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Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Metall-Keramik-Hybridsubstrat zur Aufnahme von Leistungs-Halbleiterbauelementen.

Im Bereich der Leistungselektronik, insbesondere bei Leistungsendstufen, sind aufgrund der hohen Ströme und Verlustleistungen konventionelle Substrate bzw. Schaltungsträger, z.B. Leiterplatten, im Allgemeinen nicht verwendbar. Daher werden zum Teil Metall-Keramik-Hybridsubstrate in Sandwich-Bauweise mit einer Keramikplatte und Metallbeschichtungen verwendet.

DBC- (direkt bonded copper) Substrate werden aus einer Keramikplatte mit einer oberen Metallschicht gebildet; vorteilhafterweise ist oftmals ergänzend eine untere Metallschicht vorgesehen. Die beiden Werkstoffe werden bei hoher Temperatur unter Ausbildung einer Spinell-Verbindung miteinander verbunden. Durch den Unterschied der thermischen Ausdehnungskoeffizienten treten beim Abkühlen auf Raumtemperaturen und im Betrieb mechanische Spannungen im Substrat auf.

Neben DBC-Substraten sind weiterhin auch andere Metall-Keramik-Hybridsubstrate bzw. Hybridschaltungsträger auf Metall-Keramik-Basis bekannt, bei denen jedoch im Allgemeinen zwischen den Metallschichten und der Keramikplatte ein Lot angebracht wird. Die Metall-Keramik-Hybridsubstrate werden im Allgemeinen mit ihrer Unterseite, d.h. mit der Unterseite der Keramikplatte oder vorteilhafterweise mit der unteren Metallschicht, auf einer Wärmesenke, z.B. einem Metallträger, montiert.

Zur Ausbildung einer elektrischen Schaltung wird im Allgemeinen die obere Metallschicht in einem Ätzschritt strukturiert. Aufgrund der Vorspannungen im Materialsandwich und der Strukturierung kommt es zu einer Änderung des Spannungszustandes und einer Deformation des Substrates, der sich vor allem unterhalb der Ecken und Kanten des Metalls in der Keramik äußert. Durch aktive (Bestromung des Leistungsbauelementes) und passive (Umgebungsbedingungen) Temperaturwechsel, weiterhin auch durch die jeweiligen Einbaubedingungen (z. B. die Befestigung des Substrates auf einer Grundplatte) und lokale Kräfte durch aufgebrachte Bauelemente kann es zu Beschädigungen und hierdurch zum Versagen derartiger Schichtsysteme kommen; bei DBC-Substraten kann hierbei insbesondere eine Rissinitiierung in der Keramik auftreten. Da sich hierbei die Metallschicht muschelförmig abhebt, wird dieser Versagungsmechanismus als Muschelbruch bezeichnet. Bei AMB-Substraten können auch andere Schadensbilder auftreten, z. B. eine Delamination.

Derartige Risse und Muschelbrüche treten insbesondere am Ende von Leiterbahnen auf, an denen sich durch unterschiedliches thermisches Ausdehnungsverhalten erzeugte – im allgemeinen nicht gleichmäßige – mechanische Spannungen addieren. Da gerade an den Enden der Leiterbahnen jedoch meist Funktionsflächen, z.B. Bondbereiche, angeordnet sind, ist ein Versagen an diesen Stellen besonders kritisch.

Zum Abbau der mechanischen Spannungen werden herkömmlicherweise verschiedene Maßnahmen durchgeführt; so wird zum Teil der Randbereich der Metallstrukturelemente derartig designed, dass ein stetiger oder stufenweiser Übergang vom Metall zur Keramik erreicht wird. Entsprechend können die metallischen Strukturelemente in ihrem Randbereich auch perforiert werden; die Ausbildung derartiger Strukturen und Konstruktionselemente ist z. B. in der DE 44 06 397 A1 gezeigt. Hierdurch kann ein gleichmäßigerer Stressabbau erreicht werden. Es kann jedoch gegebenenfalls ein Erhöhung der erforderlichen Fläche auf dem Substrat erfolgen.

Weiterhin können die Bauelemente auf einzelne, voneinander getrennte Module verteilt werden, so dass die Flächen und der thermisch induzierte Belastungsanteil kleiner werden. Hierdurch steigt jedoch zum einen der Gesamtflächenbedarf und insbesondere die Produktionskosten. Weitere Maßnahmen können der Eingriff in Materialparameter (z. B. die Veränderung der Textur der Keramik oder der Duktilität und Kristallstruktur des Metalls), der Eingriff in den Verbindungsprozess (Zeit, Temperaturprofil) oder die Wahl von anderen, in der Regel teureren Materialien sein. Hierbei können die im Allgemeinen als Metallbleche aufgebrachten Metallschichten an der Keramik mit aufwendigeren Verbindungsverfahren angebracht werden, was jedoch im Allgemeinen die Herstellungskosten erhöht.

Die US 6,844,621 B1 zeigt eine Halbleiteranordnung mit einem Metall-Keramik-Hybridsubstrat mit rechteckiger Grundform, bei dem die Ecken der Rechteckform der Keramikplatte und/oder die Ecken der rechteckigen oberen Metallplatte entfernt werden, so dass sich eine achteckige Ausbildung ergibt, die den auftretenden thermischen Belastungen besser Stand hält.

Das erfindungsgemäße Metall-Keramik-Hybridsubstrat weist demgegenüber einige Vorteile auf.

Erfindungsgemäß werden somit wohl die Leiterbahnen mit Winkeln größer als 90° und entsprechend die Pads mit konvexen stumpfwinkligen Ecken, d.h. mit Winkeln größer als 90° und kleiner 180°, ausgebildet. Vorteilhafterweise sind die Pads als stumpfwinklige Vielecke mit mehr als vier Ecken ausgebildet, und die Leiterbahnen in mehrere, über stumpfe Ecken miteinander verbundene Leiterbahnabschnitte unterteilt.

Erfindungsgemäß wird somit eine Modifikation der Schaltungsstrukturierung vorgenommen, um die Lebensdauer des Metall-Keramik-Hybridsubstrates zu erhöhen. Durch die erfindungsgemäße Strukturierung werden 90°-Ecken, an denen sich aus zwei Richtungen kommende Spannungen zu Spannungsspitzen addieren können, vermieden. Die entlang langer Kanten bzw. Leiterbahnen auftretenden Spannungen werden erfindungsgemäß auf kleinere Bereiche verteilt, wobei die Wirkrichtung der thermischen Kräfte einmal oder mehrmals verändert wird.

Weiterhin können ganz oder teilweise auf die eingangs genannten zusätzlichen Konstruktionselemente in den Metallschichten und Ätzgruben, die die Lebensdauer des Substrates erhöhen sollen und vor allem in den Ecken und Kanten angeordnet werden und zusätzliche Fläche erfordern, vermieden werden.

Vorteilhafterweise wird eine Strukturierung der Metallschicht in eine Vielzahl von Strukturelementen vorgenommen, die insbesondere regelmäßige Sechsecke, aber z.B. auch regelmäßige oder unregelmäßige Fünf-, Sieben- oder Achtecke sein können. Bei einer derartigen Strukturierung der Metallfläche können sowohl die Pads als auch die Leiterbahnen durch entsprechende Aneinanderreihung angrenzender Strukturelemente ausgebildet werden. Der Verlauf der Leiterbahnen kann der Form der jeweiligen Vielecke angepasst werden. Hierbei können die jeweils auftretenden Kanten bzw. Ecken der Strukturelemente nach außen abgerundet werden. Weiterhin kann in an sich bekannter Weise zum gleichmäßigen Spannungsabbau eine stufenweise oder kontinuierliche Verdünnung der Schichtdicke, auch durch Ätzgruben oder Perforationen, vorgenommen werden.

Durch die Ausbildung derartiger Vielecke können auftretende mechanische Spannungen in mehrere Richtungen verteilt werden, so dass gegenüber der rechteckigen, herkömmlichen Ausbildung von Flächen und Leiterbahnen eine gleichmäßigere Spannungs- bzw. Kraftverteilung und weiterhin eine gleichmäßigere Wärmeableitung möglich ist.

Insbesondere bei Ausbildung entsprechender Sechsecke als Strukturelemente mit anschließender Verrundung der äußeren Ecken, können sowohl Rechteckformen nachgebildet als auch z.B. im Wesentlichen kreisförmige Elemente gebildet werden. Die Leiterbahnen können hierbei zwischen den Pads hindurchgeführt werden, statt wie bei herkömmlichen Architekturen an den Außenseiten über große Wege geführt zu werden.

Die erfindungsgemäßen Schaltungen mit dem erfindungsgemäßen Metall-Keramiksubstrat können auch vergossen werden.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beiliegenden Zeichnungen an einigen Ausführungsformen erläutert. Es zeigen:

1a, b Leiterbahnen mit durch Stressbelastung geschädigten Bereichen: a) eine herkömmliche, gradlinige Leiterbahn, b) eine erfindungsgemäß ausgebildete Leiterbahn,

2a–c den Verlauf von Leiterbahnen auf Substraten:

  • a) ein herkömmlicherweise realisierter Leiterbahn-Verlauf,
  • b) ein herkömmlicherweise als ideal angesehener, aber kaum realisierbarer Leiterbahn-Verlauf,
  • c) ein erfindungsgemäßer Leiterbahn-Verlauf bzw. Leiterbahn-Architektur,

3 einen Querschnitt durch ein DBC-oder AMB-Substrat,

4 eine erfindungsgemäße Strukturierung der Metallschichten in Strukturierungselemente bzw. Designelemente für Die-Pads;

5a, b Aufsichten auf Metallflächen erfindungsgemäßer Substrate.

Gemäß 3 weist ein erfindungsgemäßes Substrat 1 eine Keramikplatte 2, eine auf der Oberseite der Keramikplatte 2 aufgebrachte obere Metallschicht 3 und eine auf der Unterseite der Keramikplatte 2 aufgebrachte untere Metallschicht 4 auf. Alternativ zu der gezeigten Ausführungsform kann die untere Metallschicht 4 auch weggelassen werden. Das so ausgebildete Metall-Keramik-Substrat 1 nimmt auf der Oberseite der oberen Metallschicht 3 auf Pads 14 Leistungs-Halbleiterbauelemente 5 auf, die z. B. über Drahtbonds 6 kontaktiert sind. Weiterhin können auf den Pads 14 ergänzend oder auch anstelle der Leistungs-Halbleiterbauelemente 5 weitere Komponenten vorgesehen sein. Das Metall-Keramik-Substrat 1 kann bei der gezeigten Ausführungsform mit seiner unteren Metallschicht 4, bei einer Ausführungsform ohne die untere Metallschicht 4 direkt mit der Keramikplatte 2 auf einer als Wärmesenke dienenden Metallplatte 7 oder einem fluiddurchströmten Kühlkörper befestigt werden. Die Befestigung kann mittels Stoff-., Kraft- und/oder Formschluss erfolgen.

Das Substrat 1 kann insbesondere ein DBC (direct bonded copper) mit Al2O3 (Aluminiumoxid) als Keramikmaterial und direkt – d.h. ohne Lot – als Bleche aufgebrachten Kupferschichten 3, 4 sein. Hierbei bildet sich eine Grenzfläche der Kupferschichten 3, 4 zu der Al2O3-Keramikplatte 2 eine Spinell-Schicht aus, so dass an dieser Grenzfläche kein Lot erforderlich ist. Weiterhin können als Keramik-Material z.B. auch Aluminiumnitrid (AIN) oder Siliziumnitrid (Si3N4) und als Metall z.B. Aluminium verwendet werden. Als Metall-Keramik-Substrate können insbesondere Al auf Aluminiumoxid, z. B. direct aluminium bonded (DAB), Cu auf Siliziumnitrid, Al auf Siliziumnitrid oder Al auf Aluminiumnitrid verwendet werden. Hierbei können insbesondere AMB-Substrate (active metal brazing) mit Al auf AIN verwendet werden. Bei derartigen Systemen kommen im Allgemeinen Verbindungsverfahren wie z. B. Hartlötprozesse zum Einsatz, um die Metallschichten 3, 4 und die Keramikplatte 2 zu verbinden. Als Materialien können auch partikelverstärkte Werkstoffe wie MMCs (metal matrix composits) wie z. B. AlSiC oder CMCs (ceramic matrix composits) verwendet werden; es kann z. B. auch SiC eingesetzt werden, dessen Ausdehnungskoeffizient – wie auch der von AlSiC – sich über einen weiten Bereich variieren lässt.

Die Herstellung der Metall-Keramik-Substrate 1 erfolgt im Allgemeinen durch Anbringen der Metallschichten 3, 4 als Bleche und einem Temperaturbehandlungsschritt wie z. B. Sintern, Löten oder Tempern. Die Metallschicht 3 und gegebenenfalls 4 wird nachfolgend in einem oder mehreren Ätzschritten strukturiert. Aufgrund der Vorspannungen im Materialsandwich und der Strukturierung kommt es zu einer Änderung des Spannungszustandes, der sich vor allem unterhalb der Ecken und Kanten des Metalls in der Keramik äußert.

Erfindungsgemäß sind in der oberen Metallschicht 3 Leiterbahnen 12 zwischen ihren Endpunkten 12a, 12b nicht gemäß 1a geradlinig, sondern mit mehreren Ecken 12c ausgebildet, die grundsätzlich auch abgerundet sein können. Endpunkte 12a, 12b der Leiterbahnen dienen hierbei (z. B. als Bondlands) der externen Kontaktierung und der Kontaktierung der Pads 14 mit den Leiterbahnen 12. Vorteilhafterweise wird eine in 1b idealisiert gezeigte mäanderförmige Ausbildung gewählt, wie auch in 2c gezeigt. Dieser Verlauf unterscheidet sich somit von dem herkömmlicherweise gemäß 1b angestrebten möglichst geradlinigen Verlauf der Leiterbahn 12 zwischen ihren Endpunkten 12a, 12b, der – da sich dies in der Regel nur über kleine Strecken verwirklichen lässt – bei größeren Erstreckungen als ein rechtwinkliger Verlauf, d.h. im allgemeinen gemäß der L-Form der 1a verwirklicht wird, bei der rechtwinklige Kanten 12c zwischen größeren, gradlinigen Leiterbahnabschnitten auftreten. In den gradlinigen Leiterbahnabschnitten treten jedoch gemäß den obigen Ausführungen insbesondere temperaturbedingte Spannungen gegenüber der Keramikplatte 2 auf, die insbesondere bei längeren Leiterbahnabschnitten zu den Endpunkten hin deutlich zunehmen können. In den rechtwinkligen Kanten 12c treten hierbei Vektorsummen erheblicher Spannungsvektoren, die bei rechten Winkeln im Allgemeinen das 1,4-fache der an den einzelnen Leiterbahnabschnitten auftretenden Kräfte bzw. Spannungen sind und zu einem Versagen führen können.

Erfindungsgemäß werden nunmehr Leiterbahnen 12c gemäß 1b und 2c gewählt. Der Leiterbahnverlauf gemäß 2c kann hierbei um aufgenommene Bauelemente herum verlaufen und weist dennoch einen kürzeren Verlauf als der Verlauf gemäß 1a auf, da stellenweise schräge Verläufe gewählt werden können, die die Gesamtlänge gegenüber 1a etwas verringern können. Die Kanten 12c gemäß 1a, 2c weisen Winkel &agr; > 90°, z.B. 120° auf, so dass die Vektorsumme der in Richtung der Leiterbahn auftretenden Spannungen zu keinen größeren Vektorbeträgen führt; vorteilhafterweise erfolgt sogar eine teilweise Aufhebung der Spannungen.

Erfindungsgemäß kann vorteilhafterweise eine sechszählige Symmetrie bzw. Wabenstruktur für die Ausbildung von Pads 14 zur Aufnahme der Bauelemente 5 mit entsprechend 120°-Winkeln &agr; in den Leiterbahnen 12 gewählt werden. Die 4, 5 zeigen entsprechende Strukturierungen der Metallschicht 3 auf der Keramikplatte 2. Die Bauelemente 5, insbesondere Leistungs-Bauelemente 5, sind somit auf Pads 14 montiert, die sich aus mehreren einzelnen Waben bzw. symmetrischen Vielecken 16 zusammensetzen, wobei je nach Form des Bauelementes 5 eine eher quadratische oder auch längliche Ausbildung gewählt werden kann. Leiterbahnen 12 können als Aneinanderreihung mehrerer Sechsecke 16 ausgebildet werden, die um die einzelnen Pads 3 herum zur Außenseite geführt sind. Die Kontaktierung der Enden der Leiterbahnen 12, d.h. im Bereich ihrer Leiterbahnenden 12a, b, und entsprechend auch die Kontaktierung der Bauelemente 5 mit den Leiterbahnen 12 erfolgt in bekannter Weise z. B. über Drahtbonds 6. Hierbei sind zwischen den einzelnen Waben 16 metallfreie Spalte 17 ausgebildet, die somit die Metallschicht 3 strukturieren und jeweils ein oder mehrere Sechsecke 16 freilegen.

Alternativ zu regelmäßigen Sechsecken 16 können auch andere Vielecke, z.B. auch unsymmetrische Vielecke gewählt werden. Falls in der Keramikplatte 2 eine Anisotopie festgestellt wird, z.B. eine Textur aufgrund des Fertigungsprozesses durch Walzen oder Verstrecken eines Ausgangsmaterials vor dem Sintern der Keramikplatte 2, kann entsprechend eine Anisotropie der jeweils gewählten Strukturelemente 16 gewählt werden, die diese Anisotropie ausgleicht bzw. berücksichtigt.

Die Strukturelemente 16, d.h. insbesondere Waben 16, können entsprechend auch abgerundete Ecken aufweisen. Weiterhin können in an sich bekannter Weise an ihren Rändern Abschwächungen der Schichtdicke durch Stufungen und/oder Ätzgruben und/oder Ätzperforationen vorgenommen werden, um einen gleichmäßigen Spannungsübergang zwischen Metallschicht und Keramiksubstrat-Material zu gewährleisten. So können z.B. ein gestrecktes Fünf- oder Siebeneck oder anderen Strukturelemente mit stumpfen Winkeln gewählt werden.


Anspruch[de]
Metall-Keramik-Hybridsubstrat für Leistungs-Halbleiterbauelemente (5), das aufweist:

eine Keramikplatte (2), und

eine auf der Oberseite der Keramikplatte (2) angebrachte obere Metallschicht (3),

wobei die obere Metallschicht (3) in Leiterbahnen (12) und Pads (14) zur Aufnahme der Leistungs-Halbleiterbauelemente (5) strukturiert ist, und

wobei die Ecken (12c) der Leiterbahnen (12) und die Ecken (14a) der Pads (14) konvexe stumpfe Winkel (&agr;) zwischen 90° und 180° aufweisen.
Metall-Keramik-Hybridsubstrat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sämtliche Ecken (12c) der Leiterbahnen (12) stumpfe Winkel (&agr;) aufweisen. Metall-Keramik-Hybridsubstrat nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahnen (12) in mehrere, durch die Ecken (12c) verbundene Leiterbahnabschnitte unterteilt sind. Metall-Keramik-Hybridsubstrat nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Unterseite der Keramikplatte (2) eine untere Metallschicht (4) angebracht ist. Metall-Keramik-Hybridsubstrat nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die obere Metallschicht (3) ein Strukturierungsmuster mit einer Unterteilung in mehrere gleiche Strukturelemente (16) aufweist, wobei die Strukturelemente (16) Vielecke mit stumpfen Winkeln sind und die Leiterbahnen (12) und Pads (14) jeweils aus mehreren zusammenhängenden Strukturelementen (16) gebildet sind. Metall-Keramik-Hybridsubstrat nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturelemente (16) regelmäßige oder unregelmäßige Fünfecke, Sechsecke oder Siebenecke oder Achtecke sind. Metall-Keramik-Hybridsubstrat nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturelemente (16) regelmäßige Sechsecke (16) sind. Metall-Keramik-Hybridsubstrat nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ecken (12c, 14a) der Leiterbahnen (12) und/oder Pads (14) abgerundet sind. Metall-Keramik-Hybridsubstrat nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramikplatte (2) und die Metallschichten (3, 4) aus einer der folgenden Kombinationen bestehen:

Aluminiumoxid und Kupfer, Aluminiumoxid und Aluminium, Siliziumnitrid und Kupfer, Siliziumnitrid und Aluminium, Aluminiumnitrid und Aluminium,

oder einer Kombination mit einem SiC oder einem CMC als keramischen Werkstoff und/oder einer Kombination mit einem MMC als metallischen Werkstoff.
Metall-Keramik-Hybridsubstrat nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass es ein DBC-, DAB- oder AMB-Substrat ist. Metall-Keramik-Hybridsubstrat nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der oberen Metallschicht (3) der Flächenanteil der metallfreien Bereichen (17) kleiner als der Flächenanteil der Pads (14) und Leiterbahnen (12) ist. Metall-Keramik-Hybridsubstrat nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Pads (14) und den Leiterbahnen (12) ausgebildete metallfreie Spalte (17) im Wesentlichen linienförmig ausgebildet ist. Metall-Keramik-Hybridsubstrat nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahn (12) zu ihren Kanten und Ecken hin eine stufenweise oder kontinuierlich abnehmende Dicke aufweist. Metall-Keramik-Hybridsubstrat nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahn (12) und/oder Pads (14) an ihren Kanten und Ecken (12c) Ätzgruben zur Verringerung der mittleren Dicke aufweisen.






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