JP2008505502A - 金属−セラミック基板 - Google Patents

Abstract

両面上に金属被覆を形成される少なくとも一つのセラミック層を備える金属−セラミック基板が、開示される。所定の測定電圧において１０ｐＣ未満の耐部分放電性を達成するために、セラミック層の厚さは、測定電圧の約６分の１に達する。
【選択図】なし

Description

この発明は請求項１の前文による金属−セラミック基板に関する。

金属−セラミック基板、特に銅セラミック基板は、例えば６００Ｖ以上の動作電圧の、より高い動作電圧のために設計された電力モジュールのベース基板あるいはプリント回路基板としてますます使用されている。この種の電力モジュールの必要条件の一つは、十分に高い耐放電性あるいは耐部分放電性あるいは安定性である。この必要条件は、長期の期間にわたってこの種のモジュールの動作中に起こる部分放電が、モジュールの絶縁領域内に電気伝導経路を生じさせ、それが絶縁を弱め、最終的には極端な電圧絶縁破壊をもまた引き起こす可能性があり、それぞれのモジュールの故障に結びつくという知識に対応する。

最も高い可能な耐部分放電性あるいは安定性に対する必要条件はモジュール全体にあてはまる、すなわち、モジュールの個々の部品が最も高い可能な耐部分放電性あるいは安定性に対する必要条件を満たさなければならない。それぞれの金属−セラミック基板がそれぞれのモジュールの最も重要な部品であるので、金属−セラミック基板内だけで起こる部分放電は、絶縁効果に何の損傷も生じさせないが、この必要条件は、この基板にもまたあてはまる。各個々の部品が必要な耐部分放電性あるいは安定性を持つという必要条件に対する理由は、例えば、モジュールのどの個々の部品がモジュールの部分放電の原因となるかは、完成したモジュールの測定によって判定されることができないからである。

耐部分放電性あるいは安定性の測定は、規格ＩＥＣ １２７８において規定されている。この測定原理によれば、それぞれの試験片は、最初に動作電圧よりかなり高い絶縁耐圧に対する第１の測定あるいは試験フェーズにかけられ、そして次に、第２の測定あるいは試験フェーズにおいて、まず減少された予備の測定電圧にかけられ、および最後に実際の測定あるいは試験電圧にかけられ、次いでそこで部分放電が測定される。予備のあるいは第１の試験電圧は、その時それぞれのモジュールの最大動作電圧より上であり、および、実際の試験電圧は、モジュールの最大動作電圧より下である。放電あるいは部分放電は、この測定において１０ピコクーロン（１０ｐＣ）の値を超えてはならない。

金属−セラミック基板の製作において、セラミック上、例えばアルミニウム−酸化物セラミック上に、「ダイレクトボンディング」工程あるいは「ＤＣＢ」（直接銅ボンディング）技術によって銅でできている金属被覆であって、その表面が、金属と反応性ガス、好ましくは酸素との間の化学結合から生じる層あるいは被覆（熱い溶融層）を備える、金属あるいは銅板から形成される金属被覆、によって、ストリップ導体、コネクタ、などに必要とされる金属被覆を製造する方法が公知である。

例えばＵＳＰＳ ３７ ４４ １２０内に、およびＤＥ−ＰＳ ２３ １９ ８５４内に記述されるこの方法において、この層あるいは被覆（熱い溶融層）は、金属（例えば銅）の溶解温度より下の溶解温度で共晶を形成し、そのため、箔をセラミック上に配置しておよび全ての層を加熱することによって、すなわち、基本的に、熱い溶融層あるいは酸化物層の領域内だけで金属あるいは銅を溶解させることによって、これらの層が、互いに結合されることができる。

例えば、ＤＣＢ工程は、その時以下の処理ステップ、すなわち、
− 一様な酸化銅層を形成するための銅箔の酸化ステップ、
− 銅箔をセラミック層上に配置するステップ、
− 複合物を約１０２５℃と１０８３℃との間の工程温度、例えば約１０７１°Ｃに加熱するステップ、
− 室温に冷却するステップ、
を備える。

本発明の目的は、１０ｐＣ未満の必要耐部分放電性あるいは安定性に確実に準拠する金属−セラミック基板を提示することである。この目的は、請求項１に記載の金属−セラミック基板によって達成される。

本発明に従う金属−セラミック基板において、この金属被覆は例えば金属箔から、例えば銅あるいは銅合金でできている箔から、形成される。それぞれのセラミック層と金属被覆間の結合は、その時、例えば直接ボンディング工程、例えばＤＣＢ工程を使用して達成される。

本発明に従う「金属−セラミック基板」は、一般に、基板あるいは、少なくとも一つのセラミック層と、このセラミック層の少なくとも一つの表面側上に形成された少なくとも一つの金属被覆とを備える基板あるいは一連の層を指す。本発明に従う「結合」はそれぞれの金属被覆とセラミック層との間の遷移の表層域であり、そこ（表層域）は、欠損箇所を呈さず、したがって、セラミックに対する金属層の直接結合が存在する。

金属被覆は少なくとも２５Ｎ／ｃｍの結合強さでセラミック層に結合され、それはＤＣＢ技術によって容易に達成されることができる。セラミック層上の金属被覆の結合強さは、規格化された測定工程によって判定されることができる。このために、ＤＣＢ技術によってセラミック層の１つの表面側に設けられた１枚の銅箔によって形成された１つの矩形のセラミック層および１つの金属被覆から成る試験基板が製作される。一端の近くにおいて、セラミック層は、例えばレーザーによって、分離ラインとの十字路を形成される。結合強さを測定するために、セラミック層は分離ラインに沿って分割され、そして次に、セラミック層のそれぞれの端部は上方へ湾曲される。セラミック層の残りは、下にある表面上に平らに配置されて、およびそこで固定される。引き離し力が、上方へ湾曲する端部で、垂直に上方へ発揮される。結合強さは、その時セラミック層から金属層を取り外してあるいは引き離すのに必要とされる垂直力と小片形の試験基板の幅の商である。
本発明の別の実施例は、従属請求項の主題である。

図面において、１は、その各側面に１つの金属被覆３および４がそれぞれ設けられる、１つのセラミック層２からなる金属−セラミック基板である。セラミック層２は、厚さｄ_１を持つ。セラミック層２の２つの表面側の、それぞれ金属被覆３および４によって覆われる表面Ｆは、記載された実施態様において前記表面側の総表面と比べて幾分小さい。

セラミック層２は、例えば、Ａｌ_２Ｏ_３から、あるいは例えばＡｌＮあるいはＳｉ_３Ｎ_４などの非酸化物セラミックから作成される。添加物を伴うセラミック材料、例えばＺｒＯ_２で補強された、および／またはセロキサイド、イットリウム酸化物、酸化マグネシウムおよび／またはカリウム酸化物、のグループからの添加物で補強されたＡｌ_２Ｏ_３もまたセラミック層２に適している。その場合には、セラミック層２のセラミック材料は、その時以下の組成を持ち、
例えば：
Ａｌ_２Ｏ_３ ７０−９８重量パーセント
ＺｒＯ_２ ２−３０重量パーセント、および、
他の添加物 １−１０重量パーセント、および、
残りの添加物は、以下のグループからの少なくとも一つの酸化物によって形成される：セロキサイド、イットリウム酸化物、酸化マグネシウムおよびカリウム酸化物。

２つの金属被覆３および４は、それぞれ例えば銅箔から形成され、および厚さｄ_２を持つ。さらに、金属被覆３および４は適切な技術によって、例えばダイレクトボンディング技術によって、セラミック層２に結合される。もしこの場合のセラミック層２が非酸化物セラミック、例えばＡｌＮあるいはＳｉ_３Ｎ_４でできているならば、このセラミック層２は少なくとも２つの表面側にＡｌ_２Ｏ_３でできている表面被覆を形成され、および、前記表面被覆の最大厚さは、１０μｍである。この表面被覆は、その時、また、前述の非酸化物セラミックスを用いて、ＤＣＢ工程を使用してセラミック層２上に平らに金属被覆３および４を付着することを可能にする。

図２は、放電特性あるいは耐放電性あるいは安定性の試験中に金属被覆３および４に印加される直流測定電圧Ｖ_Ｍの基本的なカーブを示す。全測定工程は基本的に、適時に連続的に実施される２つのフェーズＩおよびＩＩを備える。測定フェーズＩにおいて、測定電圧Ｖ_Ｍは、時間０で開始してこの測定方法によって指定された値Ｖ_ｉ（絶縁耐圧）まで、すなわち、約１０秒以内に増大され、次いで、約６０秒の期間Ｔ_ｉの間値Ｖ_ｉで保持されて、そして次に、連続的に低下され、そのため、第１の測定フェーズＩが、約８０秒後に終了し、その間に、基本的に、金属−セラミック基板１の絶縁耐力が、テストされた。

もし金属−セラミック基板がこの第１の測定フェーズＩにパスするならば、次いで測定フェーズＩＩは自動的に、すなわち第１の測定フェーズの測定電圧Ｖ_Ｍが再び値ゼロを持って約１０秒後に、所定の期間以内に、例えば１０秒以内に、ゼロから値Ｖ_１まで、測定電圧Ｖ_Ｍを増大することによって開始され、そして次に、例えば６０秒の期間Ｔ_１の間この値で保持される。その後、測定電圧Ｖ_Ｍは、値Ｖ_２に減らされておよび所定の持続期間Ｔ_２の間この値で、変わらずに保持される。期間Ｔ_２の終了の前に、部分放電が、期間Ｔ_２と比べてかなり短い所定の測定間隔Ｔ_Ｍで測定される。この測定の後、それが値ゼロに到達するまで、測定電圧Ｖ_Ｍは再び引き続いて減らされる。

金属−セラミック基板１を使用する部品あるいはモジュールが、明らかにその時構造化された金属被覆３および４によって、能動および／または受動電気部品が設けられるプリント回路基板として、また全体として必要とされた放電特性あるいは耐放電性あるいは耐部分放電性あるいは安定性を持つことを確実にするために、測定工程Ｔ_Ｍの持続期間の全体にわたって総部分放電が１０ピコクーロン（１０ｐＣ）を超えてはならないことが指定されている。

図２が示すように、絶縁耐圧Ｖ_ｉは、電圧Ｖ_１と比べてかなり高い。後者は、また、電圧Ｖ_２より大きく、部分放電安定性が次いでまた、測定される。絶対値Ｖ_ｉ、Ｖ_１およびＶ_２は、金属−セラミック基板１を含むモジュールのそれぞれの最大動作電圧に基づいている。
以下の表は、異なる動作電圧によるモジュールの電圧Ｖ_ｉ、Ｖ_１およびＶ_２を一覧にする。

耐部分放電性あるいは安定性のためにおよび部分放電に対する１０ｐＣ未満のリミット値の準拠のために、セラミック層２の厚さｄ_１は決定的であり、および常にこの層に対するセラミック材料の種類に基づいている。電圧Ｖ_２の部分放電に対する１０ｐＣ未満のリミット値は、もし電圧Ｖ_２および厚さｄ_１が以下の関数に適合するならば、その時容易に準拠されることができる。
あるいは、
ここで、ｄ_１はｍｍで指定され、６．１はＫＶ／ｍｍでの係数である。

さらに、本発明は、金属被覆によって占められる表面積が、耐部分放電性あるいは安定性に影響を及ぼす更なる重要なパラメータであり、およびこのために、金属被覆３および４によって形成される表面を、モジュールのそれぞれの金属−セラミック基板１に対して最高１１０ｃｍ^２に制限することが有利である、という知識に基づいている。

耐部分放電性あるいは安定性に対する更なる決定的パラメータは、それぞれの金属被覆３あるいは４とセラミック層２との間の遷移における中空の空間の形の欠損箇所５の存在である。ただし、５０μｍより小さい直径ｄ_３および５０μｍより小さい高さｈを有するこの種の欠損箇所は、それぞれの金属被覆３あるいは４によって占められる総表面積に対して欠損箇所５の総表面積が５％以下であるかぎり、耐部分放電性あるいは安定性に影響を及ぼさない。

セラミック層２とそれぞれの金属被覆３あるいは４との間の遷移において形成されるこれらの欠損箇所５に加えて、耐部分放電性あるいは安定性は、また、例えば公知の技術、例えばエッチマスク技術を使用した、金属被覆３および４の構造化中に発生する、欠損箇所６によっても影響を受け、特に、例えば構造化された金属被覆が直接セラミック層２の表面上にピットおよび／またはピークあるいは突起を形成し、線７によって図４内に図式的に示されるように、セラミック層内に電界強度の増加あるいは電気力線の集中を伴う領域を生じさせる、という事実によって、影響を受ける。構造化中に発生するこの種の欠損箇所６によって耐部分放電性あるいは安定性が減少するこの影響は、もしセラミック層２の表面側上のそれぞれの欠損箇所６の端６．１の段が少なくとも８０μｍの曲率半径を持つならば、本発明の更なる発見によって減少されることができる。

本発明は、例示的な実施態様に基づいて記述された。言うまでもなく、修正および変更は本発明が基づく基本的な発明の考えを放棄せずに可能である。

本発明は、以下に、図面を参照して１つの例示的な実施態様に基づいてより詳細に説明される。
基板の耐部分放電性あるいは安定性を測定するための測定アレイと共に示す、金属−セラミック基板のきわめて図式的な描写。 ＩＥＣ １２８７に従って規格化された測定方法に従う測定電圧Ｖ_Ｍに対する時間カーブ。 １つの金属被覆とセラミックとの間の結合領域内の、すなわち欠損箇所の近くの、金属−セラミック基板中の部分断面図の簡略表示。 および それぞれ、欠損箇所の近くに構造化された金属被覆を有する金属−セラミック基板の断面および平面図の部分的表示。

符号の説明

１ 金属−セラミック基板
２ セラミック層
３， ４ 金属層あるいは金属被覆
５， ６ 欠損箇所
６．１ 欠損箇所６の端
７ 電気力線
ｄ_１ セラミック層２の厚さ
ｄ_２ 金属被覆の厚さ
ｄ_３ 欠損箇所の直径
ｈ 欠損箇所の高さ
Ｔ_ｉ， Ｔ_１ Ｔ_２ 時間間隔
Ｔ_Ｍ 測定の持続期間
Ｖ_Ｍ 測定電圧
Ｖ_ｉ，Ｖ_１，Ｖ_２ 測定電圧の値

Claims (13)

1. 少なくとも一つのセラミック層（２）を有する金属−セラミック基板であって、前記セラミック層（２）の両方の表面側上に金属被覆（３、４）を有し、前記金属被覆は、前記セラミック層（２）と直接結合され、かつ、約０．１−１．０ｍｍの間の厚さ（ｄ_２）を持ち、所定の測定電圧（Ｖ_２）に対して１０ｐＣ未満の部分放電安定性あるいは耐性を達成するために、前記セラミック層（２）の厚さ（ｄ_１）および前記測定電圧（Ｖ_２）は、計算式
   に対応し、ここでＶ_２はｋＶで、およびｄ_１はｍｍで指定される、
   ことを特徴とする金属−セラミック基板。
2. 前記金属被覆（３、４）は、少なくとも２５Ｎ／ｃｍの結合強さで、前記セラミック層（２）と結合される、ことを特徴とする請求項１に記載の金属−セラミック基板。
3. 前記セラミック層（２）の前記厚さ（ｄ_１）は、約０．３ｍｍと２．０ｍｍの間である、ことを特徴とする請求項１あるいは２に記載の金属−セラミック基板。
4. 前記それぞれの金属被覆（３、４）によって占められる最大表面積は、１００ｃｍ^２を超えない、ことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の金属−セラミック基板。
5. 前記金属被覆（３、４）は、銅でできている金属被覆である、ことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の金属−セラミック基板。
6. 前記セラミック層（２）は、Ａｌ_２Ｏ_３あるいはＡｌＮでできている、ことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の金属−セラミック基板。
7. Ａｌ_２Ｏ_３の中間層が、前記セラミック層（２）の少なくとも一つの表面側に、好ましくは１０μｍ未満の厚さで設けられる、ことを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の金属−セラミック基板。
8. 前記セラミック層がＳｉ_３Ｎ_４でできている、ことを特徴とする金属−セラミック基板。
9. 前記セラミックに対する前記それぞれの金属被覆（３、４）の前記結合は、９５％を超える、ことを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の金属−セラミック基板。
10. 前記それぞれの金属被覆（３、４）と前記セラミック層（２）との間の遷移において、中空の空間を形成する欠損箇所（５）は、５０μｍの直径（ｄ_３）および５０μｍの高さ（ｈ）を超えない、ことを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の金属−セラミック基板。
11. 前記セラミック層（２）の前記表面上に凸部あるいは凹部の形で、前記構造化された金属被覆（３、４）によって形成される欠損箇所（６）は、少なくとも５０μｍの曲率半径を有する端段（６．１）を持つ、ことを特徴とする請求項１から１０のいずれかに記載の金属−セラミック基板。
12. 前記セラミック層（２）の前記セラミック材料は、２−３０重量パーセント、すなわち、前記セラミック材料の前記総重量に対して、２−３０重量パーセントのＺｒＯ_２を伴うＡｌ_２Ｏ_３でできている、ことを特徴とする請求項１から１１のいずれかに記載の金属−セラミック基板。
13. 前記セラミック層（２）の前記セラミック材料は、１−１０重量パーセントの総濃度でおよび前記セラミック材料の前記総重量に対して、グループイットリウム酸化物、セロキサイド、カリウム酸化物あるいは酸化マグネシウムからの少なくとも一つの添加物を含む、ことを特徴とする請求項１から１２のいずれかに記載の金属−セラミック基板。