CN108698943A - 铜-陶瓷复合物 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种铜‑陶瓷复合物，其包含：‑陶瓷衬底；‑铜或铜合金涂层，其中所述铜或铜合金的粒度为10μm到300μm，并且所述粒度的数量分布具有中值d50和算术平均值darith，d50与darith之比(d50/darith)在0.75与1.10之间。

Description

铜-陶瓷复合物
本发明涉及一种铜-陶瓷复合物，以及含有此复合物并可以用于电力电子组件中的模组。
陶瓷电路板因为其高导热性、高尺寸稳定性和机械强度以及其高绝缘强度而在大功率电子元件领域中尤其受关注。
如直接铜接合(通常称为DCB方法)或活性金属钎焊(通常称为AMB方法)的各种方法可供用于使陶瓷衬底金属化。
在陶瓷衬底金属化之后所获得的复合材料也被称为金属-陶瓷衬底或金属-陶瓷复合物。如果其已经例如通过DCB方法生产，那么也常使用术语“DCB衬底”。
DCB方法利用以下事实：氧气使铜的熔点从1083℃降低到1065℃的共晶熔点。薄共晶熔融层通过在陶瓷衬底金属化之前使铜箔氧化或通过在高温方法期间(例如在介于1065℃到1080℃范围内的温度下)供应氧气来形成。此层与陶瓷衬底的表面反应，以使得陶瓷和金属可以彼此牢固连接。
DCB方法描述于例如US 3,744,120或DE 23 19 854中。
举例来说，金属化可以在陶瓷衬底的仅一个侧面上进行(“单层接合”SLB)，或作为一个替代方案，在陶瓷衬底的两个侧面上同时进行(“双层接合”DLB)。另外，有可能首先通过第一SLB步骤来使衬底的第一侧面金属化，并且随后还在另一SLB步骤中使衬底的相对侧面金属化。
也已知例如通过蚀刻方法来使经过涂覆的金属涂层结构化以形成导体迹线。
在许多电力电子应用中，使金属-陶瓷复合物经受高温变化应力，其中可能发生显著温度变化(例如介于-40℃到+150℃范围内)。
由于陶瓷衬底和金属涂层的热膨胀系数不同，在发生温度波动的情况下在这些层之间的转变处产生大量机械应力，并且这些应力可能最终引起金属从陶瓷表面至少部分脱离。众所周知，通过在金属层外周区中对其进行特定结构化，可以减小拉伸和压缩应力的梯度，并且耐热冲击性可以因此得到改进。DE 40 04 844和DE 4318241A1描述陶瓷衬底上的金属涂层，其在其边缘处具有呈凹口或孔洞形式的外周弱化部分。
为了进一步用于大功率电子元件的模组或组件中，金属涂层可以与导线连接(也常被称为“接合线”)。在金属涂层与接合线之间的此连接应极强，以使得接合线不合期望脱离的风险减到最小。
因此，原则上期望金属涂层既具有与陶瓷衬底的良好粘合性也可能进行与金属线的良好接合。然而，由于陶瓷衬底和接合线在其材料方面极大地不同，故同时满足两个要求仍是挑战。
另外，用于在电子元件中应用的铜-陶瓷复合物的其它相关特性是其导热性和机械强度(确切地说，陶瓷衬底的导热性和机械强度)以及金属涂层与陶瓷表面的极牢固接合，其中此接合即使在长期温度变化应力下仍保持足够强。
在DE 10 2012 110 322中，对于其粉粒结构(即，其在微观水平上的结构)更详细地定义金属-陶瓷复合物的陶瓷衬底。陶瓷衬底含有用氧化锆加强的氧化铝，其中氧化铝的平均粒度介于2-8μm范围内，并且Al2O3粉粒的粉粒边界长度与所有粉粒边界的总长度之比>0.6。根据DE 10 2012 110 322，此粉粒结构有助于改进导热性。
本发明的一个目标是提供一种具有改进的特性概况，确切地说，具有良好耐热冲击性和良好线接合行为的金属-陶瓷复合物。
所述目标通过一种铜-陶瓷复合物的实现，所述铜-陶瓷复合物包含
-陶瓷衬底，
-存在于所述陶瓷衬底上并且由铜或铜合金构成的涂层，其中所述铜或所述铜合金的粒度在10μm到300μm范围内。
铜-陶瓷复合物的铜涂层一般是由小晶粒(其也被称为粉粒)组成的多晶材料。在微观水平上，可以在其粉粒结构(例如粒度分布、粉粒形状、纹理……等)方面对多晶材料进行更详细表征。
在本发明的情形下，已经确立，即使当铜-陶瓷复合物在长时间段内经受温度变化应力时，由铜或铜合金构成并且粒度在10μm到300μm范围内的涂层仍显示与陶瓷衬底的良好粘合性。同时，具有这些粒度的铜或铜合金允许高效线接合。
根据本发明，耐热冲击性是铜层与铜-陶瓷衬底的陶瓷分层的耐性或耐性能力，其中在铜层相对于陶瓷的至少一种温度变化之后确定耐性。耐热冲击性改进意味着所耐受温度变化的数目增加。
根据本发明，线接合改进意味着使接合线从铜-陶瓷复合物的铜表面脱离所需的力增加。
根据本发明，铜粘合强度改进是铜相对于铜-陶瓷复合物的粘合强度使得所接合铜箔从铜-陶瓷复合物的陶瓷表面脱离所需的力增加。所属领域的技术人员由DE102004012231B4(DE 102004012231B4的图2和3)已知说明性测量方法。
根据本发明，陶瓷的弯曲断裂强度改进意味着在三点弯曲测试中导致断裂的力增加。举例来说，所属领域的技术人员由DIN EN 843-1(2008)已知陶瓷弯曲断裂强度的测定方法。样本几何形状优选地与DIN EN 843-1(2008)偏离，偏离之处在于样本的尺寸为20×40×0.38mm3或20×40×0.63mm3。
铜或铜合金的粉粒之优选地在15μm到250μm范围内，更优选地在20μm到210μm范围内。
为了本发明的目的，这些值不应被视为粒度分布的严格上限和下限，而相反地可以变化+/-10％。然而，在一个优选实施例中，这些值是铜或铜合金粒度分布的下限和上限,粒度不应低于和高于这些值。在此优选实施例中，铜或铜合金因此不具有处于上述范围外部的粉粒。因此，优选的是dmin(Cu)≥10μm和dmax(Cu)≤300μm，更优选地dmin(Cu)≥15μm并且dmax(Cu)≤250μm，甚至更优选地dmin(Cu)≥20μm并且dmax(Cu)≤210μm，其中dmin(Cu)和dmax(Cu)是铜的最小和最大粒度。
铜-陶瓷复合物中的所要粒度可以通过使用粒度分布合适的铜起始箔来设定。此类铜箔可商购，或可以通过标准方法获得。可以任选地通过对起始箔进行热处理来进行粒度微调。
如所属领域的技术人员原则上已知的，粒度分布的确定可以基于粉粒数目(即，数量分布)，或作为一个替代方案，基于粉粒质量(即，质量分布)或体积来进行。为了本发明的目的，粒度分布基于粉粒数目来确定。
如一般已知的，粒度分布的特征值尤其是其d50、d5和d95。也常被称为中值的d50是使得：50％粉粒的直径小于所述d50。
类似地，d5是使得5％粉粒的直径小于此d5，并且d95是使得95％粉粒的直径小于此d95。
粒度分布的算术平均值darith通过个别粉粒的粒度的总和除以粉粒的数目来给出。
粒度分布的对称性可以由中值d50与此分布的算术平均值darith之比来表示(即，由比率d50/darith表示；在下文中也被称为粒度分布的对称性值S)。对称性值S越接近1.0，粒度分布越对称。
如在本发明的情形下已经出乎意料地发现的，当铜或铜合金的粒度分布高度对称时，可以实现对耐热冲击性和线接合特性的进一步优化。在一个优选实施例中，铜或铜合金的粒度数量分布因此具有中值d50和算术平均值darith以使得d50与darith之比(即，d50/darith)在0.75到1.10范围内，更优选地在0.78到1.05范围内，甚至更优选地在0.80到1.00范围内。可以用于设定铜中(例如已经在铜起始箔中)粒度分布的对称性的合适方法是所属领域的技术人员已知的。举例来说，铜箔中粒度分布的对称性可以受到合适处理温度或滚轧方法影响。可以用于在最终铜-陶瓷复合物中实现上述对称性值的铜起始箔可商购，或可以通过标准方法获得。
此外，在本发明的情形下已经出乎意料地发现，当粒度分布的宽度满足某些条件时，可以实现对耐热冲击性和线接合特性的进一步优化。如果选择太窄的粒度分布，那么这可能对耐温度变化性具有不利影响，而太宽的粒度分布可能不利于线接合特性。粒度分布的宽度可以由d5与d95之比来表示。在一个优选实施例中，铜或铜合金的粒度数量分布具有d5和d95以使得d5与d95之比在0.1到0.4范围内，更优选地在0.11到0.35范围内，甚至更优选地在0.12到0.30范围内。
铜或铜合金粒度数量分布的d95优选地≤250μm，更优选地在140μm到250μm范围内，甚至更优选地在140μm到230μm范围内，再更优选地在150μm到200μm范围内。铜或铜合金粒度数量分布的d5优选地≥15μm；所述d5更优选地在15μm到80μm范围内，甚至更优选地在20μm到75μm范围内，再更优选地在25μm到70μm范围内。
铜或铜合金粒度数量分布的优选d50在例如55μm到115μm范围内。
在本发明的情形下，优选的可以是选择铜或铜合金粒度数量分布的d5、d95和d50值以使得其满足以下条件：
4.0≥(d95-d5)/d50≥0.5
当铜涂层的粉粒在其于与陶瓷衬底表面平行的平面中的二维投影中具有优选地呈圆形(circular)或圆状(round)的形状时，可以实现对耐温度变化性的进一步优化。个别粉粒的形状可以由其形状因子RK来表示，其是最大粉粒直径dK,max与在dK,max的一半长度处确定的垂直于dK,max延伸的粉粒直径dK,ortho之比(即，RK＝dK,ortho/dK,max)。
铜或铜合金的平均粉粒形状因子Ra(Cu)由铜粉粒的形状因子RK的算术平均值获得。如果铜材料含有例如高比例的细长粉粒，那么此铜的平均粉粒形状因子将呈现相对较低值。另一方面，平均粉粒形状因子越接近值1.0，圆状、圆形粉粒的比例越高。铜或铜合金的平均粉粒形状因子Ra(Cu)优选地≥0.40，甚至更优选地≥0.60或≥0.80。可以用于设定铜中(例如已经在铜起始箔中)粉粒形状的合适方法是所属领域的技术人员已知的。举例来说，铜箔中的粉粒形状可以受到合适处理温度或滚轧方法影响。可以用于在最终铜-陶瓷复合物中实现上述平均粉粒形状因子Ra(Cu)的铜起始箔可商购，或可以通过标准方法获得。
在铜-陶瓷复合物中由铜或铜合金构成的涂层的合适厚度是所属领域的技术人员已知的。如下文所解释，可以在涂层中的一些位置处再次去除一部分铜或铜合金，确切地说，例如在外周区中去除以形成外周弱点。因此，在本发明的情形下，金属涂层的厚度有可能变化。由铜或铜合金构成的涂层的厚度在其区域的至少70％通常介于0.2-1.2mm范围内。厚度可以是例如约300μm。
优选地选择由铜或铜合金构成的涂层的厚度(DCu)和所述铜或所述铜合金的粒度数量分布的中值d50以使得DCu与d50之比在0.05到0.40范围内。为此目的，在涂层中的一个位置处测定铜或铜合金的厚度DCu，并且除以所述铜或所述铜合金的粒度数量分布的中值d50。比率DCu/d50优选地在由铜或铜合金构成的涂层的区域的至少70％、更优选地至少90％乃介于0.05到0.40范围内。
涂层的铜的纯度优选地≥99.50％，更优选地≥99.90％，甚至更优选地≥99.95％或甚至≥99.99％。
由铜或铜合金构成的涂层优选地通过DCB方法涂覆于陶瓷衬底上。如上文所解释，惯用DCB方法可以例如具有以下处理步骤：
-使铜箔氧化以便在其表面上形成氧化铜层；
-将具有氧化铜层的铜箔铺设在陶瓷衬底上；
-将复合物加热到<1083℃的温度(例如介于1065℃-1080℃范围内的温度)，
-冷却到室温。
由于DCB方法，在由铜或铜合金构成的涂层与陶瓷衬底之间可能存在尖晶石晶粒(例如铜-铝尖晶石)。
举例来说，由铜或铜合金构成的涂层可以已经涂覆于陶瓷衬底的仅一个侧面上。作为一个替代方案，陶瓷衬底的两个侧面(即，上侧面和下侧面)有可能都提供有由铜或铜合金构成的涂层。在图1中展示说明性铜-陶瓷复合物，其中陶瓷衬底1在其下侧面以及其上侧面上都具有由铜或铜合金构成的涂层2。在图2中展示说明性铜-陶瓷复合物，其中陶瓷衬底1具有多个各自提供有由铜或铜合金构成的涂层2的区。如下文所解释，个别金属化区可以由优先断裂线(图2中未展示)彼此分隔开，以使得可以通过沿着这些优先断裂线进行破坏来使这些区个别化。
为了形成电接触区域，由铜或铜合金构成的涂层可以至少部分地具有结构化。金属涂层的结构化可以以已知方式进行，确切地说，通过蚀刻方法(例如使用蚀刻掩模)来进行。
在蚀刻方法中，可以在子区中完全去除铜或铜合金，以使得陶瓷衬底的表面在这些子区中暴露。此外，由铜或铜合金构成的涂层也有可能具有一或多个凹口(优选地圆状凹口)，其可以在蚀刻方法中通过仅在待引入凹口的区中部分地去除铜或铜合金并且因此此区中陶瓷衬底的表面仍由铜或铜合金覆盖来获得。作为一个替代方案或另外，有可能蚀刻凹口穿过铜或铜合金直到下方陶瓷表面。关于此类凹口的可能布置，优选地在由铜或铜合金构成的涂层的外周区中，可以参考例如DE 40 04 844 C1和DE 43 18 241 A1。
用于陶瓷衬底的合适材料是所属领域的技术人员已知的。陶瓷衬底优选地含有氧化物、氮化物、碳化物、或这些材料中的至少两种的混合物或复合物。陶瓷衬底可以由仅一个层或者由多个层组成。
作为合适的氧化物，可以提及例如氧化铝(Al2O3)或BeO。如果氧化物是氧化铝，那么这可以任选地用氧化锆(ZrO2)加强。按此类ZrO2加强型Al2O3的总质量计，其通常以0.5-30重量％的比例含有氧化锆。按氧化锆和氧化铝的总质量计，氧化锆可以继而通常以至多0.01重量％或甚至至多5重量％的比例任选地掺杂有一或多种掺杂氧化物，确切地说，氧化钇、氧化钙、氧化铈或氧化镁，
如果陶瓷衬底含有氮化物，那么此氮化物可以是例如氮化铝、氮化硅或氮化钛。举例来说，陶瓷衬底可以是含有至少一层氮化铝和至少一层Al2O3的多层陶瓷衬底，其中由铜或铜合金构成的涂层存在于Al2O3层上。
如果陶瓷衬底含有碳化物，那么此碳化物可以是例如碳化矽。
在一个优选实施例中，陶瓷衬底含有氧化铝(Al2O3)。如上文所提及，氧化铝可以是ZrO2加强型Al2O3。
陶瓷衬底优选地含有至少65重量％的Al2O3。如果不存在用于加强Al2O3的ZrO2，那么陶瓷衬底可以含有至少95重量％、优选地96重量％的Al2O3。
如果使用ZrO2加强型氧化铝(其中如上文所提及，ZrO2任选地经过掺杂)，那么陶瓷衬底可以含有至少96重量％、更优选地至少98重量％的此ZrO2加强型Al2O3。
氧化铝的粒度优选地在0.01μm到25μm范围内，更优选地在0.3μm到23μm范围内，甚至更优选地在0.5μm到20μm范围内。在粒度介于此范围内的情况下，铜-陶瓷复合物的陶瓷衬底具有高机械强度以及高导热性两者。在本发明的情形下，这些值不应被视为粒度分布的严格上限和下限，而相反地可以变化+/-10％。然而，在一个优选实施例中，这些值是氧化铝粒度分布的下限和上限，粒度不应低于下限，不应超出上限。在此优选实施例中，氧化铝因此不具有任何处于上述范围外部的粉粒。因此，优选的是dmin(Al2O3)≥0.01μm并且dmax(Al2O3)≤25μm，更优选地dmin(Al2O3)≥0.3μm并且dmax(Al2O3)≤23μm，甚至更优选地dmin(Al2O3)≥0.5μm并且dmax(Al2O3)≤20μm，其中dmin(Al2O3)和dmax(Al2O3)是氧化铝的最小和最大粒度。
铜-陶瓷复合物中的所要Al2O3粒度可以通过使用Al2O3粒度分布合适的陶瓷起始材料来设定。此类陶瓷材料可商购，或可以通过标准方法获得。可以任选地通过对陶瓷起始材料进行热处理来进行粒度微调。
如上文所提及，在本发明的情形下，粒度分布基于粉粒数目来确定(即，粒度数量分布)。
在一个优选实施例中，陶瓷衬底的氧化铝具有粒度数量分布：其中不超过5％的粉粒的粒度小于0.1μm，更优选地小于0.3μm，甚至更优选地小于0.5μm；和/或其中至少95％的粉粒的粒度小于15μm，更优选地小于10μm，甚至更优选地小于7μm。
当Al2O3粒度分布的d5和d95值满足特定要求时，可以实现金属-陶瓷复合物中陶瓷衬底的机械强度和导热性的改进或优化。
氧化铝粒度数量分布的d95优选地≤15.0μm，更优选地在4.0μm到15.0μm范围内，甚至更优选地在4.5μm到10.0μm范围内，再更优选地在5.0μm到8.0μm范围内。氧化铝粒度数量分布的d5优选地≥0.1μm；所述d5更优选地在0.1μm到2.5μm范围内，甚至更优选地在0.3μm到2.5μm范围内，再更优选地在0.5μm到2.0μm范围内。以此方式可以实现对金属-陶瓷复合物中陶瓷衬底的机械强度和导热性的进一步优化。
氧化铝粒度数量分布的优选d50在例如1.0μm到3.0μm范围内。
在本发明的情形下，优选的可以是选择氧化铝粒度数量分布的d5、d95和d50值以使得其满足以下条件：
9.5≥(d95-d5)/d50≥0.7
在一个优选实施例中，氧化铝的粒度数量分布具有中值d50和算术平均值darith以使得d50与darith之比(即，d50/darith；在下文中也被称为氧化铝粒度数量分布的对称性值S(Al2O3))在0.75到1.10范围内，更优选地在0.78到1.05范围内，甚至更优选地在0.80到1.00范围内。以此方式可以实现对金属-陶瓷复合物中陶瓷衬底的机械强度和导热性的进一步优化。
可以用于设定氧化铝中(例如已经在起始衬底生产中)粒度分布的对称性的合适方法是所属领域的技术人员已知的。举例来说，粒度分布的对称性可以受到起始衬底生产中烧结时间和烧结温度影响。可以用于在最终铜-陶瓷复合物中实现上述对称性值的Al2O3衬底可商购，或可以通过标准方法获得。
粒度分布的宽度可以由d5与d95之比来表示。在一个优选实施例中，氧化铝的粒度数量分布具有d5和d95以使得d5与d95之比在0.1到0.4范围内，更优选地在0.11到0.35范围内，甚至更优选地在0.12到0.30范围内。以此方式可以实现对金属-陶瓷复合物中陶瓷衬底的机械强度和导热性的进一步优化。
氧化铝的平均粉粒形状因子Ra(Al2O3)优选地≥0.40，更优选地≥0.60，甚至更优选地≥0.80。如上文所指示，个别粉粒的形状可以由其形状因子RK来表示，其是最大粉粒直径dK,max与在dK,max的一半长度处确定的垂直于dK,max延伸的粉粒直径dK,ortho之比(即，RK＝dK,ortho/dK,max)。氧化铝的平均粉粒形状因子Ra(Al2O3)由所述粉粒的形状因子RK的算术平均值获得。可以用于例如在早在起始衬底生产中设定氧化铝粉粒形状的合适方法是所属领域的技术人员已知的。举例来说，Al2O3粉粒的形状可以受到起始衬底生产中烧结时间和烧结温度影响。可以用于在最终铜-陶瓷复合物中实现上述形状因子Ra(Al2O3)的Al2O3衬底可商购，或可以通过标准方法获得。
在铜-陶瓷复合物中陶瓷衬底的合适厚度是所属领域的技术人员已知的。陶瓷衬底的厚度在其区域的至少70％、更优选地其至少90％乃通常介于0.2-1.2mm范围内。陶瓷衬底的厚度是例如约0.38mm或约0.63mm。
优选地选择陶瓷衬底的厚度(Dcer)和陶瓷衬底中氧化铝粒度数量分布的中值d50以使得Dcer与d50之比(即，Dcer/d50)在0.001到0.01范围内，更优选地在0.002到0.009范围内，甚至更优选地在0.004到0.008范围内。为此目的，在一个位置处测定陶瓷衬底的厚度Dcer，并且除以氧化铝粒度数量分布的中值d50。率Dcer/d50优选地在由陶瓷衬底的区域的至少70％、优选地至少90％乃介于0.05到0.40范围内。
举例来说，陶瓷衬底的导热率可以≥20W/mK，和/或弯曲断裂强度≥400MPa。
陶瓷衬底可以以个别衬底形式存在。作为一个替代方案，陶瓷衬底也有可能具有一或多个(优选地线性的)优先断裂线，其将所述陶瓷衬底分成两个或超过两个区，并且由铜或铜合金构成的涂层也有可能已经涂覆在这些区中的至少一个中。关于具有优先断裂线的此类多衬底的结构，可以参考例如DE 43 19 944 A1和DE 199 27 046 A1。
金属-陶瓷复合物中陶瓷衬底(呈个别衬底或呈多衬底形式)的合适尺寸(长度×宽度)是所属领域的技术人员已知的。举例来说，陶瓷衬底的尺寸(长度×宽度)可以为(180-200mm)×(130-150mm)或(180-200mm)×(270-290mm)。小尺寸，例如(8-12mm)×(8-12mm)也是可能的。
当铜或铜合金的粉粒特性和陶瓷衬底中氧化铝的粉粒特性彼此匹配时，可以实现铜-陶瓷复合物特性的进一步改进。
在一个优选实施例中，d50(Al2O3)与d50(Cu)之比在0.008到0.055范围内，优选地在0.010到0.045范围内。以此方式可以实现对金属-陶瓷复合物中金属-陶瓷黏合性和耐热冲击性的进一步优化。
在一个优选实施例中，铜或铜合金的粒度数量分布具有中值d50、算术平均值darith和对称性值S(Cu)＝d50/darith，并且氧化铝的粒度数量分布具有中值d50、算术平均值darith和对称性值S(Al2O3)＝d50/darith，其中S(Al2O3)和S(Cu)满足以下条件：
0.7≤S(Al2O3)/S(Cu)≤1.4。
更优选地，S(Al2O3)和S(Cu)满足以下条件：
0.74≤S(Al2O3)/S(Cu)≤1.35；
甚至更优选地满足以下条件
0.80≤S(Al2O3)/S(Cu)≤1.25。
以此方式可以改进铜-陶瓷复合物的耐热冲击性。
在一个优选实施例中，氧化铝的平均粉粒形状因子Ra(Al2O3)和铜或铜合金的平均粉粒形状因子Ra(Cu)满足以下条件：
0.5≤Ra(Al2O3)/Ra(Cu)≤2.0。
更优选的是
0.75≤Ra(Al2O3)/Ra(Cu)≤1.5
并且甚至更优选地
0.80≤Ra(Al2O3)/Ra(Cu)≤1.20。
以此方式可以实现对铜-陶瓷复合物耐热冲击性的进一步优化。
在一个优选实施例中，氧化铝的粒度在dmin(Al2O3)到dmax(Al2O3)范围内，铜或铜合金的粒度在dmin(Cu)到dmax(Cu)范围内
并且dmin(Al2O3)与dmax(Cu)之比和dmax(Al2O3)与dmin(Cu)之比满足下文条件(i)和(ii)：
(i)dmin(Al2O3)/dmax(Cu)≥1x 10-5和
(ii)2.5≥dmax(Al2O3)/dmin(Cu)。
dmin(Al2O3)与dmax(Cu)之比和dmax(Al2O3)与dmin(Cu)之比甚至更优选地满足下文条件(i)和(ii)：
(i)dmin(Al2O3)/dmax(Cu)≥0.001和
(ii)1.5≥dmax(Al2O3)/dmin(Cu)；
并且最优选地满足下文条件(i)和(ii)：
(i)dmin(Al2O3)/dmax(Cu)≥0.002和
(ii)1.0≥dmax(Al2O3)/dmin(Cu)。
在一个尤其优选的实施例中，
(i)0.005≥dmin(Al2O3)/dmax(Cu)≥0.002和
(ii)1.0≥dmax(Al2O3)/dmin(Cu)≥0.05。
以此方式可以实现耐受甚至许多温度变化应力的处于金属涂层与陶瓷衬底之间的强接合。
如上文所提及，优选的是dmin(Cu)≥10μm并且dmax(Cu)≤300μm，更优选地dmin(Cu)≥15μm并且dmax(Cu)≤250μm，甚至更优选地dmin(Cu)≥20μm并且dmax(Cu)≤210μm，其中dmin(Cu)和dmax(Cu)是铜的最小和最大粒度。
本发明进一步提供一种模组，其含有至少一个如上文所描述的铜-陶瓷复合物和一或多个接合线。所述一或多个接合线通常与由铜或铜合金构成的涂层连接。用于将线与金属涂层连接的合适接合方法是所属领域的技术人员已知的。模组可以另外含有一或多个电子组件，例如一或多个芯片。
在本发明的情形下，如下确定铜或铜合金的粉粒结构以及陶瓷衬底的氧化铝的粉粒结构：
铜或铜合金的粒度分布
取得由铜或铜合金构成的涂层的表面(与经涂布的衬底表面平行)的光学显微照片。不需要以光片的形式进行特殊样本制备。
通过样线截取法(line intersect method)来确定粒度。样线截取法是所属领域的技术人员已知的，并且描述于例如ASTM 112-13中。
选择放大率以使得至少50个粉粒由线图案截取。
为了本发明的目的，在每一情况下，在光学显微照片中沿x方向绘制2条平行线并且沿y方向绘制两条平行线。在每一情况下，线将图像分成三个等宽条带。为了说明的目的，这示意性地展示于图3中。
当粉粒以长度L由这些线中的一个截取时，此长度L视为粒度。由此获得由这些线中的一个截取的每一粉粒的粒度。在两条线的交叉点处，对一个粉粒获得两个值，并且这些值都用于确定粒度分布。
由截取粉粒的粒度，得到粒度分布，继而可以由所述粒度分布依序确定d5、d50和d95值以及算术平均值darith。
如上文所指示和所属领域的技术人员一般已知的，如下定义d50(也常被称为中值)：50％粉粒具有小于所述d50的直径。类似地，d5是使得5％粉粒具有小于此d5的直径，并且d95是使得95％粉粒具有小于此d95的直径。
粒度分布的算术平均值通过个别粉粒的粒度的总和除以截取粉粒的数目来给出。
陶瓷衬底的氧化铝的粒度分布
取得陶瓷衬底表面的扫描电子显微照片(SEM图像)。不需要以光片的形式进行特殊样本制备。在陶瓷衬底上先前由铜覆盖并且已经通过蚀刻暴露的位置处取得SEM图像。
通过样线截取法来确定粒度。样线截取法是所属领域的技术人员已知的，并且描述于例如ASTM 112-13中。
选择放大率以使得至少50个Al2O3粉粒由线图案截取。如果陶瓷衬底含有具有不同化学组成的粉粒，例如ZrO2粉粒，那么这些粉粒可以在SEM图像中通过次级电子对比来容易地与Al2O3粉粒相区别，并且因此未包括在后续计算中。
关于通过样线截取法的进一步评估，可以参考上文对于铜涂层所叙述的内容。
因此在与经过涂布的衬底表面平行延伸或与所述衬底表面共面的平面中确定铜或铜合金的粒度以及Al2O3的粒度两者。
个别粉粒的形状因子、平均粉粒形状因子
铜、铜合金
采用用于确定粒度分布的光学显微照片。
为了确定个别粉粒的形状因子，采用以下程序：
确定其最长尺寸dK,max。随后在dK,max的一半长度处确定垂直于dK,max延伸的粉粒直径dK,ortho。个别粉粒的形状因子RK通过dK,ortho与dK,max之比给出，即，RK＝dK,ortho/dK,max。
对于具有椭圆形粉粒结构的粉粒，这示意性地展示于图4中。粉粒在其二维投影中的形状约接近圆形，粉粒的形状因子越接近值1.0。因此，形状因子也是粉粒圆形度/圆度的度量。
在光学显微照片中确定至少50个粉粒的形状因子。通常评估也在样线截取法中由线截取的粉粒。
铜或铜合金的平均粉粒形状因子接着通过个别粉粒的形状因子的算术平均值(即，个别形状因子的总和除以所检查粉粒的数目)来给出。
氧化铝
采用用于确定粒度分布的SEM图像。
关于确定Al2O3的个别粉粒的形状因子和平均粉粒形状因子，可以参考上文对于铜所叙述的内容。
因此在与经过涂布的衬底表面平行延伸或与所述衬底表面共面的平面中确定铜或铜合金的粉粒形状因子以及Al2O3的粉粒形状因子两者。
下文描述优选地用于生产本发明铜-陶瓷衬底的接合方法：
在本发明的情形下优选地用于将铜涂层涂覆于陶瓷衬底上的典型方法由例如文献US 3,744,120、US 3,994,430、EP 0 085 914 A或DE 23 19 854 A已知，其相对应公开内容以引用的方式并入本发明中。
对于其中所公开，例如在直接铜接合方法(DCB方法)中所公开的这些生产方法中共通的是，首先以获得基本上均匀的氧化铜层的方式使铜箔氧化。接着将所得铜箔放置于陶瓷衬底上，并且使陶瓷衬底与铜箔的复合物接受加热到介于约1025℃到1083℃范围内的处理或加热到此接合温度，其结果是形成金属化陶瓷衬底。在接合之后，铜箔因此扮演涂层。随后使所得金属化陶瓷衬底冷却。
陶瓷衬底和铜箔的接合在炉中进行，其中一般使用接合炉。相对应的接合炉也常被称为隧道窑，其尤其包含细长隧道样炉空间(也被称为马弗炉)和用于将正被处理的材料输送穿过通过加热装置加热的炉空间的具有输送元件的输送装置，所述输送元件例如呈柔性和耐热性传送带形式。将陶瓷衬底与铜箔一起放置在传送带上的支架上，并且随后通过传送带驱动而运行穿过接合炉中内部达到所需接合温度的加热区。在接合方法结束时，使根据本发明的所得陶瓷衬底与铜箔的复合物再次冷却。
此方法可以原则上用于生产在一个侧面上金属化的陶瓷衬底以及用于生产在两个侧面上金属化的衬底。此处，生产在两个侧面上金属化的衬底一般通过两步接合方法，即，通过两步单层方法(SLB方法)来进行。在本发明的背景下，优选的是使用两步接合方法。
在用于生产根据本发明在两个侧面上金属化的陶瓷衬底的此两步接合方法中，在两次穿过炉的过程中，在陶瓷衬底的相对侧面上使陶瓷与铜箔连接。
为此目的，首先将陶瓷衬底放置于支架上，并且随后在上侧面(即，背对支架的侧面)上由铜箔覆盖。通过热量作用使陶瓷衬底的此侧面与金属层连接，并且随后使所得布置冷却。
随后翻转衬底，并且在第二接合步骤中以相同方式向衬底的另一侧面提供金属层(即，铜箔)。
有可能生产个别卡或具有可以被拆开取出的多个个别卡的较大卡。
实例
以下实例展示铜涂层中的粒度分布如何影响铜-陶瓷复合物的耐热冲击性和线接合行为。
通过DCB方法生产5个在其粒度分布方面不同的铜-陶瓷样本：
铜-陶瓷复合物1，在下文中“K-K-V 1”(根据本发明)
铜-陶瓷复合物2，在下文中“K-K-V 2”(比较性样本)
铜-陶瓷复合物3，在下文中“K-K-V 3”(比较性样本)
铜-陶瓷复合物2，在下文中“K-K-V 4”(比较性样本)
铜-陶瓷复合物3，在下文中“K-K-V 5”(比较性样本)
在这5个铜-陶瓷复合物中的每一个中，陶瓷衬底的上侧面和下侧面两者都具有铜涂层。首先通过SLB方法将铜涂层接合于陶瓷衬底的一个侧面。随后通过SLB方法向陶瓷衬底的相对侧面提供另一个铜涂层，以便形成其中铜箔接合于陶瓷两个侧面的铜-陶瓷衬底。随后在每一情况下，在每一样本中通过蚀刻方法来使两个铜涂层中的一个结构化(对于所有样本，结构化相同)。
在这5个铜-陶瓷复合物中的每一个中，铜涂层的厚度是0.3mm，并且铜涂层的长度×宽度是：181×132mm2。在实例中，铜是纯铜。
此外，所有5个样本都含有Al2O3陶瓷衬底(Al2O3含量：96重量％)，陶瓷衬底的厚度：0.38mm；陶瓷衬底的长度×宽度：190×140mm2。
选择铜涂层以使得在两步SLB接合之后实现根据本发明的作用，即，良好耐温度变化性(根据本发明的铜-陶瓷衬底)，并且在两步SLB接合之后实现导线与金属涂层的良好接合(根据本发明的铜-陶瓷衬底)。
图5展示K-K-V 1的铜涂层表面的光学显微照片，通过其确定实例K-K-V 1的铜粒度。
样本K-K-V 1到K-K-V 5的粒度分布的粒度范围和对称性值列于表1中。
对这5个样本中的每一个都确定耐热冲击性以及线接合特性两者。
如下确定耐热冲击性：
为了确定铜-陶瓷衬底的耐热冲击性，优选地从大卡中拆开取出个别衬底。在所属领域的技术人员已知的设备中使个别衬底经受由以下组成的温度变化循环：
●在150℃下(优选地在温度变化箱的第一腔室中)储存15分钟
●在-40℃(负40℃)下(优选地在温度变化箱的第二腔室中)储存15分钟，
●在从一个腔室转移到另一个腔室中进行的转移时间为15秒。
在5个循环(在150℃下储存到在-40℃下储存以及返回对应于一个循环)的时程内，在每一情况下，通过超声显微镜检查在铜与陶瓷之间介面处的接合区域的分层。
如下确定线接合特性：
为了确定铜-陶瓷衬底的线接合特性，优选地从大卡中拆开取出个别衬底。在所属领域的技术人员已知的设备中，在已接合铜-陶瓷衬底的铜表面上将导线(在实例中，例如铜线，根据所属领域的技术人员已知的方法)接合于个别衬底。在本发明的情形下，根据本发明可以确立，当根据本发明选择产品参数和后续DCB方法时，与样本K-K-V 2和K-K-V 3相比，样本K-K-V 1的线接合特性显著改进。
结果概述于下表1中：
表1：铜-陶瓷复合物的耐热冲击性和线接合特性
此外，检查粒度分布宽度对耐热冲击性和线接合的影响。结果展示于表2中。
表2：粒度分布宽度的影响
分布宽度d5/d95 耐热冲击性 线接合
0.27 + +
0.03 - +
0.50 + -
如表2所展示，当粒度分布的宽度处于根据本发明的范围内时，可以实现对耐热冲击性和线接合行为的进一步优化。

Claims (10)

1.一种铜-陶瓷复合物，其包含
-陶瓷衬底，
-存在于所述陶瓷衬底上并且由铜或铜合金构成的涂层，
其中所述铜或所述铜合金
-粒度在10μm到300μm范围内，和
-粒度数量分布具有中值d50和算术平均值darith，并且d50与darith之比(d50/darith)在0.75到1.10范围内。
2.根据权利要求1所述的铜-陶瓷复合物，其中所述d50与darith之比(d50/darith)在0.78到1.05范围内，甚至更优选地在0.80到1.00范围内。
3.根据权利要求1或2所述的铜-陶瓷复合物，其中所述铜或所述铜合金的粒度数量分布具有一定d5和d95，并且d5与d95之比在0.1到0.4范围内，更优选地在0.11到0.35范围内，甚至更优选地在0.12到0.30范围内。
4.根据前述权利要求中任一权利要求所述的铜-陶瓷复合物，其中所述铜或所述铜合金的粒度在15μm到250μm范围内，更优选地在20μm到210μm范围内。
5.根据前述权利要求中任一权利要求所述的铜-陶瓷复合物，其中所述由铜或铜合金构成的涂层通过DCB方法涂覆于所述陶瓷衬底上。
6.根据前述权利要求中任一权利要求所述的铜-陶瓷复合物，其中所述由铜或铜合金构成的涂层至少部分地经结构化以形成电接触区域。
7.根据前述权利要求中任一权利要求所述的铜-陶瓷复合物，其中所述陶瓷衬底含有氧化物、氮化物、碳化物、或这些材料中的至少两种的混合物或复合物。
8.根据前述权利要求中任一权利要求所述的铜-陶瓷复合物，其中所述陶瓷衬底含有至少65重量％的Al2O3。
9.根据前述权利要求中任一权利要求所述的铜-陶瓷复合物，其中所述由铜或铜合金构成的涂层的厚度在其区域的至少70％介于0.2-1.2mm范围内；和/或所述陶瓷衬底的厚度在其区域的至少70％介于0.2-1.2mm范围内。
10.一种模组，其含有至少一个根据权利要求1到9中任一权利要求所述的铜-陶瓷复合物和至少一或多个接合线。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113929486A (zh) * 2020-06-29 2022-01-14 比亚迪股份有限公司 一种陶瓷覆铜板及其制备方法

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102514960B1 (ko) * 2018-03-20 2023-03-30 아우루비스 슈톨베르그 게엠베하 운트 컴파니 카게 구리-세라믹 기판
EP3855484B1 (en) * 2018-12-06 2023-03-08 NGK Insulators, Ltd. Substrate for semiconductor device

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS62282797A (ja) * 1986-05-29 1987-12-08 Dowa Mining Co Ltd セラミツクス−銅直接接合用銅材
CN101391901A (zh) * 2008-11-07 2009-03-25 哈尔滨工业大学 Al2O3陶瓷与金属材料的钎焊方法
CN102339758A (zh) * 2011-10-13 2012-02-01 华中科技大学 低温键合制备铜-陶瓷基板方法
WO2013015355A1 (ja) * 2011-07-28 2013-01-31 株式会社東芝 酸化物系セラミックス回路基板の製造方法および酸化物系セラミックス回路基板
CN103819214A (zh) * 2014-01-10 2014-05-28 南京中江新材料科技有限公司 一种AlN陶瓷敷铜基板及其制备方法

Family Cites Families (21)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3766634A (en) 1972-04-20 1973-10-23 Gen Electric Method of direct bonding metals to non-metallic substrates
US3744120A (en) 1972-04-20 1973-07-10 Gen Electric Direct bonding of metals with a metal-gas eutectic
US3994430A (en) 1975-07-30 1976-11-30 General Electric Company Direct bonding of metals to ceramics and metals
DE3204167A1 (de) 1982-02-06 1983-08-11 Brown, Boveri & Cie Ag, 6800 Mannheim Verfahren zum direkten verbinden von metallstuecken mit oxidkeramiksubstraten
DE4004844C1 (de) 1990-02-16 1991-01-03 Abb Ixys Semiconductor Gmbh Verfahren zur Herstellung einer strukturierten Kupfermetallisierung auf einem Keramiksubstrat
DE4318241C2 (de) 1993-06-02 1995-06-29 Schulz Harder Juergen Metallbeschichtetes Substrat mit verbesserter Widerstandsfähigkeit gegen Temperaturwechselbeanspruchung
DE4319944C2 (de) 1993-06-03 1998-07-23 Schulz Harder Juergen Mehrfach-Substrat sowie Verfahren zu seiner Herstellung
US6123797A (en) * 1995-06-23 2000-09-26 The Dow Chemical Company Method for coating a non-wetting fluidizable and material onto a substrate
DE19927046B4 (de) 1999-06-14 2007-01-25 Electrovac Ag Keramik-Metall-Substrat als Mehrfachsubstrat
JP4206915B2 (ja) * 2002-12-27 2009-01-14 三菱マテリアル株式会社 パワーモジュール用基板
DE102004012231B4 (de) 2004-03-09 2006-03-23 Curamik Electronics Gmbh Metall-Keramik-Substrat
DE102004050792A1 (de) * 2004-10-19 2006-04-20 Robert Bosch Gmbh Bauelemente-Modul für Hochtemperaturanwendungen und Verfahren zum Herstellen eines derartigen Bauelemente-Moduls
DE102004056879B4 (de) 2004-10-27 2008-12-04 Curamik Electronics Gmbh Verfahren zum Herstellen eines Metall-Keramik-Substrates
DE102009033029A1 (de) 2009-07-02 2011-01-05 Electrovac Ag Elektronische Vorrichtung
JP2011124585A (ja) 2011-01-07 2011-06-23 Hitachi Metals Ltd セラミックス配線基板、その製造方法及び半導体モジュール
KR101522806B1 (ko) * 2011-07-14 2015-05-26 가부시끼가이샤 도시바 세라믹스 회로 기판
JP5972875B2 (ja) * 2011-07-14 2016-08-17 株式会社東芝 セラミックス回路基板
DE102012110322B4 (de) * 2012-10-29 2014-09-11 Rogers Germany Gmbh Metall-Keramik-Substrat sowie Verfahren zum Herstellen eines Metall-Keramik-Substrates
DE102013104739B4 (de) 2013-03-14 2022-10-27 Rogers Germany Gmbh Metall-Keramik-Substrate sowie Verfahren zum Herstellen eines Metall-Keramik-Substrates
JP6130209B2 (ja) * 2013-05-14 2017-05-17 Ｄｏｗａエレクトロニクス株式会社 導電膜
DE102013113736B4 (de) 2013-12-10 2019-11-14 Rogers Germany Gmbh Verfahren zum Herstellen eines Metall-Keramik-Substrates

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS62282797A (ja) * 1986-05-29 1987-12-08 Dowa Mining Co Ltd セラミツクス−銅直接接合用銅材
CN101391901A (zh) * 2008-11-07 2009-03-25 哈尔滨工业大学 Al2O3陶瓷与金属材料的钎焊方法
WO2013015355A1 (ja) * 2011-07-28 2013-01-31 株式会社東芝 酸化物系セラミックス回路基板の製造方法および酸化物系セラミックス回路基板
CN103717552A (zh) * 2011-07-28 2014-04-09 株式会社东芝 氧化物系陶瓷电路基板的制造方法以及氧化物系陶瓷电路基板
CN102339758A (zh) * 2011-10-13 2012-02-01 华中科技大学 低温键合制备铜-陶瓷基板方法
CN103819214A (zh) * 2014-01-10 2014-05-28 南京中江新材料科技有限公司 一种AlN陶瓷敷铜基板及其制备方法

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113929486A (zh) * 2020-06-29 2022-01-14 比亚迪股份有限公司 一种陶瓷覆铜板及其制备方法

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Publication number Publication date
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