陶瓷衬底上的多层金属化的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及用铜在由AlN或Al2O3构成的陶瓷衬底上制造多层金属化层的方法，其中在同一个陶瓷衬底上实现具有拥有较大载流能力的金属化层的高功率区域和具有拥有较小载流能力的金属化层的低功率区域。
【背景技术】
[0002]对于功率电子应用需要具有厚的铜层(典型地200至300 μ m)的金属化陶瓷衬底(也称作电路板)，以便保证所需的载流能力。将功率半导体焊接到该陶瓷衬底上。在这些厚的铜结构上只能实现比较粗糙的印制导线宽度和间距。
[0003]需要电子电路来控制功率半导体。在此所使用的元器件(微控制器、总线耦合器等等)及其金属化载体衬底均具有比功率器件的载体衬底更细并且更薄的电气印制导线和节距。因此将其安装在单独的金属化载体衬底上。两个载体衬底通过导线相互电连接。这些连接老化并且易于失效，这导致整个功率模块的失效。
[0004]通常使用金属化层表示陶瓷衬底上的电气印制导线和平面金属化层，其中印制导线用于传导电流，并且平面金属化层例如用于焊上功率半导体和连接元件。陶瓷衬底上的多层金属化层指的是具有不同厚度的金属化层。金属化层的厚度指的是该金属化层垂直于陶瓷衬底表面的伸展。也可使用概念高度或厚度来描述该厚度。
[0005]另一种迄今为止几乎没有应用的方法是在印制导线的薄的铜层上施加以光化学方式或者通过丝网印刷技术结构化的电绝缘层，并且又以电化学方式将铜施加到裸露的区域上。在制造这样的多级衬底的时候，迄今为止需要昂贵的电镀工艺，并且需要具有电镀光刻胶、曝光显影和最终剥离光刻胶的多次结构化。
【发明内容】
[0006]本发明所基于的任务在于改进根据权利要求1的前序部分所述的方法，使得能够以简单的机构将高功率区域的金属化层和低功率区域的金属化层共同并且部分相互电连接地印在同一个陶瓷衬底(陶瓷板)上，其中具有厚的印制导线结构的高功率区域应该具有特别好的导热能力和良好的散热性能。
[0007]根据本发明，通过权利要求1的特征来解决该任务。
[0008]通过依次执行以下的方法步骤:
[0009]a)使用含玻璃的铜基浆料以丝网印刷或者移印方式为高功率区域和低功率区域印上厚度为20至50 μ m的共同的基底金属化层，
[0010]b)通过丝网印刷或者模版印刷通过多次或反复将不含玻璃成分的铜增厚浆料印到基底金属化层上，使得高功率区域中的基底金属化层增厚，直至300至500 μ m的铜总厚度，
[0011]c)在850至950°C在氮气中共同煅烧具有高功率区域和低功率区域的金属化陶瓷衬底，
[0012]d)以机械方式平整高功率区域，以用于实现具有粗糙度Rz< 5 μπι的平坦表面。
[0013]能够以简单的机构将高功率区域的金属化层和低功率区域的金属化层共同并且部分相互电连接地印在同一个陶瓷衬底(陶瓷板)上，其中具有厚的印制导线结构的高功率区域具有特别好的导热能力和良好的散热性能。
[0014]为了更易于焊接，可以在平整之后以无电流方式给高功率区域和/或低功率区域配备如N1、NiP+Pd+Au、Ag或者Ni+Au的金属化层。
[0015]可以在印刷之前或之后通过激光划片方式处理陶瓷衬底，以备之后将陶瓷衬底分离成各个部分衬底。
[0016]在平整时优选去除100至150μπι，以便高功率区域的金属化层具有粗糙度Rz< 5 μ m的平坦表面，并且以便元器件与金属化层的接触面尽可能大。优选通过研磨进行平整。
[0017]为了改进玻璃状铜基浆料在陶瓷衬底上的粘附性，含玻璃的铜基浆料的玻璃成分优选在4 %和8 %之间，特别优选为6 %。
[0018]高功率区域的金属化层在平整之后优选具有180至220 μ m的厚度，以便在焊接时元器件与金属化层的接触面尽可能大。
[0019]利用根据权利要求1至6中任一项所述方法制造的根据本发明的由AlN或Al2O3构成的陶瓷衬底具有由铜构成的多层金属化层，该多层金属化层具有拥有较大载流能力的金属化层的高功率区域以及拥有较小载流能力的金属化层的低功率区域，其特征在于，高功率区域中的金属化层厚度为180至220 μ m，并且低功率区域中的金属化层厚度为20至50 μ m，并且金属化层的粘附性高于60N/qmm。
[0020]在铜的总厚度为200 μm的情况下，高功率区域的金属化层的边侧陡度为120 μm。
[0021]根据本发明的方法描述一种多次施加的铜浆料金属化层。采用所述的技术规范可以在由AlN或Al2O3构成的共同的陶瓷载体或陶瓷衬底上并排构造高功率区域连同低功率区域。
[0022]为此首先利用丝网印刷或者类似于移印的技术，用含有玻璃的铜基浆料在陶瓷衬底上构造共同的基底金属化层(高功率区域和低功率区域)。铜基浆料的玻璃成分由于在陶瓷上的粘附性是必需的。按照本发明，该基底金属化层的厚度为20至50 μπι。
[0023]随后也多次或者反复利用丝网印刷或者模版印刷，继续用铜增厚浆料选择性扩大或增厚电路的高功率区域I (参见附图1上的左侧正方形)，优选地直至300?500 μ m的总厚度。该铜增厚浆料没有玻璃成分，因为将该铜增厚浆料施加或印刷到含玻璃的铜基浆料上。含玻璃的铜基浆料的焊接增厚应该是不适合的，因为焊料具有比铜差的导热。如有需要，多次使用铜增厚浆料加印在电路的高功率区域上，直至达到所需的厚度。
[0024]然后在850至950°C在N2中共同煅烧具有高功率区域和低功率区域的金属化陶瓷衬底。陶瓷衬底或高功率区域随后以机械方式来平整，并且在需要时也可以配备无电流的金属化层、如N1、NiP+Pd+Au、Ag或者Ni+Au。可以在印刷陶瓷衬底之前或之后通过激光划片方式分割多重还件(Mehrfachnutzen)。需要平整具有厚的印制导线结构的高功率区域，例如通过研磨过程，以便实现具有粗糙度Rz< 5 μ m用于元器件的平坦表面，所述元器件通常利用尽可能