JP7032042B2 - 厚膜ペーストを用いて改善された直接接合銅(direct-bonded copper)基板 - Google Patents

厚膜ペーストを用いて改善された直接接合銅(direct-bonded copper)基板 Download PDF

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Description

本発明は、熱安定性が改善された金属-セラミック基板に関する。本発明の他の目的は、本発明に従って前記金属-セラミック基板を製造する方法、及び熱安定性が改善された金属-セラミック基板を与えるための厚膜ペーストの使用を提供することにある。
パワーエレクトロニクスの用途のために、例えば、ハイブリッド車及び電気自動車の自動車産業において、適用回路(applied circuit)は、熱及び電気サイクル下で大電流を通す能力及び高耐久性を有することが必要である。このような構成(構造)は、非常に大きな電流材料を通すことのできる容量を有する導電性材料を必要とし、例えば、良好な熱放散性(放熱性)をも有するセラミック基板上に被覆された金属としての銅が挙げられる。さらに、ボンディングワイヤを介する銅表面の良好な接合能力、良好なはんだ性及び無電解電気めっき層による酸化保護の可能性を与えることが必要である。これらの要件は、例えば、直接接合銅(又は銅張り、direct bonded copper (DCB))技術に基づいて金属-セラミック基板を用いることによって実現できる。
適切な片面又は両面メタライズド(金属化)セラミック基板は、一般的に公知である。このような金属-セラミック基板は、特に、回路キャリア(回路担体)として電力半導体(パワー半導体)モジュールの領域において使用される。これらの回路キャリアは、基板の上及び下面に銅メタライゼーションを有し、少なくとも1つのメタライズド面が回路構成(構造)を示す。共晶接合によってこの金属-セラミック複合材料を製造する方法は、一般に、直接接合プロセス(直接銅接合(direct copper bonding)、DCB)と称され、当業者に公知である。この接合方法によってメタライズドセラミック基板を製造する方法の詳細は、特許文献米国特許第3,744,120号明細書(US 3,744,120)(特許文献1)、米国特許第3,994,430号明細書(US 3,994,430)(特許文献2)、欧州特許出願公開第0085914号明細書(EP 0085914 A)(特許文献3)又は独国特許出願公開第2319854号明細書(DE 23 19 854 A)(特許文献4)に見出すことができ、これらの対応する開示は、本発明において参照することにより組み入れられる。
DCB基板に加えて、他のセラミック基板も同様に公知であり、このような基板はアルミニウム層によってメタライズされている。これらの金属-セラミック基板を製造するためには、DCB法に比べて、著しく低いプロセス温度(加工温度)が必要とされる。
しかし、メタライズド基板の寿命は、基板とメタライゼーションとの異なる熱膨張係数によって制限される。温度変化及び異なる材料の膨張に起因して、動作中に機械的な張力が生じる。これらの異なる材料の膨張は、特に、基板とメタライゼーションとの間の層間剥離が生じるきっかけとなる。他の欠点としては、比較的大量の廃棄物及びいわゆるガス噛み(gas inclusions)の形成が挙げられる。
この張力を低減するために、例えば、特許文献独国特許出願公開第4318241号明細書(DE 43 18 241 A1)(特許文献5)によると、構成(構造)を金属層の端部領域に導入し、それによってクラックの発生を遅らせることができることが公知である。
特許文献独国特許出願公開第102012024063号明細書(DE 10 2012 024 063 A1)(特許文献6)によると、メタライズドセラミック基板を製造する方法が公知であり、この方法において、銅層は、セラミック基板上に直接的に施されるのではなく、アルミニウム-マグネシウム層又はアルミニウム-ケイ素層が銅層とセラミック基板との間に配置されている。このアルミニウム及びマグネシウム、又はアルミニウム及びケイ素の付加的な層は、DCB法において、通常1000~1100℃の範囲である接合温度を600~700℃の範囲に低減でき、それによって、得られた金属-セラミック基板の安定性が改善(又は強化)される。
米国特許出願公開第2005/0051253号明細書(US 2005/0051253 A)(特許文献7)には、いくつかの金属導電性被膜で直接的に被覆されたセラミック基板が開示されている。これらの金属被膜の間に、セラミックペーストをプリントし、それによって金属導電性被膜の間の間隙を充填する。この文献においては、セラミックペーストは、系の熱的機械的安定性を改善するために用いられていない。
米国特許出願公開第2004/0163555号明細書(US 2004/0163555 A)(特許文献8)には、金属導電性被膜を備え、金属導電性被膜の間の間隙がセラミックペーストによって充填されたセラミック基板が開示されている。それぞれのセラミックペーストは、例えば誘電性セラミック、磁性セラミック、ガラス、ガラスセラミックのセラミック粉末又は他の適切なセラミック粉末と有機ベヒクルとを混合して得られる。セラミックペーストの具体的な構成について、さらなる情報は提供されていない。
しかし、金属-セラミック基板を製造するための公知の方法では、熱的又は機械的張力が低減しているが、その実現可能性及び作用形態(mode of action)の点でまだ十分ではない。また、動作中に基板とメタライゼーションとの層間剥離を生じる問題がなお存在する。
米国特許第3,744,120号明細書 米国特許第3,994,430号明細書 欧州特許出願公開第0085914号明細書 独国特許出願公開第2319854号明細書 独国特許出願公開第4318241号明細書 独国特許出願公開第102012024063号明細書 米国特許出願公開第2005/0051253号明細書 米国特許出願公開第2004/0163555号明細書
従って、本発明は、熱安定性が改善した金属-セラミック基板を提供することを目的とする。本発明は、動作中に基板とメタライゼーションとの間の層間剥離が生じるおそれを低減することをさらなる目的とする。これらの目的は、特に、DCB技術、DAB技術又はAMB技術(DCB=direct copper bonding(直接銅接合);DAB=direct aluminum bonding(直接アルミニウム接合);AMB=active metal brazing(活性金属鑞付け))の金属-セラミック系について解決されるべきである。また、本明細書に記載される技術は、厚膜ペーストをセラミック基板と金属箔との間に備えた金属-セラミック基板も対象とする。このような金属-セラミック基板は、先願であるが未公開の、「Thick-film paste mediated ceramics bonded with metal or metal hybrid foils」と題された欧州特許出願第15201817.2号(EP 15 201 817.2)に記載されている。
本発明の目的は、
a.セラミック基板を含み、このセラミック基板の少なくとも一方の面が
b.金属被膜を備えている
金属-セラミック基板によって達成される。
図1(a)~図1(c)は、それぞれ、本発明の金属-セラミック基板の一実施形態を示す。 図2は、本発明の金属-セラミック基板の他の実施形態を示す。 図3(a)~図3(b)は、それぞれ、本発明の金属-セラミック基板のさらに他の実施形態を示す。
(本発明の金属-セラミック基板)
本発明の金属-セラミック基板は、金属被膜(被覆又はコーティング)がセラミック基板上に直接的に施され(applied)かつ焼成又は焼いた厚膜層(baked thick-film layer)により囲まれていることを特徴とする。
本発明では、金属-セラミック基板の熱安定性は、セラミック基板の金属被膜の周囲に特定の方法又は様式(manner)で配置される焼成(焼結)厚膜層を用いることにより改善できることが見出された。そのようにすることによって、メタライゼーションとセラミック基板との間の動作中の層間剥離のおそれが低減できる。
本発明によって提供された厚膜層は、金属-セラミック基板の熱安定性を改善しかつ動作中の層間剥離のおそれを低減するものであり、一般に厚膜ペースト(thick-film paste)から調製され、厚膜ペーストは金属-セラミック基板上で焼成される(又は焼かれる)。
以下において、最初に、本発明で用いられた厚膜ペーストの組成を詳細に記載する。
(厚膜ペーストの組成)
(導電性厚膜ペースト)
本発明の第1の実施形態において、厚膜層は、導電性厚膜ペースト(electrically conductive thick-film paste)から得られる。それにより、本発明によって金属-セラミック基板上に得られ(形成され)る厚膜層もまた、導電性を有するように設計される。
この第1の実施形態において、本発明によって使用された厚膜ペーストは、好ましくは、少なくとも1つの金属、少なくとも1つの有機ベヒクル及び少なくとも1つの接着促進剤(adhesion promotor)並びに/又はガラス材料を含む。
この厚膜ペーストの第1の成分である金属は、厚膜ペーストの総重量に対して通常50~90重量%、好ましくは60~90重量%、より好ましくは70~90重量%、さらに好ましくは80~90重量%の量で厚膜ペーストに含まれてもよい。
第1の実施形態において、厚膜ペーストは、好ましくは少なくとも1つの第1の金属成分を含み、この金属成分は、第11族元素の金属(銅、銀及び金)、アルミニウム、ニッケル及びその混合物からなる群より選択してもよい。
厚膜ペーストに使用される金属は、任意の粒径(粒子サイズ)及び任意の粒子形態を有していてもよく、任意の嵩密度及び導電性を有していてもよい。
さらに、厚膜ペーストは、必要に応じて接着促進剤を含んでもよく、接着促進剤は、例えば、酸化銅、酸化チタン、ジルコニア、ホウ素樹脂、ジルコニウム樹脂、非晶質ホウ素、リン酸リチウム、酸化ビスマス、酸化アルミニウム及び酸化亜鉛からなる群より選択できる。厚膜ペーストに含まれる接着促進剤の量は、厚膜ペーストの総量に対して0.1~8重量%、より好ましくは1~6重量%、さらにより好ましくは2~5重量%であってもよい。
厚膜ペーストのさらなる任意成分は、ガラス材料であり、ガラス材料の量は、厚膜ペーストの総量に対して好ましくは0.1~8重量%、好ましくは1~6重量%、より好ましくは2~5重量%である。
厚膜ペーストのさらなる成分としては、少なくとも有機ベヒクルが挙げられ、有機ベヒクルの量は、厚膜ペーストの総量に対して好ましくは5~20重量%、より好ましくは5~15重量%である。
ガラス材料及び有機ベヒクルを、以下に記載する。
第1の実施形態に関連して特に好ましい実施形態において、厚膜ペースト組成物は、金属成分としての銅、接着促進剤としての金属酸化物、ガラス材料及び有機ベヒクルを含む。上記及び下記の厚膜ペーストのすべての成分は、粉末として使用してもよい。
第1の実施形態に関連してさらに特に好ましい実施形態において、厚膜ペーストは、金属成分としての銅、接着促進剤としてのBi、ガラス材料及び有機ベヒクルを含む。
第1の実施形態に関連してさらに特に好ましい実施形態において、厚膜ペースト組成物は、厚膜ペーストの総量に対して、それぞれ、金属成分としての銅を80~90重量%の量で、接着促進剤としてのBiを1~5重量%の量で、ガラス材料を1~5重量%の量で、及び有機ベヒクルを5~15重量%の量で含む。
(電気絶縁性厚膜ペースト)
本発明の第2の実施形態において、厚膜層は、電気絶縁性厚膜ペースト(electrically insulating thick-film paste)から得られる。従って、本発明によって金属-セラミック基板上に得られ(又は形成され)る厚膜層もまた、電気絶縁性を有するように設計される。
電気絶縁性厚膜ペーストの使用により、金属層間の短絡を引き起こすおそれなく、隣接する金属被膜を、互いに、より近くに配設することができる。
第2の実施形態において、厚膜ペーストは、好ましくは、少なくとも1つの金属酸化物及び/又は少なくとも1つのガラス材料を含み、必要に応じて少なくとも1つの顔料(アルミン酸コバルトなど)及び少なくとも1つの有機ベヒクルを含んでもよい。
顔料は、最終の(製品)厚膜ペーストを視覚的に認識可能な材料とするカラーマーキング成分として役立ち、この機能性を厚膜ペーストに与えることができる各顔料は、本発明の意義において適している。
本発明の第2の実施形態において電気絶縁性厚膜ペーストが使用される場合、そこで使用される金属酸化物は、Al、CuO、CuO、MnO、Mn、MnO、ZnO、TeO、PbO、Pb、PbO、MgO、CaO、Y及びBiからなる群より選択されてもよい。
第2の実施形態の厚膜ペーストを使用する場合、厚膜ペーストは、金属酸化物を厚膜ペーストの総量に対して、それぞれ、好ましくは0~92重量%、より好ましくは0~80重量%、さらにより好ましくは0.1~70重量%の量で含む。
第2の実施形態の厚膜ペーストを使用する場合、厚膜ペーストは、ガラス材料を厚膜ペーストの総量に対して、それぞれ、好ましくは0~92重量%、より好ましくは0~80重量%、さらにより好ましくは0.1~70重量%、さらにより好ましくは10~70重量%、さらにより好ましくは20~70重量%、さらにより好ましくは30~70重量%の量で含む。
第2の実施形態の厚膜ペーストで顔料が使用される場合、厚膜ペーストは、顔料を厚膜ペーストの総量に対して、それぞれ、好ましくは2~15重量%、より好ましくは2~10重量%、さらにより好ましくは3~7重量%の量で含む。
第2の実施形態の厚膜ペーストを使用する場合、厚膜ペーストは、有機ベヒクルを厚膜ペーストの総量に対して、それぞれ、好ましくは8~90重量%、より好ましくは20~80重量%、さらにより好ましくは30~70重量%の量で含む。
第2の実施形態の厚膜ペーストを使用する場合、厚膜ペーストは、固形分を厚膜ペーストの総量に対して、それぞれ、好ましくは10~92重量%、より好ましくは20~80重量%、さらにより好ましくは30~70重量%の量で有する。
前記規定の固形分の含有は、本発明による折衷又は目安(compromise)である。固形分の含有量が高すぎると、厚膜ペーストの高密度の焼灼(dense cauterization)(燃焼)が可能である。しかし、厚膜ペーストは、大量の固形分によって適用性(又は塗布性)(applicability)が低下するので、これらの観点から、厚膜ペーストの量に対して30~70重量%の量の固形分が特に好ましい。
(第1及び第2の実施形態の厚膜ペースト中の有機ベヒクル)
第1及び第2の実施形態の厚膜ペーストは、好ましくは、厚膜ペーストを焼成する(又は焼く)ことによって蒸発するか又は分解する有機ベヒクルを含む。
有機ベヒクルは、好ましくは、1又は複数の溶媒に基づいて、溶液、乳濁液(エマルジョン)又は分散液として提供され、厚膜ペーストの前述の成分が溶解、乳化又は分散された形態で存在することを保証する。溶媒が好ましく使用される。好ましい有機ベヒクルは、厚膜ペーストの成分の安定性を保証し、かつ厚膜ペーストを容易に施すことができる(又は適用若しくは塗布できる)ような粘度を与える系である。
好ましい有機ベヒクルは、
(1)有機ベヒクルの量に対して、それぞれ、好ましくは1~10重量%の量、より好ましくは2~8重量%の量、さらにより好ましくは3~7重量%の量の結合剤(binder);
(2)有機ベヒクルの量に対して、それぞれ、好ましくは0~10重量%の量、より好ましくは0%~8重量%の量、さらにより好ましくは0.01~6重量%の量の界面活性剤;
(3)有機ベヒクルの量に対して、それぞれ、好ましくは0~5重量%の量、より好ましくは0~13重量%の量、さらにより好ましくは5~11重量%の量の添加剤;
(4)有機ベヒクルの量として、記載した成分(i)~(iv)の総量が100重量%までの量で添加される少なくとも1つの溶媒
を含む。
有機ベヒクルの結合剤は、好ましくは、得られる厚膜ペーストが十分な安定性、適用性及び粘度を有するように選択される。適切な結合剤は、それ自体が当業者に公知であり、例えば、ポリマー結合剤(高分子結合剤)、モノマー結合剤(単量体(低分子)結合剤)、及びポリマー結合剤とモノマー結合剤との両方を含む結合剤系からなる群より選択されてもよい。
ポリマー結合剤としては、コポリマー(共重合体)も挙げられ、このコポリマーでは、少なくとも2つの異なるモノマー単位が結合してポリマーを形成する(又はポリマーに結合される)。好ましいポリマー結合剤は、主鎖に官能基を有するか、側鎖に官能基を有するか、又は主鎖及び側鎖に官能基を有するポリマー結合剤である。主鎖に官能基を有する好ましいポリマー結合剤は、例えば、置換されていてもよいポリエステル;置換されていてもよいポリカーボネート;主鎖に環状基を有するポリマー;置換されていてもよい多糖類;置換されていてもよいポリウレタン;置換されていてもよいポリアミド;置換されていてもよいフェノール樹脂;前述のポリマーの1つのモノマーの(必要に応じて他のコモノマーとの)コポリマー;又はこれらのうちの少なくとも2つの組み合わせである。主鎖に環状基を有する好ましいポリマーは、例えば、ポリビニルブチラール(polyvinyl butylate)(PVB)及びその誘導体、ポリテルピネオール及びその誘導体又はその混合物である。好ましい多糖類は、例えば、セルロース及びそのアルキル誘導体、好ましくはメチルセルロース、エチルセルロース、プロピルセルロース、ブチルセルロース、その誘導体、及び前述の多糖類の少なくとも2つの混合物である。側鎖に官能基を有する好ましいポリマーは、例えば、アミド基又は酸及び/若しくはエステル基を有するポリマー(通常、アクリル樹脂と称される)、又は前述の官能基の組み合わせを含むポリマー、及びその混合物である。側鎖にアミド基を有する好ましいポリマーは、例えば、ポリビニルピロリドン(PVP)及びその誘導体である。側鎖に酸及び/又はエステル基を有する好ましいポリマーは、例えば、ポリアクリル酸及びその誘導体、ポリメタクリレート(PMA)及びその誘導体、並びにポリ(メタクリル酸メチル)(Pnaa)及び誘導体、又は前述のポリマーの混合物である。好ましい結合剤(モノマー結合剤)は、エチレングリコールモノマー、テルピネオール樹脂又はセルロースの誘導体若しくはそれらの混合物をベースとする。エチレングリコールをベースとする好ましいモノマー結着剤又は結合剤(binding agent)は、エーテル若しくはエステル機能(function)、又はエステル及びエーテル機能を有するモノマー結合剤であり、このモノマー結合剤において、好ましいエーテル機能は、メチル、エチル、プロピル、ブチル、ペンチル、ヘキシル及びより高級のアルキルエーテル官能基であり、好ましいエステル機能は、アセテート又はそのアルキル誘導体であり、より好ましくは、エチレングリコールモノブチルエーテルモノアセテートである。アルキルセルロースは、好ましくはエチルセルロース、その誘導体及びその混合物であり、これらと前述の結着剤の他の結合剤との混合物は、さらに好ましい。
有機ベヒクルにおいて使用される界面活性剤は、好ましくは、得られる厚膜ペーストが十分な安定性、適用性及び粘度を有するように選択される。適切な界面活性剤は、それ自体が当業者に公知であり、例えば、線状、分岐状、芳香族、フッ素化シロキサン含有若しくはポリエーテル含有鎖又は前述の鎖の組み合わせを示す界面活性剤からなる群より選択されてもよい。好ましい界面活性剤は、単鎖(一重鎖)、二重鎖又は多重鎖として形成される。好ましい界面活性剤は、非イオン性、アニオン性、カチオン性又は両性イオン性機能を有する。好ましい界面活性剤は、さらに、ポリマー若しくはモノマー界面活性剤又はその混合物である。好ましい界面活性剤は、顔料親和性基(pigment-affine groups)を有し、より好ましくは顔料親和性基とともにヒドロキシル官能性(functional)カルボキシルエステル機能(function)を有するもの(例えば、BYK USA,Inc.製DISPERBYK(登録商標)-08)、顔料親和性基を有するアクリレートコポリマー(例えば、BYK USA,Inc.製DISPERBYK(登録商標)-116)、顔料親和性基を有する修飾ポリエーテル(例えば、Evonik Tego Chemie GmbH製TEGO(登録商標) DISPERS 655)を有する。さらに好ましい界面活性剤は、ポリエチレングリコール及びその誘導体、アルキルカルボン酸及びその誘導体若しくは塩、又はその混合物である。好ましいポリエチレングリコール誘導体は、ポリ(エチレングリコール)酢酸である。好ましいアルキルカルボン酸は、完全飽和アルキルカルボン酸、又は単不飽和若しくはポリ不飽和基を有するアルキルカルボン酸、及びその混合物である。飽和アルキル鎖を有する好ましいカルボン酸は、8~20個の炭素原子のアルキル鎖長を有するカルボン酸、好ましくは、C19COOH(カプリン酸)、C1123COH(ラウリン酸)、C1327COOH(ミリスチン酸)、C1531COOH(パルミチン酸)、C1735COOH(ステアリン酸)及びその混合物である。不飽和アルキル鎖を有する好ましいカルボン酸は、C1834(オレイン酸)及びC1832(リノール酸)である。好ましいモノマー界面活性剤は、ベンゾトリアゾール及びその誘導体である。
有機ベヒクルの溶媒は、好ましくは、得られる厚膜ペーストが十分な安定性、適用性及び粘度を有するように選択される。適切な溶媒は、それ自体が当業者に公知であり、実質的に焼成(又は焼くこと)によって厚膜ペーストから除去できる溶媒である。特に、焼成によって除去できる溶媒の量は、焼成前の溶媒含有量について、少なくとも80重量%、より好ましくは少なくとも95重量%である。溶媒は、例えば、標準状態(25℃、100kPa)下で沸点が90℃より高く、融点が20℃より低い溶媒からなる群より選択されてもよい。好ましい溶媒は、非極性、プロトン性又は非プロトン性、芳香族又は非芳香族溶媒である。より好ましい溶媒は、モノアルコール、ジアルコール、ポリアルコール、モノエステル、ジエステル、ポリエステル、モノエーテル、ジエーテル、ポリエーテル;1より多くの前述の官能性を有し、必要に応じてさらなる官能基(環状基、芳香族基、不飽和結合、1又は複数の酸素原子がヘテロ原子で置換されたアルコール性基など)を含む溶媒;及び前述の溶媒の2又はそれ以上の混合物である。組成物において、好ましいエステルは、アジピン酸と、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基及びより高級のアルキル鎖基又は2つの異なるアルキル基の組み合わせからなる群より選択されるアルキル基とのジアルキルエステルであり、好ましくは、アジピン酸ジメチル、及び2又はそれ以上のアジピン酸エステルの混合物であり、組成物における好ましいエーテルは、ジエーテル、好ましくはエチレングリコールのジアルキルエーテル(ここで、好ましいアルキル部分(基)としては、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基及びより高級のアルキル基、又は2つの異なる上記アルキル基の組み合わせが挙げられる)並びに2つのジエーテルの混合物である。組成物における好ましいアルコールは、第一級、第二級又は第三級アルコール、テルピネオール及びその誘導体、又は2若しくはそれ以上のアルコールの混合物である。1より多い異なる官能基を含む好ましい溶媒は、2,2,4-トリメチル-1,3-ペンタンジオール モノ-イソブチラート(テキサノールとも称される)及びその誘導体、2-(2-エトキシエトキシ)エタノール(以下、カルビトールともいう)及びそのアルキル誘導体、特に、メチル、エチル、プロピル、ブチル、ペンチル及びヘキシルカルビトール、より好ましくはヘキシルカルビトール、並びにそのアセテート誘導体、さらにより好ましくはブチルカルビトールアセテート、又は少なくとも2つの前述の溶媒の混合物である。
有機ベヒクルの添加剤は、好ましくは、得られる厚膜ペーストが十分な安定性、適用性及び粘度を有するように選択され;添加剤は、上記成分とは、さらに異なるものである。これらの添加剤は、それ自体が当業者に公知である。好ましい添加剤としては、チクソトロピー添加剤、粘度調整剤、安定化剤、無機添加剤、増粘剤、乳化剤、分散剤及びpH剤が挙げられる。好ましいチクソトロピー添加剤は、カルボン酸誘導体、好ましくは脂肪酸の誘導体又はその組み合わせである。好ましい脂肪酸の誘導体は、C19COOH(カプリン酸)、C1123COOH(ラウリン酸)、C1327COOH(ミリスチン酸)、C1531COOH(パルミチン酸)、C1735COOH(ステアリン酸)、C1834(オレイン酸)、C1832(リノール酸)又はその組み合わせである。組成物における好ましい脂肪酸は、ひまし油である。
(第1及び第2の実施形態の厚膜ペーストにおけるガラス材料)
第1及び第2の実施形態の厚膜ペーストは、好ましくはガラス材料を含む。ガラス材料として適切な成分は、PbO、Bi、TeO、ZnO、B、SiO、Al、TiO、ZrO、KO、NaO、MgO、Fe、CaO、Cr及びLiOからなる群より選択できる。
Biに関して、この化合物は、接着促進剤としてか又はガラス材料においてのいずれでも使用できる。
ガラス材料は、例えば、
ガラス材料の量に対して0~90重量%の量、より好ましくは0.1~80重量%の量、さらにより好ましくは0.1~70重量%の量のPbO;
ガラス材料の量に対して0~90重量%の量、より好ましくは0.1~80重量%の量、さらにより好ましくは0.1~70重量%の量のTeO
ガラス材料の量に対して0~90重量%の量、より好ましくは0.1~80重量%の量、さらにより好ましくは0.1~70重量%の量のBi
ガラス材料の量に対して0~5重量%の量、より好ましくは0.01~2重量%の量、さらにより好ましくは0.1~1重量%の量のZnO;
ガラス材料の量に対して0~30重量%の量、より好ましくは1~20重量%の量、さらにより好ましくは1~15重量%の量のB
ガラス材料の量に対して0~90重量%の量、より好ましくは10~80重量%の量、さらにより好ましくは20~70重量%の量のSiO
ガラス材料の量に対して0~10重量%の量、より好ましくは0.01~8重量%の量、さらにより好ましくは0.1~5重量%の量のAl
ガラス材料の量に対して0~20重量%の量、より好ましくは0.1~15重量%の量、さらにより好ましくは1~10重量%の量のTiO
ガラス材料の量に対して0~5重量%の量、より好ましくは0.01~2重量%の量、さらにより好ましくは0.03~1重量%の量のZrO
ガラス材料の量に対して0~20重量%の量、より好ましくは0.1~15重量%の量、さらにより好ましくは1~10重量%の量のKO;
ガラス材料の量に対して0~10重量%の量、より好ましくは0.1~7重量%の量、さらにより好ましくは0.1~5重量%の量のNaO;
ガラス材料の量に対して0~5重量%の量、より好ましくは0.01~2重量%の量、さらにより好ましくは0.1~1重量%の量のMgO;
ガラス材料の量に対して0~5重量%の量、より好ましくは0~2重量%の量、さらにより好ましくは0~1重量%の量のFe
ガラス材料の量に対して0~30重量%の量、より好ましくは1~20重量%の量、さらにより好ましくは1~15重量%の量のCaO;
ガラス材料の量に対して0~5重量%の量、より好ましくは0.01~2重量%の量、さらにより好ましくは0.01~1重量%の量のCr
ガラス材料の量に対して0~5重量%の量、より好ましくは0.01~2重量%の量、さらにより好ましくは0.1~1重量%の量のLi
を含む。
(金属-セラミック基板)
本発明の金属-セラミック基板は、DCB(direct copper bond)、DAB(direct aluminum bond)又はAMB(active metal brazing)の基板であってもよい。また、本明細書に記載される技術は、厚膜ペーストをセラミック基板と金属箔との間に備えた金属-セラミック基板も対象とする。このような金属-セラミック基板は、先願であるが未公開の、「Thick-film paste mediated ceramics bonded with metal or metal hybrid foils」と題された欧州特許出願第15201817.2号(EP 15 201 817.2)に記載されている。
本発明の金属-セラミック基板で使用される基板は、特に、Al、ZTA、AlN、Si及びBeOからなる群から選択できる。
金属-セラミック基板上に提供(形成)された導電性厚膜層は、好ましくは少なくとも5%、より好ましくは少なくとも7%、さらにより好ましくは少なくとも10%の空隙率(porosity)を有している。セラミック基板上に施された金属被膜は、通常、空隙率が3%未満、特に2%未満、さらに特に1%未満であるので、厚膜層の空隙率並びにガラス材料及び/又は金属酸化物の存在により、厚膜層を、セラミック基板上に施された金属被膜と区別することが可能になる。
厚膜層は、緊密な方法(close manner)(嵌合又は型嵌め(form-fitting)など)でセラミック基板の金属被膜上に配設してもよい。
このプロセスでは、本発明の第1の実施形態において、厚膜層を、緊密な方法(嵌合又は型嵌めなど)でセラミック基板上の金属被膜の一部の周囲のみに配設することが可能である。代わりの実施形態において、厚膜層は、緊密な方法(嵌合又は型嵌めなど)でセラミック基板の金属被膜全体の周囲に配設される。
厚膜層は、金属被膜の周囲に配設されて、基板上の金属被膜に重ねる(overlap)ことも可能である。
厚膜層が金属被膜の周囲に配設される場合、厚膜層は、実質的に金属被膜と同じ層厚さであってもよい。あるいは、この層が金属被膜よりも実質的に小さいか又は大きい層厚さを有することも可能である。これらの3つの実施形態は、図1(a)~図1(c)に示される。これらの図中の参照番号は、以下を意味する:
1.セラミック基板
2.金属被膜
3.嵌合又は型嵌めの方法で金属被膜上に配設される厚膜層
4.金属被膜2の層厚さ
5.厚膜層3の層厚さ。
図1(a)において、厚膜層(thick-layer film)3は、金属被膜2の層厚さ4と実質的に同じである層厚さ5を有しており、一方、図1(b)において、厚膜層3の層厚さ5は、金属被膜2の層厚さよりも実質的に小さく、図1(c)において、厚膜層3の層厚さ5は、金属被膜2の層厚さよりも実質的に大きい。
本発明の好ましい実施形態は図2に示され、図2において、焼成(又は焼いた)厚膜ペースト3は、金属被膜2の端面(edge side)を覆っている。
厚膜層は、金属被膜の側部に沿って所定の幅(金属被膜に対する垂直幅)で延び、この幅(金属被膜に垂直な方向に対しての幅)は、少なくとも30μm、より好ましくは少なくとも40μm、さらにより好ましくは少なくとも50μmである。
本発明のさらに好ましい実施形態において、金属-セラミック基板は、互いに分離された複数の金属被膜を有する。この実施形態において、厚膜ペースト及び得られる焼成厚膜層は、2つの隣接する金属被膜の間の全領域を覆う(メタライゼーションの間の間隙を充填している)。この実施形態は図3(a)に示され、この図において、2’及び2’’は、それぞれ、セラミック基板1上に配置された隣接する金属被膜である。
本発明のさらに好ましい実施形態において、厚膜層は、2つの隣接する金属被膜の間の全領域に提供されておらず、2つの隔離又は孤立した厚膜3’及び3’’を生じており、これらの厚膜は、それぞれ金属被膜2’及び2’’の周囲に配置されている。この実施形態は、図3(b)に示される。それによって、金属被膜2’及び2’’に対して垂直な方向の厚膜層3’及び3’’の幅は、好ましくは少なくとも30μm、より好ましくは少なくとも40μm、さらにより好ましくは少なくとも50μmである。
(本発明の方法)
さらに、本発明は、本発明の金属-セラミック基板の調製方法に関する。
本発明の方法は、以下の工程を特徴とする:
a.セラミック基板とその上に施された金属被膜とを含むDCB、DAB若しくはAMB基板、又は厚膜ペーストをセラミック基板と金属箔との間に備えた金属-セラミック基板を提供する工程;
b.セラミック基板の金属被膜の周囲に厚膜ペーストを施す(又は塗布する)工程;
c.必要に応じて、厚膜ペーストを乾燥する工程;及び
d.厚膜ペーストを焼成する(又は焼く)工程。
工程a.において、本発明の金属-セラミック基板の出発材料が提供される。例えば、DCB法によるこのような金属-セラミック基板の調製は、当業者に公知である。
工程b.において、厚膜ペーストは、好ましくは、インクジェット法、ディスペンス(dispensing)法、スクリーン印刷法、孔版印刷法(テンプレート印刷法)、パッド法、浸漬法によるか又はスパチュラ法によって基板上に施される(又は塗布される)。
任意の工程c.において、厚膜ペーストは、好ましくは50~300℃、より好ましくは60~250℃、さらにより好ましくは100~150℃の温度で乾燥される。
工程d.において、厚膜ペーストの焼成(又は焼付)は、好ましくは不活性雰囲気下(例えば、アルゴン若しくは窒素存在下)又は還元性雰囲気下(例えば、水素存在下)で行われる。
プロセス工程d.において、厚膜ペーストの焼成は、好ましくは500~1090℃、より好ましくは700~1080℃、さらにより好ましくは800~1070℃の温度で行われる。
本発明の方法は、特に、上記金属-セラミック基板を製造するのに適している。従って、厚膜ペーストのための前述の実施は、特に、本発明の方法に適用できる。詳細には:
本発明によって使用される厚膜ペーストは、導電性(第1の実施形態)又は電気絶縁性(第2の実施形態)を有するように設計できる。
本発明の第1の実施形態において、厚膜層は、導電性厚膜ペーストから得られる。従って、本発明によって金属-セラミック基板上に得られる厚膜層は、導電性を有するようにも設計できる。
この第1の実施形態において、本発明によって使用される厚膜ペーストは、好ましくは、少なくとも1つの金属、少なくとも1つの有機ベヒクル並びに少なくとも1つの接着促進剤及び/又はガラス材料を含む。
厚膜ペーストの第1の成分である金属は、厚膜ペーストの量に対して、通常50~90重量%、好ましくは60~90重量%、より好ましくは70~85%の量で厚膜ペースト中に含まれてもよい。
この第1の実施形態において、厚膜ペーストは、好ましくは、少なくとも1つの金属成分を含み、この金属成分は、第11族元素の金属(銅、銀及び金)、アルミニウム及びニッケルからなる群より選択されてもよい。
厚膜ペーストにおいて使用される金属は、任意の粒径(粒子サイズ)及び任意の粒子形態を有していてもよく、任意の嵩密度及び導電性を有していてもよい。
さらに、厚膜ペーストは、必要に応じて接着促進剤を含んでもよく、接着促進剤は、例えば、酸化銅、酸化チタン、ジルコニア、ホウ素樹脂、ジルコニウム樹脂、非晶質ホウ素、リン酸リチウム、酸化ビスマス、酸化アルミニウム及び酸化亜鉛からなる群より選択できる。厚膜ペーストに含まれる接着促進剤の量は、厚膜ペーストの量に対して0.1~8重量%、より好ましくは1~6重量%、さらにより好ましくは2~5重量%であってもよい。
厚膜ペーストのさらなる任意成分は、厚膜ペーストの量に対して好ましくは0.1~8重量%、より好ましくは0.1~6重量%、より好ましくは2~5重量%の量のガラス材料である。
厚膜ペーストのさらなる成分としては、厚膜ペーストの量に対して好ましくは5~20重量%、より好ましくは5~15重量%の量の、少なくとも有機ベヒクルが挙げられる。
ガラス材料及び有機ベヒクルは、すでに上記されている。
第1の実施形態に関連して特に好ましい実施形態において、厚膜ペースト組成物は、金属成分としての銅、接着促進剤としての金属酸化物、ガラス材料及び有機ベヒクルを含む。上記及び下記の厚膜ペーストのすべての成分は、粉末として使用されてもよい。
第1の実施形態に関連してさらに特に好ましい実施形態において、厚膜ペーストは、金属成分としての銅、接着促進剤としてのBi、ガラス材料及び有機ベヒクルを含む。
第1の実施形態に関連してさらに特に好ましい実施形態において、厚膜ペースト組成物は、厚膜ペーストの総量に対して、それぞれ、金属成分としての銅を80~90重量%の量で、接着促進剤としてのBiを1~5重量%の量で、ガラス材料を1~5重量%の量で、及び有機ベヒクルを5~15重量%の量で含む。
本発明の第2の実施形態において、厚膜層は、電気絶縁性厚膜ペーストから得られる。従って、本発明によって金属-セラミック基板上に得られる厚膜層もまた、電気絶縁性を有するように設計される。
第2の実施形態において、厚膜ペーストは、好ましくは、少なくとも1つの金属酸化物、少なくとも1つのガラス材料、少なくとも1つの顔料(アルミン酸コバルトなど)及び少なくとも1つの有機ベヒクルを含む。
顔料は、最終の(製品)厚膜ペーストを視覚的に認識可能な材料にするカラーマーキング成分として役立ち、この機能性を厚膜ペーストに与えることができる各顔料は、本発明の意義において適している。
電気絶縁性厚膜ペーストが本発明の第2の実施形態で使用される場合、そこで使用される金属酸化物は、Al、CuO、CuO、MnO、Mn、MnO、ZnO、TeO、PbO、Pb、PbO、MgO、CaO、Y及びBiからなる群より選択されてもよい。
第2の実施形態の厚膜ペーストを使用する場合、厚膜ペーストは、金属酸化物を厚膜ペーストの量に対して、それぞれ、好ましくは0~92重量%、より好ましくは0~80重量%、さらにより好ましくは0.1~70重量%の量で含む。
第2の実施形態の厚膜ペーストを使用する場合、厚膜ペーストは、ガラス材料を厚膜ペーストの量に対して、それぞれ、好ましくは0~92重量%、より好ましくは0~80重量%、さらにより好ましくは0.1~70重量%、さらにより好ましくは10~70重量%、さらにより好ましくは20~70重量%、さらにより好ましくは30~70重量%の量で含む。
第2の実施形態の厚膜ペーストを使用する場合、厚膜ペーストは、必要に応じて、顔料を厚膜ペーストの量に対して、それぞれ、好ましくは2~15重量%、より好ましくは2~10重量%、さらにより好ましくは3~7重量%の量で含む。
第2の実施形態の厚膜ペーストを使用する場合、厚膜ペーストは、有機ベヒクルを厚膜ペーストの量に対して、それぞれ、好ましくは3~90重量%、より好ましくは8~80重量%、さらにより好ましくは30~70重量%の量で含む。
第2の実施形態の厚膜ペーストを使用する場合、厚膜ペーストは、固形分を厚膜ペーストの総量に対して、それぞれ、好ましくは10~92重量%、より好ましくは20~80重量%、さらにより好ましくは30~70重量%の量で有する。
本発明の金属-セラミック基板は、DCB(direct copper bond)、DAB(direct aluminum bond)又はAMB(active metal brazing)基板であってもよく、DCB基板が好ましい。
本発明の金属-セラミック基板に使用される基板は、Al、ZTA、AlN、Si及びBeOからなる群より選択できる。
金属-セラミック基板上に備えられる導電性厚膜層は、空隙率が好ましくは少なくとも5%、より好ましくは少なくとも7%、さらにより好ましくは少なくとも10%である。セラミック基板上に施された金属被膜は、通常、空隙率が3%未満、特に2%未満、さらに特に1%未満であるので、厚膜層の空隙率並びにガラス材料及び/又は金属酸化物の存在により、厚膜層を、セラミック基板上に施された金属被膜と区別することが可能になる。
厚膜層は、緊密な方法(嵌合又は型嵌めなど)でセラミック基板の金属被膜の周囲に配設されてもよい。
このプロセスでは、本発明の第1の実施形態において、厚膜層を、緊密な方法(嵌合又は型嵌めなど)でセラミック基板上の金属被膜の一部の周囲のみに配設することが可能である。代わりの実施形態において、厚膜層は、緊密な方法(嵌合又は型嵌めなど)でセラミック基板の金属被膜全体の周囲に配設される。厚膜層は、金属被膜の周囲に配設されて、基板上の金属被膜に重ねることも可能である。
実施形態は、図1(a)~図1(c)及び図2に示される。
(厚膜ペーストの使用)
さらなる態様において、本発明は、金属-セラミック基板上に厚膜層を調製するための厚膜ペーストの使用に関し、この使用は、金属-セラミック基板の熱安定性を改善する。
また、本発明は、金属-セラミック基板上に厚膜層を調製するための厚膜ペーストの使用に関し、この使用は、(熱サイクル下での動作中に)メタライゼーションと基板との間の層間剥離のリスクを低減させる。
この目的のために、上記のような厚膜ペーストは、先ず、金属-セラミック基板上に、金属-セラミック基板の金属被膜の周囲に配置され、次いで、上記の方法条件下で焼成される(又は焼かれる)。
厚膜ペーストは、金属被膜の一部にのみ、例えば、金属被膜の1つの端部、2つの端部又は3つの端部に配置でき、又は金属層の周囲を完全に取り囲むことが(clasp)できる。
さらなる実施形態については、上記説明が参照される。
(実施例:)
以下の厚膜ペースト1及び2は、DCB法によって調製された市販の金属-セラミック基板上に施すことができる(又は塗布できる)。銅箔の厚さは、300又は600μmである。
(厚膜ペースト組成物1(電気絶縁性厚膜ペースト):)
以下を有する組成のガラス粉末50.00重量%
0.36重量% ZnO;
9.59重量% B
60.83重量% SiO
3.18重量% Al
6.42重量% TiO
0.05重量% ZrO
6.55重量% KO;
2.84重量% NaO;
0.43重量% MgO;
0.14重量% Fe
8.85重量% CaO;
0.01重量% Cr;及び
0.68重量% LiO;
以下を有する組成の有機ベヒクル50重量%
92.50重量% テキサノール;及び
7.50重量% エチルセルロース。
(厚膜ペースト組成物2(導電性厚膜ペースト):)
銅粉末85.00重量%;
Bi粉末3.00重量%;
以下を有する組成のガラス粉末3.00重量%
0.36重量% ZnO;
9.59重量% B
60.83重量% SiO
3.18重量% Al
6.42重量% TiO
0.05重量% ZrO
6.55重量% KO;
2.84重量% NaO;
0.43重量% MgO;
0.14重量% Fe
8.85重量% CaO;
0.01重量% Cr;及び
0.68重量% LiO;
以下を有する組成の有機ベヒクル9重量%
43.00重量% テキサノール;
23.00重量% ブチルジグライム(ブチルジグリム);及び
34.00重量% メタクリル酸イソブチル。
厚膜ペースト1及び2に基づく焼成厚膜層を有する金属-セラミック基板は、厚膜ペースト1及び2から生成され、熱サイクル(-40℃で15分;移行時間15秒;150℃で15分)に供される。得られた結果を、以下の表に示す:
Figure 0007032042000001

Claims (15)

  1. a.セラミック基板を含み、このセラミック基板の少なくとも一方の面が
    b.金属被膜を備えている
    金属-セラミック基板であって、
    前記金属被膜が、前記セラミック基板上に直接的に施され、かつ焼成厚膜層によって少なくとも部分的に囲まれ、
    前記厚膜層が、前記金属膜の層厚さと同じか又は小さい層厚さを有することを特徴とする、金属-セラミック基板。
  2. 厚膜層が、厚膜ペーストを焼成して得られることを特徴とする請求項1記載の金属-セラミック基板。
  3. 厚膜層が、導電性又は電気絶縁性厚膜ペーストから得られることを特徴とする請求項2記載の金属-セラミック基板。
  4. 厚膜ペーストが、導電性であり、かつ少なくとも金属、少なくとも有機ベヒクル、少なくとも1つの接着促進剤及び/又はガラス材料を含むことを特徴とする請求項3記載の金属-セラミック基板。
  5. 厚膜ペーストが、電気絶縁性であり、かつ少なくとも金属酸化物及び/又はガラス材料、少なくとも1つの有機ベヒクル、並びに必要に応じて少なくとも1つの顔料を含むことを特徴とする請求項3記載の金属-セラミック基板。
  6. 厚膜ペーストが、接着促進剤としてのBiを、厚膜ペーストの量に対して0.1~5重量%の量で含むことを特徴とする請求項4記載の金属-セラミック基板。
  7. 電気絶縁性厚膜ペーストの固形分が、30~80重量%であることを特徴とする請求項5又は6記載の金属-セラミック基板。
  8. 厚膜層が、金属被膜の周囲の側部に沿って延び、金属被膜に垂直な方向に対しての幅が少なくとも30μmであ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金属-セラミック基板。
  9. セラミック基板が、2つの隣接して配置された金属被膜を有し、かつ厚膜層が、実質的に、隣接する金属被膜の間に形成された間隙を完全に充填してい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金属-セラミック基板。
  10. 以下の工程:
    a.セラミック基板と、このセラミック基板上の金属被膜とを含むDCB、DAB又はAMB基板を供給する工程;
    b.セラミック基板上の金属被膜の周囲に厚膜ペーストを施す工程;
    c.必要に応じて、厚膜ペーストを乾燥する工程;及び
    d.厚膜ペーストを焼成する工程
    を特徴とする、請求項1記載の金属-セラミック基板を製造する方法。
  11. 方法工程bにおいて、厚膜ペーストが、インクジェット法、ディスペンス法、スクリーン印刷法、孔版印刷法、パッド法、浸漬法によるか又はスパチュラ法によって基板上に施されることを特徴とする請求項10記載の方法。
  12. 厚膜層が、導電性又は電気絶縁性厚膜ペーストから得られることを特徴とする請求項10又は11記載の方法。
  13. 請求項1~9のいずれかに記載の金属-セラミック基板を製造する方法であることを特徴とする請求項10~12のいずれか一項に記載の方法。
  14. 金属-セラミック基板の熱安定性を改善するための請求項1記載の厚膜層の使用。
  15. 厚膜層が、導電性又は電気絶縁性厚膜ペーストから得られることを特徴とする請求項14記載の使用。
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