用于制造金属‑陶瓷衬底的方法以及金属‑陶瓷衬底技术

本发明专利技术涉及一种用于制造金属‑陶瓷衬底(1，11，12)的方法，其中，至少一个金属层(3)附连到陶瓷层(2)的至少一个表面侧，金属层(3)通过至少一个沟槽形居间空间(4)被结构化为多个彼此分离的金属化区域(5，6)，以形成导电路径和/或连接表面和/或接触表面，其中，至少所述居间空间(4)被填充电绝缘填充材料(7)。在居间空间(4)中金属化区域(5，6)的面对且邻接陶瓷层(2)的所述表面侧的第一边缘(8)以及在居间空间(4)中金属化区域(5，6)的背离陶瓷层(2)的所述表面侧的至少一个第二边缘(9)覆盖有填充材料(7)。此外，本发明专利技术涉及一种相关的金属‑陶瓷衬底(1，11，12)。

【技术实现步骤摘要】
用于制造金属-陶瓷衬底的方法以及金属-陶瓷衬底
本专利技术涉及一种用于制造金属-陶瓷衬底的方法以及一种相关的金属-陶瓷衬底。
技术介绍
这种金属-陶瓷衬底优选用于半导体功率模块领域。此时，陶瓷板或陶瓷层、例如氧化铝陶瓷在其表面侧中的至少一个上、例如顶侧和/或底侧上设有金属化结构，其中，例如通过蚀刻工艺产生的电路结构、例如导电路径、接触表面和/或连接表面被引入至少一个金属化侧。例如，具有金属化结构的这种陶瓷衬底例如用作电子功率模块的电路载体，其中，它们确保热和机械连接以及电绝缘。金属化结构在陶瓷衬底上的施加可以例如使用如DE2319854A中描述的方法进行。在该工艺中，金属部件、例如铜板或铜箔在表面侧设有由金属和反应气体、特别是氧气的化合物制成的涂层。这种涂层与相邻的薄金属层形成共晶物，共晶物的熔化温度低于金属的熔化温度。然后，将金属部件放置在陶瓷衬底上，并与陶瓷一起加热到高于共晶物的熔点但低于金属的熔化温度的温度。从而，实质上，只有共晶中间层熔化。冷却后，金属部件和陶瓷衬底此时彼此接合。当使用铜或铜合金作为金属时，这种方法也称为DCB结合或DCB工艺(DCB：DirectCopperBonding)，但该方法也可以使用其他金属进行。例如，DCB工艺包括以下工艺步骤：-氧化铜箔，使得形成均匀的铜氧化物层；-将铜箔放置到陶瓷层上；-将复合物加热到大约1025℃到1083℃之间的工艺温度，例如大约1071℃；以及-冷却到室温。由此获得的材料复合物、即金属-陶瓷衬底然后可以以所需方式进一步加工。用于在陶瓷衬底上产生厚的金属化结构的另一种已知方法是，例如DE2213115A或EP153618A2中使用的所谓的活性硬焊工艺(AMB：ActiveMetalBrazing，活性金属硬焊)。在这种工艺中，金属箔与陶瓷衬底之间的接合使用硬焊料在大约800℃到1200℃之间的温度下产生，所述硬焊料除了主成分，例如铜、银和/或金外，还含有活性金属。所述活性金属，例如Hf、Ti、Zr、Nb或Ce的组中的至少一种元素通过化学反应在焊料与陶瓷之间产生接合，而焊料与金属之间的接合通过金属硬焊料接合形成。在这两种工艺中，均使用了高温，因此，由于热膨胀系数的不同，在冷却到室温期间，金属化结构已在底下的陶瓷衬底上施加了力。此外，这种金属-陶瓷衬底当用作电子器件或组件的衬底时由于最终的功率损失而会经受热波动，从而陶瓷层上的应力可在金属化结构的边缘区域产生，所述应力可导致陶瓷层开裂，因此会使该金属-陶瓷衬底或电子组件损坏。为了避免这样的与温度相关的应力，例如从102010024520A1中可得知一种用于提高金属-陶瓷衬底的热机械性能的方法，在所述方法中，金属化结构与陶瓷层之间存在的边缘在施加和结构化所述金属化结构之后通过施加电绝缘填充材料被覆盖。这种填充材料例如可以是耐热的聚合物材料或是由玻璃或陶瓷制成的材料。一种用于制造金属-陶瓷衬底的方法也可从DE102013013842B4中获得，在所述方法中，存在于陶瓷与金属之间的金属化结构的边缘区域处和/或延伸到陶瓷中的裂纹被填充或灌入一种可固化的密封材料，其中，在填充或灌入所述密封材料之后，金属化结构的边缘区域被密封材料覆盖到金属化结构的厚度的至多50％的高度。金属-陶瓷衬底在上述在金属化结构中引入电路结构之后的任务是，通过金属化结构中的沟槽形居间空间在衬底的相同侧分离开不同的电位，例如使用通过所述居间空间彼此间隔开的导电路径、接触表面和/或连接表面。这些居间空间，这里也被称为蚀刻沟槽，由于有限的可用空间或金属-陶瓷衬底上的高的封装密度而通常相对较小，因此，在不同电位的相邻金属化区域之间的这些沟槽中会产生相对较高的电场强度。金属-陶瓷衬底在不利的环境条件下使用的过程中，例如在空气和湿气中残留有硫化氢(H2S)的情况下，可在金属化结构和/或其与陶瓷层的金属接合部(活性焊料)处的高电场强度的这些点开始发生电迁移(＝枝晶生长)。最终，如果在涉及的金属化区域之间发生电迁移，可在它们之间形成短路，这会最终导致金属-陶瓷衬底或由金属-陶瓷衬底所承载的电气或电子器件、特别是半导体器件的损坏。在这样的背景下，本专利技术的目的是提供一种用于制造金属-陶瓷衬底的方法以及一种金属-陶瓷衬底，其中，特别是在通过沟槽形居间空间彼此间隔开的金属化结构的相邻边缘区域的区域处的电迁移至少显著降低，或甚至被完全阻止。而且，金属-陶瓷衬底应该容易制造。
技术实现思路
应当指出，在以下描述中单独解释的特征可以以任何技术上合理的方式彼此结合，并展现了本专利技术的附加实施例。该描述特别是结合附图附加性地表征和具体描述了本专利技术。根据本专利技术，在用于制造金属-陶瓷衬底的方法中，至少一个金属层附连到陶瓷层的至少一个表面侧，所述金属层通过至少一个沟槽形居间空间被结构化为多个彼此分离的金属化区域，以形成导电路径和/或连接表面和/或接触表面。此外，根据本专利技术，至少所述居间空间被填充有电绝缘填充材料。此时，在居间空间中金属化区域的面对且邻接陶瓷层的所述表面侧的第一边缘以及在居间空间中金属化区域的背离陶瓷层的所述表面侧的至少一个第二边缘覆盖有填充材料。所述金属-陶瓷衬底的制造优选使用如在说明书的前序部分中所简要解释的且现有技术中所公知的DCB或AMB方法进行。然而，也可以使用不同的方法、例如通过电镀法将金属层施加到陶瓷衬底或陶瓷层。在该工艺中，对沟槽形居间空间中的金属化区域的下边缘和上边缘的覆盖与用于将金属化结构施加到陶瓷层的方法步骤独立地进行。通过向金属化区域的至少居间空间引入填充材料(所述居间空间如上所述地在金属-陶瓷衬底后来作为电路、特别是功率电路使用的过程中通常是高电场强度的地方)，电化学迁移过程至少被延迟，或甚至完全被阻止。此时，显著有利的是，除了各金属化区域的邻接陶瓷层的下边缘外，各金属化区域的特别是背离陶瓷层的上边缘也被填充材料覆盖，这是因为根据本专利技术，通过这种方式，本会在各金属化区域的上边缘处出来的电通线此时也被导入电绝缘填充材料中。由此，填充材料起着介电质的作用，其中，填充材料的电绝缘性能应至少在金属-陶瓷衬底的工作温度范围内、优选在大约-50℃至约250℃的温度范围内得到确保。此外，至少在沟槽形居间空间中引入的填充材料还防止在使用金属-陶瓷衬底作为电路、特别是功率电路的过程中引入湿气和气体、例如H2S进入所述高电场强度区域，从而防止在金属化区域之间的居间空间中形成含水分子层，所述金属化区域由所述居间空间间隔开，所述分子层是该区域中发生电迁移的必要条件。填充材料的这种性能应至少在金属-陶瓷衬底的工作温度范围内、优选在大约为-50℃至约250℃的温度范围内得到确保。根据本专利技术的一个有利的实施例，至少所述居间空间被填充填充材料包括：将粉末或粘性材料形式的填充材料至少引入到居间空间中，以及随后热或化学处理粉末或粘性材料，以硬化填充材料。换句话说，填充材料首先作为粉末或粘性材料施加到金属-陶瓷衬底，由此特别是被引入沟槽形居间空间。然后，粉末或粘性材料通过热或化学工艺固化或硬化。填充材料的硬化取决于它的化学成分，例如可以通过冷却、加热或紫外线照射进行。为了更容易地填充沟槽形居间空间，本专利技术的另一个有利的实施例提供了：填充材料、特别是粉末或粘性材料形式本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于制造金属‑陶瓷衬底(1，11，12)的方法，其中，至少一个金属层(3)附连到陶瓷层(2)的至少一个表面侧，金属层(3)通过至少一个沟槽形居间空间(4)被结构化为多个彼此分离的金属化区域(5，6)，以形成导电路径和/或连接表面和/或接触表面，其中，至少所述居间空间(4)被填充电绝缘填充材料(7)，其特征在于在居间空间(4)中金属化区域(5，6)的面对且邻接陶瓷层(2)的所述表面侧的第一边缘(8)以及在居间空间(4)中金属化区域(5，6)的背离陶瓷层(2)的所述表面侧的至少一个第二边缘(9)覆盖有填充材料(7)。

【技术特征摘要】
2016.09.30 EP 16191691.11.一种用于制造金属-陶瓷衬底(1，11，12)的方法，其中，至少一个金属层(3)附连到陶瓷层(2)的至少一个表面侧，金属层(3)通过至少一个沟槽形居间空间(4)被结构化为多个彼此分离的金属化区域(5，6)，以形成导电路径和/或连接表面和/或接触表面，其中，至少所述居间空间(4)被填充电绝缘填充材料(7)，其特征在于在居间空间(4)中金属化区域(5，6)的面对且邻接陶瓷层(2)的所述表面侧的第一边缘(8)以及在居间空间(4)中金属化区域(5，6)的背离陶瓷层(2)的所述表面侧的至少一个第二边缘(9)覆盖有填充材料(7)。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于在任何电气或电子器件安装到金属层(3)上之前，填充材料(7)被填充到至少居间空间(4)中。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于在至少一个电气或电子器件安装到金属层(3)上之后，填充材料(7)被填充到至少居间空间(4)中。4.根据前述权利要求中任一所述的方法，其特征在于用填充材料(7)填充至少居间空间(4)包括：将填充材料(7)以粉末或粘性材料的形式引入至少居间空间(4)中，随后热处理或化学处理粉末或粘性材料，以硬化填料材料(7)。5.根据前述权利要求中任一所述的方法，其特征在于粉末或粘性材料通过振动而被压实到至少居间空间(4)中。6.根据前述权利要求中任一所述的方法，其特征在于金属-陶瓷衬底(1，11，12)的存在沟槽形居间空间(4)的至少一个表面侧基本上完全被填充材料(7)覆盖。7.根据前述权利要求中任一所述的方法，其特征在于在用填充材料(7)填充至少居间空间(4)之前，至少一个电连接器(13)连接到为了相关的金属化区域(5，6)的目的而提供的连接表面，使得连接器(...

【专利技术属性】
技术研发人员：A·罗特，
申请(专利权)人：英飞凌科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：德国,DE