WO2019145441A1 - Verbundkeramik für eine leiterplatte und verfahren zu deren herstellung - Google Patents

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Stefan Britting
Karsten Schmidt
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Definitions

  • the present invention relates to a composite ceramic for a printed circuit board and a method for its production.
  • a composite ceramic for a printed circuit board is provided, encompassing
  • a cover layer made of a second ceramic material which at least partially covers the core layer wherein the cover layer is bonded directly to the core layer in a materially bonded manner and a ratio of a cover layer thickness to a core layer thickness has a value less than 1, preferably less than 0.5 and more preferably less than 0.2 assumes.
  • the cover layer directly covers the core layer.
  • the composite ceramic lacks an additional binder, such as a solder material, as a result of which the electrical properties, in particular the electrical insulation capability, are influenced solely by the material properties and the dimensioning of the core layer and the cover layer and not by the binder. This makes it easier to control or control the properties of the composite ceramics since an influence by the solder material can be disregarded.
  • the core layer thickness can be made thicker compared to the cover layer.
  • the composite ceramic as a printed circuit board with an optimized thermal conductivity to provide a core layer whose thermal conductivity is large and by the thickness adjusts an advantageous heat spreading.
  • the core layer is made correspondingly thick.
  • a comparatively thin cover layer is sufficient to increase the strength of the composite sufficiently.
  • the composite ceramic is provided for a printed circuit board, in turn, a metallization is applied to the cover layer.
  • the cover layer covers the core layer and is disposed between the metallization and the core layer.
  • the cover layer is configured in a multi-layered manner, ie the cover layer itself comprises a plurality of layers, each made of different ceramic materials.
  • a thermal conductivity of the first ceramic material is greater than the thermal conductivity of the second ceramic material, preferably more than 1 to 100, preferably more than 1, 1 and 10 and particularly preferably more than 1, 1 and 5 times as large ,
  • the second ceramic material has a relation to the first ceramic Substance has increased strength or increased fracture toughness.
  • the positive effect of combined properties of the composite ceramic can be used for all ceramic thicknesses or for the resulting stress classes.
  • the thickness of the composite ceramic is, for all stress classes of metal-ceramic substrates, between 0.1 and 3.0 mm, preferably between 0.2 and 2.0 mm, and particularly preferably between 0.5 and 1.5 mm.
  • AIN is particularly preferred as the core layer due to its extremely high thermal conductivity. Due to these core layer thicknesses, the best possible heat spread is established for the majority of composite ceramics. In particular for medium-voltage applications, the thermal conductivity of the core layer contributes significantly to the thermal resistance Rth of the composite ceramic.
  • the core layer AIN Al 2 O 3, ZTA (zirconia toughened alumina) or high-density MgO (> 90% of the theoretical density) and / or the cover layer SbN 4 , TSZ (tetragonal stabilized zirconium oxide) or ZTA to comprise.
  • the combination of the highly thermally conductive AIN as the core layer and the high-tear-resistant SbN 4 as the top layer has proved to be particularly advantageous.
  • SbN 4 itself has a comparatively high thermal conductivity or thermal conductivity comparable to AIN.
  • high-density MgO as the core layer and ZTA as the cover layer are obtained in a preferred manner.
  • SbN 4 , TSZ or ZTA also proves to be advantageous insofar as they counteract the formation of cracks or rerouting and also prevent corrosion.
  • other ceramic materials with good mechanical properties as cover layers are suitable, but they have comparatively low thermal conductivities, for example YTZ, whose low thermal conductivity is less important with small layer thicknesses.
  • the core layer SbN 4 , TSZ and / or ZTA and the cover layer comprises an oxide ceramic, in particular aluminum oxide.
  • the oxide layer as a cover layer, it is advantageously possible to simplify the bonding process for a metallization to be formed on the composite ceramic, in particular by means of a "direct copper bonding" (DCB) process. Otherwise, especially when using SbN 4, a connection to the composite ceramic by a soldering process, in particular an AMB method, would make sense.
  • DCB direct copper bonding
  • an additional covering layer is provided for improved bonding of a metal or a metallization, in particular by means of a DCB method, which at least partially, preferably completely, covers the covering layer attached to the core layer , covered.
  • the composite ceramic formed from the covering layer and the core layer can be designed by means of an additional covering layer in the form of an oxide ceramic layer, in particular an aluminum oxide layer, to permit metallization to be connected to the additional covering layer in a simple manner by means of a DCB method is without having to resort to an AMB procedure.
  • the core layer and the cover layer can be used for optimum adjustment of the desired properties.
  • a mechanically weak strong SbN 4 can be combined with an excellent insulation resistance as a cover layer with a core layer of AIN, in order to realize the desired mechanical stability of the composite ceramics, without having to limit the Connection of the metallization to the composite ceramic must be realized by means of an AMB process.
  • the additional cover layer comprises an aluminum oxide.
  • Alumina has been found to be particularly suitable for attaching a metallization by means of a DCB process.
  • more than 50%, preferably more than 75% and particularly preferably more than 80% of the cover layer are covered with the additional cover layer.
  • the core layer comprises SiC, d. H. Silicon carbide. Due to the suitably selected cover layer, it is advantageously possible to use SiC as ceramic to form an insulation layer in a metal-ceramic / ceramic composite substrate, although SiC has an insulation strength that is 6 orders of magnitude lower than that of other ceramics.
  • the suitable adaptation of the insulation resistance by means of the corresponding cover layer and / or additional cover layer makes it possible in an advantageous manner to utilize the excellent thermal conductivity of SiC.
  • a further cover layer is arranged on the side of the core layer opposite the cover layer.
  • a further cover layer thickness of the further cover layer essentially corresponds to the cover layer thickness.
  • a ratio between the cover layer thickness and the further cover layer thickness assumes a ratio between 0.5 and 2, preferably between 0.75 and 1.5, and particularly preferably between 0.8 and 1.2.
  • the cover layer and the further cover layer are made of the same ceramic material or the second ceramic material in the cover layer differs from a third ceramic material in the further Top layer.
  • a ratio between a portion of the core layer which is not covered by the cover layer to a portion of the core layer which is covered by the cover layer is greater than 0.4, preferably greater than 0 , 3 and more preferably greater than 0.2. It is also conceivable that the core layer is completely covered, ie on all sides, with the cover layer.
  • a ratio between a proportion of the core layer which is not covered by the cover layer to a portion of the core layer which is covered by the cover layer is less than 0.4, preferably less than 0, 3 and more preferably less than 0.2. It is also conceivable that the core layer is completely, i. H. on all sides covered with the cover layer. This can be a complete coverage strive.
  • Another object of the present invention is a method for producing a composite ceramic according to the invention, in particular for forming a metal-ceramic substrate with the composite ceramic according to the invention.
  • a first ceramic material and / or a second ceramic material to be arranged on a metallization or a further metallization layer by means of an aerosol deposition method.
  • the aerosol deposition method is a technology in which fine or ultra-fine particles of a raw material, especially a raw material comprising the first and / or second ceramics, are atomized with a gas and then the gas-particle mixture by means of one or more nozzles on a support, for example, on a metal sheet later serving as metallization, is applied.
  • suitable gases are helium, nitrogen, oxygen or air, preferably depending on the particular material used.
  • An apparatus for aerosol deposition application preferably comprises a mixing chamber and a film-forming chamber.
  • the mixing chamber the first and / or the second ceramic material is dried in a dry state. stood mixed with the gas. Subsequently, the fluidized ceramic powder is transported as a gas-particle mixture in a gas stream, which is formed for example by a pressure difference between the mixing chamber and the film-forming chamber, to the film-forming chamber, by passing a slit-like nozzle, the gas-particle mixture is accelerated and is sprayed on an outside of the metallization.
  • the starting material for the first ceramic material and / or the second ceramic material has a particle diameter between 1 nm and 100 miti, z.
  • the gas-particle mixture can be accelerated to several hundred m / s when passing through the tiny opening in the pressure-relieved chamber.
  • Aerosoldeposit Kunststoff is used to connect the first ceramic material to the second ceramic material or vice versa.
  • thermal spraying method for connecting the first ceramic material to the second ceramic material or the second ceramic material to the first ceramic material or the first and the second ceramic material to the metallization or further metallization, which is also known under the terms plasma spraying or spraying, high-speed flame spraying, arc spraying or flame spraying.
  • particles of the first and / or second ceramic material are supplied as ceramic particles (with a particle diameter between 50 and 150 pm) or as a wire of a (due to their high temperatures) highly reactive thermal tip gun and the liquid or molten material with a high Ge - speed on the first ceramic material, the second ceramic material o- the metallization shot to form a corresponding layer in the finished state.
  • the ceramic material which later forms the core layer or the cover layer, does not decompose during the thermal treatment.
  • Especially preferred Materials include oxides such as alumina, zirconia and titania magnesia.
  • a sol-gel method is used to form the cover layer or the core layer.
  • a sol is brought to gel, dried and tempered by a chemical or physical reaction.
  • a sol is understood to mean a colloidal solution of a ceramic precursor.
  • the sol or the precursor is initially a liquid and is converted in the course of the process into a solid.
  • a ceramic precursor are preceramic polymers that are used to form polymer-based ceramics, such as polymer-based ceramics.
  • polysilanes polysilazanes and polysiloxanes.
  • polysilane is poly (allyl) carbosilane, which thermally decomposes under vacuum or in an inert gas atmosphere into a silicon carbide.
  • Other preceramic polymers can decompose into nitrides, carbides and / or oxides.
  • the preceramic polymer may comprise only the polymer or comprise the polymer with additional ingredients.
  • the additional ingredients may contain additives, such as. b, catalysts, reinforcing materials or the like.
  • a further subject of the present invention is a process for the production of a composite ceramic, in particular according to one of the preceding examples, comprising
  • the second ceramic material is not connected to the core layer as a sintered ceramic material.
  • This procedure makes it possible to dispense with an active soldering method, whereby a solder material between the core layer and the cover layer can advantageously be avoided.
  • the cover layer rests directly on the core layer.
  • bonding is preferably to be understood as meaning a material-locking connection of the first ceramic material and the second ceramic material.
  • the first ceramic material and the second ceramic material are provided in an unsintered state or as a melt and are arranged one above the other in layers. In the unsintered or green state, the first ceramic material and the second ceramic material are arranged one above the other or layered. If the first ceramic material and the second ceramic material are provided as cast-in-place lubricators, they are cast on top of one another, for example, without the first ceramic material and the second ceramic material mixing as casting slip. Preferably, a doctor blade method or a doctor blade is used for this purpose. As single layers with thicknesses greater than 1 pm are still in film casting, it is still possible to achieve cover layer thicknesses in the composite ceramics which are up to 1 ⁇ m thin.
  • first ceramic material and the second ceramic material for bonding are preferably provided.
  • Bonding is preferably understood as meaning a precursor of the final material-bonding, wherein the bonding is to be understood as meaning contacting and / or layers between the first ceramic material and the second ceramic material before the first and second ceramic materials are used in a subsequent process step, for example Sintering are materially interconnected.
  • the first ceramic material and the second ceramic material are sintered in time.
  • the cohesive connection is realized and compacted to form the composite ceramic.
  • the proportion of ceramic particles in the first ceramic material and in the second ceramic material is adjusted accordingly to ensure uniform shrinkage.
  • a metal oxide and / or nitrides are used as sintering aid.
  • the sintering aids can be selected from similar substance groups and can be matched to one another.
  • the cover layer is formed on the core layer using vapor deposition or aeorsol deposition. It has become in advantageously and surprisingly, it has been found that such a cover layer can be realized which increases both the fracture toughness and the breaking strength, in particular if a core layer of AIN is used. In addition, it is advantageously possible to realize cover layer thicknesses that are smaller than 25 miti, preferably less than 15 miti and particularly preferably less than 10 miti. In particular, an already sintered ceramic is provided as the first ceramic material. In order to modify the properties of the cover layer applied in this way, an annealing or sintering step downstream of the actual layer deposition is conceivable in which the cover layer structure is changed and / or the bond to the core layer is improved.
  • the gas phase deposition method is designed to realize a highly dense and flawless layer of the second ceramic material in pure form.
  • it is preferably provided to construct the cover layer from a plurality of successively applied individual layers.
  • the connection of the cover layer to the core layer or to the metallization on the outside can be improved.
  • an aerosol deposition method it is provided that particles of the second ceramic material strike the core layer via a gas flow, in particular an air flow, at a fixed speed. The speed is chosen so that the particles break on impact with the core layer and form a coating up to several microns thick. In this way, dense grain structures in the low nanometer range can be realized.
  • the process is preferably carried out at room temperature and / or micron-sized particles are used.
  • Another advantage over the formation of a composite ceramic is the fact that for the realization of lower temperatures, for example below 300 ° C, are necessary. As a result, smaller thermally induced stresses are induced compared to AMB (Active Metal Brazing) or glass soldering processes that require temperatures in excess of 800 ° C.
  • Fig.la and 1b a method for producing a composite ceramic according to an exemplary embodiment of the present inven tion
  • FIG. 2 shows a printed circuit board with a composite ceramic according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIGS. 1a and 1b schematically illustrate a method for producing a composite ceramic 10 according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • the composite ceramic 10 is a carrier substrate or an insulating layer, which represents an essential component of a printed circuit board.
  • metallizations 3 or further metallizations 3 ' are provided on an upper side and / or on a lower side, which provide interconnects or metal pads for connecting electronic components.
  • a composite ceramic 10 or hybrid ceramic is to be understood in particular as a carrier substrate in which different layers of different ceramic materials are arranged one above the other in multiple layers. Due to the combination of different ceramic materials, it is advantageously possible to combine specifically desired properties in the composite ceramic, which would otherwise be given only by a single ceramic material or it is possible to dispose undesired properties of a ceramic material with the properties of another ceramic material.
  • Compensate ceramic material For example, such a composite provide ceramic 10, which comprises AIN as the first ceramic material, whereby the composite ceramic 10 is given a relatively high thermal conductivity. In order to counteract the low strength of this first ceramic material, in the composite ceramic 10, the first ceramic material is connected in a layer construction with a second ceramic material. This second ceramic material is preferably one with a comparatively high strength, such. SbN 4 , TSZ or ZTA.
  • a core layer 1 made of the first ceramic material is coated by a cover layer 2 of the second ceramic material, preferably coated on both sides.
  • the first ceramic material and the second ceramic material are provided in a non-sintered or green state.
  • a direct, material-locking connection is to be understood in particular that in the finished state no soldering material or other material is arranged between the first ceramic material and the second ceramic material.
  • the first ceramic material and the second ceramic material are provided as foils, which are arranged one above the other along a stacking direction S.
  • the film of the first ceramic material is covered on both sides by a respective film of the second ceramic material.
  • the film of the first ceramic material is covered on one side with a film of the second ceramic material and on an opposite side with a film of a third ceramic material.
  • the films are rolled together or laminated.
  • the first ceramic material and / or the second ceramic material to be poured over one another as casting slip such that the first ceramic material and the second ceramic material do not intermix and a first layer of the first ceramic material is mixed. form miktechnikstoff and a second layer of the second ceramic material.
  • the film of the first ceramic material and the film of the second ceramic material are materially interconnected with each other and preferably directly without formation of a gap.
  • any sintering aids are matched with the first ceramic material and the second ceramic material.
  • metal oxide or nitrides of the second main group such as Mg, Ca
  • the third main group such as B, Al
  • the subgroup such as Sy. Y
  • a proportion of ceramic particles in the layers arranged above one another is selected such that a uniform or homogeneous shrinkage or sintering shrinkage sets in the respective layers.
  • FIG. 2 shows a printed circuit board with a composite ceramic 10 according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • the core layer 1 has a core layer thickness DP and the cover layer 2 has a cover layer thickness DD1, a ratio of a cover layer thickness DD1 to a core layer thickness DP having a value less than 1, preferably less than 0.5 and particularly preferably less than 0.2.
  • the cover layer DD1 covers the side of the core layer 1, which faces a metallization 3.
  • the core layer 1 is covered on both sides by the cover layer 2.
  • AIN is provided as the first ceramic material and SbN 4 as the second ceramic material.
  • the cover layer Layer 2 leads to a desired increase in the strength in the composite ceramic 10, without affecting the properties of the heat transport determined by the core layer 1 by thickness and material.
  • a further cover layer 2 ' is arranged on the side opposite the cover layer.
  • the further outer layer 2 ' has a further outer layer thickness DD2.
  • the cover layer thickness DD1 and the further cover layer thickness DD2 correspond to one another.

Abstract

Verbundkeramik (10) für eine Leiterplatte, umfassend - eine Kernschicht (1) aus einem ersten Keramikwerkstoff und - eine Deckschicht (2) aus einem zweiten Keramikwerkstoff zum Bedecken der Kernschicht (1), wobei die Deckschicht (2) unmittelbar stoffschlüssig an die Kernschicht (1) angebunden ist und ein Verhältnis einer Deckschichtdicke (DD1) zu einer Kernschichtdicke (DP) einen Wert kleiner als 1, bevorzugt kleiner als 0,5 und besonders bevorzugt kleiner als 0,2 annimmt.

Description

Verbundkeramik für eine Leiterplatte und Verfahren zu deren Herstellung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verbundkeramik für eine Leiterplatte und ein Verfahren zu deren Herstellung.
Aus Keramik gefertigte Isolationsschichten für Leiterplatten sind aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt. Dabei sind auf der Ober - und/oder Unterseite typischerweise Metallisierungen vorgesehen, die als Leiterbahnen oder als An- schlussbereiche für elektronische Bauteile dienen. Um an der Ober- und/oder Un- terseite entstehenden Wärme effektiv abzuleiten und so Schädigungen an der Lei- terplatte zu vermeiden, ist beispielsweise die Verwendung von AIN bekannt. Trotz der für die Wärmableitung günstigen Materialeigenschaften von AIN erweist sich deren Verwendung als Keramikwerkstoff oftmals wegen einer gegenüber anderen Keramiken reduzierten Festigkeit als nachteilhaft.
Daher ist es aus dem Stand der Technik, z. B. aus der US 0 640 039 A1 , bekannt, die Isolationsschicht mehrlagig auszugestalten, wobei die einzelnen Lagen jeweils aus verschiedenen Keramikwerkstoffen gefertigt sind. Eine solche Verbundkera- mik gestattet es, ungewünschte Eigenschaften eines Keramikwerkstoffs, wie bei spielweise eine reduzierte Festigkeit, durch entsprechend ausgeprägte Eigen- schaften eines anderen Keramikwerkstoffs zu kompensieren. Allerdings werden die Verbundkeramiken in der US 0 640 039 A1 durch ein Aktivlötverfahren herge- stellt, so dass sich zwischen den einzelnen Lagen eine Lotschicht ausbildet, die wiederum Einfluss nimmt auf die Gesamteigenschaften der Verbundkeramik, ins- besondere deren elektrischen Isolationseigenschaften. Grundsätzlich wird eine Höhe der elektrischen Isolationsfähigkeit eines Metall-Keramik Substrats zum ei- nen durch eine Dicke der Isolationsschicht, die Schaltkreise gegen ein Bezugspo- tential isoliert, und zum anderen durch eine Breite der Isolationsgräben zwischen den Leiterbahnen bestimmt. Durch ein Einbringen einer durchgängigen elektrisch leitfähigen Lotschicht unterhalb der Leiterbahnen wird aber eine Isolationsfestig- keit der Schaltung im Vergleich zu einer keramikhaltigen Isolationsschicht ohne Lotschicht herabgesetzt. Dies trifft im besonderen Maße auf vergleichsweise dün- ne Deckschichten
Ausgehend von diesem Hintergrund macht es sich die vorliegende Erfindung zur Aufgabe, eine Verbundkeramik und ein Verfahren zu deren Herstellung bereitzu- stellen, bei der sich die Eigenschaften möglichst optimal für die Nutzung als Lei- terplatte einstellen lassen, insbesondere in Hinblick auf deren elektrischen Isolati- onseigenschaften.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Verbundkeramik nach Anspruch 1 und ein Ver- fahren nach Anspruch 9. Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen des erfindungsge- mäßen Gegenstands mit Bezug auf die beigefügten Figuren. Einzelne Merkmale der einzelnen Ausführungsform können dabei im Rahmen der Erfindung miteinan- der kombiniert werden.
Erfindungsgemäß ist eine Verbundkeramik für eine Leiterplatte vorgesehen, um- fassend
- eine Kernschicht aus einem ersten Keramikwerkstoff und
- eine Deckschicht aus einem zweiten Keramikwerkstoff, die die Kern- schicht insbesondere zumindest teilweise bedeckt, wobei die Deckschicht unmittelbar stoffschlüssig an die Kernschicht angebunden ist und ein Verhältnis einer Deckschichtdicke zu einer Kernschichtdicke einen Wert kleiner als 1 , bevorzugt kleiner als 0,5 und besonders bevorzugt kleiner als 0,2 annimmt.
Gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Verbundkeramiken ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Deckschicht die Kernschicht unmittelbar bedeckt. D. h. es mangelt der Verbundkeramik an einem zusätzlichen Bindemittel wie einem Lotmaterial, wodurch die elektrischen Eigenschaften, insbesondere die elektrische Isolationsfähigkeit betreffend allein durch die Materialeigenschaften und die Dimensionierung der Kernschicht und der Deckschicht mitbeeinflusst wer- den und nicht durch das Bindemittel. Dadurch lassen sich die Eigenschaften der Verbundkeramiken einfacher steuern bzw. kontrollieren, da ein Einfluss durch das Lotmaterial unberücksichtigt bleiben kann. Es hat sich zudem überraschender- weise herausgestellt, dass dabei die Kernschichtdicke im Vergleich zur Deck- schicht dicker ausgestaltet werden kann. Dies gestattet bei einer Auslegung der Verbundkeramik als Leiterplatte mit einer optimierten Wärmeleitfähigkeit eine Kernschicht bereitzustellen, deren Wärmeleitfähigkeit groß ist und durch deren Dicke sich eine vorteilhafte Wärmespreizung einstellt. D. h. um die Eigenschaft der hohen Wärmeleitfähigkeit möglichst umfassend auszuschöpfen, wird die Kern- schicht entsprechend dick gestaltet. Gleichzeitig reicht eine vergleichsweise dünne Deckschicht aus, um die Festigkeit des Verbundkörpers ausreichend zu erhöhen.
Vorzugsweise ist die Verbundkeramik für eine Leiterplatte vorgesehen, bei der wiederum eine Metallisierung auf der Deckschicht aufgetragen ist. Mit anderen Worten: Die Deckschicht bedeckt die Kernschicht und ist zwischen der Metallisie rung und der Kernschicht angeordnet. Grundsätzlich ist es zudem vorstellbar, dass die Deckschicht mehrschichtig ausgestaltet ist, d. h. die Deckschicht umfasst selbst mehrere Schichten, die jeweils aus unterschiedlichen Keramikwerkstoffen gefertigt sind. Insbesondere ist es vorgesehen, dass eine Wärmeleitfähigkeit des ersten Keramikwerkstoffs größer ist als die Wärmeleitfähigkeit des zweiten Kera- mikwerkstoffs, vorzugsweise mehr als 1 bis 100 , bevorzugt mehr als 1 ,1 und 10 und besonders bevorzugt mehr als 1 ,1 und 5 mal so groß. Ferner ist es vorgese- hen, dass der zweite Keramikwerkstoff eine gegenüber dem ersten Keramikwerk- Stoff erhöhte Festigkeit bzw. eine erhöhte Risszähigkeit aufweist. Weiterhin ist es vorzugsweise vorgesehen, dass der thermische Ausdehnungskoeffizient (CTE = Coefficient of thermal expansion) der Deckschicht kleiner ist als der CTE der Kernschicht. Dadurch werden bei der Herstellung der VerbundkeramikDruchspan- nungen in der Deckschicht während der Abkühlung induziert, die einer Rissentste- hung und Ausbreitung unter Anwendungsbedinungen in vorteilhafter weise entge- genwirken. Dadurch lässt sich mit Vorteil ein Verbundkörper für eine Leiterplatte bereitstellen, der sowohl bezogen auf seine Wärmeleitfähigkeit als auch auf die Festigkeit und Lebensdauer optimiert ist.
Der positive Effekt kombinierter Eigenschaften der Verbundkeramik ist für alle Ke- ramikdicken bzw. für die daraus resultierenden Spannungsklassen anwendbar.
Die Dicke der Verbundkeramik liegt, für alle Spannungsklassen von Metall- Keramischen Substraten, zwischen 0,1 und 3,0 mm, bevorzugt zwischen 0,2 und 2,0 mm und besonders bevorzugt zwischen 0,5 und 1 ,5 mm. Bei großen Keramik- dicken, ist AIN als Kernschicht aufgrund seiner außerordentlich hohen Wärmeleit- fähigkeit besonders bevorzugt. Durch diese Kernschichtdicken stellt sich für die Mehrzahl an Verbundkeramiken eine möglichst optimale Wärmespreizung ein. Insbesondere für Mittelspannungsanwendungen trägt hier die Wärmeleitfähigkeit der Kernschicht signifikant zum Wärmewiderstand Rth der Verbundkeramik bei.
Zweckmäßig ist es vorgesehen, dass die Kernschicht AIN, AI203, ZTA (Zirkonia toughened Alumina) oder hochdichtes MgO (> 90% der theoretischen Dichte) und/oder die Deckschicht SbN4 , TSZ (tetragonal stabilisiertes Zirkonoxid) oder ZTA umfasst. Als besonders vorteilhaft hat sich dabei die Kombination aus dem höchstwärmeleitfähigen AIN als Kernschicht und dem hochrisszähen SbN4 als Deckschicht erwiesen. Hierzu trägt insbesondere bei, dass SbN4 selbst eine ver- gleichsweise hohe Wärmeleitfähigkeit bzw. eine mit AIN vergleichbare Wärmeleit- fähigkeit aufweist. Als weiter Materialpaarungen ergeben sich in bevorzugter Wei- se hochdichtes MgO als Kernschicht und ZTA als Deckschicht. Die Verwendung von SbN4 , TSZ oder ZTA erweist sich zudem insofern als vorteilhaft, als dass sie einer Rissbildung bzw. -Weiterleitung entgegenwirken und zudem einen Korrosi- onsschutz für das AIN gegenüber alkalischen Materialien, die in einer nasschemi- schen Fertigung von Leiterplatte verwendet werden, darstellen. Zusätzlich bieten sich andere Keramikwerkstoffe mit guten mechanischen Eigenschaften als Deck- schichten an, die aber vergleichswiese geringen Wärmeleitfähigkeiten aufweisen, z.B. YTZ, deren niedrige Wärmeleitfähigkeit bei geringen Schichtdicken weniger ins Gewicht fällt.
Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass die Kernschicht SbN4, TSZ und/oder ZTA und die Deckschicht eine Oxidkeramik, insbesondere Aluminiumoxid, umfasst. Durch die Verwendung der Oxidschicht als Deckschicht ist es in vorteilhafter Wei- se möglich, den Anbindungsprozess für eine auf der Verbundkeramik auszubil- denden Metallisierung, insbesondere durch ein„direct copper bonding“ (DCB) Ver- fahren, zu vereinfachen. Andernfalls, insbesondere bei der Verwendung von SbN4, wäre eine Anbindung an die Verbundkeramik durch ein Lötverfahren, insbesonde- re ein AMB - Verfahren, sinnvoll.
In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass eine zusätzliche Deckschicht für eine verbesserte Anbindung eines Metalls bzw. einer Metallisierung, insbesondere mittels eines DCB-Verfahrens, vorgese- hen ist, die die an der Kernschicht angebundene Deckschicht zumindest teilweise, bevorzugt vollständig, bedeckt. Beispielsweise lässt sich die aus der Deckschicht und der Kernschicht geformte Verbundkeramik mittels einer zusätzlichen Deck- schicht in Form einer Oxidkeramikschicht, insbesondere einer Aluminiumoxid- schicht, dazu auslegen, dass an der zusätzlichen Deckschicht in einfacher Weise mittels eines DCB-Verfahrens eine Anbindung einer Metallisierung möglich ist, ohne auf ein AMB-Verfahren zurückzugreifen zu müssen. Gleichzeitig lassen sich die Kernschicht und die Deckschicht für eine optimale Einstellung der gewünsch- ten Eigenschaften nutzen. Beispielsweise lässt sich ein mechanisch schwaches starkes SbN4 mit einer ausgezeichneten Isolationsfestigkeit als Deckschicht mit einer Kernschicht aus AIN kombinieren, um die gewünschte mechanische Stabili tät der Verbundkeramik zu realisieren, ohne sich einschränken zu müssen, die Verbindung der Metallisierung an die Verbundkeramik mittels eines AMB- Verfahrens realisieren zu müssen.
Zweckmäßig ist vorgesehen, dass die zusätzliche Deckschicht ein Aluminiumoxid umfasst. Aluminiumoxid hat sich als besonders geeignet für die Anbindung einer Metallisierung mittels eins DCB-Verfahren erwiesen. Weiterhin ist es vorzugsweise vorgesehen, dass mehr als 50 %, bevorzugt mehr als 75 % und besonders bevor- zugt mehr als 80 % der Deckschicht mit der zusätzlichen Deckschicht bedeckt sind.
Vorteilhafter Weise umfasst die Kernschicht SiC, d. h. Siliziumcarbit. Durch die geeignet gewählte Deckschicht ist es in vorteilhafter Weise möglich auch SiC als Keramik zur Bildung einer Isolationsschicht in einem Metall- KeramikA/erbundkeramik-Substrat zu nutzen, obwohl SiC gegenüber anderen Ke- ramiken eine um 6 Größenordnungen geringere Isolationsfestigkeit aufweist. Die die geeignete Anpassung der Isolationsfestigkeit mittels der entsprechenden Deckschicht und/oder zusätzlichen Deckschicht ist es in vorteilhafter Weise mög- lich, die ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit von SiC zu nutzen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorge- sehen, dass eine weitere Deckschicht auf der der Deckschicht gegenüberliegen- den Seite der Kernschicht angeordnet ist. Dadurch lässt sich mit Vorteil eine symmetrische Sandwichstruktur für die Verbundkeramik bereitstellen. Dabei ist es vorzugsweise vorgesehen, dass eine weitere Deckschichtdicke der weiteren Deckschicht im Wesentlichen der Deckschichtdicke entspricht. Es ist aber auch vorstellbar, dass ein Verhältnis zwischen der Deckschichtdicke und der weiteren Deckschichtdicke ein Verhältnis zwischen 0,5 und 2, bevorzugt zwischen 0,75 und 1 ,5 und besonders bevorzugt zwischen 0,8 und 1 ,2 annimmt. Ferner ist es bevor- zugt vorgesehen, dass die Deckschicht und die weitere Deckschicht aus demsel- ben Keramikwerkstoff gefertigt sind oder der zweite Keramikwerkstoff in der Deck- schicht unterscheidet sich von einem dritten Keramikwerkstoff in der weiteren Deckschicht. Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass ein Verhältnis zwischen ei- nem Anteil der Kernschicht, der nicht von der Deckschicht bedeckt ist, zu einem Anteil der Kernschicht, der von der Deckschicht bedeckt ist, größer ist als 0,4, be- vorzugt größer als 0,3 und besonders bevorzugt größer als 0,2. Es ist auch vor- stellbar, dass die Kernschicht vollständig, d. h. zu allen Seiten, mit der Deck- schicht bedeckt ist.
Besonders bevorzugt ist es vorgesehen, dass ein Verhältnis zwischen einem An- teil der Kernschicht, der nicht von der Deckschicht bedeckt ist, zu einem Anteil der Kernschicht, der von der Deckschicht bedeckt ist, kleiner ist als 0,4, bevorzugt kleiner als 0,3 und besonders bevorzugt kleiner als 0,2. Es ist auch vorstellbar, dass die Kernschicht vollständig, d. h. zu allen Seiten, mit der Deckschicht be- deckt ist. Dadurch lässt sich eine vollständige Bedeckung anstreben.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstel- lung einer erfindungsgemäßen Verbundkeramik, insbesondere zur Ausbildung eines Metall-Keramik-Substrats mit der erfindungsgemäßen Verbundkeramik. Da- bei ist es auch vorstellbar, dass ein erster Keramikwerkstoff und/oder ein zweiter Keramikwerkstoff auf einer Metallisierung oder einer weiteren Metallisierungs- schicht mittels eines Aerosoldepositverfahrens angeordnet wird. Bei dem Aero- soldepositverfahren handelt es sich um eine Technologie, bei der feine oder ultra- feine Teilchen eines Rohmaterials, insbesondere eines den ersten und/oder zwei- ten Keramikwerkstoff umfassenden Rohmaterials, mit einem Gas vernebelt wird und das Gas-Teilchen-Gemisch anschließend mittels einer oder mehrere Düsen auf einen Träger, beispielsweise auf ein später als Metallisierung dienendes Me- tallblech, aufgetragen wird. Als Gase kommen beispielsweise Helium, Stickstoff, Sauerstoff oder Luft in Frage, vorzugsweise abhängig von dem jeweils verwende- ten Material.
Eine Vorrichtung zum Aerosoldepositauftrag umfasst dabei vorzugsweise eine Mischkammer und eine Filmbildungskammer. Insbesondere wird in der Misch- kammer der erste und /oder der zweite Keramikwerkstoff in einem trockenem Zu- stand mit dem Gas gemischt. Anschließend wird das aufgewirbelte Keramikpulver als Gas-Teilchen-Gemisch in einem Gasstrom, der beispielsweise durch eine Druckdifferenz zwischen der Mischkammer und der Filmbildungskammer gebildet wird, zu der Filmbildungskammer transportiert, wobei durch ein Passieren einer schlitzartigen Düse das Gas-Teilchen-Gemisch beschleunigt wird und auf eine Außenseite des Metallisierung gesprüht wird. Dabei kann das Ausgangsmaterial für den ersten Keramikwerkstoff und/oder den zweiten Keramikwerkstoff einen Teilchendurchmesser zwischen 1 nm und 100 miti, z. B. wischen 0.1 und 50 pm und besonders bevorzugt zwischen 0.1 und 50 pm aufweisen. Das Gas-Teilchen- Gemisch kann dabei beim Passieren der winzigen Öffnung in der druckentlasteten Kammer auf mehrere hundert m/s beschleunigt werden.
Zusätzlich oder alternativ ist es vorstellbar, dass das Aerosoldepositverfahren zur Anbindung des ersten Keramikwerkstoffs an den zweiten Keramikwerkstoffs oder andersrum genutzt wird.
Ferner ist es vorstellbar, zur Anbindung des ersten Keramikwerkstoffes an den zweiten Keramikwerkstoff bzw. des zweiten Keramikwerkstoffs an den ersten Ke- ramikwerkstoff oder des ersten bzw. des zweiten Keramikwerkstoffs an die Metal- lisierung oder die weitere Metallisierung eine thermische Sprühmethode zu ver- wenden, die auch unter den Begriffen Plasmasprühen bzw. -spritzen, Hochge- schwindigkeitsflammspritzen, Lichtbogenspritzen oder Flammspritzen bekannt ist. Dabei werden Teilchen des ersten und/oder zweiten Keramikwerkstoffs als Kera- mikteilchen (mit einem Teilchendurchmesser zwischen 50 und 150 pm) oder als Draht einer (wegen ihrer hohen Temperaturen) hochreaktive thermische Spitzpis- tole zugeführt und das flüssige oder geschmolzene Material mit einer hohen Ge- schwindigkeit auf den ersten Keramikwerkstoff, den zweiten Keramikwerkstoff o- der die Metallisierung geschossen, um im fertigen Zustand eine entsprechende Schicht zu bilden.
Das keramische Material, das später die Kernschicht oder die Deckschicht bildet, zerfällt dabei während der thermischen Behandlung nicht. Besonders bevorzugte Materialien sind Oxide wie Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid und Titanoxid Magnesi- umoxid.
Es ist alternativ oder ergänzend vorstellbar, dass eine Sol-Gel-Methode verwendet wird um die Deckschicht oder die Kernschicht zu bilden. Dabei wird ein Sol durch eine chemische oder physikalische Reaktion zum Gelieren, zum Trocknen und zum Temperieren gebracht. Insbesondere wird unter einem Sol eine kolloidale Lösung eines keramischen Vorläufers verstanden. Das Sol bzw. der Vorläufer ist dabei zu Beginn eine Flüssigkeit und wird im Laufe des Verfahrens umgewandelt in einen Feststoff. Beispiele für einen keramischen Vorläufer sind vorkeramische Polymere, die verwendet werden um polymerbasierte Keramiken zu bilden, wie z. B. Polysilane, Polysilazane und Polysiloxane. Ein Beispiel für ein Polysilan ist Po- ly(allyl)carbosilan, das thermisch unter Vakuum oder in einer inerten Gasat- mosphäre zerfällt in ein Siliziumkarbid. Andere vorkeramische Polymere können in Nitride, Karbide und/oder Oxide zerfallen. Das vorkeramische Polymer kann nur das Polymer umfassen oder umfasst das Polymer mit zusätzlichen Bestandteilen. Die zusätzlichen Bestandteile können Additive, wie z. b, Katalysatoren, Verstär- kungsmaterialien oder Ähnliches sein.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstel- lung einer Verbundkeramik, insbesondere gemäß einem der vorhergehenden Bei- spiele, umfassend
- Bereitstellen eines ersten Keramikwerkstoffs und eines zweiten Keramik- werkstoffs, und
- Verbinden des ersten Keramikwerkstoffs mit dem zweiten Keramikwerk- stoff, bei dem der erste Keramikwerkstoff eine Kernschicht und der zweite Keramikwerkstoff eine Deckschicht bildet, wobei die Deckschicht unmittelbar an die Kernschicht angebunden ist, wobei der zweite Keramikwerkstoff zum Verbinden in einem ungesintertem Zustand, gas- förmig oder als als gießfähige keramische Masse bzw. Gießschlicker bereitgestellt wird. Alle für die erfindungsgemäße Verbundkeramik beschriebenen Merkmale und deren Vorteile lassen sich sinngemäß ebenfalls auf das erfindungsgemäße Verfahren übertragen und andersherum.
Gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren ist es erfin- dungsgemäß vorgesehen, dass der zweite Keramikwerkstoff nicht als gesinterter Keramikwerkstoff mit der Kernschicht verbunden wird. Diese Vorgehensweise er- möglicht es, auf ein Aktivlotverfahren zu verzichten, wodurch mit Vorteil ein Lotma- terial zwischen der Kernschicht und der Deckschicht vermieden werden kann. D. h. die Deckschicht liegt unmittelbar auf der Kernschicht auf. Dabei ist unter dem Verbinden vorzugsweise ein stoffschlüssiges Verbinden des ersten Keramikwerk- stoffs und des zweiten Keramikwerkstoffs zu verstehen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist es vorgesehen, dass der erste Kera- mikwerkstoff und der zweite Keramikwerkstoff in einem ungesintertem Zustand oder als Schmelze bereitgestellt werden und schichtweise übereinander angeord- net werden. Im ungesintertem bzw. grünen Zustand wird der erste Keramikwerk- stoff und der zweite Keramikwerkstoff übereinander angeordnet bzw. geschichtet. Sofern der erste Keramikwerkstoff und der zweite Keramikwerkstoff als Gießschli- cker bereitgestellt werden, werden diese beispielsweise übereinander gegossen, ohne dass sich der erste Keramikwerkstoff und der zweite Keramikwerkstoff als Gießschlicker miteinander vermischen. Vorzugsweise wird hierzu ein Doc- torbladeverfahren bzw. ein Rakel verwendet. Da sich Einzelschichten mit Dicken größer als 1 pm noch im Folienguss darstellen, lassen sich hiermit in der Ver- bundkeramik noch Deckschichtdicken realisieren, die bis zu 1 pm dünn sind.
Bevorzugt ist es vorgesehen, dass der erste Keramikwerkstoff und der zweite Ke- ramikwerkstoff zum Anbinden
- im ungesinterten Zustand gewalzt und/oder kalandriert, oder
- laminiert, , oder
- isostatisch aufeinander gepresst, oder - als Gießschlicker übereinander gegossenen, insbesondere unter Ver- wendung eines Rakels, werden. Unter Anbinden wird vorzugsweise eine Vorstufe des finalen stoffschlüs- sigen Verbindens verstanden, wobei mit dem Anbinden ein Kontaktieren und/oder Schichten zwischen dem ersten Keramikwerkstoff und dem zweiten Keramikwerk- stoff zu verstehen ist, bevor der erste und der zweite Keramikwerkstoff in einem anschließenden Verfahrensschritt z.B. Sintern stoffschlüssig miteinander verbun- den werden.
Insbesondere ist es vorgesehen, dass zeitlich nach dem Anbinden der erste Ke- ramikwerkstoff und der zweite Keramikwerkstoff gesintert werden. Durch das Sin- tern der aneinander angebundenen Schichten aus dem ersten Keramikwerkstoff und dem zweiten Keramikwerkstoff wird die stoffschlüssige Verbindung unter Aus- bildung der Verbundkeramik realisiert und verdichtet. Dabei ist es insbesondere vorgesehen, dass der erste und der zweiter Keramikwerkstoff zum Verbinden so bereitgestellt werden, dass ein während des Sinterns erfolgendes Schrumpfen im ersten Keramikwerkstoff und dem zweiten Keramikwerkstoff gleichmäßig erfolgt. Vorzugsweise wird der Anteil an Keramikpartikel im ersten Keramikwerkstoff und im zweiten Keramikwerkstoff hierzu entsprechend eingestellt, dass ein gleichmä- ßiges Schrumpfen sichergestellt wird.
Weiterhin ist es vorgesehen, dass ein Metalloxid und/oder Nitride als Sinterhilfe verwendet werden. Vorzugsweise handelt es sich um Metalloxide der zweiten Hauptgruppe (Mg, Ca), der dritten Hauptgruppe (B, AI) und/oder der dritten Ne- bengruppe (Sc, Y). Insbesondere für ein Verbundkeramik mit einer Kernschicht aus AIN und einer Deckschicht aus SbN4 lassen sich die Sinterhilfsmittel aus ähn- lichen Stoffgruppen wählen und können dabei aufeinander abgestimmt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorge- sehen, dass die Deckschicht unter Verwendung einer Gasphasenabscheidung oder einer Aeorsolabscheidung auf der Kernschicht gebildet wird. Es hat sich in vorteilhafter und überraschender Weise herausgestellt, dass sich so eine Deck- schicht realisieren lässt, die sowohl Risszähigkeit als auch Bruchfestigkeit erhöht, insbesondere wenn eine Kernschicht aus AIN verwendet wird. Mit Vorteil lassen sich zudem Deckschichtdicken realisieren, die kleiner sind als 25 miti, bevorzugt kleiner als 15 miti und besonders bevorzugt kleiner als 10 miti. Dabei wird insbe- sondere eine bereits gesinterte Keramik als erster Keramikwerkstoff bereitgestellt. Um die Eigenschaften der so aufgebrachten Deckschicht zu modifizieren, ist auch ein der eigentlichen Schichtabscheidung nachgelagerter Temper- oder Sinter- schritt denkbar, bei dem das Deckschichtgefüge verändert wird und/oder die An- bindung an die Kernschicht verbessert wird.
Zur Gasphasenabscheidung wird vorzugsweise ein chemisches oder physikali- sches Gasphasenabscheidungsverfahren verwendet. Insbesondere wird das Gas- phasenabscheidungsverfahren dazu ausgelegt, eine möglichst hochdichte und fehlerfreie Schicht des zweiten Keramikwerkstoffs in reiner Form zu realisieren. Bevorzugt ist es hierzu vorgesehen, die Deckschicht aus mehreren sukzessiv nacheinander aufgetragenen Einzelschichten aufzubauen. Dadurch lässt sich die Verbindung der Deckschicht an die Kernschicht bzw. an die Metallisierung an der Außenseite verbessern. Bei der Verwendung eines Aerosolabscheidungsverfah- ren ist es vorgesehen, dass Partikel des zweiten Keramikwerkstoffs über einen Gasstrom, insbesondere einen Luftstrom, mit einer festgelegten Geschwindigkeit auf die Kernschicht treffen. Dabei ist die Geschwindigkeit derart gewählt, dass die Partikel bei Ihrem Aufprall auf die Kernschicht zerbrechen und eine bis zu mehrere Mikrometer dicke Beschichtung ausbilden. So lassen sich dichte Kornstrukturen im niedrigen Nanometerbereich realisieren. Vorzugsweise wird das Verfahren bei Raumtemperatur durchgeführt und/oder es werden mikrometergroße Partikel ver- wendet. Ein weiterer Vorteil gegenüber der Bildung einer Verbundkeramik ist darin zu sehen, dass zur Realisierung niedrigere Temperaturen, beispielsweise unter 300° C, nötig sind. Infolgedessen werden kleinere thermisch induzierte Spannun- gen veranlasst im Vergleich zum AMB (Aktive metal brazing) oder Glaslötprozes- sen, die Temperaturen oberhalb von 800° C benötigen. Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Gegenstands mit Bezug auf die beigefügten Figuren. Einzelne Merkmale der einzelnen Ausführungsform können dabei im Rahmen der Erfindung miteinander kombiniert werden.
Es zeigt:
Fig.la und 1b: ein Verfahren zur Herstellung einer Verbundkeramik gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfin dung und
Fig. 2: eine Leiterplatte mit einer Verbundkeramik gemäß einer bei- spielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In den Figuren 1a und 1b ist schematisch ein Verfahren zum Herstellen einer Verbundkeramik 10 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegen- den Erfindung illustriert. Insbesondere handelt es sich bei der Verbundkeramik 10 um ein Trägersubstrat bzw. eine Isolationsschicht, die einen wesentlichen Be- standteil einer Leiterplatte repräsentiert. Zur Ausbildung der Leiterplatte sind an einer Oberseite und/oder an einer Unterseite Metallisierungen 3 bzw. weitere Me- tallisierungen 3‘, insbesondere durch Ätzen strukturierte Metallisierungen, vorge- sehen, die Leiterbahnen oder Metallpads zum Anbinden von elektronischen Bau- teilen bereitstellen.
Unter einer Verbundkeramik 10 bzw. Hybridkeramik ist insbesondere ein Trä- gersubstrat zu verstehen, in dem mehrlagig verschiedene Schichten aus unter- schiedlichen Keramikwerkstoffen übereinander angeordnet sind. Durch die Kom- bination verschiedener Keramikwerkstoffe ist es mit Vorteil möglich, gezielt ge- wünschte Eigenschaften in der Verbundkeramik zu vereinen, die andernfalls je- weils nur durch einen einzelnen Keramikstoff gegeben wären bzw. es lassen sich ungewünschte Eigenschaften eines Keramikstoffs mit Eigenschaften eines ande- ren Keramikwerkstoffs kompensieren. Beispielsweise lässt sich so eine Verbund- keramik 10 bereitstellen, die als ersten Keramikwerkstoff AIN umfasst, wodurch der Verbundkeramik 10 eine vergleichsweise hohe Wärmeleitfähigkeit verliehen wird. Um der geringen Festigkeit dieses ersten Keramikwerkstoffs entgegenzuwir- ken, ist in der Verbundkeramik 10 der erste Keramikwerkstoff in einem Schicht- aufbau mit einem zweiten Keramikwerkstoff verbunden. Dieser zweite Keramik- werkstoff ist vorzugsweise ein solcher mit einer vergleichsweise hohen Festigkeit, wie z. B. SbN4 , TSZ oder ZTA.
Insbesondere ist es vorgesehen, dass eine Kernschicht 1 aus dem erstem Kera- mikwerkstoff von einer Deckschicht 2 aus dem zweiten Keramikwerkstoff be- schichtet ist, vorzugsweise beidseitig beschichtet ist. Zur unmittelbaren stoff- schlüssigen Verbindung zwischen der Kernschicht 1 und der Deckschicht 2 ist es bevorzugt vorgesehen, dass der erste Keramikwerkstoff und der zweite Keramik- werkstoff in einem ungesinterten bzw. grünen Zustand bereitgestellt werden. Unter einer unmittelbaren, stoffschlüssigen Verbindung ist insbesondere zu verstehen, dass im gefertigten Zustand zwischen dem ersten Keramikwerksoff und dem zwei- ten Keramikwerkstoff kein Lötmaterial oder anderes Material angeordnet ist. Vor- liegend werden der erste Keramikwerkstoff und der zweite Keramikwerkstoff als Folien bereitgestellt, die entlang einer Stapelrichtung S übereinander angeordnet werden. Insbesondere wird die Folie aus dem ersten Keramikwerkstoff beidseitig von jeweils einer Folie aus dem zweiten Keramikwerkstoff bedeckt. Es ist aber auch vorstellbar, dass die Folie aus dem ersten Keramikwerkstoff auf einer Seite mit einer Folie aus dem zweiten Keramikwerkstoff und auf einer gegenüberliegen- den Seite mit einer Folie aus einem dritten Keramikwerkstoff bedeckt wird.
Zum Verbinden der Folie aus dem ersten Keramikwerkstoff und dem zweiten Ke- ramikwerkstoff ist es vorgesehen, dass die Folien zusammen gewalzt werden, oder laminiert werden. Alternativ ist es auch vorstellbar, dass der erste Keramik- werkstoff und/oder der zweite Keramikwerkstoff als Gießschlicker so übereinan- der gegossen werden, dass sich der erste Keramikwerkstoff und der zweite Kera- mikwerkstoff nicht durchmischen und sich eine erste Lage aus dem ersten Kera- mikwerkstoff und eine zweite Lage aus dem zweiten Keramikwerkstoff ausbilden. Vorzugsweise wird mittels eines Rakels dafür gesorgt, dass sich eine gleichmäßi- gere Verteilung des zweiten Keramikwerkstoffs auf dem ersten Keramikwerkstoff einstellt.
Durch ein sich zeitlich an das Anbinden anschließendes Sintern werden die Folie aus dem ersten Keramikwerkstoff und die Folie aus dem zweiten Keramikwerkstoff miteinander stoffschlüssig und vorzugsweise unmittelbar ohne Ausbildung eines Zwischenraums miteinander verbunden. Flierzu sind etwaige Sinterhilfsmittel ab- gestimmt mit dem ersten Keramikwerkstoff und dem zweiten Keramikwerkstoff. Beispielsweise werden als Sinterhilfen Metalloxid oder Nitride der zweiten Haupt- gruppe (wie z. B. Mg, Ca), der dritten Hauptgruppe (wie z. B. B, AI) und/oder der 3 Nebengruppe (wie z. B. Sy, Y) während des Sintern als Hilfsmittel verwendet.
Weiterhin ist es vorgesehen, dass ein Anteil an keramischen Partikel in den über- einander angeordneten Schichten derart gewählt wird, dass sich in den jeweiligen Schichten ein gleichmäßiges bzw. homogenes Schrumpfen bzw. Sinterschrump- fen einstellt.
In Figur 2 ist eine Leiterplatte mit einer Verbundkeramik 10 gemäß einer beispiel haften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Insbesondere ist es hier vorgesehen, dass die Kernschicht 1 eine Kernschichtdicke DP aufweist und die Deckschicht 2 eine Deckschichtdicke DD1 , wobei ein Verhältnis einer Deckschichtdicke DD1 zu einer Kernschichtdicke DP einen Wert kleiner als 1 , be- vorzugt kleiner als 0,5 und besonders bevorzugt kleiner als 0,2 annimmt. Weiter- hin ist es vorgesehen, dass die Deckschicht DD1 die Seite der Kernschicht 1 be- deckt, die einer Metallisierung 3 zugewandt ist. Vorliegend ist die Kernschicht 1 beidseitig von der Deckschicht 2 bedeckt. Weiterhin ist als erster Keramikwerkstoff AIN und als zweiter Keramikwerkstoff SbN4 vorgesehen. Durch die Kombination von Material und Dicke der Kernschicht 1 lässt sich mit Vorteil eine optimale Wär- mespreizung und somit ein möglichst optimaler Wärmtransport einstellen. Insbe- sondere für das angegebene Verhältnis der Deckschichtdicke DD1 zur Kern- schichtdicke DP von kleiner als 0,2 hat sich mit Vorteil gezeigt, dass die Deck- Schicht 2 zu einer gewünschten Erhöhung der Festigkeit in der Verbundkeramik 10 führt, ohne die Eigenschaften des von der Kernschicht 1 durch Dicke und Material festgelegten Wärmtransports zu beeinflussen. Weiterhin ist es vorstellbar, dass auf der der Deckschicht gegenüberliegenden Seite eine weitere Deckschicht 2‘ angeordnet ist. Vorzugsweise weist die weitere Deckschicht 2‘ eine weitere Deckschichtdicke DD2 auf. In einer bevorzugten Aus- führungsform ist es vorgesehen, dass die Deckschichtdicke DD1 und die weitere Deckschichtdicke DD2 einander entsprechen.
Bezuqszeichenliste:
1 Kernschicht
2 Deckschicht
2‘ weitere Deckschicht
3 Metallisierung
3‘ weitere Metallisierung
10 Verbundkeramik
DP Kernschichtdicke
DD1 Deckschichtdicke
DD2 weitere Deckschichtdicke
S Stapelrichtung

Claims

Ansprüche
1. Verbundkeramik (10) für eine Leiterplatte, umfassend
- eine Kernschicht (1 ) aus einem ersten Keramikwerkstoff und
- eine Deckschicht (2) aus einem zweiten Keramikwerkstoff zum zumindest teilweisen Bedecken der Kernschicht (1 ), wobei die Deckschicht (2) unmittel- bar stoffschlüssig an die Kernschicht (1 ) angebunden ist und ein Verhältnis einer Deckschichtdicke (DD1 ) zu einer Kernschichtdicke (DP) einen Wert kleiner als 1 , bevorzugt kleiner als 0,5 und besonders bevorzugt kleiner als 0,2 annimmt.
2. Verbundkeramik (10) gemäß Anspruch 1 , wobei die Kernschichtdicke (DP) einen Wert zwischen 0,1 und 3,0 mm, bevorzugt zwischen 0,2 und 2,0 mm und besonders bevorzugt zwischen 0,5 und 1 ,5 mm annimmt.
3. Verbundkeramik (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kernschicht (1 ) AIN oder MgO und/oder die Deckschicht (2) ShNU , TSZ oder ZTA umfasst.
4. Verbundkeramik (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kernschicht (1 ) ShNU , TSZ und/oder ZTA und die Deckschicht eine Oxidkeramik, insbesondere Aluminiumoxid umfasst.
5. Verbundkeramik (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine zusätzliche Deckschicht für eine verbesserte Anbindung eines Metalls, insbesondere mittels eines DCB-Verfahrens, vorgesehen ist, die die an der Kernschicht angebundene Deckschicht (2) zumindest teilweise, bevorzugt vollständig, bedeckt.
6. Verbundkeramik gemäß Anspruch 5, wobei die zusätzliche Deckschicht ein
Aluminiumoxid umfasst.
7. Verbundkeramik gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kernschicht SiC umfasst.
8. Verbundkeramik (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Deckschicht (2) beidseitig auf der Kernschicht (1 ) angeordnet ist.
9. Verfahren zur Herstellung einer Verbundkeramik (10) gemäß einem der vor- hergehenden Ansprüche.
10. Verfahren zur Herstellung einer Verbundkeramik (10) umfassend
Bereitstellen eines ersten Keramikwerkstoffs und eines zweiten Keramik- werkstoffs, und
Verbinden des ersten Keramikwerkstoffs mit dem zweiten Keramikwerkstoffs, bei dem der erste Keramikwerkstoff eine Kernschicht (1 ) und der zweite Ke- ramikwerkstoff eine Deckschicht (2) bildet, wobei die Deckschicht (2) unmit- telbar an die Kernschicht (1 ) angebunden ist,
wobei der zweite Keramikwerkstoff zum Verbinden in einem ungesinterten- Zustand, gasförmig oder als Gießschlicker bereitgestellt wird.
11. Verfahren gemäß Anspruch 10, wobei der erste Keramikwerkstoff und der zweite Keramikwerkstoff in einem ungesinterten Zustand oder als Gießschli- cker bereitgestellt werden und schichtweise übereinander angeordnet wer- den.
12. Verfahren gemäß Anspruch 11 , wobei der erste Keramikwerkstoff und der zweite Keramikwerkstoff zum Anbinden
- im ungesinterten Zustand gewalzt, isostatisch aufeinandergepresst, insbe- sondere laminiert , oder
- im geschmolzenen Zustand übereinander gegossen, insbesondere unter Verwendung eines Rakels,
werden.
13. Verfahren gemäß Anspruch 12, wobei zeitlich nach dem Anbinden der erste Keramikwerkstoff und der zweite Keramikwerkstoff gesintert werden.
14. Verfahren gemäß Anspruch 13, wobei ein Metalloxid und/oder Nitride als Sin- terhilfen verwendet werden.
15. Verfahren gemäß Anspruch 10, wobei die Deckschicht (2) unter Verwendung einer Gasphasenabscheidung oder einer Aeorsolabscheidung auf der Kern- schicht (1 ) gebildet wird.
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