DE102020204989B3 - Process for the additive manufacturing of a circuit carrier and circuit carrier - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Verfahren zur additiven Fertigung eines Schaltungsträgers beschrieben. Zunächst werden ein keramisches Substrat (16) und ein metallisches Pulver (17) bereitgestellt. Anschließend wird eine stoffschlüssig mit dem keramischen Substrat (16) verbundene Leiterstruktur (15) erzeugt, indem eine Pulverschicht (P1) des metallischen Pulvers (17) auf das keramische Substrat (16) aufgetragen und zur Herstellung einer ersten Metallisierungsschicht (M1) selektiv aufgeschmolzen wird und mindestens eine weitere Pulverschicht (P2, P3) des metallischen Pulvers (17) aufgetragen und zur Herstellung mindestens einer weiteren Metallisierungsschicht (M2, M3) selektiv aufgeschmolzen wird. Zur Verbesserung des Verfahrens wird vorgeschlagen, dass das metallische Pulver (17) ein Material umfasst, das eine Dichteanomalie aufweist, und/oder dass das keramische Substrat (16) während des Erzeugens der Leiterstruktur (15) beheizt wird. Zudem wird ein Schaltungsträger be- schrieben.A method for additive manufacturing of a circuit carrier is described. First, a ceramic substrate (16) and a metallic powder (17) are provided. A conductive structure (15) connected to the ceramic substrate (16) is then produced by applying a powder layer (P1) of the metallic powder (17) to the ceramic substrate (16) and selectively melting it to produce a first metallization layer (M1) and at least one further powder layer (P2, P3) of the metallic powder (17) is applied and selectively melted to produce at least one further metallization layer (M2, M3). To improve the method, it is proposed that the metallic powder (17) comprise a material which has a density anomaly, and / or that the ceramic substrate (16) is heated during the creation of the conductor structure (15). A circuit carrier is also described.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur additiven Fertigung eines Schaltungsträgers, insbesondere eines Schaltungsträgers für die Leistungselektronik. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Schaltungsträger, insbesondere für die Leistungselektronik.The invention relates to a method for additive manufacturing of a circuit carrier, in particular a circuit carrier for power electronics. The invention also relates to a circuit carrier, in particular for power electronics.
Schaltungsträger dienen der Befestigung und leitenden Verbindung von elektronischen Bauteilen. Beispielhafte Schaltungsträger sind Leiterplatten. Insbesondere in der Leistungselektronik ist eine gute Wärmeabfuhr mittels des Schaltungsträgers erforderlich. Hierfür haben sich keramische Substrate mit einer darauf ausgebildeten Leiterstruktur bewährt. Derartige Schaltungsträger werden beispielsweise mittels Direct Copper Bonding (DCB) oder mittels Active Metal Brazing (AMB) hergestellt. Beide Verfahren basieren auf einer stoffschlüssigen Verbindung des keramischen Substrats mit einer Metallisierung anhand von Hochtemperatur-Brennvorgängen. Zur Erzeugung der Leiterstruktur aus der flächigen Metallisierung sind nachfolgende Lithographie-, Ätz- und Waschvorgänge erforderlich. Diese Verfahren sind komplex und erfordern umfangreiche hardwareseitige Anpassungen, beispielsweise in Form von Lithographiemasken, Druckschablonen und entsprechenden Werkzeugen. Daher ist die Herstellung derartiger Schaltungsträger aufwändig und eignet sich nicht für die Produktion von Kleinserien oder Prototypen. Schaltungsträger und deren Herstellung sind beispielsweise bekannt aus
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines Schaltungsträgers anzugeben, insbesondere ein Verfahren anzugeben, das einfach durchführbar und flexibel ist und sich auch für die Fertigung von Kleinserien oder Prototypen eignet.It is the object of the present invention to specify an improved method for producing a circuit carrier, in particular to specify a method that can be carried out easily and flexibly and is also suitable for the production of small series or prototypes.
Diese Aufgabe ist gelöst durch ein Verfahren mit den im Anspruch 1 angegebenen Schritten. Zunächst werden ein keramisches Substrat und ein metallisches Pulver bereitgestellt. Eine Pulverschicht des metallischen Pulvers wird auf das keramische Substrat aufgetragen und zur Herstellung einer ersten Metallisierungssicht selektiv aufgeschmolzen. Mindestens eine weitere Pulverschicht des metallischen Pulvers wird aufgetragen und zur Herstellung mindestens einer weiteren Metallisierungssicht selektiv aufgeschmolzen. Mittels des selektiven Aufschmelzens der metallischen Pulver wird eine mit dem keramischen Substrat stoffschlüssig verbundene Leiterstruktur schichtweise erzeugt. Nach vollständiger Erzeugung der Leiterstruktur auf dem keramischen Substrat ist der Schaltungsträger fertiggestellt. Der gefertigte Schaltungsträger eignet sich aufgrund der Wärmeleitfähigkeit des keramischen Substrats hervorragend für die Leistungselektronik. Derartige Schaltungsträger werden auch als leistungselektronische Substrate (Power Electronic Substrates) bezeichnet.This object is achieved by a method with the steps specified in claim 1. First, a ceramic substrate and a metallic powder are provided. A powder layer of the metallic powder is applied to the ceramic substrate and selectively melted to produce a first layer of metallization. At least one further powder layer of the metallic powder is applied and selectively melted to produce at least one further metallization layer. By means of the selective melting of the metallic powder, a conductor structure that is cohesively connected to the ceramic substrate is produced in layers. After the conductor structure has been completely produced on the ceramic substrate, the circuit carrier is completed. Due to the thermal conductivity of the ceramic substrate, the manufactured circuit carrier is ideally suited for power electronics. Such circuit carriers are also referred to as power electronic substrates.
Das metallische Pulver umfasst ein Material, das eine Dichteanomalie aufweist. Geeignete Materialien sind beispielsweise Antimon, Bismut, Gallium, Germanium, Lithium, Silizium und/oder Tellur. Das entsprechende Material wird im Folgenden auch als eine Stabilisierungs-Komponente des metallischen Pulvers bezeichnet. Aufgrund der Dichteanomalie ist die Temperaturwechselbeständigkeit der erzeugten Metallisierungsschichten erhöht. Zudem sind Spannungen in den Metallisierungsschichten vermindert, insbesondere vermieden. Bevorzugt ist die Stabilisierungs-Komponente als Legierungsbestandteil zu weiteren Komponenten des metallischen Pulvers zulegiert. Ein Anteil der Stabilisierungs-Komponente in dem metallischen Pulver kann beispielsweise bis zu 10 Gew.-% betragen.The metallic powder includes a material that has an anomaly in density. Suitable materials are, for example, antimony, bismuth, gallium, germanium, lithium, silicon and / or tellurium. The corresponding material is also referred to below as a stabilization component of the metallic powder. Because of the density anomaly, the resistance to temperature changes of the metallization layers produced is increased. In addition, stresses in the metallization layers are reduced, in particular avoided. The stabilizing component is preferably added as an alloy component to further components of the metallic powder. A proportion of the stabilization component in the metallic powder can be up to 10% by weight, for example.
Diese Aufgabe ist auch gelöst durch ein Verfahren mit den im Anspruch 2 angegebenen Schritten. Das keramische Substrat wird während des Erzeugens der Leiterstruktur beheizt. Das Beheizen des keramischen Substrats hat den Vorteil, dass ein Aufschmelzen des darauf aufgebrachten metallischen Pulvers vereinfacht ist. Insbesondere ist ein geringerer Energieeintrag zum Aufschmelzen des metallischen Pulvers erforderlich. Zudem hat das Beheizen einen positiven Einfluss auf die geringe Thermoschockbeständigkeit des keramischen Substrats. Zudem verbindet sich das metallische Pulver besser mit dem beheizten keramischen Substrat. Das Verfahren ist stabil und effizient. Insbesondere wird das keramische Substrat auf eine Temperatur zwischen 200 °C und 700 °C aufgeheizt. Besonders bevorzugt wird das keramische Substrat knapp unter die Schmelztemperatur des metallischen Pulvers aufgeheizt.This object is also achieved by a method with the steps specified in
Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass sich das schichtweise Auftragen und selektive Aufschmelzen des metallischen Pulvers zur Herstellung einer zuverlässigen Metallisierung des keramischen Substrats eignet. Vorteilhafterweise ermöglicht das selektive Aufschmelzen des Pulvers eine direkte Fertigung der Leiterstruktur. Eine aufwändige Nachbearbeitung der Metallisierung zur Erzeugung der Leiterstruktur, insbesondere aufwändige Lithographie-, Ätz- und Waschvorgänge, sind nicht erforderlich. Das Verfahren ermöglicht eine effiziente und einfache Fertigung des Schaltungsträgers. Insbesondere sind hierdurch auch Kleinserien und Prototypen von Schaltungsträgern fertigbar. Das Verfahren weist eine hohe Flexibilität auf. According to the invention, it was recognized that the application of layers and selective melting of the metallic powder is suitable for producing a reliable metallization of the ceramic substrate. The selective melting of the powder advantageously enables the conductor structure to be manufactured directly. Complex post-processing of the metallization to produce the conductor structure, in particular complex lithography, etching and washing processes, are not required. The method enables an efficient and simple production of the circuit carrier. In particular, this also enables small series and prototypes of circuit carriers to be produced. The process has a high degree of flexibility.
Ein weiterer Vorteil des Verfahrens besteht darin, dass ein Schaltungslayout der Leiterstruktur flexibel gestaltet werden kann. Insbesondere ermöglicht das Verfahren die Erzeugung einer dreidimensionalen Struktur der Metallisierung, was auch als 3D-Metallisierung bezeichnet wird. Bei der schichtweisen Fertigung können in unterschiedlichen Schichten verschiedene Flächenbereiche aufgeschmolzen werden. Die unterschiedlichen Metallisierungsschichten sind daher nicht zwingend deckungsgleich. Zwei oder mehr Metallisierungsschichten können in einer parallel zur Oberfläche des Substrats verlaufenden Ebene unterschiedliche Geometrien aufweisen. Das Verfahren ist nicht auf die Erzeugung von zweidimensionalen Leiterstrukturen beschränkt, wie dies beispielsweise bei Lithographie- und Ätzprozessen der Fall ist.Another advantage of the method is that a circuit layout of the Conductor structure can be designed flexibly. In particular, the method enables the generation of a three-dimensional structure of the metallization, which is also referred to as 3D metallization. When manufacturing in layers, different surface areas can be melted in different layers. The different metallization layers are therefore not necessarily congruent. Two or more metallization layers can have different geometries in a plane running parallel to the surface of the substrate. The method is not limited to the production of two-dimensional conductor structures, as is the case, for example, with lithography and etching processes.
Die Leiterstruktur weist beispielsweise Leiterbahnen und/oder Kontaktflächen für elektrische Bauelemente auf. Die 3D-Metallisierung erlaubt nicht nur horizontale, sondern auch vertikale Integrationsmöglichkeiten für aktive und/oder passive Bauelemente. Weiterhin kann auf nachfolgende Montageschritte verzichtet werden, beispielsweise indem Lastenanschlüsse nicht separat montiert, sondern als Teil der Metallisierungsschichten erzeugt werden. Auch können Kühlköper und/oder ein Gehäuse integral hergestellt werden.The conductor structure has, for example, conductor tracks and / or contact areas for electrical components. The 3D metallization allows not only horizontal, but also vertical integration options for active and / or passive components. Furthermore, subsequent assembly steps can be dispensed with, for example in that load connections are not assembled separately, but rather are produced as part of the metallization layers. Cooling bodies and / or a housing can also be manufactured integrally.
Das bereitgestellte keramische Substrat kann eine Oxidkeramik oder eine Nicht-Oxidkeramik sein. Bevorzugt ist das keramische Substrat eine Aluminiumoxid-Keramik, Berylliumoxid-Keramik, Siliziumnitrid-Keramik oder Aluminiumnitrid-Keramik. Diese Keramiken weisen einen geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten und eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf. Sie sind für Anwendungen mit hohen Temperaturunterschieden und hohen Temperaturbelastungen besonders gut geeignet.The ceramic substrate provided can be an oxide ceramic or a non-oxide ceramic. The ceramic substrate is preferably an aluminum oxide ceramic, beryllium oxide ceramic, silicon nitride ceramic or aluminum nitride ceramic. These ceramics have a low coefficient of thermal expansion and high thermal conductivity. They are particularly well suited for applications with high temperature differences and high temperature loads.
Das bereitgestellte keramische Substrat ist insbesondere plattenförmig. Alternativ oder zusätzlich sind auch komplexere Formen des keramischen Substrats möglich. Das Verfahren ist nicht auf plattenförmige keramische Substrate beschränkt. Die Anwendungsmöglichkeiten des Verfahrens sind weiter erhöht. Das Bereitstellen des keramischen Substrats kann auch die Fertigung des keramischen Substrats und/oder von Teilen desselben umfassen. Beispielsweise ist es möglich, zumindest Teile des keramischen Substrats additiv zu fertigen.The ceramic substrate provided is in particular plate-shaped. Alternatively or additionally, more complex shapes of the ceramic substrate are also possible. The method is not limited to plate-shaped ceramic substrates. The application possibilities of the method are further increased. The provision of the ceramic substrate can also include the production of the ceramic substrate and / or parts thereof. For example, it is possible to additively manufacture at least parts of the ceramic substrate.
Das bereitgestellte metallische Pulver bildet den Werkstoff, aus welchem die Metallisierungsschichten und damit die Leiterstruktur gefertigt werden. Das metallische Pulver kann eine oder mehrere Komponenten, insbesondere ein oder mehrere Materialien umfassen. Bevorzugt weist das metallische Pulver unterschiedliche funktionale Komponenten auf. Beispielsweise können unterschiedliche funktionale Komponenten eine hohe elektrische Leitfähigkeit der Metallisierungsschichten, eine gute Benetzbarkeit des keramischen Substrats und/oder eine hohe Temperaturwechselbeständigkeit der Leiterstruktur begünstigen, insbesondere gewährleisten. Verschiedene Komponenten des metallischen Pulvers können in Form unterschiedlicher Ausgangspulver, die zu dem metallischen Pulver vermischt werden, bereitgestellt werden. Zusätzlich oder alternativ hierzu können verschiedene Komponenten als Legierungsbestandteile in dem metallischen Pulver vorliegen. Verschiedene Komponenten des metallischen Pulvers sind bevorzugt flexibel kombinierbar. Insbesondere ist es möglich, dass das metallische Pulver zur Herstellung verschiedener der Metallisierungsschichten eine unterschiedliche Zusammensetzung aufweist, wie dies im Weiteren noch im Detail beschrieben ist.The provided metallic powder forms the material from which the metallization layers and thus the conductor structure are manufactured. The metallic powder can comprise one or more components, in particular one or more materials. The metallic powder preferably has different functional components. For example, different functional components can promote, in particular ensure, high electrical conductivity of the metallization layers, good wettability of the ceramic substrate and / or high thermal shock resistance of the conductor structure. Various components of the metallic powder can be provided in the form of different starting powders which are mixed to form the metallic powder. In addition or as an alternative to this, various components can be present as alloy constituents in the metallic powder. Various components of the metallic powder can preferably be flexibly combined. In particular, it is possible that the metallic powder for producing various of the metallization layers has a different composition, as will be described in detail below.
Es werden mindestens zwei Metallisierungsschichten oder mehr Metallisierungsschichten hergestellt. Das Verfahren ist nicht auf eine bestimmte Anzahl von zu herzustellenden Metallisierungsschichten beschränkt.At least two or more metallization layers are produced. The method is not restricted to a specific number of metallization layers to be produced.
Nach Erzeugung der Leiterstruktur kann überschüssiges metallisches Pulver, welches nicht aufgeschmolzen wurde, entfernt werden. Überschüssiges metallisches Pulver kann wieder verwendet werden.After the conductor structure has been created, excess metallic powder that has not been melted can be removed. Excess metallic powder can be reused.
Gemäß einem bevorzugten Aspekt des Verfahrens erfolgt das selektive Aufschmelzen des metallischen Pulvers durch selektives Laserschmelzen (engl. selective laser melting, kurz: SLM). Beim selektiven Laserschmelzen werden die Pulverpartikel vollständig aufgeschmolzen. Dies führt zu einer besonders dichten und homogen Metallisierung des keramischen Substrats. Zudem ist eine Benetzung des keramischen Substrats durch das selektive Laserschmelzen verbessert.According to a preferred aspect of the method, the metallic powder is selectively melted by selective laser melting (SLM for short). With selective laser melting, the powder particles are completely melted. This leads to a particularly dense and homogeneous metallization of the ceramic substrate. In addition, wetting of the ceramic substrate is improved by the selective laser melting.
Beim selektiven Laserschmelzen wird ein fokussierter Laserstrahl über die aufzuschmelzenden Bereiche der jeweiligen Pulverschicht geführt. Die Laserstrahlung kann kontinuierlich oder gepulst sein.With selective laser melting, a focused laser beam is guided over the areas of the respective powder layer to be melted. The laser radiation can be continuous or pulsed.
Für das Laserschmelzen kann Laserstrahlung mit unterschiedlichen Wellenlängen verwendet werden. Je nach verwendeter Wellenlänge spielen unterschiedliche Absorptionsmechanismen in dem metallischen Pulver und dem keramischen Substrat eine wesentliche Rolle. Beispielsweise kann Laserstrahlung mit Wellenlängen vom Infrarotbereich bis in den UV-Bereich verwendet werden. Bevorzugt werden Wellenlängen zwischen 380 nm und 750 nm, also im Bereich des sichtbaren Lichts, verwendet. Als besonders geeignet hat sich Laserstrahlung mit Wellenlängen von ca. 490 nm bis ca. 575 nm (grünes Licht) oder von ca. 420 nm bis ca. 490 nm (blaues Licht) erwiesen. Diese Wellenlängen sind optimal geeignet für die Verarbeitung bevorzugter metallischer Pulver, insbesondere metallischer Pulver mit hohem Kupferanteil.Laser radiation with different wavelengths can be used for laser melting. Depending on the wavelength used, different absorption mechanisms play an important role in the metallic powder and the ceramic substrate. For example, laser radiation with wavelengths from the infrared range to the UV range can be used. Wavelengths between 380 nm and 750 nm, that is to say in the range of visible light, are preferably used. Laser radiation with wavelengths from approx. 490 nm to approx. 575 nm (green light) or from approx. 420 nm to approx. 490 nm (blue light) has proven to be particularly suitable. These wavelengths are optimal suitable for processing preferred metallic powders, especially metallic powders with a high copper content.
Einstellbare Parameter beim Laserschmelzen sind weiterhin insbesondere die Laserleistung, der Fokusdurchmesser und/oder die Lasergeschwindigkeit, mit welcher der Laserstrahl über die Oberfläche geführt wird. Die Parameter können aneinander angepasst werden, um ein vollständiges Aufschmelzen des metallischen Pulvers zu gewährleisten. Insbesondere können die weiteren Parameter abhängig von der Wellenlänge der Laserstrahlung gewählt werden. Die Laserleistung liegt beispielsweise zwischen 30 W und 1000 W, insbesondere zwischen 50 W und 500 W. Der Fokusdurchmesser kann beispielsweise zwischen 20 µm und 200 µm betragen. Beispielhafte Lasergeschwindigkeiten liegen zwischen 15 mm/s und 7000 mm/s, insbesondere zwischen 50 mm/s und 1500 mm/s.Parameters that can be set during laser melting are, in particular, the laser power, the focus diameter and / or the laser speed with which the laser beam is guided over the surface. The parameters can be adapted to one another in order to ensure complete melting of the metallic powder. In particular, the further parameters can be selected as a function of the wavelength of the laser radiation. The laser power is, for example, between 30 W and 1000 W, in particular between 50 W and 500 W. The focus diameter can be, for example, between 20 μm and 200 μm. Exemplary laser speeds are between 15 mm / s and 7000 mm / s, in particular between 50 mm / s and 1500 mm / s.
Zur Erzeugung der Laserstrahlung können beliebige Lasertypen eingesetzt werden, insbesondere Faserlaser, Scheibenlaser oder Diodenlaser. Aufgrund ihrer hohen Strahlgüte haben sich Faserlaser als besonders geeignet erwiesen.Any laser types can be used to generate the laser radiation, in particular fiber lasers, disk lasers or diode lasers. Due to their high beam quality, fiber lasers have proven to be particularly suitable.
Ein weiterer Vorteil des selektiven Laserschmelzens besteht darin, dass die Größe eines beim Aufschmelzen erzeugten Schmelzbads durch einen Strahldurchmesser des Laserstrahls definiert ist. Folglich ist die minimal erreichbare Strukturgröße nur durch die Verfahrensparameter beim selektiven Laserschmelzen beschränkt. Die Schmelzbadbreite hängt unter anderem von der Strahlleistung, dem Strahldurchmesser, einer Lasergeschwindigkeit, mit welcher der Strahl über die Pulverschicht geführt wird, und den Materialeigenschaften der Pulverpartikel ab. Mit Hilfe des selektiven Laserstrahlschmelzens sind kleine Strukturgrößen möglich. Beispielsweise sind Strukturgrößen zwischen 50 µm und 80 µm erzielbar.Another advantage of selective laser melting is that the size of a weld pool generated during melting is defined by a beam diameter of the laser beam. As a result, the minimum structure size that can be achieved is only limited by the process parameters for selective laser melting. The weld pool width depends, among other things, on the beam power, the beam diameter, a laser speed with which the beam is guided over the powder layer and the material properties of the powder particles. With the help of selective laser beam melting, small structure sizes are possible. For example, structure sizes between 50 µm and 80 µm can be achieved.
Das selektive Aufschmelzen des Pulvers kann auch mittels selektiven Elektronenstrahlschmelzens (engl. electron beam melting, kurz: EBM) erfolgen. Hierbei wird ein fokussierter Elektronenstrahl über die aufzuschmelzenden Bereiche der jeweiligen Pulverschicht geführt. Die Vorteile des selektiven Elektronenstrahlschmelzens entsprechen denen des selektiven Laserstrahlschmelzens.The selective melting of the powder can also take place by means of selective electron beam melting (EBM for short). Here, a focused electron beam is guided over the areas of the respective powder layer to be melted. The advantages of selective electron beam melting are the same as those of selective laser beam melting.
Die Metallisierungsschichten können auch mittels Laserauftragsschweißens (engl. laser metal deposition, kurz: LMD) erzeugt werden. Hierbei wird ein Bearbeitungskopf über die Oberfläche des keramischen Substrats geführt. Das metallische Pulver wird über Düsen des Bearbeitungskopfes aufgetragen und mittels eines Laserstrahls aufgeschmolzen. Das metallische Pulver wird in jeder Pulverschicht nur in den Bereichen aufgetragen, die auch aufgeschmolzen werden. Das metallische Pulver wird selektiv aufgetragen und aufgeschmolzen. Es bedarf keines flächigen Auftragens des metallischen Pulvers. Ein nachträgliches Entfernen von nicht aufgeschmolzenem Pulver ist vermieden.The metallization layers can also be produced by means of laser metal deposition (LMD). Here, a processing head is guided over the surface of the ceramic substrate. The metallic powder is applied via nozzles on the machining head and melted using a laser beam. The metallic powder is only applied in each powder layer in the areas that are also melted. The metallic powder is selectively applied and melted. The metallic powder does not need to be applied over a large area. Subsequent removal of unmelted powder is avoided.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Aspekt des Verfahrens enthält das metallische Pulver mindestens eines der Metalle Gold, Aluminium, Kupfer und/oder Silber. Diese Metalle und damit erzeugte Metallisierungsschichten weisen eine hohe elektrische Leitfähigkeit auf. Diese Metalle können eine Grundkomponente des metallischen Pulvers bilden. Insbesondere kann das metallische Pulver eine Legierung auf Basis eines oder mehrerer dieser Metalle sein. Als besonders geeignete Grundkomponente hat sich Kupfer oder eine Kupferlegierung erwiesen. Zur Erzielung einer hohen elektrischen Leitfähigkeit der Leiterstruktur ist es vorteilhaft ein metallisches Pulver mit einem möglichst hohen Anteil der Grundkomponente zu verwenden. Ein Anteil der Grundkomponente in dem metallischen Pulver kann beispielsweise zwischen 80 Gew.-% und 100 Gew.-%, insbesondere zwischen 85 Gew.-% und 99 Gew.-%, bevorzugt zwischen 90 Gew.-% und 95 Gew.-% betragen. Der Anteil der Grundkomponente kann in verschiedenen Metallisierungsschichten auch unterschiedlich sein. Beispielsweise kann der Anteil in der ersten Metallisierungsschicht geringer sein, insbesondere Null sein. In weiteren Metallisierungsschichten kann der Anteil der Grundkomponente zunehmen. Beispielsweise können weitere Metallisierungsschichten auch im Wesentlichen aus der Grundkomponente, insbesondere aus Kupfer, bestehen.According to a further preferred aspect of the method, the metallic powder contains at least one of the metals gold, aluminum, copper and / or silver. These metals and the metallization layers produced with them have a high electrical conductivity. These metals can form a basic component of the metallic powder. In particular, the metallic powder can be an alloy based on one or more of these metals. Copper or a copper alloy has proven to be a particularly suitable basic component. To achieve a high electrical conductivity of the conductor structure, it is advantageous to use a metallic powder with as high a proportion of the basic component as possible. A proportion of the basic component in the metallic powder can, for example, be between 80% by weight and 100% by weight, in particular between 85% by weight and 99% by weight, preferably between 90% by weight and 95% by weight. be. The proportion of the basic component can also be different in different metallization layers. For example, the proportion in the first metallization layer can be smaller, in particular zero. The proportion of the basic component can increase in further metallization layers. For example, further metallization layers can also essentially consist of the basic component, in particular of copper.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Aspekt des Verfahrens weist das metallische Pulver eine Benetzungs-Komponente auf, wobei die Benetzungs-Komponente mindestens eines der Elemente Titan, Hafnium, Zirkonium, Niob, Cer, Chrom, Vanadium, Yttrium und Scandium umfasst. Diese Materialien weisen gute Benetzungseigenschaften auf keramischen Oberflächen auf. Die Benetzungs-Komponente eignet sich daher besonders gut zur Benetzung des keramischen Substrats. Die als Benetzungs-Komponente verwendbaren Materialien werden auch als aktive Materialien bezeichnet. Die aktiven Materialien sind sehr reaktiv und können sich unter Temperaturzufuhr mit dem Oxid einer Oxidkeramik oder dem Stickstoff einer Nicht-Oxidkeramik verbinden. Mit Hilfe der Benetzungs-Komponente ist eine besonders stabile stoffschlüssige Verbindung der Leiterstruktur mit dem keramischen Substrat erzeugbar. Als besonders geeignete Benetzungs-Komponente hat sich Titan erwiesen.According to a further preferred aspect of the method, the metallic powder has a wetting component, the wetting component comprising at least one of the elements titanium, hafnium, zirconium, niobium, cerium, chromium, vanadium, yttrium and scandium. These materials have good wetting properties on ceramic surfaces. The wetting component is therefore particularly suitable for wetting the ceramic substrate. The materials that can be used as wetting components are also referred to as active materials. The active materials are very reactive and can combine with the oxide of an oxide ceramic or the nitrogen of a non-oxide ceramic when exposed to temperature. With the help of the wetting component, a particularly stable material connection between the conductor structure and the ceramic substrate can be produced. Titanium has proven to be a particularly suitable wetting component.
Bevorzugt ist ein Anteil der Benetzungs-Komponente in dem metallischen Pulver so gering wie möglich. Besonders bevorzugt wird der Anteil der Benetzungs-Komponente gerade so hoch wie nötig gewählt, um einen gewünschten Benetzungsgrad zu erzielen. Hierdurch kann der Anteil der Benetzungs-Komponente zugunsten andere Komponenten, insbesondere der Grundkomponente, reduziert werden. Ein Anteil der Benetzungs-Komponente in dem metallischen Pulver kann beispielsweise zwischen 0,5 Gew.-% und 15 Gew.-%, insbesondere zwischen 0,5 Gew.-% und 10 Gew.-%, betragen. Bevorzugt ist ein Anteil der Benetzungs-Komponente kleiner oder gleich 10 Gew.-%. Der Anteil der Benetzungs-Komponente kann auch von Metallisierungsschicht zu Metallisierungsschicht variieren. Beispielsweise kann in der ersten Metallisierungsschicht der Anteil der Benetzungs-Komponente höher sein. Insbesondere kann die erste Metallisierungsschicht im Wesentlichen aus einer Benetzungs-Komponente, beispielsweise aus Titan, bestehen. In weiteren Metallisierungsschichten kann der Anteil der Benetzungs-Komponente abnehmen. Insbesondere können weitere Metallisierungsschichten auch keine Benetzungs-Komponente enthalten.A proportion of the wetting component in the metallic powder is preferably as low as possible. The proportion of is particularly preferred Wetting component selected just as high as necessary to achieve a desired degree of wetting. As a result, the proportion of the wetting component can be reduced in favor of other components, in particular the basic component. A proportion of the wetting component in the metallic powder can be, for example, between 0.5% by weight and 15% by weight, in particular between 0.5% by weight and 10% by weight. A proportion of the wetting component less than or equal to 10% by weight is preferred. The proportion of the wetting component can also vary from metallization layer to metallization layer. For example, the proportion of the wetting component can be higher in the first metallization layer. In particular, the first metallization layer can essentially consist of a wetting component, for example titanium. The proportion of the wetting component can decrease in further metallization layers. In particular, further metallization layers cannot contain any wetting components.
Bevorzugt umfasst das metallische Pulver eine Grundkomponente aus einem Metall hoher Leitfähigkeit, insbesondere aus Kupfer, und eine Benetzungs-Komponente. Beispielsweise können die beiden Komponenten in Form zweier Pulver vorliegen, die zu dem metallischen Pulver vermischt werden. Je nach Mischungsverhältnis kann der Anteil der Benetzungs-Komponente variiert werden.The metallic powder preferably comprises a basic component made of a metal of high conductivity, in particular made of copper, and a wetting component. For example, the two components can be in the form of two powders that are mixed to form the metallic powder. Depending on the mixing ratio, the proportion of the wetting component can be varied.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Aspekt des Verfahrens weist das metallische Pulver eine die Benetzungs-Komponente umfassende Legierung auf. Weitere Pulver-Komponenten, insbesondere eine Grundkomponente des metallischen Pulvers, können in Form weiterer Legierungsbestandteile vorliegen. Die Kombination unterschiedlicher Pulver-Komponenten in einer Legierung gewährleistet eine besonders homogene Zusammensetzung des metallischen Pulvers. Ein Entmischen unterschiedlicher Pulver-Komponenten ist vermieden. Auch die aus dem metallischen Pulver erzeugten Metallisierungsschichten weisen eine homogene Zusammensetzung, insbesondere eine gleichmäßige Verteilung der Benetzungs-Komponente, auf. Hierdurch sind eine zuverlässige und gleichmäßige Benetzung des keramischen Substrats und eine zuverlässige stoffschlüssige Verbindung hiermit gewährleistet.According to a further preferred aspect of the method, the metallic powder has an alloy comprising the wetting component. Further powder components, in particular a basic component of the metallic powder, can be present in the form of further alloy constituents. The combination of different powder components in one alloy ensures a particularly homogeneous composition of the metallic powder. Separation of different powder components is avoided. The metallization layers produced from the metallic powder also have a homogeneous composition, in particular a uniform distribution of the wetting component. This ensures reliable and uniform wetting of the ceramic substrate and a reliable material connection with it.
Bevorzugt ist die Benetzungs-Komponente zu einem Metall mit hoher Leitfähigkeit, insbesondere zu Kupfer, legiert. Als besonders geeignet haben sich Kupfer-Titan-Legierungen erwiesen.The wetting component is preferably alloyed to form a metal with high conductivity, in particular to copper. Copper-titanium alloys have proven to be particularly suitable.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Aspekt des Verfahrens wird die Benetzungs-Komponente in Form einer Ummantelung von Primärpulver-Partikeln bereitgestellt. Die Ummantelung der Primärpulver-Partikel hat den Vorteil einer homogenen Verteilung der Benetzungs-Komponente in dem metallischen Pulver. Das Primärpulver kann insbesondere eine Grundkomponente des metallischen Pulvers aufweisen. Bevorzugt weist das Primärpulver eine Grundkomponente und eine Stabilitäts-Komponente des metallischen Pulvers auf. Die Primärpulver-Partikel können beispielsweise mit der Benetzungs-Komponente beschichtet sein oder werden. Hierdurch ist ein Anteil der Benetzungs-Komponente in dem metallischen Pulver flexibel einstellbar.According to a further preferred aspect of the method, the wetting component is provided in the form of a coating of primary powder particles. The coating of the primary powder particles has the advantage of a homogeneous distribution of the wetting component in the metallic powder. The primary powder can in particular have a basic component of the metallic powder. The primary powder preferably has a basic component and a stability component of the metallic powder. The primary powder particles can, for example, be or will be coated with the wetting component. As a result, a proportion of the wetting component in the metallic powder can be flexibly adjusted.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Aspekt des Verfahrens weist das metallische Pulver eine Partikelgrößenverteilung von d50 zwischen 10 µm und 100 µm auf. Eine entsprechende Partikelgrößenverteilung ermöglicht eine gleichmäßige und kompakte Auftragung der Pulverschichten und damit eine hohe Dichte und Homogenität der hergestellten Metallisierungsschichten. Besonders bevorzugt weist das metallische Pulver sphärische Pulverpartikel auf. Dies verbessert die Rieselfähigkeit des Pulvers.According to a further preferred aspect of the method, the metallic powder has a particle size distribution of d 50 between 10 μm and 100 μm. A corresponding particle size distribution enables a uniform and compact application of the powder layers and thus a high density and homogeneity of the metallization layers produced. The metallic powder particularly preferably has spherical powder particles. This improves the flowability of the powder.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Aspekt des Verfahrens wird zur Herstellung verschiedener der Metallisierungsschichten eine unterschiedliche Zusammensetzung des metallischen Pulvers verwendet. Hierdurch sind die Eigenschaften verschiedener Komponenten der metallischen Pulver flexibel kombinierbar. Hierdurch sind Metallisierungsschichten mit unterschiedlichen Eigenschaften fertigbar. Die Metallisierungsschichten können noch besser an die jeweiligen Anforderungen angepasst werden. Die Leiterstruktur kann einen Materialgradienten aufweisen.According to a further preferred aspect of the method, a different composition of the metallic powder is used to produce different ones of the metallization layers. As a result, the properties of various components of the metallic powder can be flexibly combined. As a result, metallization layers with different properties can be produced. The metallization layers can be adapted even better to the respective requirements. The conductor structure can have a material gradient.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Aspekt des Verfahrens wird zumindest die erste Metallisierungsschicht mit einem im Vergleich zu mindestens einer weiteren Metallisierungsschicht erhöhten Anteil einer Benetzungs-Komponente, insbesondere einem erhöhten Titan-Anteil, hergestellt. Ein erhöhter Anteil der Benetzungs-Komponente in zumindest der ersten Metallisierungsschicht bewirkt eine besonders gute Benetzung des keramischen Substrats. Die stoffschlüssige Verbindung der Leiterstruktur mit dem keramischen Substrat ist besonders stabil.According to a further preferred aspect of the method, at least the first metallization layer is produced with an increased proportion of a wetting component, in particular an increased titanium proportion, compared to at least one further metallization layer. An increased proportion of the wetting component in at least the first metallization layer causes particularly good wetting of the ceramic substrate. The material connection between the conductor structure and the ceramic substrate is particularly stable.
Bevorzugt weist das metallische Pulver zumindest zur Herstellung der ersten Metallisierungsschicht ein Reintitan-Pulver auf. Titan hat sich als besonders geeignete Benetzungs-Komponente bewährt. Die Verwendung eines Reintitan-Pulvers zumindest zur Herstellung der ersten Metallisierungsschicht bewirkt eine optimale Benetzung des keramischen Substrats. The metallic powder preferably has a pure titanium powder at least for producing the first metallization layer. Titanium has proven to be a particularly suitable wetting component. The use of a pure titanium powder at least for the production of the first metallization layer causes optimal wetting of the ceramic substrate.
Die Stabilität des erzeugten Schaltungsträgers ist erhöht. Beispielsweise besteht das metallische Pulver zumindest zur Herstellung der ersten Metallisierungsschicht aus einem Reintitan-Pulver. Bevorzug besteht das metallische Pulver zumindest zur Herstellung der ersten Metallisierungsschicht aus einem Reintitan-Pulver und einer zulegierten Stabilisierungs-Komponente, insbesondere Silizium. Durch Zulegierung der Stabilisierungs-Komponente sind Spannungen in der erzeugten Metallisierungsschicht zuverlässig vermieden.The stability of the circuit carrier produced is increased. For example, the metallic powder is at least for the production of the first metallization layer made of a pure titanium powder. The metallic powder preferably consists of a pure titanium powder and an alloyed stabilization component, in particular silicon, at least for the production of the first metallization layer. By adding alloy to the stabilization component, stresses in the generated metallization layer are reliably avoided.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Aspekt des Verfahrens wird zumindest eine der weiteren Metallisierungsschichten mit einem im Vergleich zur ersten Metallisierungsschicht erhöhten Anteil von Gold, Aluminium, Kupfer und/oder Silber, insbesondere einem erhöhten Anteil von Kupfer, hergestellt. Die zumindest eine weitere Metallisierungsschicht kann einen erhöhten Anteil einer Grundkomponente des metallischen Pulvers aufweisen. Diese Metalle weisen eine hohe Leitfähigkeit auf, benetzen jedoch eine keramische Oberfläche weniger gut als eine der oben genannten Benetzungs-Komponenten, insbesondere als Titan. Ein erhöhter Anteil dieser Metalle, insbesondere ein erhöhter Kupfer-Anteil, in mindestens einer der weiteren Metallisierungsschichten gewährleistet eine hohe Leitfähigkeit der erzeugten Leiterstruktur. Gleichzeitig kann eine optimale Benetzung des keramischen Substrats durch zumindest die erste Metallisierungsschicht erfolgen.According to a further preferred aspect of the method, at least one of the further metallization layers is produced with an increased proportion of gold, aluminum, copper and / or silver compared to the first metallization layer, in particular an increased proportion of copper. The at least one further metallization layer can have an increased proportion of a basic component of the metallic powder. These metals have a high conductivity, but do not wet a ceramic surface as well as one of the above-mentioned wetting components, in particular as titanium. An increased proportion of these metals, in particular an increased copper proportion, in at least one of the further metallization layers ensures a high conductivity of the conductor structure produced. At the same time, optimal wetting of the ceramic substrate can take place through at least the first metallization layer.
In einer bevorzugten Variante wird zumindest die erste Metallisierungsschicht im Wesentlichen aus einer Benetzungs-Komponente, insbesondere aus einem Reintitan-Pulver, hergestellt. Mindestens eine weitere Metallisierungsschicht kann aus einer Grundkomponente, insbesondere aus Kupfer, gefertigt werde. Auf diese Weise können die vorteilhaften Benetzungseigenschaften der Benetzungs-Komponente, insbesondere von Titan, mit der hohen elektrischen Leitfähigkeit der Grundkomponente, insbesondere von Kupfer, besonders gut kombiniert werden.In a preferred variant, at least the first metallization layer is produced essentially from a wetting component, in particular from a pure titanium powder. At least one further metallization layer can be produced from a basic component, in particular from copper. In this way, the advantageous wetting properties of the wetting component, in particular of titanium, can be combined particularly well with the high electrical conductivity of the basic component, in particular of copper.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Aspekt des Verfahrens erfolgt das Erzeugen der Leiterstruktur auf dem keramischen Substrat unter Schutzgasatmosphäre, insbesondere unter einer inerten Schutzgasatmosphäre, bevorzugt unter Argon-Atmosphäre. Eine Oxidation der schichtweise erzeugten Leiterstruktur ist hierdurch zuverlässig vermieden. Die Metallisierungsschichten weisen eine hohe Qualität auf.According to a further preferred aspect of the method, the conductor structure is produced on the ceramic substrate under a protective gas atmosphere, in particular under an inert protective gas atmosphere, preferably under an argon atmosphere. Oxidation of the conductor structure produced in layers is thereby reliably avoided. The metallization layers are of high quality.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Aspekt des Verfahrens erfolgt ein Nachbehandlungsschritt zur Wärmebehandlung des Schaltungsträgers. Die Wärmebehandlung erhöht die Haftfestigkeit der Metallisierung auf dem keramischen Substrat. Zudem können hierdurch Spannungen in der Metallisierung reduziert werden. Die Wärmebehandlung wird insbesondere in Form einer Ofenbehandlung durchgeführt. Eine Nachbehandlungstemperatur wird insbesondere abhängig von der Materialzusammensetzung der Metallisierungsschichten gewählt. Bevorzugt liegt die Nachbehandlungstemperatur etwa 10 °C bis 20 °C unterhalb des Schmelzpunktes der Metallisierungsschichten. Beispielsweise wird der Schaltungsträger materialabhängig auf eine Nachbehandlungstemperatur zwischen 200 °C und 1080 °C erhitzt. Bevorzugt erfolgt die Nachbehandlung unter inerter, evakuierter oder reduzierender Atmosphäre.According to a further preferred aspect of the method, there is an aftertreatment step for heat treatment of the circuit carrier. The heat treatment increases the adhesive strength of the metallization on the ceramic substrate. In addition, this can reduce stresses in the metallization. The heat treatment is carried out in particular in the form of an oven treatment. A post-treatment temperature is selected in particular as a function of the material composition of the metallization layers. The post-treatment temperature is preferably about 10 ° C. to 20 ° C. below the melting point of the metallization layers. For example, depending on the material, the circuit carrier is heated to an aftertreatment temperature between 200 ° C and 1080 ° C. The aftertreatment is preferably carried out under an inert, evacuated or reducing atmosphere.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Aspekt des Verfahrens umfasst das Bereitstellen des keramischen Substrats die additive Fertigung von zumindest Teilen des keramischen Substrats. Beispielsweise können zusätzliche Strukturen an dem keramischen Substrat, insbesondere keramische Kühlkörper, additiv gefertigt werden. Auch das gesamte keramische Substrat kann additiv gefertigt werden. Insbesondere können hierdurch auch keramische Substrate mit dreidimensionaler Struktur erzeugt und bereitgestellt werden. Hierdurch sind 3D-Schaltungsträger auf einfache und flexible Weise fertigbar.According to a further preferred aspect of the method, the provision of the ceramic substrate comprises the additive manufacturing of at least parts of the ceramic substrate. For example, additional structures on the ceramic substrate, in particular ceramic heat sinks, can be manufactured additively. The entire ceramic substrate can also be manufactured additively. In particular, ceramic substrates with a three-dimensional structure can also be produced and provided in this way. As a result, 3D circuit carriers can be manufactured in a simple and flexible manner.
Die additive Fertigung von zumindest Teilen des keramischen Substrats kann beispielsweise durch Verarbeitung eines keramischen Pulvers erfolgen. Die Verarbeitung des keramischen Pulvers erfolgt insbesondere mit den gleichen Verarbeitungsprozessen und/oder -maschinen wie die Verarbeitung des metallischen Pulvers zur Erzeugung der Metallisierungsschichten. So ist beispielsweise die Verarbeitung von keramischen Pulvern mittels des selektiven Laserschmelzens möglich. Beispielsweise können hierfür höhere Vorheiztemperaturen gewählt werden, insbesondere Vorheiztemperaturen von 1000 °C oder mehr.The additive manufacturing of at least parts of the ceramic substrate can be done, for example, by processing a ceramic powder. The processing of the ceramic powder takes place in particular with the same processing processes and / or machines as the processing of the metallic powder for producing the metallization layers. For example, ceramic powders can be processed using selective laser melting. For example, higher preheating temperatures can be selected for this, in particular preheating temperatures of 1000 ° C. or more.
Bevorzugt können zumindest Teile des keramischen Substrats und die Leiterstruktur durch unterschiedliche Verfahren der additiven Fertigung erzeugt werden. Beispielsweise können Teile des keramischen Substrats oder das keramische Substrat insgesamt mittels eines für die Verarbeitung von keramischen Pulvern optimierten Verfahrens, insbesondere eines hierfür optimierten 3D-Druckverfahrens, gefertigt werden. Aufgrund der Kombination unterschiedlicher Verfahren ist eine hochwertige Verarbeitung der jeweiligen Materialien gewährleistet. Geeignete 3D-Druckverfahren sind insbesondere lichtaushärtende Verfahren. Hierbei werden beispielsweise Harze, in denen sich Keramikpartikel befinden, mittels Licht, insbesondere Laserstrahlung, polymerisiert. Besonders geeignete 3D-Druckverfahren sind insbesondere die Stereolithographie (kurz: SLA), das Digital Light Processing (kurz: DLP), das Binder Jetting oder das von der Firma XJET entwickele „NanoParticle Jetting“ (kurz: NPJ). Diese Verfahren sind dem Fachmann insbesondere für die additive Fertigung von Keramikbauteilen bekannt, wie dies beispielsweise in dem Artikel „3D Druck mit Keramik: Eine Revolution in der additiven Fertigung?“ (vgl. https://www.3dnatives.com/de/3d-druck-mit-keramik-featured-170420191/ abgerufen am 16.04.2020) beschrieben ist. Informationen zu den Verfahren SLA und DLP finden auch sich in dem Artikel „3D-Drucken mit Stereolithografie - lesen Sie hier wie's geht!“ (vgl. https://www.3dnatives.com/de/stereolithografie/abgerufen am 16.04.2020).At least parts of the ceramic substrate and the conductor structure can preferably be produced by different methods of additive manufacturing. For example, parts of the ceramic substrate or the ceramic substrate as a whole can be manufactured by means of a method optimized for processing ceramic powders, in particular a 3D printing method optimized for this purpose. Due to the combination of different processes, high-quality processing of the respective materials is guaranteed. Suitable 3D printing processes are, in particular, light-curing processes. Here, for example, resins in which there are ceramic particles are polymerized by means of light, in particular laser radiation. Particularly suitable 3D printing processes are in particular stereolithography (short: SLA), digital light processing (short: DLP), binder jetting or “NanoParticle Jetting” (short: NPJ) developed by XJET. These methods are known to the person skilled in the art, in particular for the additive manufacturing of ceramic components, as is the case, for example, in the Article "3D printing with ceramics: A revolution in additive manufacturing?" (See https://www.3dnatives.com/de/3d-druck-mit-keramik-featured-170420191/ accessed on April 16, 2020) . Information on the SLA and DLP processes can also be found in the article "3D printing with stereolithography - read how it's done here!" .
Gemäß einem weiteren bevorzugten Aspekt des Verfahrens erfolgt die additive Fertigung von zumindest Teilen des keramischen Substrats durch Lithography-based Ceramic Manufacturing (kurz: LCM). Das LCM-Verfahren erlaubt die additive Fertigung qualitativ besonders hochwertiger Keramikbauteile. Besonders bevorzugt erfolgt zunächst eine additive Fertigung von zumindest Teilen des keramischen Substrats mittels des LCM-Verfahrens und anschließend die Fertigung der Metallisierungsschichten mittels eines für die Verarbeitung von metallischen Pulvern geeigneten additiven Fertigungsverfahrens, insbesondere mittels des selektiven Laserschmelzens oder des selektiven Elektronenstrahlschmelzens.According to a further preferred aspect of the method, the additive manufacturing of at least parts of the ceramic substrate takes place by lithography-based ceramic manufacturing (LCM for short). The LCM process allows the additive manufacturing of high quality ceramic components. Particularly preferably, at least parts of the ceramic substrate are first additive manufacturing using the LCM method and then the metallization layers are manufactured using an additive manufacturing method suitable for processing metallic powders, in particular using selective laser melting or selective electron beam melting.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Schaltungsträger bereitzustellen.It is a further object of the invention to provide an improved circuit carrier.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Schaltungsträger gemäß Anspruch 18. Der Schaltungsträger ist wie oben beschrieben hergestellt. Das Verfahren bewirkt einen verbesserten Schaltungsträger, insbesondere einen Schaltungsträger mit einem flexiblen Layout der Leiterstruktur. Insbesondere kann der Schaltungsträger eine 3D-Metallisierung aufweisen.This object is achieved by a circuit carrier according to
Diese Aufgabe wird auch gelöst durch einen Schaltungsträger mit den in Anspruch 19 angegebenen Merkmalen. Der Schaltungsträger weist ein keramisches Substrat und eine stoffschlüssig mit dem Substrat verbundene Leiterstruktur auf. Die Leiterstruktur weist eine Mehrzahl von auf dem keramischen Substrat aufgebrachten Metallisierungsschichten auf. Der Schaltungsträger ist mittels des oben beschriebenen Verfahrens fertigbar. Der Schaltungsträger weist eine hohe Haftfestigkeit der Metallisierungsschichten auf dem keramischen Substrat auf.This object is also achieved by a circuit carrier with the features specified in
Gemäß einem bevorzugten Aspekt des Schaltungsträgers sind mindestens zwei der Metallisierungsschichten in einer parallel zu der Oberfläche des Substrats verlaufenden Ebene nicht deckungsgleich. Der Schaltungsträger weist eine 3D-Metallisierung auf. Insbesondere weist die Leiterstruktur Bereiche auf, die in Richtung senkrecht zu einer Oberfläche des keramischen Substrats keine direkte Verbindung zu dem keramischen Substrat aufweisen. Derartige Bereiche können auch als freischwebende Bereiche bezeichnet werden. Beispielsweise können zwei Leiterbahn-Strukturen über einen freischwebenden Bereich in Form einer Brücke verbunden sein.According to a preferred aspect of the circuit carrier, at least two of the metallization layers are not congruent in a plane running parallel to the surface of the substrate. The circuit carrier has a 3D metallization. In particular, the conductor structure has regions which have no direct connection to the ceramic substrate in the direction perpendicular to a surface of the ceramic substrate. Such areas can also be referred to as free-floating areas. For example, two conductor track structures can be connected via a free-floating area in the form of a bridge.
Der Schaltungsträger weist insbesondere horizontale und/oder vertikale Integrationsmöglichkeiten für aktive und/oder passive Bauelemente auf. Bevorzugt sind Lastenanschlüsse durch die Metallisierungsschichten gebildet. Die Metallisierungsschichten können zudem Kühlkörper und/oder Gehäuseteile ausformen. Zusätzliche Montageschritte sind reduziert.The circuit carrier has, in particular, horizontal and / or vertical integration options for active and / or passive components. Load connections are preferably formed by the metallization layers. The metallization layers can also form heat sinks and / or housing parts. Additional assembly steps are reduced.
Weitere Vorteile und Details der Erfindung sind nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen:
-
1 eine schematische Schnittdarstellung einer Vorrichtung zur schichtweisen Fertigung eines Schaltungsträgers, -
2 einen schematischen Verfahrensablauf zur schichtweisen Fertigung eines Schaltungsträgers, -
3 eine schematische Darstellung eines metallischen Pulvers zur Verwendung in dem Verfahren gemäß2 , -
4 eine schematische Darstellung eines Zwischenschritts bei der Fertigung nach dem Verfahren gemäß2 , -
5 eine schematische Darstellung eines weiteren Zwischenschritts bei der Fertigung nach dem Verfahren gemäß2 , -
6 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Schaltungsträgers, -
7 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines metallischen Pulvers zur Verwendung in dem Verfahren gemäß2 , -
8 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines metallischen Pulvers zur Verwendung in dem Verfahren gemäß2 , und -
9 eine schematische Darstellung eines Zwischenschritts gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens.
-
1 a schematic sectional view of a device for the layer-by-layer production of a circuit carrier, -
2 a schematic process sequence for the layer-by-layer production of a circuit carrier, -
3 a schematic representation of a metallic powder for use in the method according to FIG2 , -
4th a schematic representation of an intermediate step in the production according to the method according to FIG2 , -
5 a schematic representation of a further intermediate step in the production according to the method according to FIG2 , -
6th a schematic representation of a further embodiment of a circuit carrier, -
7th a schematic representation of a further embodiment of a metallic powder for use in the method according to FIG2 , -
8th a schematic representation of a further embodiment of a metallic powder for use in the method according to FIG2 , and -
9 a schematic representation of an intermediate step according to a further embodiment of the method.
In
Die Vorrichtung
Zudem ist eine Rakel
Die Vorrichtung
Mit der Vorrichtung
Zur Formung einer Schicht der Leiterstruktur
Nachdem alle zu verfestigenden Bereiche einer Pulverschicht mindestens einmal aufgeschmolzen worden sind, wird eine weitere Pulverschicht aufgetragen. Hierzu wird die Bauteilplattform
Um das Aufschmelzen des metallischen Pulvers zu vereinfachen, wird mit Hilfe der Bauraumheizung
Um ein Entzünden des metallischen Pulvers
Das selektive Aufschmelzen der zu verfestigenden Bereiche der Pulverschichten bestimmt die Geometrie der zu fertigenden Leiterstruktur
Mit Bezug auf die
Zunächst werden in einem Bereitstellungsschritt
In
Das metallische Pulver
Das metallische Pulver
In weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispielen können für die Grundkomponente auch weitere Metalle und/oder Legierungen mit hoher Leitfähigkeit verwendet werden. Besonders gut geeignete Metalle sind beispielswiese Kupfer, Aluminium, Silber und/oder Gold.In further exemplary embodiments not shown, further metals and / or alloys with high conductivity can also be used for the basic component. Particularly suitable metals are, for example, copper, aluminum, silver and / or gold.
In weiteren nicht dargestellten Ausführungsbeispielen können auch andere Materialien, die eine hohe Benetzung von keramischen Oberflächen ermöglichen, als Benetzungs-Komponente verwendet werden. Geeignete Materialien sind Titan, Hafnium, Zirkonium, Niob, Cer, Chrom, Vanadium, Yttrium und/oder Scandium.In further exemplary embodiments, not shown, other materials that enable high wetting of ceramic surfaces can also be used as wetting components. Suitable materials are titanium, hafnium, zirconium, niobium, cerium, chromium, vanadium, yttrium and / or scandium.
An den Bereitstellungsschritt
In dem Aufschmelzschritt
In dem Aufschmelzschritt
Die Geometrie der Leiterstruktur
In
Die Leiterstruktur
Nach Durchführung aller Metallisierungsschritte
Anschließend erfolgt ein Nachbehandlungsschritt
In
In
In
Bei dem metallischen Pulver
Die unterschiedlichen Pulverpartikel
In weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispielen weist das metallische Pulver zudem eine Stabilisierungs-Komponente in Form von Stabilisierungs-Komponenten-Pulverpartikeln auf. Alternativ kann eine Stabilisierungs-Komponente auch zu den Grundkomponenten-Pulverpartikeln
In
Der Zwischenschritt zeigt die Fertigung einer dritten Metallisierungsschicht und entspricht im Wesentlichen dem in
Bei dem in
Zur Herstellung der ersten Metallisierungsschicht M1 wird ein im Vergleich zu den weiteren Metallisierungsschichten M2, M3 erhöhter Anteil einer Benetzungs-Komponente verwendet. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel wird zur Herstellung der ersten Metallisierungsschicht M1 ein Reintitan-Pulver verwendet, zu dem eine Stabilisierungs-Komponente aus Silizium zulegiert wurde. Zur Herstellung der weiteren Metallisierungsschichten M2, M3 wird eine Zusammensetzung des metallischen Pulvers
Mit Hilfe der variierenden Zusammensetzung des metallischen Pulvers
Zur Herstellung der verschiedenen Metallisierungsschichten M1 bis M3 mit einer anderen Zusammensetzung des metallischen Pulvers
In weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispielen wird das Pulver nicht mittels selektiven Laserschmelzens, sondern mittels selektiven Elektronenstrahlschmelzens aufgeschmolzen. In wiederum anderen Ausführungsbeispielen werden die Metallisierungsschichten mittel Laserauftragsschweißens erzeugt.In further exemplary embodiments, not shown, the powder is not melted by means of selective laser melting, but rather by means of selective electron beam melting. In yet other exemplary embodiments, the metallization layers are produced by means of laser deposition welding.
In weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispielen erfolgt im Bereitstellungsschritt eine additive Fertigung von zumindest Teilen des keramischen Substrats. Hierzu kann zunächst ein keramisches Pulver auf die Bauteilplattform schichtweise aufgebracht und selektiv aufgeschmolzen werden. So sind insbesondere dreidimensionale Strukturen des keramischen Substrats, beispielsweise Kühlkörper, einfach und flexibel fertigbar. In wiederum anderen, nicht dargestellten Ausführungsbeispielen werden zunächst Teile des keramischen Substrats oder das gesamte keramische Substrat mittels des sogenannten Lithography-based Ceramic Manufacturing (LCM) erzeugt. Das LCM-Verfahren erlaubt die additive Fertigung qualitativ besonders hochwertiger Keramikbauteile. Die Leiterstruktur wird anschließend mit einem für die Verarbeitung metallischer Pulver geeigneten Verfahren, insbesondere dem selektiven Laserschmelzen oder dem selektiven Elektronenstrahlschmelzen, gefertigt. In weiteren Ausführungsbeispielen werden zur Bereitstellung des keramische Substrats zumindest Teile des keramischen Substrats durch eines der 3D-Druckverfahren Stereolithographie (kurz: SLA), Digital Light Processing (kurz: DLP), Binder Jetting oder „NanoPartide Jetting“ (kurz: NPJ) erzeugt.In further exemplary embodiments (not shown), additive manufacturing of at least parts of the ceramic substrate takes place in the preparation step. For this purpose, a ceramic powder can first be applied in layers to the component platform and selectively melted. In particular, three-dimensional structures of the ceramic substrate, for example heat sinks, can be manufactured easily and flexibly. In yet other exemplary embodiments (not shown), parts of the ceramic substrate or the entire ceramic substrate are first produced by means of what is known as lithography-based ceramic manufacturing (LCM). The LCM process allows the additive manufacturing of high quality ceramic components. The conductor structure is then manufactured using a method suitable for processing metallic powders, in particular selective laser melting or selective electron beam melting. In further exemplary embodiments, at least parts of the ceramic substrate are produced using one of the 3D printing processes stereolithography (SLA for short), digital light processing (DLP for short), binder jetting or “nano-partide jetting” (NPJ for short) to provide the ceramic substrate.
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