DE102022129493A1 - Metal-ceramic substrate and process for producing metal-ceramic substrates - Google Patents
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Abstract
Metall-Keramik-Substrat (1) für elektrische und/oder elektronische Bauteile, wobei das Metall-Keramik-Substrat (1) ein Keramikelement (30) und mindestens eine Metallschicht (10) aufweist, wobei die mindestens eine Metallschicht (10) und das Keramikelement (30) sich parallel zu einer Haupterstreckungsebene (HSE) erstrecken, entlang einer senkrecht zur Haupterstreckungsebene (HSE) verlaufenden Stapelrichtung (S) übereinander angeordnet sind und miteinander stoffschlüssig verbunden sind, wobei die mindestens eine Metallschicht (10) an einer dem Keramikelement (30) abgewandten ersten Seite (S1) durch eine erste Kante (K1) und an einer dem Keramikelement (30) zugewandten zweiten Seite (S2) durch eine zweite Kante (K2) begrenzt wird, wobei die erste Kante (K1) und die zweite Kante (K2) über eine Seitenfläche (SF) der mindestens einen Metallschicht (10) miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass entlang einer einem generellen Kantenverlauf der ersten Kante (K1) und/oder zweiten Kante (K2) folgenden Primärrichtung (PR) die mindestens eine Metallschicht (10) im Bereich der Seitenfläche (SF) in ihrer Höhe moduliert, insbesondere periodisch moduliert, ist.Metal-ceramic substrate (1) for electrical and/or electronic components, wherein the metal-ceramic substrate (1) has a ceramic element (30) and at least one metal layer (10), wherein the at least one metal layer (10) and the ceramic element (30) extend parallel to a main extension plane (HSE), are arranged one above the other along a stacking direction (S) running perpendicular to the main extension plane (HSE) and are materially connected to one another, wherein the at least one metal layer (10) is delimited on a first side (S1) facing away from the ceramic element (30) by a first edge (K1) and on a second side (S2) facing the ceramic element (30) by a second edge (K2), wherein the first edge (K1) and the second edge (K2) are connected to one another via a side surface (SF) of the at least one metal layer (10), characterized in that along a general edge profile of the first edge (K1) and/or second edge (K2) following the primary direction (PR), the height of at least one metal layer (10) in the region of the side surface (SF) is modulated, in particular periodically modulated.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Metall-Keramik-Substrat für elektrische und/oder elektronische Bauteile und ein Verfahren zum Herstellen eines Metall-Keramik-Substrats.The present invention relates to a metal-ceramic substrate for electrical and/or electronic components and a method for producing a metal-ceramic substrate.
Metall-Keramik-Substrate sind beispielsweise als Leiterplatten oder Platinen aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt, beispielsweise aus der
Grundsätzlich ist neben einem niedrigen Wärmewiderstand auch eine hohe Temperaturwechselbeständigkeit wünschenswert, die zur Langlebigkeit des entsprechenden Metall-Keramik-Substrats beiträgt. Dabei hat es sich beispielswiese als vorteilhaft erwiesen, Aussparungen in den Randbereich der Metallschicht einzulassen, um mechanische Spannungen abzubauen und das Bruchverhalten von Großkarten zu verbessern. Außerdem ist es bekannt, die Seitenflächen der Metallschicht zu modulieren, wie es beispielsweise in der
Zur Herstellung von schräg verlaufenden Ätzkanten bzw. Seitenflächen werden typischerweise Ätzverfahren verwendet, bei denen eine Maskierung, insbesondere in Form einer Resistschicht, auf die Metallschicht aufgetragen wird und durch ein durch einen Freibereich der Maskierung tretendes Ätzmittel erfolgt dann die Strukturierung der Metallschicht, wobei durch entsprechende Dimensionierung und Ausgestaltung des durchgehenden Freibereiches Einfluss genommen wird auf die Form der schräg verlaufenden Seitenfläche.To produce obliquely running etched edges or side surfaces, etching processes are typically used in which a mask, in particular in the form of a resist layer, is applied to the metal layer and the metal layer is then structured by an etchant passing through an open area of the mask, whereby the shape of the obliquely running side surface is influenced by appropriate dimensioning and design of the continuous open area.
Dabei hat es sich insbesondere herausgestellt, dass es erforderlich ist, einen sehr schmalen Freibereich in der Maskierung vorzusehen, um zu verhindern, dass anderenfalls Lochätzungen während des Ätzvorgangs auftreten, die zu einer konstant flachen Flanke bzw. zu einem konstant flachen Seitenflächenverlauf führen würden. Allerdings ist die Realisierung eines solchen durchgehenden Freibereiches, der die Form der Metallschicht nach dem Ätzen in gewünschter Weise festlegt, ausgesprochen aufwendig und damit kostenintensiv.In particular, it has been found that it is necessary to provide a very narrow free area in the masking in order to prevent hole etching from occurring during the etching process, which would otherwise lead to a constantly flat flank or a constantly flat side surface profile. However, the realization of such a continuous free area, which determines the shape of the metal layer in the desired way after etching, is extremely complex and therefore costly.
Die vorliegende Erfindung macht es sich zur Aufgabe, ein Verfahren und ein Metall-Keramik-Substrat bereitzustellen, dessen Fertigungsaufwand reduziert ist gegenüber dem Fertigungsaufwand, der bei der Herstellung von Metall-Keramik-Substraten aus dem Stand der Technik üblich ist. Insbesondere, soll das Strukturieren des Metall-Keramik-Substrats vereinfacht werden.The present invention has for its object to provide a method and a metal-ceramic substrate whose manufacturing effort is reduced compared to the manufacturing effort that is usual in the production of metal-ceramic substrates from the prior art. In particular, the structuring of the metal-ceramic substrate should be simplified.
Die vorliegende Erfindung löst diese Aufgabe, mit einem Metall-Keramik-Substrat gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 9.The present invention solves this problem with a metal-ceramic substrate according to
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Metall-Keramik-Substrat für elektrische und/oder elektronische Bauteile vorgesehen, wobei das Metall-Keramik-Substrat ein Keramikelement und mindestens eine Metallschicht aufweist, wobei sich die mindestens eine Metallschicht und das Keramikelement parallel zu einer Haupterstreckungsebene erstrecken, entlang einer senkrecht zur Haupterstreckungsebene verlaufenden Stapelrichtung übereinander angeordnet sind und miteinander stoffschlüssig verbunden sind, wobei die mindestens eine Metallschicht an einer dem Keramikelement abgewandten ersten Seite durch eine erste Kante und an einer dem Keramikelement zugewandten zweiten Seite durch eine zweite Kante begrenzt wird, wobei die erste Kante und die zweite Kante über eine Seitenfläche der mindestens einen Metallschicht miteinander verbunden sind, wobei entlang einer einem generellen Kantenverlauf der ersten Kante und/oder zweiten Kante folgenden Primärrichtung die mindestens eine Metallschicht im Bereich der Seitenfläche in ihrer Höhe moduliert, insbesondere periodisch moduliert, ist.According to a first aspect of the present invention, a metal-ceramic substrate for electrical and/or electronic components is provided, wherein the metal-ceramic substrate has a ceramic element and at least one metal layer, wherein the at least one metal layer and the ceramic element extend parallel to a main extension plane, are arranged one above the other along a stacking direction running perpendicular to the main extension plane and are materially connected to one another, wherein the at least one metal layer is delimited by a first edge on a first side facing away from the ceramic element and by a second edge on a second side facing the ceramic element, wherein the first edge and the second edge are connected to one another via a side surface of the at least one metal layer, wherein the at least one metal layer is modulated in height, in particular periodically modulated, in the region of the side surface along a primary direction following a general edge profile of the first edge and/or second edge.
Im Gegensatz zu den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, statt eines durchgehenden Freibereiches in der Maskierung mehrere Freibereiche zu realisieren, die von einander beabstandet sind und insbesondere hintereinander in einer Richtung angeordnet sind. Die Anordnung der mehreren Freibereiche gibt dann den späteren Verlauf der ersten und/oder zweiten Kante, d. h. die Primärrichtung, vor. Die Freibereiche haben eine erste Erstreckungslänge, die sich parallel zur Primärrichtung erstreckt, und eine zweite Erstreckungslänge, die sich senkrecht zur Primärrichtung entlang einer Sekundärrichtung erstreckt. Infolge der Gestaltung der Maskierung ist es in vorteilhafte Weise möglich, die zweite Erstreckungslänge bzw. eine Breite der Freibereiche zu vergrößern, ohne eine Lochätzung, d.h. ein lokales Durchätzen bis zur Keramik befürchten zu müssen. Dadurch wird der Aufwand beim Realisieren der Maskierung deutlich reduziert, wodurch das Verfahren zum Herstellen des Metall-Keramik-Substrats, insbesondere der Strukturierung des Metall-Keramik-Substrats vereinfacht wird.In contrast to the methods known from the prior art, the invention provides for the realization of a plurality of free areas in the masking, instead of a continuous free area, which are spaced apart from one another and in particular arranged one behind the other in one direction. The arrangement of the plurality of free areas then determines the subsequent course of the first and/or second edge, i.e. the primary direction. The free areas have a first extension length which extends parallel to the primary direction and a second extension length which extends perpendicular to the primary direction along a secondary direction. As a result of the design of the masking, it is advantageously possible to create the second first extension length. ing length or the width of the free areas without having to fear hole etching, ie local etching through to the ceramic. This significantly reduces the effort involved in implementing the masking, which simplifies the process for producing the metal-ceramic substrate, in particular the structuring of the metal-ceramic substrate.
Diese Maßnahme bei der Wahl der Maskierung hat strukturellen Einfluss auf das Metall-Keramik-Substrat, das mittels einer entsprechenden Maskierung hergestellt wird. Insbesondere bilden sich entlang der Primärrichtung im Bereich der Seitenflächen Modulationsmaxima und Modulationsminima in der mindestens einen Metallschicht aus. Mit anderen Worten: Die mindestens eine Metallschicht ist im Bereich der Seitenfläche in ihrer Höhe moduliert, insbesondere periodisch moduliert. Dabei stellt sich die periodische Modulation insbesondere durch eine regelmäßige Verteilung der Freibereiche mit derselben Dimensionierung ein. Dabei bemisst sich die jeweilige Höhe der Seitenfläche entlang einer Richtung, die parallel zur Stapelrichtung verläuft.This measure in the choice of masking has a structural influence on the metal-ceramic substrate, which is produced by means of a corresponding masking. In particular, modulation maxima and modulation minima form in the at least one metal layer along the primary direction in the area of the side surfaces. In other words: the at least one metal layer is modulated in its height in the area of the side surface, in particular periodically modulated. The periodic modulation is achieved in particular by a regular distribution of the free areas with the same dimensions. The respective height of the side surface is measured along a direction that runs parallel to the stacking direction.
Vorzugsweise ist die mindestens eine Metallschicht in der Seitenfläche in ihrer Höhe in einer Schnittebene, die senkrecht zur Haupterstreckungsebene und parallel zur ersten und/oder zweiten Kante verläuft, moduliert. Mit anderen Worten: Die Primärrichtung verläuft parallel zur ersten und/oder zweiten Kante. Dabei muss die Primärrichtung nicht eine Gerade sein, sondern kann auch einem geschwungenen Verlauf des äußersten Umfangs der mindestens einen Metallschicht folgen. Vorzugsweise werden zur Ermittlung der Höhenmodulation die Höhen der Seitenfläche in einem in Sekundärrichtung bemessenen, festgelegten Abstand zur ersten und/oder zweiten Kante erfasst.Preferably, the height of the at least one metal layer in the side surface is modulated in a cutting plane that runs perpendicular to the main extension plane and parallel to the first and/or second edge. In other words: the primary direction runs parallel to the first and/or second edge. The primary direction does not have to be a straight line, but can also follow a curved course of the outermost circumference of the at least one metal layer. Preferably, to determine the height modulation, the heights of the side surface are recorded at a fixed distance from the first and/or second edge, measured in the secondary direction.
Als Materialien für die mindestens eine Metallschicht und/oder die mindestens eine weitere Metallschicht im Metall-Keramik-Substrat bzw. Isolationselement sind Kupfer, Aluminium, Molybdän, Wolfram und/oder deren Legierungen wie z. B. CuZr, AlSi oder AlMgSi, sowie Laminate wie CuW, CuMo, CuAl und/oder AlCu oder MMC (metal matrix composite), wie CuW, CuMo 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 ENIG („electroless nickel immersion gold“) oder ein Kantenverguss an der Metallisierung zur Unterdrückung einer Rissbildung bzw. -weitung denkbar.Copper, aluminum, molybdenum, tungsten and/or their alloys such as CuZr, AlSi or AlMgSi, as well as laminates such as CuW, CuMo, CuAl and/or AlCu or MMC (metal matrix composite), such as CuW, CuMo or AlSiC, are conceivable as materials for the at least one metal layer and/or the at least one further metal layer in the metal-ceramic substrate or insulation element. Furthermore, it is preferably provided that the at least one metal layer on the manufactured metal-ceramic substrate is surface-modified, in particular as component metallization. For example, a sealing with a precious metal, in particular silver; and/or gold, or (electroless) nickel or ENIG (“electroless nickel immersion gold”) or an edge casting on the metallization to suppress crack formation or widening is conceivable as a surface modification.
Vorzugsweise weist das Keramikelement Al2O3, Si3N4, AlN, eine HPSX-Keramik (d. h. eine Keramik mit einer Al2O3- Matrix, die einen x-prozentigen Anteil an ZrO2 umfasst, beispielsweise Al2O3 mit 9% ZrO2 = HPS9 oder Al2O3 mit 25% ZrO2 = HPS25), SiC, BeO, MgO, hochdichtes MgO (> 90% der theoretischen Dichte), TSZ (tetragonal stabilisiertes Zirkonoxid) als Material für die Keramik auf. Es ist dabei auch vorstellbar, dass das Keramikelement als Verbund- bzw. Hybridkeramik ausgebildet ist, bei der zur Kombination verschiedener gewünschter Eigenschaften mehrere Keramikschichten, die sich jeweils in Hinblick auf ihre materielle Zusammensetzung unterscheiden, übereinander angeordnet und zu einem Isolationselement zusammengefügt sind.The ceramic element preferably comprises Al 2 O 3 , Si 3 N 4 , AlN, an HPSX ceramic (i.e. a ceramic with an Al 2 O 3 matrix which comprises an x percent proportion of ZrO 2 , for example Al 2 O 3 with 9% ZrO 2 = HPS9 or Al 2 O 3 with 25% ZrO 2 = HPS25), SiC, BeO, MgO, high-density MgO (> 90% of the theoretical density), TSZ (tetragonally stabilized zirconium oxide) as the material for the ceramic. It is also conceivable that the ceramic element is designed as a composite or hybrid ceramic in which, in order to combine various desired properties, several ceramic layers, each of which differs in terms of their material composition, are arranged one above the other and joined together to form an insulating element.
Die Anbindung der Metallschicht an das Keramikelement kann beispielsweise über ein DCB-Verfahren, ein AMB-Verfahren, ein Diffusionsbonden und/oder ein hei-ßisostatisches Pressen erfolgenThe metal layer can be bonded to the ceramic element using, for example, a DCB process, an AMB process, diffusion bonding and/or hot isostatic pressing
Unter einem „DCB-Verfahren“ (Direct-Copper-Bond-Technology) oder einem „DAB-Verfahren“ (Direct-Aluminium-Bond-Technology) versteht der Fachmann ein solches Verfahren, das beispielsweise zum Verbinden von Metallschichten oder - blechen (z. B. Kupferblechen oder -folien oder Aluminiumblechen oder -folien) miteinander und/oder mit Keramik oder Keramikschichten dient, und zwar unter Verwendung von Metall- bzw. Kupferblechen oder Metall- bzw. Kupferfolien, die an ihren Oberflächenseiten eine Schicht oder einen Überzug (Aufschmelzschicht), aufweisen. Bei diesem beispielsweise in der
Vorzugsweise erfolgt das Verbinden der Keramikschicht und der Metallschicht mittels mittels eines Direktmetallanbindungsverfahrens, eines heißisostatischen Pressens, eines Lötverfahrens und/oder eines Diffusionsbondprozess.Preferably, the ceramic layer and the metal layer are bonded by means of a direct metal bonding process, a hot isostatic pressing process, a soldering process and/or a diffusion bonding process.
Insbesondere weist das DCB-Verfahren dann z. B. folgende Verfahrensschritte auf:
- • Oxidieren einer Kupferfolie derart, dass sich eine gleichmäßige Kupferoxidschicht ergibt;
- • Auflegen des Kupferfolie auf die Keramikschicht;
- • Erhitzen des Verbundes auf eine Prozesstemperatur zwischen etwa 1025 bis 1083°C, z. B. auf ca. 1071 °C;
- • Abkühlen auf Raumtemperatur.
- • Oxidizing a copper foil to form a uniform copper oxide layer;
- • Placing the copper foil on the ceramic layer;
- • Heating the composite to a process temperature between approximately 1025 to 1083°C, e.g. to approximately 1071 °C;
- • Cool to room temperature.
Unter einem Aktivlot-Verfahren, z. B. zum Verbinden von Metallschichten oder Metallfolien, insbesondere auch von Kupferschichten oder Kupferfolien mit Keramikmaterial ist ein Verfahren zu verstehen, welches speziell auch zum Herstellen von Metall-Keramik-Substraten verwendet wird, wird bei einer Temperatur zwischen ca. 600-1000°C eine Verbindung zwischen einer Metallfolie, beispielsweise Kupferfolie, und einem Keramiksubstrat, beispielsweise Aluminiumnitrid-Keramik, unter Verwendung eines Hartlots hergestellt, welches zusätzlich zu einer Hauptkomponente wie Kupfer, Silber und/oder Gold auch ein Aktivmetall enthält. Dieses Aktivmetall, welches beispielsweise wenigstens ein Element der Gruppe Hf, Ti, Zr, Nb, Ce ist, stellt durch chemische Reaktion eine Verbindung zwischen dem Lot und der Keramik her, während die Verbindung zwischen dem Lot und dem Metall eine metallische Hartlöt-Verbindung ist. Alternativ ist zur Anbindung auch ein Dickschichtverfahren vorstellbar.An active soldering process, e.g. for joining metal layers or metal foils, in particular copper layers or copper foils with ceramic material, is a process that is also used specifically for producing metal-ceramic substrates. A connection is made between a metal foil, e.g. copper foil, and a ceramic substrate, e.g. aluminum nitride ceramic, at a temperature of between approx. 600-1000°C using a hard solder that contains an active metal in addition to a main component such as copper, silver and/or gold. This active metal, which is for example at least one element from the group Hf, Ti, Zr, Nb, Ce, creates a connection between the solder and the ceramic through a chemical reaction, while the connection between the solder and the metal is a metallic hard solder connection. Alternatively, a thick-film process is also conceivable for the connection.
Das heißisostatische Pressen ist beispielsweise aus der
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass ein genereller Verlauf der Seitenfläche in einer senkrechten zur Primärrichtung verlaufender Sekundärrichtung schräg, gestuft und/oder gebogen zur Haupterstreckungsebene verläuft. Mit anderen Worten: Es liegt ein flacher Verlauf der Seitenfläche der mindestens einen Metallschicht vor und die erste Kante und die zweite Kante liegen in Stapelrichtung gesehen nicht deckungsgleich übereinander.Preferably, it is provided that a general course of the side surface in a secondary direction perpendicular to the primary direction runs obliquely, stepped and/or curved to the main extension plane. In other words: there is a flat course of the side surface of the at least one metal layer and the first edge and the second edge do not lie congruently on top of one another when viewed in the stacking direction.
Insbesondere ist es bevorzugt vorgesehen, dass sich die Modulationshöhen bzw. Modulationsmaxima und die Modulationsminima entlang der Sekundärrichtung über mehr als 80 % der Länge der Seitenfläche entlang der Sekundärrichtung und besonders bevorzugt über die gesamte Länge erstrecken. Mit anderen Worten: in der Seitenfläche bilden sich Rillen aus, die sich von der ersten Kante bis zur zweiten Kante erstrecken. Insbesondere ist es vorgesehen, dass der erste Kantenverlauf und/oder der zweite Kantenverlauf in Umlaufrichtung gesehen, die mindestens eine Metallschicht an der ersten Seite und der zweiten Seite jeweils begrenzen. Die Primärrichtung folgt somit zumindest dem generellen Kantenverlauf der ersten und/oder zweiten Kanten entlang eines Umlaufs entlang der Außenkontur der mindestens einen Metallschicht.In particular, it is preferably provided that the modulation heights or modulation maxima and the modulation minima along the secondary direction extend over more than 80% of the length of the side surface along the secondary direction and particularly preferably over the entire length. In other words: grooves are formed in the side surface which extend from the first edge to the second edge. In particular, it is provided that the first edge profile and/or the second edge profile, viewed in the circumferential direction, delimit the at least one metal layer on the first side and the second side respectively. The primary direction thus follows at least the general edge profile of the first and/or second edges along a circumference along the outer contour of the at least one metal layer.
Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass die Modulation der Höhe der mindestens einen Metallschicht im Bereich der Seitenfläche entlang der Primärrichtung kontinuierlich ist. Damit ist insbesondere gemeint, dass die Modulation frei ist, von Kanten oder stufigen Übergängen entlang der Primärrichtung, insbesondere in einer Schnittebene, die senkrecht zur Haupterstreckungsebene verläuft und der Primärrichtung folgt.Preferably, the modulation of the height of the at least one metal layer in the region of the side surface is continuous along the primary direction. This means in particular that the modulation is free of edges or stepped transitions along the primary direction, in particular in a cutting plane that runs perpendicular to the main extension plane and follows the primary direction.
Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass ein Verhältnis zwischen einem ersten Abstand zwischen einem Modulationsmaximum und einem Modulationsminimum zu einem zweiten Abstand zwischen zwei benachbarten Modulationsminimums einen Wert zwischen 0,25 und 0,75, bevorzugt zwischen 0,35 und 0,65 und besonders bevorzugt zwischen 0,45 und 0,55 annimmt. Dadurch bildet sich eine nahezu wellenförmige und gleichmäßige Höhenmodulation in dem Bereich der Seitenfläche aus. Dies ist wiederrum Zeichen dafür, dass nicht nur in lokalen Bereichen Ausnehmungen in den schrägen Verlauf der Seitenfläche eingelassen wurden.Preferably, a ratio between a first distance between a modulation maximum and a modulation minimum to a second distance between two adjacent modulation minima assumes a value between 0.25 and 0.75, preferably between 0.35 and 0.65 and particularly preferably between 0.45 and 0.55. This creates an almost wave-like and uniform height modulation in the area of the side surface. This in turn is a sign that recesses have been made in the slanted course of the side surface, not just in local areas.
Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass ein Verhältnis zwischen der Modulationshöhe und einer Dicke der mindestens einen Metall-Schicht den Wert zwischen 0,05 und 1,0, bevorzugt zwischen 0,10 und 0,75 und besonders bevorzugt zwischen 0,15 und 0,6 annimmt. Dabei ist es insbesondere vorgesehen, dass dieses Verhältnis bestimmt wird, für eine Modulationshöhe auf halber Länge der Seitenfläche zwischen der ersten Kante und der zweiten Kante. Die Modulationshöhe ist ein in Stapelrichtung bemessener Abstand zwischen einem Modulationsmaximum und einem Modulationsminimum.Preferably, it is provided that a ratio between the modulation height and a thickness of the at least one metal layer assumes a value between 0.05 and 1.0, preferably between 0.10 and 0.75 and particularly preferably between 0.15 and 0.6. In particular, it is provided that this ratio is determined for a modulation height at half the length of the side surface between the first edge and the second edge. The modulation height is a distance measured in the stacking direction between a modulation maximum and a modulation minimum.
Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass die Seitenfläche zumindest bereichsweise mit einem Vergussmaterial bedeckt ist. Dadurch ist es in vorteilhafter Weise möglich, zusätzlich einer Rissbildung oder Beschädigung am äußersten Rand der mindestens einen Metallschicht entgegenzuwirken, wodurch wiederrum die Lebensdauer des Metall-Keramik-Substrats in vorteilhafter Weise erhöht wird. Dabei erweist es sich als besonders vorteilhaft, dass das Vergussmaterial mit der Höhenmodulation der mindestens einen Metallschicht in Primärrichtung im Bereich der Seitenfläche formschlüssig zusammenwirkt.Preferably, the side surface is covered at least in some areas with a potting material. This advantageously makes it possible to additionally counteract cracking or damage at the outermost edge of the at least one metal layer, which in turn advantageously increases the service life of the metal-ceramic substrate. It proves to be particularly advantageous that the potting material interacts in a form-fitting manner with the height modulation of the at least one metal layer in the primary direction in the area of the side surface.
Weiterhin ist es bevorzugt vorgesehen, dass entlang der Sekundärrichtung die mindestens eine Metallschicht im Bereich der Seitenfläche zwischen der ersten Kante und der zweiten Kante mindestens ein lokales Flankenmaximum und mindestens ein lokales Flankenminimum aufweist. Mit anderen Worten: Neben der Modulation in Richtung der Primärrichtung ist zusätzlich eine Modulation entlang der Sekundärrichtung denkbar. Insbesondere wird hierbei auf den Offenbarungsgehalt der
Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass das lokale Flankenmaximum und das lokale Flankenminimum im Bereich der Primärrichtung gesehen jeweils eine Höhenmodulation aufweisen, insbesondere ohne Versatz der Höhenmodulation im Bereich des lokalen Flankenmaximums und des lokalen Minimums in Richtung der Primärrichtung zueinander.Preferably, it is provided that the local edge maximum and the local edge minimum in the region of the primary direction each have a height modulation, in particular without offset of the height modulation in the region of the local edge maximum and the local minimum in the direction of the primary direction relative to one another.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Metall-Keramik-Substrates gemäß der vorliegenden Erfindung, umfassend:
- - Bereitstellen eines Keramikelements und mindestens einer ersten Metallschicht,
- - Verbinden der mindestens einen Metallschicht und des Keramikelements,
- - Strukturieren der mindestens einen Metallschicht mittels einer Maskierung und eines Ätzmittels,
- - providing a ceramic element and at least one first metal layer,
- - bonding the at least one metal layer and the ceramic element,
- - Structuring the at least one metal layer by means of a mask and an etchant,
Dabei ist es von Vorteil, dass die Mehrzahl an Freibereichen voneinander beabstandet sind und sich in Primärrichtung aneinanderreihen. Dies gestattet es, dass die Freibereiche an sich größer dimensioniert werden können, wodurch die Herstellung der Maskierung wesentlich vereinfacht wird. Dadurch wird das Herstellungsverfahren und der Aufwand zum Bilden der Maskierung für solche Maskierungen deutlich reduziert, mit denen gestufte, gebogene und schräg verlaufende Seitenflächen im Randbereich der mindestens einen Metallschicht erzeugt werden sollen.It is advantageous that the majority of free areas are spaced apart from one another and are arranged in a row in the primary direction. This allows the free areas themselves to be dimensioned larger, which makes the production of the masking significantly easier. This significantly reduces the production process and the effort required to form the masking for those masks with which stepped, curved and slanted side surfaces are to be produced in the edge region of the at least one metal layer.
Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass der Freibereich eine entlang der Primärrichtung bemessene erste Erstreckungslänge und eine entlang der Sekundärrichtung bemessene zweite Erstreckungslänge aufweist, wobei ein Verhältnis der zweiten Erstreckungslänge zu der ersten Erstreckungslänge ein Wert zwischen 0,03 und 0,5, bevorzugt zwischen 0,07 und 0,3 und besonders bevorzugt zwischen 0,1 und 0,22 annimmt. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die erste Erstreckungslänge einen Wert zwischen 200 und 2000 µm, bevorzugt zwischen 300 und 1000 µm und besonders bevorzugt zwischen 400 und 700 µm annimmt. Weiter ist es besonders bevorzugt vorgesehen, wenn die zweite Erstreckungslänge einen Wert zwischen 60 µm und 100 µm, bevorzugt zwischen 65 µm und 90 µm und besonders bevorzugt zwischen 70 und 85 µm annimmt.It is preferably provided that the free area has a first extension length measured along the primary direction and a second extension length measured along the secondary direction, wherein a ratio of the second extension length to the first extension length assumes a value between 0.03 and 0.5, preferably between 0.07 and 0.3 and particularly preferably between 0.1 and 0.22. It is particularly advantageous if the first extension length assumes a value between 200 and 2000 µm, preferably between 300 and 1000 µm and particularly preferably between 400 and 700 µm. Furthermore, it is particularly preferred if the second extension length assumes a value between 60 µm and 100 µm, preferably between 65 µm and 90 µm and particularly preferably between 70 and 85 µm.
Der Ausdruck im Wesentlichen bedeutet im Sinne der Erfindung Abweichungen vom jeweils exakten Wert um +/- 15 %, bevorzugt um +/- 10 % und besonders bevorzugt um +/- 5 % und/oder Abweichungen in Form von für die Funktion unbedeutenden Änderungen.In the sense of the invention, the term “essentially” means deviations from the respective exact value by +/- 15%, preferably by +/- 10% and particularly preferably by +/- 5% and/or deviations in the form of changes that are insignificant for the function.
Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Gegenstands mit Bezug auf die beigefügten Figuren. Einzelne Merkmale der einzelnen Ausführungsformen können dabei im Rahmen der Erfindung miteinander kombiniert werden.Further advantages and features emerge from the following description of preferred embodiments of the subject matter according to the invention with reference to the attached figures. Individual features of the individual embodiments can be combined with one another within the scope of the invention.
Es zeigt:
-
1 : schematische Darstellung eines Metall-Keramik-Substrats gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, -
2 schematische Darstellung einer Maskierung für ein Verfahren der vorliegenden Erfindung und -
3 schematische Darstellung des Metall-Keramik-Substrats aus 1 aus anderen Perspektiven.
-
1 : schematic representation of a metal-ceramic substrate according to a first preferred embodiment of the present invention, -
2 schematic representation of a mask for a method of the present invention and -
3 schematic representation of the metal-ceramic substrate from1 from other perspectives.
In
Um die mindestens eine Metallschicht 10 dauerhaft an das Keramikelement 30 anzubinden, umfasst eine Anlage zur Herstellung des Metall-Keramik-Substrats 1, insbesondere in einem Anbindungsverfahren, beispielsweise einen Ofen, in dem ein bereitgestellter Vorverbund aus Metall und Keramik erhitzt wird und so die Bindung erzielt wird. Beispielsweise handelt es sich bei der mindestens einen Metallschicht 10 um eine aus Kupfer gefertigte Metallschicht 10, wobei die mindestens eine Metallschicht 10 und das Keramikelement 30 mittels eines DCB (Direct-Copper-Bonding)-Anbindungsverfahren miteinander stoffschlüssig verbunden werden. Alternativ lässt sich die mindestens eine Metallschicht 12 an die das Keramikelement 30 über ein Aktivlötverfahren, ein Selbstdiffusionsverfahren und/oder ein hei-ßisostatisches Pressen an das Keramikelement 30 anbinden.In order to permanently bond the at least one
Insbesondere weist die mindestens eine Metallschicht 10 eine dem Keramikelement 30 erste Seite S1 und eine dem Keramikelement 30 zugewandte zweite Seite S2 auf. Die erste Seite S1 der mindestens einen Metallschicht 10 umfasst dabei eine Nutzfläche, auf der insbesondere elektrische oder elektronische Bauteile montierbar sind. Die erste Seite S1 wird in eine parallel zur Haupterstreckungsebene HSE verlaufende Richtung durch eine erste Kante K1 begrenzt, während die zweite Seite S2 der mindestens einen Metallschicht 10 über die Anbindungsfläche stoffschlüssig mit dem Keramikelement 30 verbunden ist. Die Anbindungsfläche wird in einer parallel zur Haupterstreckungsebene HSE verlaufenden Richtung durch eine zweite Kante K2 nach außen hin begrenzt. Dabei liegen die erste Kante K1 und die zweite Kante K2 in einer senkrecht zur Haupterstreckungsebene HSE verlaufenden Stapelrichtung S gesehen nicht deckungsgleich übereinander, sondern sind zueinander versetzt. Die erste Kante K1 und die zweite Kante K2 sind über eine Seitenfläche SF miteinander verbunden. Beispielsweise wird der Verlauf der Seitenfläche SF durch einen Ätzprozess, insbesondere durch einen einmaligen Ätzschritt, hergestellt. Der Seitenfläche SF bildet im Bereich zwischen der ersten Kante K1 und der zweiten Kante K2 insbesondere in einem senkrecht zur Haupterstreckungsebene HSE verlaufenden Querschnitt betrachtet die Außenseite der mindestens einen Metallschicht 10.In particular, the at least one
Dabei hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Seitenfläche SF gegenüber der Haupterstreckungsebene HSE schräg verläuft und dabei beispielsweise einen stufigen und/oder gebogenen Verlauf aufweist. Dabei ist es insbesondere vorstellbar, dass ein Verhältnis einer parallel zur Haupterstreckungsebene HBE bemessenen Länge L der Seitenfläche SF zwischen der ersten Kante K1 und der zweiten Kante K2 und einer Dicke der mindestens einen Metallschicht 10 einen Wert annimmt zwischen 0,3 und 2,0, bevorzugt 0,5 und 1,8 und besonders bevorzugt zwischen 0,8 und 1,3. Solch weit gegenüber der erste Kante K1 hinaus erstreckenden Verläufe der Seitenfläche SF der mindestens eine Metallschicht 10 haben sich besonders vorteilhaft für die Temperaturwechselbeständigkeit der hergestellten Metall-Keramik-Substrate 1 erwiesen. Neben dem in
Insbesondere ist es vorgesehen, dass sich die erste Kante K1 und die zweite Kante K2 sich jeweils innerhalb einer Ebene, die parallel zur Haupterstreckungsebene HSE verläuft, erstrecken. Eine Primärrichtung PR entlang des Umfangs der mindestens einen Metallschicht 10 folgt dem generellen Kantenverlauf der ersten Kante K1 und/oder zweiten Kante K2 und verläuft vorzugsweise parallel zur ersten Kante K1 und/oder zweiten Kante K2. In einer senkrecht zur Primärrichtung PR verlaufenden Sekundärrichtung SR erstreckt sich die Seitenfläche SF der mindestens einen Metallschicht 10 und verbindet so die erste Kante K1 mit der zweiten Kante K2.In particular, it is provided that the first edge K1 and the second edge K2 each extend within a plane that runs parallel to the main extension plane HSE. A primary direction PR along the circumference of the at least one
Zur Herstellung solcher Verläufe der Seitenflächen SF ist es vorgesehen, eine Maskierung 40 zu verwenden, die oberhalb der mindestens einen Metallschicht 10 platziert wird bzw. ausgebildet wird. Diese Maskierung 40 weist im Bereich, in dem der Rand bzw. der Abschluss der mindestens einen Metallschicht 10 vorgesehen ist, einen Freibereich 41 auf, sodass ein Ätzmittel durch diesen Freibereich 41 hindurchtreten kann, um Bereich der mindestens einen Metallschicht 10 wegzuätzen. Entsprechende Freibereiche 41 erstrecken sich damit entlang der Primärrichtung PR, da sie den späteren Verlauf in Umlaufrichtung der ersten Kante K1 und/oder zweiten Kante K2 festlegen. Um allerdings die gewünschten Verläufe der Seitenflächen SF zu erzielen, ist es erforderlich, dass entsprechende Freibereiche 41 vergleichsweise schmal ausgebildet sind. Anderenfalls würde beim Ätzprozess mittels des Ätzmittels es zum stellenweisen Lochätzen, d.h. ein Durchätzen bis zur Keramik, der mindestens einen Metallschicht 10 kommen, wodurch eine stellenweise unterbrochene Flanke, d.h. eine lokal steilerer Ätzflanke erzeugt werden würde, die weniger gut zur Reduzierung von mechanischen Spannungen beitragen kann. Die Freibereiche 41 weisen dabei eine in Primärrichtung PR bemessene erste Erstreckungslänge E1 und eine in Sekundärrichtung SR bemessene zweite Erstreckungslänge E2 auf.To produce such contours of the side surfaces SF, it is intended to use a
Dabei hat es sich herausgestellt, dass für eine betriebssichere Produktion der gewünschten Verläufe der Seitenflächen SF die zweiten Erstreckungslängen E2 des Freibereichs 41 derart klein dimensioniert werden müssen, dass sie nur aufwendig hergestellt werden können. In entsprechender Weise sind solche Maskierungen 40 nur unter hohem Aufwand realisierbar. Insbesondere ist es vorzugsweise vorgesehen, dass zur Maskierung 40 eine Resistschicht vorgesehen ist, die auf die mindestens eine Metallschicht 10 aufgetragen wird.It has been found that, in order to ensure reliable production of the desired profiles of the side surfaces SF, the second extension lengths E2 of the
Um das Herstellungsverfahren, insbesondere das Strukturieren der mindestens einen Metallschicht 10 zu vereinfachen, ist es vorgesehen, statt des üblicherweise durchgehend ausgebildeten Freibereiches 41 eine Maskierung 40 zu wählen, bei der mehrere Freibereiche 41 entlang der Primärrichtung PR hintereinander bzw. nebeneinander angeordnet sind, wobei die hintereinander bzw. nebeneinander angeordneten Freibereiche 41 voneinander beabstandet sind und durch einen Bereich, in der eine Resistschicht ausgebildet ist, voneinander getrennt sind. Es hat sich dabei herausgestellt, dass es in vorteilhafterweise möglich ist, durch derartige Freibereiche 41 die nebeneinander angeordnet sind und voneinander getrennt werden, Freibereiche 41 mit größeren zweiten Erstreckungslängen E2 zu nutzen, ohne die Bildung von Lochätzungen zu begünstigen. Dadurch kann wiederrum der Aufwand der bei der Bildung der Maskierung 40 erforderlich ist reduziert werden. Dies vereinfacht das Herstellen der Strukturierung im Metall-Keramik-Substrat 1.In order to simplify the manufacturing process, in particular the structuring of the at least one
In
Insbesondere ist es dabei vorgesehen, dass ein Verhältnis der zweiten Erstreckungslänge E2 zu der ersten Erstreckungslänge E1 einen Wert zwischen 0,03 und 0,5, bevorzugt zwischen 0,07 und 0,3 und besonders bevorzugt zwischen 0,1 und 0,22 annimmt.In particular, it is provided that a ratio of the second extension length E2 to the first extension length E1 assumes a value between 0.03 and 0.5, preferably between 0.07 and 0.3 and particularly preferably between 0.1 and 0.22.
Dabei ist es möglich, dass die zweite Erstreckungslänge E2 Werte zwischen 60 und 100 µm, vorzugsweise 65 und 90 µm und besonders bevorzugt zwischen 70 und 85 µm annimmt.It is possible that the second extension length E2 assumes values between 60 and 100 µm, preferably 65 and 90 µm and particularly preferably between 70 and 85 µm.
Weiterhin weisen die Freibereiche 41 erste Erstreckungslänge E1 auf, die einen Wert zwischen 200 µm und 2000 µm, bevorzugt zwischen 300 und 1000 µm und besonders bevorzugt, zwischen 700 und 700 µm aufweist.Furthermore, the
Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass die erste Erstreckungslänge E1 und/oder die zweite Erstreckungslänge E2 aller Freibereiche 41 gleich groß sind und/oder die Freibereiche 41 unterscheiden sich im Hinblick auf die erste Erstreckungslänge E1 und/oder die zweite Erstreckungslänge E2 voneinander.Preferably, it is provided that the first extension length E1 and/or the second extension length E2 of all
In
Dabei bildet die Seitenfläche SF Modulationsminima 11 und Modulationsmaxima 12 aus. Insbesondere bildet sich ein Modulationsminimum 11 in den Bereichen aus, die während des Ätzprozesses in Stapelrichtung S gesehen unterhalb eines Freibereiches 41 angeordnet sind. Insbesondere ist es dabei vorgesehen, dass die mindestens eine Metallschicht 10 im Bereich der Seitenfläche SF periodisch moduliert ist, beispielsweise wellenförmig ausgestaltet ist. Dabei handelt es sich bevorzugt nicht um Ausnehmungen, die in die Seitenfläche SF eingefügt sind und dabei beispielsweise einen unstetigen bzw. eckigen Verlauf erzeugen. Vorzugweise ist es vorgesehen, dass ein erster Abstand A1 zwischen dem Modulationsminimum 11 und dem Modulationsmaximum 12 ausgebildet ist, während ein zweiter Abstand A2 zwischen zwei, insbesondere entlang der Primärrichtung PR gesehen, benachbarten Modulationsmaxima 11 ausgebildet ist.The side surface SF forms modulation minima 11 and
Dabei ist es vorgesehen, dass ein Verhältnis zwischen dem ersten Abstand A1 zum zweiten Abstand A2 einen Wert zwischen 0,25 und 0,75, bevorzugt zwischen 0,35 und 0,65 und besonders bevorzugt zwischen 0,45 und 0,55 annimmt. Weiterhin ist es vorgesehen, dass sich eine Modulationshöhe MH zwischen dem Modulationsminimum 11 und dem Modulationsmaximum 12 einstellt, die die entlang der Stapelrichtung S bemessen wird. Ein Verhältnis zwischen der Modulationshöhe MH und der Dicke D der mindestens einen Metallschicht 10 nimmt vorzugsweise einen Wert an zwischen 0,05 und 1,0, bevorzugt zwischen 0,1 und 0,75 und besonders bevorzugt zwischen 0,15 und 0,6 an.It is provided that a ratio between the first distance A1 and the second distance A2 assumes a value between 0.25 and 0.75, preferably between 0.35 and 0.65 and particularly preferably between 0.45 and 0.55. It is further provided that a modulation height MH is established between the modulation minimum 11 and the
Insbesondere erzeugt die Verwendung der Maskierung 40, wie sie in
Bezugszeichen:Reference number:
- 11
- Metall-Keramik-SubstratMetal-ceramic substrate
- 1010
- MetallschichtMetal layer
- 1111
- ModulationsminimumModulation minimum
- 1212
- ModulationsmaximumModulation maximum
- 2020
- RückseitenmetallschichtBack metal layer
- 3030
- KeramikelementCeramic element
- 4040
- MaskierungMasking
- 4141
- FreibereichOutdoor area
- A1A1
- erster Abstandfirst distance
- A2A2
- zweiter Abstandsecond distance
- S1S1
- erste Seitefirst page
- S2S2
- zweite Seitesecond page
- HSEHSE
- HaupterstreckungsebeneMain extension level
- PRPR
- PrimärrichtungPrimary direction
- SRSR
- SekundärrichtungSecondary direction
- SS
- StapelrichtungStacking direction
- DD
- Dickethickness
- MHMH
- ModulationshöheModulation level
- E1E1
- erste Erstreckungslängefirst extension length
- E2E2
- zweite Erstreckungslängesecond extension length
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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- DE 2319854 C2 [0015]DE 2319854 C2 [0015]
- EP 3080055 B1 [0019]EP 3080055 B1 [0019]
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-
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