KR20230002070A - 금속-세라믹 기재를 제조하는 방법 - Google Patents

금속-세라믹 기재를 제조하는 방법 Download PDF

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KR20230002070A
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슈베벨 안드레
미릭 안톤-조란
바커 리차드
슈네 다니엘
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헤레우스 도이칠란트 게엠베하 운트 코. 카게
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Abstract

본 발명은 금속-세라믹 기재(substrate)를 제조하는 방법에 관한 것이다. 이 방법은 a) a1) 세라믹 본체, a2) 금속 포일, 및 a3) 세라믹 본체 및 금속 포일과 접촉하며 (i) 융점이 700℃ 이상인 금속, (ii) 융점이 700℃ 미만인 금속, 및 (iii) 활성 금속을 포함하는 땜납 재료를 함유하는 스택을 제공하는 단계, 및 b) 하기 조건들 중 적어도 하나가 충족되는, 스택을 가열하는 단계를 포함한다: b1) 고온 가열 지속시간이 60분 이하인 조건; b2) 피크 온도 가열 지속시간이 30분 이하인 조건; b3) 가열 지속시간이 60분 이하인 조건.

Description

금속-세라믹 기재를 제조하는 방법{METHOD FOR PRODUCING A METAL-CERAMIC SUBSTRATE}
본 발명은 금속-세라믹 기재(substrate)를 제조하는 방법에 관한 것이다.
금속-세라믹 기재는 파워 일렉트로닉스(power electronics) 분야에서 중요한 역할을 한다. 이들은 전자 구성요소의 설계에서 중요한 요소이며 이러한 구성요소의 작동 동안 다량의 열의 신속한 소산을 보장한다. 금속-세라믹 기재는 보통 세라믹 층, 및 세라믹 층에 연결된 금속 층으로 구성된다.
금속 층을 세라믹 층에 연결하기 위한 몇몇 방법이 종래 기술로부터 알려져 있다. 직접 구리 접합(direct copper bonding, DCB) 방법으로 알려진 것에서는, 구리와 반응성 가스(보통, 산소)의 반응에 의해 구리 화합물(보통, 산화구리)이 구리 포일에 표면적으로 제공되며, 상기 구리 화합물은 구리보다 낮은 융점을 갖는다. 이러한 방식으로 처리된 구리 포일을 세라믹 본체에 적용하고 복합재를 소성할 때, 구리 화합물이 용융되어 세라믹 본체의 표면을 습윤화하여 구리 포일과 세라믹 본체 사이에 안정한 재료 연결이 발생한다. 이 방법은, 예를 들어, 미국 특허 제3744120 A호 또는 독일 특허 제2319854 C2호에 기재되어 있다.
명백한 이점에도 불구하고, DCB 방법은 2가지 주요 단점을 갖는다. 첫째로, 이 방법은 비교적 높은 온도에서, 즉 구리의 융점보다 약간 낮은 온도에서 수행되어야 한다. 둘째로, 이 방법은 산화알루미늄 또는 표면적으로 산화된 질화알루미늄과 같은 산화물-기반 세라믹에만 사용될 수 있다. 따라서, 덜 엄격한 조건 하에서 금속-세라믹 기재를 제조하는 대안적인 방법이 필요하다. 대안적인 방법에서, 금속 포일은 대략 650 내지 1000℃의 온도에서 세라믹 본체에 연결될 수 있고, 융점이 700℃ 이상인 금속(보통, 은) 및 활성 금속을 함유하는 특정 땜납이 사용된다. 활성 금속의 역할은 세라믹 재료와 반응하여 나머지 땜납과의 세라믹 재료의 연결을 가능하게 하여 반응층을 형성하는 것인 반면, 융점이 700℃ 이상인 금속은 이러한 반응층을 금속 포일에 연결하는 역할을 한다. 예를 들어, 일본 특허 제4812985 B2호는 50 내지 89 중량%의 은 및 더욱이 구리, 비스무트 및 활성 금속을 함유하는 땜납을 사용하여 구리 포일을 세라믹 본체에 연결하는 것을 제안한다. 이 방법으로, 구리 포일과 세라믹 본체를 신뢰성 있게 결합시킬 수 있다. 은의 이동과 관련된 문제를 피하기 위해, 금속 포일과 세라믹 본체를 연결하는 데에 은-무함유 땜납을 사용하는 것이 유리할 수 있다. 이러한 땜납은, 예를 들어 고용융 금속(특히, 구리), 저용융 금속(예컨대, 비스무트, 인듐 또는 주석) 및 활성 금속(예컨대, 티타늄)에 기초한다. 이러한 기술은 예를 들어 독일 특허 출원 공개 제102017114893 A1호에 제안되어 있다. 기본적으로, 사용되는 땜납의 기본이 상이한 금속(은 대신 구리)에 의해 형성되고, 이는 재료 특성을 변경하며 다른 땜납 성분 및 변화된 결합 조건에 대해 적응하기 때문에, 이러한 기술은 새롭고 독립적인 연결 클래스로 이어진다. 따라서, 이러한 방식으로 생성된 금속-세라믹 기재는, 금속 층 및 세라믹 층 이외에, 금속 층과 세라믹 층 사이에 놓인 접합 층을 가지며, 이러한 접합 층은 활성 금속을 함유한다.
파워 일렉트로닉스 분야에서 꾸준히 증가하는 수요로 인해, 융점이 700℃ 이상인 금속, 융점이 700℃ 미만인 금속, 및 활성 금속을 함유하는 땜납 재료를 사용하여 생성되는 금속-세라믹 기재의 열 및 전류 전도도를 추가로 개선할 필요성이 또한 증가하고 있다.
금속-세라믹 기재의 열 및 전류 전도도를 증가시키기 위한 이전의 접근법은 금속 층과 세라믹 층 사이의 접합 층의 조성을 변화시키는 데 중점을 두었다. 그러나, 접합 층의 조성이 변화되지 않은 상태로 유지되는 것이 몇몇 이유로 유리할 수 있다. 따라서, 예를 들어, 주어진 조성의 접합 층은 이상적으로 열 및 전류 전도도 이외의 기술적 요건을 충족시킬 수 있거나, 용이하게 생성될 수 있거나, 또는 심지어 더 비용 효율적일 수 있다. 따라서, 적합한 공정 조치를 통해 주어진 조성의 접합 층에 대해 금속-세라믹 기재의 열 및 전류 전도도를 개선하는 것이 유리할 것이다.
따라서, 본 발명의 목적은 융점이 700℃ 이상인 금속, 융점이 700℃ 미만인 금속, 및 활성 금속을 함유하는 땜납 재료를 사용하여 열 및 전류 전도도가 증가된 금속-세라믹 기재를 수득할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.
이러한 목적은 청구항 1항의 방법을 통해 달성된다. 따라서, 본 발명은 금속-세라믹 기재를 제조하는 방법을 제공하며, 상기 방법은
a)
a1) 세라믹 본체,
a2) 금속 포일, 및
a3) 세라믹 본체 및 금속 포일과 접촉하며
(i) 융점이 700℃ 이상인 금속,
(ii) 융점이 700℃ 미만인 금속, 및
(iii) 활성 금속을 포함하는 땜납 재료를 함유하는 스택을 제공하는 단계, 및
b) 하기 조건들 중 적어도 하나가 충족되는, 스택을 가열하는 단계를 포함한다:
b1) 스택이 가열 시 적어도 피크 온도 - 250℃에 상응하는 온도에 노출되는 지속시간을 지칭하는 고온 가열 지속시간이 60분 이하인 조건;
b2) 스택이 가열 시 적어도 피크 온도 - 50℃에 상응하는 온도에 노출되는 지속시간을 지칭하는 피크 온도 가열 지속시간이 30분 이하인 조건;
b3) 스택이 100℃의 온도에서 시작하여 피크 온도에 도달하는 데 필요한 기간을 나타내는 가열 지속시간이 60분 이하인 조건.
본 발명에 따른 방법에서, 세라믹 본체, 금속 포일, 및 세라믹 본체 및 금속 포일과 접촉하는 땜납 재료를 함유하는 스택이 초기에 제공된다.
따라서, 땜납 재료는 바람직하게는 스택에서 세라믹 본체와 금속 포일 사이에 위치된다. 바람직한 실시 형태에 따르면, 스택은 세라믹 본체, (제1) 금속 포일, 세라믹 본체 및 제1 금속 포일과 접촉하는 (제1) 땜납 재료, 제2 금속 포일, 및 세라믹 본체 및 제2 금속 포일과 접촉하는 제2 땜납 재료를 포함한다. 이 실시 형태에 따르면, (제1) 땜납 재료는 바람직하게는 세라믹 본체와 (제1) 금속 포일 사이에 위치되고, 제2 땜납 재료는 바람직하게는 세라믹 본체와 제2 금속 포일 사이에 위치된다. 또한, 이 실시 형태에 따르면, 제1 땜납 재료는 바람직하게는 제2 땜납 재료에 상응한다.
따라서, 세라믹 본체는 바람직하게는 제1 표면 및 제2 표면을 갖는다. 금속 포일은 바람직하게는 제1 표면을 갖는다. 제2 금속 포일은, 존재하는 한, 바람직하게는 제1 표면을 갖는다. 따라서, 바람직한 실시 형태에 따르면, 스택에서 (제1) 땜납 재료는 세라믹 본체의 제1 표면과 (제1) 금속 포일의 제1 표면 사이에 위치된다. 추가의 바람직한 실시 형태에 따르면, 스택은 세라믹 본체의 제2 표면 및 제2 금속 포일의 제1 표면과 접촉하는 제2 땜납 재료를 함유한다. 이 실시 형태에 따르면, 스택에서 (제1) 땜납 재료는 바람직하게는 세라믹 본체의 제1 표면과 (제1) 금속 포일의 제1 표면 사이에 위치되고, 제2 땜납 재료는 바람직하게는 세라믹 본체의 제2 표면과 제2 금속 포일의 제1 표면 사이에 위치된다. 추가의 바람직한 실시 형태에 따르면, 세라믹 본체와 (제1) 금속 포일 사이에는 본 발명에 따른 땜납 재료 외에 추가 층이 위치되지 않는다. 또 다른 실시 형태에 따르면, 본 발명에 따른 땜납 재료 외에, 세라믹 본체와 존재하는 한 제2 금속 포일 사이에는 추가 층이 위치되지 않는다.
세라믹 본체의 세라믹은 바람직하게는 절연 세라믹이다. 바람직한 실시 형태에 따르면, 세라믹은 산화물 세라믹, 질화물 세라믹, 및 탄화물 세라믹으로 이루어진 군으로부터 선택된다. 추가의 바람직한 실시 형태에 따르면, 세라믹은 금속 산화물 세라믹, 산화규소 세라믹, 금속 질화물 세라믹, 질화규소 세라믹, 질화붕소 세라믹, 및 탄화붕소 세라믹으로 이루어진 군으로부터 선택된다. 특히 바람직한 실시 형태에 따르면, 세라믹은 질화알루미늄 세라믹, 질화규소 세라믹 및 산화알루미늄 세라믹(예를 들어, 지르코니아 강화 알루미나(ZTA) 세라믹과 같은)으로 이루어진 군으로부터 선택된다. 세라믹 본체는 바람직하게는 두께가 0.05 내지 10 mm, 더 바람직하게는 0.1 내지 5 mm의 범위, 특히 바람직하게는 0.15 내지 3 mm의 범위이다.
금속 포일의 금속은 바람직하게는 구리, 알루미늄, 및 몰리브덴으로 이루어진 군으로부터 선택된다. 특히 바람직한 실시 형태에 따르면, 금속 포일의 금속은 구리 및 몰리브덴으로 이루어진 군으로부터 선택된다. 특히 바람직한 실시 형태에 따르면, 금속 포일의 금속은 구리이다. 금속 포일은 바람직하게는 두께가 0.01 내지 10 mm의 범위, 더 바람직하게는 0.03 내지 5 mm의 범위, 특히 바람직하게는 0.05 내지 3 mm의 범위이다.
땜납 재료는 (i) 융점이 700℃ 이상인 금속, (ii) 융점이 700℃ 미만인 금속, 및 (iii) 활성 금속을 포함한다.
바람직한 실시 형태에 따르면, (i) 융점이 700℃ 이상인 금속, (ii) 융점이 700℃ 미만인 금속, 및 (iii) 활성 금속은 적어도 하나의 금속 성분의 구성성분으로서 존재한다. 따라서, 땜납 재료는 바람직하게는 (i) 융점이 700℃ 이상인 금속, (ii) 융점이 700℃ 미만인 금속, 및 (iii) 활성 금속을 포함하는 적어도 하나의 금속 성분을 포함한다. 예를 들어, 땜납 재료는 융점이 700℃ 이상인 금속을 함유하는 금속 성분 (i), 융점이 700℃ 미만인 금속을 함유하는 금속 성분 (ii), 및 활성 금속을 함유하는 금속 성분 (iii)을 포함하는 것이 바람직할 수 있다. 또한, 땜납 재료는 (i) 융점이 700℃ 이상인 금속, (ii) 융점이 700℃ 미만인 금속, 및 (iii) 활성 금속으로 이루어진 군으로부터의 구성원을 함유하는 금속 성분 (i), 및 (i) 융점이 700℃ 이상인 금속, (ii) 융점이 700℃ 미만인 금속, 및 (iii) 활성 금속으로 이루어진 군으로부터의 구성원(상기 구성원은 금속 성분 (i)에 함유되지 않음)을 포함하는 금속 성분 (ii)를 포함하는 것이 또한 바람직할 수 있다. "금속 성분"이라는 용어는 추가로 제한되지 않는다. 금속 및 금속 합금 외에도, 이는 금속 화합물, 예컨대 금속간 상 및 다른 화합물, 예컨대 금속 수소화물을 또한 포함한다. 따라서, 바람직한 실시 형태에 따르면, 금속 성분은 금속, 금속 합금, 및 금속 화합물로 이루어진 군으로부터 선택된다.
땜납 재료는 (i) 융점이 700℃ 이상인 금속을 포함한다. 융점이 700℃ 이상인 금속은 바람직하게는 융점이 850℃ 이상이고, 특히 바람직하게는 융점이 1000℃ 이상이다. 바람직한 실시 형태에 따르면, 융점이 700℃ 이상인 금속은 구리, 니켈, 텅스텐 및 몰리브덴으로 이루어진 군으로부터 선택된다. 특히 바람직한 실시 형태에 따르면, 금속은 융점이 700℃ 이상인 구리이다. 추가의 바람직한 실시 형태에 따르면, 땜납 재료는 융점이 700℃ 이상인 금속을 함유하는 금속 성분 (i)을 포함한다. 특히 바람직한 실시 형태에 따르면, 땜납 재료는 구리를 함유하는 금속 성분 (i)을 포함한다. 추가의 바람직한 실시 형태에 따르면, 금속 성분 (i)은 구리이다.
땜납 재료는 (i) 융점이 700℃ 미만인 금속을 포함한다. 융점이 700℃ 미만인 금속은 바람직하게는 융점이 600℃ 미만이고, 특히 바람직하게는 융점이 550℃ 미만이다. 바람직한 실시 형태에 따르면, 융점이 700℃ 미만인 금속은 주석, 비스무트, 인듐, 갈륨, 아연, 안티몬 및 마그네슘으로 이루어진 군으로부터 선택된다. 특히 바람직한 실시 형태에 따르면, 금속은 융점이 700℃ 미만인 주석이다. 추가의 바람직한 실시 형태에 따르면, 땜납 재료는 융점이 700℃ 미만인 금속을 함유하는 금속 성분 (ii)를 포함한다. 특히 바람직한 실시 형태에 따르면, 금속 성분 (ii)는 융점이 700℃ 미만인 금속과 추가 금속의 합금이다. 추가 금속은, 예를 들어, 융점이 700℃ 미만인 금속, 융점이 700℃ 이상인 금속, 및 활성 금속으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다. 추가의 바람직한 실시 형태에 따르면, 융점이 700℃ 미만인 금속을 함유하는 금속 성분 (ii)는 주석, 비스무트, 인듐, 갈륨, 아연, 안티몬, 마그네슘, 주석-구리 합금, 주석-비스무트 합금, 주석-안티몬 합금, 주석-아연-비스무트 합금 및 인듐-주석 합금으로 이루어진 군으로부터 선택된다. 추가의 특히 바람직한 실시 형태에 따르면, 융점이 700℃ 미만인 금속을 함유하는 금속 성분 (ii)는 주석, 주석-구리 합금, 주석-비스무트 합금, 주석-안티몬 합금, 주석-아연-비스무트 합금 및 인듐-주석 합금으로 이루어진 군으로부터 선택된다.
땜납 재료는 활성 금속을 포함한다. 활성 금속은 바람직하게는 땜납 재료의 성분으로 형성된 땜납과 세라믹 사이에, 화학 반응에 의해, 접합을 생성하는 금속이다. 바람직한 실시 형태에 따르면, 활성 금속은 하프늄, 티타늄, 지르코늄, 니오븀, 탄탈럼, 바나듐 및 세륨으로 이루어진 군으로부터 선택된다. 더 바람직한 실시 형태에 따르면, 활성 금속은 하프늄, 티타늄, 지르코늄, 니오븀 및 세륨으로 이루어진 군으로부터 선택된다. 특히 바람직한 실시 형태에 따르면, 활성 금속은 하프늄, 티타늄 및 지르코늄으로 이루어진 군으로부터 선택된다. 특히 바람직한 실시 형태에 따르면, 활성 금속은 티타늄이다. 추가의 바람직한 실시 형태에 따르면, 땜납 재료는 활성 금속을 함유하는 금속 성분 (iii)을 포함한다. 특히 바람직한 실시 형태에 따르면, 금속 성분 (iii)은 활성 금속 합금 또는 활성 금속 화합물, 특히 바람직하게는 활성 금속 수소화물이다. 금속 성분 (iii)은 바람직하게는 수소화티타늄, 티타늄-지르코늄-구리 합금, 수소화지르코늄 및 수소화하프늄으로 이루어진 군으로부터 선택된다. 특히 바람직한 실시 형태에 따르면, 금속 성분 (iii)은 수소화하프늄, 수소화티타늄 및 수소화지르코늄으로 이루어진 군으로부터 선택된다. 특히 바람직한 실시 형태에 따르면, 금속 성분 (iii)은 수소화티타늄이다.
바람직한 실시 형태에 따르면, 융점이 700℃ 이상인 금속의 비율은 땜납 재료의 총 금속 중량에 대해 50 내지 90 중량%, 더 바람직하게는 55 내지 90 중량%, 특히 바람직하게는 65 내지 90 중량%, 특히 바람직하게는 70 내지 90 중량%이다. 추가의 바람직한 실시 형태에 따르면, 융점이 700℃ 미만인 금속의 비율은 땜납 재료의 총 금속 중량에 대해 5 내지 45 중량%, 더 바람직하게는 5 내지 40 중량%, 특히 바람직하게는 5 내지 30 중량%, 특히 바람직하게는 5 내지 25 중량%이다. 또 다른 바람직한 실시 형태에 따르면, 활성 금속의 비율은 땜납 재료의 총 금속 중량에 대해 1 내지 20 중량%, 더 바람직하게는 1 내지 15 중량%, 특히 바람직하게는 1 내지 12 중량%, 특히 바람직하게는 1 내지 10 중량%이다.
땜납 재료에는 바람직하게는 은이 없거나 은이 적다. 따라서, 은의 비율은 땜납 재료의 총 금속 중량에 대해 바람직하게는 3.0 중량% 미만, 특히 바람직하게는 1.0 중량% 미만, 특히 바람직하게는 0.2 중량% 미만이다. 은의 부재 또는 단지 소량의 은의 존재로 인해, 완성된 금속-세라믹 기재에서 접합 층의 가장자리에서 은의 이동을 피하거나 감소시킬 수 있다. 놀랍게도, 본 발명에 따른 방법은 이러한 감소된 은 함량을 갖는 금속-세라믹 기재의 전류 및 열 전도도를 개선할 수 있는 것으로 또한 밝혀졌다. 땜납 베이스로서의 은을 대체하기 때문에, 이러한 금속-세라믹 기재는 다른 땜납 성분 및 변화된 결합 조건에 대한 적응을 부분적으로 필요로 하는, 상이한 재료 특성을 갖는 독립적인 접합 클래스를 실제로 나타낸다는 점에서 이것은 놀라운 일이다.
추가의 바람직한 실시 형태에 따르면, 땜납 재료에는 규소가 적거나 규소가 없다. 따라서, 규소의 비율은 땜납 재료 내의 모든 금속 및 반금속(semimetal)의 총 중량에 대해 바람직하게는 3.0 중량% 미만, 더 바람직하게는 1.0 중량% 미만, 특히 바람직하게는 0.5 중량% 미만이다.
땜납 재료는 세라믹 본체 및 금속 포일과 접촉한다. 따라서, 땜납 재료는 바람직하게는 세라믹 본체와 금속 포일 사이에 위치된다. 예를 들어, 땜납 재료는 세라믹 본체 상에 제공될 수 있고, 이어서 금속 포일이 땜납 재료 상에 적용될 수 있다. 땜납 재료는 바람직하게는 융점이 700℃ 이상인 금속, 융점이 700℃ 미만인 금속, 및 활성 금속을 갖는 페이스트, 필름 및 침착물로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 재료이다. 따라서, 땜납 재료는 또한 상이한 조성의 2개 이상의 재료로부터 형성될 수 있다. 예를 들어, 세라믹 본체와 바람직하게는 직접 접촉하는 제1 재료는 활성 금속을 함유하는 금속 성분 (iii)을 가질 수 있고, 바람직하게는 제1 재료와 금속 포일 사이에 배열되는 제2 재료는 융점이 700℃ 이상인 금속을 함유하는 금속 성분 (i) 및 융점이 700℃ 미만인 금속을 함유하는 금속 성분 (ii)를 가질 수 있다.
땜납 재료는 페이스트일 수 있다. 페이스트는 바람직하게는 (a) 융점이 700℃ 이상인 금속, 융점이 700℃ 미만인 금속 및 활성 금속을 갖는 적어도 하나의 금속 성분, 및 (b) 유기 매질을 함유한다.
유기 매질은 바람직하게는 각각의 기술 분야에서 전형적으로 사용되는 유기 매질이다. 유기 매질은 바람직하게는 유기 결합제, 유기 분산 매질 또는 이들의 혼합물을 함유한다.
유기 결합제는 바람직하게는 가열 시 땜납 재료로부터 제거된다. 유기 결합제는 바람직하게는 열가소성 물질 또는 열경화성 물질을 포함한다. 유기 결합제의 예에는 셀룰로오스 유도체(예컨대, 에틸셀룰로오스, 부틸셀룰로오스 및 셀룰로오스 아세테이트), 폴리에테르(예컨대, 폴리옥시메틸렌) 및 아크릴 수지(예컨대, 폴리메틸 메타크릴레이트 및 폴리부틸렌 메타크릴레이트)가 포함된다.
유기 분산 매질은 바람직하게는 페이스트에 적합한 점도를 부여하고 페이스트의 건조 시 또는 가열 시 배출되는 유기 화합물이다. 유기 분산 매질은, 예를 들어, 지방족 알코올, 테르펜 알코올, 지환족 알코올, 방향족 환형 카르복실산 에스테르, 지방족 에스테르, 카르비톨 및 지방족 폴리올로부터 선택될 수 있다. 유기 분산 매질의 예에는 옥탄올, 데칸올, 테르피네올(예를 들어, 다이하이드로테르피네올), 사이클로헥산올, 다이부틸 프탈레이트, 카르비톨, 에틸카르비톨, 에틸렌 글리콜, 부탄다이올 및 글리세롤이 포함된다.
또한, 페이스트는 통상적인 첨가제를 함유할 수 있다. 이러한 첨가제의 예에는 무기 결합제(예를 들어, 유리 프릿), 안정제, 계면활성제, 분산제, 레올로지 개질제, 습윤 보조제, 소포제, 충전제 및 경질화제가 포함된다.
바람직한 실시 형태에 따르면, 융점이 700℃ 이상인 금속, 융점이 700℃ 미만인 금속 및 활성 금속을 갖는 적어도 하나의 금속 성분의 비율은 페이스트의 총 중량에 대해 20 내지 95 중량%, 더 바람직하게는 30 내지 95 중량%, 특히 바람직하게는 75 내지 95 중량%이다. 추가의 바람직한 실시 형태에 따르면, 유기 매질의 비율은 페이스트의 총 중량에 대해 5 내지 80 중량%, 더 바람직하게는 5 내지 70 중량%, 특히 바람직하게는 5 내지 25 중량%이다.
추가의 바람직한 실시 형태에 따르면, (a) 융점이 700℃ 이상인 금속, 융점이 700℃ 미만인 금속, 및 활성 금속을 갖는 적어도 하나의 금속 성분의 총 중량 대 (b) 유기 매질의 중량의 비는 5:1 이상, 특히 바람직하게는 7:1 이상, 특히 바람직하게는 8:1 이상이다. 추가의 바람직한 실시 형태에 따르면, (a) 융점이 700℃ 이상인 금속, 융점이 700℃ 미만인 금속, 및 활성 금속을 갖는 적어도 하나의 금속 성분의 총 중량 대 (b) 유기 매질의 중량의 비는 1:1 내지 20:1의 범위, 특히 바람직하게는 2:1 내지 20:1의 범위, 특히 바람직하게는 5:1 내지 15:1의 범위이다.
스택을 제공하기 위해, 페이스트를 바람직하게는 세라믹 본체의 표면 상에 적용한다. 페이스트는, 예를 들어 분산 공정 또는 인쇄 공정을 통해 적용될 수 있다. 적합한 인쇄 방법은, 예를 들어, 스크린 인쇄 방법, 잉크젯 인쇄 방법 및 오프셋 인쇄 방법이다. 페이스트는 바람직하게는 스크린 인쇄 방법을 통해 세라믹 본체의 표면 상에 적용된다.
페이스트 적용 후에, 페이스트를 필요에 따라 사전-건조시킬 수 있다. 사전-건조는 실온 또는 승온에서 일어날 수 있다. 사전-건조를 위한 조건은 페이스트에 함유된 유기 매질에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 사전-건조 온도는 50 내지 180℃의 범위일 수 있으며, 바람직하게는 80 내지 150℃의 범위이다. 사전-건조는 보통 2분 내지 2시간의 기간 동안, 바람직하게는 5분 내지 1시간의 기간 동안 일어난다.
후속하여, 금속 포일을 필요에 따라 사전-건조되는 페이스트 상에 그 표면이 있도록 적용하여 스택을 얻을 수 있다.
땜납 재료는 또한 필름일 수 있다.
필름은 (i) 융점이 700℃ 이상인 금속, (ii) 융점이 700℃ 미만인 금속, 및 (iii) 활성 금속을 포함한다. 또한, 필름은 예를 들어 적합한 결합제와 같은 추가 성분을 포함할 수 있다.
필름은, 예를 들어, 융점이 700℃ 이상인 금속, 융점이 700℃ 미만인 금속 및 활성 금속을 갖는 적어도 하나의 금속 성분, 및 선택적으로 추가의 구성성분을 균질화하고 이들을 융점이 700℃ 이상인 금속, 융점이 700℃ 미만인 금속 및 활성 금속의 용융 온도보다 낮지만 금속들 사이에 접합을 형성하기에 충분한 온도로 가열하여 얻어질 수 있다. 이 온도는 예를 들어 200℃ 이상일 수 있다.
대안적으로, 필름은, 예를 들어, 융점이 700℃ 이상인 금속, 융점이 700℃ 미만인 금속 및 활성 금속을 갖는 적어도 하나의 금속 성분과 결합제를 혼합하고 혼합물을 미가공체(green body)로 성형하고 가열하여 얻어질 수 있다. 가열 시, 결합제는 경화되어 금속들이 분포된 매트릭스를 형성할 수 있다.
스택을 제공하기 위해, 필름을 예를 들어 세라믹 상에 배치할 수 있다. 후속하여, 스택을 얻기 위해, 금속 포일을 세라믹 상에 위치된 금속 상에 그 표면이 있도록 적용할 수 있다.
추가의 실시 형태에 따르면, 땜납 재료는 침착물일 수 있다. 땜납 재료의 침착은 예를 들어 갈바니 침착 또는 화학 증착을 통해 발생할 수 있다. 땜납 재료의 침착은 바람직하게는 세라믹 본체 상에 발생한다. 그 후, 스택을 얻기 위해, 금속 포일을 세라믹 상에 침착된 땜납 재료 상에 적용할 수 있다.
스택의 가열은 바람직하게는 금속-세라믹 기재를 얻기 위해 일어난다. 바람직한 실시 형태에 따르면, 땜납 재료를 통해 세라믹 본체와 금속 포일 사이에 재료 접합을 형성하여 금속-세라믹 기재가 얻어지는 가열이 일어난다. 바람직하게는, 활성 금속이 세라믹 본체와 접합되고, 융점이 700℃ 이상인 금속, 융점이 700℃ 미만인 금속 및 금속 포일의 금속이 연결되어 합금을 형성한다는 점에서 재료 접합이 형성된다. 후속 고화 시, 땜납 재료를 통해 세라믹 본체와 금속 포일 사이에 재료 접합이 형성된다.
스택의 가열은 바람직하게는 세라믹 본체와 금속 포일 사이의 재료 결합이 땜납 재료를 통해 생성되는 방식으로 일어난다.
스택의 가열 시, 하기 조건 들 중 적어도 하나, 특히 바람직하게는 적어도 2가지(즉, 조건 b1과 조건 b2 또는 조건 b1과 조건 b3 또는 조건 b2와 조건 b3), 특히 바람직하게는 하기 조건들 모두가 충족된다:
b1) 스택이 가열 시 적어도 피크 온도 - 250℃에 상응하는 온도에 노출되는 지속시간을 지칭하는 고온 가열 지속시간이 60분 이하인 조건;
b2) 스택이 가열 시 적어도 피크 온도 - 50℃에 상응하는 온도에 노출되는 지속시간을 지칭하는 피크 온도 가열 지속시간이 30분 이하인 조건;
b3) 스택이 100℃의 온도에서 시작하여 피크 온도에 도달하는 데 필요한 기간을 나타내는 가열 지속시간이 60분 이하인 조건.
가열 시, 스택은 피크 온도로 가열된다. 피크 온도는 추가로 제한되지 않으며, 바람직하게는 융점이 700℃ 이상인 금속의 융점 이하이고 금속 포일의 금속의 융점 미만이다. 바람직한 실시 형태에 따르면, 피크 온도는 금속 포일의 금속의 융점보다 10℃ 이상, 특히 바람직하게는 50℃ 이상 더 낮다. 추가의 바람직한 실시 형태에 따르면, 피크 온도는 700℃ 이상이다. 피크 온도는 바람직하게는 700 내지 1100℃의 범위, 특히 바람직하게는 750 내지 1050℃의 범위, 특히 바람직하게는 800 내지 1000℃의 범위이다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 피크 온도는 열전쌍에 의해 스택에서 측정된 온도를 지칭한다. 이에 따라 피크 온도는 스택에서 측정된 최대 온도이다. 용융된 금속의 너무 높은 유동성으로 인한 용융된 금속의 과도한 수축 또는 삼출(oozing)과 같은 불리한 효과를 방지하기 위해, 당업자는 과도하게 높은 피크 온도를 피하려고 할 것이다.
가열 시, 스택은 가열 지속시간 동안 온도 충전(temperature charging)을 겪는다. 여기서, 가열 지속시간은 바람직하게는 스택이 가열 시 200℃ 이상의 온도에 노출되는 기간을 지칭한다. 가열 지속시간은 연결될 표면들의 습윤화 및 이들의 재료 이용가능성을 보장하기에 충분한 한 추가로 제한되지 않는다. 바람직한 실시 형태에 따르면, 가열 지속시간은 5분 이상, 특히 바람직하게는 10분 이상이다. 추가의 바람직한 실시 형태에 따르면, 가열 지속시간은 5시간 이하, 특히 바람직하게는 2시간 이하, 특히 바람직하게는 90분 이하이다. 가열 지속시간은 바람직하게는 5분 내지 5시간의 범위, 특히 바람직하게는 5분 내지 2시간의 범위, 특히 바람직하게는 10 내지 90분의 범위이다.
가열 시, 스택은 고온 가열 지속시간 동안 온도 충전을 겪는다. 여기서, 고온 가열 지속시간은 바람직하게는 스택이 가열 시 적어도 피크 온도 - 250℃에 상응하는 온도에 노출되는 지속시간을 지칭한다. 따라서, 900℃의 예시적인 피크 온도가 주어지면, 고온 가열 지속시간은 스택이 가열 시 적어도 650℃의 온도에 노출되는 지속시간에 상응한다. 바람직한 실시 형태(조건 b1)에 따르면, 고온 가열 지속시간은 60분 이하, 더 바람직하게는 50분 이하, 특히 바람직하게는 45분 이하, 특히 바람직하게는 40분 이하이다. 고온 가열 지속시간은 바람직하게는 2 내지 60분의 범위, 더 바람직하게는 3 내지 50분의 범위, 특히 바람직하게는 5 내지 45분의 범위, 특히 바람직하게는 10 내지 40분의 범위이다.
가열 시, 스택은 피크 온도 가열 지속시간 동안 온도 충전을 겪는다. 여기서, 피크 온도 가열 지속시간은 바람직하게는 스택이 가열 시 적어도 피크 온도 - 50℃에 상응하는 온도에 노출되는 지속시간을 지칭한다. 따라서, 900℃의 예시적인 피크 온도가 주어지면, 피크 온도 가열 지속시간은 스택이 가열 시 적어도 850℃의 온도에 노출되는 지속시간에 상응한다. 바람직한 실시 형태(조건 b2)에 따르면, 피크 온도 가열 지속시간은 30분 이하, 더 바람직하게는 25분 이하, 특히 바람직하게는 20분 이하, 특히 바람직하게는 15분 이하이다. 피크 온도 가열 지속시간은 바람직하게는 1 내지 30분의 범위, 더 바람직하게는 1 내지 25분의 범위, 특히 바람직하게는 2 내지 20분의 범위, 특히 바람직하게는 3 내지 15분의 범위이다.
추가의 특히 바람직한 실시 형태에 따르면, 고온 가열 지속시간은 10 내지 40분의 범위이고, 피크 온도 가열 지속시간은 3 내지 15분의 범위이다.
추가의 바람직한 실시 형태에 따르면, 피크 온도 가열 지속시간(분 단위) 대 가열 지속시간(분 단위)의 비는 1:2 이하이다. 피크 온도 가열 지속시간(분 단위) 대 가열 지속시간(분 단위)의 비는 바람직하게는 1:2 내지 1:15의 범위, 더 바람직하게는 1:2 내지 1:10의 범위, 특히 바람직하게는 1:2 내지 1:7의 범위, 특히 바람직하게는 1:3 내지 1:6의 범위이다. 놀랍게도, 명시된 범위 내의 피크 온도 가열 지속시간(분 단위) 대 가열 지속시간(분 단위)의 비가 주어지면 금속-세라믹 기재의 열 및 전류 전도도가 추가로 개선될 수 있는 것으로 밝혀졌다.
가열 시, 가열 지속시간 동안 온도 충전이 발생한다. 이에 따라 가열 지속시간은 바람직하게는 스택이 100℃의 온도에서 시작하여 피크 온도를 달성하는 데 필요한 기간을 나타낸다. 바람직한 실시 형태(조건 b3)에 따르면, 가열 지속시간은 60분 이하, 특히 바람직하게는 45분 이하, 특히 바람직하게는 30분 이하이다. 가열 지속시간은 바람직하게는 1 내지 60분의 범위, 더 바람직하게는 5 내지 45분의 범위, 특히 바람직하게는 10 내지 30분의 범위이다.
놀랍게도, 스택이 가열되고 조건 b1, 조건 b2 및 조건 b3 중 적어도 하나가 충족되어, 60분의 고온 가열 지속시간을 초과하지 않고/않거나, 30분의 피크 온도를 초과하지 않고/않거나, 60분의 가열 시간을 초과하지 않는 경우, 열 및 전류 전도도가 개선된 금속-세라믹 기재가 얻어질 수 있는 것으로 밝혀졌다.
이론에 구애되고자 함이 없이, 이는 스택이 제한된 에너지 투입만을 짧은 고온 가열 지속시간, 짧은 피크 온도 가열 지속시간 및/또는 짧은 가열 지속시간에 경험하며, 이러한 제한된 에너지 투입은 땜납 재료를 통해 세라믹 본체와 금속 포일 사이에 재료 접합을 생성하기에 충분하지만, 반면에 융점이 700℃ 이상인 금속 및 융점이 700℃ 미만인 금속의 금속 포일 내로의 과도한 확산을 피하도록 제한된다는 사실에 기인할 수 있다. 이러한 감소된 확산은 결국 완성된 금속-세라믹 기재에서 개선된 전류 및 열 전도도의 원인이 될 수 있다.
스택은 가열 구역에서 시작하여, 가열에 필요한 에너지 투입이 스택의 방향으로 발생한다는 점에서 바람직하게 가열된다. 바람직하게는, 활성 금속이 세라믹 본체와 접합되고, 융점이 700℃ 이상인 금속, 융점이 700℃ 미만인 금속 및 금속 포일의 금속이 연결되어 합금을 형성한다는 점에서 재료 접합이 형성된다. 후속 고화 시, 땜납 재료를 통해 세라믹 본체와 금속 포일 사이에 재료 접합이 형성된다.
스택 및 가열 구역의 배열은 추가로 제한되지 않는다.
스택 및 가열 구역은 각각 정적으로 배열될 수 있다.
다른 한편, 스택은 가열 동안 가열 구역을 통과하는 것이 바람직할 수 있다.
이러한 바람직한 실시 형태에 따르면, 땜납 재료를 통해 세라믹과 금속 포일 사이의 재료 접합이 형성될 수 있게 하는 가열 구역 조건이 우세하다. 가열 구역에 존재하는 온도 및 분위기는 바람직하게는 조정가능하다. 가열 구역은 바람직하게는 입구 및 출구를 갖는다. 가열 구역을 통과할 때, 스택은 바람직하게는 입구를 통해 가열 구역으로 들어가서 출구를 통해 가열 구역에서 빠져나간다. 입구는 바람직하게는 출구와 상이하다.
추가의 바람직한 실시 형태에 따르면, 스택 및 가열 구역은 스택이 가열 구역을 통과할 수 있도록 가열 구역의 위치에 대한 스택의 위치가 변경될 수 있도록 배열된다. 스택과 가열 구역 사이의 거리는 바람직하게는 가열 구역 통과 전에 감소하고, 가열 구역 통과 시 최소에 도달하고, 가열 구역 통과 후에 증가한다. 바람직한 실시 형태에 따르면, 스택과 가열 구역의 상대적인 이동이 일어나며, 여기서 스택과 가열 구역은 초기에는 서로에 대해 상대적인 이동을 수행하고 통과 후에는 서로 멀어지는 상대적인 이동을 실행한다. 이러한 목적을 위해, 스택은 고정 방식으로 배열되고 가열 구역은 이동가능하도록 배열될 수 있거나, 스택은 이동가능하도록 배열되고 가열 구역은 고정 방식으로 배열될 수 있거나, 또는 스택 및 가열 구역이 이동가능하도록 배열될 수 있다.
가열 구역 통과 시에, 따라서 스택은 바람직하게는 온도 충전을 겪는다. 따라서, 통과 시에, 스택은 세라믹 본체와 금속 포일 사이의 재료 접합의 형성에 필요한 온도 증가를 보장하는, 가열 구역으로부터의 거리에 있다.
놀랍게도, 스택이 가열 시 가열 구역을 통과하는 경우 개선된 열 및 전류 전도도를 갖는 금속-세라믹 기재가 얻어질 수 있는 것으로 밝혀졌다. 이론에 구애되고자 함이 없이, 이는 가열 구역 통과가 에너지 투입의 표적화된 제어를 가능하게 한다는 사실에 기인할 수 있다. 스택이 가열 구역을 통과하는 경우, 가열 구역 내의 온도 및 스택이 가열 구역을 통과하는 속도가 스택의 구조 및 치수와 이상적으로 일치될 수 있어서, 세라믹 본체와 금속 포일 사이의 재료 접합의 형성에 필요한 에너지 투입만 일어난다. 이는 과도하게 강한 에너지 투입을 방지하여, 금속 포일 내로의 융점이 700℃ 이상인 금속 및 융점이 700℃ 미만인 금속의 확산을 보통 증가시키고, 이는 궁극적으로 완성된 금속-세라믹 기재에서 전류 및 열 전도도의 감소를 유발할 수 있다. 또한, 가열 구역 통과 시 가열 구역에 포함된 가스(예를 들어, 불활성 가스) 및 온도의 균일한 분포가 보장된다. 결과적으로, 본 발명에 따른 방법을 사용하여 복수의 금속-세라믹 기재를 제조할 때, 통상적인 방법(예를 들어, 배치로(batch furnace)를 사용함)과 비교하여, 생성되는 금속-세라믹 기재의 품질 변동이 더 적다. 이와 관련하여, 스택이 가열 구역을 통과하는, 가열 구역 방향으로의 스택의 상대적인 이동이 (예를 들어, 배치로에서의) 고정식 가열에 비해 유리한 것으로 밝혀졌다.
특히 바람직한 실시 형태에 따르면, 스택의 가열은 노에서, 바람직하게는 연속로에서 일어난다.
노는 바람직하게는 가열 구역 및 캐리어 시스템을 갖는다. 스택은 바람직하게는 캐리어 시스템 상에 배열된다. 가열 구역 및 캐리어 시스템은 바람직하게는 스택이 가열 구역을 통과하는 동안 스택의 가열을 허용하도록 가열 구역의 위치에 대한 스택의 위치가 변경될 수 있도록 설계된다. 따라서, 가열 구역 및 캐리어 시스템은 바람직하게는 스택과 가열 구역 사이의 거리가, 가열 구역 통과 시 거리가 최소로 될 때까지는 감소될 수 있고, 가열 구역 통과 후에는 거리가 증가될 수 있는 방식으로 설계된다. 바람직한 실시 형태에 따르면, 따라서 가열 구역 및 캐리어 시스템은, 스택과 가열 구역이 초기에는 서로에 대해 상대적인 이동을 수행하고 통과 후에는 서로 멀어지는 상대적인 이동을 실행하도록 하는 상대적인 이동을 위해 설계된다.
노는 바람직하게는 연속로일 수 있다. 바람직한 실시 형태에 따르면, 스택의 가열은 따라서 연속로에서 일어나며, 여기서 스택은 가열 시 연속로의 가열 구역을 통과한다. 연속로는 바람직하게는 적어도 하나의 가열 구역, 및 예를 들어 회전 컨베이어 체인, 운송 시스템 롤러, 또는 가열 구역을 통해 작업물을 운송할 수 있는 캐리어 시스템으로서의 운송 슬라이드 시스템을 갖는다. 가열 구역 전 및 가열 구역 후의 운송 방향으로, 추가 구역이 연속로 내에 위치될 수 있다. 따라서, 연속로에서 가열 구역 후에 냉각 구역이 위치되는 것이 유리할 수 있다. 더욱이, 가스(예를 들어, 질소와 같은 불활성 가스)를 구역에 공급할 수 있는 가스 입구 및 가스 출구가 가열 구역 및 선택적으로 존재하는 추가 구역에 위치하는 것이 유리할 수 있다. 이러한 연속로는 종래 기술로부터 충분히 알려져 있다(예를 들어, 독일 특허 제4008979 C1호 및 유럽 특허 제0085914 A2호 참조).
본 발명에 따른 방법의 바람직한 실시 형태에 따르면, 스택은 초기에 기재 상에 적용된다. 기재는 예를 들어 탄화규소로 제조될 수 있다. 탄화규소로 제조된 기재에는 추가 코팅, 예를 들어, 흑연 포일이 제공될 수 있다.
바람직하게는 기재 상에 배열된 스택은 후속적으로 바람직하게는 캐리어 시스템, 예를 들어 컨베이어 벨트 상에 배치된다. 컨베이어 벨트는, 예를 들어, 연속로의 컨베이어 체인, 수송 롤러 시스템 또는 수송 슬라이드 시스템일 수 있다.
바람직한 실시 형태에 따르면, 스택은 캐리어 시스템 상에서 가열 구역을 통과한다. 캐리어 시스템은 바람직하게는 예를 들어 롤러를 통해 구동된다.
비-산화 분위기가 바람직하게는 가열 구역에 존재한다. 비-산화 분위기는 바람직하게는 불활성 가스 분위기이다. 질소 분위기, 헬륨 분위기 또는 아르곤 분위기가 바람직하게는 가열 구역에 존재한다. 특히 바람직한 실시 형태에 따르면, 질소 분위기가 가열 구역에 존재한다. 비-산화 분위기 중 반응성 가스, 특히 산소의 비율은 바람직하게는 1000 ppm 미만, 더 바람직하게는 500 ppm 미만, 특히 바람직하게는 40 ppm 미만이다.
금속-세라믹 기재를 얻기 위한 땜납 재료를 통한 세라믹 본체와 금속 포일 사이의 재료 접합의 형성은 바람직하게는 스택의 가열 시에 발생한다. 금속-세라믹 기재는 필요에 따라 추가 처리 단계를 거칠 수 있다. 예를 들어, 금속-세라믹 기재, 바람직하게는 금속-세라믹 기재의 금속 포일의 노출된 표면은 폴리싱될 수 있다. 금속-세라믹 기재의 금속 포일의 표면은 바람직하게는 물리적으로 또는 화학적으로 폴리싱된다. 금속-세라믹 기재는 또한 구조화될 수 있다. 예를 들어, 금속-세라믹 기재에는 전도체 트레이스가 제공될 수 있다. 전도체 트레이스는 바람직하게는 에칭에 의해 생성된다.
본 발명에 따라 제조된 금속-세라믹 기재는 특히 파워 일렉트로닉스 분야에서, 전자공학 응용에 사용될 수 있다.
예시적인 실시 형태:
실시예에서, 다양한 조건 하에 금속-세라믹 기재를 제조하였다. 세라믹 본체, 금속 포일, 및 세라믹 본체 및 금속 포일과 접촉하는 땜납 재료를 함유하는 각각의 스택을 제공하고 후속하여 가열하였다. 땜납 재료는 금속으로서 구리, 주석 및 티타늄을 함유하는 표준 페이스트였다. 이어서, 전류 및 열 전도도를 정성적으로 평가하였다. 다른 재료 조합으로도 비견되는 결과를 달성할 수 있다.
실시예 1:
금속-세라믹 기재의 제조를 위해, 31.67 중량%의 SnCu0.7 분말, 7.24 중량%의 수소화티타늄 및 9.50 중량%의 텍사놀(Texanol) 함유 유기 비히클을 스탠드 믹서에서 35 ㎐에서 20분 동안 초기에 혼합하였다. 그 후에, 51.59 중량%의 구리 분말을 증분식으로 첨가하였다. 이렇게 생성된 혼합물을 균질한 페이스트가 얻어질 때까지 고속으로 교반하였다.
이러한 방식으로 생성된 페이스트로, 세라믹 본체를 그의 대향하는 표면 상에서 구리 포일에 양면에서 결합시켰다. 이러한 목적을 위해, 전면 및 후면이 동일하게 획득되는 치수 177.8 x 139.7 x 0.32 mm의 각각의 세라믹 본체(도시바 머티리얼스(Toshiba Materials)로부터 입수함)를 사용하였다. 페이스트를 165 메시(mesh) 스크린에 의해 이러한 세라믹 본체의 후면 상에 치수 137 x 175 ㎟의 영역에 스크린 인쇄하고 125℃에서 15분 동안 사전-건조시켰다. 사전-건조 후 페이스트 두께는 35 +/- 5 μm였다. 그 후에, 이렇게 생성된 배열을 회전시키고, 페이스트를 마찬가지로 세라믹 본체의 전면 상에 인쇄하고 사전-건조시켰다. 후속하여, 양면에 페이스트가 제공된 세라믹에, 순도가 99.99%이고 치수가 174 x 137 x 0.3 mm인 산소-무함유, 고 전도성 구리로 제조된 구리 포일을 양면에 제공하여 하기 구조를 갖는 스택을 얻었다: 구리 포일 / 사전-건조된 페이스트 / 세라믹 / 사전-건조된 페이스트 / 구리 포일.
이어서, 스택을 연속로에서 가열하였다. 이를 위해, 흑연 포일이 적용된 탄화규소 플레이트를 먼저 연속로의 컨베이어 체인 상에 배치하였다. 스택을 흑연 포일 상에 놓고, 이어서 이러한 스택을 추가의 흑연 포일로 덮고, 추가의 탄화규소 플레이트(중량 = 600 g)를 가중하였다. 후속하여, 구조체를 컨베이어 체인 상에서 연속로의 가열 구역을 통해 운송하였다. 피크 온도(템퍼러추어 메셀레먼테 헤트스테트 게엠베하(Temperatur Messelemente Hettstedt GmbH) 사로부터의 타입 K 열전쌍으로 스택에서 측정됨)는 935℃였고 가열 지속시간은 17분이었다. 가열 지속시간은 29.5분이었고, 고온 가열 지속시간은 13분이었고, 피크 온도 가열 지속시간은 6.5분이었다. 이렇게 얻어진 금속-세라믹 기재를 후속하여 실온으로 냉각시켜, 접합 층을 통해 양면에서 구리 층에 연결된 세라믹 층을 포함하는 금속-세라믹 기재를 얻었다.
실시예 2
가열 파라미터를 변경하여, 실시예 1과 유사하게 실시예 2를 구현하였다. 피크 온도(템퍼러추어 메셀레먼테 헤트스테트 게엠베하 사로부터의 타입 K 열전쌍으로 스택에서 측정됨)는 910℃였고 가열 지속시간은 21.5분이었다. 가열 지속시간은 41분이었고, 고온 가열 지속시간은 17분이었고, 피크 온도 가열 지속시간은 7분이었다.
비교예:
비교예를 실시예 1과 유사하게 수행하였지만, 스택을 연속로 대신에 배치로에서 가열하였다. 피크 온도(템퍼러추어 메셀레먼테 헤트스테트 게엠베하 사로부터의 타입 K 열전쌍으로 스택에서 측정됨)는 910℃였고 가열 지속시간은 230분이었다. 가열 지속시간은 380분이었고, 고온 가열 지속시간은 120분이었고, 피크 온도 가열 지속시간은 35분이었다. 이렇게 얻어진 금속-세라믹 기재를 후속하여 실온으로 냉각시켜, 접합 층을 통해 양면에서 구리 층에 연결된 세라믹 층을 포함하는 금속-세라믹 기재를 얻었다.
후속하여, 예에서 얻어진 금속-세라믹 기재의 열 및 전류 전도도를 하기와 같이 평가하였다:
Figure pat00001
금속-세라믹 기재의 전도도는 본 발명에 따른 방법의 주어진 응용을 현저하게 개선할 수 있는 것으로 밝혀졌다. 이론에 구애되고자 함이 없이, 이는 주어진 통상적인 방법의 경우보다 본 발명에 따른 방법에서 융점이 700℃ 미만인 금속(실시예에서, 주석)이 금속 포일 내로 덜 깊게 침투한다는 사실에 기인할 수 있었다. 따라서, 주어진 통상적인 방법의 경우보다 본 발명에 따른 방법에서 융점이 700℃ 미만인 금속(실시예에서, 주석)이 금속 포일 내로 덜 깊게 침투하는 것으로 나타날 수 있었다. 실시예 1 및 실시예 2에서 수득된 금속-세라믹 기재에 대해, 깊이 프로파일 분석은 비교예의 금속-세라믹 기재와 비교하여 30% 초과만큼 감소된 구리 포일 내로의 주석의 확산을 나타내었다. 결과적으로, 실시예 1 및 실시예 2에서, 완성된 금속-세라믹 기재의 전도도가 덜 강하게 손상된다.

Claims (14)

  1. 금속-세라믹 기재(substrate)를 제조하는 방법으로서,
    a)
    a1) 세라믹 본체,
    a2) 금속 포일, 및
    a3) 상기 세라믹 본체 및 상기 금속 포일과 접촉하며
    (i) 융점이 700℃ 이상인 금속,
    (ii) 융점이 700℃ 미만인 금속, 및
    (iii) 활성 금속을 포함하는 땜납 재료를 함유하는 스택을 제공하는 단계, 및
    b) 하기 조건들 중 적어도 하나가 충족되는, 상기 스택을 가열하는 단계를 포함하는, 방법:
    b1) 상기 스택이 가열 시 적어도 피크 온도 - 250℃에 상응하는 온도에 노출되는 지속시간을 지칭하는 고온 가열 지속시간이 60분 이하인 조건;
    b2) 상기 스택이 가열 시 적어도 피크 온도 - 50℃에 상응하는 온도에 노출되는 지속시간을 지칭하는 피크 온도 가열 지속시간이 30분 이하인 조건;
    b3) 상기 스택이 100℃의 온도에서 시작하여 피크 온도에 도달하는 데 필요한 기간을 나타내는 가열 지속시간이 60분 이하인 조건.
  2. 제1항에 있어서, 상기 세라믹 본체의 세라믹은 질화알루미늄 세라믹, 질화규소 세라믹, 및 산화알루미늄 세라믹으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 금속 포일의 금속은 구리인 것을 특징으로 하는, 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 땜납 재료는 (a) 융점이 700℃ 이상인 금속, 융점이 700℃ 미만인 금속, 및 활성 금속을 갖는 적어도 하나의 금속 성분, 및 (b) 유기 매질을 포함하는 페이스트인 것을 특징으로 하는, 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 융점이 700℃ 이상인 상기 금속은 구리인 것을 특징으로 하는, 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 융점이 700℃ 미만인 상기 금속은 주석, 비스무트, 인듐, 갈륨, 아연, 안티몬 및 마그네슘으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 활성 금속은 하프늄, 티타늄, 지르코늄, 니오븀, 탄탈럼, 바나듐 및 세륨으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 은의 비율이 상기 땜납 재료의 총 금속 중량에 대해 3.0 중량% 미만인 것을 특징으로 하는, 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스택은 가열 동안 가열 구역을 통과하는 것을 특징으로 하는, 방법.
  10. 제9항에 있어서, 비-산화 분위기가 상기 가열 구역에 존재하는 것을 특징으로 하는, 방법.
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서, 질소 분위기가 상기 가열 구역에 존재하는 것을 특징으로 하는, 방법.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가열은 연속로(continuous furnace)에서 일어나는 것을 특징으로 하는, 방법.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 피크 온도는 700 내지 1100℃의 범위인 것을 특징으로 하는, 방법.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가열 지속시간은 5시간 이하인 것을 특징으로 하며, 상기 가열 지속시간은 상기 스택이 가열 시 200℃ 이상의 온도에 노출되는 지속시간과 관련되는, 방법.
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