DE102009015520A1

DE102009015520A1 - Metall-Keramik-Substrat

Info

Publication number: DE102009015520A1
Application number: DE102009015520A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Dr.-Ing. Schulz-Harder; Lars MÜLLER
Original assignee: Electrovac AG
Current assignee: Rogers Germany GmbH
Priority date: 2009-04-02
Filing date: 2009-04-02
Publication date: 2010-10-07
Also published as: CN102421725A; JP5641451B2; US20120045657A1; JP2012522709A; EP2414304A1; WO2010112000A1; KR20120027205A

Abstract

Metall-Keramik-Substrat mit einem mehrschichtigen, plattenförmigen Keramikmaterial und mit wenigstens einer an einer Oberflächenseite des Keramikmaterials vorgesehenen Metallisierung, die mit dem Keramikmaterial durch Directbonden (DCB-Verfahren) oder Aktivlöten verbunden ist, wobei das Keramikmaterial aus wengistens einer inneren Schicht oder Basisschicht aus einer Siliziumnitrid-Keramik besteht, und wobei die mit der wenigstens einen Metallisierung versehene Oberflächenseite des Keramikmaterials von einer auf die wenigstens eine Basisschicht aufgebrachten Zwischenschicht aus einer oxidischen Keramik gebildet ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Metall-Keramik-Substrat gemäß Oberbegriff Patentanspruch 1 sowie auf ein Verfahren gemäß Oberbegriff Patentanspruch 26.
Metall-Keramik-Substrate bzw. Keramiksubstrate mit Metallisierungen sind in verschiedensten Ausführungen bekannt, insbesondere auch als Leiterplatten oder Substrate für elektrische und elektronische Schaltkreise oder Module und dabei speziell für Schaltkreise oder Module mit hoher Leistung.
Bekannt ist weiterhin das sogenannte DCB-Verfahren zum direkten Verbinden von, mit Keramikmaterial oder -Substrat zum Herstellen der für Leiterbahnen, Anschlüssen usw. benötigte Metallisierung auf einem Keramiksubstrat, z. B. auf einem Aluminium-Oxid-Keramik-Substrat. Bei diesem beispielsweise in der US-PS 37 44 120 oder in der DE-PS 23 19 854 beschriebenen Verfahren sind Metallschichten oder -folien, z. B. Kupferschichten oder -folien an ihren Oberflächenseiten mit einem Überzug aus einer chemischen Verbindung aus dem Metall (z. B. Kupfer) und einem reaktiven Gas (bevorzugt Sauerstoff) versehen. Dieser Überzug bildet mit einer dünnen Schicht des angrenzenden Metalls ein Eutektikum (Aufschmelzschicht) mit einer Schmelztemperatur unter der Schmelztemperatur des Metalls (z. B. Kupfers), so dass durch Auflegen der Metallschicht oder -folie auf die Keramik und durch Erhitzen sämtlicher Schichten diese miteinander verbunden werden können, und zwar durch Aufschmelzen des Metalls im wesentlichen nur im Bereich der Aufschmelzschicht bzw. Oxidschicht. Bei Verwendung von Kupfer oder eine Kupferlegierung als Metall wird dieses Verfahren auch als DCB-Bonden oder DCB-Verfahren (Direct-Copper-Bonding-Verfahren) bezeichnet.
Dieses DCB-Verfahren weist dann z. B. folgende Verfahrensschritte auf:

– Oxidieren einer Kupferfolie derart, dass sich eine gleichmäßige Kupferoxidschicht ergibt;
– Auflegen des Kupferfolie auf die Keramikschicht;
– Erhitzen des Verbundes auf eine Prozesstemperatur zwischen etwa 1025 bis 1083°C, z. B. auf ca. 1071°C;
– Abkühlen auf Raumtemperatur.

Bekannt ist weiterhin das sogenannte Aktivlot-Verfahren ( DE 22 13 115 ; EP-A-153 618 ) zum Verbinden von Metallisierungen bildenden Metallschichten oder Metallfolien, insbesondere auch von Kupferschichten oder Kupferfolien mit dem jeweiligen Keramikmaterial. Bei diesem Verfahren, welches speziell auch zum Herstellen von Metall-Keramik-Substraten verwendet wird, wird bei einer Temperatur zwischen ca. 800–1000°C eine Verbindung zwischen einer Metallfolie, beispielsweise Kupferfolie, und einem Keramiksubstrat, beispielsweise Aluminiumnitrid-Keramik, unter Verwendung eines Hartlots hergestellt, welches zusätzlich zu einer Hauptkomponente, wie Kupfer, Silber und/oder Gold auch ein Aktivmetall enthält. Dieses Aktivmetall, welches beispielsweise wenigstens ein Element der Gruppe Hf, Ti, Zr, Nb, Ce ist, stellt durch chemische Reaktion eine Verbindung zwischen dem Lot und der Keramik her, während die Verbindung zwischen dem Lot und dem Metall eine metallische Hartlöt-Verbindung ist.
Bekannt ist weiterhin ein Metall-Keramik-Substrat mit einer inneren Schicht oder Basisschicht aus einer Siliziumnitrid-Keramik ( EP 798 781 ), die im Vergleich zu anderen Keramiken, insbesondere auch im Vergleich zu einer Aluminiumoxid-Keramik (Al₃O₂-Keramik) eine wesentlich höhere mechanische Festigkeit aufweist. Um das Aufbringen der Metallisierungen mit dem DCB-Verfahren zu ermöglichen, wurde vorgeschlagen, auf die Basisschicht aus der Siliziumnitrid-Keramik jeweils eine Zwischenschicht aus einer reinen Aluminiumoxid-Keramik aufzubringen. Diese Verfahrensweise führt jedoch nicht zu einer vollständigen, insbesondere auch nicht zu einer fehlstellenfreien Verbindung zwischen dem Keramikmaterial und der Metallisierung. Vielmehr ergeben sich speziell auch bei Verwendung von Metallisierungen aus Kupfer zahlreiche Gaseinschlüsse zwischen der Metallisierung und dem Keramikmaterial, die durch eine Reaktion zwischen dem Sauerstoff aus dem Kupfer- bzw. Kupferoxid-Eutektikum (Cu/Cu₂O-Eutektikum) und der Siliziumnitrid-Keramik herrühren, und zwar entsprechend der nachstehenden Formel: 6CuO + Si₃Na → 3SiO₂ + 6Cu + N₂.
Durch diese Reaktion wird einerseits die für das Bonden notwendige flüssige eutektische Cu/Cu₂-Phase verbraucht. Andererseits bilden sich durch den entstehenden gasförmigen Stickstoff (N₂) Blasen. Diese nachteilige Reaktion lässt sich durch die Zwischenschicht aus der reinen Aluminiumoxid-Keramik nicht vermeiden. Dies ist nach einer der vorliegenden Erfindung zugrunde liegenden Erkenntnis u. a. auf die sehr unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Siliziumnitrid (3,0 × 10^–6 K^–1) und von Aluminiumoxid (8 × 10^–6 K^–1) zurückzuführen. Diese Unterschiede im thermischen Ausdehnungskoeffizient führen z. B. während des Aufbrennens oder Sinterns der Zwischenschicht aus der Aluminiumoxid-Keramik, aber auch während des Bondens der Metallisierungen (DCB-Verfahren) zu Rissen in der Zwischenschicht, so dass durch diese Risse hindurch die vorstehende Reaktion zwischen dem Cu/Cu₂O-Eutektikum und der Siliziumnitrid-Keramik erfolgen kann.
Bekannt ist weiterhin ( EP 0 499 589 ) auf eine Keramikbasisschicht wenigstens eine Zwischenschicht aus reinem Siliziumoxid (SiO₂) vorzusehen und dann mit Hilfe des DCB-Verfahrens die Metallisierung aufzubringen. Diese Verfahrensweise führt ebenfalls nicht zu einem brauchbaren Ergebnis, da die für das DCB-Verfahren notwendige eutektische Schmelze mit dem SiO₂ zu flüssigen Cu₂O-SiO₂ reagiert. Eine Zwischenschicht aus SiO₂ ist somit für das Aufbringen der Metallisierungen mit dem DCB-Verfahren nicht brauchbar.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Metall-Keramik-Substrat aufzuzeigen, welches unter Beibehaltung der grundsätzlichen Vorteile der Siliziumnitrid-Keramik die vorgenannten Nachteile vermeidet. Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Metall-Keramik-Substrat entsprechend dem Patentanspruch 1 ausgebildet. Ein Verfahren zum Herstellen eines Metall-Keramik-Substrats ist Gegenstand Patentanspruch 26. Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Für die Zwischenschicht eignet sich insbesondere Zirkonium-Oxid und/oder ein Silikat, insbesondere ein Zirkonium-Silikat (ZrSiO₄) und/oder ein Titan-Sililkat und/oder ein Hafnium-Silikat.
Bevorzugt weisen die die Basisschicht bildende Siliziumnitrid-Keramik und/oder die Zwischenschicht – gfs. zusätzlich Sinterzusätzen (z. B. Seltenerdenelemente) – auch oxidische Bestandteile auf, wie z. B. LiO₂, TiO₂, BaO, ZnO, B₂O₃, CsO, Fe₂O₃, ZrO₂, CuO, Cu₂O. Auch Kombinationen von wenigstens zwei dieser Bestandteile können als oxidische Zusatzkomponente verwendet sein, wobei der Anteil an dieser oxidischen Zusatzkomponente maximal 20 Gewichtsprozent bezogen auf die Gesamtmasse der Zwischenschicht beträgt. Mit dieser oxidischen Zusatzkomponente können die Eigenschaften der Zwischenschicht u. a. in Bezug auf die Erweichungstemperatur gezielt gesteuert bzw. eingestellt werden. Weiterhin lassen sich mit dieser Zusatzkomponente auch Reaktionen des Kupferoxids (insbesondere Cu₂O) beim DCB-Verfahren unterdrücken, die zu schmelzflüssigen Reaktionsprodukten führen könnten. Diese Seltenerdenelemente in der Zwischenschicht können auch durch Diffusion aus der Siliziumnitrid-Keramik-Basisschicht beim Brennen der Zwischenschicht vorhanden sein.
Das erfindungsgemäße Substrat weist eine hohe Adhäsion bzw. Peelfestigkeit der Metallisierung an dem Keramikmaterial auf. Ein weiterer wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Substrats besteht darin, dass die Zwischenschicht ein Elastizitätsmodul kleiner als 300 GPa aufweist, so dass über die Zwischenschicht ein optimaler Ausgleich der sehr unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Siliziumnitrid-Keramik und des Metalls (z. B. Kupfer) der Metallisierungen erreicht ist, und zwar im Gegensatz zu dem relativ hohen Elastizitätsmodul von 390 GPa von Aluminiumoxid.
Durch den geringen Elastizitätsmodul der Zwischenschicht sind insbesondere Metallisierungen mit großer Dicke möglich, und zwar bis zur dreifachen Dicke der Basisschicht aus der Siliziumnitrid-Keramik.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
1 in vereinfachter Darstellung einen Schnitt durch ein Substrat gemäß der Erfindung;
2 in schematischer Darstellung eine Methode zur Ermittlung der Adhäsions- bzw. Peelfestigkeit eine auf das Keramikmaterial aufgebrachten, von einer Folie gebildeten Metallisierung;
3 in einem Diagramm die Verteilung von freiem Siliziumoxid (SiO₂) in der aus Zirkonium-Oxid und/oder wenigstens einem Silikat, bestehenden Zwischenschicht;
4 in ähnlicher Darstellung wie 1 eine weitere mögliche Ausführungsform des erfindungsgemäßen Substrats.
Das in der 1 allgemein mit 1 bezeichnete Metall-Keramik-Substrat besteht aus einem plattenförmigen Keramikmaterial 2, welches an beiden Oberflächenseiten mit Hilfe des DCB-Verfahrens mit jeweils einer von einer Metallfolie, d. h. bei der dargestellten Ausführungsform von einer Kupferfolie versehene Metallisierung 3 bzw. 4 mit einer Dicke d_m versehen ist. Das Keramikmaterial 2 ist mehrschichtig ausgeführt, und zwar bestehend aus einer inneren Keramik- oder Basisschicht 5 aus Siliziumnitrid (Si₃N₄), die an beiden Oberflächenseiten jeweils mit einer Zwischenschicht 6 bzw. 7 aus Zirkonium-Oxid und/oder wenigstens einem Silikat versehen ist, sodass das Aufbringen der Metallisierungen 3 und 4 mit Hilfe des DCB-Verfahrens ohne Störstellen und mit hoher Adhäsionsfestigkeit des die Metallisierungen 3 und 4 bildenden Kupfers an dem Keramikmaterial 2 möglich ist.
Die Basisschicht 5 besitzt eine Dicke d_c und enthält beispielsweise u. a. auch Sinterhilfsmittel in Form eines Oxids von Ho, Er, Yb, Y, La, Sc, Pr, Ce, Nd, Dy, Sm und/oder Gd. Auch Kombinationen aus einem oder mehreren dieser Oxide sind als Sinterhilfsmittel möglich, wobei insbesondere H_O2O₃ oder Er₂O₃ Verwendung finden. Der Anteil an Sinterhilfsmittel in der mittleren Schicht 5 liegt beispielsweise im Bereich zwischen 1 und 8 Gewichtsprozent bezogen auf die Gesamtmasse der die Basisschicht 5 bildenden Keramik.
Bei der dargestellten Ausführungsform besitzen die beiden Metallisierungen 3 und 4 die selbe Dicke d_m, die maximal das Dreifache der Dicke d_c betragen kann. Üblicherweise liegt die Dicke der Metallisierungen 3 und 4 aber im Bereich zwischen 0,01 bis 1 mm. Die Dicke d_c liegt beispielsweise im Bereich zwischen 0,1 und 2 mm.
Die im Vergleich zu der Basisschicht 5 und zu den Metallisierungen 3 und 4 sehr viel dünneren Zwischenschichten 6 und 7, deren Dicke beispielsweise im Bereich zwischen 0,1 und 10 mμ liegt, besteht aus Zirkonium-Oxid und/oder aus wenigstens einem Silikat, wobei die jeweilige Zwischenschicht 6 oder 7 kein freies Siliziumoxid (SiO₂) aufweist oder der Anteil an freiem SiO₂ zumindest an den diesen Metallisierungen 3 und 4 benachbarten Bereichen der Zwischenschicht 6 und 7 vernachlässigbar klein ist.
Für die Zwischenschichten 6 und 7 eignen sich neben Zirkonium-Oxid insbesondere auch Zirkonium-Silikat und/oder Titan-Silikat und/oder Hafnium-Silikat, und zwar speziell auch Silikate mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten, der kleiner, höchstens gleich 6 × 10^–6 K^–1 ist. Der thermische Ausdehnungskoeffizient von Aluminiumoxid (Al₂O₃) liegt hingegen bei 8 × 10^–6 K^–1.
Auch Mischungen von mehreren der vorgenannten Materialien sind für die Zwischenschichten 6 und 7 geeignet, wobei in jedem Fall aber bevorzugt ein E-Modul für die Zwischenschichten von kleiner, höchsten gleich 300 GPa angestrebt wird, um so über die jeweilige Zwischenschicht 6 bzw. 7 einen gewissen Ausgleich der sehr unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Metall bzw. Kupfer der Metallisierungen 3 und 4 und dem Si₃N₄ der inneren Schicht 5 zu erreichen.
Mit den vorgenannten Materialien für die Zwischenschichten 6 und 7 lässt sich auch diese Forderung bezüglich des Ausdehnungsverhaltens bzw. der Elastizität der Zwischenschichten optimal einhalten.
Bevorzugt enthalten die Zwischenschichten 6 und 7, wie ausgeführt, als Zusatzkomponente einen oder mehrere Zusätze aus der Gruppe LiO₂, TiO₂, BaO, ZO, B₂, O₃, CsO, Fi₂O₃, ZTO₂, CuO und/oder Cu₂O, und zwar bis zu einem maximalen Anteil von 20 Gewichtsprozent bezogen auf die Masse der jeweiligen Zwischenschicht.
Bei der Herstellung des Substrates 1 wird als Ausgangsmaterial eine die Basisschicht 5 bildende Platte aus der Siliziumnitrid-Keramik (Si₃N₄-Keramik) verwendet. Diese wird dann mit geeigneten Verfahren beidseitig zur Bildung der jeweiligen Zwischenschicht 6 bzw. 7 mit der (den) für die Zwischenschicht geeigneten Komponente (n) beschichtet.
Für diese Beschichtung stehen verschiedene Techniken zur Verfügung, bei denen z. B. das die jeweilige Zwischenschicht bildende Material in Mischung mit einer geeigneten Flüssigkeit, beispielsweise Wasser auf den Oberflächenseiten des plattenförmigen Ausgangsmaterials abgeschieden. Im Anschluss daran erfolgt dann gfs. nach einem vorausgegangenen Trocknen ein Einbrennen und Dichtsintern der jeweiligen Zwischenschicht 6 bzw. 7 bei einer Temperatur im Bereich zwischen 1200 und 1680°C in einer oxidieren Atmosphäre.
Das Beschichten des Ausgangsmaterials erfolgt beispielsweise unter Verwendung von das Material der Zwischenschicht 6 bzw. 7 enthaltenden mikro- bis nanodispersen Mischungen, z. B. durch Sprühen, Tauchen (Dipcoating oder Spincoating) aus wässrigen Dispersionen. Auch andere Verfahren, beispielsweise Sol-Gel-Verfahren sind verwendbar.
Nach dem Aufbringen der Zwischenschichten 6 und 7 erfolgt mit Hilfe des bekannten DCB-Verfahrens das Bonden bzw. Aufbringen der die Metallisierungen 3 und 4 bildenden Metall- oder Kupferfolien.
Das Substrat 1 kann großflächig hergestellt werden, beispielsweise mit Abmessungen größer 80 × 80 mm, vorzugsweise größer 100 × 150 mm, so dass mit dem Substrat 1 durch weitere Verarbeitung, d. h. durch entsprechende Strukturierung der Metallisierungen 3 und 4 im Mehrfachnutzen die Fertigung einer Vielzahl von Einzelsubstraten möglich ist.
Das Substrat 1 mit dem beschriebenen Aufbau besitzt eine verbesserte mechanische Festigkeit, und zwar bedingt durch die Basisschicht 5 aus Siliziumnitrid-Keramik. Weiterhin ist das Bonden der Metallisierungen 3 und 4 mit dem bewährten DCB- Verfahren unter Verwendung der üblichen Verfahrensmittel möglich, und zwar ohne die Gefahr von Fehlstellen in der Verbindung zwischen den Metallisierungen 3 und 4 und dem Keramikmaterial 2, die (Fehlstellen) die Adhäsion der Metallisierungen am Keramikmaterial stark beeinträchtigen und auch zu einer Beeinträchtigung der elektrischen Spannungsfestigkeit des Substrates führen kann.
Bei dem Substrat 1 mit dem vorstehend beschriebenen Aufbau wird eine ausreichend hohe Adhäsion der Metallisierungen an dem Keramikmaterial 2 erreicht. Diese Adhäsion bzw. Peelfestigkeit wird mit der in der 2 dargestellten Methode gemessen. Ein Prüfling 1.1, der von seinem Aufbau her dem Substrat 1 entspricht, allerdings nur mit der Metallisierung 3 und der Zwischenschicht 6, wird in der vorbeschriebenen Weise hergestellt, wobei die Metallisierung 3 als Streifen mit einer Breite von 1 cm und mit einer Dicke d_m mit 0,3 mm gefertigt ist. An dem nach oben wegstehenden Ende 3.1 der streifenförmigen Metallisierung 3 wird bei eingespanntem Prüfling 1.1 eine Kraft F ausgeübt, und zwar mit einer solchen Größe, dass die streifenförmige Metallisierung 3 mit einer Geschwindigkeit von 0,5 cm/min. von dem Keramikmaterial 2 abgezogen wird. Die hierfür benötigte Kraft F bestimmt dann die Adhäsions- bzw. Peelfestigkeit. Diese ist bei dem Substrat 1 mit der vorbeschriebenen Ausbildung größer als 40 N/cm.
Die 3 zeigt in einem Diagramm die Verteilung (Kurve A) des freien Siliziumoxids (SiO₂) in der Zwischenschicht 6 bzw. 7, und zwar ausgehend von der Innenschicht 5 bis an die Metallisierung 3 bzw. 4. Wie mit der Kurve A angedeutet, nimmt der Anteil an freiem SiO₂ bezogen auf den Anteil des die Zwischenschicht bildenden Zirkonium-Oxids und/oder Silikats zu der jeweiligen Metallisierung 3 bzw. 4 hin stark ab, wobei der Anteil an freiem SiO₂ sich im Bereich der Metallisierung auf 0 Gewichtsprozent reduziert, und zwar bezogen auf die Gesamtmasse der Zwischenschicht. Mit der Kurve B ist in der 3 der Verlauf des Anteils des die Zwischenschicht bildenden Zirkonium-Oxids und/oder Silikats gfs. mit den vorgenannten Zusätzen dargestellt.
Die 4 zeigt in einer Darstellung ähnlich 1 als weitere mögliche Ausführungsform ein Substrat 1a, welches sich von dem Substrat 1 dadurch unterscheidet, dass die Metallisierungen 3 und 4 nicht mit dem DCB-Verfahren, sondern mit einem Aktivlötverfahren auf das Keramikmaterial 2 aufgebracht sind. Hierzu ist auf das Keramikmaterial, welches wiederum aus der Basisschicht 5 aus der Si₃N₄-Keramik sowie aus den beiden Zwischenschichten 6 und 7 besteht, eine Schicht 8 bzw. 9 aus Aktivlot aufgebracht, über die die jeweilige Metallisierung bzw. die diese Metallisierung bildende Metall- oder Kupferfolie flächig mit dem Keramikmaterial 2 verbunden ist.
Als Aktivlot eignen sich die üblicherweise verwendeten Materialien, z. B. ein Aktivlot, welches eine Basiskomponente oder einen Lotbestandteil, wie z. B. Kupfer/Silber, sowie eine Aktiv-Komponente enthält, wie z. B. Ti, Hf, Zr. Die Herstellung des Substrates 1a erfolgt wiederum derart, dass zunächst in einem oder mehreren vorausgehenden Verfahrensschritten das Keramikmaterial 2 gefertigt wird. Im Anschluss daran erfolgt dann das Aufbringen der Metallisierungen 3 und 4 nach dem an sich bekannten Aktivlotverfahren, wobei die Schichten 8 und 9 aus Aktivlot entweder als Paste oder als Folie aufgebracht werden.
Zur Herstellen von Leiterbahnen, Kontaktflächen usw. werden die Metall-Keramik-Substrate in der üblichen Weise und mit der üblichen Technik strukturiert, z. B. mit der bekannten Maskier- und Ätztechnik.
Die Erfindung wurde voranstehend an Ausführungsbeispielen beschrieben. Es versteht sich, dass zahlreiche Änderungen sowie Abwandlungen möglich sind, ohne dass dadurch der der Erfindung zugrundeliegende Erfindungsgedanke verlassen wird.

1, 1a: Metall-Keramik-Substrat
1.1: Prüfling
2: Keramikmaterial
3, 4: Metallisierung
5: innere Schicht aus Siliziumnitrid-Keramik
5, 6: Zwischenschicht aus einer oxidischen Keramik
8, 9: Aktivlotschicht
F: Abreißkraft
dc: Dicke der inneren Schicht aus Siliziumnitrid-Keramik
d_m: Dicke der die Metallisierungen bildenden Metallschichten

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 3744120 [0003]
- DE 2319854 [0003]
- DE 2213115 [0005]
- EP 153618 A [0005]
- EP 798781 [0006]
- EP 0499589 [0008]

Claims

Metall-Keramik-Substrat mit einem mehrschichtigen, plattenförmigen Keramikmaterial (2) und mit wenigstens einer an einer Oberflächenseite des Keramikmaterials vorgesehenen Metallisierung (3, 4), die mit dem Keramikmaterial durch Directbonden (DCB-Verfahren) oder Aktivlöten verbunden ist, wobei das Keramikmaterial (2) aus wenigstens einer inneren Schicht oder Basisschicht (5) aus einer Siliziumnitrid-Keramik besteht, und wobei die mit der wenigstens einen Metallisierung (3, 4) versehene Oberflächenseite des Keramikmaterials (2) von einer auf die wenigstens eine Basisschicht (5) aufgebrachten Zwischenschicht (6, 7) aus einer oxidischen Keramik gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Zwischenschicht (6, 7) eine Schicht aus Zirkon-Oxid und/oder eine Silikat-Schicht ist.
Substrat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Silikat der Silikat-Schicht ein Zirkonium-Silikat und/oder ein Titan-Silikat und/oder ein Hafnium-Silikat ist.
Substrat nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Zwischenschicht (6, 7) einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten kleiner oder höchstens gleich 6 × 10^–6 K^–1 besitzt.
Substrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, der Anteil an freiem Siliziumoxid (SiO₂) in der die wenigstens eine Zwischenschicht (6, 7) zumindest im Bereich der Verbindung zwischen der Zwischenschicht (6, 7) und der Metallisierung (3, 4) vernachlässigbar gering ist.
Substrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil an freiem Siliziumoxid in der wenigstens einen Zwischenschicht (6, 7) zumindest im Bereich der Verbindung zwischen der Zwischenschicht und der Metallisierung (3, 4) gleich Null oder annähernd gleich Null ist.
Substrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Basisschicht (5) aus der Siliziumnitrid-Keramik an beiden Oberflächenseiten mit jeweils wenigstens einer Zwischenschicht (6, 7) versehen ist.
Substrat nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass auf beiden Zwischenschichten (6, 7) jeweils wenigstens eine Metallisierung (3, 4) aufgebracht ist.
Substrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Keramikmaterial (2) hinsichtlich der Schichtfolge und Dicke der Keramikschichten (5, 6, 7) symmetrisch zu einer parallel zu den Oberflächenseiten des Keramikmaterials verlaufenden Mittelebene ausgebildet ist.
Substrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es hinsichtlich der Schichtfolge und/oder hinsichtlich der Dicke der Schichten, einschließlich der Dicke der Zwischenschichten (6, 7) und der Metallisierungen (3, 4) symmetrisch zu einer parallel zu den Oberflächenseiten des Substrates verlaufenden Mittelebene ausgebildet ist.
Substrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das für die wenigstens eine Zwischenschicht (6, 7) verwendete Material einen Elastizitätsmodul kleiner 300 GPa, insbesondere einen Elastizitätsmodul im Bereich zwischen 100 und 300 GPa aufweist.
Substrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der wenigstens einen Zwischenschicht (6, 7) deutlich kleiner ist als die Dicke (d_c) der diese Zwischenschicht tragenden Basisschicht (5) aus der Siliziumnitrid-Keramik und/oder deutlich kleiner ist als die Dicke (d_m) der wenigstens einen Metallisierung (3, 4).
Substrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke (d_m) der wenigstens einen Metallisierung (3, 4) maximal gleich der dreifachen Dicke (d_c) der Basisschicht (5) aus der Siliziumnitrid-Keramik ist.
Substrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der wenigstens einen Zwischenschicht (6, 7) im Bereich zwischen 0,1–10 μm liegt.
Substrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke (d_c) der wenigstens einen Basisschicht (5) aus der Siliziumnitrid-Keramik im Bereich zwischen 0,1 und 2 mm liegt.
Substrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke (d_m) der wenigstens einen Metallisierung im Bereich zwischen 0,5–1 mm legt.
Substrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Metallisierung aus Kupfer aus einer Kupferlegierung besteht.
Substrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Basisschicht (5) und/oder die wenigstens eine Zwischenschicht (6, 7) Sinterhilfsmittel, insbesondere in Form wenigstens eines Seltenerdeelementes enthält.
Substrat nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramik der wenigstens einen Zwischenschicht (6, 7) als Sinterhilfsmittel ein Oxid von Ho, Er, Yb, Y, La, Sc, Pr, Ce, Nd, Dy, Sm, Gd oder Mischungen von wenigstens zwei dieser Oxide enthält.
Substrat nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil an Sinterhilfsmittel im Bereich von 1,0 bis 8,0 Gewichtsprozent liegt.
Substrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Zwischenschicht (6, 7) als Zusatzkomponente wenigstens einen oxidischen Bestandteil aus der Gruppe Li₂O, TiO₂, BaO, ZnO, B₂O₃, CsO, Fe₂O₃, ZrO₂, CuO, Cu₂O enthält, wobei der Anteil an dieser Zusatzkomponente maximal 20 Gewichtsprozent bezogen auf die Gesamtmasse der Zwischenschicht beträgt.
Substrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Basisschicht aus der Siliziumnitrid-Keramik eine Wärmeleitfähigkeit größer 45 W/mK aufweist.
Substrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Adhäsions- oder Peelfestigkeit der wenigstens einen Metallisierung (3, 4) an dem Keramikmaterial größer als 40 N/cm ist.
Substrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der wenigstens einen Zwischenschicht (6, 7) und der anschließenden Metallisierung (3, 4) wenigstens eine weitere Schicht (8, 9) aus einem Aktivlot vorgesehen ist.
Substrat nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Aktivlot aus einem als Lot geeigneten Basisbestandteil und einem Aktiv-Metall, beispielsweise Ti, Hf, Zr, Nb und/oder Ce besteht.
Substrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die äußeren Abmessungen des Substrates größer als 80 × 80 mm, vorzugsweise größer 100 × 150 mm sind.
Verfahren zum Herstellen eines Metall-Keramik-Substrats mit einem mehrschichtigen, plattenförmigen Keramikmaterial (2), welches aus wenigstens einer inneren Schicht oder Basisschicht (5) aus einer Siliziumnitrid-Keramik besteht, sowie mit wenigstens einer an einer Oberflächenseite des Keramikmaterials (2) vorgesehenen Metallisierung (3, 4), wobei an der mit der wenigstens einen Metallisierung (3, 4) zu versehenen Oberflächenseite der Basisschicht (5) eine Zwischenschicht (6, 7) gebildet wird und auf dieser Zwischenschicht die wenigstens eine Metallisierung (3, 4) durch Direct- Bonden (DCB-Verfahren) oder Aktivlöten wenigstens einer Metallschicht oder -folie aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass für die Zwischenschicht (6, 7) eine Schicht aus Zirkonium-Oxid und/oder eine Silikat-Schicht verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass für die Zwischenschicht (6, 7) eine Schicht aus Zirkonium-Oxid und/oder eine Silikat-Schicht verwendet wird, deren thermischer Ausdehnungskoeffizienten kleiner oder höchsten gleich 6 × 10^–6 K^–1 ist und deren Anteil an freien Silizium (SiO₂) zumindest im Bereich der Verbindung zwischen der Zwischenschicht (6, 7) und der Metallisierung (3, 4) bzw. am Übergang zwischen der Zwischenschicht (6, 7) und der Metallisierung (3, 4) vernachlässigbar gering ist.
Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (6, 7) so ausgebildet wird, dass der Anteil an freiem Siliziumoxid (SiO₂) in der wenigstens einen Zwischenschicht (6, 7) zumindest im Bereich der Verbindung zwischen der Zwischenschicht (6, 7) und der Metallisierung (3, 4) bzw. am Übergang zwischen der Zwischenschicht (6, 7) und der Metallisierung (3, 4) gleich Null oder annähernd gleich Null ist.
Verfahren nach Anspruch 27 oder 28, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Basisschicht (5) am beiden Oberflächenseiten mit jeweils einer Zwischenschicht (6, 7) versehen und auf beide Zwischenschichten (6, 7) jeweils wenigstens eine Metallisierung (3, 4) aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (6, 7) mit einer Dicke erzeugt wird, die deutlich kleiner ist als die Dicke (d_c) der Basisschicht (5) und/oder deutlich kleiner ist als die Dicke (d_m) der wenigstens einen Metallisierung (3, 4).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die wenigstens eine Metallisierung (3, 4) eine Metallfolie mit einer Dicke (d_m) verwendet wird, die maximal gleich der dreifachen Dicke (d_c) der Basisschicht (5) ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Zwischenschicht (6, 7) mit einer Dicke im Bereich zwischen 0,1–10 μm erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Basisschicht (5) und/oder für die wenigstens eine Zwischenschicht (6, 7) ein Material verwendet wird, welches wenigstens ein Sinterhilfsmittel, insbesondere in Form wenigstens eines Seltenerdenelementes enthält, wobei der Anteil an Sinterhilfsmitteln insbesondere im Bereich von 1,0 bis 8,0 Gewichtsprozent liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die wenigstens eine Zwischenschicht (6, 7) ein Material verwendet wird, das als Zusatzkomponente wenigstens einen oxidischen Bestandteil aus der Gruppe Li₂O, TiO₂, BaO, ZnO, B₂O₃, CsO, Fe₂O₃, ZrO₂, CuO, Cu₂O enthält, wobei der Anteil an der Zusatzkomponente maximal 20 Gewichtsprozent bezogen auf die Gesamtmasse der Zwischenschicht beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Basisschicht (5) an wenigstens einer Oberflächenseite mit einem die Zwischenschicht (6, 7) Material beschichtet und diese Beschichtung bei einer Temperatur im Bereich zwischen 1200 und 1680°C eingebrannt bzw. dichtgesintert wird.
Verfahren nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, dass das Einbrennen oder Dichtsintern in einer oxidischen Atmosphäre erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 35 oder 36, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichten durch Sprühen, Tauchen, beispielsweise aus wässrigen Dispersionen, oder in einem Sol-Gel-Verfahren erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichten unter Verwendung von das Zirkonium-Oxid und/oder das wenigstens eine Silikat enthaltenden micro- bis nanodispersen Mischungen erfolgt.