WO2022152788A1 - Verfahren zum herstellen eines metall-keramik-substrats und metall-keramik-substrat hergestellt mit einem solchen verfahren - Google Patents

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WO2022152788A1
WO2022152788A1 PCT/EP2022/050639 EP2022050639W WO2022152788A1 WO 2022152788 A1 WO2022152788 A1 WO 2022152788A1 EP 2022050639 W EP2022050639 W EP 2022050639W WO 2022152788 A1 WO2022152788 A1 WO 2022152788A1
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metal
metal layer
recess
layer
thickness
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PCT/EP2022/050639
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Inventor
Marco Englhard
Vitalij GIL
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Rogers Germany Gmbh
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
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    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/36—Selection of materials, or shaping, to facilitate cooling or heating, e.g. heatsinks
    • H01L23/373—Cooling facilitated by selection of materials for the device or materials for thermal expansion adaptation, e.g. carbon
    • H01L23/3735—Laminates or multilayers, e.g. direct bond copper ceramic substrates
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    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
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    • C04B37/02—Joining burned ceramic articles with other burned ceramic articles or other articles by heating with metallic articles
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    • C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/50—Processing aspects relating to ceramic laminates or to the joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/70—Forming laminates or joined articles comprising layers of a specific, unusual thickness
    • C04B2237/706—Forming laminates or joined articles comprising layers of a specific, unusual thickness of one or more of the metallic layers or articles

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing a metal-ceramic substrate and metal-ceramic substrate produced with such a method.
  • Carrier substrates for electrical components are well known, for example as printed circuit boards or circuit boards from the prior art, for example from DE 10 2013 104 739 A1, DE 19 927 046 B4 and DE 10 2009 033 029 A1 .
  • connection areas for electrical components and conductor tracks are arranged on one component side of the metal-ceramic substrate, it being possible for the electrical components and conductor tracks to be interconnected to form electrical circuits.
  • Essential components of the metal-ceramic substrates are an insulation layer, which is preferably made of a ceramic, and a metal layer or component metallization bonded to the insulation layer. Because of their comparatively high insulation strength, insulation layers made of ceramic have proven to be particularly advantageous in power electronics. By structuring the metal layer, conductor tracks and/or connection areas for the electrical components can then be implemented.
  • a high-temperature process such as hot isostatic pressing, a diffusion bonding process, a direct metal bonding process, a DCB process or an active soldering process.
  • the required temperatures of more than 500 °C usually lead to the ceramic element bending during the bonding process. This bending has to be corrected in a post-processing step after production or after the connection, in order to be able to provide a metal-ceramic substrate that is as flat as possible in the finished state.
  • the present invention solves this problem with a method according to claim 1 and a metal-ceramic substrate produced with a method according to claim 10.
  • a method of manufacturing a metal-ceramic substrate comprising:
  • the first residual metal partial layer has a first thickness of more than 150 ⁇ m, preferably more than 200 ⁇ m and particularly preferably more than 250 ⁇ m, in order to avoid bending of the metal-ceramic substrate when connecting the metal layer and the counteract ceramic element.
  • first thickness of the metal layer is greater than 150 ⁇ m, preferably greater than 250 ⁇ m and particularly preferably greater than 400 ⁇ m or greater than 500 ⁇ m. It has been found that by appropriate dimensioning of the first thickness of the first partial metal layer, bending of the metal-ceramic substrate during the connection process can be effectively counteracted, which reduces the effort involved in reworking and even reverse bending because of a disruptive, when Connection process formed bending of the metal-ceramic substrate can be dispensed with.
  • connection or the connection process includes the heating and cooling of the metal-ceramic substrate. After all, the stresses that are responsible for the bending only appear during cooling, because when the metal layer and the ceramic element are heated, they are not yet bonded to each other and only at the end of the heating the bond between the ceramic element and the metal layer is caused. Due to the different coefficients of thermal expansion, a tensile stress is induced in the metal layer and a compressive stress in the ceramic, which means that the metal sections adjoining the recesses tend to move towards one another. Eventually this leads to a bimetallic effect that deflects the metal-ceramic substrate when the metal and ceramic are bonded together.
  • the first residual metal layer thickness counteracts this by providing a counterforce in the form of a web-like section that counteracts the bimetal effect. counteracted. It has been found that the unwanted movement of the metal sections can be counteracted all the more, the greater the thickness of the residual metal layer.
  • the at least one first residual metal partial layer is removed again after bonding in order in this way to form an isolation trench in the region of the at least one first cutout. It is therefore advantageous if the course of the at least one first cutout corresponds to the course of the subsequent isolation trenches.
  • the course of the at least one first cutout can extend along a direction that runs parallel to the main extension plane, in a curved, stepped, straight line and/or angled manner, in order to implement the desired and required course for the later isolation trenches, which the individual metal sections in the Separate the metal-ceramic substrate from each other.
  • the at least one first cutout is distributed as evenly as possible along the first side of the at least one metal layer, so that the design of the isolation trenches, in addition to their distribution that is as economical as possible in terms of structural space, also takes into account that their arrangement prevents bending during the binding process can be counteracted.
  • the at least one first cutout is produced by means of a mechanical work step, for example by milling, by laser light and/or by means of an etching step.
  • the subsequent exposure of the at least one first cutout or at least one second cutout is preferably also carried out by means of an etching step and/or by means of mechanical removal, for example in the form of polishing, grinding or milling.
  • the ceramic element can be designed as a composite or hybrid ceramic, in which several ceramic layers, which differ in terms of their material composition, are arranged one on top of the other and joined together to form an insulating element to combine various desired properties.
  • the metal layer can be attached to the ceramic element, for example, using a DCB method, an AMB method, diffusion bonding and/or hot isostatic pressing
  • DCB method Direct Copper Bond Technology
  • DAB method Direct Aluminum Bond Technology
  • metal layers or sheets e.g . B. copper sheets or foils or aluminum sheets or foils
  • ceramics or ceramic layers namely using metal or copper sheets or metal or copper foils which have a layer or coating ( Reflow layer)
  • Reflow layer metal or copper sheets or metal or copper foils which have a layer or coating ( Reflow layer)
  • this method which is described, for example, in US Pat the foil onto the ceramic and by heating all layers, these can be connected to one another, namely by melting the metal or copper essentially only in the region of the melting layer or oxide layer.
  • the ceramic element and the metal layer or the rear-side metal layer are preferably connected by means of a direct metal connection method, hot isostatic pressing, a soldering method and/or a diffusion bonding process.
  • a direct metal connection method hot isostatic pressing
  • a soldering method soldering method
  • a diffusion bonding process e.g., a soldering method, a diffusion bonding process.
  • the DCB method then z. B. the following process steps:
  • an active soldering process e.g. B. for connecting metal layers or metal foils, in particular also of copper layers or copper foils with ceramic material
  • a method is to be understood, which is also used specifically for the production of metal-ceramic substrates, at a temperature between approx Connection between a metal foil, for example copper foil, and a ceramic substrate, for example aluminum nitride ceramic, produced using a hard solder which also contains an active metal in addition to a main component such as copper, silver and/or gold.
  • This active metal which is for example at least one element from the group Hf, Ti, Zr, Nb, Ce, creates a connection between the solder and the ceramic by chemical reaction, while the connection between the solder and the metal is a metallic brazing compound .
  • a thick-film process is also conceivable for connection.
  • Hot isostatic pressing is known, for example, from EP 3 080 055 B1, the content of which regarding hot isostatic pressing is hereby explicitly referred to.
  • at least one second cutout is formed on the first side, wherein when the at least one second cutout is formed on a second side opposite the first side, a second residual metal partial layer is left over, which extends parallel to the main plane of extension the second thickness of the second residual metal partial layer differs from the first thickness of the first residual metal partial layer and a ratio of the second thickness (D1) to the thickness of the metal layer is greater than 0.1, preferably greater than 0.25 and particularly preferably greater than 0.4 or even greater than 0.5.
  • the second partial residual metal layer preferably has a second thickness D2 of more than 150 ⁇ m, preferably more than 250 ⁇ m and particularly preferably more than 400 ⁇ m or even more than 500 ⁇ m. It has proven to be advantageous to provide at least further additional second recesses in addition to the at least one first recess.
  • the at least one first cutout and the at least one second cutout can differ in terms of their width, for example a first width of the at least one first cutout is greater than a second width of the at least one second cutout. Appropriate distribution and dimensioning can also influence the bending behavior of the metal-ceramic substrate during the bonding process.
  • the formation of at least one first cutout, the first width of which is greater than the second width of the at least one second cutout, is particularly advantageous if the ceramic element is to be separated in the area of the at least one first cutout, for example in order to a corresponding breaking or separating to divide the metal-ceramic substrate into a plurality of isolated metal-ceramic substrates.
  • the size of an isolation trench can be dimensioned and determined by suitably selecting the first width.
  • the first cutout is provided for areas for separating the metal-ceramic substrates and the second cutout for isolation trenches or vice versa. It is preferably provided that the method further comprises:
  • a third partial residual metal layer of the rear metal layer extending parallel to the main plane of extension is left over, the third residual metal partial layer of the rear metal layer having a third thickness, wherein a ratio of the third thickness to the thickness of the backside metal layer is greater than 0.1, preferably greater than 0.25 and particularly preferably greater than 0.4 or even greater than 0.5.
  • the third thickness preferably has a value of more than 150 ⁇ m, preferably more than 250 ⁇ m and particularly preferably more than 400 ⁇ m or even more than 500 ⁇ m, in order to prevent bending of the metal-ceramic substrate when the backside metal layer is connected Counteract metal layer and the ceramic element. It has also proven to be advantageous to provide the metal layer on the rear side with the at least one third cutout and to ensure that the third residual metal partial layer also has a thickness that is greater than at least 150 ⁇ m.
  • the at least one third cutout is preferably arranged below the at least one first cutout, viewed in the stacking direction, particularly preferably arranged congruently with the at least one first cutout.
  • the metal layer, the rear side metal layer and the ceramic element are preferably connected to one another in a joint connection process to form the metal-ceramic substrate.
  • the third cutout serves to create a symmetry between the front side and the rear side, which would otherwise not exist due to the letting of the first cutout into the metal layer. Otherwise, the sole formation of a first cutout results in a bimetallic effect, which causes bending in the region of the first cutout. This can be counteracted if, viewed in the stacking direction, the third recess and/or a fourth recess is made congruent or offset to the first recesses and/or second recesses. As a result, bending can also be counteracted when it is necessary to form the first cutout in the metal layer. This applies in particular when the first recess is provided for the later formation of narrow iso-trenchs.
  • the third and/or fourth cutout is formed in the second side of the back metal layer, it is also possible to let it into the back metal layer after the connection between the back metal layer and the ceramic element, in order to counteract bending.
  • the third and/or fourth recess is comparatively deep, for example making up more than 50%, preferably more than 60% and particularly preferably more than 80% of the thickness of the rear-side metal layer.
  • the third and/or fourth residual metal layer on the first side of the rear-side metallization is not removed in order not to damage the ceramic element during the milling production and/or not to adversely affect the heat spread.
  • the third cutouts are preferably arranged congruently with the second cutouts in the stacking direction and/or arranged in a direction parallel to the main extension plane between two adjacent second cutouts, in particular centrally between two adjacent second cutouts.
  • a bimetallic effect can be counteracted by the appropriate arrangement of the second recesses.
  • a ratio of a first thickness or the second thickness to the thickness of the metal layer, in particular before the isolation trenches are exposed is greater than 0.1, preferably greater than 0.25 and particularly preferably greater than 0.4 or even greater than 0.5.
  • a ratio of a third thickness or a fourth thickness in a fourth cutout in the backside metal layer to the thickness of the backside metal layer is greater than 0.1, preferably greater than 0.25 and particularly preferably greater than 0.4 or even greater than 0.5
  • the first residual metal partial layer, the second residual metal partial layer and/or the third residual metal partial layer extends continuously on the second side of the metal layer or the rear metal layer.
  • a closed cover is provided on the second side of the at least one metal layer or backside metal layer, which also simplifies handling of the at least one metal layer/backside metal layer during manufacture.
  • the first thickness of the first partial layer of residual metal, the second thickness of the second partial layer of residual metal and/or the third thickness of the third partial layer of residual metal has a value of more than 150 ⁇ m, preferably more than 250 ⁇ m and particularly preferably more than 400 ⁇ m or even more than 500 ⁇ m and/or between 200 ⁇ m and 1,000 ⁇ m, preferably between 300 ⁇ m and 800 ⁇ m and particularly preferably between 400 ⁇ m and 600 ⁇ m.
  • a fourth thickness of the fourth partial layer of residual metal and/or a fifth thickness of the fifth partial layer of residual metal has a value of more than 150 ⁇ m, preferably more than 250 ⁇ m and particularly preferably more than 400 ⁇ m or even more than 500 ⁇ m and/or between 200 ⁇ m and 1,000 ⁇ m, preferably between 300 ⁇ m and 800 ⁇ m and particularly preferably between 400 ⁇ m and 600 ⁇ m.
  • first thickness, the second thickness, third thickness, the fourth thickness and/or fifth thickness are sufficient for positively influencing the suppression of deflection of the ceramic element or the metal-ceramic substrate during the bonding process.
  • first thicknesses, second thicknesses or third thicknesses of the respective residual metal partial layer have to be removed again.
  • the at least one first recess, the at least one second recess and/or the at least one third recess is realized by means of a machining process or by means of machining and is formed with an aspect ratio that is greater than 1, particularly preferably greater than 1.5 and particularly preferably greater than 2.
  • the aspect ratio relates to the relationship between the extent of the (first, second or third) recess and the thickness of the metal layer, in particular after the removal of the (first, second or third) residual metal sub-layer.
  • the method can be used particularly preferably to produce metal-ceramic substrates in which very narrow isolation trenches can be used to utilize the useful area of the metal layer and to improve the heat spread in the metal layer, with which heat generated during operation can be dissipated.
  • an etching medium to form the first, second and/or third recess would result in the formation of an aspect ratio of less than 1, which would mean that the individual metal sections in the structured metal-ceramic substrate would be relatively far apart from one another, particularly in the case of thick metal layers space-saving arrangement of the metal sections could be realized on the ceramic element.
  • the at least one second recess can be used to counteract the bending, and at the same time it is hidden in the manufactured metal-ceramic substrate, for example under the connection surface for an electrical component. It is also conceivable that the third recess in the backside metal layer is not exposed.
  • the at least one second cutout and/or third cutout and/or fourth cutout is used in particular to counteract sagging and can be provided in addition to the at least one first cutout that is provided for forming isolation trenches that are formed after the Exposing the at least one first recesses result.
  • this ensures that the rear metal layer provides a sufficiently solid metal section that ensures in the manufactured metal-ceramic substrate that thermal energy can be transported away as quickly as possible due to the increased thermal conductivity of the metal. If too many third and/or fourth recesses are embedded in the rear-side metallization or rear-side metal layer, this would otherwise lead to a reduction in thermal conductivity in the rear-side metal layer, which in turn would be disadvantageous for the dissipation of thermal energy.
  • the two-stage machining process of the at least one metal layer when removing the residual metal layer after the connection results in a stepped profile in the side surface.
  • the side surface is the outer surface that delimits the first recess and/or second recess or the outer surface that does not run parallel to the main plane of extension, i. H. neither front nor back of the metal layer.
  • the side surface has a concave or convex profile.
  • a concave curve proves to be advantageous for the thermomechanical resistance to changes (contact surface between metal layer and ceramic element) and the size of the connection surface (outside of the metal layer to the component side).
  • the first cutout and/or the second cutout in particular in the form of a groove, is/are preferably let into the metal layer along a direction which is opposite to a direction running perpendicularly to the main plane of extension direction is inclined.
  • the first and/or second recess let in as a groove is inclined and therefore does not extend parallel to the stacking direction or parallel to a direction perpendicular to the main plane of extension.
  • the side faces of two adjacent metal sections form a V-shaped profile. It is also conceivable that the side faces of two adjacent metal sections run parallel to one another and are inclined to a direction running perpendicular to the main plane of extent. In other words: an inclined groove is let into the at least one metal layer.
  • Such a sloping groove can be realized, for example, by appropriate milling. As a result, it is possible, for example, to leave the narrowest possible residual metal section for the connection process.
  • a corresponding oblique course of the groove in the at least one metal layer proves to be advantageous because this reduces the probability that the ceramic element will be damaged when the residual metal partial layer is removed.
  • the width of the isolation trench tapers along a direction that runs perpendicularly to the main extension plane, and the width of the isolation trench decreases with increasing distance from the ceramic element.
  • the increase can be abrupt, for example, in the case of a stepped profile, or continuous in the case of a curved profile.
  • an enlarged connection area can advantageously be provided on the outside of the at least one metal layer in the manufactured metal-ceramic substrate. This increases the effective usability of the metal layer.
  • the stepped course is asymmetrical.
  • a center point of the area removed after the connection is offset in a direction running parallel to the main plane of extent to the center point of the cutout that was produced before the connection of the metal layer and the ceramic element.
  • milling to expose the isolation trench after the connection is offset to the position of the first cutout.
  • a thickness of the part of the first residual metal partial layer that has not been removed, measured perpendicularly to the main extension plane has a value between 0.01 and 0.2, preferably between 0.02 and 0.1 and particularly preferably between 0. 02 and 0.8 assumes.
  • a stepped area can be produced, in particular when the extent of the removed metal section in the first residual metal partial layer is smaller or larger than the width of the first cutout. For example, this allows a comparatively narrow area of the metallization to be implemented, which is arranged above the first cutout in a direction running perpendicularly to the main plane of extent.
  • a further object of the present invention is a metal-ceramic substrate produced using the method according to the invention. All the advantages and properties described for the process can be transferred analogously to the metal-ceramic substrate and vice versa.
  • FIG. 2 shows an arrangement of a metal layer and a ceramic element for forming a metal-ceramic substrate according to a first exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG 3 shows an arrangement of a metal layer and a ceramic element for forming a metal-ceramic substrate according to a second exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 shows an arrangement of a metal layer and a ceramic element for forming a metal-ceramic substrate according to a third exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 shows an arrangement of a metal layer and a ceramic element for forming a metal-ceramic substrate according to a fourth exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 shows an arrangement of a metal layer and a ceramic member for forming a metal-ceramic substrate according to a fifth exemplary embodiment of the present invention
  • FIG. 7 shows an arrangement of a metal layer and a ceramic member for forming a metal-ceramic substrate according to a sixth exemplary embodiment of the present invention
  • FIG. 8 shows an arrangement of a metal layer and a ceramic element for forming a metal-ceramic substrate according to a seventh exemplary embodiment of the present invention
  • FIG. 9 shows an arrangement of a metal layer and a ceramic member for forming a metal-ceramic substrate according to an eighth exemplary embodiment of the present invention
  • FIG. 10 shows an arrangement of a metal layer and a ceramic member for forming a metal-ceramic substrate according to a ninth exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 shows an arrangement of a metal layer and a ceramic member for forming a metal-ceramic substrate according to a tenth exemplary embodiment of the present invention
  • FIG. 12 shows an arrangement of a metal layer and a ceramic member for forming a metal-ceramic substrate according to an eleventh exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a metal-ceramic substrate 1 according to the prior art.
  • a metal-ceramic substrate 1 is preferably a carrier for electrical components.
  • the metal-ceramic substrate 1 has a ceramic element 20 and at least one metal layer 10, the ceramic element 20 and the at least one metal layer 10 extending along a main extension plane HSE.
  • the at least one metal layer 10 is bonded to the ceramic element 20, the at least one metal layer 10 and the ceramic element 20 being arranged one above the other in a stacking direction S running perpendicular to the main plane of extension HSE.
  • the at least one metal layer 10 has a plurality of metal sections 10', which are arranged, for example, electrically insulated from one another and next to one another along a direction running parallel to the main plane of extent HSE.
  • connection methods are high-temperature methods in which the arrangement of ceramic element 20 and the at least one metal layer 10 are exposed to an elevated temperature, in particular temperatures above 500° C.
  • the structuring then takes place by means of an etching process in order to realize metal sections 10′ that are electrically isolated from one another and that can be used as conductor tracks and/or connection surfaces, so-called pads, for electrical circuits.
  • a rear metal layer 30 which is bonded to the ceramic element 20 in particular at the same time, ie in a common work step, as the at least one metal layer 10 .
  • a rear metal layer 30 is used in particular to compensate for thermomechanical stresses in the metal-ceramic substrate 1 that are caused due to the different thermomechanical expansion coefficients in the at least one metal layer 10 and the ceramic element 20 .
  • the procedure known from the prior art for connecting metal layers 10 to the ceramic element 20 cannot prevent the metal-ceramic substrate 1 from moving during the process of connecting the at least one metal layer 10 to the ceramic element 20 bends or bends.
  • FIGS. 2 to 10 show sectional views and not side views.
  • FIG. 2 shows an arrangement of a metal layer 10 and a ceramic element 20 for a method according to a first exemplary embodiment of the present invention.
  • a first cutout 21 and/or a second cutout 22 to be made in the at least one metal layer 10 on a first side S1 of the at least one metal layer 10 before the bonding.
  • the first cutout 21 and/or second cutout 22 embedded in the at least first metal layer 10 does not extend over the entire thickness D of the at least one metal layer 10. It is also conceivable that the first cutout 21 and/or the second cutout 22 extends along a direction running parallel to the main extension plane HSE over the entire length or width of the at least one metal layer 10. Alternatively or additionally, it is conceivable that the at least one first cutout 21 and/or the at least one second cutout 22 are formed only in the interior or central region of the at least one metal layer 10 or are formed as partial sections one behind the other.
  • the metal layer 10 is connected to the ceramic element 20, in particular via the first side S1 of the metal layer 10.
  • the ceramic element 30 is thus bonded to the first side S1 of the metal layer 10 attached, which has the openings of the at least one first recess 21 and/or the at least one second recess 22.
  • the fact that the at least one first cutout 21 and the at least one second cutout 22 do not protrude through the entire thickness D of the metal layer 10 remains in a region above the at least one first cutout 21 and/or the at least one second cutout 22, viewed in the stacking direction S a first residual metal sub-layer 31 and/or second residual metal sub-layer 32 remain.
  • This first residual metal part layer 31 and / or The second partial residual metal layer 32 ensures that bending of the metal-ceramic substrate 1 during the connection, ie while the metal-ceramic substrate 1 is exposed to an elevated temperature of more than 500°, is counteracted.
  • the first residual metal partial layer 31 and/or the second residual metal partial layer 32 has a first thickness D1 or a second thickness D2, which is greater than 150 pm, preferably greater than 250 pm and more preferably greater than 400 or even 500 pm.
  • the first thickness D1 and/or the second thickness D2 is preferably 200-400 ⁇ m thick.
  • the first thickness D1 and the second thickness D2 are of the same size.
  • the thickness D of the at least one metal layer 10 has a value between 500 ⁇ m and 2500 ⁇ m, preferably greater than 1000 ⁇ m.
  • the at least first recess 21 has a first width B1 and the at least one second recess 22 has a second width B2, with the first width B1 differing from the second width B2. It is provided here that the second width B2 is smaller than the first width B1.
  • the metal-ceramic substrate 1 is preferably a large card, which is separated in the area of the at least one first recess 21 with the width B1 in order to produce a plurality of isolated metal-ceramic substrates 1 from this large card.
  • the rear side metal layer 30 has at least one third cutout 23 on its first side S1.
  • the at least one third recess 23 has a third partial residual metal layer 33 below the at least one third recess 23, viewed in the stacking direction S in the assembled state of the at least one metal layer 10, the rear side metal layer 30 and the ceramic element 20.
  • the third partial residual metal layer 33 has a third thickness D3, which is also preferably greater than 150 ⁇ m, particularly preferably greater than 250 ⁇ m and particularly preferably greater than 400 or even 500 ⁇ m.
  • the at least one third recess 23 has a third width B3, which essentially corresponds to the first width B1 of the at least one first recess 21.
  • the at least one third cutout 23 is preferably formed congruently below the at least one first cutout 21 as viewed in the stacking direction S. Furthermore, it is provided or conceivable that the third thickness D3 essentially corresponds to the first thickness D1 or second thickness D2 or differs from this. It is conceivable that the at least one third recess 23 is larger in a direction running parallel to the stacking direction S than the extent of the at least one first recess 21 and/or at least one second recess 22. It is preferably provided that the thickness D of the backside metal layer 30 is equal to or smaller than the thickness D of the metal layer 10.
  • FIG. 3 shows an arrangement of a metal layer 10 and a ceramic element 20 for a method according to a second exemplary embodiment of the present invention.
  • the exemplary embodiment in FIG. 3 differs essentially only from the exemplary embodiment in FIG.
  • the at least one fourth cutouts 24 shown in Figure 3 are arranged congruently with the at least one second cutout 22 of the metal layer 10. It is preferably provided that a third thickness D3 of the third residual metal partial layer 33 differs from a fourth thickness D4 of the fourth residual metal partial layer 34 , which is formed below the at least one fourth recess 24 when viewed in the stacking direction S in the assembled state.
  • the structuring by the Removal or the at least regional removal of the first partial metal layer 31 and/or the second partial metal layer 32 is finally completed. It is conceivable that such a removal of the rear-side metal layer 30 is dispensed with, at least in sections.
  • the at least one third recess 23 and/or at least one fourth recess 24 are arranged within the rear side metal layer 30, ie the at least one third recess 23 and/or the at least one fourth recess 24 remains closed on its underside in the stacking direction S.
  • FIG. 4 shows an arrangement made up of a metal layer 10 and a ceramic element 20 for a method according to a third exemplary embodiment of the present invention.
  • the embodiment of FIG. 4 is characterized in that it has at least one first recess 21 and/or at least one second recess 22, the first width B1 and/or second width B2 of which is smaller, preferably more than 1.5 times or preferably more than 3 times smaller than a depth of the first recess 21 and/or the second recess 22 in a direction perpendicular to the main plane of extension HSE.
  • the depth of the first recess 21/the second recess corresponds to the difference between the first thickness D1 or second thickness D2 and the thickness D of the metal layer.
  • the third recess 23 and/or fourth recess 24 in the at least one metal layer 10 and/or the rear side metal layer 30, at least one first recess 21, at least one second recess 22 and/or at least one third recess 23 realized whose aspect ratio is greater than 1.
  • Such narrow recesses 21, 22, 23 can be realized, for example, with a milling tool, in particular a disc milling machine.
  • Such a production of narrow recesses 21, 22, 23 is particularly for comparatively large thicknesses D of the at least one metal layer 10 and / or the rear metal layer 30 is advantageous since etching otherwise used would lead to very large distances between the individual metal sections 10', which would be unfavorable in terms of space economy on the metal-ceramic substrate 1.
  • FIG. 5 shows an arrangement of a metal layer 10 and a ceramic element 20 for a method according to a fourth exemplary embodiment of the present invention.
  • the embodiment of Figure 5 differs from the previous ones in that, in addition to the at least one first cutout 21 and the at least one second cutout 22 on the first side S1 of the metal layer 10, at least one fifth cutout 25 is embedded on the first side S1 of the metal layer 10 is.
  • a fifth residual metal partial layer 35 is left over above the at least one fifth cutout 25 .
  • the rear-side metal layer 20 contains the at least one third cutout 23 and/or at least one fourth cutout 24, as illustrated in the previous exemplary embodiments.
  • the first residual metal partial layer 31, the second residual metal partial layer 32 and/or the fifth residual metal partial layer 33 differ from one another, in particular in such a way that a fifth thickness D5 of the fifth residual metal partial layer 35 is greater than the first thickness D1 and/or the second thickness D2.
  • the at least one fifth cutout 25 is arranged within a central area of the at least one metal layer 10 , while the at least one second cutout 24 is arranged in the edge area of the metal layer 10 . This results in an arrangement in which the thickness of the respective residual metal partial layer increases towards the center, namely from the second residual metal partial layer 32 to the first residual metal partial layer 31 and finally to the fifth residual metal partial layer 35.
  • FIG. 6 shows an arrangement made up of a metal layer 10 and a ceramic element 20 for a method according to a fifth exemplary embodiment.
  • the exemplary embodiment of FIG. 6 differs in the way essentially from those of the preceding figures in that the at least one first recess 21 and/or the at least one second recess 22 alternate in a direction running parallel to the main extension plane HSE.
  • FIG. 7 shows an arrangement made up of a metal layer 10 and a ceramic element 20 for a method according to a sixth exemplary embodiment.
  • the at least one first cutout 21 together with the at least one second cutout 22 forms a group which is formed in particular multiple times on the first side S1 of the metal layer 10 .
  • the group is characterized in that the at least one first recess 21 is arranged between two second recesses 22 .
  • the second thickness D2 of the second residual metal partial layer 32 is greater, preferably more than twice as large, as the first thickness D1 of the first residual metal partial layer 31 .
  • a second width B2 of the second cutout 22 is smaller than the first width B1 of the at least one first cutout 21 .
  • the second width B2 is smaller than the first width B1 by at least a factor of 1.2, preferably a factor of 2 and particularly preferably a factor of 3.
  • the group consisting of the at least one first cutout 21 and the second cutouts 22 are each arranged in the edge region of the at least one metal layer 10 .
  • FIG. 8 shows an arrangement of a metal layer 10 and a ceramic element 20 for a method according to a seventh exemplary embodiment of the present invention.
  • the at least one first cutout 21 and/or the at least one second cutout 22 does not have a rectangular cross section.
  • the at least one first recess 21 and/or at least second recess 22 instead has a triangular, curved and/or pointed cross section.
  • the at least one first Recess 21 and/or the at least one second recess 22 tapers as seen from the first side S1 of the at least one metal layer 10 to the second side S2.
  • FIG. 9 shows an arrangement of a metal layer 10 and a ceramic element 20 for a method according to an eighth exemplary embodiment of the present invention. It is provided that, particularly for the exemplary embodiment in FIG. Such a step-like progression in the edge area of the second side S2 of the rear metal layer 30 also proves to be positive for avoiding bending during the manufacturing process or the bonding process between the at least one metal layer 10 and the ceramic element 20.
  • FIG. 10 shows two exemplary embodiments of the metal-ceramic substrate 1 after the first residual metal partial layer 31 and/or second residual metal partial layer 32 has been at least partially removed to expose the isolation trenches.
  • a stepped course can be produced in the metal layer 10, in particular in its side wall, by exposing the isolation trenches.
  • a width of a portion removed from the first residual metal sub-layer 31 may be smaller than the first width B1 of the recess ( Figure 10 above) or vice versa (see Figure 10 below).
  • the upper embodiment variant allows a larger usable area to be provided for electrical components.
  • FIG. 11 An exemplary embodiment of the present invention is shown in FIG.
  • a fourth recess 24 in the second side S2 can be brought about before the connection of the rear-side metal layer 30 and the ceramic element 20 or subsequently after the connection of the ceramic element 20 to the rear-side metal layer 30. It is also conceivable that the third recess 23 and/or or fourth recess 24 on the first side S1 is dispensed with and the third recesses 23 and/or fourth recess 24 are embedded only in the second side S2 (in contrast to what is shown in FIG. 11).
  • the third cutout 23 and/or fourth cutout 24 are arranged between two first cutouts 21 and/or second cutouts 22 and/or at the same height, viewed in a direction running parallel to the main extension plane HSE.
  • the first cutouts 21 in the metal layer 10 in this exemplary embodiment are, in particular, those cutouts which are provided for a later separation of the ceramic element 20 .
  • the second cutouts 22 in the metal layer 10 are, in particular, those cutouts which form the later isolation trenches.
  • FIG. 12 shows a further exemplary embodiment of the present invention, in which the rear-side metal layer 30 is designed as a cooler element.
  • the rear-side metal layer 30 is a cooler element with a fin structure, ie a cooling element that has web-like elements that preferably protrude along the stacking direction S from a base section of the cooling element.
  • the base section of the cooling element preferably forms an in particular solid and continuously formed metal section.
  • a residual metal partial layer ie a first residual metal layer 31 and/or a second residual metal partial layer 32, in the metal layer 10 on the component side of the metal-ceramic substrate 1 has proven particularly advantageous for such embodiments as are shown in FIG due to the large asymmetry with regard to the thicknesses on the front and rear side (with regard to the thicknesses), the thermodynamic stresses when the cooling element or the rear-side metal layer 30 is attached could lead to a correspondingly disadvantageous deflection.
  • a corresponding measure namely by selecting the corresponding first residual metal partial layer 31 and/or second residual metal partial layer 32 in the metal layer 10, it is possible to counteract corresponding deflections and even to connect a cooling element directly to the back of the ceramic element 20.
  • the base section of the cooling element a base thickness BD can be assigned and the extension of the cooling element along the stacking direction S a cooler thickness KD. It has proven to be advantageous if a ratio of the base thickness BD to the cooling thickness KD has a value between 0.01 and 0.7, preferably between 0.05 and 0.4 and particularly preferably between 0.1 and 0.3 .
  • the cooling efficiency of the cooling side on the metal-ceramic substrate 1 can be adapted to the planned requirements of the metal-ceramic substrate 1 by appropriately targeted setting of the base thickness BD.
  • the cutout, ie the first cutout 21 is not necessarily arranged congruently with the orientation of the free areas between two web elements of the cooling element.

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Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Metall-Keramik-Substrats (1), umfassend: • - Bereitstellen einer Metallschicht (10) und eines Keramikelements (20), • - Ausbilden von mindestens einer ersten Aussparung (21) an einer ersten Seite (S1) der Metallschicht (10), und • - Verbinden der Metallschicht (10) und des Keramikelements (20), vorzugsweise mittels eines Lötverfahrens oder eines Direktanbindungsverfahrens, wobei das Keramikelement (20) an die erste Seite (S1) der Metallschicht (10) angebunden wird, wobei beim Ausbilden der mindestens einen ersten Aussparung (10) an einer der ersten Seite (S1) gegenüberliegenden zweiten Seite (S2) eine sich parallel zur Haupterstreckungsebene (HSE) erstreckende erste Restmetallteilschicht (31) übriggelassen wird, wobei die erste Restmetallteilschicht (31) nach dem Verbinden von Metallschicht (10) und Keramikschicht (20) zum Freilegen eines Isolationsgrabens zumindest bereichsweise entfernt wird, wobei ein Verhältnis der ersten Dicke (D1) der ersten Restmetallteilschicht (31) zur Dicke (D) der Metallschicht (10) größer als 0,1, bevorzugt größer als 0,25 und besonders bevorzugt größer als 0,4 oder sogar größer als 0,5 ist, um einem Durchbiegen des Metall- Keramik-Substrats (1) beim Verbinden der Metallschicht (10) und des Keramikelements (20) entgegenzuwirken.

Description

Verfahren zum Herstellen eines Meta II -Keramik-Substrats und Metall-Keramik-Substrat hergestellt mit einem solchen Verfahren
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Metall-Kera- mik-Substrats und Metall-Keramik-Substrat hergestellt mit einem solchen Verfahren.
Trägersubstrate für elektrische Bauteile, beispielsweise in Form von Metall-Kera- mik-Substraten, sind beispielsweise als Leiterplatten oder Platinen aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt, beispielsweise aus der DE 10 2013 104 739 A1 , der DE 19 927 046 B4 und der DE 10 2009 033 029 A1 . Typischerweise werden auf einer Bauteilseite des Metall-Keramik-Substrats Anschlussflächen für elektrische Bauteile und Leiterbahnen angeordnet, wobei die elektrischen Bauteile und Leiterbahnen zu elektrischen Schaltkreisen zusammenschaltbar sind. Wesentliche Bestandteile der Metall-Keramik-Substrate sind eine Isolationsschicht, die bevorzugt aus einer Keramik gefertigt ist, und eine an die Isolationsschicht angebundene Metallschicht bzw. Bauteilmetallisierung. Wegen ihren vergleichsweise hohen Isolationsfestigkeiten haben sich aus Keramik gefertigte Isolationsschichten in der Leistungselektronik als besonders vorteilhaft erwiesen. Durch eine Strukturierung der Metallschicht können sodann Leiterbahnen und/oder Anschlussflächen für die elektrischen Bauteile realisiert werden.
Zur Anbindung von Metallschichten an das Keramikelement ist es üblicherweise vorgesehen, ein Hochtemperaturverfahren, wie beispielsweise ein heißisostatisches Pressen, ein Diffusionsanbindungsverfahren, ein Direktmetallanbindungsverfahren, ein DCB-Verfahren oder ein Aktivlötverfahren zu verwenden. Die hierzu erforderlichen Temperaturen von mehr als 500 °C führen dabei in der Regel dazu, dass das Keramikelement während des Bindungsprozesses verbiegt. Diese Verbiegung muss in einem Nachbearbeitungsschritt nach der Fertigung bzw. nach der Anbindung aufwendig behoben werden, um ein möglichst flaches Metall-Keramik- Substrat im fertigen Zustand bereitzustellen zu können.
Es war eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das Verfahren zur Herstellung von Metall-Keramik-Substraten zu vereinfachen, insbesondere den Arbeitsaufwand zu reduzieren und den Fertigungsprozess zu beschleunigen.
Die vorliegende Erfindung löst diese Aufgabe mit einem Verfahren gemäß Anspruch 1 und einem Metall-Keramik-Substrat hergestellt mit einem Verfahren gemäß Anspruch 10.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Metall-Keramik-Substrats, vorgesehen, umfassend:
- Bereitstellen einer Metallschicht und eines Keramikelements,
- Ausbilden von mindestens einer ersten Aussparung an einer ersten Seite der Metallschicht, und
- Verbinden der Metallschicht und des Keramikelements, vorzugsweise mittels eines Lötverfahrens, eines heißisostatischen Pressens, eines Diffusionsverfahrens oder eines Direktanbindungsverfahrens, wobei das Keramikelement an die erste Seite der Metallschicht angebunden wird, wobei beim Ausbilden der mindestens einen ersten Aussparung an einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite eine sich parallel zur Haupterstreckungsebene erstreckende erste Restmetallteilschicht übriggelassen wird, wobei die erste Restmetallteilschicht nach dem Verbinden von Metallschicht und Keramikschicht zum Freilegen eines Isolationsgrabens zumindest bereichsweise entfernt wird, wobei ein Verhältnis der ersten Dicke zur Dicke der Metallschicht größer als 0,1 , bevorzugt größer als 0,25 und besonders bevorzugt größer als 0,4 o- der sogar größer als 0,5 ist, um einem Durchbiegen des Metall-Keramik-Substrats beim Verbinden der Metallschicht und des Keramikelements entgegenzuwirken. Insbesondere ist es vorgesehen, dass die erste Restmetallteilschicht eine erste Dicke von mehr als 150 pm, bevorzugt von mehr als 200 pm und besonders bevorzugt mehr als 250 pm aufweist, um einem Durchbiegen des Metall-Keramik-Sub- strats beim Verbinden der Metallschicht und des Keramikelements entgegenzuwirken.
Gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren ist es vorgesehen, in der Metallschicht eine erste Restmetallteilschicht übrig zu lassen, deren erste Dicke größer als 150 pm, bevorzugt größer als 250 pm und besonders bevorzugt größer als 400 pm oder größer als 500 pm ist. Es hat sich dabei herausgestellt, dass durch eine entsprechende Dimensionierung der ersten Dicke der ersten Restmetallteilschicht einem Verbiegen des Metall-Keramik-Substrats während des Anbindungsprozesses wirksam entgegengewirkt werden kann, wodurch der Aufwand beim Nacharbeiten reduziert wird und sogar auf ein Rückbiegen wegen einer störenden, beim Anbindungsprozess ausgebildeten Verbiegung des Metall- Keramik-Substrats verzichtet werden kann.
Das Verbinden bzw. der Anbindungsprozess umfasst dabei das Erwärmen und Abkühlen des Metall-Keramik-Substrats. Schließlich treten die Spannungen, die für das Verbiegen verantwortlich sind, erst beim Abkühlen auf, da beim Erwärmen die Metallschicht und das Keramikelement noch nicht miteinander verbunden sind und erst am Ende des Erwärmens die Bindung zwischen Keramikelement und Metallschicht verursacht wird. Aufgrund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten wird eine Zugspannung in der Metallschicht und eine Druckspannung in der Keramik veranlasst, die dazu führt, dass die Metallabschnitte, die an die Aussparungen angrenzen, dazu tendieren, sich aufeinander zuzubewegen. Dies führt schließlich zu einem Bimetalleffekt, der das Metall-Kera- mik-Substrat durchbiegt, wenn Metall und Keramik miteinander verbunden sind. Die erste Restmetallschichtdicke wirkt dem entgegen, indem sie in Form eines stegartigen Abschnitts eine Gegenkraft bereitstellt, die dem Bimetalleffekt entge- genwirkt. Dabei hat sich herausgestellt, dass der ungewollten Bewegung der Metallabschnitte umso mehr entgegengewirkt werden kann, je größer die Restmetallschichtdicke ist.
Dabei ist es insbesondere vorgesehen, dass die mindestens eine erste Restmetallteilschicht nach dem Anbinden wieder entfernt wird, um auf diese Weise im Bereich der mindestens einen ersten Aussparung einen Isolationsgraben zu bilden. Daher ist es von Vorteil, wenn der Verlauf der mindestens einen ersten Aussparung dem Verlauf der späteren Isolationsgräben entspricht. Dabei kann sich der Verlauf der mindestens einen ersten Aussparung entlang einer Richtung, die parallel zur Haupterstreckungsebene verläuft, kurvenförmig, stufenförmig, gradlinig und/oder gewinkelt erstrecken, um jeweils den gewünschten und erforderlichen Verlauf für die späteren Isolationsgräben zu realisieren, die die einzelnen Metallabschnitte im Metall-Keramik-Substrat voneinander trennen.
Insbesondere hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die mindestens einen ersten Aussparungen möglichst gleichmäßig entlang der ersten Seite der mindestens einen Metallschicht verteilt sind, sodass die Auslegung der Isolationsgräben neben deren bauräumlich möglichst ökonomischen Verteilung zusätzlich auch berücksichtigt, dass durch deren Anordnung einem Verbiegen während des Bindungsprozesses entgegengewirkt werden kann.
Grundsätzlich ist es dabei vorstellbar, dass die mindestens eine erste Aussparung mittels eines mechanischen Arbeitsschritts, beispielsweise durch Fräsen, durch Laserlicht und/oder mittels eines Ätzschritts erzeugt wird. Das anschließende Freilegen der mindestens einen ersten Aussparung oder mindestens einer zweiten Aussparung erfolgt vorzugsweise ebenfalls mittels eines Ätzschrittes und/oder mittels eines mechanischen Abtragens, beispielsweise in Form eines Polierens, Schleifens oder Fräsens.
Vorzugsweise weist das Keramikelement AI2O3, SisN4, AIN, eine HPSX-Keramik (d. h. eine Keramik mit einer AI2O3- Matrix, die einen x-prozentigen Anteil an ZrÜ2 umfasst, beispielsweise AI2O3 mit 9% ZrÜ2 = HPS9 oder AI2O3 mit 25%
ZrÜ2 = HPS25), SiC, BeO, MgO, hochdichtes MgO (> 90% der theoretischen Dichte), TSZ (tetragonal stabilisiertes Zirkonoxid) als Material für die Keramik auf. Es ist dabei auch vorstellbar, dass das Keramikelement als Verbund- bzw. Hybridkeramik ausgebildet ist, bei der zur Kombination verschiedener gewünschter Eigenschaften mehrere Keramikschichten, die sich jeweils in Hinblick auf ihre materielle Zusammensetzung unterscheiden, übereinander angeordnet und zu einem Isolationselement zusammengefügt sind.
Die Anbindung der Metallschicht an das Keramikelement kann beispielsweise über ein DCB-Verfahren, ein AMB-Verfahren, ein Diffusionsbonden und/oder ein heißisostatisches Pressen erfolgen
Unter einem „DCB-Verfahren” (Direct-Copper-Bond-Technology) oder einem „DAB-Verfahren” (Direct-Aluminium-Bond-Technology) versteht der Fachmann ein solches Verfahren, das beispielsweise zum Verbinden von Metallschichten oder - blechen (z. B. Kupferblechen oder -folien oder Aluminiumblechen oder -folien) miteinander und/oder mit Keramik oder Keramikschichten dient, und zwar unter Verwendung von Metall- bzw. Kupferblechen oder Metall- bzw. Kupferfolien, die an ihren Oberflächenseiten eine Schicht oder einen Überzug (Aufschmelzschicht), aufweisen. Bei diesem beispielsweise in der US 3 744 120 A oder in der DE23 19 854 C2 beschriebenen Verfahren bildet diese Schicht oder dieser Überzug (Aufschmelzschicht) ein Eutektikum mit einer Schmelztemperatur unter der Schmelztemperatur des Metalls (z. B. Kupfers), so dass durch Auflegen der Folie auf die Keramik und durch Erhitzen sämtlicher Schichten diese miteinander verbunden werden können, und zwar durch Aufschmelzen des Metalls bzw. Kupfers im Wesentlichen nur im Bereich der Aufschmelzschicht bzw. Oxidschicht.
Vorzugsweise erfolgt das Verbinden des Keramikelements und der Metallschicht bzw. der Rückseitenmetallschicht mittels eines Direktmetallanbindungsverfahrens, eines heißisostatischen Pressens, eines Lötverfahrens und/oder eines Diffusionsbondprozess. Insbesondere weist das DCB-Verfahren dann z. B. folgende Verfahrensschritte auf:
• Oxidieren einer Kupferfolie derart, dass sich eine gleichmäßige Kupfer- oxidschicht ergibt;
• Auflegen des Kupferfolie auf die Keramikschicht;
• Erhitzen des Verbundes auf eine Prozesstemperatur zwischen etwa 1025 bis 1083°C, z. B. auf ca. 1071 °C;
• Abkühlen auf Raumtemperatur.
Unter einem Aktivlot-Verfahren, z. B. zum Verbinden von Metallschichten oder Metallfolien, insbesondere auch von Kupferschichten oder Kupferfolien mit Keramikmaterial ist ein Verfahren zu verstehen, welches speziell auch zum Herstellen von Metall-Keramik-Substraten verwendet wird, wird bei einer Temperatur zwischen ca. 600-1000°C eine Verbindung zwischen einer Metallfolie, beispielsweise Kupferfolie, und einem Keramiksubstrat, beispielsweise Aluminiumnitrid-Keramik, unter Verwendung eines Hartlots hergestellt, welches zusätzlich zu einer Hauptkomponente wie Kupfer, Silber und/oder Gold auch ein Aktivmetall enthält. Dieses Aktivmetall, welches beispielsweise wenigstens ein Element der Gruppe Hf, Ti, Zr, Nb, Ce ist, stellt durch chemische Reaktion eine Verbindung zwischen dem Lot und der Keramik her, während die Verbindung zwischen dem Lot und dem Metall eine metallische Hartlot-Verbindung ist. Alternativ ist zur Anbindung auch ein Dickschichtverfahren vorstellbar.
Das heißisostatische Pressen ist beispielsweise aus der EP 3 080 055 B1 bekannt, auf deren Inhalt bezüglich des heißisostatischen Pressens hiermit explizit Bezug genommen wird. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist es vorgesehen, dass mindestens eine zweite Aussparung an der ersten Seite ausgebildet wird, wobei beim Ausbilden der mindestens einen zweiten Aussparung an einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite ein sich parallel zur Haupterstreckungsebene erstreckende zweite Restmetallteilschicht übrig gelassen wird, wobei sich die zweite Dicke der zweiten Restmetallteilschicht von der ersten Dicke der ersten Restmetallteilschicht unterscheidet und ein Verhältnis der zweiten Dicke (D1 ) zur Dicke der Metallschicht größer als 0,1 , bevorzugt größer als 0,25 und besonders bevorzugt größer als 0,4 oder sogar größer als 0,5. Vorzugsweise weist die zweite Restmetallteilschicht eine zweite Dicke D2 von mehr als 150 pm, bevorzugt von mehr als 250 pm und besonderes bevorzugt von mehr als 400 pm oder sogar mehr als 500 pm auf. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen neben der mindestens einen ersten Aussparung mindestens weitere zusätzliche zweite Aussparung vorzusehen. Dabei können sich die mindestens eine erste Aussparung und die mindestens eine zweite Aussparung in Hinblick auf ihre Breite unterscheiden, beispielsweise ist eine erste Breite der mindestens einen ersten Aussparung größer als eine zweite Breite der mindestens einen zweiten Aussparung. Durch eine entsprechende Verteilung und Dimensionierung kann zusätzlich Einfluss genommen werden auf das Biegeverhalten des Metall-Keramik-Substrats während des Bindungsprozesses.
Das Ausbilden einer mindestens einen ersten Aussparung, deren erste Breite größer ist als die zweite Breite der mindestens einen zweiten Aussparung erweist sich insbesondere dann als vorteilhaft, wenn im Bereich der mindestens einen ersten Aussparung ein Auftrennen des Keramikelements vorgesehen ist, um beispielsweise in einer Großkarte durch ein entsprechendes Zerbrechen oder Auftrennen das Metall-Keramik-Substrat in mehrere vereinzelte Metall-Keramik-Substrate zu unterteilen. Dadurch kann durch die geeignete Wahl der ersten Breite die Größe eines Isolationsgrabens dimensioniert und bestimmt werden. Mit anderen Worten: die erste Aussparung ist für Bereiche zum Auftrennen der Metall-Keramik-Sub- strate vorgesehen und die zweite Aussparung für Isolationsgräben oder anders herum. Bevorzugt ist es vorgesehen, dass das Verfahren weiter umfasst:
- Bereitstellen einer Rückseitenmetallschicht,
- Ausbilden von mindestens einer dritten Aussparung an einer ersten Seite und/oder zweiten Seite der Rückseitenmetallschicht, und
- Verbinden der Rückseitenmetallschicht und des Keramikelements, vorzugsweise mittels eines Lötverfahrens oder eines Direktanbindungsverfahrens, wobei das Keramikelement an die erste Seite der Rückseitenmetallschicht angebunden wird,
, wobei beim Ausbilden der mindestens einen dritten Aussparung an einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite oder an der ersten Seite der Rückseitenmetallschicht eine sich parallel zur Haupterstreckungsebene erstreckende dritte Restmetallteilschicht der Rückseitenmetallschicht übrig gelassen wird, wobei die dritte Restmetallteilschicht der Rückseitenmetallschicht eine dritte Dicke aufweist, wobei ein Verhältnis der dritten Dicke zur Dicke der Rückseitenmetallschicht größer als 0,1 , bevorzugt größer als 0,25 und besonders bevorzugt größer als 0,4 o- der sogar größer als 0,5 ist. Vorzugsweise weist die dritte Dicke einen Wert von mehr als 150 pm, bevorzugt mehr als 250 pm und besonders bevorzugt mehr als 400 pm oder sogar mehr als 500 pm auf, um einem Durchbiegen des Metall-Kera- mik-Substrats beim Verbinden der Rückseitenmetallschicht, der Metallschicht und des Keramikelements entgegenzuwirken. Es hat sich weiterhin als vorteilhaft erwiesen, die Rückseitenmetallschicht mit der mindestens einen dritten Aussparung zu versehen und dabei darauf zu achten, dass die dritte Restmetallteilschicht ebenfalls eine Dicke aufweist, die größer ist als mindestens 150 pm. Dabei ist die mindestens eine dritte Aussparung vorzugsweise in Stapelrichtung gesehen unterhalb der mindestens einen ersten Aussparung angeordnet, besonders bevorzugt deckungsgleich zu der mindestens einen ersten Aussparung angeordnet. Vorzugsweise werden die Metallschicht, die Rückseitenmetallschicht und das Keramikelement in einem gemeinsamen Anbindungsprozess zur Bildung des Metall-Ke- ramik-Substrats miteinander verbunden. Insbesondere dient die dritte Aussparung dazu, eine Symmetrie zwischen Vorderseite und Rückseite herzustellen, die durch das Einlassen der ersten Aussparung in die Metallschicht andernfalls nicht vorläge. Durch das alleinige Ausbilden einer ersten Aussparung kommt es nämlich andernfalls zu einem Bimetalleffekt, der eine Verbiegung im Bereich der ersten Aussparung veranlasst. Diesem kann entgegengewirkt werden, wenn in Stapelrichtung gesehen deckungsgleich oder versetzt zu den ersten Aussparungen und/oder zweiten Aussparungen die dritte Aussparung und/oder eine vierte Aussparung eingelassen wird. Dadurch kann einem Verbiegen auch dann entgegengewirkt werden, wenn die Ausbildung der ersten Aussparung in der Metallschicht erforderlich ist. Dies trifft insbesondere dann zu, wenn die erste Aussparung für die spätere Bildung von schmalen Isogräben vorgesehen ist.
Dabei ist es insbesondere im Fall der Ausbildung der dritten und/oder vierten Aussparung in der zweiten Seite der Rückseitenmetallschicht auch möglich, diese nach dem Verbinden zwischen Rückseitenmetallschicht und Keramikelement in die Rückseitenmetallschicht einzulassen, um so einem Verbiegen entgegenzuwirken. Dabei ist es bevorzugt vorgesehen, dass die dritte und/oder vierte Aussparung vergleichsweise tief sind, beispielsweise mehr als 50 %, bevorzugt mehr als 60 % und besonders bevorzugt mehr als 80 % der Dicke der Rückseitenmetallschicht ausmacht. Dabei wird die dritte und/oder vierte Restemetallschicht an der ersten Seite der Rückseitenmetallisierung nicht entfernt, um nicht bei der fräsenden Herstellung eine Beschädigung des Keramikelements zu bewirken und/oder die Wärmespreizung nicht nachteilig zu beeinflussen.
Vorzugsweise sind die dritten Aussparungen in Stapelrichtung deckungsgleich zu den zweiten Aussparungen angeordnet und/oder in einer parallel zur Haupterstreckungsebene verlaufenden Richtung zwischen zwei benachbarten zweiten Aussparungen, insbesondere mittig zwischen zwei benachbarten zweiten Aussparungen, angeordnet. Dadurch kann einem Bimetalleffekt durch die entsprechende Anordnung der zweiten Aussparrungen entgegengewirkt werden. Insbesondere ist es vorgesehen, dass ein Verhältnis einer ersten Dicke bzw. der zweiten Dicke zur Dicke der Metallschicht, insbesondere vor dem Freilegen der Isolationsgräben, größer ist als 0,1 , bevorzugt größer als 0,25 und besonders bevorzugt größer als 0,4 oder sogar größer als 0,5.
Insbesondere ist es vorgesehen, dass ein Verhältnis einer dritten Dicke bzw. einer vierten Dicke in einer vierten Aussparung in der Rückseitenmetallschicht zur Dicke der Rückseitenmetallschicht, größer ist als 0,1 , bevorzugt größer als 0,25 und besonders bevorzugt größer als 0,4 oder sogar größer als 0,5
Insbesondere erstreckt sich erste Restmetallteilschicht, die zweite Restmetallteilschicht und/oder dritte Restmetallteilschicht durchgehend an der zweiten Seite der Metallschicht bzw. der Rückseitenmetallschicht. Mit anderen Worten: es ist eine geschlossene Decke an der zweiten Seite der mindestens einen Metallschicht bzw. Rückseitenmetallschicht vorgesehen, wodurch auch die Handhabung der mindestens einen Metallschicht/Rückseitenmetallschicht während der Fertigung vereinfacht wird.
Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass die erste Dicke der ersten Restmetallteilschicht, die zweite Dicke der zweiten Restmetallteilschicht und/oder die dritte Dicke der dritten Restmetallteilschicht einen Wert von mehr als 150 pm, bevorzugt von mehr als 250 pm und besonders bevorzugt mehr als 400 pm oder sogar mehr als 500 pm und/oder zwischen 200 pm und 1 .000 pm, bevorzugt zwischen 300 pm und 800 pm und besonders bevorzugt zwischen 400 pm und 600 pm annimmt.. Im Falle einer vierten Restmetallteilschicht und/oder einer fünften Restmetallteilschicht ist es vorgesehen, dass eine vierte Dicke der vierten Restmetallteilschicht und /oder eine fünfte Dicke der fünften Restmetallteilschicht einen Wert von mehr als 150 pm, bevorzugt von mehr als 250 pm und besonders bevorzugt mehr als 400 pm oder sogar mehr als 500 pm und/oder zwischen 200 pm und 1 .000 pm, bevorzugt zwischen 300 pm und 800 pm und besonders bevorzugt zwischen 400 pm und 600 pm annimmt. Es hat sich mit Vorteil herausgestellt, dass entsprechende Dimensionierungen der ersten Dicke, der zweiten Dicke, dritten Dicke ,der vierten Dicke und/oder fünften Dicke ausreichend sind für den positiven Einfluss auf die Unterdrückung des Durchbiegens des Keramikelements bzw. des Metall- Keramik-Substrats während des Anbindungsverfahrens. Dadurch kann vermieden werden, dass zu große erste Dicken, zweite Dicken oder dritte Dicken der jeweiligen Restmetallteilschicht wieder entfernt werden müssen. Dadurch wird im Fertigungsverfahren sowohl Material gespart als auch Zeit, da das Entfernen einer dicken Restmetallteilschicht länger dauert als das Entfernen einer dünnen Restmetallteilschicht. Dabei ist insbesondere zu berücksichtigen, dass gerade beim Freilegen durch Ätzen, die Größe des wegzuätzenden Abschnitts maßgeblich ist für die benötigte Zeit und somit ein limitierenden Faktor darstellt für die Geschwindigkeit des Fertigungsprozesses. In solchen Fällen, in denen durch Ätzen die Isolationsgräben freigelegt werden, ist eine vergleichsweise dünne erste Dicke, zweite Dicke, dritte Dicke und/oder vierte Dicke daher besonders vorteilhaft.
Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass die mindestens eine erste Aussparung, die mindestens eine zweite Aussparung und/oder die mindestens eine dritte Aussparung mittels einem spanenden Vorgangs bzw. mittels einer spanenden Bearbeitung realisiert wird und mit einem Aspektverhältnis ausgebildet wird, das größer ist als 1 , besonders bevorzugt größer als 1 ,5 und besonders bevorzugt größer als 2. Dadurch ist es möglich, im später gefertigten Metall-Keramik-Substrat, d. h. insbesondere nach Entfernen der ersten Restmetallteilschicht, der zweiten Restmetallteilschicht und/oder der dritten Restmetallteilschicht dünne und schmale Isolationsgräben bereitzustellen. Dies erweist sich insbesondere dann als vorteilhaft, wenn die Dicke der Metallschicht einen Wert annimmt, der größer ist als 1 mm, bevorzugt größer als 1 ,5 mm und besonders bevorzugt größer als 1 ,8 mm.
Insbesondere betrifft das Aspektverhältnis das Verhältnis zwischen der Ausdehnung der (ersten, zweiten oder dritten) Aussparung und der Dicke der Metallschicht, insbesondere nach dem Entfernen der (ersten, zweiten oder dritten) Restmetallteilschicht. Dadurch lassen sich mit dem Verfahren besonders bevorzugt solche Metall-Keramik-Substrate herstellen, bei denen sehr schmale Isolationsgräben dazu genutzt werden können, die Nutzfläche der Metallschicht zu nutzen und die Wärmespreizung in der Metallschicht zu verbessern, mit der im Betrieb entstehende Wärme abgeführt werden kann.
Die Verwendung von einem Ätzmedium zur Bildung der ersten, zweiten und/oder dritten Aussparung würde andernfalls zur Bildung eines Aspektverhältnisses von kleiner als 1 führen, wodurch insbesondere bei dicken Metallschichten die einzelnen Metallabschnitte im strukturierten Metall-Keramik-Substrat vergleichsweise weit voneinander entfernt wären und keine platzsparende Anordnung der Metallabschnitte auf dem Keramikelement realisiert werden könnte.
Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass zumindest ein Teil der zweiten Restmetallteilschicht nach dem Freistellen des Bereichs der mindestens einen ersten Aussparung als Teil einer Anbindungsfläche für elektrische Bauteile übriggelassen wird. Dies erweist sich insbesondere dann als vorteilhaft, wenn die zweite Restmetallteilschicht dicker ist oder einen Wert annimmt, der dicker ist als die erste Dicke der ersten Restmetallteilschicht. Dadurch kann die mindestens eine zweite Aussparung dazu benutzt werden, der Verbiegung entgegenzuwirken, und gleichzeitig wird sie im gefertigten Metall-Keramik-Substrat beispielsweise unter der Anbindungsfläche für ein elektrisches Bauteil versteckt. Es ist auch vorstellbar, dass die dritte Aussparung in der Rückseitenmetallschicht nicht freigelegt wird. Mit anderen Worten: Die mindestens eine zweite Aussparung und/oder dritte Aussparung und/oder vierte Aussparung dient insbesondere dazu, dem Durchbiegen entgegenzuwirken und kann zusätzlich zu den mindestens einen ersten Aussparungen vorgesehen sein, die zum Ausbilden von Isolationsgräben vorgesehen sind, die sich nach dem Freilegen der mindestens einen ersten Aussparungen ergeben.
Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass die mindestens eine erste Aussparung und die mindestens eine dritte Aussparung zumindest abschnittsweise in einer Richtung gesehen, die parallel zur Stapelrichtung des Metall-Keramik-Substrats verläuft, deckungsgleich zueinander angeordnet sind. Dadurch wird eine vorteilhafte Symmetrie bezweckt, die sich ebenfalls positiv auf das Biegungsverhalten bzw. Nichtbiegenverhalten des Metall-Keramik-Substrats auswirkt. Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass sich eine Anzahl der ersten Aussparungen und/oder zweiten Aussparungen der Metallschicht von der Anzahl an dritten Aussparungen und/oder vierten Aussparungen an der Rückseitenmetallschicht unterscheidet. Insbesondere wird dadurch sichergestellt, dass die Rückseitenmetallschicht einen ausreichend massiven Metallabschnitt zur Verfügung stellt, der im gefertigten Metall-Keramik-Substrat sicherstellt, dass aufgrund der erhöhten Wärmeleitfähigkeit des Metalls Wärmeenergie möglichst schnell abtransportiert werden kann. Sollten zu viele dritte und/oder vierte Aussparungen in der Rückseitenmetallisierung bzw. Rückseitenmetallschicht eingelassen sein, würde dies andernfalls zu einer Reduktion der Wärmeleitfähigkeit in der Rückseitenmetallschicht führen, was wiederrum nachteilig wäre für das Abführen der Wärmeenergie.
Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass eine Seitenfläche der mindestens einen Metallschicht, zumindest abschnittsweise oder vollständig, im gefertigten Substrat einen gestuften, gebogenen und/oder schrägen Verlauf aufweist. Beispielsweise wird durch den zweistufigen Bearbeitungsprozess der mindestens einen Metallschicht beim Entfernen der Restemetallschicht nach dem Verbinden ein gestufter Verlauf in der Seitenfläche realisiert. Die Seitenfläche ist die Außenfläche, die die erste Aussparung und/oder zweite Aussparung begrenzt bzw. die Außenfläche der die nicht parallel zur Haupterstreckungsebene verläuft, d. h. weder Vorderseite noch Rückseite der Metallschicht.
Vorstellbar ist auch, dass die Seitenfläche einen konkaven oder konvexen Verlauf aufweist. Insbesondere ein konkaver Verlauf erweist sich als vorteilhaft für die thermomechanische Wechselbeständigkeit (Kontaktfläche zwischen Metallschicht und Keramikelement) und die Größe der Anschlussfläche (Außenseite der Metallschicht zur Bauteilseite).
Vorzugsweise wird die erste Aussparung und/oder die zweite Aussparung, insbesondere in Form einer Nut, entlang einer Richtung in die Metallschicht eingelassen, die gegenüber einer senkrecht zur Haupterstreckungsebene verlaufenden Richtung geneigt ist. Mit anderen Worten: die als Nut eingelassen erste und/oder zweite Aussparung ist geneigt und erstreckt sich somit nicht parallel zur Stapelrichtung bzw. parallel zu einer senkrecht zur Haupterstreckungsebene verlaufenden Richtung.
Beispielsweise ist es auch vorstellbar, dass die Seitenflächen zweier benachbarter Metallabschnitte ein v-förmiges Profil ausbilden. Denkbar ist auch, dass die Seitenflächen zweier benachbarter Metallabschnitte parallel zu einander verlaufen und zu einer senkrecht zur Haupterstreckungsebene verlaufenden Richtung geneigt sind. Mit anderen Worten: es ist eine schräg verlaufende Nut in der mindestens einen Metallschicht eingelassen. Eine solche schräg verlaufende Nut lässt sich beispielsweise durch ein entsprechendes Fräsen realisieren. Dadurch ist es beispielsweise möglichst schmale Restmetallteilabschnitt für den Verbindungsprozess stehen zu lassen. Ferner erweist sich ein entsprechender schräger Verlauf der Nut in der mindestens einen Metallschicht als vorteilhaft, weil dadurch die Wahrscheinlichkeit reduziert wird, dass das Keramikelement beim Entfernen der Restmetallteilschicht beschädigt wird.
Bevorzugt ist es dabei vorgesehen, dass am gefertigten Metall-Keramik-Substrat die Ausdehnung der mindestens einen Metallschicht mit zunehmenden Abstand vom Keramikelement zunimmt und/oder eine parallel zur Haupterstreckungsebene bemessene Ausdehnung der ersten Aussparung und/oder der zweiten Aussparung abnimmt. Mit anderen Worten: die Breite des Isolationsgrabens verjüngt entlang einer Richtung, die senkrecht zur Haupterstreckungsebene verläuft, und die Breite des Isolationsgrabens nimmt mit zunehmenden Abstand vom Keramikelement ab. Die Zunahme kann beispielsweise in Falle eines gestuften Verlaufs sprunghaft erfolgen oder im Falle eines gebogenen Verlaufs kontinuierlich. Dadurch lässt sich mit Vorteil an der Außenseite der mindestens einen Metallschicht im gefertigten Metall-Keramik-Substrat eine vergrößerte Anschlussfläche bereitstellen. Dadurch wird die effektive Nutzbarkeit der Metallschicht erhöht. Weiterhin ist es vorstellbar, dass der gestufte Verlauf asymmetrisch ist. Mit anderen Worte: ein Mittelpunkt des nach dem Verbinden entfernten Bereichs liegt in einer parallel zur Haupterstreckungsebene verlaufenden Richtung versetzt zu dem Mittelpunkt der Aussparung, die vor dem Verbinden von Metallschicht und Keramikelement erzeugt wurde. Beispielswiese erfolgt ein Fräsen zum Freilegen des Isolationsgrabens nach dem Verbinden versetzt zur der Lage der ersten Aussparung. Dadurch ist es in vorteilhafter Weise möglich eine Überhöhung von elektrischen Feldern zu vermeiden und einen Isolationsabstand zu vergrößern.
Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass eine senkrecht zur Haupterstreckungsebene bemessene Dicke des nicht entfernten Teils der ersten Restmetallteilschicht zur Tiefe der ersten Aussparung einen Wert zwischen 0,01 und 0,2, bevorzugt zwischen 0,02 und 0,1 und besonders bevorzugt zwischen 0,02 und 0,8 annimmt. Dadurch lässt sich ein gestufter Bereich herstellen, insbesondere wenn die Ausdehnung des entfernten Metallabschnitts in der ersten Restmetallteilschicht kleiner oder größer ist als die Breite der ersten Aussparung. Beispielsweise lässt sich dadurch ein vergleichsweise schmaler Bereich der Metallisierung realisieren, der in einer senkrecht zur Haupterstreckungsebene verlaufenden Richtung oberhalb der ersten Aussparung angeordnet ist.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Metall-Keramik-Sub- strat, hergestellt mit dem erfindungsgemäßen Verfahren. Alle für das Verfahren beschriebene Vorteile und Eigenschaften lassen sich analog übertragen auf das Metall-Keramik-Substrat und andersrum.
Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Gegenstands mit Bezug auf die beigefügten Figuren. Einzelne Merkmale der einzelnen Ausführungsform können dabei im Rahmen der Erfindung miteinander kombiniert werden.
Es zeigt: Fig.1 : ein Metall-Keramik-Substrat gemäß dem Stand der Technik,
Fig. 2 eine Anordnung einer Metallschicht und eines Keramikelements zur Ausbildung eines Metall-Keramik-Substrats gemäß einer ersten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Fig. 3 eine Anordnung einer Metallschicht und eines Keramikelements zur Ausbildung eines Metall-Keramik-Substrats gemäß einer zweiten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Fig. 4 eine Anordnung einer Metallschicht und eines Keramikelements zur Ausbildung eines Metall-Keramik-Substrats gemäß einer dritten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Fig. 5 eine Anordnung einer Metallschicht und eines Keramikelements zur Ausbildung eines Metall-Keramik-Substrats gemäß einer vierten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Fig. 6 eine Anordnung einer Metallschicht und eines Keramikelements zur Ausbildung eines Metall-Keramik-Substrats gemäß einer fünften beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
Fig. 7 eine Anordnung einer Metallschicht und eines Keramikelements zur Ausbildung eines Metall-Keramik-Substrats gemäß einer sechsten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
Fig. 8 eine Anordnung einer Metallschicht und eines Keramikelements zur Ausbildung eines Metall-Keramik-Substrats gemäß einer siebten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Fig. 9 eine Anordnung einer Metallschicht und eines Keramikelements zur Ausbildung eines Metall-Keramik-Substrats gemäß einer achten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
Fig. 10 eine Anordnung einer Metallschicht und eines Keramikelements zur Ausbildung eines Metall-Keramik-Substrats gemäß einer neunten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Fig. 11 eine Anordnung einer Metallschicht und eines Keramikelements zur Ausbildung eines Metall-Keramik-Substrats gemäß einer zehnten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und
Fig. 12 eine Anordnung einer Metallschicht und eines Keramikelements zur Ausbildung eines Metall-Keramik-Substrats gemäß einer elften beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In Figur 1 ist schematisch ein Metall-Keramik-Substrat 1 gemäß dem Stand der Technik dargestellt. Bei solch einem Metall-Keramik-Substrat 1 handelt es sich vorzugsweise um einen Träger für elektrische Bauteile. Dabei ist es insbesondere vorgesehen, dass das Metall-Keramik-Substrat 1 ein Keramikelement 20 und mindestens eine Metallschicht 10 aufweist, wobei sich das Keramikelement 20 und die mindestens eine Metallschicht 10 entlang einer Haupterstreckungsebene HSE erstrecken. Dabei ist die mindestens eine Metallschicht 10 an dem Keramikelement 20 angebunden, wobei die mindestens eine Metallschicht 10 und das Keramikelement 20 in einer senkrecht zur Haupterstreckungsebene HSE verlaufenden Stapelrichtung S übereinander angeordnet sind. Dabei ist es insbesondere vorgesehen, dass die mindestens eine Metallschicht 10 eine Mehrzahl an Metallab- schnitten 10' aufweist, die beispielsweise elektrisch isoliert voneinander und nebeneinander entlang einer parallel zur Haupterstreckungsebene HSE verlaufenden Richtung angeordnet sind.
Insbesondere ist es im Stand der Technik üblich, zunächst eine Anbindung der Metallschicht 10 an das Keramikelement 20 vorzunehmen, insbesondere mittels eines Direktmetallanbindungsverfahren und/oder eines Aktivlötverfahrens bzw. AMB-Verfahrens. Solche Anbindungsverfahren sind Hochtemperaturverfahren, bei denen die Anordnung aus Keramikelement 20 und der mindestens einen Metallschicht 10 einer erhöhten Temperatur ausgesetzt werden, insbesondere Temperaturen oberhalb von 500 °C . Nach dem Anbindungsprozess erfolgt anschließend mittels eines Ätzverfahrens die Strukturierung, um voneinander elektrisch isolierte Metallabschnitte 10' zu realisieren, die als Leiterbahn und/oder Anschlussflächen, sogenannte Pads, für elektrische Schaltkreise genutzt werden können.
Auf der der Metallschicht 10 gegenüberliegenden Seite des Keramikelements 20 ist vorzugsweise eine Rückseitenmetallschicht 30 angebunden, die insbesondere zeitgleich, d. h. in einem gemeinsamen Arbeitsschritt, mit der mindestens einen Metallschicht 10 an das Keramikelement 20 angebunden wird. Eine solche Rückseitenmetallschicht 30 dient insbesondere der Kompensation von thermomechanischen Spannungen in dem Metall-Keramik-Substrat 1 , die aufgrund der unterschiedlichen thermomechanischen Ausdehnungskoeffizienten in der mindestens einen Metallschicht 10 und dem Keramikelement 20 veranlasst werden. Allerdings hat sich herausgestellt, dass es mit dem aus dem Stand der Technik bekanntem Vorgehen zur Anbindung von Metallschichten 10 an das Keramikelement 20 sich nicht vermeiden lässt, dass sich das Metall-Keramik-Substrat 1 während des Anbindungsprozesses der mindestens einen Metallschicht 10 an das Keramikelement 20 verbiegt bzw. durchbiegt. Dies muss aufwendig in einem Nachbearbeitungsschritt rückgängig gemacht werden, um ein möglich flaches Metall-Keramik- Substrat 1 als fertiges Metall-Keramik-Substrat 1 bereitstellen zu können. Die Darstellungen in den folgenden Figuren 2 bis 10 zeigen Schnittansichten und keine Seitenansichten.
In Figur 2 ist eine Anordnung einer Metallschicht 10 und eines Keramikelements 20 für ein Verfahren gemäß einer ersten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Insbesondere ist es dabei vorgesehen, dass zeitlich vor dem Anbinden in der mindestens einen Metallschicht 10 eine erste Aussparung 21 und/oder eine zweite Aussparung 22 an einer ersten Seite S1 der mindestens einen Metallschicht 10 eingelassen wird. Die in der mindestens ersten Metallschicht 10 eingelassene erste Aussparung 21 und/oder zweite Aussparung 22 erstreckt sich dabei nicht über die gesamte Dicke D der mindestens einen Metallschicht 10. Dabei ist es ferner vorstellbar, dass sich die erste Aussparung 21 und/oder die zweite Aussparung 22 entlang einer parallel zur Haupterstreckungsebene HSE verlaufenden Richtung über die gesamte Länge bzw. Breite der mindestens einen Metallschicht 10 erstreckt. Alternativ oder ergänzend ist es vorstellbar, dass die mindestens eine erste Aussparung 21 und/oder die mindestens eine zweite Aussparung 22 nur im Inneren bzw. Zentralbereich der mindestens einen Metallschicht 10 ausgebildet werden oder als Teilabschnitte hintereinander ausgebildet sind.
Insbesondere ist es vorgesehen, dass nach dem Ausbilden der mindestens einen Aussparung 21 und der mindestens einen zweiten Aussparung 22 die Metallschicht 10 mit dem Keramikelement 20 verbunden wird, insbesondere über die erste Seite S1 der Metallschicht 10. Damit wird das Keramikelement 30 an der ersten Seite S1 der Metallschicht 10 angebunden, die die Öffnungen der mindestens einen ersten Aussparung 21 und/oder der mindestens einen zweiten Aussparung 22 aufweist. Dadurch dass die mindestens eine erste Aussparung 21 und die mindestens eine zweite Aussparung 22 nicht durch die gesamte Dicke D der Metallschicht 10 hindurchragen, bleibt in einem Bereich in Stapelrichtung S gesehen oberhalb der mindestens einen ersten Aussparung 21 und/oder der mindestens einen zweiten Aussparung 22 eine erste Restmetallteilschicht 31 und/oder zweite Restmetallteilschicht 32 übrig. Diese erste Restmetallteilschicht 31 und/oder die zweite Restmetallteilschicht 32 sorgt dafür, dass einem Durchbiegen des Metall- Keramik-Substrats 1 während des Verbindens, d. h. während das Metall-Keramik- Substrat 1 einer erhöhten Temperatur von mehr als 500° ausgesetzt ist, entgegengewirkt wird. Insbesondere hat es sich herausgestellt, dass einem Verbiegen des Keramikelements 20 bzw. des Metall-Keramik-Substrats 1 entgegengewirkt werden kann, wenn die erste Restmetallteilschicht 31 und/oder die zweite Restmetallteilschicht 32 eine erste Dicke D1 bzw. eine zweite Dicke D2 aufweist, die größer als 150 pm ist, bevorzugt größer als 250 pm und besonders bevorzugt größer als 400 oder sogar 500 pm ist. Vorzugsweise ist die erste Dicke D1 und/oder zweite Dicke D2 200 - 400 pm dick. In dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die erste Dicke D1 und die zweite Dicke D2 gleich groß. Dabei weist die Dicke D der mindestens einen Metallschicht 10 einen Wert zwischen 500 pm und 2.500 pm, bevorzugt größer als 1000 pm auf.
Darüber hinaus ist es vorgesehen, dass die mindestens erste Aussparung 21 eine erste Breite B1 und die mindestens eine zweite Aussparung 22 eine zweite Breite B2 aufweist, wobei sich die erste Breite B1 von der zweiten Breite B2 unterscheidet. Vorliegend ist es vorgesehen, dass die zweite Breite B2 kleiner ist als die erste Breite B1. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Metall-Keramik-Substrat 1 um eine Großkarte, die im Bereich der mindestens einen ersten Aussparung 21 mit der Breite B1 separiert wird, um aus dieser Großkarte mehrere vereinzelte Me- tall-Keramik-Substrate 1 herzustellen.
Weiterhin hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Rückseitenmetallschicht 30 an ihrer ersten Seite S1 eine mindestens eine dritte Aussparung 23 aufweist. Die mindestens eine dritte Aussparung 23 weist in Stapelrichtung S gesehen im zusammengesetzten Zustand der mindestens einen Metallschicht 10, der Rückseitenmetallschicht 30 und des Keramikelements 20 in Stapelrichtung S gesehen unterhalb der mindestens einen dritten Aussparung 23 eine dritte Restmetallteilschicht 33 auf. Die dritte Restmetallteilschicht 33 hat eine dritte Dicke D3, die ebenfalls bevorzugt größer als 150 pm, besonders bevorzugt größer als 250 pm und besonders bevorzugt größer als 400 oder sogar 500 pm ist. In dem in Figur 2 dargestellten Beispiel weist die mindestens eine dritte Aussparung 23 eine dritte Breite B3 auf, die im Wesentlichen der ersten Breite B1 der mindestens einen ersten Aussparung 21 entspricht. Bevorzugt ist die mindestens eine dritte Aussparung 23 in Stapelrichtung S gesehen deckungsgleich unterhalb der mindestens einen ersten Aussparung 21 ausgebildet. Weiterhin ist es vorgesehen bzw. vorstellbar, dass die dritte Dicke D3 im Wesentlichen der ersten Dicke D1 oder zweiten Dicke D2 entspricht oder von dieser abweicht. Dabei ist es vorstellbar, dass die mindestens eine dritte Aussparung 23 in einer parallel zur Stapelrichtung S verlaufenden Richtung größer bemessen ist als die Ausdehnung der mindestens einen ersten Aussparung 21 und/oder mindestens einen zweiten Aussparung 22. Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass die Dicke D der Rückseitenmetallschicht 30 gleich oder kleiner ist als die Dicke D der Metallschicht 10.
In Figur 3 ist eine Anordnung aus einer Metallschicht 10 und einem Keramikelement 20 für ein Verfahren gemäß einer zweiten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Dabei unterscheidet sich das Ausführungsbeispiel der Figur 3 im Wesentlichen nur von dem Ausführungsbeispiel der Figur 2 dahingehend, dass zusätzlich zu der mindestens einen dritten Aussparung 23 mindestens eine vierte Aussparung 24 vorgesehen ist, die an der ersten Seite S1 der Rückseitenmetallschicht 30 ausgebildet ist. Insbesondere sind die in Figur 3 dargestellten mindestens einen vierten Aussparungen 24 deckungsgleich angeordnet zu der mindestens einen zweiten Aussparung 22 der Metallschicht 10. Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass eine dritte Dicke D3 der dritten Restmetallteilschicht 33 sich unterscheidet von einer vierten Dicke D4 der vierten Restmetallteilschicht 34, die sich im zusammengefügten Zustand in Stapelrichtung S gesehen unterhalb der mindestens einen vierten Aussparung 24 ausbildet.
Weiterhin ist es bevorzugt vorgesehen, dass nach dem Anbindungsprozess die die erste Restmetallteilschicht 31 und/oder die zweite Restmetallteilschicht 32 entfernt wird, um so die mindestens eine erste Aussparung 21 oder mindestens eine zweite Aussparung 22 freizulegen, wodurch Isolationsgräben in der mindestens einen Metallschicht 10 ausgebildet werden. Somit wird die Strukturierung durch das Entfernen bzw. das zumindest bereichsweise Entfernen der ersten Restteilmetallschicht 31 und/oder zweiten Restmetallteilschicht 32 final abgeschlossen. Vorstellbar ist, dass auf ein solches Entfernen der Rückseitenmetallschicht 30 zumindest abschnittsweise verzichtet wird. Mit anderen Worten: in der Rückseitenmetallschicht 30 sind im gefertigten Metall-Keramik-Substrat, d. h. nach Strukturierung der Metallschicht 10, die mindestens eine dritte Aussparung 23 und/oder mindestens eine vierte Aussparung 24 innerhalb der Rückseitenmetallschicht 30 angeordnet, d. h. die mindestens eine dritte Aussparung 23 und/oder die mindestens eine vierte Aussparung 24 bleibt an ihrer Unterseite in Stapelrichtung S gesehen verschlossen.
In Figur 4 ist eine Anordnung aus einer Metallschicht 10 und einem Keramikelement 20 für ein Verfahren gemäß einer dritten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Dabei zeichnet sich die Ausführungsform der Figur 4 dadurch aus, dass sie mindestens eine erste Aussparung 21 und/oder eine mindestens zweite Aussparung 22 aufweist, deren erste Breite B1 und/oder zweite Breite B2 kleiner ist, vorzugsweise mehr als 1 ,5-mal oder bevorzugt mehr als 3- mal kleiner, als eine Tiefe der ersten Aussparung 21 und/oder der zweiten Aussparung 22 in einer senkrecht zur Haupterstreckungsebene HSE verlaufenden Richtung. Dabei entspricht die Tiefe der ersten Aussparung 21 / der zweiten Aussparung der Differenz aus der ersten Dicke D1 bzw. zweiten Dicke D2 und der Dicke D der Metallschicht. Gleiches gilt für die dritte Aussparung 23 und/oder vierte Aussparung 24. Mit anderen Worten: in der mindestens einen Metallschicht 10 und/oder der Rückseitenmetallschicht 30 werden mindestens eine erste Aussparung 21 , mindestens eine zweite Aussparung 22 und/oder mindestens eine dritte Aussparung 23 realisiert, deren Aspektverhältnis größer als 1 ist. Solch schmalen Aussparungen 21 , 22, 23 lassen sich beispielsweise mit einem Fräswerkzeug, insbesondere einer Scheibenfräse, realisieren. Eine derartige Herstellung von schmalen Aussparungen 21 , 22, 23 ist insbesondere für vergleichsweise große Dicken D der mindestens einen Metallschicht 10 und/oder der Rückseitenmetall- schicht 30 von Vorteil, da ein andernfalls verwendetes Ätzen zu sehr großen Abständen zwischen den einzelnen Metallabschnitten 10' führen würden, was auf dem Metall-Keramik-Substrat 1 bauraumökonomisch ungünstig wäre.
In Figur 5 ist eine Anordnung aus einer Metallschicht 10 und einem Keramikelement 20 für ein Verfahren gemäß einer vierten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Dabei unterscheidet sich die Ausführungsform der Figur 5 von den vorherigen dahingehend, dass neben der mindestens einen ersten Aussparung 21 und der mindestens einen zweiten Aussparung 22 an der ersten Seite S1 der Metallschicht 10 mindestens eine fünfte Aussparung 25 an der ersten Seite S1 der Metallschicht 10 eingelassen ist. Insbesondere ist es vorgesehen, dass sich im zusammengesetzten Zustand in Stapelrichtung S gesehen oberhalb der mindestens einen fünften Aussparung 25 eine fünfte Restmetallteilschicht 35 übrig gelassen wird. Ferner ist es vorstellbar, dass die Rückseitenmetallschicht 20 die mindestens eine dritte Aussparung 23 und/oder mindestens eine vierte 24 Aussparung enthält, wie sie in den vorherigen Ausführungsbeispielen dargestellt ist. Insbesondere ist es vorgesehen, dass sich die erste Restmetallteilschicht 31 , die zweite Restmetallteilschicht 32 und/oder die fünfte Restmetallteilschicht 33 voneinander unterscheiden, insbesondere derart, dass eine fünfte Dicke D5 der fünften Restmetallteilschicht 35 größer ist als die erste Dicke D1 und/oder die zweite Dicke D2. Dabei ist es insbesondere vorgesehen, dass die mindestens eine fünfte Aussparung 25 innerhalb eines Zentralbereichs der mindestens einen Metallschicht 10 angeordnet ist, während die mindestens eine zweite Aussparung 24 im Randbereich der Metallschicht 10 angeordnet ist. Dadurch wird eine Anordnung realisiert, bei der zum Zentrum hin die Dicke der jeweiligen Restmetallteilschicht zunimmt, nämlich von der zweiten Restmetallteilschicht 32 zur ersten Restmetallteilschicht 31 und schließlich zur fünften Restmetallteilschicht 35.
In Figur 6 ist eine Anordnung aus einer Metallschicht 10 und einem Keramikelement 20 für ein Verfahren gemäß einer fünften beispielhaften Ausführungsform dargestellt. Dabei unterscheidet sich das Ausführungsbeispiel der Figur 6 im We- sentlichen von denjenigen der vorhergehenden Figuren dadurch, dass sich in einer parallel zur Haupterstreckungsebene HSE verlaufenden Richtung die mindestens eine erste Aussparung 21 und/oder die mindestens eine zweite Aussparung 22 abwechseln.
In Figur 7 ist eine Anordnung aus einer Metallschicht 10 und einem Keramikelement 20 für ein Verfahren gemäß einer sechsten beispielhaften Ausführungsform dargestellt. Dabei ist es vorgesehen, dass die mindestens eine erste Aussparung 21 zusammen mit der mindestens einen zweiten Aussparung 22 eine Gruppe bildet, die insbesondere mehrfach an der ersten Seite S1 der Metallschicht 10 ausgebildet wird. Insbesondere zeichnet sich die Gruppe dadurch aus, dass die mindestens eine erste Aussparung 21 zwischen zwei zweiten Aussparungen 22 angeordnet ist. Dabei ist die zweite Dicke D2 der zweiten Restmetallteilschicht 32 größer, vorzugsweise mehr als doppelt so groß, wie die erste Dicke D1 der ersten Restmetallteilschicht 31 . Insbesondere ist es vorgesehen, dass eine zweite Breite B2 der zweiten Aussparung 22 kleiner als die erste Breite B1 der mindestens einen ersten Aussparung 21 ist. Insbesondere ist die zweite Breite B2 um mindestens einen Faktor 1 ,2, bevorzugt einen Faktor 2 und besonders bevorzugt einen Faktor 3 kleiner als die erste Breite B1 . Weiterhin ist es vorstellbar, dass die Gruppe aus der mindestens einen ersten Aussparung 21 und den zweiten Aussparungen 22 jeweils im Randbereich der mindestens einen Metallschicht 10 angeordnet sind.
In Figur 8 ist eine Anordnung einer Metallschicht 10 und eines Keramikelement 20 für ein Verfahren gemäß einer siebten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. In dem in Figur 8 dargestellten Ausführungsbeispiel ist es vorgesehen, dass die mindestens eine erste Aussparung 21 und/oder die mindestens eine zweite Aussparung 22 keinen rechteckigen Querschnitt aufweist. In einer Schnittansicht, die senkrecht zur Haupterstreckungsebene HSE verläuft, weist die mindestens eine erste Aussparung 21 und/oder mindestens zweite Aussparung 22 stattdessen einen dreieckförmigen, gebogenen und/oder spitz zulaufenden Querschnitt auf. Dabei ist es vorgesehen, dass die mindestens eine erste Aussparung 21 und/oder die mindestens eine zweite Aussparung 22 von der ersten Seite S1 der mindestens einen Metallschicht 10 zur zweiten Seite S2 hin gesehen verjüngt.
In Figur 9 ist eine Anordnung aus einer Metallschicht 10 und einem Keramikelement 20 für ein Verfahren gemäß einer achten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Dabei ist es vorgesehen, dass insbesondere für das Ausführungsbeispiel der Figur 6 die Rückseitenmetallschicht 30 an ihren Randbereichen der zweiten Seite S2 einen Stufenverlauf 38 aufweist. Ein solcher stufenartiger Verlauf im Randbereich der zweiten Seite S2 der Rückseitenmetallschicht 30 erweist sich ebenfalls als positiv für die Vermeidung von Durchbiegung während des Herstellungsprozesses bzw. des Bindungsprozesses zwischen der mindestens einen Metallschicht 10 und dem Keramikelement 20.
Die Figur 10 zeigt beispielhaft zwei Ausführungsformen des Metall-Keramik-Sub- strats 1 , nachdem die erste Restmetallteilschicht 31 und/oder zweite Restmetallteilschicht 32 zum Freilegen der Isolationsgräben zumindest teilweise entfernt wurde. Dabei kann durch das Freilegen der Isolationsgräben ein gestufter Verlauf in der Metallschicht 10, insbesondere in dessen Seitenwand, erzeugt werden. Beispielsweise kann eine Breite eines Abschnitts, der aus der ersten Restmetallteilschicht 31 entfernt wurde, kleiner sein als die erste Breite B1 der Aussparung (Figur 10 oben) oder andersrum (siehe Figur 10 unten). Insbesondere gestattet die obere Ausführungsvariante, dass ein größerer Nutzbereich für elektrische Bauteile bereitgestellt werden kann.
In Figur 11 ist ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt, in dem die vierte Aussparungen 24 in die zweite Seite S2 der Rückseitenmetallschicht 30 eingelassen ist. Eine solche vierte Aussparung 24 in die zweite Seite S2 lässt sich vor dem Verbinden der Rückseitenmetallschicht 30 und dem Keramikelement 20 veranlassen oder nachträglich nach dem Verbinden des Keramikelements 20 mit der Rückseitenmetallschicht 30. Dabei ist es auch vorstellbar, dass auf die dritte Aussparung 23 und/oder vierte Aussparung 24 auf der ersten Seite S1 verzichtet wird und nur in der zweiten Seite S2 die dritte Aussparungen 23 und/oder vierte Aussparung 24 eingelassen sind (anders als in Figur 11 dargestellt). Weiterhin ist es bevorzugt vorgesehen, dass in einer parallel zur Haupterstreckungsebene HSE verlaufenden Richtung gesehen, die dritte Aussparung 23 und/oder vierte Aussparung 24 zwischen zwei ersten Aussparungen 21 und/oder zweiten Aussparungen 22 angeordnet ist und/oder auf derselben Höhe. Dabei handelt es sich bei den ersten Aussparungen 21 in der Metallschicht 10 in diesem Ausführungsbeispiel insbesondere um solche Aussparungen, die für ein späteres Auftrennen des Keramikelements 20 vorgesehen sind. Bei den zweiten Aussparungen 22 in der Metallschicht 10 handelt es sich in diesem Ausführungsbeispiel insbesondere um solche Aussparungen, die die späteren Isolationsgräben bilden.
In Figur 12 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt, bei der die Rückseitenmetallschicht 30 als Kühlerelement ausgebildet ist. Insbesondere handelt es sich bei der Rückseitenmetallschicht 30 um ein Kühlerelement mit einer Finnenstruktur, d. h. einem Kühlelement, das stegartige Elemente aufweist, die bevorzugt entlang der Stapelrichtung S von einem Basisabschnitt des Kühlelements abstehen. Vorzugsweise bildet der Basisabschnitt des Kühlelements einen insbesondere massiven und durchgehend ausgebildeten Metallabschnitt. Die Nutzung einer Restmetallteilschicht, d. h. einer ersten Restmetallschicht 31 und/oder einer zweiten Restmetallteilschicht 32, in der Metallschicht 10 auf der Bauteilseite des Metall-Keramik-Substrats 1 erweist sich insbesondere für solche Ausführungsformen als vorteilhaft, wie sie in Figur 12 dargestellt sind, weil aufgrund der großen Asymmetrie bezüglich der Dicken auf Vorder- und Rückseite (bezüglich der Dicken) die thermodynamischen Spannungen beim Anbinden des Kühlelements bzw. der Rückseitenmetallschicht 30 zu einer entsprechend unvorteilhaften Durchbiegung führen könnten. Durch eine entsprechende Maßnahme, nämlich durch die Auswahl der entsprechenden ersten Restmetallteilschicht 31 und/oder zweiten Restmetallteilschicht 32 in der Metallschicht 10 ist es dabei möglich, entsprechenden Durchbiegungen entgegenzuwirken und sogar ein Kühlelement direkt an die Rückseite des Keramikelements 20 anzubinden. Vorzugsweise ist es dabei vorgesehen, dass dem Basisabschnitt des Kühlelements eine Basisdicke BD zugeordnet werden kann und der Erstreckung des Kühlelements entlang der Stapelrichtung S eine Kühlerdicke KD. Dabei hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn ein Verhältnis der Basisdicke BD zu der Kühldicke KD einen Wert zwischen 0,01 und 0,7, bevorzugt zwischen 0,05 und 0,4 und besonders bevorzugt zwischen 0,1 und 0,3 annimmt. Durch eine entsprechende gezielte Einstellung der Basisdicke BD lässt sich die Kühleffizienz der Kühlseite am Metall- Keramik-Substrat 1 eingeplanten Anforderungen des Metall-Keramik-Substrats 1 anpassen. Beispielsweise kann es vorgesehen sein, dass die Aussparung, d. h. die erste Aussparung 21 , nicht zwingend deckungsgleich angeordnet ist zu der Ausrichtung der Freibereiche zwischen zwei Stegelementen des Kühlelements.
Bezugszeichenliste:
1 Metall-Keramik-Substrat
10 Metallschicht
20 Keramikelement
21 erste Aussparung
22 zweite Aussparung
23 dritte Aussparung
24 vierte Aussparung
25 fünfte Aussparung
30 Rückseitenmetallschicht
31 erste Restmetallteilschicht
32 zweite Restmetallteilschicht
33 dritte Restmetalteilsicht
34 vierte Restmetallteilsicht
35 fünfte Restmetallteilsicht
38 Stufenverlauf
51 erste Seite
52 zweite Seite
D Dicke
D1 erste Dicke D2 zweite Dicke
D3 dritte Dicke
D4 vierte Dicke
D5 fünfte Dicke B1 erste Breite
B2 zweite Breite
B3 dritte Breite
S Stapelrichtung
KD Kühlerdicke BD Basisdicke
HSE Haupterstreckungsebene

Claims

Ansprüche Verfahren zur Herstellung eines Metall-Keramik-Substrats (1 ), umfassend:
- Bereitstellen einer Metallschicht (10) und eines Keramikelements (20),
- Ausbilden von mindestens einer ersten Aussparung (21 ) an einer ersten Seite (S1 ) der Metallschicht (10), und
- Verbinden der Metallschicht (10) und des Keramikelements (20), vorzugsweise mittels eines Lötverfahrens oder eines Direktanbindungsverfahrens, wobei das Keramikelement (20) an die erste Seite (S1 ) der Metallschicht (10) angebunden wird, wobei beim Ausbilden der mindestens einen ersten Aussparung (21 ) an einer der ersten Seite (S1 ) gegenüberliegenden zweiten Seite (S2) eine sich parallel zur Haupterstreckungsebene (HSE) erstreckende erste Restmetallteilschicht (31 ) übriggelassen wird, wobei die erste Restmetallteilschicht (31 ) nach dem Verbinden von Metallschicht (10) und Keramikschicht (20) zum Freilegen eines Isolationsgrabens zumindest bereichsweise entfernt wird, wobei ein Verhältnis der ersten Dicke (D1 ) zur Dicke (D) der Metallschicht (10) größer als 0,1 , bevorzugt größer als 0,25 und besonders bevorzugt größer als 0,4 oder sogar größer als 0,5 ist, um einem Durchbiegen des Metall- Keramik-Substrats (1 ) beim Verbinden der Metallschicht (10) und des Keramikelements (20) entgegenzuwirken. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens eine zweite Aussparung (22) an der ersten Seite (S1 ) ausgebildet wird, wobei beim Ausbilden der mindestens einen zweiten Aussparung (22) an einer der ersten Seite (S1 ) gegenüberliegenden zweiten Seite (S2) ein sich parallel zur Haupterstreckungsebene (HSE) erstreckende zweite Restmetallteilschicht (32) übriggelassen wird, wobei sich die zweite Dicke (D2) der zweiten Restmetallteilschicht (32) von der ersten Dicke (D1 ) der ersten Restmetallteilschichtdicke (31 ) unterscheidet und ein Verhältnis der zweiten Dicke (D2) zur Dicke der Metallschicht (10) größer als 0, 1 , bevorzugt größer als 0,25 und
29 besonders bevorzugt größer als 0,4 oder sogar größer als 0,5 ist. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend:
- Bereitstellen einer Rückseitenmetallschicht (30),
- Ausbilden von mindestens einer dritten Aussparung (23) an einer ersten Seite (S1 ) und/oder zweiten Seite (S2) der Rückseitenmetallschicht (30), und
- Verbinden der Rückseitenmetallschicht (30) und des Keramikelements (20), vorzugsweise mittels eines Lötverfahrens oder eines Direktanbindungsverfahrens, wobei das Keramikelement (20) an die erste Seite (S1 ) der Rückseitenmetallschicht (30) angebunden wird, wobei beim Ausbilden der mindestens einen dritten Aussparung (23) an einer der ersten Seite (S1 ) gegenüberliegenden zweiten Seite (S2) und/oder der ersten Seite der Rückseitenmetallschicht (30) eine sich parallel zur Haupterstreckungsebene (HSE) erstreckende dritte Restmetallteilschicht (33) der Rückseitenmetallschicht (30) übriggelassen wird, wobei die dritte Restmetallteilschicht (33) der Rückseitenmetallschicht (30) eine dritte Dicke (D3) aufweist, wobei ein Verhältnis der dritten Dicke (D3) zur Dicke (D) der Rückseitenmetallschicht (30) größer als 0,1 , bevorzugt größer als 0,25 und besonders bevorzugt größer als 0,4 oder sogar größer als 0,5 ist um einem Durchbiegen des Metall-Keramik-Substrats (1 ) beim Verbinden der Rückseitenmetallschicht (30), der Metallschicht (10) und des Keramikelements (20) entgegenzuwirken. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Dicke (D1 ) der ersten Restmetallteilschicht (31 ), die zweite Dicke (D2) der zweiten Restmetallteilschicht (32) und die dritte Dicke (D3) der dritten Restmetallteilschicht (33) einen Wert von mehr als 150 pm, bevorzugt von mehr als 250 pm und besonders bevorzugt mehr als 400 pm oder sogar mehr als 500 pm und/oder zwischen 200 pm und 1 .000 pm, bevorzugt zwischen 300 pm und 800 pm und besonders bevorzugt zwischen 400 pm und 600 pm annimmt..
30 Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine erste Aussparung (21 ), die mindestens eine zweite Aussparung (22) und/oder die mindestens eine dritte Aussparung (33) mittels einer spanenden Bearbeitung realisiert wird. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine erste Aussparung (21 ), die mindestens eine zweite Aussparung
(22) und/oder die mindestens eine dritte Aussparung (33) mit einem Aspektverhältnis ausgebildet wird, das größer ist als 1 . Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest ein Teil der zweiten Restmetallteilschicht (32) als Teil einer Anbindungsfläche für elektrische Bauteile nach dem Freistellen des Bereichs der mindestens einen ersten Aussparung (21 ) übriggelassen wird. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine erste Aussparung (21 ) und die mindestens eine dritte Aussparung
(23) zumindest abschnittsweise in einer Richtung gesehen, die parallel zur Stapelrichtung des Metall-Keramik-Substrats (1) verläuft, deckungsgleich zueinander angeordnet sind. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich eine Anzahl ersten Aussparungen (21 ) und/oder zweiten Aussparungen (22) in der Metallschicht (10) von der Anzahl an dritten Aussparungen (23) und/oder vierten Aussparungen (24) an der Rückseitenmetallschicht (30) unterscheidet. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Seitenfläche der mindestens einen Metallschicht (10), zumindest abschnittsweise oder vollständig, im gefertigten Metall-Keramik-Substrat (1 ) einen gestuften, gebogenen und/oder schrägen Verlauf aufweist. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei am gefertigten Metall-Keramik-Substrat (1) die Ausdehnung der mindestens einen Metallschicht (10) mit zunehmenden Abstand vom Keramikelement (20) zunimmt und/oder eine parallel zur Haupterstreckungsebene bemessene Ausdehnung der ersten Aussparung (21 ) und/oder der zweiten Aussparung (22) mit zunehmende Abstand vom Keramikelement (20) abnimmt. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine senkrecht zur Haupterstreckungsebene (HSE) bemessene Dicke des nicht entfernten Teils der ersten Restmetallteilschicht (31 ) zur Tiefe der ersten Aussparung (21 ) einen Wert zwischen 0,01 und 0,2, bevorzugt zwischen 0,02 und 0,1 und besonders bevorzugt zwischen 0,02 und 0,8 annimmt. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Aussparung (21 ) und/oder die zweite Aussparung (22), insbesondere in Form einer Nut, entlang einer Richtung in die Metallschicht (10) eingelassen wird, die gegenüber einer senkrecht zur Haupterstreckungsebene (HSE) verlaufenden Richtung geneigt ist. Verfahren gemäß Anspruch 3, wobei die Rückseitenmetallschicht (30) eine Finnenstruktur aufweist. Metall-Keramik-Substrat hergestellt mit einem Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche.
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