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Title:
METHOD FOR THE PRODUCTION OF A METAL-CERAMIC SUBSTRATE USING A PICO-LASER
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2017/108950
Kind Code:
A1
Abstract:
The present invention relates to a method for the treatment of metallized ceramic substrates and to a metal-ceramic substrate obtained by said method.

Inventors:
ROGG ALEXANDER (DE)
WACKER RICHARD (DE)
Application Number:
PCT/EP2016/082180
Publication Date:
June 29, 2017
Filing Date:
December 21, 2016
Export Citation:
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Assignee:
HERAEUS DEUTSCHLAND GMBH (DE)
International Classes:
B23K26/06; B23K26/364; B23K26/40; B28D1/22; B28D5/00; C03B33/02; C03B33/09; C04B37/02; H01L23/373
Domestic Patent References:
WO2004113041A22004-12-29
WO2003078353A12003-09-25
Foreign References:
JP2005271563A2005-10-06
DE102013104055A12014-10-23
EP2754524A12014-07-16
Attorney, Agent or Firm:
GILLE HRABAL (DE)
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Claims:
Patentansprüche

1. Verfahren zum Bearbeiten von Metall-Keramik-Substraten, bei welchen a. eine Laserritzlinie als Sollbruchlinie in dem Metall-Keramik-Substrat unter Verwendung eines Laserstrahls erzeugt wird; und/oder b. ein zumindest teilweises Durchschneiden des Metali-Keramik-Substrats unter Verwendung eines Laserstrahls erfolgt; dadurch gekennzeichnet, dass die Bearbeitung unter Verwendung eines Lasers erfolgt und bei der Erzeugung der Laserritzlinie als Sollbruchlinie oder bei dem Durchschneiden eine Pulsdauer des Lasers verwendet wird, die so gewählt wird, dass im Wesentlichen keine Schmelzphasen des Keramikmaterials gebildet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Laserritzlinie durchgängig oder unterbrochen ausgebildet ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser ein p- sec-Laser ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser eine Pulsdauer von 0,1 bis 100 ps aufweist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Erzeugung der Laserritzlinie als Sollbruchlinie die Laserritzlinie in mehreren Überfahrten des Lasers erzeugt wird und/oder das zumindest teilweise Durchschneiden des Metall-Keramik-Substrats in mehreren Überfahrten des Lasers erfolgt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser ein IR-Laser ist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der IR-Laser eine Leistung von 60 bis 160 Watt aufweist.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz des IR-Lasers 350 bis 650 kHz beträgt.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsenergie des IR-Lasers 100 bis 300 pJ beträgt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Spot-Durchmesser des IR-Lasers 20 bis 100 pm beträgt.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren in einer Vorrichtung durchgeführt wird, die eine Absaugvorrichtung aufweist, die Stäube absorbiert, welche durch die Laserbearbeitungen entstehen.

12. Metallisiertes Keramiksubstrat, erhältlich nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11.

13. Metallisiertes Keramiksubstrat nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Keramiksubstrat einen durchgängigen Ritzgraben aufweist.

14. Metallisiertes Keramiksubstrat nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Keramiksubstrat einen durchgängigen Ritzgraben mit einer Tiefe von mindestens 20 μπΊ, jeweils bezogen senkrecht auf eine planare Oberfläche des Keramiksubstrats, aufweist.

15. Metallisiertes Keramiksubstrat nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Keramiksubstrat eine Kontur aufweist, die von einer geraden Linie abweicht und die mittels Durchschneidens des Keramiksubstrats unter Verwendung eines Laserstrahls erzeugt wurde.

Description:
Verfahren zur Herstellung eines Metall-Keramik Substrates mit Picolaser

Beschreibung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bearbeiten von metallisierten Keramiksubstraten sowie ein Metall-Keramik-Substrat, welches nach diesem Verfahren erhalten wird.

Metall-Keramik-Substrate, welche beispielsweise nach den DGB-, A B- und DAB-Verfahren erhalten werden, sind dem Fachmann bekannt. Diese Metall-Keramik-Substrate werden üblicherweise im sogenannten Mehrfachnutzer) produziert. Bei diesem Mehrfachnutzen weisen die Keramik-Substrate zumindest an einer Oberflächenseite, vorzugsweise aber an beiden Oberflächenseiten der Keramikschicht, Einzelmetallisierungen auf, zwischen denen Sollbruchlinien in der Keramikschicht verlaufen, sodass durch Brechen entlang dieser Sollbruchlinien das großflächige Metall-Keramik-Substrat in Einzelsubstrate getrennt werden kann, die dann jeweils die Leiterplatte eines Schaltkreises oder Moduls bilden können.

Ein Teilschritt des Hersteilungsverfahrens von derartigen Metall-Keramik-Substraten im Mehrfachnutzen ist das Separieren der Einzeiteile aus dem Mehrfachnutzen heraus, was üblicherweise mittels Laser erfolgt. Hierbei kommen in der Regel C0 2 -Resonatoren mit beispielsweise 250 bis 400 Watt zum Einsatz. Durch den Laser werden dicht aneinander gereihte Sacklöcher erzeugt. Diese Sacklöcher bilden eine Sollbruchlinie (Perforation).

Der in diesem Teilschritt verwendete Bewegungsapparat ist üblicherweise mit einem x-y- Tisch für das Metall-Keramik-Substrat und einem starren Laser ausgestattet, da ein C0 2 - Laser mit einer Wellenlänge von etwa 10,6 μπι nicht lichtfaserleitfähig ist und sich mit einem Bewegen der Optik die Länge des optischen Weges und somit die Strahlqualität ändert.

Zum Fokussieren des Lasers wird eine Linse verwendet. Zu deren Schutz wiederum wird ein Prozessgas verwendet (z.B. Druckluft oder Sauerstoff), das gemeinsam mit dem Laserlicht aus einer Prozessgasdüse austritt. Auf diese Weise wird verhindert, dass aus dem Substrat herausgeschleudertes, teilweise schmelzflüssiges Material die Linse verunreinigt (das Prozessgas verhindert das Eindringen von Verunreinigungen in die Düse). Gleichzeitig dient das Prozessgas allerdings auch dazu, dass geschmolzene Material aus dem Laserkegel heraus zu blasen. Aufgrund der häufig bestehenden unterschiedlichen Anforderungen an das Ritzen (einerseits wird die Erzeugung einer Sollbruchlinie gefordert und andererseits wird ein Schneiden oder Bohren, also ein Durchschneiden des Substrats, verlangt) sind die entsprechenden Vorrichtungen zum Bearbeiten der Metall-Keramik-Substrate häufig mit zwei unterschiedlichen Prozessdüsen ausgestattet. Ein Nachteil der bekannten Verfahren besteht darin, dass die Bearbeitung von bestückten Substraten, wie Chips und Drahtbonds, erschwert wird, da die Laserdüse nicht ausreichend nahe an die Substratoberfläche heranreicht. Dadurch können die Laserkegel nicht ausreichend ausgeblasen werden und es verbleiben Glasphasen in den Laserkegeln zurück. Nachteilig an den bekannten Verfahren ist auch, dass Laserstäube und -spritzer von der Oberfläche durch einen Reinigungsschritt entfernt werden müssen.

Nachteilig an den bekannten Verfahren ist ferner, dass beim Schneiden von Keramiken Grate entstehen, die mechanisch entfernt werden müssen. Daraus ergeben sich ein erhöhter Verfahrensaufwand und die Gefahr von erhöhtem Produktausschuss.

Die üblicherweise verwendeten C0 2 -Resonatoren ermöglichen ferner nicht die Bearbeitung von Kupfer, so dass Kupfer nicht durchtrennt werden kann.

Bei den verwendeten C0 2 -Resonaten besteht des Weiteren der Nachteil, dass beim Schneiden der Keramik der Einstichpunkt (Initial-Loch) deutlich zu erkennen ist. Hier entstehen mehr störende Schmelzphasen und Rückstände. Aufgrund des mangelhaften Erscheinungsbildes muss dieser Einstichpunkt üblicherweise in den Bereich des Ausfallteils gelegt werden, was ebenfalls einen erhöhten Aufwand für die Programmerstellung bedeutet und längere Prozesszeiten nach sich zieht.

Des Weiteren besteht Bedarf nach einem Verfahren, mit welchen Metall-Keramik-Substrate von der Rückseite gelasert werden können. Herstellungsbedingt handelt es sich hierbei um die konkave Seite des M eta 11- Kera m i k-S u bstrats . Dabei stehen die Ecken und Kanten des Substrats bei manchen Materialkombinationen nach oben. Zwar kann durch das Ansaugen der Metall-Substrat-Keramik die Durchbiegung reduziert werden, allerdings ist es mit den üblichen C0 2 -Lasern nicht möglich, eine ausreichende Tiefenschärfe zu erzeugen. Daher kommt es häufig im Randbereich zu einer fehlerhaften Laserung und zu einem Ausschuss.

Ausgehend von diesem Stand der Technik stellt sich die vorliegende Erfindung die Aufgabe, die oben beschriebenen Nachteile des Standes der Technik vorzugsweise zu vermeiden.

Insbesondere stellt sich die vorliegende Erfindung die Aufgabe, ein Verfahren zum Bearbeiten von Keramiken bzw. Metall-Keramik-Substraten bereitzustellen, welches mit hoher Kos- teneffizienz und hoher Prozesskapazität pro Laseranlage durchgeführt werden kann. Dabei soll sich das Verfahren insbesondere für Keramiken vom Typ Al 2 0 3 , ZTA (Zirkon-dotiertes AI 2 0 3 ), AIN und S13 4 eignen. Das Verfahren soll dabei vorzugsweise ohne die Bildung von Rückständen auf den Substraten, d.h. Laserstäuben oder Schneidgrate, erfolgen.

Das erfindungsgemäße Verfahren soll des Weiteren vorzugsweise ein Einbringen einer mög- liehst fehlerfrei brechenden Sollbruchlinie bzw. Laserritzlinie ermöglichen, was ein Einbringen einer ausreichenden Lasertiefe sowie das Einbringen einer ausreichend Kerbwirkung erzeugender Mikrorisse erfordert. Darüber hinaus sollen die Laserritzlinien in den nachfolgenden galvanischen Prozessen vorzugsweise nicht metallisieren.

Das erfindungsgemäße Verfahren soll des Weiteren vorzugsweise eine Ablation und ein Durchschneiden von Kupfer des Metall-Keramik-Substrats ermöglichen.

Schließlich soll das erfindungsgemäße Verfahren es vorzugsweise ermöglichen, Keramiksubstrate, die beispielsweise mit Chips und Drahtbonds bestückt sind, zu bearbeiten, ohne die Nachteile in Kauf nehmen zu müssen, die auftreten, wenn der Laserkegel nicht ausgeblasen wird.

Gelöst werden diese Aufgaben durch ein Verfahren zum Bearbeiten von einem Metall- Keramik-Substrat, bei welchem a. eine Laserritzlinie als Sollbruchlinie in dem Metall-Keramik-Substrat unter Verwendung eines Laserstrahls erzeugt wird; und/oder b. ein zumindest teilweises Durchschneiden des Metall-Keramik-Substrats unter Verwendung eines Laserstrahls erfolgt.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist dann dadurch gekennzeichnet, dass die Bearbeitung unter Verwendung eines Lasers erfolgt und bei der Erzeugung der Laserritzlinie als Sollbruchlinie oder bei dem Durchschneiden eine Pulsdauer des Lasers verwendet wird, die so gewählt wird, dass im Wesentlichen keine Schmelzphasen des Keramikmaterials gebildet werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist unabhängig hiervon auch allgemein dadurch gekenn- zeichnet, dass bei der Erzeugung der Laserritzlinie als Sollbruchlinie oder bei dem Durchschneiden der Metall-Keramik-Substrats Verfahrensbedingungen des Lasers verwendet werden, die so gewählt sind, dass im Wesentlichen keine Schmelzphasen des Keramikmaterials gebildet werden.

Glasphasen sind Rückstände in der Laserritzlinie, die vom Laser erhitzt und aufgeschmolzen werden, die aber nicht aus der Ritzlinie entfernt werden und sich in der Laserritzlinie verfestigen.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird unter dem Merkmal„im Wesentlichen keine Schmelzphasen des Keramikmaterials" verstanden, wenn in der Laserritzlinie vorzugsweise weniger als 30 Vol.-%, weiter bevorzugt weniger als 20 Vol.-%, noch weiter bevorzugt weni- ger als 15 Vol.-%, sowie vorzugsweise mehr als 0,1 Vol.-%, weiter bevorzugt mehr als 0,5 Vol.-%, weiter bevorzugt mehr als 1 ,0 VoI.-%, Schmelzphase enthält.

Diese Menge an Schmelzphase bildet sich an der Oberfläche (oberflächliche Belegung). Diese Schmelzphase zeichnet sich dadurch aus, dass sie Mikrorisse aufweisen, die für das anschließende Brechen der Keramik bevorzugte Kerbwirkungen und Spannungserhöhungen verursachen.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, wenn die Laserritzlinien geringe Mengen an Schmelzphasen, d.h. insbesondere die oben beschriebenen Mindestmengen an Schmelzphasen, umfasst.

Die Bildung von zu großen Mengen an Schmelzphasen des Keramikmaterials können ver- mieden werden, wenn der Laser unter bestimmten Verfahrensbedingungen betrieben wird. Hierzu zählen insbesondere (a) die Pulsdauer des Lasers;

(b) die Eindringtiefe des Laser in das Metall-Keramik-Substrat; sowie

(c) der Leistung des Lasers.

Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen des Lasers beschrieben, mit welchem eine Bildung von Schmelzphasen bei Bearbeitung der Keramik im Wesentlichen verhindert werden können.

In dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, dass bei der Erzeugung der Laserritzlinie als Sollbruchlinie die Laserritzlinie in einer Überfahrt oder in mehreren Oberfahrten des Lasers erzeugt wird (Ausführungsform a.). Auch das Durchschneiden des Metall-Keramik- Substrats kann in mehreren Überfahrten des Lasers erreicht werden (Ausführungsform b.).

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann der Laser ausgewählt sein aus einem n-sec- Laser, p-sec- Laser oder f-sec-Laser, wobei allerdings erfindungsgemäß die Verwendung eines p-sec-Laser bevorzugt ist,

Ferner ist weiter bevorzugt, wenn der p-sec-Laser eine Pulsdauer, d.h. eine Dauer des La- serpulses, von vorzugsweise 0,1 bis 100 ps, weiter bevorzugt 0,5 bis 50 ps, noch weiter bevorzugt 1 bis 30 ps, aufweist. Mit der gewählten Pulsdauer ist es möglich, den Laserprozess so zu führen, dass im Wesentlichen keine Schmelzphasen entstehen und somit im Wesentlichen keine Laserspritzer und Laserstäube, die sich auf der Substratoberfläche niederschlagen, gebildet werden. Gleichzeitig wird mit dieser Pulsdauer eine ausreichende Kerbwirkung in der Laserritzlinie erreicht. Da im Rahmen der vorliegenden Erfindung im Wesentlichen nur kalte Stäube und keine Schmelzphasen entstehen und aufgrund eines ausreichend groß gewählten Abstandes von Strahlquelle zu Substratoberfläche ist die Verwendung eines Prozessgases zwar möglich, nicht jedoch zwingend erforderlich.

Die Pulsenergie, d.h. der Energiegehalt eines einzelnen Laserpulses, beträgt vorzugsweise 10 bis 500 pJ, weiter bevorzugt 50 bis 400 pJ, noch weiter bevorzugt 100 bis 350 pj.

Der p-sec-Laser weist vorzugsweise eine Leistung von 20 bis 400 W, weiter bevorzugt 40 bis 200 W, noch weiter bevorzugt 50 bis 180 W, noch weiter bevorzugt 60 bis 160 Watt, noch weiter bevorzugt 80 bis 130 Watt, noch weiter bevorzugt 90 bis 120 Watt, auf.

Die Bearbeitungsgeschwindigkeit des Lasers beträgt vorzugsweise mindestens 0,05 m/sec, weiter bevorzugt mindestens 0,1 m/sec, weiter bevorzugt mindestens 0.15 m/sec, weiter bevorzugt mindestens 0,20 m/sec, weiter bevorzugt mindestens 0,25 m/sec.

Die Bearbeitungsgeschwindigkeit des Lasers beträgt vorzugsweise höchstens 20,0 m/sec, weiter bevorzugt höchstens 19,0 m/sec, weiter bevorzugt höchstens 18,0 m/sec, weiter bevorzugt höchstens 17,0 m/sec, weiter bevorzugt höchstens 16,0 m/sec. Die Bearbeitungsgeschwindigkeit des Lasers beträgt vorzugsweise 0,05 bis 20,0 m/sec, weiter bevorzugt 0,1 bis 19,0 m/sec, weiter bevorzugt 0,15 bis 18,0 m/sec, weiter bevorzugt 0,20 bis 17,0 m/sec, weiter bevorzugt 0,25 bis 16,0 m/sec.

Die Bearbeitungsgeschwindigkeit entspricht dabei der Realgeschwindigkeit, mit welcher sich der Laser über die Keramik bewegt. Entsprechende analoge Ergebnisse lassen sich erzielen, wenn Effektivgeschwindigkeiten des Lasers gewählt werden, bei denen die oben definierte erfindungsgemäße Realgeschwindigkeiten durch die Anzahl an Überfahrten des Lasers geteilt werden, wobei man von 2 bis 50, vorzugsweise 2 bis 40, weiter bevorzugt 2 bis 30, weiter bevorzugt 2 bis 20, Überfahrten ausgehen kann. Überraschenderweise hat sich ferner herausgestellt, dass ein Zusammenhang zwischen verwendeter Resonatorleistung (x in Watt) des Lasers und maximaler realer Bearbeitungsgeschwindigkeit (y in m/sec) des Lasers besteht.

Der Zusammenhang folgt allgemein folgender Funktion: v = y 2,3 « x-40

Hierbei sind die maximalen Bearbeitungsgeschwindigkeiten von der Dicke der Keramik unabhängig.

Sind die realen Bearbeitungsgeschwindigkeiten größer als allgemein oben angegeben oder durch die oben stehende Formel berechnet ist ein wirkungsvolles und sicheres Brechen der Keramiksubstrate entlang der Laserritzlinie nicht möglich. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform beträgt die Bearbeitungsgeschwindigkeit des Lasers vorzugsweise mindestens 0,05 m/sec bis zu einer maximalen Bearbeitungsgeschwindigkeit in m/sec, die sich durch die oben genannte Formel

ergibt, wobei x der Resonatorleistung des Laser in W entspricht. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform beträgt die Bearbeitungsgeschwindigkeit des Lasers vorzugsweise mindestens 0,1 m/sec bis zu einer maximalen Bearbeitungsgeschwindigkeit in m/sec, die sich durch die oben genannte Formel

ergibt, wobei x der Resonatorleistung des Laser in W entspricht. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform beträgt die Bearbeitungsgeschwindigkeit des Lasers vorzugsweise mindestens 0,15 m/sec bis zu einer maximalen Bearbeitungsgeschwindigkeit in m/sec, die sich durch die oben genannte Formel y = ^2,3 ·„v - ~ 40 ergibt, wobei x der Resonatorleistung des Laser in W entspricht.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform beträgt die Bearbeitungsgeschwindigkeit des Lasers vorzugsweise mindestens 0,20 m/sec bis zu einer maximalen Bearbeitungsgeschwindigkeit in m/sec, die sich durch die oben genannte Formel y = -j2 ^x^4Ö

ergibt, wobei x der Resonatorleistung des Laser in W entspricht.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform beträgt die Bearbeitungsgeschwindigkeit des Lasers vorzugsweise mindestens 0,25 m/sec bis zu einer maximalen Bearbeitungsgeschwindigkeit in m/sec, die sich durch die oben genannte Formel

ergibt, wobei x der Resonatorleistung des Laser in W entspricht.

Der Spot-Durchmesser des Lasers beträgt vorzugsweise 20 bis 80 μητι, weiter bevorzugt 30 bis 70 Mm, noch weiter bevorzugt 40 bis 60 μιτι.

In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei dem verwendeten Laser um einen IR-Laser.

Die zugrundeliegenden Aufgaben der vorliegenden Erfindungen werden insbesondere durch die Verwendung eines IR-Lasers, weiter bevorzugt eines p-sec-IR-Lasers, gelöst, wobei, ohne an eine Theorie gebunden zu sein, davon ausgegangen wird, dass das Licht des p- sec- IR-Strahls in die Oberfläche des Keramiksubstrats bzw. in die Oberfläche der Metallbe- Schichtung besonders wirkungsvoll einkoppelt, d.h. von dem Keramiksubstrat bzw. der Me- tallbeschichtung besonders wirkungsvoll absorbiert wird. Darüber hinaus weist ein IR-Laser eine hohe Energieeffizienz auf, was zur Lösung der obenstehenden Aufgaben ebenfalls von Vorteil ist.

Ein weiterer Vorteil der Verwendung von einem IR-Laser zur Bearbeitung von Keramiksub- Straten bzw. Metall-Keramik-Substraten ist, dass das IR-Laserlicht direkt aus Diodenlicht erzeugt werden kann, wohingegen grünes Laserlicht erst aus IR-Laserlicht mit einem Wirkungsgrad von 60 % hergestellt werden muss und UV-Laserlicht wiederum aus grünem Laserlicht mit einem weiteren Wirkungsgrad von ebenfalls 60 % hergestellt werden muss.

Im Gegensetz zu beispielsweise einem C0 2 -Laser kann der p-sec-IR-Laser deutlich weiter von dem zu strukturierenden Metall-Keramik-Substrat entfernt angeordnet werden, wodurch sich eine höhere Tiefenschärfe realisieren lässt.

Mithilfe eines IR-Lasers kann darüber hinaus gegenüber einem C0 2 -Laser eine ausreichend hohe Tiefenschärfe realisiert werden. Wenn im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein IR-Laser verwendet wird, so beträgt die Frequenz des IR-Lasers vorzugsweise 350 bis 650 kHz, weiter bevorzugt 375 bis 625 kHz, noch weiter bevorzugt 400 bis 800 kHz.

Wenn im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein IR-Laser verwendet wird, so beträgt die Pulsenergie des IR-Lasers vorzugsweise 100 bis 300 μϋ " , weiter bevorzugt 125 bis 275 μϋ, noch weiter bevorzugt 150 bis 250 μϋ.

Das erfindungsgemäße Verfahren gemäß den Alternativen a. und b. kann in Gegenwart eines Prozessgases durchgeführt werden. Bei dem Prozessgas handelt es sich beispielsweise um Sauerstoff. Das erfindungsgemäße Verfahren gemäß den Alternativen a. und b. wird vorzugsweise in einer Vorrichtung durchgeführt wird, die eine Absaugvorrichtung aufweist, die Stäube absorbiert, welche durch die Laserbearbeitungen entstehen.

Im Folgenden werden die Ausführungsformen der Bearbeitung von Keramiksubstraten bzw. Metall-Keramik-Substraten näher beschrieben. Ausführunqsform a.i Laserritzlinie als Sollbruchlinie in dem Metall-Keramik-Substrat

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich in einer ersten Ausführungsform zur Erzeugung einer Laserritzlinie als Sollbruchlinie in einem Metall-Keramik-Substrat

Die zu erzeugende Laserritzlinie als Solibruchlinie in dem Metali-Keramik-Substrat kann entweder durchgängig oder unterbrochen in dem Metall-Keramik-Substrat erzeugt werden. Da- mit ein anschließendes Brechen des Metall-Keramik-Substrats einfach möglich ist, ist es bevorzugt, wenn die Tiefe der Laserritzlinie 5 bis 50 %, weiter bevorzugt 8 bis 45 %, noch weiter bevorzugt 10 bis 40 %, der Schichtdicke des Keramiksubstrats beträgt.

Bei einem üblichen Keramiksubstrat wird bei der Erzeugung der Laserritzlinie als Sollbruchlinie üblicherweise Parameter des Lasers, d.h. beispielsweise Pulsdauer, Frequenz und Leis- tung, dergestalt verwendet, dass eine Tiefe der Ritzlinie von mindestens 20 μηι, weiter bevorzugt mindestens 30 pm, noch weiter bevorzugt mindestens 50 μηι, jeweils bezogen senkrecht auf eine planare Oberfläche des Keramiksubstrats, erzeugt wird.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren können Ritzlinien gestaltet werden, die je nach Bedarf hiervon abweichende Tiefen aufweisen. Beispielsweise kann das erfindungsgemäße Verfahren so ausgestaltet sein, dass die Ritztiefe im Anfangsbereich der Ritzlinie höher ist, um eine Initiierung des Bruches zu erleichtern oder um den Bruchverlauf im Übergang zwischen Schneid- und Ritzkonturen zu optimieren. Beispielsweise kann in dem Fall, in welchem die Außenkontur eines Metall-Keramik-Substrats abgerundet werden soll und daher aufgrund des geringen Rundungsradius geschnitten werden muss, sich an den Ecken des Metall-Keramik-Substrats ein Loch ergeben, in dem der Bruchverlauf aus der Ritzlinie gestoppt wird und auf der anderen Seite des Lochs wieder neu initiiert werden muss. In dem Bereich der Neueinleitung des Risses in die Laserritzlinie kann dann vorzugsweise eine höhere Ritztiefe erzeugt werden, um diesen Vorgang der Riss-Neueinleitung zu erleichtern. Die erfindungsgemäß zu erzeugende Ritzlinie weist eine Breite von vorzugsweise 20 bis 70 μιτι, weiter bevorzugt 25 bis 65 pm, noch weiter bevorzugt 30 bis 60 pm, auf und verläuft in x/y-Richtung des Metall-Keramik-Substrats vorzugsweise gerade. Erfindungsgemäß ist daher bevorzugt die Bildung von Bögen oder Radien in der Laserritzlinie nicht vorgesehen. Vorzugsweise werden allenfalls zu Markierungszwecken Konturen durch das Lasern in das Metall-Keramik-Substrat eingebracht.

Wie bereits ausgeführt, wird bei der Erzeugung der Laserritzlinie als Sollbruchlinie vorzugsweise eine Pulsdauer des Lasers verwendet, die so gewählt wird, dass bei dem Lasern im Wesentlichen keine Schmeizphasen des Keramikmaterials gebildet werden. Damit weist die Ritzlinie im Wesentlichen keine Verglasungen an den Seiten der Ritzlinie auf (sogenannter Laseraufwurf). Innerhalb der Ritzlinie selber befinden sich vorzugsweise im Wesentlichen keine, zumindest jedoch kaum Rückstände von Glasphasen (d.h. durch den Laser aufgeschmolzenes, aber nicht entferntes Material). Ferner scheiden sich bei der erfindungsgemäßen Verfahrensweise seitlich der Laserritzlinie im Wesentlichen keine (zumindest kaum) Laserstäube ab.

Die erfindungsgemäß erhaltene Laserritzlinie weist vorzugsweise Mikrorisse auf, die durch thermische Spannungen während des Lasern entstehen und für das anschließende Brechen der Ritzlinien von Vorteil sind. Darüber hinaus metallisiert die Laserritzlinie in den nachfolgenden galvanischen Verfahrensschritten vorzugsweise nicht. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es möglich, dass die Laserritzlinie durch eine Überfahrt des Lasers über das Metall-Keramik-Substrat erzeugt wird. In einer alternativen Verfahrensweise wird die Laserritzlinie als Sollbruchlinie mit mehreren Überfahrten des Lasers erzeugt, was bevorzugt sein kann, um den spezifischen Energieeintrag, d.h. Energie pro Zeit, gering zu halten. Allerdings ist die Anzahl an Überfahrten vom Material, d.h. der Metall- beschichtung oder der verwendeten Keramik, und von der gewünschten Bearbeitungstiefe abhängig.

Die Bearbeitungsgeschwindigkeit des Lasers hängt von den konkreten Verfahrensbedingungen, d.h. dem verwendeten Laser sowie den verwendeten Materialien für Metallbeschichtung und Keramik sowie der gewünschten Bearbeitungstiefe, ab Die Bearbeitungsgeschwindigkeit des Lasers ist vorzugsweise wie vorstehend angegeben.

Ein weiterer Vorteil, der mit der Verwendung eines IR-Lasers einhergeht, ist die Vermeidung von Kreuzungspunkten zweier Ritzlinien. Wenn sich zwei Laserritzlinien kreuzen, besteht bei der Verwendung eines C0 2 -Lasers die Möglichkeit, dass sich die zwei Laserpulse an derselben Stelle überlagern. Dadurch erhöht sich die Tiefe des Einschussloches. Im Extremfall kann es zu einem Durchschuss kommen, der bis auf die gegenüberliegende Keramik-Seite reicht. Das kann sich negativ auf das Brechverhalten oder auch auf die spätere mechanische Festigkeit des Substrats auswirken. Aufgrund der sehr hohen Präzision der IR- Lasertechnologie, insbesondere bei der Verwendung eines p-sec-IR-Laser, sowie der Tatsache, dass alle Ritzlinien mehrfach abgefahren werden und sich somit keine Bevorzugung einer Ritzlinie ergibt, kann einfach eine der Ritzlinien unterbrochen werden oder die Parameter im Kreuzungsbereich werden angepasst und somit eine erhöhte Ritztiefe im Kreuzungsbereich vermieden.

Ein weiterer Vorteil gegenüber der Verwendung von C0 2 -Lasern ergibt sich beim Voriasern von Keramiken mit dem erfindungsgemäß vorgesehenen IR-Laser, insbesondere p-sec-IR- Laser. Im Bereich der Metall-Keramik-Substrate gibt es Produkte, bei denen es vorgelaserte Keramiken verwendet werden. Hierbei wird die Keramik bereits vor dem Verbindungsprozess von Metall und Keramik gelasert. Beispiele hierfür sind Produkte mit Durchkontaktierung (Vias) oder überstehendem Metall (Lead-off). Im Fall der Bearbeitung mit C0 2 -Lasern müs- sen die während des Laserns entstehenden Stäube und Laseraufwurf wieder entfernt werden. Dieses erfolgt beispielsweise mit Tellerbürsten, Ultraschall-Reinigungsanlagen, Läppen oder anderen mechanischen Verfahren. Chemische Verfahren sind im Fall von Aluminiumoxid aufgrund seiner hohen chemischen Beständigkeit nicht sinnvoll einsetzbar. Durch den Einsatz entsprechender IR-Laser entstehen keine Stäbe und Aufwurf, die entfernt wer- den müssen. Eine entsprechende Aufreinigung kann daher vermieden werden.

Ausführungsform b.i Durchschneiden des Metall-Keramik-Substrats unter Verwendung eines Laserstrahls

Teilweise besteht Bedarf, Konturen in die Metall-Keramik-Substrate einzubringen, die von einer geraden Linie abweichen. Hierbei kann es sich beispielsweise um Löcher in der Mitte eines Metall-Keramik-Substrats oder um Abrundungen an den Ecken des Metall-Keramik- Substrats handeln. Solche Konturen können erhalten werden, in dem die Keramik des me- tall-Keramik-Substrats unter Anwendung des Lasers durchschnitten wird.

Wenn im Rahmen der vorliegenden Erfindung das Keramiksubstrat mittels eines Lasers durchschnitten wird, liegt kein Einstichpunkt vor, bei dem ein initiales Durchtrennen der Ke- ramik stattgefunden hat. Daher ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch nicht notwendig, außerhalb der Kontur einzustechen und mit einer Anfahrtrampe sich der eigentlichen Schneidkontur anzunähern.

Wenn im Rahmen der vorliegenden Erfindung das Keramiksubstrat unter Anwendung des Lasers durchtrennt wird, weisen die Schneidflanken einen Winkel auf, der üblicherweise um vorzugsweise maximal 30 °, weiter bevorzugt maximal 25 °, von einem rechten Winkel abweicht. Daraus ergibt sich ein Loch, dass auf der Oberseite größer als auf der Unterseite ist.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Durchtrennung des Keramiksubstrats mit einem IR-Laser, insbesondere p-sec- IR-Laser, ist, dass an der Unterseite, d.h. der Laseraustrittseite, keine durch Schmelzphase gebildeten Grate entstehen, die in einem zusätzlichen Verfah- rensschritt entfernt werden müssten.

Vorteile der Ausführunqsformen a. und b.

Unter Berücksichtigung der oben beschriebenen Ausführungsformen a. und b. ist es möglich, die Metallbeschichtung und das Keramik-Substrat mit demselben Laser zu bearbeiten. Hier- durch lässt sich kostengünstig eine Fertigung von Metall-Keramik-Substraten mit strukturierter Metallbeschichtung realisieren. Im Detail ist es möglich,

I) nur die obere Metallbeschichtung teilweise abzutragen oder bis zur Keramik zu durchtrennen und beispielsweise feine Strukturen in der Metallbeschichtung zu erzeugen, die mit einem Ätzvorgang nicht möglich sind;

II) die Metallbeschichtung und das Keramik-Substrat bis zur unteren Metallbeschichtung zu durchtrennen (Damit kann die Grundlage für Durchkontaktierung geschaffen werden. Füllt man entsprechende Sacklöcher mit einem leitfähigen Material, ist eine Durchkontaktierung hergestellt. Als Füllmaterial eignen sich beispielsweise metallische Pasten oder galvanischen erzeugte Materialien.);

III) Metallbeschichtung und Keramik-Substrat zu durchtrennen bzw. nur die Metallbeschichtung oder das Keramik-Substrat zu durchtrennen, sofern auf der Oberseite des Keramik-Substrats keine Metallbeschichtung vorliegt (beispielsweise weil es bereits weggeätzt wurde oder gar nicht erst aufgebracht wurde).

Das erfindungsgemäße Verfahren der Bearbeitung eines Metall-Keramik-Substrates gemäß Ausführungsform a. und b. wird vorzugsweise in Gegenwart eines Prozessgases durchgeführt, wobei als Prozessgas beispielsweise Sauerstoff oder Druckluft verwendet werden kann. Wie bereits oben ausgeführt, ist die Verwendung eines Prozessgases nicht zwingend erforderlich, kann jedoch angeraten sein, um die Strahlquelle vor Verunreinigungen zu schützen. In diesem Fall würde sich die Verwendung von Druckluft als bevorzugte Alternative anbieten.

Da in dem erfindungsgemäßen Verfahren durch die Laserbearbeitung Stäube entstehen, ist es besonders bevorzugt, wenn die verwendete Vorrichtung eine Absaugvorrichtung aufweist, die Stäube absorbiert, welche durch die Laserbearbeitungen entstehen.

Die Absaugvorrichtung kann beispielsweise durch ein absaugendes Rohr oder einen absaugenden Kasten gebildet werden, der das projizierte Laserlicht umhüllt und dessen Unterkante einen Abstand zur Oberfläche des Metall-Keramik-Substrats von vorzugsweise 0,5 bis 10 cm, weiter bevorzugt von 0,75 bis 7,5 cm, noch weiter bevorzugt 1 bis 5 cm, aufweist.

Weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Metall-Keramik-Substrat, welches nach dem oben beschriebenen Verfahren erhalten wird.

Das erfindungsgemäße Metall-Keramik-Substrat kann einen durchgängigen oder unterbrochenen Ritzgraben aufweisen, der beispielsweise eine Tiefe von mindestens 20 [im, weiter bevorzugt mindestens 30 μη-ι, noch weiter bevorzugt mindestens 50 μιτι, jeweils bezogen senkrecht auf eine planare Oberfläche des Keramiksubstrats, aufweist.

Bei einem Keramiksubstrat mit einer Schichtdicke von 0,38 mm beträgt die Zieltiefe der Laserritzlinie vorzugsweise 30 bis 120 μηι, weiter bevorzugt 40 bis 1 10 μπι, noch weiter bevorzugt 50 bis 100 μΐτι. Bei einem Keramiksubstrat mit einer Schichtdicke von 0,63 mm beträgt die Zieltiefe der Laserritzlinie vorzugsweise 40 bis 140 μηι, weiter bevorzugt 50 bis 130 μΐη, noch weiter bevorzugt 60 bis 120 μΐΌ.

Darüber hinaus weist das Metali-Keramik-Substrat eine Breite des Ritzgrabens von vor- zugsweise 15 bis 75 μητι, weiter bevorzugt 20 bis 70 μιη, noch weiter bevorzugt 25 bis 65 pm, auf.

Das mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bearbeitete Keramiksubstrat ist im Wesentlichen frei von Vergiasungen an den Seiten der Ritzlinie und innerhalb der Ritzlinie im Wesentlichen frei von Rückständen von Glasphasen. Aufgrund der im Bereich der Ritzlinie gebildeten Mik- rorisse ist ein Brechen des Keramiksubstrats ohne Schwierigkeiten möglich.

Das erfindungsgemäße Meta I I-Keram ik-Su betrat kann eine durch die Behandlung mit dem IR-Laser erhaltene Kontur aufweisen, die von einer geraden Linie abweicht und die mittels Durchschneidens des Keramiksubstrats unter Verwendung eines Laserstrahls erzeugt wurde. Darüber hinaus ist es möglich, dass das erfindungsgemäße Metall-Keramik-Substrat Löcher und/oder Abrundungen an den Ecken aufweist, welche mitteis des Durschneidens des Keramiksubstrats erzeugt wurden.

Die durch das IR-Laser- Verfahren mit einem p-sec-IR-Laser erhaltene Metall-Keramik- Substrat weist Schneidflanken mit einem Winkel auf, der um vorzugsweise maximal 30 °, weiter bevorzugt maximal 25 °, von einem rechten Winkel abweicht. Sollten durch das IR- Laser-Verfahren Löcher in das Metall-Keramik-Substrat eingebracht werden, so kann deren Größe auf den beiden Seiten des Keramiksubstrats unterschiedlich sein. Allerdings weist das Metall-Keramik-Substrat vorzugsweise an dem Loch und/oder Abrundung keinen Grat auf.

Durch das erfindungsgemäße IR-Laser- erfahren sind Metall-Keramik-Substrate erhältlich, die eine Kodierung auf der Metallbeschichtung des Keramik-Substrats aufweisen. Diese Ko- dierung wird vorzugsweise durch ein Abtragen der Metallbeschichtung durch den IR-Laser bewirkt.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sind darüber hinaus Metall-Keramik-Substrate erhältlich, bei welchen die Metallisierung auf dem Keramiksubstrat mindestens eine Rand- abschwächung aufweist oder aber in welchen die Metallisierung mindestens eine Vertiefung zur Aufnahme von elektronischen Bauteilen, insbesondere Chips, aufweist, wobei die Vertiefung durch eine Laserbehandlung erzeugt wurde. Die vorliegende Erfindung wind anhand der nachfolgenden Beispiele näher erläutert:

Beispiel 1 :

(1 ) Metall-Keramik-Substrat: Die nachfolgenden Versuche werden an einem Metall-Keramik-Substrat durchgeführt, dass mittels des DCB-Verfahrens erhalten wird. Bei dem Keramiksubstrat handelt es sich um eine Al 2 0 3 -Keramikmaterial. Die Schichtdicke des Keramiksubstrats beträgt 0,38 mm (Versuchsreihe 1 ) sowie 0,63 mm (Versuchsreihe 2).

(2) Laser

Die nachfolgenden Versuchen werden mit folgendem Laser durchgeführt:

Leistung: 100 W Laserquelle: IR Pulsdauer Laser: 0,1 bis 100 ps Pulsenergie Laser: 10 bis 500 μϋ Spot-Durchmesser: 30 μΐη Frequenz Laser: 350 bis 650 kHz

Mit dem oben beschriebenen Laser wird in das Keramiksubstrat eine Laserritzlinie erzeugt und anschließend wird das Keramiksubstrat in der Laserritzlinie gebrochen.

(3) Ergebnisse

Versuchsreihe reale BearbeitungsgeschwinBrechverhalten Keradigkeit miksubstrat

1 7,5 m/sec +

1 10 m/sec +

1 15 m/sec 0

1 20 m/sec -

2 7,5 m/sec +

2 10 m/sec +

2 15 m/sec 0

2 20 m/sec - Bewertung:

+: gutes Brechverhalten

0: mittleres Brechverhalten

-; schlechtes Brechverhalten

Die Versuchsreihe zeigt, dass Realgeschwindigkeiten des IR-Lasers zwischen bis 15 m/sec für das Brechverhalten geeignet sind. Höhere Realgeschwindigkeiten des IR-Lasers führen zu einem schlechten Brechverhaiten.

Mit diesen Geschwindigkeiten der IR-Lasers werden Glasphasen in der Laserritzlinie im Wesentlichen vermieden und es bilden sich ausreichend Mikrorisse, so dass eine Durchtren- nung der Keramik möglich ist.

Reaigeschwindigkeiten unterhalb von 0,05 m/sec sind nachteilig, weil zu tiefe Ritzlinien (zu viel Bildung von Glasphasen) entstehen. Darüber hinaus sind Realgeschwindigkeiten unterhalb von 0,05 m/sec aus wirtschaftlichen Gründen benachteiligt.