JP2015534280A - 金属・セラミック基板および金属・セラミック基板の製造方法 - Google Patents
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Abstract
本発明は、第１の表面側（２ａ）と第２の表面側（２ｂ）とを有し、前記表面側（２ａ、２ｂ）の少なくとも１つに金属被覆（３、４）が施されている、少なくとも１つのセラミック層（２）を備える金属・セラミック基板であって、前記セラミック層（２）を形成するセラミック材料が酸化アルミニウムと二酸化ジルコニウムと酸化イットリウムとを含むような金属・セラミック基板およびその製造方法に関する。特に有利には、前記セラミック層（２）において酸化アルミニウムと二酸化ジルコニウムと酸化イットリウムとが、その総重量に対してそれぞれ以下の割合：二酸化ジルコニウムが２〜１５重量％；酸化イットリウムが０．０１〜１重量％および酸化アルミニウムが８４〜９７重量％で含まれており、使用する酸化アルミニウムの平均粒径が２〜８μｍであり、かつ、酸化アルミニウム粒の粒界長さと全粒界の全長との比率が０．６より大きい。【選択図】図１
Description
本発明は、請求項１の前提部に記載の金属・セラミック基板、および請求項１０の前提部に記載の金属・セラミック基板の製造方法に関する。
セラミックからなる絶縁層と、セラミックからなる絶縁層の表面側と接合され、導体経路、接点、接触領域、または固定領域を形成するよう構造化された少なくとも１つの金属被覆とからなるプリント基板形状の金属・セラミック基板は、さまざまな実施において知られている。
セラミック層に施す金属被覆の層厚を減少させるためには、セラミック層の熱伝導率の向上が望ましい。これに関して、例えば独国特許発明第１０ ２００４ ０１２ ２３１ Ｂ４号明細書からは、高い機械的強度と高い熱伝導率を実現するために、二酸化ジルコニウムを含むセラミック材料からセラミック層を製造する金属被覆セラミック基板が公知である。このセラミック材料は、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）のほかに、二酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）ならびに酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）および／または酸化カルシウム（ＣａＯ）を含み、セラミック層におけるＡｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２ならびにＹ２Ｏ３および／またはＣａＯは、この層の総重量に対して以下の割合で含まれる：
・Ａｌ２Ｏ３が９１〜９７．９６重量％；
・ＺｒＯ２が２〜９重量％および
・Ｙ２Ｏ３および／またはＣａＯが０．０４〜１重量％。
・Ａｌ２Ｏ３が９１〜９７．９６重量％；
・ＺｒＯ２が２〜９重量％および
・Ｙ２Ｏ３および／またはＣａＯが０．０４〜１重量％。
このようなセラミック層の熱伝導率は、室温で２０〜２３Ｗ／ｍＫである。しかしながら、さらなる熱伝導率の向上が望ましく、しかも、セラミック層または金属被覆セラミック基板の曲げ強度が維持されたまま、またはわずかしか低下していない状態が望ましい。
例えば、金属層もしくは金属板、好ましくは銅板もしくは銅箔を互いに、および／またはセラミックもしくはセラミック層と接合するためのいわゆる「ＤＣＢ法」（「Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｏｐｐｅｒ Ｂｏｎｄｉｎｇ（直接銅接合）法」）法も知られており、より詳しくは、金属と反応性ガス、好ましくは酸素からなる化合物の層または被覆（「リフロー層」）を表面側に有する金属板もしくは銅板または金属箔もしくは銅箔を使用する。例えば米国特許第３７ ４４ １２０号明細書または独国特許発明２３ １９ ８５４号明細書に記載されているこの方法では、この層またはこの被覆（「リフロー層」）が、金属（例えば銅）の融解温度より低い融解温度を有する共融混合物を形成しているため、金属箔または銅箔をセラミック上に置き、層全体を加熱することによって、より詳しくは、概ねリフロー層または酸化層の範囲においてのみ金属または銅をリフローすることによって、これを互いに接合することができる。このようなＤＣＢ法には、例えば以下のような工程段階がある：
・均一な酸化銅層が生じるように銅箔を酸化させる；
・均一な酸化銅層を有する銅箔をセラミック層の上に置く；
・およそ１０２５〜１０８３℃の処理温度で、例えば約１０７１℃で接合物を加熱する；
・室温で冷却する。
・均一な酸化銅層が生じるように銅箔を酸化させる；
・均一な酸化銅層を有する銅箔をセラミック層の上に置く；
・およそ１０２５〜１０８３℃の処理温度で、例えば約１０７１℃で接合物を加熱する；
・室温で冷却する。
さらに、独国特許発明第２２ １３ １１５号明細書および欧州特許出願公開第１５３ ６１８号明細書の印刷物から、金属被覆を形成する金属層または金属箔、特に銅層または銅箔を、セラミック材料またはセラミック層と接合するための、いわゆる活性ろう付け法が公知である。特に金属・セラミック基板の製造にも用いられるこの方法では、約８００〜１０００℃の温度で、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を、銅、銀および／または金などの主成分に加え活性金属も含む硬ろうを用いて接合する。例えば、Ｈｆ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｃｅ族の少なくとも一元素であるこの活性金属は、化学反応により硬ろうとセラミックを接合させるのに対し、硬ろうと金属の接合は、金属硬ろう接合となる。
前述の背景技術を前提とし、本発明の根底には、熱伝導率が改善された、二酸化ジルコニウムを含有するセラミック材料を有する金属・セラミック基板およびその製造方法を示すという課題がある。この課題は、請求項１または１０に記載の金属・セラミック基板またはその製造方法によって解決される。
本発明による金属・セラミック基板の本質的態様は、酸化アルミニウムと二酸化ジルコニウムと酸化イットリウムとが、セラミック層において、セラミック層の総重量に対して以下の割合：二酸化ジルコニウムが２〜１５重量％；酸化イットリウムが０．０１〜１重量％、および酸化アルミニウムが８４〜９７重量％で含まれており、使用する酸化アルミニウムの平均粒径が２〜８μｍであり、かつ、酸化アルミニウム粒の粒界長さと全粒界の全長との比率が０．６より大きい。２〜１５重量％の二酸化ジルコニウムを含有し、平均粒径が２〜８μｍである酸化アルミニウムが用いられた、本発明によるセラミック基板によって、最大１０％の熱伝導率向上が実現できた。特に有利には、セラミック層の熱伝導率が２５Ｗ／ｍＫより大きい。これにより、用途に応じて、金属被覆の層厚を０．０５ｍｍまで減少させることができる。
本発明の有利な実施形態では、二酸化ジルコニウムの割合が２〜１０重量％、酸化イットリウムの割合が０．０１〜１重量％、および酸化アルミニウムの割合が８９〜９７重量％である。二酸化ジルコニウムの割合を１０重量％未満に減少させ、とりわけ同時に焼結温度の上昇を抑えることによってさらに著しい熱伝導率の改善が確認できており、焼結温度を上げすぎると、曲げ強度が低下する。
本発明の別の形態では、セラミック層の曲げ強度は５００ＭＰａより大きい。
本発明の有利な実施形態では、結晶相の二酸化ジルコニウムは、大部分が正方晶構造を有し、二酸化ジルコニウムの結晶構造全体における正方晶構造の割合は８０％より多い。結晶相の正方晶構造が増加し、それに伴ってセラミックのガラス相が除去されると、同様に熱伝導率が改善する。
本発明の別の形態では、本発明による金属・セラミック基板は、例えば、
セラミック層の層厚が０．１〜１．０ｍｍ、好ましくは０．２〜０．５ｍｍであり、
および／または
金属被覆の層厚が０．０５〜１．２ｍｍ、好ましくは０．１〜０．５ｍｍであり、
および／または
金属被覆が、接触面または接合面を形成するよう構成されている、
および／または
金属被覆が、銅もしくは銅合金および／またはアルミニウムもしくはアルミニウム合金の箔または層により形成されている
ように形成されており、上述の特徴はそれぞれ個別に、または任意の組み合わせで用いることができる。
セラミック層の層厚が０．１〜１．０ｍｍ、好ましくは０．２〜０．５ｍｍであり、
および／または
金属被覆の層厚が０．０５〜１．２ｍｍ、好ましくは０．１〜０．５ｍｍであり、
および／または
金属被覆が、接触面または接合面を形成するよう構成されている、
および／または
金属被覆が、銅もしくは銅合金および／またはアルミニウムもしくはアルミニウム合金の箔または層により形成されている
ように形成されており、上述の特徴はそれぞれ個別に、または任意の組み合わせで用いることができる。
同様に、本発明の主題は、第１および第２の表面側を有する少なくとも１つのセラミック層を含む金属・セラミック基板の製造方法であり、このセラミック層において、表面側の少なくとも１つが、少なくとも１つの金属被覆と接合され、このセラミック層が、酸化アルミニウムと二酸化ジルコニウムと酸化イットリウムとを含むセラミック材料から製造される。本発明に従って、セラミック層の製造のために、酸化アルミニウムと二酸化ジルコニウムと酸化イットリウムとが、セラミック層の総重量に対して以下の割合：二酸化ジルコニウムが２〜１５重量％；酸化イットリウムが０．０１〜１重量％、および酸化アルミニウムが８４〜９７重量％で用いられ、使用する酸化アルミニウムの平均粒径は２〜８μｍであり、かつ、酸化アルミニウム粒の粒界長さと全粒界の全長との比率が０．６より大きく選択される。
本発明による方法は、例えば、
少なくとも１つの金属被覆を銅または銅合金の箔状または層状で形成する際に、金属被覆を、「ＤＣＢ法」もしくは活性ろう付け法を用いて、または合成樹脂接着剤を、もしくは接着剤に適したポリマーを使用した、好ましくはカーボンファイバー、特にカーボンナノファイバーを含有する接着剤を使用した接着によってセラミック層と接合する
および／または
少なくとも１つの金属被覆をアルミニウムまたはアルミニウム合金の箔状または層状で形成する際に、金属被覆とセラミック層とを、「Ｄｉｒｅｃｔ Ａｌｕｍｉｎｉｕｍ Ｂｏｎｄｉｎｇ」法（「ＤＡＢ（直接アルミニウム接合）法」）によって、または合成樹脂接着剤を、もしくは接着剤に適したポリマーを使用した、好ましくはカーボンファイバー、特にカーボンナノファイバーを含有する接着剤を使用した接着によって互いに接合する
ようにさらに形成されており、上述の特徴はそれぞれ個別に、または任意の組み合わせで用いることができる。
少なくとも１つの金属被覆を銅または銅合金の箔状または層状で形成する際に、金属被覆を、「ＤＣＢ法」もしくは活性ろう付け法を用いて、または合成樹脂接着剤を、もしくは接着剤に適したポリマーを使用した、好ましくはカーボンファイバー、特にカーボンナノファイバーを含有する接着剤を使用した接着によってセラミック層と接合する
および／または
少なくとも１つの金属被覆をアルミニウムまたはアルミニウム合金の箔状または層状で形成する際に、金属被覆とセラミック層とを、「Ｄｉｒｅｃｔ Ａｌｕｍｉｎｉｕｍ Ｂｏｎｄｉｎｇ」法（「ＤＡＢ（直接アルミニウム接合）法」）によって、または合成樹脂接着剤を、もしくは接着剤に適したポリマーを使用した、好ましくはカーボンファイバー、特にカーボンナノファイバーを含有する接着剤を使用した接着によって互いに接合する
ようにさらに形成されており、上述の特徴はそれぞれ個別に、または任意の組み合わせで用いることができる。
さらに有利には、セラミック層の製造のために二酸化ジルコニウムを用い、二酸化ジルコニウムは結晶相において大部分が正方晶構造を有し、二酸化ジルコニウムの結晶構造全体における正方晶構造の割合が８０％より多い。
「近似的に」、「概ね」、または「およそ」という表現は、本発明の意味において、それぞれ正確な値から＋／−１０％、好ましくは＋／−５％の誤差、および／または機能にとって重要でない変更という形での誤差を意味する。
本発明の別の形態、利点および適用は、以下の実施例の記述や図面からも明らかとなる。これに関して、記述する、および／または図面にて説明する特徴はすべて、それ自体として、または任意の組み合わせにおいて、原則的に本発明の主題であり、本願請求項におけるその要約またはその遡及適用に依存しない。また、本願請求項の内容は、記述の構成要素の一部を形成してもいる。
以下に、実施例の図面に基づき、本発明の詳細な説明を行う。
１つの金属被覆を有する、本発明による金属・セラミック基板の簡略化した断面図である。
２つの金属被覆を有する、本発明による金属・セラミック基板の簡略化した断面図である。
２つの金属被覆を有する、図２に従った金属・セラミック基板の別の実施形態の簡略化した断面図である。
従来のセラミック層の熱伝導率と、本発明による金属・セラミック基板に用いられる、酸化ジルコニウムの割合が異なるセラミック層の熱伝導率の、温度による推移を示した図表である。
図１は、２つの相対する表面側、より詳しくは、第１の表面側２ａと第２の表面側２ｂとを有する、少なくとも１つのセラミック層２を備える、本発明による金属・セラミック基板１の簡略化した断面図を示す。
図１に従った本発明による金属・セラミック基板１は、少なくとも１つの金属被覆３を有する。本実施例において、第１の表面側２ａは第１の金属被覆３を有し、第１の表面側２ａに相対する第２の表面側２ｂには金属被覆がない。
図２および図３には、本発明による金属・セラミック基板１の別の実施形態を２つ示す。この金属・セラミック基板１では、第１の表面側２ａは第１の金属被覆３を有し、第１の表面側２ａに相対する第２の表面側２ｂは第２の金属被覆４を有する。
第１の金属被覆３および／または第２の金属被覆４は、好ましくは構造化されて形成されており、すなわち、電子部品と接続するための複数の接触領域または接触面を形成する。図１および図２には、例として、それぞれ構造化された第１の金属被覆３を示し、図３には構造化された第１の金属被覆３および第２の金属被覆４を示す。
このような金属・セラミック基板１は、既知の方法では、電気回路または電子回路または回路モジュール用、特に電力回路用のプリント基板として用いられる。これに関して、金属被覆３、４の構造化は、例えばマスキング技術やエッチング技術などの従来技術を用いて行われる。
本発明に従って、金属・セラミック基板１のセラミック層２の製造に用いられるセラミック材料は、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）と二酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）と酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）とを含む。セラミック層２において、酸化アルミニウムと二酸化ジルコニウムと酸化イットリウムは、セラミック層２の総重量に対して以下の割合で含まれる：
・二酸化ジルコニウムが２〜１５重量％；
・酸化イットリウムが０．０１〜１重量％および
・酸化アルミニウムが８４〜９７重量％。
・二酸化ジルコニウムが２〜１５重量％；
・酸化イットリウムが０．０１〜１重量％および
・酸化アルミニウムが８４〜９７重量％。
これに関して、使用する酸化アルミニウムの平均粒径は２〜８μｍである。特に以下の割合を有する組成では、熱伝導率がさらに改善する：
・二酸化ジルコニウムが２〜１０重量％；
・酸化イットリウムが０．０１〜１重量％および
・酸化アルミニウムが８９〜９７重量％。
・二酸化ジルコニウムが２〜１０重量％；
・酸化イットリウムが０．０１〜１重量％および
・酸化アルミニウムが８９〜９７重量％。
セラミック層２は結晶構造を有し、すなわち、多数の晶子または直接互いに隣接した粒子からなる。配向は異なるが、それ以外では同一の結晶構造である晶子または粒子は、いわゆる粒界によって相互に分離されている。酸化アルミニウム粒の粒界長さと全部分の粒子の粒界の全長との比率を０．６より大きく選択すると、熱伝導率が大幅に改善する。またこれにより、セラミック層２の強度が大いに向上する。セラミック層２の熱伝導率は、好ましくは２５Ｗ／ｍＫより大きく、すなわち、ある割合の二酸化ジルコニウムを含有する既知のセラミック層２と比べて、８〜１０％向上する。
好ましくは、使用する二酸化ジルコニウムは、結晶相において大部分が正方晶構造を有し、二酸化ジルコニウムの結晶構造全体における正方晶構造の割合が８０％より多い。
さらに、セラミック層２の層厚は０．１〜１．０ｍｍ、好ましくは０．２〜０．５ｍｍであり、セラミック層２の曲げ強度は、例えば５００ＭＰａより大きく選択されている。
金属被覆３、４は、例えば銅もしくは銅合金および／またはアルミニウムもしくはアルミニウム合金の箔もしくは層により形成されており、すなわち、銅または銅合金とアルミニウムまたはアルミニウム合金との組み合わせも考えられる。これに関して、金属被覆３、４の層厚は０．０５〜１．２ｍｍ、好ましくは０．１〜０．５ｍｍである。
セラミック層２および金属被覆３、４に使用する材料を考慮すると、第１の金属被覆３または第２の金属被覆４を有するセラミック層２の平面接合にはさまざまな方法が適している。
銅または銅合金の箔状または層状に形成された金属被覆３、４は、例えば、合成樹脂接着剤を、または接着剤に適したポリマーを使用した、好ましくはカーボンファイバー、特にカーボンナノファイバーを含有する接着剤を使用した接着によって、セラミック層２と接合する。別法として、セラミック層の平面接合は、ＤＣＢ法を用いて、または活性ろう付け法によって行うことができる。
アルミニウムまたはアルミニウム合金から作られる金属被覆３、４は、例えば「Ｄｉｒｅｃｔ Ａｌｕｍｉｎｉｕｍ Ｂｏｎｄｉｎｇ」法（「ＤＡＢ法」）によって、または合成樹脂接着剤を、もしくは接着剤に適したポリマーを使用した、好ましくはカーボンファイバー、特にカーボンナノファイバーを含有する接着剤を使用した接着によって、セラミック層２と接合する。
図４には、例として、先行技術に従った従来のセラミック層の熱伝導率（Ｗ／ｍＫ）と、本発明による金属・セラミック基板に用いられる、酸化ジルコニウムの割合が異なるセラミック層２（すなわち、ＺｒＯ２の割合が５％のセラミック層、ＺｒＯ２の割合が７％のセラミック層、ＺｒＯ２の割合が９％のセラミック層）の熱伝導率の、温度（℃）による推移を示している。ここから、室温が約２４℃のときの熱伝導率が２５Ｗ／ｍＫを超え、したがって熱伝導率が８〜１０％向上する。
以上、本発明を、実施例に基づき詳述した。本発明の根底にある発明概念から逸脱することなく、さまざまな変更や修正が可能であることが理解されよう。
１ 金属・セラミック基板
２ セラミック層
２ａ 第１の表面側
２ｂ 第２の表面側
３ 第１の金属被覆
４ 第２の金属被覆
２ セラミック層
２ａ 第１の表面側
２ｂ 第２の表面側
３ 第１の金属被覆
４ 第２の金属被覆
Claims (13)
- 第１の表面側（２ａ）と第２の表面側（２ｂ）とを有し、前記表面側（２ａ、２ｂ）の少なくとも１つに金属被覆（３、４）が施されている、少なくとも１つのセラミック層（２）を備える金属・セラミック基板であって、前記セラミック層（２）を形成するセラミック材料が酸化アルミニウムと二酸化ジルコニウムと酸化イットリウムとを含むような金属・セラミック基板において、酸化アルミニウムと二酸化ジルコニウムと酸化イットリウムとが、前記セラミック層（２）において、その総重量に対して以下の割合：
・二酸化ジルコニウムが２〜１５重量％；
・酸化イットリウムが０．０１〜１重量％および
・酸化アルミニウムが８４〜９７重量％
で含まれており、使用する酸化アルミニウムの平均粒径が２〜８μｍであり、かつ、酸化アルミニウム粒の粒界長さと全粒界の全長との比率が０．６より大きいことを特徴とする金属・セラミック基板。 - 酸化アルミニウムと二酸化ジルコニウムと酸化イットリウムとが、前記セラミック層（２）において、その総重量に対して以下の割合：
・二酸化ジルコニウムが２〜１０重量％；
・酸化イットリウムが０．０１〜１重量％および
・酸化アルミニウムが８９〜９７重量％
で含まれ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。 - 前記セラミック層（２）の熱伝導率が２５Ｗ／ｍＫより大きいことを特徴とする、請求項１または２に記載の金属・セラミック基板。
- 前記セラミック層（２）の曲げ強度が５００ＭＰａより大きいことを特徴とする、請求項１〜３のうちいずれか一項に記載の金属・セラミック基板。
- 前記セラミック層（２）の層厚が０．１〜１．０ｍｍ、好ましくは０．２〜０．５ｍｍであることを特徴とする、請求項１〜４のうちいずれか一項に記載の金属・セラミック基板。
- 二酸化ジルコニウムは結晶相において大部分が正方晶構造を有し、二酸化ジルコニウムの結晶構造全体における正方晶構造の割合が８０％より多いことを特徴とする、請求項１〜５のうちいずれか一項に記載の金属・セラミック基板。
- 前記金属被覆（３）の層厚が０．０５〜１．２ｍｍ、好ましくは０．１〜０．５ｍｍであることを特徴とする、請求項１〜６のうちいずれか一項に記載の金属・セラミック基板。
- 前記金属被覆（３）が、接触面または接合面を形成するよう構成されていることを特徴とする、請求項１〜７のうちいずれか一項に記載の金属・セラミック基板。
- 前記金属被覆（３、４）が、銅もしくは銅合金および／またはアルミニウムもしくはアルミニウム合金の箔または層により形成されていることを特徴とする、請求項１〜８のうちいずれか一項に記載の金属・セラミック基板。
- 第１の表面側（２ａ）と第２の表面側（２ｂ）とを有し、前記表面側（２ａ、２ｂ）の少なくとも１つが、少なくとも１つの金属被覆（４）と平面的に接合される、少なくとも１つのセラミック層（２）を備える金属・セラミック基板（１）を製造する方法であって、前記セラミック層（２）が、酸化アルミニウムと二酸化ジルコニウムと酸化イットリウムとを含むセラミック材料から製造される方法において、
前記セラミック層（２）の製造のために、酸化アルミニウムと二酸化ジルコニウムと酸化イットリウムとが、前記セラミック層（２）の総重量に対して以下の割合：
・二酸化ジルコニウムが２〜１５重量％；
・酸化イットリウムが０．０１〜１重量％および
・酸化アルミニウムが８４〜９７重量％
で用いられ、使用する酸化アルミニウムの平均粒径が２〜８μｍであり、かつ、酸化アルミニウム粒の粒界長さと全粒界の全長との比率が０．６より大きく選択されることを特徴とする方法。 - 少なくとも１つの金属被覆（３、４）を銅または銅合金の箔状または層状で形成する際に、前記金属被覆（３、４）を、「Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｏｐｐｅｒ Ｂｏｎｄｉｎｇ」法もしくは活性ろう付け法を用いて、または合成樹脂接着剤を、もしくは接着剤に適したポリマーを使用した、好ましくはカーボンファイバー、特にカーボンナノファイバーを含有する接着剤を使用した接着によってセラミック層（２）と接合することを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
- 少なくとも１つの金属被覆（３、４）をアルミニウムまたはアルミニウム合金の箔状または層状で形成する際に、前記金属被覆（３、４）と前記セラミック層（２）とを、「Ｄｉｒｅｃｔ Ａｌｕｍｉｎｉｕｍ Ｂｏｎｄｉｎｇ」法（「ＤＡＢ法」）によって、または合成樹脂接着剤を、もしくは接着剤に適したポリマーを使用した、好ましくはカーボンファイバー、特にカーボンナノファイバーを含有する接着剤を使用した接着によって互いに接合することを特徴とする、請求項１０または１１に記載の方法。
- 前記セラミック層（２）の製造のために、結晶相において大部分が正方晶構造を有する二酸化ジルコニウムを用いる方法であって、二酸化ジルコニウムの結晶構造全体における正方晶構造の割合が８０％より多いことを特徴とする、請求項１０〜１２のうちいずれか一項に記載の方法。
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