TW201920050A - 連接金屬或金屬混合箔與通孔之厚膜膠媒介陶瓷 - Google Patents

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Abstract

本發明描述一種製備與金屬箔連接之陶瓷基板的方法。此外描述一種設置有厚膜層之金屬-陶瓷基板及厚膜膠之用於將金屬箔連接至陶瓷基板上的用途。根據本發明之金屬-陶瓷基板在陶瓷中設置有至少一個垂直通孔(介層孔)以便允許電路互連。

Description

連接金屬或金屬混合箔與通孔之厚膜膠媒介陶瓷
本發明係關於一種製備經由厚膜層與金屬箔連接之陶瓷基板的方法。此外，本發明係關於一種在陶瓷基板與金屬箔之間設置有特定厚膜層的金屬-陶瓷基板及厚膜膠之用於將金屬箔連接至陶瓷基板上之用途。根據本發明之金屬-陶瓷基板在陶瓷中設置有至少一個垂直通孔(介層孔)以便允許陶瓷基板之一側與陶瓷基板之另一側的電路互連。
在汽車、特別是電動車或混合動力車之電力微電子應用領域，具有高載流量及高耐久性之電子電路的使用需求很高。為此，需要使用具有高載流量之高導電材料，諸如銅。同時，相應材料應該具有高散熱(熱移除)能力。此外，相應材料必須經由連接線進行適當的連接，具有良好的可焊性，且應該具有藉由無電流鍍敷進行氧化保護的可能性。
在DCB技術中，用共晶熔體將銅箔連接至陶瓷基板上。此製程技術存在一些缺點，諸如大量廢品，在陶瓷基板與銅箔之間產生空腔，且耐溫度變化性相對較低(這導致在一些熱循環之後分層)。例如在DE 10 2010 025 313 A中描述了相應的技術，其中將金屬與此金屬之氧化物的混合物施加在陶瓷基板上，隨後經由DCB製程對其進行連接。另一方面，亦已知基於厚印刷技術製備之基板。此等基板具有生產成本高及由燒結層之多孔性引起的低電子電導率及熱導率的缺點。
從該先前技術情況出發，本發明之第一目標為提供一種避免上文所提及之缺點的金屬-陶瓷基板。
在第二態樣中，本發明應該允許陶瓷基板之一側與陶瓷基板之另一側的簡單電路互連。
在第一態樣中，此等目標藉由一種製備結構化金屬-陶瓷基板之方法來解決，該方法之特徵在於以下方法步驟： (1.1) 將厚膜膠施加至陶瓷基板上； (1.2) 將金屬箔施加至陶瓷基板之厚膜層上；及 (1.3) 經由厚膜層連接金屬箔與陶瓷基板。
在本發明之第二態樣中，基礎目標藉由一種金屬-陶瓷基板解決，其包含 (a) 陶瓷基板，且其上設置 (b) 含金屬厚膜層，且其上設置 (c) 金屬箔。
在此方法中，相應地在根據本發明之此金屬-陶瓷基板中，陶瓷基板設置有至少一個通孔(介層孔)，其允許陶瓷基板之一側與陶瓷基板之另一側的電路互連。
在本發明之情形下，通孔(介層孔)一般意謂陶瓷基板之完全穿透該層的區域，換言之，從陶瓷基板之一個表面側到陶瓷基板之另一個表面側，且係由固體材料製成且經由陶瓷材料(=導電材料)層產生電連接及/或熱連接。
因為陶瓷基板設置有厚膜膠，厚膜膠通常藉由印刷步驟施加(如後面詳細地概述)，所以穿過陶瓷絕緣體之垂直通孔(介層孔)可以簡單方式提供。
根據本發明，已經進一步發現，基於厚膜技術，有可能提供用於電力電子學領域之基板，其中金屬箔經由金屬之厚膜膠連接至陶瓷基板(諸如Al2 O3 陶瓷、AlN陶瓷或Si3 N4 陶瓷)上。所得金屬-陶瓷基板具有高傳導性及高耐久性，且生產成本下降。
首先描述上文所提及之用於製備結構化金屬-陶瓷基板之方法。因此，根據本發明之方法可以在兩個實施例中進行：
所主張方法之第一實施例 在根據本發明之第一實施例的方法中，在第一方法步驟中，將厚膜膠施加至陶瓷基板上。
第一態樣 ： 厚膜膠之不連續施加 在所主張方法之第一態樣中，可將厚膜膠不連續地施加至陶瓷基板上，使得厚膜膠僅施加在陶瓷基板之對應於最終金屬-陶瓷基板之既定電子電路的彼等部分上。
在此第一態樣中，之後可以將金屬箔連續地施加在陶瓷基板之整個厚膜層上。此後，使金屬箔與陶瓷基板連接，且隨後例如藉由蝕刻進行結構化。
在此第一態樣中，金屬箔亦可不連續地施加於僅在陶瓷基板之施加厚膜膠之彼等部分上的厚膜層上。
第二態樣 ： 厚膜膠之連續施加 在根據本發明之方法的另一第二態樣中，將厚膜膠連續地施加至陶瓷基板上。
在此第二態樣中，金屬箔可以連續地施加於陶瓷基板之整個厚膜層上且金屬箔及厚膜層在連接之後例如藉由蝕刻進行結構化。
在此第二態樣中，金屬箔亦可不連續地僅施加在陶瓷基板之對應於最終金屬-陶瓷基板之既定電子電路的彼等部分上。在此情況下，厚膜層在連接後例如藉由蝕刻進行結構化。
在將厚膜膠施加至陶瓷基板上之後，可以在將金屬箔施加至厚膜層上之前對厚膜膠進行空氣乾燥。
在將厚膜膠施加至陶瓷基板上之後，亦可在施加金屬箔之前燒結厚膜膠。此類燒結製程可以藉由低於1025℃之溫度進行。燒結製程較佳藉由在300℃至1025℃範圍內、更佳在600℃至1025℃範圍內、更佳在900℃至1025℃範圍內、更佳在900℃至小於1025℃範圍內、更佳在900℃至1000℃範圍內之溫度進行。
燒結/燒製導電膠可從濕膜移除有機組分且確保厚膜銅良好連接至基板。相比於標準DCB製程，燒製導電膜之黏著在遠低於Cu-O共晶熔融溫度下形成。塊狀Cu箔與此燒製導電膜之連接隨後藉由純金屬對金屬燒結製程進行。因此，此製程不同於例如DE 10 2010 025 313 A中所述之製程。
在將厚膜膠施加至陶瓷基板上之後，亦可在將金屬箔施加至厚膜層上之前對厚膜膠進行空氣乾燥及燒結。燒結條件如上文所描述。
所施加厚膜膠之燒結製程通常在惰性氛圍下，諸如在氮氣氛圍下進行。
所主張方法之第二實施例 在根據本發明之第二實施例之進一步改良的用於製備結構化金屬-陶瓷基板之方法中，改良的所主張方法包含以下方法步驟： (2.1) 將厚膜膠施加至金屬箔上； (2.2) 將陶瓷基板施加至金屬箔之厚膜層上；及 (2.3) 經由厚膜層連接金屬箔與陶瓷基板。
在此改良方法中，厚膜膠可以藉由網版印刷塗佈至金屬箔基板上。
在將厚膜膠施加至金屬箔上之後，亦可在將金屬箔施加至陶瓷上之前對厚膜膠進行空氣乾燥。
在根據本發明之改良方法中，在經由厚膜層將金屬箔連接至陶瓷基板上之前或之後，藉由蝕刻對金屬箔及厚膜膠進行結構化。
針對所主張方法之兩個實施例給出以下解釋 ： 厚膜膠可以藉由多層印刷施加至基板或金屬箔上。若施加多層塗層之方法步驟且將厚膜膠施加至基板上，則多層塗層之第一塗層可以設置有接觸線。
在用於製備結構化金屬-陶瓷基板之兩種方法中，亦即普通方法及改良方法，連接步驟(1.3)及/或(2.3)藉由燒製進行。燒製通常在750℃與1100℃之間、更佳在800℃與1085℃之間的溫度下進行。在此等連接步驟中，金屬箔經由厚膜膠連接至陶瓷基板，基本上不施加DCB製程，因為金屬箔係與藉由厚膜膠提供之層而非與陶瓷基板接觸。
在根據本發明之方法的兩個實施例中，金屬箔可以在經由厚膜層連接至陶瓷基板之前氧化。在本發明之另一實施例中，金屬箔在經由厚膜層連接至陶瓷基板之前不氧化。
在根據兩個實施例之進一步改良的所主張方法中，可以在將金屬箔連接至陶瓷基板上之前氧化厚膜層。在本發明之另一實施例中，在將金屬箔連接至陶瓷基板上之前不氧化厚膜層。
將金屬箔連接至設置有厚膜層之陶瓷基板上的方法步驟(1.3)及/或(2.3)可以在壓力下進行。
在根據本發明之兩個實施例中，金屬箔較佳為銅箔。
在本發明之另一態樣中，陶瓷基板可選自由Al2 O3 陶瓷、AlN陶瓷及Si3 N4 陶瓷組成之群，其中陶瓷基板設置有至少一個垂直通孔(介層孔)，以便允許陶瓷基板之一側與陶瓷基板之另一側的電路互連。
陶瓷基板中之一個或若干個通孔將允許陶瓷基板之一側與陶瓷基板之另一側之間的電路互連，因為通孔經導電材料填充。
通孔(介層孔)在陶瓷基板中可以藉由例如雷射鑽孔及將導電材料、例如金屬材料填充至通孔中而形成。
通孔(介層孔)一般在將厚膜膠施加至陶瓷基板之前提供，亦即，在實施步驟(1.1)、相應地實施步驟(2.2)之前。
此導電材料可包含銅或銀。
在本發明之第一態樣中，通孔之此導電材料係由用作陶瓷基板與金屬箔之間之中間層的厚膜膠提供。此材料描述於下文中(參見章節「厚膜膠」)。
在本發明之第二態樣中，用於填充通孔之銅膠可以與用於媒介銅箔連接之膠具有不同組成。通孔填充膠尤其可以包含用於在燒製製程期間控制膠之收縮率的額外填充劑，如SiO2 。
通孔可以具有環形截面。通孔之外側直徑可以在0.1 mm至1 mm、特別是0.3 mm至0.7 mm範圍內。特定言之，通孔之高度與寬度之比係在0.01至3範圍內，較佳在0.3至3範圍內。
根據本發明之一實施例，通孔可以經導電材料完全或部分地填充。導電材料可以按使得通孔不完全被材料填充，而是材料僅以小於通孔直徑之一半的厚度覆蓋通孔之壁的方式填充至通孔中。通孔較佳可以完全填充。
由厚膜膠製備之金屬化物層與通孔連接件電連接。在厚膜膠僅設置於陶瓷基板之一側的情況下，另一側用替代性導電元件連接通孔。
厚膜膠 下面更詳細地描述可用於根據本發明之兩個實施例的方法中之厚膜膠：
根據本發明之方法中(普通方法中或改良方法中)所用的厚膜膠可包含銅作為金屬且視情況包含Bi2 O3 。
厚膜膠包含較佳40重量%至92重量%銅，更佳40重量%至小於92重量%銅，更佳70重量%至小於92重量%銅，最佳75重量%至90重量%銅，各自以厚膜膠之總重量計。
厚膜膠包含較佳0至50重量% Bi2 O3 ，更佳1重量%至20重量% Bi2 O3 ，最佳2重量%至15重量% Bi2 O3 ，各自以厚膜膠之總重量計。
厚膜膠中所用之銅粒子所具有的中值直徑(d50 )較佳在0.1至20 µm之間、更佳在1與10 µm之間、最佳在2與7 µm之間。
視情況用於厚膜膠中之Bi2 O3 粒子所具有之中值直徑(d50 )較佳小於100 µm、更佳小於20 µm、最佳小於10 µm。
在本發明之另一實施例中，含金屬厚膜膠可包含銅及玻璃組分。
在同時使用玻璃組分之情況下，厚膜膠中之銅之量可以如上文所定義，亦即，銅量較佳為40重量%至92重量%、更佳為40重量%至小於92重量%，銅量更佳為70重量%至小於92重量%，銅量最佳為75重量%至90重量%，各自以厚膜膠之總重量計。
在厚膜膠中使用玻璃組分之情況下，厚膜膠包含較佳0至20重量%、更佳0至5重量%之玻璃組分，各自以厚膜膠之總重量計。
在厚膜膠中使用玻璃組分之情況下，銅粒子可以具有與上文所提及相同的中值直徑(d50 )，亦即較佳在0.1至20 µm之間，更佳在1與10 µm之間，最佳在2與7 µm之間。
在厚膜膠中使用玻璃組分之情況下，玻璃組分粒子可以具有的中值直徑(d50 )為小於100 µm，更佳小於20 µm，最佳小於10 µm。
含金屬厚膜膠，較佳在銅之基礎上，可包含除玻璃組分及Bi2 O3 以外的其他組分，該等其他組分選自由PbO、TeO2 、Bi2 O3 、ZnO、B2 O3 、Al2 O3 、TiO2 、CaO、K2 O、MgO、Na2 O、ZrO2 、Cu2 O、CuO及Li2 O組成之群。
如上文所述，含金屬厚膜膠，較佳在銅之基礎上，可包含SiO2 。
在將厚膜膠施加至陶瓷基板上或金屬箔上之後，層厚度較佳為5至150 µm、更佳為20至125 µm、最佳為30至100 µm。
在本發明之一較佳實施例中，厚膜膠中之氧化銅之量為小於2重量%、更佳小於1.9重量%、更佳小於1.8重量%、更佳小於1.5重量%。
金屬 - 陶瓷基板 在另一態樣中，本發明係關於一種金屬-陶瓷基板，其包含 (a) 陶瓷基板，且其上設置 (b) 含金屬厚膜層，且其上設置 (c) 金屬箔。
金屬箔及/或含金屬厚膜層可以結構化。
設置於陶瓷基板上之厚膜層較佳包含銅作為金屬且視情況包含Bi2 O3 。
厚膜膠包含較佳40重量%至92重量%銅，更佳40重量%至小於92重量%銅，更佳70重量%至小於92重量%銅，最佳75重量%至90重量%銅，各自以厚膜膠之總重量計。
厚膜膠包含較佳0至50重量% Bi2 O3 ，更佳1重量%至20重量% Bi2 O3 ，最佳2重量%至15重量% Bi2 O3 ，各自以厚膜膠之總重量計。
厚膜膠中所用之銅粒子所具有的中值直徑(d50 )較佳在0.1至20 µm之間、更佳在1與10 µm之間、最佳在2與7 µm之間。
視情況用於厚膜膠中之Bi2 O3 粒子所具有之中值直徑(d50 )較佳小於100 µm、更佳小於20 µm、最佳小於10 µm。
在本發明之另一實施例中，含金屬厚膜膠可包含銅及玻璃組分。
在同時使用玻璃組分之情況下，厚膜膠中之銅之量可以如上文所定義，亦即，銅量較佳為40重量%至92重量%，銅量更佳為70重量%至92重量%，銅量最佳為75重量%至90重量%，各自以厚膜膠之總重量計。
在厚膜膠中使用玻璃組分之情況下，厚膜膠包含較佳0至50重量%、更佳1重量%至20重量%、最佳2重量%至15重量%之玻璃組分，各自以厚膜膠之總重量計。
在厚膜膠中使用玻璃組分之情況下，銅粒子可以具有與上文所提及相同的中值直徑(d50 )，亦即較佳在0.1至20 µm之間，更佳在1與10 µm之間，最佳在2與7 µm之間。
在厚膜膠中使用玻璃組分之情況下，玻璃組分粒子可以具有的中值直徑(d50 )為小於100 µm，更佳小於20 µm，最佳小於10 µm。
含金屬厚膜膠可包含除玻璃組分及Bi2 O3 以外的其他組分，該等其他組分選自由PbO、TeO2 、Bi2 O3 、ZnO、B2 O3 、Al2 O3 、TiO2 、CaO、K2 O、MgO、Na2 O、ZrO2 、Cu2 O、CuO及Li2 O組成之群。
厚膜膠之層厚度較佳為10至150 µm、更佳20至125 µm、最佳30至100 µm。
金屬箔較佳為銅箔。
在本發明之另一態樣中，陶瓷可選自由Al2 O3 陶瓷、AlN陶瓷及Si3 N4 陶瓷組成之群。
根據本發明之金屬-陶瓷基板較佳可以根據上文所提及之方法製備。
在另一態樣中，本發明係關於上文所提及之厚膜膠之用於製備金屬-陶瓷基板的用途，其係用作陶瓷基板與金屬箔之間的中間層。上文所提及之厚膜係為了避免基板及金屬箔之所得系統在操作過程中因熱循環分層而使用。
設置於陶瓷基板上之厚膜層較佳包含銅作為金屬且視情況包含Bi2 O3 。
厚膜膠包含較佳40重量%至92重量%銅，更佳40重量%至小於92重量%銅，更佳70重量%至小於92重量%銅，最佳75重量%至90重量%銅，各自以厚膜膠之總重量計。
厚膜膠包含較佳0至50重量% Bi2 O3 ，更佳1重量%至20重量% Bi2 O3 ，最佳2重量%至15重量% Bi2 O3 ，各自以厚膜膠之總重量計。
厚膜膠中所用之銅粒子所具有的中值直徑(d50 )較佳在0.1至20 µm之間、更佳在1與10 µm之間、最佳在2與7 µm之間。
視情況用於厚膜膠中之Bi2 O3 粒子所具有之中值直徑(d50 )較佳小於100 µm、更佳小於20 µm、最佳小於10 µm。
在本發明之另一實施例中，含金屬厚膜膠可包含銅及玻璃組分。
在同時使用玻璃組分之情況下，厚膜膠中之銅之量可以如上文所定義，亦即，銅量較佳為40重量%至92重量%，銅量更佳為70重量%至92重量%，銅量最佳為75重量%至90重量%，各自以厚膜膠之總重量計。
在厚膜膠中使用玻璃組分之情況下，厚膜膠包含較佳0至50重量%、更佳1重量%至20重量%、最佳2重量%至15重量%之玻璃組分，各自以厚膜膠之總重量計。
在厚膜膠中使用玻璃組分之情況下，銅粒子可以具有與上文所提及相同的中值直徑(d50 )，亦即較佳在0.1至20 µm之間，更佳在1與10 µm之間，最佳在2與7 µm之間。
在厚膜膠中使用玻璃組分之情況下，玻璃組分粒子可以具有的中值直徑(d50 )為小於100 µm，更佳小於20 µm，最佳小於10 µm。
含金屬厚膜膠可包含除玻璃組分及Bi2 O3 以外的其他組分，該等其他組分選自由PbO、TeO2 、Bi2 O3 、ZnO、B2 O3 、Al2 O3 、TiO2 、CaO、K2 O、MgO、Na2 O、ZrO2 、Cu2 O、CuO及Li2 O組成之群。
厚膜膠之層厚度較佳為10至150 µm、更佳20至125 µm、最佳30至100 µm。
金屬箔較佳為銅箔。
參考附圖進一步說明本發明。
圖1顯示具有陶瓷基板2的DCB基板1。在陶瓷基板2上設置厚膜膠3。在此厚膜膠3上施加銅箔4。在陶瓷基板2中設置通孔5。
參照以下實例更詳細地描述本發明：
實例 厚膜膠材料由以下玻璃組合物(以重量%計)開始製備： 媒劑調配物 膠調配物
由此等膠調配物開始，陶瓷金屬基板藉由將膠以40 µm之厚度印刷在Al2 O3 陶瓷基板上而製備。將膠在烘箱中在110℃下乾燥10分鐘且在950℃下燒結10分鐘，隨後將厚度300 µm之Cu箔施加至經乾燥之膠上且將複合物在烘箱中在1040℃下燒製150分鐘。
為了比較，由與膠之實例相同的陶瓷基板及相同的Cu箔開始，但是使用160分鐘連接時間及在1078℃範圍內之峰值溫度4分鐘的標準DCB製程製備陶瓷金屬基板。此陶瓷基板4包含藉由傳統DCB製程製備之用於電源組件4之區域4b。Al2 O3 陶瓷基板包含通孔，該通孔係藉由雷射剝蝕陶瓷基板且用與上文所述相同的膠填充所得直徑約400 μm之孔而製備。
使成品金屬陶瓷基板經歷熱循環(在-40℃下15分鐘，15秒轉移時間，在+150℃下15分鐘)。測試結果可見於下表中。
1‧‧‧DCB基板
2‧‧‧陶瓷基板
3‧‧‧厚膜膠
4‧‧‧銅箔/電源組件
5‧‧‧通孔
圖1顯示根據本發明之DCB基板。

Claims (19)

  1. 一種製備結構化金屬-陶瓷基板之方法，其特徵在於以下方法步驟： (1.1) 將厚膜膠施加至陶瓷基板上； (1.2) 將金屬箔施加至該陶瓷基板之該厚膜層上；及 (1.3) 經由該厚膜層連接該金屬箔與該陶瓷基板； 其特徵在於 該陶瓷基板包含至少一個垂直通孔(介層孔)。
  2. 一種製備結構化金屬-陶瓷基板之方法，其特徵在於以下方法步驟： (2.1) 將厚膜膠施加至金屬箔上； (2.2) 將陶瓷基板施加至該金屬箔之該厚膜層上；及 (2.3) 經由該厚膜層連接該金屬箔與該陶瓷基板； 其特徵在於 該陶瓷基板包含至少一個垂直通孔(介層孔)。
  3. 如請求項1或2之方法，其中該等通孔經包含銅及/或銀之導電材料填充。
  4. 如請求項1或2之方法，其中該等通孔經包含銅之導電材料填充。
  5. 如請求項1或2之方法，其中該等通孔係在步驟(1.1)或(2.2)將該厚膜膠施加至該陶瓷基板上之前在該陶瓷基板中藉由雷射鑽孔及將導電材料填充至所得孔中而形成。
  6. 如請求項1或2之方法，其中該等通孔具有環形截面且外側直徑在0.01 mm至1 mm範圍內。
  7. 如請求項1或2之方法，其中該等通孔經該導電材料完全或部分地填充。
  8. 如請求項7之方法，其中該導電材料係以使得該等通孔不完全被該材料填充且該導電材料僅以小於該等通孔之直徑之一半的厚度覆蓋該等通孔之壁的方式填充至該等通孔中。
  9. 如請求項8之方法，其中該導電材料係直接施加於通孔之內壁上。
  10. 如請求項1或2之方法，其中該厚膜膠包含銅作為金屬且視情況包含Bi2 O3 。
  11. 如請求項1或2之方法，其中該厚膜膠包含銅作為金屬且視情況包含玻璃材料。
  12. 如請求項10之方法，其中該厚膜膠所包含之銅之量以該厚膜膠之總重量計為40重量%至92重量%。
  13. 如請求項1或2之方法，其中填充於該等通孔中之該導電材料與該厚膜膠之該導電材料相同。
  14. 一種金屬-陶瓷基板，其包含 (a) 陶瓷基板，且其上設置 (b) 含金屬厚膜層，且其上設置 (c) 金屬箔； 其特徵在於 該陶瓷基板包含至少一個垂直通孔(介層孔)。
  15. 如請求項14之金屬-陶瓷基板，其中該等通孔經包含銅及/或銀之導電材料填充。
  16. 如請求項14之金屬-陶瓷基板，其中該等通孔經包含銅之導電材料填充。
  17. 如請求項14至16中任一項之金屬-陶瓷基板，其中該等通孔具有環形截面且外側直徑在0.01 mm至1 mm範圍內。
  18. 如請求項14至16中任一項之金屬-陶瓷基板，其中該等通孔經該導電材料完全或部分地填充。
  19. 如請求項14至16中任一項之金屬-陶瓷基板，其中該導電材料係以使得該等通孔不完全被該材料填充且該導電材料僅以小於該等通孔之直徑之一半的厚度覆蓋該等通孔之壁的方式設置於該等通孔中。
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