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DE19615481C5 - Gewölbtes Metall-Keramik-Substrat - Google Patents

Gewölbtes Metall-Keramik-Substrat Download PDF

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DE19615481C5
DE19615481C5 DE19615481A DE19615481A DE19615481C5 DE 19615481 C5 DE19615481 C5 DE 19615481C5 DE 19615481 A DE19615481 A DE 19615481A DE 19615481 A DE19615481 A DE 19615481A DE 19615481 C5 DE19615481 C5 DE 19615481C5
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Abstract

Gewölbtes Metall-Keramik-Substrat ausschließlich bestehend aus einer Keramikschicht (2) und jeweils einer an der Oberseite und an der Unterseite der Keramikschicht (2) vorgesehenen Metallisierung (3, 4), wobei das Substrat um wenigstens eine Achse (Q') parallel zur Ebene des Substrates gekrümmt ist, und zwar zur Ausbildung einer konvex gekrümmten Unterseite und einer konkav gekrümmten Oberseite, wobei die Dicke der Metallisierungen (3, 4) an der Oberseite und Unterseite der gewölbten Keramikschicht (2) gleich ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Krümmung des Substrates ohne Einwirkung äußerer Kräfte beständig und in vorgegebenen Grenzen derart ausgebildet ist, dass der Abstand (x), den ein parallel zur Krümmungsachse liegender Rand (2') des Substrates (1, 14, 15, 16) von einer die Mitte der Krümmung oder des Substrates (1, 14, 15, 16) tangential berührenden Ebene (6) aufweist, zwischen etwa 0,1–0,8% der Längenabmessung ist, die das Substrat (1, 14, 15, 16) oder die Keramikschicht (2) in Richtung senkrecht zur...

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein gewölbtes Metall-Keramik-Substrat gemäß Oberbegriff Patentanspruch 1.
  • Bekannt ist die Herstellung von Metall-Keramik-Substraten, die jeweils aus einer Keramikschicht mit einer Metallisierung an beiden Oberflächenseiten der Keramikschicht bestehen, und zwar mit Hilfe des sogenannten ”DCB-Verfahrens” (Direct-Copper-Bond-Technology) und unter Verwendung von Metallisierung bildenden Metall- bzw. Kupferfolien oder Metall- bzw. Kupferblechen, die an ihren Oberflächenseiten eine Schicht oder einen Überzug (Aufschmelzschicht) aus einer chemischen Verbindung aus dem Metall und einem reaktiven Gas, bevorzugt Sauerstoff aufweisen. Bei diesem beispielsweise in der EP 0 144 866 A2 oder in der DE 42 33 073 A1 beschriebenen Verfahren bildet dieser Überzug (Aufschmelzschicht) ein Eutektikum mit einer Schmelztemperatur unter der Schmelztemperatur des Metalls (z. B. Kupfers), so dass durch Auflegen der Folie auf die Keramik und durch Erhitzen sämtlicher Schichten diese miteinander verbunden werden können, und zwar durch Aufschmelzen des Metalls bzw. Kupfers im wesentlichen nur im Bereich der Aufschmelzschicht bzw. Oxidschicht.
  • Bekannt ist auch ein Metall-Keramik-Substrat ( EP 0 279 601 A2 ), welches aus einer Keramikschicht und jeweils einer Metallisierung an jeder Oberflächenseite der Keramikschicht besteht, wobei die Metallisierungen mit Hilfe des DCB-Prozesses auf die Keramikschicht aufgebracht sind. Eine der beiden Metallschichten besitzt eine größere Dicke als die andere Metallschicht, so dass sich beim Abkühlen nach Beendigung des DCB-Prozesses aufgrund unterschiedlicher mechanischer Spannungen eine Wölbung des Metall-Keramik-Substrates entsprechend einem Biegemetalleffekt einstellt.
  • Das Substrat wird im Verwendungsfall mit seiner konvex gewölbten Unterseite gegen einen Kühlkörper angelegt und angedrückt, so dass es dann flach und angepresst gegen den Kühlkörper anliegt. Hierdurch soll ein verbesserter Wärmeübergang zwischen Substrat und dem Kühlkörper erreicht werden. Nachteilig ist aber, dass die Anpresswirkung des Substrates allein durch die unterschiedlich dicken Metallschichten bewirkt wird, während die durch die unterschiedlichen mechanischen Spannungen in den Metallschichten, d. h. durch Einwirkung äußerer Kräfte verformte Keramikschicht dieser Anpresswirkung entgegenwirkt. Außerdem gehen insbesondere bei Verwendung von Kupfer als Metall die Anpresswirkung und damit die angestrebte Verbesserung des Wärmeübergangs durch Alterung und Fließen des Metalls verloren, ebenso auch bei größerer Erwärmung der konkaven Oberseite des Substrats durch Verlustwärme der auf dem Substrat vorgesehenen Bauelemente.
  • Bekannt ist weiterhin ein Halbleitermodul mit einem Metall-Keramik-Substrat ( EP 0 144 866 A2 ), welches an der Oberseite mit Halbleiterbauelementen bestückt ist und mit seiner Unterseite gegen eine Bodenfläche eines Gehäuses anliegt. Um beim Erhitzen der Bauelemente und des Substrates ein Verformen dieses Substrates durch den Bimetall-Effekt zu vermeiden, ist das Substrat an seiner Unterseite konkav und an seiner Oberseite konvex gewölbt und mit der an der Unterseite vorgesehenen Metallisierung mit einer Basisplatte aus Kupfer verbunden, die zur Absorbierung von Spannungen aus dem Bimetall-Effekt des DCB-Substrates eine ausreichende Dicke aufweist.
  • Bekannt ist weiterhin ( JP 07 202 073 A ), ein Metall-Keramik-Substrat bestehend aus einer Aluminium-Nitrid-Keramikschicht und aus an beiden Oberflächenseiten der Keramik mit Hilfe des DCB-Verfahrens aufgebrachten Metallisierungen unter Einwirkung einer äußeren Kraft zu krümmen, und zwar für Testzwecke in der Form, dass die Durchbiegung zwischen zwei 30 mm voneinander beabstandeten Abstützpunkten 0,1 bis 0,5 mm beträgt.
  • Bekannt ist weiterhin ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiter-Modulaufbaus ( DE 42 33 073 A1 ) bestehend aus einem Metallboden und einem mit diesen Metallboden verbundenen Metall-Keramik-Substrat. Für die Herstellung werden der Metallboden und das beidseitig mit einer Metallisierung versehene Metall-Keramik-Substrat in eine Elastomerform eingelegt. Auf die Bodenplatte wird dann ein Druckstempel mit konkaver Stempelfläche aufgesetzt und die beiden Teile werden unter Temperatur derart verformt, dass die Bodenplatte und das Keramiksubstrat miteinander verbunden und konvex gekrümmt sind. Die Wölbung wird dem Metall-Keramik-Substrat durch die verformte Bodenplatte aufgeprägt, die damit ein integrativer Bestandteil des Metall-Keramik-Substrats ist.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein Metall-Keramik-Substrat aufzuzeigen, welches bei einer vereinfachten Herstellung, beispielsweise mit Hilfe der DCB-Technik, eine optimale Kühlwirkung gewährleistet.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Metall-Keramik-Substrat entsprechend dem Patentanspruch 1 ausgebildet.
  • Die Krümmung des erfindungsgemäßen Substrats besteht ohne äußere Kräfte oder Krafteinwirkung. Hierfür besitzen die beiden, jeweils unter Verwendung der DCB-Technik auf die Oberflächenseiten der Keramikschicht aufgebrachten Metallisierungen die selbe Dicke, so dass sowohl bei der Herstellung des Substrates, als auch bei der späteren Verwendung dieses Substrates ein Bimetall-Effekt bei Temperaturänderungen weitgehend vermieden werden kann. Durch die Krümmung des Substrates ist es möglich, dieses im Verwendungsfall elastisch derart in eine ebene Form zu biegen, dass es aufgrund der elastischen Spannung der Keramikschicht dicht und fest gegen eine Fläche einer wärmeableitenden Metallfläche anliegt und sich hierdurch eine verbesserte Wärmeableitung ergibt, insbesondere auch bei Verwendung einer Kühlpaste zwischen dem Substrat und der Metallplatte. Das Anliegen des Metall-Keramik-Substrates gegen die Metallfläche wird somit in erster Linie durch die elastischen Eigenschaften der Keramikschicht erreicht.
  • Bei dem Krümmungsgrad, welchen die Erfindung vorsieht, ist auch ein Brechen der Keramikschicht mit Sicherheit vermieden. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 in vereinfachter Darstellung und in Seitenansicht ein Substrat gemäß der Erfindung, zusammen mit einer unter dem Substrat angeordneten Metallplatte;
  • 2 eine Draufsicht auf das Substrat der 1;
  • 3 in vergrößerter Detaildarstellung einen Schnitt durch den in einem Gehäuse eingespannten Rand des Substrates;
  • 4 in Draufsicht verschiedene Formen eines Substrates der Erfindung.
  • Das in den Figuren dargestellte Substrat 1 besteht im Wesentlichen aus einer Keramikschicht bzw. Keramikplatte 2, die beispielsweise eine Aluminiumoxid-Keramik ist und die an beiden Oberflächenseiten mit jeweils einer Metallisierung 3 bzw. 4 versehen ist. Die Metallisierungen 3 und 4 sind jeweils von einer Kupferfolie gebildet, die mit Hilfe der dem Fachmann bekannten DCB-Technik flächig mit der Keramikschicht 2 verbunden ist.
  • Bei der dargestellten Ausführungsform besitzt die Keramikschicht 2 in Draufsicht einen rechteckförmigen Zuschnitt mit der längeren Längsachse L und der hierzu senkrecht verlaufenden kürzeren Querachse Q. Die Keramikschicht 2 ist bei der dargestellten Ausführungsform um eine Achse parallel zur Querachse gewölbt oder gekrümmt, so dass die Oberseite der Keramikschicht 2 konkav und die Unterseite konvex ist. In gleicher Weise sind auch die dortigen Metallisierungen 3 und 4 gewölbt. Die Krümmungsachse ist in der 1 mit Q' angedeutet, besitzt aber tatsächlich einen wesentlich größeren Abstand vom Substrat 1, als in dieser Fig. gezeigt. Die Metallisierung 3 an der Oberseite ist strukturiert und bildet Leiterbahnen sowie Kontaktflächen, und zwar letztere insbesondere auch zum Befestigen, z. B. zum Auflöten von elektronischen Bauteilen 5. Die Metallisierung 4 an der Unterseite ist durchgehend ausgebildet.
  • Die Wölbung der Keramikschicht 2 ist derart, dass dann, wenn das Substrat mit der unteren Metallisierung 4 in der Mitte zwischen den beiden senkrecht zur Längsachse L und parallel zur Krümmungsachse Q' liegenden Querseiten 2' auf einer ebenen Fläche, beispielsweise auf der Oberseite einer ebenen Metallplatte 6 aufliegt, die Unterseite der Keramikschicht 2 an jeder Querseite 2' einen Abstand x von der Oberseite der Metallplatte 6 aufweist, der etwa 0,1–0,8% derjenigen Länge ist, die die gewölbte Keramikschicht 2 zwischen den beiden Seiten 2' besitzt, und zwar zzgl. der Dicke der unteren Metallisierung 4. Es gilt also (0,001·y + d) ≤ x ≤ (0,008·y + d) wobei y der Abstand der beiden Seiten 2' und die Dicke des Materials der Metallisierung 4 sind.
  • Es hat sich gezeigt, dass die thermische Leitfähigkeit zwischen dem Substrat 1 und der Metallplatte 6, die beispielsweise Bestandteil einer Wärmesenke oder eines Gehäuses ist, wesentlich verbessert werden kann. Das Substrat 1 wird auf die an ihrer Oberseite mit einer Schicht aus einer Kühlpaste 7 versehene Platte 6 aufgelegt und dann am Rand und damit auch an den Schmalseiten 2' auf die Platte 6 gedrückt, womit durch die elastische Verformung der Keramikschicht 2 ein dichtes Anliegen der unteren Metallisierung 4 an der Metallplatte 6 und ein gleichmäßiges Verteilen der Kühlpaste 7 über die gesamte von der unteren Metallisierung 4 eingenommene Fläche der Metallplatte 6 erfolgt.
  • Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei einer Krümmung, die im Rahmen der vorstehend genannten Grenzen liegt, die Keramikschicht 2 ohne Probleme, insbesondere auch ohne die Gefahr eines Bruches in eine ebene Form zurückgebogen werden kann, und zwar insbesondere auch dann, wenn die obere, an der konkaven Seite der Keramikschicht vorgesehene Metallisierung 3 strukturiert ist und somit zumindest in einem großen Teil der Oberseite der Keramikschicht keine durchgehende Metallisierung bildet, sondern in der Achsrichtung senkrecht zur Krümmungsachse nur jeweils kurze Abmessungen aufweist. Über die obere Metallisierung 3 können somit beim Rückbiegen des Substrates 1 in die ebene Form auch keine übermäßig hohen Zugkräfte zwischen der Keramikschicht 2 und der Metallisierung 3 auftreten.
  • 3 zeigt die Einspannung des Substrates 1 am Rand, d. h. insbesondere auch im Bereich der beiden Schmalseiten 2' an dem einen rechteckförmigen Rahmen bildenden Teil 8 eines Gehäuses 9, mit dem das Substrat 1 dann an der den Teil der Wärmesenke bildenden Platte 6 unter Verwendung der Kühlpaste 7 befestigt werden kann. Zur Aufnahme des Randes des Substrates 1 besitzt das Gehäuseteil 8 eine falzartige Ausnehmung 10, die u. a. eine Anlagefläche 11 für die Abstützung der Oberseite der Keramikschicht 2 im Bereich des Randes bildet. Die Falz- oder Anlagefläche 11, aber auch die Unterseite 12 des Gehäuseteils 8 besitzen einen gekrümmten Verlauf, und zwar entsprechend der Wölbung des Substrates 1 bzw. der Keramikschicht 2. Zusätzlich zu dem vorstehend bereits beschriebenen Vorteil eines verbesserten Wärmeübergangs zwischen dem Substrat 1 und der Metallplatte 6 besteht auch der Vorteil, dass Spannungen zwischen dem Substrat 1 und dem Gehäuse 9 vermieden sind, insbesondere auch bei der Montage des Substrates 1 am Gehäuse 9. Erst beim Befestigen auf der Metallplatte 6 werden das Substrat 1 und das Gehäuse 9 elastisch verformt.
  • Wie die 3 zeigt, ist zwischen dem Rand der Keramikschicht 2 und der Falzfläche 11 eine Zwischenschicht 13 aus einer dauerelastischen Masse, vorzugsweise aus einem dauerelastischen Kleber vorgesehen.
  • Bei der vorbeschriebenen Ausführungsform wurde davon ausgegangen, dass das Substrat 1 nur um die Achse Q' gekrümmt ist. Grundsätzlich ist es aber auch möglich, das Substrat so auszuführen, dass es um zwei senkrecht zueinander verlaufende Achsen, nämlich um die Achse Q' parallel zur Querachse Q und zugleich auch um eine Achse parallel zur Längsachse L gekrümmt ist, und zwar wiederum um beide Achsen konkav an der Oberseite, so dass das Substrat beispielsweise an der Unterseite bzw. an der dortigen Metallisierung 4 eine konvex gewölbte Fläche entsprechend einer Teilfläche einer Kugeloberfläche besitzt.
  • Erfindungsgemäß besitzen die Metallisierungen 3 und 4 jeweils die gleiche Dicke.
  • Bei der vorgeschriebenen Ausführungsform wurde weiterhin davon ausgegangen, dass das Substrat einen rechteckförmigen Zuschnitt, d. h. in Draufsicht eine rechteckförmige Ausbildung aufweist. Auch andere Formen sind für das Substrat denkbar, beispielsweise das in der 4 wiedergegebenen Substrat 14, dessen Form sich aus einer rechteckförmigen oder quadratischen Grundform mit Vorsprüngen an zwei gegenüberliegenden Seiten zusammensetzt, oder das rechteckförmige Substrat 15 mit abgerundeten und/oder abgeschrägten Ecken und/oder das runde Substrat 16.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Substrat
    2
    Keramikschicht
    2'
    Querseite
    3, 4
    Metallisierung
    5
    Halbleiterbauelement
    6
    Metallplatte
    7
    Kühlpaste
    8
    Gehäuseteil
    9
    Gehäuse
    10
    Gehäusefalz
    11
    Falzfläche
    12
    Unterseite
    13
    dauerelastische Masse
    14, 15, 16
    Substrat
    L, Q, Q'
    Achse
    x
    Abstand
    y
    Länge

Claims (9)

  1. Gewölbtes Metall-Keramik-Substrat ausschließlich bestehend aus einer Keramikschicht (2) und jeweils einer an der Oberseite und an der Unterseite der Keramikschicht (2) vorgesehenen Metallisierung (3, 4), wobei das Substrat um wenigstens eine Achse (Q') parallel zur Ebene des Substrates gekrümmt ist, und zwar zur Ausbildung einer konvex gekrümmten Unterseite und einer konkav gekrümmten Oberseite, wobei die Dicke der Metallisierungen (3, 4) an der Oberseite und Unterseite der gewölbten Keramikschicht (2) gleich ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Krümmung des Substrates ohne Einwirkung äußerer Kräfte beständig und in vorgegebenen Grenzen derart ausgebildet ist, dass der Abstand (x), den ein parallel zur Krümmungsachse liegender Rand (2') des Substrates (1, 14, 15, 16) von einer die Mitte der Krümmung oder des Substrates (1, 14, 15, 16) tangential berührenden Ebene (6) aufweist, zwischen etwa 0,1–0,8% der Längenabmessung ist, die das Substrat (1, 14, 15, 16) oder die Keramikschicht (2) in Richtung senkrecht zur Achse (Q') der Krümmung oder in Richtung senkrecht zum Rand (2') besitzt und das Substrat abgestützt auf seiner Unterseite elastisch in die ebene Form zurückgebogen werden kann, so dass es aufgrund der elastischen Spannung der Keramikschicht dicht und fest gegen eine Fläche einer Metallplatte anliegt, wobei aus dem Merkmalsteil ”ohne Einwirkung äußerer Kräfte beständig und in vorgegebenen Grenzen” keine Rechte hergeleitet werden können.
  2. Substrat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (1, 14, 15) und/oder die Keramikschicht (2) und/oder die wenigstens eine Metallisierung (3, 4) einen rechteckförmigen oder im wesentlichen rechteckförmigen Zuschnitt aufweist, und dass die Krümmungsachse (Q') parallel zu den kürzeren Seiten (2') dieses Zuschnitts verläuft.
  3. Substrat nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (15, 16) und/oder die Keramikschicht (2) und/oder die wenigstens eine Metallisierung (3, 4) einen rechteckförmigen oder im wesentlichen rechteckförmigen Zuschnitt mit abgerundeten und/oder abgeschrägten Ecken oder einen runden Zuschnitt aufweist.
  4. Substrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallisierung (3) an der Oberseite des Substrates strukturiert ist.
  5. Substrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallisierungen (3, 4) von Metallfolien, vorzugsweise von Kupferfolien gebildet sind, die mittels der DCB-Technik an der Keramikschicht flächig befestigt sind.
  6. Substrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallisierungen (3, 4) durch Aktivlöten flächig mit der wenigstens einen Keramikschicht (2) verbunden sind.
  7. Substrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Keramikschicht (2) eine Aluminiumoxid-, eine Aluminiumnitrid- oder eine Siliziumnitrid-Keramik ist.
  8. Substrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es um zwei senkrecht zueinander verlaufende Achsen gekrümmt ist.
  9. Substrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallisierung (4) an der Unterseite des Substrates durchgehend ausgebildet ist
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