweiten Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens werden mittels der Laservorrichtung zunächst Sollbruchlinien 6a bis 6f mit einheitlicher Tiefe, und zwar der zweiter Tiefe T2 im Basissubstrat 1 erzeugt. Anschließend werden mittels der Laservorrichtung - vorzugsweise ohne Änderung der Betriebsparameter der Laservorrichtung - das Basissubstrat 1 entlang der erzeugten Sollbruchlinien 6a bis 6f abgefahren, jedoch nur in den vorgegebenen Kreuzungsbereichen K1 bis K9 das Basissubstrat 1 mit dem Laserstrahl beaufschlagt. Hierdurch wird die bereits bestehende
Sollbruchlinien 6a bis 6f in den Kreuzungsbereichen K1 bis K9 nochmals vertieft, und zwar vorzugsweise solange bis diese die vorgegebene zweite Tiefe T2 erreicht hat. Hierzu finden vorzugsweise kostengünstige C02- Lasereinrichtungen Anwendung, durch welche diskontinuierliche
Sollbruchlinien 6a bis 6f erzeugt werden, die durch mehrere punktartige Einschusskrater gebildet sind, die entweder beabstandet zueinander oder überlappend angeordnet sein können. Diese punktartigen Einschusskrater weisen beispielsweise einen Abstand zwischen 1 50 μηι und 200 μηι und/oder einen reinen Öffnungsdurchmesser zwischen 80 μηι und 1 10 μηι auf. In Figur 5 und 6 ist jeweils ein Querschnitt durch einen derartigen
Einschusskrater dargestellt, und zwar mit einer zweiten Tiefe T1 in Figur 5 und mit einer ersten Tiefe T1 in Figur 6. Bei diskontinuierlichen
Sollbruchlinien 6a bis 6f sind die erste und zweite Tiefe T1 , T2 im Vergleich zu kontinuierlichen Sollbruchlinien 6a bis 6f größer zu wählen, um ein zuverlässiges Brechverhalten zu gewährleisten. Beispielsweise beträgt die erste Tiefe T1 zwischen 40 μηι und 260 μηι bzw. bis maximal 80% der Material stärke der Keramikschicht 3 und die zweite Tiefe T2 zwischen 20 μηι und 200 μηι. Insbesondere in den in den Eckbereichen des Basissubstrates 1 befindlichen Kreuzungsbereichen K1 bis K4 erstreckt sich zumindest ein freies Ende der jewei ls sich kreuzenden Sollbruchlinien 6a bis 6d bis zum Rand des
Basissubstrates 1 , um einen saubere Abtrennung der Randabschnitte 1 a bis 1 d vom Basissubstrat 1 zu gewährleisten. Auch kann sich in einer
Ausführungsvariante die erste Tiefe T1 vom Kreuzungsbereich K1 bis K4 bis zum Rand des Basissubstrates 1 fortsetzten.
Figur 7 zeigt in einer vergrößerten Ausschnitt des den zweiten
Kreuzungspunkt K2 aufnehmenden Eckbereich der in Figur 2 dargestel lten Draufsicht auf das Basissubstrat 1 . Figur 8 zeigt einen Schnitt entlang der Linie A-A durch die dritte Sol lbruchlinie 6c des Basissubstrates 1 .
Vorzugsweise erstreckt sich in der dargestel lten Ausführungsvariante die erste und dritte Sol lbruch linie 6a, 6c jewei ls über den zweiten
Kreuzungspunkt K2 hinaus bis zum Rand des Basissubstrates 1 . Die Länge L der ersten und dritten Sol l bruchl inie 6a, 6c mit erster Tiefe T2 ist hierbei näherungsweise symmetrisch zum Kreuzungspunkt P des zweiten
Kreuzungsbereich K2 der ersten und dritten Sol lbruchlinie 6a vorgesehen. Analog hierzu ist die Länge L der ersten und sechsten Sol lbruchlinie 6a, 6f, der dritten und fünften Sol lbruchlinie 6c, 6e sowie der fünften und sechsten Sol lbruchlinie 6e, 6f im fünften, sechsten und neunten Kreuzungsbereich K5, K6, K9 gewählt.
Auch kann in ei ner alternativen Ausführungsvariante die erste Tiefe T1 in den innerhalb des Basissubstrates 1 liegenden Kreuzungsbereichen K5 bis K9 im Vergleich zu den in den Eckbereichen des Basissubstrates 1 liegenden Kreuzungsbereichen K1 bis K4 reduziert sein.
Der Ü bergang zwischen dem Bereich erster Tiefe T1 und zweiter Tiefe T2 kann entweder kontinuierlich oder stufenartig ausgebi ldet sein. Auch kann der Übergang einen konkaven, konvexen oder linearen Querschnittsverlauf aufweisen.
Zum Erzeugung einer hochqualitativen Bruchlinie kann das Basissubstrat 1 entlang der Sollbruchlinien 6a bis 6f auf eine unter dessen
Schmelztemperatur und der Schmelztemperatur der Metallisierung 4, 5 liegende Prozesstemperatur erwärmt werden und anschließend die
Sollbruchlinien 6a bis 6f mit einem Kühlmittelstrahl beaufschlagt werden, um durch eine thermisch induzierte mechanische Spannungsdifferenz eine gesteuerte Materialdurchtrennung entlang der Sollbruchlinien 6a bis 6f zu bewirken. Hierdurch ist eine Reduzierung der Tiefen T1 , T2 der
Sollbruchlinien 6a bis 6f möglich.
Auch kann die Erzeugung der Sollbruchstellen 6a bis 6f mittels der beschriebenen Lasereinrichtungen in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre erfolgen, die vorzugsweise einen Sauerstoffanteil von mindestens 30% aufweist.
Die Erfindung wurde voranstehend an Ausführungsbeispielen beschrieben. Es versteht sich, dass zahlreiche Änderungen sowie Abwandlungen möglich sind, ohne dass dadurch der der Erfindung zugrunde liegend
Erfindungsgedanke verlassen wird.
Bezugszeichenliste
1 Basissubstrat
1 a - 1 d erster bis vierter Randabschnitt 2 Metal l-Keramik-Substrate
3 Keramikschicht
3.1 erste Oberflächenseite
3.2 zweite Oberflächenseite
4 erste Metal lisierung
5 zweite Metal lisierung
6a - 6f erste bis sechste Sol lbruchlinie
K1 - K9 erster bis neunter Kreuzungsbereich L Länge
P Kreuzungspunkt
TL Tei l länge
T1 erste Tiefe
T2 zweite Tiefe

Claims

Patentansprüche
Basissubstrat umfassend zumindest eine Keramikschicht (3), die an zumindest einer Oberflächenseite (3.1 , 3.2) mit mindestens einer Metal lisierung (4) versehen ist, bei dem die Metal lisierung (4) zur Erzeugung vorzugsweise mehrerer einzelner Metal l-Keramik-Substrate (2) aus dem Basissubstrat (1 ) strukturiert ist, und bei dem zum
Abtrennen von ungenützten Randbereichen (1 a - 1 d) des
Basissubstrates (1 ) und/oder zum Vereinzeln des Basissubstrates (1 ) in mehrere einzelne Metall-Keramik-Substrate (2) mittels einer
Laservorrichtung in zumindest einer Oberflächenseite (3.1 , 3.2) der Keramikschicht (3) des Basissubstrates (1 ) mehrere Sol lbruchlinien (6a - 6f) eingebracht werden, wobei sich jewei ls zwei der Sol lbruchlinien (6a - 6f) in jewei ls einem Kreuzungsbereich (K1 - K9) schneiden, dadurch gekennzeichnet, dass die Sol lbruch linien (6a - 6f) zumindest in den Kreuzungsbereichen (K1 - K9) eine erste Tiefe (T1 ) und außerhalb der Kreuzungsbereiche (K1 - K9) eine zweite Tiefe (T2) aufweisen, wobei die erste Tiefe (T1 ) größer als die zweite Tiefe (T2) ist.
Basissubstrat nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Sol lbruchlinien (6a - 6f) in einer ersten Oberflächenseite (3.1 ) der Keramikschicht (3) und/oder in der gegenüberliegenden zweiten Oberflächenseite (3.2) der Keramikschicht (3) eingebracht sind.
Basissubstrat nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sol lbruchlinien (6a - 6f) in Form einer kontinuierlichen Vertiefung oder in Form einer diskontinuierlichen Vertiefung ausgebi ldet sind, wobei die kontinuierlichen Vertiefungen vorzugsweise schlitzartig ausgebildet sind und die diskontinuierlichen Vertiefungen von einer linienartigen Anordnung einer Vielzahl von Einschusskratern in einer Oberflächenseite (3.1 , 3.2) gebildet sind.
Basissubstrat nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, dass die in den Kreuzungsbereichen (K1 bis K9) vorgesehene vergrößerte erste Tiefe (T1 ) der Sollbruchstellen (6a - 6f) durch ein mehrfaches Beaufschlagen der Kreuzungsbereiche (K1 bis K9) mit einem durch die Lasereinrichtung erzeugten Laserstrahl mit homogener Leistung oder durch ein einmaliges Beaufschlagen der Kreuzungsbereiche (K1 bis K9) mit einem durch die Lasereinrichtung erzeugten Laserstrahl mit regelbarer Leistung erzeugt ist.
Basissubstrat nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, dass die Sollbruchstellen (6a bis 6f) in den
Kreuzungsbereichen (K1 bis K9) eine im Vergleich zur zweiten Tiefe (T2) um 20% bis 80% größere erste Tiefe (T1 ) aufweisen, wobei die zweite Tiefe (T2) vorzugsweise zwischen 30 μηι und 200 μηι beträgt und/oder die erste Tiefe (T1 ) kleiner als 80% der Material stärke der Keramikschicht (3) ist.
6. Basissubstrat nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, dass die ersten Tiefe (T1 ) der Sollbruchstellen (6a bis 6f) in den Kreuzungsbereichen (K1 bis K9) sich über eine Länge (L) von 0,2 mm bis 20 mm erstreckt.
7. Metall-Keramik-Substrat (2) hergestellt aus einem Basissubstrat (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen von zumindest vier der Sollbruchlinien (6a bis 6f) abgegrenzten Teilbereich der Keramikschicht (3) des Basissubstrates (1 ) mit zumindest einem an der Oberflächenseite (3.1 , 3.2) der
Keramikschicht (3) vorgesehen strukturierten Metal l isierungsabschnitt (3).
Verfahren zum Herstel len eines Basissubstrates (1 ) umfassend zumindest eine Keramikschicht (3), die an zumindest einer
Oberflächenseite (3.1 , 3.2) mit mindestens einer Metal lisierung (4) versehen ist, bei dem die Metal lisierung (4) zur Herstel lung von mehreren einzelnen Metal l-Keramik-Substraten (2) aus dem
Basissubstrat (1 ) strukturiert wird, und bei dem zum Abtrennen von ungenützten Randbereichen (1 a - 1 d) des Basissubstrates (1 ) und/oder zum Vereinzeln des plattenartigen Basissubstrates (1 ) in die einzelnen Metal l-Keramik-Substrate (2) mittels einer Laservorrichtung in zumindest einer Oberflächenseite (3.1 , 3.2) der Keramikschicht (3) des Basissubstrates (1 ) mehrere Sol lbruchlinien (6a - 6f) eingebracht werden, wobei sich jewei ls zwei der Sol lbruchlinien (6a - 6f) in jewei ls einem Kreuzungsbereich (K1 bis K9) schneiden, dadurch gekennzeichnet, dass die Sol lbruchlinien (6a - 6f) derart mittels der Laservorrichtung in die Keramikschicht (3) eingebracht werden, dass diese zumindest in vorgegebenen Kreuzungsbereichen (K1 bis K9) eine erste Tiefe (T1 ) und außerhalb der Kreuzungsbereiche (K1 bis K9) eine zweite Tiefe (T2) aufweisen, wobei die erste Tiefe (T1 ) größer als die zweite Tiefe (T2) ist.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Einbringen der Sol lbruchlinien (6a - 6f) zumindest eine der
Metal lisierungen (4, 5) strukturiert wird und ansch ließend die
Sol lbruchlinien (6a - 6f) in die erste Oberflächenseite (3.1 ) der Keramikschicht (3) und/oder die gegenüberliegende zweite
Oberflächenseite (3.2) der Keramikschicht (3) eingebracht werden. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Sollbruchlinien (6a - 6f) in Form einer kontinuierlichen oder diskontinuierlichen Sollbruchlinien (6a - 6f) in die Keramikschicht (3) eingebracht werden, wobei die kontinuierlichen Sollbruchlinien (6a - 6f) in Form von schlitzartigen Vertiefungen ausgebildet sind und die diskontinuierlichen Sollbruchlinien (6a - 6f) von einer linienartigen Anordnung einer Vielzahl von Einschusskratern in der
Oberflächenseite (3.1 ) der Keramikschicht (3) gebildet ist, die beispielsweise beabstandet zueinander und/oder überlappend angeordnet sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch
gekennzeichnet, dass die in den Kreuzungsbereichen (K1 bis K9) vorgesehene vergrößerte erste Tiefe (T1 ) der Sollbruchstellen (6a - 6f) durch ein mehrfaches Beaufschlagen der Kreuzungsbereiche (K1 bis K9) mit einem durch die Lasereinrichtung erzeugten Laserstrahl mit homogener Leistung oder durch ein einmaliges Beaufschlagen der Kreuzungsbereiche (K1 bis K9) mit einem durch die Lasereinrichtung erzeugten Laserstrahl mit regelbarer Leistung erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die in Form einer kontinuierlichen schlitzartigen Vertiefung ausgebildeten Sollbruchlinien (6a - 6d) mittels einer Lasereinrichtung mit regelbarer Laserleistung, insbesondere mittels eines Diodenlaser, Faserlaser oder Festkörperlaser mit unterschiedlichen Pulsdauern, beispielsweise U ltrakurzpuls- oder Kurzpulssekundenlaser erzeugt werden. 3. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die
diskontinuierlichen Sollbruchlinien (6a - 6d) mittels einer CO2- Lasereinrichtung erzeugt werden. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 1 3, dadurch
gekennzeichnet, dass die Sol lbruchstel len (6a bis 6f) i n den
Kreuzungsbereichen (K1 bis K9) mit einer im Vergleich zur zweiten Tiefe (T2) um 20% bis 80% größeren ersten Tiefe (T1 ) erzeugt werden, wobei die zweite Tiefe (T2) vorzugsweise zwischen 30 μηι und 200
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beträgt und/oder die erste Tiefe (T1 ) kleiner als 80% der Material stärke der Keramikschicht (3) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch
gekennzeichnet, dass die Sol lbruchstel len (6a bis 6f) in den
Kreuzungsbereichen (K1 bis K9) mit einer ersten Tiefe (T1 ) derart erzeugt werden, dass sich die erste Tiefe (T1 ) über einer Länge (L) 0,2 mm bis 20 mm erstreckt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 1 5, dadurch
gekennzeichnet, dass das Einbringen der Sol lbruchstel len (6a bis 6f) mittel der Laservorrichtung in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre erfolgt, die vorzugsweise einen Sauerstoffantei l von mindestens 30% aufweist.
PCT/DE2014/100033 2013-04-22 2014-02-04 Basissubstrat, metall-keramik-substrat hergestellt aus einem basissubstrat sowie verfahren zum herstellen eines basissubstrates WO2014173391A1 (de)

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