Verfahren zum Herstellers von etali- erarrsik-Suhstraters sowie nach diesem Verfahren hergestelltes etall-Kerarnik-Substrat

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß Oberbegriff Patentanspruch 1 .

Metail-Kerarnik-Substrate,. insbesondere auch solche in Form von Leiterplatten für elektrische und elektronische Schaltkreise oder Module sowie Verfahren zum Herstei len derartiger Substrate sind bekannt. In der Regel bestehen diese Substrate aus einer keramischen

Isolierschicht, die an ihren beiden Oberflächen Seiten jeweils mit einer Metallisierung versehen ist. Diese ist dann beispielsweise von einer Metallsfol ie, z.B. aus Kupfer aus einer

Kupferlegierung gebildet ist, welches mit Hilfe eines geeigneten Verfahrens vol lflächig mit der keramischen Isolierschicht verbunden ist.

Bekannt ist u.a. das sogenannte„DGB- erfahrens" (Direct-Copper-Bond-Technoiogy) beispielsweise zum Verbinden von Metallschichien oder -blechen (z.B. Kupferblechen oder ·· folien) mit einander und/oder mit Keramik oder Keramikschichten, und zwar unter Verwendung von Metal l- bzw. Kupferblechen oder Metall- bzw. Kupferfo!ien, die an ihren öberflächenseiten eine Schicht oder einen Überzug {Aufschmelzschicht} aus einer chemischen Verbindung aus dem Metali und einem reaktiven Gas, bevorzugt Sauerstoff aufweisen. Bei diesem

beispielsweise in der US-PS 37 44 1 20 oder in der DE-PS 23 19 854 beschriebenen Verfahren bildet diese Schicht oder dieser Überzug (Aufschmelzschicht) ein Eutekükum mit einer Schmelztemperatur unter der Schmelztemperatur des Metal ls (z.B. Kupfers), sodass durch Auflegen der Folie auf die Keramik und durch Erhitzen sämtlicher Schichten diese miteinander verbunden werden können, und zwar durch Aufschmelzen

des Metal is bzw. Kupfers im wesentlichen nur im Bereich der Aufschmelzschicht bzw.

Oxidschich†.

Dieses DCB-Verfahren weist dann z.B. folgende Veriahrensschritte auf:

« Oxidieren einer Kupferfolie derart, dass sich eine gleichmäßige Kupferoxidschicht ergibt; · Auflegen des Kupferfol ie auf die Keramikschicht;

« Erhitzen des Verbundes auf eine Prozesstemperatur zwischen etwa 1025 bis 1 083 °C, z. B. auf ca. 1071 °C;

® Abküh len auf Raumtemperatur. Analog zu diesem vorgenannten DCB-Verfahren zum Direct-Bonden von Kupfer auf Kupfer oder Kupfer auf Keramik sind auch andere Direct-Metai-Bond-Verfahren- oder Technologien bekannt, mit denen in analoger Weise das Verbinden von etaüschichten oder -biechen gan al lgemein miteinander und/oder mit Keramik- oder Keramikschichten möglich ist. Das DCB- Verfahren und die mit diesem analogen Verfahren werden nachstehend ais DMB-Verfahren (Direct-Metai-Bond-Verfahren) bezeichnet werden.

Bekannt ist weiterhin das sogenannte Aktiviot-Verfahren (DE 221 31 1 5; EP-A-1 53 618) z.B. zum Verbinden von Metal lisierungen bildenden Metallschichten oder Metal ifolien, insbesondere auch von Kupferschichten oder Kupferioiien oder Aluminiumschichien oder Aluminiumfolien mit Keramikmaterial . Bei diesem Verfahren, welches speziell auch zum Herstel len von Metal l- Keramik-Substraten verwendet wird, wird bei einer Temperatur zwischen ca. 800 - 10Ö0°C eine Verbindung zwischen einer Metalifol ie, beispielsweise Kupferfolie, und einem Keramiksubstrat, beispielsweise Aiuminiumnitrid-Keramik, unter Verwendung eines Hartlots hergestei lt, welches zusätzlich zu einer Hauptkomponente, wie Kupfer, Si lber und/oder Gold auch ein Aktivmetali enthält. Dieses AktivmetaN, welches beispielsweise wenigstens ein Element der Gruppe Hf, Ti, Zr, Nb, Ce ist, stel lt durch chemische Reaktion eine Verbindung zwischen dem Lot und der Keramik her, während die Verbindung zwischen dem Lot und dem Metal l eine metallische Hartlöt-Verbindung ist.

Insbesondere zur Ausbildung von Leiterbahnen, Kontaktflächen, Montageflächen usw. ist es üblich,

die Metall isierung an einer Oberflächenseite der Isolierschicht zu strukturieren, während die Metal lisierung auf der anderen Seite der Isolierschicht durchgehend bzw. vol lflächig ausgebildet ist,

um beispielsweise den unter Verwendung des betreffenden Metal l-Keramik-Substrates hergestel lten

elektrischen oder elektronischen Schaltkreis oder ein entsprechendes Modul zumindest thermisch

optimal mit einem Kühler zur Abführung von Verlustwärme verbinden zu können,

Bedingt durch die vollfläch ige Metal l isierung an der einen Oberflächenseite der Isolierschicht und

durch die strukturierte Metal lisierung an der anderen Oberflächenseite der Metall isierung haben bekannte Metal l-Keramik-Substrate insbesondere bei großflächiger Ausbi ldung den Nachteil, dass bei Hitzeeinwirkung eine VerwöSbung des Substrates erfolgt, und zwar verursacht durch den unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Keramik und Metall und auch dadurch, dass die strukturierte Metallisierung der Wölbung des Substrates durch die

durchgehende

Metallisierung beim Erwärmen allenfalls nur bedingt entgegenwirken kann. Dieses Ver völben tritt

beispielsweise beim Bestücken der von dem Metaü-Keramik-Substrat gebildeten Leiterplatte mit Bauelementen, d.h. während des entsprechenden Löiprozesses auf und führt zu Schwierigkeiten während dieses Lötprozesses, beispielsweise durch ungleichmäßige Verteilung des flüssigen Lotes.

Das Vervvölben des Substrates tritt aber auch beispielsweise beim Verbinden des bestückten Metall- Keramik-Substrates durch Löten mit einer Grundplatte oder einem Kühler auf. Hier ergibt sich ebenfalls u.a. eine ungleichmäßige Verteilung des flüssigen Lotes und damit eine

ungleichmäßige

Lotschichtdicke, was zu einer ungleichmäßigen Verteilung der Wärmeabflusseigenschaften über das Metali-Keramik-Substrat führt. Weiterhin besieht durch die Verwölbung auch die Gefahr einer

Beschädigung der auf dem Metaü-Keramik-Substrat bereits montierten Bauelemente,

Nachteilig ist weiterhin auch, dass bei großformatigen Metail-Keramik-Substraten durch thermische Belastung, insbesondere auch durch thermische Wechselbelastung erhebliche mechanische Spannungen zwischen der Metallisierung und der Isolierschicht aus Keramik auftreten, was vielfach zu einem Ablösen der Metallisierung von der Isolierschicht insbesondere im Bereich des Randes der Metallisierung führt. Nachteilig ist bei großformatigem Metail- Keramik-Substraten auch, dass insbesondere bei Temperaturänderungen thermisch bedingte mechanische Spannungen zwischen der Metallisierung und einer mit der Metallisierung verbundenen Grundplatte oder zwischen einem mit der Metallisierung verbundenen Kühler auftreten, und zwar mit der Gefahr eines Trennens der Verbindung zwischen dem Metali- Keramik-Substrat von der Grundplatte bzw. von dem Kühler zumindest in Teilbereichen und dadurch bedingt mit der Gefahr einer Verschlechterung der Kühiwärkung.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Herstellen von Metail-Keramik-Substraten aufzuzeigen, die die vorgenannten Nachteile vermeiden. Zur Lösung diese Aufgabe ist ein Verfahrne entsprechend dem Patentanspruch 1 ausgebildet. Metall-Keramik-Substrate sind Gegenstand des Patentanspruchs 26. Eine Besonderheit des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass in der zunächst durchgängigen Isolierschicht aus dem keramischen Material nach dem Aufbringen zumindest der durchgehenden Metallisierung auf die eine Oberflächenseite der Isolierschicht,

vorzugsweise aber nach dem Aufbringen auch der wenigstens einen weiteren Metallisierung auf die der durchgehenden Metallisierung gegenüberliegende Oberflächenseite der Isolierschicht und vorzugsweise nach dem Strukturieren dieser weiteren Metallisierung wenigstens ein nutenartiger Spalt in der Isolierschicht erzeugt wird, der sich über die gesamte Dicke der Isolierschicht erstreckt. Beidseitig von diesem Spalt sind dann wenigstens zwei voneinander getrennte und beabstandete Einzel Isolierschichten erhalten, die über die durchgehende

Metallisierung miteinander verbunden sind. Hierdurch besteht die Möglichkeit, auch bei einer großformatigen Gesamtausbildung des jeweiligen Metall-Keramik-Substrates die

Einzelisolierschichten in ihren Abmessungen soweit zu reduzieren, dass beim Erhitzen des Metall-Keramik-Substrates eine Verwölbung nicht mehr eintritt, zumindest aber nicht in einem störenden Ausmaß. Weiterhin vermeidet die Erfindung die vorgenannten Nachteile

großformatiger MetaN-Keramäk-Substrate hinsichtlich der thermischen Spannungen und des möglichen Ablösens der Metallisierung insbesondere in Randbereichen von der Keramik bzw. des Lösens des Metall-Keramik-Substrates von einer Grundplatte oder einem Kühler. Auch die vorgenannten Nachteile großformatiger MetaM-Keramik-Substrate sind vermieden.

Der Spalt zwischen den Einzelisolierschichten besitzt beispielsweise eine Spaltbreite im Bereich zwischen 0,05mm und 0,2mm, vorzugsweise 0,05mm bis 0,5mm und ist u.a. für den Ausgleich von durch Temperaturschwankungen bedingten Längenänderungen in der durchgehenden Metallisierung und/oder in dem wenigstens einen durchgehenden Metallisäerungsabschnitt und/oder für den Ausgleich von durch Temperaturschwankungen bedingten Längenänderungen der Einzelisolierschichten oder Einzelsubstrate erforderlich, aber auch dazu erforderlich, dass beispielsweise beim Vergießen eines unter Verwendung des Metall-Keramik-Substrates hergestellten Schaltkreises oder Moduls die entsprechende Vergussmasse auch in den jeweiligen Spalt eindringen kann und somit ein dichter Verschluss des Schaltkreises bzw.

Moduls erreicht wird.

Die Erzeugung des Spalts erfolgt beispielsweise durch Entfernen des keramischen Materials, beispielsweise mechanisch oder durch Laser-Behandlung beispielsweise mit einem Nd YAG- Festkörperlaser oder mit einem Excimer-Laser. Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahren wird der jeweilige Spalt, durch Trennen der Isolierschicht entlang des zu bildenden Spaltes, beispielsweise durch Brechen und durch anschließendes bleibendes Dehnen oder Strecken der durchgehenden Metal lisierung unter bleibender oder plastischer Materialverformung in einer Achsrichtung paral lel zu den Oherfiächenseiten der Isolierschicht und quer bzw. senkrecht zu der Trennl inie erzeugt. Der Ausdruck„im Wesentlichen" bzw.„etwa" bedeutet im Sinne der Erfindung Abweichungen vom jeweils exakten Wert um +/- 10%, bevorzugt um + /- 5% und/oder Abweichungen in Form von für die Funktion unbedeutenden Änderungen.

Unter„DMB-Bonden" oder„DMB- Verfahren" ist im Sinne der Erfindung ein Verfahren zu verstehen, mit dem welchem analog zu dem DCB-Verfahren das Verbinden der jeweiligen

Metallisierung mit der Isolierschicht aus dem keramischen Material erfolgt, und zwar über eine eutektische Schmelzschicht aus dem Metall der Metal lisierung und einer chemischen

Verbindung dieses Metalls mit einer anderen Komponente,, beispielsweise in Form eines Oxids des MetaHs der Metall isierung. in Weiterbildung der Erfindung ist das Verfahren beispielsweise so ausgebildet,

dass zum Einbringen des jeweiligen Spaltes das keramische Material der Isolierschicht vol lständig oder im Wesentlichen vollständig entfernt wird, beispielsweise durch mechanische Behandlung oder Laser-Behandlung,

und/oder

dass die Isolierschicht entlang wenigstens einer Trennl inie in wenigstens zwei über die wenigstens eine Metallisierung und/oder über den wenigstens einen

MetaNisierungsabschnitt miteinander verbundene Einzelisoiierschichten getrennt, und dass zur Ausbildung eines zwischen benachbarten Einzel isoiierschichten verlaufenden Spalts die wenigstens eine Metal lisierung und/oder der wenigstens eine Metal lisierungsabschnitt im

Bereich der Trennlinie in wenigstens einer Achsrichtung quer zur Längserstreckung des Spaltes bleibend, d.h. durch bleibende oder plastische Materialverformung gestreckt oder gedehnt wird,

und/oder

dass das Trennen der Isol ierschicht entlang wenigstens zweier, sich kreuzender, vorzugsweise senkrecht kreuzender Spalte oder Trenn linien erfolgt,

und/oder

dass quer oder senkrecht zu jeder Trennlinie ein Dehnen oder Sirecken zumindest der wen igstens einen Metal lisierung und/oder des wenigstens ei nen Metai iisierungsabschnitts erfolgt,

u d/oder dass das Sirecken oder Dehnen der wenigstens einen Metallisierung und/oder des wenigstens einen Meialiisierungsabschnitts durch quer zur jeweiligen Trennlinie auf das Metall-Keramik-Substrat einwirkende Zugkräfte erfolgt,

und/oder

dass das Strecken oder Dehnen der wenigstens einen Metallisierung und/oder des wenigstens einen Metallisierungsabschnitts durch Biegen der an der Trennlinie getrennten Einzelisoüerschichten im Sinne eines Ö ine eines Trennspaites zwischen den

Einzelisolierschichten und durch anschließendes Rückbiegen der Einzelisoüerschichten in ihre ursprüngliche Orientierung erfolgt, vorzugsweise durch Einführen eines den Trennspalt zumindest teilweise ausfüllenden Werkzeugs vor dem Rückbiegen,

und/oder

dass ein Schwächen der wenigstens einen Metallisierung und/oder der wenigstens eine Metallisierungsabschnitts im Bereich der wenigstens einen Trennlinie vor dem Strecken oder Dehnen erfolgt, beispielsweise durch eine durchgehende oder abschnittsweise Reduzierung der Dicke der wenigstens einen durchgehenden Metallisierung und/oder des wenigstens einen Metallisierungsabschnitts und/oder durch partielles vollständiges

Entfernen der wenigstens einen durchgehenden Metallisierung und/oder des wenigstens einen Metallisierungsabschnitts im Bereich der Trennlinie,

und/oder

dass das Trennen der Isolierschicht durch Brechen entlang der wenigstens einen Trennlinie erfolgt,

und/oder

dass vor dem Brechen entiang der jeweiligen Trennlinie in die Isolierschicht wenigstens eine Sollbruchlinie beispielsweise in Form einer durchgehenden oder unterbrochenen Vertiefung eingebracht wird, beispielsweise mechanisch, z.B. durch Ritzen oder Sägen oder

Fräsen oder durch Lasern,

und/oder

dass die wenigstens eine Metallisierung, beispielsweise die Metallisierung an der der durchgehenden Metallisierung gegenüber liegenden Oberflächenseite der Isolierschicht oder der Einzelisoüerschichten strukturiert wird, beispielsweise zur Ausbildung von

Leiterbahnen, Kontakt- und/oder Montageflächen, Montageflächen usw.,

und/oder

dass das Strukturieren der wenigstens einen Metallisierung vor dem Einbringen des wenigstens einen die wenigstens zwei Einzeiisoiierschichten trennenden Spalts erfolgt, und/oder dass das keramische Material wenigstens ein Material der nachstehenden Gruppe

A!uminiumoxid, Aluminiumnitrid, Si liziumnitrid, Si liziumcarbid oder eine Mischkeramik aus Aluminiumoxid und Zirkonoxid ist,

und/oder

die Metall isierungen von Metal lfolien, vorzugsweise von KupferfoSien oder

AluminiumfoHen gebildet sind, die durch flächiges Bonden mit der Isolierschicht verbunden werden, vorzugsweise durch Aktivlöten oder DMB-Bonden,

und/oder

dass vor Ausbildung des wenigstens einen Spalts eine Strukturierung der Metal lisierung an der der durchgehenden Metal lisierung gegenüberliegenden Oberflächenseite der

Isolierschicht wenigstens in der Weise erfolgt, dass das Material dieser Metallisierung (4) zumindest im Bereich der Trennlinie oder des auszubi ldenden Spaltes vol lständig oder zumindest tei lweise entfernt ist, sodass der Spalt nach seiner Ausbildung an der der durchgehenden Metallisierung abgewandten Seite des Metai l-Keramik-Substrates offen ist, und/oder

dass zum Herstel len eines Mehrfachsubstrates mit mehreren Einzelsubstraten, die jeweils aus wenigstens zwei durch wenigstens einen Spalt voneinander getrennten

Einzelisolierschichten bestehen, die durch die auch sämtl iche Einzelsubstrate miteinander verbindende Metal lisierung miteinander verbunden sind, in die zunächst für sämtliche Einzel Substrate gemeinsame Isol ierschicht die die Einzel isoiierschschten der Einzelsubstrate trennenden Spalten eingebracht oder erzeugt werden,

und/oder

dass vor dem Einbringen dieser Spalten die Strukturierung der Metal lisierung an der der durchgehenden Metal lisierung gegenüberliegenden Oberflächenseite der Isolierschicht erfolgt,

und/oder

dass die Ausbi ldung der Spalten in den Einzelsubstraten wiederum durch Trennen der Isolierschicht, beispielsweise durch Brechen der Isol ierschicht sowie durch anschließendes Strecken oder Dehnen der durchgehenden Metal lisierung in der Achsrichtung quer oder senkrecht zur Längserstreckung des auszubildenden Spaltes erfolgt, und zwar beispielsweise durch Beaufschlagung mit quer zu den auszubildenden Spalten auf das Keramikmateria! einwirkenden Zugkräften,

und/oder

dass an jedem Einzelsubstrat in die Isol ierschicht wenigstens zwei sich kreuzende, vorzugsweise rechtwinklig kreuzende Spalten eingebracht werden,

und/oder dass bei Ausbildung des Mehrfachsubstrates mit wenigstens einem sich entlang eines Randbereichs des Mehrfachsubstrates erstreckenden MetaiSbereichs an der der

durchgehenden Metallisierung gegenüberliegenden Seite der Isolierschicht dieser

Metallbereich bei Ausbildung eines sich quer oder senkrecht zur Längserstreckung des Metaübereicbs verlaufenden Spalts ebenfalls gestreckt wird,

und/oder

dass die Schwächung der durchgehenden Metallisierung im Bereich des jeweils auszubildenden Spalts in der Weise erfolgt, dass die für das Strecken erforderliche Kraft kleiner ist als die Zugfestigkeit der Isolierschicht oder der Einzelisolierschichten, und/oder

dass die Isolierschicht sowie die Einzelisoiierschichten eine Dicke im Bereich zwischen 0,2mm und 2mm und/oder zumindest die durchgehende, aus Kupfer oder einer

Kupferlegierung bestehende Metallisierung und/oder der durchgehende, aus Kupfer oder einer Kupferlegierung bestehende MetaHisierungsbereich eine Dicke im Bereich zwischen 0,02mm bis 1 mm, vorzugsweise im Bereich zwischen 0,1 5mm und 0,6mm und/oder ein

Vickershärte kleiner 90 HV aufweisen,

und/oder

dass der wenigstens eine Spalt mit einer Spaltbreite im Bereich zwischen 0,05mm und 0,2mm, vorzugsweise im Bereich zwischen 0,05mm und 0,5mm ausgebildet wird, und/oder

dass die wenigstens eine Soübruchiinie in der Isolierschicht vor dem Aufbringen der wenigstens einen Metallisierung und/oder vor dem Strukturieren der wenigstens einen Metallisierung erzeugt wird,

und/oder

dass beim Strukturieren der wenigstens einen Metallisierung zur Ausbildung von

Leiterbahnen, Kontaktflächen,. Befestigungsflächen usw. Abschnitte, vorzugsweise in Form von Stegen dieser Metallisierung gebildet werden, die bei der Ausbildung des jeweiligen Spaltes bleibend gestreckt oder gedehnt werden und diesen Spalt überbrücken, und/oder

dass die den jeweiligen Spalt überbrückende und bleibend gestreckte oder gedehnte

Metallisierung oder der wenigstens eine Metallisierungsabschnitt an einer oder aber an beiden Oberflächenseiten des MetaM-Keramik-Substrates vorgesehen sind,

wobei die vorgenannten Merkmaie jeweils einzeln oder in beliebiger Kombination verwendet sein können. Weiterbildungen, Vorteile und AnwendungsmögSichkeiten der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispieien 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.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren an Ausführungsbeispieien näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 in vereinfachter Darstellung und im Schnitt ein Metaü-Keramik-Substrat gemäß der Erfindung;

Fig. 2 in Positionen a - i verschiedene Verfahrensschritte zum Herstellen des Metaii-

Keramik- Substrates der Figur 1 ;

Fig. 3 und 4 in vergrößerter Darstellung einen Verfahrensschritt des Herstellungsverfahrens der Figur 2;

Fig. 5 in einer grafischen Darstellung den Verlauf einer Verformungskraft F in

Abhängigkeit von der Dehnung oder Streckung W;

Fig. 6 in den Positionen a - d verschiedene Verfahrensschritte bei einer weiteren

Ausführungsform des Verfahrens zum Herstellen des Metal i-Keramik-Substrates der Figur 1 ;

Fig. 7 in einer Darstel lung ähnl ich Figur 1 ein Metaü-Keramik-Substrat gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 8 in den Positionen a - d verschiedene Verfahrensschritte zum Herstel len des

Metal l-Keramik-Substrates der Figur 7;

Fig. 9 und 10 jeweils in schemaiischer Darstel lung die Rückseite eines Metal i-Keramik- Substrates mit in die durchgehende Metallisierung eingebrachten Schwächungen;

Fig. 1 in schemaiischer Darstellung und in Draufsicht ein Mehrfachsubstrat nach seiner

Fertigstel lung;

Fig. 1 2 das Mehrfachsubstrat der Figur 1 1 vor seiner Fertigstel l ung in schemaiischer

Darstel lung und in Draufsicht;

Fig. 1 3 das Mehrfachsubstrat der Figur 1 1 vor seiner Fertigstel lung in schemaiischer

Darstel lung und in Rückansicht;

Fig. 14 einen Schnitt durch das Mehrfachsubstrates der Figur 1 1 entsprechend der

dortigen Linie I - I; Fsg, 1 5 in Positionen a - j verschiedene Verfahrensschritte zum Herstellers von etalS-

Keramik-Substrates bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 16 und 1 7 das Metali-Keramik-Substrat des Verfahrens der Figur 15 in Draufsicht auf die

Substratoberseite (Figur 16) sowie in vereinfachter SchnittdarsteHung (Figur 1 7); Fig. 18 und 19 Darstellungen wie Figuren 1 6 und 1 7 bei einer weiteren Ausführungsform.

Das in der Figur 1 allgemein mit 1 bezeichnete Metall-Keramik-Substrat besieht im

Wesentlichen aus einer unteren durchgehenden, d.h. das Substrat 1 zusammenhaltenden Metallisierung 2, die beispielsweise einen rechteckigen oder quadratischen Zuschnitt aufweist, aus zwei Einzelisolierschichten 3,1 , die ebenfalls einen rechteckförmigen oder quadratischen Zuschnitt aufweisen und mit einer gemeinsamen Oberflächenseite der Metallisierung 2 flächig verbunden sind, sowie aus einer zur Ausbildung von Leiterbahnen, Koniakt- und/oder

Montageflächen usw. strukturierten Metallisierung 4 an der der Metallisierung 2 abgewandten Oberflächenseite der Einzelisolierschichten 3,1 . Wie die Figur 1 zeigt, sind die beiden

Einzelisolierschichien 3,1 durch einen Spalt 5 mit einer Spaltbreite a voneinander beabstandet. Die Spaltbreite a beträgt bei der dargestellten Ausführungsform 0,05mm bis 2,0mm, vorzugsweise 0,05mm bis 0,5mm,

Das Metaii-Keramik-Substrat ist als großformatige Leiterplatte für elektrische oder elektronische Schaltkreise oder Module bestimmt. Durch die Aufteilung der zwischen der Metallisierung 2 und der strukturierten Metallisierung 4 gebildeten Isolierschicht in die zwei

Einzelisolierschichien 3.1 ist in optimaler Weise trotz der großformatigen Ausbildung des Metall-Keramik-Substrates 1 verhindert, dass sich dieses beim Erhitzen, beispielsweise bei einem Lötprozess beim Bestücken mit elektrischen oder elektronischen Bauelementen oder beim Auflöten auf eine Grund- oder Tragplatte oder einen Kühler verwölbt {Bimetalleffekt), was u.a. den Lötprozess erschweren und/oder den Wärmefluss erschweren und/oder die auf der strukturierten Metallisierung 4 angeordneten oder mit dieser verbundenen Bauelemente beschädigen könnte. Außerdem vermeidet das Metall-Keramik-Substrat 1 die eingangs genannten Nachteile bekannter großformatiger Metall- eramik-Substrate.

Ebenso wie die Metallisierung 2 ist auch die jeweilige Metallisierung 4 von einer Meiailfolie und dabei bevorzugt von einer Kupferfoläe gebildet, die vor dem Strukturieren dann durch DMB-Bonden, nämlich durch DCB-Bonden oder Aktivlöten mil den Einzelisolierschichien 3.1 . aus keramischen Material verbunden wurde. Die Figur 2 zeigt in den Positionen a - i die wesentlichen Verfahrensschritte zum. Herstellen des Meta! !-Keramik-Substrates 1 . Zunächst werden durch Bonden, d.h. durch D B-Bonden bzw. mit Hilfe des DMB-Verfahrens oder durch Aktivlöten auf eine durchgehende Isolierschicht 3 beidseitig unter Verwendung jeweils einer Metallfoiie, z.B. Kupfer- oder Aluminiumfolie die Metal lisierungen 2 und 4 aufgebracht {Position a). Im Anschluss daran erfolgt entsprechend der Position b das Strukturieren der Metal lisierung 4 zur Ausbildung der Leiterbahnen, Kontakt- und/oder Montageflächen usw. an der Oberseite der durchgehenden Isolierschicht 3. Sn einem weiteren Verfahrensschritt wird die untere durchgehende Metal lisierung 2 dort, wo in weiteren Verfahrensschritten der Spalt 5 erzeugt werden sol l, bei 6 geschwächt (Positionen c - e). Diese Schwächung erfolgt grundsätzlich durch partielle Reduzierung der Dicke der Metal lisierung 2, z.B. durch eine sich über die gesamte Breite der Metall isierung 2 erstreckende nutenförmige Vertiefung 6.1 (Position d) oder durch eine sich über die gesamte Breite der Metal lisierung 2 erstreckende Reihe Vertiefungen oder von bis an die Isolierschicht .3 reichenden Löchern 6.2 (Position e). Obwohl die Schwächungen 6.2 in der Position e als kreisförmige Vertiefungen oder Öffnungen in der Metallisierung 2 dargestel lt sind, können diese Vertiefungen oder Öffnungen auch eine andere Formgebung aufweisen, beispielsweise langgestreckte Vertiefungen oder Öffnungen sein.

Die Schwächung 6 erfolgt beispielsweise mechanisch durch Materialabtrag oder aber durch Ätzen unter Verwendung einer geeigneten Maskierungs- und Ätztechnik. Im Setzten Fall wird die Schwächung 6 beispielsweise gleichzeitig mit der Strukturierung der Metal lisierung 4 erzeugt.

Im Anschluss daran erfolgt entsprechend der Position f das Einbringen einer Soi ibruchiinie 7.1 in die Isolierschicht im Bereich der Schwächung 6, und zwar beispielsweise durch

mechanisches Ritzen oder durch eine Laserbehandlung derart, dass dann in dem folgenden Verfahrensschritt (Position g} ein eindeutiges Brechen der Isol ierschicht 3 entlang der

Soi ibruchiinie 7, 1 bzw. der von dieser definierten Trennlinie 7 erfolgen kann. Die

Soi ibruchiinie 7.1 verläuft dabei über die gesamte senkrecht zur Zeichenebene der Position f und g orientierte Breite der Isolierschicht 3 und wird in diese dort eingebracht wird, wo sie nicht durch die Metal lisierung 4 abgedeckt ist. Das Trennen bzw. Brechen der bis dahin durchgehenden Isol ierschicht 3 erfolgt beispielsweise durch Abstützen der unteren

Metal lisierung 2 im Bereich der Schwächung 6 an einer Brechkante 8 und durch Beaufschlagen der Isol ierschicht 3 beidseitig von der Brechkante 8 mit einer entsprechenden Kraft F 1 . Nach dem Brechen sind entsprechend der Position h die beiden über die untere Metallisierung 2 miteinander verbundenen Einzeiisolierscbichten 3.1 mit ihrer strukturierten Metallisierung 4 erhalten, die allerdings noch dicht an einander anschließen. In einem weiteren Verfahrensschritt werden unter bleibender Dehnung oder Streckung der unteren Metallisierung 2 im Bereich der Schwächung 6 die beiden Einzelisolierschichten 3.1 soweit auseinander bewegt, dass der Spalt 5 mit dem gewünschten Spaltbreite a erhalten wird. Dieses Auseinanderbewegen der

Einzelisolierschichten .3.1 bzw. das Dehnen der unteren Metallisierung 2 kann auf verschiedene Weise erfolgen, beispielsweise entsprechend der Figur 3 dadurch, dass das Metall-Keramik- Substrat 1 zunächst durch Biegen um die Metallisierung 2 so verformt wird, dass die den Einzelisolierschichten 3.1 abgewandte Unterseite der durchgehenden Metallisierung 2 einen konkaven Verlauf bildet und sich dabei der durch das Brechen (Position h) erzeugte Riss 9 spaltartig öffnet. In diesen geöffneten Riss 9 wird dann ein Werkzeug 10 eingesetzt und anschließend erfolgt durch Rückbiegen des Metail-Keramik-Substrates 1 in den flachen Zustand mit Hilfe von an den Rändern beidseitig vom Riss 9 einwirkenden Kräften F2 unter Dehnung oder Streckung der unteren Metallisierung 2 die Ausbildung des Spaltes 5.

Grundsätzlich besteht auch die Möglichkeit, auf das Dehnwerkzeug 10 zu verzichten und nach dem Brechen der Isolierschicht 3 (Position h) unter Anwendung der Kräfte F2 die beiden Einzelsubstrate bzw. Einzelisolierschichten 3.1 zurückzubiegen, wobei sich diese dann an ihren einander zugewandten Flächen gegeneinander abstützen.

Entsprechend der Figur 4 besteht auch die Möglichkeit, den Riss 9 zum Spalt 5 unter Dehnung der unteren Metallisierung 2 dadurch zu verformen, dass an den beiden parallel zum Riss 9 verlaufenden Rändern des Metail-Keramik-Substrates 1 Zugkräfte F3 ausgeübt werden.

In jedem Fall erfolgt die Ausbildung des Spaltes 5 durch bleibende Streckung bzw. Dehnung der Metallisierung 2. Hierfür ist die Krafteinwirkung auf das Metall- eramik-Substrai bei der Ausbildung des Spaltes 5 so gewählt, dass die die Dehnung der Metallisierung bewirkende Kraft F entsprechend der Darstellung der Figur 5, die die Kraft in Abhängigkeit von der Dehnung VV wiedergibt, in dem nicht linearen Bereich zwischen der Kraft F' und F" liegt.

Die Figur 6 zeigt die wesentlichen Verfahrensschritte eines weiteren Verfahrens zum Hersteilen des Metail-Keramik-Substrates 1 , Bei diesem Verfahren werden wiederum auf die durchgehende Isolierschicht 3 beidseitig die Metallisierungen 2 und 4 aufgebracht (Position a). Anschließend wird die Metallisierung 4 zur Ausbildung von Leiterbahnen, Kontakt- und/oder Morstageflächen usw. strukturiert. In einem weiteren Verfahrensschritt erfolgt zur Ausbildung des Spaltes 5 ein vollständiges Entfernen des Materials der Isolierschicht 3 in einem sich über die gesamte,, senkrecht zur Zeichenebene der Figur 6 orientierte Breite der Isolierschicht 3, und zwar in dem in der Position c schraffiert angegebenen Bereich 5.1 und mit einer Breite, die der Breite a des Spaltes 5 entspricht. Dieses Entfernen der Keramik erfolgt beispielsweise mechanisch durch Materialabtrag oder aber durch Laserbehandlung. Nach dem Entfernen des Materials im Bereich 5.1 ist das MetaM- eramik-Substrat 1 mit den beiden Einzelisolierschichten 3,1 und dem Spalt 5 erhalten (Position d).

Die Figur 7 zeigt in einer Darstellung ähnlich Figur 1 ein Metall-Keramik-Substrat 1 a, welches sich von dem Metall- eramik-Substrat 1 im Wesentlichen nur dadurch unterscheidet, dass an der gemeinsamen bzw, durchgehenden Metallisierung 2 insgesamt drei Einzeiisoiierschichten 3.1 mit jeweils einer strukturierten Metallisierung vorgesehen sind.

Wesentliche Verfahrensschritte des Verfahrens zum Herstellen des Metail-Keramik-Substrates 1 a sind in der Figur 8 in den dortigen Positionen a · ^■ d wiedergegeben. Entsprechend der Position a erfolgt zunächst das Aufbringen der beiden Metallisierungen 2 und 4 beispielsweise wiederum durch DMB-Bonden oder Aktivlöten auf die Oberfiächenseiten der durchgehenden

Isolierschicht 3. Im Änschluss daran wird die Metallisierung 4 strukturiert (Position b) und im Anschiuss daran oder gleichzeitig erfolgt das Einbringen der sich über die gesamte Breite der unteren Metallisierung 2 erstreckenden Schwächungen 6 (Position c), Da das Metail-Keramik- Substrat 1 a drei Einzeiisoiierschichten 3.1 aufweist, werden zwei Schwächungen 6 eingebracht, Im Anschiuss daran erfolgt das Brechen der Isolierschicht 3 im Bereich der Schwächungen 6 unter Ausbildung der Risse 9 und das Formen der Spalten 5 durch bleibende Streckung oder Dehnung der unteren Metallisierung 2. Da in einem Arbeitsgang durch Ziehen und durch Dehnen der Metallisierung 2 mehrere Spalte 5 erzeug werden, sind die entsprechenden

Schwächungen 6 so gewählt, dass im Bereich beider Schwächungen die gleiche Dehnung der Metallisierung 2 und damit die gleiche Spaltbildung erfolgt.

Vorstehend wurde davon ausgegangen, dass in dem MetaM-Keramik-Substrat 1 bzw. 1 a die über die gemeinsame Metallisierung 2 zusammen gehaltenen Einzeiisoiierschichten 3.1 lediglich in eine Achsrichtung und durch jeweils einen senkrecht zu dieser Achsrichtung verlaufenden Spalt 5 voneinander beabstandet aufeinander folgen. Selbstverständlich kann das betreffende Metall- Keramik-Substrat auch Einzelisolierschichten 3.1 aufweisen, die in zwei einen Winkel miteinander einschließenden, beispielsweise in zwei senkrecht zueinander verlaufenden Achsrichtungen jeweils über einen Spalt 5 aufeinander folgen. In diesem Fall erfolgt dann das Trennen oder Brechen der durchgehenden Isolierschicht 3 an sich kreuzenden, beispielsweise wiederum von Soiibruchlinien 7,1 gebildeten Trennlinien 7 und das Strecken oder Dehnen der die Einze!iso!ierschichtert 3.1 zusammenhaltenden durchgehenden Metallisierung 2 in den beiden Achsrichtungen. Hierfür ist die Metallisierung 2 beispielsweise entsprechend der Figur 9 mit sich kreuzenden Schwächungen 6 versehen, die beispielsweise jeweils wiederum in der vorstehend beschriebenen Wesse erzeugt sind.

Vorstehend wurde davon ausgegangen, dass die jeweilige Schwächung 6 der durchgehenden Metallisierung 2 durch eine nutenartige Reduzierung 6.1 der Dicke oder durch eine Reihe von VerisefLängen oder Ausnehmungen im Material, jeweils entlang der Trennlinie 7 erfolgt. Wie in der Figur 10 dargestellt, kann die Reduzierung auch dadurch erfolgen, dass in die Metallisierung 2 entlang dieser Trennlinie 7 eine Vielzahl von quer zu der Trennlinie 7 verlaufenden die Materialdicke reduzierenden nutenartigen Vertiefungen oder Öffnungen 6.3 eingebracht sind, so dass die Metallisierung 2 im Bereich der Trennlinie 7 quer zu dieser Trennlinie 7 verlaufende Stege bildet.

Die Figur 11 zeigt in Draufsicht ein als Mehrfachsubstrat ausgebildete Metall-Keramsk-Subsrat 1b. welches auf einer großformatigen durchgehenden Metallisierung 2 u.a. eine Vielzahl von Einzelsubstraten 11 aufweist, d.h. bei der dargestellten Ausführungsform sechs Einzelsubstrate 11 die ihrerseits jeweils aus mehreren durch die Metallisierung 2 zusammengehaltenen und durch die Spalten 5 getrennten oder von einander beabstandeten Einzelisoiierschichten 3.1 mit strukturierter Metallisierung 4 bestehen. Die Einzelisolierschicht 3.1 der FJnzelsubstrate 11 sind in der vorbeschriebenen Weise durch Trennen oder Brechen der zunächst durchgehenden Isolierschicht 3 und durch bleibendes Dehnen oder Strecken der Metallisierung 2 im Bereich der Trennlinien 7 erzeugt.

Die Herstellung des MetaN-Keramik-Substrates 1 b erfolgt in der Weise, dass zunächst durch Aufbringen der Metallisierungen 2 und 4 beispielsweise durch DMB-Bonden oder Aktiviöten auf die beiden Oberflächenseiten der großformatigen Isolierschicht 3 ein Ausgangssubstrat hergestellt wird. Im Anschluss daran wird die Metallisierung 4 zur Ausbildung der

Einzeisubstrate 11 bzw. deren Leiterbahnen, Kontakt- und/oder Montagflächen usw. strukturiert. Anschließend werden in die Isolierschicht 3 die die Trennlinien 7 definierenden Sollbruchlinien 7 eingebracht, sofern diese Soiibruchlinien 7 nicht bereits schon vor dem Aufbringen der Metallisierung A in der Isolierschicht 3 erzeugt wurden. Die Soiibruchlinien 7 verlaufen in den beiden in den Figuren 11 - 13 mit X und Y bezeichneten Achsrichtungen. Weiterhin erfolgt entlang dieser Soiibruchlinien 7 die Schwächung 6 der Metallisierung 2, und zwar

beispielsweise durch Einbringen von entlang der Sollbruchlinien 7 verlaufenden Reihen von Vertiefungen 6.1. Nach dem Brechen der Keramik 3 entlang der Sollbruchiinie 7 erfolgt wiederum das Strecken bzw. Dehnen der Metallisierung 2 zur Ausbildung der Spalte 5 im Bereich der Einzeisubstrate 11 durch Zugkräfte F3, die in den Achsrichtungen X bzw. Y auf die Randbereiche der Isolierschicht 3 einwirken. Bei der dargestellten Ausführungsform weist das Metall-Keramik-Substrat 1 b zusätzliche randseitige Metaiibereiche 12 auf, die aus der

Metallisierung 4 durch Strukturierung erzeugt wurden. Beim Dehnen der Metallisierung 2 werden diese randseitigen Metaiibereiche 12 ebenfalls bleibend gedehnt bzw. gestreckt, wobei diese Metaiibereiche 12 aber die Spalten 5 überbrücken, die beim Brechen der Isolierschicht 3 entlang der So!lbruch!inien 7 und beim Dehnen der Metallisierung 2 entstehen.

Nach dem Fertigstellen des Metaii-Keramik-Substrates 1b werden in die Keramik dieses Substrates weitere Solibruchlinien 13 eingebracht, die sich zwischen den Einzelsubstraten 11 sowie zwischen diesen Einzelsubstraten 11 und den randseitigen Metaübereichen 12 erstrecken und an denen beispielsweise nach dem Bestücken des Metall-Keramik-Substrates 1b mit elektrischen Bauelementen dieses Substrat in die Ei zei ubstrate 1 durch Brechen getrennt werden kann.

Da die zum Dehnen der Metallisierung 2 dienenden Kräfte E3 zumindest teilweise auch auf die Keramik einwirken, ist es erforderlich, dass die Zugfestigkeit der Isolierschicht 3 bzw. der Keramik der Isolierschicht 3 bzw. der Einzelisoiierschichten 3.1 größer ist als die für das

Strecken oder Dehnen der Metallisierung benötigte Kraft F3. Dies wird durch entsprechende Ausbildung der jeweiligen Schwächung 6 erreicht,

Vorstehend wurde davon ausgegangen, dass die für das exakte Trennen durch Brechen notwendigen Solibruchlinien 7.1 bei der Herstellung des jeweiligen Substrates 1, 1a und 1b nach dem Aufbringen und Strukturieren der Metallisierung 4 erzeugt werden (hierzu beispielsweise Figur 2, Position f). Grundsätzlich besteht aber auch die Möglichkeit, diese Solibruchlinien 7.1 und/oder die zusätzlichen Solibruchiinien 13 bereits in der Isolierschicht 3 vorzusehen, bevor das Aufbringen der Metallisierung 2 und/oder 4 erfolgt. Hierbei ist es dann insbesondere bei einer die Einzelisolierschichten oder Keramikteilschichten 3,1

zusammenhaltenden, d.h. den jeweiligen Spalt 5 überbrückenden Metallisierung 2 und/oder 4 möglich, zumindest einen Teil der Solibruchlinien 7.1 und/oder 3 auch an beiden

Oberflächenseiten der Isolierschicht 3 vorzusehen. Die Figur 15 zeigt in den Positionen a - j wesentliche Verfahrensschritte eines Verfahrens zum Herstellen eines Metali-Keramik-Substrates 1 , welches in der Figur 16 in Draufsicht und in der Figur 1 7 im Schnitt wiedergegeben ist. Die Besonderheit dieses MetaN- eramik-Substrates 1 c besteht darin, dass der Spait 5 an einer Seite des MetaSI-Keramik-Substrates 1 c von

Meialiisierungsbereichen in Form von Siegen 4.1 überbrückt ist, die bei der Strukturierung der Metallisierung 4 aus dieser Metallisierung 4 erzeugt und bei der Ausbildung des Spaltes 5 entsprechend gestreckt oder gedehnt werden, und zwar in gleicher Weise wie die

durchgehende Metallisierung 2 an der anderen Seite des MetaN-Keramik-Substrates, die dort ebenfalls den Spait 5 überbrückt.

Das in den Positionen a - j dargestellte Verfahren unterscheidet sich von dem Verfahren der Figur 2 im Wesentlichen nur dadurch, dass bereits vor dem Aufbringen der Metallisierungen 2 und 4 die jeweilige SoSlbruchiinie 7.1 in die Isolierschicht 3 eingebracht wird (Position a), und zwar bei der dargestellten Ausführungsform an der nachfolgend mit der Metallisierung 4 zu versehenen Oberflächenseite der Isolierschicht 3. Der weitere Ablauf des Verfahrens

entsprechend den Positionen b - j entspricht den Verfahrensschritten a - i der Figur 2, allerdings mit dem Unterschied, dass zusätzlich zu der unteren, durchgehenden Metallisierung 2 auch die Stege 4.1 nach dem Brechen der Isolierschicht 3 gedehnt werden (hierzu Figur 1 , Positionen i und j).

Grundsätzlich besteht bei diesem in der Figur 5 entsprechenden Verfahren auch die

Möglichkeit, SoMbruchlinien 7.1 in beide OberfSächenseiten der Isolierschicht 3 dort einzubringen, wo später ein Trennen bzw. Brechen der Isolierschicht 3 erfolgt, und zwar derart, dass sich jeweils zwei Soiibruchiinien 7.1 unmittelbar gegenüber liegen.

Die Figuren 18 und 19 zeigen in Draufsicht sowie im Schnitt als weitere Ausführungsform ein Metall- eramik-Substrat 1 d, welches sich von dem Metall- Keramik- Substrat 1 c im Wesentlichen dadurch unterscheidet, dass die Metallisierung in einem Verfahrensschritt entsprechend der Position c der Figur 15 so strukturiert wurde, dass sie im fertig gestellten Metall-Keramik-Substrat 1 d den Spalt 5 nicht überbrückt. Die Dicke der Isolierschicht 3 liegt beispielsweise im Bereich zwischen 0,2 und 2mm, Die

Dicke der Metallisierung 2, aber auch der Metallisierung 4 liegt im Bereich zwischen 0,02mm und 1 mm, vorzugsweise zwischen 0, 5mm und 0,6mm. Als Keramik für die Isolierschicht 3 eignet sich beispielsweise Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Siliziumnitrid oder Siliziumcarbid. Wird für die Metallisierungen 2 und 4 Kupfer verwendet, so ist dessen Ausgangshärte nach dem Bonden bevorzugt kleiner als 90 HV. Die Erfindung wurde voransiehend an Ausführungsbeispielen beschrieben. Es versteht sich, dass zahlreiche Änderungen sowie Abwandlungen möglich sind, ohne dass dadurch der der Erfindung zugrundeliegende Erfindungsgedanke verlassen wird

Bezugszelchenlsste

1 , 1 a ~ 1 d Substrat

2 Metallisierung

3 Isolierschicht

3.1 eramikteilschichien

4 Metallisierung

4.1 Steg

5 Spalt

5.1 Bruchlinie

6 Schwächung

6.1 durchgehende, nuteniörmige Schwächung

6.2 Schwächung in Form von Reihen von Vertiefungen

7 Trennlinie

7.1 SoHbruchlinie

8 Brech kante

9 Bruchlinie oder Riss

10 Werkzeug

1 1 Einzelsubstrate

12 äußerer Metallbereich

1 3 SoHbruchlinie

Ä Abstand oder Spaltbreite

F 1 ,F2, F3 Kraft