JP2009520344A - 金属−セラミック基板 - Google Patents

Abstract

アルミニウム−窒素化合物または窒化シリコンセラミックでできており、かつ金属被覆がパターニングの前に活性半田付けによってそれに施着される、ベース基板を備える層状のセラミック材料の少なくとも一つの表層側面上に、エッチングによってパターン化される、少なくとも一つの金属被覆を備えた金属−セラミック基板であって、酸化物セラミックでできている中間層が、少なくとも一つの金属被覆とベース基板との間に設けられる。
【選択図】図１

Description

本発明は、請求項１の前文に記載の金属−セラミック基板に、および、請求項６の前文に記載の方法に関する。

金属−セラミック基板または金属被覆を備えたセラミック基板は、特にまた、回路基板または、電気および電子回路もしくはモジュール用の、特にハイパワー回路もしくはモジュール用の、基板として公知技術である。

また、結合金属層または、特にまた、銅層もしくは銅箔の、金属被覆を形成する金属箔の、それぞれのセラミック材料とのいわゆる活性半田付け法（特許文献１、特許文献２）が、公知である。特に金属−セラミック基板を製造するために使われるこのプロセスにおいて、結合が、銅、銀および／または金のような主成分に加えて活性金属も含む、ハードソルダを用いて金属箔、例えば銅箔とセラミック基板、例えば窒化アルミニウムセラミックとの間に約８００−１０００℃の温度で作成される。グループＨｆ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｃｅの少なくとも一つの元素であるこの活性金属は、化学反応を通して半田とセラミックとの間の結合を生成し、一方、半田と金属との間の結合は金属ハードソルダ結合である。
ＤＥ ２２１３１１５ ＥＰ−Ａ−１５３６１８

また、例えば酸化アルミニウムセラミックと比較してより高い熱伝導率によって特徴づけられる窒化アルミニウムセラミック（ＡｌＮセラミック）ベースを備えた、金属セラミック基板を製造するための方法が、公知である（特許文献３）。金属被覆または前記金属被覆を形成する銅箔が、半田材料として銅および更なる成分、例えば銀、および、活性半田成分、例えばチタンを含む活性半田を使用する活性半田付けを用いて、この周知の方法でセラミックに施着される。この周知の方法の欠点は、活性半田成分が、窒化アルミニウムとの電気伝導性結合、例えば窒化チタンを形成し、その結果、金属被覆のパターニングのために必要なエッチング手順が少なくとも２つのステップで実施されなければならず、すなわちその結果、ストリップ導体、コンタクト表面、などを生成するための金属被覆のパターニングが、第１のエッチングステップで行われ、および、第２の、その後のステップで、窒化アルミニウムと活性半田成分の化学反応の結果として、ストリップ導体、コンタクト表面、その他の間に形成される電気伝導性材料が、エッチングによって取り除かれなければならないことである。この材料または反応生成物の除去は、きわめて厳しい製造必要条件に加えて、環境に高影響を有する、きわめて強力で高度に濃縮したエッチング薬品によってだけ可能である。
ＥＰ ０４８００３０

本発明の目的は、この欠点を除去する窒化アルミニウムおよび／または窒化シリコンセラミックベースまたは基板を備えた金属−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。窒化アルミニウムまたは窒化シリコンセラミック基板を備えた金属−セラミック基板を製造するための方法が、請求項６の主題である。

本発明の場合、例えば銅または銅合金でできている薄型プレートまたは箔から形成されるこの少なくとも一つの金属被覆は、窒化アルミニウムまたは窒化シリコンセラミックに直接施着されず、その代わりに窒化アルミニウムまたは窒化シリコンセラミック（以下にまた、ベースセラミックまたはベース層）に施着されて、酸化物セラミックでできている中間層に、施着される。

ストリップ導体、コンタクト表面または金属被覆または複数の金属被覆の類似したパターン化された領域間のセラミックと活性半田成分の反応から生じており、かつ、きわめて強力で高度に濃縮したエッチング薬品だけによって取り除かれることができる、電気伝導反応生成物または層が、本発明によって効果的に除去される。金属被覆のこのパターニングは、したがって、標準的に使用されるエッチング薬品を使用して、かつ特に通常のエッチング方法および既存の機器を使用してその施着の後で達成されることができる。

中間層用の適切な酸化物セラミックは、例えば、酸化シリコン、酸化アルミニウム、ムライト、フォルステライト、コージライトまたはこれらの組合せである。

金属被覆の施着のために使用される活性半田は、従来技術で使用される長い時間をかけて有効性が証明された組成から成ることができ、例えば、それは銅でできている半田成分および更なる半田成分、例えば銀から、および、活性半田成分、例えばチタン、ジルコニウムおよび／またはハフニウムから成ることができる。

さまざまな方法が、中間層を施着するのに可能である。例えば、中間層は、例えば１０００℃と１６５０℃との間のプロセス温度で、窒化アルミニウムまたは窒化シリコンセラミックの熱酸化によって作成されることができる。概ね、前記層を形成するセラミック材料を施着することによって、および、例えば１２００℃と１６５０℃との間の温度での、この材料のその後の焼成または焼結によってそれぞれの中間層を作成することもまた、可能である。中間層を形成する最初の層が、次いで、例えば、中間層のセラミック材料を含む分散体または分散混合物を使用して、好ましくはマイクロ分散ないしナノ分散混合物を使用して、施着される。

更に、噴霧および／またはディップコーティングおよび／またはスピンコーティングおよび／またはゾルーゲルコーティングを用いて、中間層を後で形成する最初の層を施着することが、可能である。

酸化物セラミックでできている中間層は、窒化アルミニウムまたは窒化シリコンセラミックでできているベース層またはベース基板の厚さより小さく、および／またはこの少なくとも一つの金属被覆の厚さより小さい厚さを有する。

本発明に従う方法が、中間層に起因して、例えばイットリウム酸化物または希土類のような焼結助剤によって中間層内に生成される細孔による、例えばプロセス変動の結果として、活性半田成分と窒化シリコンまたは窒化アルミニウムセラミックとの間の反応物に結びつく場合には、その時本発明に従う方法の場合、フッ化水素酸または過酸化水素を使用して既存のチタン、ジルコニウムまたはハフニウム窒素化合物を取り除くことが、必要である。この窒素化合物の量は、しかし、極めて少ないので、エッチング薬品の濃度はそのような場合最小化されることができる。短い処理時間だけが、その後のエッチングのために次いで必要である。通常は、しかし、活性半田成分によって形成される窒素化合物結合の除去のためのこの種のその後のエッチングは本発明に従う方法の場合必要でない。

図１内に全体として１で示される金属−セラミック基板は、この図内に２で示される薄板状セラミック材料から、および上部のパターン化された銅層または銅箔でできている金属被覆３、および下部の非パターン化された銅層または金属被覆４から成る。２つの銅層は、活性半田でできている層５および６によってセラミック材料２と２次元的に結合される。セラミック材料２は、複数の層でできている、すなわち、窒化アルミニウムまたは窒化シリコンセラミックから、および、薄型中間層８および９から作られる中央のベース層または中央のベース基板７から成り、そのそれぞれが、ベース層７の２つの表層側面の１つに施着されて、かつ酸化物セラミックで、例えば酸化シリコン、酸化アルミニウム、ムライト、フォルステライト、コージライトまたはこれらのセラミックの組合せで、できている。

上部の金属被覆３は、中間層８と活性半田層５を通して、および、ベース層７と後者を通して結合される。下部の金属被覆４は、中間層９と活性半田層６を通して、および、後者を通して同様にベース層７と結合される。詳細には、それぞれの金属被覆３および４と対応する活性半田層５および６との間の結合は、金属半田結合である。活性半田層５および６と中間層８および９との間の結合は、活性半田成分と前記中間層の酸化物セラミックとの間の化学反応に基づく。

図１に示すように、金属被覆３および活性半田層５は、セラミック材料２がパターニングによって形成される金属域（ストリップ導体、コンタクト表面、その他）の間に露出されるように、パターン化される。また、図１内に示されるように、中間層８および９はベース層７の厚さより非常に小さいが、また、金属被覆３および４の厚さより非常に小さい厚さを有する。同じことが、活性半田層５および６にあてはまる。

図２は、金属−セラミック基板１を作成するための個別処理ステップを図式的に表す。窒化アルミニウムまたは窒化シリコンセラミックでできている層状のベース基板７が、出発原料として使われる（図２、位置ａ）。

中間層８および９が、例えば１０００℃と１６５０℃の間のプロセス温度で、酸素で処理された雰囲気の中でベース層７の熱酸化によって、それぞれベース基板７の２つの表層側面に施着される（図２、位置ｂ）。前述したように、さまざまな方法がベース層７に中間層８および９を施着するのに可能である。

更なる処理ステップにおいて、金属被覆３および４が活性半田層５および６の１つを形成する活性半田を使用する活性半田付けによって施着される。図２において、活性半田が活性半田箔５ａおよび６ａの形で使われることが想定されている。これらの箔は次いで、８００−１０００°Ｃの対応するプロセス温度で活性半田付け工程を用いて、中間層８および９を備え、かつ次いで、ベース層７と、または中間層８および９と結合される、ベース層７の表層側面に金属被覆３および４を形成する、箔３ａおよび４ａと共に施着される（図２、位置ｃおよびｄ）。この方法で作成されるまだパターン化されてない金属−セラミック基板が、次いで金属被覆の露出表面に対応するマスク１０および１１によってマスキングされる（図２、位置ｅ）。これの後に、エッチングを用いてパターニングならびにマスク１０および１１のその後の除去が続く。

本発明は、例示的な実施態様に基づいて、上で記述された。言うまでもなく、数多くの修正および変更が、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、図面を参照して例示的な実施態様に基づいてより詳細に以下に説明される。
本発明に従う金属−セラミック基板を通しての断面図の概略図である。 さまざまな位置ａ−ｅにおいて、図１の金属−セラミック基板を製造するための基本的処理ステップを示す。

符号の説明

１ 金属−セラミック基板
２ セラミック材料
３、 ４ 金属被覆
３ａ、４ａ 金属または銅ロール
５、 ６ 活性半田層
５ａ、６ａ 活性半田箔
７ ベース層またはベース基板
８、 ９ 中間層
１０、１１ マスク

Claims (17)

1. 窒化アルミニウムまたは窒化シリコンセラミックでできており、かつ、金属被覆がパターニングの前に活性半田付けを用いてその上に施着されるベース基板から成る、薄板状セラミック材料の少なくとも一つの表層側面上のエッチングによってパターン化される少なくとも一つの金属被覆を備えた金属−セラミック基板であって、
   酸化物セラミックでできている中間層が、前記少なくとも一つの金属被覆と前記ベース基板との間に設けられる、ことを特徴とする金属−セラミック基板。
2. 前記中間層が、酸化シリコン、酸化アルミニウム、ムライト、フォルステライト、コージライトまたはこれらの組合せでできている、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. 銅、および、１つの更なる半田成分、例えば銀が、次のグループ：Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆからの少なくとも一つの活性半田成分とともに、活性半田として使われる、ことを特徴とする請求項１または２に記載の金属−セラミック基板。
4. 前記中間層が、前記ベース基板のおよび／または前記少なくとも一つの金属被覆の厚さより非常に小さい厚さを有する、ことを特徴とする先行する請求項のいずれかに記載の金属−セラミック基板。
5. 前記少なくとも一つの金属被覆が、銅または銅箔でできている、ことを特徴とする先行する請求項のいずれかに記載の金属−セラミック基板。
6. 活性半田付けによる窒化アルミニウムまたは窒化シリコンセラミックでできているベース基板を備えた薄板状セラミック材料の少なくとも一つの表面上への少なくとも一つの金属被覆の施着によって、かつ、エッチングを用いた前記少なくとも一つの金属被覆のその後のパターニングによって、金属−セラミック基板を製作するための方法であって、前記少なくとも一つの金属被覆の施着の前に、前記セラミック材料の前記表層側面を形成する酸化物セラミックでできている中間層が、前記ベース基板に施着される、ことを特徴とする方法。
7. 酸化シリコン、酸化アルミニウム、ムライト、フォルステライト、コージライトまたはこれらの組合せが、前記中間層のために使われる、ことを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. 銅、および、１つの更なる半田成分、例えば銀が、次のグループ：Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆからの少なくとも一つの活性半田成分とともに、活性半田として使われる、ことを特徴とする請求項６または７に記載の方法。
9. 前記中間層が、好ましくは１０００℃と１６５０℃との間のプロセス温度で、前記ベース基板の熱酸化によって作成される、ことを特徴とする先行する請求項のいずれかに記載の方法。
10. 前記中間層が前記層を形成する前記材料を施着することによって、および、例えば１２００℃と１６５０℃との間の温度での、前記中間層のその後の焼成によって達成される、ことを特徴とする先行する請求項のいずれかに記載の方法。
11. 前記中間層が、前記中間層の前記セラミック材料を含む分散体または分散混合物を使用して、好ましくは、マイクロ分散ないしナノ分散混合物を使用して施着される、ことを特徴とする先行する請求項のいずれかに記載の方法。
12. 前記中間層が、噴霧および／またはディップコーティングおよび／またはスピンコーティングおよび／またはゾルーゲルコーティングによって施着される、ことを特徴とする先行する請求項のいずれかに記載の方法。
13. 前記中間層が、前記ベース基板のおよび／または前記少なくとも一つの金属被覆の厚さより非常に小さい厚さで施着されることを特徴とする先行する請求項のいずれかに記載の方法。
14. 銅または銅箔が、前記少なくとも一つの金属被覆に用いられる、ことを特徴とする先行する請求項のいずれかに記載の方法。
15. 前記金属被覆のパターニングの後に、必要とされない活性半田残存物を取り除くために更なるエッチングが続く、ことを特徴とする先行する請求項のいずれかに記載の方法。
16. 前記金属被覆のパターニングの後、チタン、ハフニウムおよび／またはジルコニウム窒素化合物残存物がエッチングによって取り除かれる、ことを特徴とする先行する請求項のいずれかに記載の方法。
17. 前記必要とされない活性半田残存物の除去および前記チタン、ハフニウムおよび／またはジルコニウム窒素化合物残存物の除去が、一般のエッチングステップで行われる、ことを特徴とする請求項１６に記載の方法。

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