金属陶瓷衬底和用于制造金属陶瓷衬底的方法与流程

本发明涉及一种用于电气的、尤其电子的器件的金属陶瓷衬底和一种用于制造金属陶瓷衬底的方法。

背景技术：

金属陶瓷衬底例如作为电路板或印刷电路板从现有技术中是长久已知的。典型地，在金属陶瓷衬底的器件侧上设置有用于电气器件的连接面和印制导线，其中电气器件和印制导线可连接在一起形成电回路。金属陶瓷衬底的主要组成部分是绝缘层和连结于绝缘层的金属化层，所述绝缘层由陶瓷制成。由于其相对高的绝缘强度，由陶瓷制成的绝缘层证实为是特别有利的。通过金属化层的结构化于是可以实现用于电气器件的印制导线和/或连接面。

从wo2017056666a1中已知一种具有双侧的金属化层的si3n4绝缘层，其中si3n4绝缘层的尺寸确定为比0.26mm更薄并且金属化层的尺寸确定为比0.6mm更厚。

原则上，除了低的热阻以外也期望高的耐温度变化性，这有利于相应的金属陶瓷衬底的耐久性。

技术实现要素：

以此背景为出发点，本发明的目的是，提供一种金属陶瓷衬底，所述金属陶瓷衬底具有低的热阻和相对高的耐温度变化性。

所述目的通过根据权利要求1的金属陶瓷衬底和根据权利要求8的方法实现。本发明的其他优点和特征在从属权利要求以及说明书和附图中得到。

根据本发明，提出一种金属陶瓷衬底，其包括：

-具有陶瓷的绝缘层，所述绝缘层具有第一厚度；和

-连结在绝缘层上的金属化层，所述金属化层具有第二厚度，

其中第二厚度大于200μm并且第一厚度小于300μm，其中第一厚度和第二厚度的尺寸确定为，使得

·金属化层的热膨胀系数和金属陶瓷衬底的热膨胀系数之间的差值与

·金属陶瓷衬底的热膨胀系数的比值具有小于0.25，优选小于0.2并且特别优选小于0.15，或甚至小于0.1的值。

相对于现有技术，借助于根据本发明的设计方案或第一厚度和第二厚度的尺寸确定有利地可行的是，实现改善的耐温度变化性，尤其也针对如下金属陶瓷衬底，所述金属陶瓷衬底的热阻由于相对薄的绝缘层降低，即所述绝缘层具有小于250μm，优选小于200μm并且特别优选小于150μm的第一厚度。根据本发明在此为了确定第一厚度和/或第二厚度的尺寸使用金属陶瓷衬底的热膨胀系数(即考虑所有层，尤其绝缘层和金属化层的总热膨胀系数)和金属化层的热膨胀系数。在此令人惊讶地证实，只要根据权利要求确定第二厚度或第一厚度的尺寸，虽然绝缘层的第一厚度相对小，但是能改善耐温度变化性。尤其已证实，在温度变化下金属陶瓷衬底的失效越小，金属化层的热膨胀系数和金属陶瓷衬底的热膨胀系数之间的差就越小。

除了相对薄的绝缘层的降低的热阻以外的另一优点是，随着层厚度减小，组织缺陷的数量和大小也降低。相应地，具有陶瓷的绝缘层的故障的概率也降低。第一厚度和第二厚度在此沿着垂直于主延伸平面伸展的方向测量，其中主延伸平面平行于绝缘层伸展。金属化层在此经由连结面直接连结于绝缘层。

作为耐温度变化性优选理解为绝缘层在与金属化层的边界区域中的裂纹。所述裂纹又随着周期数量升高而造成脱层。金属陶瓷衬底的在温度变化下可观察的使用寿命在此在借助于us显微术可证实裂缝时终止，所述裂缝又妨碍在热源下方或在围绕热源的一半的铜厚度的区域中的散热或者限制衬底的绝缘强度。已证实的是，在金属陶瓷衬底根据权利要求确定尺寸时，在温度变化下观察的使用寿命会延长。

优选地，绝缘层具有al2o3，si3n4，aln，hpsx陶瓷(即具有al2o3基体的陶瓷，其包括x百分比份额的zro2，例如是具有9％的zro2的al2o3＝hps9或具有25％的zro2的al2o3＝hps25)，sic，beo，mgo，高密度的mgo(＞90％的理论密度)，tsz(四方稳定氧化锆)或zta作为用于陶瓷的材料。在此也可考虑，绝缘层构成为复合陶瓷或混合陶瓷，其中为了将不同的期望的特性组合，将多个陶瓷层上下相叠地设置并且拼合成绝缘层，所述陶瓷层分别在其材料组成方面不同。作为用于金属化层的材料可考虑铜、铝、钼和/或其合金，以及叠层，如cuw、cumo、cual、alcu和/或cucu，尤其铜夹层结构，所述铜夹层结构具有第一铜层和第二铜层，其中第一铜层中的粒度与第二铜层中不同。

还可考虑的是，绝缘层例如包括氧化锆增强的氧化铝，这有利地提高绝缘层的稳定性，而例如绝缘层可由al2o3相对便宜地生产。

例如在由铜制成的金属化层的第二厚度具有基本上0.6mm的值时，由陶瓷hps9构成的绝缘层具有0.26mm或0.32mm的第一厚度。

根据本发明的另一实施方式提出，第一厚度大于30μm，优选大于60μm并且特别优选大于90μm。已证实的是，这种第一厚度可以保证金属陶瓷衬底的相应的绝缘强度和稳定性。此外，用于具有大于90μm的第一厚度的绝缘层的生产耗费小于用于尺寸确定为更薄的绝缘层的生产耗费。

优选地提出，在与金属化层相对置的侧上在绝缘层上连结有具有第三厚度的另外的金属化层，其中第一厚度、第二厚度和/或第三厚度的尺寸确定为，使得

-另外的金属化层和/或金属化层的热膨胀系数和金属陶瓷衬底的热膨胀系数之间的差值与

-金属陶瓷衬底的热膨胀系数的比值具有小于0.25，优选小于0.2并且特别优选小于0.15，或甚至小于0.1的值。

优选地，金属陶瓷衬底热机械对称地构成。尤其，金属化层、绝缘层和另外的金属化层沿着垂直于主延伸平面伸展的堆叠方向上下相叠地设置。在此，第三厚度沿垂直于主延伸平面伸展的方向测量。优选地，另外的金属化层或金属化层的热膨胀系数选择为，其更接近金属陶瓷衬底的热膨胀系数。对于本领域技术人员显而易见的是，所列出的条件可转用于由多于三个层组成的金属陶瓷衬底。优选地，这种具有多于三个层的多层的金属陶瓷衬底能转换成具有绝缘层、金属化层和另外的金属化层的金属陶瓷衬底，即三层的金属陶瓷衬底。优选地，用于第二金属化层的材料选择为，使得其提高整个金属陶瓷衬底的强度。由此能有针对性地调整整个金属陶瓷衬底的机械负荷能力。在此可考虑，对此，用于第一金属化层的材料与第二金属化层的金属不同。例如，用于另外的金属化层的材料是钼。作为用于另外的金属化层的材料同样可考虑铜、铝、钨和/或其合金，以及叠层，如cuw、cumo、cual、alcu和/或cucu，尤其具有第一铜层和第二铜层的铜夹层结构，其中第一铜层中的粒度与第二铜层不同。此外，也可考虑基于mmc’s、如例如cusic、cuc、alsic或mgsic的后侧金属化部，其cte尤其可以匹配于衬底和/或芯片的组合的cte。特别优选地提出，另外的金属化层的厚度在金属化层的1.1倍和10倍之间，优选在1.5倍和8倍之间并且特别优选在2倍和6倍之间。

优选地，另外的金属化层为了稳定而不具有中断部，尤其不具有绝缘槽。由此能避免，金属陶瓷衬底在绝缘槽的区域中仅由薄的绝缘层形成并且相应地容易引起在该区域中的断裂部。换言之：另外的金属化层用作为用于相对薄的绝缘层的稳定层。也可考虑，金属化部和另外的金属化部构成为，使得沿着堆叠方向，在金属化层中的绝缘槽和在另外的金属化层中的绝缘槽不上下相叠地设置。此外已证实的是，虽然另外的金属化层和金属化层不对称地设计，但是能实现相对长的使用寿命。优选地，另外的金属化层在平行于主延伸平面伸展的方向上比金属化层更远地延伸。也就是说，如同另外的金属化层在平行于主延伸平面伸展的方向上相对于金属化层伸出。还可考虑的是，另外的金属化层比金属化层更厚，以便确保金属陶瓷衬底的足够的稳定性。换言之：借助于更厚的另外的金属化层，至少部分地补偿绝缘层的降低的厚度。

在本发明的另一实施方式中提出，第二厚度和/或第三厚度大于350μm并且特别优选大于500μm。金属化层的相对于第一厚度尺寸确定为更大的第二厚度有利地用于，限制通过在电流传导时的欧姆损耗引起的印制导线的变热，用于在热源下方的散热和用于使金属陶瓷衬底的弯曲最小化。这尤其可以对于高于500μm的厚度为大多数不同的金属化层确保。

优选地，热膨胀系数与材料特定的参数和/或泊松比相关。例如，热膨胀系数与弹性模量、泊松比和/或材料特定的热膨胀系数相关。尤其适用如下关联关系

其中di表示具有相应的材料特定的热膨胀系数ctei的n个层的第i个厚度。此外，借助于泊松数ηi考虑相应的层的形状及其e模量ei。

借助于所述关联关系，基于材料特定的变量和尺寸说明能够确定相应的热膨胀系数，由此相应的热膨胀系数之间的比较是可能的。

适宜地，第二厚度和第三厚度基本上一致。优选地，金属化层和另外的金属化层由相同材料制成。也可考虑的是，调整第三厚度和/或另外的金属化层的材料选择，以便实现金属化层和绝缘层的期望的尺寸确定。

本发明的另一方面是一种用于制造金属陶瓷衬底的方法，所述方法包括：

-提供具有第一厚度的绝缘层，所述绝缘层具有陶瓷；和

-提供连结在绝缘层上的、具有第二厚度的金属化层；和

-将金属化层连结于绝缘层，

其中第一厚度和/或第二厚度的尺寸确定为，使得

·金属化层的热膨胀系数和金属陶瓷衬底的热膨胀系数之间的差值与

·金属陶瓷衬底的热膨胀系数的比值具有小于0.25，优选小于0.2，并且特别优选小于0.15或甚至小于0.1的值。

所有针对根据本发明的金属陶瓷衬底所描述的特征及其优点按意义同样可转用于根据本发明的方法并且反之亦然。优选地提出，在确定第一厚度、第二厚度和/或第三厚度时首先假设金属陶瓷衬底的期望的总厚度。接着，优选确定第二厚度和/或第一厚度，以便接着根据热膨胀系数确定第一厚度、第二厚度和可能的第三厚度。

根据本发明的一个优选的实施方式提出，金属化层借助于dcb法或活性焊接法连结于绝缘层。

本领域技术人员将“dcb法”(direct-copper-bond-technology，直接铜键合技术)或“dab法”(direct-aluminium-bond-technology，直接铝键合技术)理解为如下方法，所述方法例如用于将金属层或金属板(例如铜板或铜膜)彼此连接和/或与陶瓷或陶瓷层连接，更确切地说利用金属板或铜板或金属膜或铜膜连接，所述金属板或铜板或金属膜或铜膜在其表面侧上具有层或包覆层(熔化层)。在所述例如在us3744120a中或在de2319854c2中所描述的方法中，所述层或所述包覆层(熔化层)形成熔化温度低于金属(例如铜)的熔化温度的共晶体，使得通过将膜安置到陶瓷上并且通过加热所有层可以将它们彼此连接，更确切地说通过基本上仅在熔化层或氧化层的区域中熔化金属或铜来连接。

尤其dcb法那么例如具有如下方法步骤：

-将铜膜氧化，使得得到均匀的氧化铜层；

-将铜膜安置到陶瓷层上；

-将复合物加热到大约1025℃至1083℃之间的工艺温度，例如加热到大约1071℃；

-冷却至室温。

将活性焊接法，例如用于将金属层或金属膜，尤其铜层或铜膜与陶瓷材料连接的活性焊接法理解为如下方法，所述方法特别也用于制造金属陶瓷衬底。在此，在温度处于大约650℃至1000℃之间时，通过使用硬焊料建立金属膜、例如铜膜和陶瓷衬底、例如氮化铝陶瓷之间的连接，所述硬焊料除了主要成分如铜、银和/或金之外，还包含活性金属。所述活性金属例如是下述元素中的至少一种：hf、ti、zr、nb、ce，所述活性金属通过化学反应建立焊料和陶瓷之间的连接，而焊料和金属之间的连接是金属的硬焊连接。

替选地，为了连结也已知在铝金属化的情况下的dab法和/或厚层法。

优选地提出，金属陶瓷衬底借助于激光刮刻、激光切割和/或水射流切割来分割。由此能将各个金属陶瓷衬底在其在之前的方法中一起构成之前简单地且相对快地提供。优选地，在另外的金属化层不具有中断部或穿蚀部时，将金属陶瓷衬底尤其从主芯片中借助于切割过程，例如借助于激光刮刻、激光切割和/或水射流切割实现。由此在衬底由于尤其连续的另外的金属化层仅能耗费地或很难通过折断分割的情况下需要成功的切割。

表述基本上在本发明的意义上意味着与分别精确的值相差+/-15％，优选+/-10％并且特别优选+/-5％的偏差和/或呈对于函数不重要的改变的形式的偏差。

附图说明

其他优点和特征从在下文中参照附图对根据本发明的主题的优选的实施方式的描述中得出。各个实施方式的各个特征在此可以在本发明的范围内彼此组合。

附图示出：

图1示出根据本发明的第一优选的实施方式的金属陶瓷衬底；

图2示出根据本发明的第二优选的实施方式的金属陶瓷衬底；

图3示出根据本发明的第三优选的实施方式的金属陶瓷衬底；以及

图4示意地示出用于制造根据本发明的一个优选的实施方式的金属陶瓷衬底的方法的流程图。

具体实施方式

在图1中示出根据本发明的一个优选的实施方式的金属陶瓷衬底1。这种金属陶瓷衬底1优选用作为电子或电气器件的承载件，所述承载件可连接于金属陶瓷衬底1。这种金属陶瓷衬底1的主要组成部分是沿着主延伸平面hse延伸的绝缘层11和连结于绝缘层11的金属化层12。绝缘层11由至少一种包括陶瓷的材料制成。金属化层12和绝缘层11在此沿着垂直于主延伸平面hse伸展的堆叠方向s上下相叠地设置。

在此，绝缘层11具有垂直于主延伸平面hse或平行于堆叠方向s测量的第一厚度d1和平行于主延伸平面hse测量的第一延伸e1，并且金属化层12具有垂直于主延伸平面hse或平行于堆叠方向s测量的第二厚度d2和平行于主延伸平面hse测量的第二延伸e2。在平行于堆叠方向s伸展的方向上，优选在绝缘层11的与金属化层12相对置的侧上，另外的金属化层13连结于绝缘层12。另外的金属化层13在此具有垂直于主延伸平面hse或平行于堆叠方向s测量的第三厚度d3和平行于主延伸平面hse测量的第三延伸e3。金属化层12和/或另外的金属化层13优选结构化，例如借助于刻蚀或表面铣切结构化，以便例如借助于结构化的金属化层12提供用于电路的印制导线和/或连接面。

为了减少热阻优选提出，金属陶瓷衬底1具有绝缘层11，所述绝缘层具有小于300μm的第一厚度d1，而金属化层12的第二厚度d2和/或另外的金属化层13的第三厚度d3具有大于200μm，特别优选大于500μm的值。换言之：提出绝缘层11分别比金属化层12和另外的金属化层13更薄。在此，相对薄的绝缘层11被证实为对于低热阻是特别有利的。

为了抵抗通过在电流传导期间的欧姆损耗引起的印制导线的变热，以及改善散热和使金属陶瓷衬底1的弯曲最小化，将金属化层12的第二厚度d2和/或另外的金属化层13的第三厚度d3相应地相对大地确定尺寸，即优选大于绝缘层11的第一厚度d1。在图1中示出的实施方式中，另外的金属化层13在垂直于主延伸平面hse伸展的方向上至少局部地，优选完全地，与金属化层12全等地设置。在此，另外的金属化层13在平行于主延伸平面hse伸展的方向上比金属化层12更远地延伸。优选地，另外的金属化层13的平行于主延伸平面hse测量的第三延伸e3与金属化层12的平行于主延伸方向hse测量的第二延伸e2的比值具有1.01和1.4之间，优选1.01和1.2倍之间并且特别优选1.05和1.15之间的值。金属化层12在此就其而言可以由电路相关的结构中断。

金属陶瓷衬底1的使用寿命决定性地由其耐温度变化性确定。在此已证实，在绝缘层11的第一厚度d1小的情况下有利地可实现，经由确定绝缘层11的第一厚度d1以及金属层12的第二厚度d2和另外的金属化层13的第三厚度d3的尺寸能优化耐温度变化性。在此优选提出，第一厚度d1、第二厚度d2和/或第三厚度d3设定为，使得

-金属化层12的或另外的金属化层13的热膨胀系数和金属陶瓷衬底1的热膨胀系数之间的差值与

-金属陶瓷衬底1的热膨胀系数的比值具有小于0.25、优选小于0.2并且特别优选小于0.15或甚至小于0.1的值。

在此，为了确定金属陶瓷衬底1、第一金属化层12或第二金属化层13的热膨胀系数使用如下关联关系：

其中di表示具有相应的ctei的n个层的第i个厚度。此外，借助于泊松数ηi考虑相应的层的形状及其e模量ei。

在图2中示出根据本发明的第二优选的实施方式的金属陶瓷衬底1。图2中的金属陶瓷衬底1与图1中的金属陶瓷衬底的区别在此仅在于，另外的金属化层13沿着整个扩展，即绝缘层11的第一延伸e1延伸。换言之：另外的金属化层13在平行于主延伸平面hse伸展的方向上与绝缘层11齐平，优选朝向所有侧与绝缘层齐平，即第一延伸e1等于第三延伸e3。然而也可考虑，金属化层12沿着主延伸平面hse的第二延伸e2大于另外的金属化层13的第三延伸e3，而另外的金属化层13不与绝缘层11齐平。例如可考虑，另外的金属化层13在平行于主延伸平面hse伸展的方向上相对于金属化层12突出，优选以小于、大于或等于沿相同方向在绝缘层11的最外部的环周和金属化层12的最外部的环周之间的距离的间距突出。

在图3中示出根据本发明的第三优选的实施方式的金属陶瓷衬底1。图3中的金属陶瓷衬底1与图2中的金属陶瓷衬底的区别在此主要仅在于，另外的金属化层13尤其在其背离绝缘层11的侧上具有留空部、薄弱部或厚度渐缩部8。优选地，留空部8设置在另外的金属化层13的边缘区域中。例如，留空部8刻蚀到另外的金属化层13中。

在图4中示意地图解说明用于制造金属陶瓷衬底1的方法的流程图。优选地，例如提出，提供具有第一厚度d1的绝缘层11，其中绝缘层11的第一厚度d1小于300μm。在提供101或规定绝缘层11之后，优选通过使用在上文详细说明的与用于金属化层12和/或另外的金属化层13的ctei及其e模量和泊松比的关联关系来确定或规定第二厚度d2，使得

-金属化层12的或另外的金属化层13的热膨胀系数和金属陶瓷衬底1的热膨胀系数之间的差值与

-金属陶瓷衬底1的热膨胀系数的比值具有小于0.25、优选小于0.2并且特别优选小于0.15或甚至小于0.1的值。在确定102之后，将具有第二厚度d2的金属化层12连结于绝缘层11，优选通过使用活性焊接法或dab法或特别优选dcb法。

还优选提出，除了金属化层11以外，在确定第二厚度d2时考虑具有第三厚度d3的另外的金属化层13。优选地提出，在连结103之后，这优选与确定102一起进行，将金属陶瓷衬底1借助于激光刮刻或激光切割来分割和/或将金属化层11例如通过刻蚀工艺结构化；也就是说跟随着金属陶瓷衬底1的分割105和/或结构化104。优选地，另外的金属化层13保持没有结构，至少另外的金属化层13不具有穿蚀的结构，以便改善整个金属陶瓷衬底1的稳定性。

附图标记列表

1金属陶瓷衬底

8留空部

11绝缘层

12金属化层

13另外的金属化层

e1第一延伸

e2第二延伸

e3第三延伸

hse主延伸平面

s堆叠方向

d1第一厚度

d2第二厚度

d3第三厚度

101提供绝缘层

102确定第二厚度

103连结

104结构化

105分割