DE102013105528A1 - Metall-Keramik-Substrat sowie Verfahren zum Herstellen eines Metall-Keramik-Substrates - Google Patents

Metall-Keramik-Substrat sowie Verfahren zum Herstellen eines Metall-Keramik-Substrates Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Metall-Keramik-Substrat (2) umfassend zumindest eine Keramikschicht (6), die an zumindest einer Oberflächenseite (6.1) mit wenigstens einer Metallisierung (7) versehen ist, die zur Ausbildung von Leiterbahnen und/oder Kontakt- oder Anschlussflächen derart strukturiert ist, dass zumindest ein Metallisierungsabschnitt (7a, 7b) zum Anschluss eines Kontaktelementes (4, 5) entsteht, dass der zumindest eine Metallisierungsabschnitt (7a, 7b) zumindest einen ersten Oberflächenabschnitt (7.1a, 7.1b) zum flächigen Anschluss eines Kontaktelementes (4, 5) aufweist. Besonders vorteilhaft sind die freien Ränder (6’’) der Keramikschicht (6) des Metall-Keramik-Substrates (2) durch Brechen der Keramikschicht (6) eines Basissubstrates (BS) entlang mehrerer in zumindest einer Oberflächenseite (6.1, 6.2) der Keramikschicht (6) in dem von der Metallisierung (7, 8) befreiten Bereich (6’) der Keramikschicht (6) eingebrachte Sollbruchlinien (6a–6f) hergestellt, wobei zumindest ein Kontaktelement (4, 5) mit dem zumindest einen Metallisierungsabschnitt (7a, 7b) im ersten Oberflächenabschnitt (7.1a, 7.1b) mittels Reibschweißen, insbesondere mittels Ultraschallreibschweißen direkt flächig verbunden ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Metall-Keramik-Substrat gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Metall-Keramik-Substrates gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 17.
  • Metall-Keramik-Substrate in Form von Leiterplatten bestehend aus einer Keramikschicht und wenigstens einer mit einer Oberflächenseite der Keramikschicht verbundenen und zur Ausbildung von Leiterbahnen, Kontakten, Kontakt- oder Anschlussflächen strukturierten Metallisierung sind in verschiedensten Ausführungen bekannt. Derartige Metall-Keramik-Substrate finden beispielsweise Verwendung zum Aufbau von Leistungshalbleiter-Modulen.
  • Zum Verbinden von die Metallisierung bildenden Metallfolien oder Metallschichten miteinander oder mit einem Keramiksubstrat bzw. einer Keramikschicht ist das so genannte „DCB-Verfahren“ („Direct-Copper-Bonding“) bekannt. Dabei werden Metallschichten, vorzugsweise Kupferschichten oder -folien miteinander und/oder mit einer Keramikschicht verbunden, und zwar unter Verwendung von Metall- bzw. Kupferblechen oder Metall- bzw. Kupferfolien, die an ihren Oberflächenseiten eine Schicht oder einen Überzug („Aufschmelzschicht“) aus einer chemischen Verbindung aus dem Metall und einem reaktiven Gas, bevorzugt Sauerstoff aufweisen. Bei diesem beispielsweise in der US-PS 37 44 120 oder in der DE-PS 23 19 854 beschriebenen Verfahren bildet diese Schicht oder dieser Überzug („Aufschmelzschicht“) ein Eutektikum mit einer Schmelztemperatur unter der Schmelztemperatur des Metalls (z.B. Kupfers), so dass durch Auflegen der Metall- bzw. Kupferfolie auf die Keramikschicht und durch Erhitzen sämtlicher Schichten diese miteinander verbunden werden können, und zwar durch Aufschmelzen der Metallschicht bzw. Kupferschicht im Wesentlichen nur im Bereich der Aufschmelzschicht bzw. Oxidschicht. Ein derartiges DCB-Verfahren weist dann beispielsweise folgende Verfahrensschritte auf:
    • – Oxidieren einer Kupferfolie derart, dass sich eine gleichmäßige Kupferoxidschicht ergibt;
    • – Auflegen der Kupferfolie mit der gleichmäßigen Kupferoxidschicht auf die Keramikschicht;
    • – Erhitzen des Verbundes auf eine Prozesstemperatur zwischen etwa 1025°C bis 1083°C, beispielsweise auf ca. 1071°C;
    • – Abkühlen auf Raumtemperatur.
  • Ferner ist aus den Druckschriften DE 22 13 115 und EP-A-153 618 das sogenannte Aktivlot-Verfahren zum Verbinden von Metallisierungen bildenden Metallschichten oder Metallfolien, insbesondere auch von Kupferschichten oder Kupferfolien mit einem Keramikmaterial bzw. einer Keramikschicht bekannt. Bei diesem Verfahren, welches speziell auch zum Herstellen von Metall-Keramik-Substraten verwendet wird, wird bei einer Temperatur zwischen ca. 800°C–1000°C eine Verbindung zwischen einer Metallfolie, beispielsweise Kupferfolie, und einem Keramiksubstrat, beispielsweise einer Aluminiumnitrid-Keramik, unter Verwendung eines Hartlots hergestellt, welches zusätzlich zu einer Hauptkomponente, wie Kupfer, Silber und/oder Gold auch ein Aktivmetall enthält. Dieses Aktivmetall, welches beispielsweise wenigstens ein Element der Gruppe Hf, Ti, Zr, Nb, Ce ist, stellt durch eine chemische Reaktion eine Verbindung zwischen dem Hartlot und der Keramik her, während die Verbindung zwischen dem Hartlot und dem Metall eine metallische Hartlöt-Verbindung ist.
  • Es ist bekannt, dass derartige Metall-Keramik-Substrate in vielen Anwendungen hohen Temperaturwechselbelastungen unterliegen, bei denen beispielsweise Temperaturänderungen zwischen –40°C und +125°C auftreten können. Bedingt durch den unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der Keramikschicht und der Metallisierung bzw. Metallschicht ergeben sich insbesondere am Übergang zwischen diesen Schichten bei Temperaturschwankungen erhebliche mechanische Druck- oder Zugspannungen, deren Gradient im Keramikmaterial insbesondere am Rand der Metallschicht besonders groß ist und zu Rissen im Bereich der Oberfläche der Keramikschicht führt.
  • Zur Vermeidung derartiger Rissbildung und Erhöhung der Temperaturwechselbeständigkeit des Metall-Keramik-Substrates sind bereits unterschiedliche Maßnahmen bekannt. Beispielsweise ist aus der DE 40 04 844 C1 bereits ein Verfahren zur Herstellung einer strukturierten Kupfermetallisierung eines Metall-Keramik-Substrates bekannt, bei dem durch entsprechende Ätztechniken eine strukturierte Metallisierung geschaffen wird, die an ihren Rändern zur Reduzierung des Gradienten der Zug- und Druckspannungen stellenweise geschwächt ist. Die hierbei vermittelte Lehre umfasst in ihrer allgemein gehaltenen Form auch bereits vorher bekannte Ausgestaltungen von Leiterbahnen, Kontaktflächen oder dergl. strukturierten Metallisierungen sowie auch Kantenabschwächungen, wie sie beim Ätzen von Strukturen von Metallisierungen zwangsläufig erhalten werden und sich nicht vermeiden lassen.
  • Auch sind bereits Verbindungstechnologien bekannt, beispielsweise Reibschweißen bzw. Ultraschallreibschweißen oder die Verwendung von Kontakt- oder Strahlungsheizungen zur direkten flächigen Verbindung zweier Metalloberflächen, beispielsweise eines Anschlussbereiches eines Metall-Keramik-Substrates und eines Kontaktelements bekannt. Die direkte flächige Verbindung zwischen den Fügepartnern wird ohne eine Verbindungsschicht hergestellt. Insbesondere mittels Ultraschallschweißen können Metalloberflächen aus Kupfer, Aluminium und deren Legierungen, beispielsweise eine Metallisierungsoberfläche und die Oberfläche eines Kontaktelementes direkt flächig verbunden werden. Die zur direkten flächigen Verbindung erforderliche Wärme wird durch Einleitung einer hochfrequenten mechanischen Schwingung erreicht, welche unter Druck auf zumindest einen Fügepartner übertragen wird. Beim Ultraschallschweißen von Folien oder dünnen Blechen entsteht die Verbindung nach Aufbrechen der Oxidschicht im Wesentlichen durch ein Ineinanderverzahnen der aneinander anliegenden Oberflächenabschnitte der Fügepartner. Nachteilig kann es beim Ultraschallreibschweißen eines Kontaktelementes auf einem Metallisierungsabschnitt eines Metall-Keramik-Substrates aufgrund des zum Ultraschallreibschweißen erforderlichen hohen Flächendruckes zu einer Rissbildung in der Keramikschicht kommen.
  • Ferner ist es bekannt, bei der Herstellung eines Metall-Keramik-Substrates in die von der Metallisierung befreiten Oberflächenbereiche der Keramikschicht Sollbruchlinien einzubringen. Durch Brechen entlang der Sollbruchlinien werden vorzugsweise manuell die ungenützten Abschnitte der Keramikschicht des Metall-Keramik-Substrates entfernt, insbesondere bei Herstellung von mehreren einzelnen Metall-Keramik-Substraten aus einem Basissubstrat im Mehrfachnutzen die auf einem Basissubstrat angeordneten Metall-Keramik-Substrate durch entsprechendes Brechen des Basissubstrates entlang der in die Keramikschicht eingebrachten Sollbruchlinien vereinzelt.
  • Ausgehend von dem voranstehend genannten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Metall-Keramik-Substrat und zugehöriges Verfahren zur Herstellung eines Metall-Keramik-Substrates aufzuzeigen, welches eine verbesserte Temperaturwechselbeständigkeit aufweist, so dass die Gefahr eines unkontrollierten Rissbildung im Randbereich der Keramikschicht reduziert werden kann. Die Aufgabe wird durch ein Metall-Keramik-Substrat und ein Verfahren zur Herstellung Metall-Keramik-Substrat gemäß der Patentansprüche 1 und 17 gelöst.
  • Der wesentliche Aspekt des erfindungsgemäßen Metall-Keramik-Substrates ist darin zu sehen, dass die freien Ränder der Keramikschicht des Metall-Keramik-Substrates durch Brechen der Keramikschicht eines Basissubstrates entlang mehrerer in zumindest einer Oberflächenseite der Keramikschicht in dem von der Metallisierung befreiten Bereich der Keramikschicht eingebrachte Sollbruchlinien hergestellt sind und dass zumindest ein Kontaktelement mit dem zumindest einen Metallisierungsabschnitt im ersten Oberflächenabschnitt mittels Reibschweißen, insbesondere mittels Ultraschallreibschweißen direkt flächig verbunden ist. Durch die erfindungsgemäße Vorbehandlung der freien Ränder der Keramikschicht und das Vorsehen der ersten Ausnehmungen im ersten Oberflächenabschnitt kann der zur Herstellung einer direkten flächigen Verbindung des Kontaktelementes mit dem ersten Oberflächenabschnitt des Metallisierungsabschnittes erforderliche Flächendruck zwischen den Fügepartnern reduziert werden, so dass die Gefahr eine Beschädigung der Keramikschicht aufgrund der Direktverbindungstechnologie deutlich reduziert ist. Durch Brechen der Keramikschicht entlang einer kontinuierlichen schlitzartigen Sollbruchlinie wird das Entstehen von Mikrorissen in den freien Rändern der Keramikschicht nahezu vermieden. Durch das Einbringen der ersten Ausnehmungen im ersten Oberflächenabschnitt wird die direkte Kontaktfläche zwischen den Fügepartnern deutlich reduziert, d.h. zur Herstellung der direkten flächigen Verbindung zwischen den Fügepartnern ist ein geringerer Flächendruck ausreichend. Auch wird durch das Einbringen der ersten Ausnehmungen in den ersten Oberflächenabschnitt die Temperaturwechselbeständigkeit des Metall-Keramik-Substrates im Bereich der Anschlussstellen für die Kontaktelemente deutlich verbessert, so dass auch hierdurch die Gefahr von Rissbildungen in der Keramikschicht sinkt. Vorzugsweise erfolgt eine annähernd gleichmäßige Verteilung der ersten Ausnehmungen über den ersten Oberflächenabschnitt des Metallisierungsabschnittes.
  • Besonders vorteilhaft weist der Metallisierungsabschnitt einen an den ersten Oberflächenabschnitt anschließenden zweiten Oberflächenabschnitt auf, der den ersten Oberflächenabschnitt teilweise umgibt und der mehrere entlang des freien Randes des Metallisierungsabschnittes verteilt vorgesehene zweite Ausnehmungen aufweist. Durch das Vorsehen zweiter Ausnehmungen im Randbereich des Metallisierungsabschnittes kann die Temperaturwechselbeständigkeit zusätzlich erhöht werden, so dass insbesondere im Übergangsbereich zwischen dem freigeätzten Bereich der Keramikschicht und dem Rand des Metallisierungsabschnittes eine Reduzierung des Gradienten der Zug- und Druckspannungen in der Keramikschicht entsteht, wodurch wiederum die Gefahr einer Rissbildung weiter reduziert wird.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsvariante sind die ersten Ausnehmungen kreisförmig ausgebildet und weisen einen Durchmesser zwischen 30 Mikrometer und 350 Mikrometer auf, wobei die Tiefe der ersten Ausnehmungen zwischen 10% und 70% der Schichtdicke des Metallisierungsabschnittes beträgt. Die zweiten Ausnehmungen sind ebenfalls kreisförmig ausgebildet, weisen jedoch im Gegensatz dazu einen Durchmesser zwischen 400 Mikrometer und 700 Mikrometer, vorzugsweise zwischen 550 Mikrometer und 650 Mikrometer auf. Ferner weisen die zweiten Ausnehmungen zwischen 60% und 100% der Schichtdicke der Metallisierung auf. Vorzugsweise ist damit der Durchmesser der zweiten Ausnehmungen mindestens doppelt so groß als der Durchmesser der ersten Ausnehmungen. Durch die beschriebene Dimensionierung der ersten Ausnehmungen wird die Wärmeleitfähigkeit des Metallisierungsabschnittes nicht wesentlich beeinträchtigt, da nur ein geringer Materialabtrag vorliegt.
  • Alternativ können die ersten Ausnehmungen auch durch ovale, schlitzförmige, karo- oder rautenförmige und/oder spiralförmige Vertiefungen gebildet sein. Prinzipiell sind eine Vielzahl von unterschiedlichen Geometrien derartiger erster Ausnehmungen möglich, die durch mittels bekannter Ätzverfahren oder mechanischer Bearbeitungsverfahren, beispielsweise Fräsen, Bohren etc. herstellbar sind. Die zweiten Ausnehmungen sind durch ovale, schlitzförmige, karo- oder rautenförmige Vertiefungen und/oder durch einen mäanderförmigen, briefmarkenrandförmigen oder sägezahnförmigen Randverlauf des zumindest eines Metallisierungsabschnittes gebildet.
  • Besonders vorteilhaft sind die Sollbruchlinien mittels einer Lasereinrichtung in die erste Oberflächenseite der Keramikschicht und/oder in der gegenüberliegenden zweiten Oberflächenseite der Keramikschicht eingebracht und in Form einer kontinuierlichen Vertiefung ausgebildet, wobei die kontinuierlichen Vertiefungen vorzugsweise schlitzartig ausgebildet sind. Die Sollbruchlinien weisen beispielsweise eine Tiefe zwischen 30 µm und 200 µm auf. Durch die beschriebene Dimensionierung und Form der Sollbruchlinien ist die Erzeugung von freien Rändern mit deutlich reduzierten Mikrorissen möglich. Hierbei ist ein Einbringen der Sollbruchlinien auf der mittels Reibschweißen behandelten Oberflächenseite und/oder auf der gegenüberliegenden Oberflächenseite vorteilhaft.
  • Das Kontaktelement und der zumindest eine Metallisierungsabschnitt sind beispielsweise aus Kupfer, Aluminium, einer Kupfer- oder Aluminiumlegierung hergestellt, wobei das zumindest eine Kontaktelement vorzugsweise einen höheren Härtegrad als der zumindest eine Metallisierungsabschnitt aufweist.
  • Schließlich ist Gegenstand der Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Metall-Keramik-Substrates umfassend eines Metall-Keramik-Substrates umfassend zumindest eine Keramikschicht, bei dem die an zumindest einer Oberflächenseite mit wenigstens einer Metallisierung versehen wird, bei dem die wenigstens eine Metallisierung zur Ausbildung von Leiterbahnen und/oder Kontakt- oder Anschlussflächen derart strukturiert wird, dass zumindest ein Metallisierungsabschnitt zum Anschluss eines Kontaktelementes entsteht, wobei der zumindest eine Metallisierungsabschnitt zumindest einen ersten Oberflächenabschnitt zum flächigen Anschluss eines Kontaktelementes aufweist. Besonders vorteilhaft werden die freien Ränder der Keramikschicht des Metall-Keramik-Substrates durch Brechen der Keramikschicht eines Basissubstrats entlang mehrerer in zumindest einer Oberflächenseite der Keramikschicht in dem von der Metallisierung befreiten Bereich der Keramikschicht eingebrachte Sollbruchlinien hergestellt und zumindest ein Kontaktelement wird mit dem zumindest einen Metallisierungsabschnitt im ersten Oberflächenabschnitt direkt flächig mittels Reibschweißen, insbesondere mittels Ultraschallreibschweißen verbunden.
  • In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden in den ersten Oberflächenabschnitt des zumindest einen Metallisierungsabschnittes mehrere über den ersten Oberflächenabschnitt verteilte erste Ausnehmungen eingebracht. Zusätzlich können auch in einen zweiten Oberflächenabschnitt des zumindest einen Metallisierungsabschnitt mehrere entlang des freien Randes des Metallisierungsabschnittes verteilt vorgesehene zweite Ausnehmungen eingebracht werden, wobei der zweite Oberflächenabschnitt an den ersten Oberflächenabschnitt anschließt und diesen zumindest teilweise umgibt.
  • Schließlich werden die Sollbruchlinien in die erste Oberflächenseite der Keramikschicht und/oder die gegenüberliegende zweite Oberflächenseite der Keramikschicht mittels einer Lasereinrichtung eingebracht, und zwar vorzugsweise in Form einer kontinuierlichen Sollbruchlinien, wobei die kontinuierlichen Sollbruchlinien in Form von schlitzartigen Vertiefungen ausgebildet sind. Weiterhin vorteilhaft erfolgt das Einbringen der kontinuierlichen schlitzartigen Vertiefungen mittels einer Lasereinrichtung, insbesondere mittels eines Diodenlaser, Faserlaser oder Festkörperlaser mit unterschiedlichen Pulsdauern, beispielsweise Ultrakurzpuls- oder Kurzpulssekundenlaser.
  • Weiterhin vorteilhaft werden die Sollbruchlinien derart in die Keramikschicht des Basissubstrates eingebracht, dass ungenützte Randbereiche mit zumindest einem Metallisierungsabschnitt entstehen, die einen sich über mehrere einzelne, auf dem Basissubstrat befindliche Metall-Keramik-Substrate randseitig erstrecken und einen Stützrand bilden. Besonders vorteilhaft wird hierdurch die Handhabung des Basissubstrates bei der Fertigung der Metall-Keramik-Substrate im Mehrfach-Nutzen wesentlich verbessert, insbesondere ein ungewolltes Brechen des Basis- oder Mehrfachsubstrates in die einzelnen Metall-Keramik-Substrate wirksam verhindert.
  • Die Ausdrucke „näherungsweise“, „im Wesentlichen“ oder „etwa“ bedeuten im Sinne der Erfindung Abweichungen vom jeweils exakten Wert um +/–10%, bevorzugt um +/–5% und/oder Abweichungen in Form von für die Funktion unbedeutenden Änderungen.
  • Weiterbildungen, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und aus den Figuren. Dabei sind alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination grundsätzlich Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung. Auch wird der Inhalt der Ansprüche zu einem Bestandteil der Beschreibung gemacht.
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine vereinfachte Schnittdarstellung durch eine Ausführungsvariante einer erfindungsgemäßen Modulanordnung,
  • 2 eine vereinfachte Draufsicht auf das unbestückte Metall-Keramik-Substrat gemäß 1,
  • 3 eine vereinfachte Draufsicht auf das bestückte Metall-Keramik-Substrat gemäß 1,
  • 4 eine vereinfachte Seitenansicht auf ein Basissubstrat zur Herstellung eines Metall-Keramik-Substrates im Mehrfachnutzen,
  • 5 eine vereinfachte Draufsicht auf das Basissubstrat gemäß 4 zur Herstellung eines Metall-Keramik-Substrates im Mehrfachnutzen,
  • 5a–c eine vereinfachte perspektivische Ausschnittsdarstellung einer kontinuierlichen Sollbruchstelle sowie unterschiedlicher Querschnittsformen einer kontinuierlichen Sollbruchstelle,
  • 6–9 vereinfachte Draufsichten auf diverse Ausführungsvarianten der in die Metallisierungsabschnitte eingebrachten Ausnehmungen,
  • 10 eine vereinfachte Schnittdarstellung durch den Verbindungsbereich des ersten Metallisierungsabschnittes mit dem ersten Kontaktelement in einer ersten Ausführungsvariante und
  • 11 eine vereinfachte Schnittdarstellung durch den Verbindungsbereich des ersten Metallisierungsabschnittes mit dem ersten Kontaktelement in einer zweiten Ausführungsvariante.
  • 1 zeigt in vereinfachter schematischer Darstellung einen Schnitt durch eine Ausführungsvariante einer Modulanordnung 1 umfassend zumindest ein erfindungsgemäßes Metall-Keramik-Substrat 2, zumindest ein Halbleiterbauteil 3, insbesondere in Form eines Halbleiterchips und ein erstes und zweites Kontaktelement 4, 5.
  • Das Metall-Keramik-Substrat 2 weist zumindest eine Keramikschicht 6 mit zwei gegenüberliegenden Oberflächenseiten, und zwar einer ersten und zweiten Oberflächenseite 6.1, 6.2 auf. Die erste Oberflächenseite 6.1 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel mit wenigstens einer Metallisierung 7 versehen, die vorzugsweise durch eine Folie oder Schicht aus Kupfer oder einer Kupferlegierung oder Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gebildet bzw. hergestellt ist und welche vorzugsweise direkt und flächig auf der Keramikschicht 6 aufgebracht ist.
  • In einer Ausführungsvariante des Metall-Keramik-Substrates 2 ist die der ersten Oberflächenseite 6.1 gegenüberliegende zweite Oberflächenseite 6.2 mit einer weiteren Metallisierung 8 versehen, die vorzugsweise durch eine Folie oder Schicht aus Kupfer oder einer Kupferlegierung oder Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gebildet bzw. hergestellt ist. Vorzugsweise weisen die Metallisierungen 7, 8 eine Schichtdicke D von wenigstens 75 µm, vorzugsweise zwischen 75 µm und 900 µm auf. Es versteht sich, dass auch andere geeignete Metalle zur Herstellung der Metallisierungen 7, 8 Verwendung finden können.
  • Die Kontaktelemente 4, 5 sind vorzugsweise aus einem Material mit hoher Leitfähigkeit hergestellt, beispielsweise Kupfer, Aluminium, einer Kupfer- oder Aluminiumlegierung. In einer bevorzugten Ausführungsvariante ist das Material der Kontaktelemente 4, 5 an das Material der Metallisierung 7, 8 angepasst. Insbesondere sind die Kontaktelemente 4, 5 aus einem Material mit einem höheren Härtegrad als das auf die Keramikschicht 6 als Metallisierung 7 aufgebrachte Material hergestellt. Werden beispielweise sowohl das Kontaktelement 4, 5 als auch die Metallisierung 7 aus Kupfer hergestellt, so weisen die Kontaktelemente 4, 5 einen höheren Härtegrad als die Metallisierung 7 auf. Die Kontaktelemente 4, 5 besitzen vorzugsweise einen flachen, rechteckförmigen Querschnitt und bilden einen flächigen Anschlussbereich zur Verbindung mit der Metallisierung 7 aus.
  • Die Keramikschicht 6 ist beispielsweise aus einer Oxid-, Nitrid- oder Karbidkeramik wie Aluminiumoxid (Al2O3) oder Aluminiumnitrid (AlN) oder Siliziumnitrid (Si3N4) oder Siliziumkarbid (SiC) oder aus Aluminiumoxid mit Zirkonoxid (Al2O3 + ZrO2) hergestellt und weist eine Schichtdicke beispielsweise zwischen 200 µm und 1000 µm, vorzugsweise zwischen 300 µm und 700 µm auf.
  • Bei Ausbildung der Metallisierungen 7, 8 aus Kupfer oder einer Kupferlegierung werden diese unter Verwendung der eingangs beschriebenen „Direct-Copper-Bonding“ Technologie flächig mit der ersten bzw. zweiten Oberflächenseite 6.1, 6.2 der Keramikschicht 6 verbunden. Alternativ kann die Anbindung mittels Aktivlöten erfolgen. Die Verbindung einer aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung hergestellten Metallisierung 7, 8 mit der der ersten bzw. zweiten Oberflächenseite 6.1, 6.2 der Keramikschicht 6 erfolgt beispielsweise mittels Hartlöten, Aktivlöten oder Kleben.
  • Die mit der ersten Oberflächenseite 6.1 flächig verbundene Metallisierung 7 ist zur Ausbildung von Leiterbahnen und/oder Kontakt- oder Anschlussflächen derart strukturiert ausgebildet, dass zumindest ein Metallisierungsabschnitt 7a, 7b zum Anschluss eines Kontaktelementes 4, 5 entsteht. Der Metallisierungsabschnitt 7a, 7b bildet damit ein so genanntes „pad“ zum Anschluss eines Kontaktelementes 4, 5 aus. Die Metallisierungsabschnitte 7a, 7b, 7c sind zumindest von freigeätzten Randbereichen 6’ der Keramikschicht 6 umgeben.
  • Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Metallisierung 7 in einen ersten Metallisierungsabschnitt 7a, einen zweiten Metallisierungsabschnitt 7b sowie einen dritten Metallisierungsabschnitt 7c strukturiert, wobei der erste Metallisierungsabschnitt 7a zum Anschluss des ersten Kontaktelements 4 und der zweite Metallisierungsabschnitt 7b zum Anschluss des zweiten Kontaktelementes 5 vorgesehen sind. Diese sind vorzugsweise in zumindest einem Randbereich des Metall-Keramik-Substrates 2 bzw. der Modulanordnung 1 angeordnet. Es versteht sich das nahezu beliebige Strukturierungen der Metallisierung 7 möglich sind, ohne das hierdurch der erfindungsgemäße Gedanke verlassen wird.
  • Der dritte Metallisierungsabschnitt 7c ist zum Anschluss des Halbleiterbauteils 3 vorgesehen. Das in Form eines „Chip“ ausgebildete Halbleiterbauteil 3 weist beispielsweise zumindest einen oberen und unteren Anschlusskontakt 3’, 3’’ auf, wobei
  • vorzugsweise der untere Anschlusskontakt 3’ des Halbleiterbauteils 3 flächig mit der Oberseite des dritten Metallisierungsabschnitt 7c verbunden ist, und zwar mittels einer Löt- oder Sinterverbindung. Hierdurch wird eine elektrisch und thermisch leitende Verbindung zwischen dem dritten Metallisierungsabschnitt 7c und dem unteren Anschlusskontakt 3’ des Halbleiterbauteils 3 hergestellt.
  • Der obere Anschlusskontakt 3’’ des Halbleiterbauteils 3 wird beispielsweise über eine Bonddrahtverbindung oder eine andere ebenfalls geeignete Verbindungstechnologie mit dem ersten Metallisierungsabschnitt 7a elektrisch leitend verbunden. Die elektrisch leitende Verbindung des dritten Metallisierungsabschnittes 7c mit dem zweiten Metallisierungsabschnitt 7b wird analog zuvor beispielsweise über eine Bonddrahtverbindung oder eine andere ebenfalls geeignete Verbindungstechnologie hergestellt.
  • Die Strukturierung der Metallisierung 7 in die ersten bis dritten Metallisierungsabschnitte 7a bis 7c wird vorzugsweise durch entsprechendes Maskieren und anschließendes Ätzen einer vollflächig auf die Keramikschicht 6 aufgebrachten noch unstrukturierten Metallisierung erzeugt. Vorzugsweise weisen der die Anschlussflächen bildende erste und zweite Metallisierungsabschnitt 7a bis 7c eine rechteckige oder quadratische Struktur auf.
  • Das erste und zweite Kontaktelement 4, 5 werden vorzugsweise flächig direkt mit dem ersten und zweiten Metallisierungsabschnitt 7a, 7b verbunden. Hierzu weist jeder der Metallisierungsabschnitte 7a, 7b zumindest einen ersten Oberflächenabschnitt 7.1a, 7.1b zum flächigen Anschluss des Kontaktelementes 4, 5 auf. Im ersten Oberflächenabschnitt 7.1a, 7.1b ist die direkte flächige Verbindung zwischen dem Kontaktelement 4, 5 und dem Metallisierungsabschnitt 7a, 7b mittels Reibschweißen, insbesondere Ultraschallreibschweißen hergestellt.
  • An den ersten Oberflächenabschnitt 7.1a, 7.1b der Metallisierungsabschnitte 7a, 7b schließt sich ein zweiter Oberflächenabschnitt 7.1a, 7.1b an, der zumindest teilweise den ersten Oberflächenabschnitt 7.1a, 7.1b umgibt und sich somit im Wesentlichen vom ersten Oberflächenabschnitt 7.1a, 7.1b bis zum Rand des jeweiligen Metallisierungsabschnittes 7a, 7b erstreckt.
  • Bei Temperaturschwankungen treten insbesondere in den freigeätzten Bereichen 6’ der Keramikschicht 6 Zugspannungen auf, während die mit der strukturierten Metallisierung 7 verbundenen Bereiche der Keramikschicht 6 unter Druckspannung stehen. Dadurch kann es aufgrund des Gradienten der Zug- und Druckspannungen nicht nur am Übergang zwischen der strukturierten Metallisierung 7 zu den nichtmetallisierten bzw. freigeätzten Bereichen 6’ der Keramikschicht 6 des Metall-Keramik-Substrates 2, d.h. im Bereich der zweiten Oberflächenabschnitte 7.1a, 7.1b, sondern auch im Bereich der ersten Oberflächenabschnitten 7.1a, 7.1b der Metallisierungsabschnitte 7a, 7b zu einer Rissbildung kommen.
  • Um die Rissbildungen an sich und das Ausbreiten von Mikrorissen in der Keramikschicht 6 zu vermeiden und dadurch die Temperaturwechselbeständigkeit des Metall-Keramik-Substrates 2 zu verbessern, werden im ersten Oberflächenabschnitt 7.1a, 7.1b des Metallisierungsabschnittes 7a, 7b mehrere, über den ersten Oberflächenabschnitt 7.1a, 7.1b gleichmäßig verteilte erste Ausnehmungen 9 vorgesehen. Zusätzlich werden erfindungsgemäß die freien Ränder 6’’ der Keramikschicht 6 des Metall-Keramik-Substrates 2 durch Brechen der Keramikschicht 6 eines beispielhaft in 4 und 5 dargestellten Basissubstrates BS entlang mehrerer in zumindest einer Oberflächenseite 6.1, 6.2 der Keramikschicht 6 in dem von der Metallisierung 7, 8 befreiten Bereich 6’ der Keramikschicht 6 eingebrachte Sollbruchlinien 6a–6f hergestellt.
  • Für eine rationale Fertigung der Metall-Keramik-Substrate 2 werden diese im Mehrfachnutzen hergestellt, und zwar mittels eines Basissubstrates BS, welches aus einer Keramikschicht 6 besteht, auf dem eine Vielzahl von einzelnen Metall-Keramik-Substraten 2 angeordnet sind, und zwar matrixartig in mehren Spalten und Zeilen. Die Sollbruchlinien 6a bis 6f sind zum Entfernen der ungenützten Randbereiche BSa, BSb, BSc, BSd des Basissubstrates BS und zum Vereinzeln der auf dem Basissubstrat BS vorgesehenen mehreren Metall-Keramik-Substrate 2 vorgesehen.
  • 4 zeigt beispielhaft eine Seitenansicht eines derartigen Basissubstrates BS, dessen Metallisierungen 7, 8 bereits strukturiert sind und die mehrere, in der ersten Oberflächenseite 6.1 der Keramikschicht 6 eingebrachte Sollbruchlinien 6a–6f aufweisen. 5 zeigt eine Draufsicht auf das Basissubstrat BS gemäß 4, welches im vorliegenden Ausführungsbeispiel zur Herstellung von vier Metall-Keramik-Substraten 2 im Mehrfachnutzen vorgesehen ist. Die Sollbruchlinien 6a–6f sind hierbei derartig in die Keramikschicht eingebracht, dass die von den einzelnen Metall-Keramik-Substraten 2 abgetrennten ungenützten Randbereiche BSa, BSb, BSc, BSd durchgehende Randstücke bilden, welche eigene Metallisierungsabschnitte 7’, 8’ aufweisen und sich randseitig über zumindest zwei Metall-Keramik-Substrate 2 erstrecken. Durch die beschriebene Ausgestaltung werden nicht nur Biegekräfte, die bei der Handhabung des Basissubstrates BS bei der Fertigung auftreten, durch die Metallisierungsabschnitte 7’, 8’ aufgenommen, so dass ein ungewolltes Brechen des Basissubstrates BS in die einzelnen Metall-Keramik-Substrate 2 vermieden werden kann, sondern bilden diese einen Stützrand aus, der das Vereinzeln der Metall-Keramik-Substrate 2 in einer vorgegebenen Reihefolge erfordert.
  • Die Sollbruchlinien 6a–6f werden mittels einer Lasereinrichtung in die erste Oberflächenseite 6.1 der Keramikschicht 6 und/oder in der gegenüberliegenden zweiten Oberflächenseite 6.2 der Keramikschicht 6 des Basissubstrates BS eingebracht, wobei hierzu beispielsweise Lasereinrichtung Verwendung finden. Die Sollbruchlinien 6a–6f sind in Form einer kontinuierlichen Vertiefung ausgebildet, wobei die kontinuierlichen Vertiefungen vorzugsweise schlitzartig realisiert sind. Derartige kontinuierliche schlitzartige Vertiefungen werden auch als „Grooves“ bezeichnet. Die Sollbruchlinien 6a–6f bzw. „Grooves“ weisen beispielsweise eine Tiefe T3 zwischen 30 µm und 200 µm auf. In 5a ist beispielhaft in einer perspektivischen Ausschnittdarstellung eine Sollbruchlinie 6a dargestellt, welche unterschiedliche Querschnittformen aufweisen können. 5b zeigt beispielsweise eine Sollbruchlinie 6a mit einem näherungsweise ovalen oder halbkreisförmigen Querschnitt, wohingegen der Querschnitt der Sollbruchlinie 6a gemäß 5c näherungsweise keilförmig ausgebildet ist.
  • Besonders vorteilhaft werden beim Brechen der Keramikschicht 6 entlang der in Form von kontinuierlichen Vertiefungen ausgebildeten Sollbruchlinien 6a–6f nahezu keine Mikrorisse in die freien Ränder 6’’ der Keramikschicht 6 erzeugt und damit die Bildung von Rissen in der Keramikschicht 6 aufgrund eines Temperaturwechsels effektiv reduziert.
  • Derartige Lasereinrichtungen können beispielsweise durch einen Diodenlaser oder einen Faserlaser im KW-Bereich oder einen Festkörperlaser mit unterschiedlichen Pulsdauern, beispielsweise Ultrakurzpuls- oder Kurzpulssekundenlaser im 100 Wattbereich oder KW-Bereich gebildet sein. Letztgenannte Festkörperlaser können beispielsweise in Form eines Nanosekundenlaser mit beispielsweise einer Wellenlänge von 1064 nm oder eines Picosekundenlasers mit beispielsweise einer Wellenlänge von 1090 nm bis 1064 nm realisiert sein. Die genannten Lasereinrichtungen arbeiten damit beispielsweise im UV-Bereich, Infrarotbereich oder in einem grünen Spektralbereich.
  • Der Abstand A zwischen den freien Rändern 6’’ und dem Randbereich der Metallisierungsabschnitte 7a, 7b beträgt beispielsweise zwischen 0,1mm und 3mm und ist abhängig von der Schichtdicke D der Metallisierung 7, 8 gewählt.
  • Auch kann die Erzeugung der Sollbruchlinien 6a bis 6f mittels der beschriebenen Lasereinrichtungen in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre erfolgen, die vorzugsweise einen Sauerstoffanteil von mindestens 30% aufweist.
  • Auch können die Sollbruchlinien 6a–6f in ihren Kreuzungsbreichen unterschiedliche Tiefen aufweisen, wobei vorzugsweise in den in 5 mittels strichliert gezeichneten Quadraten angedeuteten Kreuzungsbereichen die Tiefe der Sollbruchlinien 6a–6f größer ist als außerhalb der Kreuzungsbereiche, um das Entstehen von Schollenbrüchen in den Kreuzungsbereichen beim Vereinzeln der Metall-Keramik-Substrate 2 zu vermeiden.
  • Die Tiefe T1 der ersten Ausnehmungen 9 erstreckt sich hierbei maximal über 70% der Schichtdicke D der Metallisierung 7 bzw. des jeweiligen Metallisierungsabschnittes 7a, 7b, d.h. die im Bereich einer ersten Ausnehmung 9 verbleibende Schichtdicke des Metallisierungsabschnittes 7a, 7b beträgt mindestens 30 Mikrometer. Damit ist sichergestellt, dass die erforderliche Wärmeleitfähigkeit des Metallisierungsabschnittes 7a, 7b erhalten bleibt. Vorzugsweise beträgt die Tiefe T1 der ersten Ausnehmungen 9 zwischen 30% und 60% der Schichtdicke D der Metallisierung 7, so dass auch bei hohen Strömen keine merkliche Erhöhung des Widerstandes und damit kein Hitzestau im Metallisierungsabschnitt 7a, 7b entsteht.
  • Vorzugsweise ist die Tiefe T1 der ersten Ausnehmungen 9 an das jeweils zur Verbindung des Kontaktelementes 4, 5 mit dem Metallisierungsabschnittes 7a, 7b verwendete Verfahren angepasst. Beispielsweise beträgt die Tiefe T1 der ersten Ausnehmungen 9 bei Verwendung des Reibschweißverfahrens bzw. des Ultraschallreibschweißverfahrens zwischen 40 µm und 70 µm, vorzugsweise ca. 50 µm. Die Fügetiefe beim Reibschweißverfahren bzw. beim Ultraschallreibschweißverfahren beträgt vorzugsweise ebenfalls ca. 50 µm. Durch das Einbringen der ersten Ausnehmungen 9 in die ersten Oberflächenabschnitte 7.1a, 7.1b der Metallisierungsabschnitte 7a, 7b kann der beim Reibschweißen bzw. Ultraschallreibschweißen erforderliche Anpressdruck reduziert werden, so dass durch den Anpressdruck bedingte Rissbildungen in der Keramikschicht 6 aufgrund des reduzierten Anpressdruckes nahezu vermieden werden. Auch können im weiteren Fügepartner, und zwar dem Kontaktelement 4, 5 ebenfalls Ausnehmungen und/oder eine Perforierung eingebracht sein, wodurch der beim Reibschweißen bzw. Ultraschallreibschweißen erforderliche auftretende Flächendruck weiter reduziert werden kann. Auch wird hierdurch das Schweißergebnis deutlich verbessert. Zusätzlich können auch ersten Ausnehmungen 9 in die zweite Metallisierung 8 eingebracht werden, und zwar vorzugsweise in den den ersten Oberflächenabschnitten 7.1a, 7.1b der Metallisierungsabschnitte 7a, 7b gegenüberliegenden Metallisierungsabschnitten der der zweiten Metallisierung 8.
  • 2 zeigt eine schematische Draufsicht auf das unbestückte Metall-Keramik-Substrat 2, d.h. ohne das Halbleiterbauteil 3 und die Kontaktelemente 4, 5. Wie aus 2 ersichtlich weisen der erste und zweite Metallisierungsabschnitt 7a, 7b jeweils einen ersten und zweiten Oberflächenabschnitt 7.1a, 7.2a bzw. 7.1b, 7.2b auf, wobei der die Anschlussfläche für das Kontaktelement 4, 5 bildende erste Oberflächenabschnitt 7.1a, 7.1b eine Vielzahl von ersten Ausnehmungen 9 aufweist, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel kreisförmig ausgebildet und beispielsweise gleichmäßig über den ersten Oberflächenabschnitt 7.1a, 7.1b verteilt sind. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist eine matrixartige Verteilung der ersten Ausnehmungen 9 vorgesehen. Die kreisförmig ausgebildeten ersten Ausnehmungen 9 bilden damit so genannte „Dimple“ mit einem Durchmesser D1 zwischen 20 µm und 350 µm aus, welche sich in Richtung der Keramikschicht 6 verjüngen. Der Abstand zweier benachbarter erster Ausnehmungen 9 beträgt vorzugsweise mindestens 100 µm. Insbesondere ist die von den ersten Ausnehmungen 9 gebildete Fläche größer als die verbleibende Fläche des ersten Oberflächenabschnittes 7.1a, 7.1b der Metallisierungsabschnitte 7a, 7b.
  • In der dargestellten Ausführungsvariante sind zusätzlich zu den ersten Ausnehmungen 9 noch zweite Ausnehmungen 10 im zweiten Oberflächenabschnitt 7.2a, 7.2b vorgesehen, die zumindest teilweise entlang des Randes des ersten bzw. zweiten Metallisierungsabschnittes 7a, 7b verteilt angeordnet sind. Die zweiten Ausnehmungen 10 sind zur Reduzierung der randseitigen Verspannungen in der Keramikschicht 6 vorgesehen und weisen vorzugsweise ebenfalls eine kreisrunde Form auf, d.h. sind kreisförmig ausgebildet. Alternativ können die zweiten Ausnehmungen 10 sich über den Rand des ersten bzw. zweiten Metallisierungsabschnittes 7a, 7b hinaus erstrecken, so dass ein strukturierter Randverlauf, beispielsweise ein briefmarkenartig geformter Randverlauf entsteht. Dadurch kann der Flächenbedarf um einen Faktor 10 reduziert werden, ohne dass die Funktion wesentlich beeinträchtigt wird. Auch können die zweiten Ausnehmungen durch ovale, schlitzförmige, karo- oder rautenförmige Vertiefungen und/oder durch einen mäanderförmigen oder sägezahnförmigen Randverlauf des zumindest eines Metallisierungsabschnittes gebildet sein. Auch können in der zweiten Metallisierung 8 entsprechende zweite Ausnehmungen 10 eingebracht werden, und zwar vorzugsweise in einem den zweiten Oberflächenabschnitt 7.2a, 7.2b gegenüberliegenden Abschnitt der zweiten Metallisierung 8.
  • Diese erstrecken sich zwischen 60% und 100% der Schichtdicke D der Metallisierung 7 bzw. des ersten bzw. zweiten Metallisierungsabschnittes 7a, 7b. In einer bevorzugten Ausführungsvariante erstrecken sich diese über die vollständige Schichtdicke D der Metallisierung 7 bis zur Keramikschicht 6, d.h. weisen eine der Schichtdicke D der Metallisierung 7 entsprechende Tiefe T2 auf. Der Durchmesser D2 der zweiten Ausnehmungen 10 ist vorzugsweise mindest doppelt so groß wie der Durchmesser D1 der ersten Ausnehmungen 9. Die zweiten Ausnehmungen 10 weisen demgemäß einen Durchmesser D2 zwischen 400 µm und 700 µm, vorzugsweise zwischen 550 µm und 650 µm auf. Der jeweils kürzeste Abstand der zweiten Ausnehmungen 10 zum anschließenden Rand des Metallisierungsabschnitt 7a, 7b beträgt vorzugsweise 200 µm analog zum Abstand zweier benachbarter zweiter Ausnehmungen 10.
  • Die ersten und zweiten Ausnehmungen 9, 10 werden vorzugsweise durch entsprechendes Maskieren und zumindest teilweise Ätzen der Metallisierung 7 erzeugt. Alternativ oder zusätzlich können die ersten Ausnehmungen 9 durch mechanische Mittel erzeugt werden. Somit ist eine Vielzahl von Ausnehmungen unterschiedlicher Geometrien möglich. Beispielsweise können stempelartige Perforierungswerkzeuge Verwendung finden oder die Kontaktelemente 4, 5 selbst aufgrund des höheren Härtegrades zur Perforierung des ersten Oberflächenabschnittes 7.1a, 7.1b benutzt werden, welche entsprechend ausgebildet sind.
  • 3 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Modulanordnung 1 gemäß 1, d.h. das Metall-Keramik-Substrat 2 mit darauf drahtgebondeten Halbleiterchip 3 und mit den mit der ersten bzw. zweiten Metallisierungsabschnitten 7a, 7b verbundenen ersten bzw. Kontaktelementen 4, 5.
  • Die 6 bis 9 zeigen jeweils eine isolierte Draufsicht auf den ersten Metallisierungsabschnitt 7 mit erstem und zweitem Oberflächenabschnitt 7.1a, 7.2a, wobei der erste Oberflächenabschnitt 7.1a mit jeweils unterschiedlich ausgebildeten ersten Ausnehmungen 9 versehen ist. Die zweiten Ausnehmungen 10 sind in den 6 bis9 jeweils kreisförmig ausgebildet. 6 zeigt eine Ausführungsform des ersten Metallisierungsabschnitt 7a mit ebenfalls kreisförmigen ersten Ausnehmungen 9 analog zur 2. Die in 7 gezeigten ersten Ausnehmungen 9 sind rauten- bzw. karoförmig realisiert. 8 zeigt eine Ausführungsform des ersten Metallisierungsabschnittes 7a mit briefmarkenförmigen Randverlauf und durch schlitzförmige Vertiefungen gebildete erste Ausnehmungen 9 und in 9 ist eine spiralförmige Struktur einer die erste Ausnehmungen 9 bildenden Vertiefung im ersten Oberflächenabschnitt 7.1a dargestellt.
  • 10 zeigt in einer vergrößerten Schnittdarstellung einen Schnitt durch den Anschlussbereich des ersten Metallisierungsabschnittes 7a der Halbleiteranordnung gemäß 1. Die flächige Anbindung des ersten Kontaktelementes 4 am ersten Oberflächenabschnitt 7.1a des ersten Metallisierungsabschnittes 7a erfolgte durch Reibschweißen, insbesondere Ultraschallreibschweißen. Aufgrund des Reibschweißprozesses ergibt sich eine Verzahnung der Oberflächen des Kontaktelementes 4 und/oder des Metallisierungsabschnittes 7a miteinander. Der beim Reibschweißen erforderliche Anpressdruck wird aufgrund der größeren Oberfläche deutlich besser verteilt und somit die Flächendruckbelastung auf die Keramikschicht 6 im Bereich des Metallisierungsabschnittes 7a reduziert. Die Fügetiefe beim Reibschweißen beträgt vorzugsweise 50 µm.
  • Zusätzlich kann in einer alternativen Ausführungsvariante gemäß 11 auch die Unterseite des Kontaktelementes 4 ebenfalls mit Ausnehmungen oder einer Profilierung versehen sein. Damit ergibt sich eine weitere Vergrößerung der beim Reibschweißen wechselwirkenden Anschlussflächenbereiche des Kontaktelementes 4 und des Metallisierungsabschnittes 7a. Auch können zusätzlich zur zweiten Metallisierung 8 noch weitere Metallschichten vorgesehen sein.
  • In einer Ausführungsvariante können die Metallisierungsabschnitte 7a, 7b zumindest teilweise mit einer metallischen Oberflächenschicht versehen werden, beispielsweise einer Oberflächenschicht aus Nickel, Gold, Silber oder einer Nickel-, Gold- und Silber-Legierungen. Die Schichtdicke der Oberflächenschicht beträgt beispielsweise zwischen 2 Mikrometer und 15 Mikrometer. Eine derartige metallische Oberflächenschicht wird vorzugsweise nach dem Aufbringen der Metallisierungen 7, 8 auf die Keramikschicht 6 aufgebracht. Das Aufbringen der Oberflächenschicht erfolgt in einem geeigneten Verfahren, beispielsweise galvanisch und/oder durch chemisches Abscheiden und/oder durch Spritzen.
  • Die Erfindung wurde voranstehend an Ausführungsbeispielen beschrieben. Es versteht sich, dass zahlreiche Änderungen sowie Abwandlungen möglich sind, ohne dass dadurch der der Erfindung zugrunde liegend Erfindungsgedanke verlassen wird.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Modulanordnung
    2
    Metall-Keramik-Substrat
    3
    Halbleiterbauteil
    3’, 3’’
    Anschlusskontakt
    4
    erstes Kontaktelement
    5
    zweites Kontaktelement
    6
    Keramikschicht
    6’
    freigeätzte Bereiche
    6’’
    freie Ränder
    6a–6f
    Sollbruchlinien
    7
    Metallisierung
    7’
    Metallisierungsabschnitt
    7a
    erster Metallisierungsabschnitt
    7b
    zweiter Metallisierungsabschnitt
    7.1a, 7.1b
    erster Oberflächenabschnitt
    7.2a, 7.2b
    zweiter Oberflächenabschnitt
    8
    weitere Metallisierung
    8’
    Metallisierungsabschnitt
    9
    erste Ausnehmungen
    10
    zweite Ausnehmungen
    A
    Abstand
    BS
    Basissubstrat
    BSa, BSb, BSc, BSd
    ungenützte Randbereiche
    D
    Schichtdicke
    D1
    Durchmesser der ersten Ausnehmungen
    D2
    Durchmesser der zweiten Ausnehmungen
    T1
    Tiefe der ersten Ausnehmung
    T2
    Tiefe der zweiten Ausnehmung
    T3
    Tiefe der Sollbruchlinien
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • US 3744120 [0003]
    • DE 2319854 [0003]
    • DE 2213115 [0004]
    • EP 153618 [0004]
    • DE 4004844 C1 [0006]

Claims (24)

  1. Metall-Keramik-Substrat (2) umfassend zumindest eine Keramikschicht (6), die an zumindest einer Oberflächenseite (6.1) mit wenigstens einer Metallisierung (7) versehen ist, die zur Ausbildung von Leiterbahnen und/oder Kontakt- oder Anschlussflächen derart strukturiert ist, dass zumindest ein Metallisierungsabschnitt (7a, 7b) zum Anschluss eines Kontaktelementes (4, 5) entsteht, dass der zumindest eine Metallisierungsabschnitt (7a, 7b) zumindest einen ersten Oberflächenabschnitt (7.1a, 7.1b) zum flächigen Anschluss eines Kontaktelementes (4, 5) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die freien Ränder (6’’) der Keramikschicht (6) des Metall-Keramik-Substrates (2) durch Brechen der Keramikschicht (6) eines Basissubstrates (BS) entlang mehrerer in zumindest einer Oberflächenseite (6.1, 6.2) der Keramikschicht (6) in dem von der Metallisierung (7, 8) befreiten Bereich (6’) der Keramikschicht (6) eingebrachte Sollbruchlinien (6a–6f) hergestellt sind und dass zumindest ein Kontaktelement (4, 5) mit dem zumindest einen Metallisierungsabschnitt (7a, 7b) im ersten Oberflächenabschnitt (7.1a, 7.1b) mittels Reibschweißen, insbesondere mittels Ultraschallreibschweißen direkt flächig verbunden ist.
  2. Metall-Keramik-Substrat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Metallisierungsabschnitt (7a, 7b) im ersten Oberflächenabschnitt (7.1a, 7.1b) mehrere, über den ersten Oberflächenabschnitt (7.1a, 7.1b) verteilte erste Ausnehmungen (9) aufweist und dass die durch die ersten Ausnehmungen (9) gebildete Fläche kleiner als die verbleibende Fläche des ersten Oberflächenabschnittes (7.1a, 7.1b) ist.
  3. Metall-Keramik-Substrat nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallisierungsabschnitt (7a, 7b) einen an den ersten Oberflächenabschnitt (7.1a, 7.1b) anschließenden zweiten Oberflächenabschnitt (7.2a, 7.2b) aufweist, der den ersten Oberflächenabschnitt (7.1a, 7.1b) teilweise umgibt und der mehrere entlang des freien Randes des Metallisierungsabschnittes (7a, 7b) verteilt vorgesehene zweite Ausnehmungen (10) aufweist.
  4. Metall-Keramik-Substrat nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Ausnehmungen (9) kreisförmig ausgebildet sind und einen Durchmesser (D1) zwischen 30 µm und 350 µm aufweisen.
  5. Metall-Keramik-Substrat nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Ausnehmungen (9) eine Tiefe (T1) zwischen 10% und 70% der Schichtdicke (D) des Metallisierungsabschnittes (7a, 7b) aufweisen.
  6. Metall-Keramik-Substrat nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Ausnehmungen (10) kreisförmig ausgebildet sind und einen Durchmesser (D2) zwischen 400 µm und 700 µm, vorzugsweise zwischen 550 µm und 650 µm aufweisen.
  7. Metall-Keramik-Substrat nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Ausnehmungen (10) eine Tiefe (T2) aufweisen, die zwischen 60 %–100 % der Schichtdicke (D) der Metallisierung (7) beträgt.
  8. Metall-Keramik-Substrat nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser (D2) der zweiten Ausnehmungen (10) mindestens doppelt so groß als der Durchmesser (D1) der ersten Ausnehmungen (9) ist.
  9. Metall-Keramik-Substrat nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Ausnehmungen (9) durch ovale, schlitzförmige, karo- oder rautenförmige und/oder spiralförmige Vertiefungen gebildet sind und/oder dass die zweiten Ausnehmungen (10) durch ovale, schlitzförmige, karo- oder rautenförmige Vertiefungen und/oder durch einen mäanderförmigen, briefmarkenrandförmigen oder sägezahnförmigen Randverlauf des zumindest eines Metallisierungsabschnittes (7a, 7b) gebildet sind.
  10. Metall-Keramik-Substrat nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Sollbruchlinien (6a–6f) mittels einer Lasereinrichtung in die erste Oberflächenseite (6.1) der Keramikschicht (6) und/oder in der gegenüberliegenden zweiten Oberflächenseite (6.2) der Keramikschicht (6) eingebracht sind.
  11. Metall-Keramik-Substrat nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Sollbruchlinien (6a–6f) in Form einer kontinuierlichen Vertiefung ausgebildet sind, wobei die kontinuierlichen Vertiefungen vorzugsweise schlitzartig ausgebildet sind.
  12. Metall-Keramik-Substrat nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Sollbruchlinien (6a–6f) eine Tiefe (T3) zwischen 30 µm und 200 µm aufweisen.
  13. Metall-Keramik-Substrat nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktelement (4, 5) und der zumindest eine Metallisierungsabschnitt (7a, 7b) aus Kupfer, Aluminium, einer Kupfer- oder Aluminiumlegierung hergestellt sind.
  14. Metall-Keramik-Substrat nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Kontaktelement (4, 5) einen höheren Härtegrad als der zumindest eine Metallisierungsabschnitt (7a, 7b) aufweist.
  15. Metall-Keramik-Substrat nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramikschicht (2) aus Oxid-, Nitrid- oder Karbidkeramiken wie Aluminiumoxid oder Aluminiumnitrid oder Siliziumnitrid oder Siliziumkarbid oder Aluminiumoxid mit Zirkonoxid hergestellt ist.
  16. Metall-Keramik-Substrat nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Oberflächenseite (6.2) der Keramikschicht (6) mit wenigstens einer weiteren Metallisierung (8) versehen ist, die durch eine Schicht aus Kupfer, Aluminium, einer Kupfer- oder Aluminiumlegierung gebildet ist.
  17. Verfahren zum Herstellen eines Metall-Keramik-Substrates (2) umfassend zumindest eine Keramikschicht (6), bei dem die an zumindest einer Oberflächenseite (6.1) mit wenigstens einer Metallisierung (7) versehen wird, bei dem die wenigstens eine Metallisierung (7) zur Ausbildung von Leiterbahnen und/oder Kontakt- oder Anschlussflächen derart strukturiert wird, dass zumindest ein Metallisierungsabschnitt (7a, 7b) zum Anschluss eines Kontaktelementes (4, 5) entsteht, wobei der zumindest eine Metallisierungsabschnitt (7a, 7b) zumindest einen ersten Oberflächenabschnitt (7.1a, 7.1b) zum flächigen Anschluss eines Kontaktelementes (4, 5) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die freien Ränder (6’’) der Keramikschicht (6) des Metall-Keramik-Substrates (2) durch Brechen der Keramikschicht (6) eines Basissubstrats (BS) entlang mehrerer in zumindest einer Oberflächenseite (6.1, 6.2) der Keramikschicht (6) in dem von der Metallisierung (7, 8) befreiten Bereich (6’) der Keramikschicht (6) eingebrachte Sollbruchlinien (6a–6f) hergestellt werden und dass zumindest ein Kontaktelement (4, 5) mit dem zumindest einen Metallisierungsabschnitt (7a, 7b) im ersten Oberflächenabschnitt (7.1a, 7.1b) direkt flächig mittels Reibschweißen, insbesondere mittels Ultraschallreibschweißen verbunden wird.
  18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass in den ersten Oberflächenabschnitt (7.1a, 7.1b) des zumindest einen Metallisierungsabschnittes (7a, 7b) mehrere über den ersten Oberflächenabschnitt (7.1a, 7.1b) verteilte erste Ausnehmungen (9) eingebracht werden.
  19. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass in einen zweiten Oberflächenabschnitt (7.2a, 7.2b) des zumindest einen Metallisierungsabschnittes (7a, 7b) mehrere entlang des freien Randes des Metallisierungsabschnittes (7a, 7b) verteilt vorgesehene zweite Ausnehmungen (10) eingebracht werden, wobei der zweite Oberflächenabschnitt (7.2a, 7.2b) an den ersten Oberflächenabschnitt (7.1a, 7.1b) anschließt und diesen zumindest teilweise umgibt.
  20. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Sollbruchlinien (6a–6f) in die erste Oberflächenseite (6.1) der Keramikschicht (6) und/oder die gegenüberliegende zweite Oberflächenseite (6.2) der Keramikschicht (6) mittels einer Lasereinrichtung eingebracht werden.
  21. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Sollbruchlinien (6a–6f) in Form einer kontinuierlichen Sollbruchlinien (6a–6f) in die Keramikschicht (6) eingebracht werden, wobei die kontinuierlichen Sollbruchlinien (6a–6f) in Form von schlitzartigen Vertiefungen ausgebildet sind.
  22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die in Form einer kontinuierlichen schlitzartigen Vertiefung ausgebildeten Sollbruchlinien (6a–6d) mittels einer Lasereinrichtung, insbesondere mittels eines Diodenlaser, Faserlaser oder Festkörperlaser mit unterschiedlichen Pulsdauern, beispielsweise Ultrakurzpuls- oder Kurzpulssekundenlaser erzeugt werden.
  23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Einbringen der Sollbruchstellen (6a bis 6f) mittel der Laservorrichtung in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre erfolgt, die vorzugsweise einen Sauerstoffanteil von mindestens 30% aufweist.
  24. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Sollbruchlinien (6a–6f) derart in die Keramikschicht (6) des Basissubstrates (BS) eingebracht werden, dass ungenützte Randbereiche (BSa, BSb, BSc, BSd) mit zumindest einem Metallisierungsabschnitt (7’, 8’) entstehen, die einen sich über mehrere einzelne, auf dem Basissubstrat (BS) befindliche Metall-Keramik-Substrate (2) randseitig erstrecken und einen Stützrand bilden.
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