DE102008001220A1 - Bauteil mit einem Keramikkörper, dessen Oberfläche metallisiert ist - Google Patents

Bauteil mit einem Keramikkörper, dessen Oberfläche metallisiert ist Download PDF

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Abstract

Mit dem Vordringen der Leistungselektronik in immer höhere Spannungsbereiche verschärfen sich die Forderungen hinsichtlich hoher Isolationsspannungen und großer Teilentladungsfestigkeit. Deshalb wird ein Bauteil (1) mit einem Keramikkörper (2) vorgeschlagen, der in mindestens einem Bereich auf seiner Oberfläche (3, 4) mit einer Metallisierung (5, 6; 11) bedeckt ist und wobei der Keramikkörper (2) räumlich strukturiert (7) ist, und die Teilentladungsfestigkeit zwischen mindestens zwei Schichten einer Metallisierung (5, 6) aus gleichartigen oder unterschiedlichen Werkstoffen sowie zwischen der Schicht (5; 11) einer Metallisierung und der Keramik < 20 pC ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Bauteil mit einem Keramikkörper, der in mindestens einem Bereich auf seiner Oberfläche mit einer Metallisierung bedeckt ist.
  • Mit dem Vordringen der Leistungselektronik in immer höhere Spannungsbereiche verschärfen sich die Forderungen hinsichtlich hoher Isolationsspannungen und großer Teilentladungsfestigkeit. Die Isolations- und Teilentladungsfestigkeit ist unter anderem von Dicke, Material und Homogenität der Bodenisolation, vom Gehäuse- und Füllmaterial und gegebenenfalls auch von der Chipanordnung abhängig.
  • Aus Lastwechseln mit Frequenzen unterhalb etwa 3 kHz und vor allem bei intermittierendem Betrieb, wie er beispielsweise in Traktions-, Aufzugs- und Impulsanwendungen vorherrscht, resultiert eine Temperaturwechselbeanspruchung der modulinternen Verbindungen, d. h. der Bondverbindungen, der Rückseitentötung der Chips, der Lötung DCB/Bodenplatte, und der Substratlaminierung (Cu auf Al2O3 oder AlN). Die unterschiedlichen Längenausdehnungskoeffizienten der einzelnen Schichten verursachen thermische Verspannungen während der Fertigung und im Betrieb, die letztlich zu Materialermüdung und Verschleiß führen. Die Lebensdauer (Anzahl der möglichen Schaltzyklen) fällt mit steigender Amplitude der Schwankung der Chiptemperatur währen dieser Zyklen.
  • Aus der DE 10 2004 033 227 A1 ist ein plattenförmiges Metall-Keramik-Substrat bekannt, welches eine Teilentladungsfestigkeit von < 10 pC zuverlässig einhält.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Bauteil mit einem auf seiner Oberfläche metallisierten Keramikkörper vorzustellen, das nicht ausschließlich plattenförmig, plan, ist und eine hohe Teilentladungsfestigkeit aufweist.
  • Die Lösung der Aufgabe erfolgt mit Hilfe der kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen vorgestellt.
  • Das erfindungsgemäße Bauteil ist räumlich strukturiert. Statt einer Platte ist der Keramikkörper ein dreidimensionales Gebilde. So können sich beispielsweise an eine Platte weitere Teile anschließen, so dass ein Körper in beliebiger Form entsteht. Der Gesamtkörper ist aber einstückig, d. h., er ist nicht aus Einzelteilen zusammengesetzt. Stehen beispielsweise auf einer Platte weitere Platten senkrecht, so kann beispielsweise ein Gesamtkörper entstehen, der E-förmig ist. Eine solche Form haben beispielsweise Heatsinks.
  • Erfindungsgemäß ist die Teilentladungsfestigkeit zwischen mindestens zwei Schichten einer Metallisierung aus gleichartigen oder unterschiedlichen Werkstoffen sowie zwischen der Schicht einer Metallisierung und der Keramik < 20 pC. Diese Teilentladungsfestigkeit wird, je nach vorgegebener gleicher oder unterschiedlicher Messmethode bei einer gleichen oder ungleichen oder sich verändernden vorgegebenen Messspannung oder gleichen oder ungleichen oder sich verändernden Messbedingungen erreicht. Messbedingungen können beispielsweise Druck oder Temperatur oder Luftfeuchte oder gleiche oder ungleiche Abstände der Metallisierungen sein.
  • Beim Aufbringen der Metallisierung auf dem Keramikkörper oder von Metallisierungen aufeinander können sich Blasen und Hohlräume sowie Ablösungen im Randbereich bilden. Dasselbe gilt für den Übergang zwischen einem angeschlossenen Bauteil und der Metallisierung. Diese Fehlstellen am Übergang zwischen zwei Metallisierungen sowie einer Metallisierung und dem Keramikkörper oder einem angeschlossenen Bauteil und der Metallisierung haben einen schädlichen Einfluss auf die Teilentladungsfestigkeit. Damit die geforderte Teilentladungsfestigkeit von < 20 pC nicht überschritten wird, dürfen diese Fehlstellen einen Durchmesser von 100 μm und eine Höhe von 100 μm nicht überschreiten. Der Durchmesser beschreibt eine in einen Kreis einbeschriebene Projektion einer beliebig geformten Fehlstelle.
  • Außerdem beeinflussen die durch die Strukturierung der Metallisierung gebildeten Fehlstellen in Form von Vorsprüngen oder Einbuchtungen an der Oberfläche des Bauteils auf Grund der Störung des elektrischen Feldes an diesen Stellen die Teilentladungsfestigkeit. Deshalb dürfen diese Fehlstellen nur einen Randverlauf aufweisen, dessen Krümmungsradius 10 μm nicht unterschreitet, damit die geforderte Teilentladungsfestigkeit von < 20 pC nicht überschritten wird.
  • Als Metallisierung sind mit dem Keramikkörper bevorzugt Metalle in Form von Beschichtungen oder Folien oder Blechen stoffschlüssig oder durch mechanischen Formschluss vollflächig oder teilflächig verbunden, die eine gleiche oder unterschiedliche Wärmeleitfähigkeit wie der Keramikkörper besitzen. Die Metallisierung kann beispielsweise aus Wolfram, Silber, Gold, Kupfer, Platin, Palladium, Nickel, Aluminium oder Stahl in reiner oder technischer Qualität oder aus Mischungen von mindestens zwei unterschiedlichen Metallen bestehen. Die Metallisierung kann beispielsweise auch, zusätzlich oder allein, aus Reaktionsloten, Weichloten oder Hartloten bestehen.
  • Den Metallen der Metallisierung in Form von Beschichtungen oder Folien oder Blechen können Haft vermittelnde oder andere Zuschlagstoffe wie beispielsweise Gläser oder polymere Werkstoffe zugegeben werden oder sie können damit beschichtet werden, um die Haftfähigkeit der Metallisierung auf dem Keramikkörper zu erhöhen.
  • Die Schicht oder die Schichten der Metallisierung werden unter Verwendung eines DCB-Verfahrens (Direct Copper Bonding) oder AMB-Verfahrens (Active Metal Brazing) oder Siebdruckverfahrens oder elektrolytischen Verfahrens oder chemischer Abscheidung oder eines Bedampfungsverfahrens oder mittels Adhäsion oder Verklebung oder einer Kombination dieser Verfahren auf der Oberfläche des Körpers auf gegenüberliegenden und/oder angrenzenden Flächen aufgebracht.
  • Die Metallisierung auf dem Keramikkörper besteht aus mindestens einer Schicht pro metallisierter Fläche. Die Metallisierung bedeckt die Oberfläche des Keramikkörpers als Metallkörper teilflächig oder vollflächig oder teilweise oder vollständig in planparalleler oder nahezu planparalleler Form oder beliebig geometrisch ausgeformt oder in Kombination der Formen.
  • Die Schichtdicke einer Metallisierung sollte unter 2 mm liegen, damit die geforderte Teilentladungsfestigkeit von < 20 pC nicht überschritten wird.
  • Eine oder mehrere Metallisierungen auf dem Keramikkörper können ausschließlich aus Kupfer bestehen. Die Verbindung mit dem Keramikkörper erfolgt mittels des Siebdruckverfahrens mit anschließender thermischer Behandlung oder des DCB-Verfahrens.
  • Eine oder mehrere Metallisierungen auf dem Keramikkörper können ausschließlich aus Aluminium bestehen. Die Verbindung mit dem Keramikkörper erfolgt mittels des Siebdruckverfahrens mit anschließender thermischer Behandlung oder mittels des AMB-Verfahrens.
  • Soll auf die Oberfläche des Keramikkörpers oder einer Metallisierung eine weitere Schicht aufgetragen werden, kann es vorteilhaft sein, zur Haftvermittlung eine Zwischenschicht aufzubringen. Eine solche Zwischenschicht hat vorzugsweise eine Dicke von ≤ 20 μm. Wenn beispielsweise eine Metallisierung aus Kupfer auf eine Aluminiumnitrid-Keramik mittels des DCB-Verfahrens aufgebracht werden soll, ist es vorteilhaft, wenn eine Zwischenschicht aus Al2O3 auf der Oberfläche des Keramikkörpers erzeugt wird. Dadurch wird die Haftfestigkeit der Metallisierung mit Kupfer erhöht.
  • Die Anbindung der mindestens einen Metallisierung und/oder einer weiteren Metallisierung an den Keramikkörper ist > 90%.
  • Die mindestens eine Metallisierung ist mit dem Keramikkörper mit einer Haftfestigkeit von wenigstens 12 N/cm verbunden. Dadurch ist sichergestellt, dass insbesondere durch die thermische Belastung keine Ablösung der Metallisierung von dem Keramikkörper erfolgt.
  • Der Körper des Bauteils besteht aus einem Keramikwerkstoff, der in seiner Zusammensetzung auf die geforderten Eigenschaften, beispielsweise Isolation, Teilentladungsfestigkeit und die thermische Stabilität, abgestimmt werden kann.
  • Der Keramikwerkstoff enthält als Hauptkomponente 50,1 Gew.-% bis 100 Gew.-% ZrO2/HfO2 oder 50,1 Gew.-% bis 100 Gew.-% Al2O3 oder 50,1 Gew.-% bis 100 Gew.-% AlN oder 50,1 Gew.-% bis 100 Gew.-% Si3N4 oder 50,1 Gew.-% bis 100 Gew.-% BeO, 50,1 Gew.-% bis 100 Gew.-% SiC oder eine Kombinatinon von mindestens zwei der Hauptkomponenten in beliebiger Kombination im angegebenen Anteilsbereich sowie als Nebenkomponente die Elemente Ca, Sr, Si, Mg, B, Y, Sc, Ce, Cu, Zn, Pb in mindestens einer Oxidationsstufe und/oder Verbindung mit einem Anteil von ≤ 49,9 Gew.-% einzeln oder in beliebiger Kombination im angegebenen Anteilsbereich. Die Hauptkomponenten und die Nebenkomponenten, unter Abzug eines Anteils an Verunreinigungen von ≤ 3 Gew.-%, sind in beliebiger Kombination miteinander zu einer Gesamtzusammensetzung von 100 Gew.-% miteinander kombinierbar.
  • Vorzugsweise ist der Keramikkörper des Bauteils als Heatsink ausgebildet. Unter einem Heatsink wird ein Körper verstanden, der elektrische oder elektronische Bauelemente oder Schaltungen trägt und der so geformt ist, dass er die in den Bauelementen oder Schaltungen entstehende Wärme so abführen kann, dass kein Wärmestau entsteht, der den Bauelementen oder Schaltungen schaden kann. Der Trägerkörper ist ein Körper aus einem Werkstoff, der elektrisch nicht oder nahezu nicht leitend ist und eine gute Wärmeleitfähigkeit besitzt. Der ideale Werkstoff für einen solchen Körper ist Keramik.
  • Der Körper ist einstückig und weist Wärme ab- oder zuführende Elemente zum Schutz der elektronischen Bauelemente oder Schaltungen auf. Bevorzugt ist der Trägerkörper eine Platine und die Elemente sind Bohrungen, Kanäle, Rippen und/oder Ausnehmungen, die mit einem Heiz- oder Kühlmedium beaufschlagbar sind. Das Medium kann flüssig oder gasförmig sein. Der Trägerkörper und/oder das Kühlelement bestehen vorzugsweise aus mindestens einer keramischen Komponente oder einem Verbund von unterschiedlichen Keramikwerkstoffen.
  • An Hand eines Ausführungsbeispiels wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigt ein Bauteil 1, das einen Keramikkörper 2 aufweist, der erfindungsgemäß nicht plattenförmig ist. Nicht plattenförmig heißt, dass die Oberseite 3 und die Unterseite 4 des Keramikkörpers 2 so ausgebildet sind, dass sie jeweils eine unterschiedlich große Oberfläche aufweisen. Der Körper ist räumlich strukturiert. Die Oberseite 3 des Bauteils 1 weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine ebene Oberfläche auf. Auf dieser Oberseite 3 sind verschiedene metallisierte Bereiche 5 aufgebracht. Die Oberseite 3 ist ein Schaltungsträger. Auf mindestens einer Metallisierung 5 auf der Oberseite 3 des Keramikkörpers 2 ist mindestens eine weitere Metallisierung 6 aufgetragen, die im vorliegenden Fall die Oberfläche der ersten Metallisierung 5 teilflächig überdeckt.
  • Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Keramikkörper 2 E-förmig. Der Körper ist ein Heatsink. Die Unterseite 4 des Keramikkörpers 2 weist Kühlrippen 7 auf. Auch die Kühlrippen 7 sind mit metallisierten Bereichen 5 versehen, an denen beispielsweise elektronische Bauteile angelötet werden können.
  • Auf der Oberfläche 3 des Keramikkörpers 2 ist ein Chip 8 auf einem metallisierten Bereich 5 mittels einer Lotverbindung 9 befestigt. Über Leitungen 10 ist er mit einem metallisierten Bereich 5 verbunden. Dieser Chip 8 stellt eine Wärmequelle dar, deren Wärme über die Kühlrippen 7 abgeführt wird.
  • Wenn eine Metallisierung aus Kupfer auf eine Aluminiumnitrid-Keramik mittels des DCB-Verfahrens aufgebracht werden soll ist es vorteilhaft, wenn sich eine Zwischenschicht aus Al2O3 auf der Oberfläche des Keramikkörpers befindet. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird das auf der linken Seite des Keramikkörpers 2 an einer Kühlrippe 7 gezeigt. Unter der Annahme, dass der Körper 2 aus Aluminiumnitrid besteht, ist zwischen der Metallisierung aus Kupfer 11 und der Oberfläche des Keramikkörpers 2 eine Zwischenschicht 12 aus Al2O3 erzeugt worden. Mit der Metallisierung aus Kupfer 11 ist mittels eines Lots 13 ein elektronisches Bauteil 14 verbunden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 102004033227 A1 [0004]

Claims (20)

  1. Bauteil (1) mit einem Keramikkörper (2), der in mindestens einem Bereich auf seiner Oberfläche (3, 4) mit einer Metallisierung (5, 6; 11) bedeckt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilentladungsfestigkeit zwischen mindestens zwei Schichten einer Metallisierung (5, 6) aus gleichartigen oder unterschiedlichen Werkstoffen sowie zwischen der Schicht (5; 11) einer Metallisierung und der Keramik < 20 pC ist und dass der Keramikkörper (2) räumlich strukturiert ist (7).
  2. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Hohlräume bildende Fehlstellen am Übergang zwischen zwei Metallisierungen (5, 6), am Übergang zwischen einer Metallisierung (5; 11) und dem Keramikkörper (2) sowie am Übergang zwischen einem angeschlossenen Bauteil (8; 14) und der Metallisierung (5; 11) einen Durchmesser von 100 μm und eine Höhe von 100 μm nicht überschreiten.
  3. Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass von der strukturierten Metallisierung (5, 6; 11) gebildete Fehlstellen in Form von Vorsprüngen oder Einbuchtungen an der Oberfläche des Bauteils einen Randverlauf aufweisen, dessen Krümmungsradius 10 μm nicht unterschreitet.
  4. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Metallisierung (5, 6; 11) mit dem Keramikkörper (2) bevorzugt Metalle in Form von Beschichtungen oder Folien oder Blechen stoffschlüssig oder durch mechanischen Formschluss vollflächig oder teilflächig verbunden sind, die eine gleiche oder unterschiedliche Wärmeleitfähigkeit wie der Trägerkörper besitzen.
  5. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallisierung (5, 6; 11) aus Wolfram, Silber, Gold, Kupfer, Platin, Palladium, Nickel, Aluminium oder Stahl in reiner oder technischer Qualität oder aus Mischungen von mindestens zwei unterschiedlichen Metallen und/oder, zusätzlich oder allein, aus Reaktionsloten, Weichloten oder Hartloten (9; 13) besteht.
  6. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass den Metallen der Metallisierung (5, 6; 11) in Form von Beschichtungen oder Folien oder Blechen Haft vermittelnde oder andere Zuschlagstoffe wie insbesondere Gläser oder polymere Werkstoffe zugegeben sind oder sie damit beschichtet sind.
  7. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallisierung (5, 6; 11) auf dem Keramikkörper (2) aus mindestens einer Schicht besteht und dass diese Schicht unter Verwendung eines DCB-Verfahrens (Direct Copper Bonding) oder AMB-Verfahrens (Active Metal Brazing) oder Siebdruckverfahrens oder elektrolytischen Verfahrens oder chemischer Abscheidung oder eines Bedampfungsverfahrens oder mittels Adhäsion oder Verklebung oder einer Kombination dieser Verfahren auf der Oberfläche des Körpers auf gegenüberliegenden und/oder angrenzenden Flächen aufgebracht ist.
  8. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallisierung (5, 6; 11) als Metallkörper die Oberfläche (3, 4) des Keramikkörpers (2) teilflächig oder vollflächig oder teilweise oder vollständig in planparalleler oder nahezu planparalleler Form oder beliebig geometrisch ausgeformt oder in Kombination der Formen überdeckt.
  9. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass auf mindestens einer Metallisierung (5) auf dem Keramikkörper (2) mindestens eine weitere Metallisierung (6) aufgetragen ist, die deren Oberfläche teilflächig oder vollflächig überdeckt.
  10. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke einer Metallisierung (5, 6; 11) unter 2 mm liegt.
  11. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere Metallisierungen (11) auf dem Keramikkörper (2) nur aus Kupfer bestehen und dass die Verbindung mit dem Keramikkörper (2) mittels Siebdruckverfahrens mit anschließender thermischer Behandlung oder DCB-Verfahren erfolgt ist.
  12. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere Metallisierungen auf dem Keramikkörper (2) nur aus Aluminium sind und dass die Verbindung mit dem Keramikkörper (2) mittels Siebdruckverfahrens mit anschließender thermischer Behandlung oder AMB-Prozess erfolgt ist.
  13. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Anbindung der mindestens einen Metallisierung und/oder einer weiteren Metallisierung (5, 6; 11) an den Keramikkörper (2) größer 90% ist.
  14. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Metallisierung (5, 6; 11) mit dem Keramikkörper (2) mit einer Haftfestigkeit von wenigstens 12 N/cm verbunden ist.
  15. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke einer Schicht der Metallisierung (5, 6; 11) ≤ 2 mm beträgt.
  16. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass auf mindestens einer Oberfläche des Keramikkörpers (2) oder einer Metallisierung zur Haftvermittlung einer weiteren Schicht (11) oder eines Bauteils eine Zwischenschicht (12) aufgebracht ist.
  17. Bauteil nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Zwischenschicht (12) ≤ 20 μm beträgt.
  18. Bauteil nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (12) aus Al2O3 besteht.
  19. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Keramikwerkstoff als Hauptkomponente 50,1 Gew.-% bis 100 Gew.-% ZrO2/HfO2 oder 50,1 Gew.-% bis 100 Gew.-% Al2O3 oder 50,1 Gew.-% bis 100 Gew.-% AlN oder 50,1 Gew.-% bis 100 Gew.-% Si3N4 oder 50,1 Gew.-% bis 100 Gew.-% BeO, 50,1 Gew.-% bis 100 Gew.-% SiC oder eine Kombinatinon von mindestens zwei der Hauptkomponenten in beliebiger Kombination im angegebenen Anteilsbereich enthält sowie als Nebenkomponente die Elemente Ca, Sr, Si, Mg, B, Y, Sc, Ce, Cu, Zn, Pb in mindestens einer Oxidationsstufe und/oder Verbindung mit einem Anteil von ≤ 49,9 Gew.-% einzeln oder in beliebiger Kombination im angegebenen Anteilsbereich enthält und dass die Hauptkomponenten und die Nebenkomponenten, unter Abzug eines Anteils an Verunreinigungen von ≤ 3 Gew.-%, in beliebiger Kombination miteinander zu einer Gesamtzusammensetzung von 100 Gew.-% miteinander kombiniert sind.
  20. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Keramikkörper (2) mit Kühlrippen (7) versehen als Heatsink ausgebildet ist.
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