WO2024170536A1

WO2024170536A1 - Verfahren zur herstellung eines metall-keramik-substrats und ein metall-keramik-substrat hergestellt mit einem solchen verfahren

Info

Publication number: WO2024170536A1
Application number: PCT/EP2024/053567
Authority: WO
Inventors: Karsten Schmidt; Stefan Britting
Original assignee: Rogers Germany Gmbh
Priority date: 2023-02-14
Filing date: 2024-02-13
Publication date: 2024-08-22
Also published as: DE102023103509A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines als Leiterplatte vorgesehenen Metall-Keramik-Substrats (1), umfassend: - Bereitstellen eines Silizium umfassenden Ausgangsblocks (2), - Ablösen (104) einer Scheibe (4) aus dem Ausgangblock (2), insbesondere aus dem vollständig nitridierten, dem teilnitridierten oder dem nicht-nitridierten Ausgangsblock (2), - Nitridieren (105a) der Scheibe (4), wenn die Scheibe (4) eine erste Dichte aufweist, und/oder des Ausgangsblocks (2), wenn der Ausgangsblock (2) eine erste Dichte aufweist, und - mindestens ein Sinterschritt (105b) zum Einstellen einer zweiten Dichte in der nitridierten Scheibe (4) und/oder dem nitridierten Ausgangblock (2), wobei die zweite Dichte größer als die erste Dichte ist, und - Anbinden (107) einer Metallschicht (10) an die nitridierte und gesinterte Scheibe (30) zur Ausbildung eines Metall-Keramik-Substrats (1).

Description

Verfahren zur Herstellung eines Metall-Keramik-Substrats und ein Metall-Keramik- Substrat hergestellt mit einem solchen Verfahren

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Metall-Keramik-Sub- strats und ein Metall-Keramik-Substrat, hergestellt mit einem solchen Verfahren.

Metall-Keramik-Substrate sind als Leiterplatten oder Platinen aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt, beispielsweise aus der DE 10 2013 104 739 A1 , der DE 19 927 046 B4 und der DE 10 2009 033 029 A1. Typischerweise werden auf einer Bauteilseite des Metall-Keramik-Substrats Anschlussflächen für elektrische Bauteile und Leiterbahnen angeordnet, wobei die elektrischen Bauteile und die Leiterbahnen zu elektrischen Schaltkreisen zusammenschaltbar sind. Wesentliche Bestandteile der Metall-Keramik-Substrate sind eine Isolationsschicht, die bevorzugt aus einer Keramik gefertigt ist, und wenigstens eine an die Isolationsschicht angebundene Metallschicht. Wegen ihrer vergleichsweise hohen Isolationsfestigkeiten haben sich aus Keramik gefertigte Isolationsschichten in der Leistungselektronik als besonders vorteilhaft erweisen. Durch eine Strukturierung der Metallschicht können sodann Leiterbahnen und/oder Anschlussflächen für die elektrischen Bauteile realisiert werden.

Als besonders vorteilhaft hat sich als Keramikelement Siliziumnitrid erwiesen. Siliziumnitrid zeichnet sich durch eine vergleichsweise hohe Isolationsfestigkeit aus. Außerdem weist es eine hohe thermische Leitfähigkeit auf, die sich insbesondere deswegen als vorteilhaft bei der Nutzung des Metall-Keramik-Substrats als Leiterplatte erweist, da zunehmend Hochleistungselektronikbauteile vergleichsweise viel Wärme erzeugen. Diese muss abgeführt werden, um eventuelle Schäden an der Leiterplatte und/oder dem elektronischen Bauteil zu vermeiden. Typischerweise werden Siliziumnitrid-Keramiken gefertigt, indem aus einem Siliziumnitridpulver bzw. -granulat ein schlammartiges Flachprodukt hergestellt wird, beispielsweise durch ein Foliengussverfahren. Durch ein anschließendes Sintern wird das Flachprodukt in einen festen Körper überführt, der als Keramikelement in einem Metall-Keramik-Substrat genutzt werden kann. Ein entsprechendes Beispiel für eine solche Herstellung findet sich in US 2016 0 362 592 A1. Ein weiteres Bespiel zur Herstellung einer Siliziumnitridkeramik durch ein Foliengießverfahren ist aus der US 6 242 374 B1 bekannt.

Ferner ist es aus der JP 2003 248 137 A bekannt, aus einem Block einzelne Scheiben Siliziumnitrid abzulösen und sie anschließend im Rahmen eines Anbindungsverfahrens als Metall-Keramik-Substrate zu nutzen. Ebenfalls ist es aus der DE 10 2017211 320 bekannt, aus SiaN^Pulver ein Ausgangsblock herzustellen, aus dem nach dem Sintern eine Siliziumnitridscheibe herausgelöst wird. Allerdings haben sich diese Verfahren als besonders werkzeugintensiv und aufwendig erwiesen.

Ausgehend vom Stand der Technik macht es sich die vorliegende Erfindung zur Aufgabe, Metall-Keramik-Substrate vereinfacht herzustellen, deren Keramikelement im wesentlichen Siliziumnitrid umfasst. Insbesondere soll das Verfahren die Herstellung von Siliziumnitridkeramiken vereinfachen, bei denen scheibenartige Elemente aus einem Blockelement herausgelöst werden.

Die vorliegende Erfindung löst diese Aufgabe mit einem Verfahren gemäß Anspruch 1 und einem Metall-Keramik-Substrat gemäß Anspruch 10. Weitere Ausführungsvarianten und Beispiele sind der Beschreibung, den abhängigen Ansprüchen und den Figuren zu entnehmen.

Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines als Leiterplatte vorgesehenen Metall-Keramik-Substrats, vorgesehen, umfassend:

- Bereitstellen eines Silizium umfassenden Ausgangsblocks,

- Ablösen einer Scheibe aus dem Ausgangblock, insbesondere aus dem vollständig nitri- dierten, dem teilnitridierten oder dem nicht-nitridierten Ausgangsblock,

- Nitridieren der Scheibe, wenn die Scheibe eine erste Dichte aufweist, und/oder des Ausgangsblocks, wenn der Ausgangsblock eine erste Dichte aufweist, und

- mindestens ein Sinterschritt zum Einstellen einer zweiten Dichte in der nitridierten Scheibe und/oder dem nitridierten Ausgangblock, wobei die zweite Dichte größer als die erste Dichte ist, und

- Anbinden einer Metallschicht an die nitridierte und gesinterte Scheibe zur Ausbildung eines Metall-Keramik-Substrats.

Im Gegensatz zum Stand der Technik ist es vorgesehen, dass als Ausgangsmaterial Silizium genommen wird, das in einen Ausgangsblock bzw. ein Blockelement verpresst wird. Es hat sich herausgestellt, dass sich dieser aus Silizium geformter Ausgangsblock bzw. eine aus dem Ausgangsblock herausgelöste Scheibe ebenfalls dazu eignet, erfolgreich nitridieren zu werden, sofern beim Nitridieren eine erste Dichte vorliegt, die kleiner als die zweite Dichte ist, die durch den mindestens einen Sinterschritt erzeugt wird und im Keramikelement des gefertigten Metall-Keramik-Substrats vorliegt. Insbesondere lässt die erste Dichte es zu, dass Stickstoff in entsprechenden Poren eindringen kann und dort das gewünschte Nitridieren bedingt. Insbesondere hat es sich gezeigt, dass auch ein ganzer Ausgangsblock nitridiert werden kann. Hierzu wird eine erste Dichte im Ausgangskörper eingestellt, die das Nitridieren, insbesondere auch des Ausgangsblocks, vorzugsweise des gesamten Ausgangsblocks, gestattet. Dabei weist der Ausgangsblock eine Dicke auf, die mindestens zehnmal so groß ist wie die Dicke der herausgelösten Scheibe. Das Nitridieren kann vor und/oder nach dem Ablösen der Scheibe erfolgen. Grundsätzlich ist es auch vorstellbar, dass der mindestens eine Sinterschritt vor oder nach dem Ablösen erfolgt. Der mindestens eine Sinterschritt zeichnet sich dabei dadurch aus, dass das Siliziumnitrid, sei es im Ausgangsblock oder im der nitridierten Scheibe, beim mindestens einen Sinterschritt seine zweite Dichte, d. h. die finale Dichte für das zu fertigende Metall- Keramik-Substrat, erhält. Das Bereitstellen des Ausgangsblocks aus Silizium macht somit die Fertigung des Keramikelements aus Siliziumnitrid, bei dem auf ein Ausgangblock zurückgegriffen wird, flexibler.

Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass der mindestens eine Sinterschritt nach dem Ablösen durchgeführt wird. Im Gegensatz zu den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren, ist es somit vorgesehen, dass die Siliziumnitridkeramik nicht aus einem vollständig durchgesinterten Siliziumnitridausgangsblock herausgelöst wird, sondern dass ein Ausgangsblock bereitgestellt wird, dessen erste Dichte kleiner ist als die zweite Dichte, die im gefertigten Metall-Keramik-Substrat im Keramikelement vorliegt. Dies erweist sich insbesondere deswegen als vorteilhaft, weil dadurch vor dem Ablösen, insbesondere durch ein Sägen, eine Porosität im Ausgangsblock vorliegt, die das Sägen vereinfacht. Insbesondere erweist sich die Porosität auch deswegen als vorteilhaft, weil aus dem Siliziumblock eine Scheibe mit einer ersten Dichte herausgelöst werden kann, die sich als vorteilhaft erweist für das Nitridieren, insbesondere für die Konvertierungseffizienz beim Nitridieren.

Vorzugsweise weist dabei die erste Dichte zwischen 50 % und 95 % der maximal theoretisch möglichsten, dichtesten Packung auf. Besonders bevorzugt wird eine erste Dichte eingestellt, die zwischen 60 % und 90 %, besonders bevorzugt 60 % und 80 % und besonders bevorzugt zwischen 60 % und 70 % der maximal theoretisch möglichsten, dichtesten Packung, um eine möglichst hohe Porosität einzustellen.

Vorstellbar ist auch, dass der Silizium umfassende Ausgangsblock auch einen Anteil an Siliziumnitrid aufweist. In diesem Fall ist bereits ein Anteil des Ausgangsblocks oder der Scheibe nitridiert, bevor das eigentliche Nitridieren durchgeführt wird. Dies vereinfacht das Nitridieren. Beispielsweise liegt ein Verhältnis von Siliziumnitrid zu Silizium zwischen 0,01 und 0,5, bevorzugt zwischen 0,01 und 0,3 und besonders bevorzugt zwischen 0,01 und 0,15 im oder ein Verhältnis von Silizium zu Siliziumnitrid zwischen 0,01 und 0,5, bevorzugt zwischen 0,01 und 0,3 und besonders bevorzugt zwischen 0,01 und 0,15 vor.

Abhängig von dem Zeitpunkt des Nitridieren und/oder einem Anteil an Siliziumnitrid im bereitgestellten Ausgangsblock, das aus einer entsprechenden Pulver- bzw. Granulatmischung gepresst wird, liegt insbesondere ein nitridierter, ein teilnitridierter oder ein nicht- nitridierter Ausgangsblock vor. Insbesondere ist es für den Fachmann ersichtlich, dass das Ablösen, das Nitridieren und der mindestenes eine Sinterschritt in einer beliebigen aber technisch sinnvollen Reihenfolge durchgeführt werden können.

Zum Nitridieren wird die abgelöste Scheibe einer stickstoffhaltigen Atmosphäre ausgesetzt, die beispielsweise Ammoniak, N2H2 oder Stickstoff umfasst. Dabei erfolgt das Nitridieren insbesondere in einem Ofen, dessen Temperatur größer ist als 1000 °C, insbesondere zwischen 1000 °C und 1600 °C und besonders bevorzugt zwischen 1100 °C und 1500 °C und besonders bevorzugt zwischen 1100 °C und 1410 °C.

Vorzugsweise ist das Metall-Keramik-Substrat als Leiterplatte ausgebildet, bei der im gefertigten Zustand die mindestens eine Metallschicht, die an das Keramikelement angebunden ist, strukturiert ist. Beispielsweise ist es hierzu vorgesehen, dass nach dem Anbindungsschritt auch eine Strukturierung, beispielsweise durch Lasern, Ätzen und/oder eine mechanische Bearbeitung, vorgenommen wird, mit der Leiterbahnen und/oder Anschlüsse für elektrische oder elektronische Bauteile realisiert werden. Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass an einem gefertigten Metall-Keramik-Substrat an dem Keramikelement, an dem der Metallschicht gegenüberliegenden Seite, eine weitere Metallschicht, insbesondere eine Rückseitenmetallisierung und/oder ein Kühlelement vorgesehen ist. Dabei dient die Rückseitenmetallisierung vorzugsweise dazu, einer Durchbiegung entgegenzu- wirken und das Kühlelement dient einem wirkungsvollen Abführen von Wärme, die im Betrieb von elektrischen bzw. elektronischen Bauteilen ausgeht, die an die Leiterplatte, bzw. das Metall-Keramik-Substrat angebunden sind.

Als Materialien für die mindestens eine Metallschicht und/oder die mindestens eine weitere Metallschicht im Metall-Keramik-Substrat bzw. Keramikelement sind Kupfer, Aluminium, Molybdän, Wolfram, Nickel und/oder deren Legierungen wie z. B. CuZr, AlSi oder AIMgSi, sowie Laminate wie CuW, CuMo, CuAI und/oder AICu oder MMC (metal matrix composite), wie CuW, CuM oder AlSiC, vorstellbar. Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass die mindestens eine Metallschicht am gefertigten Metall-Keramik-Substrat, insbesondere als Bauteilmetallisierung, oberflächenmodifiziert ist. Als Oberflächenmodifikation ist beispielsweise eine Versiegelung mit einem Edelmetall, insbesondere Silber; und/oder Gold, oder (electroless) Nickel oder EN IG („electroless nickel immersion gold“) oder ein Kantenverguss an der Metallisierung zur Unterdrückung einer Rissbildung bzw. -weitung denkbar.

Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass das Nitridieren vor dem mindestens einen Sinterschritt erfolgt. Dadurch wird in vorteilhafter Weise ausgenutzt, dass die abgelöste Scheibe oder der Ausgangsblock die erste, im Vergleich zur zweiten Dichte reduzierte, Dichte aufweist, wodurch der Stickstoff tiefer in die Scheibe eindringen kann und insbesondere die Konvertierungseffizienz erhöht werden kann. Dabei kann das Nitridieren auch am Silizium umfassenden Ausgangsblock durchgeführt werden.

Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass vor dem Ablösen ein Vorsinterschritt durchgeführt wird, um die erste Dichte einzustellen. Alternativ ist es vorstellbar, dass ohne einen Vorsinterschritt bereits ein Grünling bzw. der Ausgangsblock als Grünling, dazu verwendet wird, um von diesem einzelne Scheiben abzulösen. Das Vorsintern zum Einstellen der ersten Dichte macht den Ausgangsblock vor allem einfacher in der Handhabung, insbesondere wenn der Ausgangsblock in eine entsprechende Säge oder ein Sägeinstrument eingebracht werden soll. Im Falle eines Abschneidens oder Ablösens der Scheibe aus einem Ausgangsblock, der im Wesentlichen als Grünling vorliegt, spart man sich mit Vorteil den Vorsinterschritt.

Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass die Temperatur im Vorsinterschritt größer ist als 1700 °C, bevorzugt größer ist als 1800 °C und besonders bevorzugt zwischen 1900 °C und 2100 °C °C liegt liegt. Damit werden beispielsweise Temperaturen genutzt, die höher sind als die Sintertemperaturen, die in CN 109 400 176 A und CN 109 400 175 A benannt werden. Dabei ist es besonders bevorzugt vorgesehen, dass die Temperatur im Vorsinterschritt größer ist als beim Sintern nach dem Ablösen. Es hat sich mit Vorteil herausgestellt, dass durch die sehr hohe Temperatur beim Vorsintern ein mechanisch stabilerer Ausgangsblock realisiert werden kann, insbesondere im Vergleich zu solchen Blöcken, die bei niedrigeren Temperaturen gesintert werden. Der mechanisch stabilere Ausgangsblock lässt sich mit Vorteil einfacher zersägen als solche, die bei niedrigeren Temperaturen vorgesintert wurden. Insbesondere wird verhindert, dass Scherkräfte beim Zersägen auf den Ausgangsblock übertragen werden. Außerdem lässt sich der Ausgangsblock schneller abkühlen, da die Wahrscheinlichkeit für eine Rissbildung oder ein Schaden am Ausgangsblock beim Abkühlen reduziert wird. Zudem lässt sich die Zeit für das Sintern nach dem Ablösen reduzieren. Ein weiterer Vorteil ist, dass sich der Ausgangsblock nach dem Vorsintern leichter entformen lässt.

Bevorzugt ist es vorgesehen, dass der Sinterschritt nach dem Ablösen kürzer ist als der Vorsinterschritt. Dadurch lässt sich die Gesamtzeit für den Fertigungsprozess mit Vorteil kürzen.

Weiter ist es bevorzugt vorgesehen, dass ein Druck beim Sintern nach dem Ablösen größer ist als der Druck beim Vorsintern. Dadurch ist mit Vorteil möglich, einen kompakten Körper zu formen, der als Keramikelement in einem Metall-Keramik-Substrat genutzt werden kann. Außerdem erweist es sich als vorteilhaft, wenn der Druck vor dem Ablösen geringer ist, um die Porosität im vorgesinterten bzw. teilgesinterten Ausgangsblock möglichst groß einzustellen, um den Sägeprozess mit vergleichsweise wenig Kraftaufwand durchzuführen.

Bevorzugt ist es vorgesehen, dass beim Ablösen eine Oberflächenstruktur, insbesondere eine periodisch wiederholende Oberflächenstruktur, realisiert wird. Vorzugsweise handelt es sich um eine wellenförmige Oberflächenstruktur, die sich beispielsweise durch die Nutzung eines Sägedrahts und/oder ein mehrfaches Passieren realisieren lässt. Die Oberflächenstruktur erweist sich insbesondere deswegen als vorteilhaft, weil sie es erlaubt, dass mehrere abgelöste Scheiben für das Sintern nach dem Ablösen übereinandergestapelt werden können, ohne dass ein Trennelement zwischen den gestapelten Scheiben angeordnet werden muss. Bevorzugt wird also das Sintern nach dem Ablösen ohne Trennelement, wie beispielweise einem Pulver, einer Lage oder einer Schicht, realisiert. Dadurch spart man sich zudem auch eine entsprechenden Reinigung der Scheibe nach dem Sintern, wodurch der gesamte Sinterprozess weniger zeitaufwendig gestaltet werden kann, da dieser Arbeitsschritt eingespart werden kann.

Insbesondere ist die Oberfläche der Scheibe oberflächenmoduliert, vorzugsweise mit einer halben Periode, die zwischen 5 pm und 1 mm, bevorzugt zwischen 10 pm und 0,5 mm und besonders bevorzugt zwischen 200 pm und 100 pm liegt. Dabei ist die Oberflächenmodulation bevorzugt Teil der Mikrostrukturierung. Beispielsweise handelt sich um eine wellenartige Oberflächenmodulation. Im Gegensatz zu einer Rauigkeit erfolgt die Oberflächenmodulation auf einer größeren Skale und ist um mindestens eine Größenordnung größer dimensioniert als die Rauigkeit. Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass eine Amplitude der Oberflächenmodulation mindestens 1 pm, bevorzugt mindestens pm 2,5 pm und besonders bevorzugt zwischen 2 und 4 pm liegt.

Sofern ein zweistufiger Sinterschritt vorgesehen ist, bei dem vor dem Ablösen der Scheibe der Vorsinterschritt erfolgt und nach dem Ablösen der mindestens eine Sinterschritt, bildet sich eine gegenüber den in üblicherweise Weise in einem Sinterschritt hergestellten Siliziumnitridkeramiken eine reduzierte Sinterhaut aus. Bei den durch Folienguss mit anschließendem Sintern gebildeten Keramikelementen bildet sich schließlich eine etwa 20 pm bis 30 pm dicke Schicht, in der sich Sintermittel anhäufen, die im Zuge des Sintern dorthin diffundieren. Man spricht von der sogenannten Sinterhaut. Beispiele für Sintermittels sind beispielsweise MgO oder Y2O3. In entsprechender Weise ist im Falle einer reduzierten Sinterhaut mit einer Schichtdicke zu rechnen, in der Sintermittel angehäuft sind, die kleiner ist als 20 pm. Damit schlägt sich die vorgeschlagene Herangehensweise, bei der ein Vorsintern und das mindestens eine Sintern herangezogen werden, in einer reduzierten Dicke der Sinterhaut am Keramikelement als strukturelles Merkmal nieder.

Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass zum Bereitstellen eines Silizium umfassenden Ausgangsblockes, ein Pulver und/oder ein Granulat gepresst wird. Insbesondere ist es vorgesehen, dass zum Bereitstellen eines Silizium umfassenden Ausgangsblocks zunächst Siliziumpulver bereitgestellt wird. Zum Unterstützen des Sinterprozesses umfasst das Pulver neben Silizium auch Magnesiumoxid oder Yttriumoxid oder weitere Sinterhilfsmittel. Zur Ausbildung eines Ausgangsblocks hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, das Pulver zu granulieren, insbesondere in ein organisch gebundenes Granulat zu überführen, das beispielsweise durch ein Sprühgranulieren oder Aufbaugranulieren ent- steht. Weiterhin ist es vorstellbar, dass das Ausgangspulver neben Silizium zumindest anteilig Siliziumnitrid umfasst. Beispielsweise liegt ein Verhältnis von Siliziumnitridpulver zu Silizium zwischen 0,01 und 0,5, bevorzugt zwischen 0,01 und 0,3 und besonders bevorzugt zwischen 0,01 und 0,15 im oder ein Verhältnis von Silizium zu Siliziumnitridpulver zwischen 0,01 und 0,5, bevorzugt zwischen 0,01 und 0,3 und besonders bevorzugt zwischen 0,01 und 0,15 vor. Vorzugsweise ist der Anteil an Silizium in dem Pulver größer als 80 %, bevorzugt größer als 85 % und besonders bevorzugt größer als 90 %. Weiterhin ist es vorstellbar, dass das Pulver oder Granulat ein Sinterhilfsmittel umfasst, um entsprechend die Sintervorgänge zu verbessern. Vorzugsweise umfasst der Anteil des Sintermittels 1 bis 9 Gew.-%, bevorzugt 2 und 7 Gew.-% und besonders bevorzugt 3 und 5 Gew.- %.

Vorstellbar ist auch, dass das Pulver und/oder Granulat ein Katalysatormittel, wie beispielsweise Nickel und/oder Eisen umfasst, die sich als vorteilhaft für den späteren Vorgang des Nitridierens erweisen. Insbesondere ist ein Anteil des Katalysatormittels, zwischen 100 und 5000 ppm, bevorzugt zwischen 200 - 2000 ppm und besonders bevorzugt zwischen 300 und 1000 ppm.

Weiterhin ist es bevorzugt vorgesehen, dass zum Ablösen der Scheibe ein Sägemittel, insbesondere eine Drahtsäge und besonders bevorzugt eine Multidrahtsäge verwendet wird. Das Herauslösen mittels eines Sägemittels und/oder einer Säge erweist sich insbesondere deswegen als vorteilhaft, weil dadurch insbesondere individuell eine Dicke des Keramikelements eingestellt werden kann. Dadurch lässt sich einfach eine Produktion umstellen, wenn eine gewünschte Siliziumnitridkeramikdicke geändert werden soll. In diesem Fall muss lediglich das Sägemittel anders eingestellt werden und der Schnitt muss an einer anderen Stelle im Ausgangsblock erfolgen. Dadurch ist es beispielsweise auch möglich vergleichsweise dicke Siliziumnitridkeramiken oder vergleichsweise dünne Siliziumnitridkeramiken herzustellen, die abweichen von denjenigen, die mit anderen standarti- sierten Verfahren hergestellt werden. Vorzugsweise handelt es sich um ein Sägemittel, dass einen Draht verwendet, wobei der Draht besonders bevorzugt ein Diamantdraht ist und/oder ein Stahldraht mit einer Siliziumkarbid- und/oder Diamantbeschichtung. Ferner ist es vorstellbar, dass als Draht ein Stahldraht mit einem sogenannten Slurry verwendet wird, wobei der Slurry einen Hartstoff z.B. SiC oder B4C in geeigneter Körnung und einem Kühlschmiermittel z.B., PEG (Polyethylenglycol) umfasst. Gemäß einer weiteren Ausführungsvariante der vorlegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass die Metallschicht an das Keramikelement, das aus der nitrierten Scheibe entstanden ist mittels eines Aktivlotverfahrens und/oder eines heißisostatischen Pressens angebunden wird.

Beispielsweise ist es vorgesehen, dass ein Verfahren zur Herstellung eines Metall-Kera- mik-Substrats vorgesehen ist, umfassend:

- Bereitstellen einer Lötschicht, insbesondere in Form mindestens einer Lötfolie bzw. Hartlotfolie,

- Beschichten des Keramikelements, insbesondere der nitrierten Siliziumscheibe, und/oder der mindestens einen Metallschicht und/oder der mindestens einen Lötschicht mit mindestens einer Aktivmetallschicht,

- Anordnen der mindestens einen Lötschicht zwischen dem Keramikelement und der mindestens einen Metallschicht entlang einer Stapelrichtung unter Ausbildung eines Lötsystems, das die mindestens eine Lötschicht und die mindestens eine Aktivmetallschicht umfasst, wobei ein Lotmaterial der mindestens einen Lötschicht vorzugsweise frei von einem schmelzpunkterniedrigenden Material bzw. von einem phosphorfreien Material ist, und

- Anbinden der mindestens einen Metallschicht an die mindestens eine Keramikschicht über das Lötsystem mittels eines Aktivlotverfahrens.

Insbesondere ist dabei ein mehrschichtiges Lötsystem aus mindestens einer Lötschicht, vorzugsweise frei von schmelzpunkterniedrigenden Elementen, besonders bevorzugt aus einer phosphorfreien Lötschicht, und mindestens einer Aktivmetallschicht, vorgesehen. Die Separation der mindestens einen Aktivmetallschicht und der mindestens einen Lötschicht erweist sich insbesondere deswegen als vorteilhaft, weil dadurch vergleichsweise dünne Lötschichten realisierbar sind, insbesondere wenn es sich bei der Lötschicht um eine Folie handelt. Für aktivmetallhaltige Lötmaterialien müssen andernfalls vergleichsweise große Lötschichtdicken wegen der spröden intermetallischen Phasen bzw. des hohen E-Moduls und hoher Streckgrenze der gängigen Aktivmetalle und deren intermetallischen Phasen, die die Umformung der Lötpaste bzw. Lötschicht behindern, realisiert werden, wodurch die minimale Schichtdicke durch die Fertigungseigenschaften des aktivmetallhaltigen Lötmaterials begrenzt wird. Entsprechend bestimmt für aktivmetallhaltige Lötschichten nicht die für das Fügeverfahren erforderliche Mindestdicke die minimale Lötschichtdicke der Lötschicht, sondern die für die technisch realisierbare minimale Schichtdicke der Lötschicht bestimmt die minimale Lötschichtdicke der Lötschicht. Dadurch ist diese dickere, aktivmetallhaltige Lötschicht teurer als dünne Schichten. Unter phosphorfrei versteht der Fachmann insbesondere, dass der Anteil an Phosphor in der Lötschicht kleiner ist als 150 ppm, kleiner als 100 ppm und besonders bevorzugt kleiner als 50 ppm.

Insbesondere ist es durch die Nutzung einer separat ausgeführten Aktivmetallschicht möglich, diese vergleichsweise dünn auszugestalten, wodurch die anspruchsgemäßen vergleichsweise dünnen Dicken der Bindungsschicht realisierbar sind, insbesondere gemittelt über verschiedenen Messerwerte innerhalb der festgelegten Fläche bzw. Flächen. Beispielsweise ist die Aktivmetallschicht dünner als 25 pm, bevorzugt dünner als 18 pm und besonders bevorzugt dünner als 12 pm oder sogar dünner als 1000 nm, beispielsweise zwischen 400 nm und 800 nm. Beispiele für ein Aktivmetall sind Titan (Ti), Zirkonium (Zr), Hafnium (Hf), Chrom (Cr), Niob (Nb), Cer (Ce), Tantal (Ta), Magnesium (Mg), Lanthan (La) und Vanadium (V). Hierbei ist darauf zu achten, dass die Metalle La, Ce, Ca und Mg leicht oxidieren können. Ferner wird angemerkt, dass die Elemente Cr, Mo und W keine klassischen Aktivmetalle sind, sich aber als Kontaktschicht zwischen SisN4 und der mindestens einem Metallschicht bzw. dem Lotsystem bzw. Lotmaterial eignen, da sie mit der mindestens einen Metallschicht, beispielsweise Kupfer, keine intermetallischen Phasen bilden und keine Randlöslichkeit haben.

Vorzugsweise ist ein Anteil an Aktivmetall in einer Aktivmetall umfassenden Haftvermittlerschicht bzw. der Aktivmetallschicht größer als 15 Gew.- %, bevorzugt größer als 20 Gew.- % und besonders bevorzugt größer als 25 Gew.- %.

Vorzugsweise umfasst die Lötschicht, insbesondere die phosphorfreie Lotschicht, mehrere Materialien zusätzlich zu dem reinen Metall. Beispielsweise ist Indium ein Bestandteil des verwendeten Lotmaterials in der Lötschicht. Die Lötschicht bzw. ein Lotbasismaterial weist bevorzugt einen Anteil an Aktivmetall auf, der kleiner ist als 1 ,5 Gew. %, bevorzugt kleiner als 1 ,0 Gew.% und besonders bevorzugt kleiner als 0,5 Gew.-%. Insbesondere ist das Lotbasismaterial aktivmetallfrei.

Weiterhin ist es vorstellbar, dass das Lotmaterial zur Ausbildung der Lötschicht durch ein physikalisches und/oder chemisches Gasphasenabscheiden und/oder galvanisch auf die Aktivmetallschicht und/oder die mindestens eine Metallschicht aufgetragen wird. Dadurch ist es in vorteilhafter weise möglich, vergleichsweise dünne Lotschichten im Lötsystem, insbesondere in einer homogenen Verteilung, zu realisieren. Beispielsweise sind bei der Herstellung des Metall-Keramik-Substrats, insbesondere des Metall-Keramik-Substrats, weiteren Schritte vorgesehen, umfassend:

- Bereitstellen eines Keramikelements und einer Metalllage,

- Bereitstellen eines gasdichten Behälters, der das Keramikelement umschließt, wobei der Behälter vorzugsweise aus der Metalllage geformt ist oder die Metalllage umfasst,

- Ausbilden des Metall-Keramik-Substrats durch ein Anbinden der Metalllage an das Keramikelement mittels heißisostatischem Pressen, wobei zum Ausbilden des Metall-Keramik-Substrats zwischen der Metalllage und dem Keramikelement mindestens abschnittsweise eine Aktivmetallschicht oder eine ein Aktivmetall umfassende Kontaktschicht, zur Unterstützung des Anbindens der Metalllage an das Keramikelement, angeordnet wird. Der Behälter wird dabei vorzugsweise als Metallbehälter aus einer Metalllage und/oder einer weiteren Metalllage gebildet. Alternativ ist es auch vorstellbar, dass ein Glasbehälter verwendet wird.

Beim heißisostatischen Pressen ist es insbesondere vorgesehen, dass das Bonden durch Erhitzen unter Druck erfolgt, bei dem die erste und/oder zweite Metalllage des Metallbehälters, insbesondere die spätere Metallschicht des Metall-Keramik-Substrats und eine etwaige dort auftretende eutektische Schicht nicht in die Schmelzphase übertritt. In entsprechender Weise sind beim heißisostatischem Pressen geringere Temperaturen als bei einem Direktmetallanbindungsverfahren, insbesondere einem DGB-Verfahren, erforderlich.

Im Vergleich zu der Anbindung einer Metallschicht an eine Keramikschicht mittels eines Lotmaterials, bei dem üblicherweise Temperaturen unterhalb der Schmelztemperatur der mindestens einen Metallschicht verwendet werden, kann bei der vorliegenden Vorgehensweise in vorteilhafter Weise auf ein Lotbasismaterial verzichtet werden und es wird lediglich ein Aktivmetall benötigt. Die Verwendung bzw. die Nutzung des Drucks beim heißisostatischen Pressen erweist sich dabei zudem als vorteilhaft, weil dadurch Lufteinschlüsse bzw. Hohlräume zwischen der ersten Metalllage und/oder der zweiten Metalllage einerseits und dem Keramikelement andererseits reduziert werden können, wodurch die Ausbildung von Lunkern in ihrer Häufigkeit im gebildeten bzw. gefertigten Metall-Keramik- Substrat reduziert oder gar vermieden werden kann. Dies wirkt sich vorteilhaft auf die Qualität der Bindung zwischen der Metallschicht bzw. der ersten und/oder zweiten Metalllage des Metallbehälters und dem Keramikelement aus. Darüber hinaus ist es in vorteilhafter Weise möglich, das „second etching“ zu vereinfachen und Lotreste sowie eine Silbermigration zu vermeiden. Vorstellbar ist es auch, dass beim heißisostatischen Pressen ein zusätzliches Lotmaterial zwischen das Keramikelement und die mindestens eine Metallschicht eingebracht wird, wobei eine Schmelztemperatur des zusätzlichen Lotmaterials kleiner sein kann als die Temperatur, bei der das heißisostatische Pressen durchgeführt wird, d. h. kleiner als die Schmelztemperatur der mindestens einen Metallschicht.

Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass bei einem heißisostatischen Pressen der Metallbehälter in einer Heiz- und Druckvorrichtung einem Gasdruck zwischen 100 und 2000 bar, bevorzugt zwischen 150 und 1200 bar und besonders bevorzugt zwischen 300 und 1000 bar und einer Prozesstemperatur von 300 °C bis zu einer Schmelztemperatur der mindestens einen Metallschicht, insbesondere bis zu einer Temperatur unterhalt der Schmelztemperatur, ausgesetzt wird. Es hat sich in vorteilhafter Weise herausgestellt, dass es so möglich ist, eine Metallschicht, d.h. ein erste und/oder zweite Metalllage des Metallbehälters, an das Keramikelement anzubinden, ohne die erforderlichen Temperaturen eines Direktmetallanbindungsverfahrens, beispielsweise eines DCB- oder einem DAB-Verfahrens, und/oder ohne ein Lotbasismaterial, das beim Aktivlöten verwendet wird. Darüber hinaus gestattet das Nutzen bzw. die Verwendung eines entsprechenden Gasdrucks die Möglichkeit, möglichst lunkerfrei, d. h. ohne Gaseinschlüsse zwischen Metallschicht und Keramikelement ein Metall-Keramik-Substrat zu fertigen. Insbesondere finden Prozessparameter Verwendung, die in der DE 2013 113 734 A1 erwähnt werden und auf die hiermit explizit Bezug genommen wird.

Dadurch wird eine für den Anwendungszweck optimale Bindung zwischen Metallschicht und Keramikelement realisiert, die sich insbesondere vergleichsweise einfach strukturieren lässt, um die Metall-Keramik-Substrate als Leiterplatte nutzen zu können.

Besonders bevorzugt ist es vorgesehen die Metallschicht zur Bildung einer Metallisierung zu strukturieren, dazu ist es besonders bevorzugt vorgesehen, dass die Metallschicht geätzt wird oder mit Laserlicht bearbeitet wird und/oder mechanisch bearbeitet wird, um Metall aus den Metallschichten herauszulösen, insbesondere bis zum Keramikelement um einzelne Metallabschnitte in der Metallschicht zu erzeugen, die voneinander über das Keramikelement elektrisch isoliert sind. Dadurch ist es möglich Leiterbahnen und/oder Anschlussflächen zu realisieren, die dem Metall-Keramik-Substrat den Charakter als Leiterplatte verleihen. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist es vorstellbar, dass die abgelöste Scheibe zumindest teilweise eine keilförmige Form aufweist. Dadurch können beispielsweise auch solche Keramikelemente für Leiterplatten bereitgestellt werden, deren Vorder- und Rückseite nicht vollständig parallel zu einander verlaufen. Hieraus ergibt sich beispielsweise auch der Vorteil, über die Leiterplatte die Isolationsfestigkeit homogen bzw. kontinuierlich zu variieren.

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Metall-Keramik-Substrat, das mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt worden ist. Die Vorteile und Eigenschaften, die im Zusammenhang mit dem Verfahren beschrieben worden sind gelten analog für das hergestellte Metall-Keramik-Substrat und anders herum.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegende Erfindung ist es vorgesehen, dass im gefertigten Metall-Keramik Substrat eine Bindungsschicht zwischen der Metallschicht und dem Keramikelement, insbesondere der Siliziumnitridschicht, ausgebildet ist, wobei eine Haftvermittlerschicht der Bindungsschicht einen Flächenwiderstand aufweist, der größer ist als 5 Ohm/sq, bevorzugt größer als 10 Ohm/sq und besonders bevorzugt größer als 20 Ohm.

Der Flächenwiderstand steht dabei im direkten Zusammenhang mit einem Anteil des Aktivmetalls in der Haftvermittlerschicht, die maßgeblich für die Anbindung der mindestens einen Metallschicht an das Keramikelement ist. Dabei nimmt der Flächenwiderstand mit abnehmenden Aktivmetallanteil in der Bindungsschicht zu. Ein entsprechend hoher Flächenwiderstand entspricht somit einem geringen Aktivmetallanteil in der Haftvermittlerschicht.

Dabei hängt der Flächenwiderstand nicht von einem einzelnen Parameter ab, sondern kann durch ein Zusammenspiel mehrerer Parameter beeinflusst werden. So trägt beispielsweise auch eine Reinheit des Aktivmetalls, eine Dicke der Bindungsschicht und/oder eine Oberflächenrauigkeit des Keramikelements zur Festlegung des Flächenwiderstandes bei. Insbesondere lassen sich hohe Flächenwiderstände nur durch ein Zusammenspiel von mindestens zwei Parametern realisieren.

Es hat sich dabei herausgestellt, dass mit zunehmenden Anteil an Aktivmetall die Bildung von spröden, intermetallischen Phasen begünstigt wird, was wiederum nachteilig ist für eine Abzugsfestigkeit der Metallschicht an der Isolationsschicht. Mit anderen Worten: Mit den anspruchsgemäßen Flächenwiderständen werden solche Bindungsschichten beschrieben, deren Abzugsfestigkeit aufgrund der reduzierten Bildung von spröden intermetallischen Phasen, verbessert, d. h. vergrößert wird. Durch das gezielte Einstellen der anspruchsgemäßen Flächenwiderstände lassen sich somit besonders starke Anbindungen der mindestens einen Metallschicht an das Keramikelement realisieren. Eine solche erhöhte Anbindungsstärke wirkt sich in vorteilhafter Weise auf die Lebensdauer des Metall- Keramik-Substrats aus. Dabei ist es zur Bestimmung des Flächenwiderstands vorgesehen, dass am gefertigten Metall-Keramik-Substrat zunächst die Metallschicht und ggf. eine Lotbasisschicht, beispielsweise durch Ätzen, wieder entfernt werden. Mittels einer Vier-Punkt Messung wird dann an der Außenseite bzw. Unterseite des von der mindestens einen Metallschicht und der Lotbasisschicht befreiten Metall-Keramik-Substrats ein Flächenwiderstand gemessen. Insbesondere ist unter dem Flächenwiderstand einer Materialprobe als dessen Widerstand bezogen auf einen quadratischen Oberflächenbereich zu verstehen. Es ist hierbei üblich, den Oberflächenwiderstand mit der Einheit Ohm/sq(square) zu kennzeichnen. Die Physikalische Einheit des Flächenwiderstandes ist Ohm. Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass eine in Stapelrichtung bemessene Dicke der Bindungsschicht, gemittelt über mehrere Messpunkte innerhalb einer vorbestimmten Fläche oder in mehreren Flächen, die parallel zur Haupterstreckungsebene verläuft oder verlaufen, einen Wert annimmt, der kleiner als 0,20 mm, bevorzugt kleiner als 10 pm und besonders bevorzugt kleiner als 6 pm ist. Sofern vom mehreren Flächen gesprochen wird, ist insbesondere gemeint, dass die mindestens eine Metallschicht in möglichst gleich große Flächen unterteilt wird und in jeder dieser die mindestens eine Metallschicht unterteilenden Flächen mindestens ein Wert, bevorzugt mehrere Messwerte, für die Dicke erfasst werden. Die so an verschiedenen Stellen ermittelten Dicken werden arithmetisch gemittelt.

Gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Metall-Keramik-Substraten ist somit eine vergleichsweise dünne Bindungsschicht zwischen der mindestens einen Metallschicht und dem Keramikelement ausgebildet. Dabei ist es vorgesehen, dass zur Festlegung der maßgeblichen Dicke der Bindungsschicht die gemessenen Dicken über eine Vielzahl von Messpunkten gemittelt werden, die innerhalb einer vorbestimmten bzw. festgelegten Fläche bzw. den mehreren Flächen liegen. Dadurch wird in vorteilhafter weise mitberücksichtigt, dass das Keramikelement in der Regel einer Ondulation unterworfen ist, d. h. dem Keramikelement ist eine Welligkeit zuzusprechen. Insbesondere versteht der Fachmann unter einer Welligkeit eine Modulation des generellen flachen Verlaufs des Keramikelements, gesehen über mehrere Millimeter oder Zentimeter entlang einer Richtung, die parallel zur Haupterstreckungsebene verläuft. Damit grenzt sich eine derartige Ondulation von einer Oberflächenrauigkeit des Keramikelements ab, die in der Regel zusätzlich am Keramikelement vorliegt. Durch das Einbeziehen einer derartigen, in der Regel unvermeidbaren Ondulation des Keramikelements in die Bestimmung der Dicke wird berücksichtigt, dass die Bindungsschicht aufgrund der Ondulation gegebenenfalls variieren kann, insbesondere in Talbereichen des Keramikelements größer sein kann als in Bergbereichen des Keramikelements.

Vorzugsweise ist ein Anteil an Aktivmetall in der ein Aktivmetall umfassenden Haftvermittlerschicht größer ist als 15 Gew.- %, bevorzugt größer als 20 Gew.- % und besonders bevorzugt größer als 25 Gew.- %.

Vorzugsweise ist die Bindungsschicht flächig, insbesondere ohne Unterbrechung, d. h. durchgehend, zwischen der mindestens einen Metallschicht und dem Keramikelement ausgebildet. Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass ein Verhältnis eines Bereichs, in dem zwischen der mindestens einen Metallschicht und dem Keramikelement keine Bindungsschicht ausgebildet ist zu den Bereichen, in denen zwischen der mindestens einen Bindungsschicht und dem Keramikelement eine Bindungsschicht ausgebildet ist kleiner als 0,05 mm, bevorzugt kleiner als 0,02 mm und besonders bevorzugt kleiner als 0,007 mm. Dabei versteht der Fachmann insbesondere, dass zur Bildung dieses Verhältnisses die Bereiche nicht berücksichtigt werden, die aufgrund der Strukturierung frei sind von Metall der mindestens einen Metallschicht.

Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass die Wärmeleitfähigkeit des Keramikelements größer ist als80 W/mK, bevorzugt größer als 90 W/mK und besonders bevorzugt größer als 110 W/mK. Entsprechend hohe thermische Leitfähigkeiten erweisen sich weiterhin als besonders vorteilhaft für das Abführen der Wärme, insbesondere zusätzlich zu der oben genannten Rauigkeit für die Oberfläche. Dadurch wird verhindert, dass im Keramikelement nach dem schnellen Abführen der Wärme über die Schnittstelle zwischen Keramikelement und Metallschicht die Wärme nicht im Keramikelement gestaut wird. Dadurch lassen sich entsprechende Metall-Keramik-Substrate besonders vorteilhaft für Hochleistungselektronikbauteile nutzen, die eine sehr hohe Wärmeentwicklung im Betrieb haben.

Weitere Vorteile und Eigenschaften ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Gegenstands mit Bezug auf die beigefügten Figuren. Es zeigen: Fig. 1 : Metall-Keramik-Substrat gemäß einer ersten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2: schematische Darstellung eines Teils eines Verfahrens zur Herstellung eines Metall-Keramik-Substrats gemäß einer ersten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3: schematische Darstellung eines Teils eines Verfahrens zur Herstellung eines Metall-Keramik-Substrats gemäß einer zweiten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 4: schematische Darstellung eines weiteren Teils eines Verfahrens zur

Herstellung eines Metall-Keramik-Substrats gemäß einer zweiten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

In der Figur 1 ist ein Metall-Keramik-Substrat 1 gemäß einer ersten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Solche Metall-Keramik-Substrate 1 , dienen vorzugsweise als Träger bzw. Leiterplatte für elektronische bzw. elektrische Bauteile, die an die mindestens eine Metallschicht 10 des Metall-Keramik-Substrats 1 an dessen Bauteilseite anbindbar sind. Dabei ist es vorzugsweise vorgesehen, dass die mindestens eine Metallschicht 10 strukturiert ist, um entsprechende Leiterbahnen und/oder Anschlussflächen auszubilden, d. h. im gefertigten Metall-Keramik-Substrat 1 umfasst die mindestens eine Metallschicht 10 mehrere voneinander elektrisch isolierte Metallabschnitte. Die sich im Wesentlich entlang einer Haupterstreckungsebene HSE erstreckende mindestens eine Metallschicht 10 und ein sich entlang der Haupterstreckungsebene HSE ersteckendes Keramikelement 30 sind dabei entlang einer senkrecht zur Hauptersteckungsebene HSE verlaufenden Stapelrichtung S übereinander angeordnet und vorzugsweise über eine Bindungsschicht 12 miteinander gefügt bzw. verbunden. Vorzugsweise umfasst das Metall-Keramik-Substrat 1 neben der mindestens einen Metallschicht 10 mindestens eine weitere Metallschicht 20, die in Stapelrichtung S gesehen an der der mindestens einen Metallschicht 10 gegenüberliegenden Seite des Keramikelements 30 angeordnet und über eine weitere Bindungsschicht 12‘ an das Keramikelement 30 angebunden ist. Dabei dient die mindestens eine weitere Metallschicht 20 als Rückseitenmetallisierung, die einem Durchbiegen des Metall-Keramik-Substrats 1 , insbesondere des Metall-Kera- mik-Elements, entgegenwirkt, und/oder als Kühlkörper, der dazu ausgelegt ist, einen Wärmeeintrag, hervorgerufen durch elektrische oder elektronische Bauteile auf dem Metall- Keramik-Substrat 1 , abzuführen.

Insbesondere weist das Metall-Keramik-Substrat 1 eine zwischen der mindestens einen Metallschicht 10 und dem Keramikelement 30 angeordnete Bindungsschicht 12 auf. Es hat sich dabei als vorteilhaft herausgestellt, wenn eine in Stapelrichtung S bemessene Dicke der Bindungsschicht 12 vergleichsweise dünn ist. Außerdem erweist sich eine vergleichsweise dünne Dicke der Bindungsschicht 12 zwischen der mindestens einen Metallschicht 10 und dem Keramikelement 30 als vorteilhaft, wenn zwecks einer Strukturierung der mindestens einen Metallschicht 10 ein Ätzvorgang vorgesehen ist. Beispielsweise lassen sich dadurch schmalere Isolationsgräben, d. h. Abstände zwischen einzelnen Metallabschnitten der mindesten einen Metallschicht 10, realisieren.

Weiterhin erweist sich die Ausbildung einer dünneren Bindungsschicht 12 insofern als vorteilhaft, dass dadurch auch eine Anzahl an möglichen Fehlern in der Bindungsschichten 12, hervorgerufen durch Materialfehler in einem eventuell verwendeten Lotmaterial, weiter reduziert werden kann.

In dem in Figur 1 dargestellten Beispiel handelt es sich bei der Bindungsschicht 12 insbesondere um eine ein Aktivmetall umfassende Haftvermittlerschicht 13. In diesem Fall wird die Haftvermittlerschicht 13 nach dem Anbinden vorzugsweise aus einer Materialzusammensetzung gebildet, die eine Verbindung aus Komponenten des Keramikelements einerseits und einem Aktivmetall andererseits umfasst. Da es sich hierbei um sehr sprödbrechende Verbindungen handelt, ist eine möglichst dünne Ausgestaltung dieser Haftvermittlerschicht 13 von Vorteil für die Haftfestigkeit der mindestens einen Metallschicht 10 auf dem Keramikelement 30. Beispielsweise kann die Haftvermittlerschicht 13 die Bindungsschicht 12 bilden, wenn beispielsweise für den Bindungsprozess zwischen dem Keramikelement 30 und der Metallschicht 10 eine Aktivmetallschicht, insbesondere ein Aktivmetallfolie, angeordnet wird und der Bindungsprozess über ein heißisostatisches Pressen erfolgt. Die Haftvermittlerschicht 13 kann aber beispielsweise auch durch eine Aktivmetallschicht, insbesondere eine Aktivmetallfolie, gebildet werden, die zwischen Keramikelement 30 und einer Lötbasisschicht angeordnet wird, um über das System aus Aktivmetallschicht und Lötbasisschicht die Bindung zwischen Metallschicht 10 und Keramikelement 30 zu erzeugen. In diesem Fall bildet die Haftvermittlerschicht 13 einen Teil der Bindungsschicht 12.

In Figur 2 ist schematisch ein Teil des Verfahrens zur Herstellung eines als Leiterplatte vorgesehenen Metall-Keramik-Substrats 1 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Insbesondere betrifft die schematische Ausführung der Figur 2 das Herstellen und Bereitstellen eines Keramikelements 30, das wieder- rum in einem in Figur 2 nicht dargestellten Nachfolgeschritt zur Bildung eines Metall-Kera- mik-Substrats 1 herangezogen wird, indem eine Metallschicht 10 an das Keramikelement 30 angebunden und eine Strukturierung der Metallschicht 10 zur Ausbildung einer Bauteilmetallisierung vorgenommen wird.

Insbesondere betrifft das Verfahren das Herstellen eines Keramikelements 30 bzw. einer nitridierten Scheibe, die vorzugsweise mehr als 80 Gew.-% Siliziumnitrid, bevorzugt mehr als 85 Gew.-% Siliziumnitrid und besonders bevorzugt mehr als 91 Gew.-% Siliziumnitrid umfasst. Der Rest des Keramikelements ist vorzugsweise aus Sinterhilfsmitteln, beispielsweise MgO und Y2O3, gebildet. Hierzu ist es insbesondere vorgesehen, dass in einem Vorbereitungsschritt 101 aus einem Pulver 6 und/oder Granulat ein Ausgangsblock 2 hergestellt wird. Indem in dem Vorbereitungsschritt 101 bereitgestellten Siliziumpulver 6 kann dabei beispielsweise ein Sinterhilfsmittel, wie z. B. Magnesiumoxid (MgO) und/oder Yttriumoxid (Y2O3) oder ähnliches enthalten sein. Besonders bevorzugt ist es vorgesehen, wenn Katalysatoren, wie z. B. Nickel oder Eisen, in dem Pulver 6 bzw. Granulat enthalten sind. Dies wirkt sich mit Vorteil auf einen Sinterschritt 105b und ein Nitridieren 105a im Folgenden aus. Ferner ist es vorstellbar, dass zur Ausbildung des Ausgangsblocks 2 eine Pulvermischung aus Silizium und Siliziumnitrid herangezogen wird. Vorzugsweise handelt es sich um ein organisch gebundenes Pulver 6 oder Granulat, das beispielsweise mittels eines Sprühgranulierens oder Aufbaugranulierens erzeugt wurde.

In einem zweiten Verfahrensschritt wird beim Blockformen 102 bevorzugt aus dem Pulver 6 und/oder Granulat ein Blockelement 9 gebildet, insbesondere indem das Pulver 9 einem Pressvorgang unterworfen wird. Mittels des Pressvorgangs, insbesondere mittels eines kaltisostatischen Pressens oder einem uniaxialen Pressens, ist es somit möglich, aus dem Pulver 6 oder Granulat ein Blockelement 9 bereitzustellen. Vorzugsweise zeichnet sich das Blockelement 9 durch eine erste Höhe mit Werten zwischen 170 mm und 210 mm aus, besonders bevorzugt zwischen 180 mm und 205 mm und besonders bevorzugt zwischen 190 mm und 200 mm und/oder eine Breite von 110 mm bis 160 mm, bevorzugt von 120 mm bis 150 mm und besonders bevorzugt zwischen 130 mm und 140 mm. Des Weiteren weist der Block eine Tiefe auf, die einen Wert zwischen 5 mm und 500 mm, bevorzugt zwischen 15 mm und 300 mm und besonders bevorzugt zwischen 30 mm und 100 mm, annimmt. Insbesondere nimmt dabei das Blockelement ein Volumen von 0,1 bis 17 dm³, bevorzugt zwischen 0,4 und 9 dm³ und besonders bevorzugt zwischen 0,7 und 3 dm³ an.

In einem dritten Verfahrensschritt der Ausführungsvariante in Figur 2 ist es vorgesehen, dass ein Vorsinterschritt 103 durchgeführt wird, in dem eine erste Dichte eingestellt wird, die insbesondere kleiner sein soll als die finale zweite Dichte in dem Keramikelement bzw. der nitrierten und gesinterten Scheibe 30, das bzw. die im gefertigten Metall-Keramik-Sub- strat 1 zu finden ist. Dadurch wird mit Vorteil ein leicht zu handhabender Ausgangsblock 4 bereitgestellt.

Im vierten Verfahrensschritt der Ausführungsvariante in Figur 2 ist es vorgesehen, dass mittels einer Säge eine Scheibe 4 aus dem Ausgangsblock 2 herausgetrennt wird. Ein solches Auslösen oder Ablösen 104 einer Scheibe 4 aus dem Ausgangsblock 2 erweist sich insbesondere deswegen als vorteilhaft, weil dadurch möglichst einfach eine Dicke des späteren Keramikelements individualisiert einstellbar ist. Ferner hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die Dichte im Ausgangsblock 2 auf eine erste Dichte einzustellen, die niedriger ist als eine zweite Dichte im gefertigten Keramikelement 30, das als Keramikelement 30 im Metall-Keramik-Substrat 1 verwendet wird, da einhergehend mit der geringeren Dichte die Porosität oder eine Porosität des Ausgangsblocks erhöht ist. Dadurch wird der Schneidevorgang zum Abschneiden oder Ablösen 104 einer Scheibe 4 aus dem Ausgangsblock 2 vereinfacht. Dies erweist sich als vorteilhaft, weil der Herstellungsprozess vereinfacht wird und weniger intensiv auf das Werkzeug, d. h. das Mittel zum Ablösen 104 der Scheibe 4, einwirkt. Beispielsweise wird als Mittel zum Ablösen einer Scheibe 4 aus dem Ausgangsblock 2 ein Sägemittel 7, insbesondere eine Multidrahtsäge, verwendet.

Hierbei hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen zum Abtrennen einer Scheibe aus dem Ausgangsblock einen Diamantdraht, einen Stahldraht mit Siliziumcarbid- oder Dia- mantslurry mit PEG (Polyethlyenglycol) zu verwenden. Vorzugsweise hat es sich als positiv erwiesen, eine erste Dichte einzustellen, die zwischen 50 und 95 % der theoretisch maximalen Dichte, insbesondere zwischen 55 und 95 % und besonders bevorzugt zwischen 60 und 92 % der theoretisch maximalen Dichte liegt. Vorzugsweise wird hierzu ein Schutzgassintern verwendet. Im fünften Verfahrensschritt der Ausführungsvariante aus Figur 2 ist es vorgesehen, dass die Scheibe 4 durch das Nitridieren 105a in eine Siliziumnitrid-Scheibe, d. h. eine nitri- dierte Scheibe 30 umgewandelt wird. Vorzugsweise erfolgt ein Nitridieren 105a bei einer Temperatur unterhalb 1700 °C besonders bevorzugt unter 1650 °C und besonders bevorzugt unter 1500 °C. Insbesondere liegt die Temperatur zwischen 1300°C und 1410°C. Hierbei wird ein Erwärmen in einer Stickstoffatmosphäre durchgeführt. Ergänzend zu dem Nitridieren 105a ist ferner ein Sinterschritt 105b vorgesehen, um eine zweite Dichte in der Scheibe 4 einzustellen, die größer ist als die erste Dichte, insbesondere bevorzugt größer ist als 95 % der maximal theoretischen Dichte. Vorzugsweise erfolgt das Nitridieren 105b vor dem Sinterschritt 105b. Dadurch kann die vorgegebene Porosität dazu genutzt werden, dass Stickstoff möglichst tief in die abgelöste Scheibe 4 eindringen kann, um möglichst tiefgehend und schnell ein Nitridieren 105a vornehmen zu können.

Der in Figur 2 dargestellte sechste Verfahrensschritt betrifft ein Bereitstellen der nitrierten Scheibe als Keramikelement 30, insbesondere des Siliziumnitrid-Keramikelements 30, bei dem eine Oberflächenpolierung oder eine Oberflächenbearbeitung stattfindet, um sich vorzugsweise für den anschließenden Anbindungsprozess, bei dem die Metallschicht 10 an das Keramikelement 30 angebunden wird, vorzubereiten.

Das in Figur 3 dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich im Wesentlichen nur dahingehend, dass zum Bereitstellen des Ausgangsblocks 4 lediglich ein Pressen erfolgt, mit dem aus dem Granulat ein Blockelement 9 gebildet wird. Damit liegt der Ausgangsblock 2 vor dem Ablösen der Scheibe 4 als Grünling vor, der keinem Vorsinterschritt 103 unterworfen wurde, um eine erste Dichte einzustellen. Die erste Dichte wird somit durch den Grünling vorgegeben. Es hat sich hierbei bereits gezeigt, dass durch ein entsprechendes Vorgehen, es möglich ist, einzelne Scheiben 4 bereitzustellen und sie anschließend zu nitridieren und zu sintern, um die gewünschte Beschaffenheit des Siliziumnitrid- Keramikelements 30 bereitstellen zu können. Der Vorteil dieser Ausführungsvariante ist, dass auf einen Vorsinterschritt 103 verzichtet werden kann.

In Figur 4 ist ein weiterer Teil des Verfahrens zur Herstellung eines als Leiterplatte dienende Metall-Keramik-Substrat dargestellt. Es betrifft das Anbinden 107 der Metallschicht 10 und das Strukturieren 108 der angebundenen Metallschicht 10. Es handelt sich hierbei um die Herstellung des Metall-Keramik-Substrats 1 , indem eine Metallschicht 10 an ein Keramikelement 30, insbesondere an das Keramikelement 30 angebunden wird, das beispielsweise gemäß einem Verfahren aus Figur 2 oder 3 hergestellt worden ist. Beispielsweise kann eine entsprechende Anbindung über ein Aktivlotverfahren oder ein ADB- Verfahren erfolgen. Dabei ist es insbesondere vorgesehen, dass neben einer Bauteilmetallisierung eine Rückseitenmetallisierung 20 realisiert wird, um eventuellen Durchbiegungen, insbesondere im Betrieb, entgegenzuwirken. Im Anschluss an den Anbindungsprozess ist es vorzugsweise vorgesehen, dass beispielsweise durch chemisches und/oder mechanisches und/oder optisches Ablösen von Metallmaterial aus der Metallschicht 10 eine Metallisierung realisiert wird, beispielsweise in Form einer Bauteilmetallisierung, die Leiterbahnen und Anschlussflächen umfasst, um das Metall-Keramik-Substrat 1 als Leiterplatte nutzen zu können.

Bezugszeichen:

1 Metall-Keramik-Substrat

2 Ausgangsblock

4 Scheibe

6 Pulver, Granulat

7 Sägemittel

9 Blockelement

10 Metallschicht

12 Bindungsschicht

13 Haftvermittlerschicht

30 nitridierte Scheibe, Keramikelement

101 Vorbereitungsschritt

102 Blockformen

103 Vorsinterschritt

104 Ablösen

105a Nitridieren

105b Sinterschritt

106 Bereitstellen nitrierte Scheibe

107 Anbinden

108 Strukturieren

Claims

Ansprüche

1 . Verfahren zur Herstellung eines als Leiterplatte vorgesehenen Metall-Keramik-Sub- strats (1), umfassend:

- Bereitstellen eines Silizium umfassenden Ausgangsblocks (2),

- Ablösen (104) einer Scheibe (4) aus dem Ausgangblock (2), insbesondere aus dem vollständig nitridierten, dem teil nitridierten oder dem nicht-nitridierten Ausgangsblock (2),

- Nitridieren (105a) der Scheibe (4), wenn die Scheibe (4) eine erste Dichte aufweist, und/oder des Ausgangsblocks (2), wenn der Ausgangsblock (2) eine erste Dichte aufweist, und

- mindestens ein Sinterschritt (105b) zum Einstellen einer zweiten Dichte in der nitridierten Scheibe (4) und/oder dem nitridierten Ausgangblock (2), wobei die zweite Dichte größer als die erste Dichte ist, und

- Anbinden (107) einer Metallschicht (10) an die nitridierte und gesinterte Scheibe (30) zur Ausbildung eines Metall-Keramik-Substrats (1).

2. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der mindestens eine Sinterschritt (105b) nach dem Ablösen (104) durchgeführt wird.

3. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei vor dem Ablösen (104) ein Vorsinterschritt (103) durchgeführt wird, um die erste Dichte einzustellen.

4. Verfahren gemäß Anspruch 3, wobei die Temperatur im Vorsinterschritt (103) größer ist als 1700 °C, bevorzugt größer ist als 1800 °C und besonders bevorzugt zwischen 1900 °C und 2100 °C liegt.

5. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 3 oder 4, wobei der Sinterschritt (105b) nach dem Ablösen kürzer ist als der Vorsinterschritt (103).

6. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei beim Ablösen (104) eine Oberflächenstruktur, insbesondere eine periodisch wiederholende Oberflächenstruktur, realisiert wird.

7. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Nitridieren (105a) vor dem Ablösen (104) durchgeführt wird

8 Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zum Bereitstellen eines Silizium umfassenden Ausgangsblocks (2) ein Pulver und/oder ein Granulat zum Blockformen (102) gepresst wird.

9. Verfahren gemäß Anspruch 8, wobei das Pulver (6) und/oder Granulat mindestens ein Sinterhilfsmittel umfasst.

10. Verfahren gemäß Anspruch 8 oder 9, wobei das Pulver (6) und/oder Granulat ein Katalysator umfasst.

11 . Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Pulver neben Silizium zumindest anteilig Siliziumnitrid umfasst, wobei ein Verhältnis von Siliziumnitridpulver zu Silizium beispielsweise zwischen 0,01 und 0,5, bevorzugt zwischen 0,01 und 0,3 und besonders bevorzugt zwischen 0,01 und 0,15 im oder ein Verhältnis von Silizium zu Siliziumnitridpulver zwischen 0,01 und 0,5, bevorzugt zwischen 0,01 und 0,3 und besonders bevorzugt zwischen 0,01 und 0,15 vorliegt.

12. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zum Ablösen der Scheibe (4) ein Sägemittel (7), insbesondere ein Drahtsäge, verwendet wird.

13. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Metallschicht (10) an die nitridierte Scheibe (30) mittels eines Aktivlotverfahrens und/oder eines heißisostatisches Pressen angebunden wird.

14. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die abgelöste Scheibe (30) zumindest teilweise eine keilförmige Form aufweist.

15. Metall-Keramik-Substrat (1) hergestellt mit einem Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.