WO2014008891A2

WO2014008891A2 - Metall-keramik-substrat

Info

Publication number: WO2014008891A2
Application number: PCT/DE2013/100255
Authority: WO
Inventors: Andreas Meyer; Christoph WEHE; Jürgen SCHULZ-HARDER
Original assignee: Curamik Electronics GmbH
Current assignee: Curamik Electronics GmbH
Priority date: 2012-07-11
Filing date: 2013-07-10
Publication date: 2014-01-16
Anticipated expiration: 2015-01-11
Also published as: WO2014008891A3; DE102012106244B4; DE102012106244A1

Abstract

Metall-Keramik-Substrat mit mehreren einen Substratkörper bildenden Schichten, die stapelartig aufeinander liegend und miteinander flächig zu dem Substratkörper verbunden sind und von denen wenigstens eine aus Keramik besteht, mit wenigstens einer äußeren Metallisierung, die an wenigstens einer Oberflächenseite des Substratkörpers vorgesehen und zur Ausbildung von Leiterbahnen, Kontaktflächen und/oder Befestigungsflächen für Bauelemente bildenden Bereichen strukturiert ist, sowie mit einer Kühlerstruktur, die von wenigstens einem von einem Kühlmedium, vorzugsweise von einem flüssigen Kühlmedium durchströmbaren Strömungs- oder Kühlkanal gebildet ist.

Description

Metall-Keramik-Substrat

Die Erfindung bezieht sich auf ein Metall-Keramik-Substrat gemäß Oberbegriff Patenanspruch 1 oder 2.

Metall-Keramik-Substrate, insbesondere auch solche in Form von Leiterplatten für elektrische und elektronische Schaltkreise oder Module sowie Verfahren zum Herstellen derartiger Substrate sind bekannt. In der Regel bestehen diese Substrate aus einer keramischen

Isolierschicht, die an ihren beiden Oberflächenseiten jeweils mit einer Metallisierung versehen ist. Diese ist dann beispielsweise von einer Metallsfolie, z.B. aus Kupfer aus einer

Kupferlegierung gebildet ist, welches mit Hilfe eines geeigneten Verfahrens vollflächig mit der keramischen Isolierschicht verbunden ist.

Bekannt ist u.a. das sogenannte„DCB-Verfahrens" (Direct-Copper-Bond-Technology) beispielsweise zum Verbinden von Metallschichten oder -blechen (z.B. Kupferblechen oder - folien) mit einander und/oder mit Keramik oder Keramikschichten, und zwar unter Verwendung von Metal l- bzw. Kupferblechen oder Metall- bzw. Kupferfolien, 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 US-PS 37 44 120 oder in der DE-PS 23 1 9 854 beschriebenen Verfahren bildet diese Schicht oder dieser Überzug (Aufschmelzschicht) ein Eutektikum mit einer Schmelztemperatur unter der Schmelztemperatur des Metalls (z.B. Kupfers), sodass 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.

Dieses DCB-Verfahren weist dann z.B. folgende Verfahrensschritte auf:

• Oxidieren einer Kupferfolie derart, dass sich eine gleichmäßige Kupferoxidschicht ergibt; · Auflegen des Kupferfolie auf die Keramikschicht;

• Erhitzen des Verbundes auf eine Prozesstemperatur zwischen etwa 1025 bis 1083 °C, z.B. auf ca. 1071 °C;

• Abkühlen auf Raumtemperatur. Analog zu diesem vorgenannten DCB-Verfahren zum Direct-Bonden von Kupfer auf Kupfer oder Kupfer auf Keramik sind auch andere Direct-Metal-Bond-Verfahren- oder Technologien bekannt, mit denen in analoger Weise das Verbinden von Metallschichten oder -blechen ganz allgemein miteinander und/oder mit Keramik- oder Keramikschichten möglich ist. Das DCB- Verfahren und die mit diesem analogen Verfahren werden nachstehend als DMB-Verfahren (Direct-Metal-Bond-Verfahren) bezeichnet werden.

Bekannt ist weiterhin das sogenannte Aktivlot-Verfahren (DE 22131 1 5; EP-A-153 618) z.B. zum Verbinden von Metallisierungen bildenden Metallschichten oder Metallfolien, insbesondere auch von Kupferschichten oder Kupferfolien oder Aluminiumschichten oder Aluminiumfolien mit Keramikmaterial. Bei diesem Verfahren, welches speziell auch zum Herstellen von Metall- Keramik-Substraten verwendet wird, wird bei einer Temperatur zwischen ca. 800 - 1000°C eine Verbindung zwischen einer Metallfolie, beispielsweise Kupferfolie, und einem Keramiksubstrat, beispielsweise Aluminiumnitrid-Keramik, unter Verwendung eines Hartlots hergestellt, welches zusätzlich zu einer Hauptkomponente, wie Kupfer, Silber und/oder Gold auch ein Aktivmetall enthält. Dieses Aktivmetall, welches beispielsweise wenigstens ein Element der Gruppe Hf, Ti, Zr, Nb, Ce ist, stellt durch chemische Reaktion eine Verbindung zwischen dem Lot und der Keramik her, während die Verbindung zwischen dem Lot und dem Metall eine metallische Hartlöt-Verbindung ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Metall-Keramik-Substrat gemäß Oberbegriff Patentanspruch 1 so weiterzubilden, dass eine optimale Kühlwirkung auch von Leistungs- Bauelementen erreicht wird, und zwar bei kompakter Ausbildung des Substrates. Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Metall-Keramik-Substrat entsprechen dem Patentanspruch 1 oder 2 ausgebildet.

Bei der Erfindung sind sämtliche, die Kühlerstruktur bildende Strömungs- oder Kühlkanäle jeweils ausschließlich in wenigstens einer Schicht aus Keramik ausgebildet. Bei einer

Ausführungsform des Metall-Keramik-Substrates mit einem Substratkörper mit mehreren Schichten aus Keramik sind weiterhin innere Metallisierungen und Durchkontaktierungen vorgesehen, und zwar außerhalb der Kühlerstruktur. Hierdurch ergibt sich bei

Aufrechterhaltung einer optimalen Kühlung auch die Möglichkeit einer sehr komplexen und vielseitigen Ausbildung der von den äußeren und inneren Metallisierung gebildeten

Leiterbahnstrukturen bei reduziertem Substrat-Bauvolumen. „Durchkontaktierung" bedeutet im Sinne der Erfindung ganz allgemein einen Bereich, der in einer Schicht aus dem keramischen Werkstoff vorgesehen ist, diese Schicht vollständig durchdringt, d.h. von einer Oberflächenseite dieser Schicht bis an deren andere

Oberflächenseite reicht, aus einem metallischen Werkstoff besteht und vorzugsweise massiv ausgebildet ist sowie eine elektrische und/oder thermische Verbindung durch die Schicht aus dem keramischen Werkstoff herstellt.

„Keramischer Werkstoff" bedeutet im Sinne der Erfindung Keramik oder Mischkeramik. Der Ausdruck„im Wesentlichen" bzw.„etwa" bedeutet im Sinne der Erfindung Abweichungen vom jeweils exakten Wert um +/- 10%, bevorzugt um +/- 5% und/oder Abweichungen in Form von für die Funktion unbedeutenden Änderungen.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung betrifft ein Metall-Keramik-Substrat mit mehreren einen Substratkörper bildenden Schichten, die jeweils aus einem keramischen Werkstoff bestehen und stapeiförmig aufeinander liegend und miteinander flächig zu dem Substratkörper verbunden sind,

mit wenigstens einer von einem metallischen Werkstoff gebildeten äußeren Metallisierung, die an wenigstens einer Oberflächenseite des Substratkörpers vorgesehen und zur Ausbildung von Leiterbahnen, Kontaktflächen und/oder Befestigungsflächen für Bauelemente bildenden Bereichen strukturiert ist,

mit einer Kühlerstruktur, die ausschließlich in den Schichten aus dem keramischen Werkstoff vorgesehen und von wenigstens zwei aneinander anschl ießenden Schichten aus dem keramischen Werkstoff gebildet ist, die zur Ausbildung wenigstens eines Kühlkanals, der von einem Kühlmedium durchströmbar ist, mit einer Vielzahl von Öffnungen derart versehen sind, dass der Kühlkanal Strömungswege für das Kühlmedium aufweist, die sich in Achsrichtung parallel zu den Oberflächenseiten der Schichten sowie senkrecht hierzu verzweigen.

Dieses Metall-Keramik-Substrat ist dann so ausgebildet,

dass die Öffnungen in den die Kühlerstruktur bildenden Schichten eine siebartige Struktur bilden, in der die die Öffnungen von sich kreuzenden Materialstegen aus dem keramischen Werkstoff umgeben und durch diese von einander getrennt sind,

dass die Öffnungen in benachbarten die Kühl erstruktur bildenden Schichten derart gegeneinander versetzt angeordnet sind, dass jeder Öffnung in einer Schicht ein Materialsteg aus dem keramischen Werkstoff einer benachbarten Schicht gegenüberliegt, dass Kreuzungspunkte der Materialstege jeder Schicht Kreuzungspunkten der Materialstege (16) der benachbarter Schicht in einer Achsrichtung senkrecht zu den Oberflächenseiten der Schichten aneinander anschließen und dadurch Pfosten bilden, die sich über die gesamte Höhe der Kühlerstruktur erstrecken, und

dass die wenigstens eine äußere Metallisierung von einer Folie aus dem metallischen Werkstoff gebildet ist, die durch DCB-Bonden oder Aktivlöten mit dem Substratkörpers verbunden ist und eine Dicke im Bereich zwischen 0,02 mm - 1 mm aufweist.

Mehrere Materialstege bilden dabei bevorzugt die Öffnungen umgebende polygonartige Strukturen. Weiterhin weisen die Materialstege senkrecht zu ihrer Längserstreckung bevorzugt eine Breite auf, die kleiner ist als der Durchmesser der jeweiligen von den Meterialstegen umgebenen Öffnung.

In Weiterbildung der Erfindung ist das Metal l-Keramik-Substrat beispielsweise so ausgebildet, dass die Kühl erstruktur mit dem wenigstens einen Strömungskanal ausschließlich in wenigstens zwei Schichten aus dem keramischen Werkstoff ausgebildet ist,

und/oder

dass sich die inneren Metallisierungen und/oder Durchkontaktierungen außerhalb des die Kühlerstruktur bildenden Bereichs des Substratkörpers befinden,

und/oder

dass sich zumindest eine innere Metallisierung zwischen zwei Schichten des

Substratkörpers befindet, von denen wenigstens eine Schicht auch die Kühlerstruktur mit dem wenigstens einen Strömungskanal bildet,

und/oder

dass wenigstens eine Durchkontaktierung in einer Schicht des Substratkörpers vorgesehen ist, die zugleich Teil der Kühlerstruktur ist, und dass sich diese Durchkontaktierung außerhalb des Bereichs der Kühlerstruktur befindet,

und/oder

dass die wenigstens eine Kühlerstruktur von mehreren aneinander anschließenden Schichten oder Teilschichten gebildet ist, die jeweils an der wenigstens einen

Kühlerstruktur eine siebartige Struktur mit einer Vielzahl von durch Materialstege getrennten Öffnungen und diese umgebenden Materialstegen ausgebildet und derart gegeneinander versetzt angeordnet sind, dass jeder Öffnung einer Schicht oder Teilsch ein Materialsteg einer benachbarten Schicht oder Teilschicht gegenüberliegt und die Öffnungen eine Kühlerstruktur mit sich verzweigenden Strömungswegen bilden, insbesondere mit Strömungswegen, die sich in Achsrichtungen parallel zu den Oberflächenseiten der Schichten oder Teilschichten sowie senkrecht hierzu verzweigen, wobei vorzugsweise Kreuzungspunkte der Materialstege jeder Teilschicht oder Schicht an Kreuzungspunkte der Materialstege benachbarter Teilschichten oder Schichten in einer Achsrichtung senkrecht zu den Oberflächenseiten der Schichten oder Teilschichten aneinander anschließen, und zwar zur Ausbildung von Pfosten, die sich über die gesamte

Höhe der Kühl erstruktur erstrecken,

und/oder

dass die von den Kreuzungspunkten gebildeten Pfosten vorzugweise mit einem Kern aus metallischem Werkstoff versehen sind,

und/oder

dass die die wenigstens eine äußere Metal lisierung aufweisende Oberflächenseite des Substratkörpers von einer Schicht aus dem keramischen Werkstoff gebildet ist, und/oder

dass der Substratkörper an seinen beiden einander abgewandten und jeweils von einer Schicht aus dem keramischen Werkstoff gebildeten Oberflächenseiten mit einer äußeren

Metal lisierung, vorzugsweise mit einer äußeren strukturierten Metallisierung versehen ist, und dass vorzugsweise an beiden äußeren Metallisierungen (9) wenigstens ein

Bauelement angeordnet ist,

und/oder

dass der Substratkörper hinsichtlich seiner Schichten, deren Dicke und der Art des für die

Schichten verwendeten Werkstoffs symmetrisch oder im Wesentlichen symmetrisch zu einer parallel zu den Oberflächenseiten des Substratkörpers verlaufenden Mittelebene ausgebildet ist,

und/oder

dass bei Ausbildung der Kühlerstruktur ausschließlich in wenigstens einer Schicht aus dem keramischen Werkstoff der wenigstens eine Strömungskanal bis an die äußere

Metal lisierung oder wenigstens einen Bereich der äußeren Metallisierung reicht, und/oder

dass bei Ausbildung der Kühlerstruktur ausschließlich in wenigstens einer Schicht aus dem keramischen Werkstoff zwischen dem wenigstens einen Strömungskanal der

Kühlerstruktur und der wenigstens einen äußeren Metallisierung zumindest eine Schicht aus dem keramischen Werkstoff vorgesehen ist, und dass in dieser Schicht vorzugsweise wenigstens eine Durchkontaktierung ausgebildet ist, die bis an die äußere Metallisierung reicht,

und/oder dass an einer Oberflächenseite des Substratkörpers Anschlüsse zum Zuführen und/oder

Abführen des Kühlmediums vorgesehen sind,

und/oder

dass die äußeren Metallisierungen von Folien aus einem metallischen Werkstoff gebildet sind, vorzugsweise mit einer Dicke im Bereich zwischen 0,02 mm - 1 mm, beispielsweise im Bereich zwischen 0,15 mm und 0,6 mm,

und/oder

dass die inneren Metallisierungen in Dick- oder Dünnfilmtechnik durch Einbrennen einer elektrisch leitenden Paste hergestellt sind, und zwar mit einer Dicke kleiner als die Dicke der äußeren Metallisierungen,

und/oder

dass der keramische Werkstoff wenigstens ein Material der nachstehenden Gruppe Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Siliziumnitrid, Siliziumcarbid oder eine Mischkeramik aus Aluminiumoxid und Zirkonoxid ist,

und/oder

dass der Werkstoff der äußeren und inneren Metallisierungen sowie der

Durchkontaktierungen Kupfer oder Kupferlegierung oder Aluminium oder eine Kupferoder Aluminiumlegierung ist,

und/oder

dass die Schichten des Substratkörpers durch flächiges Bonden, vorzugsweise durch Aktivlöten und/oder DMB-Bonden und/oder durch Kleben und/oder durch Sinterbonden miteinander verbunden sind,

und/oder

dass die wenigstens eine äußere Metall isierung durch flächiges Bonden, vorzugsweise durch Aktivlöten oder DMB-Bonden und/oder durch Kleben mit dem Substratkörper verbunden ist,

wobei die vorgenannten Merkmale jeweils einzeln oder in beliebiger Kombination verwendet sein können. Weiterbildungen, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und aus den Figuren. Dabei sind alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination grundsätzlich Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung. Auch wird der Inhalt der Ansprüche zu einem Bestandteil der Beschreibung gemacht. Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 in vereinfachter Darstel lung und im Schnitt den Aufbau eines gekühlten Metal l- Keramik-Substrates gemäß der Erfindung;

Fig. 2 in vereinfachter Darstel lung und in Draufsicht eine der die Kühlerstruktur bildenden

Schichten aus Keramik des Substrates der Figur 1 ;

Fig. 3 in vergrößerter Teildarstellung und in Draufsicht einen die Kühl erstruktur bildenden

Bereich der Schicht aus Keramik;

Fig. 4 in Einzeldarstel lung einen Schnitt durch Pfosten der Kühlerstruktur des Substrates der Figur 3;

Fig. 5 - 7 jeweils in vereinfachter Darstel lung und im Schnitt weitere Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Metall-Keramik-Substrates;

Fig. 8 in vereinfachter Darstel lung und im Schnitt eine Schicht aus keramischen Werkstoff.

Das in der Figur 1 al lgemein mit 1 a bezeichnete gekühlte Metal l-Keramik-Substrat besteht im Wesentlichen aus einem plattenförmigen Substratkörper 1 2, der von mehreren stapelartig übereinander angeordneten und flächig miteinander verbundenen Schichten 12.1 und 12.2 ausschließlich aus Keramik besteht, und zwar bei der dargestel lten Ausführungsform aus einer Schicht 12.1 und aus insgesamt vier Schichten 1 2.2. Die Schicht 12.1 bildet bei der für die Figur 1 gewählten Darstellung die Unterseite des Metall-Keramik-Substrates 1 a bzw. des Substratkörpers 12. Auf die Oberseite des Substratkörpers 1 2 bzw. auf der oberen Schicht 12.2 ist eine äußere Metal l isierung 9 aufgebracht, die zur Ausbildung von Bereichen 9.1 und 9.2 in Form von Leiterbahnen, Kontaktflächen, Montageflächen usw. in geeigneter Weise strukturiert ist. Bei der dargestel lten Ausführungsform besitzt der Bereich 9.2, auf dem ein elektrisches Bauelement 1 1 in Form eines Leistungsbauelementes aufgebracht ist, eine gegenüber den anderen Bereichen 9.1 deutl ich vergrößerte Dicke, sodass dieser das Bauelement 1 1 tragende und seitl ich über das Bauteil 1 1 vorstehende Bereich 9.2 zugleich auch optimal als

Wärmespreizer dient. Der Bereich 9.2 ist beispielsweise dadurch real isiert, dass die

Metal lisierung 9 dort mehrlagig ausgeführt ist. In den Schichten 12.2 ist eine Kühlerstruktur mit einer Vielzahl von Kühl- oder Strömungskanälen ausgebildet, die in der Figur 1 sehr

schematisch mit 1 3 angedeutet sind und im Verwendungsfal l des von dem Metall-Keramik- Substrat 1 a und von dem Bauelement 1 1 sowie gegebenenfal ls von weiteren Bauelementen gebildeten Schaltkreises zur Kühlung von dem flüssigen Kühlmedium (z.B. Wasser) durchströmt werden. Entsprechend den Figuren 2 und 3 sind diese Strömungskanäle 1 3 dadurch gebildet, dass die Schichten 1 2.2 in ihrem die Kühlerstruktur bildenden Bereich 14 mit einer Vielzahl von Öffnungen 1 5 ausgebildet sind, die von einer Oberflächenseite der jeweil igen schicht 1 2.2 bis an deren andere Oberflächenseite reichen. Das Kühlmedium durchströmt vorzugsweise von einem Einlass 1 3.1 zu einem Auslass 1 3.2. Die Öffnungen 1 5 sind von Materialstegen 1 6 umgeben, die sich an Kreuzungsbereichen 1 7 kreuzen. Im Detail sind die Öffnungen 1 5 in den Schichten 1 2.2 so ausgeführt, dass die Materialstege 1 6 in der in den Figuren 2 und 3 mit dem Doppelpfeil A angedeuteten Achsrichtung Paare von jeweils zwei unmittelbar aufeinander folgenden Kreuzungspunkten 1 7 bilden. H ierdurch ist es möglich, benachbarte Schichten 1 2.2 in der Achsrichtung A derart um den Achsabstand der benachbarten Kreuzungsbereiche 1 7 versetzt anzuordnen, sodass die Öffnungen 1 5 einer Schicht 12.2 deckungsgleich mit

Materialstegen 1 6 der benachbarten Schicht 1 2.2 l iegen, sich also Strömungswege oder -kanäle 1 3 für das Kühlmedium ergeben, die sich für eine optimale Kühlwirkung in wenigstens drei senkrecht zueinander verlaufenden Raumachsen verzweigen. Die Kreuzungsbereiche 1 7 benachbarter Schichten 12.2 sind dabei deckungsgleich angeordnet und bilden durchgehende Pfosten 1 8, die aus Keramik bestehen und von der Oberseite des Substratkörpers 12 bis an die den Schichten 1 2.2 zugewandte Oberflächenseite der Schicht 1 2.1 reichen.

Bei dem Metall-Keramik-Substrat 1 a sind zwar die Strömungskanäle 1 3 der Kühl erstruktur ausschließlich in den Schichten 1 2.2 aus Keramik durch entsprechende Strukturierung dieser Schichten gebildet, die Strömungskanäle 1 3 sind aber an der Oberseite des Substratkörpers 1 2 durch die Metal l isierung 9 bzw. deren Bereich 9.2 verschlossen, sodass die Strömungskanäle 1 3 bis unmittelbar an die Metal l isierung 9 bzw. den Bereich 9.2 reichen und das Kühlmedium die obere Metall isierung 9 und dabei insbesondere auch den das Bauelement 1 1 tragenden Bereich 9.2 unmittelbar anströmt und kühlt.

Eine Besonderheit des Metal l-Keramik-Substrates 1 a besteht auch darin, dass zusätzl ich zu der äußeren Metal l isierung 9 innere, ebenfal ls strukturierte Metal lisierungen 1 9 mit geringer Dicke zwischen den Schichten aus Keramik vorgesehen sind, und zwar bei der dargestel lten

Ausführungsform zwischen den Schichten 12.2. Mit Durchkontaktierungen 10 aus dem metal l ischem Werkstoff, vorzugsweise aus dem Werkstoff der Metal l isierungen 9 oder 1 9 sind Bereichte 9.1 der äußeren Metall isierung 9 mit Bereichen der inneren Metall isierung 1 9 sowie auch Bereiche der inneren Metal l isierung 1 9 untereinander elektrisch, aber auch thermisch verbunden. Die Durchkontaktierungen 10 befinden sich dabei außerhalb der die

Strömungskanäle 1 3 bildenden Kühlerstruktur. Die Strukturierung der Schichten 12.2 zur Ausbildung der Öffnungen 1 5 erfolgt bevorzugt durch entsprechendes Formen, Stanzen oder Schneiden (auch Laserschneiden) der noch grünen, nicht gebrannten Keramikschichten oder -fol ien. Eine Besonderheit des Metall-Keramik-Substrates 1 a besteht auch darin, dass die Strukturen der äußeren Metallisierung 9 teilweise über Durchkontaktierungen 10 aus metallischem Werkstoff, beispielsweise aus dem für die Metall isierungen 9, 1 9 verwendeten metallischen Werkstoff elektrisch sowie auch thermisch mit den inneren Metallisierungen 19 verbunden sind, und zwar vorzugsweise mit Bereichen der Metallisierungen 9, 1 9, die außerhalb der von den

Strömungskanälen 1 3 gebildeten Kühlstruktur liegen.

Die Figur 4 zeigt in Einzeldarstellung einen der Pfosten 18 bei einer abgewandelten

Ausführungsform des Metall-Keramik-Substrates 1 a. Während vorstehend davon ausgegangen wurde, dass die Pfosten 18 ausschließlich von den Kreuzungsbereichen U der Schichten 12.2 gebildet sind und somit jeweils durchgehend aus Keramik bestehen, zeigt die Figur 4 eine Ausbildung, bei der die Pfosten 18 jeweils innen liegend mit einem Kern 20 ausgeführt sind, der von der Keramik der Schichten 12.2 umschlossen ist und aus einem metallischen Werkstoff, beispielsweise aus dem Werkstoff der Metallisierungen 9 und/oder 19 besteht. Die Figur 5 zeigt in einer Darstellung ähnlich Figur 1 als weitere Ausführungsform ein gekühltes Metall-Keramik-Substrat 1 b, welches sich von dem Metall-Keramik-Substrat 1 a im Wesentlichen nur dadurch unterscheidet, dass der Substratkörper 12 nicht nur an der Unterseite, sondern auch an der mit der Metallisierung 9 versehenen Oberseite die durchgehende, nicht strukturierte Schicht 12.1 aus Keramik aufweist, also die die eigentliche Kühlstruktur bildenden und mit den Öffnungen15 versehenen Schichten 12.2 aus Keramik zwischen den beiden äußeren Schichten 12.1 angeordnet sind. Bei der in der Figur 5 dargestellten Ausführungsform weist der Substratkörper 12 insgesamt drei Schichten 12.2 und zwei Schichten 12.1 auf. Durch diese Ausbildung sind die Strömungskanäle 1 3 nicht nur ausschließlich in den Schichten 12.2 aus Keramik vorgesehen, sondern auch ausschließlich durch keramisches Material begrenzt, d.h. die Wandungen der Strömungskanäle 13 bestehen ausschließlich aus Keramik, was u.a. hinsichtlich der Vermeidung von Korrosionen Vorteile bietet.

Auch bei dem Metall-Keramik-Substrat 1 b sind wiederum außerhalb der von den

Strömungskanälen 1 3 gebildeten Kühlerstruktur in den Schichten 12.1 und 12.2

Durchkontaktierungen 10 vorgesehen, die Bereiche 9.1 der strukturierten äußeren

Metallisierung 9 mit Bereichen der strukturierten inneren Metallisierung 19 zwischen den Schichten 12.1 und 12.2 und Bereiche der strukturierten inneren Metallisierung 1 9 miteinander verbinden.

Die Figur 6 zeigt als weitere Ausführungsform ein Metall-Keramik-Substrat 1 c, welches wiederum eine Keramikstruktur oder ein Keramiksubstrat 21 aus mehreren stapelartig übereinander und flächig miteinander verbundenen Schichten 22 - 25 ausschließlich aus Keramik aufweist, von denen bei der für die Figur 7 gewählten Darstellung die Schicht 22 die Oberseite und die Schicht 25 die Unterseite des Keramiksubstrats 21 bilden. Auf den übrigen Schichten abgewandte obere Oberflächenseite der Schicht 22 ist die strukturierte äußere Metallisierung 9 mit den Bereichen 9.1 und 9.2 aufgebracht. Auf die den übrigen Schichten abgewandte untere Oberflächenseite der Schicht 25 ist ebenfalls eine strukturierte

Metallisierung 9 aufgebracht, die u.a. den Bereich 9.1 bildet. Auf den Bereichen 9.1 und 9.2 der oberen äußeren Metallisierung 9 sowie auf den Bereich 9.1 der unteren äußeren

Metallisierung 9 ist jeweils ein Bauelement 1 1 aufgebracht. In der Schicht 23 ist wenigstens ein Strömungskanal 26 vorgesehen, und zwar für ein flüssiges Kühlmedium, welches dem

Strömungskanal 26 entsprechend dem Pfeil B über einen an der Unterseite des Metall-Keramik- Substrates 1 c vorgesehenen Anschluss 27 zugeführt und nach dem Durchströmen des

Strömungskanals 26 an einem ebenfalls an der Unterseite des Metall-Keramik-Substrats 1 c vorgesehenen Anschluss 28 entsprechend dem Pfeil C aus dem Strömungskanal 26 abgeführt wird. Die beiden Anschlüsse 27 und 28 sind z.B. jeweils von Hülsen oder Rohrstücken aus einem metallischen Werkstoff, vorzugsweise aus dem Werkstoff der unteren äußeren

Metallisierung 9 oder aus einem mit diesem Werkstoff kompatiblen Werkstoff gefertigt. Der wenigstens eine Strömungskanal 26 ist durch die Schicht 22 von der oberen, äußeren

Metallisierung 9 getrennt. Die Anschlüsse 27 und 28 sind jeweils über Anschlusskanäle bildende und in den Keramikschichten 24 und 25 vorgesehene Öffnungen 29 mit dem

Strömungskanal 26 verbunden.

Für die dichte Verbindung der Anschlüsse 27 und 28 ist die untere Metallisierung 9

beispielsweise so strukturiert, dass sie jeweils einen den betreffenden Anschluss 27 bzw. 28 umschließenden ringförmigen oder schlitzförmigen Bereich 9.3 bildet, mit dem der jeweilige Anschluss 27 bzw. 28 in geeigneter Weise, beispielsweise durch Löten verbunden ist.

Auch das Metall-Keramik-Substrat 1 c weist wiederum mehrere Durchkontaktierungen 10 in dem Keramiksubstrat 21 bzw. in den dortigen Schichten 21 und 24 auf, die sich außerhalb der Kühl erstruktur bzw. des wenigstens einen Strömungskanals 26 befinden und die Bereiche 9.1 der äußeren Metallisierung 9 mit Bereichen der zwischen den Schichten 22 und 23 ausgebildeten inneren Metallisierung oder aber zwischen den Schichten 23 - 25 ausgebildete innere Metallisierungen 19 elektrisch, aber auch thermisch miteinander verbinden.

Die Figur 7 zeigt als weitere Ausführungsform ein gekühltes Metall-Keramik-Substrat 1 d, welches sich von dem Metall-Keramik-Substrat 1 c zunächst dadurch unterscheidet, dass die Kühlstruktur bzw. der wenigstens eine Kühl- oder Strömungskanal 26 in der Schicht 24 vorgesehen ist, die bei der für die Figur 7 gewählten Darstellung auf die die Unterseite des Metall-Keramik-Substrats 1 d bildende untere Schicht 25 unmittelbar folgt. Weiterhin weist das Metall-Keramik-Substrat 1 d den Bereich 9.1 der unteren, äußeren Metallisierung 9 mit dem Bauelement 1 1 nicht auf, wohl aber die für die Befestigung der Anschlüsse 27 und 28 dienenden ringförmigen Bereiche 9.3. Die Bereiche 9.1 der oberen, äußeren Metallisierung 9 bilden teilweise Kontaktflächen oder Leiterbahnen sowie auch Befestigungsflächen für

Bauelemente 1 1 . Der Bereich 9.2 der oberen Metallisierung 9 ist wiederum zur Aufnahme eines Leistungsbauelementes 1 1 ausgebildet. Um eine möglichst gute Kühlwirkung zu erreichen, sind in den Schichten 22 und 23 metallische Durchkontaktierungen 10 vorgesehen, die unmittelbar bis an den Bereich 9.2 der oberen Metallisierung 9 reichen bzw. mit diesem Bereich 9.2 verbunden sind und die trotz der Vielzahl der Keramikschichten eine optimale

Wärmeübertragung vom Bereich 9.2 an die zusätzliche Keramikschicht 30 und damit an das den Strömungskanal 24 durchströmende Kühlmittel gewährleisten. Die Schichten 22 - 25 und 30 sind wiederum solche ausschließlich aus Keramik.

Allen vorbeschriebenen Metall-Keramik-Substraten 1 a, 1 b, 1 c und 1 d ist also u.a. gemeinsam, dass dieses Substrat mit wenigstens einer inneren, von einem flüssigen Kühlmedium

durchströmbaren Kühlstruktur sowie insbesondere auch mehrschichtig mit inneren

Metallisierungen 1 9 ausgeführt ist. Hierdurch ergibt sich die Möglich der Schaffung sehr komplexer Schaltkreise oder Module, und zwar trotz optimaler Kühlung bzw. Ableitung von Verlustwärme durch die innere Kühlerstruktur. Besonders vorteilhafte Ausführungen ergeben sich dann, wenn die innere Kühlerstruktur von Metal lschichten Schichten 12.2 aus Keramik mit den Öffnungen 15 gebildet ist.

Allen vorbeschriebenen Metall-Keramik-Substraten 1 a, 1 b, 1 c und 1 d ist u.a. auch gemeinsam, dass die inneren Metallisierungen 1 9 zwischen Schichten 12.1 , 12.2, 22 - 25 und 30 vorgesehen sind, die zugleich auch Teil der Kühlerstruktur sind, so dass eine vor allem auch hinsichtlich der Leiterbahnen sehr komplexe Ausbildung des jeweiligen Substrates bei kompakter Ausbildung bzw. reduziertem Substrat-Bauvolumen möglich ist. Als Werkstoff für die Metallisierungen 9, 19 sowie für die Durchkontaktierungen 10 eignet sich beispielsweise Kupfer oder Aluminium oder Kupfer- oder Aluminiumlegierungen, wobei die Metallisierungen 9 bevorzugt von Folien aus Kupfer oder Aluminium oder Kupfer- oder Aluminiumlegierungen gebildet sind. Die inneren Metallisierungen 19 sind bevorzugt in Dünn- oder Dickfilmtechnik unter Verwendung von entsprechende Metalle enthaltenden Pasten und durch Einbrennen erzeugt. Selbstverständlich können für die inneren Metallisierungen 19 auch bevorzugt dünne Folien aus metallischem Werkstoff, beispielsweise aus Kupfer oder Aluminium oder aus Kupfer- oder Aluminiumlegierungen verwendet sein. Als keramischer Werkstoff für die Schichten 12.1 , 12.2, 22 - 25 und 30 eignet sich beispielsweise ein Material der

nachstehenden Gruppe Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Siliziumnitrid, Siliziumcarbid oder eine Mischkeramik aus Aluminiumoxid und Zirkonoxid.

Das Verbinden der die Metallisierungen 9, 1 9 bildenden Metal lfolien mit den Schichten aus Keramik sowie der Metallfolien oder Schichten aus Metall des Bereichs 9.2 untereinander erfolgt beispielsweise durch DMB-Bonden oder durch Löten, insbesondere Aktivlöten. Auch andere Verfahren, beispielsweise Verbinden durch Kleben sind grundsätzlich möglich.

Das unmittelbare Verbinden der Schichten aus Keramik erfolgt bevorzugt durch Sintern. Auch andere Verfahren sind möglich, beispielsweise Aktivlöten, DMB-Bonden unter Verwendung jeweils einer dünnen oxidierten Metallfolie zwischen den miteinander zu verbindenden Schichten aus Keramik oder Verbinden durch Kleben.

Zumindest eine der Schichten 12.1 , 12.2, 22 - 25, 30 aus Keramik kann ihrerseits auch mehrschichtig, beispielsweise mit einer Basisschicht 3.1 aus Keramik, z.B. aus Silizium-Nitrid, und mit Zwischenschichten 3.2 beispielsweise aus einer oxidischen Keramik an beiden

Oberflächenseiten der Basisschicht 3.1 ausgebildet sein, wie dies in der Figur 8 für die Schicht 3 gezeigt ist.

Die Erfindung wurde voranstehend an Ausführungsbeispielen beschrieben. Es versteht sich, dass zahlreiche Änderungen sowie Abwandlungen möglich sind, ohne dass dadurch der der Erfindung zugrunde liegende Erfindungsgedanke verlassen wird. Bezugszeichenliste

1 a - 1 d Metall-Keramik-Substrat

3 Schicht

3.1 Basisschicht

3.2 Zwischenschichten

9 äußere Metallisierung

9.1 , 9.2, 9.3 strukturierter Bereich der Metallisierung

10 Durchkontaktierung

1 1 Bauelement

12 Substratkörper

12.1 , 12.2 Keramikschicht

13 Strömungs- oder Kühlkanal

14 Bereich

15 Öffnung

16 Materialsteg

1 7 Kreuzungsbereich der Materialstege 1 6

18 Pfosten

19 innere Metallisierung

20 metallischer Kern der Pfosten 18

21 Substratkörper

22 - 25 Keramikschicht

26 Strömungs- oder Kühlkanal

27, 28 Anschluss

29 Öffnung

30 zusätzl iche Keramikschicht

A Achsrichtung

B Kühlmittelzulauf

C Kühlmittelrücklauf

Claims

Patentansprüche

Metal l-Keramik-Substrat mit mehreren einen Substratkörper (1 2, 21 ) bildenden Schichten, die stapelartig aufeinander l iegend und miteinander flächig zu dem Substratkörper (1 2, 21 ) verbunden sind und von denen wenigstens eine aus Keramik besteht, mit wenigstens einer äußeren Metal l isierung (9), die an wenigstens einer Oberflächenseite des Substratkörpers (12, 21 ) vorgesehen und zur Ausbildung von Leiterbahnen, Kontaktflächen und/oder Befestigungsflächen für Bauelemente (1 1 ) bildenden Bereichen (9.1 , 9.2) strukturiert ist, sowie mit einer Kühlerstruktur, die von wenigstens einem von einem Kühlmedium, vorzugsweise von einem flüssigen Kühlmedium durchströmbaren Strömungs- oder

Kühlkanal (1 3, 26) gebildet ist,

dadurch gekennzeichnet,

dass jeder die Kühlerstruktur bildende Strömungs- oder Kühlkanal (1 3, 26) ausschließl ich in wenigstens einer Schicht (1 2.2, 23, 24) aus Keramik vorgesehen ist.

Metal l-Keramik-Substrat mit mehreren einen Substratkörper (1 2) bildenden Schichten (1 2.1 , 12.2), die jeweils aus einem keramischen Werkstoff bestehen und stapeiförmig aufeinander l iegend und miteinander flächig zu dem Substratkörper (1 2, 21 ) verbunden sind, mit wenigstens einer von einem metal lischen Werkstoff gebildeten äußeren Metal l isierung (9), die an wenigstens einer Oberflächenseite des Substratkörpers (12, 21 ) vorgesehen und zur Ausbildung von Leiterbahnen, Kontaktflächen und/oder Befestigungsflächen für

Bauelemente (1 1 ) bildenden Bereichen (9.1 , 9.2) strukturiert ist,

mit einer Kühlerstruktur, die ausschl ießl ich in den Schichten (12.2) aus dem keramischen Werkstoff vorgesehen und von wenigstens zwei aneinander anschl ießenden Schichten (12.2) aus dem keramischen Werkstoff gebildet ist, die zur Ausbildung wenigstens eines Kühlkanals (1 3, 26), der von einem Kühlmedium durchströmbar ist, mit einer Vielzahl von Öffnungen (1 5) derart versehen sind, dass der Kühlkanal (1 3, 26) Strömungswege für das Kühlmedium aufweist, die sich in Achsrichtung paral lel zu den Oberflächenseiten der Schichten (12.2, 23, 24) sowie senkrecht hierzu verzweigen,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Öffnungen (1 5) in den die Kühlerstruktur bildenden Schichten (12.2) eine siebartige Struktur bilden, in der die die Öffnungen (1 5) von sich kreuzenden Materialstegen (1 6) aus dem keramischen Werkstoff umgeben und durch diese von einander getrennt sind, dass die Öffnungen (1 5) in benachbarten die Kühlerstruktur bildenden Schichten (12.2) derart gegeneinander versetzt angeordnet sind, dass jeder Öffnung (15) in einer Schicht (12.2) ein Materialsteg (16) aus dem keramischen Werkstoff einer benachbarten Schicht (12.2) gegenüberliegt,

dass Kreuzungspunkte (1 7) der Materialstege (16) jeder Schicht (12.2) Kreuzungspunkten

(1 7) der Materialstege (1 6) der benachbarter Schicht (12.2) in einer Achsrichtung senkrecht zu den Oberflächenseiten der Schichten (12.2) aneinander anschließen und dadurch Pfosten

(18) bilden, die sich über die gesamte Höhe der Kühl erstruktur erstrecken, und

dass die wenigstens eine äußere Metallisierung (9) von einer Folie aus dem metallischen Werkstoff gebildet ist, die durch DCB-Bonden oder Aktivlöten mit dem Substratkörpers (12) verbunden ist und eine Dicke im Bereich zwischen 0,02 mm - 1 mm aufweist.

Metall-Keramik-Substrat nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass jeder die

Kühl erstruktur bildende Strömungs- oder Kühlkanal (13, 26) ausschließlich in wenigstens zwei Schichten (12.2, 23, 24) aus Keramik vorgesehen ist.

Metall-Keramik-Substrat nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeder die Kühl erstruktur bildende Strömungs- oder Kühlkanal (13, 26) ausschließlich von keramischen Material begrenzt ist.

Metall-Keramik-Substrat nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein die Kühlerstruktur bildender Strömungs- oder Kühlkanal (13, 26) einseitig von einer Metallisierung begrenzt ist.

Metall-Keramik-Substrat nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Strömungskanal (1 3) bis an die äußere Metallisierung (9) oder wenigstens einen Bereich (9.2) der äußeren Metallisierung (9) reicht.

Metall-Keramik-Substrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch

gekennzeichnet, dass zwischen dem wenigstens einen Strömungskanal (1 3, 26) der Kühl erstruktur und wenigstens einer äußeren Metallisierung (9) zumindest eine Schicht (12.1 , 22, 23) aus Keramik vorgesehen ist, und dass vorzugsweise in dieser wenigstens einen Schicht (12.1 , 22, 23) aus Keramik wenigstens eine Durchkontaktierung (10) vorgesehen ist, die bis an die äußere Metallisierung (9) reicht.

Metall-Keramik-Substrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch

gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Kühl erstruktur von wenigstens zwei, vorzugsweise von mehreren aneinander anschließenden Schichten (12.2) aus Keramik gebildet ist, die jeweils an der wenigstens einen Kühlerstruktur eine Struktur mit einer Vielzahl von Öffnungen (15) und diese umgebenden Materialstegen (16) ausgebildet und derart gegeneinander versetzt angeordnet sind, dass jeder Öffnung (15) einer Schicht (12.2) ein Materialsteg einer benachbarten Schicht (12.2) gegenüberliegt und die Öffnungen (1 5) eine Kühlerstruktur mit sich verzweigenden Strömungswegen bilden, insbesondere mit Strömungswegen, die sich in Achsrichtungen parallel zu den Oberflächenseiten der Schichten (12.2) sowie senkrecht hierzu verzweigen, wobei vorzugsweise Kreuzungspunkte (1 7) der Materialstege (1 6) jeder Schicht (12.2) an Kreuzungspunkte (1 7) der Materialstege (16) benachbarter Schichten (12.2) in einer Achsrichtung senkrecht zu den

Oberflächenseiten der Schichten (12.2) aneinander anschließen, und zwar zur Ausbildung von Pfosten (18), die sich über die gesamte Höhe der Kühlerstruktur erstrecken.

Metall-Keramik-Substrat nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die von d

Kreuzungspunkten (1 7) gebildeten Pfosten (18) mit einem Kern (20) aus metallischem Werkstoff versehen sind.

10. Metall-Keramik-Substrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch wenigstens eine innere Metallisierung (1 9) sowie durch wenigstens eine

Durchkontaktierung (10) in wenigstens einer Schicht (12.1 , 12.2, 22 - 25, 30) aus Keramik, wobei die wenigstens eine Durchkontaktierung (10) zumindest einen Bereich (9.1 ) der wenigstens einen äußeren Metallisierung (9) mit einem Bereich einer inneren Metallisierung (19) und/oder wenigstens zwei durch die Schicht (12.1 , 12.2, 24) aus Keramik voneinander getrennte innere Metallisierungen (19) miteinander verbindet.

1 1 . Metall-Keramik-Substrat nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass sich die

wenigstens eine innere Metallisierung (1 9) und/oder Durchkontaktierung (10) außerhalb des die Kühl erstruktur bildenden Bereichs des Substratkörpers (12, 21 ) befinden. 12. Metall-Keramik-Substrat nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass sich

zumindest eine innere Metallisierung (19) zwischen zwei Schichten des Substratkörpers (12, 21 ) befindet, von denen wenigstens eine Schicht (12.2, 23, 24) auch die Kühl erstruktur mit dem wenigstens einen Strömungskanal (1 3, 26) bildet, und/oder

dass wenigstens eine Durchkontaktierung (10) in einer Schicht (12.2, 24) des

Substratkörpers (12, 21 ) vorgesehen ist, die zugleich Teil der Kühlerstruktur ist, und dass sich diese Durchkontaktierung (10) außerhalb des Bereichs der Kühlerstruktur befindet.

13. Metall-Keramik-Substrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch

gekennzeichnet, dass die die wenigstens eine äußere Metallisierung (9) aufweisende Oberflächenseite des Substratkörpers (12, 21 ) von einer Schicht (22, 25) aus dem

keramischen Werkstoff gebildet ist.

14. Metall-Keramik-Substrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch

gekennzeichnet, dass der Substratkörper (21 ) an seinen beiden einander abgewandten und jeweils von einer Schicht (22, 25) aus dem keramischen Werkstoff gebildeten

Oberflächenseiten mit einer äußeren Metallisierung (9), vorzugsweise mit einer äußeren strukturierten Metallisierung (9) versehen ist, und dass vorzugsweise an beiden äußeren Metallisierungen (9) wenigstens ein Bauelement (1 1 ) angeordnet ist. 1 5. Metall-Keramik-Substrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch

gekennzeichnet, dass an einer Oberflächenseite des Substratkörpers (21 ) Anschlüsse (27, 28) zum Zuführen und/oder Abführen des Kühlmediums vorgesehen sind.

16. Metall-Keramik-Substrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch

gekennzeichnet, dass die äußeren Metallisierungen (9) von Folien aus einem metallischen

Werkstoff gebildet sind, vorzugsweise mit einer Dicke im Bereich zwischen 0,02 mm - 1 mm, beispielsweise im Bereich zwischen 0,1 5 mm und 0,6 mm.

1 7. Metall-Keramik-Substrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch

gekennzeichnet, dass die inneren Metallisierungen (1 9) in Dick- oder Dünnfilmtechnik durch Einbrennen einer elektrisch leitenden Paste hergestellt sind, und zwar mit einer Dicke kleiner als die Dicke der äußeren Metallisierungen (9).

18. Metall-Keramik-Substrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch

gekennzeichnet, dass der keramische Werkstoff wenigstens ein Material der nachstehenden

Gruppe Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Siliziumnitrid, Siliziumcarbid oder eine

Mischkeramik aus Aluminiumoxid und Zirkonoxid ist, und/oder

dass das Werkstoff der äußeren und inneren Metallisierungen (5, 9), sowie der

Durchkontaktierungen (10) Kupfer oder Kupferlegierung oder Aluminium oder eine Kupfer- oder Aluminiumlegierung ist.

19. Metall-Keramik-Substrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten des Substratkörpers (12, 21 ) durch flächiges Bonden, vorzugsweise durch Aktivlöten und/oder DMB-Bonden und/oder durch Kleben und/oder durch Sinterbonden miteinander verbunden sind, und/oder

dass die wenigstens eine äußeren Metallisierung (9) durch flächiges Bonden, vorzugsweise durch Aktivlöten oder DMB-Bonden und/oder durch Kleben mit dem Substratkörper (2, 12, 21 ) verbunden ist.