DE102011003481A1

DE102011003481A1 - Elektronisches Bauteil umfassend einen keramischen träger und Verwendung eines keramischen Trägers

Info

Publication number: DE102011003481A1
Application number: DE102011003481A
Authority: DE
Inventors: Uwe Glanz; Stefan Henneck; Alexander Martin
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-02-02
Filing date: 2011-02-02
Publication date: 2012-08-02
Also published as: US20140071645A1; WO2012104271A1; EP2671252A1; CN103329261A; JP2014505881A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Elektronisches Bauteil für Hochtemperaturanwendungen in einem Temperaturbereich von ≥ 250°C, insbesondere ≥ 400°C, umfassend einen keramischen Träger (12) und ein Halbleiterelement (16), wobei der keramische Träger (12) ein Keramiksubstrat umfasst, das einen Gehalt an Alkalimetallverbindungen von ≤ 0,5%, insbesondere ≤ 0,05%, aufweist, und wobei das Keramiksubstrat ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus einem Keramiksubstrat umfassend Aluminiumoxid, Anorthit, einem Füllstoff mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten ≤ 4,0·10–6K–1 und Glas, einem Keramiksubstrat umfassend Aluminiumoxid, Celsian, einem Füllstoff mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten ≤ 4,0·10–6K–1 und Glas, sowie einem Keramiksubstrat umfassend ein Erdalkalisilikatglas mit einem Siliciumdioxidgehalt in einem Bereich von > 50 mol%, Boroxid, sowie einem Füllstoff mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten ≤ 4,0·10–6K–1. Ein derartiges Bauteil verhindert auch bei hohen Temperaturen temperaturbedingte Beschädigungen und weist konstante Eigenschaften, wie etwa elektrische Isolationseigenschaften, bei bis zu 500°C auf.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektronisches Bauteil umfassend einen keramischen Träger und eine Verwendung eines keramischen Trägers.
Stand der Technik
Die Fixierung von Halbleiterelementen, insbesondere auf Basis von Silicium oder Siliciumcarbid, auf einem keramischen Träger erfolgt meist durch ein entsprechendes Fixiermittel. Dies kann insbesondere für Halbleiteranwendungen mit hohen Betriebstemperaturen problematisch sein, da der Wärmeausdehnungskoeffizient des Halbleitermaterials und der des keramischen Trägers oftmals weit auseinander liegen, so dass die Gefahr von Beschädigungen des elektronischen Bauteils, beispielsweise durch Spannungsrisse, gegeben ist.
Aus DE 10 2008 008 535 A1 ist es deshalb bekannt, auf einem Keramikträger aus einer Zirkoniumdioxid (ZrO₂)- oder Aluminiumoxid (Al₂O₃)-Keramik beispielsweise einen auf Siliciumcarbid oder Saphir basierenden Feld-Effekt-Transistor mittels eines Fixiermittels, das auf einem Metall, wie etwa Silber, beruht, zu befestigen. Das Fixiermittel ist dabei derart beschaffen, dass es bei Betriebstemperaturen bis zu mindestens 500°C seine Fixiereigenschaften beibehält.
Aus DE 103 51 196 A1 ist es ferner bekannt, ein LTCC-Material als Trägermaterial zu verwenden, bei dem der thermische Ausdehnungskoeffizient weitestgehend an den von Silicium angepasst ist. Dazu wird ein Basiswerkstoff, bestehend aus Natrium-haltigem Borosilicatglas zuzüglich Aluminiumoxid (Al₂O₃) verwendet, der sich zu einem anodischen Bonden mit Siliciumchips eignet. Um den Wärmeausdehnungskoeffizienten des Werkstoffs an den des Siliciums anzupassen, wird eine definierte partielle Substitution des Aluminiumoxids durch Cordierit und/oder Kieselglas durchgeführt.
Offenbarung der Erfindung
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein elektronisches Bauteil für Hochtemperaturanwendungen in einem Temperaturbereich von ≥ 250°C, insbesondere ≥ 400°C, umfassend einen keramischen Träger und ein Halbleiterelement, wobei der keramische Träger ein Keramiksubstrat umfasst, das einen Gehalt an Alkalimetallverbindungen von ≤ 0,5%, insbesondere ≤ 0,05%, aufweist, und wobei das Keramiksubstrat ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus einem Keramiksubstrat umfassend Aluminiumoxid, Anorthit, einem Füllstoff mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten ≤ 4,0·10^–6K^–1 und Glas, einem Keramiksubstrat umfassend Aluminiumoxid, Celsian, einem Füllstoff mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten ≤ 4,0·10^–6K^–1 und Glas, sowie einem Keramiksubstrat umfassend ein Erdalkalisilikatglas mit einem Siliciumdioxidgehalt in einem Bereich von > 50 mol% und Boroxid, sowie einem Füllstoff mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten ≤ 4,0·10^–6K^–1.
Erfindungsgemäß ist ein elektronisches Bauteil vorgesehen, das ein Halbleiterelement auf einem keramischen Träger aufweist. Der keramische Träger ist dabei aus einem besonderen LTCC-Material gefertigt. LTCC(Low Temperature Cofired Ceramics)-Materialien sind dabei erfindungsgemäß insbesondere Werkstoffe, die verwendet werden, um einen gesinterten Keramikträger auf Basis eines mehrlagigen Schichtaufbaus herzustellen. Dabei können zwischen den einzelnen Keramiklagen Leiterbahnen, Kondensatoren, Widerstände, Spulen und andere Funktionselemente vorgesehen sein. LTCC-Materialien basieren insbesondere auf Mischungen aus Glas und Aluminiumoxid, die in den meisten Fällen in einem Reaktionssinterprozess zu einem Kompositwerkstoff umgewandelt werden. Der Kompositwerkstoff enthält neben Teilen der ursprünglichen Aluminiumoxidpartikel und einer Glasphase noch eine dritte, neugebildete kristalline Phase. Bedingt durch die neugebildeten kristallinen Phasen ist der Wärmeausdehnungskoeffizient von LTTC-Materialien niedriger als der von reinem Aluminiumoxid, der bei 7,9·10^–6K^–1 (20–500°C) liegt.
Durch die erfindungsgemäße Zusammensetzung des Keramiksubstrats umfasst die kristalline Phase beispielsweise Anorthit oder Celsian. Dadurch wird der Wärmeausdehnungskoeffizient des Keramiksubstrats in idealer Weise deutlich gesenkt. Ferner ist ein derartiges Keramikmaterial temperaturbeständig bis weit über 500°C und behält seine Eigenschaften bis in diesen Temperaturbereich bei.
Der Wärmeausdehnungskoeffizient des Keramiksubstrats ist dabei erfindungsgemäß an die gewünschte Anwendung, also insbesondere an den Wärmeausdehnungskoeffizient des Halbleitermaterials, wie etwa Silicium oder Siliciumcarbid, in gewünschter Weise anpassbar. Dazu umfasst dass Keramiksubstrat einem Füllstoff mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten von ≤ 4,0·10^–6K^–1. Dieser Füllstoff ersetzt in dem Keramiksubstrat zumindest teilweise das Aluminiumoxid, wodurch ein Material mit einem niedrigeren Wärmeausdehnungskoeffizienten erzielt wird, im Vergleich zu einer Variante bei der als Füllstoff nur Aluminiumoxid verwendet wird.
Insbesondere durch eine derartige Anpassung des Wärmeausdehungskoeffizienten des keramischen Trägers an den des Halbleiterwerkstoffs, also insbesondere Silicium (Si) oder Siliciumcarbid (SiC), ermöglicht der keramische Träger eine hochtemperaturbeständige und temperaturwechselbeständige Fixierung beispielsweise von Halbeiterelementen beziehungsweise Halbleiterchips auf Basis von Silicium oder Siliciumcarbid in einem Bereich von bis zu wenigstens 500°C, sowie deren elektrische Anbindung mit einer erhöhten mechanischen Robustheit der Fügeverbindung.
Erfindungsgemäß ist ferner vorgesehen, dass der keramische Träger ein Keramiksubstrat umfasst, das einen Gehalt an Alkalimetallverbindungen von ≤ 0,5%, insbesondere ≤ 0,05% aufweist. Dabei ist erfindungsgemäß insbesondere der Gehalt an Alkalimetalloxiden in der Glasphase des LTCC-Materials beschrieben. Folglich sind im Wesentlichen keine Alkalimetallverbindungen in dem keramischen Träger vorhanden, sondern nur ein durch die technische Reinheit der verwendeten Rohstoffe bedingter geringer Anteil. Dadurch ist eine hohe elektrische Isolationsgüte des keramischen Trägers gegeben, die das erfindungsgemäße Bauteil für eine Reihe von möglichen Anwendungen interessant macht. Diese Isolationseigenschaften sind dabei auch bei den erfindungsgemäßen hohen Einsatztemperaturen im Wesentlichen unverändert ausgeprägt und werden hier nicht wesentlich herabgesetzt, so dass das erfindungsgemäße Bauteil insbesondere für Hochtemperaturanwendungen besonders geeignet ist. Dabei ist eine gute und unverfälschte Signalübertragung beispielsweise über in dem Bauteil angeordnete Leiterbahnen erzielbar.
Leiterbahnen des erfindungsgemäßen Bauteils werden dabei insbesondere mittels Metallpasten auf Basis von Silber oder Silber/Palladium-Legierungen auf die keramischen Grünfolien aus den beschriebenen Glas-Keramik-Kompositen durch Druckverfahren aufgetragen, beispielsweise durch Siebdruck, und wie üblicherweise bei der Herstellung von LTCC-Mehrschichtsystemen weiterverabeitet (Laminieren, Entbindern, Sintern). Die Durchführungen der Kontakte nach außen wird ebenso analog zur LTCC-Technologie mit der Füllung von gestanzten oder gebohrten Durchlöchern in den Folien realisiert, wobei hierfür eine Paste auf Basis von Gold oder einer Goldlegierung eingesetzt wird, die speziell auf das Sinterverhalten der Keramik angepasst ist. Der Einsatz von Gold für die nach außen geführten Kontakte ist zu bevorzugen, um Elektro-Migrationsprozesse von Silber in Wasser- oder Schadgas-haltiger Atmosphäre zu verhindern. Die innenliegenden Leiterbahnen sind durch das dichtgesinterte Keramikmaterial vor chemischen Einflüssen geschützt, daher lassen sich hier Pasten aus kostengünstigen Silberlegierungen oder reinem Silber verwenden. Ebenso könnten diese Leiterbahnen aber auch Gold oder Goldlegierungen umfassen, um die Silber-Migration in jedem Fall auszuschließen, oder Nickel und Kupfer, sowie deren Legierungen mit anderen Metallen, sofern der Sinterprozess der Keramik unter Ausschluss von Sauerstoff erfolgt.
Das Keramiksubstrat des erfindungsgemäßen Bauteils lässt sich einfach herstellen etwa durch einen Reaktionssinterprozess. Dabei kann als Ausgangssubstanz ein LTCC-Material verwendet werden, das auf einem Gemisch aus Aluminiumoxid und Glas basiert. Je nach der Zusammensetzung des Glases, das beispielsweise Calciumoxid (CaO), Bariumoxid (BaO), Strontiumoxid (SrO), Boroxid (B₂O₃), Siliciumoxid (SiO₂) und auch Aluminiumoxid (Al₂O₃) umfassen kann, bildet sich bei einem Reaktionssinterprozess das entsprechende Keramiksubstrat. Unter Verwendung eines Glases, das im Wesentlichen Calciumoxid, Boroxid, Siliciumoxid und auch Aluminiumoxid enthält, entsteht ein Keramiksubstrat, das im wesentlich umfasst Aluminiumoxid, restliche Glasphase und Anorthit (CaAl₂Si₂O₈). Unter Verwendung eines Glases, das im wesentlichen Bariumoxid und/oder Strontiumoxid, Boroxid, Siliciumoxid und Aluminiumoxid enthält, entsteht ein Keramiksubstrat, das im Wesentlichen umfasst Aluminiumoxid, restliche Glasphase und Celsian (BaAl₂Si₂O₈ und/oder SrAl₂Si₂O₈). Das einen hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisende Aluminiumoxid wird bei der Bildung des Anorthits und/oder Celsians zumindest teilweise verbraucht. Dabei werden Anorthit und/oder Celsian als kristalline Phasen ausgeschieden, wodurch sich der Glasphasenanteil verringert und damit eine besonders gute Temperaturbeständigkeit erzielt und gleichzeitig der Wärmeausdehnungskoeffizient gemindert wird. Erfindungsgemäß wird dem Gemisch dabei ferner ein temperaturbeständiger Füllstoff mit niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizienten zugesetzt, beispielsweise Cordierit, der dann das Aluminiumoxid, das einen recht hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt, zumindest teilweise ersetzt. Dadurch kann der Wärmeausdehnungskoeffizient in gewünschter Weise an den des Halbleitersubstrats angepasst werden. Dadurch werden bei Temperaturwechseln mechanische Spannungen in Bezug auf das aufgebrachte Halbleiterelement gering gehalten oder vermieden.
Durch die erfindungsgemäße Auswahl des Keramiksubstrats sind ferner Sintertemperaturen bei der Herstellung des Keramikträgers möglich, die in einem niedrigen Bereich liegen. Beispielsweise sind Sintertemperaturen der Keramik insbesondere unter 1200°C, besonders bevorzugt in einem Bereich von ≥ 800°C bis ≤ 1000°C möglich. Aufgrund der verhältnismäßig niedrigen Temperaturen, die bei dem Herstellungsprozess des Keramikträgers notwendig sind, wird der Einsatz von kostengünstigen Edelmetallen oder Legierungen, wie Silber (Ag) oder Silber-Palladium (AgPd)-Legierungen für Leiterbahnen oder etwa einen Widerstandsheizer möglich. Das keramische Material lässt sich dabei aufgrund seiner niedrigen Sintertemperatur beispielsweise zusammen mit darin eingebetteten kostengünstigen Leiterbahnen sintern. Die Verwendung von noch günstigeren und weniger edlen Metallen, wie Kupfer oder Nickel für die innenliegenden Leiterbahnen oder Widerstände ist mit einer Prozessierung unter Schutzgas denkbar, wobei hier aber die erhöhten Prozesskosten diesen Preisvorteil zumindest teilweise wieder aufheben können.
Das Keramiksubstrat umfassend ein Erdalkalisilikatglas mit einem Siliciumdioxidgehalt in einem Bereich von > 50 mol% und Boroxid, sowie einem Füllstoff mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten ≤ 4,0·10^–6K^–1 kann dabei vollständig ohne Aluminiumoxid gefertigt sein. Es ist im Wesentlichen amorph und weist vorzugsweise eine sehr hohe Glasübergangstemperatur (T_g), insbesondere in einem Bereich von ≥ 700°C bis ≤ 850°C auf. Ferner hat das Keramiksubstrat vorzugsweise einen niedrigen Wärmeausdehnungkoeffizient beispielsweise in einem Bereich von ≥ 3,0·10^–6K^–1 bis ≤ 4,5·10^–6K^–1, besonders bevorzugt ≥ 4,0·10^–6K^–1 bis ≤ 4,2·10^–6K^–1. Damit ist insbesondere ein Wärmeausdehnungskoeffizient in einem Temperaturbereich von 20–500°C gemeint. Die Temperaturbeständigkeit wird hier von der hohen Glasübergangstemperatur des Glases und dem niedrigen Gehalt an Alkaliverbindungen vorgegeben, sowie ebenfalls die gute elektrische Isolationsfähigkeit.
Erfindungsgemäß wird somit ein elektronisches Bauteil geschaffen, das bei hohen Temperaturen problemlos arbeiten kann, wobei insbesondere der Wärmeausdehnungskoeffizient des keramischen Substrats an den des Halbleitermaterials angepasst ist. Das keramische Substrat behält dabei seine Festigkeit und seine für ein Trägersubstrat für ein Halbleiterelement notwendigen elektrischen Isolationseigenschaften bei.
Eine direkte Verbindung des Chips beziehungsweise Halbleiterelements mit dem Substrat wird dabei möglich. Beispielshaft können verwendet werden ein Glas, beziehungsweise ein Glaslot, ein herkömmlicher Keramikkleber, oder eine keramische Stopfpackung, insbesondere von ähnlichem Wärmeausdehnungskoeffizient. Ferner ist eine hochtemperaturfeste und/oder gasdicht gegenüber dem zu messenden Medium abgedichtete Ausgestaltung realisierbar. Denn komplizierte graduierte Aufbauten mit abgestuften Wärmeausdehnungskoeffizienten und teure duktile Materialien, wie etwa Metalle, können gespart werden. Grundsätzlich sind somit kostengünstige Kontakt- und Fügeverbindungen möglich.
Im Rahmen einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen elektronischen Bauteils weist das Keramiksubstrat einen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, der in einem Bereich von ≥ 3,0·10^–6K^–1 bis ≤ 4,5·10^–6K^–1, besonders bevorzugt ≥ 4,0·10^–6K^–1 bis ≤ 4,2·10^–6K^–1 liegt. Damit ist insbesondere ein Wärmeausdehnungskoeffizient in einem Temperaturbereich von 20–500°C gemeint. Dadurch ist das Keramiksubstrat besonders gut an den Wärmeausdehnungskoeffizienten eines Halbleitermaterials angepasst. Beispielsweise liegt der Wärmeausdehnungskoeffizient von Siliciumcarbid bei etwa 4,2·10^–6K^–1 (20–500°C) und der von Silicium bei 3,5·10^–6K^–1 (20–500°C). Das elektronische Bauteil ist so besonders gut für Hochtemperaturanwendungen geeignet, da eine Gefahr von Beschädigungen durch Temperaturwechsel, etwa bedingt durch Spannungsrisse, fast vollständig ausgeschlossen werden kann.
Im Rahmen einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen elektronischen Bauteils ist der der in dem Keramiksubstrat enthaltene Füllstoff ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Cordierit (Mg₄Al₄Si₅O₂₀), Mullit (3Al₂O₃·2SiO₂ bis 2Al₂O₃·1SiO₂), Siliciumnitrid (Si₃N₄), Siliciumcarbid (SiC), Glas mit einem Siliciumdioxidgehalt in einem Bereich von > 50 mol% oder Quarzglas (SiO₂-Glas). Dies sind preiswerte Werkstoffe, was die Herstellung des erfindungsgemäßen Bauteils kostengünstig gestaltet. Darüber hinaus weisen derartige Füllstoffe einen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, der deutlich geringer ist, als beispielsweise der von Aluminiumoxid, das durch diese Füllstoffe in dem fertigen Keramiksubstrat ersetzt ist. Typischerweise liegen die Wärmeausdehnungskoeffizienten von synthetischen Cordieritmaterialien beispielsweise bei 1,5–2,5·10^–6K^–1 (20–500°C). Die vorbezeichneten Füllstoffe haben ferner den Vorteil, dass sie die Eigenschaften des Keramiksubstrats, wie insbesondere die thermische Beständigkeit, die Sinterfähigkeit oder die Isolationsfähigkeit, nicht oder nicht wesentlich negativ beeinflussen.
Im Rahmen einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen elektronischen Bauteils umfasst das Keramiksubstrat weiterhin Sinterhilfsstoffe, wie etwa Titandioxid oder Zircondioxid. Diese Stoffe dienen dazu, den Sintervorgang und die Kristallisationen zu steuern und ein Sintern bei niedrigen Temperaturen zu ermöglichen.
Im Rahmen einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen elektronischen Bauteils ist in dem Inneren des keramischen Trägers ein elektrisch beheizbares Heizelement angeordnet. Das Heizelement ist dabei insbesondere auf einer anderen Schichtebene des Mehrschichtaufbaus des LTCC-Materials angeordnet, als die, auf der sich die Leiterbahnen befinden, die die elektrische Kontaktierung des Halbleiterlements bewerkstelligen. Das Heizelement kann dabei beispielsweise als Widerstandsmäander oder als flächiger Widerstand etwa zwischen zwei Leiterbahnen ausgebildet sein. Durch ein Heizelement kann unabhängig von der Umgebungstemperatur des elektronischen Bauteils ein einstellbares Temperaturfeld im Bereich des Halbleiterelements, wie etwa des Halbleitersensors, durch eine elektrische Beheizung erzeugt und konstant gehalten werden. Diese Ausgestaltung ist insbesondere bei Sensoren von Vorteil, da diese meist eine erhöhte Temperatur benötigen, um ein gutes und stabiles Sensorsignal zu erzeugen.
Dabei ist es besonders bevorzugt, wenn das Heizelement ein metallisches Material umfasst, das ein Edelmetall oder eine Edelmetalllegierung sowie wenigstens ein widerstandserhöhendes Material aufweist. Insbesondere kann das widerstandserhöhende Material elektrisch isolierende keramische und/oder glasige Partikel umfassen, die in dem metallischen Material verteilt sind, beziehungsweise mit denen das metallische Material durchsetzt ist. Dadurch kann der elektrische Widerstand des metallischen Materials gezielt und auf genau definierte Weise erhöht werden, was bei einer vorgegebenen elektrischen Spannung einen genau definierten Stromfluss beziehungsweise eine genau definierte Heizleistung erzielt. Besonders vorteilhaft bestehen die widerstandserhöhenden Partikel aus dem identischen LTCC-Material wie das keramische Substrat. Als alternative widerstandserhöhende Materialien bieten sich leitfähige Metalloxide an, die höhere spezifischen Widerstände aufweisen, im Vergleich zu dem Metall, dem sie beigemengt werden, wie z. B. Rutheniumoxid oder Rutheniumoxid-Verbindungen. Auch andere leitfähige Mischoxide, wie Lanthan-Chromite, -Manganite, -Cobaltite, -Ferrite und -Nickelite bieten sich hierfür an, die ansonsten vor allem bei der Herstellung von Hochtemperaturbrennstoffzellen Anwendung finden. Als metallisches Material bieten sich Silber, Palladium, Gold oder Legierungen dieser Edelmetalle an, beispielsweise in Form von plättchenförmigen und/oder nanokristallinen Partikeln. Für den Fall einer Sinterung des LTCC unter Schutzgas, beispielsweise Formiergas, sind die Metalle Kupfer und Nickel als Bestandteile für die Leiterbahnen und den Heizerwiderstand vorteilhaft und könnten auch mit einem Anteil der genannten Edelmetalle, vor allem Gold und Silber zur Verbesserung der Sintereigenschaften im niedrigen Temperaturbereich eingesetzt werden. Da der Heizerwiderstand im LTCC nach der Sinterung gasdicht eingeschlossen ist, können auch die unedlen Metalle beständig sein, da kein Sauerstoffzutritt möglich ist. Damit wird die optimale Anpassung der Sinterschwindung und des thermischen Ausdehnungsverhaltens im Bereich des Heizers erreicht, um diesen thermisch hoch beanspruchten Bereich so robust wie möglich zu gestalten. Insbesondere können ein optimaler Sinterverbund und ein ähnliches beziehungsweise gleiches Ausdehnungsverhalten erzielt werden. Dadurch wird der Gehalt an leitfähigen Metallpartikeln gesenkt und damit der Gesamtwiderstand im Leitungsquerschnitt der gedruckten Leiterbahn erhöht.
Im Rahmen einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Bauteils umfasst das Heizelement ein Komposit aus Glas und einem elektrisch leitfähigen Metalloxid, wie insbesondere Rutheniumdioxid (RuO₂) oder anderen elektrisch leitfähigen Rutheniumoxidverbindungen. Der elektrisch leitfähige Stoff kann in diesem Fall als Füllstoff in einer Glasmatrix ausgebildet sein. Das Heizelement kann insbesondere in dieser Ausgestaltung aufgrund seines hohen spezifischen Widerstandes flächig ausgestaltet sein. Neben Rutheniumdioxid können auch weitere leitfähige Keramikstoffe verwendet werden, wie z. B. Lanthan-Manganite, wie beispielsweise La_0,5Sr_1,5MnO_4-x. Weiterhin ist eine Kombination mit geringen Mengen der Metalle aus der Gruppe Gold, Silber und Palladium möglich. Dabei können die Sinterschwindung und der Wärmeausdehnungskoeffizient des Heizermaterials derart gestaltet sein, dass sie dem Verhalten des keramischen Substratmaterials LTCC möglichst nahekommen. Dazu kann beispielsweise ein Füllstoff mit einem Wärmeausdehnungskoeffizient in einem Bereich von < 4,0·10^–6K^–1 in das Heizermaterial eingebettet werden, wie z. B. Cordierit. Dadurch wird eine besonders gute thermische Beständigkeit und Zuverlässigkeit geschaffen, was die Langzeitstabilität deutlich erhöht.
Im Rahmen einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen elektronischen Bauteils ist das elektronische Bauteil Teil eines Sensors, insbesondere eines Abgassensors. Insbesondere für derartige Anwendungen ist das erfindungsgemäße Bauteil besonders gut geeignet, da es eine gute thermische Beständigkeit mit guten Isolationseigenschaften des keramischen Substrats mit einer guten Signalübertragung vereint.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen eines erfindungsgemäßen elektronischen Bauteils, umfassend die Schritte:

– Bereitstellen eines Keramiksubstrats, wobei das Keramiksubstrat einen Gehalt an Alkalimetallverbindungen von ≤ 0,5%, insbesondere ≤ 0,05%, aufweist, und wobei das Keramiksubstrat ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus einem Keramiksubstrat umfassend Aluminiumoxid, Anorthit, einem Füllstoff mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten ≤ 4,0·10^–6K^–1 und Glas, einem Keramiksubstrat umfassend Aluminiumoxid, Celsian, einem Füllstoff mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten ≤ 4,0·10^–6K^–1 und Glas, sowie einem Keramiksubstrat umfassend ein Erdalkalisilikatglas mit einem Siliciumdioxidgehalt in einem Bereich von > 50 mol%, Boroxid, sowie einem Füllstoff mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten ≤ 4,0·10^–6K^–1,
– Formen eines Grünkörpers durch Extrusion oder Spritzguss des Keramiksubstrats,
– Aufbringen wenigstens einer Funktionsschicht, wie etwa einer metallischen Leiterbahn, auf den Grünkörper, und
– Sintern des Grünkörpers.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren können weitere Schritte umfasst sein, die dem Fachmann zum Herstellen eines elektronischen Bauteils hinreichend bekannt sind. So kann der Grünkörper beispielsweise vor dem Sintern weiter in seiner Form angepasst werden, etwa durch einen Schleifvorgang oder eine Vereinzelung. Weiterhin kann der Grünkörper entbindert werden. Als Funktionsschicht kann neben einer Leiterbahn auch beispielsweise eine Isolationsschicht aufgebracht werden, die das gleiche keramische Material umfassen kann, wie das Keramiksubstrat. Ferner ist das Aufbringen eines Heizelements, wie etwa einer Heizerwiderstandsschicht möglich. Die Funktionsschichten können dabei etwa durch Aufdrucken auf den Grünkörper aufgebracht werden. Ferner ist es möglich, wie es in der LTCC-Technologie bekannt ist, dass eine Vielzahl an derartigen Schichten vor dem Sintern übereinander gestapelt werden, um so auch interne Strukturen an Funktionselementen zu ermöglichen.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner die Verwendung eines keramischen Trägers, der ein Keramiksubstrat umfasst, das einen Gehalt an Alkalimetallverbindungen von ≤ 0,5%, insbesondere ≤ 0,05% aufweist, wobei das Keramiksubstrat ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus einem Keramiksubstrat umfassend Aluminiumoxid, Anorthit, einem Füllstoff mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten ≤ 4,0·10^–6K^–1 und Glas, einem Keramiksubstrat umfassend Aluminiumoxid, Celsian, einem Füllstoff mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten ≤ 4,0·10^–6K^–1 und Glas, sowie einem Keramiksubstrat umfassend ein Erdalkalisilicatglas mit einem Siliciumdioxidgehalt in einem Bereich von > 50 mol%, Boroxid, sowie einem Füllstoff mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten ≤ 4,0·10^–6K^–1, als Trägersubstrat für ein Halbleiterelement für Hochtemperaturanwendungen in einem Temperaturbereich von ≥ 250°C, insbesondere ≥ 400°C.
Beispielsweise ist erfindungsgemäß umfasst eine Verwendung für Applikationen von ChemFET-Halbleiterchips, von auf Membranen basierenden Sensoren, wie etwa Drucksensoren, aus Siliciumcarbid oder Silicium auf gesintertem LTCC, oder von gasdichten und hochtemperaturbeständigen Packaging-Methoden für Halbleiterbauteile.
Primär ist die Anwendung für einen Feld-Effekt-Transistorchip auf Basis von Siliciumcarbid in einer Abgassensoranwendung vorgesehen. Prinzipiell sind aber auch andere Anwendungen mit Silicium oder Siliciumcarbid-Chips denkbar, die zum Beispiel als Drucksensoren unter höheren Temperaturen genutzt werden. Zudem sind Applikationen von Halbleiterbauteilen denkbar, die zur umgebenden Atmosphäre hermetisch, sowie gegenüber hohen Drücken dicht verbaut werden müssen und einen Signalabgriff auf der drucklosen beziehungsweise schadgasfreien Seite ermöglichen sollen.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnungen veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Zeichnungen nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigen
1 eine schematische Draufsicht auf eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bauteils;
2 eine schematische Schnittansicht durch die Ausführungsform gemäß 1 entlang der Ebene A-B.
In 1 ist ein erfindungsgemäßes elektronisches Bauteil 10 gezeigt. Das elektronische Bauteil 10 ist insbesondere geeignet für Hochtemperaturanwendungen in einem Temperaturbereich von ≥ 250°C, insbesondere ≥ 400°C. Das Bauteil 10 umfasst einen keramischen Träger 12, auf dem beispielsweise Steckkontakte 14 für eine elektrische Kontaktierung angeordnet sein können. Der keramische Träger 12 umfasst ein Keramiksubstrat, das einen Gehalt an Alkalimetallverbindungen von ≤ 0,5%, insbesondere ≤ 0,05% aufweist, wobei das Keramiksubstrat ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus einem Keramiksubstrat umfassend Aluminiumoxid, Anorthit, einem Füllstoff mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten ≤ 4,0·10^–6K^–1 und Glas, einem Keramiksubstrat umfassend Aluminiumoxid, Celsian, einem Füllstoff mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten ≤ 4,0·10^–6K^–1 und Glas, sowie einem Keramiksubstrat umfassend ein Erdalkalisilikatglas mit einem Siliciumdioxidgehalt in einem Bereich von > 50 mol%, Boroxid, sowie einem Füllstoff mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten ≤ 4,0·10^–6K^–1. Besonders bevorzugt weist das Keramiksubstrat einen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, der in einem Bereich von ≥ 3,0·10^–6K^–1 bis ≤ 4,5·10^–6K^–1, besonders bevorzugt ≥ 4,0·10^–6K^–1 bis ≤ 4,2·10^–6K^–1 liegt.
Der Füllstoff kann dabei ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus Cordierit, Mullit, Siliciumnitrid, Siliciumcarbid, Glas mit einem Siliciumoxidgehalt in einem Bereich von > 50 mol%, oder Quarzglas und kann ferner Sinterhilfsstoffe umfassen, wie etwa Titandioxid oder Zircondioxid.
Beispielswiese auf der den Steckkontakten 14 gegenüberliegenden Seite des Trägers 12 ist ein Halbleiterlement 16 beispielsweise mit Durchlöchern 18 zur elektrischen Kontaktierung des Halbleiterelements 16 angeordnet. Je nach Ausführungsform kann auch eine Vielzahl von Halbleiterelementen 16 auf dem Träger 12 angeordnet sein.
Die elektrische Kontaktierung kann beispielsweise durch Drahtbondverfahren erfolgen, sofern beispielsweise eine Anordnung gewählt wird, bei der neben der Montageposition des elektronischen Halbleiterelements 16 angeordnete Durchlöcher 18 mit elektrisch leitfähigem Material gefüllt sind. Diese können auch unterhalb des Halbleiterelements 16 angeordnet sein und die elektrische Kontaktierung beispielsweise mit einer bei niedrigen Temperaturen sinterbaren Edelmetallpaste direkt zu den in Richtung des Trägers 12 gekehrten Kontaktflächen des elektronischen Bauelements 16 erfolgen.
In Abhängigkeit des oder der Halbleiterelemente 16 kann das Bauteil 10 beispielsweise Teil eines Sensors, insbesondere eines Abgassensors, sein. Insbesondere bei einem Sensor kann es bevorzugt sein, wenn im Inneren des Keramikträgers 12 ein elektrisch beheizbares Heizelement 20 angeordnet ist, wie dies in 2 zu erkennen ist. Das Heizelement 20 kann beispielsweise als Heizwiderstandsschicht ausgebildet sein und kann ein metallisches Material umfassen, das ein Edelmetall oder eine Edelmetalllegierung sowie wenigstens ein widerstandserhöhendes Material aufweist. In einer Alternative kann das Heizelement 20 ein Komposit aus Glas und mindestens einem elektrisch leitfähigen Metalloxid umfassen, wie insbesondere Rutheniumdioxid.
In 2 sind ferner exemplarisch zwei Leiterbahnen 22, 24 gezeigt, die gemäß der Funktion des Bauteils 10 ausgestaltet sein können. Beispielsweise kann die Leiterbahn 22 die Durchlöcher 18 mit den Steckkontakten 14, beziehungsweise mit mit den Steckkontakten 14 verbundenen Durchlöchern 26 verbinden, wohingegen die Leiterbahn 24 das Heizelement 20 durch ein Durchloch 28 mit einem äußeren Anschluss 30 verbindet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008008535 A1 [0003]
DE 10351196 A1 [0004]

Claims

Elektronisches Bauteil für Hochtemperaturanwendungen in einem Temperaturbereich von ≥ 250°C, insbesondere ≥ 400°C, umfassend einen keramischen Träger (12) und ein Halbleiterelement (16), wobei der keramische Träger (12) ein Keramiksubstrat umfasst, das einen Gehalt an Alkalimetallverbindungen von ≤ 0,5%, insbesondere ≤ 0,05%, aufweist, und wobei das Keramiksubstrat ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus einem Keramiksubstrat umfassend Aluminiumoxid, Anorthit, einem Füllstoff mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten ≤ 4,0·10^–6K^–1 und Glas, einem Keramiksubstrat umfassend Aluminiumoxid, Celsian, einem Füllstoff mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten ≤ 4,0·10^–6K^–1 und Glas, sowie einem Keramiksubstrat umfassend ein Erdalkalisilikatglas mit einem Siliciumdioxidgehalt in einem Bereich von > 50 mol%, Boroxid, sowie einem Füllstoff mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten ≤ 4,0·10^–6K^–1.
Elektronisches Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Keramiksubstrat einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, der in einem Bereich von ≥ 3,0·10^–6K^–1 bis ≤ 4,5·10^–6K^–1, besonders bevorzugt ≥ 4,0·10^–6K^–1 bis ≤ 4,2·10^–6K^–1 liegt.
Elektronisches Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der in dem Keramiksubstrat enthaltene Füllstoff ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Cordierit, Mullit, Siliciumnitrid, Siliciumcarbid, Glas mit einem Siliciumdioxidgehalt in einem Bereich von > 50 mol%, oder Quarzglas.
Elektronisches Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Keramiksubstrat weiterhin Sinterhilfsstoffe, wie etwa Titandioxid oder Zircondioxid, umfasst.
Elektronisches Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Inneren des keramischen Trägers (12) ein elektrisch beheizbares Heizelement (20) angeordnet ist.
Elektronisches Bauteil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (20) ein metallisches Material umfasst, das ein Edelmetall oder eine Edelmetalllegierung sowie wenigstens ein widerstandserhöhendes Material aufweist.
Elektronisches Bauteil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement ein Komposit aus Glas und einem elektrisch leitfähigen Metalloxid, wie insbesondere Rutheniumdioxid, umfasst.
Elektronisches Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das elektronische Bauteil (10) Teil eines Sensors, insbesondere eines Abgassensors, ist
Verfahren zum Herstellen eines elektronischen Bauteils nach einem der Ansprüche 1 bis 8, umfassend die Schritte: – Bereitstellen eines Keramiksubstrats, wobei das Keramiksubstrat einen Gehalt an Alkalimetallverbindungen von ≤ 0,5%, insbesondere ≤ 0,05%, aufweist, und wobei das Keramiksubstrat ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus einem Keramiksubstrat umfassend Aluminiumoxid, Anorthit, einem Füllstoff mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten ≤ 4,0·10^–6K^–1 und Glas, einem Keramiksubstrat umfassend Aluminiumoxid, Celsian, einem Füllstoff mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten ≤ 4,0·10^–6K^–1 und Glas, sowie einem Keramiksubstrat umfassend ein Erdalkalisilikatglas mit einem Siliciumdioxidgehalt in einem Bereich von > 50 mol%, Boroxid, sowie einem Füllstoff mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten ≤ 4,0·10^–6K^–1, – Formen eines Grünkörpers durch Extrusion oder Spritzguss des Keramiksubstrats, – Aufbringen wenigstens einer Funktionsschicht, wie etwa einer metallischen Leiterbahn, auf den Grünkörper, und – Sintern des Grünkörpers.
Verwendung eines keramischen Trägers (12), der ein Keramiksubstrat umfasst, das einen Gehalt an Alkalimetallverbindungen von ≤ 0,5%, insbesondere ≤ 0,05% aufweist, wobei das Keramiksubstrat ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus einem Keramiksubstrat umfassend Aluminiumoxid, Anorthit, einem Füllstoff mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten ≤ 4,0·10^–6K^–1 und Glas, einem Keramiksubstrat umfassend Aluminiumoxid, Celsian, einem Füllstoff mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten ≤ 4,0·10^–6K^–1 und Glas, sowie einem Keramiksubstrat umfassend ein Erdalkalisilicatglas mit einem Siliciumdioxidgehalt in einem Bereich von > 50 mol%, Boroxid, sowie einem Füllstoff mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten ≤ 4,0·10^–6K^–1, als Trägersubstrat für ein Halbleiterelement für Hochtemperaturanwendungen in einem Temperaturbereich von ≥ 250°C, insbesondere ≥ 400°C.