Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Metall-Kera- mik-Substrats und ein Metall-Keramik-Substrat hergestellt mit einem solchem Ver fahren.

Metall-Keramik-Substrate sind beispielsweise als Leiterplatten oder Platinen aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt, beispielsweise aus der DE 10 2013 104 739 A1 , der DE 19 927 046 B4 und der DE 10 2009 033 029 A1 . Typischer weise werden auf einer Bauteilseite des Metall-Keramik-Substrats Anschlussflä chen für elektrische Bauteile und Leiterbahnen angeordnet, wobei die elektrischen Bauteile und die Leiterbahnen zu elektrischen Schaltkreisen zusammenschaltbar sind. Wesentliche Bestandteile der Metall-Keramik-Substrate sind eine Isolations schicht, die bevorzugt aus einer Keramik gefertigt ist, und wenigstens eine an die Isolationsschicht angebundene Metallschicht. Wegen ihrer vergleichsweise hohen Isolationsfestigkeiten haben sich aus Keramik gefertigte Isolationsschichten in der Leistungselektronik als besonders vorteilhaft erwiesen. Durch eine Strukturierung der Metallschicht können sodann Leiterbahnen und/oder Anschlussflächen für die elektrischen Bauteile realisiert werden.

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

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

Ferner ist, beispielsweise aus der DE 102013 113734 B4 sowie aus der JP 4 - 325470, ein Verfahren bekannt, bei dem mittels heißisostatischem Pressen eine Anbindung einer Metallschicht an eine Keramikschicht zwecks der Ausbildung ei nes Metall-Keramik-Substrats vollzogen wird. Das heißisostatische Pressen wird darüber hinaus auch zur Nachbehandlung verwendet, um eine Anzahl an gebilde ten Lunkern, die während der Anbindung mit einem Lotverfahren oder mit einem Direktmetallanbindungsverfahren entstehen, zu reduzieren.

Ausgehend vom Stand der Technik macht es sich die vorliegende Erfindung zur Aufgabe, ein Verfahren zum Herstellen von Metall-Keramik-Substraten bereitzu stellen, das gegenüber den bekannten Verfahren weiter verbessert ist, insbeson dere in Hinblick auf eine erfolgreiche, möglichst lunkerfreie, energiesparende und prozesssichere Anbindung des Metalls an die Keramik.

Die vorliegende Erfindung löst diese Aufgabe mit einem Verfahren zur Herstellung eines Metall-Keramik-Substrats gemäß Anspruch 1 und einem Metall-Keramik- Substrat gemäß Anspruch 15. Weitere Ausführungsformen sind den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung zu entnehmen.

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

- Bereitstellen eines Keramikelements, einer Metalllage und mindestens einer Me tallschicht,

- Ausbilden eines Ensembles aus dem Keramikelement, der Metalllage und der mindestens einen Metallschicht,

- Ausbilden eines gasdichten, das Keramikelement umgebenden Behälters, wobei im Behälter die mindestens eine Metallschicht zwischen dem Keramikelement und der Metalllage angeordnet ist, und

- Ausbilden des Metall-Keramik-Substrats durch heißisostatisches Pressen.

Gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren wird erfindungs gemäß neben der Metalllage die mindestens eine Metallschicht zwischen die Me talllage und das Keramikelement eingebracht und anschließend werden Metall lage, die mindestens eine Metallschicht und das Keramikelement miteinander ge fügt. Mit anderen Worten: es wird eine zusätzliche Metallschicht in den Behälter eingebracht, die zusammen mit der Metalllage im Rahmen des heißisostatischen Pressens Teil der Metallisierung wird, die sich am gefertigten Metall-Keramik-Sub- strat ausbildet. Die Verwendung einer solchen Anordnung, bei der eine zusätzliche Metallschicht zwischen Metalllage und Keramikelement eingebracht wird, erlaubt insbesondere eine größere Freiheit bei der Fertigung der Behälter und gibt zudem die Freiheit, Eigenschaften der späteren Metallisierungen am gefertigten Metall- Keramik-Substrat wunschgemäß einstellen zu können.

Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass bei einem heißisostatischem Pressen der Behälter, insbesondere der Metallbehälter, in einer Heiz- und Druckvorrichtung ei nem Gasdruck zwischen 100 und 2000 bar, bevorzugt 150 bar und 1200 bar und besonders bevorzugt 300 und 1000 bar und einer Prozesstemperatur von 300 °C bis zu einer Schmelztemperatur der Metalllage und/oder einer weiteren Metalllage, insbesondere bis zu einer Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur der Me talllage und/oder der weiteren Metalllage, ausgesetzt wird. Es hat sich in vorteil hafter Weise herausgestellt, dass es so möglich ist, eine Metallschicht, d. h. die mindesten eine Metallschicht bzw. die Metalllage und/oder die weitere Metalllage des Metallbehälters, an das Keramikelement anzubinden, ohne die erforderlichen Temperaturen eines Direktmetallanbindungsverfahrens, beispielsweise eines DCB- oder einem DAB-Verfahrens, und/oder ohne ein Lotbasismaterial, das beim Aktivlöten verwendet wird, zu erreichen. Darüber hinaus gestattet das Nutzen bzw. die Verwendung eines entsprechenden Gasdrucks die Möglichkeit, möglichst lun kerfrei, d. h. ohne Gaseinschlüsse zwischen Metallschicht und Keramikelement ein Metall-Keramik-Substrat zu fertigen. Insbesondere finden Prozessparameter Verwendung, die in der DE 102013 113734 A1 erwähnt werden und auf die hier mit explizit im Zusammenhang mit dem heißisostatischen Pressen Bezug genom men wird.

Beim heißisostatischen Pressen ist es insbesondere vorgesehen, dass ein Erhit zen erfolgt, insbesondere ein Sintern und/oder Tempern, bei dem die Metalllage und/oder die weitere Metalllage des Metallbehälters und/oder die mindestens eine Metallschicht, insbesondere die spätere Metallisierung des Metall-Keramik-Sub- strats, nicht in die Schmelzphase Übertritt. In entsprechender weise sind beim hei ßisostatischen Pressen geringere Temperaturen als bei einem Direktmetallanbin dungsverfahren, insbesondere einem DCB-Verfahren, erforderlich. Die Verwen dung bzw. die Nutzung des Drucks beim heißisostatischen Pressen erweist sich dabei zudem als vorteilhaft, weil dadurch Lufteinschlüsse bzw. Poren zwischen der Metalllage und/oder der weiteren Metalllage bzw. der mindestens einen Metall schicht einerseits und dem Keramikelement andererseits reduziert werden kön nen, wodurch die Ausbildung von Lunkern in ihrer Häufigkeit im gebildeten bzw. gefertigten Metall-Keramik-Substrat reduziert oder gar vermieden werden kann. Dies wirkt sich vorteilhaft auf die Qualität der Bindung zwischen der mindestens ei nen Metallschicht bzw. der Metalllage und/oder weiteren Metalllage des Metallbe hälters und dem Keramikelement aus. Insbesondere wird auf diese Weise ein „so- lid-state diffusion bonding“ (SDB)-Verfahren realisiert. Vorzugsweise ist das Metall-Keramik-Substrat als Leiterplatte vorgesehen, bei der im gefertigten Zustand die Metallisierung, die an das Keramikelement angebunden ist, strukturiert ist. Beispielsweise ist es hierzu vorgesehen, dass zum Ausbilden des Metall-Keramik-Substrats neben einem heißisostatischen Pressen, auch ein Strukturieren, beispielsweise durch Lasern, Ätzen und/oder eine mechanische Be arbeitung, vorgenommen wird, mit dem Leiterbahnen und/oder Anschlüsse für elektrische oder elektronische Bauteile realisiert werden. Vorzugsweise ist es vor gesehen, dass am gefertigten Metall-Keramik-Substrat an dem Keramikelement, an dem der Metallisierung bzw. der Bauteilmetallisierung gegenüberliegenden Seite, eine Rückseitenmetallisierung und/oder ein Kühlelement vorgesehen ist. Dabei dient die Rückseitenmetallisierung vorzugsweise dazu, einer Durchbiegung entgegenzuwirken und das Kühlelement dient einem wirkungsvollen Abführen von Wärme, die im Betrieb von elektrischen bzw. elektronischen Bauteilen ausgeht, die an die Leiterplatte bzw. das Metall-Keramik-Substrat angebunden sind.

Als Materialien für die Metalllage, die weitere Metalllage und/oder die mindestens eine Metallschicht ist Kupfer, Aluminium, Molybdän, Wolfram und/oder deren Le gierungen wie z. B. CuZr, AlSi oder AlMgSi, sowie Laminate wie CuW, CuMo,

CuAI und/oder AICu oder MMC (metal matrix composite), wie CuW, CuMo oder Al- SiC, vorstellbar. Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass die Metalllage, die wei tere Metalllage und/oder die mindestens eine Metallschicht am gefertigten Metall- Keramik-Substrat, insbesondere als Bauteilmetallisierung, oberflächenmodifiziert ist. Als Oberflächenmodifikation ist beispielsweise eine Versiegelung mit einem Edelmetall, insbesondere Silber; und/oder Gold, oder (electroless) Nickel oder EN IG („ electroless nicket immersion gold “) oder ein Kantenverguss an der Metalli sierung zur Unterdrückung einer Rissbildung bzw. -Weitung denkbar. Beispiels weise unterscheidet sich auch die Metalllage von der weiteren Metalllage.

Vorzugsweise weist das Keramikelement AI2O3, S13N4, AIN, eine HPSX-Keramik (d. h. eine Keramik mit einer AI2O3- Matrix, die einen x-prozentigen Anteil an Zr0 ₂ umfasst, beispielsweise AI2O3 mit 9% Zr0 ₂ = HPS9 oder AI2O3 mit 25% ZrÖ2 = HPS25), SiC, BeO, MgO, hochdichtes MgO (> 90% der theoretischen Dichte), TSZ (tetragonal stabilisiertes Zirkonoxid) als Material für die Keramik auf. Es ist dabei auch vorstellbar, dass das Keramikelement als Verbund- bzw. Hyb ridkeramik ausgebildet ist, bei der zur Kombination verschiedener gewünschter Ei genschaften mehrere Keramikschichten, die sich jeweils in Hinblick auf ihre mate rielle Zusammensetzung unterscheiden, übereinander angeordnet und zu einem Keramikelement zusammengefügt sind.

Vorzugweise ist es vorgesehen, dass die Metalllage dicker oder dünner als die mindesten eine Metallschicht oder im Wesentlichen genauso dick wie die mindes tens eine Metallschicht ist, wobei vorzugsweise ein Verhältnis einer ersten Dicke der Metalllage zu einer zweiten Dicke der mindestens einen Metallschicht einen Wert zwischen 0,01 und 2, bevorzugt zwischen 0,1 und 2 und besonders bevor zugt zwischen 0,15 und 0,5 bzw. 2 annimmt. Es hat sich ferner herausgestellt, dass sich für erste Dicken zwischen 0,2 und 0,3 mm besonders gute Ergebnisse eingestellt haben, insbesondere wenn ein Verhältnis einer ersten Dicke der Metall lage zu einer zweiten Dicke der mindestens einen Metallschicht einen Wert zwi schen 0,01 und 0,5, bevorzugt zwischen 0,1 und 0,5 und besonders bevorzugt zwischen 0,15 und 0,5 bzw. 0,5 annimmt. Es hat sich herausgestellt, dass die Ver wendung von vergleichsweise dünnen Metalllagen den Fertigungsprozess, insbe sondere das gasdichte Verschließen des Behälters, vereinfacht, wobei das gas dichte Verschließen für die Nutzung bzw. Ermöglichung des heißisostatischen Pressens erforderlich ist. Damit unterscheidet man sich insbesondere von solchen Verfahren aus dem Stand der Technik, bei dem entsprechende Bleche zur Ausbil dung der Behälter verbogen werden, um anschließend ihre freien Enden miteinan der zu verschweißen.

Insbesondere herrscht beim Ausbilden des Metall-Keramik-Substrats im Behälter eine Atomsphäre, die frei von Sauerstoff ist. Vorzugsweise wird hierzu vor einem Verschließen des Behälters der Sauerstoff aus dem Behälter entfernt. Beispiels weise wird der Behälter evakuiert und es herrscht während des Anbindens ein Va- kuum in der Anordnung von Metallschicht, Metalllage und Keramikelement. Insbe sondere herrscht ein Druck im Behälter von weniger als 150 mbar, bevorzugt we niger als 50 mbar und besonders bevorzugt weniger als 20 mbar.

Vorzugsweise nimmt die erste Dicke (D1) einen Wert zwischen 10 gm und 500 gm, bevorzugt zwischen 50 gm und 400 gm und besonders bevorzugt zwischen

100 gm und 300 gm an. Derart dünne erste Dicken erweisen sich insbesondere deshalb als vorteilhaft, weil mit Ihnen der Behälter einfacher geschlossen werden kann. Schließlich lassen sie sich einfacher verbiegen, beispielsweise beim Ferti gen des Behälters. Bevorzugt ist die erste Dicke kleiner als 100 gm, bevorzugt kleiner als 80 gm und besonders bevorzugt kleiner als 50 gm.

Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass die zweite Dicke einen Wert zwischen 100 gm und 10.000 gm, bevorzugt zwischen 150 gm und 6.000 gm und besonders be vorzugt zwischen 600 gm und 5.000 gm annimmt. In entsprechender Weise wer den vergleichsweise dicke mindestens eine Metallschichten genutzt, um entspre chend dicke Metallisierungen im gefertigten Metall-Keramik-Substrat auszubilden. Derart dicke Metallisierungen erweisen sich insofern als vorteilhaft, als dass sie bereits eine Wärmespreizung innerhalb der Metallisierungen begünstigen, an die die elektrischen bzw. elektronischen Bauteile angebunden sind. Dadurch kann in vorteilhafter Weise die abtransportierte Wärme gleichmäßiger verteilt werden und somit effizienter weggeführt werden. Dabei erweist sich insbesondere das Verfah ren, bei dem die mindestens eine Metallschicht in den Behälter, geformt aus der Metalllage, eingebracht wird als vorteilhaft, weil dadurch besonders einfach die Di ckenverhältnisse eingestellt werden können.

Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass die Metalllage und die mindestens eine Me tallschicht aus unterschiedlichen Metallen bzw. Materialien gefertigt sind. Bei spielsweise ist es vorstellbar, dass die Metalllage aus Nickel gefertigt ist, wodurch eine Oberflächenversiegelung der späteren Metallisierung bereits während des Anbindungsprozesses geschaffen wird. Außerdem eröffnen sich durch die Ver- Wendung zweier verschiedener Materialien neue Gesamteigenschaften für die Me tallisierung. Dadurch können sich neue Anwendungsfälle eröffnen für die derartig geformten Metall-Keramik-Substrate.

Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass eine funktionelle Schicht, insbesondere eine als Diffusionsbarriere dienende funktionelle Schicht, zwischen die mindestens eine Metallschicht und die Metalllage angeordnet wird, vorzugsweise vor dem Bil den bzw. Bereitstellen des Behälters. Dabei wird zwischen der Metalllage und der mindestens eine Metallschicht beispielsweise als funktionale Schicht eine weitere funktionelle Metallschicht aufgebracht, die bevorzugt als Diffusionsbarriere zwi schen Metallschicht und Metalllage dient. Dabei handelt es sich z. B. um eine Me tallfolie, die einen thermomechanischen Ausdehnungskoeffizient aufweist, der sich von denjenigen der mindestens einen Metallschicht und/oder der Metalllage unter scheidet. Es ist auch vorstellbar, dass die funktionelle Schicht, beispielsweise in Form eines Carbids, Nitrids und/oder als Metall, z. B. mittels eines gasphysikali schen Abscheideverfahren aufgebracht wird auf die Metalllage und/oder die min destens eine Metallschicht, um nach dem Bilden des Behälters zwischen der Me talllage und der mindestens einen Metallschicht angeordnet zu sein. Weiterhin ist es vorstellbar, dass eine Mischschicht, die sowohl Metall als auch Keramik um fasst, als funktionelle Schicht dient. Beispielsweise kann es sich dabei um ein Pul vergemisch aus einem Metallpulver, einem Keramikpulver und/oder einem Me talloxidpulver handeln. Vorzugsweise ist das Pulvergemisch gebildet aus einem Hybridpulver, das beispielsweise durch ein Mechanofusionsverfahren entsteht und Pulverteilchen umfasst, in die Metall und Keramik integriert sind. Mit anderen Wor ten: Metall und Keramik sind zu einem gemeinsamen Pulverteilchen verschmol zen. Alternativ ist eine poröse Metall-Keramik-Verbundschicht vorstellbar, die als funktionelle Schicht verwendet wird.

Die Nutzung der funktionellen Schicht hat sich als besonders vorteilhaft herausge stellt, da dadurch beispielsweise das charakteristische Kornwachstum einer Schicht, d. h. der Metalllage oder der mindestens eine Metallschicht, auf diese Schicht begrenzt wird, da die Körner nicht durch die als Diffusionsbarriere die nende funktionelle Schicht hindurchwachsen können. Im Falle von unterschiedli chen Metallen in der mindestens einen Metallschicht und der Metalllage wird dadurch beispielsweise eine Interdiffusion zwischen beiden verhindert, die be stimmte Materialeigenschaften der jeweiligen Schicht, insbesondere die thermi sche und elektrische Leitfähigkeit, negativ beeinträchtigen könnten. Weiterhin kann auf diese Weise die Bildung von intermetallischen Phasen zwischen der min destens einen Metallschicht und der Metalllage unterbunden werden, sollten die jeweiligen Schichten aus bestimmten, unterschiedlichen Metallen gebildet sein z.B. Cu und Ti. Als Materialien der Diffusionsbarriere bieten sich sowohl Metall schichten als auch carbidische oder nitridische Verbindungen an. Die Schichtdi cken der funktionellen Schicht sollte kleiner als 100 pm, bevorzugt kleiner als 20 pm und besonders bevorzugt kleiner als 10 pm sein.

Weiterhin ist es vorstellbar, dass mehrere Metallschichten vorgesehen sind, die zwischen der Metalllage und dem Keramikelement angeordnet sind, wobei ergän zend oder alternativ zu der funktionellen Schicht zwischen der Metalllage und den Metallschichten zwischen einzelnen Metallschichten der mehreren Metallschichten eine funktionelle Schicht angeordnet wird.

Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass die Metalllage und/oder mindestens eine Metallschicht derart gestaltet sind, dass sich im gefertigten Metall-Keramik-Sub- strat unterschiedliche Korngrößen einstellen, wobei vorzugsweise ein erster Me tallbereich, der aus der Metalllage gebildet wird, eine kleinere Korngröße aufweist als ein zweiter Metallbereich, der aus der mindestens einen Metallschicht gebildet wird. Mit anderen Worten: im gefertigten Metall-Keramik-Substrat liegt an der Au ßenseite eine kleinere Körnung in der Metallisierung vor als in dem Metallbereich, der am Keramikelement anliegt und aus der mindestens einen Metallschicht durch den Anbindungsprozess hervorgeht. Eine derartige Beeinflussung der Korngrößen kann entweder durch eine im Vorfeld der Bereitstellung der Metalllage und der mindestens einen Metallschicht vollzogenen Temperaturbehandlung erzielt wer- den, d. h. die mindestens eine Metallschicht und die Metalllage werden unter schiedlichen Temperaturbehandlungen unterzogen. Alternativ oder ergänzend ist es vorstellbar, dass ein Anteil an Fremdstoffen bzw. Verunreinigungen innerhalb der Metallschicht und/oder der Metalllage derart eingestellt wird, dass eine ge zielte Korngröße sich im Rahmen des Anbindungsprozesses, der unter Tempera tur- und Druckeinwirkung erfolgt, einstellt. Dadurch lassen sich in entsprechender Weise die Korngrößen zumindest in ihrem relativen Verhältnis zueinander einstel len. Dies erweist sich insbesondere deswegen als vorteilhaft, weil eine gröbere Körnung sich vorteilhaft auswirkt auf die Temperaturwechselbeständigkeit, wenn sie im zweiten Metallbereich ausgebildet ist, der am Keramikelement anliegt. Gleichzeitig erweist sich die Verwendung eines feinkörnigen Metallbereichs an der Außenseite als vorteilhaft, weil es beispielsweise ein Drahtbonden vereinfacht und/oder eine automatische optische Inspektion vereinfacht.

Vorzugsweis ist ein Verhältnis der Korngröße des ersten Metallbereichs zu der Korngröße des zweiten Metallbereichs kleiner als 0,3, bevorzugt kleiner als 0,2 und besonders bevorzugt kleiner als 0,15. Beispielsweise nehmen die Korngrößen einen Wert unterhalb von 600 pm, bevorzugt unterhalb von 300 pm und beson ders unterhalb von 200 pm an. Beim Vergleich der Korngrößen wird vorzugsweise jeweils für den ersten Metallbereich und den zweiten Metallbereich ein Mittelwert, beispielsweise für mindestens 50 Körner, herangezogen und anschließend aus den Mittelwerten das besagte Verhältnis gebildet. Vorzugsweise erfolgt das Be stimmen der Korngrößen über ein Linienschnittverfahren, bei dem die jeweilige Er streckung verschiedener Körner entlang einer vorgegebenen Linie bestimmt wird. Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass zum Ausbilden des Metall-Keramik-Sub- strats zwischen dem Behälter und dem Keramikelement, vorzugsweise zwischen der mindestens einem Metallschicht und dem Keramikelement und/oder zwischen der mindestens einen Metallschicht und der Metalllage, mindestens abschnitts weise eine Aktivmetallschicht und/oder eine aktivmetallumfassende Kontaktschicht angeordnet wird bzw. ist. Dadurch ist es in vorteilhafter Weise möglich, die Anbin dung der mindestens einen Metallschicht an das Keramikelement zu unterstützen. Insbesondere hat sich herausgestellt, dass dadurch eine flächige, insbesondere homogen verteilte Bindungsschicht zwischen der mindestens einen Metallschicht und dem Keramikelement realisiert werden kann. Weiterhin ist es vorstellbar, dass zwischen der Metalllage und der mindestens einen Metallschicht eine weitere Haftvermittlerschicht, beispielsweise eine Aktivmetallschicht oder ein Lotmaterial eingebracht wird, um im Rahmen eines Lotprozesses die Anbindung der Metall lage an die mindestens eine Metallschicht zu unterstützen. Dabei ist es vorstellbar, ein Lotmaterial zu verwenden, dessen Prozesstemperatur unterhalb derjenigen Temperatur liegt, die bei heißisostatischen Pressen verwendet wird. Dadurch wird sichergestellt, dass auch die Metalllage des Behälters im Rahmen des heißisosta tischen Pressens angebunden wird an die mindestens eine Metallschicht.

Dabei ist es vorzugsweise vorgesehen, dass die Aktivmetallschicht und/oder die Aktivmetall haltige Kontaktschicht Teil des Ensembles werden bzw. Teil des En sembles beim Anbinden sind. Mit anderen Worten: das Ensemble wird um die Ak tivmetallschicht ergänzt.

Insbesondere weist die Aktivmetallschicht und/oder die ein Aktivmetall umfas sende Kontaktschicht einen Anteil an Aktivmetall auf, der größer ist als 15 Gew. - %, bevorzugt größer als 50 Gew. % und besonders bevorzugt größer als 75 Gew. %. Damit unterscheidet sich die Schicht von aktivmetallhaltigen Lötmaterialien, die typischerweise einen Aktivmetallanteil von bis zu 10 Gew. - % aufweisen.

Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass zwischen der Metalllage und dem Kerami kelement nur eine Aktivmetallschicht bzw. nur ein Aktivmetall vorgesehen ist. Ins besondere wird die Anbindung ohne ein Lotbasismaterial bzw. unter Verzicht auf ein Lotbasismaterial durchgeführt. Im Vergleich zu der Anbindung einer Metall schicht an eine Keramikschicht mittels eines Lotmaterials, bei dem üblicherweise Temperaturen unterhalb der Schmelztemperatur der Metallschicht verwendet wer den, kann bei der vorliegenden Vorgehensweise in vorteilhafter Weise auf ein Lot basismaterial verzichtet werden und es wird lediglich ein Aktivmetall benötigt. Außerdem können schmalere Isolationsgräben im Vergleich zur Herstellung mit Lotverfahren realisiert werden, beispielsweise in einer Dimension, die derjenigen Breite von Isolationsgräben entspricht, die bei mittels DCB-Verfahren hergestellten Substraten erzielt werden können. Insbesondere können Isolationsgräben um etwa 200 pm verkleinert werden, da nicht mit Lotrückständen zu rechnen ist, die bei der Nutzung von Aktivlotverfahren in der Regel bis zu etwa 200 pm in die Iso lationsgräben hineinragen. Dieser Lotrückstand wird dabei ausgehend von dem Ende der Ätzflanke in Richtung des Isolationsgrabens bemessen. Die Lotrück stände bemessen sich dabei in Summe der voneinander gegenüberliegenden Me tallabschnitten, die einen Isolationsgraben in einer Richtung parallel zur Haupter streckungsebene verlaufenden Richtung begrenzen.

Beispiele für ein Aktivmetall sind Titan (Ti), Zirkonium (Zr), Hafnium (Hf), Chrom (Cr), Niob (Nb), Cer (Ce), Tantal (Ta), Magnesium (Mg), Lanthan (La) und Vana dium (V). Hierbei ist zu beachten, dass die Metalle La, Ce, Ca und Mg leicht oxi dieren können. Ferner wird angemerkt, dass die Elemente Cr, Mo und W keine klassischen Aktivmetalle sind, sich aber als Kontaktschicht zwischen S13N4 und der mindestens einen Metallschicht bzw. dem Lotsystem bzw. Lotmaterial eignen, da sie mit der mindestens einen Metallschicht, beispielsweise Kupfer, keine interme tallischen Phasen bilden und keine Randlöslichkeit haben. Insbesondere handelt es sich bei dem Lotbasismaterial, auf das verzichtet wird im Verfahren, um ein me tallbasiertes Basismaterial, vorzugsweise um ein silberbasiertes oder ein kupfer basiertes Basismaterial. In einem silberbasierten Basismaterial ist Silber die Hauptkomponente, d. h. der Bestandteil mit dem bezüglich der Gewichtsprozente höchsten Anteil, während in einem kupferbasierten Basismaterial Kupfer die Hauptkomponente ist. Beispiele für ein silberbasiertes Basismaterial sind AgCu, insbesondere AgCu28, AgCuln, AgCuSn und AgCuGa. Beispiele für ein kupferba siertes Basismaterial sind Kupfer CuSn, CuAg, Culn, CuGa, CulnSn, CulnMb, CuGaSn. Auch ist es vorstellbar auf ein Lotbasismaterial auf Basis von NiCrMn o- der SnCu zu verzichten. Weiterhin ist unter einer ein Aktivmetall umfassenden Kontaktschicht eine solche Schicht zu verstehen, die beispielsweise eine ein Aktivmetall enthaltende Verbin dung umfasst, wie beispielsweise TiN, TiC oderTiO, insbesondere in unterschied lichen Oxidationstufen bzw. in unterschiedlichen stöchiometrischen und nicht-stö chiometrischen Verbindungen. Denkbar ist auch, dass es sich um eine Legierung handelt, die ein Aktivmetall oder mehrere Aktivmetalle aufweist.

Alternativ zum Anbinden ohne Lotbasismaterial ist es auch vorstellbar, dass zwi schen

- der Aktivmetallschicht bzw. der Kontaktschicht oder dem Keramikelement und

- der Metallschicht und/oder zwischen

- der Metallschicht und

- der Metalllage ein Lotbasismaterial oder ein Lotmaterial, das ein Aktivmetall umfasst, angeordnet wird. Dadurch wird eine zusätzliche Bindung verursacht bzw. die Bindung wird ver stärkt. Dabei ist es vorstellbar, dass die Anbindung bei einer Temperatur unterhalb oder oberhalb der Prozesstemperatur des Lotmaterials bzw. des Lotbasismaterials erfolgt. Weiterhin ist es in diesem Fall vorteilhaft, ein silberfreies Lotmaterial bzw. Lotbasismaterial zu verwenden.

Die Prozesstemperatur des Lotmaterials hängt vom verwendeten Lotmaterial ab und liegt typischerweise unterhalb von 1100 °C. Unter Hinzufügen von schmelz punkterniedrigenden Materialien kann die Temperatur bis auf eine Temperatur von 600 °C herabgesenkt werden. Dabei schmilzt das Lotmaterial bei der Prozesstem peratur. Vorliegend kann auch eine Anbindung zwischen Keramikelement und Me tallschicht erfolgen, wenn die Prozesstemperatur nicht erreicht wird.

Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass die Metalllage zur Ausbildung des Behäl ters gefaltet wird und/oder die Metalllage mit einerweiteren Metalllage gefügt wird. Beispielsweise wird die Metalllage um eine Anordnung gewickelt, wobei die Anord- nung die mindestens eine Metallschicht und das Keramikelement umfasst. Insbe sondere erfolgt dieses Falten derart, dass ein erstes Ende und ein zweites Ende der Metalllage gemeinsam zu einer Seite abstehen, sodass das erste Ende und das zweite Ende derselben Metalllage miteinander gefügt werden können zur Aus bildung des Behälters. Alternativ werden an gegenüberliegenden Seiten die Me talllage und eine weitere Metalllage angeordnet, deren gegenüber der Anordnung in Richtung der Haupterstreckungsebene überstehenden freien Enden miteinander gefügt werden, um den gasdichten Behälter zu bilden. Vorzugsweise ist es dabei vorgesehen, dass die zu fügenden Randbereiche der Metalllage und/oder der wei teren Metalllage mittels eines Laserschweißens und/oder Elektronenstrahlschwei ßens miteinander gefügt werden, insbesondere in einer definierten Fügezone. Be sonders bevorzugt ist es vorgesehen, dass die Metalllage, aus der der Behälter gefertigt wird, der wiederrum Bestandteil der gefertigten Metallisierung ist, Nickel, Silber, Edelstahl und/oder Titan umfasst, insbesondere als Folie bereitgestellt wird, dessen erste Dicke 0,01 - 1 mm beträgt. Eine derartig dünne Metalllage lässt sich besonders einfach falten und fügen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird der Behälter aus der Metalllage und/oder der weiteren Metalllage gebildet. Alternativ könnte es sich beispielsweise um einen Behälter handeln, in dem das Ensemble aus Keramikelement, mindestens eine Metallschicht und Metalllage angeordnet ist. Beispielsweise handelt es sich um einen Glasbehälter.

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Metall-Keramik-Sub- strat, hergestellt mit dem erfindungsgemäßen Verfahren. Alle für das Verfahren zur Herstellung des Metall-Keramik-Substrats beschriebenen Eigenschaften und Vorteile lassen sich analog auf das Metall-Keramik-Substrat übertragen und an dersrum.

Insbesondere wird durch das vorgeschlagene Verfahren ein Metall-Keramik-Sub- strat bereitgestellt, bei dem aufgrund der herrschenden Druckverhältnisse nahezu keine Lunker mehr auftreten bzw. die Anzahl der Lunker bzw. Poren reduziert ist gegenüber den Metall-Keramik-Substraten, die mit einem AMB- oder DCB- Verfahren hergestellt werden. Außerdem bildet sich eine im Profil konstante Me tallschichtdicke der Metallisierung aus, die dem Profilverlauf der Keramikoberflä che folgt. Weiterhin gestattet das Verfahren zur Herstellung des Metall-Keramik- Substrats auf silberhaltige Lotbasismaterialien zu verzichten, was das second et- ching vereinfacht. Infolgedessen können schmalere Isolationsgräben realisiert werden, beispielsweise in einer Dimension, die derjenigen Breite von Isolations gräben entspricht, die bei mittels DCB-Verfahren hergestellten Substraten erzielt werden können. Insbesondere können Isolationsgräben um etwa 200 pm verklei nert werden, da nicht mit Lotrückständen zu rechnen ist, die in der Regel bis zu 100 pm pro Seite in die Isolationsgräben hineinragen. Dieser Lotrückstand wird dabei ausgehend von dem Ende der Ätzflanke in Richtung des Isolationsgrabens bemessen. Die Lotrückstände bemessen sich dabei in Summe von einander ge genüberliegenden Metallabschnitten, die einen Isolationsgraben in einer Richtung parallel zur Haupterstreckungsebene verlaufenden Richtung begrenzen. Außer dem kann eine Fransenbildung an dem Grenzverlauf zwischen der Metallisierung und dem Keramikelement reduziert werden, da die Silberanteile im Lotmaterial an dernfalls zu einem schwer kontrollierbaren Ätzen führen, was sich augenscheinlich in fransenähnlichen Verläufen äußert in einer parallel zur Haupterstreckungsebene verlaufenden Richtung. Außerdem gestattet es die konstante Dicke der Metallisie rung, die sich über das gesamte Metall-Keramik-Substrat nicht ändert, das Ätzver fahren für alle Bereiche des Metall-Keramik-Substrat in gleicher Weise durchzu führen, ohne Modulationen in der Dicke der Metallisierung mitberücksichtigen zu müssen. Die konstante Dicke stellt sich dadurch ein, dass der beim heißisostati schen Pressen verwendete Druck die Metallisierung homogen an den Profilverlauf des Keramikelements anpresst. Außerdem ist es in vorteilhafter weise daher mög lich, durch die homogene Materialverteilung in der Metallisierung eine über das Metall-Keramik-Substrat gesehen gleichmäßige bzw. einheitliche Ätzflankengeo metrie einzustellen. Insbesondere ist es vorgesehen, dass sich die Metallisierung und das Keramikele ment entlang einer Haupterstreckungsebene erstrecken und entlang einer senk recht zur Haupterstreckungsebene verlaufenden Stapelrichtung übereinander an geordnet sind, wobei im gefertigten Trägersubstrat eine Bindungsschicht zwischen der Metallisierung und dem Keramikelement ausgebildet ist, wobei eine Haftver mittlerschicht der Bindungsschicht einen Flächenwiderstand aufweist, der größer als 5 Ohm/sq, bevorzugt größer als 10 Ohm/sq und besonders bevorzugt größer als 20 Ohm/sq ist.

Gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Trägersubstraten ist es vorgesehen, dass der Flächenwiderstand einer Haftvermittlerschicht der Bin dungsschicht größer ist als 5 Ohm/sq, bevorzugt größer als 10 Ohm/sq und be sonders bevorzugt größer als 20 Ohm/sq. Der ermittelte Flächenwiderstand steht dabei im direkten Zusammenhang mit einem Anteil des Aktivmetalls in der Haft vermittlerschicht bzw. der Schichtdicke der Haftvermittlerschicht, die maßgeblich für die Anbindung der Metallisierung an das Keramikelement ist. Dabei nimmt der Flächenwiderstand mit abnehmenden Aktivmetallanteil in der Bindungsschicht zu. Ein entsprechend hoher Flächenwiderstand entspricht somit einem geringen Aktiv metallanteil in der Bindungsschicht. Es hat sich dabei herausgestellt, dass mit zu nehmenden Anteil an Aktivmetall, die Bildung von spröden intermetallischen Pha sen begünstigt wird, was wiederum nachteilig ist für eine Abzugsfestigkeit der Me tallisierung an das Keramikelement. Mit anderen Worten: Mit den anspruchsgemä ßen Flächenwiderständen werden solche Bindungsschichten bereitgestellt, deren Abzugsfestigkeit aufgrund der reduzierten Bildung von spröden intermetallischen Phasen, verbessert, d. h. vergrößert wird. Durch das gezielte Einstellen der an spruchsgemäßen Flächenwiderstände lassen sich somit besonders starke Anbin dungen der Metallisierung an das Keramikelement realisieren.

Dabei ist es zur Bestimmung des Flächenwiderstands vorgesehen, dass am gefer tigten Trägersubstrat zunächst die Metallschicht und ggf. eine Lotbasisschicht, bei spielsweise durch Ätzen, wieder entfernt werden. Mittels einer Vier-Punkt Mes sung wird dann an der Oberseite bzw. Unterseite des von der mindestens einen Metallschicht und der Lotbasisschicht befreiten Trägersubstrats ein Flächenwider stand gemessen. Insbesondere ist unter dem Flächenwiderstand einer Material probe dessen Widerstand bezogen auf einen quadratischen Oberflächenbereich zu verstehen. Es ist hierbei üblich den Oberflächenwiderstand mit der Einheit Ohm/sq zu kennzeichnen. Die physikalische Einheit des Flächenwiderstandes ist Ohm.

Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass eine in Stapelrichtung bemessene Dicke der Bindungsschicht, gemittelt über mehrere Messpunkte innerhalb einer vorbe stimmten Fläche oder in mehreren Flächen, die parallel zur Haupterstreckungs ebene verläuft oder verlaufen, einen Wert annimmt, der kleiner als 1 pm, bevor zugt kleiner als 0,7 pm und besonders bevorzugt kleiner als 0,5 pm ist. Sofern von mehreren Flächen gesprochen wird, ist insbesondere gemeint, dass die Metallisie rung in möglichst gleich große Flächen unterteilt wird und in jeder dieser die min destens eine Metallschicht unterteilenden Flächen mindestens ein Wert, bevorzugt mehrere Messwerte für die Dicke erfasst werden. Die so an verschiedenen Stellen ermittelten Dicken werden arithmetisch gemittelt.

Gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Trägersubstraten ist somit eine vergleichsweise dünne Bindungsschicht zwischen der Metallisierung und dem Keramikelement ausgebildet. Dabei ist es vorgesehen, dass zur Festlegung der maßgeblichen Dicken der Bindungsschicht die gemessenen Dicken über eine Viel zahl von Messpunkten gemittelt werden, die innerhalb einer vorbestimmten bzw. festgelegten Fläche liegen. Dadurch wird in vorteilhafter weise mitberücksichtigt, dass das Keramikelement in der Regel einer Ondulation unterworfen ist, d. h. dem Keramikelement ist eine Welligkeit zuzusprechen. Insbesondere versteht der Fachmann unter einer Welligkeit eine Modulation des generellen flachen Verlaufs des Keramikelements, gesehen über mehrere Millimeter oder Zentimeter entlang einer Richtung, die parallel zur Haupterstreckungsebene verläuft. Damit grenzt sich eine derartige Ondulation von einer Oberflächenrauigkeit des Keramikele ments ab, die in der Regel zusätzlich am Keramikelement vorliegt. Durch das Ein- beziehen einer derartigen, in der Regel unvermeidbaren Ondulation des Kerami kelements in die Bestimmung der Dicke wird berücksichtigt, dass die Bindungs schicht aufgrund der Ondulation gegebenenfalls variieren kann, insbesondere in Talbereichen des Keramikelements größer sein kann als in Bergbereichen des Ke ramikelements.

Ungeachtet dieser Ondulation ist der gemittelte Dickenwert dennoch deutlich ge ringer als derjenige, der in Trägersubstraten aus dem Stand der Technik bekannt ist. Dies wird insbesondere bzw. beispielsweise dadurch erzielt, dass eine benö tigte Aktivmetallschicht zwischen dem Keramikelement und der Metallisierung an geordnet wird, die insbesondere einzeln, also separat angeordnet ist, beispiels weise zusätzlich zu einem Lotbasismaterial. Vorzugsweise wird das Aktivmetall mittels eines chemischen und/oder physikalischen Gasphasenabscheidens, bei spielsweise mittels eines Sputterns, auf dem Lotbasismaterial und/oder der min destens einen Metallschicht und/oder dem Keramikelement aufgetragen, um ver gleichsweise dünne Aktivmetallschichten zu realisieren, die wiederrum zu einer vergleichsweise dünnen Bindungsschicht führen, insbesondere zu einer homoge nen und dünnen Haftvermittlerschicht. Vorstellbar ist es auch unter Verwendung eines Plasmas, in einem Vakuum und/oder mittels Aufdampfen die Aktivmetall schicht auf dem Lotbasismaterial, dem Keramikelement und/oder der mindestens einen Metallschicht bereitzustellen. Denkbar ist auch, die Aktivmetallschicht galva nisch zu realisieren. Besonders bevorzugt ist es vorgesehen, dass die Aktivmetall schicht als Folie bereitgestellt wird.

Die Ausbildung von vergleichsweise dünnen Bindungsschichten reduziert insbe sondere einen Aufwand, der aufgebracht werden muss, um beispielsweise in ei nem „second etching“, zumindest bereichsweise, die Bindungsschicht wieder zu entfernen, um das Trägersubstrat, insbesondere dessen Metallisierung und die Bindungsschicht, zu strukturieren. Vorzugsweise erfolgt dieses Strukturieren, das dazu dient, mehrere Metallabschnitte der mindestens einen Metallschicht vonei nander elektrisch zu isolieren, durch ein Ätzen und/oder ein mechanischen Bear- beitungsschritt und/oder mit Laserlicht. Außerdem hat es sich als vorteilhaft erwie sen, dass durch die Verwendung geringer Schichtdicken die Anzahl der möglichen Fehler in der Bindungsschicht, beispielsweise hervorgerufen durch Materialfehler im Lotmaterial, in vorteilhafter Weise reduziert werden kann. Unter einem Fehler in der Bindungsschicht bzw. einem Materialfehler im Lotmaterial wird beispielsweise ein großes Korn im Lotmaterial, beispielsweise einer Paste, wie beispielswiese ein Aktivmetallkorn, verstanden, das zur Riesenbildung einer Körnung in der Bin dungsschicht führen kann, und/oder das nicht vollständig aufschmilzt und damit als Abstandshalter minimale Lotspalte verhindert. Durch das Aufträgen, insbeson dere mittels Sputtern, kann in einfacher Weise verhindert werden, dass vergleichs weise große Körner Bestandteil der Aktivmetallschicht und insbesondere der spä teren Bindungsschicht werden. Schließlich ist es von Vorteil, dass sich homogen über das hergestellte Trägersubstrat eine dünne Bindungsschicht ausbildet.

Besonders bevorzugt ist folgendes Verfahren zur Bestimmung und Auswahl der zur Bestimmung beitragenden Messbereiche - unabhängig von der Größe des Trägersubstrats - vorgesehen:

In einem ersten Schritt wird die mindestens eine Metallschicht des Trägersubstrats in neun gleich große Rechtecke, insbesondere Quadrate, d. h. in mehrere Flä chen, unterteilt. In den so festgelegten Messbereichen werden jeweils zwei oder drei Schnittbilder erzeugt, die herangezogen werden, um in jedem der Schnittbil der eine gemittelte Dicke für die Metallisierung zu bestimmen. Die Schnittbilder werden bevorzugt mittels eines REM-Verfahrens aufgenommen, beispielsweise in einer größer oder gleich 5000- fachen Vergrößerung, die bei der REM-Vorrichtung eingestellt werden muss. Anschließend wird in einem zweiten Schritt über die ins gesamt 18 oder 27 in den Schnittbildern erfassten gemittelten Dicken, die über alle neun rechteckigen Messbereiche verteilt sind, gemittelt. Auf diese Weise wird in vorteilhafter Weise sichergestellt, dass die gemittelte Dicke einen repräsentativen Wert für die Bindungsschicht zwischen der Metallisierung und dem Keramikele ment darstellt. Mit anderen Worten: die in dem Abschnitt beschriebene Vorge hensweise sieht gemittelte Dicken vor, die über die Metallisierung gesehen in gleichmäßig verteilten Messbereichen bestimmt ist. Das hier beschriebene Verfah ren zur Auswahl der Messbereiche, die zur Bestimmung eines gemittelten Werts für die Dicke beiträgt ist analog für die Bestimmung des Flächenwiderstands her anzuziehen.

Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass die Bindungsschicht und/oder die weitere Bindungsschicht eine ein Aktivmetall umfassende Haftvermittlerschicht ist. Insbe sondere ist es vorgesehen, dass die Bindungsschicht nur aus der Haftvermittler schicht ausgebildet ist, die das Aktivmetall umfasst. Dabei weist die Haftvermittler schicht in der Bindungsschicht eine Verbindung mit einem Bestandteil des Kerami kelements, wie beispielsweise Stickstoff, Sauerstoff oder Kohlenstoff, und den an deren Bestandteilen der Keramik auf. In entsprechender Weise umfasst die Haft vermittlerschicht beispielsweise Titannitrid, Titanoxid und/oder Titancarbid. In die sem Fall ist es vorgesehen, dass eine in Stapelrichtung gemessene Dicke der Bin dungsschicht gemittelt über mehrere Messpunkte innerhalb einer Fläche, die pa rallel zur Haupterstreckungsebene verläuft, oder der mehreren Flächen einen Wert annimmt der kleiner ist als 0,003 mm, bevorzugt kleiner als 0,001 mm und beson ders bevorzugt kleiner als 0,0005 oder sogar kleiner als 0,0004 mm. Insbesondere für solche Bindungsschichten, bei denen auf ein Lotbasismaterial und/oder einen Silberanteil verzichtet wird, lässt sich in entsprechender Weise eine noch dünnere Bindungsschicht ausbilden.

Weitere Vorteile und Eigenschaften ergeben sich aus der nachfolgenden Be schreibung bevorzugter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Gegen stands mit Bezug auf die beigefügten Figuren. Es zeigt:

Fig. 1a bis 1e: Verfahren zur Herstellung eines Metall-Keramik-Substrats ge mäß einer ersten beispielhaften Ausführungsform der vorlie gende Erfindung und Fig. 2 schematische Darstellung eines Behälters für ein Verfahren ge mäß einer dritten beispielhaften Ausführungsform der vorliegen den Erfindung.

In den Figuren 1a bis 1e ist ein Verfahren zur Herstellung eines Metall-Keramik- Substrats 1 gemäß einer ersten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei Figur 1e das gefertigte Metall-Keramik-Substrat 1 zeigt. Solche Metall-Keramik-Substrate 1 dienen vorzugsweise als Träger bzw. Leiterplatte für elektronische bzw. elektrische Bauteile, die an eine Metallisierung 20 des Metall-Keramik-Substrats 1 anbindbar sind. Dabei ist es vorzugsweise vor gesehen, dass die Metallisierung 20 strukturiert ist, um entsprechende Leiterbah nen und/oder Anschlussflächen auszubilden. Die sich im Wesentlich entlang einer Haupterstreckungsebene HSE erstreckende Metallisierung 20 und das Kerami kelement 10 sind dabei entlang einer senkrecht zur Haupterstreckungsebene HSE verlaufenden Stapelrichtung S übereinander angeordnet und vorzugsweise mitei nander gefügt bzw. verbunden. Vorzugsweise umfasst das Metall-Keramik-Sub- strat 1 neben der Metallisierung 20 eine Rückseitenmetallisierung bzw. weitere Metallisierung 20‘, die in Stapelrichtung S gesehen an der der Metallisierung 20 gegenüberliegenden Seite des Keramikelements 10 angeordnet und angebunden ist. Die weitere Metallisierung 20' und/oder ein beispielsweise zusätzliches Küh lelement dienen insbesondere dazu, einem Durchbiegen des Metall-Keramik-Sub- strats 1 entgegenzuwirken und/oder dazu, einen Wärmeeintrag, hervorgerufen durch elektrische oder elektronische Bauteile auf dem Metall-Keramik-Substrat 1 , abzuführen. Ein Beispiel für das gefertigte Metall-Keramik-Substrat 1 mit der struk turierten Metallisierung 20 ist in Figur 1e dargestellt.

In dem in den Figuren 1a - 1e schematisch dargestellten Verfahren zur Herstel lung eines solchen Metall-Keramik-Substrats 1 ist es vorgesehen, dass zunächst einmal das Keramikelement 10, eine Metalllage 40 und mindestens eine Metall schicht 30 bereitgestellt werden. Dabei ist es bevorzugt vorgesehen, dass zwi schen dem Keramikelement 10 und der mindestens einen Metallschicht 30 eine Aktivmetallschicht 15 angeordnet ist. Insbesondere ist die Aktivmetallschicht 15 in Stapelrichtung S gesehen zwischen dem Keramikelement 10 und der mindestens einen Metallschicht 30 angeordnet. Darüber hinaus ist es vorzugsweise vorgese hen, dass mindestens eine weitere Metallschicht 30' sowie eine weitere Aktivme tallschicht 15' vorgesehen sind, wobei die weitere Aktivmetallschicht 15' zwischen der mindestens einen weiteren Metallschicht 30' und dem Keramikelement 10 in Stapelrichtung S gesehen angeordnet ist. Dabei ist es bevorzugt vorgesehen, dass die Metalllage 40 eine erste Dicke D1 , die mindestens eine Metallschicht 30 eine zweite Dicke D2 aufweist und die mindestens eine weitere Metallschicht 30' eine dritte Dicke D3 aufweist. Besonders bevorzugt ist es vorgesehen, dass die zweite Dicke D2 und die dritte Dicke D3 in etwa einander entsprechen. Es ist auch vorstellbar, dass die dritte Dicke D3 größer ist als die zweite Dicke D2 oder an dersrum. Durch eine entsprechend größere dritte Dicke D3 kann im gefertigten Metall-Keramik-Substrat 1 durch eine entsprechend gebildete weitere Metallisie rung 20' sichergestellt werden, dass eine ausreichend hohe Wärmekapazität be reitgestellt wird, um als Puffer in Überlastsituationen für die thermische Abführung von Wärme zu dienen.

In dem in Figur 1a dargestellten Beispiel wird eine Anordnung 50 aus der mindes tens einen Metallschicht 30, der Aktivmetallschicht 15, dem Keramikelement 10, der weiteren Aktivmetallschicht 15' und der mindestens einen weiteren Metall schicht 30' auf der Metalllage 40 platziert.

Im anschließenden Verfahrensschritt wird die Metalllage 40 derart gefaltet, dass sie die Anordnung 50 aus Metallschicht 30, weiterer Metallschicht 30‘, Aktivmetall schicht 15, weiterer Aktivmetallschicht 15 und Keramikelement 10 ummantelt bzw. umgibt. Insbesondere zeigt die Ausführungsform der Figur 1b, dass die Metalllage 40 derart gefaltet bzw. um die Anordnung 50 herumgewickelt wird, dass ein erstes Ende und ein zweites Ende der Metalllage 40 zu einer gemeinsamen Seite von der Anordnung 50 gesehen abstehen. Mit anderen Worten: die Metalllage 40 ist derart dimensioniert, dass das erste Ende und das zweite Ende der Metalllage 40 zu einer gemeinsamen Seite überstehen, wenn es um die Anordnung 50 herum gewickelt ist, insbesondere an einer einer Faltung gegenüberliegenden Seite. Wenn die Metalllage 40 gefaltet wird, weist sie insbesondere drei offene, vorzugs weise überstehenden erste und zweite Ende der Metalllage 40 auf. Insbesondere stehen das erste Ende und das zweite Ende der Metalllage 40 derart gegenüber der Anordnung 50 ab, dass das erste und zweite Ende der Metalllage 40 miteinan derverbunden werden können. Dies ist beispielhaft in Figur 1c dargestellt, in der ein Ensemble 18 gebildet wird, bei dem die Anordnung 50, die die mindestens eine Metallschicht 30, das Aktivelement 15, das Keramikelement 10, die weitere Aktivmetallschicht 15' und die mindestens eine weitere Metallschicht 30' umfasst, von einem Behälter aus der Metalllage 40 ummantelt wird. Durch ein Elektrostrahl- schweißen oder Laserstrahlschweißen werden das erste und das zweite Ende der Metalllage 40 miteinander verbunden bzw. miteinander gefügt, insbesondere unter Ausbildung eines gasdichten Behälters, bei dem die Metalllage 40 die Anordnung 50 umgibt bzw. umschließt, insbesondere unter Ausbildung eines durchgehend flächigen Kontakts zwischen der Metalllage 40 und den einzelnen Bestandteilen und Komponenten der Anordnung 50, die innerhalb des Behälters angeordnet ist.

Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass im gasdicht abgeschlossenen Behälter Va kuum ist. Alternative ist es vorstellbar, das im gasdicht verschlossenem Behälter ein Restluftanteil zurückbleibt oder eine definierte Gasatmosphäre beispielsweise Stickstoff herrscht. Dieses Ensemble 18, bei dem die Anordnung 50 innerhalb des gasdichten Behälters angeordnet ist, wird anschließend einem heißisostatischen Pressen unterworfen, um die Anbindung der Metalllage 40 und der mindestens ei nen Metallschicht 30 an das Keramikelement 10 zu realisieren. Insbesondere hat es sich herausgestellt, dass es sich im Rahmen des heißisostatischen Pressens sowohl eine Anbindung der mindestens einen Metallschicht 30 an das Keramikele ment 10 und zusätzlich eine Anbindung der Metalllage 40 an die mindestens eine Metallschicht 30 realisiert wird. Auf diese Weise wird die Metalllage 40 des Behäl ters zu einem Teil der späteren Metallisierung 20 am Metall-Keramik-Substrat 1. Die Vorgehensweise, eine zusätzliche Metalllage 40 zu verwenden, die zusätzlich zu der mindestens einen Metallschicht 30 verwendet wird, erweist sich insbeson dere deswegen als vorteilhaft, weil es dadurch möglich ist, vergleichsweise dünne erste Dicken D1 der Metalllage 40 zu verwenden. Dies vereinfacht erheblich das Ausbilden des gasdichten Behälters. Außerdem gestattet die Verwendung einer anderen Metalllage 40 neben der mindestens einen Metallschicht 10, dass die Me tallisierung 20 aus zwei verschiedenen Metallen und/oder Metallkonfigurationen gebildet werden kann.

Insbesondere bildet sich nach dem Anbindungsprozess ein erster Metallbereich 21 und ein zweiter Metallbereich 22 aus, wobei der erste Metallbereich 21 auf die Me talllage 40 zurückzuführen ist und der zweite Metallbereich 22 auf die mindestens eine Metallschicht 30. Vorzugsweise nimmt ein Verhältnis einer ersten Dicke D1 der Metalllage 40 zu einer zweiten Dicke D2 der mindestens einen Metallschicht 30 einen Wert zwischen 0,01 und 2, bevorzugt zwischen 0,1 und 2 und besonders bevorzugt zwischen 0,15 und 0,5 bzw. 2 annimmt. Es hat sich ferner herausge stellt dass sich für erste Dicken D1 zwischen 0,2 und 0,3 mm besonders gute Er gebnisse eingestellt haben, insbesondere wenn ein Verhältnis einer ersten Dicke D1 der Metalllage 40 zu einer zweiten Dicke D2 der mindestens einen Metall schicht 30 einen Wert zwischen 0,01 und 0,5, bevorzugt zwischen 0,1 und 0,5 und besonders bevorzugt zwischen 0,15 und 0,5 bzw. 0,5 annimmt. Nach dem Anbin dungsprozess, der insbesondere im Rahmen eines heißisostatischen Pressens er folgt, ist es bevorzugt vorgesehen, die Metalllage 40 und die mindestens eine Me tallschicht 30, die an das Keramikelement 10 angebunden worden sind, mittels La serlichts, mittels Ätzens und/oder mittels einer mechanischen Bearbeitung mit ei ner Strukturierung zu versehen. Dadurch bilden sich voneinander isolierte Metall abschnitte in der Metallisierung 20 aus. In der Figur 1e sind beispielsweise ge schwungene bzw. gebogene Ätzkantenverläufe zu erkennen, die sich sowohl an der Metallisierung 20 als auch der Rückseitenmetallisierung 20' ausbilden. Die durch das Strukturieren realisierten sogenannten Isolationsgräben dienen dazu, den an das Keramikelement 10 angebundenen Metallabschnitten eine entspre chende Funktion als Leitungspfad und/oder Anschlussfläche zu verleihen. In Figur 2 ist eine schematische Darstellung eines Behälters für ein Verfahren ge mäß einer dritten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar gestellt. Dabei zeigt die Figur 2 die Anordnung von Metalllage 40, der mindestens einen Metallschicht 30 und dem Keramikelement 10 vor bzw. beim heißisostati- sehen Pressen (wie beispielsweise Figur 1c). Hierbei unterscheidet sich das Aus führungsbeispiel in Figur 2 von dem Ensemble aus den Figuren 1a bis 1e dahinge hend, dass eine funktionelle Schicht 60 zwischen der Metalllage 40 und der min destens eine Metallschicht 30 angeordnet wird, die vorzugsweise als Diffusions barriere zwischen der mindestens einen Metallschicht 30 und der Metalllage 40 dient. Dies bewirkt beispielswiese dass während des Anbindens beim heißisostati schen Pressen die Metalllage 40 und die mindestens eine Metallschicht 30 vonei nander getrennt bleiben. Dabei erstreckt sich die funktionelle Schicht 60 vollflächig bzw. vollständig zwischen der mindestens einen Metallschicht 30 und der Metall lage 40.

Bezuqszeichen:

1 Metall-Keramik-Substrat

10 Keramikelement 15 Aktivmetallschicht

15' weitere Aktivmetallschicht 18 Ensemble

20 Metallisierung 20' weitere Metallisierung 21 erster Metallbereich

22 zweiter Metallbereich 30 Metallschicht 30' weitere Metallschicht 40 Metalllage 50 Anordnung

60 funktionelle Schicht D1 erste Dicke D2 zweite Dicke D3 dritte Dicke

S Stapelrichtung

HSE Haupterstreckungsebene