JP2024040144A - 金属セラミック基材を製造するための方法及び炉 - Google Patents

Abstract

【課題】増加した熱及び電流伝導率を有する金属セラミック基材が、少なくとも７００℃の融点を有する金属と、７００℃未満の融点を有する金属と、活性金属とを含有するはんだ材料を使用して得られ得る方法を提供する。【解決手段】金属セラミック基材を製造するための方法は、ａ）積層体を準備するステップであって、積層体が、ａ１）セラミック体と、ａ２）金属箔と、ａ３）セラミック体及び金属箔と接触したはんだ材料であって、はんだ材料が、（ｉ）少なくとも７００℃の融点を有する金属と、（ｉｉ）７００℃未満の融点を有する金属と、（ｉｉｉ）活性金属とを含む、はんだ材料とを含有する、積層体を準備するステップと、ｂ）積層体を加熱するステップであって、積層体が加熱のための加熱ゾーンを通過する、積層体を加熱するステップとを含む。【選択図】なし

Description

本発明は、金属セラミック基材を製造するための方法、及び方法を実施するのに好適な炉に関する。

金属セラミック基材は、パワーエレクトロニクスの分野において重要な役割を果たす。金属セラミック基材は、電子構成要素の構築における重要な要素であり、これらの構成要素の動作中の高い量の熱の迅速な放散を確実にする。金属セラミック基材は通常、セラミック層と、セラミック層に結合（ｃｏｎｎｅｃｔ）された金属層とからなる。

金属層をセラミック層に結合するためのいくつかの方法が、従来技術から知られている。いわゆる直接銅接合（Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｏｐｐｅｒ Ｂｏｎｄｉｎｇ、ＤＣＢ）方法では、銅箔には、銅と反応性ガス（通常、酸素）との反応によって、銅よりも低い融点を有する銅化合物（通常、酸化銅）が表面上に提供される。このようにして処理された銅箔がセラミック体に適用され、複合物が加熱されたときに、銅化合物は、溶融し、セラミック体の表面を濡らして、安定した一体的接合が、銅箔とセラミック体との間に形成される。この方法は、例えば、米国特許第３７４４１２０（Ａ）号又は独国特許第２３１９８５４（Ｃ２）号に記載されている。

明らかな利点にもかかわらず、ＤＣＢ方法は、２つの主な不利点を有する。第１に、方法は、比較的高い温度、具体的には、銅の融点をやや下回る温度で実施されなければならない。第２に、方法は、酸化アルミニウム又は表面上酸化した窒化アルミニウムなどの酸化物ベースのセラミックのみに使用され得る。したがって、より低い厳密性の条件下で金属セラミック基材を製造するための代替の方法の必要性がある。代替の方法では、金属箔は、約６５０～１０００℃の温度でセラミック体に結合され得、特定のはんだが、使用され、該はんだは、少なくとも７００℃の融点を有する金属（通常、銀）と、活性金属とを含有する。活性金属の役割は、セラミック材料と反応することと、したがって、残りのはんだへのセラミック材料の結合が反応層を形成することを可能にすることとであり、少なくとも７００℃の融点を有する金属は、この反応層を金属箔に結合するために使用される。例えば、特許４８１２９８５（Ｂ２）号では、５０～８９重量パーセントの銀と、また、銅、ビスマス、及び活性金属とを含有するはんだを使用して、銅箔をセラミック体に結合することが提案されている。この方法では、銅箔をセラミック体に確実に接合する（ｊｏｉｎ）ことが可能である。銀の移行に関連する問題を回避するために、銀を含まないはんだを、金属箔をセラミック体に結合するために使用することが有利であり得る。これらのはんだは、例えば、高融点金属（特に、銅）、低融点金属（ビスマス、インジウム、又は錫など）、及び活性金属（チタンなど）をベースにする。このような技法は、例えば、独国特許出願公開第１０２０１７１１４８９３（Ａ１）号に提案されている。使用されるはんだのベースは、別の金属（銀の代わりに、銅）によって形成されており、これは、材料特性の変更につながり、他のはんだ構成要素（ｃｏｎｓｔｉｔｕｅｎｔ）及び修正された接合条件（ｊｏｉｎｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ）に関する適応をもたらすため、この技法は、原理的には、新しい独立した結合クラスにつながる。したがって、このようにして製造された金属セラミック基材は、金属層及びセラミック層に加えて、結合層を有し、結合層は、金属層とセラミック層との間に位置し、活性金属を含有する。

パワーエレクトロニクスの分野における着実に増加する要求に起因して、少なくとも７００℃の融点を有する金属と、７００℃未満の融点を有する金属と、活性金属とを含有するはんだ材料を使用して製造された金属セラミック基材の熱及び電流伝導率を更に改善する必要性の増大もある。

金属セラミック基材の熱及び電流伝導率を増加させるための以前の手法は、金属層とセラミック層との間の結合層の組成を変化させることに注目してきた。しかしながら、結合層の組成が変更されないままである場合、これは、いくつかの理由から、有利であり得る。したがって、例えば、結合層の所与の組成は、理想的には、熱及び電流伝導率以外の技術的要件を満たすことができる、又は生成するのに容易であることができる、又は更には、より費用効果があることができる。したがって、好適な方法の方策によって、結合層の所与の組成で、金属セラミック基材の熱及び電流伝導率を改善することが有利である。

したがって、本発明の目的は、増加した熱及び電流伝導率を有する金属セラミック基材が、少なくとも７００℃の融点を有する金属と、７００℃未満の融点を有する金属と、活性金属とを含有するはんだ材料を使用して得られ得る方法を提供することである。

この目的は、請求項１に記載の方法によって達成される。したがって、本発明は、金属セラミック基材を製造するための方法であって、
ａ）積層体を準備するステップであって、積層体が、
ａ１）セラミック体と、
ａ２）金属箔と、
ａ３）セラミック体及び金属箔と接触したはんだ材料であって、はんだ材料が、
（ｉ）少なくとも７００℃の融点を有する金属と、
（ｉｉ）７００℃未満の融点を有する金属と、
（ｉｉｉ）活性金属とを含む、はんだ材料と
を含有する、積層体を準備するステップと、
ｂ）積層体を加熱するステップであって、積層体が加熱のための加熱ゾーンを通過する、積層体を加熱するステップと
を含む方法を提供する。

本発明はまた、方法を実施するのに好適な炉に関する。

本発明による方法では、積層体が、最初に準備され、積層体は、セラミック体と、金属箔と、セラミック体及び金属箔と接触したはんだ材料とを含有する。

したがって、はんだ材料は、好ましくは、積層体内に積層体内のセラミック体と金属箔との間に位置する。好ましい実施形態によれば、積層体は、セラミック体と、（第１の）金属箔と、セラミック体及び第１の金属箔と接触した（第１の）はんだ材料と、第２の金属箔と、セラミック体及び第２の金属箔と接触した第２のはんだ材料を含有する。この実施形態によれば、（第１の）はんだ材料は、好ましくは、セラミック体と（第１の）金属箔との間に位置し、第２のはんだ材料は、好ましくは、セラミック体と第２の金属箔との間に位置する。更に、この実施形態によれば、第１のはんだ材料は、好ましくは、第２のはんだ材料に相当する。

したがって、セラミック体は、好ましくは、第１の表面と、第２の表面とを有する。金属箔は、好ましくは、第１の表面を有する。第２の金属箔は、第２の金属箔が存在する場合、好ましくは、第１の表面を有する。したがって、好ましい実施形態によれば、積層体内で、（第１の）はんだ材料は、積層体内にセラミック体の第１の表面と（第１の）金属箔の第１の表面との間に位置する。更に好ましい実施形態によれば、積層体は、セラミック体の第２の表面及び第２の金属箔の第１の表面と接触した第２のはんだ材料を含有する。この実施形態によれば、積層体内で、（第１の）はんだ材料は、好ましくは、積層体内にセラミック体の第１の表面と（第１の）金属箔の第１の表面との間に位置し、第２のはんだ材料は、好ましくは、セラミック体の第２の表面と第２の金属箔の第１の表面との間に位置する。更に好ましい実施形態によれば、本発明によるはんだ材料に加えて、更なる層は、セラミック体と（第１の）金属箔との間に位置しない。更に別の実施形態によれば、本発明によるはんだ材料に加えて、更なる層は、第２の金属箔が存在する場合、セラミック体と第２の金属箔との間に位置しない。

セラミック体のセラミックは、好ましくは、絶縁セラミックである。好ましい実施形態によれば、セラミックは、酸化物セラミック、窒化物セラミック、及び炭化物セラミックからなる群から選択される。更に好ましい実施形態によれば、セラミックは、金属酸化物セラミック、酸化ケイ素セラミック、金属窒化物セラミック、窒化ケイ素セラミック、窒化ホウ素セラミック、及び炭化ホウ素セラミックからなる群から選択される。特に好ましい実施形態によれば、セラミックは、窒化アルミニウムセラミック、窒化ケイ素セラミック、及び酸化アルミニウムセラミック（例えば、ジルコニア強化アルミナ（Ｚｉｒｃｏｎｉａ Ｔｏｕｇｈｅｎｅｄ Ａｌｕｍｉｎａ、ＺＴＡ）セラミックなど）からなる群から選択される。セラミック体は、好ましくは０．０５～１０ｍｍ、より好ましくは０．１～５ｍｍの範囲、特に好ましくは０．１５～３ｍｍの範囲の厚さを有する。

金属箔の金属は、好ましくは、銅、アルミニウム、及びモリブデンからなる群から選択される。特に好ましい実施形態によれば、金属箔の金属は、銅及びモリブデンからなる群から選択される。非常に特に好ましい実施形態によれば、金属箔の金属は銅である。金属箔は、好ましくは０．０１～１０ｍｍの範囲、より好ましくは０．０３～５ｍｍの範囲、特に好ましくは０．０５～３ｍｍの範囲の厚さを有する。

はんだ材料は、（ｉ）少なくとも７００℃の融点を有する金属と、（ｉｉ）７００℃未満の融点を有する金属と、（ｉｉｉ）活性金属とを含む。

好ましい実施形態によれば、（ｉ）少なくとも７００℃の融点を有する金属、（ｉｉ）７００℃未満の融点を有する金属、及び（ｉｉｉ）活性金属は、少なくとも１つの金属成分（ｍｅｔａｌ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ）の構成要素として存在する。したがって、はんだ材料は、好ましくは、（ｉ）少なくとも７００℃の融点を有する金属と、（ｉｉ）７００℃未満の融点を有する金属と、（ｉｉｉ）活性金属とを含有する少なくとも１つの金属成分を含む。例えば、はんだ材料は、少なくとも７００℃の融点を有する金属を含有する金属成分（ｉ）と、７００℃未満の融点を有する金属を含有する金属成分（ｉｉ）と、活性金属を含有する金属成分（ｉｉｉ）とを含むことが好ましいことがある。更に、はんだ材料は、（ｉ）少なくとも７００℃の融点を有する金属、（ｉｉ）７００℃未満の融点を有する金属、及び（ｉｉｉ）活性金属からなる群の一要素（ａ ｍｅｍｂｅｒ）を含有する金属成分（ｉ）と、（ｉ）少なくとも７００℃の融点を有する金属、（ｉｉ）７００℃未満の融点を有する金属、及び（ｉｉｉ）活性金属からなる群の要素（ｍｅｍｂｅｒｓ）であって、金属成分（ｉ）に含まれない要素を含有する金属成分（ｉｉ）とを含むことが好ましいことがある。「金属成分」という用語は、更に限定されない。金属及び金属合金に加えて、金属成分はまた、金属間化合物相（ｉｎｔｅｒｍｅｔａｌｌｉｃ ｐｈａｓｅｓ）などの金属化合物、及び金属水素化物などの他の化合物を包含する。したがって、好ましい実施形態によれば、金属成分は、金属、金属合金、及び金属化合物からなる群から選択される。

はんだ材料は、（ｉ）少なくとも７００℃の融点を有する金属を含む。少なくとも７００℃の融点を有する金属は、好ましくは少なくとも８５０℃の融点を有し、特に好ましくは少なくとも１０００℃の融点を有する。好ましい実施形態によれば、少なくとも７００℃の融点を有する金属は、銅、ニッケル、タングステン、及びモリブデンからなる群から選択される。特に好ましい実施形態によれば、少なくとも７００℃の融点を有する金属は、銅である。更に好ましい実施形態によれば、はんだ材料は、少なくとも７００℃の融点を有する金属を含有する金属成分（ｉ）を含む。特に好ましい実施形態によれば、はんだ材料は、銅を含有する金属成分（ｉ）を含む。更に好ましい実施形態によれば、金属成分（ｉ）は、銅である。

はんだ材料（ｉｉ）は、７００℃未満の融点を有する金属を含む。７００℃未満の融点を有する金属は、好ましくは６００℃未満の融点を有し、特に好ましくは５５０℃未満の融点を有する。好ましい実施形態によれば、７００℃未満の融点を有する金属は、錫、ビスマス、インジウム、ガリウム、亜鉛、アンチモン、及びマグネシウムからなる群から選択される。特に好ましい実施形態によれば、７００℃未満の融点を有する金属は、錫である。更に好ましい実施形態によれば、はんだ材料は、７００℃未満の融点を有する金属を含有する金属成分（ｉｉ）を含む。特に好ましい実施形態によれば、金属成分（ｉｉ）は、７００℃未満の融点を有する金属と更なる金属との合金である。更なる金属は、例えば、７００℃未満の融点を有する金属、少なくとも７００℃の融点を有する金属、及び活性金属からなる群から選択され得る。更に好ましい実施形態によれば、７００℃未満の融点を有する金属を含有する金属成分（ｉｉ）は、錫、ビスマス、インジウム、ガリウム、亜鉛、アンチモン、マグネシウム、錫－銅合金、錫－ビスマス合金、錫－アンチモン合金、錫－亜鉛－ビスマス合金、及びインジウム－錫合金からなる群から選択される。更に別の特に好ましい実施形態によれば、７００℃未満の融点を有する金属を含有する金属成分（ｉｉ）は、錫、錫－銅合金、錫－ビスマス合金、錫－アンチモン合金、錫－亜鉛－ビスマス合金、及びインジウム－錫合金からなる群から選択される。

はんだ材料は、活性金属を含む。活性金属は、好ましくは、はんだ材料の構成要素から形成されたはんだとセラミックとの間の結合を化学反応によって生成する金属である。好ましい実施形態によれば、活性金属は、ハフニウム、チタン、ジルコニウム、ニオブ、タンタル、バナジウム、及びセリウムからなる群から選択される。より好ましい実施形態によれば、活性金属は、ハフニウム、チタン、ジルコニウム、ニオブ、及びセリウムからなる群から選択される。特に好ましい実施形態によれば、活性金属は、ハフニウム、チタン、及びジルコニウムからなる群から選択される。非常に特に好ましい実施形態によれば、活性金属は、チタンである。更に好ましい実施形態によれば、はんだ材料は、活性金属を含有する金属成分（ｉｉｉ）を含む。特に好ましい実施形態によれば、金属成分（ｉｉｉ）は、活性金属合金又は活性金属化合物、特に好ましくは活性金属水素化物である。金属成分（ｉｉｉ）は、好ましくは、水素化チタン、チタン－ジルコニウム－銅合金、水素化ジルコニウム、及び水素化ハフニウムからなる群から選択される。特に好ましい実施形態によれば、金属成分（ｉｉｉ）は、水素化ハフニウム、水素化チタン、及び水素化ジルコニウムからなる群から選択される。非常に特に好ましい実施形態によれば、金属成分（ｉｉｉ）は、水素化チタンである。

好ましい実施形態によれば、少なくとも７００℃の融点を有する金属の割合は、はんだ材料の総金属重量に対して、５０～９０重量パーセント、より好ましくは５５～９０重量パーセント、特に好ましくは６５～９０重量パーセント、非常に特に好ましくは７０～９０重量パーセントである。更に好ましい実施形態によれば、７００℃未満の融点を有する金属の割合は、はんだ材料の総金属重量に対して、５～４５重量パーセント、より好ましくは５～４０重量パーセント、特に好ましくは５～３０重量パーセント、非常に特に好ましくは５～２５重量パーセントである。更に別の好ましい実施形態によれば、活性金属の割合は、はんだ材料の総金属重量に対して、１～２０重量パーセント、より好ましくは１～１５重量パーセント、特に好ましくは１～１２重量パーセント、非常に特に好ましくは１～１０重量パーセントである。

はんだ材料は、好ましくは、銀を含まない、又は低銀である。したがって、銀の比は、はんだ材料の総金属重量に対して、好ましくは３．０重量パーセント未満、特に好ましくは１．０重量パーセント未満、非常に特に好ましくは０．２重量パーセント未満である。銀の非存在又は少量の銀のみの存在は、完成した金属セラミック基材内の結合層の縁部における銀の移行が回避され得る又は低減され得ることを意味する。驚くべきことに、本発明による方法はまた、このような低減された銀含有量で、金属セラミック基材の電流及び熱伝導率を改善することができることが見出された。これは、はんだのベースとしての銀の置き換えに起因して、このような金属セラミック基材が、実際には、他の材料特性を有する独立した結合クラスをもたらし、これが、部分的に、他のはんだ構成要素及び修正された接合条件に関する適応を必要とすることがあることにおいて、驚くべきことである。

更に好ましい実施形態によれば、はんだ材料は、低ケイ素である、又はケイ素を含まない。したがって、ケイ素の割合は、はんだ材料内の全ての金属及び半金属の総重量に対して、好ましくは３．０重量パーセント未満、特に好ましくは１．０重量パーセント未満、非常に特に好ましくは０．５重量パーセント未満である。

はんだ材料は、セラミック体及び金属箔と接触している。したがって、はんだ材料は、好ましくは、セラミック体と金属箔との間に位置する。例えば、はんだ材料は、セラミック体上に提供され得、次いで、金属箔は、はんだ材料に適用され得る。はんだ材料は、好ましくは、少なくとも７００℃の融点を有する金属と、７００℃未満の融点を有する金属と、活性金属とを含有するペースト、箔、及び堆積物からなる群から選択される少なくとも１つの材料である。したがって、はんだ材料はまた、異なる組成の２つ以上の材料から形成されてもよい。例えば、好ましくはセラミック体と直接接触した第１の材料は、活性金属を含有する金属成分（ｉｉｉ）を含有することができ、好ましくは第１の材料と金属箔との間に配置された第２の材料は、少なくとも７００℃の融点を有する金属を含有する金属成分（ｉ）と、７００℃未満の融点を有する金属を含有する金属成分（ｉｉ）とを含有することができる。

はんだ材料は、ペーストであることができる。ペーストは、好ましくは、少なくとも７００℃の融点を有する金属と、７００℃未満の融点を有する金属と、活性金属とを含有する（ａ）少なくとも１つの金属成分と、（ｂ）有機媒体とを含有する。

有機媒体は、好ましくは、典型的には当該技術分野において使用される有機媒体である。好ましくは、有機媒体は、有機バインダー、有機分散媒、又はこれらの混合物を含有する。

有機バインダーは、好ましくは、加熱中に、はんだ材料から除去される。有機バインダーは、好ましくは、熱可塑性物質（ｔｈｅｒｍｏｐｌａｓｔｉｃ）又は熱硬化性物質（ｔｈｅｒｍｏｓｅｔ）を含む。有機バインダーの例には、セルロース誘導体（エチルセルロース、ブチルセルロース、及びセルロースアセテートなど）、ポリエーテル（ポリオキシメチレンなど）、及びアクリル樹脂（ポリメチルメタクリレート及びポリブチレンメタクリレートなど）が挙げられる。

有機分散媒は、好ましくは、好適な粘度をペーストに付与しペーストの乾燥中に又は加熱中に排出される有機化合物である。有機分散媒は、例えば、脂肪族アルコール、テルペンアルコール、脂環式アルコール、芳香族環状カルボン酸エステル、脂肪族エステル、カルビトール、及び脂肪族ポリオールから選択され得る。有機分散媒の例には、オクタノール、デカノール、テルピネオール（例えば、ジヒドロテルピネオール）、シクロヘキサノール、フタル酸ジブチル、カルビトール、エチルカルビトール、エチレングリコール、ブタンジオール、及びグリセロールが挙げられる。

また、ペーストは、通例の添加剤を含有することができる。このような添加剤の例には、無機バインダー（ガラスフリットなど）、安定剤、界面活性剤、分散剤、レオロジー調整剤、湿潤助剤、消泡剤、充填剤、及び硬化剤が挙げられる。

好ましい実施形態によれば、少なくとも７００℃の融点を有する金属と、７００℃未満の融点を有する金属と、活性金属とを含有する少なくとも１つの金属成分の割合は、ペーストの総重量に対して、２０～９５重量パーセント、より好ましくは３０～９５重量パーセント、特に好ましくは７５～９５重量パーセントである。更に好ましい実施形態によれば、有機媒体の割合は、ペーストの総重量に対して、５～８０重量パーセント、より好ましくは５～７０重量パーセント、特に好ましくは５～２５重量パーセントである。

更に好ましい実施形態によれば、少なくとも７００℃の融点を有する金属と、７００℃未満の融点を有する金属と、活性金属とを含有する（ａ）少なくとも１つの金属成分の総重量と（ｂ）有機媒体の重量との比は、少なくとも５：１、特に好ましくは少なくとも７：１、非常に特に好ましくは少なくとも８：１である。更に好ましい実施形態によれば、少なくとも７００℃の融点を有する金属と、７００℃未満の融点を有する金属と、活性金属とを含有する（ａ）少なくとも１つの金属成分の総重量と（ｂ）有機媒体の重量との比は、１：１～２０：１の範囲、特に好ましくは２：１～２０：１の範囲、非常に特に好ましくは５：１～１５：１の範囲である。

積層体を準備するために、ペーストは、好ましくは、セラミック体の表面に適用される。ペーストは、例えば、分散方法又は印刷方法によって、適用され得る。好適な印刷方法は、例えば、スクリーン印刷方法、インクジェット印刷方法、及びオフセット印刷方法である。好ましくは、ペーストは、スクリーン印刷方法によって、セラミック体の表面に適用される。

ペースト適用後に、ペーストは、必要な場合、予備乾燥を受けることができる。予備乾燥は、室温又は高温で起こることができる。予備乾燥についての条件は、ペーストに含有された有機媒体に依存して、変化することができる。予備乾燥温度は、例えば、５０～１８０℃の範囲であることができ、好ましくは８０～１５０℃の範囲である。予備乾燥は、通常、２分間～２時間の期間の間、好ましくは５分間～１時間の期間の間、実施される。

次いで、金属箔の表面は、ペーストに適用され得、これは、必要とされる場合、予備乾燥を受けて、積層体が得られる。

はんだ材料はまた、箔であることができる。

箔は、（ｉ）少なくとも７００℃の融点を有する金属と、（ｉｉ）７００℃未満の融点を有する金属と、（ｉｉｉ）活性金属とを含む。加えて、箔は、例えば、好適なバインダーなどの更なる構成要素を含むことができる。

箔は、例えば、少なくとも７００℃の融点を有する金属と、７００℃未満の融点を有する金属と、活性金属と、任意選択で、更なる構成要素とを含有する少なくとも１つの金属成分を均質化することと、少なくとも７００℃の融点を有する金属、７００℃未満の融点を有する金属、及び活性金属の融解温度を下回るが、金属間の接合を形成するのに十分である温度にこれらを加熱することとによって、得られてもよい。この温度は、例えば、少なくとも２００℃であることができる。

代替として、箔は、例えば、少なくとも７００℃の融点を有する金属と、７００℃未満の融点を有する金属と、活性金属とを含有する少なくとも１つの金属成分とバインダーとを混合することと、混合物を形成及び加熱して、グリーン体（ｇｒｅｅｎ ｂｏｄｙ）を形成することとによって、得られ得る。加熱中に、バインダーは、硬化することができ、金属がその内に分配されているマトリックスを形成することができる。

積層体を準備するために、箔は、例えば、セラミック上に置かれ得る。次いで、金属箔の表面は、積層体を得るために、セラミック上に位置する箔に適用され得る。

更なる実施形態によれば、はんだ材料は、堆積物であることができる。はんだ材料の堆積物は、例えば、電気めっき又は化学蒸着によって、生成され得る。好ましくは、はんだ材料の堆積物は、セラミック体上に生成される。次いで、金属箔は、積層体を得るために、セラミック上に堆積されたはんだ材料に適用され得る。

積層体が準備された後に、積層体は、加熱され、積層体は、加熱のための加熱ゾーンを通過する。

積層体の加熱は、好ましくは、金属セラミック基材を得るように起こる。好ましい実施形態によれば、加熱が起こり、ここで、金属セラミック基材は、はんだ材料によるセラミック体と金属箔との間の一体的接合を形成して、得られる。一体的接合は、好ましくは、活性金属がセラミック体との結合を始め、少なくとも７００℃の融点を有する金属と、７００℃未満の融点を有する金属と、金属箔の金属とが結合されて、合金が形成されるように、形成される。次いで、その後の凝固中に、一体的接合は、はんだ材料によりセラミック体と金属箔との間に形成される。

したがって、はんだ材料によるセラミックと金属箔との間の一体的接合の形成を可能にする条件が、好ましくは、加熱ゾーン内に存続する。加熱ゾーン内に存在する温度及び雰囲気は、好ましくは、調整可能である。加熱ゾーンは、好ましくは、入口と、出口とを有する。加熱ゾーンを通過したときに、積層体は、好ましくは、入口を介して加熱ゾーン内に入り、出口を介して加熱ゾーンから出る。好ましくは、入口は、出口とは異なる。

好ましい実施形態によれば、積層体及び加熱ゾーンは、積層体が加熱ゾーンを通過することを可能にするために、加熱ゾーンの位置に対する積層体の位置が変更され得るように配置されている。好ましくは、積層体と加熱ゾーンとの間の距離は、加熱ゾーンの通過の前に減少し、加熱ゾーンの通過中に最小に到達し、加熱ゾーンの通過の後に増加する。好ましい実施形態によれば、このために、積層体と加熱ゾーンとの相対的運動が起こり、ここで、積層体及び加熱ゾーンは、最初に、互いへ向かう相対的運動を実行し、通過後に、互いから離れる相対的運動を実行する。このために、積層体は、静止して配置されてもよく、加熱ゾーンは、可動であるように配置されてもよく、積層体は、可動であるように配置されてもよく、加熱ゾーンは、静止して配置されてもよく、又は積層体及び加熱ゾーンは、可動であるように配置されてもよい。

加熱ゾーンを通過したときに、積層体は、温度チャージング（ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｈａｒｇｉｎｇ）を経験する。したがって、通過する際の積層体は、セラミック体と金属箔との間の一体的接合の形成のために必要な温度入力（ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｉｎｐｕｔ）を確実にする、加熱ゾーンからの距離にある。

驚くべきことに、積層体が、加熱のための加熱ゾーンを通過するときに、改善された熱及び電流伝導率を有する金属セラミック基材が得られ得ることが見出された。

理論に拘束されないが、これは、エネルギー入力の目標制御が加熱ゾーンの通過によって達成され得るということに起因し得る。積層体が加熱ゾーンを通過する場合、加熱ゾーン内の温度、及び積層体が加熱ゾーンを通過する速度は、理想的には、積層体の構造及び寸法に一致することができ、このため、セラミック体と金属箔との間の一体的接合の形成のために必要なエネルギー入力のみが起こる。これは、過度のエネルギー入力がたびたび、金属箔内への少なくとも７００℃の融点を有する金属及び７００℃未満の融点を有する金属の増加した拡散につながり、これが最終的に、完成した金属セラミック基材における電流及び熱伝導率の減少を生じさせ得ることを防止する。更に、温度及び加熱ゾーン内に含まれたガス（例えば、不活性ガス）の均一な分配が、加熱ゾーンの通過の際に、確実にされる。結果として、複数の金属セラミック基材が本発明による方法を使用して製造されたときに、（例えば、バッチ炉を使用する）従来の方法と比較して、製造された金属セラミック基材の品質のより低いばらつきが発生する。これに関して、加熱ゾーンの通過による積層体の加熱は、（例えば、バッチ炉における）静的な加熱よりも有利であることが証明された。

特に好ましい実施形態によれば、積層体は、炉、好ましくは連続炉において加熱される。

炉は、好ましくは、加熱ゾーンと、搬送システムとを有する。積層体は、好ましくは、搬送システム上に配置される。好ましくは、加熱ゾーン及び搬送システムは、積層体が加熱ゾーンを通過する間に積層体の加熱を可能にするために、加熱ゾーンの位置に対する積層体の位置が変更され得るように設計されている。したがって、好ましくは、加熱ゾーン及び搬送システムは、積層体と加熱ゾーンとの間の距離が、加熱ゾーンの通過中に距離が最小になるまで低減され得、距離が、加熱ゾーンの通過後に増加することができるように設計されている。したがって、好ましい実施形態によれば、加熱ゾーン及び搬送システムは、積層体及び加熱ゾーンが、最初に、互いへ向かう相対的運動を実行し、通過後に、互いから離れる相対的運動を実行するように、相対的運動のために設計されている。

炉は、好ましくは、連続炉であることができる。したがって、好ましい実施形態によれば、積層体は、連続炉において加熱され、ここで、積層体は、加熱中に、連続炉の加熱ゾーンを通過する。連続炉は、好ましくは、少なくとも１つの加熱ゾーンを有し、搬送システムとして、例えば、ワークピースがその上で加熱ゾーンを通過して運搬され得る回転コンベヤチェーン、コンベヤローラシステム、又はスライドシステムを有する。更なるゾーンが、連続炉内に、運搬方向で加熱ゾーンの前及び加熱ゾーンの後にあることができる。例えば、冷却ゾーンが連続炉内の加熱ゾーンの後に位置することは有利であり得る。加えて、ガス（例えば、窒素などの不活性ガス）がそれらを介してゾーンに供給され得るガス入口及びガス出口は、加熱ゾーン内に、及び存在し得る任意の更なるゾーン内に位置することが有利であり得る。このような連続炉は、従来技術（例えば、独国特許第４００８９７９（Ｃ１）号及び欧州特許第００８５９１４（Ａ２）号を参照されたい）からよく知られている。

本発明による方法の好ましい実施形態によれば、積層体は、最初に、キャリアに適用される。キャリアは、例えば、炭化ケイ素から作製され得る。炭化ケイ素キャリアには、更なる支持体、例えば、グラファイト箔が提供され得る。

その後、好ましくはキャリア上に配置された積層体は、好ましくは、搬送システム、例えばコンベヤベルト上に置かれる。コンベヤベルトは、例えば、連続炉のコンベヤチェーン、コンベアローラシステム、又はスライドシステムであることができる。

好ましい実施形態によれば、積層体は、搬送システム上で加熱ゾーンを通過する。搬送システムは、好ましくは、例えばローラによって駆動される。

加熱中に、積層体は、ピーク温度に加熱される。ピーク温度は、更に限定されず、好ましくは、少なくとも７００℃の融点を有する金属の融点以下であり、金属箔の金属の融点よりも低い。好ましい実施形態によれば、ピーク温度は、金属箔の金属の融点を、少なくとも１０℃、特に好ましくは少なくとも５０℃下回る。更に好ましい実施形態によれば、ピーク温度は、少なくとも７００℃である。更に好ましい実施形態によれば、ピーク温度は、少なくとも７００℃である。ピーク温度は、好ましくは７００～１１００℃の範囲、特に好ましくは７５０～１０５０℃の範囲、非常に特に好ましくは８００～１０００℃の範囲である。本明細書で使用される場合、ピーク温度とは、熱電対によって積層体において測定される温度を指す。ピーク温度は、積層体において測定される最大温度である。溶融金属の過度の流動性に起因する溶融金属の過度の収縮又は滲出などの不利な効果を防止するために、当業者は、過度に高いピーク温度を回避しようとする。

加熱中に、積層体は、加熱持続期間の間、温度入力を受ける。本明細書では、加熱持続期間とは、好ましくは、積層体が、加熱中に、少なくとも２００℃の温度に曝される期間を指す。加熱持続期間は、加熱持続期間が、結合される表面の濡れ、及び一体的接合についての結合される表面の可用性を確実にするのに十分である限り、更に限定されない。好ましい実施形態によれば、加熱持続期間は、少なくとも２分、特に好ましくは少なくとも１０分である。更に好ましい実施形態によれば、加熱持続期間は、５時間以下、特に好ましくは２時間以下、非常に特に好ましくは９０分以下である。加熱持続期間は、好ましくは２分～５時間の範囲、特に好ましくは２分～２時間の範囲、非常に特に好ましくは１０～９０分の範囲である。

加熱中に、積層体は、高温加熱持続期間の間、温度入力を受ける。本明細書では、高温加熱持続期間とは、好ましくは、積層体が、加熱中に、ピーク温度－２５０℃に少なくとも相当する温度に曝される期間を指す。したがって、９００℃の例示的なピーク温度では、高温加熱持続期間は、積層体が、加熱中に、６５０℃の温度に少なくとも曝される期間に相当する。好ましい実施形態によれば、高温加熱持続期間は、６０分以下、より好ましくは５０分以下、特に好ましくは４５分以下、非常に特に好ましくは４０分以下である。高温加熱持続期間は、好ましくは２～６０分の範囲、より好ましくは３～５０分の範囲、特に好ましくは５～４５分の範囲、非常に特に好ましくは１０～４０分の範囲である。

加熱中に、積層体は、ピーク温度加熱持続期間の間、温度入力を受ける。本明細書では、ピーク温度加熱持続期間とは、好ましくは、積層体が、加熱中に、ピーク温度－５０℃に少なくとも相当する温度に曝される期間を指す。したがって、９００℃の例示的なピーク温度では、ピーク温度加熱持続期間は、積層体が、加熱中に、８５０℃の温度に少なくとも曝される期間に相当する。好ましい実施形態によれば、ピーク温度加熱持続期間は、３０分以下、より好ましくは２５分以下、特に好ましくは２０分以下、非常に特に好ましくは１５分以下である。ピーク温度加熱持続期間は、好ましくは１～３０分の範囲、より好ましくは１～２５分の範囲、特に好ましくは２～２０分の範囲、非常に特に好ましくは３～１５分の範囲である。

更に特に好ましい実施形態によれば、高温加熱持続期間は、１０～４０分の範囲であり、ピーク温度加熱持続期間は、３～１５分の範囲である。

驚くべきことに、短い高温加熱持続期間及び短いピーク温度加熱持続期間は、完成した金属セラミック基材の電流及び熱伝導率への有利な効果を有することが見出された。

更に好ましい実施形態によれば、ピーク温度加熱持続期間（分）と加熱持続期間（分）との比は、１：２以下である。ピーク温度加熱持続期間（分）と加熱持続期間（分）との比は、好ましくは１：２～１：１５の範囲、より好ましくは１：２～１：１０の範囲、特に好ましくは１：２～１：７の範囲、非常に特に好ましくは１：３～１：６の範囲である。驚くべきことに、金属セラミック基材の熱及び電流伝導率は、ピーク温度加熱持続期間（分）と加熱持続期間（分）との特定の範囲の比で更に改善され得ることが見出された。

積層体が加熱されたときに、温度入力が、昇温持続期間（ｈｅａｔｉｎｇ－ｕｐ ｄｕｒａｔｉｏｎ）の間、起こる。本明細書での昇温持続期間とは、好ましくは、積層体が、１００℃の温度から開始して、ピーク温度に到達するために必要とする期間を示す。好ましい実施形態によれば、昇温持続期間は、６０分以下、特に好ましくは４５分以下、非常に特に好ましくは３０分以下である。昇温持続期間は、好ましくは１～６０分の範囲、より好ましくは５～４５分の範囲、特に好ましくは１０～３０分の範囲である。

非酸化性雰囲気が、好ましくは、加熱ゾーン内に存在する。非酸化性雰囲気は、好ましくは、不活性ガス雰囲気である。好ましくは、窒素雰囲気、ヘリウム雰囲気、又はアルゴン雰囲気が、加熱ゾーン内に存在する。特に好ましい実施形態によれば、窒素雰囲気が、加熱ゾーン内に存在する。好ましくは、非酸化性雰囲気中の反応性ガス、特に、酸素の割合は、１０００ｐｐｍ未満、より好ましくは５００ｐｐｍ未満、特に好ましくは４０ｐｐｍ未満である。

積層体が加熱されたときに、一体的接合が、はんだ材料によりセラミック本体と金属箔との間に形成されて、金属セラミック基材が得られる。金属セラミック基材は、必要な場合、更なる処理ステップに供されてもよい。例えば、金属セラミック基材、好ましくは、金属セラミック基材の金属箔の露出表面が、研磨され得る。好ましくは、金属セラミック基材の金属箔の表面は、物理的又は化学的に研磨される。更に、金属セラミック基材は、構造化され得る。例えば、金属セラミック基材には、導体トレースが提供され得る。導体トレースは、好ましくは、エッチングによって生成される。

本発明によって製造された金属セラミック基材は、特に、エレクトロニクスにおける用途のために使用され得、とりわけ、パワーエレクトロニクスの分野のために使用され得る。

好ましい実施形態によれば、本発明はまた、方法に関する上記の炉に関する。炉は、
（１）加熱ゾーンと、
（２）搬送システムと、
（３）搬送システム上に配置される積層体であって、積層体が、
ａ１）セラミック体と、
ａ２）金属箔と、
ａ３）セラミック体及び金属箔と接触したはんだ材料であって、はんだ材料が、
（ｉ）少なくとも７００℃の融点を有する金属と、
（ｉｉ）７００℃未満の融点を有する金属と、
（ｉｉｉ）活性金属とを含む、はんだ材料と
を含有する、積層体と
を好ましくは有し、加熱ゾーン及び搬送システムは、積層体が加熱ゾーンを通過する間に積層体の加熱を可能にするために、加熱ゾーンの位置に対する積層体の位置が変更され得るように設計されている。

特に好ましい実施形態によれば、炉は、連続炉である。搬送システムは、好ましくは、回転コンベヤチェーンとして、コンベヤローラシステムとして、又はスライドシステムとして設計されている。好ましい実施形態によれば、積層体は、コンベヤチェーン上に配置され、コンベヤチェーン上で加熱ゾーンを通過することができる。

炉は、本発明による方法を実施するのに特に好適である。

実施例では、金属セラミック基材が、様々な条件下で製造された。それぞれの場合において、セラミック体と、金属箔と、セラミック体及び金属箔と接触したはんだ材料とを含有する積層体が、準備され、次いで、加熱された。はんだ材料は、銅、錫、及びチタンを金属として含有する標準的なペーストであった。次いで、電流及び熱伝導率が、定性的に評価された。同等の結果（ｃｏｍｐａｒａｂｌｅ ｒｅｓｕｌｔｓ）がまた、他の材料の組み合わせで達成され得る。

実施例１
金属セラミック基材の製造のために、最初に、３１．６７重量パーセントのＳｎＣｕ０．７粉末、７．２４重量パーセントの水素化チタン、及び、Ｔｅｘａｎｏｌを含有する９．５０重量パーセントの有機賦形剤が、３５Ｈｚで２０分間、スタンドミキサーにおいて混合された。次いで、５１．５９重量パーセントの銅粉末が、徐々に（ｉｎ ｉｎｃｒｅｍｅｎｔｓ）添加された。このようにして生成された混合物は、均質なペーストが得られるまで高速で撹拌された。

このようにして生成されたペーストを使用して、セラミック体は、セラミック体の対向する表面上で、銅箔に両側上で接合された。このために、（Ｔｏｓｉｂａ Ｍａｔｅｒｉａｌｓから入手可能な）寸法１７７．８×１３９．７×０．３２ｍｍを有し、同一の前面及び後面特性（ｆｒｏｎｔ ａｎｄ ｒｅａｒ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ）を有するセラミック体が、それぞれの場合において使用された。ペーストは、寸法１３７×１７５ｍｍ２の領域内のこのようなセラミック体の後側上に、１６５メッシュスクリーンによってスクリーン印刷され、１２５℃で１５分間予備乾燥を受けた。予備乾燥後のペーストの厚さは、３５±５μｍであった。次いで、このようにして生成された配置（ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ）は、反転され、ペーストは、同様に、セラミック体の前側上に印刷され、予備乾燥を受けた。次いで、ペーストが両側上に提供されたセラミックには、両側上で、９９．９９％の純度及び１７４×１３７×０．３ｍｍの寸法を有する無酸素高導電性銅から作製された銅箔が提供されて、銅箔－予備乾燥済みペースト－セラミック－予備乾燥済みペースト－銅箔の構造を有する積層体が得られた。

次いで、積層体は、連続炉において加熱された。このために、最初に、グラファイト箔が適用された炭化ケイ素板が、連続炉のコンベヤチェーン上に置かれた。積層体は、グラファイト箔上に置かれ、次いで、該積層体は、更なるグラファイト箔で覆われ、該積層体には、更なる炭化ケイ素板（重量＝６００ｇ）で重みがかけられた。その後、構造体は、コンベヤチェーン上で連続炉の加熱ゾーンを通過して運搬された。（Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒ Ｍｅｓｓｅｌｅｍｅｎｔｅ Ｈｅｔｔｓｔｅｄｔ ＧｍｂＨ社製のタイプＫ熱電対で、積層体において測定された）ピーク温度は、９３５℃であった。次いで、このようにして得られた金属セラミック基材は、室温に冷却されて、金属セラミック基材が得られ、金属セラミック基材は、両側上で結合層により銅層に結合されたセラミック層を含有した。

実施例２
実施例２は、実施例１に類似して実施されたが、（Ｔｅｍｐａｒａｔｕｒ Ｍｅｓｓｅｌｅｍｅｎｔｅ Ｈｅｔｔｓｔｅｄｔ ＧｍｂＨ社製のタイプＫ熱電対を使用して、積層体において測定された）ピーク温度は、９１０℃であった。

比較例
比較例は、実施例１と類似して実施されたが、積層体は、連続炉の代わりに、バッチ炉において加熱された。このために、積層体は、バッチ炉内に置かれ、加熱された。（Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒ Ｍｅｓｓｅｌｅｍｅｎｔｅ Ｈｅｔｔｓｔｅｄｔ ＧｍｂＨ社製のタイプＫ熱電対で、積層体において測定された）ピーク温度は、９１０℃であった。

次いで、実施例において得られた金属セラミック基材の熱及び電流伝導率は、以下のように評価された。

金属セラミック基材の伝導率は、本発明による方法が使用されたときに、著明に改善され得ることが見出された。理論に拘束されないが、これは、加熱ゾーンの一時的な通過のみに起因して、従来の方法とは対照的に、本発明による方法は、正確な目標エネルギー入力を可能し、該エネルギー入力は、一方では、一体的接合の形成を確実にするのに十分に高いが、他方では、はんだ材料から金属箔内への金属の深い浸透を防止することに起因し得る。したがって、７００℃未満の融点を有する金属（実施例において、錫）が、本発明による方法では、従来の方法による場合よりも金属箔内に深く浸透しないことを示すことが可能であった。実施例１及び実施例２において得られた金属セラミック基材について、深さ方向分析（ｄｅｐｔｈ ｐｒｏｆｉｌｅ ａｎａｌｙｓｉｓ）は、銅箔内への錫の拡散が、比較例の金属セラミック基材と比較して、３０％超で低減されたことを示した。したがって、実施例１及び実施例２において、完成した金属セラミック基材の伝導率は、より少なく損なわれている。

Claims (12)

1. 金属セラミック基材を製造するための方法であって、
   ａ）積層体を準備するステップであって、前記積層体が、
   ａ１）セラミック体と、
   ａ２）金属箔と、
   ａ３）前記セラミック体及び前記金属箔と接触したはんだ材料であって、前記はんだ材料が、
   （ｉ）少なくとも７００℃の融点を有する金属と、
   （ｉｉ）７００℃未満の融点を有する金属と、
   （ｉｉｉ）活性金属とを含む、はんだ材料と
   を含有する、積層体を準備するステップと、
   ｂ）前記積層体を加熱するステップであって、前記積層体が加熱のための加熱ゾーンを通過する、前記積層体を加熱するステップと
   を含む方法。
2. 前記セラミック体の前記セラミックが、窒化アルミニウムセラミック、窒化ケイ素セラミック、及び酸化アルミニウムセラミックからなる群から選択されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記金属箔の前記金属が、銅であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
4. 少なくとも７００℃の融点を有する前記金属が、銅であることを特徴とする、請求項１～３のいずれか一項に記載の方法。
5. ７００℃未満の融点を有する前記金属が、錫、ビスマス、インジウム、ガリウム、亜鉛、アンチモン、及びマグネシウムからなる群から選択されることを特徴とする、請求項１～４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記活性金属が、ハフニウム、チタン、ジルコニウム、ニオブ、タンタル、バナジウム、及びセリウムからなる群から選択されることを特徴とする、請求項１～５のいずれか一項に記載の方法。
7. 銀の割合が、前記はんだ材料の総金属重量に対して、３．０重量パーセント未満であることを特徴とする、請求項１～６のいずれか一項に記載の方法。
8. 非酸化性雰囲気が、前記加熱ゾーン内に存在することを特徴とする、請求項１～７のいずれか一項に記載の方法。
9. 窒素雰囲気が、前記加熱ゾーン内に存在することを特徴とする、請求項１～８のいずれか一項に記載の方法。
10. 前記積層体がピーク温度－５０℃に少なくとも相当する温度に曝される持続期間を指すピーク温度加熱持続期間が、３０分以下であることを特徴とする、請求項１～９のいずれか一項に記載の方法。
11. 前記積層体が、１００℃の温度から開始して、ピーク温度に到達するために必要とする期間を示す昇温持続期間が、６０分以下であることを特徴とする、請求項１～１０のいずれか一項に記載の方法。
12. （１）加熱ゾーンと、
    （２）搬送システムと、
    （３）前記搬送システム上に配置される積層体であって、前記積層体が、
    ａ１）セラミック体と、
    ａ２）金属箔と、
    ａ３）前記セラミック体及び前記金属箔と接触したはんだ材料であって、前記はんだ材料が、
    （ｉ）少なくとも７００℃の融点を有する金属と、
    （ｉｉ）７００℃未満の融点を有する金属と、
    （ｉｉｉ）活性金属とを含む、はんだ材料と
    を含有する、積層体と
    を少なくとも有する炉であって、
    前記加熱ゾーン及び前記搬送システムが、前記積層体が前記加熱ゾーンを通過する間に前記積層体の加熱を可能にするために、前記加熱ゾーンの位置に対する前記積層体の位置が変更され得るように設計されている、炉。