WO2015024541A1 - Verfahren zum herstellen von metall-keramik-substraten sowie metall-keramik-substrat - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a method according to the preamble of claim 1 and to a metal-ceramic substrate according to the preamble of claim 26.
- Metal-ceramic substrates in particular those in the form of printed circuit boards for electrical and electronic circuits or modules, as well as methods for producing such substrates are known.
- these substrates consist of a ceramic
- Insulating layer which is provided in each case with a metallization on its two surface sides.
- a metal foil e.g. is made of copper, of a copper alloy, of aluminum or of an aluminum alloy and connected with the aid of a suitable process over the entire surface of the ceramic insulating layer.
- DCB direct copper bond
- this layer or coating (reflow) forms a eutectic with a melting temperature below the melting temperature of the metal (eg copper), so by hanging up the film on the ceramic and by heating all the layers they can be joined together, by melting the metal or copper substantially only in the region of the melting layer or
- This DCB method then indicates e.g. the following process steps:
- active soldering method (DE 22131 1 5, EP-A-153 618), e.g. for joining metallization-forming metal layers or metal foils, in particular also copper layers or copper foils or aluminum layers or aluminum foils with ceramic material.
- this method which is also used especially for the production of metal-ceramic substrates, at a temperature between about 800 - 1000 ° C, a connection between a metal foil, such as copper foil, and a ceramic substrate, such as aluminum nitride ceramic, using a brazing filler metal, which also contains an active metal in addition to a main component such as copper, silver and / or gold.
- This active metal which is, for example, at least one element of the group Hf, Ti, Zr, Nb, Ce, establishes a chemical bond between the solder and the ceramic, while the bond between the solder and the metal is a metallic braze joint ,
- Step etching, by introducing depressions, etc. has already been proposed (DE 10 2010 024 520 A1), in etching trenches between metal areas of a structured metallization of metal-ceramic substrates, a polymeric material as a closing and / or grouting mass for closing cracks between the metallization and the ceramic.
- the aim here is specifically that the polymeric material at the same time the metal areas at their edges or
- the object of the invention is to provide a method for producing metal-ceramic substrates, with which the disadvantages resulting from existing cracks between the
- Claim 1 is formed. Further developments of the method are the subject of
- a metal-ceramic substrate is the subject of claim 26.
- FIG. 1 shows a simplified illustration and in section a metal I ceramic substrate
- FIG. 6 shows an enlarged partial representation and, on average, the metal I ceramic substrate in the region of an etching trench of an upper metal lization after the application of a closure and / or grouting compound;
- Fig. 7 is a plan view of a multiple substrate
- the Metal I ceramic substrate generally designated 1 in the figures, includes, inter alia. a ceramic substrate or a ceramic layer 2, a top metalization 3 in FIG. 1, which is structured to form conductor tracks, contact surfaces, mounting surfaces for components, etc., e.g. by a masking and etching process, and thereby forms Metal l Stude 3.1, as well as a lower in the figure 1 Metal lization 4.
- the metal lations 3 and 4 or d he metal l Schemee 3.1 are flat with a suitable bonding or bonding technique with the relevant surface side of the ceramic layer 2 is connected.
- Figure 2 shows in positions a) and b) again in an enlarged Thomasdarstel treatment details of the metal l ceramic substrate 1 in the edge region of the metal lisations 3 and 4 or the metal l Schemee 3.1.
- FIG. 2 shows in positions a) and b) again in an enlarged Thomasdarstel treatment details of the metal l ceramic substrate 1 in the edge region of the metal lisations 3 and 4 or the metal l Schemee 3.1.
- microcracks microcracks
- connection area between the metal ization 3/4 and the ceramic layer 2 extend, so there is no connection between the metal and the ceramic.
- the invention generally proposes to completely fill the cracks 5 with a suitable hardenable or polymerizable sealing and / or grouting mass 7 (plastic sealing and / or grouting mass), so that the so filled cracks 5 effect no longer affecting the mechanical stability and / or the electrical properties of the respective metal-ceramic substrate 1, in particular, a continuation or extension of cracking during the operation of a metal-ceramic substrate 1 circuit or module effectively is prevented.
- a suitable hardenable or polymerizable sealing and / or grouting mass 7 plastic sealing and / or grouting mass
- the length I of the cracks 5 to be closed or pressed is, for example, I ⁇ 0.2 ⁇ d,
- d is the thickness of the ceramic layer 2.
- kdm is the mean grain diameter of the ceramic.
- a sealing and / or grouting mass 7 or as a polymeric material of this composition are in the invention basically curable or polymerizable monomers, polymers or plastics or plastic compounds or copolymers or
- Plastic mixtures of thermoplastic or thermosetting nature which are liquid or viscous for introduction into the cracks 5 in the not yet cured or polymerized state and in the cured state preferably have a transverse and longitudinal crosslinking.
- Suitable sealing and / or grouting masses 7 are, for example, those based on polyamide or epoxy resin.
- the thermal expansion coefficient of the closing and / or grouting mass 7 is greater than the thermal
- the curing or polymerization takes place e.g. by energy input, for example by heating, by treatment with U ltraschall, with microwave radiation, with
- the curing is carried out by heat at a temperature in the range between 100 ° C and 180 ° C.
- the curing of the sealing and / or grouting mass 7 by heating has the advantage that this mass contracts after curing when cooling the substrate 1 to U ambient temperature.
- a plastic solution which contains in a solvent the polymeric material used for closing or pressing the cracks is used as the closing and / or pressing compound 7.
- a solvent for example butylrolactone. But other solvents are suitable, provided they are easily evaporable and no chemical reaction with the respective
- Plastic or polymeric material enter.
- the bonding or joining of the metal foils forming the metallizations 3 and 4 with the ceramic layer 2 takes place for example by DMB bonding, by active brazing or by a suitable adhesive material, also polymeric adhesive material.
- a suitable adhesive material also polymeric adhesive material.
- Metallizations 3 and 4 and the metal areas 3.1 is suitable, for example, copper, aluminum, silver, nickel and also alloys of the aforementioned metals.
- Ceramics for the Ceramic layer is suitable, for example AI203, Si3 N4, AlN and mixed ceramics, z. AI203 - Zr02.
- the thickness de of the metallizations 3 and 4 and the metal regions 3.1 is for example in the range between 0.1 mm and 1.5 mm.
- the thickness d of the ceramic layer 2 is for example in the range between 0.2mm and 2mm.
- FIG. 3 shows in the positions a) -d) essential method steps of a method according to the invention for producing the metal-ceramic substrate 1.
- the ceramic layer 2 is first provided on both surface sides by means of a suitable bonding technique with metal foils which form the metallizations 3 and 4.
- the sealing and / or grouting mass 7 is applied laterally from the metal regions 3.1 and in particular also in the etch trenches 6 which have arisen during the structuring of the metallization 3 between the metal regions 3.1, and although in each case on the exposed ceramic of the ceramic layer 2.
- the flowable sealing and / or grouting mass 7 is pressed by pressing into the existing cracks 5, by pressurizing the metal-ceramic substrate 1, ie
- a pressure chamber which with a compressed gas, for example with compressed air, but preferably with a pressurized inert gas, e.g. Nitrogen is applied.
- this pressurization in particular also the closing and / or grouting mass 7 with the arrow P is indicated.
- the pressure (compression pressure) used in the compression or in the pressure treatment is, for example, in the range between 1.1 and 500 bar, for example between 1.1 and 100 bar.
- the pressing of the cracks 5 takes place for example at U ambient temperature or at elevated temperature or at this temperature heated substrate. 1
- the position d) shows the filled with the closing and / or grouting mass 7 cracks 5, which are denoted by 5/7.
- FIG. 4 shows in the positions a) -e) the essential method steps of a further method according to the invention for producing the metal-ceramic substrate 1.
- metallization 4 is not shown in positions c) -e).
- Vacuum treatment of the metal-ceramic substrate 1 is carried out, e.g. by
- the vacuum and / or grouting mass 7 is then applied under vacuum to the exposed ceramic of the ceramic layer 2 in the region of the edges of the metallizations 3 and 4 or the metal regions 3.1 and, in particular, again in the direction of position c) Etch trenches 6, with the particular advantage that the introduced into the etch trenches 6 flowable Verscherie- and / or grouting mass 7 is additionally prevented by the lateral metal areas 3.1 at a drain.
- the sealing and / or grouting mass 7 flows by capillary action into the cracks 5.
- the pressing of the cracks 5 takes place, for example, again at U ambient temperature or at elevated temperature or at heated to this temperature substrate. 1
- the vacuum is removed, that is, the metal-ceramic substrate 1 is at atmospheric pressure or with a
- the sealing and / or grouting mass 7 in the not yet cured or polymerized state has a high flowability or a low viscosity
- the metallizations 3 and 4 as well as the metal areas 3.1 are, for example, as a precautionary measure on their exposed, i. the ceramic layer 2 facing away
- the pressing of the cracks 5 is carried out such that after pressing at the edges of the metallizations 3 and 4 and metal areas 3.1 outside the cracks 5 a residual amount of capping and / or grouting mass 7 remains, and with a thickness which is greater than the thickness of the closing and / or grouting mass 7 at the exposed
- Residual removed, without the closing and / or grouting mass 7 is removed from the cracks 5. It is also expedient to provide the exposed surface sides of the metallizations 3 and 4 as well as the metal regions 3.1 prior to application of the sealing and / or grouting mass 7 with a release layer which, together with the hardened sealing and / or grouting mass 7 can be easily removed. As a separation layer is then suitable, for example, a temperature-resistant Atzresist, which is used for the masking in structuring the metallizations 3 and 4 with the masking and etching process.
- FIG. 5 shows in the positions a) -d) method steps of a further method according to the invention.
- metallization 4 is not shown in positions c) and d). In this method, after applying the
- Metallizations 3 and 4 on the ceramic layer 2 (position a)) and after the structuring of the metallization 3 (position b)) on the exposed ceramic of the ceramic layer 2 in the region of the edges of the metallizations 3 and 4 or the metal regions 3.1 and in turn in particular also applied in the field of etch trenches 6, the closing and / or Verpress- mass 7 in granular or powder form (position e)).
- This is followed by heating the metal-ceramic substrate 1 to a temperature at which the thermoplastic sealing and / or grouting mass 7 in this embodiment passes into the liquid state (position c)).
- metal-ceramic substrate 1 When held at this temperature metal-ceramic substrate 1 is then carried out, for example, by applying the metal-ceramic substrate 1 with the pressure P, the compression of the liquid sealing and / or Verpress- mass 7 in the cracks 5, so they completely with the sealing and / or grouting mass 7 are filled, which cures after cooling of the metal-ceramic substrate 1.
- the use of a powdery or granular closure and / or grouting compound 7 when applied to the metal-ceramic substrate 1 has the advantage that, prior to the heating of the metal-ceramic substrate 1, the surface facing away from the ceramic layer 2 Metallizations 3 and 4 and the Metal I Schemee 3.1 can be easily removed, for example by brushing, wiping etc.
- the closing or pressing of the cracks 5 takes place in all embodiments of the invention in principle such that after closing or pressing the sealing and / or grouting mass absorbed exclusively in the cracks 5 and the edge region 3.1 .1 or 4.1 of the metallization and thereby in particular, the respective surface of the ceramic layers 2 facing away from the outside or the outside of the metallizations 3.1 and 4 of the Closing and / or grouting mass is kept free or after closing or pressing at most a negligible part of the edge areas 3.1 .1 and 4.1 is covered by Verschmony- and / or grouting mass, ie, starting from the ceramic layer 2 a maximum of 10th % of height or thickness of the metallizations 3.1.
- metallic surface layers e.g. of silver, nickel and / or gold on the metallizations 3, 3.1 and 4 is possible.
- the sealing and / or pressing compound 7 is introduced in such an amount onto the exposed surface of the ceramic layer 2, for example into the etching trench 6 between two metal regions 3.1, that the liquid or liquefied seal - And / or Verpress mass 7 after application to the respective edge region 3.1 .1 or 4.1 by adhesion or capillary action a maximum height or thickness dvmax which is at most 50% of the thickness de, and in the middle or about in the center between two metal regions 3.1 has a thickness dvmin of 20 ⁇ - 100 ⁇ .
- the thickness dvmin is dependent on the viscosity of the sealing and / or Verpress- mass 7 or of the plastic ante il in the plastic solution used as a closing and / or grouting mass 7.
- the thickness dvmin is inversely proportional to the proportion of the plastic in the
- the thickness dvmin is smaller than with a higher proportion in the plastic solution.
- the thickness dvmin is at a plastic content of 10
- the proportion of plastic in the plastic solution is generally in the range between 2.5% by weight to 70% by weight.
- FIG. 7 shows a plan view of a metal I ceramic substrate 1 in the form of a metal substrate
- Sol brittle lines 1 0 are introduced, for example, in the ceramic layer 2 as continuous or broken trenches or grooves by means of a laser beam.
- Metal sections 3.1 and 3.2 have a height corresponding to the thickness of the metal sections 3.1 and 3.2 and thereby prevent lateral closing of the sealing and / or grouting mass 7 introduced into the etching trenches 6 prior to their hardening. Since it is necessary for the subsequent use of the metal I ceramic substrate 1 that the marginal metal areas 3.2 are separated from one another, the barriers 9 are easily removable and / or severable. They consist, for example, of thin metal spacers which have been produced during structuring of the metal lation or of an easily removable mass, e.g. made of plastic and / or wax.
- the Auf- or Ver Schil len or pressing the cracks 5 takes place in this embodiment again so that after pressing the grout mass is taken up exclusively in the cracks 5 and in particular the edge region 3.1 .1 or 4.1 of the metal lierungen 3.1 and 4 and al lem also the respective ige the ceramic layer 2 opposite surface side of the metal lations 3.1 and 4 is kept free of the grouting mass or after pressing ls a negligible small part of the edge areas 3.1 .1 or 4.1 of grouting mass is covered, that is, starting from the ceramic layer 2, a maximum of 1 0% of Height or thickness of the metallizations 3.1.
- Verpress-mass passes in particular on the ceramic layer 2 facing away from the surface of the metallizations 3.1 and 4 and so undisturbed by the grouting mass connecting the metallizations 3.1 and 4 of the individual substrates with components , eg the metallizations 3.1 with electronic
- the sealing and / or grouting mass 7 is also applied to the exposed surface of the ceramic layer 2, for example into the etched trench 6 between two metal regions 3.1 or 3.1 / 3.2, even in the case of the multiple substrate 1 introduced such that the liquid or liquefied sealing and / or grouting mass 7 after application to the edge region 3.1 .1 of the metal areas 3.1 respectively by adhesion or capillary a maximum height or thickness dvmax, the maximum 50% of the thickness de these areas is, and in the middle or approximately in the middle between two metal I Silveren 3.1 a thickness dvmin of 20 ⁇ - has 100 ⁇ .
- the thickness dvmin is dependent on the viscosity of the sealing and / or grouting mass 7 or of the plastic fraction in the sealing and / or grouting mass 7
- a reduced and an elevated temperature e.g. between a temperature well below room temperature and a temperature above 100 ° C, for example between a temperature of -50 ° C and a temperature of + 150 ° C.
- the metallizations 3 and 4 as well as the metal regions 3.1 with an edge weakening, for example by step etching and / or by introducing depressions 8 in the edge region, which are shown in the positions c) - d) of FIG. 5 and are produced, for example, during the structuring of the metallization 3 or else before or after this structuring.
- the recesses 8 are open at the side facing away from the ceramic layer 2 of the metallizations 3 and 4 and the metal regions 3.1 and are sufficient in the illustrated
- the metallizations 3 and 4 as well as the metal areas 3.1 are formed by metal foils.
- the metallizations 3 and / or 4 and / or especially the structured metal regions 3.1 can also be produced in thick / thin-film technology by applying a metal paste to the ceramic layer 2 and by burning in this metal paste. LIST OF REFERENCE NUMBERS
- kdm mean grain diameter of the ceramic of the ceramic layer 2 dvmin, dvmax thickness of the order of the sealing and / or grouting mass
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Abstract
Verfahren zum Herstellen von Metall-Keramik-Substraten mit einer Keramikschicht und mit wenigstens einer Metallisierung und/oder mit wenigstens eine strukturierte Metallisierung bildenden Metallbereichen an wenigstens einer Oberflächenseite der Keramikschicht.
Description
Verfahren zum Herstellen von Metall-Keramik-Substraten sowie Metall-Keramik-Substrat
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß Oberbegriff Patentanspruch 1 sowie auf ein Metall-Keramik-Substrat gemäß Oberbegriff Patentanspruch 26.
Metall-Keramik-Substrate, insbesondere auch solche in Form von Leiterplatten für elektrische und elektronische Schaltkreise oder Module sowie Verfahren zum Herstellen derartiger Substrate sind bekannt. In der Regel bestehen diese Substrate aus einer keramischen
Isolierschicht, die an ihren beiden Oberflächenseiten jeweils mit einer Metallisierung versehen ist. Diese ist dann beispielsweise von einer Metallsfolie, z.B. aus Kupfer, aus einer Kupferlegierung, aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung gebildet ist und mit H ilfe eines geeigneten Verfahrens vollflächig mit der keramischen Isolierschicht verbunden.
Bekannt ist hierfür u.a. das sogenannte„DCB-Verfahrens" (Direct-Copper-Bond-Technology) beispielsweise zum Verbinden von Metallschichten oder -blechen (z.B. Kupferblechen oder - folien) mit einander und/oder mit Keramik oder Keramikschichten, und zwar unter
Verwendung von Metall- bzw. Kupferblechen oder Metal l- bzw. Kupferfolien, 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 1 9 854 beschriebenen Verfahren bildet diese Schicht oder dieser Überzug (Aufschmelzschicht) ein Eutektikum mit einer Schmelztemperatur unter der Schmelztemperatur des Metalls (z.B. Kupfers), sodass 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.
Analog zu diesem vorgenannten DCB-Verfahren zum Direct-Bonden von Kupfer auf Kupfer oder Kupfer auf Keramik sind auch andere Direct-Metal-Bond-Verfahren- oder Technologien bekannt, mit denen in analoger Weise das Verbinden von Metallschichten oder -blechen ganz allgemein miteinander und/oder mit Keramik- oder Keramikschichten möglich ist. Das DCB-Verfahren und die mit diesem analogen Verfahren werden nachstehend als DMB- Verfahren (Direct-Metal-Bond-Verfahren) bezeichnet werden.
Bekannt ist weiterhin das sogenannte Aktivlot-Verfahren (DE 22131 1 5; EP-A-153 618) z.B. zum Verbinden von Metallisierungen bildenden Metallschichten oder Metallfolien, insbesondere auch von Kupferschichten oder Kupferfol ien oder Aluminiumschichten oder Aluminiumfolien mit Keramikmaterial. Bei diesem Verfahren, welches speziell auch zum Herstellen von Metall-Keramik-Substraten verwendet wird, 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, Ce ist, stellt durch chemische Reaktion eine Verbindung zwischen dem Lot und der Keramik her, während die Verbindung zwischen dem Lot und dem Metall eine metallische Hartlöt-Verbindung ist.
Es hat sich gezeigt, dass insbesondere hohe thermische Wechselbelastungen des jeweiligen Metall-Keramik-Substrates, wie sie vor allem bei Verwendung eines solchen Substrates als Leiterplatte für Schaltkreise oder Module im Leistungsbereich auftreten, zu einer
Vergrößerung von Rissen oder Mikrorissen am Übergang zwischen dem Metall der Metallisierung und der Keramik führen können, wobei diese Risse auch in der Keramik unterhalb der jeweiligen Metallisierung hinein reichen können. Hierdurch ergibt sich nicht nur eine Beeinträchtigung der mechanischen Standfestigkeit des jeweiligen Metall-Keramik- Substrates, sondern insbesondere auch eine Beeinträchtigung der elektrischen Eigenschaften des jeweiligen Metall-Keramik-Substrates, und zwar vor allem auch hinsichtlich
Spannungsfestigkeit und Teilentladungsfestigkeit, was dann möglicherweise zu einem frühzeitigen Ausfallen des betreffenden Schaltkreises oder Moduls führt.
Es wurde bereits versucht, (DE 43 18 241 ) diesen Nachteil, der hauptsächlich durch die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Metall und Keramik bedingt ist, durch eine gezielte Schwächung des Randbereiches bzw. durch eine gezielte Reduzierung
des Metallvolumens im Randbereich der Metallisierung (Randabschwächung) zu beheben, beispielsweise durch eine zusätzliche Strukturierung des Randbereichs, z.B. durch
Stufenätzung, durch Einbringen von Vertiefungen usw. Vorgeschlagen wurde auch bereits (DE 10 2010 024 520 A1 ), in Ätzgräben zwischen Metallbereichen einer strukturierten Metallisierung von Metall-Keramik-Substraten ein polymeres Material als Verschließ- und/oder Verpress-Masse zum Verschließen von Rissen zwischen der Metallisierung und der Keramik einzubringen. Angestrebt wird hierbei speziell, dass das polymere Material zugleich die Metallbereiche an ihren Rändern oder
Randbereichen vollständig abdeckt und hierfür bis an die der Keramikschicht abgewandte Außenseite der jeweiligen Metallisierung reicht. Es lässt sich dabei allerdings nicht verhindern, dass auch Teilbereiche der Außenseiten der Metallisierungen zumindest von Resten des polymeren Materials bedeckt werden, was dann u.a. das Bonden von
Bauelementen, z.B. durch Löten, das Aufbringen von metallischen
Oberflächenbeschichtungen auf die Metallisierungen usw. behindert.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Herstellen von Metall-Keramik-Substraten aufzuzeigen, mit dem die Nachteile, die sich aus vorhandenen Rissen zwischen der
Metallisierung und der Keramik sowie innerhalb der Keramik ergeben, wirksam vermieden werden, und zwar ohne dass sich durch die Verschließ- und/oder Verpress-Masse Nachteile bei der Verwendung und/oder weiteren Bearbeitung des jeweiligen Metall-Keramik- Substrates ergeben. Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Verfahren entsprechend dem
Patentanspruch 1 ausgebildet. Weiterbildungen des Verfahrens sind Gegenstand der
U nteransprüche. Ein Metall-Keramik-Substrat ist Gegenstand des Patentanspruchs 26.
Der Ausdruck„im Wesentlichen" bzw.„etwa" bedeutet 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 in vereinfachter Darstellung und im Schnitt ein Metal l-Keramik-Substrat;
Fig. 2 in den Positionen a) und b) jeweils in vergrößerter Schnittdarstellung Details des
Metal l-Keramik-Substrats der Figur 1 ;
Fig. 3 in den Positionen a) - d) verschiedene Verfahrensschritte zum Herstellen des Metall- Keramik-Substrats der Figur 1 ;
Fig. 4 in den Positionen a) - e) verschiedene Verfahrensschritte zum Herstel len des Metal l- Keramik-Substrats der Figur 1 entsprechend einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 5 in den Positionen a) - d) verschiedene Verfahrensschritte zum Herstellen des Metall- Keramik-Substrats der Figur 1 bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 6 in vergrößerter Teildarstel lung und im Schnitt das Metal l-Keramik-Substrat im Bereich eines Ätzgrabens einer oberen Metal l isierung nach dem Aufbringen einer Verschl ieß- und/oder Verpress-Masse;
Fig. 7 eine Draufsicht auf ein Mehrfachsubstrat;
Fig. 8 in vergrößerter Teildarstel lung und im Schnitt das Mehrfachsubstrat im Bereich eines Ätzgrabens einer oberen Metal l isierung nach dem Aufbringen einer Verpress-Masse.
Das in den Figuren allgemein mit 1 bezeichnete Metal l-Keramik-Substrat umfasst u.a. ein Keramiksubstrat bzw. eine Keramikschicht 2, eine in der Figur 1 obere Metal l isierung 3, die zur Ausbildung von Leiterbahnen, Kontaktflächen, Befestigungsflächen für Bauelemente usw. strukturiert ist, z.B. durch ein Maskierungs- und Ätzverfahren, und hierdurch Metal lbereiche 3.1 bildet, sowie eine in der Figur 1 untere Metal l isierung 4. Die Metal l isierungen 3 und 4 bzw. d ie Metal lbereiche 3.1 sind mit einer geeigneten Verbindungs- oder Bondtechnik flächig mit der betreffenden Oberflächenseite der Keramikschicht 2 verbunden. Die Figur 2 zeigt in Positionen a) und b) nochmals in vergrößerter Schnittdarstel lung Details des Metal l-Keramik-Substrates 1 im Randbereich der Metal lisierungen 3 und 4 bzw. der Metal lbereiche 3.1 . Mit 5 sind dort schematisch Risse (Mikrorisse) angedeutet, d ie sich am Rand der Metal lisierung 3 und 4 bzw. der Metal lbereiche 3.1 jeweils teilweise im
Verbindungsbereich zwischen der Metal l isierung 3/4 und der Keramikschicht 2 erstrecken, sodass dort keine Verbindung zwischen den Metall und der Keramik besteht. Die Risse 5,
die beispielsweise durch das Bonden der Metallisierungen 3 und 4 mit der Keramikschicht 2 und durch die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Metall und Keramik verursacht sind, erstrecken sich teilweise auch in die Keramikschicht 2 hinein, und zwar auch unterhalb der jeweiligen Metallisierung 3 und 4 oder der Metallbereiche 3.1 .
Diese Risse 5 beeinträchtigen nicht nur die mechanische Stabilität der Verbindung zwischen den Metal lisierungen 3 und 4 und der Keramikschicht 2, sondern insbesondere auch die elektrische Spannungsfestigkeit des Metall-Keramik-Substrates 1 und dessen
Teilentladungsfestigkeit. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass bei thermischen
Wechselbelastungen des Metall-Keramik-Substrates 1 , wie sie insbesondere bei Verwendung dieses Substrates als Leiterplatte für Leistungsschaltkreise oder -module, beispielsweise zum Steuern von elektrischen Antrieben, durch die wechselnde Verlustwärme von
Leistungsbauteilen auftreten, dazu neigen, sich zu vergrößern und zu verlängern, was zu einem vorzeitigen Ausfall des betreffenden Schaltkreises oder Moduls führen kann. U m hier wirksam Abhilfe zu schaffen, schlägt die Erfindung generell vor, die Risse 5 mit einer geeigneten aushärtbaren oder polymerisierbaren Verschließ- und/oder Verpress-Masse 7 (Kunststoff-Verschließ- und/oder Verpress-Masse) vollständig zu verfüllen, sodass die so verfüllten Risse 5 keine Beeinträchtigung der mechanischen Stabilität und/oder der elektrischen Eigenschaften des betreffenden Metall-Keramik-Substrates 1 mehr verursachen, insbesondere auch eine Fortsetzung oder Erweiterung der Rissbildung während des Betriebes eines das Metall-Keramik-Substrat 1 enthaltenen Schaltkreises oder Moduls wirksam verhindert ist.
Die Länge I der zu verschließenden oder verpressenden Risse 5 beträgt beispielsweise, I < 0,2 x d,
wobei d die Dicke der Keramikschicht 2 ist.
Weiterhin gilt:
wobei kdm der mittlere Korndurchmesser der Keramik ist.
Nur wenn die Risse 5 den vorstehenden Bedingungen entsprechen, macht es grundsätzlich Sinn, die Risse 5 zu verschließen oder zu verpressen.
Als Verschließ- und/oder Verpress-Masse 7 oder als polymeres Material dieser Masse eignen sich bei der Erfindung grundsätzlich aushärtbare oder polymerisierbare Monomere, Polymere bzw. Kunststoffe oder Kunststoffverbindungen oder Mischpolymere bzw.
Kunststoffmischungen thermoplastischer oder duroplastischer Art, die für das Einbringen in die Risse 5 im noch nicht ausgehärteten bzw. polymerisierten Zustand flüssig oder zähflüssig sind und im ausgehärteten Zustand vorzugsweise eine Quer- und Längsvernetzung aufweisen. Geeignete Verschließ- und/oder Verpress-Massen 7 sind beispielsweise solche auf Polyamid-Basis oder Epoxyharz-Basis. Bevorzugt ist der thermischen Ausdehnungskoeffizient der Verschließ- und/oder Verpress-Masse 7 größer als der thermische
Ausdehnungskoeffizient des Metalls der Metallisierungen 3 und 4 und größer ist als der thermische Ausdehnungskoeffizient der Keramik der Keramikschicht 2.
Das Aushärten oder Polymerisieren erfolgt z.B. durch Energieeintrag, beispielsweise durch Erhitzen, durch Behandlung mit U ltraschall, mit Mikrowellenstrahlung, mit
Elektronenstrahlung, mit radioaktiver Strahlung usw., oder durch chemische, das Vernetzen bewirkende Zusätze (Härter). Speziell bei Verwendung einer Verschließ- und/oder Verpress- Masse 7 auf Epoxyharz-Basis mit Härter erfolgt das Aushärten durch Hitzeeinwirkung bei einer Temperatur im Bereich zwischen 100°C und 180°C. Das Aushärten der Verschließ- und/oder Verpress-Masse 7 durch Erhitzen hat den Vorteil, dass sich diese Masse nach dem Aushärten beim Abkühlen des Substrates 1 auf U mgebungstemperatur zusammenzieht.
H ierdurch wird die Keramik an den Rissen 5 zusammengezogen, was u.a. Zugkräften in den Metallisierungen 3 und 4 entgegen wirkt.
Bevorzugt wird als Verschließ- und/oder Verpress-Masse 7 eine Kunststofflösung verwendet, die in einem Lösungsmittel das zum Verschließen bzw. Verpressen der Risse dienende polymere Material enthält. Insbesondere bei Verwendung von Epoxyharz eignet sich als Lösungsmittel beispielsweise Butylrolacton. Aber auch andere Lösungsmittel sind geeignet, sofern sie leicht abdampfbar sind und keine chemische Reaktion mit dem jeweiligen
Kunststoff oder polymeren Material eingehen.
Das Bonden oder Verbinden der die Metallisierungen 3 und 4 bildenden Metallfolien mit der Keramikschicht 2 erfolgt beispielsweise durch DMB-Bonden, durch Aktivlöten oder durch ein geeignetes Klebematerial, auch polymeres Klebematerial. Als Werkstoff für die
Metallisierungen 3 und 4 sowie die Metallbereiche 3.1 eignet sich z.B. Kupfer, Aluminium, Silber, N ickel sowie auch Legierungen der vorgenannten Metalle. Als Keramik für die
Keramikschicht eignet sich beispielsweise AI203, Si3 N4, AlN sowie auch Mischkeramiken, z. B. AI203 - Zr02.
Die Dicke de der Metallisierungen 3 und 4 sowie der Metallbereiche 3.1 liegt beispielsweise im Bereich zwischen 0,1 mm und 1 ,5mm. Die Dicke d der Keramikschicht 2 liegt beispielsweise im Bereich zwischen 0,2mm und 2mm.
Weitere Details von Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Verfahrens weden nachfolgend im Zusammenhang mit den Figuren 3 - 5 beschrieben:
Die Figur 3 zeigt in den Positionen a) - d) wesentliche Verfahrensschritte eines Verfahrens gemäß der Erfindung zur Herstellung des Metall-Keramik-Substrates 1 . Entsprechend der Position a) wird zunächst die Keramikschicht 2 an beiden Oberflächenseiten mit Hilfe einer geeigneten Bondtechnik mit Metallfolien versehen, die die Metallisierungen 3 und 4 bilden.
Im Anschluss daran erfolgt eine Strukturierung der oberen Metallisierung 3 beispielsweise mit Hilfe einer Maskierungs- und Ätztechnik, sodass die Keramikschicht 2 entsprechend der Position b) an einer Oberflächenseite mit der die Metallbereiche 3.1 bildenden strukturierten Metallisierung 3 versehen ist. Im Anschluss daran wird entsprechend der Position c) seitlich von den Metallbereichen 3.1 und insbesondere aber auch in den Ätzgräben 6, die beim Strukturieren der Metallisierung 3 zwischen den Metallbereichen 3.1 entstanden sind, ein die Verschließ- und/oder Verpress-Masse 7 aufgebracht, und zwar auf die jeweils freiliegende Keramik der Keramikschicht 2. In einem weiteren Verfahrensschritt wird die fließfähige Verschließ- und/oder Verpress-Masse 7 durch Verpressen in die vorhandenen Risse 5 gedrückt, und zwar durch Beaufschlagung des Metall-Keramik-Substrates 1 mit Druck, d.h. beispielsweise durch Einbringen des Metall-Keramik-Substrates 1 in eine Druckkammer, die mit einem Druckgas, beispielsweise mit Druckluft, bevorzugt aber mit einem unter Druck stehenden Inertgas, z.B. Stickstoff beaufschlagt wird. In der Position c) ist diese Druckbeaufschlagung insbesondere auch der Verschließ- und/oder Verpress-Masse 7 mit dem Pfeil P angedeutet. Der bei dem Verpressen bzw. bei der Druckbehandlung verwendete Druck (Verpressdruck) liegt beispielsweise im Bereich zwischen 1 ,1 bar und 500bar, beispielsweise zwischen 1 ,1 bar und 100bar.
Das Verpressen der Risse 5 erfolgt beispielsweise bei U mgebungstemperatur oder bei erhöhter Temperatur bzw. bei auf diese Temperatur erhitztem Substrat 1 . Die Position d)
zeigt die mit der Verschließ- und/oder Verpress-Masse 7 gefüllten Risse 5, die mit 5/7 bezeichnet sind. In einem weiteren Verfahrensschritt erfolgt dann das Aushärten bzw.
Polymerisieren der in den Rissen 5 aufgenommenen Verschließ- und/oder Verpress-Masse 7. Dieses Aushärten erfolgt dann bei Normaldruck, bevorzugt aber unter Druck, vorzugsweise bei Verpressdruck.
Die Figur 4 zeigt in den Positionen a) - e) die wesentlichen Verfahrensschritte eines weiteren Verfahrens gemäß der Erfindung zum Herstellen des Metall-Keramik-Substrates 1 . Der einfacheren Darstellung wegen ist in den Positionen c) - e) die Metallisierung 4 nicht gezeigt.
Das in der Figur 4 dargestellte Verfahren unterscheidet sich von dem vorstehend im
Zusammenhang mit der Figur 3 beschriebenen Verfahren im Wesentlichen nur dadurch, dass nach der Strukturierung der Metallisierung 3, d.h. nach der Bildung der Metallbereiche 3.1 , und vor dem Aufbringen der Verschließ- und/oder Verpress-Masse 7 eine
Vakuumbehandlung des Metall-Keramik-Substrates 1 erfolgt, und zwar z.B. durch
Anordnung des Metall-Keramik-Substrates 1 mit der Strukturierten Metallisierung 3 in einer Vakuumkammer, die mit einem U nterdruck oder Vakuum, z.B. mit einem 70%-igen bis 99%-igen Vakuum beaufschlagt wird, sodass Gas-, Dampf- und/oder Flüssigkeitsreste durch das Vakuum aus den Rissen 5 entfernt werden, wie dies in der Position e) mit den Pfeilen V angedeutet ist.
Noch im Vakuum erfolgt dann entsprechend der Position c) das Aufbringen der Verschließ- und/oder Verpress-Masse 7 auf die freiliegende Keramik der Keramikschicht 2 im Bereich der Ränder der Metallisierungen 3 und 4 bzw. der Metallbereiche 3.1 und dabei insbesondere auch wiederum in die Ätzgräben 6, und zwar mit dem besonderen Vorteil, dass die in die Ätzgräben 6 eingebrachte fließfähige Verschließ- und/oder Verpress-Masse 7 durch die seitlichen Metallbereiche 3.1 an einem Abfließen zusätzlich gehindert wird. Die Verschließ- und/oder Verpress-Masse 7 fließt dabei durch Kapillarwirkung in die Risse 5. Weiterhin kann es auch zweckmäßig sein, nach dem Aufbringen der Verschließ- und/oder Verpress-Masse 7 das Substrat mit Druck zu beaufschlagen, beispielsweise mit einem Verpressdruck im Bereich zwischen 1 ,1 bar und 500bar, wobei diese Vakuum und Druckbehandlung dann beispielsweise wenigstens einmal wiederholt wird. Das Verpressen der Risse 5 erfolgt beispielsweise wiederum bei U mgebungstemperatur oder bei erhöhter Temperatur bzw. bei auf diese Temperatur erhitztem Substrat 1 .
Nach dem Aufbringen der Verschließ- und/oder Verpress-Masse 7 wird das Vakuum entfernt, d.h. das Metall-Keramik-Substrat 1 wird mit Atmosphärendruck oder aber mit einem
Überdruck beaufschlagt, wodurch die Verschließ- und/oder Verpress-Masse 7 dann in die Risse 5 fl ießt und diese vollständig verschließt, wie dies wiederum in der Position d) der Figur 4 mit 5/7 gezeigt ist.
Insbesondere dann, wenn die Verschließ- und/oder Verpress-Masse 7 im noch nicht ausgehärteten bzw. polymerisierten Zustand eine hohe Fließfähigkeit bzw. eine geringe Viskosität besitzt, ist es möglich, diese Masse durch Aufsprühen auf die Oberflächenseiten des Metall-Keramik-Substrates 1 aufzubringen. Nach dem Verpressen und Verschließen der Risse 5 werden die Metallisierungen 3 und 4 sowie die Metallbereiche 3.1 beispielsweise vorsorglich an ihren freiliegenden, d.h. der Keramikschicht 2 abgewandten
Oberflächenseiten von eventuellen Resten der Kunststoffvergussmasse 7 gereinigt, beispielsweise mechanisch, z.B. durch Bürsten, Schleifen usw. Grundsätzlich ist auch eine Reinigung mit einem geeigneten Lösungsmittel möglich, wobei in diesem Fall zur
Vermeidung eines Entfernens der Verschließ- und/oder Verpress-Masse 7 aus den Rissen 5 das Verpressen der Risse 5 derart erfolgt, dass nach dem Verpressen an den Rändern der Metallisierungen 3 und 4 sowie Metallbereiche 3.1 außerhalb der Risse 5 eine Restmenge an Verschließ- und/oder Verpress-Masse 7 verbleibt, und zwar mit einer Dicke, die größer ist als die Dicke der Verschließ- und/oder Verpress-Masse 7 an den freiliegenden
Oberflächenseiten der Metallisierungen 3 und 4 bzw. Metallbereiche 3.1 . Bei der Reinigung der Metallisierungen 3 und 4 bzw. der Metallbereiche 3.1 wird dann allenfalls diese
Restmenge abgetragen, ohne dass die Verschließ- und/oder Verpress-Masse 7 aus den Rissen 5 entfernt wird. Zweckmäßig ist es weiterhin, die frei liegenden Oberflächenseiten der Metallisierungen 3 und 4 sowie der Metallbereiche 3.1 vor dem Aufbringen der Verschließ- und/oder Verpress-Masse 7 mit einer Trennschicht zu versehen, die zusammen mit der ausgehärteten Verschließ- und/oder Verpress-Masse 7 leicht entfernt werden kann. Als Trennschicht eignet sich dann beispielsweise ein temperaturbeständiges Atzresist, welches für die Maskierung beim Strukturieren der Metallisierungen 3 und 4 mit dem Maskierungs- und Ätzverfahren verwendet wird. Generell und speziell auch hierbei kann es dann auch zweckmäßig sein, das Aushärten der Verschließ- und/oder Verpress-Masse 7 durch Erhitzen in wenigstens zwei Stufen vorzunehmen, und zwar in einer ersten Stufe ein Teilaushärten bei reduzierter Temperatur und dann ein vollständiges Aushärten bei erhöhter Temperatur.
Die Figur 5 zeigt in den Positionen a) - d) Verfahrensschritte eines weiteren Verfahrens gemäß der Erfindung. Der einfacheren Darstellung wegen ist in den Positionen c) und d) die Metallisierung 4 nicht gezeigt. Bei diesem Verfahren wird nach dem Aufbringen der
Metallisierungen 3 und 4 auf die Keramikschicht 2 (Position a)) und nach der Strukturierung der Metallisierung 3 (Position b)) auf die freiliegende Keramik der Keramikschicht 2 im Bereich der Ränder der Metallisierungen 3 und 4 bzw. der Metallbereiche 3.1 und dabei wiederum insbesondere auch im Bereich der Ätzgräben 6 die Verschließ- und/oder Verpress- Masse 7 in Granulat- oder Pulverform aufgebracht (Position e)). Im Anschluss daran erfolgt ein Erhitzen des Metall-Keramik-Substrates 1 auf eine Temperatur, bei der die bei dieser Ausführungsform thermoplastische Verschließ- und/oder Verpress-Masse 7 in den flüssigen Zustand übergeht (Position c)). Bei weiterhin auf dieser Temperatur gehaltenem Metall- Keramik-Substrat 1 erfolgt dann beispielsweise durch Beaufschlagung des Metall-Keramik- Substrates 1 mit dem Druck P das Verpressen der flüssigen Verschließ- und/oder Verpress- Masse 7 in die Risse 5, sodass diese vollständig mit der Verschließ- und/oder Verpress-Masse 7 gefüllt sind, die nach dem Abkühlen des Metall-Keramik-Substrates 1 aushärtet. Auch bei diesem Verfahren ist es möglich, das Metall-Keramik-Substrat 1 vor dem Aufbringen der Verschließ- und/oder Verpress-Masse 7 mit einem Vakuum zu beaufschlagen, wobei dann im Vakuum das Erhitzen des Metall-Keramik-Substrates zum Verflüssigen der zunächst granulatartigen oder pulverförmigen Verschließ- und/oder Verpress-Masse 7 erfolgt, die dann im flüssigen Zustand nach dem Aufheben des Vakuums, z.B. durch Beaufschlagung des Metall-Keramik-Substrates 1 mit Umgebungsdruck oder Überdruck in die Risse 7 fließt und dort mit dem Abkühlen des Metall-Keramik-Substrates 1 aushärtet und die Risse 5 vollständig verschließt. Die Verwendung einer beim Aufbringen auf das Metall-Keramik-Substrat 1 pulverförmigen oder granulatartigen Verschließ- und/oder Verpress-Masse 7 hat den Vorteil, dass diese Masse vor dem Erhitzen des Metall-Keramik-Substrates 1 von den der Keramikschicht 2 abgewandten Oberflächenseiten der Metallisierungen 3 und 4 und der Metal Ibereiche 3.1 einfach entfernt werden kann, und zwar z.B. durch Abbürsten, Abwischen usw.
Das Verschließen oder Verpressen der Risse 5 erfolgt bei allen Ausführungen der Erfindung grundsätzlich so, dass nach dem Verschließen oder Verpressen die Verschließ- und/oder Verpress-Masse ausschließlich in den Rissen 5 aufgenommen und der Randbereich 3.1 .1 bzw. 4.1 der Metallisierung und dabei insbesondere auch die jeweilige der Keramikschicht 2 abgewandte Oberflächen- oder Außenseite der Metallisierungen 3.1 und 4 von der
Verschließ- und/oder Verpress-Masse freigehalten ist bzw. nach dem Verschließen oder Verpressen allenfalls ein vernachlässigbar kleiner Teil der Randbereiche 3.1 .1 bzw. 4.1 von Verschließ- und/oder Verpress-Masse abgedeckt ist, d.h. ausgehend von der Keramikschicht 2 maximal 10% der Höhe oder Dicke de der Metallisierungen 3.1 . Nur hierdurch ist gewährleistet, dass auch durch Adhäsions- oder Kapillarwirkung keine Verschließ- und/oder Verpress-Masse insbesondere auf die der Keramikschicht 2 abgewandte Oberflächenseiten der Metallisierungen 3.1 und 4 gelangt und so ein durch die Verschließ- und/oder Verpress- Masse ungestörtes Verbinden der Metallisierungen 3.1 und 4 mit Bauteilen, z.B. der Metallisierungen 3.1 mit elektronischen Bauelementen und der Metallisierung 4 mit einem Kühler usw., und/oder ein durch die Verschließ- und/oder Verpress-Masse ungestörtes
Aufbringen von metallischen Oberflächenschichten, z.B. aus Silber, N ickel und/oder Gold auf die Metallisierungen 3, 3.1 und 4 möglich ist.
U m dies zu erreichen, wird die Verschließ- und/oder Verpress-Masse 7 so bzw. mit einer solchen Menge auf die freiliegende Oberfläche der Keramikschicht 2, beispielsweise in den Ätzgraben 6 zwischen zwei Metallbereichen 3.1 derart eingebracht, dass die flüssige oder verflüssigte Verschließ- und/oder Verpress-Masse 7 nach dem Aufbringen an dem jeweiligen Randbereich 3.1 .1 bzw. 4.1 durch Adhäsions- bzw. Kapillarwirkung eine maximale Höhe oder Dicke dvmax, die höchstens 50 % der Dicke de ist, und in der Mitte oder etwa in der Mitte zwischen zwei Metallbereichen 3.1 eine Dicke dvmin von 20 μηι - 100 μηι aufweist. Die Dicke dvmin ist dabei abhängig von der Viskosität der Verschließ- und/oder Verpress- Masse 7 bzw. von dem Kunststoff ante il in der als Verschließ- und/oder Verpress-Masse 7 verwendeten Kunststoff lösung. So ist die Dicke dvmin umgekehrt proportional zum Anteil des Kunststoffs in der als
Verschließ- und/oder Verpressmasse verwendeten Kunststofflösung, d.h. bei einem geringen Anteil an Kunststoff in dieser Lösung ist die Dicke dvmin kleiner als bei einem höheren Anteil in der Kunststofflösung. So liegt die Dicke dvmin bei einem Kunststoffanteil von 10
Gewichtsprozent im Bereich zwischen 20 μηι und 40 μηι und bei einem Kunststoffanteil von 50 Gewichtsprozent im Bereich zwischen 80 μηι und 100 μηι.
U m ein zuverlässiges Verschließen der Risse 7 bei geringem Druck, insbesondere auch bei U mgebungsdruck zu erreichen, liegt der Anteil an Kunststoff in der Kunststofflösung generell im Bereich zwischen 2,5 Gewichtsprozent bis 70 Gewichtsprozent.
Das Aufbringen der flüssigen Verschließ- und/oder Verpressmasse 7 oder der diese
Verschl ieß- und/oder Verpressmasse 7 bildenden Kunststofflösung erfolgt beispielsweise punktförmig entlang des jeweiligen Randbereichs 3.1 .1 bzw. 4.1 , beispielsweise unter Verwendung eines pipettenartigen Appl ikators, wobei sich die Verschl ieß- und/oder Verpressmasse 7 bzw. die Kunststofflösung dann entlang des jeweil igen Randbereichs 3.1 .1 bzw. 4.1 auf der freil iegenden Fläche der Keramikschicht 2 verteilt.
Die Figur 7 zeigt in Draufsicht ein Metal l-Keramik-Substrat 1 in Form eines
Mehrfachsubstrates mit großformatiger Keramikschicht 2, mit den Metallbereichen 3.1 und mit zusätzlichen randseitigen Metal lbereichen 3.2, d ie ebenso wie die Metal lbereiche 3.1 durch Strukturieren einer DMB-gebondeten Metall isierung (Metal lfol ie) erzeugt sind. Mit 10 sind in der Fig. 7 Sol lbruchl inien bezeichnet, die in die Keramikschicht 2 zwischen den Metal lbereichen 3.1 und 3.2 eingebracht sind, um das Mehrfachsubstrat 1 in die die
Metal lbereiche 3.1 aufweisenden Einzelsubstrate durch Brechen trennen zu können. Die Sol lbruchlinien 1 0 sind beispielsweise in d ie Keramikschicht 2 als durchgehende oder unterbrochene Gräben oder N uten mittels eines Laserstrahls eingebracht.
Zwischen den randseitigen Metal Ibereichen 3.2 im Bereich der Ecken des Metal l-Keramik- Substrates 1 sind Barrieren 9 vorgesehen, die dort d ie Ätzgräben 6 zwischen den
Metal lbereichen 3.1 und 3.2 seitl ich verschl ießen, eine der Dicke der Metal lbereiche 3.1 und 3.2 entsprechende Höhe aufweisen und dadurch eine seitliches Wegfl ießen der in d ie Ätzgräben 6 eingebrachten Verschließ- und/oder Verpress-Masse 7 vor ihrem Aushärten verhindern. Da es für die spätere Verwendung des Metal l-Keramik-Substrates 1 erforderl ich ist, dass die randseitigen Metal lbereiche 3.2 von einander getrennt sind, sind die Barrieren 9 leicht entfern- und/oder durchtrennbar ausgebildet. Sie bestehen hierfür beispielsweise aus dünnen Metal lstegen, die beim Strukturieren der Metal l isierung erzeugt wurden, oder aus einer leicht entfernbaren Masse, z.B. aus Kunststoff und/oder Wachs.
Das Auf- oder Verfül len oder Verpressen der Risse 5 erfolgt auch bei dieser Ausführungsform wieder so, dass nach dem Verpressen die Verpress-Masse ausschließlich in den Rissen 5 aufgenommen ist und insbesondere der Randbereich 3.1 .1 bzw. 4.1 der Metal lisierungen 3.1 und 4 und vor al lem auch die jeweil ige der Keramikschicht 2 abgewandte Oberflächenseite der Metal l isierungen 3.1 und 4 von der Verpress-Masse freigehalten ist bzw. nach dem Verpressen allenfal ls ein vernachlässigbar kleiner Teil der Randbereiche 3.1 .1 bzw. 4.1 von Verpress-Masse abgedeckt ist, d.h. ausgehend von der Keramikschicht 2 maximal 1 0% der
Höhe oder Dicke de der Metallisierungen 3.1 . Nur hierdurch ist wieder gewährleistet, dass auch durch Adhäsions- oder Kapillarwirkung keine Verpress-Masse insbesondere auf die der Keramikschicht 2 abgewandte Oberflächenseiten der Metallisierungen 3.1 und 4 gelangt und so ein durch die Verpress-Masse ungestörtes Verbinden der Metallisierungen 3.1 und 4 der Einzelsubstrate mit Bauteilen, z.B. der Metallisierungen 3.1 mit elektronischen
Bauelementen und der Metallisierungen 4 mit Kühlern usw. und/oder ein durch die
Verpress-Masse ungestörtes Aufbringen von metallischen Oberflächenschichten, z.B. aus Silber, N ickel und/oder Gold auf die Metallisierungen 3.1 und 4 möglich ist. U m dies zu erreichen, wird die Verschließ- und/oder Verpress-Masse 7 auch bei dem Mehrfachsubstrat 1 so bzw. mit einer solchen Menge auf die freiliegende Oberfläche der Keramikschicht 2, beispielsweise in den Ätzgraben 6 zwischen zwei Metallbereichen 3.1 oder 3.1/3.2 derart eingebracht, dass die flüssige oder verflüssigte Verschließ- und/oder Verpress-Masse 7 nach dem Aufbringen an dem Randbereich 3.1 .1 der Metallbereiche 3.1 jeweiligen durch Adhäsions- bzw. Kapillarwirkung eine maximale Höhe oder Dicke dvmax, die höchstens 50 % der Dicke de dieser Bereiche ist, und in der Mitte oder etwa in der Mitte zwischen zwei Metal Ibereichen 3.1 eine Dicke dvmin von 20 μηι - 100 μηι aufweist. Die Dicke dvmin ist dabei abhängig von der Viskosität der Verschließ- und/oder Verpress-Masse 7 bzw. von dem Kunststoffanteil in der als Verschließ- und/oder Verpress-Masse 7
verwendeten Kunststofflösung.
Das Aufbringen der Verschließ- und/oder Verpressmasse 7 oder der diese Masse bildenden Kunststofflösung erfolgt auch bei dieser Ausführungsform wiederum beispielsweise punktförmig unter Verwendung eines pipettenartigen Applikators, und zwar in den
Ätzgräben 6 und dabei bevorzugt an Eckbereichen oder Ecken der Metallbereiche 3.1 , und zwar beispielsweise vor dem Einbringen der Sollbruchlinien 10, so dass sich die Verschließ- und/oder Verpress-Masse wiederum entlang der Ätzgräben 6 verteilt und dann beim
Einbringen der Sollbruchlinien 10 durch den hierbei verwendeten Laserstrahl entlang der jeweiligen Sollbruchlinie 10 entfernt wird.
Das Aufbringen der Verschließ- und/oder Verpressmasse 7 erfolgt aber bevorzugt nach dem Einbringen der Sollbruchlinien 10 mit dem Vorteil, dass dann nicht nur ein Verdampfen von Kunststoff und ein evtl. Verschmutzen von benachbarten Metal Ibereichen durch sich niederschlagenden Kunststoff-Dampf vermieden wird, sondern mit der Verschließ- und/oder Verpressmasse 7 auch bei der Erzeugung der Sollbruchlinien 10 eventuell entstandene Risse
in der Keramikschicht 2 mit dem Kunststoff der Verschließ- und/oder Verpressmasse verschlossen werden.
Bei allen vorgenannten Verfahren kann es weiterhin zweckmäßig sein, die Risse 5 vor dem Einbringen der Verschließ- und/oder Verpress-Masse 7, d.h. nach der Strukturierung der Metallisierung 3 bzw. nach dem jeweils mit der Position b) angedeuteten Verfahrensschritt und vor dem weiteren Verfahrensschritt c) bzw. e) zu weiten, und zwar durch
Beaufschlagung des Metall-Keramik-Substrates 1 mit einem einmaligen oder mehrmaligen Temperaturzyklus zwischen einer reduzierten und einer erhöhten Temperatur, z.B. zwischen einer Temperatur deutlich unter Raumtemperatur und einer Temperatur über 100°C, beispielsweise zwischen einer Temperatur von -50°C und einer Temperatur von + 150°C.
Zur U nterstützung der Wirkung, die mit dem Verschließen oder Verpressen der Risse 5 erreicht wird, kann es auch zweckmäßig sein, die Metallisierungen 3 und 4 sowie die Metallbereiche 3.1 mit einer Randabschwächung zu versehen, beispielsweise durch Stufenätzen und/oder durch Einbringen von Vertiefungen 8 im Randbereich, die in den Positionen c) - d) der Figur 5 dargestellt sind und beispielsweise während der Strukturierung der Metallisierung 3 oder aber vor oder nach dieser Strukturierung erzeugt werden. Die Vertiefungen 8 sind an der der Keramikschicht 2 abgewandten Seite der Metallisierungen 3 und 4 und der Metallbereiche 3.1 offen und reichen aber bei der dargestellten
Ausführungsform nicht bis an die Keramikschicht 2.
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 die Metallisierungen 3 und 4 sowie die Metallbereiche 3.1 von Metallfolien gebildet sind. Die Metallisierungen 3 und/oder 4 und/oder speziell die strukturierten Metallbereiche 3.1 können aber auch in Dick- /Dünnfilmtechmik durch Auftragen einer Metallpaste auf die Keramikschicht 2 und durch Einbrennen dieser Metallpaste erzeugt sein.
Bezugszeichenliste
1 Metall-Keramik-Substrat
2 Keramikschicht
3, 4 Metallisierung
3.1 Metallbereich
3.1 .1 Randbereich
4.1 Randbereich
5 Riss
6 Ätzgraben
7 Verschließ- und/oder Verpress-Masse
8 Vertiefung
9 Barriere
d Dicke der Keramikschicht 2
de Dicke der Metallisierung 3.1 und 4
kdm mittlerer Korndurchmesser der Keramik der Keramikschicht 2 dvmin, dvmax Dicke des Auftrags der Verschließ- und/oder Verpress-Masse
P Druckbeaufschlagung
V Vakuumbeaufschlagung
Claims
Verfahren zum Herstellen von Metall-Keramik-Substraten (1) mit einer
Keramikschicht (2) und mit wenigstens einer Metallisierung (3, 4) und/oder mit wenigstens eine strukturierte Metallisierung bildenden Metallbereichen (3.1, 3.2) an wenigstens einer Oberflächenseite der Keramikschicht (2), wobei nach dem
Aufbringen der wenigstens einen Metallisierung (3, 4) und/oder der Metal Ibereiche (3.1, 3.2) Risse (5), die am Randbereich der wenigstens einen Metallisierung (3, 4) oder der Metallbereiche (3.1 , 3.2) zwischen der Keramik der Keramikschicht (2) und dem Metall der wenigstens einen Metallisierung (3, 4) oder der Metallbereiche (3.1, 3.
2) vorhanden sind und/oder die sich in die Keramik der Keramikschicht (2) hinein erstrecken mit einer aushärtbaren oder polymerisierbaren Verschließ- und/oder Verpress-Masse (7) ausgefüllt oder verpresst werden,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Ausfüllen oder Verpressen der Risse (5) derart erfolgt, dass nach dem Ausfüllen oder Verpressen die Verschließ- und/oder Verpress-Masse (7)
ausschließlich oder im Wesentlichen ausschließlich in den Rissen (5) aufgenommen ist und nach dem Ausfüllen oder Verpressen Randbereiche (3.1.1 , 4.1) der wenigstens einen Metallisierung (3, 3.1, 4) zumindest auf dem größeren Teil der Höhe oder Dicke de der Metallisierung (3.1, 4) von der Verschließ- und/oder Verpress-Masse (7) nicht abgedeckt sind.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschließ- und/oder Verpress-Masse ein duroplastisches oder thermoplastisches Monomer, Polymer, Copolymer und/oder Mischpolymer ist, beispielsweise ein solches auf Polyamid- Basis oder auf Epoxyharz-Basis oder eine Lösung ist, die das polymere Material bzw. das duroplastisches oder thermoplastisches Monomer, Polymer, Copolymer und/oder Mischpolymer enthält, beispielsweise ein solches auf Polyamid-Basis oder auf Epoxyharz-Basis.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausfüllen oder Verpressen der Risse (5) derart erfolgt, dass nach dem Ausfüllen oder Verpressen Randbereiche (3.1.1 , 4.1) der wenigstens einen Metallisierung (3,
3.1, 4) höchstens bis zu einer Höhe von maximal 50% Dicke de der Metallisierung (3.1, 4), vorzugsweise bis zu einer Höhe von maximal 20% Dicke de der Metallisierung (3.1,
4) von der Verschließ- und/oder Verpress-Masse (7) abgedeckt sind.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschließ- und/oder Verpressmasse (7) derart aufgebracht wird, dass sie im flüssigen oder verflüssigten Zustand an den Randbereichen (3.1 .1 , 4.1 ) der wenigstens einen Metallisierung (3, 3.1 , 4) aufgrund der Kapillarwirkung ausgehend von der Keramikschicht (2) maximal auf eine Höhe reicht, die 50 % der Dicke (de) der Metallisierungen (3, 3.1 , 4) entspricht. 5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil an Kunststoff in der als Verschließ- und/oder Verpressmasse (7) verwendeten Kunststofflösung zwischen 2,
5 Gewichtsprozent und 70
Gewichtsprozent bezogen auf die Gesamtmasse der Lösung beträgt.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschließ- und/oder Verpressmasse (7) derart aufgebracht wird, dass die Dicke dieser Masse im Bereich zwischen zwei Metallbereichen (3.1 ) abhängig von der Viskosität der Verschließ- und/oder Verpressmasse (7) oder abhängig vom Anteil des Kunststoffs in der diese Masse bildenden Kunststofflösung im Bereich zwischen 20 μηι und 100 μηι liegt, beispielsweise bei einem Kunststoffanteil von 10
Gewichtsprozent in der Kunststofflösung im Bereich zwischen 20 μηι und 40 μηι und bei einem Kunststoffanteil von 50 Gewichtsprozent in der Kunststofflösung im Bereich zwischen 80 μηι und 100 μηι.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Lösungsmittel für die als Verschließ- und/oder Verpressmasse (7) verwendete Kunststofflösung ein leicht abdampfbares und mit dem Kunststoff oder polymären Material nicht reagierendes Lösungsmittel, beispielsweise Butylrolacton verwendet wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Metall-Keramik-Substraten (1 ) mit einer Keramikschicht (2) und mit Metallisierungen (3, 4) und/oder mit Metallbereichen (3.1 , 3.2) an beiden
Oberflächenseite der Keramikschicht (2) das Ausfüllen oder Verpressen der Risse (7) an beiden Seiten des jeweiligen Metall-Keramik-Substrats (1 ) zeitgleich oder zeitlich
überlappend oder zeitversetzt erfolgt.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung einer Verschließ- und/oder Verpress-Masse (7) mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten, der größer ist als der Ausdehnungskoeffizient des Metalls der wenigstens eine Metallisierung (3, 3.1, 4) und der Keramik der Keramikschicht (2).
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschließ- und/oder Verpress-Masse ein duroplastisches oder
thermoplastisches Monomer, Polymer, Copolymer und/oder Mischpolymer ist, beispielsweise ein solches auf Polyamid-Basis oder auf Epoxyharz-Basis oder eine Lösung ist, die das polymere Material bzw. das duroplastisches oder
thermoplastisches Monomer, Polymer, Copolymer und/oder Mischpolymer enthält, beispielsweise ein solches auf Polyamid-Basis oder auf Epoxyharz-Basis.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Aushärten bzw. Polymerisieren der Verschließ- und/oder Verpress-Masse (7) chemisch unter Verwendung eines Härters oder eines Polymerisationsmittels und/oder durch Energieeintrag, beispielsweise durch Erwärmen oder Erhitzen, beispielsweise durch Erhitzen auf eine Temperatur im Bereich zwischen 100°C und 180°C, und/oder durch Beaufschlagung mit UV-Licht und/oder mit
elektromagnetischer Strahlung und/oder mit Elektronenstrahlung und/oder mit radioaktiver Strahlung erfolgt, beispielsweise unter Druck oder unter
Aufrechterhaltung des Verpressdrucks oder unter Vakuum.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Aushärten bzw. Polymerisieren der Verschließ- und/oder Verpress-Masse (7) in wenigstens zwei Stufen erfolgt:
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschließ- und/oder Verpress-Masse (7) durch Verpressen unter Druck (P) in die Risse (5) eingebracht wird, wobei das jeweilige Metall-Keramik-Substrat (1) zumindest nach dem Aufbringen der Verschließ- und/oder Verpress-Masse (7) auf die freiliegende Keramik der Keramikschicht (2) im Bereich des Randes der wenigstens
einen Metallisierung (3, 4) oder der Metallbereiche (3.1 , 3.2) mit einem Überdruck beaufschlagt wird, beispielsweise mit einem Druck im Bereich zwischen 1 ,1 bar und 500bar, und dass anschließend das Aushärten oder Polymerisieren der Verschließ- und/oder Verpress-Masse (7) in den Rissen (5) erfolgt.
14. Verfahren nach Anspruch 1 3, dadurch gekennzeichnet, dass die
Druckbeaufschlagung durch ein flüssiges und/oder gas- und/oder dampfförmiges Druckmedium, vorzugsweise in Form von Druckluft oder in Form eines unter Druckstehenden Inertgases erfolgt.
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor und während des Aufbringens der Verschließ- und/oder Verpress-Masse (7) das jeweil ige Metall-Keramik-Substrat (1 ) evakuiert, d.h. mit einem U nterdruck, beispielsweise mit einem 70%-igen bis 99%-igen Vakuum beaufschlagt wird.
16. Verfahren nach Anspruch 1 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Einbringen der Verschließ- und/oder Verpress-Masse (7) in die Risse (5) durch Kapillarwirkung und/oder dadurch erfolgt, dass das Metall-Keramik-Substrat (1 ) nach dem Aufbringen der Verschließ- und/oder Verpress-Masse (7) mit Umgebungsdruck oder einem Überdruck, beispielsweise mit einem Überdruck im Bereich zwischen 1 ,1 bar und
500bar beaufschlagt wird und anschließend das Aushärten oder Polymerisieren der Verschließ- und/oder Verpress-Masse (7) in den Rissen (5) erfolgt, wobei
beispielsweise nach dem Aufbringen und vor dem Aushärten der Verschließ- und/oder Verpress-Masse (7) wenigstes ein nochmalige Evakuieren mit
anschl ießender Druckbeaufschlagung erfolgt.
1 7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die noch nicht ausgehärtete oder polymerisierte Verschließ- und/oder Verpress- Masse (7) im flüssigen oder zähflüssigen und/oder im erwärmten Zustand aufgebracht wird.
18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschließ- und/oder Verpress-Masse (7) in pulverförmigen oder/oder granulatartigen Zustand aufgebracht wird, dass anschließend das Metall-Keramik- Substrat (1 ) zur Verflüssigung der Verschließ- und/oder Verpress-Masse (7) erhitzt
wird, und dass das Metall-Keramik-Substrat (1 ) nach dem Eindringen der Verschließ- und/oder Verpress-Masse (7) in die Risse (5) zum Aushärten bzw. Polymerisieren der Verschließ- und/oder Verpress-Masse (7) abgekühlt wird, beispielsweise auf
U mgebungstemperatur.
19. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor und/oder während des Einbringens der Verschließ- und/oder Verpress-Masse (7) in die Risse (5) diese durch eine wenigstens einmalige Beaufschlagung des Metall- Keramik-Substrates mit einem wenigstens einmaligen Temperaturzyklus zwischen einer reduzierten und einer erhöhten Temperatur geöffnet werden, beispielsweise mit einem wenigstens einmaligen Temperaturzyklus zwischen einer Temperatur deutlich unter Raumtemperatur und einer Temperatur über 100°C, z.B. mit einem wenigstens einmaligen Temperaturzyklus zwischen einer Temperatur von -50°C und einer Temperatur von + 1 50°C.
20. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung einer Verschließ- und/oder Verpress-Masse (7) mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten der größer ist als der thermische Ausdehnungskoeffizient der Keramik der Keramikschicht (2).
21 . Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Metallisierung (3, 4) und/oder die Metallbereiche (3.1 , 3.2) an wenigstens einem Randbereich mit einer Randabschwächung, beispielsweise durch Einbringen von Vertiefungen (8) und/oder durch eine Stufenätzung versehen werden.
22. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbinden der wenigstens einen Metallisierung mit der Keramikschicht (2) durch DMB-Bonden, durch Aktivlöten oder Kleben erfolgt.
23. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die wenigstens eine Metallisierung (3, 4) und/oder für die Metallbereiche (3.1 , 3.2) Kupfer, Aluminium, Silber, N ickel oder eine Legierung jeweils der vorgenannten Metalle verwendet wird.
24. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Keramikschicht ein Keramikmaterial der nachstehenden Gruppe AI203, Si3N4, AIN oder eine Mischkeramik, beispielsweise AI203 - Zr02 verwendet wird.
25. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Metallisierung (3, 4) und/oder die Metallbereiche (3.1 , 3.2) eine Dicke im Bereich zwischen 0, 1 mm und 1 ,5mm und/oder die Keramikschicht (2) eine Dicke im Bereich zwischen 0,2mm und 2mm aufweist.
26. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschließ- und/oder Verpress-Masse in Ätzgräben (6) zwischen den Metallbereichen (3.1 , 3.2) eingebracht wird, und dass die Ätzgräben (6) seitlich durch Barrieren (9) verschlossen sind.
27. Metall-Keramik-Substrat mit einer Keramikschicht (2) und mit wenigstens einer
Metallisierung (3, 4) und/oder mit wenigstens einer strukturierten Metallisierung bildenden Metallbereichen (3.1 , 3.2) an wenigstens einer Oberflächenseite der Keramikschicht (2),
wobei Risse (5), die am Randbereich der wenigstens einer Metallisierung (3, 4) und/oder der Metallbereiche (3.1 , 3.2) zwischen der Keramik der Keramikschicht (2) und dem Metall der wenigstens einen Metallisierung (3, 4) oder der Metallbereich (3.1 , 3.2) vorhanden sind und/oder die sich in die Keramik der Keramikschicht (2) hineinerstrecken mit einer aushärtbaren oder polymerisierbaren Kunststoff- Verschluss- und/oder Verpress-Masse (7) ausgefüllt sind,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Verschließ- und/oder Verpressmasse (7) ausschl ießlich oder im
Wesentlichen ausschließlich die Risse (5) ausfüllt, und dass Randbereiche (3.1 .1 , 4.1 ) der wenigstens einen Metallisierung vollständig oder zumindest zum größten Teil von der Verschluss- und/oder Verpress-Masse (7) freigehalten sind.
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