DE102023103508A1 - Method for producing a metal-ceramic substrate and a metal-ceramic substrate produced by such a method - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Herstellung eines als Leiterplatte vorgesehenen Metall-Keramik-Substrats (1), umfassend- Bereitstellen einer Siliziumscheibe (40), vorzugsweise einer dotierten oder einer nicht-dotierten Siliziumscheibe (40),- Nitridieren der Siliziumscheibe (40) zum Erzeugen einer Siliziumnitridlage (31),- Anbinden einer Metallschicht (10) an die Silizumnitridlage (31) und- Strukturierung der Metallschicht (10) zur Ausbildung einer Metallisierung.Method for producing a metal-ceramic substrate (1) intended as a circuit board, comprising - providing a silicon wafer (40), preferably a doped or non-doped silicon wafer (40), - nitriding the silicon wafer (40) to produce a silicon nitride layer (31), - bonding a metal layer (10) to the silicon nitride layer (31) and - structuring the metal layer (10) to form a metallization.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Metall-Keramik-Substrats und ein Metall-Keramik-Substrat, hergestellt mit einem solchen Verfahren.The present invention relates to a method for producing a metal-ceramic substrate and a metal-ceramic substrate produced by such a method.
Metall-Keramik-Substrate sind als Leiterplatten oder Platinen aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt, beispielsweise aus der
Besonders bevorzugte Keramikelemente für die Ausbildung von Metall-Keramik-Substraten sind Siliziumnitrid-Keramiken, das sie eine hohe Isolationsfestigkeit aufweisen und eine hohe thermische Leitfähigkeit besitzen, die sich für die langfristige Nutzung eines als Leiterplatte vorgesehenen Metall-Keramik-Substrats als vorteilhaft erweist. Zu der Nutzung von Siliziumnitrid-Keramiken als Isolationselement in Metall-Keramik-Substraten wird beispielsweise auf die
Typischerweise werden Siliziumnitrid-Keramiken gefertigt, indem aus einem Siliziumpulver bzw. -granulat ein schlamm- bzw. schlickerartiges Flachprodukt hergestellt wird, das anschließend nitriert wird, um Silizium in Siliziumnitrid zu überführen, d. h. in Form eines Foliengussverfahrens. Durch ein anschließendes Sintern wird das Flachprodukt in einen festen und stabilen Körper überführt, der als Keramikelement in einem Metall-Keramik-Substrat genutzt werden kann. Entsprechende Beispiele für eine solche Herstellung findet sich in
Ausgehend vom Stand der Technik macht es sich die vorliegende Erfindung zur Aufgabe, Metall-Keramik-Substrate bereitzustellen, die sich vereinfacht herstellen lassen.Based on the prior art, the present invention aims to provide metal-ceramic substrates that can be manufactured in a simplified manner.
Die vorliegende Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung von Metall-Keramik-Substraten gemäß Anspruch 1, ein Verfahren gemäß Anspruch 9 sowie ein Metall-Keramik-Substrat gemäß Anspruch 10. Weitere Ausführungsbeispiele sind den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Figuren zu entnehmen.The present invention solves this problem by a method for producing metal-ceramic substrates according to
Gemäß einem ersten Aspekt wird ein Verfahren zur Herstellung eines als Leiterplatte vorgesehenen Metall-Keramik-Substrats, vorgeschlagen, umfassend
- - Bereitstellen einer Siliziumscheibe, vorzugsweise einer dotierten oder einer nicht-dotierten Siliziumscheibe,
- - Nitridieren der Siliziumscheibe zum Erzeugen einer Siliziumnitridlage,
- - Anbinden einer Metallschicht an die Silizumnitridlage und
- - Strukturierung der Metallschicht zur Ausbildung einer Metallisierung.
- - Providing a silicon wafer, preferably a doped or non-doped silicon wafer,
- - Nitriding the silicon wafer to produce a silicon nitride layer,
- - Bonding a metal layer to the silicon nitride layer and
- - Structuring the metal layer to form a metallization.
Im Gegensatz zu den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren, wird hierbei eine Siliziumnitridlage vorgeschlagen, die durch ein Nitridieren einer Siliziumscheibe entsteht, insbesondere im Außenbereich der Siliziumscheibe. Dadurch ist es in vorteilhafter Weise möglich, auf industriell gefertigte Siliziumscheiben zurückzugreifen, die serienmäßig im großen Umfang verfügbar sind. Durch das Nitridieren erfolgt eine Konvertierung des Siliziums, zumindest teilweise in Siliziumnitrid, wodurch die gewünschte Isolationsfestigkeit für die nitrierte Siliziumscheibe gewährleistet wird. Insbesondere ist es vorgesehen, dass das Nitridieren derart umgesetzt wird, dass die entstehende Siliziumnitridlage eine Isolationsfestigkeit, die größer ist als 20 kV/mm, bevorzugt größer als 50 kV/mm und besonders bevorzugt größer als 100 kV/mm, aufweist. Dadurch kann in vorteilhafter Weise kostengünstig und einfach ein Siliziumnitrid-haltiges Keramikelement bereitgestellt werden, das zur Isolation in einem Metall-Keramik-Substrat herangezogen wird. Die nitrierte Siliziumscheibe dient dabei als Keramikelement. Insbesondere versteht die vorliegende Erfindung die nitrierte Siliziumscheibe auch dann als Keramikelement, wenn die nitrierte Siliziumscheibe nicht vollständig nitriert ist, beispielsweise im Kern vorwiegend Silizium aufweist. Vorzugsweise umfasst die, insbesondere vollständig, nitrierte Siliziumscheibe bzw. die Silizumnitridlage einen Anteil von Siliziumnitrid, der größer als 60 Gew.- %, bevorzugt größer als 75 Gew.- % und besonders bevorzugt größer als 90 Gew.- % ist. Es ist auch vorstellbar, dass eine teilweise nitridierte Siliziumscheibe einen Anteil von Siliziumnitrid aufweist, der größer als 2 Gew.- %, bevorzugt größer als 5 Gew.- % und besonders bevorzugt größer als 10 Gew.- % ist, insbesondere bezogen auf das gesamte Keramikelement, das im Kern Silizium aufweist.In contrast to the methods known from the prior art, a silicon nitride layer is proposed here which is created by nitriding a silicon wafer, in particular in the outer region of the silicon wafer. This advantageously makes it possible to use industrially manufactured silicon wafers which are available in large quantities as standard. Nitriding converts the silicon, at least partially, into silicon nitride, which ensures the desired insulation strength for the nitrided silicon wafer. In particular, it is provided that the nitriding is implemented in such a way that the resulting silicon nitride layer has an insulation strength which is greater than 20 kV/mm, preferably greater than 50 kV/mm and particularly preferably greater than 100 kV/mm. This advantageously makes it possible to provide a ceramic element containing silicon nitride in a cost-effective and simple manner, which is used for insulation in a metal-ceramic substrate. The nitrided silicon wafer serves as a ceramic element. In particular, the present invention understands the nitrided silicon wafer as a ceramic element even if the nitrided silicon wafer is not completely nitrided, for example if it has predominantly silicon in the core. Preferably, the, in particular completely nitrided, silicon wafer or the silicon nitride layer comprises a proportion of silicon nitride that is greater than 60% by weight, preferably greater than 75% by weight and particularly preferably greater than 90% by weight. It is also conceivable that a partially nitrided silicon wafer has a proportion of silicon nitride that is greater than 2% by weight, preferably greater than 5% by weight and particularly preferably greater than 10% by weight, in particular related to the entire ceramic element, which has silicon in its core.
Zum Nitridieren ist es bevorzugt vorgesehen, dass die Siliziumscheibe in einem Ofen, insbesondere in einem Gassinterofen, eingebracht und einer Stickstoffatmosphäre ausgesetzt wird. Dabei ist es besonders bevorzugt, wenn in dem Ofen ein Druck von mindestens 0,2 MPa, bevorzugt mehr als 0,5 MPa und besonders bevorzugt mehr als 0,8 MPa herrscht bzw. vorliegt. Weiterhin ist es bevorzugt, wenn die Siliziumscheibe mindestens zwischen 0,5 und 10 Stunden, bevorzugt 1 und 5 Stunden und besonders bevorzugt zwischen 1,5 und 3 Stunden der Stickstoffatmosphäre ausgesetzt ist. Dabei können vorzugsweise Temperaturen zwischen 1000 °C und 2000 °C, bevorzugt zwischen 1200 °C und 1800 °C und besonders bevorzugt zwischen 1300 °C und 1500 °C herrschen. Es hat sich auch herausgestellt, dass die Nitrierungstemperatur nicht die Leitfähigkeit beeinträchtigt.For nitriding, it is preferably provided that the silicon wafer is placed in a furnace, in particular in a gas sintering furnace, and exposed to a nitrogen atmosphere. It is particularly preferred if a pressure of at least 0.2 MPa, preferably more than 0.5 MPa and particularly preferably more than 0.8 MPa prevails or is present in the furnace. It is also preferred if the silicon wafer is exposed to the nitrogen atmosphere for at least between 0.5 and 10 hours, preferably 1 and 5 hours and particularly preferably between 1.5 and 3 hours. Temperatures can preferably be between 1000 °C and 2000 °C, preferably between 1200 °C and 1800 °C and particularly preferably between 1300 °C and 1500 °C. It has also been found that the nitriding temperature does not affect the conductivity.
Vorzugsweise erfolgt das Erhitzen der Siliziumscheibe mehrstufig, zumindest zweistufig, um zu vermeiden, dass die hohen Temperaturen die Siliziumscheibe schmelzen. Dadurch wird bevorzugt zunächst α-Siliziumnitrid gebildet, das anschließend in der zweiten Temperaturstufe in β-Siliziumnitrid umgewandelt wird.Preferably, the silicon wafer is heated in several stages, at least two stages, to prevent the high temperatures from melting the silicon wafer. This preferably results in α-silicon nitride being formed first, which is then converted into β-silicon nitride in the second temperature stage.
Insbesondere ist es vorgesehen, dass die finale Konvertierung des Siliziums vorzugsweise ausschließlich in β-Siliziumnitrid erfolgt. Beispielsweise ist ein Verhältnis von α-Siliziumnitrid zu β-Siliziumnitrid kleiner als 0,2, bevorzugt kleiner als 0,1 und besonders bevorzugt kleiner als 0,05In particular, it is intended that the final conversion of the silicon preferably takes place exclusively in β-silicon nitride. For example, a ratio of α-silicon nitride to β-silicon nitride is less than 0.2, preferably less than 0.1 and particularly preferably less than 0.05
Weiterhin ist es besonders bevorzugt vorgesehen, wenn eine Korngröße, die den Siliziumkörnern zugeordnet ist, kleiner als 250 µm, bevorzugt kleiner ist als 100 µm und besonders bevorzugt ist kleiner als 50 µm ist. Es hat sich dabei herausgestellt, dass die Konvertierungseffizienz beim Nitridieren mit abnehmender Größe der Körnung steigt. Dadurch lässt sich in entsprechender Weise die Effizienz beim Umsetzen des Siliziums in Siliziumnitrid erhöhen.Furthermore, it is particularly preferred if a grain size associated with the silicon grains is smaller than 250 µm, preferably smaller than 100 µm and particularly preferably smaller than 50 µm. It has been found that the conversion efficiency during nitriding increases with decreasing grain size. This allows the efficiency of converting silicon into silicon nitride to be increased accordingly.
Bei der Siliziumscheibe handelt es sich vorzugsweise um einen einkristallinen bzw. monokristallinen oder einen multikristallinen Körper, der besonders bevorzugt flächig ausgebildet ist und sich entlang einer Haupterstreckungsebene erstreckt. Insbesondere handelt es sich um einen Siliziumwafer. Insbesondere ist die nitrierte Siliziumscheibe ebenfalls monokristallin ausgebildet. Vorzugsweise ist die Siliziumscheibe kein Grünling, d. h. die Siliziumscheibe besitzt keine schlammartige Konsistenz, sondern ist als selbstragender Körper zu verstehen, der beim einfachen Anheben an einer Seite nicht verformt, sondern im Wesentlichen formstabil bleibt.The silicon wafer is preferably a single-crystal or monocrystalline or a multicrystalline body, which is particularly preferably flat and extends along a main extension plane. In particular, it is a silicon wafer. In particular, the nitrided silicon wafer is also monocrystalline. Preferably, the silicon wafer is not a green body, i.e. the silicon wafer does not have a sludge-like consistency, but is to be understood as a self-supporting body that does not deform when simply lifted on one side, but remains essentially dimensionally stable.
Vorzugsweise ist das Metall-Keramik-Substrat als Leiterplatte ausgebildet, bei der im gefertigten Zustand die mindestens eine Metallschicht, die an das Keramikelement angebunden ist, strukturiert ist. Beispielsweise ist es hierzu vorgesehen, dass nach dem Anbindungsschritt auch eine Strukturierung, beispielsweise durch Lasern, Ätzen und/oder eine mechanische Bearbeitung, vorgenommen wird, mit der Leiterbahnen und/oder Anschlüsse für elektrische oder elektronische Bauteile realisiert werden. Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass an einem gefertigten Metall-Keramik-Substrat an dem Keramikelement, an dem der Metallschicht gegenüberliegenden Seite, eine weitere Metallschicht, insbesondere eine Rückseitenmetallisierung und/oder ein Kühlelement vorgesehen ist. Dabei dient die Rückseitenmetallisierung vorzugsweise dazu, einer Durchbiegung entgegenzuwirken und das Kühlelement dient einem wirkungsvollen Abführen von Wärme, die im Betrieb von elektrischen bzw. elektronischen Bauteilen ausgeht, die an die Leiterplatte, bzw. das Metall-Keramik-Substrat angebunden sind.The metal-ceramic substrate is preferably designed as a circuit board in which the at least one metal layer that is connected to the ceramic element is structured in the manufactured state. For example, it is provided that after the connection step, structuring is also carried out, for example by lasering, etching and/or mechanical processing, with which conductor tracks and/or connections for electrical or electronic components are realized. It is preferably provided that on a manufactured metal-ceramic substrate on the ceramic element, on the side opposite the metal layer, a further metal layer, in particular a rear-side metallization and/or a cooling element, is provided. The rear-side metallization preferably serves to counteract bending and the cooling element serves to effectively dissipate heat that emanates during operation from electrical or electronic components that are connected to the circuit board or the metal-ceramic substrate.
Als Materialien für die mindestens eine Metallschicht und/oder die mindestens eine weitere Metallschicht im Metall-Keramik-Substrat sind Kupfer, Aluminium, Molybdän, Wolfram, Nickel und/oder deren Legierungen wie z. B. CuZr, AlSi oder AlMgSi, sowie Laminate wie CuW, CuMo, CuAI und/oder AlCu oder MMC (metal matrix composite), wie CuW, CuM oder AlSiC, vorstellbar. Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass die mindestens eine Metallschicht am gefertigten Metall-Keramik-Substrat, insbesondere als Bauteilmetallisierung, oberflächenmodifiziert ist. Als Oberflächenmodifikation ist beispielsweise eine Versiegelung mit einem Edelmetall, insbesondere Silber; und/oder Gold, oder (electroless) Nickel oder ENIG („electroless nickel immersion gold“) oder ein Kantenverguss an der Metallisierung zur Unterdrückung einer Rissbildung bzw. -weitung denkbar.Copper, aluminum, molybdenum, tungsten, nickel and/or their alloys such as CuZr, AlSi or AlMgSi, as well as laminates such as CuW, CuMo, CuAI and/or AlCu or MMC (metal matrix composite), such as CuW, CuM or AlSiC, are conceivable as materials for the at least one metal layer and/or the at least one further metal layer in the metal-ceramic substrate. Furthermore, it is preferably provided that the at least one metal layer on the manufactured metal-ceramic substrate is surface-modified, in particular as component metallization. For example, a sealing with a precious metal, in particular silver; and/or gold, or (electroless) nickel or ENIG (“electroless nickel immersion gold”) or an edge casting on the metallization to suppress crack formation or widening is conceivable as a surface modification.
Bevorzugt ist es vorgesehen, dass an der Siliziumscheibe beim Nitridieren an einer der mindestens einen Siliziumscheibe gegenüberliegenden Seite eine weitere Siliziumnitridlage ausgebildet wird. Dadurch ist es vorteilhafterweise möglich, auf gegenüberliegenden Seiten Siliziumnitridlagen zu bilden, die die Anbindung einer Metallschicht und einer weiteren Metallschicht an den gegenüberliegenden Seiten ermöglicht. Dadurch lässt sich eine Metallschicht und eine weitere Metallschicht, die als Rückseitenmetallisierung im fertigen Metall-Keramik-Substrat dient, an das Keramikelement binden. Die Rückseitenmetallisierung dient insbesondere dem Zweck einer Symmetrisierung von Ober- und Unterseite des Metall-Keramik-Substrats, um so einem Durchbiegen entgegenzuwirken. Durch die gemeinsame Ausbildung einer Siliziumnitridlage, kann insbesondere auf dasselbe Aktivlotmaterial zurückgegriffen werden, wodurch in einem gemeinsamen Arbeitsschritt Metallschicht und weitere Metallschicht an die nitrierte Siliziumscheibe, die dem fertigen Substrat als Keramikelement dient, angebunden werden können.It is preferably provided that a further silicon nitride layer is formed on the silicon wafer during nitriding on a side opposite the at least one silicon wafer. This advantageously makes it possible to form silicon nitride layers on opposite sides, which enables the connection of a metal layer and a further metal layer on the opposite sides. This allows a metal layer and a further metal layer, which serves as rear-side metallization in the finished metal-ceramic substrate, to be bonded to the ceramic element. The rear-side metallization serves in particular the purpose of symmetrizing the top and bottom of the metal-ceramic substrate in order to to counteract bending. By forming a silicon nitride layer together, the same active solder material can be used, which means that metal layer and further metal layer can be bonded to the nitrided silicon wafer, which serves as a ceramic element for the finished substrate, in a single work step.
Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass eine Haftfestigkeit, mit der die Metallschicht an das Keramikelement, insbesondere an die Siliziumnitridlage, angebunden ist, in ihrer Größe vergleichbar mit einer Haftfestigkeit ist, mit der die weitere Metallschicht an das Keramikelement, insbesondere an die weitere Siliziumnitridlage, angebunden ist. Beispielsweise weichen die Haftfestigkeiten in ihrer messbaren Größe voneinander nicht mehr als 5 %, bevorzugt nicht mehr als 2,5 % und besonders bevorzugt nicht mehr als 1 % voneinander ab. Dadurch wird eine möglichst symmetrische Haftfestigkeit für die Bauteilseite und die Rückseite des Metall-Keramik-Substrats erzielt. Dies wird dadurch veranlasst, dass Oberseite und Unterseite der nitrierten Siliziumnitrid-Scheibe gleiche Oberflächenspezifikationen aufweisen, wenn sie beide beim Nitridieren dem Stickstoff im gleichen Umfang ausgesetzt sind. Hierzu wird die Siliziumscheibe bevorzugt derart im Ofen angeordnet, beispielsweise mit einem entsprechenden Halter, dass zwei gegenüberliegenden Seiten der Siliziumscheibe dem Stickstoff direkt ausgesetzt sind. Dadurch unterscheidet man sich von den Siliziumnitrid-Keramiken nach dem Stand der Technik, die bei ihrer Fertigung als schlickerartige Masse auf einer Bearbeitungsfläche aufliegen und auf einer Seite schwerer zugänglich sind für Stickstoff. Daher unterscheiden sich in solchen nach dem Stand der Technik gefertigten Keramikelementen die Oberflächenspezifikationen an den gegenüberliegenden Seiten von denjenigen der beidseitig nitrierten Siliziumscheibe.Preferably, it is provided that an adhesive strength with which the metal layer is bonded to the ceramic element, in particular to the silicon nitride layer, is comparable in size to an adhesive strength with which the further metal layer is bonded to the ceramic element, in particular to the further silicon nitride layer. For example, the adhesive strengths do not differ from each other in their measurable size by more than 5%, preferably not more than 2.5% and particularly preferably not more than 1%. This achieves as symmetrical an adhesive strength as possible for the component side and the back of the metal-ceramic substrate. This is caused by the top and bottom of the nitrided silicon nitride disk having the same surface specifications if they are both exposed to the same amount of nitrogen during nitriding. For this purpose, the silicon disk is preferably arranged in the furnace in such a way, for example with a corresponding holder, that two opposite sides of the silicon disk are directly exposed to the nitrogen. This distinguishes them from state-of-the-art silicon nitride ceramics, which are manufactured as a slip-like mass on a processing surface and are more difficult to access for nitrogen on one side. In such state-of-the-art ceramic elements, the surface specifications on the opposite sides therefore differ from those of the silicon wafer nitrided on both sides.
Ferner unterscheidet sich das gefertigte Metall-Keramik-Substrat von denen aus dem Stand der Technik bekannten dahingehend, dass das Keramikelement im Wesentlichen frei von einer Anhäufung von Sintermitteln im Außenumfang des Keramikelements ist. Bei den durch Folienguss gebildeten Keramikelementen bildet sich schließlich eine etwa 20 µm bis 30 µm dicke Schicht, in der sich Sintermittel anhäufen, die im Zuge des Sintern dorthin diffundieren. Man spricht von der sogenannten Sinterhaut. Beispiele für Sintermittels sind beispielsweise MgO oder Y2O3. Im Gegensatz dazu sind die Sintermittel in der Siliziumnitridlagelage in der nitrirterten Siliziumscheibe im Wesentlichen homogen verteilt.Furthermore, the manufactured metal-ceramic substrate differs from those known from the prior art in that the ceramic element is essentially free of an accumulation of sintering agents in the outer circumference of the ceramic element. In the case of ceramic elements formed by foil casting, a layer approximately 20 µm to 30 µm thick is finally formed in which sintering agents accumulate and diffuse there during the sintering process. This is referred to as the so-called sinter skin. Examples of sintering agents are MgO or Y2O3. In contrast, the sintering agents in the silicon nitride layer in the nitrided silicon wafer are essentially homogeneously distributed.
Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass die Siliziumscheibe eine erste Dicke aufweist, wobei die mindestens eine Siliziumnitridlage eine zweite Dicke und die weitere Siliziumnitridlage eine dritte Dicke aufweist, wobei ein Verhältnis der zweiten Dicke und/oder dritten Dicke zu der ersten Dicke kleiner als 0,5, bevorzugt kleiner ist als 0,2 und besonders bevorzugt kleiner ist als 0,1 ist. Damit wird zum Ausdruck gebracht, dass kein vollständiges Nitridieren der Siliziumscheibe erfolgen muss, sondern es bereits ausreicht, wenn ein Nitridieren am äußersten Umfang der Siliziumscheibe, vorzugsweise umlaufend, erfolgt und sich an der Außenseite der Siliziumscheibe beginnend eine Siliziumnitridlage und/oder ein weitere Siliziumnitridlage ausbildet. Vorzugsweise bildet sich umlaufend über die gesamte Außenseite der Siliziumscheibe eine durchgehende Siliziumnitridlage, die sich sowohl an der Oberseite als auch auf der Unterseite, d. h. an gegenüberliegenden Seiten der Siliziumnitrid-Scheibe, erstreckt. Dabei erfolgt die Einstellung der zweiten und/oder dritten Dicke bevorzugt derart, dass eine für den Anwendungsfall ausreichende Isolationsstärke der Siliziumnitridlage bereitgestellt wird.It is preferably provided that the silicon wafer has a first thickness, wherein the at least one silicon nitride layer has a second thickness and the further silicon nitride layer has a third thickness, wherein a ratio of the second thickness and/or third thickness to the first thickness is less than 0.5, preferably less than 0.2 and particularly preferably less than 0.1. This expresses that the silicon wafer does not have to be completely nitrided, but it is already sufficient if nitriding takes place on the outermost circumference of the silicon wafer, preferably all the way around, and a silicon nitride layer and/or a further silicon nitride layer is formed starting on the outside of the silicon wafer. Preferably, a continuous silicon nitride layer is formed all the way around the entire outside of the silicon wafer, which extends both on the top and on the bottom, i.e. on opposite sides of the silicon nitride wafer. The second and/or third thickness is preferably set in such a way that an insulation thickness of the silicon nitride layer that is sufficient for the application is provided.
Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass die Siliziumnitrid-Schicht vollständig nitriert wird. Das teilweise Nitridieren der Siliziumscheibe erweist sich insbesondere dann als vorteilhaft, wenn möglichst schnell eine ausreichende Isolationsfestigkeit hergestellt werden soll. Dies verkürzt den Arbeitsprozess, insbesondere das Nitridieren, und auch den Aufwand bei dem Herstellen einer nitrierten Siliziumscheibe, die als Keramikelement genutzt werden kann. Das vollständige Nitridieren erweist sich insbesondere dann als vorteilhaft, wenn vergleichsweise dünne Siliziumscheiben bereitgestellt werden, da in diesem Fall bereits ein vollständiges Nitridieren erfolgen kann und somit die Isolationsfestigkeit sichergestellt werden kann, oder wenn hohe Isolationsfestigkeiten erforderlich sind.Preferably, the silicon nitride layer is completely nitrided. Partial nitriding of the silicon wafer is particularly advantageous when sufficient insulation strength is to be achieved as quickly as possible. This shortens the work process, particularly nitriding, and also the effort involved in producing a nitrided silicon wafer that can be used as a ceramic element. Complete nitriding is particularly advantageous when comparatively thin silicon wafers are provided, since in this case complete nitriding can already be carried out and insulation strength can thus be ensured, or when high insulation strengths are required.
Weiterhin ist es bevorzugt vorgesehen, wenn die erste Dicke kleiner ist als 1 mm, bevorzugt kleiner ist als 0,5 mm und besonders bevorzugt kleiner ist als 0,25 mm. Furthermore, it is preferably provided that the first thickness is less than 1 mm, preferably less than 0.5 mm and particularly preferably less than 0.25 mm.
Dadurch werden Siliziumscheiben bereitgestellt, die sich direkt als Keramikelement in einem Metall-Keramik-Substrat verwenden lassen.This provides silicon wafers that can be used directly as a ceramic element in a metal-ceramic substrate.
Weiterhin ist es vorgesehen, dass die Siliziumschicht eine Rauigkeit aufweist, die größer ist als 0,2 µm, bevorzugt größer ist als 1,0 µm und besonders bevorzugt größer ist als 2,0 µm. Dadurch ist es vorteilhafterweise möglich, die Oberfläche der Siliziumscheibe zu erhöhen, wodurch die Konvertierungseffizienz beim Nitridieren erhöht werden kann.Furthermore, it is provided that the silicon layer has a roughness that is greater than 0.2 µm, preferably greater than 1.0 µm and particularly preferably greater than 2.0 µm. This advantageously makes it possible to increase the surface area of the silicon wafer, whereby the conversion efficiency during nitriding can be increased.
Besonders bevorzugt ist es vorgesehen, dass die Siliziumschicht eine Rauigkeit aufweist, die kleiner ist als 1,0 µm, bevorzugt kleiner ist als 0,5 µm und besonders bevorzugt kleiner ist als 0,2 µm. Dadurch wird eine besonders glatte, insbesondere sägeglatte, Oberfläche bereitgestellt, die nitriert wird. Dies erweist sich dann als besonders vorteilhaft, wenn kein weiterer Arbeitsschritt erforderlich ist, um die Siliziumscheibe zu bearbeiten.It is particularly preferred that the silicon layer has a roughness that is less than 1.0 µm, preferably less than 0.5 µm and particularly preferably less than 0.2 µm. This creates a particularly smooth, particularly saw-smooth, surface that is nitrided. This proves to be particularly advantageous when no further work step is required to process the silicon wafer.
Weiterhin ist es vorgesehen, dass die zu nitridierende Oberflächenseite der Siliziumscheibe eine Oberflächenprofilierung aufweist. Beispielsweise ist es vorstellbar, dass die Siliziumscheibe Rillen oder Nuten aufweist, die beispielsweise eine dreieckige oder quadratische Querschnittsform aufweisen. Folglich lässt sich gezielt die Oberfläche an die optimalen Rahmenbedingungen für das Nitridieren anpassen. Außerdem können die Rücksprünge dazu verwendet werden, Aktivlotmaterial zu sammeln, wenn die nitrierte Siliziumscheibe herangezogen wird, um an ihr eine Metallschicht anzubinden.Furthermore, it is intended that the surface side of the silicon wafer to be nitrided has a surface profile. For example, it is conceivable that the silicon wafer has grooves or slots that have a triangular or square cross-sectional shape, for example. As a result, the surface can be specifically adapted to the optimal conditions for nitriding. In addition, the recesses can be used to collect active solder material when the nitrided silicon wafer is used to attach a metal layer to it.
Um die gewünschten Rauigkeiten und/oder Profilierungen in der Siliziumscheibe zu erzeugen, ist es bevorzugt vorgesehen, dass ein Vorbereitungsschritt vorgesehen ist, bei dem vor dem Nitridieren die Oberfläche oder Außenseite der Siliziumscheibe zumindest abschnittsweise aufgeraut wird und/oder profiliert wird, um die Oberfläche zu vergrößern. Dadurch wird eine größere Fläche bereitgestellt, die zur späteren Bindung der Metallschicht an das Keramikelement genutzt werden kann. In order to produce the desired roughness and/or profiling in the silicon wafer, it is preferably provided that a preparation step is provided in which, before nitriding, the surface or outside of the silicon wafer is roughened and/or profiled at least in sections in order to enlarge the surface. This provides a larger area that can be used for later bonding the metal layer to the ceramic element.
Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass die Metallschicht zur Ausbildung eines Metall-Keramik-Substrats mittels eines Aktivlotverfahrens und/oder eines heißisostatische Pressen an die Siliziumnitridlage angebunden wird. Dadurch wird eine dauerhafte und insbesondere für Leiterplatten vorteilhafte Bindung der Metallschicht an die Siliziumnitridlage gewährleistet. Weiterhin ist es bevorzugt vorgesehen, dass das Metall-Keramik-Substrat eine Metallisierung aufweist, d. h. eine strukturierte Metallschicht, in der einzelne Metallabschnitte von einander elektrisch isoliert sind.It is preferably provided that the metal layer is bonded to the silicon nitride layer by means of an active soldering process and/or hot isostatic pressing to form a metal-ceramic substrate. This ensures a permanent bond between the metal layer and the silicon nitride layer, which is particularly advantageous for circuit boards. It is also preferably provided that the metal-ceramic substrate has a metallization, i.e. a structured metal layer in which individual metal sections are electrically insulated from one another.
Beispielsweise ist es vorgesehen, dass ein Verfahren zur Herstellung eines Metall-Keramik-Substrats vorgesehen ist, umfassend:
- - Bereitstellen einer Lötschicht, insbesondere in Form mindestens einer Lötfolie bzw. Hartlotfolie,
- - Beschichten des Keramikelements, insbesondere der nitrierten Siliziumscheibe, und/oder der mindestens einen Metallschicht und/oder der mindestens einen Lötschicht mit mindestens einer Aktivmetallschicht,
- - Anordnen der mindestens einen Lötschicht zwischen dem Keramikelement und der mindestens einen Metallschicht entlang einer Stapelrichtung unter Ausbildung eines Lötsystems, das die mindestens eine Lötschicht und die mindestens eine Aktivmetallschicht umfasst, wobei ein Lotmaterial der mindestens einen Lötschicht vorzugsweise frei von einem schmelzpunkterniedrigenden Material bzw. von einem phosphorfreien Material ist, und
- - Anbinden der mindestens einen Metallschicht an die mindestens eine Keramikschicht über das Lötsystem mittels eines Aktivlotverfahrens.
- - Providing a solder layer, in particular in the form of at least one solder foil or brazing foil,
- - coating the ceramic element, in particular the nitrided silicon wafer, and/or the at least one metal layer and/or the at least one solder layer with at least one active metal layer,
- - arranging the at least one solder layer between the ceramic element and the at least one metal layer along a stacking direction to form a solder system which comprises the at least one solder layer and the at least one active metal layer, wherein a solder material of the at least one solder layer is preferably free of a melting point-lowering material or of a phosphorus-free material, and
- - Bonding the at least one metal layer to the at least one ceramic layer via the soldering system by means of an active soldering process.
Insbesondere ist dabei ein mehrschichtiges Lötsystem aus mindestens einer Lötschicht, vorzugsweise frei von schmelzpunkterniedrigenden Elementen, besonders bevorzugt aus einer phosphorfreien Lötschicht, und mindestens einer Aktivmetallschicht, vorgesehen. Die Separation der mindestens einen Aktivmetallschicht und der mindestens einen Lötschicht erweist sich insbesondere deswegen als vorteilhaft, weil dadurch vergleichsweise dünne Lötschichten realisierbar sind, insbesondere wenn es sich bei der Lötschicht um eine Folie handelt. Für aktivmetallhaltige Lötmaterialien müssen andernfalls vergleichsweise große Lötschichtdicken wegen der spröden intermetallischen Phasen bzw. des hohen E-Moduls und hoher Streckgrenze der gängigen Aktivmetalle und deren intermetallischen Phasen, die die Umformung der Lötpaste bzw. Lötschicht behindern, realisiert werden, wodurch die minimale Schichtdicke durch die Fertigungseigenschaften des aktivmetallhaltigen Lötmaterials begrenzt wird. Entsprechend bestimmt für aktivmetallhaltige Lötschichten nicht die für das Fügeverfahren erforderliche Mindestdicke die minimale Lötschichtdicke der Lötschicht, sondern die für die technisch realisierbare minimale Schichtdicke der Lötschicht bestimmt die minimale Lötschichtdicke der Lötschicht. Dadurch ist diese dickere, aktivmetallhaltige Lötschicht teurer als dünne Schichten. Unter phosphorfrei versteht der Fachmann insbesondere, dass der Anteil an Phosphor in der Lötschicht kleiner ist als 150 ppm, kleiner als 100 ppm und besonders bevorzugt kleiner als 50 ppm.In particular, a multi-layer soldering system is provided, comprising at least one soldering layer, preferably free of melting point-lowering elements, particularly preferably a phosphorus-free soldering layer, and at least one active metal layer. The separation of the at least one active metal layer and the at least one soldering layer proves to be particularly advantageous because it enables comparatively thin soldering layers to be realized, particularly when the soldering layer is a foil. For soldering materials containing active metals, comparatively large soldering layer thicknesses must otherwise be realized due to the brittle intermetallic phases or the high modulus of elasticity and high yield strength of the common active metals and their intermetallic phases, which hinder the forming of the soldering paste or soldering layer, whereby the minimum layer thickness is limited by the manufacturing properties of the soldering material containing active metal. Accordingly, for solder layers containing active metals, the minimum thickness of the solder layer is not determined by the minimum thickness required for the joining process, but rather by the minimum thickness of the solder layer that is technically feasible. This makes this thicker solder layer containing active metals more expensive than thin layers. The expert understands phosphorus-free in particular to mean that the proportion of phosphorus in the solder layer is less than 150 ppm, less than 100 ppm and particularly preferably less than 50 ppm.
Insbesondere ist es durch die Nutzung einer separat ausgeführten Aktivmetallschicht möglich, diese vergleichsweise dünn auszugestalten, wodurch die anspruchsgemäßen vergleichsweise dünnen Dicken der Bindungsschicht realisierbar sind, insbesondere gemittelt über verschiedenen Messerwerte innerhalb der festgelegten Fläche bzw. Flächen. Beispielsweise ist die Aktivmetallschicht dünner als 25 µm, bevorzugt dünner als 18 µm und besonders bevorzugt dünner als 12 µm oder sogar dünner als 1000 nm, beispielsweise zwischen 400 nm und 800 nm. Beispiele für ein Aktivmetall sind Titan (Ti), Zirkonium (Zr), Hafnium (Hf), Chrom (Cr), Niob (Nb), Cer (Ce), Tantal (Ta), Magnesium (Mg), Lanthan (La) und Vanadium (V). Hierbei ist darauf zu achten, dass die Metalle La, Ce, Ca und Mg leicht oxidieren können. Ferner wird angemerkt, dass die Elemente Cr, Mo und W keine klassischen Aktivmetalle sind, sich aber als Kontaktschicht zwischen Si3N4 und der mindestens einem Metallschicht bzw. dem Lotsystem bzw. Lotmaterial eignen, da sie mit der mindestens einen Metallschicht, beispielsweise Kupfer, keine intermetallischen Phasen bilden und keine Randlöslichkeit haben.In particular, by using a separately implemented active metal layer, it is possible to make it comparatively thin, whereby the claimed comparatively thin thicknesses of the bonding layer can be achieved, in particular averaged over different measurement values within the specified area or areas. For example, the active metal layer is thinner than 25 µm, preferably thinner than 18 µm and particularly preferably thinner than 12 µm or even thinner than 1000 nm, for example between 400 nm and 800 nm. Examples of an active metal are titanium (Ti), zirconium (Zr), hafnium (Hf), chromium (Cr), niobium (Nb), cerium (Ce), tantalum (Ta), magnesium (Mg), lanthanum (La) and vanadium (V). It should be noted that the metals La, Ce, Ca and Mg can easily oxidize. It is also noted that the elements Cr, Mo and W are not classic active metals, but can be used as a contact layer between Si 3 N 4 and the at least one metal layer or the solder system or solder material, since they do not form intermetallic phases with the at least one metal layer, for example copper, and do not have any edge solubility.
Vorzugsweise ist ein Anteil an Aktivmetall in einer Aktivmetall umfassenden Haftvermittlerschicht bzw. der Aktivmetallschicht größer als 15 Gew.- %, bevorzugt größer als 20 Gew.- % und besonders bevorzugt größer als 25 Gew.- %. Preferably, a proportion of active metal in an adhesion promoter layer comprising active metal or the active metal layer is greater than 15% by weight, preferably greater than 20% by weight and particularly preferably greater than 25% by weight.
Vorzugsweise umfasst die Lötschicht, insbesondere die phosphorfreie Lotschicht, mehrere Materialien zusätzlich zu dem reinen Metall. Beispielsweise ist Indium ein Bestandteil des verwendeten Lotmaterials in der Lötschicht. Die Lötschicht bzw. ein Lotbasismaterial weist bevorzugt einen Anteil an Aktivmetall auf, der kleiner ist als 1,5 Gew. %, bevorzugt kleiner als 1,0 Gew.% und besonders bevorzugt kleiner als 0,5 Gew.-%. Insbesondere ist das Lotbasismaterial aktivmetallfrei.Preferably, the solder layer, in particular the phosphorus-free solder layer, comprises several materials in addition to the pure metal. For example, indium is a component of the solder material used in the solder layer. The solder layer or a solder base material preferably has a proportion of active metal that is less than 1.5% by weight, preferably less than 1.0% by weight and particularly preferably less than 0.5% by weight. In particular, the solder base material is free of active metal.
Weiterhin ist es vorstellbar, dass das Lotmaterial zur Ausbildung der Lötschicht durch ein physikalisches und/oder chemisches Gasphasenabscheiden und/oder galvanisch auf die Aktivmetallschicht und/oder die mindestens eine Metallschicht aufgetragen wird. Dadurch ist es in vorteilhafter Weise möglich, vergleichsweise dünne Lotschichten im Lötsystem, insbesondere in einer homogenen Verteilung, zu realisieren.Furthermore, it is conceivable that the solder material for forming the solder layer is applied to the active metal layer and/or the at least one metal layer by physical and/or chemical vapor deposition and/or galvanically. This advantageously makes it possible to realize comparatively thin solder layers in the soldering system, in particular in a homogeneous distribution.
Beispielsweise sind bei der Herstellung des Metall-Keramik-Substrats, insbesondere des Metall-Keramik-Substrats, weiteren Schritte vorgesehen, umfassend:
- - Bereitstellen eines Keramikelements und einer Metalllage,
- - Bereitstellen eines gasdichten Behälters, der das Keramikelement umschließt, wobei der Behälter vorzugsweise aus der Metalllage geformt ist oder die Metalllage umfasst,
- - Ausbilden des Metall-Keramik-Substrats durch ein Anbinden der Metalllage an das Keramikelement mittels heißisostatischem Pressen,
- - Providing a ceramic element and a metal layer,
- - providing a gas-tight container enclosing the ceramic element, wherein the container is preferably formed from the metal layer or comprises the metal layer,
- - Forming the metal-ceramic substrate by bonding the metal layer to the ceramic element by means of hot isostatic pressing,
Beim heißisostatischen Pressen ist es insbesondere vorgesehen, dass das Bonden durch Erhitzen unter Druck erfolgt, bei dem die erste und/oder zweite Metalllage des Metallbehälters, insbesondere die spätere Metallschicht des Metall-Keramik-Substrats und eine etwaige dort auftretende eutektische Schicht nicht in die Schmelzphase übertritt. In entsprechender Weise sind beim heißisostatischem Pressen geringere Temperaturen als bei einem Direktmetallanbindungsverfahren, insbesondere einem DCB-Verfahren, erforderlich.In hot isostatic pressing, it is particularly intended that the bonding takes place by heating under pressure, in which the first and/or second metal layer of the metal container, in particular the subsequent metal layer of the metal-ceramic substrate and any eutectic layer occurring there, do not enter the melting phase. Accordingly, lower temperatures are required for hot isostatic pressing than for a direct metal bonding process, in particular a DCB process.
Im Vergleich zu der Anbindung einer Metallschicht an eine Keramikschicht mittels eines Lotmaterials, bei dem üblicherweise Temperaturen unterhalb der Schmelztemperatur der mindestens einen Metallschicht verwendet werden, kann bei der vorliegenden Vorgehensweise in vorteilhafter Weise auf ein Lotbasismaterial verzichtet werden und es wird lediglich ein Aktivmetall benötigt. Die Verwendung bzw. die Nutzung des Drucks beim heißisostatischen Pressen erweist sich dabei zudem als vorteilhaft, weil dadurch Lufteinschlüsse bzw. Hohlräume zwischen der ersten Metalllage und/oder der zweiten Metalllage einerseits und dem Keramikelement andererseits reduziert werden können, wodurch die Ausbildung von Lunkern in ihrer Häufigkeit im gebildeten bzw. gefertigten Metall-Keramik-Substrat reduziert oder gar vermieden werden kann. Dies wirkt sich vorteilhaft auf die Qualität der Bindung zwischen der Metallschicht bzw. der ersten und/oder zweiten Metalllage des Metallbehälters und dem Keramikelement aus. Darüber hinaus ist es in vorteilhafter Weise möglich, das „second etching“ zu vereinfachen und Lotreste sowie eine Silbermigration zu vermeiden.In comparison to the connection of a metal layer to a ceramic layer by means of a solder material, in which temperatures below the melting temperature of the at least one metal layer are usually used, the present procedure advantageously makes it possible to dispense with a solder base material and only requires an active metal. The use or utilization of pressure during hot isostatic pressing also proves to be advantageous because it can reduce air inclusions or cavities between the first metal layer and/or the second metal layer on the one hand and the ceramic element on the other, whereby the frequency of the formation of cavities in the formed or manufactured metal-ceramic substrate can be reduced or even avoided. This has a beneficial effect on the quality of the bond between the metal layer or the first and/or second metal layer of the metal container and the ceramic element. In addition, it is advantageously possible to simplify the "second etching" and avoid solder residues and silver migration.
Vorstellbar ist es auch, dass beim heißisostatischen Pressen ein zusätzliches Lotmaterial zwischen das Keramikelement und die mindestens eine Metallschicht eingebracht wird, wobei eine Schmelztemperatur des zusätzlichen Lotmaterials kleiner sein kann als die Temperatur, bei der das heißisostatische Pressen durchgeführt wird, d. h. kleiner als die Schmelztemperatur der mindestens einen Metallschicht.It is also conceivable that during hot isostatic pressing an additional solder material is introduced between the ceramic element and the at least one metal layer, wherein a melting temperature of the additional solder material can be lower than the temperature at which the hot isostatic pressing is carried out, i.e. lower than the melting temperature of the at least one metal layer.
Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass bei einem heißisostatischen Pressen der Metallbehälter in einer Heiz- und Druckvorrichtung einem Gasdruck zwischen 100 und 2000 bar, bevorzugt zwischen 150 und 1200 bar und besonders bevorzugt zwischen 300 und 1000 bar und einer Prozesstemperatur von 300 °C bis zu einer Schmelztemperatur der mindestens einen Metallschicht, insbesondere bis zu einer Temperatur unterhalt der Schmelztemperatur, ausgesetzt wird. Es hat sich in vorteilhafter Weise herausgestellt, dass es so möglich ist, eine Metallschicht, d.h. ein erste und/oder zweite Metalllage des Metallbehälters, an das Keramikelement anzubinden, ohne die erforderlichen Temperaturen eines Direktmetallanbindungsverfahrens, beispielsweise eines DCB- oder einem DAB-Verfahrens, und/oder ohne ein Lotbasismaterial, das beim Aktivlöten verwendet wird. Darüber hinaus gestattet das Nutzen bzw. die Verwendung eines entsprechenden Gasdrucks die Möglichkeit, möglichst lunkerfrei, d. h. ohne Gaseinschlüsse zwischen Metallschicht und Keramikelement ein Metall-Keramik-Substrat zu fertigen. Insbesondere finden Prozessparameter Verwendung, die in der
Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Verfahren zur Herstellung eines elektrisch isolierenden Keramikelements, vorgesehen, umfassend:
- - Bereitstellen einer Siliziumscheibe, vorzugsweise einer dotierten oder einer nicht-dotierten Siliziumscheibe,
- - Nitridieren der Siliziumscheibe zum Erzeugen einer Siliziumnitridlage. Alle zum Verfahren zur Herstellung des Metall-Keramik-Substrats beschriebenen Eigenschaften und Vorteile lassen sich analog übertragen auf das Verfahren zur Herstellung eines elektrisch isolierenden Keramikelements und andersrum.
- - Providing a silicon wafer, preferably a doped or non-doped silicon wafer,
- - Nitriding the silicon wafer to produce a silicon nitride layer. All properties and advantages described for the process for producing the metal-ceramic substrate can be transferred analogously to the process for producing an electrically insulating ceramic element and vice versa.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Metall-Keramik-Substrat, das mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wird. Alle Eigenschaften und Vorteile, die zusammen mit dem Verfahren beschrieben sind, gelten analog für den Gegenstand des Verfahrens und andersrum.A further aspect of the present invention is a metal-ceramic substrate which is produced using the method according to the invention. All properties and advantages which are described together with the method apply analogously to the subject matter of the method and vice versa.
Insbesondere zeichnet sich das entsprechend gefertigte Metall-Keramik-Substrat dadurch aus, dass die Haftfestigkeiten der Metallschicht an dem Keramikelement und die Haftfestigkeit der weiteren Metallschicht an dem Keramikelement im Wesentlichen gleich groß sind. Außerdem sind keine Rückstände an dem Keramikelement zu erkennen, die auf eine Trennschicht, insbesondere auf eine Bornitrid umfassende Trennschicht, zurückzuführen sind. Solche Trennmittel werden bei den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren, insbesondere in Foliengussverfahren, dazu genutzt, mehrere Grünlinge übereinander zu stapeln. Sie lassen sich nicht rückstandlos vom Keramikelement befreien und bleiben dem Keramikelement als Sinterhaut erhalten. Schließlich sind sie noch am gefertigten Metall-Keramik-Substrat nachweisbar. Dies trifft für die erfindungsgemäß hergestellten Metall-Keramik-Substrat nicht zu.In particular, the correspondingly manufactured metal-ceramic substrate is characterized by the fact that the adhesive strength of the metal layer to the ceramic element and the adhesive strength of the further metal layer to the ceramic element are essentially the same. In addition, no residues can be seen on the ceramic element that are attributable to a separating layer, in particular to a separating layer comprising boron nitride. Such separating agents are used in the processes known from the prior art, in particular in film casting processes, to stack several green compacts on top of each other. They cannot be removed from the ceramic element without leaving residues and remain on the ceramic element as a sintered skin. Finally, they can still be detected on the manufactured metal-ceramic substrate. This does not apply to the metal-ceramic substrate manufactured according to the invention.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass im gefertigten Metall-Keramik Substrat eine Bindungsschicht zwischen der Metallschicht und dem Keramikelement, insbesondere der Siliziumnitrid-Schicht, ausgebildet ist, wobei eine Haftvermittlerschicht der Bindungsschicht einen Flächenwiderstand aufweist, der größer ist als 5 Ohm/sq, bevorzugt größer als 10 Ohm/sq und besonders bevorzugt größer als 20 Ohm.According to a preferred embodiment of the present invention, it is provided that in the manufactured metal-ceramic substrate a bonding layer is formed between the metal layer and the ceramic element, in particular the silicon nitride layer, wherein an adhesion promoter layer of the bonding layer has a surface resistance which is greater than 5 ohms/sq, preferably greater than 10 ohms/sq and particularly preferably greater than 20 ohms.
Der Flächenwiderstand steht dabei im direkten Zusammenhang mit einem Anteil des Aktivmetalls in der Haftvermittlerschicht, die maßgeblich für die Anbindung der mindestens einen Metallschicht an das Keramikelement ist. Dabei nimmt der Flächenwiderstand mit abnehmenden Aktivmetallanteil in der Bindungsschicht zu. Ein entsprechend hoher Flächenwiderstand entspricht somit einem geringen Aktivmetallanteil in der Haftvermittlerschicht.The surface resistance is directly related to the proportion of active metal in the bonding layer, which is crucial for the connection of at least one metal layer to the ceramic element. The surface resistance increases as the proportion of active metal in the bonding layer decreases. A correspondingly high surface resistance therefore corresponds to a low proportion of active metal in the bonding layer.
Dabei hängt der Flächenwiderstand nicht von einem einzelnen Parameter ab, sondern kann durch ein Zusammenspiel mehrerer Parameter beeinflusst werden. So trägt beispielsweise auch eine Reinheit des Aktivmetalls, eine Dicke der Bindungsschicht und/oder eine Oberflächenrauigkeit des Keramikelements zur Festlegung des Flächenwiderstandes bei. Insbesondere lassen sich hohe Flächenwiderstände nur durch ein Zusammenspiel von mindestens zwei Parametern realisieren.The surface resistance does not depend on a single parameter, but can be influenced by the interaction of several parameters. For example, the purity of the active metal, the thickness of the bonding layer and/or the surface roughness of the ceramic element also contribute to determining the surface resistance. In particular, high surface resistances can only be achieved through the interaction of at least two parameters.
Es hat sich dabei herausgestellt, dass mit zunehmenden Anteil an Aktivmetall die Bildung von spröden, intermetallischen Phasen begünstigt wird, was wiederum nachteilig ist für eine Abzugsfestigkeit der Metallschicht an der Isolationsschicht. Mit anderen Worten: Mit den anspruchsgemäßen Flächenwiderständen werden solche Bindungsschichten beschrieben, deren Abzugsfestigkeit aufgrund der reduzierten Bildung von spröden intermetallischen Phasen, verbessert, d. h. vergrößert wird. Durch das gezielte Einstellen der anspruchsgemäßen Flächenwiderstände lassen sich somit besonders starke Anbindungen der mindestens einen Metallschicht an das Keramikelement realisieren. Eine solche erhöhte Anbindungsstärke wirkt sich in vorteilhafter Weise auf die Lebensdauer des Metall-Keramik-Substrats aus. Dabei ist es zur Bestimmung des Flächenwiderstands vorgesehen, dass am gefertigten Metall-Keramik-Substrat zunächst die Metallschicht und ggf. eine Lotbasisschicht, beispielsweise durch Ätzen, wieder entfernt werden. Mittels einer Vier-Punkt Messung wird dann an der Außenseite bzw. Unterseite des von der mindestens einen Metallschicht und der Lotbasisschicht befreiten Metall-Keramik-Substrats ein Flächenwiderstand gemessen. Insbesondere ist unter dem Flächenwiderstand einer Materialprobe als dessen Widerstand bezogen auf einen quadratischen Oberflächenbereich zu verstehen. Es ist hierbei üblich, den Oberflächenwiderstand mit der Einheit Ohm/sq(square) zu kennzeichnen. Die Physikalische Einheit des Flächenwiderstandes ist Ohm. Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass eine in Stapelrichtung bemessene Dicke der Bindungsschicht, gemittelt über mehrere Messpunkte innerhalb einer vorbestimmten Fläche oder in mehreren Flächen, die parallel zur Haupterstreckungsebene verläuft oder verlaufen, einen Wert annimmt, der kleiner als 0,20 mm, bevorzugt kleiner als 10 µm und besonders bevorzugt kleiner als 6 µm ist. Sofern vom mehreren Flächen gesprochen wird, ist insbesondere gemeint, dass die mindestens eine Metallschicht in möglichst gleich große Flächen unterteilt wird und in jeder dieser die mindestens eine Metallschicht unterteilenden Flächen mindestens ein Wert, bevorzugt mehrere Messwerte, für die Dicke erfasst werden. Die so an verschiedenen Stellen ermittelten Dicken werden arithmetisch gemittelt.It has been found that the formation of brittle, intermetallic phases is promoted with an increasing proportion of active metal, which in turn is detrimental to the peel strength of the metal layer on the insulation layer. In other words: the surface resistances as claimed describe bonding layers whose peel strength is improved, i.e. increased, due to the reduced formation of brittle intermetallic phases. By specifically setting the surface resistances as claimed, particularly strong bonds between the at least one metal layer and the ceramic element can be achieved. Such an increased bond strength has a beneficial effect on the service life of the metal-ceramic substrate. In order to determine the surface resistance, the metal layer and, if applicable, a solder base layer are first removed from the manufactured metal-ceramic substrate, for example by etching. Using a four-point measurement, a surface resistance is then measured on the outside or underside of the metal-ceramic substrate freed from the at least one metal layer and the solder base layer. In particular, the surface resistance of a material sample is to be understood as its resistance in relation to a square surface area. It is usual to describe the surface resistance with the unit Ohm/sq(square). The physical unit of the surface resistance is Ohm. Preferably it is It is provided that a thickness of the bonding layer measured in the stacking direction, averaged over several measuring points within a predetermined area or in several areas that run parallel to the main extension plane, assumes a value that is less than 0.20 mm, preferably less than 10 µm and particularly preferably less than 6 µm. When multiple areas are mentioned, this means in particular that the at least one metal layer is divided into areas that are as equal in size as possible and that in each of these areas dividing the at least one metal layer, at least one value, preferably several measured values, for the thickness are recorded. The thicknesses determined in this way at different points are arithmetically averaged.
Gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Metall-Keramik-Substraten ist somit eine vergleichsweise dünne Bindungsschicht zwischen der mindestens einen Metallschicht und dem Keramikelement ausgebildet. Dabei ist es vorgesehen, dass zur Festlegung der maßgeblichen Dicke der Bindungsschicht die gemessenen Dicken über eine Vielzahl von Messpunkten gemittelt werden, die innerhalb einer vorbestimmten bzw. festgelegten Fläche bzw. den mehreren Flächen liegen. Dadurch wird in vorteilhafter Weise mitberücksichtigt, dass das Keramikelement in der Regel einer Ondulation unterworfen ist, d. h. dem Keramikelement ist eine Welligkeit zuzusprechen. Insbesondere versteht der Fachmann unter einer Welligkeit eine Modulation des generellen flachen Verlaufs des Keramikelements, gesehen über mehrere Millimeter oder Zentimeter entlang einer Richtung, die parallel zur Haupterstreckungsebene verläuft. Damit grenzt sich eine derartige Ondulation von einer Oberflächenrauigkeit des Keramikelements ab, die in der Regel zusätzlich am Keramikelement vorliegt. Durch das Einbeziehen einer derartigen, in der Regel unvermeidbaren Ondulation des Keramikelements in die Bestimmung der Dicke wird berücksichtigt, dass die Bindungsschicht aufgrund der Ondulation gegebenenfalls variieren kann, insbesondere in Talbereichen des Keramikelements größer sein kann als in Bergbereichen des Keramikelements.Compared to the metal-ceramic substrates known from the prior art, a comparatively thin bonding layer is thus formed between the at least one metal layer and the ceramic element. In this case, it is provided that, in order to determine the relevant thickness of the bonding layer, the measured thicknesses are averaged over a large number of measuring points that lie within a predetermined or fixed area or the multiple areas. This advantageously takes into account the fact that the ceramic element is generally subject to undulation, i.e. the ceramic element is to be attributed a waviness. In particular, the person skilled in the art understands waviness to be a modulation of the generally flat course of the ceramic element, seen over several millimeters or centimeters along a direction that runs parallel to the main extension plane. This distinguishes such an undulation from a surface roughness of the ceramic element, which is generally also present on the ceramic element. By including such a generally unavoidable undulation of the ceramic element in the determination of the thickness, it is taken into account that the bonding layer may vary due to the undulation, in particular it may be larger in valley areas of the ceramic element than in mountain areas of the ceramic element.
Vorzugsweise ist die Bindungsschicht flächig, insbesondere ohne Unterbrechung, d. h. durchgehend, zwischen der mindestens einen Metallschicht und dem Keramikelement ausgebildet. Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass ein Verhältnis eines Bereichs, in dem zwischen der mindestens einen Metallschicht und dem Keramikelement keine Bindungsschicht ausgebildet ist zu den Bereichen, in denen zwischen der mindestens einen Bindungsschicht und dem Keramikelement eine Bindungsschicht ausgebildet ist kleiner als 0,05 mm, bevorzugt kleiner als 0,02 mm und besonders bevorzugt kleiner als 0,007 mm. Dabei versteht der Fachmann insbesondere, dass zur Bildung dieses Verhältnisses die Bereiche nicht berücksichtigt werden, die aufgrund der Strukturierung frei sind von Metall der mindestens einen Metallschicht.Preferably, the bonding layer is formed over a flat area, in particular without interruption, i.e. continuously, between the at least one metal layer and the ceramic element. Preferably, it is provided that a ratio of an area in which no bonding layer is formed between the at least one metal layer and the ceramic element to the areas in which a bonding layer is formed between the at least one bonding layer and the ceramic element is less than 0.05 mm, preferably less than 0.02 mm and particularly preferably less than 0.007 mm. The person skilled in the art will understand in particular that in order to form this ratio, the areas that are free of metal of the at least one metal layer due to the structuring are not taken into account.
Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass die Wärmeleitfähigkeit des Keramikelements größer ist als 50 W/mK, bevorzugt größer als 80 W/mK und besonders bevorzugt größer als 100 W/mK.. Dabei ist es bevorzugt vorgesehen, dass das Keramikelement als Komposit aus einer Siliziumscheibe, insbesondere als Wafer, vorliegt, die von außen her nitridiert ist. Entsprechend hohe thermische Leitfähigkeiten erweisen sich weiterhin als besonders vorteilhaft für das Abführen der Wärme, insbesondere zusätzlich zu den oben genannten Rauigkeit für die Oberfläche. Dadurch wird verhindert, dass im Keramikelement nach dem schnellen Abführen der Wärme über die Schnittstelle zwischen Keramikelement und Metallschicht die Wärme nicht im Keramikelement gestaut wird. Dadurch lassen sich entsprechende Metall-Keramik-Substrate besonders vorteilhaft für Hochleistungselektronikbauteile nutzen, die eine sehr hohe Wärmeentwicklung im Betrieb haben.It is preferably provided that the thermal conductivity of the ceramic element is greater than 50 W/mK, preferably greater than 80 W/mK and particularly preferably greater than 100 W/mK. It is preferably provided that the ceramic element is present as a composite of a silicon disk, in particular as a wafer, which is nitrided on the outside. Correspondingly high thermal conductivities also prove to be particularly advantageous for the dissipation of heat, in particular in addition to the roughness of the surface mentioned above. This prevents the heat from being stored in the ceramic element after the heat has been quickly dissipated via the interface between the ceramic element and the metal layer. This means that corresponding metal-ceramic substrates can be used particularly advantageously for high-performance electronic components that develop a very high level of heat during operation.
Weitere Vorteile und Eigenschaften ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Gegenstands mit Bezug auf die beigefügten Figuren. Es zeigen:
-
1 : schematusche Darstellung eines Metall-Keramik-Substrats; -
2 schematische Darstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines Metall-Keramik-Substrats gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und -
3 schematische Darstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines Metall-Keramik-Substrats gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
-
1 : schematic representation of a metal-ceramic substrate; -
2 schematic representation of a method for producing a metal-ceramic substrate according to a first embodiment of the present invention and -
3 schematic representation of a method for producing a metal-ceramic substrate according to a second embodiment of the present invention
In der
Dabei dient die mindestens eine weitere Metallschicht 20 als Rückseitenmetallisierung, die einem Durchbiegen des Metall-Keramik-Substrats 1 entgegenwirkt und/oder als Kühlkörper, der dazu ausgelegt ist, einen Wärmeeintrag, hervorgerufen durch elektrische oder elektronische Bauteile auf dem Metall-Keramik-Substrat 1, abzuführen.The at least one
Insbesondere weist das Metall-Keramik-Substrat 1 eine zwischen der mindestens einen Metallschicht 10 und dem Keramikelement 30 angeordnete Bindungsschicht 12 auf. Es hat sich dabei als vorteilhaft herausgestellt, wenn eine in Stapelrichtung S bemessene Dicke der Bindungsschicht 12 vergleichsweise dünn ist. Außerdem erweist sich eine vergleichsweise dünne Dicke der Bindungsschicht 12 zwischen der mindestens einen Metallschicht 10 und dem Keramikelement 30 als vorteilhaft, wenn zwecks einer Strukturierung der mindestens einen Metallschicht 10 ein Ätzvorgang vorgesehen ist. Beispielsweise lassen sich dadurch schmalere Isolationsgräben, d. h. Abstände zwischen einzelnen Metallabschnitten der mindesten einen Metallschicht 10, realisieren.In particular, the metal-
Weiterhin erweist sich die Ausbildung einer dünneren Bindungsschicht 12 insofern als vorteilhaft, dass dadurch auch eine Anzahl an möglichen Fehlern in der Bindungsschichten 12, hervorgerufen durch Materialfehler in einem eventuell verwendeten Lotmaterial, weiter reduziert werden kann.Furthermore, the formation of a
In dem in
In
Weiterhin ist es bevorzugt vorgesehen, dass eine erste Dicke D1 der Siliziumscheibe 40, bemessen in einer senkrecht zur Haupterstreckungsebene HSE verlaufenen Richtung, kleiner ist als 4 mm, bevorzugt kleiner als 2 mm und besonders bevorzugt kleiner als 1 mm. Insbesondere handelt es sich bei der Siliziumscheiben 40 um einen Siliziumwafer, der standardmäßig hergestellt wird und vorzugsweise rund ausgebildet ist. Dabei ist es vorstellbar, dass eine Außenseite, insbesondere eine Oberfläche der Siliziumscheibe 40, eine Rauigkeit aufweist, die größer ist als X1 µm, bevorzugt größer als X2 µm und besonders bevorzugt größer als X3 µm.Furthermore, it is preferably provided that a first thickness D1 of the
Dadurch wird vorteilhafterweise die Oberfläche der Siliziumscheibe 40 erhöht. Alternativ oder ergänzend ist es vorstellbar, dass zur Erhöhung der Oberfläche der Siliziumscheibe 40 eine Profilierung an der Außenseite bzw. Oberfläche der Siliziumscheibe 40 ausgebildet ist und/oder wird. Vorstellbar ist auch, dass die Siliziumscheibe 40 aufgeraut wird. Alternativ ist es vorstellbar, dass die Rauigkeit an der Oberfläche kleiner ist als Y1 µm, bevorzugt kleiner als Y2 µm und besonders bevorzugt kleiner als Y3 µm. Ferner ist es vorstellbar, dass die Siliziumscheibe 40 abschnittsweise Bereiche mit einer ersten Rauigkeit und Bereiche mit einer zweiten Rauigkeit aufweist, wobei die erste Rauigkeit kleiner ist als die zweite Rauigkeit. Insbesondere ist eine Oberflächenrauigkeit entlang der Außenseite der Siliziumscheibe 40 modelliert. Beispielsweise ist es auch vorstellbar, dass die erste Rauigkeit an einer ersten Außenseite der Siliziumscheibe 40 ausgebildet ist und eine zweite Rauigkeit an einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite der Siliziumscheibe 40.This advantageously increases the surface area of the
Weiterhin ist es vorstellbar, dass es sich bei der Siliziumscheibe 40 um einen monokristallinen Körper oder einen multikristallinen Körper handelt. Weiterhin ist es vorstellbar, dass eine Korngröße der Siliziumpartikel in der Siliziumscheibe 40 kleiner ist als 250 µm, bevorzugt kleiner ist als 100 µm und besonders bevorzugt kleiner ist als 50µm.Furthermore, it is conceivable that the
Das Verfahren, insbesondere zum Bereitstellen des Keramikelements 30, das anschließend für das Ausbilden eines Metall-Keramik-Substrats 1 verwendet wird, sieht in einem zweiten Verfahrensschritt ein zumindest teilweise erfolgendes Nitridieren der Siliziumscheibe 40 vor. Hierzu wird die Siliziumscheibe 40 in einen Ofen 5, insbesondere in einen Gasinterofen, eingebracht, um dort nitriert zu werden. Dabei wird die Siliziumscheibe 30 einer Temperatur zwischen 1000 °C und 2000 °C, bevorzugt zwischen 1100 °C und 1800 °C und besonders bevorzugt zwischen 1300 °C und 1500 °C ausgesetzt. Dabei herrscht in dem Gasinterofen vorzugsweise ein Druck von mindestens 0,2 MPa, bevorzugt von mindestens 0,7 MPa und besonders bevorzugt von mindestens 0,9 MPa. Insbesondere herrscht in dem Gasinterofen eine Stickstoffatmosphäre, wobei ein Stickstoffanteil mindestens größer als 85 %, bevorzugt größer als 90% und besonders bevorzugt größer als 95% sein soll. Die Konvertierungseffizienz beim Nitridieren wird positiv beeinflusst durch eine möglichst kleine Körnung in der Siliziumscheibe. Das Nitridieren erfolgt dabei insbesondere dass Siliziumnitrid durch einen Eindiffundieren von Sticksoff in einen festen Silikonkörper ausgebildet wird.The method, in particular for providing the
In der in
Nach dem Nitridieren wird mindestens eine Metallschicht 10 an die mindestens eine Siliziumnitridlage 31 angebunden, wobei bevorzugt ein Aktivlotverfahren und/oder ein heißisostatisches Pressen verwendet wird. Dadurch ist es vorteilhafterweise möglich, eine Anwendung der Metallschicht 10 an das Keramikelement 30, insbesondere an die Siliziumnitridlage 31 zu ermöglichen. Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass neben der Siliziumnitridlage 31 eine weitere Siliziumnitridlage 32 an der gegenüberliegenden Seite der Siliziumscheibe 40 ausgebildet ist und insbesondere in einen gemeinsamen Anbindungsprozess, beispielsweise unter Verwendung des selben Aktivlotverfahrens und Materials, eine Metallschicht 10 und eine der Metallschicht 10 gegenüberliegende weitere Metallschicht 20 an die nitrierte Siliziumscheibe anzubinden. Dadurch wird für die gewünschte Symmetrie gesorgt, um einen durchbiegend entgegenzusetzen.After nitriding, at least one
Nachdem die mindestens eine Metallschicht 10 bzw. die mindestens eine weitere Metallschicht 20 an die als Keramikelement 30 dienende nitrierte Siliziumscheibe angebunden ist, wird vorzugsweise eine Strukturierung der mindestens einen Metallschicht vorgenommen, um Anschlussflächen und/oder Leiterbahnen bereitzustellen, die zur Nutzung des Metall-Keramik-Substrats 1 als Leiterplatte vorgesehen sind.After the at least one
In
Bezugszeichen:Reference number:
- 11
- Metall-Keramik-SubstratMetal-ceramic substrate
- 55
- OfenOven
- 1010
- MetallschichtMetal layer
- 1212
- BindungsschichtBinding layer
- 12`12`
- weitere Bindungsschichtadditional binding layer
- 1313
- HaftvermittlerschichtAdhesion promoter layer
- 2020
- weitere Metallschichtadditional metal layer
- 3030
- KeramikelementCeramic element
- 3131
- SiliziumnitridlageSilicon nitride layer
- 3232
- weitere Siliziumnitridlageadditional silicon nitride layer
- 4040
- SiliziumscheibeSilicon wafer
- HSEHSE
- HaupterstreckungsebeneMain extension level
- SS
- StapelrichtungStacking direction
- D1D1
- erste Dickefirst thickness
- D2D2
- zweite Dickesecond thickness
- D3D3
- dritte Dickethird thickness
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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