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DE102023113513A1 - Metal-ceramic substrate and method for producing a metal-ceramic substrate - Google Patents

Metal-ceramic substrate and method for producing a metal-ceramic substrate Download PDF

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DE102023113513A1
DE102023113513A1 DE102023113513.9A DE102023113513A DE102023113513A1 DE 102023113513 A1 DE102023113513 A1 DE 102023113513A1 DE 102023113513 A DE102023113513 A DE 102023113513A DE 102023113513 A1 DE102023113513 A1 DE 102023113513A1
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DE
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metal
ceramic
grains
ceramic element
layer
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Application number
DE102023113513.9A
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German (de)
Inventor
Karsten Schmidt
Stefan Britting
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Rogers Germany GmbH
Original Assignee
Rogers Germany GmbH
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Publication date
Application filed by Rogers Germany GmbH filed Critical Rogers Germany GmbH
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Abstract

Metall-Keramik-Substrat (1) als Träger für elektrische Bauteile, umfassend:
- mindestens eine Metallschicht (10) und
- ein Keramikelement (30), wobei sich die mindestens eine Metallschicht (10) und das Keramikelement (30) entlang einer Haupterstreckungsebene (HSE) erstrecken und entlang einer senkrecht zur Haupterstreckungsebene (HSE) verlaufenden Stapelrichtung (S) übereinander angeordnet sind, wobei erste Körner (15) im Keramikelement (30) jeweils einen maximalen Korndurchmesser Dmax, einen senkrecht zu Dmax verlaufenen Korndurchmesser DOrth, bestimmt auf halber Länge von Dmax, und einen Korn-Formfaktor R= DOrth / Dmax aufweisen, wobei die ersten (15) Körner einen mittleren Korn-Formfaktor, bevorzugt bestimmt als arithmetischer Mittelwert, aufweisen, der kleiner als 0,5, bevorzugt kleiner als 0,4 und besonders bevorzugt kleiner als 0,3 ist und wobei die ersten Körner isotrop im Keramikelement ausgerichtet sind.

Figure DE102023113513A1_0000
Metal-ceramic substrate (1) as a carrier for electrical components, comprising:
- at least one metal layer (10) and
- a ceramic element (30), wherein the at least one metal layer (10) and the ceramic element (30) extend along a main extension plane (HSE) and are arranged one above the other along a stacking direction (S) running perpendicular to the main extension plane (HSE), wherein first grains (15) in the ceramic element (30) each have a maximum grain diameter D max , a grain diameter D Orth running perpendicular to D max , determined at half the length of D max , and a grain shape factor R = D Orth / D max , wherein the first (15) grains have an average grain shape factor, preferably determined as an arithmetic mean, which is less than 0.5, preferably less than 0.4 and particularly preferably less than 0.3 and wherein the first grains are aligned isotropically in the ceramic element.
Figure DE102023113513A1_0000

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Metall-Keramik-Substrat und ein Verfahren zur Herstellung eines Metall-Keramik-Substrats.The present invention relates to a metal-ceramic substrate and a method for producing a metal-ceramic substrate.

Metall-Keramik-Substrate sind als Leiterplatten oder Platinen aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt, beispielsweise aus der DE 10 2013 104 739 A1 , der DE 19 927 046 B4 und der DE 10 2009 033 029 A1 . Typischerweise werden auf einer Bauteilseite des Metall-Keramik-Substrats bzw. des Metall-Keramik-Substrats Anschlussflächen für elektrische Bauteile und Leiterbahnen angeordnet, wobei die elektrischen Bauteile und die Leiterbahnen zu elektrischen Schaltkreisen zusammenschaltbar sind. Wesentliche Bestandteile der Metall-Keramik-Substrate sind eine Isolationsschicht, die bevorzugt aus einer Keramik gefertigt ist, und wenigstens eine an die Isolationsschicht angebundene Metallschicht. Wegen ihrer vergleichsweise hohen Isolationsfestigkeiten haben sich aus Keramik gefertigte Isolationsschichten in der Leistungselektronik als besonders vorteilhaft erweisen. Durch eine Strukturierung der Metallschicht können sodann Leiterbahnen und/oder Anschlussflächen für die elektrischen Bauteile realisiert werden.Metal-ceramic substrates are well known as printed circuit boards or circuit boards from the state of the art, for example from DE 10 2013 104 739 A1 , the DE 19 927 046 B4 and the DE 10 2009 033 029 A1 Typically, connection surfaces for electrical components and conductor tracks are arranged on one component side of the metal-ceramic substrate or the metal-ceramic substrate, whereby the electrical components and the conductor tracks can be connected together to form electrical circuits. Essential components of the metal-ceramic substrates are an insulation layer, which is preferably made of a ceramic, and at least one metal layer connected to the insulation layer. Due to their comparatively high insulation strengths, insulation layers made of ceramic have proven to be particularly advantageous in power electronics. By structuring the metal layer, conductor tracks and/or connection surfaces for the electrical components can then be realized.

Aus dem Stand der Technik ist es beispielsweise bekannt, Keramikelemente, insbesondere Aluminiumnitrid - Keramikelemente, im keramischen Folienguss zu erzeugen, indem man ein sogenanntes Doctorblade Verfahren verwendet. Dadurch werden Keramikeigenschaften erzeugt, die zum einen eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit mit Werten zwischen 170 W/mK und 230 W/mK erreichen, aber zum anderen strukturbedingt vergleichsweise schwache mechanische Eigenschaften zufolge haben, die die Lebensdauer des Keramikelements reduzieren, wenn sie in Leistungselektroniksubstraten verwendet werden.From the state of the art, it is known, for example, to produce ceramic elements, in particular aluminum nitride ceramic elements, in ceramic foil casting by using a so-called doctorblade process. This produces ceramic properties that, on the one hand, achieve a very high thermal conductivity with values between 170 W/mK and 230 W/mK, but, on the other hand, due to their structure, result in comparatively weak mechanical properties that reduce the service life of the ceramic element when used in power electronics substrates.

Es ist möglich, diese mechanischen Eigenschaften bei Aluminiumnitrid - Keramikelementen zu verbessern, indem man sie beispielsweise mit Zirkoniumdioxid dotiert. Diese Dotierung reduziert aber auf der anderen Seite die thermische Performance des Keramikelements. Darüber hinaus wird mit der Zirkoniumdioxiddotierung nur eine vergleichsweise geringe Verbesserung der Risszähigkeit von 10% bis 15% bewrikt.It is possible to improve these mechanical properties in aluminum nitride ceramic elements by doping them with zirconium dioxide, for example. However, this doping reduces the thermal performance of the ceramic element. In addition, zirconium dioxide doping only brings about a comparatively small improvement in fracture toughness of 10% to 15%.

Ausgehend hiervon macht es sich die vorliegende Erfindung zur Aufgabe, Metall-Keramik-Substrate bereitzustellen, deren Keramikelemente eine vergleichsweise hohe thermische Wärmeleitfähigkeit aufweisen und gleichzeitig eine ausreichend hohe mechanische Stabilität gewährleisten, die es erlaubt, die Metall-Keramik-Substrate in der Leistungselektronik zu nutzen.Based on this, the present invention sets itself the task of providing metal-ceramic substrates whose ceramic elements have a comparatively high thermal conductivity and at the same time ensure a sufficiently high mechanical stability, which allows the metal-ceramic substrates to be used in power electronics.

Die vorliegende Erfindung löst diese Aufgabe mit einem Metall-Keramik-Substrat gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren zur Herstellung eines Metall-Keramik-Substrats gemäß Anspruch 8. Weitere Ausführungsformen sind den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung zu entnehmen.The present invention solves this problem with a metal-ceramic substrate according to claim 1 and a method for producing a metal-ceramic substrate according to claim 8. Further embodiments can be found in the dependent claims and the description.

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Metall-Keramik-Substrat als Träger für elektrische Bauteile, insbesondere als Leiterplatte nutzbares oder genutztes Metall-Keramik-Substrat, umfassend:

  • - mindestens eine Metallschicht und
  • - ein Keramikelement,
wobei sich die mindestens eine Metallschicht und das Keramikelement entlang einer Haupterstreckungsebene erstrecken und entlang einer senkrecht zur Haupterstreckungsebene verlaufenden Stapelrichtung übereinander angeordnet sind, wobei erste Körner im Keramikelement jeweils einen maximalen Korndurchmesser Dmax, einen senkrecht zu Dmax verlaufenen Korndurchmesser DOrth, bestimmt auf halber Länge von Dmax, und einen Korn-Formfaktor R= DOrth / Dmax aufweisen, wobei die ersten Körner einen mittleren Korn-Formfaktor, bestimmt als arithmetischer Mittelwert, aufweisen, der kleiner als 0,5, bevorzugt kleiner als 0,4 und besonders bevorzugt kleiner als 0,3 ist und wobei die ersten Körner isotrop im Keramikelement ausgerichtet sind.The present invention relates to a metal-ceramic substrate as a carrier for electrical components, in particular a metal-ceramic substrate usable or used as a circuit board, comprising:
  • - at least one metal layer and
  • - a ceramic element,
wherein the at least one metal layer and the ceramic element extend along a main extension plane and are arranged one above the other along a stacking direction running perpendicular to the main extension plane, wherein first grains in the ceramic element each have a maximum grain diameter D max , a grain diameter D Orth running perpendicular to D max , determined at half the length of D max , and a grain shape factor R = D Orth / D max , wherein the first grains have an average grain shape factor, determined as an arithmetic mean, which is less than 0.5, preferably less than 0.4 and particularly preferably less than 0.3 and wherein the first grains are isotropically aligned in the ceramic element.

Gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Metall-Keramik-Substraten ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die hier verwendeten Keramikelemente erste Körner aufweisen, die vergleichsweise stark elliptisch bzw. reiskornförmig sind. Solche erste Körner, die insbesondere auch als Whiskers bezeichnet werden, zeichnen sich dadurch aus, dass sie ausgesprochen hohe Wärmeleitfähigkeiten bereitstellen können. Während es im Stand der Technik üblich war, diese gezielt auszurichten, sieht es die vorliegende Erfindung gerade vor, diese ersten Körner, die stark elliptisch ausgeformt sind, isotrop im Keramikelement auszurichten, d. h. ohne dass sie eine Vorzugsrichtung aufweisen. Es hat sich herausgestellt, dass man sich zum einen den positiven Effekt auf die thermische Leitfähigkeit zu Nutze machen kann, der von stark elliptisch ausgeformten ersten Körnern ausgeht, und zudem eine ausreichend hohe mechanische Stabilität gewährleisten kann, wenn diese ersten Körner isotrop, d. h. gleichmäßig, im Keramikelement verteilt bzw. ausgerichtet sind. Insbesondere verbessern sich die Biegebruchfestigkeit und die Rissfähigkeit gegenüber solchen Keramikelementen, bei denen die ersten Körner eine Vorzugsrichtung aufweisen. Im Grunde wird eine Verstärkung durch die ersten Körner erreicht, die wie eine Faserverstärkung im Keramikgefüge wirkt. Auf diese Weise kann man sich zum einen zu Nutze machen, dass hohe thermische Leitfähigkeiten bereitgestellt werden können und zum anderen eine ausreichend hohe mechanische Stabilität, die insbesondere erforderlich ist, wenn die Metall-Keramik-Substrate als Leiterplatten und/oder als Bestandteil einer Leiterplatte verwendet werden.Compared to the metal-ceramic substrates known from the prior art, the invention provides that the ceramic elements used here have first grains that are comparatively highly elliptical or rice grain-shaped. Such first grains, which are also referred to in particular as whiskers, are characterized by the fact that they can provide extremely high thermal conductivities. While it was usual in the prior art to align them in a targeted manner, the present invention provides for these first grains, which are highly elliptical in shape, to be aligned isotropically in the ceramic element, i.e. without them having a preferred direction. It has been found that, on the one hand, one can make use of the positive effect on thermal conductivity that comes from highly elliptical first grains, and, in addition, sufficiently high mechanical stability can be ensured if these first grains are distributed or aligned isotropically, i.e. evenly, in the ceramic element. In particular, the bending strength and cracking ability are improved compared to ceramic elements in which the first grains have a preferred direction. Basically, a reinforcement is achieved by the first grains, which acts like a fiber reinforcement in the ceramic structure. In this way, one can on the one hand, take advantage of the fact that high thermal conductivities can be provided and, on the other hand, a sufficiently high mechanical stability, which is particularly necessary when the metal-ceramic substrates are used as printed circuit boards and/or as a component of a printed circuit board.

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 deflection 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 bzw. Keramikelement sind Kupfer, Aluminium, Molybdän, Wolfram, Nickel und/oder deren Legierungen wie z. B. CuZr, AlSi oder AlMgSi, sowie Laminate wie CuW, CuMo, CuAl 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, CuAl 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 or ceramic element. 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 edge casting on the metallization to suppress crack formation or widening is conceivable as a surface modification.

Insbesondere ist es vorgesehen, dass die Körner eine Orientierungsrichtung aufweisen, die parallel zur Richtung verläuft, entlang der sich der maximale Korndurchmesser Dmax bestimmt, wobei die Orientierungsrichtung um einen Neigungswinkel gegenüber der Haupterstreckungsebene geneigt ist, wobei das Keramikelement zur Ausbildung einer isotropen Ausrichtung ein mittleren Neigungswinkel, bestimmt als arithmetische Mittelwert, aufweist, der einen Wert zwischen -20 ° und 20°, bevorzugt zwischen -10° und 10° und besonders bevorzugt zwischen -5° und 5° annimmt. Zweite Körner, die eine im Wesentlichen kugelsymmetrische Form haben, bleiben dabei unberücksichtigt. Durch den arithmetischen Mittelwert, der einen Wert zwischen -20 ° und 20°, bevorzugt zwischen -10° und 10° und besonders bevorzugt zwischen -5° und 5° annimmt, wird insbesondere eine isotrope Verteilung der Ausrichtung der Körner widergegeben bzw. quantifiziert.In particular, it is provided that the grains have an orientation direction that runs parallel to the direction along which the maximum grain diameter D max is determined, wherein the orientation direction is inclined by an angle of inclination relative to the main extension plane, wherein the ceramic element has an average angle of inclination, determined as an arithmetic mean, to form an isotropic orientation, which assumes a value between -20° and 20°, preferably between -10° and 10° and particularly preferably between -5° and 5°. Second grains that have an essentially spherically symmetrical shape are not taken into account. The arithmetic mean, which assumes a value between -20° and 20°, preferably between -10° and 10° and particularly preferably between -5° and 5°, in particular reflects or quantifies an isotropic distribution of the orientation of the grains.

Weiterhin ist es vorgesehen, dass dem Keramikelement bevorzugt eine Kornformfaktorhäufigkeitsverteilung mit mindestens zwei Maxima zuzuordnen ist, wobei ein erstes Maximum den ersten Körnern und ein zweites Maximum zweiten Körnern zugeordnet ist. Mit anderen Worten: Das Keramikelement umfasst nicht nur erste Körner, die eine stark elliptische bzw. reiskornförmige Gestalt aufweisen, sondern auch zweite Körner, die bevorzugt eine im Wesentlichen kugelsymmetrische Geometrie aufweisen. Um ein Korn der ersten Körnung bzw. der zweiten Körnung zuzuordnen, ist es vorteilhaft, eine Kornformfaktorhäufigkeitsverteilung zu erstellen, sodass die Körner, die dem ersten Maximum zugeordnet sind als erste Körner und die Körner, die dem zweiten Maximum zugeordnet werden als zweite Körner klassifiziert werden können. Innerhalb dieser Häufigkeitsverteilung kann bevorzugt der Formfaktor des ersten Maximums angenommen werden als der mittlere Kornformfaktor, der einen Wert annimmt, der kleiner als 0,5, bevorzugt kleiner als 0,4 und besonders bevorzugt kleiner als 0,3 ist. Der Formfaktor, der dem zweiten Maximum zugeordnet ist, weist bevorzugt einen mittleren Kornformfaktor auf, der größer ist als 0,6, bevorzugt größer ist als 0,7 und besonders bevorzugt größer ist als 0,8. Damit wird zum Ausdruck gebracht, dass neben den elliptischen bzw. reisförmigen Körnern auch kugelsymmetrische Körner oder im Wesentlichen kugelsymmetrische Körner im Keramikelement vorliegen.Furthermore, it is provided that the ceramic element is preferably assigned a grain shape factor frequency distribution with at least two maxima, with a first maximum being assigned to the first grains and a second maximum being assigned to second grains. In other words: the ceramic element comprises not only first grains that have a highly elliptical or rice grain-shaped shape, but also second grains that preferably have a substantially spherically symmetrical geometry. In order to assign a grain to the first grain or the second grain, it is advantageous to create a grain shape factor frequency distribution so that the grains that are assigned to the first maximum can be classified as first grains and the grains that are assigned to the second maximum can be classified as second grains. Within this frequency distribution, the shape factor of the first maximum can preferably be assumed to be the average grain shape factor, which assumes a value that is less than 0.5, preferably less than 0.4 and particularly preferably less than 0.3. The shape factor associated with the second maximum preferably has an average grain shape factor that is greater than 0.6, preferably greater than 0.7 and particularly preferably greater than 0.8. This expresses that, in addition to the elliptical or rice-shaped grains, spherically symmetrical grains or essentially spherically symmetrical grains are also present in the ceramic element.

Insbesondere ist es möglich, unter Nutzung der Häufigkeitsverteilung festzulegen, dass die positiven Eigenschaften, die sich einstellen, im Wesentlichen unabhängig sind von dem Mengenverhältnis erster Körner und zweiter Körner zueinander. Bevorzugt ist es vorgesehen, dass ein Verhältnis der Anzahl erster Körner zu zweiten Körnern im gesinterten AIN-Körper einen Wert annimmt, der kleiner ist als 0,5, bevorzugt kleiner ist als 0,3 und bevorzugt als 0,2. Bevorzugt ist es vorgesehen, dass ein Anteil der ersten Körner so niedrig wie nötig eingestellt wird, um so eine gewünschte Steigerung der mechanischen Festigkeit zu erreichen.In particular, it is possible to use the frequency distribution to determine that the positive properties that arise are essentially independent of the ratio of the first grains to the second grains. It is preferably provided that a ratio of the number of first grains to second grains in the sintered AIN body assumes a value that is less than 0.5, preferably less than 0.3 and preferably 0.2. It is preferably provided that a proportion of the first grains is set as low as necessary in order to achieve a desired increase in mechanical strength.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist es vorgesehen, dass im gefertigten Metall-Keramik-Substrat eine Bindungsschicht zwischen der mindestens einen Metallschicht und dem Keramikelement ausgebildet ist, wobei eine Haftvermittlungsschicht 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/sq.According to a particularly preferred embodiment, it is provided that a bonding layer is formed in the manufactured metal-ceramic substrate between the at least one metal layer and the ceramic element, wherein an adhesion-promoting layer of the bonding layer has a surface resistance that is greater than 5 Ohm/sq, preferably greater than 10 Ohm/sq and particularly preferably greater than 20 Ohm/sq.

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 dem 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 with the proportion of active metal in the bonding layer. 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 of the at least one metal layer to 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. A surface resistance is then measured using a four-point measurement on the outside or underside of the metal-ceramic substrate freed of 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 indicate the surface resistance with the unit Ohm/sq(square). The physical unit of the surface resistance is Ohm. Preferably, 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 or 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 several areas are mentioned, this means in particular that the at least one metal layer is divided into areas that are as equal as possible and in each of these areas dividing the at least one metal layer, at least one value, preferably several measured values, are recorded for the thickness. The thicknesses thus determined 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 said to have a waviness. In particular, the person skilled in the art understands waviness to mean 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 ein Anteil an Aktivmetall in der ein Aktivmetall umfassenden Haftvermittlerschicht größer ist als 15 Gew.- %, bevorzugt größer als 20 Gew.- % und besonders bevorzugt größer als 25 Gew.- %. Vorstellbar ist auch, dass der Anteil an Aktivmetall in der ein Aktivmetall umfassenden Haftvermittlerschicht größer als 2 Gew.- %, bevorzugt größer als 3 Gew.- % oder bevorzugt größer als 4 Gew.- % ist oder dass der Anteil an Aktivmetall in der ein Aktivmetall umfassenden Haftvermittlerschicht größer als 2 Gew.- %, bevorzugt größer als 5 Gew. -% und besonders bevorzugt größer als 10 Gew.-% ist. Dies ist bevorzugt abhängig vom gewählten Anbindungsverfahren.Preferably, a proportion of active metal in the adhesion promoter layer comprising an active metal is greater than 15% by weight, preferably greater than 20% by weight and particularly preferably greater than 25% by weight. It is also conceivable that the proportion of active metal in the adhesion promoter layer comprising an active metal is greater than 2% by weight, preferably greater than 3% by weight or preferably greater than 4% by weight or that the proportion of active metal in the adhesion promoter layer comprising an active metal is greater than 2% by weight, preferably greater than 5% by weight and particularly preferably greater than 10% by weight. This preferably depends on the bonding method selected.

Bevorzugt ist es vorgesehen, dass eine thermische Leitfähigkeit des Keramikelements größer ist als 130 W/mk, bevorzugt größer als 140 W/mk und besonders größer als 150 W/mk. Es hat sich herausgestellt, dass insbesondere durch eine entsprechende Häufung von ersten Körnern im Keramikelement es möglich ist, vergleichsweise hohe thermische Leitfähigkeiten zu realisieren, die sich vorteilhaft auswirken auf die Temperaturwechselbeständigkeit der gefertigten Metall-Keramik-Substrate, wodurch mit Vorteil thermomechanische Spannungen vermieden werden können, die anderenfalls zu einem Ausfall und/oder Schaden am Leistungsmodul bzw. am Metall-Keramik-Substrat als Leiterplatte führen könnten.It is preferably provided that a thermal conductivity of the ceramic element is greater than 130 W/mk, preferably greater than 140 W/mk and especially greater than 150 W/mk. It has been found that, in particular by a corresponding accumulation of first grains in the ceramic element, it is possible to realize comparatively high thermal conductivities, which have an advantageous effect on the thermal shock resistance of the manufactured metal-ceramic substrates, whereby thermomechanical stresses can be advantageously avoided, which could otherwise lead to failure and/or damage to the power module or to the metal-ceramic substrate as a circuit board.

Besonders bevorzugt ist es vorgesehen, dass das Keramikelement Aluminiumnitritid umfasst. Insbesondere ist es vorstellbar, dass die ersten Körner Aluminiumnitritid umfassen bzw. aus Aluminiumnitritid bestehen. Vorstellbar ist, dass auch die zweiten Körner Aluminiumnitritid umfassen, sodass das Keramikelement bevorzugt aus Aluminiumnitritid besteht. Vorzugsweise weist das Keramikelement Al2O3, Si3N4, AIN, eine HPSX-Keramik (d. h. eine Keramik mit einer Al2O3- Matrix, die einen x-prozentigen Anteil an ZrO2 umfasst, beispielsweise Al2OS mit 9% ZrO2 = HPS9 oder Al2OS mit 25% ZrO2 = HPS25), SiC, BeO, MgO, hochdichtes MgO (> 90% der theoretischen Dichte), TSZ (tetragonal stabilisiertes Zirkonoxid) als Material für die Keramik auf. Es ist dabei auch vorstellbar, dass das Keramikelement als Verbund- bzw. Hybridkeramik ausgebildet ist, bei der zur Kombination verschiedener gewünschter Eigenschaften mehrere Keramikschichten, die sich jeweils in Hinblick auf ihre materielle Zusammensetzung unterscheiden, übereinander angeordnet und zu einem Keramikelement zusammengefügt sind.It is particularly preferred that the ceramic element comprises aluminum nitride. In particular, it is conceivable that the first grains comprise aluminum nitride or consist of aluminum nitride. It is conceivable that the second grains also comprise aluminum nitride, so that the ceramic element preferably consists of aluminum nitride. Preferably, the ceramic element has Al 2 O 3 , Si 3 N 4 , AIN, an HPSX ceramic (ie a ceramic with an Al 2 O 3 matrix that comprises an x percent proportion of ZrO 2 , for example Al 2 O S with 9% ZrO 2 = HPS9 or Al 2 O S with 25% ZrO 2 = HPS25), SiC, BeO, MgO, high-density MgO (> 90% of the theoretical density), TSZ (tetragonally stabilized zirconium oxide) as material for the ceramic. It is also conceivable that the ceramic element is designed as a composite or hybrid ceramic, in which several ceramic layers, each differing in terms of their material composition, are arranged one above the other and joined together to form a ceramic element in order to combine various desired properties.

Weiterhin ist es bevorzugt vorgesehen, dass die mindestens eine Metallschicht und/oder die mindestens eine weitere Metallschicht mittels eines Aktivlotverfahrens und/oder eines heißisostatischen Pressens und/oder eines DCB-Verfahrens an das Keramikelement angebunden wird.Furthermore, it is preferably provided that the at least one metal layer and/or the at least one further metal layer is bonded to the ceramic element by means of an active soldering process and/or a hot isostatic pressing process and/or a DCB process.

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 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.
For example, it is provided that a method for producing a metal-ceramic substrate is provided, comprising:
  • - Providing a solder layer, in particular in the form of at least one solder foil or brazing foil,
  • - coating the ceramic element 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 deformation 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, it is not the minimum thickness required for the joining process that determines the minimum solder layer thickness of the solder layer, but the minimum layer thickness of the solder layer that is technically feasible that determines the minimum solder layer thickness of the solder layer. This makes this thicker, active metal-containing solder layer 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. 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 required comparatively thin thicknesses of the bonding layer can be achieved, in particular averaged over different measurement values within the specified area or areas. 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 are suitable 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 are compatible with the at least one metal layer, for example copper, does not form intermetallic phases and does not have edge solubility.

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.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.

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,
wobei zum Ausbilden des Metall-Keramik-Substrats zwischen der Metalllage und dem Keramikelement mindestens abschnittsweise eine Aktivmetallschicht oder eine ein Aktivmetall umfassende Kontaktschicht, zur Unterstützung des Anbindens der Metalllage an das Keramikelement, angeordnet wird. Der Behälter wird dabei vorzugsweise als Metallbehälter aus einer Metalllage und/oder einer weiteren Metalllage gebildet. Alternativ ist es auch vorstellbar, dass ein Glasbehälter verwendet wird..For example, in the production of the metal-ceramic substrate, in particular the metal-ceramic substrate, further steps are provided, comprising:
  • - 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,
wherein, to form the metal-ceramic substrate, an active metal layer or a contact layer comprising an active metal is arranged between the metal layer and the ceramic element at least in sections to support the bonding of the metal layer to the ceramic element. The container is preferably formed as a metal container made of a metal layer and/or a further metal layer. Alternatively, it is also conceivable that a glass container is used.

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 DE 2013 113 734 A1 erwähnt werden und auf die hiermit explizit Bezug genommen wird.It is preferably provided that during hot isostatic pressing of the metal container in a heating and pressure device is exposed to a gas pressure of between 100 and 2000 bar, preferably between 150 and 1200 bar and particularly preferably between 300 and 1000 bar and a process temperature of 300 °C up to a melting temperature of the at least one metal layer, in particular up to a temperature below the melting temperature. It has advantageously been found that it is thus possible to bond a metal layer, i.e. a first and/or second metal layer of the metal container, to the ceramic element without the required temperatures of a direct metal bonding process, for example a DCB or a DAB process, and/or without a solder base material that is used in active soldering. In addition, the use or application of an appropriate gas pressure makes it possible to produce a metal-ceramic substrate that is as free of cavities as possible, i.e. without gas inclusions between the metal layer and the ceramic element. In particular, process parameters are used which are DE 2013 113 734 A1 mentioned and to which explicit reference is hereby made.

Weiterhin ist es besonders bevorzugt vorgesehen, dass das Keramikelement, insbesondere die ersten Körner und/oder zweiten Körner, einkristallin sind. Dies wirkt sich besonders vorteilhaft auf die thermische Leitfähigkeit des Metall-Keramik-Substrats aus.Furthermore, it is particularly preferred that the ceramic element, in particular the first grains and/or second grains, are monocrystalline. This has a particularly advantageous effect on the thermal conductivity of the metal-ceramic substrate.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Keramikelements und/oder eines erfindungsgemäßem Metall-Keramik-Substrats. Dabei ist es vorgesehen, dass zum Bereitstellen des Keramikelements folgende Schritte vorgesehen sind:

  • - Bereitstellen eines Granulats, das erste Körner mit einem ersten Kornformfaktor umfasst, der im arithmetischen Mittel kleiner ist als 0,5, bevorzugt kleiner als 0,4 und besonders bevorzugt kleiner als 0,3, und zweite Körnern mit einem zweiten Kornformfaktor umfasst, der im arithmetischen Mittel größer ist als 0,5, bevorzugt größer als 0,6 und besonders bevorzugt größer ist als 0,7,
  • - Pressen, insbesondere isotropes Pressen des Granulats in eine Blockform und
  • - Sintern des blockförmigen Granulats zur Bildung eines Keramikblocks.
A further aspect of the present invention is a method for producing a ceramic element and/or a metal-ceramic substrate according to the invention. It is provided that the following steps are provided for providing the ceramic element:
  • - Providing a granulate comprising first grains with a first grain shape factor which is on average less than 0.5, preferably less than 0.4 and particularly preferably less than 0.3, and second grains with a second grain shape factor which is on average greater than 0.5, preferably greater than 0.6 and particularly preferably greater than 0.7,
  • - Pressing, in particular isotropic pressing of the granulate into a block shape and
  • - Sintering the block-shaped granules to form a ceramic block.

Alle für das Metall-Keramik-Substrat beschriebenen Vorteile gelten ebenfalls für das Verfahren zur Herstellung des Keramikelements und/oder des erfindungsgemäßen Metall-Keramik-Substrats und andersrum.All advantages described for the metal-ceramic substrate also apply to the process for producing the ceramic element and/or the metal-ceramic substrate according to the invention and vice versa.

Insbesondere ist es vorgesehen, dass das Pressen des Granulats unter einer Druckeinwirkung erfolgt, wobei der Druck bevorzugt einen Wert zwischen 50 bar und 2000 bar, bevorzugt zwischen 100 und 1500 bar und besonders bevorzugt 150 und 1000 bar annimmt. Dabei wird bevorzugt die untere Grenze durch ein uniaxiales Pressen und die obere Grenze durch ein kaltisostatisches Pressen bestimmt. Weiterhin ist es vorstellbar, dass das Sintern bei einer Temperatur erfolgt, die einen Wert annimmt 1600 °C und 2000 °C, bevorzugt zwischen 1700°C und 1950°C und besonders bevorzugt zwischen 1750 °C und 1900 °C. Weiterhin ist es bevorzugt vorgesehen, dass Pressen und Sintern in aufeinanderfolgenden Schritten und/oder zumindest teilweise zeitlich überlappend durchgeführt werden. Auf diese Weise ist es möglich, ein Keramikelement herzustellen, bei dem erste Körner im Keramikelement ausgebildet sind, die isotrop, d. h. gleichmäßig ausgerichtet sind.In particular, it is provided that the pressing of the granulate takes place under the influence of pressure, wherein the pressure preferably assumes a value between 50 bar and 2000 bar, preferably between 100 and 1500 bar and particularly preferably 150 and 1000 bar. The lower limit is preferably determined by uniaxial pressing and the upper limit by cold isostatic pressing. It is also conceivable that the sintering takes place at a temperature that assumes a value of 1600 °C and 2000 °C, preferably between 1700 °C and 1950 °C and particularly preferably between 1750 °C and 1900 °C. It is also preferably provided that pressing and sintering are carried out in successive steps and/or at least partially overlapping in time. In this way, it is possible to produce a ceramic element in which first grains are formed in the ceramic element that are isotropic, i.e. evenly aligned.

Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass ein Keramikelement mittels eines Sägeelements, insbesondere mittels einer Diamantdrahtsäge, aus dem Keramikblock vereinzelt wird. Dadurch ist es in vorteilhafter Weise möglich, aus dem Keramikblock Keramikelemente bereitzustellen. Diese herausgetrennten Keramikelement können dann als Keramikelement für eine Großkarte verwendet werden, indem an das Keramikelement eine Metallschicht bzw. mindestens eine Metallschicht zur Ausbildung eines Metall-Keramik-Substrats angebunden wird, das als Leiterplatte nutzbar ist, nachdem die Metallschicht strukturiert wurde. Dabei ist es von Vorteil, das Keramikelement aus dem Block herauszulösen, weil dadurch beispielsweise die Wahl der Dicke für das Keramikelement flexibel eingestellt werden kann. Im Gegensatz dazu ist es im Stand der Technik standarisiert, Keramikelemente mit vorgegebenen Dicke zu sintern.Preferably, a ceramic element is separated from the ceramic block by means of a sawing element, in particular by means of a diamond wire saw. This advantageously makes it possible to provide ceramic elements from the ceramic block. These separated ceramic elements can then be used as ceramic elements for a large card by bonding a metal layer or at least one metal layer to the ceramic element to form a metal-ceramic substrate that can be used as a circuit board after the metal layer has been structured. It is advantageous to separate the ceramic element from the block because this allows, for example, the choice of thickness for the ceramic element to be flexibly adjusted. In contrast, it is standardized in the prior art to sinter ceramic elements with a predetermined thickness.

Weitere Vorteile sind die Oberflächeneigenschaften auf Ober- und Rückseite des Keramikelements, die einander entsprechen, wenn man mehrere Keramikelemente aus einem Keramikblock heraustrennt. Dies tritt nicht ein, wenn man die herkömmliche Herstellung von Keramikelementen heranzieht. Ferner ist es vorstellbar, vergleichsweise dünne Keramikelemente herzustellen, insbesondere Keramikelemente, die nur eine Dicke aufweisen, die 100 µm oder weniger aufweisen. Ferner ist es möglich Substrate herzustellen, die eine Dicke aufweisen, die deutlich größer ist als 1 mm. Außerdem kann man auf eine Diamantsägetechnik zurückgreifen, die in der Silizium-Wafer-Industrie bereits etabliert ist.Further advantages are the surface properties on the top and back of the ceramic element, which correspond to one another when several ceramic elements are cut out of a ceramic block. This does not occur when using the conventional production of ceramic elements. It is also conceivable to produce comparatively thin ceramic elements, in particular ceramic elements that only have a thickness of 100 µm or less. It is also possible to produce substrates that have a thickness that is significantly greater than 1 mm. It is also possible to use a diamond sawing technique that is already established in the silicon wafer industry.

Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass mindestens eine Metallschicht an das Keramikelement angebunden wird und bevorzugt zur Ausbildung von Leiterbahnen strukturiert wird. Dadurch ist es vorteilhafter Weise möglich, das hergestellte Keramikelement mit den beschriebenen Eigenschaften als Metall-Keramik-Substrat zu nutzen, das in der Leistungselektronik Verwendung findet, insbesondere als Leiterplatte, bei der einzelne Metallabschnitte in einer Bauteilmetallisierung zwecks Ausbildung von Leiterbahnen und Anschlussflächen voneinander isoliert sind.Preferably, it is provided that at least one metal layer is bonded to the ceramic element and preferably structured to form conductor tracks. This makes it advantageously possible to use the ceramic element produced with the properties described as a metal-ceramic substrate that is used in power electronics, in particular as a circuit board in which individual metal sections are insulated from one another in a component metallization for the purpose of forming conductor tracks and connection surfaces.

Weitere Vorteile und Eigenschaften ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Gegenstands mit Bezug auf die beigefügten Figuren. Es zeigen:

  • Weitere Vorteile und Eigenschaften ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Gegenstands mit Bezug auf die beigefügten Figuren. Es zeigen:
    • 1: Metall-Keramik-Substrat gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
    • 2 eine erste Körnung aus einer Vielzahl von ersten Körnern für das Keramikelement an dessen Außenseite
    • 3a-3d ein Verfahren zur Herstellung eines Keramikelements
Further advantages and properties emerge from the following description of preferred embodiments of the subject matter according to the invention with reference to the attached figures. They show:
  • Further advantages and properties emerge from the following description of preferred embodiments of the subject matter according to the invention with reference to the attached figures. They show:
    • 1 : Metal-ceramic substrate according to an exemplary embodiment of the present invention;
    • 2 a first grain of a plurality of first grains for the ceramic element on its outside
    • 3a-3d a method for producing a ceramic element

In der 1 ist ein Metall-Keramik-Substrat 1 gemäß einer ersten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Solche Metall-Keramik-Substrate 1, dienen vorzugsweise als Träger bzw. Leiterplatte für elektronische bzw. elektrische Bauteile, die an die mindestens eine Metallschicht 10 des Metall-Keramik-Substrats 1 an dessen Bauteilseite anbindbar sind. Dabei ist es vorzugsweise vorgesehen, dass die mindestens eine Metallschicht 10 strukturiert ist, um entsprechende Leiterbahnen und/oder Anschlussflächen auszubilden, d. h. im gefertigten Metall-Keramik-Substrat 1 umfasst die mindestens eine Metallschicht 10 mehrere voneinander elektrisch isolierte Metallabschnitte. Die sich im Wesentlich entlang einer Haupterstreckungsebene HSE erstreckende mindestens eine Metallschicht 10 und ein sich entlang der Haupterstreckungsebene HSE ersteckendes Keramikelement 30 sind dabei entlang einer senkrecht zur Hauptersteckungsebene HSE verlaufenden Stapelrichtung S übereinander angeordnet und vorzugsweise über eine Bindungsschicht 12 miteinander gefügt bzw. verbunden. Vorzugsweise umfasst das Metall-Keramik-Substrat 1 neben der mindestens einen Metallschicht 10 mindestens eine weitere Metallschicht 20, die in Stapelrichtung S gesehen an der der mindestens einen Metallschicht 10 gegenüberliegenden Seite des Keramikelements 30 angeordnet und über eine weitere Bindungsschicht 12' an das Keramikelement 30 angebunden ist.In the 1 a metal-ceramic substrate 1 is shown according to a first exemplary embodiment of the present invention. Such metal-ceramic substrates 1 preferably serve as a carrier or circuit board for electronic or electrical components that can be connected to the at least one metal layer 10 of the metal-ceramic substrate 1 on its component side. It is preferably provided that the at least one metal layer 10 is structured in order to form corresponding conductor tracks and/or connection surfaces, ie in the manufactured metal-ceramic substrate 1 the at least one metal layer 10 comprises several metal sections that are electrically insulated from one another. The at least one metal layer 10 extending essentially along a main extension plane HSE and a ceramic element 30 extending along the main extension plane HSE are arranged one above the other along a stacking direction S running perpendicular to the main extension plane HSE and are preferably joined or connected to one another via a bonding layer 12. Preferably, the metal-ceramic substrate 1 comprises, in addition to the at least one metal layer 10, at least one further metal layer 20, which, as seen in the stacking direction S, is arranged on the side of the ceramic element 30 opposite the at least one metal layer 10 and is bonded to the ceramic element 30 via a further bonding layer 12'.

Dabei dient die mindestens eine weitere Metallschicht 20 als Rückseitenmetallisierung, die einem Durchbiegen des Metall-Keramik-Substrats 1, insbesondere des Metall-Keramik-Elements 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 further metal layer 20 serves as a rear-side metallization, which counteracts a bending of the metal-ceramic substrate 1, in particular of the metal-ceramic element 1, and/or as a heat sink, which is designed to dissipate heat input caused by electrical or electronic components on the metal-ceramic substrate 1.

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-ceramic substrate 1 has a bonding layer 12 arranged between the at least one metal layer 10 and the ceramic element 30. It has proven to be advantageous if a thickness of the bonding layer 12 measured in the stacking direction S is comparatively thin. In addition, a comparatively thin thickness of the bonding layer 12 between the at least one metal layer 10 and the ceramic element 30 proves to be advantageous if an etching process is provided for the purpose of structuring the at least one metal layer 10. For example, narrower isolation trenches, i.e. distances between individual metal sections of the at least one metal layer 10, can be realized in this way.

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 thinner bonding layer 12 proves to be advantageous in that it can further reduce the number of possible defects in the bonding layer 12 caused by material defects in a solder material that may be used.

In dem in 1 dargestellten Beispiel handelt es sich bei der Bindungsschicht 12 insbesondere um eine ein Aktivmetall umfassende Haftvermittlerschicht 13. In diesem Fall wird die Haftvermittlerschicht 13 nach dem Anbinden vorzugsweise aus einer Materialzusammensetzung gebildet, die eine Verbindung aus Komponenten des Keramikelements einerseits und einem Aktivmetall andererseits umfasst. Da es sich hierbei um sehr sprödbrechende Verbindungen handelt, ist eine möglichst dünne Ausgestaltung dieser Haftvermittlerschicht 13 von Vorteil für die Haftfestigkeit der mindestens einen Metallschicht 10 auf dem Keramikelement 30. Beispielsweise kann die Haftvermittlerschicht 13 die Bindungsschicht 12 bilden, wenn beispielsweise für den Bindungsprozess zwischen dem Keramikelement 30 und der Metallschicht 10 eine Aktivmetallschicht, insbesondere ein Aktivmetallfolie, angeordnet wird und der Bindungsprozess über ein heißisostatisches Pressen erfolgt. Die Haftvermittlerschicht 13 kann aber beispielsweise auch durch eine Aktivmetallschicht, insbesondere eine Aktivmetallfolie, gebildet werden, die zwischen Keramikelement 30 und einer Lötbasisschicht angeordnet wird, um über das System aus Aktivmetallschicht und Lötbasisschicht die Bindung zwischen Metallschicht 10 und Keramikelement 30 zu erzeugen. In diesem Fall bildet die Haftvermittlerschicht 13 einen Teil der Bindungsschicht 12. Insbesondere umfasst die Aktivmetallschicht einen Anteil an einem Aktivmetall, der größer ist als 15 Gew.-%, bevorzugt größer als 50 Gew. -% und besonders bevorzugt größer als 75 Gew. -%.In the 1 In the example shown, the bonding layer 12 is in particular an adhesion promoter layer 13 comprising an active metal. In this case, the adhesion promoter layer 13 is preferably formed after bonding from a material composition which comprises a compound of components of the ceramic element on the one hand and an active metal on the other. Since these are very brittle compounds, it is advantageous for this adhesion promoter layer 13 to be as thin as possible for the adhesive strength of the at least one metal layer 10 on the ceramic element 30. For example, the adhesion promoter layer 13 can form the bonding layer 12 if, for example, an active metal layer, in particular an active metal foil, is arranged for the bonding process between the ceramic element 30 and the metal layer 10 and the bonding process takes place via hot isostatic pressing. However, the adhesion promoter layer 13 can also be formed, for example, by an active metal layer, in particular an active metal foil, which is arranged between the ceramic element 30 and a solder base layer in order to create the bond between the metal layer 10 and the ceramic element 30 via the system of active metal layer and solder base layer. In this case, the adhesion promoter layer 13 forms part of the bonding layer 12. In particular, the active metal layer comprises a proportion of an active metal that is greater than 15% by weight, preferably greater than 50% by weight and particularly preferably greater than 75% by weight.

In 2 ist eine erste Körnung aus einer Vielzahl von ersten Körnern 15 für das Keramikelement 30 an dessen Außenseite, insbesondere an der im Metall-Keramik-Substrat 1 der Metallschicht 10 zugewandten Außenseite, dargestellt. Dabei handelt es sich um die erste Körnung in einer Schnittansicht durch das Metall-Keramik-Substrat 1 entlang einer senkrecht zur Haupterstreckungsebene HSE verlaufenden Ebene. Die hier dargestellten Körnungen zeichnen sich durch ihre besonders elliptische bzw. länglich gezogene Form aus. Dabei ist es vorgesehen, dass die ersten Körner 15 dieser ersten Körnung im Keramikelement 30 jeweils einen maximalen Korndurchmesser Dmax und einen senkrecht zu Dmax verlaufenden Korndurchmesser DOrth aufweisen. Der senkrecht zu Dmax verlaufende Korndurchmesser wird dabei auf halber Länge von Dmax bestimmt, so dass es möglich ist, einen Formfaktor für jedes der Körner gemäß der Beziehung R= DOrth / Dmax zu bestimmen. Vorzugsweise werden die Körner an der Oberfläche bzw. Außenseite bzw. an einer Schnittebene des Keramikelements vermessen, die in einer REM-Aufnahme in einem Schnitt durch das Metall-Keramik-Substrat 1 zu erkennen sind.In 2 a first grain size of a plurality of first grains 15 for the ceramic element 30 is shown on its outside, in particular on the outside facing the metal layer 10 in the metal-ceramic substrate 1. This is the first grain size in a sectional view through the metal-ceramic substrate 1 along a plane running perpendicular to the main extension plane HSE. The grain sizes shown here are characterized by their particularly elliptical or elongated shape. It is provided that the first grains 15 of this first grain size in the ceramic element 30 each have a maximum grain diameter D max and a grain diameter D Orth running perpendicular to D max . The grain diameter running perpendicular to D max The diameter is determined at half the length of D max , so that it is possible to determine a form factor for each of the grains according to the relationship R = D Orth / D max . Preferably, the grains are measured on the surface or outside or on a cutting plane of the ceramic element, which can be seen in a SEM image in a section through the metal-ceramic substrate 1.

Dem Keramikelement 30, insbesondere den ersten Körnern 15 an der Außenseite des Keramikelements 30 ist somit ein mittlerer Formfaktor zuzuordnen, der sich als arithmetischer Mittelwert, vorzugweise aus mindestens 100 Körnern 15, ermittelt, der wiederum kleiner als 0,5, bevorzugt kleiner als 0,4 und besonders bevorzugt kleiner als 0,3 ist. Dadurch sind insbesondere solche erste Körner 15 beschrieben, die eine im Wesentlichen stark elliptische bzw. nicht-kreisförmige Form aufweisen. Die Körner 15 sind länglich gezogen und weisen einer Haupterstreckungsrichtung aus. Beispielsweise sind die Körner 15 dabei reiskornförmig ausgebildet.The ceramic element 30, in particular the first grains 15 on the outside of the ceramic element 30, is thus assigned an average shape factor which is determined as an arithmetic mean, preferably from at least 100 grains 15, which in turn is less than 0.5, preferably less than 0.4 and particularly preferably less than 0.3. This describes in particular those first grains 15 which have a substantially strongly elliptical or non-circular shape. The grains 15 are drawn elongated and have a main direction of extension. For example, the grains 15 are shaped like grains of rice.

Insbesondere ist es vorgesehen, dass im Keramikelement 30 die ersten Körner 15, deren mittlerer Formfaktor kleiner als 0,5, bevorzugt kleiner als 0,4 und besonders bevorzugt kleiner als 0,3 ist, isotrop ausgerichtet sind. Mit anderen Worten: Die im Keramikelement 30 eingeführten stark elliptischen ersten Körner 15 haben keine Vorzugsrichtung und sind gleichmäßig in alle Raumrichtungen verteilt. Es hat sich dabei herausgestellt, dass eine entsprechende isotrope Ausrichtung der Körner innerhalb des Keramikelements 30 zu einer Verstärkung im Gefüge führen. Gleichzeitig unterstützen die stark elliptischen ersten Körner 15 die Ausbildung einer vergleichsweise hohen Wärmeleitfähigkeit, vorzugsweise von Werten größer als 120 W/mk. Schließlich hat es sich auch gezeigt, dass die isotrope Ausrichtung der einzelnen ersten Körnern 15 dazu führt, dass die Biegebruchfestigkeit erhöht wird, insbesondere deswegen, weilt die isotrop ausgerichteten elliptischen ersten Körnern15 wie eine Faserverstärkung im Keramikgefüge des Keramikelements 30 wirken.In particular, it is provided that in the ceramic element 30 the first grains 15, whose average form factor is less than 0.5, preferably less than 0.4 and particularly preferably less than 0.3, are aligned isotropically. In other words: the highly elliptical first grains 15 introduced into the ceramic element 30 have no preferred direction and are evenly distributed in all spatial directions. It has been found that a corresponding isotropic alignment of the grains within the ceramic element 30 leads to a reinforcement in the structure. At the same time, the highly elliptical first grains 15 support the formation of a comparatively high thermal conductivity, preferably of values greater than 120 W/mk. Finally, it has also been shown that the isotropic alignment of the individual first grains 15 leads to an increase in the bending strength, in particular because the isotropically aligned elliptical first grains 15 act like a fiber reinforcement in the ceramic structure of the ceramic element 30.

Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass neben den ersten Körnern 15, die einen vergleichsweise kleinen Formfaktor aufweisen und somit stark elliptisch sind, das Keramikelement 30 zweite Körner umfasst, wobei den zweiten Körnern ein Formfaktor bzw. ein mittlerer Kornformfaktor zugeschrieben wird, der als arithmetischer Mittelwert einen Wert annimmt, der größer ist als 0,6, bevorzugt größer als 0,7 und besonders bevorzugt größer als 0,8. Es handelt sich somit bei den zweiten Körnern um solche, die einen wesentlichen kugelförmigen Umfang haben. Zur Klassifizierung der Körner in erste Körner bzw. zweite Körner werden die jeweiligen Kornformfaktoren bestimmt und in eine Kornformfaktorhäufigkeitsverteilung dargestellt. Diese Kornformfaktorverteilung weist zwei Maxima auf, wobei eine Anhäufung der Formfaktoren in einem ersten Maximum bei einem Wert unterhalb von 0,5 zu finden ist und ein ein zweites Maximum bei den Kornformfaktoren, die einen Wert haben, der größer ist als 0,5. Die ersten Körner 15 sind dabei dem ersten Maximum zugeordnet und die zweiten Körner dem zweiten Maximum. Mit anderen Worten: Das Keramikelement 30 weist sowohl Körner auf, die eine stark reiskornförmige Gestalt haben und solche, die eine im Wesentlichen kugelförmige Gestalt aufweisen. Durch die Aufteilung in erste Körner 15 und zweite Körner, statt einer Beschreibung eines mittleren Kornfaktors, der sich über alle Körner ergibt, ist es somit möglich, die isotrope Ausrichtung im Zusammenhang mit den stark elliptischen Körnern bzw. ersten Körnern zu diskutieren. Damit ist die Beschreibung im Wesentlichen unabhängig von den jeweiligen relativen Anteilen der ersten Körner und zweiten Körner im Keramikelement. Sollte man über die Gesamtheit aller Körner den Formfaktor betrachten, würde durch die Anwesenheit der zweiten Körner und insbesondere bestimmt durch das Verhältnis erster Körner und zweiter Körner in ihrer Anzahl, der mittlere Formfaktor seinen Wert verschieden.Preferably, in addition to the first grains 15, which have a comparatively small shape factor and are thus highly elliptical, the ceramic element 30 comprises second grains, the second grains being assigned a shape factor or an average grain shape factor which, as an arithmetic mean, assumes a value that is greater than 0.6, preferably greater than 0.7 and particularly preferably greater than 0.8. The second grains are therefore those that have a substantially spherical circumference. To classify the grains into first grains or second grains, the respective grain shape factors are determined and represented in a grain shape factor frequency distribution. This grain shape factor distribution has two maxima, with an accumulation of the shape factors in a first maximum at a value below 0.5 and a second maximum for the grain shape factors that have a value that is greater than 0.5. The first grains 15 are assigned to the first maximum and the second grains to the second maximum. In other words: the ceramic element 30 has grains that have a strongly rice grain-like shape and those that have a substantially spherical shape. By dividing it into first grains 15 and second grains, instead of describing an average grain factor that results across all grains, it is thus possible to discuss the isotropic alignment in connection with the strongly elliptical grains or first grains. The description is therefore essentially independent of the respective relative proportions of the first grains and second grains in the ceramic element. If one were to consider the shape factor across all grains, the average shape factor would change its value due to the presence of the second grains and in particular determined by the ratio of first grains and second grains in terms of their number.

Vorzugsweise ist die Anzahl der zweiten Körner und der ersten Körner im Wesentlichen gleich. Bevorzugt ist es vorgesehen, dass ein Verhältnis der Anzahl erster Körner zu zweiten Körnern im gesinterten AIN Körper einen Wert annimmt, der kleiner ist als 0,5, bevorzugt kleiner ist als 0,3 und bevorzugt als 0,2.Preferably, the number of second grains and first grains is substantially equal. Preferably, a ratio of the number of first grains to second grains in the sintered AlN body assumes a value that is less than 0.5, preferably less than 0.3 and preferably 0.2.

In dem in 2 dargestellten Schnittbild sind lediglich erste Körner 15 dargestellt, um eine Definition für die Korndurchmesser zu bestimmen.In the 2 In the cross-sectional image shown, only the first grains 15 are shown in order to determine a definition for the grain diameters.

In den 3a-3d ist ein Verfahren zur Herstellung eines Keramikelements 30 dargestellt. Insbesondere sieht es das hier dargestellte Ausführungsbeispiel vor, dass in einem ersten Schritt ein Granulat gefertigt wird, indem man ein Pulver, insbesondere ein AIN-Pulver mit ersten Körnern 15 bzw. Ausgangskörnern bereitstellt, die einen Formfaktor ausweisen, der kleiner ist als 0,5, bevorzugt kleiner als 0,4 und besonders bevorzugt kleiner ist als 0,3. Solche Ausgangskörner werden auch als Whiskers, insbesondere als AIN Whiskers bezeichnet, und werden typischerweise im Rahmen eines Doctorblade Verfahrens erzeugt.In the 3a-3d a method for producing a ceramic element 30 is shown. In particular, the embodiment shown here provides that in a first step a granulate is produced by providing a powder, in particular an AIN powder with first grains 15 or starting grains that have a form factor that is less than 0.5, preferably less than 0.4 and particularly preferably less than 0.3. Such starting grains are also referred to as whiskers, in particular as AIN whiskers, and are typically produced as part of a doctorblade process.

Whisker bzw. AIN werden bevorzugt zusammen mit Sinterhilfsmitteln, wie z.B. Y2O3 oder ZrO2 und Lösemitteln (Ethanol z.B.) und Bindemitteln vermischt. Dabei sollen diese nicht zermalmt werden, es sollen aber Pulvercluster zerkleinert werden. Der so entstandene Slurry wird in einem Sprühturm zu Granulatkörner überführt.Whiskers or AIN are preferably mixed with sintering aids such as Y 2 O 3 or ZrO 2 and solvents (e.g. ethanol) and binding agents. These should not be crushed, but powder clusters should be broken down. The resulting slurry is converted into granules in a spray tower.

In 3b ist der zweite Verfahrensschritt dargestellt. Hier wird das im ersten Verfahrensschritt gefertigte Granulat in einen Block gepresst. Dabei wird ein Druck zwischen 50 bar und 2000 bar, bevorzugt zwischen 100 und 1500 bar und besonders bevorzugt zwischen 150 und 1000 bar verwendet. Insbesondere entsteht ein Block, der an seiner kürzesten Seite mindestens 30 mm, bevorzugt mindestens 50 mm und besonders bevorzugt mindestens 100 mm groß ist und an seiner längsten Seite mindestens 230 mm, bevorzugt mindestens 250 mm und besonders bevorzugt mindestens 270 mm ist. Vorzugsweise weist der Block einen rechteckigen Querschnitt auf und ist zylinderförmig ausgebildet. Vorzugsweise nimmt der Block ein Volumen zwischen 1,0 dm3 und 10 dm3 an, bevorzugt zwischen 1,5 dm3 und 5 dm3 an oder 2 dm3 und 8 dm3 an.In 3b the second process step is shown. Here, the granulate produced in the first process step is pressed into a block. A pressure of between 50 bar and 2000 bar, preferably between 100 and 1500 bar and particularly preferably between 150 and 1000 bar is used. In particular, a block is created which is at least 30 mm, preferably at least 50 mm and particularly preferably at least 100 mm in size on its shortest side and at least 230 mm, preferably at least 250 mm and particularly preferably at least 270 mm in size on its longest side. The block preferably has a rectangular cross-section and is cylindrical. The block preferably has a volume of between 1.0 dm 3 and 10 dm 3 , preferably between 1.5 dm 3 and 5 dm 3 or 2 dm 3 and 8 dm 3 .

In der 3c ist der Sinterschritt, d. h. der dritte Verfahrensschritt dargestellt, in dem durch Aufwendung von Druck und Temperatur ein Keramikblock realisiert wird. Aus dem Granulat wird nunmehr ein Festkörper.In the 3c The sintering step is shown, ie the third process step in which a ceramic block is created by applying pressure and temperature. The granulate now becomes a solid body.

Um den auf diese Weise hergestellten Keramikwerkstoff dahingehend zu nutzen, dass Keramikelemente 30 für die Ausbildung von Metall-Keramik-Substraten nutzbar gemacht werden können, wird der Keramikblock in einzelne scheibenförmige Keramikelemente 30 zerteilt. Hierzu ist es vorgesehen, dass mittels eines Sägeelements scheibenförmige Keramikelemente 30 aus dem Keramikblock herausgeschnitten werden, die insbesondere die Dimensionen einer Großkarte aufweisen. Die Herstellung über ein entsprechendes Blockkeramikelement und das anschließende Zerteilen mit einem Sägeelement, insbesondere mit einer diamantumfassenden Drahtsäge, erlaubt es, Keramikelement mit einstellbarer Dicke zu realisieren. Somit kann flexibel ausgesucht werden, wie dick das Keramikelement 30 in der Fertigung bereitgestellt wird.In order to use the ceramic material produced in this way so that ceramic elements 30 can be used for the formation of metal-ceramic substrates, the ceramic block is divided into individual disc-shaped ceramic elements 30. For this purpose, disc-shaped ceramic elements 30 are cut out of the ceramic block using a sawing element, which in particular have the dimensions of a large card. The production using a corresponding block ceramic element and the subsequent division with a sawing element, in particular with a diamond-encompassing wire saw, makes it possible to produce ceramic elements with an adjustable thickness. This means that the thickness of the ceramic element 30 provided in production can be selected flexibly.

Bezugszeichenliste:List of reference symbols:

11
Metall-Keramik-Substratmetal-ceramic substrate
1010
Metallschichtmetal layer
1212
Bindungsschichtbinding layer
12'12'
weitere Bindungsschichtadditional binding layer
1313
Haftvermittlerschichtadhesion promoter layer
1515
erste Körnerfirst grains
2020
weitere Metallschichtadditional metal layer
3030
Keramikschichtceramic layer

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Claims (10)

Metall-Keramik-Substrat (1) als Träger für elektrische Bauteile, das insbesondere als Leiterplatte für elektrische Bauteile dient, umfassend: - mindestens eine Metallschicht (10) und - ein Keramikelement (30), wobei sich die mindestens eine Metallschicht (10) und das Keramikelement (30) entlang einer Haupterstreckungsebene (HSE) erstrecken und entlang einer senkrecht zur Haupterstreckungsebene (HSE) verlaufenden Stapelrichtung (S) übereinander angeordnet sind, wobei erste Körner (15) im Keramikelement (30) jeweils einen maximalen Korndurchmesser Dmax, einen senkrecht zu Dmax verlaufenen Korndurchmesser DOrth, bestimmt auf halber Länge von Dmax, und einen Korn-Formfaktor R= DOrth / Dmax aufweisen, wobei die ersten Körner (15) einen mittleren Korn-Formfaktor, bevorzugt bestimmt als arithmetischer Mittelwert, aufweisen, der kleiner als 0,5, bevorzugt kleiner als 0,4 und besonders bevorzugt kleiner als 0,3 ist und wobei die ersten Körner (15) isotrop im Keramikelement (30) ausgerichtet sind.Metal-ceramic substrate (1) as a carrier for electrical components, which serves in particular as a circuit board for electrical components, comprising: - at least one metal layer (10) and - a ceramic element (30), wherein the at least one metal layer (10) and the ceramic element (30) extend along a main extension plane (HSE) and are arranged one above the other along a stacking direction (S) running perpendicular to the main extension plane (HSE), wherein first grains (15) in the ceramic element (30) each have a maximum grain diameter D max , a grain diameter D Orth running perpendicular to D max , determined at half the length of D max , and a grain shape factor R = D Orth / D max , wherein the first grains (15) have an average grain shape factor, preferably determined as an arithmetic mean, which is less than 0.5, preferably less than 0.4 and particularly preferably less than 0.3 and wherein the first grains (15) isotropically aligned in the ceramic element (30). Metall-Keramik-Substrat (1) gemäß Anspruch 1, wobei das Keramikelement (30) eine Korn-Formfaktor-Häufigkeitsverteilung mit mindestens zwei Maxima aufweist, wobei ein erstes Maximum den ersten Körnern (15) und ein zweites Maximum zweiten Körnern zugeordnet ist.Metal-ceramic substrate (1) according to claim 1 , wherein the ceramic element (30) has a grain form factor frequency distribution with at least two maxima, wherein a first maximum is associated with the first grains (15) and a second maximum is associated with second grains. Metall-Keramik-Substrat (1) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei im gefertigten Metall-Keramik Substrat (1) eine Bindungsschicht (12) zwischen der mindestens einen Metallschicht (10) und dem Keramikelement (30) ausgebildet ist, wobei eine Haftvermittlerschicht (13) der Bindungsschicht (12) einen Flächenwiderstand aufweist, der größer ist als 5 Ohm/sq, bevorzugt größer als 10 Ohm/sq und besonders bevorzugt größer als 20 Ohm/sq.Metal-ceramic substrate (1) according to claim 1 or 2 , wherein in the manufactured metal-ceramic substrate (1) a bonding layer (12) is formed between the at least one metal layer (10) and the ceramic element (30), wherein an adhesion promoter layer (13) of the bonding layer (12) has a surface resistance which is greater than 5 Ohm/sq, preferably greater than 10 Ohm/sq and particularly preferably greater than 20 Ohm/sq. Metall-Keramik-Substrat (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine thermische Leitfähigkeit des Keramikelements (30) größer als 130 W/mK, bevorzugt größer als 140 W/mK und besonders bevorzugt größer als 150 W/mK ist.Metal-ceramic substrate (1) according to one of the preceding claims, wherein a thermal conductivity of the ceramic element (30) is greater than 130 W/mK, preferably greater than 140 W/mK and particularly preferably greater than 150 W/mK. Metall-Keramik-Substrat (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Keramikelement (30) Aluminiumnitrid umfasst.Metal-ceramic substrate (1) according to one of the preceding claims, wherein the ceramic element (30) comprises aluminum nitride. Metall-Keramik-Substrat (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine Metallschicht (10) mit einem Direktanbindungsverfahren, einem (Aktiv) Lötverfahren, einem Diffusionsbondverfahren und/oder einem heißisostatischen Pressen an das Keramikelement (30) angebunden ist.Metal-ceramic substrate (1) according to one of the preceding claims, wherein the at least one metal layer (10) is bonded to the ceramic element (30) using a direct bonding method, an (active) soldering method, a diffusion bonding method and/or hot isostatic pressing. Metall-Keramik-Substrat (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die ersten Körner (15) einkristallin sind.Metal-ceramic substrate (1) according to one of the preceding claims, wherein the first grains (15) are single-crystalline. Verfahren zur Herstellung eines Keramikelements (30) und/oder eines Metall-Keramik-Substrats (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Bereitstellen des Keramikelements (30) folgende Schritte umfasst: - Bereitstellen eines Granulats, das erste Körner (15) mit einem ersten Korn-Formfaktor, der im aritmethischen Mittel kleiner als 0,5 ist, bevorzugt kleiner als 0,4 und besonders bevorzugt kleiner als 0,25 und zweite Körner mit einem zweiten Korn-Formfaktor, der im artimethischen Mittel größer ist als 0,6, bevorzugt größer als 0,7 und besonders bevorzugt größer als 0,8, umfasst - Pressen, insbesondere isotropes Pressen, des Granulats in eine Blockform und - Sintern des blockförmigen Granulats zur Bildung eines Keramikblocks.Method for producing a ceramic element (30) and/or a metal-ceramic substrate (1) according to one of the preceding claims, wherein the provision of the ceramic element (30) comprises the following steps: - providing a granulate comprising first grains (15) with a first grain shape factor which is on average less than 0.5, preferably less than 0.4 and particularly preferably less than 0.25 and second grains with a second grain shape factor which is on average greater than 0.6, preferably greater than 0.7 and particularly preferably greater than 0.8, - pressing, in particular isotropic pressing, the granulate into a block shape and - sintering the block-shaped granulate to form a ceramic block. Verfahren gemäß Anspruch 8, wobei ein Keramikelement (30) mittels eines Sägeelements, insbesondere mittels einer Diamantdrahtsäge, aus dem Keramikblock vereinzelt wird.procedure according to claim 8 , wherein a ceramic element (30) is separated from the ceramic block by means of a sawing element, in particular by means of a diamond wire saw. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens eine Metallschicht (10) an das Keramikelement (30) angebunden wird und bevorzugt strukturiert wird zur Ausbildung von Leiterbahnen.Method according to one of the preceding claims, wherein at least one metal layer (10) is bonded to the ceramic element (30) and is preferably structured to form conductor tracks.
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