Metall-Keramik-Substrat

Die Erfindung bezieht sich auf ein Metall-Keramik-Substrat gemäß Oberbegriff Patentanspruch 1 sowie auf ein Verfahren gemäß Oberbegriff Patentanspruch 6.

Metall-Keramik-Substrate bzw. Keramiksubstrate mit Metallisierungen sind in verschiedensten Ausführungen bekannt, insbesondere auch als Leiterplatten oder Substrate für elektrische und elektronische Schaltkreise oder Module und dabei speziell für Schaltkreise oder Module mit hoher Leistung.

Bekannt ist auch das sogenannte Aktivlot-Verfahren (DE 22 13 115; EP-A-153 618) zum Verbinden von Metallisierungen bildenden Metallschichten oder Metallfolien, insbesondere auch von Kupferschichten oder Kupferfolien mit dem jeweiligen Keramikmaterial. Bei diesem Verfahren, welches speziell auch zum Herstellen von Metall-Keramik-Substraten verwendet wird, wird bei einer Temperatur zwischen ca. 800 - 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.

Bekannt ist weiterhin auch ein Verfahren zur Herstellung von Metall-Keramik- Substraten auf Basis einer Aluminiumnitrid-Keramik (AIN-Keramik), die sich u.a. durch eine im Vergleich zur Aluminiumoxid-Keramik höhere thermische Leitfähigkeit auszeichnet (EP 0 480 038). Das Aufbringen der Metallisierung bzw. der diese Metallisierung bildenden Kupferfolie auf die Keramik erfolgt bei diesem bekannten Verfahren durch Aktivlöten unter Verwendung eines Aktivlotes, welches als

Lotmaterial Kupfer und einen weiteren Bestandteil, beispielsweise Silber, sowie als Aktivlotkomponente z.B. Titan enthält. Nachteilig ist bei diesem bekannten Verfahren, dass die Aktivlotkomponente mit dem Aluminiumnitrid eine elektrisch leitende Verbindung bildet, beispielsweise Titannitrid, so dass das für die Strukturierung der Metallisierung notwendige ätzverfahren wenigstens zweistufig ausgeführt werden muss, und zwar derart, dass in einem ersten ätzschritt das Strukturieren der Metallisierung zur Erzeugung von Leiterbahnen, Kontaktflächen usw. erfolgt und dann in einem zweiten nachgeschalteten Verfahrensschritt das elektrisch leitende, durch chemische Reaktion der Aktivlotkomponente mit dem Aluminiumnitrid entstandene Material zwischen den Leiterbahnen, Kontaktflächen usw. durch ätzen entfernt werden muss. Das Entfernen dieses Materials oder Reaktionsproduktes ist nur mit sehr aggressiven und hoch konzentrierten ätzmedien möglich, die stark umweltbelastend sind, zumindest aber einen hohen fertigungstechnischen Aufwand bedingen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Metall-Keramik-Substrat auf der Basis von

Aluminiumnitrid und/oder Siliziumnitrid aufzuzeigen, welches diesen Nachteil vermeidet. Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Metall-Keramik-Substrat entsprechend dem Patentanspruch 1 ausgebildet. Ein Verfahren zum Herstellen eines Metall- Keramik-Substrats auf Aluminiumnitrid- oder Siliziumnitrid-Keramik-Basis ist Gegenstand des Patentanspruches 6.

Bei der Erfindung erfolgt das Aufbringen der wenigstens einen Metallisierung, die beispielsweise von einer dünnen Platte oder einer Folie aus Kupfer oder einer Kupferlegierung gebildet ist, nicht unmittelbar auf die Aluminiumnitrid- oder Siliziumnitrid-Keramik, sondern auf eine Zwischenschicht, die auf die

Aluminiumnitrid- oder Siliziumnitrid-Keramik (nachstehend auch Basiskeramik oder Basisschicht) aufgebracht ist, und aus einer oxidischen Keramik besteht.

Elektrisch leitende und/oder nur mit sehr aggressiven und hoch konzentrierten ätzmitteln zu entfernende und durch chemische Reaktion der Aktivlotkomponente mit

der Keramik entstandene Reaktionsprodukte oder Schichten zwischen Leiterbahnen, Kontaktflächen oder dergleichen strukturierten Bereichen der Metallisierung oder Metallisierungen werden mit der Erfindung wirksam vermieden. Das Strukturieren der Metallisierung kann somit nach deren Aufbringen grundsätzlich mit den üblicherweise verwendeten ätzmitteln und insbesondere unter Verwendung der üblichen ätztechniken und der vorhandenen Einrichtungen erfolgen kann.

Als oxidische Keramik für die Zwischenschicht eignen sich beispielsweise Siliziumoxid, Aluminiumoxid, Mullit, Forsterit, Cordierit oder Kombinationen hiervon.

Das für das Aufbringen der Metallisierung verwendete Aktivlot kann die aus dem Stand der Technik bekannte und bewährte Zusammensetzung aufweisen, beispielsweise bestehend aus einer Lotkomponente aus Kupfer und einem weiteren Lotbestandteil, z.B. Silber, und aus der Aktivlotkomponente, z.B. Titan, Zirkonium und/oder Hafnium.

Für das Aufbringen der Zwischenschicht bestehen verschiedene Möglichkeiten. So kann die Zwischenschicht beispielsweise durch thermische Oxidation der Aluminiumnitrid- oder Siliziumnitrid-Keramik erzeugt werden, und zwar beispielsweise bei einer Prozesstemperatur im Bereich zwischen 1000 und 165O ⁰ C. Grundsätzlich besteht auch die Möglichkeit, die jeweilige Zwischenschicht durch Aufbringen eines diese Schicht bildendes Keramik-Materials und durch anschließendes Einbrennen oder Sintern dieses Materials zu erzeugen, und zwar beispielsweise bei einer Temperatur im Bereich zwischen 1200 und 1650 ⁰ C. Das Aufbringen der die Zwischenschicht bildenden Ausgangsschicht erfolgt dann beispielsweise unter

Verwendung einer das Keramik-Material der Zwischenschicht enthaltenden Dispersion oder dispergen Mischung, vorzugsweise unter Verwendung einer mikro- bis nanodispergen Mischung.

Weiterhin besteht auch die Möglichkeit, die die spätere Zwischenschicht bildende Ausgangsschicht durch Sprühen und/oder Dipcoating und/oder Spincoating und/oder Sol-Gel-Coating aufzubringen.

Die Zwischenschicht aus der oxidischen Keramik besitzt eine Dicke, die kleiner ist als die Dicke der Basisschicht bzw. des Basissubstrats aus der Aluminiumnitrid- oder Siliziumnitrid-Keramik und/oder auch kleiner ist als die Dicke der wenigstens einen Metallisierung.

Sollte es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren beispielsweise bedingt durch

Prozessschwankungen zu Reaktionen zwischen der verwendeten Aktivlotkomponente und der Siliziumnitrid- oder Aluminiumnitrid-Keramik durch die Zwischenschicht hindurch kommen, z.B. bedingt durch Poren, die in der Zwischenschicht durch Sinterhilfsmittel wie z.B. Yttriumoxid oder Seltenerden entstanden sind, so ist es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erforderlich, in einem weiteren Verfahrensschritt beispielsweise unter Verwendung von Flusssäure oder Wasserstoffperoxyd vorhandene Titan-, Zirkonium- oder Hafniumnitride zu entfernen. Da die Menge dieser Nitride allerdings äußerst gering ist, kann in solchen Fällen die Konzentration des ätzmediums sehr gering gehalten werden. Es sind dann auch nur kurze Behandlungszeiten für dieses Nachätzen erforderlich. üblicherweise ist aber bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ein derartigen Nachätzen zum Entfernen von aus der Aktivlotkomponente gebildeten Nitridverbindungen nicht erforderlich.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Figuren an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 in vereinfachter schematischer Darstellung einen Schnitt durch ein Metall- Keramik-Substrat gemäß der Erfindung;

Fig. 2 in verschiedenen Positionen a - e die wesentlichen Verfahrensschritte zum Herstellen des Metall-Keramik-Substrats der Figur 1.

Das in der Figur 1 mit 1 bezeichnete Metall-Keramik-Substrat besteht aus dem in dieser Figur allgemein mit 2 bezeichneten plattenförmigen Keramikmaterial und aus einer oberen, von einer Kupferfolie gebildeten strukturierten Kupferschicht bzw. Metallisierung 3 und einer unteren, nicht strukturierten Kupferschicht oder Metallisierung 4. Beide Kupferschichten sind jeweils über eine Schicht 5 bzw. 6 aus einem Aktivlot flächig mit dem Keramikmaterial 2 verbunden. Letzteres ist mehrschichtig ausgebildet, und zwar bestehend aus einer mittleren Basisschicht oder einem mittleren Basissubstrat 7 aus einer Aluminiumnitrid oder Siliziumnitridkeramik sowie aus dünnen Zwischenschichten 8 und 9, von denen jede auf eine der beiden Oberflächenseiten der Basisschicht 7 aufgebracht ist und aus einer oxidischen Keramik besteht, und zwar beispielsweise aus Siliziumoxid, Aluminiumoxid, Mullit, Forsterit, Cordierit oder aber aus Kombinationen der vorgenannten Keramiken.

über die Aktivlotschicht 5 ist die obere Metallisierung 3 mit der Zwischenschicht 8 und über diese mit der Basisschicht 7 verbunden. Die untere Metallisierung 4 ist über ihre Aktivlotschicht 6 mit der Zwischenschicht 9 und über diese ebenfalls mit der Basisschicht 7 verbunden. Im Detail ist die Verbindung zwischen der jeweiligen Metallisierung 3 bzw. 4 und der zugehörigen Aktivlotschicht 5 bzw. 6 eine metallische Lötverbindung. Die Verbindung zwischen der Aktivlotschicht 5 bzw. 6 und der Zwischenschicht 8 bzw. 9 beruht auf einer chemischen Reaktion zwischen der Aktivlotkomponente und der oxidischen Keramik dieser Zwischenschicht.

Wie die Figur 1 weiterhin zeigt, sind die Metallisierung 3 und die Aktivlotschicht 5 strukturiert, so dass zwischen den durch diese Strukturierung gebildeten Metallbereichen (Leiterbahnen, Kontaktflächen usw.) das Keramikmaterial 2 frei liegt. Wie die Figur 1 auch zeigt, besitzen die Zwischenschichten 8 und 9 eine Dicke, die sehr viel kleiner ist als die Dicke der Basisschicht 7, aber auch sehr viel kleiner ist als

die Dicke der Metallisierungen 3 und 4. Gleiches gilt für die Aktivlotschichten 5 und 6.

Die Figur 2 zeigt schematisch einzelne Verfahrensschritte zum Herstellen des Metall- Keramik-Substrates 1. Als Ausgangsmaterial wird das plattenförmige Basissubstrat 7 aus der Aluminiumnitrid- oder Siliziumnitrid-Keramik verwendet (Fig. 2 Position a).

Auf den beiden Oberflächenseiten des Basissubstrates 7 wird jeweils eine Zwischenschicht 8 bzw. 9 aufgebracht, und zwar beispielsweise durch thermische Oxidation der Basisschicht 7 in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre bei einer

Prozesstemperatur im Bereich zwischen 1000 und 1650 ⁰ C (Fig. 2 Position b). Wie vorstehend ausgeführt, sind auch andere Verfahren zum Aufbringen der Zwischenschichten 8 und 9 auf die Basisschicht 7 möglich.

In einem weiteren Verfahrensschritt erfolgt dann das Aufbringen der Metallisierungen 3 und 4 durch Aktivlöten unter Verwendung eines die Aktivlotschichten 5 und 6 bildenden Aktivlots. In der Figur 2 ist angenommen, dass das Aktivlot in Form einer Aktivlotfolie 5a bzw. 6a verwendet wird. Diese Folien werden dann zusammen mit den die Metallisierungen 3 und 4 bildenden Folien 3a bzw. 4a auf die mit den Zwischenschichten 8 und 9 versehenen Oberflächenseiten der Basisschicht 7 aufgelegt und dann mit dem Aktivlötprozess bei der entsprechenden Prozesstemperatur von 800 - 1000 ⁰ C mit der Basisschicht 7 bzw. mit den dortigen Zwischenschichten 7 und 8 verbunden (Fig. 2 Positionen c und d). Das so erhaltene, noch nicht strukturierte Metall-Keramik-Substrat wird dann entsprechend an den freiliegenden Oberflächenseiten der Metallisierungen mit den Masken 10 und 11 maskiert (Fig. 2 Position e). Anschließend erfolgt das Strukturieren durch ätzen und anschließendes Entfernen der Masken 10 und 1 1.

Die Erfindung wurde voranstehend an einem Ausführungsbeispiel beschrieben. Es versteht sich, dass zahlreiche änderungen sowie Abwandlungen möglich sind, ohne dass dadurch der der Erfindung zugrunde liegende Erfindungsgedanke verlassen wird.

Bezugszeichenliste

1 Metall-Keramik-Substrat

2 Keramikmaterial

3, 4 Metallisierung

3a, 4a Metall- oder Kupferfolie

5, 6 Aktivlotschicht

5a, 6a Aktivlötfolie

7 Basisschicht oder Basissubstrat

8, 9 Zwischenschicht

10, 11 Maske