keramischen Substanzen

Beschreibung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verbundmateria! umfassend ein

Keramiksubstrat S mit mindestens einer Metallschicht M an mindestens einer Oberfläche des Keramiksubstrates S» wobei diese Metallschichf M in lateraler und/oder vertikaler Richtung eine spezielle Form aufweist,

Keramische Leiterplatten haben sich insbesondere Im Bereich der High- Power-Moduie etabliert, da diese den Betriebstemperaturen von bis zu 250 °C oder mehr, beispielsweise bei der Stromerzeugung durch

Windgeneratoren, Steuerungen von Eisenbahnzügen,

Hochleistunsgmaschlnen oder in Zukunft in E-Mobllen, standhalten müssen.

Solche keramischen Leiterplatten umfassen in der Regel ein keramisches Substrat, auf das eine ieitfähige Metalischicht, z.B. aus Kupfer, aufgebracht wird. Ein gängiges Verfahren zur Verbindung der beiden Werkstoffe ist das „Direct-Copper-Bonding" (DGB-Verfahren), bei dem ein dünnes Kupferblech auf das Keramiksubstrat gelegt und angedrückt wird und in einer

Sauerstoffatmosphäre auf eine Temperatur von 1 020°C bis 1 040°C erhitzt wird. Bei diesen Temperaturen reagiert die Oberfläche des Kupfers mit dem Sauerstoff und es bildet sich Kupferoxid, welches sich wiederum mit der Keramik verbindet. Es entsteht ein fester stoffschlüssiger Verbund, der langsam abgekühlt wird ,

In der Regel weisen die verwendeten Keramiken einen von dem des verwendeten Metalls stark abweichenden Wärmeausdehnungskoeffizienten auf (Beispiel: Ai ₂ 0 ₃ -Keramik mit einem thermischen

Ausdehnungskoeffizienten von 8,5 * 1 0 ^"6 1 /K und Kupfer mit einem

thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 1 7,3 * 1 0 ^* * 1 /K) . Dies führt dazu, dass in dem durch das DCB-Verfahren erhaltenen Verbund thermo- mechanische Verspannungen erzeugt werden und sich dieser Verbund verbiegen kann . Gleichzeitig entstehen an den Kanten der metallischen Leiterbahnen Spannungserhöhungen» die als Spannungssingularitäten bekannt sind , Da die keramischen Leiterplatten sowohl auf der Oberselte als auch auf der Unterseite mit metallischen Strukturen versehen werden, stellt diese Verbiegung ein akzeptables Problem dar, Allerdings ist die

Konzentration der Spannung in den Kanten für die Lebensdauer der

Leiterplatte, insbesondere für die Anzahl der Thermowechselzyclen, entscheidend ,

Es wurden bereits einige Vorschläge gemacht, wie die Lebensdauer einer Leiterplatte erhöht werden kann, Indem die Spannungssingularitäten möglichst stark reduziert werden . In der DE 1 1 2009 000 555 T5 wird beispielsweise zur Vermeidung von Rissen, verursacht durch den oben beschriebenen Unterschied der thermischen Expansionskoeffizienten , eine polygonale Gestalt der Metallfläche der Leiterbahn vorgeschlagen, welche abgerundete Ecken aufweist, Hier wird auch beschrieben, dass eben dadurch, dass die äußere Gestalt der

Metallschicht keine Ecken aufweist, die thermische Spannung in diesen nicht konzentriert werden kann, was die Lebensdauer der Leiterplatten erhöht . Erwähnt werden hier Insbesondere eine kreisförmige, elliptische oder polygonale Gestalt der Metailschlcht . Auch in der DE 1 0 2006 01 4 609 A I wird beschrieben, dass eine

Lokalisierung der Spannung in den Ecken der Metallisierung vermieden wird , wenn diese Ecken abgerundet sind .

In der US 6, 798,060 B2 wird hingegen ein Verfahren beschrieben, bei dem die Kanten der Metailschlcht vertikal geformt werden, um die

Spannungszustände einer keramischen Leiterplatte zu verbessern , Dabei wird eine Abschrägung der Kanten in vertikaler Richtung von 30 bis 60°

vorgeschlagen . Die DE 44 06 397 AI erwähnt, dass es bekannt sei, dass durch das Maskieren und Ätzen der ursprünglichen Metallisierung auf dem Substrat, um diese zu strukturieren, in vertikaler Richtung relativ zum Substrat ei ne konkave

Wölbung oder auch Hohlkehle entsteht, Diese beschreibt dieses Dokument jedoch als nachteilig» da die vertikalen Seitenflächen zumindest teilweise für in späteren Verfahrensprozessen verwendete Hilfsmittel (Beschichtungen, Abdecklacke) nur schwer zugänglich sind und sie außerdem scharfkantig sind, so dass sich dort bei der späteren Verwendung des Schaltkreises eine Konzentration der elektrischen Feldstärke ergibt, mit der Folge einer verminderten Spannungsfestigkeit. Dieses Dokument ist daher auf ein

Verfahren gerichtet, um diese entstandene Form zu verändern .

Auch die EP 1 061 783 A2 beschreibt beispielsweise» dass auf Grund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten Spannungsgradienten parallel zur Oberfläche auftreten und zwar Insbesondere am Übergang zwischen metallisierten und nichf-metalliserten Flächen , Um Brüche der Substrate zu vermeiden» werden Rand- oder Kantenabschwächungen an der Unterseite entlang der Ränder der Metallflächen vorgeschlagen , Hierbei wird das Metall-Volumen bzw. die Metallmenge Je Volumeneinheit zum Rand der Metallschicht hin reduziert, Explizit vorgeschlagen wird hier eine

Abschrägung der Metallfläche in einem Winkel, welcher kleiner als 45° ist, Ebenso werden lochartige oder nutenartige Vertiefungen sowie eine

Kombination von Lochreihen erwähnt, Auch wird eine stufenförmige

Abnahme der Metallschichtdicke vorgeschlagen , Des Weiteren werden zu den Rändern der Metallfläche hin offene Vertiefungen erwähnt, welche in mäanderartig verlaufenden Rändern resultieren , Die dargestellten Strukturen zeigen jedoch immer auch Bereiche, in denen ein kantenartiger Verlauf der Ränder vorliegt, also scharfe Winkel vorliegen , In der DE 4 004 844 C 1 wird vorgeschlagen, die Ecken der

Kupferleiterbahnen abzurunden und die Kanten der Kupferschicht

abzuschrägen, um Anrisse oder Risse in der Keramik zu vermeiden , Hierbei kommt es zu einer Verminderung des Spannungsänderungsgradlenten am Übergang von metallisierten zu nicht-metallisierten Flächen , Diese Vorschläge des Standes der Technik bewirken zwar eine gewisse

Reduzierung der Spannungssingularitäten, jedoch beheben sie diese noch nicht vollständig , Daher besteht ein Bedarf daran, diese Abnahme der Spannungen weiter zu reduzieren.

Ausgehend von diesem Stand der Technik lag der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, mindestens einen, bevorzugt alle Nachteile des Standes der Technik zu beheben. Insbesondere lag der vorliegenden

Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein Verbundmaterial umfassend ein

Keramiksubstrat mit mindestens einer Leiterbahn bereit zu stellen, bei denen die Spannungssingularitäten geringer sind als diejenigen des Standes der Technik, Gelöst werden diese Aufgaben durch das erfindungsgemäße

Verbundmaterial, das erfindungsgemäße Layout einer Leiterbahn sowie dessen Verwendung, das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung mindestens einer Leiterbahn, die erfindungsgemäße Leiterplatte und das erflndungsgemäße Stanz- und/oder Prägewerkzeug» wie sie Im Folgenden beschrieben werden ,

Es hat sich insbesondere herausgestellt, dass durch das erfindungsgemäße Layout der Leiterbahnen die Spannungssingularitäten, welche zwischen einem Keramiksubstrat und einer Metallschicht zur Verwendung als

Leiterbahn auftreten, gegenüber dem Stand der Technik reduziert werden tonnte. Insbesondere konnte mittels FEM-Rechnungen gezeigt werden, dass das erfindungsgemäße Layout dazu führt, dass es innerhalb der

Kontaktzonen von Metallschicht und Keramiksubstrat lediglich zu elastischen Verformungen der Metallschicht kommt. Die Streckgrenze des upers wird hier bevorzugt nicht überschritten , Dadurch kann das Auftreten von

Spannungssingularitäten auf ein Minimum reduziert werden, Die Lebensdauer der erfindungsgemäßen Verbundmaterialien wird daher deutlich erhöht, Verbundmaterial

Erfindungsgemäß wird ein Verbundmaterial bereitgestellt» umfassend ein Keramiksubstrat S mit mindestens einer etallschlch† M an mindestens einer Oberfläche des Keramiksubstrates S, wobei die Metallsc hicht M im

Wesentlichen die Schichtdicke h in vertikaler Richtung relativ zum

Keramiksubstrat S aufweist und die Form der Metallschicht in lateraler Richtung relativ zum Keramiksubstrat durch den Verlauf der Außenkante L der Metailschicht definiert wird , welche dadurch gekennzeichnet ist _« dass der Verlauf der Flanke F der Außenkante der Metalischicht M in vertikaler

Richtung relativ zum Keramiksubstrat und/oder der Urmriss der Außenkante L der Metailschicht in lateraler Richtung relativ zum Keramiksubstrat jeweils in jedem beliebigen Bereich, welcher einer Strecke von mindestens 1 0 μιτι entspricht, durch eine Funktion beschrieben werden kann, welche stetig differenzierbar ist, wobei die Flanke F von h = 0 bis h = h verläuft und die stetig differenzierbare Funktion keine Gerade (f(x) = mx+ b) ist.

Weiterbildungen, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung von

Ausführungsbeispielen und aus den Figuren . Dabei sind alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger

Kombination grundsätzlich Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung. Auch wird der Inhalt der Ansprüche zu einem Bestandteil der Beschreibung gemacht. Insbesondere ist es erfindungsgemäß bevorzugt, dass der Verlauf der Flanke F der Außenkante der Metailschicht M in vertikaler Richtung relativ zum

Keramiksubstrat und der Umriss der Außenkante L der Metailschicht in lateraler Richtung relativ zum Keramiksubstrat Jeweils in jedem beliebigen Bereich, welcher einer Strecke von mindestens 1 0 μτη entspricht, durch eine F unktion beschrieben werden kann, welche stetig differenzierbar ist. Jegliche erfindungsgemäßen Ausgestaltungen beziehen sich zwar zunächst auf eine und/oder-Variante des Verlaufs der Flanke und des Umrisses der Außenkante . In sämtlichen dieser Ausgestaltungen ist die und-Variante jedoch bevorzugt . Ein„Keramiksubstrat S" im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist vorzugsweise ein aus einem keramischen Werkstoff bestehendes,

vorzugweise plattenförmiges Element, das an bis zu zwei seiner

Oberflächenseiten mit einer Metallschicht (Metallisierung) versehen werden kann oder ist. Als„Oberfläche des Keramiksubstrats S ^* wird hierbei

vorzugsweise mindestens eine der Seiten des piattenförmigen Elements verstanden, deren Ausdehnung größer Ist als mindestens eine andere Seite des piattenförmigen Elementes . Bei dem Keramiksubstrat kann es sich beispielsweise um ein Substrat aus Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Siliziumnitrid oder Siliziumcarbld handeln. Für das Keramiksubstrat eignet sich beispielsweise auch eine Alumlnlumoxid- Keramik (Al ₂ 0 ₃ ) mit einem Anteil an Zirkonoxld (Zr0 ₂ ) in der Größenordnung von etwa 2 - 30 % oder eine A!uminiumnitrld- eramik, beispielsweise mit Ytiriumoxid als Zusatz, oder eine Siliziumnitrid-Keramik, wobei die

Aluminiumnitrid-Keramik und/oder die Siliziumnitrid- eramik beispielsweise eine oxidische Oberflächenschicht, beispielsweise eine Oberflächenschicht aus Aiuminiumoxid aufweisen kann . Die Dicke des Keramiksubstrats liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 0,2 und 1 ,5 mm ,

Eine„ etalischicnt M" im Sinne der vorliegenden Erfindung stellt

vorzugsweise ein Element dar, dessen laterale Ausdehnung im Wesentlichen mindestens gleich der vertikalen Ausdehnung ist , Hierbei beziehen sich die Begriffe lateral und vertikal immer relativ auf das Keramiksubstrat S .

Solche Metallschichten umfassen beispielsweise etaüfolien oder

Metallbleche aus Kupfer, aus einer Kupferlegierung oder aus einer Kupfer enthaltenden Legierung oder aus Aluminium, aus einer Al uminiumlegierung oder aus einer Aluminium enthaltenden Legierung.

Das erfindungsgemäße Verbundmaterial umfasst ein Keramiksubstrat S, welches an mindestens einer Oberfläche mindestens eine Metallschicht M aufweist. Diese Metallschicht M hat im Wesentlichen eine Schichtdicke h in vertikaler Ric htung relativ zum Keramiksubstrat (siehe F igur 1 ) . Der Ausdruck„im Wesentlichen" bedeutet Im Sinne der Erfindung vorzugsweise Abweichungen vom Jeweils exakten Wert um +/- 1 0 %, bevorzugt um +/- 5 % und/oder Abweichungen In Form von für die Funktion unbedeutenden Änderungen , insbesondere eingeschiossen ist auch der Fall, in dem die Schientdicke h im Wesentlichen nur in einem begrenzten Bereich der Metallschicht M vorliegt und zu den Außenkanten L hin geringer wird (beispielsweise eine im Wesentlichen Halbkugelform der Metallschicht M in vertikaler Richtung relativ zum Keramiksubstrat S, bei dem h dem Radius der Halbkugel entspricht) .

Vorzugswelse beträgt h 1 0 bis 950 μιτι, besonders bevorzugt 1 00 bis 600 μηη und ganz besonders bevorzugt 300 bis 400 μιτι , Des Weiteren weist die Metallschicht M eine Außenkante L auf» welche die Form der Metallschicht M in lateraler Richtung relativ zum Keramiksubstrat wiedergibt (sieh Figur 2), Die Außenkante L grenzt somit die Phase aus Metall der Metallschicht M von der Phase aus Luft in lateraler Hinsicht ab, Unter der Form der Metallschicht wird im Wesentlichen die Gestaltung der

Metallschic ht M auf dem Keramiksubstrat S verstanden . Die Außenkante L erstreckt sich über die gesamte Höhe der Metal!schicht h . Allerdings wird im Sinne der vorliegenden Erfindung bei der Form der Metalischic ht auf den Umriss der Außenkante L der Metallschicht bei einer definierten Höhe h abgestellt, Bevorzugt wird auf die Höhe h abgestellt, bei der die Strecke des Umrisses der Außenkante L am höchsten ist. Die Form der Metallschicht in iateraler Richtung relativ zum Keramiksubstrat ist dann das zweidimensionale Gebilde, welches beispielsweise durch Beleuchtung der Metallschicht M, wobei die Lichtquelle vertikal relativ zur Keram ikschicht S (und damit auch zur Metallschicht M; also parallel zu h) ausgerichtet ist» als Schattenwurf erhalten wird (hierbei sind die tatsächlichen Größen jedoch außer Betracht zu lassen; beispielsweise entsteht bei einer Kugel ein kreisförmiger Schatten, wobei der Schatten den Durchmesser der Kugel aufweist und die Form somit bei einer Höhe der Kugel, welche dem Radius der Kugel entspricht, gemessen wird) . Bevorzugt ist die Außenkante L größer als die Schichtdicke h . Ebenso bevorzugt ist der Umriss der Außenkante L der Metallschicht M in vertikaler

Richtung relativ zum Keramiksubstrat bei h = 0 größer als der Umriss der Außenkante L bei h = h , Damit nimmt die Strecke des Umrisses der

Außenkante L mit zunehmender Schichtdicke h vertikal relativ zum

Keramiksubstrat S ab. Des Weiteren bevorzugt verläuft die Fianke F also konkav. Ebenso bevorzugt verläuft die Flanke F konvex.

Die Metallschicht weist des Weiteren eine Flanke F der Außenkante L der Metallschicht M in vertikaler Richtung relativ zum Keramiksubstrat auf (siehe Figur 1 ) , Die Flanke F verbindet somit die Außenkante L, welche bei der Schichtdicke h = 0 vorliegt mit der Außenkante L welche bei der

Schichtdicke h = h vorliegt, Auch der Verlauf der Flanke F weist

erfindungsgemäß eine Form auf , Der Verlauf der Flanke F in vertikaler Richtung relativ zum Keramiksubstrat ist der Abschnitt zwischen h = 0 und h = h, welcher beispielsweise durch Beleuchtung der Metallschicht M, wobei die Lichtquelle lateral relativ zur Keramikschicht S (und damit auch zur Metollschicht M; also im rechten Winkel zu h ) ausgerichtet ist, als

Schattenwurf erhalten wird (hierbei sind die tatsächlichen Größen Jedoch außer Betracht zu lassen; beispielsweise kann in einem Fall, bei dem der

Umriss der Außenkante L bei h = 0 größer Ist als bei h = h (siehe Figur 1 ) ein Schatten entstehen, der einer Kurve gleicht (beispielsweise einer Parabel)) .

Erfindungsgemäß kann der Verlauf der Flanke F der Außenkante der

Metallschicht M in vertikaler Richtung relativ zum Keramiksubstrat In einem beliebigen Bereich, welcher einer Strecke von mindestens 1 0 μπ\ entspricht, durch eine Funktion beschrieben werden, welche stetig differenzierbar ist und wobei es sich bei der Funktion nicht um eine Gerade (f (x) = mx + b) handelt. Ebenso kann erfindungsgemäß der Umriss der Außenkante L der Metallschicht M in lateraler Richtung relativ zum Keramiksubstrat in einem beliebigen Bereich, welcher einer Strecke von mindestens 1 0 μνη entspricht, durch eine F unktion besc hrieben werden, welche stetig differenzierbar ist und wobei es sich bei der Funktion nicht um eine Gerade (f(x) = mx + b) handelt. Erfindungsgemäß wird von einem beliebigen Bereich _» welcher einer Strecke von mindestens 10 jum entspricht gesprochen, Ein solcher Bereich kann sich überall auf der Außenkante L und/oder auch auf der Flanke F befinden, Ein solcher Bereich verläuft entweder vertikal relativ zum Keramiksubstrat S, wobei sich der Bereich dem Verlauf der Flanke F anschmiegt oder aber lateral relativ zum Keramiksubstrat S, wobei sich der Bereich dem Umriss der Außenkante L anschmiegt, Die Strecke, welche in diesem Fall betrachtet wird, entspricht mindestens ΙΟ ηη, bevorzugt mindestens 15 μπΊ, besonders bevorzugt mindestens 20 μτη und ganz besonders bevorzugt mindestens 25 _j um. Durch diesen Bereich wird insbesondere deutlich, dass die

Metallschichten des Standes der Technik» welche beispielsweise durch Ihren Herstellungsprozess bedingt, eine leichte Abrundung der eigentlich im

Layout enthaltenen „Ecken" und Kanten aufweisen, keinen Verlauf einer Flanke oder keinen Umriss der Außenkante aufweisen, welcher durch eine Funktion beschrieben werden kann, welche stetig differenzierbar ist, Solche bekannten Metallschichten weisen zumindest In einigen erfindungsgemäß angegebenen Bereichen (also nicht in jedem beliebigen Bereich) auch Ecken _» Kanten und/oder Geraden auf, Solche Ausgestaltungen erfüllen somit nicht die erfindungsgemäße Forderung, dass jeder beliebige Bereich, welcher einer Strecke von mindestens 10 jum entspricht, der Flanke F der Außenkante der Metallschicht M in vertikaler Richtung relativ zum

Keramiksubstrat und/oder der Umriss der Außenkante L der Metallschlcht in lateraler Richtung relativ zum Keramiksubstrat durch eine Funktion

beschrieben werden, welche stetig differenzierbar ist und wobei es sich bei der Funktion nicht um eine Gerade (f(x) = mx + b) handelt.

Besonders bevorzugt werden diese beliebigen Bereiche gemessen, indem metallographische Schliffbilder im Lichtmikroskop aufgenommen werden und diese dann ausgewertet werden. Ebenso bevorzugt werden diese beliebigen Bereich gemessen, indem die Proben im

Rasterelektronenmikroskop betrachtet und photographiert werden, Die beliebigen Bereiche _» welche einer Strecke von mindestens 10 μιτι

entsprechen, werden so aufgelöst _» dass die 10 μιτι mindestens 1 cm, bevorzugt mindestens 1 ,5 cm, ganz besonders bevorzugt mindestens 2 cm entsprechen ,

Eine stetig differenzierbare Funktion ist dem Fachmann bekannt, Stetig differenzierbar bedeutet, dass eine Funktion differenzierbar ist und ihre Ableitung stetig ist, Insbesondere ist die Betragsfunktion f(x) = | x | nicht stetig differenzierbar, Ebenso sind sämtliche Funktionen, welche einen „Knick" aufweisen (also Ecken und/oder Kanten) ebenso nicht stetig

differenzierbar. Erfindungsgemäß sind somit Verläufe der Flanken F und/oder Umrisse der Außenkante L ausgeschlossen, welche Ecken aufweisen, da diese nicht durch eine stetig differenzierbare Funktion beschrieben werden können.

Erfindungsgemäß können sämtliche stetig differenzierbaren Funktionen mit der Ausnahme von Geraden angewendet werden . Bevorzugt ist es jedoch, dass die Funktion, durch die der Verlauf der Flanke F und/oder der Umriss der Außenkante L beschrieben werden kann, ausgewählt wird aus der Gruppe, bestehend aus einer Parabelfunktion, einer e-Funktion, einer trigonometrischen Funktion, Splines, Bezier-Spllnes, NURBS und einer mathematischen Gleichung höherer Ordnung. Besonders bevorzugt ist es, dass die Funktion, durch die der Verlauf der Flanke F und/oder der Umriss der Außenkante L beschrieben werden kann, eine Parabelfunktion

gegebenenfalls höherer Ordnung ist. Ganz besonders bevorzugt ist es, dass die Funktion, durch die der Verlauf der Flanke F und der Umriss der

Außenkante L beschrieben werden kann, eine Parabelfunktion

gegebenenfalls höherer Ordnung ist,

Überraschenderweise hat sich herausgestellt, dass durch die Verwendung weicher Konturen entweder In lateraier oder auch in vertikaler Richtung oder sowohl In lateraler Richtung als auch in vertikaler Richtung relativ zum

Keramiksubstrat die vertikalen und auch lateralen Spannungssingularitäten zwischen der Metallschicht M und dem Keramiksubstrat S verringert werden können. Dabei wird keinerlei Funktionalität eingebüßt. Die

erfindungsgemäßen Verbundmaterialien weisen innerhalb der Kontaktzonen π von Metallschicht und Keramiksubstrat lediglich elastischen Verformungen der Metallschicht auf, Die Streckgrenze des Metalls, bevorzugt Kupfer, wird hier bevorzugt nicht überschritten . Dadurch können insgesamt

Verbundmaterialien erhalten werden, welche eine hohe Lebensdauer, insbesondere eine höhere Lebensdauer unter hohen thermischen Zyclen als die Verbundmaterialien des Standes der Technik aufweisen ,

Erfindungsgemäß ist die Strecke des Verlaufs der Flanke F immer größer als h, da ausgeschlossen ist, dass es sich bei dem Verlauf um eine Gerade handelt, Bevorzugt ist die Strecke aes Verlaufs der Flanke F mindestens 1 , 1 bis 20 Mal größer, besonders bevorzugt 1 , 1 bis 1 5 Mal größer und ganz besonders bevorzugt 1 , 1 bis 1 0 Mal größer als h .

Layout

Das Entwerfen und Planen von Leiterbahnen auf Keramiksubstraten an sich ist dem Fachmann bekannt, Die vorliegende Erfindung stellt ein Layout für eine Leiterbahn auf einem Keramiksubstrat S bereit, wobei die Leiterbahn aus mindestens einer Metallschicht M besteht, die Metalischicht M im

Wesentlichen die Schichtdicke h in vertikaler Richtung relativ zum

Keramiksubstrat S aufweist und die Form der Metallschicht M in lateraler

Richtung relativ zum Keramiksubstrat durch den Verlauf der Außenkante L der Metallschicht M definiert wird, wobei das Layout ausschließlich Verläufe von Flanken F der Außenkante der Metallschicht M In vertikaler Richtung relativ zum Keramiksubstrat und/oder Umrisse der Außenkante L der Metallschicht in lateraler Richtung relativ zum Keramiksubstrat aufweist, welche jeweils in jedem beliebigen Bereich, welcher einer Strecke von mindestens 1 0 ηη entspricht, durch eine Funktion beschrieben werden können, welche stetig differenzierbar ist, wobei die Flanke F von h = 0 bis h = h verläuft und die stetig differenzierbare Funktion keine Gerade (f(x) = mx+ b) ist, Das

erfindungsgemäße Layout dient somit der Hersteilung des

erfindungsgemäßen Verbundmaterials. Sämtliche Bevorzugungen, welche in Bezug auf das erfindungsgemäße Verbundmaterlal beschrieben wurden, gelten auch für das erfindungsgemäße Layout, Beispielhaft Ist In Figur 3 ein erfindungsgemäßes Layout gezeigt im Vergleich zu einem Layout des Standes der Technik, Das erfindungsgemäße Layout Ist bevorzugt so konzipiert, dass die stetig differenzierbaren Funktionen den geplanten Bereich (rechtwinklig, wie im Stand der Technik) leicht ein- oder ausschließen , Die unterschiedlichen Funktionen sind dabei so

aneinandergereiht» dass Im Obergangspunkt die gleiche Steigung vorliegt, So wird in diesem Beispiel gewährleistet, dass sowohl die Verläufe der Flanken F der Außenkante der Metallschicht M in vertikaler Richtung relativ zum Keramiksubstrat als auch die Umrisse der Außenkante L der

Metalischicht in lateraler Richtung relativ zum Keramiksubstrat durch stetig differenzierbare Funktionen (mit Ausnahme einer Gerade) in jedem

beliebigen Bereich beschrieben werden können .

Besonders bevorzugt weist das erfindungsgemäße Layout an den lateralen Bereichen, an denen sich im Stand der Technik Ecken befinden,

knochenartige (epiphysäre) Formen auf ,

Ebenso ist Gegenstand der Erfindung die Verwendung des

erfindungsgemäßen Layouts zur Herstellung von Leiterplatten zur Verwendung in Power-Modulen zur Steuerung hoher elektrischer Spannungen oder

Strömen , Erfindungsgemäß wird bevorzugt unter„hohen elektrischen

Spannungen" ein Bereich von 1 000 V bis zu 30000 V, besonders bevorzugt ein Bereich von 1 250 V bis 25000 V und ganz besonders bevorzugt Im

Bereich von 1 500 V bis 20000V verstanden . Power-Module an sich sind dem Fachmann bekannt , Dabei ha ndelt es sich zunächst um elektrische Geräte, die den vorliegenden Zustand der elektrischen Energie in einen anderen

Zustand überführen, z. B. hohe Spannungen in niedrige Spannungen und gleichzeitig hohe Wechselfrequenzen In niedrige Wechselfrequenzen transformieren, je nach dem was der Verbraucher gerade anfordert oder der Generator gerade liefert. Die Aufgabe, elektrische Energie zu

transformieren, wird bevorzugt von Power-Modulen in Windgeneratoren, (wechselnde Wtndbelastung führt zu ständig wechselnden elektrischen Kenngrößen] Solarfarmen , Maschinensteuerungen oder Verteilungssystemen für Häuser gelöst . Verfahren

Ebenso ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung mindestens eines Verbundmaterials umfassend eine Leiterbahn auf einem Keramiksubstrat S, wobei die Leiterbahn aus mindestens einer Metalischicht M besteht» die Metallschicht M Im Wesentlichen die

Schichtdicke h in vertikaler Richtung relativ zum Keramiksubstrat S aufweist und die Form der Metallschicht in lateraler Richtung relativ zum

Keramiksubstrat durch den Verlauf der Außenkante L der Metallschicht definiert wird, umfassend die folgenden Schritte:

(I) Bereitstellen eines Keramiksubstrats S und eines Metalls, aus dem die Metallschicht M gebildet werden soll» und (ii) Aufbringen des Metalls auf das Keramiksubstrat 8 unter Verwendung des erfindungsgemäßen Layouts, um die mindestens eine Metallschicht zu erhalten ,

Auch hierbei gelten sämtliche Bevorzugungen, welche oben beschrieben wurden, auch in Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren ,

In einer Ausführungsform wird Verfahrensschritt (ii) durch einen Ätzprozess durchgeführt. Hierbei wird insbesondere unter Verwendung von dem

Fachmann bekannten Verfahren ein lichtempfindlicher, insbesondere UV- empfindlicher Photolack auf eine Metallschicht gesprüht. Die Metallschicht wurde zuvor auf das Keramiksubstrat S unter Verwendung von dem

Fachmann bekannten Verfahren, bevorzugt dem„Direct-Copper-Bondlng ^* aufgebracht. Durch eine optische Maske wird diese Photolackschicht vorzugsweise in einem Belichtungsautomaten so belichtet, dass die Stellen , an denen die Leiterbahn erhalten bleiben soll verdunkelt sind, während die Stellen, an denen keine Leiterbahn sein soll, mit UV-Licht belichtet werden. Die optische Maske weist dabei zumindest in lateraler Hinsicht relativ zum Keramiksubstrat das erfindungsgemäße Layout auf , In einem

Entwicklungsbad wird der Photolack an den belichteten Stellen entfernt, In einem anschließenden Äfzprozess wird nur das Metall an den Stellen entfernt, welche nicht durch den Photolack geschützt werden , Durch den

Ätzprozess wird nun das erfindungsgemäße Layout in Bezug auf seine vertikalen Ausdehnungen relativ zum Keramiksubstrat realisiert, Dadurch wird, wenn es sich um den Fall handelt, dass sowohl der Verlauf der Flanke F der Außenkante der Metallschicht M in vertikaler Richtung relativ zum

Keramiksubstrat als auch der Umriss der Außenkante L der Metallschicht in lateraler Richtung relativ zum Keramiksubstrat betrachtet wird, die

Metallschicht zur erfindungsgemäßen Metaliscnicht M. Ansonsten wird die Metallschicht bereits bei der Durchführung nur eines der oben genannten Schritte (entweder vertikal oder laterale Ausformung der Metallschicht) bereits zur erfindungsgemäßen Metailschicht M,

Vorzugsweise wird das Layout In vertikaler Richtung durch mehrere Ätzschritte ausgebildet. Insbesondere kann der erfindungsgemäße Verlauf der Flanke F dadurch erzielt werden, dass der Ätzprozess früher gestoppt wird als Im Stand der Technik. Insbesondere können im Anschluss noch weitere

Ätzschritte vorgenommen werden, um die Flanke F erfindungsgemäß zu formen, In einer anderen Ausführungsform wird Verfahrensschritt (ii) durch einen Stanz ^» und/oder Prägeschritt durchgeführt, Hierbei wird zunächst ein

Metallblech einem Stanz- und/oder Prägewerkzeug ausgesetzt, durch das der erfindungsgemäße Verlauf der Flanke F In vertikaler Hinsicht relativ zum Keramiksubstrat und/oder auch der Umriss der Außenkante L in lateraler Richtung relativ zum Keramiksubstrat auf die Metallschicht übertragen wird, Dadurch wird das Metallblech zur erfindungsgemäßen Metailschicht

In dieser Ausführungsform wird die geformte Metailschicht im Anschluss auf das Keramiksubstrat S aufgebracht. Dies erfolgt über die Verwendung von dem Fachmann bekannten Verfahren. Bevorzugt wird die erhaltene Metailschicht M auf das Keramiksubstrat S mittels einem„Direct-Copper- Bondlng "-Verfahren aufgebracht, Dementsprechend stellt die vorliegende Erfindung auch ein Stanz- und/oder Prägewerkzeug für die Herstellung mindestens einer Leiterbahn auf einem Keramiksubstrat S bereit, wobei die Leiterbahn aus mindestens einer

Metallschicht M besteht, dadu rch gekennzeichnet, dass das Stanz- und/oder Prägewerkzeug so ausgestaltet ist, dass das erfindungsgemäße Layout mittels Stanzen- und/oder Prägen durch das Stanz- und/oder Prägewerkzeug in die yetallschicht M eingebracht wird , Das Stanz- und/oder Prägewerkzeug enthält somit die invertierte Form des erfindungsgemäßen Layouts, Es enthält die Informationen über die laterale Ausdehnung und/oder auch die Informationen über die vertikalen Ausdehnungen der herzustellenden

Leiterbahnen aus der Metallschicht M, jeweils relativ zum zu verwendenden Keramiksubstrat S , Die Ausbildung und Gestaltung allgemeiner Stanz- und/oder Prägewerkzeuge sind dem Fachmann bekannt, Die so erhaltene ausgestanzte Leiterbahn wird im Anschluss auf das Keramiksubstrat S aufgebracht, um das erfindungsgemäße Verbundmaterial zu erhalten ,

Leiterplatte

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist des Weiteren eine Leiterplatte, umfassend das erfindungsgemäße Verbundmaterial , Hierbei kann das erfindungsgemäße Verbundmaterlal In sämtlichen oben beschriebenen Ausgestaltungen vorliegen ,

Bezugszeichenliste

S Keramiksubstrat

M Metallschlcnt

h Schichtdicke der Metalischicht

L Außenkante der yetallschicht (laterale Richtung relativ zum

Keramiksubstrat)

F Flanke der Außenkante der Metallsc hlcnt (vertikale Richtung

relativ zum Keramiksubstrat) Figuren Figur I schematische Darstellung des Verbundmaterials umfassend die Metallschicht M auf dem Keramiksubstrat S, wobei die Sicht parallel zur lateralen Ausdehnung des Keramiksubstrats dargestellt ist, Die .Metallschicht M hat eine Schichtdicke h, welche über den gesamten gezeigten Bereich gleich groß ist. Die Flanke F verläuft von h = 0 bis h = h . Sie ist hier konkav geformt und kann durch eine Parabelfunktion beschrieben werden , Figur 2 : schematische Darstellung des Verbundmaterials umfassend die

Metallschicht M auf dem Keramiksubstrat S, wobei die Sicht parallel zur vertikalen Ausdehnung des Keramiksubstrats dargestellt ist (Aufsicht) , Die Metallschicht weist eine

Außenkante L auf (welche beispielsweise durch Projektion auf das Keramiksubstrat S sichtbar ist) . Der Umriss der Außenkante L Ist hier durc h mehrere F unktionen beschreibbar (linker Bereich knochenartig , rechter Bereich parabelförmig), wobei die

Übergänge der Funktionen in den einzelnen Punkten so angepasst sind, dass die Steigungen Jeweils gleich sind .

Figur 3 : Gegenüberstellung eines Layouts für Leiterbahnen des Standes der Technik (gestrichelte Linien] und eines entsprechenden erfindungsgemäßen Layouts (durchgezogene Linien) , Figur 4 ; Darstellung der In den Beispielen berechneten Ausformungen der Leiterbahnenden (jeweils Aufsicht und Querschnitt):

(a) 2 rec hte Winkel in lateraler Richtung und senkrechte Flanken in vertikaler Richtung

(b) Rundungen von 2 mm in lateraler Richtung und senkrecht Flanken in vertikaler Richtung (c ) 2 rechte Winkel in lateraler Richtung und abgeschrägte Gerade als Flanke mit einer Steigung von 45° In vertikaler Richtung

(d ) Parabole Form in lateraler Richtung und parabole Flanken in vertikaler Richtung wie schematisch in Fig 1 gezeigt,

Beispiele

Es wurde die plastische Ausdehnung und Eigenspannung eines

Kupferstreifens in vier verschiedenen Ausformungen auf einem

Keramiksubstrat nach der Abkühlung im Fertigungsprozess um 400 K mitteis F EM- echnungen (Finite-Elemente-Methode) analysiert ,

Alle Ausformungen wurden zunächst in einem ersten Schrift auf die maximale Fertigungstemperatur Tmax, ab welcher das Kupfer (thermischer

Ausdehnungskoeffizient; 1 7,3 * 1 0 ^~6 1 / ; Elastizitätsmodul 1 25 * T O ⁹ Pa;

Poissonsches Verhältnis: 0, 35; Ausgangswert für Fließspannung: 50 Pa; isotropes Tangentenmodui; 500 MPa) am Keramiksubstrat (Ai ₂ 0 ₃ ; thermischer Ausdehnungskoeffizient: 8,5 * 1 0 ^"6 1 /K; Elastizitätsmodul 390 * 1 0* Pa;

Poissonsches Verhältnis: 0, 23) haftet, als spannungsfreie Referenztemperatur von 420 °C gesetzt, Dann wurde der Verbund um 400 K auf Raumtemperatur (20 °C) abgekühlt, wobei sich die Bauteile auf Grund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten gegeneinander verspannten. Die

Temperaturverteilung blieb dabei zu Jeder Zelt homogen (keine partielle Kühlung). Dabei wurde das plastische Fließen des Kupfermaterials im Bereich der Leiterbahnränder berechnet, Dazu wurde eine geometrische nichtlineare statische FE-Analyse verwendet. Es wurden keine Fixierung und keine äußeren Kräfte angenommen (die Bauteile konnten sich frei verformen). An den Schnittgrenzen wurden jeweils Symmetrie-Randbedingungen angelegt.

In der folgenden Tabelle 1 sind die untersuchten Ausformungen geze

Tabelle 1 : untersuchte Ausformungen von Kupferstrelfen; betrachtet wird ein Ende eines Kupferstreifens (Formen siehe auch Figur 4)

Ausformung Ausformung Ausformung 3 Ausformung 4 1 REFERENZ 2 (Vergleich)

(Vergleich) (Vergleich)

Form lateral 2 rechte 2 runde 2 rechte Parabelfunktion relativ zum Winkel Ecken mit Winkel (knochenartige

Keramiksubstrat Radius von Form)

(entspricht L) 2 mm, dazwischen

gerader

Verlauf

Form vertikal Senkrecht Senkrecht Abgeschrägte Parabelfunktion relativ zum Gerade mit

Keramiksubstrat Neigung von

(entspricht F) 45°

Eine konstante minimale Elementgröße im Bereich des Randes

(Plastif ^' izierungszone) wurde gewählt» um die Vergleichbarkelt der Ergebnisse zu gewährleisten, Zur Berechnung wurde das Programm ANSYS ^® in der Version 1 5,0 verwendet, Als Einheltensystem wurden die metrischen Größen† _» mm, s verwendet und die Diskretisierung erfolgte mittels Flniter Elemente, Die volumetrischen Bauteile wurden mit Volumenelementen mit quadratischem Verschiebungsansatz vernetzt, Es wurden die Zugspannung und der Schub untersucht. Die Ergebnisse sind in Tabelle 3 zusammengefasst,

Tabelle 3 : Ergebnisse (Kontaktergebnisse)

Ausformungen Kontaktergebnisse, Maxima

Zugspannung [MPa] Schub [MPa]

^" Äü föTm u n g ^~ (T) ^" -271 ,8 423,5

REFERENZ

(Vergleich)

Ausformung 2 - 1 95,3 271 ,5

(Vergleich)

Abweichung -28,2 -35,9

Ausformung 2 zu

REFERENZ [%]

Ausformung 3 -31 , 7

(Vergleich)

Abweichung -88,3 -85,4 Ausformung 3 zu

REFERENZ [%]

Ausformung 4 -24, 3 35, 7

Abweichung -91 , 0 -91 , 6

Ausformung 4 zu

REF ERENZ [%]

Diese Ergebnisse zeigen deutiich, dass bei der Ausformung 4 die niedrigste Belastung des Kupfers vorliegt (Je höher die Werte über der F ließgrenze von Kupfer bei 50 Pa liegen, desto höher ist die Wahrscheinlichkeit für die

Ablösung) , Die Ausformung 4 zeigt sogar, dass eine Belastung unterhalb der Fließgrenze von Kupfer vorliegt, so dass es nur zu einer elastischen

Verformung des Kupfers kam ,

Demgegenüber zeigen die Ausformungen 1 und 3 deutlich schlechtere Werte auf .