Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Metall-Kera- mik-Substrats, ein Lötsystem für ein solches Verfahren und ein Metall-Keramik- Substrat, hergestellt mit einem solchen Verfahren.

Metall-Keramik-Substrate sind beispielsweise als Leiterplatten oder Platinen aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt, beispielsweise aus der DE 102013 104739 A1 , der DE 19927046 B4 und der DE 102009033029 A1. Typischer weise werden auf einer Bauteilseite des Metall-Keramik-Substrats Anschlussflä chen für elektrische Bauteile und Leiterbahnen angeordnet, wobei die elektrischen Bauteile und die Leiterbahnen zu elektrischen Schaltkreisen zusammenschaltbar sind. Wesentliche Bestandteile der Metall-Keramik-Substrate sind eine Isolations schicht, die bevorzugt aus einer Keramik gefertigt ist, und wenigstens eine an die Isolationsschicht angebundene Metallschicht. Wegen ihrer 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.

Voraussetzung für das Bereitstellen eines solchen Metall-Keramik-Substrats ist eine dauerhafte Anbindung der Metallschicht an die Keramikschicht. Neben einem sogenannten Direktanbindungsverfahren, d. h. DCB- oder DAB-Verfahren, ist es aus dem Stand der Technik bekannt, die Metallschicht über ein Lotmaterial an die Keramikschicht anzubinden.

Unter einem Aktivlotverfahren, 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 zum Herstellen von Me- tall-Keramik-Substraten verwendet wird. Dabei wird bei einer Temperatur zwi schen ca. 650-1000°C eine Verbindung zwischen einer Metallfolie, beispielsweise einer Kupferfolie, und einem Keramiksubstrat, beispielsweise einer Aluminium nitrid-Keramik, unter Verwendung eines Hartlots hergestellt, welches zusätzlich zu einer Hauptkomponente wie Kupfer, Silber und/oder Gold auch ein Aktivmetall ent hält. Dieses Aktivmetall, welches beispielsweise wenigstens ein Element der Gruppe Hf, Ti, Zr, Nb, Ce ist, stellt durch chemische Reaktion eine Verbindung zwischen dem Lot und der Keramik her, während die Verbindung zwischen dem Lot und dem Metall eine metallische Hartlöt-Verbindung ist.

Die EP 3 041 042 A1 und WO 2017/126653 A1 offenbaren beispielsweise Verfah ren zur Herstellung eines Leistungsmodul-Substrats unter Verwendung eines Ak tivlotmaterials. Insbesondere ist es hier vorgesehen, dass eine Anbindung einer Kupferfolie an eine Keramikschicht über ein mehrschichtiges Lötsystem erfolgt. Dieses mehrschichtige System setzt sich aus einer Schicht aus einer Titanfolie und aus einer Schicht aus einem phosphorhaltigen Lötfüllmaterial zusammen.

Ausgehend von diesem Stand der Technik macht es sich die vorliegende Erfin dung zur Aufgabe, eine Anbindung der Metallschicht an die Keramikschicht unter Verwendung eines Lötsystems, das gegenüber dem Stand der Technik verbessert ist, zu realisieren, insbesondere in Hinblick auf die die Metallschicht und die Kera mikschicht verbindende Lötschicht und den Anbindungsprozess während des Ak tivlötens.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung eines Metall-Keramik-Sub- strats gemäß Anspruch 1 , ein Lötsystem für ein solches Verfahren gemäß Anspruch 14 und ein Metall-Keramik-Substrat hergestellt mit einem solchen Verfahren gemäß Anspruch 15 gelöst. Weitere Vorteile und Eigenschaften ergeben sich aus den Un teransprüchen sowie der Beschreibung und den beigefügten Figuren.

Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Her stellung eines Metall-Keramik-Substrats vorgesehen, umfassend:

- Bereitstellen mindestens einer Keramikschicht, mindestens einer Metallschicht und mindestens einer Lötschicht, insbesondere in Form mindestens einer Lötfolie bzw. Hartlotfolie,

- Beschichten der mindestens einen Keramikschicht und/oder der mindestens ei nen Metallschicht und/oder der mindestens einen Lötschicht mit mindestens einer Aktivmetallschicht,

- Anordnen der mindestens einen Lötschicht zwischen der mindestens einen Ke ramikschicht und der mindestens einen Metallschicht entlang einer Stapelrichtung unter Ausbildung eines Lötsystems, das die mindestens eine Lötschicht und die mindestens eine Aktivmetallschicht umfasst, wobei ein Lotmaterial der mindestens einen Lötschicht vorzugsweise frei von einem schmelzpunkterniedrigenden Mate rial und/oder phosphorfrei ist, und

- Anbinden der mindestens einen Metallschicht an die mindestens eine Keramik schicht über das Lötsystem mittels eines Aktivlotverfahrens.

Gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zur Herstellung von Metall-Keramik-Substraten ist erfindungsgemäß ein mehrschichtiges Lötsys tem aus mindestens einer Lötschicht, vorzugsweise frei von schmelzpunkterniedri genden Elementen, und mindestens einer Aktivmetallschicht, vorgesehen. Die Se paration der mindestens einen Aktivmetallschicht und der mindestens einen Löt schicht erweist sich insbesondere deswegen als vorteilhaft, weil dadurch ver gleichsweise dünne Lötschichten realisierbar sind, insbesondere wenn es sich bei der Lötschicht um eine Folie handelt. Für aktivmetallhaltige Lötmaterialien müssen andernfalls vergleichsweise große Lötschichtdicken wegen der spröden interme tallischen Phasen, die die Umformung der Lötpaste bzw. Lötschicht behindern, re- alisiert werden, wodurch die minimale Schichtdicke durch die Fertigungseigen schaften des aktivmetallhaltigen Lötmaterials begrenzt wird. Entsprechend be stimmt für aktivmetallhaltige Lötschichten nicht die für das Fügeverfahren erforder liche Mindestdicke die minimale Lötschichtdicke der Lötschicht, sondern die für die technisch realisierbare minimale Schichtdicke der Lötschicht bestimmt die mini male Lötschichtdicke der Lötschicht. Dadurch ist diese dickere, aktivmetallhaltige Lötschicht teurer als dünne Schichten.

Mit der Trennung des Aktivmetalls aus der mindestens einen Lötschicht lässt sich die Lötschichtdicke der mindestens einen Lötschicht in vorteilhafter weise herab setzen. Infolgedessen kann Material für das Lötsystem bzw. für die mindestens eine Lötschicht eingespart werden. Als besonders vorteilhaft hat es sich herausge stellt, dass sich derartige aktivmetallfreie Lötschichten zudem auf Dicken kleiner als 10 pm, bevorzugt unter 7 pm, herunterwalzen lassen. Ein weiterer Vorteil ist, dass das Einätzen der Strukturierung am gefertigten Metall-Keramik-Substrat ver einfacht wird, insbesondere deswegen, weil eine zweite Dicke des Lötsystems bzw. der mindestens einen Lötschicht reduziert ist. Zudem lässt sich die Anbin dung der Metallschicht an die Keramikschicht im Fertigungsprozess beschleuni gen.

Dabei hat sich insbesondere herausgestellt, dass die Nutzung einer separaten Ak tivmetallschicht auch dann möglich ist, wenn die Lötschicht frei von schmelzpunkt erniedrigenden Elementen und/oder phosphorfrei ist. Dadurch ist man flexibler in der Wahl des jeweils zu verwendenden Materials für die mindestens eine Löt schicht und man kann auf die etablierten Prozessparameter für das Aktivlotverfah ren zurückgreifen. Außerdem kann mit Vorteil im Vorfeld der Bildung der mindes tens einen Lötschicht auf das Zusetzen entsprechender schmelzpunkterniedrigen der Elemente verzichtet werden. Insbesondere versteht der Fachmann unter einer mindestens einen Lötschicht, die frei von schmelzpunktniedrigen Elementen ist, eine Schicht, die weniger als 3 Gewichts-%, bevorzugt weniger als 2 Gewichts-% und besonders bevorzugt weniger als 1 Gewichts-% dieser schmelzpunkterniedri- genden Elemente aufweist. Beispiele für diese schmelzpunkterniedrigenden Ele mente sind Phosphor und Zink. Die Verwendung von phosphorfreien Lötmateria lien gestattet beispielsweise die vorteilhafte Separation von Aktivmetallschicht und Lötschichten auch für solche Lötschichten, die zwar frei sind von Phosphor sind, aber ein schmelzpunkterniedrigendes Material umfassen, dessen Integration in die Lötschicht wiederum zu nicht so signifikanten Absenkung des Schmelzpunktes führt, wie es für Phosphor bekannt ist. Beispielsweise handelt es sich um ein sol ches schmelzpunkterniedrigendes Material, das den Schmelzpunkt der Lötschicht um weniger als 100 °C, bevorzugt weniger als 80 °C und besonders bevorzugt we niger als 50 °C absenkt.

Weiterhin ist es bevorzugt vorgesehen, dass die mindestens eine Lötschicht frei von einem Aktivmetall ist. Insbesondere versteht der Fachmann frei von Aktivme tall, dass die Lötschicht weniger als 5 Gewichts-%, bevorzugt weniger als 3 Ge- wichts-% und besonders bevorzugt weniger als 1 ,5 Gewichts-% an Aktivmetall aufweist. Beispiele für ein Aktivmetall sind Titan (Ti), Zirkonium (Zr), Hafnium (Hf), Chrom (Cr), Niob (Nb), Cer (Ce) und Vanadium (V). Besonders bevorzugt ist es vorgesehen, dass die mindestens eine Lötschicht als Folie bereitgestellt wird. Dies gestattet ein möglichst einfaches Handhaben der Folie beim Anordnen zwischen der mindestens einen Keramikschicht und der mindestens einen Metallschicht, insbesondere in der Serienfertigung von Metall-Keramik-Substraten.

Beispielsweise ist es auch vorstellbar, dass bereits die mindestens eine Lötschicht mit einer Metallschicht bzw. der mindestens einen Metallschicht bereitgestellt wird. Z. B. ist die mindestens eine Lötschicht auf einer Seite der mindestens einen Me tallschicht angebracht, die zum Herstellen des Metall-Keramik-Substrates verwen det wird. In diesem Fall dient die mindestens eine Metallschicht als Träger für die mindestens eine Lötschicht. Es ist allerdings auch vorstellbar, dass die mindes tens eine Lötschicht auf einer Folie, beispielsweise auf einer Kunststofffolie, die den Träger bildet, bereitgestellt wird. Weiterhin ist es vorstellbar, dass die mindes tens eine Lötschicht auf der mindestens einen Metallschicht bereitgestellt wird und das mindestens eine weitere Metallschicht, vorzugsweise mit einer anderen Korn größenverteilung bzw. einer anderen durchschnittlichen Korngröße, auf der der Lötschicht abgewandten Seite der mindestens einen Metallschicht, die vorzugs weise die mindestens eine Lötschicht trägt, aufgebracht wird. Insbesondere ist es vorgesehen, dass die Korngrößen, insbesondere deren durchschnittlichen Korn größen, der mindestens einen Metallschicht und der mindestens einen weiteren Metallschicht sich voneinander unterscheiden, sodass sich im Laufe des Anbin dungsverfahrens eine zweischichtige Metallisierungsschicht an der Oberseite der Keramik ausbildet. Dabei ist es besonders bevorzugt vorgesehen, dass die Metall schicht mit der im Durchschnitt kleineren Korngröße an der Außenseite liegt und die Metallschicht mit der im Vergleich größeren Korngröße im Durchschnitt, dem Lötsystem bzw. der Keramikschicht zugewandt ist.

Insbesondere hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, dass die mindestens eine Aktivmetallschicht wahlweise auf der mindestens einen Keramikschicht und/oder der mindestens einen Metallschicht und/oder der mindestens einen Lötschicht auf- bringbar ist. Vorzugsweise wird die mindestens eine Aktivmetallschicht auf min destens zwei der genannten Schichten aufgetragen. Vorzugsweise ist die mindes tens eine Aktivmetallschicht auf der mindestens einen Keramikschicht bzw. auf mindestens einer Metallschicht auf derjenigen Seite angeordnet, die im angeord neten Zustand bzw. im Metall-Keramik-Substrat der mindestens einen Lötschicht zugewandt ist. Besonders bevorzugt ist es vorgesehen, wenn die mindestens eine Aktivmetallschicht auf der mindestens einen Lötschicht aufgetragen wird. In die sem Fall kann ein Lötsystem aus der mindestens einen Lötschicht mit der mindes tens einen Aktivmetallschicht bereitgestellt werden, das einfach zwischen der min destens einen Keramikschicht und der mindestens einen Metallschicht für das Ak tivlotverfahren angeordnet werden kann. Dabei handelt es sich bei dem Anbin dungsverfahren um ein Aktivlotverfahren, das bei einer Prozesstemperatur zwi schen 600 °C und 1000 °C, bevorzugt zwischen 700 °C und 950 °C, durchgeführt wird. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Lotmaterial der mindestens einen Löt schicht um ein silberbasiertes oder ein kupferbasiertes Lotmaterial. In einem sil berbasierten Lotmaterial ist Silber die Hauptkomponente, d. h. der Bestanteil mit dem bezüglich der Gewichtsprozente höchsten Anteil, während in einem kupferba sierten Lotmaterial Kupfer die Hauptkomponente ist. Beispiel für ein silberbasier tes Lötmaterial sind AgCu, insbesondere AgCu28, AgCuln, AgCuSn und AgCuGa. Beispiele für ein kupferbasiertes Lötmaterial sind Kupfer CuSn, Culn, CuGa, CulnSn, Culn Mn, CuGaSn. Auch ist es vorstellbar als Lötmaterial NiCrMn zu ver wenden. Insbesondere ist es bevorzugt vorgesehen, wenn die Lötschicht silberfrei ist, d. h. die Lötschicht umfasst weniger als 3 Gewichts-% Silber, bevorzugt weni ger als 2 Gewichts-% Silber und besonders bevorzugt weniger als 1 Gewichts-% Silber. Dadurch kann in vorteilhafter Weise Silber eingespart werden, des gefertig ten Metall-Keramik-Substrats anderenfalls zu einer Silbermigration im Lotsystem führen kann.

Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass die Lötschicht bzw. das Lötmaterial der Löt schicht mehrere Komponenten umfasst und/oder silberfrei ist. Mit anderen Worten: das Lötmaterial besteht nicht aus einem einzelnen chemischen Element. Insbe sondere ist es vorgesehen, dass die Lötschicht nicht ausschließlich aus Silber be steht. Vorzugsweise ist es vorgesehen umfasst die Lötschicht mindestens zwei unterschiedliche Komponenten bzw. Bestandteile. Dadurch ist es in vorteilhafter Weise möglich das Anbindungsverhalten, beispielswiese in Hinblick auf Haftfestig keit und Temperaturwechselbeständigkeit weiter zu optimieren. Beispielsweise ist man nicht gebunden an die Nutzung einer reinen Silberschicht, deren Silbermigra tion und Ätzverhalten sich nachteilig auf das gefertigte Metall-Keramik-Substrat auswirken. Weitere Beispiele für Materialien, die als Lötmaterial die Lötschicht bil den sind: CuNi und CuNiMn, insbesondere bis zu einer Arbeitstemperatur des Lo tes 1050°C. Ferner ist reines Silber vorstellbar.

Als Materialien für die mindestens eine Metallschicht sind Kupfer, Aluminium, Mo lybdän und/oder deren Legierungen, sowie Laminate und pulvermetallurgische Compoundmaterialien wie CuW, CuMo, CuAI, AICu und/oder CuCu vorstellbar, insbesondere eine Kupfer-Sandwichstruktur mit einer ersten Kupferschicht und ei ner zweiten Kupferschicht, wobei sich eine Korngröße in der ersten Kupferschicht von einer zweiten Kupferschicht unterscheidet. Weiterhin ist bevorzugt vorgese hen, dass die mindestens eine Metallschicht oberflächenmodifiziert ist. Als Ober flächenmodifikation ist beispielsweise eine Versiegelung mit einem Edelmetall, ins besondere Silber und/oder Gold, oder ENIG („ electroless nicket immersion gold “) oder ein Kantenverguss an der ersten bzw. zweiten Metallisierungsschicht zur Un terdrückung einer Rissbildung bzw. -Weitung denkbar.

Vorzugsweise weist die mindestens eine Keramikschicht AI2O3, S13N4, AIN, eine HPSX-Keramik (d. h. eine Keramik mit einer AI2O3- Matrix, die einen x-prozenti- gen Anteil an Zr0 ₂ umfasst, beispielsweise AI2O3 mit 9% Zr0 ₂ = HPS9 oder AI2O3 mit 25% Zr0 ₂ = HPS25), SiC, BeO, MgO, hochdichtes MgO (> 90% der theoreti schen Dichte), TSZ (tetragonal stabilisiertes Zirkonoxid) oder ZTA als Material für die Keramik auf. Es ist dabei auch vorstellbar, dass die Isolationsschicht als Ver bund- 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 einer Isolationsschicht zusammengefügt sind. Vorzugsweise wird eine hochgradig wärmeleitfähige Keramik für einen möglichst geringen Wärmwider stand verwendet.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist es vorgesehen, dass die mindes tens eine Aktivmetallschicht mittels eines Gasphasenabscheidungsverfahrens, ins besondere eines physikalischen Gasphasenabscheidungsverfahrens (PVD), oder mittels chemischer Gasphasenabscheidung (CVD) aufgebracht wird. Mittels die ses Herstellungsverfahrens ist es möglich, vergleichbar dünne Aktivmetallschich ten bereitzustellen, die insbesondere möglichst homogen aufgebracht sind. Insbe sondere ist ein möglichst kontrolliertes Aufbringen möglich, sodass die aufge brachte mindestens eine Aktivmetallschicht über die Auftragungsfläche eine mög lichst konstante Dicke aufweist. Beispielsweise können als Gasphasenabschei dungsverfahren Verdampfungsverfahren, wie z. B: thermisches Verdampfen, Elektronenstrahlverdampfen, Laserstrahlverdampfen, Lichtbogenverdampfen oder Molekularstrahlepitaxie, ein Sputtern, wie ein ionenstrahlgestützte Deposition, ein lonenplattieren und/oder eine ICB-Technik verwendet werden.

Vorteilhafterweise weist eine erste Dicke der mindestens einen Aktivmetallschicht einen Wert zwischen 100 nm und 1000 nm, bevorzugt zwischen 150 nm und 750 nm und besonders bevorzugt zwischen 200 nm und 500 nm auf. Derartig dünne Aktivmetallschichten verhindern mit Vorteil das Herabsetzen der Wärmeleitfähig keit und das Herabsetzen der mechanischen Festigkeit des Metall-Keramik-Sub- strates, insbesondere an der Schnittstelle zwischen den mindestens einen Kera mikschicht und der mindestens einen Metallschicht. Besonders bevorzugt wird die Schichtdicke abgestimmt mit der zu erwartenden Lagerzeit. Beispielsweise hat es sich für lange Lagerzeiten, beispielsweise von mehr als 10 Tagen , insbesondere für Titan als Aktivmetallschicht, als vorteilhaft herausgestellt eine Schichtdicke zwi schen 750 und 1000 nm zu verwenden. Für kürzere Lagerzeiten ist es möglich, eine erste Dicke von 150 nm bis 350 nm zu verwenden.

Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass das Aktivlotverfahren bei einem Druck von weniger als 10 ^-2 mbar, bevorzugt weniger als 10 ^-3 und besonders bevorzugt weni ger als 10 ⁴ und/oder unter Verwendung von Prozessgas durchgeführt wird. Bei spielsweise wird das Aktivlotverfahren im Hochvakuum oder in einem Feinvakuum mit sehr niedrigen Sauerstoff und Argonpartialdruck von weniger als 1 mbar durchgeführt. Alternativ ist es auch vorstellbar, bei einem Atmosphärendruck unter Argon oder allgemein einem Edelgasen zu arbeiten. Da hier keine organischen Binder verwendet werden, ist es möglich, die Prozesszeit bis um die Hälfte zu re duzieren.

Weiterhin ist es bevorzugt vorgesehen, dass eine zweite Dicke der mindestens ei nen Lötschicht einen Wert zwischen 1 und 100 pm, bevorzugt zwischen 1 ,5 und 50 pm und besonders bevorzugt zwischen 2 und 20 pm oder sogar weniger als 10 pm aufweist. Insbesondere handelt es sich hierbei um die zweite Dicke vor dem Anbindungsprozess, d. h. dem Aktivlotverfahren. Besonders bevorzugt ist es vor gesehen, dass vor dem Anbindungsprozess die mindestens eine Lotschicht weiter reduziert wird, beispielsweise mittels Walzens auf eine Dicke von weniger als 10 pm, bevorzugt auf eine Dicke von weniger als 7 pm und besonders bevorzugt auf eine Dicke von weniger als 5 pm. Dadurch lässt sich mit Vorteil eine Schichtdicke des Lötmaterials bzw. der mindestens einen Lötschicht weiter verringern. Weiter hin ist es bevorzugt vorgesehen, dass die mindestens eine Lötschicht vor dem An ordnen zwischen der mindestens einen Keramikschicht und der mindestens einen Metallschicht mittels Walzplattieren in Hinblick auf ihre Schichtdicke reduziert wird. Dadurch lässt sich bereits im Vorfeld eine dünnere mindestens eine Lötschicht re alisieren, bevor sie in einem weiteren Lötschichtschritt auf die finale, für den An bindungsprozess vorgesehene Schichtdicke - beispielsweise mittels Walzen - re duziert wird.

Insbesondere ist es vorgesehen, dass ein Verhältnis einer ersten Dicke der Aktiv metallschicht zu einer zweiten Dicke der Lötschicht einen Wert zwischen 0,003 und 0,5, bevorzugt zwischen 0,015 und 0,2 und besonders bevorzugt zwischen 0,03 und 0,14 annimmt. Mit anderen Worten: die zweite Dicke der Lötschicht ist deutlich größer als die erste Dicke der Aktivmetallschicht.

Weiterhin ist es bevorzugt vorgesehen, dass die mindestens eine Aktivmetall schicht von mindestens einer Schutzschicht bedeckt wird. Mittels dieser mindes tens einen Schutzschicht ist es in vorteilhafter weise möglich, eine Oxidation der mindestens einen Aktivmetallschicht zu verhindern. Beispielsweise können als Schutzschicht für die mindestens eine Aktivmetallschicht Kupfer (Cu), Nickel (Ni), Indium (In), Silber (Ag), Chrom (Cr) oder Titanitrid (TiN) verwendet werden. Dabei weist die Dicke der mindestens einen Schutzschicht mindestens einen Wert von 100 nm auf. Besonders bevorzugt ist es vorgesehen, wenn die Dicke der mindes tens einen Schutzschicht, d. h. die dritte Dicke, an die Lagerzeit angepasst ist, d. h. die Zeit, die zwischen dem Aufträgen der mindestens einen Aktivmetallschicht und dem tatsächlichen Anbindungsprozess im Rahmen des Aktivlotverfahrens, vergeht. Dadurch lässt sich in vorteilhafter Weise die dauerhafte Lagerung von mit mindestens einer Aktivmetallschicht bedeckten Bauteilen (sei es die mindestens eine Metallschicht und/oder die mindestens eine Aktivmetallschicht und/oder die mindestens eine Lötschicht), sicherstellen, ohne dass die mindestens eine Aktiv metallschicht bereits im Vorfeld des Anbindungsverfahrens oxidiert. Beispiels weise ist die Schichtdicke der mindestens einen Schutzschicht, d. h. eine dritten Dicke, zwischen 100 nm bzw. 50 nm und 1000 nm, bevorzugt zwischen 150 nm und 750 nm und besonders bevorzugt zwischen 250 nm und 500 nm dick.

Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass ein Verhältnis der dritten Dicke der min destens einen Schutzschicht zu der ersten Dicke der mindestens einen Aktivme tallschicht, gemessen in Stapelrichtung, einen Wert zwischen 0,5 und 1, bevorzugt zwischen 0,7 und 0,9 und besonders bevorzugt zwischen 0,75 und 0,85 annimmt.

Weiterhin ist es bevorzugt vorgesehen, dass die mindestens eine Aktivmetall schicht in Stapelrichtung ihre Zusammensetzung ändert. Dadurch lässt sich eben falls in vorteilhafter Weise eine frühzeitige Oxidation der Aktivmetallschicht verhin dern, insbesondere indem mit zunehmenden Abstand von der Oberfläche, auf die das Aktivmetall aufgetragen worden ist (sei es die mindestens eine Metallschicht, die mindestens eine Keramikschicht oder die mindestens eine Lötschicht), ein An teil an Einlagungselementen, wie Stickstoff, Sauerstoff oder Kohlenstoff, zunimmt. Weiterhin ist vorstellbar, dass zur Verlängerung der Lagerzeiten der mit der min destens einen Aktivmetallschicht versehenen Komponente bzw. des mit der min destens einen Aktivmetallschicht versehenen Bauteils, sei es die mindestens eine Metallschicht, die mindestens eine Keramikschicht und/oder die mindestens eine Lötschicht, die mindestens eine Aktivmetallschicht mit mindestens einer weiteren Lötschicht bedeckt wird. Dabei ist eine Dicke der mindestens einen weiteren Löt schicht mindestens um einen Faktor 0,1 bevorzugt 0,05 und besonders bevorzugt um 0,01 dünner als die zweite Dicke der mindestens einen Lötschicht. Das Lötsys tem bildet in vorteilhafter Weise eine Sandwichstruktur, bei der die mindestens eine Aktivmetallschicht von der mindestens einen Lötschicht und der mindestens einen weiteren Lötschicht ummantelt bzw. umgeben ist. Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass die mindestens eine Lötschicht und/oder die mindestens eine Aktivmetallschicht gewalzt wird, vorzugsweise derart, dass eine erste Dicke der Aktivmetallschicht nach dem Walzen und/oder Pressen einen Wert von weniger als 1000 nm, bevorzugt weniger als 750 nm und besonders be vorzugt weniger als 500 nm aufweist. Dadurch ist es in vorteilhafter Weise möglich alternativ zum Aufträgen mittels galvanischem Verfahren oder einem Gasphasen abscheideverfahren eine erste Dicke der Aktivmetallschicht zu realisieren, die ins besondere kleiner ist als 1000 nm, wenn man die Lötschicht und die Aktivmetall schicht gemeinsam walzt. Dabei werden die Schichtdicken der Lötschicht und der Aktivmetallschicht, d. h. die erste Dicke und die zweite Dicke, gemeinsame herun tergewalzt und/oder gepresst. Hierzu werden zunächst eine Lötschicht, beispiels weise in Form einer dicken Lötfolie, und eine Aktivmetallschicht zusammengefügt, beispielsweise mittels eines vorgelagerten Walzens oder einem ersten Walzen zur Schichtdickenreduktion. Dabei ist es bevorzugt vorgesehen, dass eine Start schichtdicke der Aktivmetallschicht und eine Startschichtdicke der Lötfolie im sel ben Verhältnis zueinander stehen, wie die erste Dicke und die zweite Dicke im ge fertigten Lötsystem, das die Aktivmetallschicht mit der ersten Dicke und die Löt schicht mit der zweiten Dicke umfasst. Durch das anschließende Walzen, insbe sondere mehrfaches Walzen, werden die Aktivmetallschicht und die Lötschicht durch jedes Walzen in ihrer jeweiligen Dicke heruntergewalzt, um eine vergleichs weise dünne Lötschicht zu erhalten, auf der eine noch dünnere Aktivmetallschicht angeordnet ist. Dieses Lötsystem kann dann im Anschluss für die Anbindung der Metallschicht an die Keramikschicht im Rahmen eines Aktivlötverfahrens herange zogen werden.

Besonders bevorzugt ist es vorgesehen, wenn eine weitere Aktivmetallschicht vor gesehen ist, wobei die Lötschicht zwischen der Aktivmetallschicht und der weite ren Aktivmetallschicht angeordnet wird. Dadurch kann auch die Schnittstelle zwi schen Lötschicht und der mindestens einen Metallschicht durch das Aktivmetall der Aktivmetallschicht beeinflusst werden. Weiterhin ist es vorzugsweise vorgesehen, dass die Keramikschicht mit der Aktiv metallschicht und die mindestens eine Metallschicht mit der Lötschicht beschichtet wird.

Besonders bevorzugt ist es vorgesehen, wenn die mindestens eine Metallschicht eine Schichtdicke aufweist, die größer als 1 mm, bevorzugt größer als 1 ,3 mm und besonders bevorzugt größer als 1,5 mm ist. Dadurch wird eine vergleichsweise di cke mindestens eine Metallschicht realisiert, die ein schnelles Abführen von Wär menergie unterstütz und bereits an der Bauteilseite eine Wärmespreizung ermög licht.

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Lötsystem für ein er findungsgemäßes Verfahren, wobei das Lötsystem mindestens eine Lötschicht, insbesondere in Form einer Lötfolie, und mindestens einer Aktivmetallschicht um fasst. Alle für das Verfahren zur Herstellung des Metall-Keramik-Substrats be schriebenen Vorteile und Merkmale gelten analog für das Lötsystem.

Ein weiterer Gegenstand ist ein Metall-Keramik-Substrat, hergestellt mit einem Verfahren, umfassend:

- Bereitstellen mindestens einer Keramikschicht, mindestens einer Metallschicht und mindestens einer Lötschicht, insbesondere in Form mindestens einer Lötfolie,

- Beschichten der mindestens einen Keramikschicht und/oder der mindestens ei nen Metallschicht und/oder der mindestens einen Lötschicht mit mindestens einer Aktivmetallschicht,

- Anordnen der mindestens einen Lötschicht zwischen der mindestens einen Ke ramikschicht und der mindestens einen Metallschicht entlang einer Stapelrichtung unter Ausbildung eines Lötsystems, das die mindestens eine Lötschicht und die mindestens eine Aktivmetallschicht umfasst, wobei ein Lotmaterial der mindestens einen Lötschicht vorzugsweise frei von einem schmelzpunkterniedrigenden Mate rial ist, und

- Anbinden der mindestens einen Metallschicht an die mindestens eine Keramik schicht über das Lötsystem mittels eines Aktivlotverfahrens. Alle für das Verfahren zur Herstellung des Metall-Keramik-Substrats beschriebenen Vorteile und Merk male gelten analog für das Metall-Keramik-Substrat.

Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Gegenstands mit Bezug auf die beigefügten Figuren. Einzelne Merkmale der einzelnen Ausführungsformen können dabei im Rahmen der Erfindung miteinander kombiniert werden.

Es zeigt:

Fig.1: schematisch ein Verfahren zur Herstellung eines Metall-Keramik-

Substrats gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, Fig.2: schematisch ein Verfahren zur Herstellung eines Metall-Keramik-

Substrats gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,

Fig.3: schematisch ein Verfahren zur Herstellung eines Metall-Keramik- Substrats gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,

Fig.4: schematisch ein Verfahren zur Herstellung eines Metall-Keramik- Substrats gemäß einer vierten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und

Fig.5: schematisch ein Verfahren zur Herstellung eines Metall-Keramik-

Substrats gemäß einer fünften bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In der Figur 1 ist schematisch ein Verfahren zur Herstellung eines Metall-Keramik- Substrats 1 gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Solch ein Metall-Keramik-Substrat 1 dient vorzugsweise je weils als Träger von elektronischen bzw. elektrischen Bauteile, die an das Metall- Keramik-Substrat 1 anbindbar sind. In der linken oberen Ecke ist schematisch ein Beispiel für ein gefertigtes Metall-Keramik-Substrat 1 illustriert. Wesentliche Be standteile eines solchen Metall-Keramik-Substrats 1 sind mindestens eine sich entlang einer Haupterstreckungsebene HSE erstreckende Keramikschicht 10 und eine an der mindestens einen Keramikschicht 10 angebundene mindestens Me tallschicht 20. Die mindestens eine Keramikschicht 10 ist aus mindestens einem eine Keramik umfassenden Material gefertigt. Die mindestens eine Metallschicht 20 und die mindestens eine Keramikschicht 10 sind dabei entlang einer senkrecht zur Haupterstreckungsebene HSE verlaufenden Stapelrichtung S übereinander angeordnet und in einem gefertigten Zustand über ein Lötsystem 35 zumindest bereichsweise miteinander stoffschlüssig verbunden. Vorzugsweise wird die min destens eine Metallschicht 20 im gefertigten Metall-Keramik-Substrat 1 dann zur Bildung von Leiterbahnen oder Anbindungsstellen für die elektrischen Bauteile strukturiert. Beispielsweise wird diese Strukturierung in die mindestens eine Me tallschicht 20 eingeätzt. Im Vorfeld muss allerdings eine dauerhafte Bindung, ins besondere stoffschlüssige Anbindung, zwischen der mindestens einen Metall schicht 20 und der mindestens eine Keramikschicht 10 gebildet werden.

Diese dauerhafte, insbesondere stoffschlüssige Anbindung wird in dem Ausfüh rungsbeispiel der Figur 1 mittels eines Aktivlotverfahrens realisiert. Hierzu wird zwischen der mindestens einen Keramikschicht 10 und der mindestens einen Me tallschicht 20 ein Lötsystem 35 angeordnet, über das im fertigen Metall-Keramik- Substrat 1 die stoffschlüssige Anbindung zwischen der Keramikschicht 10 und der Metallschicht 20 gewährleistet wird. Dabei ist es insbesondere vorgesehen, dass das Lötsystem 35 mehrschichtig ausgebildet ist. Neben mindestens einer Löt schicht 30 umfasst das Lötsystem 35 mindestens eine Aktivmetallschicht 40. Da bei ist es insbesondere vorgesehen, dass die mindestens eine Lötschicht 30 frei ist von einem Aktivmetall, d. h. kein Aktivmetall aufweist. Stattdessen wird das Ak tivmetall mit einer separaten Schicht im Lötsystem 35 als Aktivmetallschicht 40 be reitgestellt. Es hat sich in vorteilhafterweise herausgestellt, dass durch diese Se paration im Lötsystem 35, bei der auf der einen Seite ein aktivmetallfreies Lötma terial in der Lötschicht 30 und auf der anderen Seite eine aktivmetallumfassende Aktivmetallschicht 40 vorgesehen ist, es in vorteilhafterweise möglich ist, eine möglichst dünne Lötschicht 30 zu erzielen. Andernfalls müsste man für die min destens eine Lötschicht 30, insbesondere in Form einer Lötfolie, eine größere mi nimale Schichtdicke in Kauf nehmen, die durch den Herstellungsprozess der min destens einen Lötschicht 30 limitiert ist und nicht durch die für den Fügeprozess notwendige Mindestdicke.

Durch die Trennung der mindestens einen Aktivmetallschicht 40 und der mindes tens einen Lötschicht 30 lassen sich entsprechend dünnere Lötfolien hersteilen, weil hier keine spröden intermetallischen Phasen die Umformung behindern. Ins besondere ist es dadurch in vorteilhafterweise möglich, Lötschichten 30 bereitzu stellen, die eine Walzbarkeit der mindestens einen Lötschicht 30, insbesondere in Form der Lötfolie, auf eine Dicke kleiner als 10 pm, vorzugsweise kleiner als 8 und besonders bevorzugt kleiner als 6 pm, sicherstellt. In dem dargestellten Aus führungsbeispiel ist die mindestens eine Aktivmetallschicht 40 auf die mindestens eine Keramikschicht 10, beispielsweise mittels Sputtern oder CVD aufgetragen und weist dabei eine erste Dicke D1 auf, die einen Wert zwischen 100 nm und 1000 nm, bevorzugt zwischen 150 nm und 750 nm und besonders bevorzugt zwi schen 200 nm und 500 nm aufweist.

Derartig dünne Aktivmetallschichten 40 gestatten das Verhindern eines Herabset zens der Wärmeleitfähigkeit und der mechanischen Festigkeit, die andernfalls bei dickeren Aktivmetallschichten 40 zu erwarten wären. Dies trifft im besonderen Maße für eine Schichtdicke bzw. erste Dicke D1 zwischen 200 nm und 500 nm auf. Dabei ist es vorgesehen, dass die mindestens eine Lötschicht 30, insbeson dere als mindestens eine Lötfolie, als separate Schicht zwischen der mindestens einen Aktivmetallschicht 40 und der mindestens einen Metallschicht 20 angeord net wird, bevor das Aktivlotverfahren durchgeführt wird. Beispielsweise ist es vor stellbar, dass die mindestens eine Lötfolie auf der mindestens einen Aktivmetall schicht 40 aufgebracht wird und durch einen Walzschritt auf eine zweite Dicke kleiner als 10 pm, bevorzugt unter 7 pm plattiert wird, um eine möglichst dünne mindestens eine Lötschicht 30 zu gewährleisten. Die Verwendung einer ver gleichsweise dünnen mindestens einen Lötschicht 30 beschleunigt zum einen das Anbindungsverfahren und reduziert zudem in vorteilhafter Weise den Materialbe darf bei der Herstellung der Verbindung zwischen der mindestens einen Keramik schicht 10 und der mindestens einen Metallschicht 20. Dabei werden die mindes tens eine Keramikschicht 10 und die mindestens eine Metallschicht 20 in Stapel richtung S übereinander angeordnet, wobei das Lötsystem 35 mit der mindestens einen Lötschicht 30 und der mindestens einen Aktivmetallschicht 40 in Stapelrich tung S zwischen der mindestens einen Metallschicht 20 und der mindestens einen Keramikschicht 10 angeordnet ist. Insbesondere ist es vorgesehen, dass die min destens eine Lötschicht 30 nicht nur frei ist von Aktivmetall, sondern auch frei von schmelzpunkterniedrigenden Elementen, wie Phosphor oder Zink. Unter im We sentlichen „frei von schmelzpunkterniedrigen Elementen“ versteht der Fachmann insbesondere, dass deren Anteil in der Lötschicht kleiner ist als 3 Gewichts-%, vorzugsweise kleiner als 2 Gewichts-% und besonders bevorzugt kleiner als 1 Ge- wichts-%. Beispielweise verzichtet die mindestens eine Lötschicht 30 auf die Ver wendung eines Lötmaterials, das Phosphor oder Zink enthält, um zu verhindern, dass die Schmelztemperatur erniedrigt wird. Es hat sich dabei in überraschender Weise herausgestellt, dass eine Anbindung über die separate mindestens eine Ak tivmetallschicht 40 auch für solche Lötmaterialien möglich ist, bei denen gerade keine schmelzpunkterniedrigenden Elemente mitverwendet werden. Dies gestattet es, die Verwendung von vergleichsweise dünnen mindestens einen Lötschichten 30 für solche Lötmaterialien zu realisieren, die bei den üblichen Prozesstempera turen eines Aktivlotverfahrens Verwendung finden. Entsprechend kann auf die üb lichen Prozessparameter, die beim Aktivlotverfahren typischerweise verwendet werden, zurückgegriffen werden, und es kann eine vergleichsweise sehr dünne mindestens eine Lötschicht 30 realisiert werden. In Figur 2 ist schematisch ein Verfahren zur Herstellung eines Metall-Keramik- Substrates 1 gemäß einer zweiten beispielhaften Ausführungsform der vorliegen den Erfindung dargestellt. Insbesondere unterscheidet sich das Ausführungsbei spiel der Figur 2 im Wesentlichen nur von dem Ausführungsbeispiel der Figur 1 dahingehend, dass zusätzlich zu der mindestens einen Aktivmetallschicht 40 min destens eine Schutzschicht 41 vorgesehen ist. Die sich in Haupterstreckungs ebene HSE erstreckende mindestens eine Schutzschicht 41 bedeckt dabei insbe sondere die Aktivmetallschicht 40. Durch die Verwendung einer derartigen min destens einen Schutzschicht 41 ist es in vorteilhafterweise möglich, zu verhindern, dass an der mindestens einen Aktivmetallschicht 40 bzw. an der Außenseite der mindestens einen Aktivmetallschicht 40 eine Oxidation stattfindet, bevor der ei gentliche Anbindungsprozess, d. h. das Aktivlotverfahren, stattfindet. Vorzugs weise weist eine derartige mindestens eine Schutzschicht 41 eine dritte Dicke D3 auf, die eine Mindestdicke von mindestens 100 nm hat. Bevorzugt ist die dritte Di cke D3 mindestens einen der Schutzschicht 100 nm bis 1000 nm, bevorzugt 150 nm bis 750 nm und besonders bevorzugt zwischen 200 nm und 500 nm groß. Weiterhin ist es bevorzugt vorgesehen, dass die mindestens eine Schutzschicht 41 die mindestens eine Aktivelementschicht 40 teilweise oder bevorzugt vollstän dig bedeckt und in Stapelrichtung S gesehen zwischen der mindestens einen Ak tivmetallschicht 40 und der mindestens einen Lötschicht 30 angeordnet ist. Vor zugsweise ist die dritte Dicke D3 angepasst an die zu erwartende Dauer, von der Abscheidung der Aktivmetallschicht (40) und der Schutzschicht (41) bis die Anbin dung mittels des Aktivlotverfahrens erfolgt. Dadurch lässt sich in vorteilhafter Weise, insbesondere durch die dritte Dicke D3 der Schutzschicht 41 die vorgese hene Lagerzeit einstellen, um sicherzustellen, dass die mindestens eine Aktivme tallschicht 40 nicht vor der Anbindung eine Oxidation erfährt. Vorzugsweise ist vor gesehen, dass die dritte Dicke D3 der mindestens einen Schutzschicht 41 im We sentlichen der ersten Dicke D1 der Aktivmetallschicht 40 entspricht.

Weiterhin ist es vorgesehen, dass die mindestens eine Lötschicht 30 eine zweite Dicke D2 aufweist, die einen Wert zwischen 0,1 und 100 pm, bevorzugt zwischen 0,5 und 50 pm und besonders bevorzugt 0,2 und 20 gm aufweist. Dabei handelt es sich insbesondere um die zweite Dicke D2 vor dem Auflegen der mindestens einen Lötschicht 30 bzw. dem Anordnen auf der mindestens einen Metallschicht 20 oder auf der mindestens einen Aktivmetallschicht 40. Dabei ist es insbesondere vorgesehen, dass nach dem Aufbringen oder Auflegen der mindestens einen Me tallschicht 20 durch ein weiteres Walzen die zweite Dicke D2 der mindestens ei nen Lötschicht 30 weiter reduziert wird. Nach dem Anordnen der mindestens ei nen Metallschicht 20, der mindestens einen Keramikschicht 10 und dem zwischen der mindestens einen Metallschicht 20 und der mindestens einen Keramikschicht 10 angeordneten Lötsystems 35 erfolgt eine Anbindung unter Verwendung einer Temperatur zwischen 700 °C und 900 °C. Vorzugsweise erfolgt das Lötverfahren bei einem Druck, der geringer ist als 10mbar. Es ist auch vorstellbar, dass das An bindungsverfahren, d. h. das Aktivlotverfahren, unter Verwendung eines Prozess gases durchgeführt wird, bzw. in einer Arbeitsatmosphäre, die beispielsweise Ar gon oder allgemein ein oder mehrere Edelgase umfasst.

In Figur 3 ist schematisch ein Verfahren zur Herstellung eines Metall-Keramik- Substrats 1 gemäß einer dritten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Im Wesentlichen unterscheidet sich die Ausführungsbeispiel von demjenigen aus der Figur 2 dahingehend, dass die mindestens eine Aktivme tallschicht 40 vor dem Anordnen zwischen der mindestens einen Metallschicht 20 und der mindestens einen Keramikschicht 10 an die mindestens eine Lötschicht 30 angebracht ist. Mit anderen Worten: Hier erfolgt mittels Sputtern die Anbindung der mindestens einen Aktivmetallschicht 40 an die mindestens eine Lötschicht 30 zeitlich vor der Anordnung zwischen der mindestens einen Keramikschicht 10 und der mindestens einen Metallschicht 20. Insbesondere ist es vorgesehen, dass auch hier mindestens eine Schutzschicht 41 die mindestens eine Aktivmetall schicht 40 teilweise oder bevorzugt vollständig, insbesondere einseitig, bedeckt, um ein frühzeitiges Oxidieren der mindestens einen Aktivmetallschicht 40 zu ver meiden. In Figur 4 ist schematisch ein Verfahren zur Herstellung eines Metall-Keramik- Substrates 1 gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Im Gegensatz zu den Ausführungsbeispielen aus den Figuren 2 und 3 ist es in dem Ausführungsbeispiel der Figur 4 vorgesehen, dass die mindestens eine Aktivmetallschicht 40 vor dem Aktivlotverfahren an die mindestens eine Me tallschicht 20 angebunden wird. Dabei ist die mindestens eine Aktivmetallschicht 40 insbesondere an der im Anbindungsprozess der Lötschicht 30 zugewandten Seite der mindestens einen Metallschicht 20 angeordnet. Beispielsweise lässt sich die mindestens eine Aktivmetallschicht 40 mittels eines CVD Verfahrens oder- durch Aufsputtern, d. h. im Allgemeinen mittels eines Gasphasenabscheidungs verfahrens, auf die mindestens eine Metallschicht 20 flächendeckend auftragen. Nach dem Anordnen der mindestens einen Metallschicht 20, an der die mindes tens eine Aktivmetallschicht 40 anhaftet, und der mindestens einen Keramik schicht 10, sowie der mindestens einen Lötschicht 30 erfolgt das Anbindungsver fahrens mittels Aktivlotverfahren.

In Figur 5 ist schematisch ein Verfahren zur Herstellung eines Metall-Keramik- Substrats 1 gemäß einer fünften bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Dabei unterscheidet sich das Ausführungsbeispiel der Figur 5 von demjenigen aus der Figur 2 nur dahingehend, dass sowohl die Vorderseite als auch die Rückseite der mindestens einen Keramikschicht 10 jeweils mit min desten einer Metallschicht 20 über jeweilige Lötsysteme 35 verbunden werden, wobei das Lötsystem 35 vorzugsweise die mindestens eine Lötschicht 30, die min destens eine Aktivmetallschicht 40 und die mindesten eine Schutzschicht 41 um fasst.

Bezuqszeichenliste:

1 Metall-Keramik-Substrat

10 Keramikschicht 20 Metallschicht 30 Lötschicht 35 Lötsystem

40 Aktivmetallschicht

41 Schutzschicht

S Stapelrichtung HSE Haupterstreckungsebene D1 erste Dicke D2 zweite Dicke D3 dritte Dicke