JP2010526008A - メタライジングされている表面を有するセラミックボディを備えた構成部材 - Google Patents

メタライジングされている表面を有するセラミックボディを備えた構成部材 Download PDF

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Abstract

常に比較的高い電圧領域における出力電子機器の広まりによって、高い絶縁電圧と、高い部分放電耐性に関する要求は厳しくなっている。したがって、セラミックボディ（２）がメタライジング部（５，６；１１）によってセラミックボディ（２）の表面（３，４）の少なくとも１つの領域においてカバーされており、セラミックボディ（２）が立体的に構造化されていて、同種又は種々異なる材料から成るメタライジング部（５，６）の少なくとも２つの層の間、及びメタライジング部の層（５；１１）とセラミックスとの間の部分放電耐性が２０ｐＣより小さい、セラミックボディ（２）を備えた構成部材（１）を提案する。

Description

本発明はセラミックボディを備えた構成部材であって、セラミックボディはその表面の少なくとも１つの領域においてメタライジング部でカバーされている、セラミックボディを備えた構成部材に関する。
常に比較的高い電圧領域における出力電子機器の広まりによって、高い絶縁電圧と、高い部分放電耐性に関する要求は厳しくなっている。絶縁耐性及び部分放電耐性は、とりわけ厚さ、材料及び底部絶縁の同質性、及びケーシング材料及び充填材料、場合によってはチップアッセンブリにも依存している。
約３ｋＨｚより低い周波数による負荷交番、とりわけ、例えばトラクション使用（Ｔｒａｋｔｉｏｎｓａｎｗｅｎｄｕｎｇ）、リフティング使用（Ａｕｆｚｕｇｓａｎｗｅｎｄｕｎｇ）及びパルス使用において優勢である断続的な運転時における負荷交番から、モジュール内蔵型の結合、つまり、ボンディング結合、チップの背面はんだ付け、ＤＣＢ／ボンディングプレートのはんだ付け及び基板ラミネート（Ａｌ２Ｏ３又はＡｌＮ上のＣｕ）の温度交番負荷がもたらされる。個々の層の種々異なる長さ膨張係数により、製造中及び運転中の熱的な歪みが生じる。熱的な歪みは最終的に材料疲労及び磨耗に繋がる。寿命（可能な切換えサイクル数）はこのサイクル中のチップ温度の変動の増大する振幅と共に低下する。
ＤＥ１０２００４０３３２２７Ａ１において、プレート形の金属セラミック基板が公知である。金属セラミック基板は１０ｐＣより低い部分放電耐性を確実に遵守する。
本発明の目的は、表面をメタライジングされた、プレート形で平らなだけではなく、高い部分放電耐性を有するセラミックボディを備えた構成部材を提供することである。
この目的の達成は請求項１の特徴部によってもたらされる。本発明の有利な構成は、従属請求項に記載されている。
本発明に係る構成部材は、セラミックボディを備えた構成部材であって、該セラミックボディはメタライジング部によってセラミックボディの表面の少なくとも１つの領域においてカバーされている、セラミックボディを備えた構成部材において、同種又は種々異なる材料から成るメタライジング部の少なくとも２つの層の間、及びメタライジング部の層とセラミックスとの間の部分放電耐性は２０ｐＣより小さく、セラミックボディは立体的に構造化されていることを特徴とする。
好ましくは、キャビティを形成する欠陥個所は、２つのメタライジング部の間の移行部、及びメタライジング部とセラミックボディとの間の移行部、及び接続される構成部材とメタライジング部との間の移行部において、１００μｍの直径と１００μｍの高さとを越えていない。
好ましくは、構造化されたメタライジング部によって形成された欠陥個所は、突出部又は窪みの形式において前記構成部材の表面に縁部延在を有しており、該縁部延在の曲率半径は１０μｍを越えていない。
好ましくは、メタライジング部として、有利にはコーティング又はシート又は金属薄板の形式の金属が、セラミックボディに全面的に又は部分的に素材結合式に結合されているか、又は機械的な形状結合により結合されていて、前記金属はキャリアボディと同じ又はキャリアボディとは異なる熱伝導率を有している。
好ましくは、メタライジング部は、純粋な品質又は工業用の品質におけるタングステン、銀、金、銅、白金、パラジウム、ニッケルアルミニウム又は鋼から成っているか、又は、少なくとも２つの種々異なる金属の混合物、及び／又は付加的に又は単独で、反応はんだ、軟質はんだ又は硬質はんだから成っている。
好ましくは、コーティング又はシート又は金属薄板の形式のメタライジング部の金属に接着を仲介する添加剤、又は、特にガラス又は重合性の材料といった他の添加剤が添加されているか又は前記金属にコーティングされている。
好ましくは、セラミックボディにおけるメタライジング部は、少なくとも１つの層から成っており、かつ、ＤＣＢ方法（銅ダイレクトボンディング法）の使用のもと、又はＡＭＢ方法（活性金属はんだ付け法）の使用のもと、又はスクリーン印刷方法の使用のもと、又は電解式の方法の使用のもと、又は化学的な析出法の使用のもと、又は蒸着方法の使用のもと、又は接着又は付着を介して、又は前記方法の組合せを介して、前記ボディの表面において相対している及び／又は隣接している面に被着されている。
好ましくは、メタライジング部は金属体としてセラミックボディの表面を、部分的に又は全面的にカバーするか、又は、平行平面の形式又はほぼ平行平面の形式において、部分的に又は完全にカバーするか、又は、幾何学的に任意に成形されてカバーするか、又は、前記形式の組合せにおいてカバーする。
好ましくは、セラミックボディにおける少なくとも１つのメタライジング部に、少なくとも１つの別のメタライジング部が被着されていて、該別のメタライジング部はメタライジング部の表面を部分的に又は全面的にカバーしていることを特徴とする。
好ましくは、メタライジング部の層厚さが２ｍｍより小さい。
好ましくは、セラミックボディにおける１つ又は複数のメタライジング部は、銅のみから成っており、セラミックボディとの結合は、引き続きの熱的な処理を備えたスクリーン印刷方法によって、又はＤＣＢ方法によって行われる。
好ましくは、セラミックボディにおける１つ又は複数のメタライジング部は、アルミニウムのみから成っていて、セラミックボディとの結合は、引き続きの熱的な処理を備えたスクリーン印刷方法によって、又はＡＭＢプロセスによって行われる。
好ましくは、少なくとも１つのメタライジング部及び／又は別のメタライジング部のセラミックボディへの結合は、９０％より大きい。
好ましくは、少なくとも１つのメタライジング部は、少なくとも１２Ｎ／ｃｍの付着耐性でセラミックボディに結合されている。
好ましくは、メタライジング部の層の厚さは２ｍｍ以下である。
好ましくは、セラミックボディの少なくとも１つの表面又はメタライジング部に、別の層又は構成部材の付着仲介をするために、介在層が被着されている。
好ましくは、介在層の厚さは２０μｍ以下である。
好ましくは、介在層はＡｌ２Ｏ３から成っている。
好ましくは、セラミック材料は、主成分として５０．１〜１００重量％のＺｒＯ２／ＨｆＯ２、又は５０．１〜１００重量％のＡｌ２Ｏ３、又は５０．１〜１００重量％のＡｌＮ、又は５０．１〜１００重量％のＳｉ３Ｎ４、又は５０．１〜１００重量％のＢｅＯ、又は５０．１〜１００重量％のＳｉＣ、又は前記割合範囲内での任意の組合せの少なくとも２つの主成分の組合せを含有し、及び、副成分として、４９．９重量％以下の割合で単独で又は前記割合範囲における任意の組合せで、少なくとも１の酸化数の状態で及び／又は化合物の形の元素Ｃａ，Ｓｒ，Ｓｉ，Ｍｇ，Ｂ，Ｙ，Ｓｃ，Ｃｅ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｐｂを含有しており、主成分と副成分とが、３重量％以下の不純物の割合を差し引いて、１００重量％の全体組成物になるように互いに任意の組合せで互いに組み合わされている。
好ましくは、セラミックボディは冷却リブを備えてヒートシンクとして構成されている。
本発明による構成部材は空間的に構造化されている。プレートの代わりにセラミックボディは三次元の構造部である。したがって、例えばプレートに別の部材を接続することができるので、任意の形状のボディがもたらされる。また、ボディ全体はワンピースであり、つまり、個々の部材から構成されているのではない。例えばプレートに他のプレートが垂直に立っていると、例えばＥ字形の全体ボディをもたらすことができる。この種の形状を、例えばヒートシンクは有している。
本発明によれば、同種又は種々異なる材料から成るメタライジング部の少なくとも２つの層の間、及びメタライジング部の層とセラミックスとの間における部分放電耐性は２０ｐＣより小さい。この部分放電耐性は、規定された同じ又は種々異なる測定手法に応じて、同一又は非同一又は変更された規定の測定電圧において、又は同一又は非同一又は変更された測定条件において達成される。測定条件は、例えば圧力又は温度又は空気湿度又はメタライジング部の同一又は非同一の間隔であってよい。
セラミックボディへのメタライジング部の被着時又はメタライジング部の互いの被着時に、気泡及びキャビティと、縁部領域における剥離とが形成されることがある。同様のことは、接続される構成部材とメタライジング部との間の移行部にも当てはまる。２つのメタライジング部の間、及びメタライジング部とセラミックボディとの間、又は接続される構成部材とメタライジング部との間の移行部における欠陥個所は、部分放電耐性に悪影響を及ぼす。したがって、２０ｐＣより小さい、要求されている部分放電耐性を越えないように、欠陥個所は１００μｍの直径と、１００μｍの高さとを超えてはならない。直径は円に内接する、任意に成形された欠陥個所の射影を描写する。
さらに、構成部材の表面に設けられている突出部又は窪みの形式をした、メタライジング部の構造化により形成された欠陥個所は、この個所における電界の妨害に基づき、部分放電耐性に影響を与える。したがって、２０ｐＣより小さい、要求された部分放電耐性を超えないようにするために、欠陥個所は１０μｍを越えない曲率半径を有する縁部延在だけを有してよい。
メタライジング部としてセラミックボディに、有利にはコーティング又はシート又は金属薄板の形式の金属が素材結合式（ｓｔｏｆｆｓｃｈｌｕｅｓｓｉｇ）に又は機械的な形状結合（Ｆｏｒｍｓｃｈｌｕｓｓ）により全面的に又は部分面状的に結合されている。金属はセラミックボディと同じ又は種々異なる熱伝導率を有している。メタライジング部は、純粋又は工業用の品質において、例えばタングステン、銀、金、銅、白金、パラジウム、ニッケル、アルミニウム、又は鋼、又は少なくとも２つの種々異なる混合物から成っていてよい。メタライジング部は、例えば付加的に反応はんだ、又は軟質はんだ、又は硬質はんだから成っていてもよい、又は、例えば単独で反応はんだ、又は軟質はんだ、又は硬質はんだから成っていてもよい。
コーティング又はシート又は金属薄板の形状のメタライジング部の金属は、付着を仲介する添加剤、又は例えばガラス又は重合体の物質といった別の添加剤を添加することができるか、又はメタライジング部の金属にコーティングすることができ、その結果、セラミックボディへのメタライジング部の付着性が高まる。
メタライジング部の１つの層又は複数の層は、ＤＣＢ方法（Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｏｐｐｅｒ Ｂｏｎｄｉｎｇ：銅ダイレクトボンディング）の使用のもと、又はＡＭＢ方法（Ａｃｔｉｖｅ Ｍｅｔａｌ Ｂｒａｚｉｎｇ：活性金属はんだ付け）の使用のもと、又はスクリーン印刷方法の使用のもと、又は電解的な方法の使用のもと、又は化学的な析出の使用のもと、又は蒸着方法の使用のもと、又は付着又は接着を介して、又は前記方法の組合せによって、相対している及び／又は隣接している面においてボディの表面に被着することができる。
セラミックボディにおけるメタライジング部は、メタライジングされた面毎に少なくとも１つの層から成っている。メタライジング部はセラミックボディの表面を金属ボディとして、部分的に又は全面的にカバーするか、又は平行平面又はほぼ平行平面の形式において部分的又は完全にカバーするか、又は任意に幾何学的に成形されてカバーするか、又は前記形状の組合せにおいてカバーする。
メタライジング部の層厚さは、２０ｐＣよりも小さい、要求されている部分放電耐性を超えないように、２ｍｍより小さいことが望まれる。
セラミックボディにおける１つのメタライジング部又は複数のメタライジング部は、銅のみから成っていてよい。セラミックボディとの結合は、熱的な処理を後続に伴うスクリーン印刷方法又はＤＣＢ方法によって行われる。
セラミックボディにおける１つのメタライジング部又は複数のメタライジング部は、アルミニウムのみから成っていてよい。セラミックボディとの結合は、熱的な処理を後続に伴うスクリーン印刷方法又はＡＭＢ方法によって行われる。
セラミックボディ又はメタライジング部の表面に別の層を被着したい場合、付着仲介のために介在層を被着することは有利であり得る。この種の介在層は、有利には２０μｍ以下の厚さを有している。例えば銅から成るメタライジング部をアルミニウムセラミックスにＤＣＢ方法によって被着したい場合、セラミックボディの表面にＡｌ２Ｏ３から成る介在層を形成すると有利である。これにより銅を備えたメタライジング部の付着耐性は高められる。
少なくとも１つのメタライジング部及び／又は別のメタライジング部のセラミックボディへの結合は９０％より大きい。
少なくとも１つのメタライジング部はセラミックボディに、少なくとも１２Ｎ／ｃｍの付着耐性をもって結合されている。これにより、特に熱的な負荷によりセラミックボディからのメタライジング部の剥離は起こらないことが保証されている。
構成部材のボディはセラミック材料から成っている。セラミック材料はその組成において、要求されている特性、例えば絶縁、部分放電耐性及び熱的な安定性に合わせることができる。
セラミック材料は、主成分として５０．１〜１００重量％のＺｒＯ２／ＨｆＯ２、又は５０．１〜１００重量％のＡｌ２Ｏ３，又は５０．１〜１００重量％のＡｌＮ，又は５０．１〜１００重量％のＳｉ３Ｎ４，又は５０．１〜１００重量％のＢｅＯ，又は５０．１〜１００重量％のＳｉＣ、又は前記割合範囲における任意の組合せの少なくとも２つの主成分の組合せを含み、かつ、セラミック材料は、副成分として、４９．１重量％以下の割合で単独で又は前記割合範囲において任意の組合せで、少なくとも１の酸化数の状態の及び／又は化合物の形の元素Ｃａ，Ｓｒ，Ｓｉ，Ｍｇ，Ｂ，Ｙ，Ｓｃ，Ｃｅ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｐｂを含む。３重量％以下の不純物の割合を差し引いて、主成分と副成分とは、互いに任意の組合せで互いに１００重量％の全体組成へと組合せ可能である。
有利には、構成部材のセラミックボディはヒートシンクとして形成されている。ヒートシンクとは、電気的又は電子的な構成素子又は回路を支持し、構成素子又は回路を損なう恐れのある蓄熱が発生しないように、構成素子又は回路内に発生する熱を導出できるように成形されているボディのことである。キャリアボディは、非導電又はほぼ非導電であり、良好な熱伝導率を有する材料から成るボディである。この種のボディにとって理想的な材料はセラミックスである。
ボディはワンピースであり、電子的な構成素子又は回路を保護する、熱を導出又は供給するエレメントを有している。有利には、キャリアボディは基板であり、エレメントは、加熱又は冷却媒体を負荷可能である孔、通路、リブ及び／又は切欠きである。媒体は液状又はガス状であってよい。キャリアボディ及び／又は冷却エレメントは、有利には少なくとも１つのセラミックス製の構成要素、又は種々異なるセラミック材料の複合体から成っている。
本発明の実施の形態を示した図である。
本発明を、一実施の形態に基づいて詳しく説明する。本発明によるプレート形ではないセラミックボディ２を有する構成部材１が記載されている。プレート形ではないということは、セラミックボディ２の上面３と下面４とが、それぞれ種々異なる大きさの表面を有しているように構成されていることを意味する。ボディは立体的に構造化されている。構成部材１の上面３は本実施の形態においては平坦な表面を有している。上面３に種々異なるメタライジングされた領域５が被着されている。上面３は回路支持体である。セラミックボディ２の上面３の少なくとも１つのメタライジング部５に、少なくとも１つの別のメタライジング部６が載置されている。別のメタライジング部６は本実施の形態では第１のメタライジング部５の表面を部分的にカバーしている。
本実施の形態では、セラミックボディ２はＥ字形である。ボディはヒートシンクである。セラミックボディ２の下面４は冷却リブ７を有している。冷却リブ７にもメタライジングされた領域５が備え付けられている。メタライジングされた領域５に、例えば電子的な構成部材をはんだ付けすることができる。
セラミックボディ２の上面３において、チップ８がメタライジングされた領域５にはんだ結合部９を介して固定されている。線路１０を介してチップ８はメタライジングされた領域５に接続されている。チップ８は熱源である。熱源の熱は冷却リブ７を介して排出される。
ＤＣＢ方法によって窒化アルミニウムセラミックスに銅から成るメタライジング部を被着したい場合に、Ａｌ２Ｏ３から成る介在層がセラミックボディの表面に設けられていると有利である。本実施の形態においてこのことは、セラミックボディ２の左側の冷却リブ７に記載されている。ボディ２が窒化アルミニウムから成っていると仮定して、銅１１から成るメタライジング部と、セラミックボディ２の表面との間に、Ａｌ２Ｏ３から成る介在層１２が製造されている。銅１１から成るメタライジング部に、はんだ１３を介して電子的な構成部材１４が結合されている。

Claims (20)

  1. セラミックボディ（２）を備えた構成部材（１）であって、該セラミックボディ（２）はメタライジング部（５，６；１１）によってセラミックボディ（２）の表面（３，４）の少なくとも１つの領域においてカバーされている、セラミックボディを備えた構成部材において、
    同種又は種々異なる材料から成るメタライジング部（５，６）の少なくとも２つの層の間、及びメタライジング部の層（５；１１）とセラミックスとの間の部分放電耐性は２０ｐＣより小さく、
    セラミックボディ（２）は立体的に構造化されている（７）ことを特徴とする、セラミックボディを備えた構成部材。
  2. キャビティを形成する欠陥個所は、２つのメタライジング部（５，６）の間の移行部、及びメタライジング部（５；１１）とセラミックボディ（２）との間の移行部、及び接続される構成部材（８；１４）とメタライジング部（５；１１）との間の移行部において、１００μｍの直径と１００μｍの高さとを越えていないことを特徴とする、請求項１記載の構成部材。
  3. 構造化されたメタライジング部（５，６；１１）によって形成された欠陥個所は、突出部又は窪みの形式において前記構成部材の表面に縁部延在を有しており、該縁部延在の曲率半径は１０μｍを越えていないことを特徴とする、請求項１又は２記載の構成部材。
  4. メタライジング部（５，６；１１）として、有利にはコーティング又はシート又は金属薄板の形式の金属が、セラミックボディ（２）に全面的に又は部分的に素材結合式に結合されているか、又は機械的な形状結合により結合されていて、前記金属はキャリアボディと同じ又はキャリアボディとは異なる熱伝導率を有していることを特徴とする、請求項１から３までのいずれか一項記載の構成部材。
  5. メタライジング部（５，６；１１）は、純粋な品質又は工業用の品質におけるタングステン、銀、金、銅、白金、パラジウム、ニッケルアルミニウム又は鋼から成っているか、又は、少なくとも２つの種々異なる金属の混合物、及び／又は付加的に又は単独で、反応はんだ、軟質はんだ又は硬質はんだ（９；１３）から成っていることを特徴とする、請求項１から４までのいずれか一項記載の構成部材。
  6. コーティング又はシート又は金属薄板の形式のメタライジング部（５，６；１１）の金属に付着を仲介する添加剤、又は、特にガラス又は重合性の材料といった他の添加剤が添加されているか又は前記金属にコーティングされていることを特徴とする、請求項１から５までのいずれか一項記載の構成部材。
  7. セラミックボディ（２）におけるメタライジング部（５，６；１１）は、少なくとも１つの層から成っており、かつ、ＤＣＢ方法（銅ダイレクトボンディング法）の使用のもと、又はＡＭＢ方法（活性金属はんだ付け法）の使用のもと、又はスクリーン印刷方法の使用のもと、又は電解式の方法の使用のもと、又は化学的な析出法の使用のもと、又は蒸着方法の使用のもと、又は接着又は付着を介して、又は前記方法の組合せを介して、相対している及び／又は隣接している面において前記ボディの表面に被着されていることを特徴とする、請求項１から６までのいずれか一項記載の構成部材。
  8. メタライジング部（５，６；１１）は金属体としてセラミックボディ（２）の表面を、部分的に又は全面的にカバーするか、又は、
    平行平面の形式又はほぼ平行平面の形式において、部分的に又は完全にカバーするか、又は、
    幾何学的に任意に成形されてカバーするか、又は、
    前記形式の組合せにおいてカバーすることを特徴とする、請求項１から７までのいずれか一項記載の構成部材。
  9. セラミックボディ（２）における少なくとも１つのメタライジング部（５）に、少なくとも１つの別のメタライジング部（６）が被着されていて、該別のメタライジング部（６）はメタライジング部（５）の表面を部分的に又は全面的にカバーしていることを特徴とする、請求項１から８までのいずれか一項記載の構成部材。
  10. メタライジング部（５，６；１１）の層厚さが２ｍｍより小さいことを特徴とする、請求項１から９までのいずれか一項記載の構成部材。
  11. セラミックボディ（２）における１つ又は複数のメタライジング部（１１）は、銅のみから成っており、セラミックボディ（２）との結合は、引き続きの熱的な処理を備えたスクリーン印刷方法によって、又はＤＣＢ方法によって行われることを特徴とする、請求項１から１０までのいずれか一項記載の構成部材。
  12. セラミックボディ（２）における１つ又は複数のメタライジング部は、アルミニウムのみから成っていて、セラミックボディ（２）との結合は、引き続きの熱的な処理を備えたスクリーン印刷方法によって、又はＡＭＢプロセスによって行われることを特徴とする、請求項１から１０までのいずれか一項記載の構成部材。
  13. 少なくとも１つのメタライジング部及び／又は別のメタライジング部（５，６；１１）のセラミックボディ（２）への結合は、９０％より大きいことを特徴とする、請求項１から１２までのいずれか一項記載の構成部材。
  14. 少なくとも１つのメタライジング部（５，６；１１）は、少なくとも１２Ｎ／ｃｍの付着耐性でセラミックボディ（２）に結合されていることを特徴とする、請求項１から１３までのいずれか一項記載の構成部材。
  15. メタライジング部（５，６；１１）の層の厚さは２ｍｍ以下であることを特徴とする、請求項１から１４までのいずれか一項記載の構成部材。
  16. セラミックボディ（２）の少なくとも１つの表面又はメタライジング部に、別の層（１１）又は構成部材の付着仲介をするために、介在層（１２）が被着されていることを特徴とする、請求項１から１５までのいずれか一項記載の構成部材。
  17. 介在層（１２）の厚さは２０μｍ以下であることを特徴とする、請求項１６記載の構成部材。
  18. 介在層（１２）はＡｌ２Ｏ３から成っていることを特徴とする、請求項１６又は１７記載の構成部材。
  19. セラミック材料は、主成分として５０．１〜１００重量％のＺｒＯ２／ＨｆＯ２、又は５０．１〜１００重量％のＡｌ２Ｏ３、又は５０．１〜１００重量％のＡｌＮ、又は５０．１〜１００重量％のＳｉ３Ｎ４、又は５０．１〜１００重量％のＢｅＯ、又は５０．１〜１００重量％のＳｉＣ、又は前記割合範囲内での任意の組合せの少なくとも２つの主成分の組合せを含有し、及び、
    副成分として、４９．９重量％以下の割合で単独で又は前記割合範囲における任意の組合せで、少なくとも１の酸化数の状態で及び／又は化合物の形の元素Ｃａ，Ｓｒ，Ｓｉ，Ｍｇ，Ｂ，Ｙ，Ｓｃ，Ｃｅ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｐｂを含有しており、
    主成分と副成分とが、３重量％以下の不純物の割合を差し引いて、１００重量％の全体組成になるように互いに任意の組合せで互いに組み合わされていることを特徴とする請求項１から１８までのいずれか一項記載の構成部材。
  20. セラミックボディ（２）は冷却リブ（７）を備えてヒートシンクとして構成されていることを特徴とする、請求項１から１９までのいずれか一項記載の構成部材。
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