JP7400109B2 - 金属－セラミック基板を生産する方法及びそのような方法によって生産された金属－セラミック基板 - Google Patents
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Description
本発明は、金属－セラミック基板を生産する方法及びそのような方法によって生産された金属－セラミック基板に関する。
金属－セラミック基板は、例えばプリント回路基板又は回路基板として、先行技術、例えば特許文献１、特許文献２及び特許文献３から十分に周知である。典型的には、電気構成要素の接続領域及び導体トラックは金属－セラミック基板の部品面に配置されており、電気構成要素と導体トラックは相互接続されて電気回路を形成することができる。金属－セラミック基板の必須の構成要素は、好ましくはセラミック製の絶縁層及び絶縁層に接合された少なくとも１つの金属層である。その比較的高い絶縁強度のために、セラミック製の絶縁層は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判明している。したがって、金属層を構造化することによって、導体トラック及び／又は電気構成要素の接続領域が実現され得る。
そのような金属－セラミック基板を設けることの必須要件は、金属層とセラミック層との間の永久接合である。いわゆる直接接合プロセス、すなわち、ＤＣＢ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｏｐｐｅｒ Ｂｏｎｄｉｎｇ：直接銅接合）又はＤＡＢ（Ｄｉｒｅｃｔ Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ｂｏｎｄｉｎｇ：直接アルミニウム接合）プロセスに加えて、はんだ材料を介してセラミック層に金属層を接合することが先行技術から周知である。
典型的には、表側メタライゼーションと裏側メタライゼーションが金属材料に関して同一である、例えば、それぞれ銅製である金属－セラミック基板が提供される。この場合、異なる金属の接合は通常不可能である。なぜなら、プロセステンパー（Ｐｒｏｚｅｓｓ－Ｔｅｍｐｅ－ｒｕｒｅｎ）がこれを可能にしないからである。金属とセラミックの異なる膨張係数により、連続的な結合はより困難になる。
この先行技術に基づいて、本発明の目的は、改良された、セラミック層に金属層を接合する、特に、セラミック層に第１の金属層及び第２の金属層を接合する方法を提供することであり、第１の金属層と第２の金属層は、材料組成の点において互いに異なる。
この目的は、請求項１に記載の金属－セラミック基板を生産する方法及び請求項１０に記載のそのような方法によって生産される金属－セラミック基板によって達成される。従属請求項並びに明細書及び添付の図から更なる利点及び特性が得られる。
本発明の第１の態様によれば、積層方向に沿って重ねて配置されている少なくとも１つの第１の金属層とセラミック要素と少なくとも１つの第２の金属層とを有する金属－セラミック基板を生産する方法であって、セラミック要素は、少なくとも１つの第１の金属層と少なくとも１つの第２の金属層との間に積層方向に配置されており、少なくとも１つの第１の金属層は少なくとも１つの第２の金属層と異なる、方法であり、
－セラミック要素を設けることと、
－セラミック要素の第１の側上に第１のインターフェイスメタライゼーションを形成することであって、第１のインターフェイスメタライゼーションは第１の活性金属層と第１の湿潤金属層とを含む、ことと、
－セラミック要素の第１の側と反対側にあるセラミック要素の第２の側上に第２のインターフェイスメタライゼーションを形成することであって、第２のインターフェイスメタライゼーションは、第２の活性金属層と第２の湿潤金属層とを含む、ことと、
－特に活性はんだ付けプロセスによって第１のインターフェイスメタライゼーションに少なくとも１つの第１の金属層を接合し、金属－セラミック基板を形成することと、
－特に活性はんだ付けプロセスによって第２のインターフェイスメタライゼーションに少なくとも１つの第２の金属層を接合することと、を含み、
第１のインターフェイスメタライゼーション、特に、第１の活性金属層及び／若しくは第１の湿潤金属層、並びに／又は第２のインターフェイスメタライゼーション、特に、第２の活性金属層及び／若しくは第２の湿潤金属層は、第１のインターフェイスメタライゼーションに少なくとも１つの第１の金属層を接合すること及び第２のインターフェイスメタライゼーションに少なくとも１つの第２の金属層を接合することに先だって、特に一時的にエネルギー入力に曝される、方法が提供される。
－セラミック要素を設けることと、
－セラミック要素の第１の側上に第１のインターフェイスメタライゼーションを形成することであって、第１のインターフェイスメタライゼーションは第１の活性金属層と第１の湿潤金属層とを含む、ことと、
－セラミック要素の第１の側と反対側にあるセラミック要素の第２の側上に第２のインターフェイスメタライゼーションを形成することであって、第２のインターフェイスメタライゼーションは、第２の活性金属層と第２の湿潤金属層とを含む、ことと、
－特に活性はんだ付けプロセスによって第１のインターフェイスメタライゼーションに少なくとも１つの第１の金属層を接合し、金属－セラミック基板を形成することと、
－特に活性はんだ付けプロセスによって第２のインターフェイスメタライゼーションに少なくとも１つの第２の金属層を接合することと、を含み、
第１のインターフェイスメタライゼーション、特に、第１の活性金属層及び／若しくは第１の湿潤金属層、並びに／又は第２のインターフェイスメタライゼーション、特に、第２の活性金属層及び／若しくは第２の湿潤金属層は、第１のインターフェイスメタライゼーションに少なくとも１つの第１の金属層を接合すること及び第２のインターフェイスメタライゼーションに少なくとも１つの第２の金属層を接合することに先だって、特に一時的にエネルギー入力に曝される、方法が提供される。
先行技術で提供される方法と比較すると、本発明によれば、第１のインターフェイスメタライゼーションはセラミック要素の第１の側上に設けられ、第２のインターフェイスメタライゼーションは第１の側と反対側にあるセラミック要素の第２の側上に設けられるようになっている。この場合、第１のインターフェイスメタライゼーション及び／又は第２のインターフェイスメタライゼーションは、セラミック要素に少なくとも１つの第１の金属層又は少なくとも１つの第２の金属層を接合するためのある種のアダプタ又は結合層を提供する役割を果たす。このようにして、有利には、少なくとも１つの第１の金属層が第１のインターフェイスメタライゼーションに接合される及び／又は少なくとも１つの第２の金属層が第２のインターフェイスメタライゼーションに接合されるはんだ付けプロセスを適応させることが可能であり、したがって、例えば、同程度の又は同一のはんだ付け温度での、特に、両側同時の材料接合につながるはんだ付け材料が使用され得る。特に、金属－セラミック基板の製造プロセス時に既に、生産される金属－セラミック基板の耐用年数をさもなければ減少させる可能性のある対応する熱機械的に誘起される応力を回避するために、生産される金属－セラミック基板に対して比較的低い熱負荷を生じさせるはんだ材料を使用することが考えられる。
更に、第１のインターフェイスメタライゼーション及び第２のインターフェイスメタライゼーションによって、少なくとも１つの第１の金属層及び少なくとも１つの第２の金属層の材料選択がより自由になることが可能であり、例えば、裏側メタライゼーションとして、すなわち、少なくとも１つの第２の金属層としてアルミニウムを使用することができ、少なくとも１つの第１の金属層及び／又は表側メタライゼーションとして銅層を使用することができる。このようにして、生産される金属－セラミック基板の費用及び／又は重量を削減することができる。好ましくは、セラミック要素は、少なくとも１つのセラミック層を含む。好ましくは、セラミック要素は、熱放散のために１．４ｍｍ超の厚みを有する金属中間層が間に提供された、又はハイブリッドセラミックを提供するために異なっている少なくとも２つのセラミック層を含む。
好ましくは、金属－セラミック基板はプリント回路基板（ＰＣＢ）である。例えば、当該方法は、大きなカードを形成するために使用され、その後、分離プロセスにおいて、いくつかの個々の金属－セラミック基板が大きなカードから形成される。特に、第１のインターフェイスメタライゼーションに少なくとも１つの第１の金属層を接合した後、又は第２のインターフェイスメタライゼーションに少なくとも１つの第２の金属層を接合した後、例えば、エッチング、特に、多段階エッチング及び／又はミリングによって、少なくとも１つの第１の金属層及び／又は少なくとも１つの第２の金属層の構造化が行われるようになっている。このようにして、例えば、少なくとも１つの第１の金属層に導体トラック及び／又は接続が作製され得る。少なくとも１つの第２の金属層内に例えばフィンの形態の構造化物が実現されることも考えられ、フィンは、冷却構造体の一部である又は冷却構造体を形成し、これに沿って更に、金属－セラミック基板の動作時に冷却流体が案内され、少なくとも１つの第１の金属層上の構成要素の動作中に発生した対応する熱を放散する。
特に、第１及び／又は第２の活性金属層と第１及び／又は第２の湿潤金属層はそれらの材料の選択に関して異なる。例えば、第１及び／又は第２の活性金属層の材料は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｃｒ、Ｎｂ及び／又はＶであり、好ましくは、第１及び／又は第２の湿潤金属層の材料は、Ｃｕ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｉｎ及び／又は類似の金属である。特に、プロセスガス雰囲気中でエネルギー入力及び／又は更なるエネルギー入力の適用によって第１及び／又は第２の活性金属層が少なくとも１つのセラミック層に接合される場合、酸化銅が第１及び／又は第２の湿潤金属層として使用されることも考えられる。更に、積層方向から見て、第１及び／又は第２の湿潤金属層が第１及び／又は第２の活性金属層に直接隣接するようになっている。更に、第１及び／又は第２の湿潤金属層並びに／又は第１又は第２の活性金属層は、上側の第１及び／若しくは第２の湿潤金属層並びに／又はセラミック要素の下側の第１若しくは第２の活性金属層と異なることが考えられる。
更に、金属－セラミック基板は、セラミック要素の上側に接合された少なくとも１つの第１の金属層とセラミック要素の下側に接合された少なくとも１つの第２の金属層とを含み、少なくとも１つの第１の金属層、少なくとも１つの第２の金属層、及びセラミック要素は、主伸張平面に沿って延び、主伸張平面に対して垂直に延びる積層方向に沿って重ねて配置されている。少なくとも１つの第１の金属層及び／又は少なくとも１つの第２の金属層の材料として、銅、アルミニウム、モリブデン及び／又はそれらの合金、並びにＣｕＷ、ＣｕＭｏ、ＣｕＡｌ、ＡｌＣｕ及び／又はＣｕＣｕ等の積層体、特に、第１の銅層と第２の銅層とを有し、第１の銅層中の粒径が第２の銅層と異なる銅サンドイッチ構造が考えられる。少なくとも１つの金属層は表面改質されていることが更に好ましい。考えられる表面改質は、例えば、貴金属、特に銀及び／若しくは金若しくはＥＮＩＧ（ｅｌｅｃｔｒｏｌｅｓｓ ｎｉｃｋｅｌ ｉｍｍｅｒｓｉｏｎ ｇｏｌｄ）（「無電解ニッケル浸漬金」）による封止、又はクラック形成及び／若しくは膨張を抑制するための少なくとも１つの第１及び／若しくは第２の金属層のエッジ封入である。
好ましくは、１つのセラミック要素は、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４、ＡｌＮ、ＨＰＳＸセラミック（すなわち、ｘパーセントのＺｒＯ２を含むＡｌ２Ｏ３マトリックスを有するセラミック、例えば、９％ＺｒＯ２を含むＡｌ２Ｏ３＝ＨＰＳ９又は２５％ＺｒＯ２を含むＡｌ２Ｏ３＝ＨＰＳ２５）、ＳｉＣ、ＢｅＯ、ＭｇＯ、高密度ＭｇＯ（理論密度の９０％超）、ＴＳＺ（ｔｅｔｒａｇｏｎａｌｌｙ ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ ｚｉｒｃｏｎｉａ：正方晶安定化ジルコニア）、又はセラミックの材料としてのＺＴＡを含む。この状況において、様々な所望の性質を組み合わせるためにそれぞれ材料組成の点で異なるいくつかのセラミック層が順に重ねて配置され、互いに接合されて絶縁層を形成する複合及び／又はハイブリッドセラミックとしてセラミック要素が設計されることも考えられる。好ましくは、最低可能熱抵抗のために可能な限り熱伝導性の高いセラミックが使用される。
更に、少なくとも１つのセラミック層に加えて、セラミック要素内に少なくとも１つの更なるセラミック層が提供されることが考えられ、金属中間層が少なくとも１つのセラミック層と少なくとも１つの更なるセラミック層との間に配置され、金属中間層は、好ましくは１．４ｍｍよりも厚い並びに／又は少なくとも１つのセラミック層及び少なくとも１つの更なるセラミック層よりも厚い。
好ましくは、金属層は、ＡＭＢ（ａｃｔｉｖｅ ｍｅｔａｌ ｂｒａｚｉｎｇ：活性金属ろう付け）プロセス及び／又はＤＣＢプロセスによってセラミック層に接合される。
当業者であれば、「ＤＣＢプロセス」（直接銅接合技術）又は「ＤＡＢプロセス」（直接アルミニウム接合技術）は、例えば、それらの表面側に層又はコーティング（融合層）を有する金属及び／若しくは銅シート又は金属及び／若しくは銅箔を使用して、金属層又はシート（例えば、銅シート若しくは箔又はアルミニウムシート若しくは箔）を互いに及び／又はセラミックス若しくはセラミック層に接合するために使用されるプロセスであると理解している。例えば、米国特許第３７４４１２０号明細書又は独国特許発明第２３１９８５４号明細書に記載されているこのプロセスでは、この層又はコーティング（融合層）は、金属（例えば銅）の溶解温度未満の溶解温度で共晶を形成するため、セラミック上に箔を置き、全ての層を加熱することによって、すなわち実質的に融合層及び／又は酸化膜の領域内のみの金属及び／又は銅が溶解することにより、これらは互いに接合され得る。
当業者であれば、「ＤＣＢプロセス」（直接銅接合技術）又は「ＤＡＢプロセス」（直接アルミニウム接合技術）は、例えば、それらの表面側に層又はコーティング（融合層）を有する金属及び／若しくは銅シート又は金属及び／若しくは銅箔を使用して、金属層又はシート（例えば、銅シート若しくは箔又はアルミニウムシート若しくは箔）を互いに及び／又はセラミックス若しくはセラミック層に接合するために使用されるプロセスであると理解している。例えば、米国特許第３７４４１２０号明細書又は独国特許発明第２３１９８５４号明細書に記載されているこのプロセスでは、この層又はコーティング（融合層）は、金属（例えば銅）の溶解温度未満の溶解温度で共晶を形成するため、セラミック上に箔を置き、全ての層を加熱することによって、すなわち実質的に融合層及び／又は酸化膜の領域内のみの金属及び／又は銅が溶解することにより、これらは互いに接合され得る。
特に、ＤＣＢプロセスはしたがって、例えば、以下の工程段階を有する。
・均一な酸化銅層が形成されるように銅箔を酸化させること。
・セラミック層上に銅箔を置くこと。
・均一な酸化銅層が形成されるように銅箔を酸化させること。
・セラミック層上に銅箔を置くこと。
・約１０２５～１０８３℃、例えば約１０７１℃のプロセス温度に複合材を加熱すること。
・室温に冷却すること。
・室温に冷却すること。
例えば、金属層又は金属箔、特にまた、銅層又は銅箔をセラミック材料と接合するための活性はんだ付けプロセスとは、特にまた、金属－セラミック基板を生産するために使用されるプロセスを意味し、銅、銀及び／又は金等の主成分に加えて活性金属も包含する硬ろうを使用して、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の間に約６５０～１０００℃の温度で接合が生成される。この活性金属（例えば、群Ｈｆ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｃｅのうちの少なくとも１つの元素）は、化学反応によって硬ろうとセラミックとの間に接続を確立し、硬ろうと金属との間の接続は金属硬ろう接続である。代替的に、接合のために厚膜プロセスも考えられる。
特に、はんだ材料は、好ましくは銀ベース又は銅ベースのはんだ材料である。銀ベースのはんだ材料においては、銀が主成分、すなわち最大重量パーセントの成分であり、銅ベースのはんだ材料においては、銅が主成分である。銀ベースのはんだ材料の例は、ＡｇＣｕ、特に、ＡｇＣｕ２８、ＡｇＣｕＩｎ、ＡｇＣｕＳｎ、及びＡｇＣｕＧａである。銅ベースの母材の例は、銅ＣｕＳｎ、ＣｕＩｎ、ＣｕＧａ、ＣｕＩｎＳｎ、ＣｕＩｎＭｂ、ＣｕＧａＳｎである。ＮｉＣｒＭｎ、Ｓｎ、ＳｎＳｂ、又はＳｎＣｕをベース材料として使用することも考えられる。
好適な実施形態によれば、少なくとも１つの第１の金属層を接合することと少なくとも１つの第２の金属層を接合することとは、同時に実施される又は少なくとも部分的に同時に実施されるようになっている。このことは、有利には、セラミック要素に少なくとも１つの第１の金属層及び／又は少なくとも１つの第２の金属層を同時に接合することを可能にする。したがって、製造される金属－セラミック基板は、セラミック要素に少なくとも１つの第１の金属層及び少なくとも１つの第２の金属層を接合するために必要とされる不必要に長い温度処理に曝されない。更に、金属－セラミック基板の生産の過程で時間とエネルギーを有利に節約することができるため、生産プロセスが加速する。
更に、セラミック要素が、少なくとも１つのセラミック層及び／又はセラミック層を含む少なくとも１つの複合物を含むようになっていることが好ましい。例えば、セラミック要素は少なくとも２つのセラミック層を含み、少なくとも２つのセラミック層の間に金属中間層が配置されることが考えられる。金属中間層は、１．４ｍｍよりも大きい及び／又は複合物の各セラミック層の層厚みよりも厚い。その結果、中間金属層は２つのセラミック層の間に実装することができ、このことは既に熱放散に寄与することができ、したがって、放熱を支持する及び／又は向上させる。
更に、少なくとも１つの第１の金属層及び少なくとも１つの第２の金属層を接合することは、８００℃未満、好ましくは７００℃未満、より好ましくは６５０℃未満のはんだ付け温度で行われるようになっていることが好ましい。好ましくは、２３０℃～６５０℃のはんだ付け温度が提供される。特に、一般に使用される直接金属接合プロセス、例えばＤＣＢ若しくはＤＡＢプロセスの状況で、又は少なくとも１つの第１の金属層及び／若しくは少なくとも１つの第２の金属層が少なくとも１つのセラミック要素に直接接合されるはんだ付けプロセスにおいて使用される温度と比較すると、金属－セラミック基板の生産時に、一般に使用されるはんだ付け材料のはんだ付け温度又はプロセス温度よりも低いはんだ付け温度を使用することが可能である。これは特に有利であることが判明している。なぜなら、生産時に、個々の層の膨張は、生産される金属－セラミック基板の耐用年数にとって好ましくない、生産される金属－セラミック基板中の熱機械的応力及び／又は機械的応力の存在につながるからである。更に、生産プロセス時のエネルギー入力を低減することができる。
好都合なことに、少なくとも１つの第１の金属層及び／又は少なくとも１つの第２の金属層はハイブリッド構造及び／又は表面改質を含むようになっている。これにより、有利には、少なくとも１つの第１及び／又は第２の金属層の接合特性を更に向上させることを可能にする。例えば、少なくとも１つの第１の金属層は、この目的で、少なくとも１つの第１の金属層の第１の部分セクションよりも薄く、特に、より低い溶解温度を有する第２の部分セクションを含む。第１のインターフェイスメタライゼーションの第１の側に接合することは、したがって、第２の部分セクションを介して行われる。例えば、第１の部分セクションは、第１の金属層の第２の部分セクションが形成される金属の金属合金でできている。例えば、少なくとも１つの第２の金属層の第１の部分セクション及び第２の部分セクションはめっき処理される、又は第１及び／若しくは第２の部分セクションは表面改質されてハイブリッド構造を形成することも考えられる。例えば、少なくとも１つの第２の金属層が、第２の側に面するＡｌＳｉ層を有することが考えられ、これにより、セラミック要素に少なくとも１つの第２の金属層を接合することを容易にする。
好ましくは、
－第１の活性金属層及び／又は第２の活性金属層を少なくともセクション毎に（ｚｕｍｉｎｄｅｓｔ ａｂｓｃｈｎｉｔｔｓｗｅｉｓｅ）最初に配置すること、及び／又は
－活性金属層上に第１の湿潤金属層を及び／又は第２の活性金属層上に第２の湿潤金属層を少なくともセクション毎に次に配置すること、が堆積プロセスによって行われ、
最初に配置することと次に配置することとの間に、第１の活性金属層及び／又は第２の活性金属層は更なるエネルギー入力に曝されるようになっている。特に、第１のインターフェイスメタライゼーション及び／又は第２のインターフェイスメタライゼーションをエネルギー入力及び／又は更なるエネルギー入力によって実現すると有利であることが見出されている。特に、第１の活性金属層、第２の活性金属層、第１の湿潤金属層及び／又は第２の湿潤金属層の比較的薄い設計により、目標とするエネルギー入力の枠組み内において、セラミック要素の第１及び／又は第２の側に対する材料接合をもたらす金属の溶解を生じさせることが可能になるという事実が利用される。エネルギー入力及び／又は更なるエネルギー入力を連続的に用いることにより、第１のエネルギー入力及び更なるエネルギー入力に使用されるパワー部分をいずれの場合においても可能な限り低く維持することができ、それにより、生産される金属－セラミック基板に対する各々の負荷が可能な限り低く維持される。
－第１の活性金属層及び／又は第２の活性金属層を少なくともセクション毎に（ｚｕｍｉｎｄｅｓｔ ａｂｓｃｈｎｉｔｔｓｗｅｉｓｅ）最初に配置すること、及び／又は
－活性金属層上に第１の湿潤金属層を及び／又は第２の活性金属層上に第２の湿潤金属層を少なくともセクション毎に次に配置すること、が堆積プロセスによって行われ、
最初に配置することと次に配置することとの間に、第１の活性金属層及び／又は第２の活性金属層は更なるエネルギー入力に曝されるようになっている。特に、第１のインターフェイスメタライゼーション及び／又は第２のインターフェイスメタライゼーションをエネルギー入力及び／又は更なるエネルギー入力によって実現すると有利であることが見出されている。特に、第１の活性金属層、第２の活性金属層、第１の湿潤金属層及び／又は第２の湿潤金属層の比較的薄い設計により、目標とするエネルギー入力の枠組み内において、セラミック要素の第１及び／又は第２の側に対する材料接合をもたらす金属の溶解を生じさせることが可能になるという事実が利用される。エネルギー入力及び／又は更なるエネルギー入力を連続的に用いることにより、第１のエネルギー入力及び更なるエネルギー入力に使用されるパワー部分をいずれの場合においても可能な限り低く維持することができ、それにより、生産される金属－セラミック基板に対する各々の負荷が可能な限り低く維持される。
好ましくは、光がエネルギー入力又は更なるエネルギー入力として使用されるようになっている。例えば、特に、第１の活性金属層、第２の活性金属層、第１の湿潤金属層、又は第２の湿潤金属層に向けられるレーザ光が使用される。好ましくは、光フラッシュが使用されるようになっており、活性金属層及び／又は湿潤金属層に対する光フラッシュのエネルギー入力は、好ましくは少なくとも５ｋＷ、より好ましくは少なくとも８ｋＷ、更により好ましくは１０ｋＷ～１５ｋＷである。特に、エネルギー入力は、活性金属層及び／又は湿潤金属層の全面積に０．６ｍｓ～２０ｍｓにわたって光フラッシュを当てるいわゆる「フラッシュライトアニーリング」の枠組み内において行われる。このようにして、活性金属層及び／又は湿潤金属層は、全面積にわたって、例えば、約８００℃の短期的な加熱の形態の短い熱衝撃に曝される。好ましくは、エネルギー密度が０．０１Ｊ／ｃｍ２～１００Ｊ／ｃｍ２、好ましくは０．５Ｊ／ｃｍ２～１５Ｊ／ｃｍ２及び／又はパルス持続時間が０．２ｍｓ～２０ｍｓの光フラッシュが使用される。そのような光フラッシュによる処理は、少なくとも１つの金属層及び／又は少なくとも１つの更なる金属層の実際の接合の前の準備工程の一部として、記載のインターフェイスメタライゼーションの形成を可能にすることが見出されている。例えば、対応する光フラッシュによるエネルギー入力は、活性金属中に以下の反応を生じさせる。
Ｓｉ３Ｎ４＋Ｔｉ→ＴｉＮ＋Ｔｉ３Ｓｉ５
代替的に及び／又は追加的に、エネルギー入力及び／又は更なるエネルギー入力は、焼結及び／又はテンパリングを含むようになっており、すなわち、好ましくは、活性金属層及び／又は湿潤金属層は特に不活性条件下で加熱又は加温される。加熱は真空中又は不活性ガス雰囲気中で行われると考えられる。エネルギー入力は誘導効果によって開始されることも考えられる。活性金属層及び／又は湿潤金属層は、エネルギー入力及び／又は更なるエネルギー入力中に、加圧される、すなわち、互いに押し付けられることも考えられる。
代替的に及び／又は追加的に、エネルギー入力及び／又は更なるエネルギー入力は、焼結及び／又はテンパリングを含むようになっており、すなわち、好ましくは、活性金属層及び／又は湿潤金属層は特に不活性条件下で加熱又は加温される。加熱は真空中又は不活性ガス雰囲気中で行われると考えられる。エネルギー入力は誘導効果によって開始されることも考えられる。活性金属層及び／又は湿潤金属層は、エネルギー入力及び／又は更なるエネルギー入力中に、加圧される、すなわち、互いに押し付けられることも考えられる。
好ましくは、最初に配置すること及び／又は次に配置することは、堆積プロセスによって、特に、物理気体蒸着プロセスによって実現されるようになっている。例えば、これには、ＤＣスパッタリング及び／又は反応性スパッタリングを伴う。このようにして、比較的薄い第１若しくは第２の活性金属層及び／又は第１若しくは第２の湿潤金属層を特に実現することができ、このことは更に、セラミック要素に少なくとも第１及び／又は第２の活性金属層を接合するために必要なエネルギー入力に良い影響をもたらす。更に、例えば、堆積プロセスの過程で、対応するマスキングによって、第１及び／若しくは第２のインターフェイスメタライゼーション並びに／又は少なくとも第１及び／若しくは第２の活性金属層並びに／又は第１及び／若しくは第２の湿潤金属層の構造化が行われるようになっていることが好ましい。少なくとも第１の金属層の計画された構造化に好ましくは対応する第１のインターフェイスメタライゼーションにおけるこのような構造化は、計画された構造化の領域内でセラミック要素に少なくとも第１の金属層が接合することを有利に阻止し、それにより、最終構造化のために提供されるエッチング工程、いわゆる「第２のエッチング」（すなわち、少なくとも第１の金属層の個々の金属セクション間の分離トレンチを実現するエッチング工程）が簡略化され得る。更に、第１若しくは第２の活性金属層及び／又は第１若しくは第２の湿潤金属層が、好ましくは活性金属としてＣｒを用いて、ガルバニック的に及び／又は電気化学的に及び／又は無電流湿式化学的に実現されると考えられる。
更なる好適な実施形態では、第１の活性金属層は第１の厚みを有し、第１の湿潤金属層は第２の厚みを有し、第１の厚み及び／又は第２の厚みは、０ｎｍ又は１０ｎｍ～５，０００ｎｍ、好ましくは５０ｎｍ～２，５００ｎｍ、特に好ましくは１００ｎｍ～１０００ｎｍの値をとるようになっている。特に、第１の厚みは第２の厚みに実質的に等しいことが特に好ましい。しかしながら、第２の厚みは第１の厚みの最大５倍超であることも考えられる。この状況において、「実質的に等しい」とは、特に、値が互いに等しい又は５０％、好ましくは３０％若しくはより好ましくは１０％の許容差内に相当することを意味するものと理解される。第１の活性金属層及び／又は第１の湿潤金属層を適切に寸法決めすることにより、有利には、セラミック要素に第１のインターフェイスメタライゼーションを接続するための材料接合を実現するために、対応するエネルギー入力によって比較的容易に溶解するこの目的のための層システムを提供することが可能である。特に、第１及び第２の厚みの上記関係は、第２の活性金属層及び第２の湿潤金属層にも同様に当てはまる。
更に、第１の湿潤金属層と第２の湿潤金属層は特に金属材料に関して互いに異なることが特に好ましい。これにより、第１のインターフェイスメタライゼーションに対する少なくとも１つの第１の金属層の接合プロセスと第２のインターフェイスメタライゼーションに対する少なくとも１つの第２の金属層の接合との間で使用されるはんだ材料に更に影響を及ぼすことが可能である。
好ましくは、第１のインターフェイスメタライゼーション及び／又は第２のインターフェイスメタライゼーションを形成するために、特に、エネルギー入力及び／又は更なるエネルギー入力の導入中にプロセスガスが使用されるようになっている。例えば、プロセスガスは、アルゴン、窒素及び／又は酸素である。このようなプロセスガスを使用することにより、有利には、第１の活性金属層、第２の活性金属層、第１の湿潤金属層及び／又は第２の湿潤金属層中に対応する酸化物及び／又は窒化物を形成することが可能である。これらは、ある種の保護層を形成するので、中間貯蔵（Ｚｗｉｓｃｈｅｎｌａ－ｇｅｒｎ）に特に有利であることが判明している。
本発明の更なる目的は、本発明による方法によって生産された金属－セラミック基板である。方法に関して記載されている全ての利点及び特徴は、同様に、金属－セラミック基板に移し替えることができ、その逆もまた然りである。
更なる利点及び特徴は、添付の図を参照し、本発明による対象の好ましい実施形態の以下の説明からもたらされる。その場合、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ることができる。
図１は、本発明の第１の好適な実施形態による金属－セラミック基板１を概略的に示す。このような金属－セラミック基板１は、いずれの場合においても、金属－セラミック基板１に接続され得る電子及び／又は電気構成要素の保持要素としての、すなわちプリント回路基板（ＰＣＢ）としての役割を果たすことが好ましい。このような金属－セラミック基板１の必須の構成要素は、主伸張平面ＨＳＥに沿って延びるセラミック要素１０、セラミック要素１０に接合された少なくとも１つの第１の金属層２０、及び少なくとも１つの第１の金属層２０と反対側にある少なくとも１つの第２の金属層２２である。セラミック要素１０は、セラミックを含む少なくとも１種の材料で作製されている。例えば、セラミック要素１０は、セラミック層、特に単一のセラミック層、又は例えば、セラミック層が組み込まれた複合構造体である。この場合、少なくとも１つの第１の金属層２０と少なくとも１つの第２の金属層２２とセラミック要素１０は、主伸張平面ＨＳＥに対して垂直に延びる積層方向Ｓに沿って重ねて配置されており、製造済みの状態において、少なくとも所定の領域において接合表面を介して互いに実質的に接合されている。好ましくは、少なくとも１つの第１の金属層２０は、したがって、導体トラック又は電気構成要素の接続点を形成するように構造化されている。例えば、この構造化物は、少なくとも１つの第１の金属層２０にエッチングされる。しかしながら、これに先だって、少なくとも１つの第１の金属層２０と少なくとも１つのセラミック層１０との間に永久接合、特に材料接合が形成されなければならない。少なくとも１つの第２の金属層２２は、冷却要素として設けられることが好ましい。例えば、これは、少なくとも１つの第２の金属層２２内に延びる冷却フィン若しくは冷却チャネルシステムが備えられた固体金属ブロック又は冷却構造体である。
少なくとも１つの第１の金属層２０及び／又は少なくとも１つの第２の金属層２２を少なくとも１つのセラミック要素１０に永久的に接合するために、例えば、ＤＣＢ若しくはＤＡＢ接合プロセス又は活性はんだ付けプロセス（ＡＭＢプロセス）で金属－セラミック基板１を製造するためのシステムは炉を含み、炉内でセラミック要素１０と少なくとも１つの金属層２０とのスタックアセンブリを加熱することで接合を実現する。
特に、図１に示される金属－セラミック基板１の実施形態例は、特に使用される金属材料に関して少なくとも１つの第１の金属層２０が少なくとも１つの第２の金属層２２と異なる金属－セラミック基板１である。例えば、少なくとも１つの第１の金属層２０は銅層であり、少なくとも１つの第２の金属層２２はアルミニウム層である。この点に関して、少なくとも１つの第１の金属層２０は第１のインターフェイスメタライゼーション１５を介して少なくとも１つのセラミック要素１０の第１の側Ｓ１に接合され、少なくとも１つの第２の金属層２２は、第２のインターフェイスメタライゼーション１６を介して少なくとも１つのセラミック要素１０の第１の側Ｓ１の反対側にある少なくとも１つのセラミック要素１０の第２の側Ｓ２に接合されると想定される。換言すると、少なくとも１つの第１の金属層２０及び／又は少なくとも１つの第２の金属層２２は少なくとも１つのセラミック要素１０に直接及び直に接合されず、アダプタとして機能する第１のインターフェイスメタライゼーション１５及び／又は第２のインターフェイスメタライゼーション１６を介して接合されるようになっていることが好ましい。第１のインターフェイスメタライゼーション１５及び／又は第２のインターフェイスメタライゼーション１６を使用することにより、有利には、動作範囲が好ましくは６５０℃未満のはんだ材料３５を使用することが可能である。特に、第１のインターフェイスメタライゼーション１５及び／又は第２のインターフェイスメタライゼーション１６を使用すると、少なくとも１つの第１の金属層２０及び少なくとも１つの第２の金属層２２を接合するために同じはんだ材料３５を使用することが可能になると考えられる。
図２は、第１の本発明による金属－セラミック基板１を生産する方法を示す。特に、図２に示される実施形態は、第１のインターフェイスメタライゼーション１５及び／又は第２のインターフェイスメタライゼーション１６を形成するための調製工程を示す。更に、第１のインターフェイスメタライゼーション１５は第１の活性金属層３１及び第１の湿潤金属層３２を含み、第２のインターフェイスメタライゼーション１６は第２の活性金属層４１及び第２の湿潤金属層４２を含むようになっていることが好ましい。この場合、活性金属層、すなわち第１の活性金属層３１及び第２の活性金属層４１は第１の厚みＤ１を有し、第１の湿潤金属層３２及び第２の湿潤金属層４２は第２の厚みＤ２を有し、少なくとも第１の金属層及び少なくとも第２の金属層はそれぞれ、第３の厚みＤ３を有し、第３の厚みＤ３に対する第１の厚みＤ１と第２の厚みＤ２の合計の比率は、０．５の値よりも小さい、好ましくは０．１よりも小さい、より好ましくは０．０５よりも小さいようになっていることが好ましい。換言すると、比較的薄い第１のインターフェイスメタライゼーション１５及び／又は第２のインターフェイスメタライゼーション１６が設けられる。
特に、セラミック要素１０が設けられた後、最初の配置によって、第１の活性金属層３１がセラミック要素１０の上側及び／又は第１の側Ｓ１に配置され、第２の活性金属層４１が、第１の側Ｓ１と反対側にあるセラミック要素１０の第２の側Ｓ２に配置されるようになっている。好ましくは、最初に配置することの一部として、第１及び／又は第２の活性金属層３１、４１は、堆積プロセス、例えばスパッタリングプロセスによって第１の側Ｓ１又は第２の側Ｓ２に適用される。その後、好ましくはスパッタリング等の堆積プロセスによって、第１の湿潤金属層３２が第１の活性金属層３１上に配置され、第２の湿潤金属層４２が第２の活性金属層４１に適用されるようになっている。
第１の活性金属層３１及び第１の湿潤金属層３２並びに／又は第２の活性金属層４１及び第２の湿潤金属層４２を含む２層システムの接着接合のために、第１の活性金属層３１及び第１の湿潤金属層３２並びに／又は第２の活性金属層４１及び第２の湿潤金属層４２を含む層システムはエネルギー入力４０に曝されるようになっていることが好ましい。この場合、例えば、エネルギー入力４０は、光、例えば、レーザ光又はパルスレーザ光又は光フラッシュの形態によって行われ、光は、第１及び／又は第２の活性金属層３１、４１並びに第１及び／又は第２の湿潤金属層３２，４２を溶解し、それによりセラミック要素１０の第１の側Ｓ１及び／又は第２の側Ｓ２と第１及び／又は第２の活性金属層３１、４１との間の反応によって材料接合を生じさせるように設計されている。特に、第１及び／又は第２のインターフェイスメタライゼーション１５，１６の対応する形成は、フラッシュライトアニーリングという状況で行われる。これには、最大２０Ｊ／ｃｍ２又は１００Ｊ／ｃｍ２のエネルギー入力につながる０．２～２０ｍｓのパルス持続時間での光のフラッシュを伴う。特に、第１のインターフェイスメタライゼーション１５及び／又は第２のインターフェイスメタライゼーション１６は第１の側Ｓ１及び／又は第２の側Ｓ２の面積の５０％超、好ましくは７０％超、より好ましくは８０％超にわたって延びることが意図される。
図３は、本発明の第２の例示的実施形態による金属－セラミック基板１を生産する方法を示す。特に、図３に示される方法の工程は、図２に示される調製工程に続くようになっている。特に、形成された第１のインターフェイスメタライゼーション１５及び／又は第２のインターフェイスメタライゼーション１６に好ましくは箔状はんだ及び／又ははんだペーストの形態のはんだ材料３５が適用され、特に、第１のインターフェイスメタライゼーション１５と少なくとも１つの第１のメタライゼーション２０との間に、及び／又は第２のインターフェイスメタライゼーション１６と少なくとも１つの第２の金属層２２との間に配置されると想定される。この状況において、はんだ材料３５は互いに一致する及び／又は互いに異なると考えられる。更に、少なくとも１つの第１の金属層２０及び／又は少なくとも１つの第２の金属層２２はハイブリッド構造であるようになっていることが好ましい。例えば、少なくとも１つの第１の金属層２０は、第１のサブセクション２６及び第２のサブセクション２７を含み、例えば、第１のサブセクション２６は第１の金属を含み、第２のサブセクション２７は第１のサブセクション２６の金属に基づいた金属合金を含む。好ましくは、第２のサブセクション２７は、第１のサブセクション２６の５分の１の薄さである。好ましくは、はんだ付けプロセスの一部として少なくとも１つの第１の金属層２０を溶解させ、はんだ材料３５を介した少なくとも１つの第１の金属層２０と第１のインターフェイスメタライゼーション１５との間の材料接合に最終的に寄与するように、第２のサブセクション２７の形成は、特に６５０℃未満の温度で溶解可能な金属合金を提供する役割を果たす。特に好ましくは、例えば、第１のサブセクション２６は銅である及び／又は第２のサブセクション２７は低融点銅合金であるようになっている。
更に、少なくとも１つの第２の金属層２２は第１のサブセクション２９及び第２のサブセクション２８を含み、少なくとも１つの第２の金属層２２の第１のサブセクション２９及び第２のサブセクション２８は、クラッディング操作、例えばロールクラッディング操作の過程で好ましくは生産されるようになっている。例えば、第１のサブセクション２９は、アルミニウム本体及び／又はベース本体であり、そのセラミック要素１０の第２の側Ｓ２に面する側に、第２のサブセクション２８が配置されている。この第２のサブセクション２８は例えばＡｌＳｉでできている。特に、少なくとも１つの第２の金属層２２の第１のサブセクション２９は、少なくとも１つの第２の金属層２２の第２のサブセクション２８の少なくとも５倍厚いようになっている。少なくとも１つの第１の金属層２０と、少なくとも１つの第２の金属層２２と、はんだ材料３５と、第１のインターフェイスメタライゼーション１５及び第２のインターフェイスメタライゼーション１６とを備えるセラミック要素１０との組み立て後に、積層方向Ｓに沿って重ねて取り付けられた集合体の要素は、好ましくは６５０℃未満の温度の共通のはんだ付けプロセスで互いに結合される。
セラミック要素１０の第１の側Ｓ１に少なくとも１つの第１の金属層２０を、及びセラミック要素１０の第２の側Ｓ２に少なくとも１つの第２の金属層２２を材料接合後に、好ましくは多段階エッチング工程において、少なくとも１つの第１の金属層２０及び／又は少なくとも１つの第２の金属層２２を構造化するようになっている。この目的のために、マスキングが行われ、マスキングに基づいて、好ましくは多段階エッチング工程が行われる。このようにして、例えば、分離トレンチが少なくとも１つの第１の金属層２０に導入され得る、及び／又は異なるタイプの構造化物が少なくとも１つの第２の金属層２２に導入され得る。更に、構造化に続いて、表面処理が最終的に行われる前に、好ましくは個々の金属－セラミック基板を分離するためにレーザ処理が行われるようになっていることが好ましい。
１ 金属－セラミック基板
１０ セラミック要素
１５ 第１のインターフェイスメタライゼーション
１６ 第２のインターフェイスメタライゼーション
２０ 第１の金属層
２６ 第１の金属層の第１のサブセクション
２７ 第１の金属層の第２のサブセクション
２８ 第２の金属層の第２のサブセクション
２９ 第２の金属層の第１のサブセクション
２２ 第２の金属層
３１ 活性金属層
３２ 湿潤金属層
３５ はんだ材料
４０ エネルギー入力
ＨＳＥ 主伸張平面
Ｓ 積層方向
Ｄ１ 第１の厚み
Ｄ２ 第２の厚み
Ｄ３ 第３の厚み
Ｓ１ 第１の側
Ｓ２ 第２の側
１０ セラミック要素
１５ 第１のインターフェイスメタライゼーション
１６ 第２のインターフェイスメタライゼーション
２０ 第１の金属層
２６ 第１の金属層の第１のサブセクション
２７ 第１の金属層の第２のサブセクション
２８ 第２の金属層の第２のサブセクション
２９ 第２の金属層の第１のサブセクション
２２ 第２の金属層
３１ 活性金属層
３２ 湿潤金属層
３５ はんだ材料
４０ エネルギー入力
ＨＳＥ 主伸張平面
Ｓ 積層方向
Ｄ１ 第１の厚み
Ｄ２ 第２の厚み
Ｄ３ 第３の厚み
Ｓ１ 第１の側
Ｓ２ 第２の側
Claims (10)
- 積層方向（Ｓ）に沿って重ねて配置されている少なくとも１つの第１の金属層（２０）とセラミック要素（１０）と少なくとも１つの第２の金属層（２２）とを有する金属－セラミック基板（１）を生産する方法であって、前記セラミック要素（２０）は、前記少なくとも１つの第１の金属層（２０）と前記少なくとも１つの第２の金属層（２２）との間に前記積層方向（Ｓ）に配置されており、前記少なくとも１つの第１の金属層（２０）は特に金属材料に関して前記少なくとも１つの第２の金属層（２２）と異なる、方法であり、
－前記セラミック要素（１０）を設けることと、
－前記セラミック要素（１０）の第１の側（Ｓ１）上に、第１の活性金属層（３１）と第１の湿潤金属層（３２）とを含む第１のインターフェイスメタライゼーション（１５）を形成することと、
－前記セラミック要素（１０）の前記第１の側（Ｓ１）と反対側にある前記セラミック要素（１０）の第２の側（Ｓ２）上に、第２の活性金属層（４１）と第２の湿潤金属層（４２）とを含む第２のインターフェイスメタライゼーション（１６）を形成することと、
－特に活性はんだ付けプロセスによって前記第１のインターフェイスメタライゼーション（１５）に前記少なくとも１つの第１の金属層（２０）を接合し、前記金属－セラミック基板（１）を形成することと、
－特に活性はんだ付けプロセスによって前記第２のインターフェイスメタライゼーション（１６）に前記少なくとも１つの第２の金属層（２２）を接合することと、を含み、
前記第１のインターフェイスメタライゼーション（１５）及び前記第２のインターフェイスメタライゼーション（１６）の少なくとも一方は、前記第１のインターフェイスメタライゼーション（１５）に前記少なくとも１つの第１の金属層（２０）を前記接合すること及び前記第２のインターフェイスメタライゼーション（１６）に前記少なくとも１つの第２の金属層（２２）を前記接合することの少なくとも一方に先だって、特に一時的にエネルギー入力（４０）に曝される、方法。 - 前記少なくとも１つの第１の金属層（２０）を前記接合することと前記少なくとも１つの第２の金属層（２２）を前記接合することとは同時に実施される、請求項１に記載の方法。
- 前記少なくとも１つの第１の金属層（２０）及び前記少なくとも１つの第２の金属層（２２）を前記接合することは、８００℃未満のはんだ付け温度で行われる、請求項１又は請求項２に記載の方法。
- 前記少なくとも１つの第１の金属層（２０）及び前記少なくとも１つの第２の金属層（２２）の少なくとも一方は、ハイブリッド構造及び表面改質の少なくとも一方を含み、
前記ハイブリッド構造は、第１の部分セクションと、前記第１の部分セクションよりも薄く、より低い溶解温度を有するとともに前記セラミック要素（１０）に面する側に配置される第２の部分セクションと、を含む、請求項１～請求項３のいずれか一項に記載の方法。 - －前記第１の活性金属層（３１）を少なくともセクション毎に最初に配置すること及び前記第２の活性金属層（４１）を少なくともセクション毎に最初に配置することの少なくとも一方、が堆積プロセスによって行われ、
又は、
－前記活性金属層（３１）上に前記第１の湿潤金属層（３２）を少なくともセクション毎に次に配置すること及び前記第２の活性金属層（４２）上に前記第２の湿潤金属層（４２）を少なくともセクション毎に次に配置することの少なくとも一方、が堆積プロセスによって行われ、
又は、
－前記第１の活性金属層（３１）を少なくともセクション毎に最初に配置すること及び前記第２の活性金属層（４１）を少なくともセクション毎に最初に配置することの少なくとも一方、及び
－前記活性金属層（３１）上に前記第１の湿潤金属層（３２）を少なくともセクション毎に次に配置すること及び前記第２の活性金属層（４２）上に前記第２の湿潤金属層（４２）を少なくともセクション毎に次に配置することの少なくとも一方、が堆積プロセスによって行われ、
前記最初に配置することと前記次に配置することとの間に、前記第１の活性金属層（３１）及び前記第２の活性金属層（４１）の少なくとも一方は更なるエネルギー入力に曝される、請求項１～請求項４のいずれか一項に記載の方法。 - 光がエネルギー入力（４０）及び更なるエネルギー入力の少なくとも一方として使用される、請求項１～請求項５のいずれか一項に記載の方法。
- 光フラッシュが使用され、前記第１の活性金属層（３１）、前記第２の活性金属層（４１）、前記第１の湿潤金属層（３２）及び前記第２の湿潤金属層（４２）の少なくとも１つに対する前記光フラッシュの前記エネルギー入力（４０）は、少なくとも５ｋＷである、請求項６に記載の方法。
- 前記第１の活性金属層（３１）は第１の厚み（Ｄ１）を有し、前記第１の湿潤金属層（３２）は第２の厚み（Ｄ２）を有し、前記第１の厚み（Ｄ１）及び前記第２の厚み（Ｄ２）の少なくとも一方は、０ｎｍよりも大きく５０００ｎｍ以下の値をとる、請求項１～請求項７のいずれか一項に記載の方法。
- 前記第１のインターフェイスメタライゼーション（１５）及び前記第２のインターフェイスメタライゼーション（１６）の少なくとも一方を形成するためにプロセスガスが使用される、請求項１～請求項８のいずれか一項に記載の方法。
- 請求項１～請求項９のいずれか一項に記載の方法によって生産された金属－セラミック基板（１）。
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2020
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