JP2023509856A - 金属層をセラミック層に接合するためのはんだ材料、そのようなはんだ材料の製造方法、およびそのようなはんだ材料の使用 - Google Patents
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Abstract
金属層（２０）のセラミック層（１０）への接合、特に、電気部品の担体としての金属－セラミック基板の形成のためのはんだ材料（３０）は、基材と、活性金属と、を含み、当該はんだ材料（３０）は、基材を第１の層（３１）に、活性金属を第２の層（３２）に有する箔であり、箔の総厚（ＧＤ）は、５０μｍ未満、好ましくは２５μｍ未満、より好ましくは１５μｍ未満である。
Description
本発明は、金属層をセラミック層に接合するためのはんだ材料、そのようなはんだ材料の製造方法、およびそのようなはんだ材料の使用に関する。
たとえば特許文献１、特許文献２、および特許文献３等の従来技術により、たとえばプリント基板または回路基板として金属－セラミック基板が周知となっている。通常、金属－セラミック基板の一方の部品面には、電気部品および導体の接続領域が配置されているため、電気部品および導体の相互接続によって電気回路を形成可能である。金属－セラミック基板の必須構成要素は、絶縁層（セラミックで構成されているのが好ましい）および当該絶縁層に接合された少なくとも１つの金属層である。セラミックで構成された絶縁層は、比較的高い絶縁強度を有することから、パワーエレクトロニクスにおいて特に有利であることが分かっている。金属層を構造化することにより、電気部品用の導電性トラックおよび接続領域または導電性トラックもしくは接続領域が実現可能となる。
このような金属－セラミック基板を提供するための前提条件として、金属層とセラミック層との間の永久的な接合が挙げられる。いわゆる直接接合プロセスすなわちＤＣＢまたはＤＡＢプロセスのほか、はんだ材料を介して金属層をセラミック層に接合することが従来技術により知られている。
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に接合するための活性はんだ付けプロセスは、金属－セラミック基板の製造において具体的に使用されるプロセスとして理解されている。このプロセスにおいては、銅、銀、および／または金等の主成分のほかに活性金属を含むはんだ合金を用いることにより、約６５０～１０００℃の温度で金属箔（たとえば、銅箔）とセラミック基板（たとえば、窒化アルミニウムセラミック）とが接続される。この活性金属は、たとえばＨｆ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｃｅの群からの少なくとも１つの元素であるが、化学反応によってはんだ合金とセラミックとの間の接続を実現する一方、はんだ合金と金属との間の接続は金属はんだ接続となる。
特許文献４により、外層が２層の活性金属によって形成された３層はんだ材料が知られている。これらの箔は、１００μｍよりも厚い。
特許文献５は、ローリングによる銅箔または銅／ニッケル箔間のチタン箔の配置によってはんだ箔を形成する方法を記載する。箔厚は、１００μｍを上回る。
特許文献５は、ローリングによる銅箔または銅／ニッケル箔間のチタン箔の配置によってはんだ箔を形成する方法を記載する。箔厚は、１００μｍを上回る。
特許文献６は、１つのチタン層の厚さが２５μｍ未満の多層はんだ箔を記載する。このはんだ箔は、航空機の構成、特に、ハニカム構造体への接合に対する使用が意図される。
本発明の目的は、従来技術により知られるはんだ材料と比較して、特に、金属層のセラミック層への接合に関して改良されたはんだ材料を提供することである。
本発明は、請求項１に記載のはんだ材料、請求項７に記載のはんだ材料を製造するための方法、および請求項１０に記載のはんだ材料の使用によって、上記課題を解決する。他の実施形態については、従属請求項および本明細書により得られるものとする。
本発明の第１の態様によれば、金属層のセラミック層への接合、特に、電気部品の担体としての金属－セラミック基板の形成のためのはんだ材料であって、
基材と、
活性金属と、
を含み、
前記はんだ材料が、基材を第１の層に、活性金属を第２の層に有する箔であり、
箔の総厚が、５０μｍ未満、好ましくは２５μｍ未満、より好ましくは１５μｍ未満である、はんだ材料が提供される。
基材と、
活性金属と、
を含み、
前記はんだ材料が、基材を第１の層に、活性金属を第２の層に有する箔であり、
箔の総厚が、５０μｍ未満、好ましくは２５μｍ未満、より好ましくは１５μｍ未満である、はんだ材料が提供される。
従来技術により知られるはんだ材料と比較して、本発明によれば、箔の総厚は、５０μｍ未満、好ましくは２５μｍ未満、特に好ましくは１５μｍ未満となる。これは、はんだ材料の厚さを減らすことで材料が節約されるのみならず、活性金属が反応層を形成してＡＭＢプロセスの接合を可能とするため、セラミック層および金属層の少なくとも一方までの架橋を比較的短い距離とする必要があることから、有利であることが分かっている。特に、電気部品の担体として機能する金属－セラミック基板を形成するため、このようなはんだ材料を用いて金属層をセラミック層に接合することが特に有利であることが分かっている。これらの担体または金属－セラミック基板は、特に製造時および使用時の両者で熱応力に曝され、金属およびセラミックの膨張係数の相違により、通常は比較的高い熱機械応力が発生するため、金属－セラミック基板の損傷または耐用年数の短縮が起こり得る。したがって、ここで使用するはんだ材料が特に求められており、これは、金属層のセラミック層への接合を意図したものである。このような活性材料の第１の層および基材の第２の層を備えた薄いはんだ材料は、金属層とセラミック層との間の永久的かつ安定した接合を実現するための箔として使用可能であることが分かっている。
さらに、総厚は、２～５０μｍの値、好ましくは４～２５μｍの値、特に好ましくは６～１５μｍの値であることが好ましい。このような厚さの箔として形成されたはんだ材料は、セラミック層と金属層との間の接続をプロセスセーフに実現するのに十分な厚さであることが分かっている。このような箔またははんだ材料では、最外層（たとえば、第１および第３の層または最終保護層）に活性金属を含まないため、上記指定の総厚が特に有利であることが分かっている。
活性金属の例は、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、クロム（Ｃｒ）、ニオブ（Ｎｂ）、セリウム（Ｃｅ）、およびバナジウム（Ｖ）である。特に、基材は、金属ベースの基材、好ましくは銀ベースの基材または銅ベースの基材である。銀ベースの基材においては、銀が主成分すなわち重量比率の最も高い成分である一方、銅ベースの基材においては、銅が主成分である。銀ベースの基材の例は、ＡｇＣｕ、特に、ＡｇＣｕ２８、ＡｇＣｕＩｎ、ＡｇＣｕＳｎ、およびＡｇＣｕＧａである。銅ベースの基材の例は、銅ＣｕＳｎ、ＣｕＡｇ、ＣｕＩｎ、ＣｕＧａ、ＣｕＩｎＳｎ、ＣｕＩｎＭｂ、ＣｕＧａＳｎである。基材としては、ＮｉＣｒＭｎまたはＳｎＣｕの使用も考えられる。はんだ材料は、それぞれ６５～７５ｗｔ％、２０～３０ｗｔ％、および２～８ｗｔ％のチタンＴｉを含む銀－銅－チタン混合物であるのが好ましく、銀および銅がそれぞれ、基材として第１の層および第３の層に存在し、チタンが活性材料として第２の層に存在し、銀－銅－チタンの合計が本質的にはんだ材料の１００ｗｔ％を構成する（すなわち、微量の不純物を除く）のが好ましい。このような銀、銅、およびチタンの組成物は、モーガンアドバンスドマテリアルズ社（Ｍｏｒｇａｎ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ）が販売するＴｉＣｕＳｉｌ（登録商標）としても知られている。
金属－セラミック基板の金属めっきまたは金属層の材料としては、銅、アルミニウム、モリブデン、および／またはそれぞれの合金のほか、ＣｕＷ、ＣｕＭｏ、ＣｕＡｌ、ＡｌＣｕ、および／またはＣｕＣｕ等の積層体、特に、第１の銅層および第２の銅層による銅サンドイッチ構造が考えられ、第１の銅層の粒径は第２の銅層の粒径と異なる。さらに、少なくとも１つの金属めっき、特に、成分金属めっきが表面改質されているのが好ましい。表面改質としては、たとえば貴金属、特に、銀および金の両方もしくはその一方、またはＥＮＩＧ（「無電解ニッケル含浸金」）によるシール、または、第１もしくは第２の金属めっき層上のエッジシールによるクラックの形成または拡大の抑制が考えられる。
セラミック層は、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４、ＡｌＮ、ＨＰＳＸセラミック（すなわち、ＺｒＯ２をｘパーセントの割合で含むＡｌ２Ｏ３マトリックスを備えたセラミック（たとえば、９％のＺｒＯ２を含むＡｌ２Ｏ３＝ＨＰＳ９または２５％のＺｒＯ２を含むＡｌ２Ｏ３＝ＨＰＳ２５））、ＳｉＣ、ＢｅＯ、ＭｇＯ、高密度ＭｇＯ（理論密度の９０％超）、ＴＳＺ（正方晶安定化酸化ジルコニウム）、またはＺＴＡをセラミックの材料として有するのが好ましい。また、セラミック層は、さまざまな所望特性を組み合わせるため、材料組成が異なる複数のセラミック層の重ね合わせおよび一体的結合によって絶縁層を形成した複合または混成セラミックとしての設計も考えられる。また、好ましくは１．５ｍｍを超える厚さおよび２つのセラミック層の合計を超える厚さまたは１．５ｍｍを超える厚さもしくは２つのセラミック層の合計を超える厚さを有する金属中間層を２つのセラミック層間に配置することも考えられる。熱抵抗を考え得る最低限に抑えるため、可能な限り熱伝導性の高いセラミックを使用するのが好ましい。
はんだ材料は、銀を含まないのが好都合である。これにより、金属層とセラミック層との間の境界層領域における銀マイグレーションおよび銀層の形成または銀マイグレーションもしくは銀層の形成（取り除くのが困難で、「第２のエッチング」に関する導電路の形成のための構造を金属層に生成する場合に特に不都合である）が回避されるため都合が良い。また、銀を含まないはんだ材料の使用は、比較的高価な銀が不要となり得るため、特に経済的であることが分かっている。これは、銅ベースのはんだ材料であるのが好ましい。さらに、当業者であれば、銀を含まないことは、はんだ材料中の銀の割合が２ｗｔ％未満、好ましくは１ｗｔ％未満、特に好ましくは０．２ｗｔ％未満の場合であることが理解される。また、はんだ材料中の銀の割合としては、１５ｗｔ％未満、好ましくは１０ｗｔ％未満、特に好ましくはｗｔ％未満も考えられる。
好適な一実施形態によれば、箔は、前記基材または当該基材と異なる別の基材を含む第３の層を備え、前記第２の層は、積層方向で前記第１の層と前記第３の層との間に配置されている。これによれば、好ましくは活性金属が第１の層と第３の層との間に配置されたサンドイッチ構造を提供可能となるため都合が良い。あるいは、第１の層および第３の層が１つの活性金属または異なる活性金属により形成される一方、第２の層が基材を提供し、第１および第３の層間に配置されることも考えられる。
別の好適な実施形態によれば、第１の層は、第１の厚さを有し、第２の層は、第２の厚さを有し、第３の層は、第３の厚さを有し、第２の厚さは、第１の厚さおよび第３の厚さの少なくとも一方よりも小さく、特に、第１および第３の厚さの合計よりも小さく、特に、第２の厚さの第１の厚さに対する比が０．０１～０．３、好ましくは０．０１～０．２、特に好ましくは０．０１～０．１の値である。言い換えると、第２の層（活性金属を含むか、または、活性金属から成るのが好ましい）は、第１および第３の層よりも比較的薄い。比較的少量の活性金属であっても、特に第１および第３の層間では、結合対象すなわち金属層とセラミック層との間の合理的かつ効果的な接合が可能であることが分かっている。また、第２の層は、特に活性金属で構成されている場合、はんだ材料を介して金属層とセラミック層との間に効果的な接合を形成可能とするため、クラックを有する可能性もあり、または非分離もしくは連続的である必要もないことが分かっている。すなわち、はんだ材料中の第２の層は、主延長平面と平行な方向に分離部を有することも考えられる。
第２の層は、パターン化されているとともに分離部を有する、または、パターン化されている、もしくは、分離部を有するのが好ましい。特に、パターンは、第１および第２の層の結合前に、第２の層において施された凹部または切り欠きにより形成される。たとえば、これらの凹部および切り欠きは、第２の層が第１の層および第３の層の少なくとも一方に結合される前に、構造化またはパターン化のため、エンボス加工ツールおよびレーザの少なくとも一方によって第２の層に埋め込まれている。これは、結合がロール圧着またはめっきにより実行される場合に、特に有利であることが分かっている。このような場合は、降伏強度の相違により、第１および第２または第１もしくは第２の層の基材が第２の層の対応する凹部および切り欠きまたは凹部もしくは切り欠きに進入または貫通することで、第１および第３の層が実際にめっきされるためである。好ましくは、製造された金属－セラミック基板において計画された導体トラックパターンによるパターン化の実行も考えられる。これは、パターン化が本質的に、計画された導電性パターンまたは計画された導電性パターンの一部に対応することを意味する。このように、後で製造される金属－セラミック基板において、導電体および接続面の少なくとも一方が計画された領域に活性金属を堆積させる一方、その間の領域には活性金属を使用しないようにすることも可能である。これは、たとえばエッチング、特に、「第２のエッチング」に関して、何らかの方法により曝露される領域をより簡単に除去可能となることから、有利であることが分かっている。たとえば、金属－セラミック基板の製造時に、はんだ材料の活性金属を含まない領域を公称破断線の計画コースの上方に配置可能となるようなパターンの設計も考えられる。はんだ材料は、当該はんだ材料、特に、パターンの所望の位置合わせを可能にするため、または、構造化もしくはエッチング前に、活性金属を含まない領域の配置位置を認識するため、配向補助を含むのが好ましい。当業者にとって、第２の層中の分離部は、第２の層中のクラックも意味する。これらは、たとえば結合時に発生するとともに、たとえば第２の層の主延長平面と平行に延びた平面において非制御的または非系統的な様態で分布している。
箔は、保護層、特に、積層方向に見てはんだ材料を遮断する保護層を有するのが好ましい。これは、不要な酸化、摩耗、または損傷からはんだ材料を保護する。これにより、比較的長い保管期間を実現可能となるため、はんだ材料の取り扱いがさらに容易となる。たとえば、保護層は、銅、銀、インジウム、ニッケル、および／またはチタンニッケル（ＴｉＮ）の層である。このような保護層は、物理的または化学的気相成長プロセスの一部として実現されるのが好ましい。
第１の厚さは、第３の厚さと異なるのが好ましい。これにより、はんだ材料内の積層方向において、第２の層が中心ではなく、非対称に位置合わせされるようにすることができる。これは、はんだ材料を介した効果的な接合を確保するため、結合対象（たとえば、セラミック層および金属層の少なくとも一方）の一方の活性材料の割合を高くする必要がある場合に、特に有利である。
本発明の別の態様は、本発明に係るはんだ材料を製造する方法であって、第１の層、第２の層、および好ましくは第３の層が、組み立て、好ましくは結合により箔となる、方法である。たとえば、製造は、加圧プロセス（たとえば、ロール圧着、爆発圧着、高温加圧、および／またはローリング）の範囲内で行われる。このため、総厚は、２０μｍ未満とすることができる。さらに、第１、第２、および第３の層の組み立てを、たとえば物理的または化学的気相成長プロセス（たとえば、スパッタリングプロセス）等の蒸着プロセスにより実現することも考えられる。たとえば、活性材料が基材にスパッタリングされるか、または、基材が活性材料にスパッタリングされる。このようにして、たとえば総厚が８μｍ未満または５μｍ未満のはんだ箔が得られる。あるいは、第１の層、第２の層、および／または第３の層を、電気めっきまたは電気化学プロセスにより組み立てることも考えられ、たとえば、ガルバニックタンクコーティングまたはガルバニックローリングが可能である。このようにして、５μｍあるいは３μｍ未満の総厚を実現可能である。はんだ材料に関して記載する特徴および利点はすべて、プロセスにも同様に当てはまり、その逆もまた同様である。
第１の層、第２の層、および第３の層の開始箔としては、結合前の厚さが既に１００μｍ未満、好ましくは８０μｍ未満、特に好ましくは５０μｍ未満のものが選定されるのが好ましい。
第１の層、第２の層、および好ましくは第３の層の組み立て前に、パターンが第２の層に埋め込まれているのが望ましい。凹部または切り欠きの導入による第２の層の対応するパターン化または構造化は、第１および第３の層間の直接めっきを可能とするため、第１の層および第３の層または第１の層もしくは第３の層の基材がこの第２の層の凹部に進入可能である場合に、特に有利であることが分かっている。たとえば、第２の層中のパターンは、エンボス加工もしくはスタンピングプロセスまたはレーザ光を用いた切断プロセスによって、第２の層に埋め込まれている。
箔は、当該箔の形成後に金属層およびセラミック層上、または金属層上、もしくはセラミック層上に載置され、これらの層が箔によって互いに接合されるのが好ましい。たとえば、箔は、作製直後に、金属層およびセラミック層上、または金属層上、もしくはセラミック層上に載置される。あるいは、たとえば「コイル」として、箔を一時的に保管することも考えられる。
本発明の別の目的は、金属層のセラミック層への接合、特に、金属－セラミック基板の形成のための本発明に係るはんだ材料の使用である。はんだ材料に関して記載する特徴および特性はすべて、この使用にも類推的に応用可能であり、その逆もまた同様である。既に示したように、本発明に係るはんだ材料の使用は、特に電気部品または電子部品の担体として機能する金属－セラミック基板を形成する目的で、金属層のセラミック層への接合に用いられる場合に、特に有利であることが分かっている。はんだ材料の使用に関しては、セラミック層と金属層との間にはんだ材料を載置した後、セラミック層、金属層、およびはんだ材料の組み合わせに温度処理を施すことも考えられる。温度処理には、温度の時間的変化（たとえば、接合プロセス中の傾斜状の温度曲線の使用）を含むことも考えられる。加工温度としては、およそ９００℃の使用が好ましい。また、接合プロセスにおける加工温度としては、６５０℃～１０５０℃、好ましくは７００℃～１０００℃、特に好ましくは７５０℃～９５０℃の使用が好ましい。
他の利点および特徴については、添付の図面を参照しつつ、本発明に係る目的の好適な実施形態に関する以下の説明において確認可能である。個々の実施形態の個々の特徴は、本発明の範囲内で互いに組み合わせ可能である。
図１は、はんだ材料３０により接合されるセラミック層１０および金属層２０を示している。このようなはんだ材料３０は、金属層２０のセラミック層１０への接合によって金属－セラミック基板を形成する活性はんだ付けプロセスに使用されるのが好ましい。金属層２０およびセラミック層１０は、主延長平面ＨＳＥに沿って延び、主延長平面ＨＳＥと垂直な積層方向Ｓに沿って互いに重ね合わされている。特に、このはんだ材料３０は、箔の形態である。個々の結合対象（すなわち、金属層２０およびセラミック層１０）の結合は、各はんだ材料３０に対して意図された加工温度（たとえば、９００℃）で実行される。はんだ材料３０に含まれる活性金属は、結合対象面、特に、セラミック層１０の表面と反応層を形成する。そして、この反応層が基材により濡れ状態となる。このようにして、金属層２０とセラミック層１０との間の接合は、接合またははんだ付けプロセスで使用される温度に耐えることを前提として、活性はんだ付けプロセスの枠組みの中で実現され得る。特に、はんだ材料３０が金属層２０とセラミック層１０との間に配置されて接合されることが想定される。
金属層２０およびセラミック層１０の結合後、金属層２０は、たとえばエッチング、レーザ光、および／または研磨による構造化によって、導電性トラックおよび接続面の少なくとも一方を形成する。これにより、金属－セラミック基板をプリント基板として使用可能である。
図２は、本発明の好適な一実施形態に係る、はんだ材料３０を示している。特に、はんだ材料３０は、第１の層３１および第２の層３２を備える。箔として提供されたはんだ材料３０は、基材の第１の層３１および活性金属の第２の層３２で構成されている。はんだ材料３０は、第３の層３３を備えるのが好ましく、特に、活性金属の第２の層３２は、基材の第１の層３１と、当該基材の第３の層３３および／または第１の層３１の基材と異なる別の基材の第３の層３３との間に配置されている。言い換えると、第１の層３１、第２の層３２、および第３の層３３は、サンドイッチ構造、特に、三金属構造を形成している。あるいは、第１の層３１および第３の層３３が同じ活性材料または異なる活性材料で形成される一方、活性材料の第１の層３１と第３の層３３との間に、基材の形態の第２の層３２が配置されることも考えられる。この場合、第１の層３１および第３の層３３は、別の保護層により囲繞または包囲されているのが好ましい。
第１の層３１、第２の層３２、および第３の層３３は、積層方向Ｓに見て互いに重なって配置されており、積層方向Ｓに測定して、第１の層３１が第１の厚さＤ１を有し、第２の層３２が第２の厚さＤ２を有し、第３の層３３が第３の厚さＤ３を有するのが好ましい。特に、第１の厚さＤ１および第３の厚さＤ３の少なくとも一方に対する第２の厚さＤ２の比は、０．０１～０．３、好ましくは０．０１～０．２、特に好ましくは０．０１～０．１の値である。さらに、第１の層３１、第２の層３２、および第３の層３３の一体構成において、第２の層３２が積層方向Ｓに見て、中心ではなく非対称に配置されるように、第１の厚さＤ１が第３の厚さＤ３と異なることも考えられる。
さらには、箔の総厚ＧＤが５０μｍ未満、好ましくは２５μｍ未満、より好ましくは１５μｍ未満であるのが特に好ましい。箔の総厚ＧＤは、接合プロセスにおいてセラミック層１０または金属層２０に接触または隣接する外面の積層方向Ｓに沿って測定されるのが好ましい。このように薄いはんだ材料３０は、材料コストの抑制のみならず、はんだ材料３０とセラミック層１０との間またははんだ材料３０と金属層２０との間の境界層に達するために活性材料が乗り越える必要のある距離に関して都合が良い。これにより、反応層を形成するため、セラミック層１０または金属層２０との境界領域に十分な活性材料が到達するようになる。これは一方で、金属層２０とセラミック層１０との間の接合の成功に要する活性材料の量に関しても有利であることが分かっている。
図３は、本発明の第１の例示的な実施形態に係る、はんだ材料３０の製造方法を示している。特に、図３の例示的な実施形態の方法によれば、第１の層３１、第２の層３２、および第３の層３３が用意され、ローラ３５を用いたロールめっき作業において一体的に結合される。第１の層３１、第２の層３２、および第３の層３３に対しては、結合前の厚さが既に２００μｍ未満、好ましくは１００μｍ未満、特に好ましくは５０μｍ未満の開始箔が選択されるのが好ましい。
たとえば、第２の厚さＤ２が１０μｍの第２の層３２としては、チタングレード１またはチタン４Ｎ層の使用も考えられる。ロール圧着またはローリングステップにおいて一体的に結合された第１の層３１、第２の層３２、および第３の層３３の組み合わせがロール圧着によるはんだ箔またははんだ材料３０を形成し、その総厚ＧＤは、結合前の第１の層３１、第２の層３２、および第３の層３３の合計厚の半分である。結合のために設けられたローリングステップすなわち結合ローリングステップの後、はんだ材料３０の総厚ＧＤをさらに抑えるため、少なくとも１回、好ましくは複数回の別のローリングステップが設けられることが特に好ましい。特に、好ましくは上記基材または別の基材の第１の層３１と第３の層３３との間に、第２の層３２、好ましくは活性材料の第２の層３２が用いられる場合は、ロール圧着または繰り返しのロール圧着によって、第２の層３２にクラックが現れる。金属層２０およびセラミック層１０の接合は、これらのクラックまたは分離部にも関わらず成功し得ることが分かっている。
図４は、本発明の第２の例示的な実施形態に係る、はんだ材料３０の製造方法を示している。本実施形態においても、ロール圧着を用いて、第１の層３１、第２の層３２、および第３の層３３を結合することにより、はんだ材料３０を形成する。図４に示す方法は、第２の層３２が構造化されている点すなわちパターン化されている点または意図的に分離部が埋め込まれている点において、図３に示す方法と異なる。特に、第２の層３２に切り欠き、凹部、または分離部が施されており、これに対して、ロール圧着時に第１の層３１および第３の層３３または第１の層３１もしくは第３の層３３が進入または移動可能である。これは、基材または基材の選定によって、第１の層３１または第３の層３３の降伏強度が第２の層３２と異なる場合に、特に有利であることが分かっている。第２の層３２に切り欠きまたは凹部を使用することによって、第２の層３２、特に、活性材料層として形成された第２の層３２がロール圧着時に進入可能であるとともに、断絶ゾーンすなわち２つの切り欠きまたは凹部間の領域において、実際の圧着プロセスが第１の層３１および第３の層３３によって行われるため都合が良い。たとえば、切削ツールまたはレーザの使用によって、第２の層３２にパターン化または構造化を施す。ロール圧着の代替として、爆発圧着、高温加圧、および／またはローリングも使用可能である。このプロセスにより、はんだ箔の総厚ＧＤとして、２０μｍ未満を実現可能である。
図５は、第３の例示的な実施形態に係る、はんだ材料３０の製造方法を示している。図示の実施形態において、第２の層３２は、コーティング装置４０を通過する。このため、特に基材、活性金属、または活性材料により形成された第２の層３２は、第１のローラ４５から巻き戻された後、搬送方向Ｆに沿って搬送され、コーティング装置４０を出た後、第２のローラ４６に巻き取られる。コーティング装置４０は、蒸着プロセス、特に、スパッタリングプロセス等の化学的または物理的気相成長プロセスによって、第２の層３２の前面および後面の少なくとも一方をコーティングするのが好ましい。図５に示す実施形態においては、第１の蒸着装置４１によって、チタンの形態の活性材料が第２の層３２の外面に適用される。活性材料の適用後は、第２の蒸着装置４２が別の気相成長により付加的なコーティングを適用するが、これにより、好ましくは銅の形態の保護層によって活性材料が覆われる。第１の蒸着装置４１および第２の蒸着装置４２の少なくとも一方の気相成長プロセスは、第２の搬送方向Ｆに沿って移動する第２の層３２の両面に行われるのが好ましい。
図６は、第４の例示的な実施形態に係る、はんだ材料３０の製造方法を示している。特に、第１の層３１および第３の層３３は、第２の層３２に対して直流的または電気化学的に適用される。第２の層３２は、活性金属箔であるのが好ましい。そして、第１のローラ４５に巻き取られた第２の層３２が巻き戻され、偏向ローラ４７を介して、ガルバニック媒体４９および電極４８を含む容器内を案内される。
電極４８およびガルバニック媒体４９とともに、第２の層３２が対応する基材で覆われるため、基材の第１の層３１および第２の層３２が形成される。このように、総厚ＧＤが５μｍあるいは３μｍ未満のはんだ箔３０が製造され得るため都合が良い。
１０ セラミック層
２０ 金属層
３０ はんだ材料
３１ 第１の層
３２ 第２の層
３３ 第３の層
３５ ローラ
４０ コーティング装置
４１ 第１の蒸着装置
４２ 第２の蒸着装置
４５ 第１のローラ
４６ 第２のローラ
４７ 偏光ローラ
４８ 電極
４９ ガルバニック媒体
Ｆ 搬送方向
Ｓ 積層方向
ＨＳＥ 主延長平面
Ｄ１ 第１の厚さ
Ｄ２ 第２の厚さ
Ｄ３ 第３の厚さ
ＧＤ 総厚
２０ 金属層
３０ はんだ材料
３１ 第１の層
３２ 第２の層
３３ 第３の層
３５ ローラ
４０ コーティング装置
４１ 第１の蒸着装置
４２ 第２の蒸着装置
４５ 第１のローラ
４６ 第２のローラ
４７ 偏光ローラ
４８ 電極
４９ ガルバニック媒体
Ｆ 搬送方向
Ｓ 積層方向
ＨＳＥ 主延長平面
Ｄ１ 第１の厚さ
Ｄ２ 第２の厚さ
Ｄ３ 第３の厚さ
ＧＤ 総厚
本発明は、請求項１に記載のはんだ材料、請求項９に記載のはんだ材料を製造するための方法、および請求項１１に記載のはんだ材料の使用によって、上記課題を解決する。他の実施形態については、従属請求項および本明細書により得られるものとする。
本発明の第１の態様によれば、金属層のセラミック層への接合、特に、電気部品の担体としての金属－セラミック基板の形成のためのはんだ材料であって、
基材と、
活性金属と、
を含み、
前記はんだ材料が、基材を第１の層に、活性金属を第２の層に有する箔であり、
箔の総厚が、２５μｍ未満、より好ましくは１５μｍ未満である、はんだ材料が提供される。
基材と、
活性金属と、
を含み、
前記はんだ材料が、基材を第１の層に、活性金属を第２の層に有する箔であり、
箔の総厚が、２５μｍ未満、より好ましくは１５μｍ未満である、はんだ材料が提供される。
従来技術により知られるはんだ材料と比較して、本発明によれば、箔の総厚は、２５μｍ未満、特に好ましくは１５μｍ未満となる。これは、はんだ材料の厚さを減らすことで材料が節約されるのみならず、活性金属が反応層を形成してＡＭＢプロセスの接合を可能とするため、セラミック層および金属層の少なくとも一方までの架橋を比較的短い距離とする必要があることから、有利であることが分かっている。特に、電気部品の担体として機能する金属－セラミック基板を形成するため、このようなはんだ材料を用いて金属層をセラミック層に接合することが特に有利であることが分かっている。これらの担体または金属－セラミック基板は、特に製造時および使用時の両者で熱応力に曝され、金属およびセラミックの膨張係数の相違により、通常は比較的高い熱機械応力が発生するため、金属－セラミック基板の損傷または耐用年数の短縮が起こり得る。したがって、ここで使用するはんだ材料が特に求められており、これは、金属層のセラミック層への接合を意図したものである。このような活性材料の第１の層および基材の第２の層を備えた薄いはんだ材料は、金属層とセラミック層との間の永久的かつ安定した接合を実現するための箔として使用可能であることが分かっている。
さらに、総厚は、４～２５μｍの値、特に好ましくは６～１５μｍの値であることが好ましい。このような厚さの箔として形成されたはんだ材料は、セラミック層と金属層との間の接続をプロセスセーフに実現するのに十分な厚さであることが分かっている。このような箔またははんだ材料では、最外層（たとえば、第１および第３の層または最終保護層）に活性金属を含まないため、上記指定の総厚が特に有利であることが分かっている。
さらには、箔の総厚ＧＤが２５μｍ未満、より好ましくは１５μｍ未満であるのが特に好ましい。箔の総厚ＧＤは、接合プロセスにおいてセラミック層１０または金属層２０に接触または隣接する外面の積層方向Ｓに沿って測定されるのが好ましい。このように薄いはんだ材料３０は、材料コストの抑制のみならず、はんだ材料３０とセラミック層１０との間またははんだ材料３０と金属層２０との間の境界層に達するために活性材料が乗り越える必要のある距離に関して都合が良い。これにより、反応層を形成するため、セラミック層１０または金属層２０との境界領域に十分な活性材料が到達するようになる。これは一方で、金属層２０とセラミック層１０との間の接合の成功に要する活性材料の量に関しても有利であることが分かっている。
Claims (10)
- 金属層（２０）のセラミック層（１０）への接合、特に、電気部品の担体としての金属－セラミック基板の形成のためのはんだ材料（３０）であって、
基材と、
活性金属と、
を含み、
前記はんだ材料（３０）が、前記基材を第１の層（３１）に、前記活性金属を第２の層（３２）に有する箔であり、
前記箔の総厚（ＧＤ）が、５０μｍ未満、好ましくは２５μｍ未満、より好ましくは１５μｍ未満である、はんだ材料（３０）。 - 前記箔が、前記基材または別の基材を含む第３の層（３３）を備え、前記第２の層（３２）が、積層方向（Ｓ）で前記第１の層（３１）と前記第３の層（３３）との間に配置された、請求項１に記載のはんだ材料（３０）。
- 前記第１の層（３１）が、第１の厚さ（Ｄ１）を有し、前記第２の層（３２）が、第２の厚さ（Ｄ２）を有し、前記第３の層（３３）が、第３の厚さ（Ｄ３）を有し、前記第２の厚さ（Ｄ２）が、前記第１の厚さ（Ｄ１）および前記第３の厚さ（Ｄ３）の少なくとも一方よりも小さく、特に、前記第２の厚さ（Ｄ２）の前記第１の厚さ（Ｄ１）に対する比が、０．０１～０．３、好ましくは０．０１～０．２、特に好ましくは０．０１～０．１の値である、請求項１または２に記載のはんだ材料（３０）。
- 前記第２の層（３２）が、パターン化されているとともに分離部を有する、または、パターン化されている、もしくは、分離部を有する、請求項１～３のいずれか一項に記載のはんだ材料（３０）。
- 前記箔が、保護層、特に、前記積層方向（Ｓ）に見て前記はんだ材料（３０）を遮断する保護層を有する、請求項１～４のいずれか一項に記載のはんだ材料（３０）。
- 前記第１の厚さ（Ｄ１）が、前記第３の厚さ（Ｄ３）と異なる、請求項２～５のいずれか一項に記載のはんだ材料（３０）。
- 請求項１～６のいずれか一項に記載のはんだ材料（３０）を製造する方法であって、前記第１の層（３１）、前記第２の層（３２）、および好ましくは前記第３の層（３３）が、組み立て、好ましくは結合により箔となる、方法。
- 前記第１の層（３１）、前記第２の層（３２）、および好ましくは前記第３の層（３３）の組み立て前に、パターンが前記第２の層（３２）に埋め込まれる、請求項７に記載の方法。
- 前記箔の形成後に、前記箔が、前記金属層（２０）および前記セラミック層（１０）上、または前記金属層（２０）上、もしくは前記セラミック層（１０）上に載置され、これらの層が前記箔によって互いに接合される、請求項７または８に記載の方法。
- 金属層（２０）のセラミック層（１０）への接合、特に、金属－セラミック基板の形成のための請求項１～６のいずれか一項に記載のはんだ材料（３０）の使用。
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