eines Metall-Keramik-Substrats

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Metall-Keramik-Substrat für elektrische, ins- besondere elektronische Bauteile und ein Verfahren zur Herstellung eines Metall- Keramik-Substrats.

Metall-Keramik-Substrate sind beispielsweise als Leiterplatten oder Platinen aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt. Typischerweise werden auf einer Bauteilseite des Metall-Keramik-Substrats Anschlussflächen für elektrische Bau- teile und Leiterbahnen angeordnet, wobei die elektrischen Bauteile und die Leiter- bahnen zu elektrischen Schaltkreisen zusammenschaltbar sind. Wesentliche Be- standteile der Metall-Keramik-Substrate sind eine Isolationsschicht und eine an die Isolationsschicht angebundene Metallisierungsschicht. Wegen ihrer vergleichs- weise hohen Isolationsfestigkeiten und ihrer Stabilität gegenüber Umwelteinflüs- sen haben sich aus Keramik gefertigte Isolationsschichten als besonders vorteil- haft erwiesen. Durch eine Strukturierung der Metallisierungsschicht können so- dann Leiterbahnen und/oder Anschlussflächen für die elektrischen Bauteile reali- siert werden.

Als Schwachstelle hinsichtlich einer gewünschten bzw. erforderlichen Temperatur- wechselbeständigkeit erweist sich regelmäßig eine Grenzregion zwischen der Me- tallisierungsschicht und der Isolationsschicht entlang einer Kante, die die Metalli- sierungsschicht begrenzt. Durch unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffi- zienten, nämlich i. d. R. einem gegenüber dem thermischen Ausdehnungskoeffi- zienten der Metallisierungsschicht geringeren thermischen Ausdehnungskoeffi- zienten der Isolationsschicht, kommt es entlang einer Anbindungsfläche, entlang der die Metallisierungsschicht an die Isolationsschicht angebunden ist, zu Scher- spannungen. Diese Scherspannungen werden an der Kante, die die Anbindungs- fläche begrenzt, maximal und fördern eine Rissbildung in diesem Bereich.

Zur Verbesserung der Temperaturwechselbeständigkeit schlägt die EP 0 632 681 A2 Materialschwächungen in der Metallisierungsschicht, insbesondere in dessen Randbereich, vor. Die DE 10 2010 024 520 A1 lehrt hingegen Gräben in der Me- tallisierungsschicht mit einem Füllmaterial zu bedecken, um Risse zu verfüllen.

Ausgehend von diesem Hintergrund macht es sich die vorliegende Erfindung zur Aufgabe, ein Metall-Keramik-Substrat bereitzustellen, dessen Temperaturwechsel- beständigkeit weiter verbessert ist und insbesondere dessen Veranlagung zur Rissbildung reduziert ist.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Metall-Keramik-Substrat gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 9. Weitere Vorteile und Merkmale der Erfin- dung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der Beschreibung und den beigefügten Figuren.

Erfindungsgemäß ist ein Metall-Keramik-Substrat vorgesehen, wobei das Metall- Keramik-Substrat

• eine sich entlang einer Haupterstreckungsebene erstreckende und eine Ke- ramik aufweisende Isolationsschicht, und

• eine Metallisierungsschicht, die an der Isolationsschicht über einer Anbin- dungsfläche angebunden ist, aufweist, wobei die Anbindungsfläche in einer parallel zur Haupterstreckungsebene verlaufenden Ebene durch mindes- tens eine Kante begrenzt ist. Zur Erhöhung der Temperaturwechselbeständigkeit ist es dabei vorgesehen, dass die Kante zumindest teilweise mit einem Füllmaterial bedeckt ist und ein sich an die Kante anschließender bzw. angrenzender Randbereich der Metallisierungs- schicht eine Materialschwächung aufweist.

Gegenüber dem Stand der Technik ist es erfindungsgemäß vorgesehen, das Be- decken der Kante mit einem Füllmaterial und eine Materialschwächung des Rand- bereichs der Metallisierungsschicht zu kombinieren. Es hat sich dabei überra- schenderweise herausgestellt, dass die Kombination dieser beiden Maßnahmen synergetisch die Temperaturwechselbeständigkeit verbessert. D. h. die Kombina- tion beider Maßnahmen verbessert die Temperaturwechselbeständigkeit des Me- tall-Keramik-Substrats mehr als die zu erwartenden Verbesserung durch die Summe der jeweiligen Maßnahmen.

Dabei macht es sich die Materialschwächung zu Nutze, dass mit abnehmender Metallisierungsschichtdicke auch thermomechanische Spannungen abnehmen. Das Bedecken der Kante mit einem Füllmaterial bewirkt, dass sich ein Volumen in einem Bereich vergrößern lässt, in dem die Scherspannungen auftreten. Zudem lassen sich Mikrorisse versiegeln. Das Versiegeln der Mikrorisse wirkt dabei einer Feuchtigkeitsaufnahme, z. B. durch eine Kapillarkondensation, entgegen und mini- miert dadurch wiederum eine Spannungsrisskorrosion. Neben dem synergeti- schen Effekt, der sich aus der Kombination des zumindest teilweise Bedecken der Kante und der Materialschwächung ergibt, gestattet es die Kombination zudem, den Randbereich mit der Materialschwächung bei gleicher Temperaturwechselbe- ständigkeit zu verkürzen (im Vergleich zu einem Metall-Keramik-Substrat, bei dem ausschließlich eine Materialschwächung im Randbereich vorgesehen ist). Dadurch steht einer Bauteilseite, über die elektronische bzw. elektrische Bauteile an das Metall-Keramik-Substrat angebunden werden, eine großflächigere Anschlussflä- che zur Verfügung, da in dem Bereich mit der Materialschwächung keine Anbin- dung von elektrischen bzw. elektronischen Bauteilen sinnvoll ist. Mit anderen Wor- ten: die erfindungsgemäße Kombination gestattet es zusätzlich, die nutzbare An- schlussfläche bzw. Abschlussfläche der Metallisierungsschicht zu vergrößern bzw. zu optimieren.

Vorzugsweise weist die Isolationsschicht AI2O3, ShNU, AIN, , ZTA (Zirkonia toughe- ned Alumina), MgO, BeO, SiC oder hochdichtes MgO (> 90% der theoretischen Dichte), TSZ (tetragonal stabilisiertes Zirkonoxid) oder ZTA als Material für die Ke- ramik auf. Es ist dabei auch vorstellbar, dass die Isolationsschicht als Verbund- bzw. Hybridkeramik ausgebildet ist, bei der zur Kombination verschiedener ge- wünschter Eigenschaften mehrere Keramikschichten, die sich jeweils in Hinblick auf ihre materielle Zusammensetzung unterscheiden, übereinander angeordnet und zu einer Isolationsschicht zusammengefügt sind. Als Materialien für die Metal- lisierungsschicht sind Kupfer, Aluminium, Molybdän und/oder deren Legierungen sowie Laminate, wie CuW, CuMo, CuAI, AICu und/oder CuCu, insbesondere eine Kupfersandwichstruktur mit einer ersten Kupferschicht und einer zweiten Kupfer- schicht, wobei sich eine Korngröße in der ersten Kupferschicht von der zweiten Kupferschicht unterscheidet, vorstellbar.

Insbesondere ist es vorgesehen, dass sich die Anbindungsfläche nicht über die gesamte Länge der Isolationsschicht entlang der Haupterstreckungsebene er- streckt. Mit anderen Worten: die Isolationsschicht steht in Richtung der Haupter- streckungsebene gegenüber der Metallisierungsschicht, insbesondere gegenüber der Kante, vor. Vorzugsweise ist die Metallisierungsschicht strukturiert und die Kante entsteht in Folge einer Strukturierungsmaßnahme, z. B. einem Ätzen oder einem Oberflächenfräsen von Isolationsgräben. Unter einer Materialschwächung ist insbesondere eine Variation bzw. Modulation in der Metallisierungsschichtdicke zu verstehen. Vorzugsweise beträgt ein Verhältnis einer Erstreckung des Randbe- reichs zu einer in dieselbe Richtung bemessene Gesamtlänge der Metallisierungs- schicht einen Wert von weniger als 0,25, bevorzugt weniger als 0,15 und beson- ders bevorzugt weniger als 0,1. Dabei bemisst sich die Erstreckung bzw. die Ge- samtlänge insbesondere in einer senkrecht zum Verlauf der Kante orientierten Richtung. Insbesondere beginnt die Messung der Erstreckung mit der Kante und ist auf einen Zentralbereich der Metallisierungsschicht gerichtet.

Weiterhin ist es bevorzugt vorgesehen, dass eine dem Randbereich zugeordnete Außenfläche, d. h. der Isolationsschicht abgewandte Seite der Metallisierungs- schicht, kleiner ist als ein 0,15-fachen, bevorzugt kleiner als ein 0,1 -fachen und besonders bevorzugt kleiner als ein 0,05- fachen der von der Isolationsschicht ab- gewandten Gesamtaußenfläche der Metallisierungsschicht. Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass der Randbereich sich ausgehend von der Kante in einer senk- recht zum Verlauf der Kante in der Haupterstreckungsebene bis zu 1000 miti, be- vorzugt bis zu 800 pm und besonders bevorzugt bis zu 600 pm in Richtung des Zentralbereichs der Metallisierungsschicht erstreckt. Es ist auch vorstellbar, dass der Randbereich sich durch die Ausdehnung der Materialschwächung definiert und sich beispielsweise in Richtung des Zentralbereichs bis zu einem Bereich der Metallisierungsschicht erstreckt, in dem die Metallisierungssicht ihre maximale Di- cke bzw. eine konstante Dicke aufweist und keine weitere Ausnehmungen vorge- sehen sind.

Die Kante bildet dabei für die Anbindungsfläche eine linienförmige Grenze, die zu- mindest bereichsweise gebogen, gerade oder eckig sein kann. Insbesondere ist die Kante Teil des Randbereichs bzw. bildet den vom Zentralbereich abgewandten Abschluss der Anbindungsfläche bzw. des Randbereichs. Dabei umschließt bzw. umgibt die Kante die Anbindungsfläche vollständig, d. h. zur jeder Seite ihrer Er- streckung in der Haupterstreckungsebene.

Weiterhin ist es bevorzugt vorgesehen, dass die Kante umlaufend, insbesondere vollständig, mit dem Füllmaterial bedeckt ist. Dabei ist das Füllmaterial dazu ge- eignet die Rissbildung an der Kante zu unterdrücken, d.h. eine Ausdehnung des Risses zu hemmen oder sogar gänzlich zu verhindern Vorzugsweise umfasst das Füllmaterial ein Kunststoffmaterial, wie Polyimid, Polyamide, Epoxid oder Po- lyetheretherketon. Es ist dabei auch vorstellbar, dass dem Kunststoffmaterial ein Keramikanteil zugefügt ist. Beispiele für einen solchen Zusatzstoff sind Silizium nitrid, Aluminiumnitrid, Aluminiumoxid oder Glas.

Es ist auch vorstellbar, dass dem Kunststoffmaterial Kohlefasern, Glasfasern und/oder Nanofasern beigefügt sind. Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass das Füllmaterial hitzebeständig ist, d. h. das Füllmaterial schmilzt nicht bei Temperatu- ren, die bei der Herstellung des Metall-Keramik-Substrats nach dem Aufbringen des Füllmaterials und/oder beim Löten auftreten. Weiterhin ist es bevorzugt vorge- sehen, dass das Füllmaterial geeignet ist, eine feste und gute Bindung mit der Iso- lationsschicht, vorzugsweise dem gewählten Keramikmaterial, und der Metallisie- rungsschicht, vorzugsweise dem gewählten Metall, wie Kupfer, einzugehen. Wei- terhin ist es vorgesehen, dass der thermische Ausdehnungskoeffizient des Füllma- terials gleich oder größer ist als der thermische Ausdehnungskoeffizient der Isola- tionsschicht und/oder der Metallisierungsschicht. Beispielsweise ist der thermische Ausdehnungskoeffizient des Füllmaterials mehr als dreimal so groß wie der ther- mische Ausdehnungskoeffizient der Metallisierungsschicht.

Es ist auch vorstellbar, dass das Füllmaterial einen Teil eines Gehäuses bildet. Beispielsweise lässt sich das Metall-Keramik-Substrat während des Umspritzens zum Ausbilden eines Gehäuses realisieren, indem beim Umspritzen die Kante mit dem Füllmaterial bedeckt wird. Weiterhin ist es vorstellbar, dass eine weitere Me- tallisierungsschicht vorgesehen ist, die auf der der Metallisierungsschicht gegen- überliegenden Seite der Isolationsschicht angebunden ist. Vorzugsweise ist die weitere Metallisierungsschicht über eine weitere Anbindungsfläche an die Isolati- onsschicht angebunden. Insbesondere wird die Kante an der weiteren Anbin- dungsfläche zumindest bereichsweise mit Füllmaterial bedeckt.

Weiterhin ist es vorstellbar, dass das Füllmaterial eine die Isolationsschicht in der Haupterstreckungsebene begrenzende Seitenfläche der Isolationsschicht zumin- dest teilweise bedeckt. Bevorzugt bedeckt bzw. ummantelt das Füllmaterial die Seitenfläche vollständig. Dabei erstreckt sich das Füllmaterial beispielsweise von der Kante der Anbindungsfläche bis zur in der Haupterstreckungsebene nächstge- legenen Seitenfläche der Isolationsschicht. Dabei verläuft die Seitenfläche vor- zugsweise senkrecht zur Anbindungsfläche. Vorzugsweise füllt das Füllmaterial den Isolationsgraben vollständig, d. h. bis zu einer Höhe einer weiteren Kante, die die Abschlussfläche der Metallisierung in einer parallel zur Haupterstreckungs- ebene an der Oberseite begrenzt.

Insbesondere ist es vorgesehen, dass zur Bedeckung der Kanten das Füllmaterial, insbesondere das flüssige Füllmaterial, in die Isolationsgrabenbereich eingeleitet wird und diese beispielsweise von unten nach oben füllt. Insbesondere werden die Isolationsgrabenbereiche bis zu weiteren Kante, die die Abschlussfläche der Me- tallisierungsschicht in einer parallel zur Haupterstreckungsebene verlaufenden Ebene begrenzt, gefüllt. Es ist auch vorstellbar, dass das Füllmaterial mittels eines Spritz- bzw. Sputterverfahren aufgetragen wird.

Um die Anbindung des Füllmaterials, insbesondere an die Isolationsschicht, zu be- günstigen, ist es bevorzugt vorgesehen, dass die Isolationsschicht und/oder Metal- lisierungsschicht oberflächenmodifiziert ist. Beispielsweise wird die Isolations- schicht vor dem Anbinden des Füllmaterials einer Plasmabehandlung unterzogen oder die Metallisierungsschicht ist oxidiert. Dadurch lässt sich mit Vorteil die An- bindung des Füllmaterials stärken, was sich positiv auf die Lebensdauer des ge- fertigten Metall-Keramik-Substrats auswirkt.

Weiterhin ist es vorstellbar, dass das Füllmaterial mehrschichtig die Kante be- deckt. Dabei ist es vorstellbar, dass verschiedene Schichten unterschiedlicher Füllmaterialien übereinander angeordnet sind. Dadurch kann die Bedeckung der Kante mit Vorteil noch besser an die zu erwartenden Belastungen angepasst wer- den.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vor- gesehen, dass die Materialschwächung als Aussparung, insbesondere kuppelför- mige Aussparung ausgebildet ist. Insbesondere ist die Aussparung eingelassen in eine Abschlussfläche der Metallisierungsfläche, wobei die Abschlussfläche der An- bindungsfläche gegenüberliegt und parallel zur Anbindungsfläche verläuft. Die Ab- schlussfläche wird bevorzugt durch eine weitere Kante begrenzt und die Ausspa- rung ist insbesondere gegenüber der weiteren Kante in einer parallel zur Haupter- streckungsebene verlaufenden Richtung versetzt. Beispielsweise ist es vorgese- hen, dass die Aussparung nicht an die weitere Kante angrenzt bzw. einen Teil der weiteren Kante bildet. Vorzugsweise sind die Aussparungen entlang einer oder mehrerer parallel zur weiteren Kante verlaufenden Reihe versetzt zueinander an- geordnet. Es ist aber auch vorstellbar, dass die Aussparungen statistisch verteilt sind im Randbereich und/oder eine Dichte (d. h. eine Anzahl an Aussparungen pro Flächeneinheit) in Richtung des Zentralbereichs der Metallisierungsschicht variiert, beispielsweise abnimmt.

Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass das Füllmaterial bis zu einer weiteren Kante reicht, die die Abschlussfläche der Metallisierung in einer parallel zur Flaupt- erstreckungsebene verlaufenden Ebene an der Oberseite begrenzt. Weiterhin ist es bevorzugt vorgesehen, dass das Füllmaterial in einer senkrecht zur Flaupter- streckungsebene verlaufenden Richtung bündig mit der weiteren Kante abschließt oder zwischen der Kante und der weiteren Kante abschließt.

In einer weiteren Ausführungsform ist es vorgesehen, dass das Füllmaterial die weitere Kante übergreift und eine Aussparung an der Oberseite der Metallisierung füllt. Dadurch wird der Randbereich in vorteilhafter weise bis zur Aussparung mit dem Füllmetarial bedeckt und verschlossen.

Weiterhin ist es bevorzugt vorgesehen, dass ein Verhältnis zwischen der Metalli- sierungsdicke zur Füllmaterialhöhe einen Wert zwischen 0,5 und 0,9 bevorzugt zwischen 0,6 und 0,8 und besonders bevorzugt im Wesentlichen 0,75 annimmt. Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass das Füllmaterial einen Bereich zwischen zwei Metallisierungen, d. h. in einen Isograbenbereich, nicht vollständig, d.h. mas- siv. füllt. Stattdessen weist das Füllmaterial zwischen den beiden Metallisierungen zumindest eine Aussparung oder einen rückspringenden Verlauf auf.

Weiterhin ist es bevorzugt vorgesehen, dass das Füllmaterial eine Beschichtung ausbildet. Dabei reicht das Füllmaterial, insbesondere in Gestalt einer Beschich- tung, von der Isolationsschicht bis zur weiteren Kante oder erstreckt sich von der Isolationsschicht bis zu einer Stelle zwischen der Kante und der weiteren Kante.

Dabei ist es insbesondere vorgesehen, dass sich das Füllmaterial entlang der nicht-parallel zur Flaupterstreckungsebene verlaufenden Seitenfläche erstreckt.

Es ist ferner vorstellbar, dass die Aussparungen an der Abschlussfläche und/oder an der Anbindungsfläche der Metallisierungsschicht oder einer weiteren Metallisie- rungsschicht ausgebildet ist.

Beispielsweise können mehrere Reihen der Aussparungen ausgehend von der weiteren Kante der Metallisierungsschicht in Richtung des Zentralbereichs hinter- einander angeordnet sein. Die Aussparungen können sich dabei sowohl über die gesamte Dicke der Metallisierungsschicht erstrecken, also durchgängig sein oder dort nur teilweise eingeätzt sein, so dass die Metallisierungsschicht an bestimmten Stellen, bevorzugt unmittelbar an der weiteren Kante, lokal lediglich geschwächt ist. Die Aussparungen greifen durch die Metallisierungsschicht durch oder münden bzw. enden, bevorzugt dom- oder kuppelförmig, im Inneren der Metallisierungs- schicht. Denkbar ist auch eine Ausführungsform, in der lochartige Aussparungen und sacklochartige Bohrungen in der Metallisierungsschicht realisiert sind, wobei die Anzahl der lochartigen Aussparungen kleiner ist als die Anzahl der sacklochar- tigen Ausnehmungen. Vorteilhafterweise bilden mehrere Aussparungen, insbeson- dere mehrere nebeneinander angeordnete Aussparungen, einen mäanderförmi- gen, briefmarkenrandförmigen und/oder einen sägezahnförmigen Verlauf der wei- teren Kante aus, wobei sich insbesondere der mäanderförmige, briefmarkenrand- förmige und/oder der sägezahnförmige Verlauf über den gesamten Randverlauf bzw. die weitere Kante der Metallisierungsschicht erstreckt. Vorstellbar ist auch, dass sich der mäanderförmige, briefmarkenrandförmige und/oder sägezahnför- mige Verlauf der Metallisierungsschicht nur über einen Teilbereich des gesamten Randverlaufs der Metallisierungsschicht erstreckt bzw. mehrere Teilbereich in Um- laufrichtung gesehen zueinander beabstandet aneinander anschließen. Durch die Ausbildung eines strukturierten Verlaufs der weiteren Kante wird dessen Oberflä- chenvergrößerung so ausgelegt, dass im Wesentlichen unabhängig vom Ort des Auftretens einer mechanischen Spannung diese vorteilhaft verteilt werden kann. Der Randverlauf kann aber auch unregelmäßige Aussparungen aufweisen, d. h. z. B. kleine und größere Aussparungen, die gemischt oder abwechselnd zueinander angeordnet sind, oder die wellenlinienförmig, rechteckförmig, parallelogrammför- mig oder zackig ausgebildet sind.

Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass eine insbesondere zur Haupterstreckungs- ebene nicht parallele Seitenfläche der Metallisierungsschicht zumindest ab- schnittsweise schräg und/oder bogenförmig verläuft. Insbesondere verbinden die Seitenflächen die Anbindungsfläche und die Abschlussfläche, vorzugsweise die Kante und die weitere Kante, miteinander. Durch den schrägen bzw. bogenförmi- gen Verlauf der Seitenflächen lässt sich auf vergleichsweise einfache Weise eine Materialschwächung im Randbereich realisieren. Vorzugsweise ist beim schrägen Verlauf die Seitenfläche gegenüber der Anbindungsfläche um zwischen 45 und 85 ° geneigt, besonders bevorzugt zwischen 60° und 85 ° und besonders bevorzugt zwischen 75° und 85° geneigt. Dadurch lässt sich mit Vorteil die Materialschwä- chung in einer parallel zur Haupterstreckungsebene verlaufenden Richtung ver- gleichsweise kurz dimensionieren, so dass eine möglichst große Abschlussfläche der Metallisierungsschicht für den Anschluss von elektronischen Bauteilen zur Verfügung gestellt werden kann. Weiterhin ist ein gestufter Verlauf denkbar. Insbe- sondere ist ein gestufter Verlauf mit unterschiedlich hohen Stufenhöhen denkbar. In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass das Füllmaterial ein organisches Vergussmaterial, vorzugsweise mit einer Kurzzeittemperaturfestigkeit von mehr als 300 °C, umfasst. Durch eine Beständig- keit des Füllmaterials gegenüber kurzfristig auf das Füllmaterial wirkende Tempe- raturen von mehr als 300 °C ist es in vorteilhafter weise möglich, sicherzustellen, dass das Füllmaterial in einem späteren thermischen Prozess, wie z. B. beim Chiplöten oder Silbersintern, nicht geschwächt wird.

Vorzugsweise weist das Füllmaterial, insbesondere an seiner dicksten Stelle, eine Füllmaterialdicke von mindestens 20 miti, bevorzugt mindestens 30 pm und beson- ders bevorzugt mindestens 40 pm, auf. Dabei bildet das Füllmaterial auf einer der Kante abgewandten Seite eine Außenseite aus und die Füllmaterialdicke wird aus- gehend von der Außenseite entlang einer senkrecht zum Verlauf der Außenseite (d. h. senkrecht zu einer Geraden, die tangential zur Außenseite verläuft) erstre- ckenden Messrichtung bestimmt. Es hat sich mit Vorteil herausgestellt, dass derart geringe Füllmaterialdicken bereits ausreichen, um die Kante wirkungsvoll zu bede- cken. Dadurch wird eine Gefahr, die Abschlussfläche beim Bedecken der Kante durch das Füllmaterial zu verschmutzen, reduziert.

Dabei ist es vorzugsweise vorgesehen, dass ein Isolationsgrabenbereich zwi- schen einer Metallisierungsschicht und einer in der Flaupterstreckungsebene be- nachbarten weiteren Metallisierungsschicht Füllmaterial aufweist bzw. die Isolati- onsschicht im Isolationsgrabenbereich vom Füllmaterial vollständig bedeckt bzw. benetzt ist, insbesondere wenn die Füllmaterialdicke innerhalb des Isolationsgra- benbereichs variiert. Eine solche Benetzung des Isolationsgrabens tritt nach dem Bedecken der Kante ohne Nachbehandlungsschritt auf. Demnach bedarf es hier keiner Nachbehandlung zur Fierstellung eines solchen Metall-Keramik-Substrats. Es ist auch vorstellbar, dass der Isolationsgrabenbereich zumindest bereichsweise von dem Füllmaterial durch einen Nachbearbeitungsschritt befreit wird, insbeson- dere durch eine Laserbehandlung. In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass das Füllmaterial, insbesondere an seiner dünnsten Stelle, vorzugsweise zwi- schen der Metallisierungsschicht und einer benachbarten weiteren Metallisie- rungsschicht, eine Füllmaterialdicke von weniger als 30 miti, bevorzugt weniger als 20 miti und besonders bevorzugt weniger als 10 miti aufweist. Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass die Füllmaterialdicke entlang einer parallel zur Flaupterstre- ckungsebene verlaufenden Richtung variiert. Dadurch kann mit Vorteil die Füllma- terialdicke gezielt optimal an die zu erwartenden Scherspannung im Bereich der Kante angepasst werden. Gleichzeitig wird auf eine überflüssige Füllung, insbe- sondere zwischen zwei in einer parallel zu Flaupterstreckungsebene verlaufenden Richtung zueinander benachbarten Metallisierungsschichten, d. h. der Metallisie rungsschicht und einer weiteren Metallisierungsschicht.

Bevorzugt ist die Füllmaterialdicke oberhalb der Kante maximal und/oder nimmt in einer parallel zur Flaupterstreckungsebene verlaufenden Richtung sowie senkrecht zum Kantenverlauf in Richtung Ätzgraben ab. Dadurch wird mit Vorteil, das Volu- men mittels des Füllmaterials gezielt in einem besonders anfälligen Bereich, näm- lich oberhalb der Kante, vergrößert. Dies trägt signifikant zur Verbesserung der Temperaturwechselbeständigkeit durch die Bedeckung mit dem Füllmaterial bei. Dabei ist der Begriffe oberhalb vorzugsweise in Messrichtung zu verstehen. Wei- terhin hat es sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, wenn die Füllmaterialdi- cke, insbesondere im Bereich der Kante oder in dem Bereich des Füllmaterials, der unmittelbar auf der Isolationsschicht angeordnet ist, möglichst flach ist, um so die Reduktion von mechanischen Spannungen weiter zu reduzieren. Vorzugs- weise ist unter einem flachen Verlauf eine Neigung der Außenseite des Füllmateri- als gegenüber der Anbindungsfläche von weniger als 25°, bevorzugt weniger als 15° und besonders bevorzugt weniger als 10° zu verstehen. Bevorzugt ist es vor- gesehen, dass der Verlauf der Außenseite des Füllmaterials durch den Verlauf der Seitenfläche der Metallisierungsschicht vorgegeben. Vorzugsweise nimmt die Füll materialdicke stetig und/oder gleichmäßig ab. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorge- sehen, dass eine Füllmaterialhöhe kleiner als eine Metallisierungsschichtdicke ist. Vorzugsweise nimmt ein Verhältnis zwischen der Füllmaterialhöhe FH zu der Me- tallisierungsschichtdicke MD ein Wert zwischen 0,5 und 0,9, und bevorzugt zwi- schen 0,6 und 0,85 an. Mit anderen Worten. Die Seitenflächen bleiben zumindest teilweise frei von Füllmaterial, insbesondere in einem der Abschlussfläche zuge- wandten Bereich. Dabei ist es vorgesehen, dass die Füllmaterialdicke größer ist als 10 miti, da geringere Schichtdicken als nicht mehr mechanisch relevant ange- nommen werden. Die Reduktion der Füllmaterialhöhe lässt sich beispielsweise dadurch realisieren, dass der Isolationsgrabenbereich nur teilweise gefüllt wird. Durch die reduzierte Füllmaterialhöhe lässt sich mit Vorteil die Wahrscheinlichkeit für eine Verunreinigung der Abschlussfläche durch das Füllmaterial beim Bede- cken vermeiden. Es ist aber auch vorstellbar, dass sich die Füllmaterialhöhe bis zur weiteren Kante der Abschlussfläche erstreckt.

Darüber hinaus ist es vorgesehen, dass das Metall-Keramik-Substrat eine Kera- mik aufweisende Isolationsschicht mit einer ersten Dicke, und eine an der Isolati onsschicht angebundene Metallisierungsschicht mit einer zweiten Dicke umfasst, wobei die zweite Dicke größer als 200 pm und die erste Dicke kleiner als 300 pm ist, wobei die erste Dicke und die zweite Dicke derart dimensioniert sind, dass ein Verhältnis

• eines Betrages der Differenz zwischen einem thermischen Ausdehnungsko- effizienten der Metallisierungsschicht und einem thermischen Ausdeh- nungskoeffizienten des Metall-Keramik-Substrats zum

• thermischen Ausdehnungskoeffizient des Metall-Keramik-Substrats einen Wert kleiner als 0,25, bevorzugt kleiner als 0,2 und besonders bevorzugt kleiner als 0,15, oder sogar kleiner als 0,1 annimmt. Gegenüber dem Stand der Technik ist es mit der gesagten Ausgestaltung bzw. Di- mensionierung der ersten Dicke und der zweiten Dicke mit Vorteil möglich, eine verbesserte Temperaturwechselbeständigkeit zu realisieren, insbesondere auch für solche Metall-Keramik-Substrate, deren Wärmewiderstand durch eine ver- gleichsweise dünne Isolationsschicht, d. h. mit einer ersten Dicke kleiner als 250 miti, bevorzugt kleiner als 200 pm und besonders bevorzugt kleiner als 150 miti, re- duziert ist. Vorzugsweise werden hierbei zur Dimensionierung der ersten und/oder der zweiten Dicke der thermische Ausdehnungskoeffizient des Metall-Keramik- Substrats (d. h. des thermischen Gesamtausdehnungskoeffizienten, der alle Schichten, insbesondere die Isolationsschicht und die Metallisierungsschicht, be- rücksichtigt) und der thermische Ausdehnungskoeffizient der Metallisierungs- schicht herangezogen. Es hat sich dabei überraschenderweise herausgestellt, dass sich trotz der vergleichsweise geringen ersten Dicken der Isolationsschicht die Temperaturwechselbeständigkeit verbessern lässt, sofern die zweite Dicke bzw. erste Dicke anspruchsgemäß dimensioniert werden. Insbesondere hat sich gezeigt, dass ein Ausfall eines Metall-Keramik-Substrats unter Temperaturwech- seln umso geringer ist, desto kleiner die Differenz zwischen dem thermischen Aus- dehnungskoeffizienten der Metallisierungsschicht und dem thermischen Ausdeh- nungskoeffizienten des Metall-Keramik-Substrats ist.

Ein weiterer Vorteil neben dem reduzierten Wärmewiderstand der vergleichsweise dünnen Isolationsschicht ist darin zu sehen, dass mit abnehmender Schichtdicke auch die Anzahl und Größe von Gefügefehlern sinkt. Entsprechend nimmt auch eine Wahrscheinlichkeit für das Versagen der eine Keramik ausweisenden Isolati- onsschicht ab. Die erste Dicke und die zweite Dicke werden dabei entlang einer senkrecht zur Haupterstreckungsebene verlaufenden Richtung bemessen, wobei die Haupterstreckungsebene parallel zur Isolationsschicht verläuft. Die Metallisie- rungsschicht ist dabei über eine Anbindungsfläche unmittelbar an die Isolations- schicht angebunden. Als Temperaturwechselbeständigkeit wird vorzugsweise ein Einreißen der Isolati- onsschicht im Grenzbereich zu der Metallisierungsschicht verstanden. Dieses Ein- reißen führt wiederum mit steigender Zykluszahl zu einer Delamination. Die unter Temperaturwechseln beobachtbare Lebensdauer des Metall-Keramik-Substrats endet dabei, wenn mittels US-Mikroskopie ein Riss nachweisbar ist, der wiederum den Wärmeabtransport unterhalb der Wärmequellen bzw. im Bereich der halben Kupferdicke um die Wärmequelle herum behindert bzw. die Isolationsfestigkeit des Substrates einschränkt. Es hat sich herausgestellt, dass die unter Temperatur- wechsel beobachte Lebensdauer verlängert werden kann, wenn das Metall-Kera- mik-Substrat anspruchsgemäß dimensioniert wird.

Vorzugsweise weist die Isolationsschicht AI2O3, ShNU, AIN, eine HPSX-Keramik (d. h. eine Keramik mit einer AI2O3- Matrix, die einen x-prozentigen Anteil an ZrÜ ₂ umfasst, beispielsweise AI2O3 mit 9% ZrÜ2 = HPS9 oder AI2O3 mit 25% ZrÜ2 = HPS25), SiC, BeO, MgO, oder hochdichtes MgO (> 90% der theoretischen Dichte), TSZ (tetragonal stabilisiertes Zirkonoxid) als Material für die Keramik auf. Es ist dabei auch vorstellbar, dass die Isolationsschicht als Verbund- bzw. Hyb- ridkeramik ausgebildet ist, bei der zur Kombination verschiedener gewünschter Ei- genschaften mehrere Keramikschichten, die sich jeweils in Hinblick auf ihre mate- rielle Zusammensetzung unterscheiden, übereinander angeordnet und zu einer Isolationsschicht zusammengefügt sind. Als Materialien für die Metallisierungs- schicht sind Kupfer, Aluminium, Molybdän und/oder deren Legierungen, sowie La- minate wie CuW, CuMo, CuAI, AICu und/oder CuCu, insbesondere eine Kupfer- sandwichstruktur mit einer ersten Kupferschicht und einer zweiten Kupferschicht, wobei sich eine Korngröße in der ersten Kupferschicht von einer zweiten Kupfer- schicht unterscheidet, vorstellbar.

Weiterhin ist es vorstellbar, dass die Isolationsschicht zum Beispiel aus zirkona- verstärktem Aluminiumoxidumfasst, was mit Vorteil die Stabilität der Isolations- schicht erhöht, während beispielswiese eine Isolationsschicht aus AhOsver- gleichsweise günstig produzierbar ist. Beispielsweise weist eine Isolationsschicht aus der Keramik HPS9 eine erste Di- cke von 0,26 mm oder 0,32 mm auf, wenn die zweite Dicke der aus Kupfer gefer- tigten Metallisierungsschicht einen Wert von im Wesentlichen 0,6 mm annimmt.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorge- sehen, dass die erste Dicke größer als 30 miti, bevorzugt größer als 60 pm und be- sonders bevorzugt größer als 90 pm ist. Es hat sich herausgestellt, dass solche ersten Dicken eine entsprechende Isolationsfestigkeit und Stabilität des Metall-Ke- ramik-Substrats sicherstellen können. Zudem ist ein Fertigungsaufwand für Isolati- onsschichten mit einer ersten Dicke von mehr als 90 pm geringer als derjenige für dünner dimensionierte Isolationsschichten.

Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass auf der der Metallisierungsschicht gegen- überliegenden Seite an der Isolationsschicht eine weitere Metallisierungsschicht mit einer dritten Dicke angebunden ist, wobei die erste Dicke, die zweite Dicke und/oder die dritte Dicke derart dimensioniert sind, dass ein Verhältnis

- eines Betrages der Differenz zwischen einem thermischen Ausdehnungs- koeffizienten der weiteren Metallisierungsschicht und/oder der Metallisie- rungsschicht und einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Me- tall-Keramik-Substrats zum

- thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Metall-Keramik-Substrats

- einen Wert kleiner als 0,25, bevorzugt kleiner als 0,2 und besonders bevor- zugt kleiner als 0,15, oder sogar kleiner als 0,1 annimmt.

Vorzugsweise ist das Metall-Keramik-Substrat thermomechanisch symmetrisch ausgebildet. Insbesondere sind die Metallisierungsschicht, die Isolationsschicht und die weitere Metallisierungsschicht entlang einer senkrecht zur Haupterstre- ckungsebene verlaufenden Stapelrichtung übereinander angeordnet. Dabei be- misst sich die dritte Dicke in einer senkrecht zur Haupterstreckungsebene verlau- fenden Richtung. Vorzugsweise wird der thermische Ausdehnungskoeffizient der weiteren Metallisierungsschicht oder der Metallisierungsschicht ausgewählt, der näher am thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Metall-Keramik-Substrats liegt. Für den Fachmann ist es ersichtlich, dass die formulierten Bedingungen auf Metall-Keramik-Substrate übertragbar sind, die aus mehr als drei Schichten zu- sammengesetzt sind. Vorzugsweise lässt sich ein solches mehrschichtiges Metall- Keramik-Substrat mit mehr als drei Schichten auf ein Metall-Keramik-Substrat mit einer Isolationsschicht, einer Metallisierungsschicht und einer weiteren Metall isie- rungsschicht übertragen, d. h. ein dreischichtiges Metall-Keramik-Substrat. Vor- zugsweise ist das Material für die zweite Metallisierungsschicht derart gewählt, dass es die Steifigkeit des gesamten Metall-Keramik-Substrats erhöht. Dadurch lässt sich gezielt die mechanische Belastbarkeit des gesamten Metall-Keramik- Substrats anpassen. Es ist dabei vorstellbar, dass sich hierzu das Material für die erste Metallisierungsschicht von dem Metall der zweiten Metallisierungsschicht un- terscheidet. Beispielsweise handelt es sich bei dem Material für die weitere Metal- lisierungsschicht um Molybdän. Als Materialien für die weiteren Metallisierungs- schicht sind ebenfalls Kupfer, Aluminium, Wolfram und/oder deren Legierungen, sowie Laminate wie CuW, CuMo, CuAI, AICu und/oder CuCu, insbesondere eine Kupfersandwichstruktur mit einer ersten Kupferschicht und einer zweiten Kupfer- schicht, wobei sich eine Korngröße in der ersten Kupferschicht von einer zweiten Kupferschicht unterscheidet, vorstellbar. Desweiteren sind auch Rückseitenmatel- lisierungen auf Basis von MMC’s wie z.B. CuSiC, CuC, AlSiC oder MgSiC denk- bar, deren CTE insbesondere an den kombinierten CTE des Substrates angepasst werden kann. Besonders bevorzugt ist es vorgesehen, dass die weitere Metallisie- rungsschicht zwischen 1 ,1 und 10 mal so dick ist, vorzugsweise zwischen 1 ,5 und 8 und besonders bevorzugt zwischen 2 und 6 mal so dick ist wie die Metall isie- rungsschicht. Vorzugsweise ist die weitere Metallisierungsschicht zur Stabilisierung frei von Un- terbrechungen, insbesondere frei von Isolationsgräben. Dadurch lässt sich vermei- den, dass das Metall-Keramik-Substrat im Bereich der Isolationsgräben nur von der dünnen Isolationsschicht gebildet wird und entsprechend anfällig für einen Bruch in diesem Bereich ist. Mit anderen Worten: die weitere Metallisierungs- schicht dient als Stabilisierungsschicht für die vergleichsweise dünne Isolations- schicht. Es ist auch vorstellbar, dass die Metallisierung und die weitere Metallisie rung derart gestaltet sind, dass entlang der Stapelrichtung Isolationsgräben in der Metallisierungsschicht und die Isolationsgräben in der weiteren Metallisierungs- schicht nicht übereinander angeordnet sind. Es hat sich zudem herausgestellt, dass sich trotz der asymmetrischen Ausgestaltung der weiteren Metallisierungs- schicht und der Metallisierungsschicht vergleichsweise große Lebensdauern reali- sieren lassen. Vorzugsweise erstreckt sich die weitere Metallisierungsschicht in ei- ner parallel zur Haupterstreckungsebene verlaufenden Richtung weiter als die Me- tallisierungsschicht. D. h. die weitere Metallisierungsschicht ragt in einer parallel zur Haupterstreckungsebene verlaufenden Richtung gegenüber der Metallisie- rungsschicht vor. Denkbar ist auch, dass die weitere Metallisierungsschicht dicker ist als die Metallisierungsschicht, um für eine ausreichende Stabilität des Metall- Keramik-Substrats zu sorgen. Mit anderen Worten: Mittels der dickeren weiteren Metallisierungsschicht wird die reduzierte Dicke der Isolationsschicht zumindest teilweise kompensiert.

In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass die zweite Dicke und/oder dritte Dicke größer als 350 pm und besonders be- vorzugt größer als 500 pm ist. Die gegenüber der ersten Dicke größer dimensio- nierte zweite Dicke der Metallisierungsschicht dient mit Vorteil zur Begrenzung der Erwärmung der Leiterbahnen durch ohmsche Verluste bei einer Stromleitung ,zur Wärmespreizung unterhalb der Wärmequellen und zur Minimierung eines Durch- biegens des Metall-Keramik-Substrats. Dies kann insbesondere für Dicken ober- halb von 500 pm für eine Mehrheit der verschiedenen Metallisierungsschichten si- chergestellt werden. Vorzugsweise hängt der thermische Ausdehnungskoeffizient von einem Elastizi tätsmodul, einer Poissonzahl und/oder einen materialspezifischen, thermischen Ausdehnungskoeffizienten ab. Insbesondere gilt der Zusammenhang

wobei Di die i-te Dicke von n Schichten mit dem jeweiligen CTEi bezeichnet. Zu- dem wird mittels der Poissonzahl h _ί die Form der jeweiligen Schicht sowie deren E-Modul E _t berücksichtigt. Mittels dieses Zusammenhangs lässt sich auf Grund- lage von materialspezifischen Größen und Dimensionierungsangaben derjewei- lige thermische Ausdehnungskoeffizient bestimmen, wodurch ein Vergleich zwi- schen den jeweiligen thermischen Ausdehnungskoeffizienten möglich ist.

Zweckmäßigerweise stimmen die zweite Dicke und die dritte Dicke im Wesentli- chen überein. Vorzugsweise sind die Metallisierungsschicht und die weitere Metal- lisierungsschicht aus demselben Material gefertigt. Es ist auch vorstellbar, dass die dritte Dicke und/oder die Materialwahl der weiteren Metallisierungsschicht an- gepasst sind, um eine gewünschte Größendimensionierung der Metallisierungs- schicht und der Isolationsschicht zu realisieren. Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein weiteres Metall-Keramik- Substrat, wobei eine sich entlang einer Haupterstreckungsebene erstreckende und eine Keramik aufweisende Isolationsschicht und eine Metallisierungsschicht, die an der Isolationsschicht über einer Anbindungsfläche angebunden ist, wobei die Anbindungsfläche in einer parallel zur Haupterstreckungsebene verlaufenden Ebene durch mindestens eine Kante begrenzt ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Füllmaterialdicke oberhalb der Kante maximal ist und/oder in einer parallel zur Haupterstreckungsebene verlaufenden Richtung abnimmt. Alle für das voran- gegangene Metall-Keramik-Substrat beschriebenen Merkmale, insbesondere in Hinblick auf die Füllmaterialdicke, und deren Vorteile lassen sich sinngemäß eben- falls auf dieses weitere Metall-Keramik-Substrat übertragen und andersherum. Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen eines Metall-Keramik-Substrats, insbesondere gemäß eines erfindungsgemäße Metall-Keramik-Substrats, umfassend die Schritte: · Bereitstellen einer sich entlang einer Haupterstreckungsebene erstrecken- den und eine Keramik aufweisenden Isolationsschicht,

Anbinden einer Metallisierungsschicht, unter Ausbildung einer Anbindungs- fläche, die in einer parallel zur Haupterstreckungsebene verlaufenden Ebene durch eine Kante begrenzt ist, und

• Ausbildung einer Materialschwächung in der Metallisierungsschicht in ei- nem sich an die Kante anschließenden Randbereich, wobei die Kante mit einem Füllmaterial bedeck wird. Alle für das erfindungsgemäße Metall-Ke- ramik-Substrat beschriebenen Merkmale und deren Vorteile lassen sich sinngemäß ebenfalls auf das erfindungsgemäße Verfahren übertragen und andersherum.

Es hat sich dabei mit Vorteil herausgestellt, dass bei der Kombination einer Kan- tenbedeckung mit einer Materialschwächung im Randbereich ein Anbinden mittels eines AMB-Verfahrens und ein DCB- zu derselben Temperaturwechselbeständig- keit führt, d. h. mittels der Kombination lässt sich dieselbe Temperaturwechselbe- ständigkeit unabhängig vom verwendeten Verfahren erreichen. Dies ist insofern überraschend, als dass ein Anbinden mittels eines AMB-Verfahrens ohne die Kombination der besagten Maßnahmen eine dreimal bessere Temperaturwechsel- beständigkeit aufweist. Damit erweist sich die erfindungsgemäß Kombination von Kantenbedeckung und Materialschwächung als besonders vorteilhaft, weil es eine flexiblere Auswahl zwischen den zur Verfügung stehenden Verfahren erlaubt, ohne eine Verschlechterung der Temperaturwechselbeständigkeit befürchten zu müssen. 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 (Auf- schmelzschicht) ein Eutektikum mit einer Schmelztemperatur unter der Schmelz- temperatur 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 We- sentlichen nur im Bereich der Aufschmelzschicht bzw. Oxidschicht.

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 Me- tallfolien, insbesondere auch von Kupferschichten oder Kupferfolien mit Keramik- material ist ein Verfahren zu verstehen, welches speziell auch zum Fierstellen von Metall-Keramik-Substraten verwendet wird, wird bei einer Temperatur zwischen ca.650-1000°C eine Verbindung zwischen einer Metallfolie, beispielsweise Kup- ferfolie, und einem Keramiksubstrat, beispielsweise Aluminiumnitrid-Keramik, un- ter Verwendung eines Hartlots hergestellt, welches zusätzlich zu einer Hauptkom- ponente wie Kupfer, Silber und/oder Gold auch ein Aktivmetall enthält. Dieses Ak- tivmetall, welches beispielsweise wenigstens ein Element der Gruppe Hf, Ti, Zr,

Nb, Ce ist, stellt durch chemische Reaktion eine Verbindung zwischen dem Lot und der Keramik her, während die Verbindung zwischen dem Lot und dem Metall eine metallische Hartlöt-Verbindung ist. Alternativ ist zur Anbindung auch ein Dick- schichtverfahren vorstellbar.

Bevorzugt ist es vorgesehen, dass die Metallisierungsschicht mittels eines DCB- Verfahrens oder einem DAB-Verfahren an die Isolationsschicht angebunden wird. Es hat sich überraschender Weise herausgestellt, dass eine besonders große Ver- besserung in Hinblick auf die Temperaturwechselbeständigkeit erzielen lässt, wenn die Metallisierungsschicht mittels eine DCB-Verfahrens an die Isolations- schicht angebunden wird.

Der Ausdruck im Wesentlichen bedeutet im Sinne der Erfindung Abweichungen vom jeweils exakten Wert um +/- 15 %, bevorzugt um +/- 10 % und besonders be- vorzugt um +/- 5 % und/oder Abweichungen in Form von für die Funktion unbe- deutenden Änderungen.

Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Gegenstands mit Bezug auf die beigefügten Figuren. Es zeigt:

Fig-1 : ein Metall-Keramik-Substrat gemäß einer ersten bevorzugten

Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und

Fig.2: ein Metall-Keramik-Substrat gemäß einer zweiten bevorzugten

Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In Figur 1 ist ein Metall-Keramik-Substrat 1 gemäß einer ersten bevorzugten Aus- führungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Solche Metall-Keramik-Sub- strate 1 dienen vorzugsweise als Träger von elektronischen bzw. elektrischen Bauteile, die an das Metall-Keramik-Substrat 1 anbindbar sind. Wesentliche Be- standteile eines solchen Metall-Keramik-Substrats 1 sind eine sich entlang einer Haupterstreckungsebene erstreckende Isolationsschicht 11 und eine an die Isolati- onsschicht 11 angebundene Metallisierungsschicht 12. Diese Isolationsschicht 11 ist aus mindestens einem eine Keramik umfassenden Material gefertigt. Vorstell- bar ist auch, dass die Isolationsschicht 11 eine Verbundkeramik umfasst, d. h. eine Isolationsschicht 1 , die sich aus mehreren Keramikschichten zusammensetzt ist. Die Metallisierungsschicht 12 ist über eine Anbindungsfläche A an die Isolati- onsschicht 11 flächig angebunden. Beispielsweise weist die Isolationsschicht eine Isolationsschichtdicke ID bzw. erste Dicke zwischen 100 und 1000 pm auf und die Metallisierungsschicht eine Metallisierungsschichtdicke MD bzw. zweite Dicke von im Wesentlichen 0,6 mm.

Die Metallisierungsschicht 12 weist ferner auf der der Anbindungsfläche A gegen- überliegenden Seite eine Abschlussfläche AF auf, über die elektrische bzw. elekt- ronische Bauteile an die Metallisierungsschicht 12 angeschlossen werden können. Die Anbindungsfläche A und die in einer senkrecht zur Haupterstreckungsebene HSE verlaufenden Richtung gegenüberliegenden Abschlussfläche AF sind über Seitenfläche SF miteinander verbunden. Vorzugsweise wird die Abschlussfläche AF durch eine weitere Kante K‘ in einer parallel zur Haupterstreckungsebene HSE verlaufenden Ebene begrenzt.

Insbesondere ist die Anbindungsfläche A in einer parallel zur Haupterstreckungs- ebene durch eine Kante K begrenzt. D. h. die Kante K bildet an einer Sichtseite des Metall-Keramik-Substrats 1 einen linienförmigen Übergang zwischen der Me- tallisierungsschicht 12 und der Isolationsschicht 11. An die Kante K schließt sich in einer parallel zur Haupterstreckungsebene HSE verlaufenden Richtung ein Rand- bereich RB der Metallisierungsschicht an. Eine sich parallel zur Haupterstre- ckungsebene HSE verlaufende Länge L des Randbereichs RB zu einer in dieselbe Richtung bemessene Gesamtlänge M1 der Metallisierungsschicht 11 beträgt vor- zugsweise weniger als 0,25, bevorzugt weniger als 0,15 und besonders bevorzugt weniger als 0,1.

In der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform sind kuppelförmige Ausnehmun- gen 13 an der Abschlussfläche AF in die Metallisierungsschicht 12 im Randbe- reich RB eingelassen. Diese kuppelförmigen Ausnehmungen 13 stellen eine Mate- rialschwächung dar. Neben der Materialschwächung ist es vorgesehen, dass die Kante K zumindest bereichsweise mit einem Füllmaterial 2 bedeckt ist. Es hat sich dabei herausgestellt, dass die Kombination von Materialschwächung im Randbe- reich RB und Bedeckung der Kante K mit einem Füllmaterial 2 synergetisch die Temperaturwechselbeständigkeit verbessert, d. h. die Kombination beider Maß- nahmen verbessert die Temperaturwechselbeständigkeit mehr als die Verbesse- rung, die durch die beiden jeweils die Temperaturwechselbeständigkeit verbes- sernden Maßnahmen in ihrer Summe zu erwarten wäre.

Dabei ist es vorstellbar, dass eine senkrecht zu Flaupterstreckungsebene FISE be- messene Füllmaterialhöhe FH nicht der Metallisierungsschichtdicke MD entspricht, sondern kleiner ist. Vorzugsweise nimmt ein Verhältnis zwischen der Füllmaterial- höhe FH zu der Metallisierungsschichtdicke MD ein Wert zwischen 0,5 und 0,9, und bevorzugt zwischen 0,6 und 0,85 an. Mit anderen Worten. Die Seitenflächen SF bleiben zumindest teilweise frei von Füllmaterial mit einer Schichtstärke, die größer ist als 10 pm. Weiterhin ist es vorgesehen, dass sich zur Materialschwä- chung des Randbereichs RB die Seitenflächen SF schräg zu einer senkrecht zur Haupterstreckungsebene HSE verlaufenden Richtung erstrecken.

In Figur 2 ist ein Metall-Keramik-Substrat gemäß einer zweiten bevorzugten Aus- führungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Dabei unterscheidet sich die Ausführungsform aus der Figur 2 von derjenigen aus der Figur 1 dahingehend, dass die Seitenfläche SF gebogen ist. Eine solche gebogene Seitenfläche entsteht beispielsweise durch ein gezieltes Ätzen und stellt eine Materialschwächung des Randbereichs RB dar. Ferner zeigt die Figur 2 einen Isolationsgrabenbereich IB, der in einer parallel zur Haupterstreckungsebene HSE verlaufenden Richtung zwi- schen der Metallisierungsschicht 12 und einer benachbarten Metallisierungs- schicht 12“ angeordnet ist. Ferner ist beispielhaft eine weitere Metallisierungs- schicht 12‘ auf der der Metallisierungsschicht 12 bzw. der benachbarten Metallisie- rungsschicht 12“ abgewandten Seite der Isolationsschicht 11 angeordnet. Insbe- sondere liegt der Isolationsgrabenbereich IB zwischen in einer parallel zur Haupt- erstreckungsebene HSE verlaufenden Richtung gesehen einer Kante K der Metal- lisierungsschicht 12 und einer Kante K der benachbarten Metallisierungsschicht 12“. Weiterhin ist das Füllmaterial 2 an seiner der Kante K abgewandten Außen- seite AS gebogen ausgeformt. Dabei ist es vorzugsweise vorgesehen, dass sich eine Füllmaterialdicke FD entlang einer parallel zur Haupterstreckungsebene HSE verlaufenden Richtung ändert. Dabei bemisst sich die Füllmaterialdicke FD in ei- ner Richtung, die senkrecht zu einer gedachten Gerade g verläuft, die sich wiede- rum tangential an der von der Kante abgewandte Außenseite AS des Füllmaterials 2 erstreckt.

Vorzugsweise ist die Füllmaterialdicke FD im Bereich oberhalb der Kante K maxi- mal (oberhalb bezieht sich dabei auf eine parallel zur Messrichtung verlaufenden Richtung) und nimmt mit zunehmend Abstand von der Kante K in einer parallel zur Haupterstreckungsebene HSE verlaufenden Richtung ab. Vorzugsweise ist der Isolationsgrabenbereich IB zumindest partiell füllmaterialfrei, d. h. es gibt einen Bereich zwischen der Metallisierungsschicht 12 und der benachbarten Metallisie- rungsschicht 12“, in dem kein Füllmaterial 2 vorgesehen ist. Es ist aber auch denkbar, dass die die Füllmaterialdicke zwischen der Metallisierungsschicht 12 und der benachbarten Metallisierungsschicht 12“ einen Wert von weniger als 10 miti, bevorzugt weniger als 5 pm und besonders bevorzugt weniger als 1 pm auf- weist.

Beispiel I:

Die folgenden Untersuchungen zur Temperaturwechselbeständigkeit wurden an Metall-Keramik-Substraten 1 vorgenommen, die eine • Isolationsschicht 11 aus einer HPS9-Keramikschicht mit einer Isolations- schichtdicke ID von 0,32 mm und · eine Metallisierungsschicht 12 und eine weitere Metallisierungsschicht 12‘ jeweils aus einer 0,6 mm Kupferschicht aufweisen. Hierzu wurden die Untersuchungen zur Temperaturwechselbeständig- keit zwischen -55 °C und 150°C durchgeführt.

Als Materialschwächung wurden kuppelförmige Aussparungen 13 in den Randbe- reich RB in die Metallisierungsschicht 12 eingelassen und als Füllmaterial 2 eine Epoxidharz verwendet. Die Untersuchungen zur Temperaturwechselbeständigkeit wurden durchgeführt für

• ein Metall-Keramik-Substrat Typ I, das nur die Materialschwächung auf- weist und kein Füllmaterial 2,

• Metall-Keramik-Substrat Typ II, dessen Kante K mit einem Füllmaterial 2 bedeckt ist und keine Materialschwächung im Randbereich aufweist, und

• Metall-Keramik-Substrat Typ III, dessen Kante K mit einem Füllmaterial 2 bedeckt ist und die Materialschwächung in Form der kuppelförmigen Aus- sparungen 13 aufweist. Das Metall-Keramik-Substrat Typ I, Metall-Keramik- Substrat Typ II und Metall-Keramik-Substrat Typ III wurden jeweils einmal mit einem DCB Verfahren und einmal mit einem AMB Verfahren hergestellt.

Für das Metall-Keramik-Substrat Typ I zeigte sich eine Verbesserung der Tempe- raturwechselbeständigkeit von 100 %, wenn es mittels des AMB Verfahrens her- gestellt wurde, oder keine Verbesserung, wenn es mittels des DCB-Verfahrens hergestellt wurde. Für das Metall-Keramik-Substrat Typ II zeigte sich eine Verbesserung der Tempe- raturwechselbeständigkeit von 700 %, wenn es mittels DCB-Verfahrens hergestellt wurde, oder keine Verbesserung, wenn es mittels des AMB Verfahrens hergestellt wurde.

Für das Metall-Keramik-Substrat Typ III zeigte sich eine Verbesserung der Tempe- raturwechselbeständigkeit von 1500 %, wenn es mittels DCB Verfahren hergestellt wurde oder eine Verbesserung von 500 %, wenn es mittels des AMB Verfahrens hergestellt wurde.

Den Versuchen sind demnach folgende Ergebnisse zu entnehmen:

• eine Kombination der Materialschwächung und des Bedeckens der Kante K mit dem Füllmaterial wirkt sich synergetisch auf die Temperaturwechselbe- ständigkeit aus, und

• dieser synergetische Effekt hängt vom Fierstellungsverfahren des Metall- Keramik-Substrats ab.

Die hier vorgestellten Versuchsergebnisse sind nochmals in den Figuren 3 und 4, dargestellt, in denen für die vorgenannten Metall-Keramik-Substrat- Typen jeweils die durchschnittliche Zykluszahl, nach der eine Delimination bzw. ein Einreißen der Isolationsschicht festgestellt wurde, in einem Balkendiagramm dargestellt sind. Innerhalb eines Zyklus wird dabei das jeweilige Metall-Keramik-Substrat einer Temperaturschwankung zwischen - 55 ° und 150 ° ausgesetzt und so die Anzahl der Zykluszahl, nach der eine Delimination bzw. ein Einreißen der Isolations- schicht festgestellt wird, erfasst. Die durchschnittliche Zykluszahl ist somit Maß für die Temperaturwechselbeständigkeit des Metall-Keramik-Substrats. Die Versuche haben zudem gezeigt, dass die Temperaturwechselbeständigkeit reduziert ist, wenn die Kante nicht vollständig, d. h. umlaufend, bedeckt ist. Als Typ 0 werden hierbei solche Metall-Keramik-Substrate erfasst, bei denen lediglich eine Anbin- dung über das DCB Verfahren oder AMB Verfahren erfolgte, ohne die Kante mit einem Füllmaterial zu bedecken und/oder eine Materialschwächung im Randbe- reich vorzunehmen. In der Figur 3 sind diejenigen für die mittels DCB-Verfahren hergestellten und in Figur 4 die mittels AMB-Verfahren hergestellten Metall-Kera- mik-Substrate illustriert.

Bezuqszeichenliste:

1 Metall-Keramik-Substrat

2 Füllmaterial

11 Isolationsschicht

12 Metallisierungsschicht

12‘ weitere Metallisierungsschicht

12“ benachbarte Metallisierungsschicht

13 Aussparung

g Gerade

FISE Flaupterstreckungsebene

K Kante

K‘ weitere Kante

FH Füllmaterialhöhe

MD Metallisierungsschichtdicke

RB Randbereich

AS Außenseite

IB Isolationsgrabenbereich

FD Füllmaterialdicke

SF Seitenfläche

A Anbindungsfläche

AF Abschlussfläche

L Länge des Randbereichs

M1 Gesamtlänge der Metallisierungsschicht