EP4129020A1 - Support substrate, method for producing such a support substrate, and method for reading a coding in the support substrate - Google Patents

Support substrate, method for producing such a support substrate, and method for reading a coding in the support substrate

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Publication number
EP4129020A1
EP4129020A1 EP21722432.8A EP21722432A EP4129020A1 EP 4129020 A1 EP4129020 A1 EP 4129020A1 EP 21722432 A EP21722432 A EP 21722432A EP 4129020 A1 EP4129020 A1 EP 4129020A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
metal layer
carrier substrate
coding
layer
insulation element
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP21722432.8A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Tilo WELKER
Fabian Wagle
Andreas Meyer
Vitalij GIL
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Rogers Germany GmbH
Original Assignee
Rogers Germany GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Rogers Germany GmbH filed Critical Rogers Germany GmbH
Publication of EP4129020A1 publication Critical patent/EP4129020A1/en
Pending legal-status Critical Current

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Definitions

  • Carrier substrate method for producing such a carrier substrate and method for reading out a code in the carrier substrate
  • the present invention relates to a carrier substrate, a method for producing such a carrier substrate and a method for reading out a code in the carrier substrate.
  • Carrier substrates for example metal-ceramic substrates, are well known as printed circuit boards or printed circuit boards from the prior art.
  • connection surfaces for electrical or electronic components and conductor tracks are arranged on one component side of the carrier substrate, wherein the electrical components and conductor tracks can be interconnected to form electrical circuits.
  • Essential components of the carrier substrates are an insulation element made of ceramic and a metal layer attached to the insulation element. Because of their comparatively high insulation strengths, insulation elements made of ceramic have proven to be particularly advantageous. By structuring the metal layer, conductor tracks and / or connection surfaces for the electrical or electronic components can be implemented.
  • the present invention makes the task of further improving the production of carrier substrates, in particular with regard to their tracing or the quality of the carrier substrates produced.
  • a carrier substrate in particular a metal-ceramic substrate, is provided as a carrier for electrical components, comprising
  • An insulation element preferably a ceramic element, a glass element, a glass ceramic element and / or a plastic element, wherein the at least one metal layer and the insulation element extend essentially parallel to a main extension plane and are arranged one above the other along a stacking direction perpendicular to the main extension plane, and wherein a coding is formed within the carrier substrate.
  • the carrier substrate is a metal-ceramic substrate.
  • the coding is arranged within the carrier substrate. This- proves to be particularly advantageous because the coding is thereby protected against possible soiling.
  • the read-out is simplified or improved, in particular compared to an optical read-out, because any reflections and / or visual restrictions that may occur during read-out no longer influence the identification or determination of the respective codes.
  • manipulation of the coding is made more difficult.
  • the insulation element made of plastic is preferably a plastic that withstands the process temperatures prevailing during soldering, in particular above 600 ° C.
  • the arrangement of the coding within the carrier substrate allows the entire top of the at least one metal layer to be used as a connection surface without the potential connection surface being reduced by the coding or the identification.
  • the identification or coding is intended to be used within the framework of a manufacturing process or within the framework of a subsequent step after the identification has been formed in the manufacturing process and / or for tracing the respective carrier substrate after the carrier substrate has been manufactured.
  • the identification or coding is preferably implemented before the structuring of the at least one metal layer in the carrier substrate.
  • the respective coding is assigned to any defects and / or errors in the connection of the at least one metal layer to the insulation element, preferably its position or location, and / or a batch number and / or a material specification that the at least one metal layer and / or the insulation element and / o which relates to the entire carrier substrate.
  • a database is preferably provided in which the codes and information, in particular information on possible positions of a fault and / or on the identification of the carrier substrate, are assigned to one another and stored.
  • the identification is preferably an individual identification which differs, for example, from carrier substrate to carrier substrate. It is preferably provided that a marking is provided in a large map and all information about all flaws within the large map is assigned to the marking, so that the positioning of the structuring and / or the predetermined breaking lines along which the large map is divided into individual carrier substrates is subdivided, can be oriented accordingly. As a result, isolation trenches and / or predetermined breaking points can preferably be placed in the area of defects or cavities. This reduces the likelihood of forming a defective carrier substrate. For this purpose, it is preferably provided that the identified errors, which are in particular assigned to the coding, are appropriately evaluated by an evaluation device in order to possibly cause a shift of the intended structure pattern or the structuring during the manufacturing process.
  • the carrier substrate is preferably designed as a printed circuit board in which, in the finished state, the at least one metal layer that is bonded to the insulation element is structured.
  • structuring for example by laser, etching and / or mechanical processing
  • the backside metallization is preferably used to counteract any deflection and the cooling element is used to effectively dissipate heat that is generated during operation from electrical or electronic components that are connected to the printed circuit board or the carrier substrate.
  • the 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 are copper, aluminum, molybdenum, tungsten, nickel and / or their alloys such as.
  • the at least one metal layer on the finished metal-ceramic substrate, in particular as component metallization is surface-modified.
  • the ceramic element is designed as a composite or hybrid ceramic, in which several ceramic layers, each differing in terms of their material composition, are arranged one above the other and joined together to form an insulation element to combine various desired properties .
  • a metallic intermediate layer is arranged between two ceramic layers in the insulation element, which is preferably thicker than 1.5 mm and / or thicker than the total of the two ceramic layers.
  • a ceramic that is as thermally conductive as possible is preferably used for the lowest possible thermal resistance.
  • the coding is a coding which cannot be visually detected from the outside.
  • the coding is read out by means of an ultrasound device or by means of ultrasound.
  • the non-visually detectable coding is read out by means of non-visible radiation, ie radiation outside the visible wavelength spectrum, in particular by means of X-rays.
  • a coding and / or identification is in particular an individual course, in particular in the binding layer, which can be read from the outside, possibly with technical means such as an ultrasound device.
  • the binding layer is preferably the result of a connection of the at least one metal layer to the insulation element via an active metal layer and possibly a solder base layer.
  • a proportion of active metal in the adhesion promoter layer or binding layer comprising an active metal is preferably greater than 15% by weight, preferably greater than 20% by weight and particularly preferably greater than 25% by weight.
  • the roughness R a of a surface of the insulation element is at least partially greater than 1.0 gm, preferably between 0.4 gm and 1.5 gm and particularly preferably between 0.75 and 1.25 gm.
  • the surface resistance also increases with increasing roughness.
  • the side length of the at least one metal layer in the edge area is preferably determined as an extension between an upper edge of the at least one metal layer on the side facing away from the Isolationsele element, and a lower edge that delimits the metal layer on the side facing the insulation element at the outermost circumference.
  • a material bonding agent such as a solder material or its residue, is assigned to the lower edge of the at least one metal layer.
  • the lower edge In the context of the structuring of the at least one metal layer, it is customary in the prior art for the lower edge not to run in a straight line along a circumferential direction around a metal section created by the structuring, which results in a fringe-like course. This results in the length of the at least one metal layer between the upper edge and the lower Edge, measured in a direction running parallel to the main extension plane, varies along the direction of rotation. This corresponds to the formation of fringes on the outermost circumference of the at least one metal layer. The lengths of the outermost edge are stochastically distributed between the upper edge and the lower edge of the at least one metal layer.
  • a standard deviation of a length of the outer edge region of the at least one metal layer, measured between an upper and lower edge of the at least one metal layer in a direction parallel to the main extension plane is a value less than 0.4, preferably less as 0.2 and particularly preferably less than 0.1. Due to the lower scatter with regard to the length of the at least one metal layer in the edge area, it is advantageously possible to realize adjacent metal sections closer to one another, taking into account any manufacturing tolerances. This supports the formation of the most compact Lei terplatten possible.
  • the coding is arranged in a binding layer between the at least one metal layer and the insulation element.
  • a coding area in which the coding is stored is defined in a defined coding area on the carrier substrate or the large card.
  • the ultrasound device can preferably search for the coding in the carrier substrate at the same point.
  • the coding can have the form or shape of a QR code, data matrix code or bar code, in which the binding layer is interrupted or structured at points or along lines.
  • the at least one metal layer and / or the insulation element is structured on one side, ie is provided with a recessed surface course via which the at least one metal layer is connected to the insulation element in the manufactured carrier substrate.
  • a coding or marking within the carrier substrate can also be implemented through the structured course.
  • the at least one metal layer is connected to the insulation element via a binding layer.
  • An adhesion promoter layer of the binding layer preferably has a surface resistance which is greater than 5 ohm / sq, preferably greater than 10 ohm / sq and particularly preferably greater than 20 ohm / sq.
  • the adhesion promoter layer is preferably implemented or formed by a connection which, on the one hand, contains the active metal, for example titanium, and, on the other hand, the constituents of the ceramic element, for example oxygen O, nitrogen N and / or Carbon C and / or silicon Si, and / or aluminum Al and / or magnesium, Mg and / or calcium, Ca comprises.
  • the adhesion promoter layer comprises, for example, titanium nitride, titanium carbide and / or titanium oxide, in particular in different oxidation states.
  • the sheet resistance of an adhesion promoter layer of the bonding layer is greater than 5 ohm / sq, preferably greater than 10 ohm / sq and particularly preferably greater than 20 ohm / sq.
  • the surface resistance determined is directly related to a proportion of the active metal in the adhesion promoter layer, which is decisive for the connection of the at least one metal layer to the insulation element.
  • the sheet resistance increases as the proportion of active metal in the binding layer decreases.
  • a correspondingly high sheet resistance thus corresponds to a low active metal content in the adhesion promoter layer.
  • the sheet resistances according to the claims describe those bonding layers whose peel strength is improved due to the reduced formation of brittle intermetallic phases, i.e. H. is enlarged.
  • Such an increased connection strength has an advantageous effect on the service life of the carrier substrate.
  • the metal layer and, if necessary, a solder base layer are first removed again from the finished carrier substrate.
  • a surface resistance is then measured by means of a four-point measurement on the top or bottom of the carrier substrate from which the at least one metal layer and the solder base layer have been removed.
  • the sheet resistance of a material sample is to be understood as its resistance in relation to a square surface area. It is customary to mark the surface resistance with the unit ohm / sq. The physical unit of sheet resistance is ohm.
  • a thickness of the binding layer measured in the stacking direction, averaged over several measuring points within a predetermined area or in several areas that run or run parallel to the plane of extension assumes a value that is less than 20 ⁇ m, preferably is less than 10 pm and particularly preferably less than 6 pm.
  • the at least one metal layer is divided into areas of the same size as possible and in each of these areas dividing the at least one metal layer at least one measured value, preferably several measured values, is recorded for the thickness. The thicknesses determined in this way at different points are then arithmetically averaged.
  • the following method is provided for determining and selecting the measuring areas that contribute to the determination - regardless of the size of the carrier substrate:
  • the at least one metal layer of the carrier substrate is subdivided into nine rectangles, in particular squares, that is to say into several areas of approximately the same size.
  • two or three sectional images are generated, which are used to determine an average thickness for the at least one metal layer in each of the sectional images.
  • the sectional images are preferably recorded by means of an SEM method, for example at a magnification of 2000 or 2500 times.
  • the total of 18 or 27 thicknesses recorded in the cross-sectional images, which are distributed over all nine rectangular measurement areas, are averaged.
  • the averaged thickness represents a representative value for the bonding layer between the at least one metal layer and the insulation element for the entire carrier substrate.
  • the procedure described in the section wise provides averaged thicknesses, which see ge over the at least one metal layer is determined in evenly distributed measurement areas.
  • the procedure described here for selecting the measuring range that contributes to determining an averaged value for the thickness is to be used analogously for determining the surface resistance.
  • a comparatively thin bonding layer is thus formed between the at least one metal layer and the insulation element. It is provided that, in order to determine the relevant thickness of the binding layer, the measured thicknesses are averaged over a large number of measurement points which lie within a predetermined or defined area or the multiple areas.
  • the insulation element in particular the ceramic element, is generally subject to undulation, i.e. H. a ripple is to be attributed to the insulation element.
  • waviness to be a modulation of the generally flat course of the insulation element, viewed over several millimeters or centimeters along a direction which runs parallel to the plane of extension.
  • the averaged thickness value is nevertheless significantly lower than that which is known in carrier substrates from the prior art.
  • a required active metal layer is arranged between the insulation element and the at least one metal layer, which is in particular arranged individually, i.e. separately, between the insulation element and the at least one metal layer, for example, in addition to a solder base material (which for example contains no active metal or is free of active metal).
  • the active metal is preferably applied to the solder base material and / or the at least one metal layer and / or the insulation element by means of electrochemical deposition, chemical and / or physical gas phase deposition, for example by means of sputtering, in order to realize comparatively thin active metal layers which in turn lead to a comparatively thin bonding layer, in particular to a homogeneous and thin adhesion promoter layer. It is also conceivable to provide the active metal layer on the solder base material, the insulation element and / or the at least one metal layer using a plasma, in a vacuum and / or by means of vapor deposition. It is also conceivable to realize the active metal layer by electroplating. It is particularly preferred that the active metal layer is provided as a film.
  • the formation of comparatively thin binding layers in particular reduces the expenditure that has to be applied in order, for example, to remove the binding layer again in a “second etching”, at least in some areas, in order to remove the carrier substrate, in particular its at least one metal layer and the binding layer, to structure.
  • This structuring which serves to electrically isolate a plurality of metal sections of the at least one metal layer from one another, is preferably carried out by etching and / or a mechanical processing step and / or with laser light.
  • a defect in the bonding layer or a material defect in the solder material is understood to mean, for example, a large grain in the solder material, such as an active metal grain, which can lead to the formation of giant grains in the bonding layer and / or which does not melt completely and thus prevents minimal solder gaps or point defects as a spacer.
  • the application in particular by means of sputtering, can easily prevent comparatively large grains from becoming part of the active metal layer.
  • a thin binding layer is formed homogeneously over the carrier substrate produced.
  • Another object of the present invention is a method for the produc- tion of a carrier substrate according to the invention. All of the advantages or features described for the carrier substrate can be transferred analogously to the process for producing the carrier substrate.
  • the method preferably comprises the method steps:
  • the targeted, area-wise covering with the active metal layer in other words with the structuring of the active metal layer, defines which areas in the manufactured carrier substrate form a bonding layer between the insulation element and the at least one metal layer.
  • the active metal layer proves to be particularly advantageous because it specifically induces an area-wide and uninterrupted formation of a binding layer and there is no risk that certain areas on the insulation element will not be wetted by the active metal (which leads to areas without a binding layer which in turn could be misunderstood as part of the coding).
  • a solder base material layer is applied in addition to the active metal layer, which under the respective process temperatures for the solder base material in the context of an active soldering process Connection of the at least one metal layer leads to the insulation element.
  • the active element or the active metal layer is connected to the insulation element in the course of hot isostatic pressing or solid state diffusion bonding (SDB).
  • SDB solid state diffusion bonding
  • no solder base material layer is required for connecting the at least one metal layer to the insulation element.
  • the use of a solder base material proves to be advantageous for the formation of the coding insofar as it is ensured that a sufficient distance is formed between the insulation element and the at least one metal layer, which allows easy identification or reading, in particular with ultrasound.
  • the active metal layer is structured subsequently.
  • the active metal layer is applied over the surface and then removed again, preferably in specific areas, in order to structure it.
  • the active metal layer is preferably applied over a large area and removed again, for example, by etching and / or by laser light.
  • the active metal layer is implemented by physical gas phase deposition and / or using a masking and / or is implemented after the application of the active metal layer, for example by removing areas of an applied active metal layer, preferably by means of laser light .
  • the active metal layer is provided as a film that has been specially structured, for example, by laser, embossing, folding and / or rolling.
  • the active metal layer is advantageously possible to implement comparatively thin active metal layers.
  • structures that are as precise and precise as possible can be incorporated into the active metal layer.
  • the active metal layer is applied by means of a physical gas phase deposition and removed again in some areas by means of laser light in order to cause structuring in the active metal layer.
  • a separately listed active metal layer it is possible to make it comparatively thin, whereby the comparatively thin thicknesses of the binding layer according to the claim can be achieved, in particular averaged over various measured values within the fixed area. It is preferably provided that a thickness of the bonding layer measured in the stacking direction, averaged over several measuring points within a predetermined area or in several areas that run or run parallel to the main plane of extension, assumes a value that is less than 20 ⁇ m, preferably is smaller than 12 pm and particularly preferably smaller than 6 pm.
  • the at least one metal layer is subdivided into areas of the same size as possible and at least one value, preferably several measured values, are recorded for the thickness in each of these areas dividing the at least one metal layer.
  • the thicknesses determined in this way at different points are arithmetically averaged.
  • the binding layer and / or the further binding layer is a flaft mediator layer comprising an active metal.
  • the bonding layer is formed only from the flaft mediator layer which comprises the active metal.
  • the flaft mediator layer in the binding layer has a connection with a component of the ceramic element, such as nitrogen, oxygen or carbon, and the other components of the ceramic.
  • the flaft-mediating layer comprises, for example, titanium nitride, titanium oxide and / or titanium carbide.
  • a thickness of the binding layer measured in the stacking direction, averaged over several measurement points within an area that runs parallel to the plane of extension of the flakes, or of the several areas assumes a value that is less than 0.003 mm, preferably less than 0.001 mm and particularly preferably less than 0.0005 or even less than 0.00035 mm.
  • an even thinner bonding layer can be formed in a corresponding manner.
  • an active metal examples include titanium (Ti), zirconium (Zr), hafnium (Hf), chromium (Cr), niobium (Nb), cerium (Ce), tantalum (Ta), magnesium (Mg), lanthanum (La) and Vanadium (V). It should be noted that the metals La, Ce, Ca and Mg can easily oxidize in air or in the presence of oxygen.
  • the elements Cr, Mo and W are not classic active metals, but are suitable as a contact layer between S13N4 and the at least one metal layer or the solder system or solder material, since they do not have any with the at least one metal layer, for example copper Form intermetallic phases and have no edge solubility
  • the solder base material is a metal-based base material, preferably a silver-based or a copper-based base material.
  • silver is the main component, ie the constituent with the highest percentage in terms of weight, while copper is the main component in a copper-based base material.
  • Examples of a silver-based base material are AgCu, in particular AgCu28, AgCuln, AgCuSn and AgCuGa.
  • Examples of a copper-based base material are copper CuSn, CuAg, Culn, CuGa, CulnSn, CulnMn, CuGaSn. It is also conceivable to use NiCrMn or SnCu as a base material for solder.
  • an active metal layer is used whose thickness is between 10 nm and 1000 nm, preferably between 50 nm and 750 nm, particularly preferably between 100 and 500 nm Gasphasenab separates on the insulation element and / or the solder base material, which is preferably also designed as a film, is applied.
  • the active metal is rolled down to the desired thickness together with the solder material in order to form a comparatively thin bonding layer between the at least one metal layer and the insulation element.
  • a solder foil is preferably used which is smaller than 20 ⁇ m, preferably smaller than 12 ⁇ m and particularly preferably smaller than 8 ⁇ m.
  • the thickness of the solder layer assumes a value between 2 and 20 gm or between 2 and 5 gm between preferably between 8 and 15 gm and particularly preferably between 5 and 10 gm.
  • the solder base material is provided as a film, as a paste, as a layer created by physical gas phase deposition, and / or as an electrochemically formed layer.
  • a method for producing a carrier substrate comprising:
  • soldering layer in particular in the form of at least one soldering foil or hard soldering foil,
  • soldering layer Arranging the at least one soldering layer between the insulation element and the at least one metal layer along a stacking direction with the formation of a soldering system which comprises the at least one soldering layer and the at least one active metal layer, a soldering material of the at least one soldering layer preferably being free of a material that lowers the melting point or free of phosphorus is and
  • a multilayer soldering system consisting of at least one soldering layer, preferably free of elements that lower the melting point, particularly preferably composed of a phosphorus-free soldering layer, and at least one active metal layer, is provided.
  • the separation of the at least one active metal layer and the at least one solder layer proves to be particularly advantageous because it enables comparatively thin solder layers to be realized, especially if the solder layer is a foil.
  • soldering materials containing active metals comparatively large solder layer thicknesses have to be implemented because of the brittle intermetallic phases or the high modulus of elasticity and high yield point of the common active metals and their intermetallic phases, which hinder the deformation of the solder paste or solder layer, which results in the minimum layer thickness is limited by the manufacturing properties of the active metal-containing solder material.
  • active metal-containing solder layers it is not the minimum thickness required for the joining process that determines the minimum solder layer thickness of the solder layer, but rather the minimum solder layer thickness for the technically feasible minimum layer thickness of the solder layer determines the minimum solder layer thickness of the solder layer.
  • this thicker, active metal-containing solder layer is more expensive than thin layers.
  • the person skilled in the art understands phosphorus-free in particular to mean that the proportion of phosphorus in the solder layer is less than 150 ppm, less than 100 ppm and particularly preferably less than 50 ppm.
  • the further steps comprising:
  • hot isostatic pressing it is provided in particular that the receipt is made by heating under pressure, as in sintering, in which the first and / or the second metal layer of the metal container, in particular the later metal layer of the carrier substrate and any eutectic (oxide) )layer does not enter the melting phase.
  • lower temperatures are required in hot isostatic pressing than in a direct metal connection process, in particular a DCB process.
  • a solder base material can advantageously be dispensed with in the present procedure and only one active metal is required .
  • the use or utilization of the pressure during hot isostatic pressing also proves to be advantageous because it allows air inclusions or cavities between the first metal layer and / or the second metal layer on the one hand and the ceramic element on the other hand to be reduced, whereby the formation of voids in it rer frequency in the formed or manufactured metal-ceramic substrate can be reduced or even avoided. This has an advantageous effect on the quality of the bond between the metal layer or the first and / or second metal layer of the metal container and the ceramic element.
  • a melting temperature of the additional solder material can be lower than the temperature at which the hot isostatic pressing is carried out, i.e. H. less than the melting temperature of the at least one metal layer.
  • a gas pressure between 100 and 2000 bar, preferably between 150 and 1200 bar and particularly preferably between 300 and 1000 bar and a process temperature of 300 ° C up to a Temperature below the melting temperature of the at least one metal layer, is exposed.
  • a metal layer ie a first and / or second metal layer of the Metallbe container, to the ceramic element without the required temperatures of a direct metal connection process, such as a DCB or egg nem DAB process, and / or without a solder base material that is used in active soldering.
  • the method comprises the method steps:
  • a recess or a plurality of recesses for the formation of a second partial area or for the formation of the coding is embedded.
  • the corresponding formation of a recess increases the distance between the insulation element and the solder system, in particular to the at least one metal layer, so that the at least one metal layer is not connected to the insulation element in the said area or in the areas with a recess.
  • a corresponding recess is formed in a cover layer of the insulation element in order to form such recesses.
  • the insulation element has a core layer and at least one cover layer, the cover layer covering the core element.
  • the plate-shaped core element is first coated with a pasty and / or granular and / or powdery ceramic layer and in the frame a hot pressing under mechanical action is attached to the core layer.
  • a hot pressing under mechanical action is attached to the core layer.
  • Another object of the present invention is a method for reading out a marking in a carrier substrate according to the invention. All of the advantages and properties described for the method for producing the carrier substrate and for the carrier substrate can be transferred analogously to the method for reading out an identifier in a carrier substrate. It is preferably provided that a read-out device is used, in particular an ultrasonic device with which the identifier of the carrier substrate is read out.
  • the readout device is preferably positioned above the carrier substrate and the readout device is preferably connected in a communicating manner to a production facility in which the carrier substrate is manufactured, in particular in which the carrier substrate is structured.
  • the read-out device is connected to an evaluation device which receives information about the coding or identification. In this way, it is advantageously possible to use the coding to determine the placement of the structuring.
  • Embodiment of the present invention 2: schematically a carrier substrate according to a second preferred embodiment of the present invention
  • a carrier substrate 1 is shown schematically according to a first preferred embodiment of the present invention.
  • a carrier substrate 1 is preferably used as a carrier of electronic or electrical construction parts that can be connected to the carrier substrate 1, d. H. as a printed circuit board or PCB.
  • Essential components of such a carrier substrate 1 are an insulation element 30 extending along a main extension plane HSE and at least one metal layer 10 attached to the insulation element 30.
  • the insulation element 30 is made of at least one material comprising a ceramic.
  • the at least one metal layer 10 and the insulation element 30 are arranged one above the other along a stacking direction S running perpendicular to the main extension plane HSE and, in a finished state, are at least partially connected to one another by a bonding layer 15.
  • the at least one metal layer 10 and the bonding layer 15 are then preferably structured to form conductor tracks or connection points for the electrical components. For example, this structuring is etched into the at least one metal layer 10. In advance, however, a permanent bond, in particular a material connection, must be formed between the at least one metal layer 10 and the insulation element 30.
  • At least one further metal layer 20 is provided next to the at least one metal layer 10 on the insulation element 30 on an opposite side.
  • the at least one further metal layer 20 serves as the rear side metallization of the carrier substrate 1.
  • the further metal layer 20 preferably forms a rear side metallization and / or at least part of a cooling body.
  • the carrier substrate 1 is provided with a coding 18 or an identification.
  • This is preferably an individual coding 18 which, for example, allows the carrier substrate 1 to be traced back.
  • This makes it possible, for example, by means of the coding 18 to determine in which batch the carrier substrate 1 was produced and / or which starting materials, for example for the insulation element 30, the at least one metal layer 10 and / or a possibly used solder system, have been used here.
  • the respective carrier substrate 1 and the corresponding coding 18 are each assigned information that is stored, for example, in a database, in particular on a server, and viewed, for example, by a user who has purchased the carrier substrate 1 so that traceability is possible.
  • the coding 18 or identification is used to pass on information within the scope of the manufacturing process, for example information that contains the location of defects, in particular voids, in the carrier substrate 1.
  • information can advantageously be used during structuring to align the position of the structuring in such a way that metal is removed from the at least one metal layer 10 in particular in the area with voids and / o the flaws. This reduces the number of rejects on incorrectly produced carrier substrates 1.
  • the information is stored in a database, in particular on a server or a network, together with the corresponding coding 18. If the coding 18 is identified in this way, the corresponding information can be assigned to the coding 18 and thus to the carrier substrate 1. This can then in turn be used for the following manufacturing process.
  • the embodiment of Figure 1 is characterized in that the coding 18 in, d. H. is arranged within the carrier substrate 1.
  • the coding 18 is therefore not visually detectable from the outside, i. H. it is a coding that cannot be visually detected.
  • the coding 18 is let into the binding layer 15 and is thus formed between the at least one metal layer 10 and the insulation element 30.
  • such a coding 18 can be read out by means of an ultrasound device.
  • the arrangement of the coding 18 within the carrier substrate 1 proves to be advantageous that when reading out the coding 18 reflections and / or shadows that make reading more difficult would not have to be taken into account. In addition, it is prevented that soiling affects the codes 18 in such a way that they can no longer be read out. In addition, manipulation of the coding 18 is made more difficult.
  • the identification or coding18 is preferably achieved in that the binding layer 10 is structured, that is, first sub-areas and second sub-areas exist in the manufactured carrier substrate 1, a binding layer 15 being arranged between the at least one metal layer 10 and the insulation element 30 in the first sub-area and no binding layer for forming an interrupted or structured binding layer between the at least one metal layer 10 and the insulation element 30 is arranged in a second partial area.
  • the internal coding is also formed by a corresponding formation of back jumps in the insulation element 30 and the at least one metal layer 10 in the surface sides facing the binding layer.
  • the coding 18 is formed in a metal section of the at least one metal layer 10, in particular only in a single metal section of the carrier substrate 1.
  • the carrier substrate 1 comprises a coding area 19 or section, the coding area 19 or section preferably being arranged in a series of carrier substrates 1 at the same position or essentially in the same position, the coding 18 itself from Can differentiate between carrier substrate 1 and carrier substrate 1.
  • a carrier substrate 1 is provided according to a second exemplary embodiment.
  • the view shown in FIG. 2 shows a plan view of the carrier substrate 1 at the top.
  • a coding area 19 with the coding 18 is shown, which indicates that first and second subsections are provided in a specific area or in a surface area.
  • the first and second partial areas, ie in particular the structuring of the binding layer 15, are designed in such a way that their placement within the coding area 19 defines the identification or coding 18.
  • the coding 18 is a machine-readable identification, for example a bar coding, a QR code, data matrix code, or the like.
  • the coding 18 is limited to one surface area, namely the coding area 19. As the lower section in FIG.
  • FIGS. 3a-3d a method is shown schematically in accordance with an exemplary embodiment of the present invention for producing a carrier substrate 1.
  • the connection of the at least one metal layer 10 to the insulation element 30 is carried out via an active metal layer 17.
  • the active metal is applied in a structured manner to form a structured active metal layer 17 as part of a physical gas phase deposition, in particular in the form of sputtering.
  • a masking or mask 25 is used, for example, with which it is possible to form active metal in specific areas for forming the active metal layer 17 on the insulation element 30.
  • the active metal layer 17 is provided as a film in which a structuring is incorporated into the active metal layer 17, for example by punching and / or embossing.
  • the active metal for forming the active metal layer 17 as a structured film is first connected to a solder base material before the connection to the insulation element 30 takes place.
  • the active metal layer 17 is applied over a large area. Structuring is then deliberately incorporated into the active metal layer 17 by means of lasers.
  • a solder system is used which, in addition to the active metal in the active metal layer 17, includes a solder base material layer 16 made from the solder base material.
  • the active metal layer 17 and the solder base material layer 16 form separate layers. This advantageously ensures that a flat and continuous binding layer is formed over the active metal layer 17, that is, without an intentional interruption in the binding layer 15 outside the areas that do not form a binding layer 15 due to the structuring of the active metal layer 17. This proves to be particularly advantageous because it can ensure that areas without a bonding layer 15 between the at least one metal layer 10 and the insulation element 30 are not accidentally caused by a lack of available active metal.
  • the finished carrier substrate 1 with the binding layer 15 is shown in FIG. 3c, the binding layer 15 being structured to form the coding 18 in the coding region 19.
  • FIG. 3d shows the structured carrier substrate 1, the structuring taking place following the connection of the at least one metal layer to the insulation element, and in particular following the formation of the coding 18 or marking.
  • sections or portions of the at least one metal layer 10 and the binding layer 15 are preferably etched away, preferably outside the coding area 19. It would also be conceivable for the structuring to be carried out by mechanical processing. Furthermore, it is conceivable to remove the at least one metal layer 10 again at least in sections in the coding region 19 in order to expose the structured binding layer 15. The code 19 exposed in this way can then be read out optically, for example.
  • the method is characterized in that the coding 18 is already implemented or is implemented at the same time as the connection of the at least one metal layer to the insulation element.
  • any errors or voids are assigned to the respective coding 18 only after the connection, in particular after the coding 18 has been produced.

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Abstract

The invention relates to a support substrate (1), in particular as a support for electric components, comprising: - at least one metal layer (10) and - an insulating element (30). The at least one metal layer (10) and the insulating element (30) extend substantially parallel to a main extension plane (HSE) and are arranged one over the other in a stacking direction (S) running perpendicularly to the main extension plane (HSE), and a coding (18) is formed within the support substrate (10).

Description

Trägersubstrat, Verfahren zur Herstellung eines solchen Trägersub strats und Verfahren zum Auslesen einer Kodierung im Trägersubstrat Carrier substrate, method for producing such a carrier substrate and method for reading out a code in the carrier substrate
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Trägersubstrat, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Trägersubstrats und ein Verfahren zum Auslesen einer Kodierung im Trägersubstrat. The present invention relates to a carrier substrate, a method for producing such a carrier substrate and a method for reading out a code in the carrier substrate.
Trägersubstrate, beispielsweise Metall-Keramik-Substrate, sind als Leiterplatten oder Platinen aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt. Typischerweise werden auf einer Bauteilseite des Trägersubstrats Anschlussflächen für elektri sche bzw. elektronische Bauteile und Leiterbahnen angeordnet, wobei die elektri schen Bauteile und Leiterbahnen zu elektrischen Schaltkreisen zusammenschalt- bar sind. Wesentliche Bestandteile der Trägersubstrate sind ein Isolationselement, die aus einer Keramik gefertigt ist, und eine an das Isolationselement angebun dene Metallschicht. Wegen ihren vergleichsweise hohen Isolationsfestigkeiten ha ben sich aus Keramik gefertigte Isolationselemente als besonders vorteilhaft er wiesen. Durch eine Strukturierung der Metallschicht können dabei Leiterbahnen und/oder Anschlussflächen für die elektrischen bzw. elektronischen Bauteile reali siert werden. Carrier substrates, for example metal-ceramic substrates, are well known as printed circuit boards or printed circuit boards from the prior art. Typically, connection surfaces for electrical or electronic components and conductor tracks are arranged on one component side of the carrier substrate, wherein the electrical components and conductor tracks can be interconnected to form electrical circuits. Essential components of the carrier substrates are an insulation element made of ceramic and a metal layer attached to the insulation element. Because of their comparatively high insulation strengths, insulation elements made of ceramic have proven to be particularly advantageous. By structuring the metal layer, conductor tracks and / or connection surfaces for the electrical or electronic components can be implemented.
Aus der EP 3 185655 A1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem ein unstrukturiertes Metall-Keramik-Substrat bereitgestellt wird und das Trägersubstrat mit einer indivi dualisierten Kodierung bzw. Kennzeichnung versehen wird. Mittels der Kodierung lassen sich dem Trägersubstrat Informationen zuordnen, auf die im Falle eines Auslesens der Kodierung zurückgegriffen werden kann. Beispiele für solche Infor mationen sind Fehler am Trägersubstrat, ein Herstellungsdatum oder eine Char gennummer. From EP 3 185655 A1 a method is known in which an unstructured metal-ceramic substrate is provided and the carrier substrate is provided with an individualized coding or identification. By means of the coding, information can be assigned to the carrier substrate, which in the case of a Reading out the coding can be used. Examples of such information are errors on the carrier substrate, a date of manufacture or a batch number.
Ausgehend von diesem Stand der Technik macht es sich die vorliegende Erfin dung zur Aufgabe, die Herstellung von Trägersubstraten weiter zu verbessern, ins besondere in Hinblick auf deren Rückverfolgung bzw. die Qualität der gefertigten Trägersubstrate. Based on this prior art, the present invention makes the task of further improving the production of carrier substrates, in particular with regard to their tracing or the quality of the carrier substrates produced.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Trägersubstrat gemäß Anspruch 1 , ein Ver fahren zur Herstellung eines Trägersubstrats gemäß Anspruch 6 und ein Verfah ren zum Auslesen einer Kodierung gemäß Anspruch 10. Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der Be schreibung und den beigefügten Figuren. This object is achieved by a carrier substrate according to claim 1, a method for producing a carrier substrate according to claim 6 and a method for reading out a code according to claim 10. Further advantages and features of the invention emerge from the dependent claims as well as the description and the attached figures.
Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Trägersubstrat, insbesondere ein Metall-Kera- mik-Substrat, als Träger für elektrische Bauteile, vorgesehen, umfassend, According to a first aspect, a carrier substrate, in particular a metal-ceramic substrate, is provided as a carrier for electrical components, comprising
- mindestens eine Metallschicht und - at least one metal layer and
- ein Isolationselement, bevorzugt ein Keramikelement, ein Glaselement, ein Glaskeramikelement und/oder ein Kunststoffelement, wobei sich die mindestens eine Metallschicht und das Isolationselement im We sentlichen parallel zur einer Haupterstreckungsebene erstrecken und entlang einer senkrecht zur Haupterstreckungsebene verlaufenden Stapelrichtung übereinander angeordnet sind, und wobei eine Kodierung innerhalb des Trägersubstrats ausgebildet ist. Insbesondere handelt es sich bei dem Trägersubstrat um ein Metall-Keramik-Substrat. - An insulation element, preferably a ceramic element, a glass element, a glass ceramic element and / or a plastic element, wherein the at least one metal layer and the insulation element extend essentially parallel to a main extension plane and are arranged one above the other along a stacking direction perpendicular to the main extension plane, and wherein a coding is formed within the carrier substrate. In particular, the carrier substrate is a metal-ceramic substrate.
Im Gegensatz zu den Kodierungen aus dem Stand der Technik, die es vorsehen, dass die Kennzeichnung oder Kodierung an der Außenseite, insbesondere der mindestens einen Metallschicht, angeordnet ist, ist es erfindungsgemäß vorgese hen, dass die Kodierung innerhalb des Trägersubstrats angeordnet ist. Dies er- weist sich insbesondere deshalb als vorteilhaft, weil die Kodierung dadurch ge schützt ist vor eventuellen Verschmutzungen. Außerdem wird das Auslesen, ins besondere gegenüber einem optischen Auslesen, vereinfacht bzw. verbessert, weil gegebenenfalls auftretende Reflexe und/oder Sichteinschränkungen beim Auslesen nicht länger Einfluss nehmen auf das Identifizieren bzw. Bestimmen der jeweiligen Kodierungen. Darüber hinaus werden Manipulationen an der Kodierung erschwert. Bei dem Isolationselement aus Kunststoff handelt es sich bevorzugt um ein Kunststoff, der den beim Löten herrschenden Prozesstemperaturen, insbeson dere oberhalb von 600 °C, standhält. In contrast to the codes from the prior art, which provide that the marking or coding is arranged on the outside, in particular the at least one metal layer, it is provided according to the invention that the coding is arranged within the carrier substrate. This- proves to be particularly advantageous because the coding is thereby protected against possible soiling. In addition, the read-out is simplified or improved, in particular compared to an optical read-out, because any reflections and / or visual restrictions that may occur during read-out no longer influence the identification or determination of the respective codes. In addition, manipulation of the coding is made more difficult. The insulation element made of plastic is preferably a plastic that withstands the process temperatures prevailing during soldering, in particular above 600 ° C.
Darüber hinaus gestattet die Anordnung der Kodierung innerhalb des Trägersub strats das die gesamte Oberseite der mindestens einen Metallschicht als An schlussfläche genutzt werden kann, ohne dass die potentielle Anschlussfläche durch die Kodierung bzw. die Kennzeichnung reduziert ist. In addition, the arrangement of the coding within the carrier substrate allows the entire top of the at least one metal layer to be used as a connection surface without the potential connection surface being reduced by the coding or the identification.
Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass die Kennzeichnung bzw. Kodierung dazu vorgesehen ist, im Rahmen eines Fertigungsverfahrens bzw. im Rahmen eines Folgeschritts nach der Bildung der Kennzeichnung im Fertigungsverfahren genutzt zu werden und/oder zur Rückverfolgung des jeweiligen Trägersubstrats nach der Fertigung des Trägersubstrats. Vorzugsweise ist die Kennzeichnung bzw. Kodie rung bereits vor dem Strukturieren der mindestens einen Metallschicht im Trä gersubstrat realisiert. Beispielsweise ist es vorstellbar, dass die jeweiligen Kodie rung eventuelle Fehlstellen und/oder Fehler in der Anbindung der mindestens ei nen Metallschicht an das Isolationselement, bevorzugt deren Position bzw. Lage, zugeordnet sind und/oder eine Chargennummer und/oder eine Materialspezifika tion, die die mindestens eine Metallschicht und/oder das Isolationselement und/o der das gesamte Trägersubstrat betrifft. Vorzugsweise ist eine Datenbank vorge sehen, in der Kodierungen sowie Informationen, insbesondere Informationen zu eventuellen Positionen eines Fehlers und/oder zur Identifikation des Trägersub strats, einander zugeordnet und hinterlegt sind. Vorzugsweise handelt es sich bei der Kennzeichnung um eine individuelle Kennzeichnung, die sich beispielsweise von Trägersubstrat zu Trägersubstrat unterscheidet. Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass eine Kennzeichnung in einer Großkarte vorgesehen ist und der Kennzeichnung alle Informationen über alle Fehlstellen in nerhalb der Großkarte zugeordnet werden, so dass die Positionierung der Struktu rierung, und/oder der Sollbruchlinien, entlang derer die Großkarte in einzelne Trä gersubstrate unterteilt wird, entsprechend orientiert werden kann. Dadurch können Isolationsgräben und/oder Sollbruchstellen vorzugsweise im Bereich von Fehlern oder Lunkern platziert werden. Dies reduziert die Wahrscheinlichkeit, ein fehlerhaf tes Trägersubstrat zu bilden. Hierzu ist es vorzugsweise vorgesehen, dass die identifizierten Fehler, die insbesondere der Kodierung zugeordnet sind, von einer Auswerteeinrichtung entsprechend ausgewertet werden, um eventuell eine Ver schiebung des vorgesehenen Strukturmusters bzw. der Strukturierung während des Fertigungsprozesses zu veranlassen. It is preferably provided that the identification or coding is intended to be used within the framework of a manufacturing process or within the framework of a subsequent step after the identification has been formed in the manufacturing process and / or for tracing the respective carrier substrate after the carrier substrate has been manufactured. The identification or coding is preferably implemented before the structuring of the at least one metal layer in the carrier substrate. For example, it is conceivable that the respective coding is assigned to any defects and / or errors in the connection of the at least one metal layer to the insulation element, preferably its position or location, and / or a batch number and / or a material specification that the at least one metal layer and / or the insulation element and / o which relates to the entire carrier substrate. A database is preferably provided in which the codes and information, in particular information on possible positions of a fault and / or on the identification of the carrier substrate, are assigned to one another and stored. The identification is preferably an individual identification which differs, for example, from carrier substrate to carrier substrate. It is preferably provided that a marking is provided in a large map and all information about all flaws within the large map is assigned to the marking, so that the positioning of the structuring and / or the predetermined breaking lines along which the large map is divided into individual carrier substrates is subdivided, can be oriented accordingly. As a result, isolation trenches and / or predetermined breaking points can preferably be placed in the area of defects or cavities. This reduces the likelihood of forming a defective carrier substrate. For this purpose, it is preferably provided that the identified errors, which are in particular assigned to the coding, are appropriately evaluated by an evaluation device in order to possibly cause a shift of the intended structure pattern or the structuring during the manufacturing process.
Vorzugsweise ist das Trägersubstrat als Leiterplatte ausgebildet, bei der im gefer tigten Zustand die mindestens eine Metallschicht, die an das Isolationselement an gebunden ist, strukturiert ist. Beispielsweise ist es hierzu vorgesehen, dass nach dem Anbindungsschritt auch eine Strukturierung, beispielsweise durch Lasern, Ät zen und/oder eine mechanische Bearbeitung, vorgenommen wird, mit der Leiter bahnen und/oder Anschlüsse für elektrische oder elektronische Bauteile realisiert werden. Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass an einem gefertigten Trägersub strat an dem Isolationselement, an dem der Metallschicht gegenüberliegenden Seite, eine weitere Metallschicht, insbesondere eine Rückseitenmetallisierung und/oder ein Kühlelement, vorgesehen ist. Dabei dient die Rückseitenmetallisie rung vorzugsweise dazu, einer Durchbiegung entgegenzuwirken und das Kühlele ment dient einem wirkungsvollen Abführen von Wärme, die im Betrieb von elektri schen bzw elektronischen Bauteilen ausgeht, die an die Leiterplatte, bzw. das Trä gersubstrat angebunden sind. The carrier substrate is preferably designed as a printed circuit board in which, in the finished state, the at least one metal layer that is bonded to the insulation element is structured. For example, it is provided for this purpose that, after the connection step, structuring, for example by laser, etching and / or mechanical processing, is carried out, with which conductor tracks and / or connections for electrical or electronic components are realized. Provision is preferably made for a further metal layer, in particular a rear-side metallization and / or a cooling element, to be provided on a manufactured carrier substrate on the insulation element on the side opposite the metal layer. The backside metallization is preferably used to counteract any deflection and the cooling element is used to effectively dissipate heat that is generated during operation from electrical or electronic components that are connected to the printed circuit board or the carrier substrate.
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, Nickel und/oder deren Legierungen wie z. B. CuZr, AlSi oder AlMgSi, sowie Laminate wie CuW, CuMo, CuAI und/oder AICu oder MMC (metal matrix composite), wie CuW, CuMo oder AlSiC, vorstellbar. Wei terhin ist bevorzugt vorgesehen, dass die mindestens eine Metallschicht am gefer tigten Metall-Keramik-Substrat, insbesondere als Bauteilmetallisierung, oberflä chenmodifiziert ist. Als Oberflächenmodifikation ist beispielsweise eine Versiege lung mit einem Edelmetall, insbesondere Silber und/oder Gold, oder (electroless) Nickel oder ENIG („ electroless nicket immersion gold“) oder ein Kantenverguss an der Metallisierung zur Unterdrückung einer Rissbildung bzw. -Weitung denkbar. The 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 are copper, aluminum, molybdenum, tungsten, nickel and / or their alloys such as. B. CuZr, AlSi or AlMgSi, as well as laminates such as CuW, CuMo, CuAI and / or AICu or MMC (metal matrix composite), such as CuW, CuMo or AlSiC, imaginable. Furthermore, it is preferably provided that the at least one metal layer on the finished metal-ceramic substrate, in particular as component metallization, is surface-modified. Sealing with a noble metal, in particular silver and / or gold, or (electroless) nickel or ENIG (“electroless nicket immersion gold”) or edge potting on the metallization to suppress cracking or widening is conceivable as a surface modification.
Vorzugsweise weist das Keramikelement AI2O3, S13N4, AIN, eine HPSX-Keramik (d. h. eine Keramik mit einer AI2O3- Matrix, die einen x-prozentigen Anteil an Zr02 umfasst, beispielsweise AI2O3 mit 9% Zr02 = HPS9 oder AI2O3 mit 25% Preferably, the ceramic element Al2O3, S13N4, AlN, a HPSX ceramic (ie a ceramic with an Al2O3 matrix that includes an x percent share of Zr0 2 , for example Al2O3 with 9% Zr0 2 = HPS9 or Al2O3 with 25%
Zr02 = 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. Hyb ridkeramik ausgebildet ist, bei der zur Kombination verschiedener gewünschter Ei genschaften mehrere Keramikschichten, die sich jeweils in Hinblick auf ihre mate rielle Zusammensetzung unterscheiden, übereinander angeordnet und zu einem Isolationselement zusammengefügt sind. Denkbar ist auch, dass im Isolationsele ment zwischen zwei Keramikschichten eine metallische Zwischenschicht angeord net ist, die vorzugsweise dicker als 1 ,5 mm und/oder dicker als die zwei Keramik schichten in Summe ist. Vorzugsweise wird eine möglichst wärmeleitfähige Kera mik für einen möglichst geringen Wärmewiderstand verwendet. Zr0 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 several ceramic layers, each differing in terms of their material composition, are arranged one above the other and joined together to form an insulation element to combine various desired properties . It is also conceivable that a metallic intermediate layer is arranged between two ceramic layers in the insulation element, which is preferably thicker than 1.5 mm and / or thicker than the total of the two ceramic layers. A ceramic that is as thermally conductive as possible is preferably used for the lowest possible thermal resistance.
Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass die Kodierung eine von außen nicht visuell erfassbare Kodierung ist. Beispielsweise ist es vorgesehen, dass die Kodierung mittels eines Ultraschallgeräts bzw. mittels Ultraschalls ausgelesen wird. Alternativ ist es vorstellbar, dass die nicht visuell erfassbare Kodierung mittels nicht sichtba rer Strahlung, d. h. Strahlung außerhalb des sichtbaren Wellenlängenspektrums, insbesondere mittels Röntgenstrahlung, ausgelesen wird. Unter einer Kodierung und/oder Kennzeichnung ist insbesondere ein individueller Verlauf, insbesondere in der Bindungsschicht, zu verstehen, der von außen, ggf. mit technischen Mitteln, wie einem Ultraschallgerät, auslesbar ist. Die Bindungsschicht ist dabei vorzugs weise Resultat einer Anbindung der mindestens einen Metallschicht an das Isolati onselement über eine Aktivmetallschicht und ggf. eine Lötbasisschicht. It is preferably provided that the coding is a coding which cannot be visually detected from the outside. For example, it is provided that the coding is read out by means of an ultrasound device or by means of ultrasound. Alternatively, it is conceivable that the non-visually detectable coding is read out by means of non-visible radiation, ie radiation outside the visible wavelength spectrum, in particular by means of X-rays. A coding and / or identification is in particular an individual course, in particular in the binding layer, which can be read from the outside, possibly with technical means such as an ultrasound device. The binding layer is preferably the result of a connection of the at least one metal layer to the insulation element via an active metal layer and possibly a solder base layer.
Vorzugsweise ist ein Anteil an Aktivmetall in der ein Aktivmetall umfassenden Haftvermittlerschicht bzw. Bindungsschicht größer ist als 15 Gew.- %, bevorzugt größer als 20 Gew.- % und besonders bevorzugt größer als 25 Gew.- %. A proportion of active metal in the adhesion promoter layer or binding layer comprising an active metal is preferably greater than 15% by weight, preferably greater than 20% by weight and particularly preferably greater than 25% by weight.
Vorstellbar ist ebenfalls, dass die Rauigkeit Ra einer Oberfläche des Isolationsele ments zumindest bereichsweise größer ist als 1 ,0 gm, bevorzugt zwischen 0,4 gm und 1 ,5 gm und besonders bevorzugt zwischen 0,75 und 1 ,25 gm. Insbesondere hat sich herausgestellt, dass mit zunehmender Rauigkeit auch der Flächenwider stand zunimmt. It is also conceivable that the roughness R a of a surface of the insulation element is at least partially greater than 1.0 gm, preferably between 0.4 gm and 1.5 gm and particularly preferably between 0.75 and 1.25 gm. In particular It turned out that the surface resistance also increases with increasing roughness.
Weiterhin hat es sich herausgestellt, dass es möglich ist, den äußersten Rand der mindestens einen Metallschicht, insbesondere an der dem Isolationselement zu gewandten Seite, derart auszugestalten, dass er weniger zu einer Fransenbildung neigt. Während es bei den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren üb lich ist, dass sich ein ausgefranster äußerster Rand ausbildet, ist es möglich, diese Fransenbildung zu unterdrücken. Die Seitenlänge der mindestens einen Metall schicht im Randbereich bestimmt sich vorzugsweise als Erstreckung zwischen ei ner oberen Kante der mindestens einen Metallschicht an der dem Isolationsele ment abgewandten Seite, und einer unteren Kante, die die Metallschicht an der dem Isolationselement zugewandten Seite am äußersten Umfang begrenzt. Dabei wird ein Stoffschlussmittel, wie beispielswiese ein Lotmaterial oder dessen Rück stände, der unteren Kante der mindestens einen Metallschicht zugerechnet. Im Rahmen der Strukturierung der mindestens einen Metallschicht ist es im Stand der Technik üblich, dass die untere Kante entlang einer Umlaufrichtung um einen durch die Strukturierung entstandenen Metallabschnitte nicht geradlinig verläuft, wodurch ein fransenartiger Verlauf bedingt wird. Dies führt dazu, dass die Länge der mindestens einen Metallschicht zwischen der oberen Kante und der unteren Kante, bemessenen in einer parallel zur Haupterstreckungsebene verlaufenden Richtung, entlang der Umlaufrichtung variiert. Dies entspricht der Fransenbildung am äußersten Umfang der mindestens einen Metallschicht. Dabei sind die Längen des äußersten Rand bemessenen zwischen der oberen Kante und der unteren Kante der mindestens einen Metallschicht stochastisch verteilt. Furthermore, it has been found that it is possible to design the outermost edge of the at least one metal layer, in particular on the side facing the insulation element, in such a way that it is less prone to fraying. While it is common in the methods known from the prior art that a frayed outermost edge is formed, it is possible to suppress this formation of fringes. The side length of the at least one metal layer in the edge area is preferably determined as an extension between an upper edge of the at least one metal layer on the side facing away from the Isolationsele element, and a lower edge that delimits the metal layer on the side facing the insulation element at the outermost circumference. A material bonding agent, such as a solder material or its residue, is assigned to the lower edge of the at least one metal layer. In the context of the structuring of the at least one metal layer, it is customary in the prior art for the lower edge not to run in a straight line along a circumferential direction around a metal section created by the structuring, which results in a fringe-like course. This results in the length of the at least one metal layer between the upper edge and the lower Edge, measured in a direction running parallel to the main extension plane, varies along the direction of rotation. This corresponds to the formation of fringes on the outermost circumference of the at least one metal layer. The lengths of the outermost edge are stochastically distributed between the upper edge and the lower edge of the at least one metal layer.
Es hat sich herausgestellt, dass es möglich ist diese Variation in der Länge des äußersten Rands der mindestens einen Metallschicht einzuschränken. Insbeson dere ist es vorgesehen, dass eine Standardabweichung einer Länge des äußers ten Randbereichs der mindestens einen Metallschicht, bemessen zwischen einer oberen und unteren Kante der mindestens einen Metallschicht in einer parallel zur Haupterstreckungsebene verlaufenden Richtung, einen Wert kleiner als 0,4, be vorzugt kleiner als 0,2 und besonders bevorzugt kleiner als 0,1 annimmt. Durch die geringere Streuung in Hinblick auf die Länge der mindestens einen Metall schicht im Randbereich ist es in vorteilhafter Weise möglich unter Berücksichti gung von etwaigen Fertigungstoleranzen benachbarte Metallabschnitte näher an einander zu realisieren. Dies unterstützt die Bildung von möglichst kompakten Lei terplatten. It has been found that it is possible to restrict this variation in the length of the outermost edge of the at least one metal layer. In particular, it is provided that a standard deviation of a length of the outer edge region of the at least one metal layer, measured between an upper and lower edge of the at least one metal layer in a direction parallel to the main extension plane, is a value less than 0.4, preferably less as 0.2 and particularly preferably less than 0.1. Due to the lower scatter with regard to the length of the at least one metal layer in the edge area, it is advantageously possible to realize adjacent metal sections closer to one another, taking into account any manufacturing tolerances. This supports the formation of the most compact Lei terplatten possible.
Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass die Kodierung in einer Bindungsschicht zwischen der mindestens einen Metallschicht und dem Isolationselement angeord net ist. Insbesondere ist es möglich durch eine gezielte Strukturierung der Bin dungsschicht eine Kodierung innerhalb des Trägersubstrats zu realisieren. Dabei ist es bevorzugt vorgesehen, dass in einem festgelegten Kodierungsbereich an dem Trägersubstrat bzw. der Großkarte eine Kodierungsfläche festgelegt ist, in der die Kodierung hinterlegt ist. Dadurch kann das Ultraschallgerät bevorzugt an der gleichen Stelle nach der Kodierung im Trägersubstrat suchen. Beispielsweise kann die Kodierung die Form oder Gestalt eines QR- , Data-Matrix-Codes oder Barcodes aufweisen, bei dem punktuell oder entlang Linien die Bindungsschicht unterbrochen ist bzw. strukturiert ist. Alternativ oder ergänzend ist es vorstellbar, dass die mindestens eine Metall schicht und/oder das Isolationselement an einer Seite strukturiert ist, d. h. mit ei nem rückspringenden Oberflächenverlauf versehen ist, über die im gefertigten Trägersubstrat die mindestens eine Metallschicht an das Isolationselement ange bunden ist. Durch den strukturierten Verlauf lässt sich ebenfalls eine Kodierung bzw. Kennzeichnung innerhalb des Trägersubstrats realisieren. It is preferably provided that the coding is arranged in a binding layer between the at least one metal layer and the insulation element. In particular, it is possible to implement coding within the carrier substrate by specifically structuring the binding layer. It is preferably provided that a coding area in which the coding is stored is defined in a defined coding area on the carrier substrate or the large card. As a result, the ultrasound device can preferably search for the coding in the carrier substrate at the same point. For example, the coding can have the form or shape of a QR code, data matrix code or bar code, in which the binding layer is interrupted or structured at points or along lines. Alternatively or additionally, it is conceivable that the at least one metal layer and / or the insulation element is structured on one side, ie is provided with a recessed surface course via which the at least one metal layer is connected to the insulation element in the manufactured carrier substrate. A coding or marking within the carrier substrate can also be implemented through the structured course.
Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass ein die Kodierung umfassender Kodie rungsbereich mindestens einen ersten Teilbereich und mindestens einen zweiten Teilbereich aufweist, wobei eine Anbindungsstärke der mindestens einen Metall schicht an das Isolationselement in dem mindestens einen ersten Teilbereich grö ßer ist als die Anbindungsstärke der mindestens einen Metallschicht an das Isola tionselement in dem mindestens zweiten Teilbereich. Bevorzugt ist es vorgese hen, dass im zweiten Teilbereich zwischen der mindestens einen Metallschicht und dem Isolationselement keine Bindungsschicht ausgebildet ist, um dadurch Be standteil der Kodierung zu werden. Provision is preferably made for a coding area comprising the coding to have at least one first sub-area and at least one second sub-area, a connection strength of the at least one metal layer to the insulation element in the at least one first sub-area being greater than the connection strength of the at least one metal layer to the insulation element in the at least second sub-area. It is preferably provided that no binding layer is formed in the second partial area between the at least one metal layer and the insulation element in order to thereby become part of the coding.
Die mindestens eine Metallschicht ist dabei über eine Bindungsschicht an das Iso lationselement angebunden. The at least one metal layer is connected to the insulation element via a binding layer.
Vorzugsweise weist eine Haftvermittlerschicht der Bindungsschicht einen Flächen widerstand auf, der größer als 5 Ohm/sq, bevorzugt größer als 10 Ohm/sq und be sonders bevorzugt größer als 20 Ohm/sq ist. Im Falle eines Metall-Keramik-Sub- strats wird die Haftvermittlerschicht dabei vorzugsweise durch eine Verbindung re alisiert bzw. ausgebildet, die zum einen das Aktivmetall, beispielsweise Titan, und zum anderen die Bestandteile des Keramikelements, beispielsweise Sauerstoff O, Stickstoff N und/oder Kohlenstoff C und/oder Silizium Si, und/oder Aluminium AI und/oder Magnesium, Mg und/oder Calcium, Ca umfasst. In entsprechender Weise umfasst die Haftvermittlerschicht beispielsweise Titannitrid, Titancarbid und/oder Titanoxid, insbesondere in verschiedenen Oxidationsstufen. Gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Trägersubstraten ist es bevorzugt vorgesehen, dass der Flächenwiderstand einer Haftvermittlerschicht der Bindungsschicht größer ist als 5 Ohm/sq, bevorzugt größer als 10 Ohm/sq und be sonders bevorzugt größer als 20 Ohm/sq ist. Der ermittelte Flächenwiderstand steht dabei im direkten Zusammenhang mit einem Anteil des Aktivmetalls in der Haftvermittlerschicht, die maßgeblich für die Anbindung der mindestens einen Me tallschicht an das Isolationselement ist. Dabei nimmt der Flächenwiderstand mit abnehmenden Aktivmetallanteil in der Bindungsschicht zu. Ein entsprechend ho her Flächenwiderstand entspricht somit einem geringen Aktivmetallanteil in der Haftvermittlerschicht. An adhesion promoter layer of the binding layer preferably has a surface resistance which is greater than 5 ohm / sq, preferably greater than 10 ohm / sq and particularly preferably greater than 20 ohm / sq. In the case of a metal-ceramic substrate, the adhesion promoter layer is preferably implemented or formed by a connection which, on the one hand, contains the active metal, for example titanium, and, on the other hand, the constituents of the ceramic element, for example oxygen O, nitrogen N and / or Carbon C and / or silicon Si, and / or aluminum Al and / or magnesium, Mg and / or calcium, Ca comprises. In a corresponding manner, the adhesion promoter layer comprises, for example, titanium nitride, titanium carbide and / or titanium oxide, in particular in different oxidation states. Compared to the carrier substrates known from the prior art, it is preferably provided that the sheet resistance of an adhesion promoter layer of the bonding layer is greater than 5 ohm / sq, preferably greater than 10 ohm / sq and particularly preferably greater than 20 ohm / sq. The surface resistance determined is directly related to a proportion of the active metal in the adhesion promoter layer, which is decisive for the connection of the at least one metal layer to the insulation element. The sheet resistance increases as the proportion of active metal in the binding layer decreases. A correspondingly high sheet resistance thus corresponds to a low active metal content in the adhesion promoter layer.
Es hat sich dabei herausgestellt, dass mit zunehmenden Anteil an Aktivmetall die Bildung von spröden, intermetallischen Phasen begünstigt wird, was wiederum nachteilig ist für eine Abzugsfestigkeit der Metallschicht an der Isolationsschicht. Mit anderen Worten: Mit den anspruchsgemäßen Flächenwiderständen werden solche Bindungsschichten beschrieben, deren Abzugsfestigkeit aufgrund der redu zierten Bildung von spröden intermetallischen Phasen, verbessert, d. h. vergrößert wird. Durch das gezielte Einstellen der anspruchsgemäßen Flächenwiderstände lassen sich somit besonders starke Anbindungen der mindestens einen Metall schicht an das Keramikelement realisieren. Eine solche erhöhte Anbindungsstärke wirkt sich in vorteilhafter Weise auf die Lebensdauer des Trägersubstrats aus. It has been found that with an increasing proportion of active metal, the formation of brittle, intermetallic phases is favored, which in turn is disadvantageous for the peel strength of the metal layer on the insulation layer. In other words: the sheet resistances according to the claims describe those bonding layers whose peel strength is improved due to the reduced formation of brittle intermetallic phases, i.e. H. is enlarged. Through the targeted setting of the sheet resistances according to the claims, particularly strong connections of the at least one metal layer to the ceramic element can be realized. Such an increased connection strength has an advantageous effect on the service life of the carrier substrate.
Dabei ist es zur Bestimmung des Flächenwiderstands vorgesehen, dass am gefer tigten Trägersubstrat zunächst die Metallschicht und ggf. eine Lotbasisschicht, bei spielsweise durch Ätzen, wieder entfernt werden. Mittels einer Vier-Punkt Mes sung wird dann an der Oberseite bzw. Unterseite des von der mindestens einen Metallschicht und der Lotbasisschicht befreiten Trägersubstrats ein Flächenwider stand gemessen. Insbesondere ist unter dem Flächenwiderstand einer Material probe dessen Widerstand bezogen auf einen quadratischen Oberflächenbereich zu verstehen. Es ist hierbei üblich den Oberflächenwiderstand mit der Einheit Ohm/sq zu kennzeichnen. Die Physikalische Einheit des Flächenwiderstandes ist Ohm. Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass eine in Stapelrichtung bemessene Dicke der Bindungsschicht, gemittelt über mehrere Messpunkte innerhalb einer vorbe stimmten Fläche oder in mehreren Flächen, die parallel zur Flaupterstreckungs- ebene verläuft oder verlaufen, einen Wert annimmt, der kleiner als 20 pm, bevor zugt kleiner als 10 pm und besonders bevorzugt kleiner als 6 pm ist. Sofern vom mehreren Flächen gesprochen wird, ist insbesondere gemeint, dass die mindes tens eine Metallschicht in möglichst gleich große Flächen unterteilt wird und in je der dieser die mindestens eine Metallschicht unterteilenden Flächen mindestens ein Messwert, bevorzugt mehrere Messwerte, für die Dicke erfasst werden. Die so an verschiedenen Stellen ermittelten Dicken werden anschließend arithmetisch gemittelt. In order to determine the surface resistance, the metal layer and, if necessary, a solder base layer, for example by etching, are first removed again from the finished carrier substrate. A surface resistance is then measured by means of a four-point measurement on the top or bottom of the carrier substrate from which the at least one metal layer and the solder base layer have been removed. In particular, the sheet resistance of a material sample is to be understood as its resistance in relation to a square surface area. It is customary to mark the surface resistance with the unit ohm / sq. The physical unit of sheet resistance is ohm. It is preferably provided that a thickness of the binding layer measured in the stacking direction, averaged over several measuring points within a predetermined area or in several areas that run or run parallel to the plane of extension, assumes a value that is less than 20 μm, preferably is less than 10 pm and particularly preferably less than 6 pm. When speaking of several areas, it is meant in particular that the at least one metal layer is divided into areas of the same size as possible and in each of these areas dividing the at least one metal layer at least one measured value, preferably several measured values, is recorded for the thickness. The thicknesses determined in this way at different points are then arithmetically averaged.
Besonders bevorzugt ist folgendes Verfahren zur Bestimmung und Auswahl der zur Bestimmung beitragenden Messbereiche - unabhängig von der Größe des Trägersubstrats - vorgesehen: Particularly preferably, the following method is provided for determining and selecting the measuring areas that contribute to the determination - regardless of the size of the carrier substrate:
In einem ersten Schritt wird die mindestens eine Metallschicht des Trägersubstrats in neun Rechtecke, insbesondere Quadrate, d. h. in mehrere etwa gleich große Flächen, unterteilt. In den so festgelegten Messbereichen werden jeweils zwei o- der drei Schnittbilder erzeugt, die herangezogen werden, um in jedem der Schnitt bilder eine gemittelte Dicke für die mindestens eine Metallschicht zu bestimmen. Die Schnittbilder werden bevorzugt mittels eines REM-Verfahrens aufgenommen, beispielsweise in einer 2000 oder 2500- fachen Vergrößerung. Anschließend wird in einem zweiten Schritt über die insgesamt 18 oder 27 in den Schnittbildern er fassten Dicken, die über alle neun rechteckigen Messbereiche verteilt sind, gemit telt. Auf diese Weise wird in vorteilhafter Weise sichergestellt, dass die gemittelte Dicke einen repräsentativen Wert für die Bindungsschicht zwischen der mindes tens einen Metallschicht und dem Isolationselement für das gesamte Trägersub strat darstellt. Mit anderen Worten: die in dem Abschnitt beschriebene Vorgehens- weise sieht gemittelte Dicken vor, die über die mindestens eine Metallschicht ge sehen in gleichmäßig verteilten Messbereichen bestimmt ist. Das hier beschrie bene Verfahren zur Auswahl der Messbereich, die zur Bestimmung eines gemittel ten Werts für die Dicke beiträgt ist analog für die Bestimmung des Flächenwider stands heranzuziehen. In a first step, the at least one metal layer of the carrier substrate is subdivided into nine rectangles, in particular squares, that is to say into several areas of approximately the same size. In each of the measurement areas established in this way, two or three sectional images are generated, which are used to determine an average thickness for the at least one metal layer in each of the sectional images. The sectional images are preferably recorded by means of an SEM method, for example at a magnification of 2000 or 2500 times. Then, in a second step, the total of 18 or 27 thicknesses recorded in the cross-sectional images, which are distributed over all nine rectangular measurement areas, are averaged. In this way, it is advantageously ensured that the averaged thickness represents a representative value for the bonding layer between the at least one metal layer and the insulation element for the entire carrier substrate. In other words: the procedure described in the section wise provides averaged thicknesses, which see ge over the at least one metal layer is determined in evenly distributed measurement areas. The procedure described here for selecting the measuring range that contributes to determining an averaged value for the thickness is to be used analogously for determining the surface resistance.
Gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Trägersubstraten ist somit eine vergleichsweise dünne Bindungsschicht zwischen der mindestens einen Me tallschicht und dem Isolationselement ausgebildet. Dabei ist es vorgesehen, dass zur Festlegung der maßgeblichen Dicke der Bindungsschicht die gemessenen Di cken über eine Vielzahl von Messpunkten gemittelt werden, die innerhalb einer vorbestimmten bzw. festgelegten Fläche bzw. den mehreren Flächen liegen. Dadurch wird in vorteilhafter weise mitberücksichtigt, dass das Isolationselement, insbesondere das Keramikelement, in der Regel einer Ondulation unterworfen ist, d. h. dem Isolationselement ist eine Welligkeit zuzusprechen. Insbesondere ver steht der Fachmann unter einer Welligkeit eine Modulation des generellen flachen Verlaufs des Isolationselements, gesehen über mehrere Millimeter oder Zentime ter entlang einer Richtung, die parallel zur Flaupterstreckungsebene verläuft. Da mit grenzt sich eine derartige Ondulation von einer Oberflächenrauigkeit des Isola tionselements ab, die in der Regel zusätzlich am Isolationselement vorliegt. Durch das Einbeziehen einer derartigen, in der Regel unvermeidbaren Ondulation des Isolationselements in die Bestimmung der Dicke wird berücksichtigt, dass die Bin dungsschicht aufgrund der Ondulation gegebenenfalls variieren kann, insbeson dere in Talbereichen des Isolationselements größer sein kann als in Bergberei chen des Isolationselements. Compared to the carrier substrates known from the prior art, a comparatively thin bonding layer is thus formed between the at least one metal layer and the insulation element. It is provided that, in order to determine the relevant thickness of the binding layer, the measured thicknesses are averaged over a large number of measurement points which lie within a predetermined or defined area or the multiple areas. This advantageously takes into account that the insulation element, in particular the ceramic element, is generally subject to undulation, i.e. H. a ripple is to be attributed to the insulation element. In particular, the person skilled in the art understands waviness to be a modulation of the generally flat course of the insulation element, viewed over several millimeters or centimeters along a direction which runs parallel to the plane of extension. Since such an undulation is distinguished from a surface roughness of the insulation element, which is usually also present on the insulation element. By including such, usually unavoidable undulation of the insulation element in the determination of the thickness, it is taken into account that the binding layer may vary due to the undulation, in particular it can be larger in valley areas of the insulation element than in mountain areas of the insulation element.
Ungeachtet dieser Ondulation ist der gemittelte Dickenwert dennoch deutlich ge ringer als derjenige, der in Trägersubstraten aus dem Stand der Technik bekannt ist. Dies wird insbesondere bzw. beispielsweise dadurch erzielt, dass eine benö tigte Aktivmetallschicht zwischen dem Isolationselement und der mindestens einen Metallschicht angeordnet wird, die insbesondere einzeln, also separat, zwischen dem Isolationselement und der mindestens einen Metallschicht angeordnet ist, beispielsweise zusätzlich zu einem Lotbasismaterial (das beispielsweise kein Ak tivmetall enthält bzw. aktivmetallfrei ist). Vorzugsweise wird das Aktivmetall mittels eines elektrochemischen Abscheidens, eines chemischen und/oder physikalischen Gasphasenabscheidens, beispielsweise mittels eines Sputterns, auf dem Lotba sismaterial und/oder der mindestens einen Metallschicht und/oder dem Isolations element aufgetragen, um vergleichsweise dünne Aktivmetallschichten zu realisie ren, die wiederrum zu einer vergleichsweise dünnen Bindungsschicht führen, ins besondere zu einer homogenen und dünnen Haftvermittlerschicht. Vorstellbar ist es auch unter Verwendung eines Plasmas, in einem Vakuum und/oder mittels Auf dampfen die Aktivmetallschicht auf dem Lotbasismaterial, dem Isolationselement und/oder der mindestens einen Metallschicht bereitzustellen. Denkbar ist auch, die Aktivmetallschicht galvanisch zu realisieren. Besonders bevorzugt ist es vorgese hen, dass die Aktivmetallschicht als Folie bereitgestellt wird. Regardless of this undulation, the averaged thickness value is nevertheless significantly lower than that which is known in carrier substrates from the prior art. This is achieved in particular or, for example, in that a required active metal layer is arranged between the insulation element and the at least one metal layer, which is in particular arranged individually, i.e. separately, between the insulation element and the at least one metal layer, for example, in addition to a solder base material (which for example contains no active metal or is free of active metal). The active metal is preferably applied to the solder base material and / or the at least one metal layer and / or the insulation element by means of electrochemical deposition, chemical and / or physical gas phase deposition, for example by means of sputtering, in order to realize comparatively thin active metal layers which in turn lead to a comparatively thin bonding layer, in particular to a homogeneous and thin adhesion promoter layer. It is also conceivable to provide the active metal layer on the solder base material, the insulation element and / or the at least one metal layer using a plasma, in a vacuum and / or by means of vapor deposition. It is also conceivable to realize the active metal layer by electroplating. It is particularly preferred that the active metal layer is provided as a film.
Die Ausbildung von vergleichsweise dünnen Bindungsschichten reduziert insbe sondere einen Aufwand, der aufgebracht werden muss, um beispielsweise in ei nem „second etching“, zumindest bereichsweise, die Bindungsschicht wieder zu entfernen, um das Trägersubstrat, insbesondere dessen mindestens eine Metall schicht und die Bindungsschicht, zu strukturieren. Vorzugsweise erfolgt dieses Strukturieren, das dazu dient, mehrere Metallabschnitte der mindestens einen Me tallschicht voneinander elektrisch zu isolieren, durch ein Ätzen und/oder ein me chanischen Bearbeitungsschritt und/oder mit Laserlicht. Außerdem hat es sich als vorteilhaft erwiesen, dass durch die Verwendung geringer Schichtdicken die An zahl der möglichen Fehler in der Bindungsschicht, beispielsweise hervorgerufen durch Materialfehler im Lotmaterial, in vorteilhafter weise reduziert werden kann. Unter einem Fehler in der Bindungsschicht bzw. einem Materialfehler im Lotmate rial wird beispielsweise ein großes Korn im Lotmaterial, wie beispielswiese ein Ak tivmetallkorn, verstanden, d.das zur Riesenbildung einer Körnung in der Bindungs schicht führen kann, und/oder das nicht vollständig aufschmilzt und damit als Ab standshalter minimale Lotspalte oder Punktdefekte verhindert. Durch das Aufträ gen, insbesondere mittels Sputtern, kann in einfacher Weise verhindert werden, dass vergleichsweise große Körner Bestandteil der Aktivmetallschicht werden. Schließlich ist es von Vorteil, dass sich homogen über das hergestellte Trägersub strat eine dünne Bindungsschicht ausbildet. The formation of comparatively thin binding layers in particular reduces the expenditure that has to be applied in order, for example, to remove the binding layer again in a “second etching”, at least in some areas, in order to remove the carrier substrate, in particular its at least one metal layer and the binding layer, to structure. This structuring, which serves to electrically isolate a plurality of metal sections of the at least one metal layer from one another, is preferably carried out by etching and / or a mechanical processing step and / or with laser light. In addition, it has proven to be advantageous that the number of possible defects in the bonding layer, for example caused by material defects in the solder material, can be advantageously reduced by using small layer thicknesses. A defect in the bonding layer or a material defect in the solder material is understood to mean, for example, a large grain in the solder material, such as an active metal grain, which can lead to the formation of giant grains in the bonding layer and / or which does not melt completely and thus prevents minimal solder gaps or point defects as a spacer. The application, in particular by means of sputtering, can easily prevent comparatively large grains from becoming part of the active metal layer. Finally, it is advantageous that a thin binding layer is formed homogeneously over the carrier substrate produced.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstel lung eines erfindungsgemäßen Trägersubstrats. Alle für das Trägersubstrat be schriebenen Vorteile oder Merkmale lassen sich analog übertragen auf das Ver fahren zur Herstellung des Trägersubstrats. Another object of the present invention is a method for the produc- tion of a carrier substrate according to the invention. All of the advantages or features described for the carrier substrate can be transferred analogously to the process for producing the carrier substrate.
Vorzugsweise umfasst das Verfahren die Verfahrensschritte: The method preferably comprises the method steps:
- Bereitstellen eines Isolationselements, - Provision of an insulation element,
- Bereitstellen mindestens einer Metallschicht, - Provision of at least one metal layer,
- Bereitstellen einer Aktivmetallschicht, - Provision of an active metal layer,
- Bereichsweises Bedecken des Isolationselements und/oder der mindestens einen Metallschicht mit einer Aktivmetallschicht und - Covering the insulation element and / or the at least one metal layer in regions with an active metal layer and
- Anbinden der mindestens einen Metallschicht an das Isolationselement. - Attachment of the at least one metal layer to the insulation element.
Insbesondere ist es vorgesehen, dass durch das gezielte, bereichsweise Bede cken mit der Aktivmetallschicht, mit anderen Worten mit der Strukturierung der Ak tivmetallschicht, festgelegt wird, welche Bereiche im gefertigten Trägersubstrat eine Bindungsschicht zwischen dem Isolationselement und der mindestens einen Metallschicht ausbildet. Auf diese Weise ist es vergleichsweise einfach, eine Ko dierung innerhalb des Trägersubstrats zu fertigen. Die Nutzung der Aktivmetall schicht erweist sich dabei insbesondere deswegen als vorteilhaft, weil dadurch ge zielt eine flächendeckend und ununterbrochene Ausbildung einer Bindungsschicht veranlasst wird und nicht die Gefahr besteht, dass bestimmte Bereiche am Isolati onselement nicht von dem Aktivmetall benetzt werden (was zu Bereichen ohne Bindungsschicht führt, die wiederum als Teil der Kodierung missverstanden wer den könnten). In particular, it is provided that the targeted, area-wise covering with the active metal layer, in other words with the structuring of the active metal layer, defines which areas in the manufactured carrier substrate form a bonding layer between the insulation element and the at least one metal layer. In this way, it is comparatively easy to produce a coding within the carrier substrate. The use of the active metal layer proves to be particularly advantageous because it specifically induces an area-wide and uninterrupted formation of a binding layer and there is no risk that certain areas on the insulation element will not be wetted by the active metal (which leads to areas without a binding layer which in turn could be misunderstood as part of the coding).
Vorzugsweise ist es dazu vorgesehen, dass zusätzlich zu der Aktivmetallschicht eine Lotbasismaterialschicht aufgetragen wird, was unter den jeweiligen Prozess temperaturen für das Lotbasismaterial im Rahmen eines Aktivlötverfahrens zur Anbindung der mindestens einen Metallschicht an das Isolationselement führt. Al ternativ ist es vorstellbar, dass das Aktivelement bzw. die Aktivmetallschicht im Rahmen eines heißisostatischen Pressens bzw. eines Solid State-Diffusion-Bon- dings (SDB) an das Isolationselement angebunden wird. In diesem Fall ist keine Lotbasismaterialschicht zur Anbindung der mindestens einen Metallschicht an das Isolationselement erforderlich. Die Verwendung eines Lotbasismaterials erweist sich insofern als vorteilhaft für die Ausbildung der Kodierung, als dass sicherge stellt wird, das ein ausreichender Abstand zwischen Isolationselement und der mindestens einen Metallschicht ausgebildet wird, der ein einfaches Identifizieren bzw. Auslesen, insbesondere mit Ultraschall, gestattet. For this purpose, it is preferably provided that a solder base material layer is applied in addition to the active metal layer, which under the respective process temperatures for the solder base material in the context of an active soldering process Connection of the at least one metal layer leads to the insulation element. Alternatively, it is conceivable that the active element or the active metal layer is connected to the insulation element in the course of hot isostatic pressing or solid state diffusion bonding (SDB). In this case, no solder base material layer is required for connecting the at least one metal layer to the insulation element. The use of a solder base material proves to be advantageous for the formation of the coding insofar as it is ensured that a sufficient distance is formed between the insulation element and the at least one metal layer, which allows easy identification or reading, in particular with ultrasound.
Insbesondere ist es vorgesehen, dass die Aktivmetallschicht nachträglich struktu riert wird. Beispielsweise wird die Aktivmetallschicht flächig aufgetragen und vor zugsweise gezielt in bestimmten Bereichen anschließend wieder entfernt, um sie zu strukturieren. Vorzugsweise wird die Aktivmetallschicht flächig aufgetragen und beispielsweise durch ein Ätzen und/oder durch Laserlicht wieder entfernt. In particular, it is provided that the active metal layer is structured subsequently. For example, the active metal layer is applied over the surface and then removed again, preferably in specific areas, in order to structure it. The active metal layer is preferably applied over a large area and removed again, for example, by etching and / or by laser light.
Vorzugsweise ist es bevorzugt vorgesehen, dass die Aktivmetallschicht durch ein physikalisches Gasphasenabscheiden und/oder unter Verwendung einer Maskie rung realisiert wird und/oder nach dem Aufträgen der Aktivmetallschicht realisiert wird, beispielsweise indem Bereiche einer aufgetragenen Aktivmetallschicht wie der entfernt werden, vorzugweise mittels Laserlichts entfernt werden. Alternativ ist es vorstellbar, dass die Aktivmetallschicht als Folie bereitgestellt wird, die insbe sondere beispielsweise durch Laser, Prägen, Falzen und/oder Walzen strukturiert wurde. Insbesondere mittels des physikalischen Gasphasenabscheidens ist es in vorteilhafter Weise möglich, vergleichsweise dünne Aktivmetallschichten zu reali sieren. Zudem lassen sich möglichst genaue und präzise Strukturierungen in die Aktivmetallschicht einlassen. Beispielsweise wird die Aktivmetallschicht mittels ei nes physikalischen Gasphasenabscheiden aufgetragen und mittels Laserlicht be reichsweise wieder entfernt, um eine Strukturierung in der Aktivmetallschicht zu verursachen. Insbesondere ist es durch die Nutzung einer separat aufgeführten Aktivmetall schicht möglich, diese vergleichsweise dünn auszugestalten, wodurch die an spruchsgemäßen vergleichsweise dünnen Dicken der Bindungsschicht realisierbar sind, insbesondere gemittelt über verschiedenen Messerwerte innerhalb der fest gelegten Fläche. Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass eine in Stapelrichtung be messene Dicke der Bindungsschicht, gemittelt über mehrere Messpunkte inner halb einer vorbestimmten Fläche oder in mehreren Flächen, die parallel zur Flaupt- erstreckungsebene verläuft oder verlaufen, einen Wert annimmt, der kleiner als 20 pm, bevorzugt kleiner als 12 pm und besonders bevorzugt kleiner als 6 pm ist. So fern vom mehreren Flächen gesprochen wird, ist insbesondere gemeint, dass die mindestens eine Metallschicht in möglichst gleich große Flächen unterteilt wird und in jeder dieser die mindestens eine Metallschicht unterteilenden Flächen min destens ein Wert, bevorzugt mehrere Messwerte für die Dicke erfasst werden. Die so an verschiedenen Stellen ermittelten Dicken werden arithmetisch gemittelt. Preferably, it is preferably provided that the active metal layer is implemented by physical gas phase deposition and / or using a masking and / or is implemented after the application of the active metal layer, for example by removing areas of an applied active metal layer, preferably by means of laser light . Alternatively, it is conceivable that the active metal layer is provided as a film that has been specially structured, for example, by laser, embossing, folding and / or rolling. In particular, by means of physical vapor deposition, it is advantageously possible to implement comparatively thin active metal layers. In addition, structures that are as precise and precise as possible can be incorporated into the active metal layer. For example, the active metal layer is applied by means of a physical gas phase deposition and removed again in some areas by means of laser light in order to cause structuring in the active metal layer. In particular, by using a separately listed active metal layer, it is possible to make it comparatively thin, whereby the comparatively thin thicknesses of the binding layer according to the claim can be achieved, in particular averaged over various measured values within the fixed area. It is preferably provided that a thickness of the bonding layer measured in the stacking direction, averaged over several measuring points within a predetermined area or in several areas that run or run parallel to the main plane of extension, assumes a value that is less than 20 μm, preferably is smaller than 12 pm and particularly preferably smaller than 6 pm. When speaking of several areas, this means in particular that the at least one metal layer is subdivided into areas of the same size as possible and at least one value, preferably several measured values, are recorded for the thickness in each of these areas dividing the at least one metal layer. The thicknesses determined in this way at different points are arithmetically averaged.
Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass die Bindungsschicht und/oder die weitere Bindungsschicht eine ein Aktivmetall umfassende Flaftvermittlerschicht ist. Insbe sondere ist es vorgesehen, dass die Bindungsschicht nur aus der Flaftvermittler schicht ausgebildet ist, die das Aktivmetall umfasst. Dabei weist die Flaftvermittler schicht in der Bindungsschicht eine Verbindung mit einem Bestandteil des Kerami kelements, wie beispielsweise Stickstoff, Sauerstoff oder Kohlenstoff, und den an deren Bestandteilen der Keramik auf. In entsprechender Weise umfasst die Flaft vermittlerschicht beispielsweise Titannitrid, Titanoxid und/oder Titancarbid. In die sem Fall ist es vorgesehen, dass eine in Stapelrichtung gemessene Dicke der Bin dungsschicht gemittelt über mehrere Messpunkte innerhalb einer Fläche, die pa rallel zur Flaupterstreckungsebene verläuft, oder der mehreren Flächen einen Wert annimmt der kleiner ist als 0,003 mm, bevorzugt kleiner als 0,001 mm und beson ders bevorzugt kleiner als 0,0005 oder sogar kleiner als 0,00035 mm. Insbeson dere für solche Bindungsschichten, bei den auf ein Lotbasismaterial und/oder ei nen Silberanteil verzichtet wird, lässt sich in entsprechender Weise eine noch dün nere Bindungsschicht ausbilden. Beispiele für ein Aktivmetall sind Titan (Ti), Zirkonium (Zr), Hafnium (Hf), Chrom (Cr), Niob (Nb), Cer (Ce), Tantal (Ta), Magnesium (Mg), Lanthan (La) und Vana dium (V). Hierbei ist zu beachten, dass die Metalle La, Ce, Ca und Mg an Luft o- der in Gegenwart von Sauerstoff leicht oxidieren können. Ferner wird angemerkt, dass die Elemente Cr, Mo und W keine klassischen Aktivmetalle sind, sich aber als Kontaktschicht zwischen S13N4 und der mindestens einen Metallschicht bzw. dem Lotsystem bzw. Lotmaterial eignen, da sie mit der mindestens einen Metall schicht, beispielsweise Kupfer, keine intermetallischen Phasen bilden und keine Randlöslichkeit haben Insbesondere handelt es sich bei dem Lotbasismaterial um ein metallbasiertes Basismaterial, vorzugsweise um ein silberbasiertes oder ein kupferbasiertes Basismaterial. In einem silberbasierten Basismaterial ist Silber die Hauptkomponente, d. h. der Bestandteil mit dem bezüglich der Gewichtsprozente höchsten Anteil, während in einem kupferbasierten Basismaterial Kupfer die Hauptkomponente ist. Beispiele für ein silberbasiertes Basismaterial sind AgCu, insbesondere AgCu28, AgCuln, AgCuSn und AgCuGa. Beispiele für ein kupferba siertes Basismaterial sind Kupfer CuSn, CuAg, Culn, CuGa, CulnSn, CulnMn, CuGaSn. Auch ist es vorstellbar als Lotbasismaterial auf Basis von NiCrMn oder SnCu zu verwenden. It is preferably provided that the binding layer and / or the further binding layer is a flaft mediator layer comprising an active metal. In particular, it is provided that the bonding layer is formed only from the flaft mediator layer which comprises the active metal. The flaft mediator layer in the binding layer has a connection with a component of the ceramic element, such as nitrogen, oxygen or carbon, and the other components of the ceramic. In a corresponding manner, the flaft-mediating layer comprises, for example, titanium nitride, titanium oxide and / or titanium carbide. In this case, it is provided that a thickness of the binding layer measured in the stacking direction, averaged over several measurement points within an area that runs parallel to the plane of extension of the flakes, or of the several areas, assumes a value that is less than 0.003 mm, preferably less than 0.001 mm and particularly preferably less than 0.0005 or even less than 0.00035 mm. In particular for those bonding layers in which a solder base material and / or a silver component is dispensed with, an even thinner bonding layer can be formed in a corresponding manner. Examples of an active metal are titanium (Ti), zirconium (Zr), hafnium (Hf), chromium (Cr), niobium (Nb), cerium (Ce), tantalum (Ta), magnesium (Mg), lanthanum (La) and Vanadium (V). It should be noted that the metals La, Ce, Ca and Mg can easily oxidize in air or in the presence of oxygen. It is also noted that the elements Cr, Mo and W are not classic active metals, but are suitable as a contact layer between S13N4 and the at least one metal layer or the solder system or solder material, since they do not have any with the at least one metal layer, for example copper Form intermetallic phases and have no edge solubility In particular, the solder base material is a metal-based base material, preferably a silver-based or a copper-based base material. In a silver-based base material, silver is the main component, ie the constituent with the highest percentage in terms of weight, while copper is the main component in a copper-based base material. Examples of a silver-based base material are AgCu, in particular AgCu28, AgCuln, AgCuSn and AgCuGa. Examples of a copper-based base material are copper CuSn, CuAg, Culn, CuGa, CulnSn, CulnMn, CuGaSn. It is also conceivable to use NiCrMn or SnCu as a base material for solder.
Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass eine Aktivmetallschicht verwendet wird, de ren Dicke zwischen 10 nm und 1000 nm liegt, bevorzugt zwischen 50 nm und 750 nm, besonders bevorzugt zwischen 100 und 500 nm. Weiterhin ist es bevorzugt vorgesehen, dass das Aktivmetall mittels eines physikalischen Gasphasenab scheidens auf dem Isolationselement und/oder dem Lotbasismaterial, das vor zugsweise ebenfalls als Folie ausgebildet ist, aufgetragen wird. Beispielsweise ist es auch vorstellbar, dass das Aktivmetall zusammen mit dem Lotmaterial auf die gewünschte Dicke heruntergewalzt wird, um eine vergleichsweise dünne Bin dungsschicht zwischen der mindestens einen Metallschicht und dem Isolationsele ment auszubilden. Vorzugsweise wird eine Lotfolie verwendet, die kleiner ist als 20 gm, bevorzugt kleiner als 12 gm und besonders bevorzugt kleiner als 8 gm aufweist. Beispiels weise nimmt die Dicke der Lotschicht einen Wert zwischen 2 und 20 gm oder zwi schen 2 und 5 gm zwischen bevorzugt zwischen 8 und 15 gm und besonders be vorzugt zwischen 5 und 10 gm an. . Weiterhin ist es vorstellbar, dass das Lotba sismaterial als Folie, als Paste, als eine durch physikalisches Gasphasenabschei den entstandene Schicht, und/oder als elektrochemisch gebildete Schicht bereit gestellt wird. It is preferably provided that an active metal layer is used whose thickness is between 10 nm and 1000 nm, preferably between 50 nm and 750 nm, particularly preferably between 100 and 500 nm Gasphasenab separates on the insulation element and / or the solder base material, which is preferably also designed as a film, is applied. For example, it is also conceivable that the active metal is rolled down to the desired thickness together with the solder material in order to form a comparatively thin bonding layer between the at least one metal layer and the insulation element. A solder foil is preferably used which is smaller than 20 μm, preferably smaller than 12 μm and particularly preferably smaller than 8 μm. For example, the thickness of the solder layer assumes a value between 2 and 20 gm or between 2 and 5 gm between preferably between 8 and 15 gm and particularly preferably between 5 and 10 gm. . It is also conceivable that the solder base material is provided as a film, as a paste, as a layer created by physical gas phase deposition, and / or as an electrochemically formed layer.
Beispielsweise ist es vorgesehen, dass ein Verfahren zur Herstellung eines Trä gersubstrats vorgesehen ist, umfassend: For example, it is provided that a method for producing a carrier substrate is provided, comprising:
- Bereitstellen einer Lötschicht, insbesondere in Form mindestens einer Lötfolie bzw. Hartlotfolie, - Provision of a soldering layer, in particular in the form of at least one soldering foil or hard soldering foil,
- Beschichten des Isolationselements und/oder der mindestens einen Metall schicht und/oder der mindestens einen Lötschicht mit mindestens einer Aktivme tallschicht, - Coating the insulation element and / or the at least one metal layer and / or the at least one soldering layer with at least one active metal layer,
- Anordnen der mindestens einen Lötschicht zwischen dem Isolationselement und der mindestens einen Metallschicht entlang einer Stapelrichtung unter Ausbildung eines Lötsystems, das die mindestens eine Lötschicht und die mindestens eine Aktivmetallschicht umfasst, wobei ein Lotmaterial der mindestens einen Lötschicht vorzugsweise frei von einem schmelzpunkterniedrigenden Material oder phosphor frei ist, und Arranging the at least one soldering layer between the insulation element and the at least one metal layer along a stacking direction with the formation of a soldering system which comprises the at least one soldering layer and the at least one active metal layer, a soldering material of the at least one soldering layer preferably being free of a material that lowers the melting point or free of phosphorus is and
- Anbinden der mindestens einen Metallschicht an die mindestens eine Keramik schicht über das Lötsystem mittels eines Aktivlotverfahrens. - Attachment of the at least one metal layer to the at least one ceramic layer via the soldering system by means of an active soldering process.
Insbesondere ist dabei ein mehrschichtiges Lötsystem aus mindestens einer Löt schicht, vorzugsweise frei von schmelzpunkterniedrigenden Elementen, beson ders bevorzugt aus einer phosphorfreien Lötschicht, und mindestens einer Aktiv metallschicht, vorgesehen. Die Separation der mindestens einen Aktivmetall schicht und der mindestens einen Lötschicht erweist sich insbesondere deswegen als vorteilhaft, weil dadurch vergleichsweise dünne Lötschichten realisierbar sind, insbesondere wenn es sich bei der Lötschicht um eine Folie handelt. Für aktivme tallhaltige Lötmaterialien müssen andernfalls vergleichsweise große Lötschichtdi cken wegen der spröden intermetallischen Phasen bzw. des hohen E-Moduls und hoher Streckgrenze der gängigen Aktivmetalle und deren intermetallischen Phasen, die die Umformung der Lötpaste bzw. Lötschicht behindern, realisiert werden, wodurch die minimale Schichtdicke durch die Fertigungseigenschaften des aktivmetallhaltigen Lötmaterials begrenzt wird. Entsprechend bestimmt für ak tivmetallhaltige Lötschichten nicht die für das Fügeverfahren erforderliche Mindest dicke die minimale Lötschichtdicke der Lötschicht, sondern die für die technisch realisierbare minimale Schichtdicke der Lötschicht bestimmt die minimale Löt schichtdicke der Lötschicht. Dadurch ist diese dickere, aktivmetallhaltige Löt schicht teurer als dünne Schichten. Unter phosphorfrei versteht der Fachmann ins besondere, dass der Anteil an Phosphor in der Lötschicht kleiner ist als 150 ppm, kleiner als 100 ppm und besonders bevorzugt kleiner als 50 ppm. In particular, a multilayer soldering system consisting of at least one soldering layer, preferably free of elements that lower the melting point, particularly preferably composed of a phosphorus-free soldering layer, and at least one active metal layer, is provided. The separation of the at least one active metal layer and the at least one solder layer proves to be particularly advantageous because it enables comparatively thin solder layers to be realized, especially if the solder layer is a foil. Otherwise, for soldering materials containing active metals, comparatively large solder layer thicknesses have to be implemented because of the brittle intermetallic phases or the high modulus of elasticity and high yield point of the common active metals and their intermetallic phases, which hinder the deformation of the solder paste or solder layer, which results in the minimum layer thickness is limited by the manufacturing properties of the active metal-containing solder material. Correspondingly, for active metal-containing solder layers, it is not the minimum thickness required for the joining process that determines the minimum solder layer thickness of the solder layer, but rather the minimum solder layer thickness for the technically feasible minimum layer thickness of the solder layer determines the minimum solder layer thickness of the solder layer. As a result, this thicker, active metal-containing solder layer is more expensive than thin layers. The person skilled in the art understands phosphorus-free in particular to mean that the proportion of phosphorus in the solder layer is less than 150 ppm, less than 100 ppm and particularly preferably less than 50 ppm.
Beispielswiese sind bei der Herstellung des Trägersubstrats, insbesondere des Trägersubstrats, die weiteren Schritte vorgesehen, umfassend: For example, in the production of the carrier substrate, in particular the carrier substrate, the further steps are provided, comprising:
- Ausbilden eines gasdichten Metallbehälters, der das Isolationselement um schließt, - Forming a gas-tight metal container that encloses the insulation element,
- Ausbilden des Trägersubstrats durch ein Anbinden des Metallbehälters an das Isolationselement mittels heißisostatischem Pressen, wobei beim Ausbilden des Trägersubstrats zwischen dem Metallbehälter und dem Isolationselement mindestens abschnittsweise eine Aktivmetallschicht zur Unter stützung des Anbindens des Metallbehälters an das Isolationselement angeordnet ist bzw. wird. - Forming the carrier substrate by tying the metal container to the insulation element by means of hot isostatic pressing, with an active metal layer being or will be arranged at least in sections between the metal container and the insulation element during the formation of the carrier substrate to support the connection of the metal container to the insulation element.
Beim heißisostatischen Pressen ist es insbesondere vorgesehen, dass das Bon den durch Erhitzen unter Druck erfolgt, wie beim Sintern, bei dem die erste und/o der zweite Metalllage des Metallbehälters, insbesondere die spätere Metallschicht des Trägersubstrats und eine etwaige dort auftretende eutektische (Oxid-)schicht nicht in die Schmelzphase Übertritt. In entsprechender Weise sind beim hei ßisostatischen Pressen geringere Temperaturen als bei einem Direktmetallanbin dungsverfahren, insbesondere einem DCB-Verfahren, erforderlich. In hot isostatic pressing, it is provided in particular that the receipt is made by heating under pressure, as in sintering, in which the first and / or the second metal layer of the metal container, in particular the later metal layer of the carrier substrate and any eutectic (oxide) )layer does not enter the melting phase. Correspondingly, lower temperatures are required in hot isostatic pressing than in a direct metal connection process, in particular a DCB process.
Im Vergleich zu der Anbindung einer Metallschicht an eine Keramikschicht mittels eines Lotmaterials, bei dem üblicherweise Temperaturen unterhalb der Schmelz temperatur der mindestens einen Metallschicht verwendet werden, kann bei der vorliegenden Vorgehensweise in vorteilhafter Weise auf ein Lotbasismaterial ver zichtet werden und es wird lediglich ein Aktivmetall benötigt. Die Verwendung bzw. die Nutzung des Drucks beim heißisostatischen Pressen erweist sich dabei zudem als vorteilhaft, weil dadurch Lufteinschlüsse bzw. Hohlräume zwischen der ersten Metalllage und/oder der zweiten Metalllage einerseits und dem Keramikelement andererseits reduziert werden können, wodurch die Ausbildung von Lunkern in ih rer Häufigkeit im gebildeten bzw. gefertigten Metall-Keramik-Substrat reduziert o- der gar vermieden werden kann. Dies wirkt sich vorteilhaft auf die Qualität der Bin dung zwischen der Metallschicht bzw. der ersten und/oder zweiten Metalllage des Metallbehälters und dem Keramikelement aus. Darüber hinaus ist es in vorteilhaf ter Weise möglich, das „second etching“ zu vereinfachen und Lotreste sowie eine Silbermigration zu vermeiden. In comparison to the connection of a metal layer to a ceramic layer by means of a solder material, in which temperatures below the melting temperature of the at least one metal layer are usually used, a solder base material can advantageously be dispensed with in the present procedure and only one active metal is required . The use or utilization of the pressure during hot isostatic pressing also proves to be advantageous because it allows air inclusions or cavities between the first metal layer and / or the second metal layer on the one hand and the ceramic element on the other hand to be reduced, whereby the formation of voids in it rer frequency in the formed or manufactured metal-ceramic substrate can be reduced or even avoided. This has an advantageous effect on the quality of the bond between the metal layer or the first and / or second metal layer of the metal container and the ceramic element. In addition, it is advantageously possible to simplify the “second etching” and to avoid solder residues and silver migration.
Vorstellbar ist es auch, dass beim heißisostatischen Pressen ein zusätzliches Lot material zwischen das Keramikelement und die mindestens eine Metallschicht ein gebracht wird, wobei eine Schmelztemperatur des zusätzlichen Lotmaterials klei ner sein kann als dieTemperatur, bei der das heißisostatische Pressen durchge führt wird, d. h. kleiner als die Schmelztemperatur der mindestens einen Metall schicht. It is also conceivable that during hot isostatic pressing an additional solder material is introduced between the ceramic element and the at least one metal layer, wherein a melting temperature of the additional solder material can be lower than the temperature at which the hot isostatic pressing is carried out, i.e. H. less than the melting temperature of the at least one metal layer.
Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass bei einem heißisostatischen Pressen der Metallbehälter in einer Heiz- und Druckvorrichtung einem Gasdruck zwischen 100 und 2000 bar, bevorzugt zwischen 150 und 1200 bar und besonders bevorzugt zwischen 300 und 1000 bar und einer Prozesstemperatur von 300 °C bis zu einer Temperatur unterhalt der Schmelztemperatur der mindestens einen Metallschicht, ausgesetzt wird. Es hat sich in vorteilhafter Weise herausgestellt, dass es so mög lich ist, eine Metallschicht, d.h. ein erste und/oder zweite Metalllage des Metallbe hälters, an das Keramikelement anzubinden, ohne die erforderlichen Temperatu ren eines Direktmetallanbindungsverfahrens, beispielsweise eines DCB- oder ei nem DAB-Verfahrens, und/oder ohne ein Lotbasismaterial, das beim Aktivlöten verwendet wird. Darüber hinaus gestattet das Nutzen bzw. die Verwendung eines entsprechenden Gasdrucks die Möglichkeit, möglichst lunkerfrei, d. h. ohne Ga seinschlüsse zwischen Metallschicht und Keramikelement ein Metall-Keramik- Substrat zu fertigen. Insbesondere finden Prozessparameter Verwendung, die in der DE 2013 113 734 A1 erwähnt werden und auf die hiermit explizit Bezug ge nommen wird. It is preferably provided that during hot isostatic pressing of the metal container in a heating and pressure device, a gas pressure between 100 and 2000 bar, preferably between 150 and 1200 bar and particularly preferably between 300 and 1000 bar and a process temperature of 300 ° C up to a Temperature below the melting temperature of the at least one metal layer, is exposed. It has been found in an advantageous manner that it is possible, please include to attach a metal layer, ie a first and / or second metal layer of the Metallbe container, to the ceramic element without the required temperatures of a direct metal connection process, such as a DCB or egg nem DAB process, and / or without a solder base material that is used in active soldering. In addition, the use or the use of a corresponding gas pressure makes it possible to manufacture a metal-ceramic substrate as free of voids as possible, ie without Ga be connections between the metal layer and the ceramic element. In particular, process parameters are used that are mentioned in DE 2013 113 734 A1 and that are hereby explicitly referred to.
Gemäß einer ergänzenden und/oder alternativen Ausführungsform ist es vorgese hen, dass das Verfahren die Verfahrensschritte umfasst: According to a supplementary and / or alternative embodiment, it is provided that the method comprises the method steps:
- Bereitstellen eines Isolationselements, - Provision of an insulation element,
- Bereitstellen mindestens einer Metallschicht, - Provision of at least one metal layer,
- Bereitstellen einer Aktivmetallschicht, wobei in das Isolationselement und/oder die mindestens eine Metallschicht eines Rücksprungs oder mehrere Rücksprünge zur Ausbildung eines zweiten Teilbe reichs bzw. zur Bildung der Kodierung eingelassen wird. Durch die entsprechende Ausbildung eines Rücksprungs wird der Abstand zwischen Isolationselement und Lotsystem, insbesondere zur mindestens einen Metallschicht erhöht, sodass im besagten Bereich bzw. in den Bereichen mit Rücksprung keine Anbindung der mindestens einen Metallschicht an das Isolationselement erfolgt. Beispielsweise ist es vorstellbar, dass zur Ausbildung derartiger Rücksprünge in einer Deck schicht des Isolationselements ein entsprechender Rücksprung ausgebildet ist. Vorstellbar ist beispielsweise, dass das Isolationselement eine Kernschicht und zumindest eine Deckschicht aufweist, wobei die Deckschicht das Kernelement be deckt. Zur Herstellung eines derartigen Isolationselements ist es vorstellbar, dass zunächst das plattenförmige Kernelement mit einer pastösen und/oder granulatför migen und/oder pulverförmigen Keramikschicht beschichtet wird und im Rahmen eines Heißpressens unter mechanischer Einwirkung an die Kernschicht angebun den wird. Bei der Verwendung eines entsprechenden Presswerkzeugs mit Struktu rierungen an der Kontaktfläche mit der sie die Deckschicht berührt, ist es vorstell bar, dass eine Strukturierung in die Deckschicht eingelassen wird. - Provision of an active metal layer, wherein in the insulation element and / or the at least one metal layer a recess or a plurality of recesses for the formation of a second partial area or for the formation of the coding is embedded. The corresponding formation of a recess increases the distance between the insulation element and the solder system, in particular to the at least one metal layer, so that the at least one metal layer is not connected to the insulation element in the said area or in the areas with a recess. For example, it is conceivable that a corresponding recess is formed in a cover layer of the insulation element in order to form such recesses. It is conceivable, for example, that the insulation element has a core layer and at least one cover layer, the cover layer covering the core element. To produce such an insulation element, it is conceivable that the plate-shaped core element is first coated with a pasty and / or granular and / or powdery ceramic layer and in the frame a hot pressing under mechanical action is attached to the core layer. When using a corresponding pressing tool with structures on the contact surface with which it touches the cover layer, it is conceivable that a structure is embedded in the cover layer.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Ausle sen einer Kennzeichnung in einem erfindungsgemäßen Trägersubstrat. Alle zu dem Verfahren zur Herstellung des Trägersubstrats und zum Trägersubstrat be schriebenen Vorteile und Eigenschaften lassen sich analog übertragen auf das Verfahren zum Auslesen einer Kennzeichnung in einem Trägersubstrat. Vorzugs weise ist es vorgesehen, dass eine Auslesevorrichtung verwendet wird, insbeson dere eine Ultraschallvorrichtung, mit der die Kennzeichen des Trägersubstrats ausgelesen wird. Another object of the present invention is a method for reading out a marking in a carrier substrate according to the invention. All of the advantages and properties described for the method for producing the carrier substrate and for the carrier substrate can be transferred analogously to the method for reading out an identifier in a carrier substrate. It is preferably provided that a read-out device is used, in particular an ultrasonic device with which the identifier of the carrier substrate is read out.
Vorzugsweise wird dazu die Auslesevorrichtung über dem Trägersubstrat positio niert und die Auslesevorrichtung ist vorzugsweise kommunizierend verbunden mit einer Fertigungsanlage, in der das Trägersubstrat gefertigt wird, insbesondere in der das Trägersubstrat strukturiert wird. Beispielsweise ist die Auslesevorrichtung mit einer Auswerteeinrichtung verbunden, die Informationen über die Kodierung bzw. Kennzeichnung erhält. Auf diese Weise ist in vorteilhafter Weise möglich, die Kodierung zur Festlegung der Platzierung der Strukturierung heranzuziehen. For this purpose, the readout device is preferably positioned above the carrier substrate and the readout device is preferably connected in a communicating manner to a production facility in which the carrier substrate is manufactured, in particular in which the carrier substrate is structured. For example, the read-out device is connected to an evaluation device which receives information about the coding or identification. In this way, it is advantageously possible to use the coding to determine the placement of the structuring.
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 zeigen: Show it:
Fig.1: schematisch ein Trägersubstrat gemäß einer ersten bevorzugten1: schematically, a carrier substrate according to a first preferred one
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, Fig.2: schematisch ein Trägersubstrat gemäß einer zweiten bevorzug ten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, Embodiment of the present invention, 2: schematically a carrier substrate according to a second preferred embodiment of the present invention,
Fig.3: schematisch ein Verfahren zur Herstellung eines Trägersubstrats gemäß einer dritten beispielhaften Ausführungsform der vorlie genden Erfindung. 3: schematically a method for producing a carrier substrate according to a third exemplary embodiment of the present invention.
In Figur 1 ist schematisch ein Trägersubstrat 1 gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Solch ein Trägersubstrat 1 dient vorzugsweise jeweils als Träger von elektronischen bzw. elektrischen Bau teile, die an das Trägersubstrat 1 anbindbar sind, d. h. als Leiterplatte bzw. PCB (printed Circuit board). Wesentliche Bestandteile eines solchen Trägersubstrats 1 sind ein sich entlang einer Haupterstreckungsebene HSE erstreckendes Isolati onselement 30 und mindestens eine an dem Isolationselement 30 angebundene mindestens eine Metallschicht 10. Das Isolationselement 30 ist aus mindestens ei nem eine Keramik umfassenden Material gefertigt. Die mindestens eine Metall schicht 10 und das Isolationselement 30 sind dabei entlang einer senkrecht zur Haupterstreckungsebene HSE verlaufenden Stapelrichtung S übereinander ange ordnet und in einem gefertigten Zustand über eine Bindungsschicht 15 zumindest bereichsweise miteinander stoffschlüssig verbunden. Vorzugsweise werden die mindestens eine Metallschicht 10 und die Bindungsschicht 15 dann zur Bildung von Leiterbahnen oder Anbindungsstellen für die elektrischen Bauteile strukturiert. Beispielsweise wird diese Strukturierung in die mindestens eine Metallschicht 10 eingeätzt. Im Vorfeld muss allerdings eine dauerhafte Bindung, insbesondere stoffschlüssige Anbindung, zwischen der mindestens einen Metallschicht 10 und dem Isolationselement 30 gebildet werden. In Figure 1, a carrier substrate 1 is shown schematically according to a first preferred embodiment of the present invention. Such a carrier substrate 1 is preferably used as a carrier of electronic or electrical construction parts that can be connected to the carrier substrate 1, d. H. as a printed circuit board or PCB. Essential components of such a carrier substrate 1 are an insulation element 30 extending along a main extension plane HSE and at least one metal layer 10 attached to the insulation element 30. The insulation element 30 is made of at least one material comprising a ceramic. The at least one metal layer 10 and the insulation element 30 are arranged one above the other along a stacking direction S running perpendicular to the main extension plane HSE and, in a finished state, are at least partially connected to one another by a bonding layer 15. The at least one metal layer 10 and the bonding layer 15 are then preferably structured to form conductor tracks or connection points for the electrical components. For example, this structuring is etched into the at least one metal layer 10. In advance, however, a permanent bond, in particular a material connection, must be formed between the at least one metal layer 10 and the insulation element 30.
In dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel des Trägersubstrats 1 ist ne ben der mindestens einen Metallschicht 10 an dem Isolationselement 30 auf einer gegenüberliegenden Seite mindestens eine weitere Metallschicht 20 vorgesehen. Insbesondere dient die mindestens eine weitere Metallschicht 20 als Rückseiten metallisierung des Trägersubstrats 1. Die weitere Metallschicht 20 bildet vorzugs weise eine Rückseitenmetallisierung und/oder mindestens einen Teil eines Kühl körpers aus. Durch die Ausbildung einer Rückseitenmetallisierung ist es in vorteil hafter Weise möglich, einem Durchbiegen der Keramiklage 30 entgegenzuwirken, indem durch die entsprechende Dimensionierung und Platzierung der Rückseiten metallisierung thermomechanische Spannungen entgegengewirkt wird, die durch die mindestens eine Metallschicht 10 und deren Anbindung an dem Isolationsele ment 30 verursacht werden. Es ist auch vorstellbar, dass sich an die Rückseiten metallisierung die Kühlstruktur anschließt oder dass die Kühlstruktur integraler Be standteil der Rückseitenmetallisierung ist. In the exemplary embodiment of the carrier substrate 1 shown in FIG. 1, at least one further metal layer 20 is provided next to the at least one metal layer 10 on the insulation element 30 on an opposite side. In particular, the at least one further metal layer 20 serves as the rear side metallization of the carrier substrate 1. The further metal layer 20 preferably forms a rear side metallization and / or at least part of a cooling body. By forming a rear side metallization, it is advantageously possible to counteract bending of the ceramic layer 30 by counteracting thermomechanical stresses caused by the at least one metal layer 10 and its connection to the insulation element 30 through the appropriate dimensioning and placement of the rear side metallization caused. It is also conceivable that the back side metallization is followed by the cooling structure or that the cooling structure is an integral part of the back side metallization.
Weiterhin ist es vorgesehen, dass das Trägersubstrat 1 mit einer Kodierung 18 bzw. einer Kennzeichnung versehen ist. Vorzugsweise handelt es sich hierbei um eine individuelle Kodierung 18, die beispielsweise eine Rückverfolgung des Trä gersubstrats 1 zulässt. Dadurch lässt sich beispielsweise anhand der Kodierung 18 feststellen, in welcher Charge das Trägersubstrat 1 produziert worden ist und/oder welche Ausgangsmaterialien, beispielsweise für das Isolationselement 30, die mindestens eine Metallschicht 10 und/oder ein eventuell verwendetes Lot system, hier verwendet worden sind. Vorzugsweise ist es hierzu vorgesehen, dass dem jeweiligen Trägersubstrat 1 und der entsprechenden Kodierung 18 jeweils eine Information zugeordnet ist, die beispielsweise in einer Datenbank, insbeson dere auf einem Server, hinterlegt ist und beispielsweise von einem Nutzer, der das Trägersubstrat 1 erworben hat, eingesehen werden kann, sodass eine Rückverfol gung möglich ist. Weiterhin ist es vorstellbar, dass die Kodierung 18 bzw. Kenn zeichnung dazu verwendet wird, im Rahmen des Fertigungsprozesses Informatio nen weiterzugeben, beispielsweise Informationen, die die Lage von Fehlstellen, insbesondere Lunkern, im Trägersubstrat 1 enthält. Eine solche Information kann in vorteilhafter Weise beim Strukturieren dazu verwendet werden, die Lage der Strukturierung so auszurichten, dass insbesondere im Bereich mit Lunkern und/o der Fehlstellen Metall aus der mindestens einen Metallschicht 10 entfernt wird. Dies reduziert die Anzahl an Ausschüssen an fehlproduzierten Trägersubstraten 1 . Dabei ist es insbesondere vorgesehen, dass die Information in einer Datenbank, insbesondere auf einem Server oder einem Netzwerk, zusammen mit der entspre chenden Kodierung 18, hinterlegt wird. Wird so die Kodierung 18 identifiziert, lässt sich die entsprechende Information der Kodierung 18 und somit dem Trägersub strat 1 zuordnen. Diese kann dann wiederrum für das folgende Fertigungsverfah ren genutzt werden. Furthermore, it is provided that the carrier substrate 1 is provided with a coding 18 or an identification. This is preferably an individual coding 18 which, for example, allows the carrier substrate 1 to be traced back. This makes it possible, for example, by means of the coding 18 to determine in which batch the carrier substrate 1 was produced and / or which starting materials, for example for the insulation element 30, the at least one metal layer 10 and / or a possibly used solder system, have been used here. For this purpose, it is preferably provided that the respective carrier substrate 1 and the corresponding coding 18 are each assigned information that is stored, for example, in a database, in particular on a server, and viewed, for example, by a user who has purchased the carrier substrate 1 so that traceability is possible. It is also conceivable that the coding 18 or identification is used to pass on information within the scope of the manufacturing process, for example information that contains the location of defects, in particular voids, in the carrier substrate 1. Such information can advantageously be used during structuring to align the position of the structuring in such a way that metal is removed from the at least one metal layer 10 in particular in the area with voids and / o the flaws. This reduces the number of rejects on incorrectly produced carrier substrates 1. It is provided in particular that the information is stored in a database, in particular on a server or a network, together with the corresponding coding 18. If the coding 18 is identified in this way, the corresponding information can be assigned to the coding 18 and thus to the carrier substrate 1. This can then in turn be used for the following manufacturing process.
Insbesondere zeichnet sich das Ausführungsbeispiel der Figur 1 dadurch aus, dass die Kodierung 18 im, d. h. innerhalb des Trägersubstrats 1 , angeordnet ist. Damit ist die Kodierung 18 von außen nicht visuell erfassbar, d. h. es handelt sich um eine visuell nicht erfassbare Kodierung. Insbesondere ist es vorgesehen, dass die Kodierung 18 in die Bindungsschicht 15 eingelassen ist und damit zwischen der mindestens einen Metallschicht 10 und dem Isolationselement 30 ausgebildet ist. Beispielsweise lässt sich eine derartige Kodierung 18 mittels eines Ultraschall geräts auslesen. Gegenüber solchen Kodierungen 18 und/oder Kennzeichnungen, die an der Außenseite des Trägersubstrats 1 , insbesondere an einer Außenseite der mindestens einen Metallschicht 10 eingelassen sind, erweist sich die Anord nung der Kodierung 18 innerhalb des Trägersubstrats 1 als sofern vorteilhaft, dass beim Auslesen der Kodierung 18 nicht eventuelle Reflexe und/oder Schattenwürfe berücksichtigt werden müssten, die ein Auslesen erschweren. Außerdem wird ver hindert, dass Verschmutzungen die Kodierungen 18 derart beeinträchtigen, dass sie nicht mehr auslesbar sind. Außerdem werden Manipulationen an der Kodie rung 18 erschwert. In particular, the embodiment of Figure 1 is characterized in that the coding 18 in, d. H. is arranged within the carrier substrate 1. The coding 18 is therefore not visually detectable from the outside, i. H. it is a coding that cannot be visually detected. In particular, it is provided that the coding 18 is let into the binding layer 15 and is thus formed between the at least one metal layer 10 and the insulation element 30. For example, such a coding 18 can be read out by means of an ultrasound device. Compared to such codings 18 and / or markings that are embedded on the outside of the carrier substrate 1, in particular on an outside of the at least one metal layer 10, the arrangement of the coding 18 within the carrier substrate 1 proves to be advantageous that when reading out the coding 18 reflections and / or shadows that make reading more difficult would not have to be taken into account. In addition, it is prevented that soiling affects the codes 18 in such a way that they can no longer be read out. In addition, manipulation of the coding 18 is made more difficult.
Vorzugsweise wird die Kennzeichnung bzw. Kodierung18 dadurch erzielt, dass die Bindungsschicht 10 strukturiert ist, d. h. dass im gefertigten Trägersubstrat 1 erste Teilbereiche und zweite Teilbereiche existieren, wobei im ersten Teilbereich eine Bindungsschicht 15 zwischen der mindestens einen Metallschicht 10 und dem Iso lationselement 30 angeordnet ist und in einem zweiten Teilbereich keine Bin dungsschicht zur Ausbildung einer unterbrochenen bzw. strukturierten Bindungs schicht zwischen der mindestens einen Metallschicht 10 und dem Isolationsele ment 30 angeordnet ist. Alternativ oder ergänzend ist es auch vorstellbar, dass die innenliegende Kodierung auch durch eine entsprechende Ausbildung von Rück sprüngen in dem Isolationselement 30 und der mindestens einen Metallschicht 10 in den der Bindungsschicht zugewandten Oberflächenseiten geformt wird. The identification or coding18 is preferably achieved in that the binding layer 10 is structured, that is, first sub-areas and second sub-areas exist in the manufactured carrier substrate 1, a binding layer 15 being arranged between the at least one metal layer 10 and the insulation element 30 in the first sub-area and no binding layer for forming an interrupted or structured binding layer between the at least one metal layer 10 and the insulation element 30 is arranged in a second partial area. Alternatively or in addition, it is also conceivable that the internal coding is also formed by a corresponding formation of back jumps in the insulation element 30 and the at least one metal layer 10 in the surface sides facing the binding layer.
Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass die Kodierung 18 in einem Metallabschnitt der mindestens einen Metallschicht 10 ausgebildet ist, insbesondere nur in einem einzelnen Metallabschnitt des Trägersubstrats 1 . Vorzugsweise umfasst das Trä gersubstrat 1 einen Kodierungsbereich 19 oder -abschnitt, wobei der Kodierungs bereich 19 bzw -abschnitt vorzugsweise bei einer Serie von Trägersubstraten 1 an der gleichen Position bzw. im Wesentlichen in der gleichen Position angeordnet ist, wobei die Kodierung 18 selbst sich von Trägersubstrat 1 zu Trägersubstrat 1 unterscheiden kann. It is preferably provided that the coding 18 is formed in a metal section of the at least one metal layer 10, in particular only in a single metal section of the carrier substrate 1. Preferably, the carrier substrate 1 comprises a coding area 19 or section, the coding area 19 or section preferably being arranged in a series of carrier substrates 1 at the same position or essentially in the same position, the coding 18 itself from Can differentiate between carrier substrate 1 and carrier substrate 1.
In Figur 2 ist ein Trägersubstrat 1 gemäß einer zweiten beispielhaften Ausfüh rungsform vorgesehen. Die in Figur 2 dargestellte Ansicht zeigt oben eine Drauf sicht auf das Trägersubstrat 1 . Dabei ist ein Kodierungsbereich 19 mit der Kodie rung 18 eingezeichnet, der zu erkennen gibt, dass in einer bestimmten Fläche bzw. in einem Flächenbereich erste und zweite Teilabschnitte vorgesehen sind. Dabei sind der erste und der zweite Teilbereich, d. h. insbesondere die Strukturie rung der Bindungsschicht 15, derart gestaltet, dass ihre Platzierung innerhalb des Kodierungsbereichs 19 die Kennzeichnung bzw. Kodierung 18 festlegt. Insbeson dere handelt es sich bei der Kodierung 18 um eine maschinenlesbare Kennzeich nung, beispielsweise um eine Barkodierung, einen QR-Code, Data-Matrix-Code, oder ähnliches. Insbesondere ist es vorgesehen, dass sich die Kodierung 18 auf einen Flächenbereich, nämlich den Kodierungsbereich 19, beschränkt. Wie der untere Ausschnitt in Figur 2 zu erkennen gibt, ist es dabei vorgesehen, dass die Kodierung 18 innerhalb des Trägersubstrats 1 ausgebildet ist und die Draufsicht im oberen Abschnitt der Figur 2 zeigt lediglich die Lage der zweiten Teilbereiche, bei denen keine Bindungsschicht 15 zwischen der mindestens einen Metallschicht 10 und dem Isolationselement 30 angeordnet ist. In den Figuren 3a - 3d ist ein Verfahren schematisch dargestellt gemäß einer bei spielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zur Herstellung eines Trägersubstrats 1 . Insbesondere ist es dabei vorgesehen, dass die Anbindung der mindestens einen Metallschicht 10 an das Isolationselement 30 über eine Aktiv metallschicht 17 vorgenommen wird. In dem dargestellten Beispiel wird hierzu das Aktivmetall im Rahmen eines physikalischen Gasphasenabscheidens, insbeson dere in Form eines Sputterns, strukturiert zur Ausbildung einer strukturierten Aktiv metallschicht 17 aufgetragen. Hierzu wird beispielsweise eine Maskierung bzw. Maske 25 verwendet, mit der es möglich ist, in gezielten Bereichen Aktivmetall zur Ausbildung der Aktivmetallschicht 17 auf dem Isolationselement 30 auszubilden. Alternativ ist es vorstellbar, dass die Aktivmetallschicht 17 als Folie bereitgestellt wird, in die beispielsweise durch ein Stanzen und/oder Prägen eine Strukturierung in die Aktivmetallschicht 17 aufgenommen wird. Ferner ist es vorstellbar, dass das Aktivmetall zur Ausbildung der Aktivmetallschicht 17 als strukturierte Folie zu nächst an ein Lotbasismaterial angebunden wird, bevor die Anbindung an das Iso lationselement 30 erfolgt. Insbesondere ist es vorgesehen, dass die Aktivmetall schicht 17 flächig aufgetragen wird. Anschließend wird durch Lasern eine Struktu rierung gezielt in die Aktivmetallschicht 17 eingelassen. In FIG. 2, a carrier substrate 1 is provided according to a second exemplary embodiment. The view shown in FIG. 2 shows a plan view of the carrier substrate 1 at the top. Here, a coding area 19 with the coding 18 is shown, which indicates that first and second subsections are provided in a specific area or in a surface area. The first and second partial areas, ie in particular the structuring of the binding layer 15, are designed in such a way that their placement within the coding area 19 defines the identification or coding 18. In particular, the coding 18 is a machine-readable identification, for example a bar coding, a QR code, data matrix code, or the like. In particular, it is provided that the coding 18 is limited to one surface area, namely the coding area 19. As the lower section in FIG. 2 shows, it is provided that the coding 18 is formed within the carrier substrate 1 and the top view in the upper section of FIG at least one metal layer 10 and the insulation element 30 is arranged. In FIGS. 3a-3d, a method is shown schematically in accordance with an exemplary embodiment of the present invention for producing a carrier substrate 1. In particular, it is provided that the connection of the at least one metal layer 10 to the insulation element 30 is carried out via an active metal layer 17. In the example shown, the active metal is applied in a structured manner to form a structured active metal layer 17 as part of a physical gas phase deposition, in particular in the form of sputtering. For this purpose, a masking or mask 25 is used, for example, with which it is possible to form active metal in specific areas for forming the active metal layer 17 on the insulation element 30. Alternatively, it is conceivable that the active metal layer 17 is provided as a film in which a structuring is incorporated into the active metal layer 17, for example by punching and / or embossing. Furthermore, it is conceivable that the active metal for forming the active metal layer 17 as a structured film is first connected to a solder base material before the connection to the insulation element 30 takes place. In particular, it is provided that the active metal layer 17 is applied over a large area. Structuring is then deliberately incorporated into the active metal layer 17 by means of lasers.
Weiterhin ist es in dem in Figur 3b dargestellten Ausführungsbeispiel vorgesehen, dass ein Lotsystem verwendet wird, das neben dem Aktivmetall in der Aktivmetall schicht 17 eine Lotbasismaterialschicht 16 aus dem Lotbasismaterial umfasst. Im Gegensatz zu den aus dem Stand der Technik üblichen Pasten zur Anbindung der mindestens einen Metallschicht 10 an ein Isolationselement 30 über einen Lötpro zess ist es hier vorgesehen, dass die Aktivmetallschicht 17 und die Lotbasismate rialschicht 16 separate Schichten bilden. Dadurch kann in vorteilhafter weise si chergestellt werden, dass eine flächige und durchgehende Bindungsschicht über die Aktivmetallschicht 17 gebildet wird, d. h. ohne gewollte Unterbrechung in der Bindungsschicht 15 außerhalb der Bereiche, die wegen der Strukturierung der Ak tivmetallschicht 17 keine Bindungsschicht 15 ausbilden. Diese weist sich insbe sondere deswegen als vorteilhaft, weil dadurch sichergestellt werden kann, dass Bereiche ohne Bindungsschicht 15 zwischen der mindestens einen Metallschicht 10 und dem Isolationselement 30 nicht versehentlich durch einen Mangel an zur Verfügung stehenden Aktivmetall entstehen. Furthermore, it is provided in the exemplary embodiment shown in FIG. 3b that a solder system is used which, in addition to the active metal in the active metal layer 17, includes a solder base material layer 16 made from the solder base material. In contrast to the pastes customary from the prior art for connecting the at least one metal layer 10 to an insulation element 30 via a soldering process, it is provided here that the active metal layer 17 and the solder base material layer 16 form separate layers. This advantageously ensures that a flat and continuous binding layer is formed over the active metal layer 17, that is, without an intentional interruption in the binding layer 15 outside the areas that do not form a binding layer 15 due to the structuring of the active metal layer 17. This proves to be particularly advantageous because it can ensure that areas without a bonding layer 15 between the at least one metal layer 10 and the insulation element 30 are not accidentally caused by a lack of available active metal.
In Figur 3c ist das fertige Trägersubstrat 1 mit der Bindungsschicht 15 dargestellt, wobei die Bindungsschicht 15 strukturiert ist zur Ausbildung der Kodierung 18 im Kodierungsbereich 19. The finished carrier substrate 1 with the binding layer 15 is shown in FIG. 3c, the binding layer 15 being structured to form the coding 18 in the coding region 19.
In Figur 3d ist schließlich das strukturierte Trägersubstrat 1 dargestellt, wobei die Strukturierung im Anschluss an die Anbindung der mindestens einen Metallschicht an das Isolationselement, und insbesondere im Anschluss an die Ausbildung der Kodierung 18 oder Kennzeichnung erfolgt. Zur Strukturierung werden Abschnitte bzw. Anteile der mindestens einen Metallschicht 10 und der Bindungsschicht 15 vorzugsweise weggeätzt, vorzugsweise außerhalb des Kodierungsbereichs 19. Vorstellbar wäre auch, dass durch eine mechanische Bearbeitung die Strukturie rung vorgenommen wird. Weiterhin ist es vorstellbar, im Kodierungsbereich 19 die mindestens eine Metallschicht 10 zumindest abschnittsweise wieder zu entfernen, um die strukturierte Bindungsschicht 15 freizulegen. Die so freigelegte Kodierung 19 kann dann beispielsweise wiederum optisch ausgelesen werden. Finally, FIG. 3d shows the structured carrier substrate 1, the structuring taking place following the connection of the at least one metal layer to the insulation element, and in particular following the formation of the coding 18 or marking. For the structuring, sections or portions of the at least one metal layer 10 and the binding layer 15 are preferably etched away, preferably outside the coding area 19. It would also be conceivable for the structuring to be carried out by mechanical processing. Furthermore, it is conceivable to remove the at least one metal layer 10 again at least in sections in the coding region 19 in order to expose the structured binding layer 15. The code 19 exposed in this way can then be read out optically, for example.
Insbesondere zeichnet sich das Verfahren dadurch aus, dass die Kodierung 18 bereits realisiert wird bzw. zeitgleich realisiert wird zu der Anbindung der mindes tens einen Metallschicht an das Isolationselement. Infolgedessen erfolgt die Zu ordnung von eventuellen Fehlern oder Lunkern zu der jeweiligen Kodierung 18 erst nach dem Anbinden, insbesondere nach Herstellen der Kodierung 18. In particular, the method is characterized in that the coding 18 is already implemented or is implemented at the same time as the connection of the at least one metal layer to the insulation element. As a result, any errors or voids are assigned to the respective coding 18 only after the connection, in particular after the coding 18 has been produced.
Bezugszeichen: Reference number:
1 Trägersubstrat 1 carrier substrate
10 Metallschicht 10 metal layer
15 Bindungsschicht 15 binding layer
16 Lotbasismaterialschicht 17 Aktivmetallschicht 16 solder base material layer 17 active metal layer
18 Kodierung 18 coding
19 Kodierungsbereich 30 Isolationselement 20 weitere Metallschicht19 coding area 30 insulation element 20 further metal layer
25 Maske 25 mask
S Stapelrichtung S stack direction
HSE Haupterstreckungsebene HSE main extension level

Claims

Ansprüche Expectations
1. Trägersubstrat (1 ), insbesondere als Träger für elektrische Bauteile, umfas send, 1. Carrier substrate (1), in particular as a carrier for electrical components, comprehensively,
- mindestens eine Metallschicht (10) und - At least one metal layer (10) and
- ein Isolationselement (30), bevorzugt ein Keramikelement, ein Glaselement und/oder ein Kunststoffelement, wobei sich die mindestens eine Metallschicht (10) und das Isolationselement (30) im Wesentlichen parallel zur einer Haupterstreckungsebene (HSE) er strecken und entlang einer senkrecht zur Haupterstreckungsebene (HSE) verlaufenden Stapelrichtung (S) übereinander angeordnet sind, und wobei eine Kodierung (18) innerhalb des Trägersubstrats (10) ausgebildet ist. - An insulation element (30), preferably a ceramic element, a glass element and / or a plastic element, the at least one metal layer (10) and the insulation element (30) extending essentially parallel to a main extension plane (HSE) and along a perpendicular to the Main extension plane (HSE) extending stacking direction (S) are arranged one above the other, and wherein a coding (18) is formed within the carrier substrate (10).
2. Trägersubstrat (1) gemäß Anspruch 1, wobei die Kodierung (18) eine von au ßen nicht-visuell erfassbare Kodierung (18) ist. 2. Carrier substrate (1) according to claim 1, wherein the coding (18) is a from the outside Shen non-visually detectable coding (18).
3. Trägersubstrat (1 ) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kodierung (18) mittels eines Ultraschallgeräts auslesbar ist. 3. Carrier substrate (1) according to one of the preceding claims, wherein the coding (18) can be read out by means of an ultrasonic device.
4. Trägersubstrat (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kodierung (18) in eine Bindungsschicht (15) zwischen der mindestens einen Metallschicht (10) und dem Isolationselement (30) angeordnet ist. 4. Carrier substrate (1) according to one of the preceding claims, wherein the coding (18) is arranged in a bonding layer (15) between the at least one metal layer (10) and the insulation element (30).
5. Trägersubstrat (1 ) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein die Kodierung (18) umfassender Kodierungsbereich (19) mindestens einen ersten Teilbereich und mindestens einen zweiten Teilbereich aufweist, wobei eine Anbindungsstärke der mindestens einen Metallschicht (10) an das Isola tionselement (30) in dem mindestens einen ersten Teilbereich größer ist als die Anbindungsstärke der mindestens einen Metallschicht (10) an das Isolati onselement (30) in dem mindestens einen zweiten Teilbereich. 5. Carrier substrate (1) according to one of the preceding claims, wherein a coding area (19) comprising the coding (18) has at least one first sub-area and at least one second sub-area, wherein a bonding strength of the at least one metal layer (10) to the insulation element ( 30) in which at least one first sub-area is greater than the bonding strength of the at least one metal layer (10) to the insulation element (30) in the at least one second sub-area.
6. Trägersubstrat (1 ) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Anteil an Aktivmetall in einer ein Aktivmetall umfassenden Haftvermittler schicht (13) größer ist als 15 Gew.-%, bevorzugt größer als Gew.- 20 % und besonders bevorzugt größer als 25 Gew.- %. 6. Carrier substrate (1) according to one of the preceding claims, wherein a proportion of active metal in an adhesion promoter layer (13) comprising an active metal is greater than 15% by weight, preferably greater than 20% by weight and particularly preferably greater than 25 Wt%.
7. Trägersubstrat (1 ) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche wobei eine Rauigkeit Ra einer Oberfläche des Isolationselements (30) zumindest be reichsweise kleiner ist als 1 ,0 pm, bevorzugt kleiner als 0,7 pm und beson ders bevorzugt kleiner als 0,5 pm. 7. Carrier substrate (1) according to any one of the preceding claims, wherein a roughness R a of a surface of the insulation element (30) is at least partially less than 1.0 pm, preferably less than 0.7 pm and particularly preferably less than 0.5 pm.
8. Trägersubstrat (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Rauigkeit Ra einer Oberfläche des Isolationselements (30) zumindest be reichsweise größer ist als 1 ,0 pm, bevorzugt zwischen als 0,4 pm und 1 ,5 pm und besonders bevorzugt zwischen 0,75 und 1 ,25 pm. 8. Carrier substrate (1) according to any one of the preceding claims, wherein a roughness R a of a surface of the insulation element (30) is at least richly greater than 1.0 pm, preferably between 0.4 pm and 1.5 pm and particularly preferred between 0.75 and 1.25 pm.
9. Trägersubstrats (1 ) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Standardabweichung einer Länge des äußersten Randbereichs der min destens einen Metallschicht (10), bemessen in einer parallel zur Haupterstre ckungsebene (HSE) verlaufenden Richtung zwischen einer oberen und unte ren Kante der mindestens einen Metallschicht (10), einen Wert kleiner als 0,4, bevorzugt kleiner als 0,2 und besonders bevorzugt kleiner als 0,1 auf weist. 9. Carrier substrate (1) according to one of the preceding claims, wherein a standard deviation of a length of the outermost edge region of the min least one metal layer (10), measured in a direction parallel to the main extension plane (HSE) between an upper and lower edge of the at least has a metal layer (10), a value less than 0.4, preferably less than 0.2 and particularly preferably less than 0.1.
10. Verfahren zur Herstellung eines Trägersubstrats (1) gemäß einem der vor hergehenden Ansprüche. 10. A method for producing a carrier substrate (1) according to one of the preceding claims.
11. Verfahren gemäß Anspruch 10, umfassend: 11. The method of claim 10 comprising:
- Bereitstellen eines Isolationselements (30), - Provision of an insulation element (30),
- Bereitstellen mindestens einer Metallschicht (10) - Providing at least one metal layer (10)
- Bereitstellen einer Aktivmetallschicht (17), - bereichsweises Bedecken des Isolationselements (30) und/oder der min destens einen Metallschicht (10) mit einer Aktivmetallschicht (17) und- providing an active metal layer (17), - Covering areas of the insulation element (30) and / or the min least one metal layer (10) with an active metal layer (17) and
- Anbinden der mindestens einen Metallschicht (10) an das Isolationsele ment (30). - Tying the at least one metal layer (10) to the Isolationsele element (30).
12. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Aktivme tallschicht (17) durch einen physikalischen Gasphasenabscheidevorgang und/oder unter Verwendung einer Maskierung realisiert wird und/oder nach dem Aufträgen der Aktivmetallschicht realisiert wird, beispielsweise indem Bereiche einer aufgetragenen Aktivmetallschicht wieder entfernt werden, vor zugweise mittels Laserlichts entfernt werden. 12. The method according to any one of the preceding claims, wherein the active metal layer (17) is implemented by a physical gas phase deposition process and / or using a masking and / or is implemented after the application of the active metal layer, for example by removing areas of an applied active metal layer, preferably be removed by means of laser light.
13. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 6 bis 8, umfassend: 13. The method according to any one of claims 6 to 8, comprising:
- Bereitstellen eines Isolationselements (30), - Bereitstellen mindestens einer Metallschicht (10) - providing an insulation element (30), - providing at least one metal layer (10)
- Bereitstellen einer Aktivmetallschicht (17), wobei in das Isolationselement (30) und/oder die mindestens eine Metall schicht (10) ein Rücksprung zur Ausbildung der Kodierung (18) realisiert wird. - Provision of an active metal layer (17), a recess for forming the coding (18) being implemented in the insulation element (30) and / or the at least one metal layer (10).
14. Verfahren zum Auslesen einer Kodierung (18) in einem Trägersubstrat (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche. 14. A method for reading out a code (18) in a carrier substrate (1) according to one of the preceding claims.
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