JP2012250284A - 金属−セラミック基板を金属体に接合する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】金属ーセラミック基板と金属体との接合方法に関する。
【解決手段】少なくとも１つの面上にメタライゼーション１，４を有する金属−セラミック基板を、金属合金４によって金属体５に接合する方法であって、（ａ）厚みが１ｍｍ未満である金属体を使用し、（ｂ）（ｂ−１）アルミニウムを含み、（ｂ−２）液相温度が４５０℃より高い金属合金を、金属−セラミック基板と金属体との間に配置し、（ｃ）ステップ（ｂ）が提供する配置を４５０℃より高い温度に加熱する。
【選択図】図１

Description

本発明は、金属−セラミック基板を金属体に接合する方法に関する。結果として得られる金属−セラミックモジュールは、特に、回路キャリアとしてパワー半導体モジュールの分野で使用することができる。

これらの回路キャリアは、典型的には、メタライゼーション、例えば、アルミニウムまたは銅を上面および下面に備えたセラミック、例えば、少なくとも１つの金属化された面が回路構造を有する酸化物セラミックである。セラミック基板に接合される金属体は、特に、操作動作中または絶え間なくパワーエレクトロニクス部品中で発生した熱を伝導する役割を果たす。

例えば、モジュールベースプレートの場合に、熱を除去するために利用される金属体にセラミック基板を固定する先行技術に、例えば、ＳｎＰｂ、ＳｎＡｇ、ＳｎＡｇＣｕ、または同等の適切なはんだ材料を使用する軟はんだ付けによる部品の接着結合がある。そのような方法は、例えば、特許文献１に記載されている。典型的に使用される金属体は、３ｍｍ〜１０ｍｍの範囲の厚みを有する。

しかし、セラミック基板とベースプレートとの接着結合は、典型的には軟質はんだによる銅（Ｃｕ）を含み、パワーモジュールの周期的熱応力によって、はんだ層中に亀裂の形成および層間剥離をもたらし、それは、まず、熱移動を低減し、部品の破壊をもたらす可能性もある。例えば、使用中の周期的熱応力による、クラック形成までの機械的荷重サイクル数は、セラミック基板、ベースプレート、およびはんだ材料の機械的特性、例えば、熱膨張率およびＥ係数だけでなく、有効温度変化、はんだ厚み、および横方向の基板サイズにも依存する。

セラミック基板を金属体に接合するための硬はんだ材料の使用も既に知られている。

例えば、特許文献２は、チタン、クロム、またはハフニウムなどの活性金属を含む硬はんだ材料を使用して、セラミック基板を銅板に接合する方法について記載している。個々の部品は、結合を形成するために、真空炉内でプレスされ、８５０℃または１０６３℃で加熱される。

特許文献３は、１０００℃以下の融点を有し、ニッケル、銅、および／または鉄から実質的になるはんだを使用して、セラミック基板を金属層に接合する方法を開示する。例えば、ＮｉＰの使用が述べられ、それは、まず、６００℃でセラミック基板に接合され、その後、９７０℃で金属層に接合される。結果として得られるはんだの結合層の厚みは、２μｍ〜４０μｍであるとされている。

特許文献４は、同様に、１０００℃以下の融点を有し、ニッケル、銅、および／または鉄から実質的になるはんだが使用される、セラミック基板を金属層に接合する方法に関する。例えば、ＮｉＰの使用が述べられ、それは、まず、６００℃でセラミック基板に接合され、その後、９７０℃で金属層に接合される。

しかし、この手順は、パワーモジュールの周期的熱応力が、まず、熱移動を低減し、部品の破壊をももたらす可能性がある亀裂の形成および層間剥離をもたらすので、熱を除去するために利用される金属体に対して、少なくとも一方の面上にメタライゼーションを有するセラミック基板を固定するのにふさわしくない。さらに、この手順は、特に、比較的高温の結果、極めて複雑であり高価である。

はんだ付け方法とは別に、直接結合方法、例えば、直接銅結合（ＤＣＢ）、直接アルミニウム結合（ＤＡＢ）、および活性金属ろう付け（ＡＭＢ）も知られており、これらの方法では、金属は高温で融解され、結果として得られる融解生成物がセラミック基板に適用され、その後、凝固させられる。そのような方法は、例えば、特許文献５、特許文献６、特許文献７に開示されており、これらは、アルミニウム金属化セラミック基板を製造する方法、およびそのような基板をアルミニウムまたはアルミニウム合金からなるベースプレートに接合する方法についても記載している。

さらに、特許文献６は、実験部分において、窒化アルミニウムセラミック基板を、まず８７．５重量％のＡｌおよび１２．５重量％のＳｉを含むはんだで印刷し、巻回アルミニウム板を、その後セラミック基板上に配置し、アセンブリを真空炉内で５７５℃に加熱し、次いで無電解法によってニッケルめっきする方法と上記手順を比較する（特許文献６：比較例１参照）。

しかし、これらの文献の方法は、文献に開示された形態では、特に、単一部品の処理のため、そして比較的高温の結果、極めて複雑であり高価である。厚みの制限および使用されるベースプレートの降伏応力も、特許文献７に記載されるように、可能な適用分野の限定をもたらす。降伏応力の限定の理由は、このように、熱を受ける場合にシステムで発生する機械的応力であり、それは、提案された低い降伏応力値によって、セラミック基板が耐えることができる値に低減される。

最後に、最近の文献は、セラミック基板を金属体に接着結合するための焼結または拡散結合を提案している。

しかし、低温焼結技術は、近年、特に、ダイアタッチ方法にうまく使用されており、このプロセスでは、焼結された継ぎ目を製造するために２ＭＰａ〜２０ＭＰａの範囲の圧力を使用しなければならないので、セラミック基板を金属体に接合するための適合性は限定的なものでしかない。３０×４０ｍｍ^２の典型的な基板サイズの場合には、２ＭＰａ（例えば、ナノ銀技術の場合）の接合圧力のために、２．４ｋＮの力を加えなければならない。

金属体、特に、金属−セラミックモジュールのベースプレート、特に、パワーエレクトロニクス部品は、適切な方法、例えば、ねじまたは締め付けによって熱を除去するために必要な冷却体に高い頻度で固定される。金属体と冷却表面との間、特に、モジュールベースプレートと冷却表面との間の熱移動が、表面粗さおよび／または表面コルゲーションによって局部的に限定された小さな領域でのみ発生する可能性があるので、熱伝導材料（ＴＩＭ）として知られる連結媒体は、金属体と冷却表面との間、特に、モジュールベースプレートと冷却表面との間の界面で凹凸をうめ、したがって、より良好な熱移動を確実にするものであり、アセンブリに使用される。

しかし、現在利用可能なＴＩＭの熱伝導率は０．５〜最大１０Ｋ／Ｗ^＊ｍの範囲でしかないので、冷却器上におけるモジュール底部の取り付けにおいて要求されるＴＩＭは、システム全体の耐熱性を向上させる。

パワーエレクトロニクス部品の改善された冷却を達成するさらなる可能な方法は、セラミック基板の下面と冷却媒体との直接接触であり、セラミック基板が適切な形状体において固定され、部品への冷却媒体の侵入が適切に設計されたシール（例えば、Ｄａｎｆｏｓｓ ＳｈｏｗｅｒＰｏｗｅｒ（登録商標））によって防止される。

しかし、モジュール構造物（例えば、Ｄａｎｆｏｓｓ ＳｈｏｗｅｒＰｏｗｅｒ（登録商標））における冷却媒体によるセラミック基板の直接冷却は、圧力増加とともに、部品への冷却媒体の侵入の危険が増大するので、冷却媒体の最大可能圧力によって限定される。さらに、冷却媒体と直接接触する基板下面は、それらの表面積の点から、限定的にのみ拡大することができ、その結果、この場合には、セラミック基板と冷却媒体との間に最適化された接触はなく、それにより熱移動に対する悪影響がある。

最後に、セラミック基板の熱膨張率にさらによく調和する材料、例えば、ＡｌＳｉＣ、ＭｏＣｕ、ＷＣｕ、ＣｕＭｏＣｕ、またはＣｕ／アンバー（Ｉｎｖａｒ）／Ｃｕを使用することによって、高品質の金属−セラミックモジュールを得ることができることも知られている。しかし、これは、同様に、セラミック基板と底部を接合するための公知の接合技術のうちの１つ、例えば、はんだ付けまたは焼結を必要とし、それには上記欠点があり、また、ベースプレートのための高い材料コストのために、信頼度の点から非常に厳しい必要条件を有するモジュール、例えば、宇宙飛行でのモジュールのためにのみ実行することができる。

米国特許出願公開第２０１０／０６８５５２号明細書 欧州特許出願公開第０８２７１９８号明細書 欧州特許出願公開第０７８８１５３号明細書 欧州特許出願公開第０９６９５１１号明細書 欧州特許出願公開第０６７６８００号明細書 欧州特許出願公開第１１８７１９８号明細書 欧州特許出願公開第２２１４２０２号明細書

この先行技術の観点から、本発明の目的は、金属−セラミック基板を金属体に接合するより良好な方法を提供することであった。特に、少なくとも一方の面上にメタライゼーションを有するセラミック基板に金属体を接合する、特に、少なくとも一方の面上にメタライゼーションを有するセラミック基板に金属冷却体をより強くより安定して接合し、その結果、継ぎ目は、好ましくは周期的熱応力にも非常に良好に耐える、より良好な方法が求められた。そのような周期的熱応力下での継ぎ目での亀裂の形成および層間剥離は、金属−セラミックモジュールのより良好な長期特性、特に、より良好な長期的熱移動を確実にし、使用中に金属−セラミックモジュールの破壊の危険を最小限にするためにできるだけ回避されるべきである。さらなる接合手段、特に、ねじ、クランプ、または熱伝導材料（ＴＩＭ）などの他の連結媒体の使用もできることなら回避されるべきである。同時に、本発明による解決法は、好ましくは簡単な方法で非常に安価に効率的に実現されることができるに違いない。

本明細書で検討する内容に直接導かれ得るこれらおよびさらなる目的は、請求項１のすべての特徴を有する金属−セラミックモジュールを製造する方法によって達成される。請求項１を参照する従属クレームは、本発明の方法の好ましい変形例について記載している。さらに、本発明による金属−セラミックモジュール、および本発明による金属−セラミックモジュールの特に有利な使用分野が保護される。

少なくとも１つの面上にメタライゼーションを有する金属−セラミック基板を、金属合金によって金属体に接合する方法であって、（ａ）厚みが１ｍｍ未満である金属体を使用し、（ｂ）（ｂ−１）アルミニウムを含み、（ｂ−２）液相温度が４５０℃より高い合金を、金属−セラミック基板と金属体との間に配置し、（ｃ）ステップ（ｂ）が提供する配置を４５０℃より高い温度に加熱する方法は、驚いたことに、より良好な特性プロフィールを有する金属−セラミックモジュールを提供することを可能にする。本発明の方法は、セラミック基板に金属体を結合することを可能にし、特に、セラミック基板への金属体のより強くより安定した結合を達成することを可能にし、継ぎ目も非常に良好に周期的熱応力に耐える。そのような周期的熱応力の場合の継ぎ目での亀裂の形成および層間剥離は、できるだけ回避され、金属−セラミックモジュールのより良好な長期特性、特に、より良好な長期的熱移動が、このようにして保証され、使用中の金属−セラミックモジュールの破壊の危険は比較的低い。金属体の厚みの本発明による１ｍｍ未満への制限の結果、金属−セラミック基板にとって重要でない小さな機械的応力のみが、金属−セラミック基板と金属体の複合材料の熱応力の場合に発生し、その結果、使用される金属体の降伏応力の限定は必要ない。さらなる接合手段、特に、ねじ、クランプ、または熱伝導材料（ＴＩＭ）などの他の連結媒体を使用することは、本発明の目的に絶対に必要というわけではない。さらに、本発明による解決法は、比較的簡単な方法で、極めて安価で効率的に実現することができる。

構造の断面を通る原理的なスケッチ

したがって、本発明は、金属合金によって金属−セラミック基板を金属体に接合する方法を提供し、金属−セラミック基板と金属体との間に金属合金がまず配置される。

本発明によって使用される金属−セラミック基板は、セラミック基板と、少なくとも１つの面上のメタライゼーションとを含む。

セラミック基板は、無機、非金属基板、特に、粘土鉱物が好ましい。好ましいセラミック基板は、酸化物および窒化物、特に、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、および窒化ケイ素、特に、酸化アルミニウムを含む。

本発明の目的のために、セラミック基板は、メタライゼーションを含み、好ましくはアルミニウムまたは銅、特に、少なくとも１つの表面上のアルミニウムからなる。

メタライゼーションの導電率は、有利には１０^２（Ω・ｃｍ）^−１より大きく、好ましくは１０^３（Ω・ｃｍ）^−１より大きく、特に好ましくは１０^４（Ω・ｃｍ）^−１より大きく、特に１０^５（Ω・ｃｍ）^−１より大きい。

本特許出願においては、他に指定のない限り、示されたすべての値は、２５℃の温度に関係する。

メタライゼーションの厚みは、好ましくは５０．０μｍより大きく、より好ましくは７５．０μｍより大きく、特に好ましくは１００．０μｍより大きく、とても好ましくは１５０．０μｍより大きく、特に２００．０μｍより大きい。さらに、メタライゼーションの厚みは、有利には１０００．０μｍ未満、好ましくは７５０．０μｍ未満、特に好ましくは５００．０μｍ未満、特に４００．０μｍ未満である。

メタライゼーションは、好ましくは直接結合方法によってセラミック基板の表面に適用される。そのような方法としては、特に、直接銅結合（ＤＣＢ）、直接アルミニウム結合（ＤＡＢ）、および活性金属ろう付（ＡＭＢ）が挙げられ、金属は高温で融解され、結果として得られる融解生成物は、セラミック基板に適用され、その後凝固させられる。そのような方法は、例えば、欧州特許出願公開第０６７６８００（Ａ２）号および欧州特許出願公開第１１８７１９８（Ａ２）号（特許文献６）に記載されている。

本発明の第１の特に好ましい実施形態では、セラミック基板は、その上面およびその下面にメタライゼーションを有し、金属体は、これらの面の１つ、好ましくは下面を介してセラミック基板に接合される。

本発明の第２の特に好ましい実施形態では、セラミック基板は、その上面上にのみメタライゼーションを有し、金属体はセラミック基板の下面を介してセラミック基板に接合される。

少なくとも１つの金属化された面が回路構造を有することが有利である。

本発明によって使用される金属体は、好ましくは金属板である。

本発明によれば、金属体の厚みは、１．０ｍｍ未満、好ましくは０．９ｍｍ未満、特に好ましくは０．８ｍｍ未満、とても好ましくは０．７ｍｍ未満、特に０．６ｍｍ未満である。さらに、金属体の厚みは、好ましくは０．０５ｍｍより大きく、さらに特に好ましくは０．１ｍｍより大きく、とても好ましくは０．２ｍｍより大きく、特に０．３ｍｍより大きい。金属体の厚みは、好ましくは継ぎ目に対して垂直に決まる。

もしくは、金属−セラミック基板に接合される金属体は、原則として、いかなる特定の制限をも受けない。しかし、金属体は、好ましくは操作動作中または絶え間なくパワーエレクトロニクス部品中で発生した熱を伝導する役目をする。この理由で、金属体に対向する金属−セラミック基板の面は、好ましくは、特に効率的な冷却作用を確実にするために、金属−セラミック基板に対向する金属体の面より小さい。

本発明の目的のために、金属体は、好ましくは次の材料特性を有する。
１．高い導電率、
２．高い熱伝導率、
３．延性（変形能）、および
４．金属の輝き（鏡面の輝き）。

好ましい金属体は、元素周期表で、ホウ素からアスタチンの境界線の左および下に位置する化学元素からなる。本発明の目的に非常に特に有利な金属体は、アルミニウムおよび銅、特に、アルミニウムである。さらに、ＡｌＳｉＣ、ＭｏＣｕ、ＷＣｕ、ＣｕＭｏＣｕ、および／またはＣｕ／アンバー（Ｉｎｖａｒ）／Ｃｕを含む金属体は、高出力用途に有利であることが分かった。

金属合金は、冶金学的に相互に作用する２つ以上の合金元素からなる材料である。したがって、合金は、アルミニウムとさらなる合金元素、好ましくは元素周期表の主族ＩＩまたはＩＶの元素、有利にはマグネシウム（Ｍｇ）またはケイ素（Ｓｉ）、特にケイ素を含む。

合金のアルミニウム含有量は、本発明によれば、各場合とも合金の全重量に基づいて、０．０重量％より大きく１００．０重量％未満、好ましくは５０．０重量％より大きく、特に好ましくは７０．０重量％より大きく、有利には７５．０％より大きく、より有利には８０．０％より大きく、特に８５．０％より大きい。

本発明の特に好ましい変形例では、合金は、さらなる合金元素としてケイ素を含む。合金のケイ素含有量は、好ましくは各場合とも合金の全重量に基づいて、０．１重量％より大きく、より好ましくは４．０重量％より大きく、特に好ましくは５．０重量％より大きく、有利には７．５重量％より大きく、より好ましくは１０．０重量％より大きく、特に１１．５重量％より大きい。

さらに、合金のケイ素含有量は、各場合とも合金の全重量に基づいて、好ましくは３０．０重量％未満、より好ましくは２５．０重量％未満、特に好ましくは２０．０重量％未満、有利には１５．０重量％未満、より有利には１３．５重量％未満、特に１２．５重量％未満である。

とても有利な結果が、各場合とも合金の全重量に基づいて、アルミニウム８８．０重量％、およびケイ素１２．０重量％からなる合金を使用する場合に得られる。

さらに、アルミニウム、ケイ素４．０重量％〜１２．０重量％、および製造関連の不純物０．１重量％以下は別として、以下：
各場合とも合金の全重量に基づいて、
ａ）銅０．５重量％〜３２．０重量％、
ｂ）錫０．５重量％〜８．０重量％、
ｃ）マグネシウム０．２重量％〜２．０重量％、
ｄ）銀０．２重量％〜８．０重量％、
から選択される少なくとも２つのさらなる合金成分からなり、すべての合金成分が１００．０重量％以内になる合金の使用も有利である。合金中に存在する不純物元素、例えば、鉄およびマグネシウムは、有利には各場合とも合金の全重量に基づいて、０．０５重量％を超えるべきでない。

本発明の特に好ましい実施形態では、さらなる合金成分が、各場合とも合金の全重量に基づいて、
ａ−１）銅２３．０重量％〜３２．０重量％、
ｄ−１）銀０．１重量％〜８．０重量％
から選択される。

別の好ましい４成分合金では、さらなる合金成分が、各場合とも合金の全重量に基づいて、
ａ−２）銅０．５重量％〜８．０重量％、
ｄ−２）銀０．１重量％〜８．０重量％
から選択される。

さらに好ましい合金では、さらなる合金成分が、各場合とも合金の全重量に基づいて、
ａ−３）銅０．５重量％〜８．０重量％、
ｂ−３）錫０．２重量％〜８．０重量％、
ｃ−３）マグネシウム０．２重量％〜２．０重量％
から選択される。

さらなる合金成分が次の濃度：
各場合とも合金の全重量に基づいて、
ｂ−４）錫０．５重量％〜８．０重量％、
ｃ−４）マグネシウム０．１重量％〜２．０重量％
の錫およびマグネシウムである合金も特に適切である。

アルミニウム、ケイ素４．０重量％〜１２．０重量％、および製造関連の不純物０．１重量％以下は別として、次の合金成分：
ａ−５）銅０．５重量％〜８．０重量％、
ｄ−５）銀１．０重量％〜８．０重量％
からなり、百分率は、各場合とも合金の全重量に基づくＡｌ−Ｓｉ合金が、特に、アルミニウム継ぎ目の硬質はんだ付けのための使用に適切であることが分かった。

これらの合金の銀含有量を増加させると、さらに融点が低下し、接合される部品の濡れが向上することが分かった。

アルミニウム継ぎ目の硬質はんだ付けのための使用に非常によく適しているＡｌ−Ｓｉ合金のさらなる群が、アルミニウム、ケイ素４．０重量％〜１２重量％、および製造関連の不純物０．１重量％以下は別として、さらに次の合金成分：
銅２．０重量％〜８．０重量％、
錫０．２重量％〜３．０重量％、
マグネシウム０．２重量％〜２．０重量％
からなり、百分率は、各場合とも合金の全重量に基づくＡｌ−Ｓｉ合金であることが分かった。

本発明のさらに特に好ましい変形例では、合金は、さらなる合金元素としてマグネシウムを含む。元素のマグネシウム含有量は、各場合とも合金の全重量に基づいて、好ましくは０．１重量％より大きく、より好ましくは０．５重量％より大きく、特に好ましくは１．０重量％より大きく、有利には１．５重量％より大きく、より有利には２．０重量％より大きく、特に２．５重量％より大きい。さらに、合金のマグネシウム含有量は、各場合とも合金の全重量に基づいて、好ましくは１０．０重量％未満、より好ましくは９．０重量％未満、特に好ましくは８．０重量％未満、有利には７．０％未満、より有利には６．０％未満、特に５．５％未満である。

合金中に存在する不純物元素、例えば、鉄およびマンガンは、有利には、各場合とも合金の全重量に基づいて０．０５重量％を超えるべきでない。

本発明の目的ために、セラミック基板、金属合金、および好ましくは金属体も大きな化学類似性を有することが特に有利である。この理由で、セラミック基板、金属合金、および好ましくは金属体も、有利には、少なくとも１つの共通の元素を有し、各部品中のその重量割合が、各場合とも部品の全重量に基づいて、有利には２５．０重量％より大きく、好ましくは５０．０重量％より大きい。共通の元素は、好ましくは、アルミニウムである。

本発明による金属合金の液相温度は、４５０℃より高く、好ましくは５００℃より高く、特に好ましくは５５０℃より高く、特に５７５℃より高い。さらに、金属合金の液相温度は、有利には６５０℃未満、好ましくは６２５℃未満、特に好ましくは６００℃未満、とても好ましくは５９０℃未満、特に５８０℃未満である。

本発明の目的ために、液相温度は、それより高くなると合金が完全に液体である温度である。

金属合金の固相温度は、好ましくは４５０℃より高く、より好ましくは５００℃より高く、特に好ましくは５５０℃より高く、特に５７５℃より高い。さらに、固相温度は、有利には６５０℃未満、好ましくは６２５℃未満、特に好ましくは６００℃未満、とても好ましくは５９０℃未満、特に５８０℃未満である。

本発明の目的のために、固相温度は、それより低くなると合金が完全に固体である温度である。

本発明の特に好ましい実施形態では、金属合金の厚みは、５０．０μｍより大きく、好ましくは７５．０μｍより大きく、特に好ましくは１００．０μｍより大きく、とても好ましくは１５０．０μｍより大きく、特に２００．０μｍより大きい。さらに、金属合金の厚みは、有利には１０００．０μｍ未満、好ましくは７５０．０μｍ未満、特に好ましくは５００．０μｍ未満、特に２５０．０μｍ未満である。

セラミック基板の厚みは、いかなる制限も特に受けない。しかし、本発明による手順は、２０００．０μｍ未満、好ましくは１５００．０μｍ未満、特に好ましくは７５０．０μｍ未満、とても好ましくは５００．０μｍ未満、特に４００．０μｍ未満の厚みを有するセラミック基板に特に適切であることが分かった。さらに、セラミック基板の厚みは、好ましくは、５０．０μｍより大きく、より好ましくは７５．０μｍより大きく、特に好ましくは１００．０μｍより大きく、とても好ましくは２００．０μｍより大きく、特に３００．０μｍより大きい。

金属合金、セラミック基板、メタライゼーション、および金属体の厚みに関する上記値は、有利にはセラミック基板／金属合金／金属体の接触面に対して垂直に決まる。

金属合金の厚みが不均一な場合には、示された図は、最も小さな値（最小厚み）に関する。

湾曲面の場合には、厚みは各場合において、セラミック基板／金属合金／金属体の接触面に対して法線の方向に決まり、ここでも示された図は、最も小さな値（最小厚み）に関する。

セラミック基板、金属体、および金属合金の導電率は、原則として自由に選択することができる。しかし、金属体の導電率は、有利には１０^２（Ω・ｃｍ）^−１より大きく、好ましくは１０^３（Ω・ｃｍ）^−１より大きく、特に好ましくは１０^４（Ω・ｃｍ）^−１より大きく、特に１０^５（Ω・ｃｍ）^−１より大きい。

金属合金の導電率は、有利には金属体の導電率未満である。金属合金の導電率は、好ましくは１０^２（Ω・ｃｍ）^−１未満、好ましくは１０^１（Ω・ｃｍ）^−１未満、特に好ましくは１０^０（Ω・ｃｍ）^−１未満、有利には１０^−１（Ω・ｃｍ）^−１未満、とても好ましくは１０^−２（Ω・ｃｍ）^−１未満、特に１０^−３（Ω・ｃｍ）^−１未満である。さらに、金属合金の導電率は、好ましくは１０^−８（Ω・ｃｍ）^−１より大きく、好ましくは１０^−７（Ω・ｃｍ）^−１より大きく、特に好ましくは１０^−６（Ω・ｃｍ）^−１より大きく、特に１０^−５（Ω・ｃｍ）^−１より大きい。

セラミック基板の導電率は、有利には金属合金の導電率未満である。それは、好ましくは１０^−６（Ω・ｃｍ）^−１未満、より好ましくは１０^−８（Ω・ｃｍ）^−１未満、特に好ましくは１０^−１０（Ω・ｃｍ）^−１未満、有利には１０^−１２（Ω・ｃｍ）^−１未満、特に１０^−１４（Ω・ｃｍ）^−１未満である。

本発明の方法は、構造化または非構造化金属−セラミック基板、例えば、ＤＡＢ基板またはＤＣＢ基板を金属体に接合することを可能にする。これらの金属体は、好ましくはアルミニウムからなり、電子部品中で熱を除去するために典型的に使用されるような冷却体の形状を有することができる。

金属−セラミック基板と金属体を接合するために、金属−セラミック基板、金属合金、および金属体を含むアセンブリは、４５０℃より高い、好ましくは５００℃より高い、特に好ましくは５５０℃より高い、特に５７５℃より高い温度に加熱される。ここで、アセンブリは、好ましくは９００℃未満、より好ましくは８００℃未満、特に好ましくは７００℃未満、特に６５０℃未満の温度に加熱される。合金の液化後、これは、有利には金属−セラミック基板、金属合金、および金属体を含むアセンブリを、４５０℃未満、好ましくは３００℃未満、特に好ましくは２００℃未満、さらにより好ましくは１００℃未満、特に５０℃未満の温度に冷却することによって、再度凝固させられることが好ましい。

金属−セラミック基板と金属体を接合するために、金属−セラミック基板、金属合金、および金属体を含むアセンブリは、有利には、炉、例えば、トンネル窯に導入され、好ましくは、接合層の融点より高く、存在するいかなるセラミック基板のメタライゼーションおよび金属体の融点より有利には低い温度に加熱される。セラミック基板と金属体の接合は、有利には不活性ガス雰囲気下で行われる。接合層の融解の結果、いかなるセラミック基板のメタライゼーションおよび金属体も、有利には合金で濡らされ、発生する拡散過程によって冷却後に粘着的に結合される。とても有用であると分かった手順は、金属−セラミック基板、金属合金、および金属体を含むアセンブリが、４５０℃未満、好ましくは３００℃未満、特に好ましくは２００℃未満、さらにより好ましくは１００℃未満、特に５０℃未満の初期温度から、４５０℃より高い、好ましくは５００℃より高い、特に好ましくは５５０℃より高い、特に５７５℃より高い温度に連続的に加熱され、次いで、４５０℃未満、好ましくは３００℃未満、特に好ましくは２００℃未満、さらにより好ましくは１００℃未満、特に５０℃未満の温度に再度連続的に冷却される。

セラミック基板と金属体を接合する代替方法としては、プラズマはんだ付け、レーザーはんだ付け、炎はんだ付け、および誘導はんだ付けが挙げられる。しかし、炉はんだ付けが、本発明の目的にとても役立つことが分かった。

金属−セラミック基板と金属体との間の結合の形成は、この界面に導入され、好ましくは存在するいかなる基板のメタライゼーションおよび金属体よりも低い融点を有し、表面が接合プロセスの間に非常によく濡らされる金属合金の層によって達成される。この層は、接合パートナー（金属−セラミック基板および／または金属体）の少なくとも１つに堅固に結合される、または結合される金属−セラミック基板の面と金属体との間の揚げ板として置くことができる。

横寸法が最適に制限された複数の構造化金属−セラミック基板の接合成形された金属体への適用、およびこれらの金属−セラミック基板間の適切な電気的接続の生成は、比較的高出力用でさえ回路全体を信頼できるものとする。

金属−セラミック基板に電気部品、例えば、半導体チップ、サーミスターなどを設けること、および電気回路構成の製造は、好ましくは、金属−セラミック基板と金属体との間の結合を確立した後に、当業者に公知の適切な方法によって達成される。

本発明によれば、結果として得られる金属−セラミックモジュールの表面は、好ましくはニッケル、金、銀、および／またはこれらの材料からなる層系で少なくとも部分的に被覆される。

本発明によって得ることができる金属−セラミックモジュールは、特に、金属体とセラミック基板との間の非常に強い結合を特徴とする。セラミック基板と金属体との分離に必要な剥離力は、好ましくは３Ｎ／ｍｍより大きい。

本発明によって得ることができる金属−セラミックモジュールの好ましい適用分野としては、電子装置における回路キャリアとしての使用が挙げられ、金属−セラミックモジュールの金属体が好ましくは冷却体として機能する。

本発明は、これが発明の概念の限定を構成することなく、多くの例によって以下に説明される。

実施例１
両面が金属化され、一方の面が構造化されたＤＡＢ基板のＡｌ−Ｓｉ被覆アルミニウム板に対する接合
この実施例において、両面にＡｌメタライゼーション（厚み０．３ｍｍ）を備えた３６ｍｍ×２０ｍｍの横方向サイズを有するＤＡＢセラミック基板（Ａｌ_２Ｏ_３セラミック（厚み０．３８ｍｍ）、ＤＡＢ基板の上面は回路のために構造化されている）を、一方の面にＡｌ−Ｓｉで被覆された０．２ｍｍの厚みのアルミニウム板に接合する。

接合プロセスのため、非構造化面をアルミニウム板のＡｌ−Ｓｉ被覆面上の定義された位置にして、接合される基板を置く。

構造の断面を通る原理的なスケッチを、図Ａに示し、ここで、金属化されたセラミック基板は、セラミック（２）および両面にメタライゼーション（１、３）を含み、接合層（４）が、アルミニウム板（５）に堅固に接合されている。

このスタックを、複数の加熱帯を有するトンネル窯のコンベヤーベルト上に置き、一定の走行速度で炉内を移動させ、プロセスにおいて５８０℃〜６５０℃の範囲の温度に加熱する。加熱帯を通り抜けた後、アセンブリを室温（２５℃）に冷却する。炉プロセスをＮ_２雰囲気で行う。

接合プロセス後、セラミック基板およびアルミニウム板を互いに粘着的に結合させ、セラミック基板とアルミニウム板とを分離するための剥離力は３Ｎ／ｍｍより大きい。

実施例２
接着せずに置いたＡｌ−Ｓｉプレートによるアルミニウム板への構造化ＤＡＢ基板の接合
この実施例において、３６ｍｍ×２０ｍｍの横方向サイズを有するＤＡＢセラミック基板（Ａｌメタライゼーション（厚み０．３ｍｍ）を両面に備えたＡｌ_２Ｏ_３セラミック（厚み０．３８ｍｍ））を、０．８ｍｍの厚みのＡｌ板に接合する（ＤＡＢ基板の上面メタライゼーションは、回路のために構造化されている）。接合プロセス前に、接合される各基板用に、３６ｍｍ×２０ｍｍのサイズおよび０．０７５ｍｍの厚みを有するＡｌ−Ｓｉプレートを、アルミニウム板の上面の定義された位置に置き、セラミック基板の非構造化下面がその上に位置する。

構造の断面の原理的なスケッチを、図Ｂに示し、ここで、金属化されたセラミック基板は、セラミック（２０）および両面のメタライゼーション（１０、３０）を含み、接合層（４０）はプレートから構成され、アルミニウム板は参照数字（５０）によって示される。

このスタックを、複数の加熱帯を有するトンネル窯のコンベヤーベルト上に置き、一定の走行速度で５８０℃〜６５０℃の範囲の温度に加熱し、加熱帯を通り抜けた後、室温に再度冷却する。ここで、炉プロセスをＮ_２雰囲気で行う。

接合プロセス後、セラミック基板およびアルミニウム板を、互いに粘着的に結合させる。

実施例３
一方の面に金属化、構造化されたＤＣＢ基板のＡｌ−Ｓｉ被覆アルミニウム板への接合
この実施例において、３６ｍｍ×２０ｍｍの横方向サイズを有するＤＣＢセラミック基板（Ａｌ_２Ｏ_３セラミック（厚み０．６３ｍｍ）およびその上面のみに適用されたＣｕメタライゼーション（厚み０．３ｍｍ））を、一方の面がＡｌ−Ｓｉで被覆された０．５ｍｍの厚みのアルミニウム板にその被覆されていない下面で接合する。ＤＣＢ基板の銅メタライゼーションは回路のために構造化されている。

接合プロセスのため、接合されるセラミック基板を、メタライゼーションが、ＡｌシートのＡｌ−Ｓｉ被覆面上に上方を向く状態で置く。構造の断面を通る原理的なスケッチを図Ｃに示し、ここで、金属化されたセラミック基板はメタライゼーション（１００）およびセラミック（２００）を含み、接合層（３００）がアルミニウム板（４００）に堅固に接合されている。

継ぎ目が、基板のセラミックと、アルミニウム板（中間層を含む）との間に生成される。このスタックを、複数の加熱帯を有するトンネル窯のコンベヤーベルト上に置き、一定の走行速度で炉内を移動させ、プロセスで５８０℃〜６５０℃の範囲の温度に加熱し、加熱帯を通り抜けた後、室温に再度冷却する。ここで、炉プロセスをＮ_２雰囲気で行う。

接合プロセス後、基板およびアルミニウム板を、基板とアルミニウム板とを分離するための剥離力が３Ｎ／ｍｍより大きい状態で、互いに粘着的に結合させる。

Claims (15)

1. 少なくとも１つの面上にメタライゼーションを有する金属−セラミック基板を、金属合金によって金属体に接合する方法であって、
   （ａ）厚みが１ｍｍ未満である金属体を使用し、
   （ｂ）（ｂ−１）アルミニウムを含み、（ｂ−２）液相温度が４５０℃より高い金属合金を、金属−セラミック基板と金属体との間に配置し、
   （ｃ）ステップ（ｂ）が提供する配置を４５０℃より高い温度に加熱することを特徴とする、方法。
2. ケイ素をさらに含む合金を使用することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. マグネシウムをさらに含む合金を使用することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
4. 合金の全重量に対して５０．０重量％より多いアルミニウムを含む合金を使用することを特徴とする、請求項１〜３の少なくとも１項に記載の方法。
5. 金属−セラミック基板が金属体とは反対方向に向く面上にメタライゼーションを含むように、金属−セラミック基板を金属体に接合することを特徴とする、請求項１〜４の少なくとも１項に記載の方法。
6. 少なくとも１つの表面上に銅メタライゼーションを有するセラミック基板を使用することを特徴とする、請求項１〜５の少なくとも１項に記載の方法。
7. 少なくとも１つの表面上にアルミニウムメタライゼーションを有するセラミック基板を使用することを特徴とする、請求項１〜６の少なくとも１項に記載の方法。
8. 結果として得られる金属−セラミックモジュールの表面を、ニッケル、金、銀、および／またはこれらの材料からなる層系で少なくとも部分的に被覆することを特徴とする、請求項１〜７の少なくとも１項に記載の方法。
9. アルミニウムを含む金属体を使用することを特徴とする、請求項１〜８の少なくとも１項に記載の方法。
10. 酸化アルミニウム、窒化ケイ素、および／または窒化アルミニウムを含むセラミックを使用することを特徴とする、請求項１〜９の少なくとも１項に記載の方法。
11. ＡｌＳｉＣ、ＭｏＣｕ、ＷＣｕ、ＣｕＭｏＣｕ、および／またはＣｕ／アンバー／Ｃｕを含む金属体を使用することを特徴とする、請求項１〜１０の少なくとも１項に記載の方法。
12. 金属体に対向する金属−セラミック基板の面は、金属−セラミック基板に対向する金属体の面よりも小さいことを特徴とする、請求項１〜１１の少なくとも１項に記載の方法。
13. 金属−セラミック基板と、金属体と、セラミック基板を金属体に接合し、金属合金を含む継ぎ目と、を含むモジュールであって、
    金属−セラミック基板は、少なくとも１つの面上にメタライゼーションを有し、
    金属体の厚みは１ｍｍ未満であり、金属合金はアルミニウムを含み、その液相温度は４５０℃より高いことを特徴とする、モジュール。
14. セラミック基板と金属体との分離に必要な剥離力は、３Ｎ／ｍｍより大きいことを特徴とする、請求項１３に記載のモジュール。
15. 電子装置における回路キャリアとしての請求項１３または１４に記載のモジュールの使用。
    
    

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