WO2011098071A1 - Method for producing metal-ceramic composite materials, in particular metal-ceramic substrates, and ceramic composite material, in particular metal-ceramic substrate, produced according to said method - Google Patents

Method for producing metal-ceramic composite materials, in particular metal-ceramic substrates, and ceramic composite material, in particular metal-ceramic substrate, produced according to said method Download PDF

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capsule
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metal
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PCT/DE2011/000122
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Jürgen SCHULZ-HARDER
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Curamik Electronics Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a method according to the preamble of claim 1 and to a metal-ceramic composite material according to the preamble 9.
  • direct bonding methods of bonding a metal to ceramics, i. for producing metal-ceramic composite materials, using a surface eutectic layer of the metal, for example metal oxide layer, which is then produced by heating a reactive metal and ceramic components (hereinafter also referred to as “metal oxide layer”).
  • Connection components melts to a process or bonding temperature (eutectic temperature) and produces the connection between the connection components while wetting the ceramic as a kind of solder during the subsequent cooling.
  • the bonding temperature is below the melting temperature of the metal. In particular, depending on the metal used, this bonding temperature is in the range between about 714 ° C (copper-phosphorus) and 1820 ° C (chromium-oxygen)
  • the metal is first in an oxygen-containing inert gas atmosphere in a known direct-bonding method (DE 23 19 854 / US 3,766,634)
  • this method specifies an oxygen content of the reactive atmosphere of 0.01-0.5 volume percent (100-5000 ppm).
  • CONFIRMATION COPY Process step is treated or oxidized with the reactive gas. After merging the components to be joined metal and ceramic they are heated in an oven to the process or bonding temperature, in one
  • the oxygen content is adjusted to 20-50 ppm by metered addition of oxygen into the protective gas, at a temperature between 960 ° C and 1072 ° C.
  • T is the temperature in ° C.
  • the oxygen content of the copper-oxygen system at a eutectic temperature of 1065 ° C is 2.69 x 10 -6 , which corresponds to about 2.69 ppm ,
  • a regulation of the oxygen content in a protective gas atmosphere for example of nitrogen and / or argon
  • a protective gas atmosphere for example of nitrogen and / or argon
  • nitrogen and / or argon in the range of less than 10 ppm, in particular also in a factory production of metal-ceramic composite materials or substrates, is compatible with the
  • an oxygen partial pressure or oxygen content in the Inert gas atmosphere of the DCB process less than the equilibrium pressure of the system metal (copper) oxygen to a reduction of the adhesion of the metal (copper) to the ceramic, while at a high oxygen partial pressure or oxygen content in the inert gas atmosphere comes to a strong post-oxidation which in extreme cases, a melting of the entire metal, for example, the entire metal or copper foil result.
  • bonding components are accommodated in a reaction chamber formed by a capsule with an inner protective gas atmosphere which is separated by the capsule from an outer protective gas atmosphere surrounding this capsule and in which direct bonding of the oxidized metal foil to the ceramic substrate by heating under protective gas to the process or bonding temperature which is below the melting point of the metal of the metal foil, but at least equal to the melting temperature of the eutectic formed by the oxide film and the metal of the metal foil.
  • inner protective gas atmosphere is to be understood as meaning the atmosphere or protective gas atmosphere within the encapsulated interior or reaction space of a capsule.
  • outer protective gas atmosphere means the protective gas atmosphere surrounding the respective capsule during direct bonding, i. the
  • the object of the invention is to further improve the known method and
  • metal-ceramic composite materials in particular metal-ceramic substrates and especially those for electrical or electronic circuits of the highest quality.
  • a method according to claim 1 and a metal-ceramic composite material according to claim 9 are formed.
  • At least one ceramic substrate and an oxidized metal foil are arranged in the encapsulated space or reaction space formed in the capsule in that the metal foil with an oxidized surface side is flat against a
  • a pretreatment phase for example in a heating phase, the reaction space which is widely opened via at least one rinsing or treatment opening to a surrounding outer protective gas atmosphere is then rinsed with the protective gas (eg nitrogen and / or argon) to remove ambient oxygen, so that a protective gas atmosphere is formed in the reaction space with low oxygen content sets.
  • the protective gas eg nitrogen and / or argon
  • the rinsing of the reaction space can be carried out during a pretreatment phase with the capsule open not only in a short time, but also very intensively with a reduced consumption of protective gas (eg argon or nitrogen).
  • connection components ie the at least one ceramic substrate and the at least one oxidized metal foil, in a treatment or bonding phase in the reaction space formed by the interior of the capsule in an inner protective gas atmosphere Bonding temperature heated under the
  • Melting temperature of the metal is, but at least equal to the melting temperature of the eutectic of the metal (eg, Cu) and the metal oxide (eg., CU2O).
  • the cooling of the capsule and of the components accommodated in the reaction space then takes place, and in fact continues
  • the capsule used is e.g. Also, for example, is not completely closed to the outside during the treatment or bonding phase and during the cooling phase, but has at least one gas exchange opening, which is for example an additional opening and / or generated by not completely closing the at least one treatment opening is and can take place through the gas exchange between the inner and outer inert gas atmosphere.
  • the encapsulation of the reaction space achieved with the capsule is at least 60%.
  • "encapsulation” means the percentage of the closed surface portion of the total area surrounding the encapsulated interior space (total area minus the area of the surface)
  • a 95% encapsulation thus means that 95% of the area surrounding the capsule interior is closed and only 5% of this total area is formed by one or more gas exchange openings.
  • the inventive method is thus characterized by the fact that during the bonding phase and the cooling phase at least a substantial separation of the inert gas atmosphere in the furnace chamber ("outer inert gas atmosphere”), which surrounds the at least one capsule of the inert gas atmosphere in the interior or reaction space of the Capsule ("inner inert gas atmosphere”) is in which (reaction space), the direct bonding takes place and in which the connection components of metal and ceramic are accommodated at least with the region at which the connection is to take place.
  • outer inert gas atmosphere which surrounds the at least one capsule of the inert gas atmosphere in the interior or reaction space of the Capsule
  • the cross section of the at least one gas exchange opening or the total cross section of a plurality of gas exchange openings is selected so that this cross section or total cross section account for less than 40% of the total, the reaction space bounding inner surface of the capsule, the capsulation achieved by the enclosure so larger than 60%.
  • the oxygen content in the outer protective gas atmosphere has no or substantially no influence on the quality of the produced metal-ceramic composite or the produced metal-ceramic substrate, even if the outer protective gas atmosphere has an oxygen content far below or far above the equilibrium oxygen content.
  • This far-reaching independence of the results achieved by the method according to the invention of the oxygen content of the outer protective gas atmosphere is due to the fact that at the relatively high process temperature (960 - 1072 ° C), at which the direct bonding takes place, the diffusion of oxygen from the outer, surrounding the respective ⁇ capsule protective gas atmosphere is very low in the inner protective gas atmosphere inside the capsule or in the reaction space.
  • This effect can be further enhanced by a targeted current conduction of the outer protective gas atmosphere, namely by the fact that the flow is initially directed to the gas exchange openings of the respective capsule for rinsing. In actual bonding at process temperature, the flow is then directed to the closed area of the capsule.
  • the oxygen content is controlled in the protective gas atmosphere surrounding the capsule, but at least limited by a regulation, but not too great accuracy for the control or adjustment is required.
  • gross fluctuations in the Oxygen content compensated (fluctuations) either by the entry of oxygen at the furnace openings or by an oxygen consumption due to oxidation of metallic furnace components.
  • the adjustment of the oxygen content in the outer protective gas atmosphere is preferably carried out as a function of the encapsulation. Depending on the encapsulation of the
  • Oxygen content in the outer inert gas atmosphere for example, set as follows:
  • the at least one ceramic substrate and the at least one metal foil can be inserted one after the other into the respective capsule, or else as a stack prepared outside the capsule.
  • the metal foil is, for example, before introduction into the capsule in a
  • Oxygen as a reactive gas is particularly suitable for metal foils made of copper.
  • the heating of the respective capsule and the components accommodated in this capsule to the direct-bonding temperature takes place in an oven, preferably in a continuous or tunnel oven, wherein the oven compartment contains the outer protective gas atmosphere with a regulated oxygen content.
  • Oxygen content in the outer protective gas atmosphere is effected by metering oxygen into the protective gas.
  • the encapsulated space preferably contains a buffer substance, at least in the case of a 100% encapsulation, with which (buffer substance) the oxygen partial pressure in the interior
  • Inert gas atmosphere i. is adjusted and / or maintained in the encapsulated reaction space at the reaction or bonding temperature to ensure optimum DCB bonding between the metal (copper) and the ceramic, while preventing at least disturbing post-oxidation.
  • This set by the buffer substance oxygen partial pressure is then preferably between 3 - 10 ppm.
  • the buffer substance contains, for example, CuO in the form of powder, optionally mixed with copper powder.
  • the method is designed, for example, in such a way that
  • reaction space is sealed against the outer protective gas atmosphere surrounding the capsule or the encapsulation is greater than 60%
  • the outer protective gas atmosphere at an encapsulation of 80-95% contains 50 to 200 ppm oxygen
  • the outer protective gas atmosphere at an encapsulation greater than 95% contains oxygen in a proportion of less than 20 ppm or greater than 200 ppm
  • the respective capsule is designed in the form of a frame enclosing the reaction space
  • the respective capsule is formed like a dish with a lid
  • the respective capsule with at least one support or intermediate layer for the
  • buffer substance such on the basis of copper oxide, preferably on the
  • Base is copper oxide / copper
  • the encapsulation is chosen in the range of 99 to 65%,
  • FIG. 1 in a simplified representation and in section a according to the invention
  • Fig. 2 in a simplified representation of a trained as a tunnel furnace system for
  • Fig. 3 u. 4 is a simplified sectional view of one of the system of Figure 2
  • FIG. 5-9 in representations similar to Figures 3 and 4 show further embodiments of the capsules used in the invention.
  • the metal-ceramic substrate (copper-ceramic substrate) generally designated 1 in FIG. 1 consists, in a known manner, of the flat ceramic layer 2 and of two metal layers in the form of copper layers or foils applied on one surface side by DCB bonding 3 and 4.
  • the production of the substrates 1 takes place in a plant 5 shown schematically in Figure 2 with a tunnel oven 7.
  • connection components (ceramic layer 2 and pre-oxidized copper foils 3 and 4) are each introduced into a, for example, flat, rectangular or square, shaft-like or shell-like capsule 7, for example as
  • the separation layer 8 is
  • a porous layer of fine particles or of a powder of a high temperature resistant material such as mullite, Al2O3, T1O2, ZrÜ2, MgO, CaO, CaCO2 and with a grain size, for example, less than 30 ⁇ .
  • Transport direction TR moves through different zones of this furnace, first through a heating zone A, in which the temperature rises inside the tunnel oven 6 from room temperature, for example, to a temperature in the range between 120 ° C and 300 ° C, then by a treatment or Bonding zone B, in which the temperature in the tunnel kiln from the final temperature of the heating zone A to the
  • Bonding temperature of the DCB process i. at a temperature in the range between
  • the interior of the tunnel kiln 6 is acted upon by a protective gas atmosphere.
  • the protective gas of this atmosphere which is introduced in particular in the region of the heating zone A and in the region of the cooling zone C into the interior of the tunnel kiln 6, is for example nitrogen and / or argon.
  • the inert gas atmosphere also contains a small proportion of oxygen.
  • the oxygen content of the protective gas atmosphere within the tunnel kiln 6 is, for example, 0.2 ppm - 1000 ppm.
  • Each capsule 7 consists for example of a trough-like base body 9, in the interior of which the layer sequence 1 .1 is received, as well as a lid 10 which closes the base body 9 at its upper side.
  • a special feature is that through corresponding guide and / or actuating elements within the heating zone of the cover 10 of the respective capsule 7 is lifted from the base body 9, so that the respective capsule 7 is opened over a relatively large area and thus an intensive rinsing of the
  • Capsule interior can be done with the gas of the inert gas atmosphere or with the protective gas, by the formed between the raised lid 10 and the upper edge of the cup-shaped or bowl-shaped base body 9 rinse or treatment opening 1 first
  • the cover 10 After leaving the heating zone A1, the cover 10 is deposited by the guiding or actuating means on the base body 10, so that the interior of the respective capsule 7 is closed on the capsule top and in the interior or in
  • Reaction space of the capsule enclosed "inner inert gas atmosphere" at 100% encapsulation is completely separated from the "outer inert gas atmosphere" inside the tunnel kiln 6 or at an encapsulation of less than 100%, for example between 40% and 100% via at least one gas exchange opening 9.1 or 10.1, which is provided in the base body 9 and / or cover 10 and whose opening cross section corresponds to the respective encapsulation, is in communication with the outer atmosphere in the tunnel interior.
  • the oxygen content of the outer protective gas atmosphere in the tunnel interior is chosen as a function of the respective encapsulation, for example
  • the closed state or the encapsulation of the respective capsule 7 is also maintained within the cooling zone C.
  • the opening of the respective capsule 7 in the heating zone has u.a. the advantage of intensive flushing of the capsule interior with inert gas or with the
  • Copper layers to the inner or encapsulated inert gas atmosphere sets an oxygen content, which is less than 10 ppm, preferably in the range between 2 and 6 ppm and thus ensures optimal DCB bonding.
  • encapsulation in zones B and C Another significant advantage of the encapsulation in zones B and C is that subsequent oxidation of the copper layers 3 and 4 after DCB bonding and during cooling to ambient temperature is prevented, or at least greatly reduced. Furthermore, encapsulation also prevents impairment of the DCB bonding due to external influences, for example due to oxygen removal by the transport element of the tunnel kiln 6, which is of great advantage, in particular after renewal of the transport element.
  • the relevant capsule 7 After leaving the tunnel kiln 6 at the cooling zone C and after removing the respective substrate 1, the relevant capsule 7 is available for reuse.
  • FIG. 5 shows a schematic representation of a capsule 7a whose main body 9a which can be closed by the cover 10a on the circumference, preferably on two opposite peripheral sides, has large flushing openings 12, each of which can be closed by a cover 13.
  • the openings 12 and the associated cover 1 3 are located, for example, on the transverse to the transport direction TR oriented sides of the respective capsule.
  • the at least one gas exchange opening is e.g. in the
  • FIG. 6 shows, in a simplified sectional view, two capsules 7b following one another in the transport direction TR, which are each provided with a large-sized flushing opening 14 at their circumferential sides oriented perpendicular to the transport direction, namely, for example, at the shell-like base body 9b, which is provided at its upper side by means of a cover 10b is closable.
  • the capsules 7b are moved through the tunnel kiln 6 in such a way that consecutive capsules 7b within the zone A are spaced apart from one another in the transport direction TR so that flushing of the respective capsule interior with protective gas (nitrogen and / or argon) is possible via the openings 14.
  • protective gas nitrogen and / or argon
  • each capsule 7b is separated from the outer protective gas atmosphere of the tunnel kiln 6 at least according to the desired encapsulation.
  • Figures 8 and 9 show as another embodiment, a capsule 7c, which consists of a plurality of stacked individual capsules 1 5, which in the illustrated
  • the individual capsules 1 5 by there leadership and / or
  • inert gas nitrogen and / or argon
  • gas exchange openings not shown, for example, in the peripheral wall of the individual capsules 1 5 or by the
  • Opening cross section of these gas exchange openings is set the required encapsulation.
  • a protective gas atmosphere for example again from nitrogen and / or argon with the low oxygen content in the range between 0.2 ppm - 1000 ppm

Abstract

The invention relates to a method for producing metal-ceramic substrates, wherein at least one ceramic substrate, for example at least one plate-shaped ceramic substrate, is connected to an oxidized metal film by direct bonding, specifically by heating under protective gas to a process or bonding temperature that is below the melting temperature of the metal of the metal film but is at least equal to the melting temperature of the eutectic formed by the oxide layer and the metal, wherein the at least one ceramic substrate and the at least one metal film to be connected thereto are accommodated in a reaction chamber formed by an interior of a saggar during the method.

Description

Verfahren zum Herstellen von Metall-Keramik-Verbundmaterialien, insbesondere Metall- Keramik-Substraten sowie nach diesem Verfahren hergestelltes Keramik-Verbundmaterial, insbesondere Metall-Keramik-Substrat  Process for producing metal-ceramic composite materials, in particular metal-ceramic substrates, and ceramic composite material produced by this process, in particular metal-ceramic substrate
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß Oberbegriff Patentanspruch 1 sowie auf ein Metall-Keramik-Verbundmaterial gemäß Oberbegriff 9. The invention relates to a method according to the preamble of claim 1 and to a metal-ceramic composite material according to the preamble 9.
Unter dem Begriff "Direct-Bonding" sind Verfahren zum Verbinden eines Metalls mit Keramik, d.h. zum Herstellen von Metall-Keramik- Verbundmaterialien bekannt, und zwar unter Verwendung einer als Eutektikum wirkenden und unter Verwendung eines reaktiven Gases erzeugten Oberflächenschicht des Metalls, beispielsweise Metalloxidschicht, die dann beim Erhitzen der gegeneinander anliegenden, zu verbindenden Komponenten Metall und Keramik (nachstehend auch "Verbindungskomponenten") auf eine Prozessoder Bonding-Temperatur (eutektische Temperatur) aufschmilzt und unter Benetzung der Keramik als eine Art Lot beim anschließenden Abkühlen die Verbindung zwischen den Verbindungskomponenten herstellt. Die Bonding-Temperatur liegt dabei unterhalb der Schmelztemperatur des Metalls. Insbesondere auch in Abhängigkeit von dem verwenden Metall liegt diese Bonding-Temperatur im Bereich zwischen etwa 714°C (Kupfer-Phosphor) und 1820°C (Chrom-Sauerstoff) By the term "direct bonding" are meant methods of bonding a metal to ceramics, i. for producing metal-ceramic composite materials, using a surface eutectic layer of the metal, for example metal oxide layer, which is then produced by heating a reactive metal and ceramic components (hereinafter also referred to as "metal oxide layer"). Connection components ") melts to a process or bonding temperature (eutectic temperature) and produces the connection between the connection components while wetting the ceramic as a kind of solder during the subsequent cooling. The bonding temperature is below the melting temperature of the metal. In particular, depending on the metal used, this bonding temperature is in the range between about 714 ° C (copper-phosphorus) and 1820 ° C (chromium-oxygen)
Bei einem bekannten Direct-Bonding-Verfahren (DE 23 19 854/US 3,766,634) wird das Metall zunächst in einer Sauerstoff enthaltenden Schutzgasatmosphäre bei einer In a known direct-bonding method (DE 23 19 854 / US 3,766,634), the metal is first in an oxygen-containing inert gas atmosphere in a
Temperatur unterhalb der Bonding-Temperatur oxidiert wird. Anschließend werden das Metall und die Keramik auf die Prozess- oder Bonding-Temperatur erhitzt. Danach erfolgt die Abkühlung auf Raumtemperatur. Für das System Kupfer-Sauerstoff wird bei diesem Verfahren ein Sauerstoffgehalt der reaktiven Atmosphäre von 0,01 - 0,5 Volumenprozent (100 bis 5000 ppm) angegeben. Temperature is oxidized below the bonding temperature. Subsequently, the metal and the ceramic are heated to the process or bonding temperature. Thereafter, the cooling to room temperature. For the copper-oxygen system, this method specifies an oxygen content of the reactive atmosphere of 0.01-0.5 volume percent (100-5000 ppm).
Bekannt ist auch ein weiterentwickeltes Direct-Bonding-Verfahren (DE 26 338 69/US 3,994,430), bei dem das Metall in einem separaten, dem Bonden vorausgehenden Also known is an advanced direct-bonding method (DE 26 338 69 / US 3,994,430), in which the metal in a separate, preceding the bonding
BESTÄTIGUNGSKOPIE Verfahrensschritt mit dem reaktiven Gas behandelt bzw. oxidiert wird. Nach dem Zusammenführen der zu verbindenden Komponenten Metall und Keramik werden diese in einem Ofen auf die Prozess- oder Bonding-Temperatur erhitzt, und zwar in einer CONFIRMATION COPY Process step is treated or oxidized with the reactive gas. After merging the components to be joined metal and ceramic they are heated in an oven to the process or bonding temperature, in one
Schutzgasatmosphäre mit einem Sauerstoffgehalt in der Größenordnung von 0,01 - 0,5 Volumenprozent (100 - 5000 ppm). Inert gas atmosphere with an oxygen content of the order of 0.01-0.5 volume percent (100-5000 ppm).
Bekannt ist weiterhin ein Direct-Bonding- Verfahren (DE 30 36 128), bei dem die Also known is a direct-bonding method (DE 30 36 128), in which the
Verbindung von Kupfer und Keramik in einem Vakuumofen mit einem Sauerstoffgehalt zwischen 0,001 - 0,1 mbar (etwa 1-100 ppm) erfolgt. Compound of copper and ceramic in a vacuum oven with an oxygen content between 0.001 - 0.1 mbar (about 1-100 ppm) takes place.
Vorgeschlagen wurde auch bereits (DE 32 04 167/US 4,483,810), das Direct-Bonding- Verfahren in einem Durchlauf- oder Tunnelofen unter Schutzgasatmosphäre It has also been proposed (DE 32 04 167 / US 4,483,810), the direct-bonding method in a continuous or tunnel furnace under a protective gas atmosphere
durchzuführen, wobei der Sauerstoffgehalt durch dosierte Zugabe von Sauerstoff in das Schutzgas auf 20 - 50 ppm eingestellt wird, und zwar bei einer Temperatur zwischen 960°C und 1072°C. in which the oxygen content is adjusted to 20-50 ppm by metered addition of oxygen into the protective gas, at a temperature between 960 ° C and 1072 ° C.
Bei allen vorgenannten, bekannten Verfahren haben liegt der Sauerstoffgehalt der In all the aforementioned known processes, the oxygen content of the
Schutzgasatmosphäre weit über einem Gleichgewichtssauerstoffgehalt oder -ante!) des Systems Kupfer-Sauerstoff. Aus der Literatur ist bekannt, dass der Sauerstoffgehalt dieses Systems im Temperaturbereich, bei dem das Direct-Bonding bzw. das DCB-Verfahren durchgeführt wird, in der Größenordnung von 2,6 - 5 ppm liegt. Inert gas atmosphere well above an equilibrium oxygen content or aante!) Of the copper-oxygen system. It is known from the literature that the oxygen content of this system in the temperature range at which the direct bonding or the DCB process is carried out on the order of 2.6-5 ppm.
So ist in "The Metallurgy of Copper" Incra Series, Band II, Seiten 56, 60 für logK der Reaktion Cu + 1/2 O2 = CU2O bei einer Temperatur von 1085 °C ein Wert von 2,704 angegeben. Dies entspricht einem Sauerstoffpartialgehalt von 3,9 x l O^Atm, was etwa 3,9 ppm ist. Thus, in "The Metallurgy of Copper" Incra Series, Vol. II, pages 56, 60 for logK of the reaction Cu + 1 / 2O2 = CU2O at a temperature of 1085 ° C, a value of 2.704 is given. This corresponds to an oxygen partial content of 3.9 x 1 O 2 atm, which is about 3.9 ppm.
Aus "elektrochemische Gleichgewichtsuntersuchungen am System-Kupfer-Sauerstoff zwischen 1065 und 1 300°C", Habilitationsarbeit J. Osterwald, Berlin, 1965 ist für die Temperaturabhängigkeit des Sauerstoffpartialgehaltes folgende Formel bekannt: Iog(po2) =- (20970/7) + 10, 166. From "electrochemical equilibrium investigations on system copper-oxygen between 1065 and 1 300 ° C", habilitation thesis J. Osterwald, Berlin, 1965 the following formula is known for the temperature dependence of the oxygen partial content: Iog (po2) = - (20970/7) + 10, 166.
Hierbei sind po2 der Sauerstoffpartialgehalt in ppm und Here are po2 the oxygen partial content in ppm and
T die Temperatur in °C.  T is the temperature in ° C.
Hieraus lassen sich in Abhängigkeit von der Temperatur folgende Sauerstoffpartialgehalte bestimmen: From this, the following oxygen content levels can be determined depending on the temperature:
Figure imgf000004_0001
Figure imgf000004_0001
In einer weiteren Literaturstelle (Neumann et al Metal Process, 1 985, Seite 85) wird der Sauerstoffgehalt des Systems Kupfer-Sauerstoff bei einer eutektischen Temperatur von 1065°C mit 2,69 x 10~6 angegeben, was etwa 2,69 ppm entspricht. In another reference (Neumann et al Metal Process, 1 985, page 85), the oxygen content of the copper-oxygen system at a eutectic temperature of 1065 ° C is 2.69 x 10 -6 , which corresponds to about 2.69 ppm ,
Es kann also als gesichert angenommen werden, dass der Gleichgewichtssauerstoffgehalt beim Direct-Bonding von Kupfer und Keramik (DCB-Verfahren) im Bereich zwischen 2 und 6 ppm liegt. It can therefore be taken for granted that the equilibrium oxygen content in direct bonding of copper and ceramic (DCB process) is in the range between 2 and 6 ppm.
Die eingangs genannten bekannten Verfahren haben demnach u. a. den Nachteil, dass durch den wesentlich größeren Sauerstoffgehalt in der Schutzgasatmosphäre, in der der DCB-Prozess durchgeführt wird, eine Nachoxidation des Kupfers stattfindet. The above-mentioned known methods therefore have u. a. the disadvantage that a post-oxidation of the copper takes place due to the significantly greater oxygen content in the protective gas atmosphere in which the DCB process is carried out.
Eine Regelung des Sauerstoffgehaltes in einer Schutzgasatmosphäre (z.B. aus Stickstoff und/oder Argon) im Bereich kleiner 10 ppm insbesondere auch bei einer fabrikmäßigen Produktion von Metall-Keramik-Verbundmaterialien oder -Substraten ist mit der A regulation of the oxygen content in a protective gas atmosphere (for example of nitrogen and / or argon) in the range of less than 10 ppm, in particular also in a factory production of metal-ceramic composite materials or substrates, is compatible with the
erforderlichen Genauigkeit nicht, allenfalls nur mit einem extrem hohen technischen Aufwand möglich. Weiterhin führt ein Sauerstoffpartialdruck oder Sauerstoffanteil in der Schutzgasatmosphäre des DCB-Prozesses kleiner als der Gleichgewichtsdruck des Systems Metall-(Kupfer)-Sauerstoff zu einer Reduzierung der Haftfestigkeit des Metalls (Kupfers) an der Keramik, während es bei einem zu hohen Sauerstoffpartialdruck bzw. Sauerstoffgehalt in der Schutzgasatmosphäre zu einer starken Nachoxidation kommt, die im Extremfall ein Aufschmelzen des gesamten Metalls, beispielsweise der gesamten Metall- oder Kupferfolie zur Folge hat. required accuracy not, possibly only with an extremely high technical effort possible. Furthermore, an oxygen partial pressure or oxygen content in the Inert gas atmosphere of the DCB process less than the equilibrium pressure of the system metal (copper) oxygen to a reduction of the adhesion of the metal (copper) to the ceramic, while at a high oxygen partial pressure or oxygen content in the inert gas atmosphere comes to a strong post-oxidation which in extreme cases, a melting of the entire metal, for example, the entire metal or copper foil result.
Aus diesem Grunde wurde bereits vorgeschlagen (DE 101 48 550), beim Herstellen von Metall-Keramik-Verbundmaterialien, die jeweils aus wenigstens einem vorzugsweise plattenförmigen Keramiksubstrat und wenigstens einer Metallfolie bestehen, diese For this reason, it has already been proposed (DE 101 48 550), in the manufacture of metal-ceramic composite materials, each consisting of at least one preferably plate-shaped ceramic substrate and at least one metal foil, these
Verbindungskomponenten während des Direct-Bonding-Verfahrens in einem von einer Kapsel gebildeten Reaktionsraum mit einer inneren Schutzgasatmosphäre unterzubringen, die durch die Kapsel von einer diese Kapsel umgebenden äußeren Schutzgasatmosphäre getrennt ist und in der das Direct-Bonden der oxidierten Metallfolie an das Keramiksubstrat zwar durch Erhitzen unter Schutzgas auf die Prozess- oder Bonding-Temperatur erfolgt, die unterhalb des Schmelzpunkts des Metalls der Metallfolie liegt, aber wenigstens gleich der Schmelztemperatur des von der Oxidsehicht und dem Metali der Metallfolie gebildeten Eutektikums ist. During the direct-bonding process, bonding components are accommodated in a reaction chamber formed by a capsule with an inner protective gas atmosphere which is separated by the capsule from an outer protective gas atmosphere surrounding this capsule and in which direct bonding of the oxidized metal foil to the ceramic substrate by heating under protective gas to the process or bonding temperature which is below the melting point of the metal of the metal foil, but at least equal to the melting temperature of the eutectic formed by the oxide film and the metal of the metal foil.
Unter "innerer Schutzgasatmosphäre" ist im Sinne der Erfindung die Atmosphäre oder Schutzgasatmosphäre innerhalb des gekapselten Innenraums bzw. Reaktionsraumes einer Kapsel zu verstehen. Unter "äußerer Schutzgasatmosphäre" ist die Schutzgasatmosphäre zu verstehen, die die jeweilige Kapsel während des Direct-Bonding umgibt, d.h. die For the purposes of the invention, "inner protective gas atmosphere" is to be understood as meaning the atmosphere or protective gas atmosphere within the encapsulated interior or reaction space of a capsule. "Outer protective gas atmosphere" means the protective gas atmosphere surrounding the respective capsule during direct bonding, i. the
Schutzgasatmosphäre in einem Ofen. Inert gas atmosphere in an oven.
Aufgabe der Erfindung ist es, das bekannte Verfahren weiter zu verbessern und The object of the invention is to further improve the known method and
insbesondere eine vereinfachte und rationelle Herstellung von Metall-Keramik- Verbundmaterialien, insbesondere Metall-Keramik-Substraten und speziell auch solcher für elektrische oder elektronische Schaltkreise mit höchster Qualität zu ermöglichen. Zur Lösung dieser Aufgabe sind ein Verfahren entsprechend dem Patentanspruch 1 sowie ein Metall-Keramik-Verbundmaterial entsprechend dem Patentanspruch 9 ausgebildet. in particular to enable a simplified and rational production of metal-ceramic composite materials, in particular metal-ceramic substrates and especially those for electrical or electronic circuits of the highest quality. To solve this problem, a method according to claim 1 and a metal-ceramic composite material according to claim 9 are formed.
Weiterbildungen, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und aus den Figuren. Dabei sind alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination grundsätzlich Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung. Auch wird der Inhalt der Ansprüche zu einem Bestandteil der Beschreibung gemacht. Further developments, advantages and applications of the invention will become apparent from the following description of exemplary embodiments and from the figures. In this case, all described and / or illustrated features alone or in any combination are fundamentally the subject of the invention, regardless of their summary in the claims or their dependency. Also, the content of the claims is made an integral part of the description.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren, welches sich ebenfalls insbesondere zur In the inventive method, which is also in particular for
Herstellung von Metall-Keramik-Substraten und dabei speziell zur Herstellung von Kupfer- Keramik-Substraten für die Verwendung als Leiterplatten für elektrische Schaltungen und Schaltkreisen eignet, werden wenigstens ein Keramiksubstrat und eine oxidierte Metallfolie in dem in der Kapsel gebildeten gekapselten Raum oder Reaktionsraum derart angeordnet, dass die Metallfolie mit einer oxidierten Oberflächenseite flächig gegen eine Manufacture of metal-ceramic substrates and thereby particularly suitable for the production of copper-ceramic substrates for use as circuit boards for electrical circuits and circuits, at least one ceramic substrate and an oxidized metal foil are arranged in the encapsulated space or reaction space formed in the capsule in that the metal foil with an oxidized surface side is flat against a
Oberflächenseite des plattenförmigen Keramiksubstrats anliegt. Surface side of the plate-shaped ceramic substrate is applied.
Zum Herstellen der Verbindung durch Direct-Bonding werden das wenigstens eine To make the connection by direct bonding, the at least one
Keramiksubstrat und die wenigstens eine oxidierte Metallfolie (bevorzugt Kupferfolie) als zu verbindende Komponenten oder Verbindungskomponenten in den von dem Innenraum der Kapsel gebildeten Reaktionsraum eingebracht. In einer Vorbehandlungsphase, beispielsweise in einer Aufheizphase wird dann der über wenigstens eine Spül- oder Behandlungsöffnung zu einer umgebenden äußeren Schutzgasatmosphäre weit geöffnete Reaktionsraum zum Entfernen von Umgebungssauerstoff mit dem Schutzgas (z.B. Stickstoff und/oder Argon) gespült, so dass sich im Reaktionsraum eine Schutzgasatmosphäre mit geringen Sauerstoffanteil einstellt. Das Spülen des Reaktionsraums kann während einer Vorbehandlungsphase bei geöffneter Kapsel nicht nur in kurzer Zeit, sondern auch sehr intensiv bei reduziertem Verbrauch an Schutzgas (z.B. Argon oder Stickstoff) durchgeführt werden. Am Ende der Vorbehandlungsphase wird die wenigstens eine Behandlungsöffnung geschlossen und die Verbindungskomponenten, d.h. das wenigstens eine Keramiksubstrat und die wenigstens eine oxidierte Metallfolie werden in einer Behandlungs- oder Bonding- Phase in dem von dem Innenraum der Kapsel gebildeten Reaktionsraum in einer dortigen inneren Schutzgasatmosphäre auf eine Bonding-Temperatur erhitzt, die unter der Ceramic substrate and the at least one oxidized metal foil (preferably copper foil) as components to be connected or compound components introduced into the reaction space formed by the interior of the capsule. In a pretreatment phase, for example in a heating phase, the reaction space which is widely opened via at least one rinsing or treatment opening to a surrounding outer protective gas atmosphere is then rinsed with the protective gas (eg nitrogen and / or argon) to remove ambient oxygen, so that a protective gas atmosphere is formed in the reaction space with low oxygen content sets. The rinsing of the reaction space can be carried out during a pretreatment phase with the capsule open not only in a short time, but also very intensively with a reduced consumption of protective gas (eg argon or nitrogen). At the end of the pretreatment phase, the at least one treatment opening is closed and the connection components, ie the at least one ceramic substrate and the at least one oxidized metal foil, in a treatment or bonding phase in the reaction space formed by the interior of the capsule in an inner protective gas atmosphere Bonding temperature heated under the
Schmelztemperatur des Metalls liegt, aber wenigstens gleich der Schmelztemperatur des Eutektikums aus dem Metall (z. B. Cu) und dem Metalloxids (z. B. CU2O) ist. In einem anschließenden Verfahrensschritt (Abkühl-Phase) erfolgt dann das Abkühlen der Kapsel und der im Reaktionsraum aufgenommenen Komponenten, und zwar weiterhin bei Melting temperature of the metal is, but at least equal to the melting temperature of the eutectic of the metal (eg, Cu) and the metal oxide (eg., CU2O). In a subsequent process step (cooling phase), the cooling of the capsule and of the components accommodated in the reaction space then takes place, and in fact continues
geschlossener Behandlungsöffnung und in der äußeren unter Schutzgasatmosphäre. closed treatment opening and in the outer under inert gas atmosphere.
Die verwendete Kapsel ist z.B. auch während der Behandlungs- oder Bonding-Phase und während der Abkühl-Phase beispielsweise nicht vollständig nach außen hin verschlossen ist, sondern besitzt wenigstens eine Gasaustausch-Öffnung, die beispielsweise eine zusätzliche Öffnung ist und/oder durch nicht vollständiges Schließen der wenigstens einen Behandlungsöffnung erzeugt ist und durch die ein Gasaustausch zwischen der inneren und äußeren Schutzgasatmosphäre stattfinden kann. Die mit der Kapsel erzielte Kapselung des Reaktionsraumes beträgt allerdings wenigstens 60%. Unter "Kapselung" ist dabei im Sinne der Erfindung der Prozentsatz des geschlossenen Flächenanteils der den gekapselten Innenraum umgebenden Gesamtfläche (Gesamtfläche abzüglich der Fläche der The capsule used is e.g. Also, for example, is not completely closed to the outside during the treatment or bonding phase and during the cooling phase, but has at least one gas exchange opening, which is for example an additional opening and / or generated by not completely closing the at least one treatment opening is and can take place through the gas exchange between the inner and outer inert gas atmosphere. However, the encapsulation of the reaction space achieved with the capsule is at least 60%. For the purposes of the invention, "encapsulation" means the percentage of the closed surface portion of the total area surrounding the encapsulated interior space (total area minus the area of the surface)
Gasaustausch-Öffnungen) bezogen auf diese Gesamtfläche zu verstehen. Eine Kapselung von 95% bedeutet also, dass 95% der den Kapselinnenraum umgebenden Fläche verschlossen und nur 5% dieser Gesamtfläche von einer oder mehreren Gasaustausch- Öffnungen gebildet sind. Gas exchange openings) based on this total area to understand. A 95% encapsulation thus means that 95% of the area surrounding the capsule interior is closed and only 5% of this total area is formed by one or more gas exchange openings.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich also dadurch aus, dass während der Bonding-Phase und der Abkühl-Phase eine zumindest weitestgehende Trennung der Schutzgasatmosphäre im Ofenraum ("äußere Schutzgasatmosphäre"), die die wenigstens eine Kapsel umgibt, von der Schutzgasatmosphäre im Innenraum bzw. Reaktionsraum der Kapsel ("innere Schutzgasatmosphäre") besteht, in dem (Reaktionsraum) das Direct- Bonding erfolgt und in dem die Verbindungskomponenten aus Metall und Keramik zumindest mit dem Bereich aufgenommen sind, an dem das Verbinden erfolgen soll. The inventive method is thus characterized by the fact that during the bonding phase and the cooling phase at least a substantial separation of the inert gas atmosphere in the furnace chamber ("outer inert gas atmosphere"), which surrounds the at least one capsule of the inert gas atmosphere in the interior or reaction space of the Capsule ("inner inert gas atmosphere") is in which (reaction space), the direct bonding takes place and in which the connection components of metal and ceramic are accommodated at least with the region at which the connection is to take place.
Bevorzugt ist der Querschnitt der wenigstens einen Gasaustausch-Öffnung oder aber der Gesamtquerschnitt mehrerer Gasaustausch-Öffnungen so gewählt, dass dieser Querschnitt bzw. Gesamtquerschnitt weniger als 40% der gesamten, den Reaktionsraum begrenzenden Innenfläche der Kapsel ausmachen, die durch die Kapsel erzielte Kapselung also größer als 60% ist. Preferably, the cross section of the at least one gas exchange opening or the total cross section of a plurality of gas exchange openings is selected so that this cross section or total cross section account for less than 40% of the total, the reaction space bounding inner surface of the capsule, the capsulation achieved by the enclosure so larger than 60%.
Der Sauerstoffgehalt in der äußeren Schutzgasatmosphäre hat keinen oder im Wesentlichen keinen Einfluss auf die Qualität des hergestellten Metall-Keramik- Verbundes bzw. des hergestellten Metall-Keramik-Substrates, und zwar selbst dann nicht, wenn die äußere Schutzgasatmosphäre einen Sauerstoffgehalt aufweist, der weit unter oder aber weit über dem Gleichgewichtssauerstoffgehalt liegt. Diese weitestgehende Unabhängigkeit der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielten Ergebnisse von dem Sauerstoffgehalt der äußeren Schutzgasatmosphäre ist darauf zurückzuführen, dass bei der relativ hohen Prozesstemperatur (960 - 1072°C), bei der das Direct-Bonding erfolgt, die Diffusion von Sauerstoff aus der äußeren, die jeweilige^Kapsel umgebenden Schutzgasatmosphäre in die innere Schutzgasatmosphäre im Inneren der Kapsel bzw. im Reaktionsraum sehr gering ist. Dieser Effekt kann durch eine gezielte Stromführung der äußeren Schutzgasatmosphäre noch verstärkt werden, und zwar dadurch, dass am Anfang zum Spülen die Strömung auf die Gasaustausch-Öffnungen der jeweiligen Kapsel gerichtet ist. Bei dem eigentlichen Bonden bei Prozesstemperatur ist die Strömung dann auf die geschlossene Fläche der Kapsel gerichtet. The oxygen content in the outer protective gas atmosphere has no or substantially no influence on the quality of the produced metal-ceramic composite or the produced metal-ceramic substrate, even if the outer protective gas atmosphere has an oxygen content far below or far above the equilibrium oxygen content. This far-reaching independence of the results achieved by the method according to the invention of the oxygen content of the outer protective gas atmosphere is due to the fact that at the relatively high process temperature (960 - 1072 ° C), at which the direct bonding takes place, the diffusion of oxygen from the outer, surrounding the respective ^ capsule protective gas atmosphere is very low in the inner protective gas atmosphere inside the capsule or in the reaction space. This effect can be further enhanced by a targeted current conduction of the outer protective gas atmosphere, namely by the fact that the flow is initially directed to the gas exchange openings of the respective capsule for rinsing. In actual bonding at process temperature, the flow is then directed to the closed area of the capsule.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird aber der Sauerstoffgehalt in der die Kapsel umgebenden Schutzgasatmosphäre geregelt, zumindest aber durch eine Regelung begrenzt, wobei aber keine allzu große Genauigkeit für die Regelung oder Einstellung erforderlich ist. Hierdurch werden grobe Schwankungen des Sauerstoffgehalts kompensiert, die (Schwankungen) entweder durch den Eintrag von Sauerstoff an den Ofenöffnungen oder durch einen Verbrauch an Sauerstoff in Folge von Oxidation an metallischen Ofenkomponenten herrühren. In a preferred embodiment of the method according to the invention, however, the oxygen content is controlled in the protective gas atmosphere surrounding the capsule, but at least limited by a regulation, but not too great accuracy for the control or adjustment is required. As a result, gross fluctuations in the Oxygen content compensated (fluctuations) either by the entry of oxygen at the furnace openings or by an oxygen consumption due to oxidation of metallic furnace components.
Die Einstellung des Sauerstoffgehalts in der äußeren Schutzgasatmosphäre erfolgt bevorzugt in Abhängigkeit von der Kapselung. In Abhängigkeit von der Kapselung wird der The adjustment of the oxygen content in the outer protective gas atmosphere is preferably carried out as a function of the encapsulation. Depending on the encapsulation of the
Sauerstoffanteil in der äußeren Schutzgasatmosphäre beispielsweise wie folgt eingestellt: Oxygen content in the outer inert gas atmosphere, for example, set as follows:
- Kapselung von 60 bis 80% bei einem Sauerstoffgehalt in der äußeren - Encapsulation of 60 to 80% with an oxygen content in the outer
Schutzgasatmosphäre zwischen 2 - 20 ppm,  Inert gas atmosphere between 2 - 20 ppm,
- Kapselung 80 - 95% bei einem Sauerstoffgehalt in der äußeren Schutzgasatmosphäre zwischen 50 und 200 ppm oder 1 - 20 ppm  - Encapsulation 80 - 95% with an oxygen content in the outer protective gas atmosphere between 50 and 200 ppm or 1 - 20 ppm
- Kapselung über 95% bei einem Sauerstoffgehalt in der äußeren Schutzgasatmosphäre größer 200 ppm oder kleiner 20 ppm  - Encapsulation above 95% with an oxygen content in the outer inert gas atmosphere greater than 200 ppm or less than 20 ppm
In der nachstehenden Tabelle sind die Ergebnisse von Versuchen wiedergegeben, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beim Verbinden einer plattenförmigen Keramik The following table reproduces the results of tests carried out with the method according to the invention when joining a plate-shaped ceramic
(Aluminium-Oxid-Keramik) mit einer von einer Kupferfolie gebildeten Kupferschicht erzielt wurden, und zwar bei unterschiedlichem Sauerstoffgehalt der äußeren (Aluminum-oxide-ceramic) were obtained with a copper foil formed by a copper foil layer, with different oxygen content of the outer
Schutzgasatmosphäre und bei unterschiedlicher Kapselung, jeweils bei einer Inert gas atmosphere and different encapsulation, each with a
Prozesstemperatur von 1068°C. Untersucht wurden die Festigkeit der Verbindung zwischen der Keramik und der Kupferschicht bzw. Kupferfolie (Abreißfestigkeit in N/cm) sowie auch die Oberflächenqualität der frei liegenden Kupferflächen Process temperature of 1068 ° C. The strength of the bond between the ceramic and the copper layer or copper foil (tear resistance in N / cm) as well as the surface quality of the exposed copper surfaces were investigated
(Kupferoberflächenaussehen). o2 Kapselung Abreißfestigkeit Kupferoberflächenppm % N/cm aussehen (Copper surface appearance). o 2 encapsulation tear resistance copper surface ppm% N / cm look
<2 95 > 60 blank <2 95> 60 blank
<2 80 50 blank<2 80 50 blank
<2 60 40 blank<2 60 40 blank
<2 50 30 blank<2 50 30 blank
10 95 >60 blank 10 95> 60 blank
10 60 >60 blank  10 60> 60 blank
10 50 > 60 leicht oxidiert 10 50> 60 slightly oxidized
20 95 >60 blank20 95> 60 blank
20 80 > 60 blank20 80> 60 blank
20 50 > 60 leicht oxidiert20 50> 60 slightly oxidized
50 95 > 60 blank50 95> 60 blank
50 80 >60 blank50 80> 60 blank
50 60 >60 blank50 60> 60 blank
50 50 >60 oxidiert50 50> 60 oxidized
100 95 >60 blank100 95> 60 blank
100 80 >60 blank100 80> 60 blank
100 60 >60 leicht oxidiert100 60> 60 slightly oxidized
100 40 >60 stark oxidiert100 40> 60 strongly oxidized
200 95 > 60 blank200 95> 60 blank
200 80 > 60 oxidiert 200 80> 60 oxidized
In der vorgenannten Tabelle sind also der Einfluss des Sauerstoffgehalts in der äußeren Atmosphäre und der Kapselung auf die Abreißfestigkeit und die Beschaffenheit der Kupferoberflächen wiedergegeben. Vorstehend wurde davon ausgegangen, dass während der Bonding-Phase und während der Abkühl-Phase die Kapselung des Reaktionsraumes nicht hundertprozentig ist, sondern der Reaktionsraum über eine Gasaustausch-Öffnung mit der äußeren Schutzgasatmosphäre in Verbindung steht, um so das Einbringen der Verbindungskomponenten in den gekapselten Reaktionsraum in normaler Atmosphäre und am Beginn des eigentlichen Verfahrens ein Verdrängen der normalen Atmosphäre, insbesondere auch der Luft aus dem Reaktionsraum durch das Schutzgas zu ermöglichen. In the above table, therefore, the influence of the oxygen content in the outer atmosphere and the encapsulation on the tear resistance and the nature of the copper surfaces are reproduced. It was assumed above that during the bonding phase and during the cooling phase, the encapsulation of the reaction space is not one hundred percent, but the reaction space communicates with the outer protective gas atmosphere via a gas exchange opening, thus introducing the connection components into the encapsulated one Reaction space in a normal atmosphere and at the beginning of the actual process to allow displacement of the normal atmosphere, in particular the air from the reaction space by the inert gas.
Das wenigstens eine Keramiksubstrat sowie die wenigstens eine Metallfolie können getrennt nacheinander in die jeweilige Kapsel eingelegt werden, oder aber als außerhalb der Kapsel vorbereiteter Stapel. The at least one ceramic substrate and the at least one metal foil can be inserted one after the other into the respective capsule, or else as a stack prepared outside the capsule.
Die Metallfolie wird beispielsweise vor dem Einbringen in die Kapsel in einem The metal foil is, for example, before introduction into the capsule in a
vorausgegangenen Verfahrensschritt oxidiert, beispielsweise durch Behandlung mit einem geeigneten reaktiven Gas, z. B. Sauerstoff. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann aber auch eine bereits voroxidierte Metallfolie verwendet werden. previously oxidized process step, for example by treatment with a suitable reactive gas, for. B. oxygen. In the method according to the invention, however, it is also possible to use an already preoxidized metal foil.
Sauerstoff als reaktives Gas eignet sich insbesondere bei Metallfolien aus Kupfer. Oxygen as a reactive gas is particularly suitable for metal foils made of copper.
Das Erhitzen der jeweiligen Kapsel und der in dieser Kapsel untergebrachten Komponenten auf die Direct-Bonding-Temperatur erfolgt in einem Ofen, bevorzugt in einem Durchlaufoder Tunnelofen, wobei der Ofenraum die äußere Schutzgasatmosphäre mit einem eingestellten bzw. geregelten Sauerstoffgehalt enthält. Die Einstellung des The heating of the respective capsule and the components accommodated in this capsule to the direct-bonding temperature takes place in an oven, preferably in a continuous or tunnel oven, wherein the oven compartment contains the outer protective gas atmosphere with a regulated oxygen content. The setting of the
Sauerstoffgehaltes in der äußeren Schutzgasatmosphäre erfolgt durch Zudosieren von Sauerstoff in das Schutzgas. Oxygen content in the outer protective gas atmosphere is effected by metering oxygen into the protective gas.
Grundsätzlich besteht aber auch die Möglichkeit einer hundertprozentigen Kapselung des Reaktionsraumes, wobei dann in diesen Reaktionsraum in der Vorbereitungsphase durch die wenigstens eine Behandlungs- oder Spülöffnung eine Schutzgasatmosphäre eingebracht wird, die einen gewissen Anteil an Sauerstoff enthält. Es ist aber auch möglich, mit einem sauerstofffreien Schutzgas zu arbeiten, und zwar dann, wenn ein dem freien Volumen im Inneren der Kapsel entsprechend hoher Oxid-Gehalt auf der Metallfolie vorgesehen wird. Durch Dissoziation des Oxids stellt sich dann der notwendige Gleichgewichtssauerstoffgehalt ein. In principle, however, there is also the possibility of a one hundred percent encapsulation of the reaction space, in which case a protective gas atmosphere containing a certain proportion of oxygen is then introduced into this reaction space in the preparation phase through the at least one treatment or scavenging opening. However, it is also possible to work with an oxygen-free shielding gas, specifically when a free volume in the interior of the capsule correspondingly high oxide content is provided on the metal foil. Dissociation of the oxide then sets up the necessary equilibrium oxygen content.
Bevorzugt enthält der gekapselte Raum eine Puffersubstanz, zumindest bei einer 100%- igen Kapselung, mit der (Puffersubstanz) der Sauerstoffpartialdruck in der inneren The encapsulated space preferably contains a buffer substance, at least in the case of a 100% encapsulation, with which (buffer substance) the oxygen partial pressure in the interior
Schutzgasatmosphäre, d.h. im gekapselten Reaktionsraum bei der Reaktions- oder Bonding- Temperatur auf einen Wert eingestellt und/oder gehalten wird, der eine optimale DCB- Verbindung zwischen dem Metall (Kupfer) und der Keramik sicherstellt, und zwar bei gleichzeitiger Verhinderung einer zumindest störenden Nachoxidation. Dieser durch die Puffersubstanz eingestellte Sauerstoffpartialdruck liegt dann vorzugsweise zwischen 3 - 10 ppm. Die Puffersubstanz enthält beispielsweise CuO in Form von Pulver, gegebenenfalls gemischt mit Kupferpulver. Inert gas atmosphere, i. is adjusted and / or maintained in the encapsulated reaction space at the reaction or bonding temperature to ensure optimum DCB bonding between the metal (copper) and the ceramic, while preventing at least disturbing post-oxidation. This set by the buffer substance oxygen partial pressure is then preferably between 3 - 10 ppm. The buffer substance contains, for example, CuO in the form of powder, optionally mixed with copper powder.
In Weiterbildung der Erfindung ist das Verfahren beispielsweise so ausgebildet, In a development of the invention, the method is designed, for example, in such a way that
dass während des Direct-Bondens der Reaktionsraum gegenüber der äußeren, die Kapsel umgebenden Schutzgasatmosphäre dicht verschlossen oder die Kapselung größer als 60% ist,  during direct bonding, the reaction space is sealed against the outer protective gas atmosphere surrounding the capsule or the encapsulation is greater than 60%,
und/oder  and or
dass der bei dem Verfahren maximal zulässige Sauerstoffanteil in der äußeren  that in the process maximum allowable oxygen content in the outer
Schutzgasatmosphäre mit zunehmender Kapselung zunimmt,  Protective gas atmosphere increases with increasing encapsulation,
und/oder  and or
dass die äußere Schutzgasatmosphäre bei einer Kapselung zwischen 60 und 80% etwa that the outer protective gas atmosphere at an encapsulation between 60 and 80% about
50 bis 100 ppm Sauerstoff enthält, Contains 50 to 100 ppm oxygen,
und/oder  and or
dass die äußere Schutzgasatmosphäre bei einer Kapselung zwischen 60 und 80% etwa that the outer protective gas atmosphere at an encapsulation between 60 and 80% about
2 bis 20 ppm Sauerstoff enthält, Contains 2 to 20 ppm oxygen,
und/oder dass die äußere Schutzgasatmosphäre bei einer Kapselung von 80 - 95% 50 bis 200 ppm Sauerstoff enthält, and or that the outer protective gas atmosphere at an encapsulation of 80-95% contains 50 to 200 ppm oxygen,
und/oder and or
dass die äußere Schutzgasatmosphäre bei einer Kapselung von 80 - 95% 1 bis 20 ppmthat the outer protective gas atmosphere with an encapsulation of 80 - 95% 1 to 20 ppm
Sauerstoff enthält, Contains oxygen,
und/oder and or
dass die äußere Schutzgasatmosphäre bei einer Kapselung größer 95% Sauerstoff in einem Anteil kleiner 20 ppm oder größer 200 ppm enthält, that the outer protective gas atmosphere at an encapsulation greater than 95% contains oxygen in a proportion of less than 20 ppm or greater than 200 ppm,
und/oder and or
dass die jeweilige Kapsel in Form eines den Reaktionsraum umschließenden Rahmens ausgebildet ist, that the respective capsule is designed in the form of a frame enclosing the reaction space,
und/oder and or
dass die jeweilige Kapsel schalenartig mit einem Deckel ausgebildet ist, that the respective capsule is formed like a dish with a lid,
und/oder and or
die jeweilige Kapsel mit wenigstens einer Auflage- oder Zwischenschicht für diethe respective capsule with at least one support or intermediate layer for the
Verbindungskomponenten ausgeführt ist, Connection components is executed,
und/oder and or
dass im Reaktionsraum untergebrachten eine Puffersubstanz zur Schaffung eines Sauerstoffgleichgewichtspotenzial im Reaktionsraum während des Direct-Bondens untergebracht ist, that a buffer substance is accommodated in the reaction space to create an oxygen equilibrium potential in the reaction space during direct bonding,
und/oder and or
dass die Puffersubstanz eine solche auf der Basis von Kupferoxid, vorzugsweise auf derthat the buffer substance such on the basis of copper oxide, preferably on the
Basis Kupferoxid/Kupfer ist, Base is copper oxide / copper,
und/oder and or
dass die Kapselung im Bereich von 99 bis 65% gewählt ist, that the encapsulation is chosen in the range of 99 to 65%,
und7oder und7oder
dass ein Tunnel- oder Durchlaufofens verwendet ist, bei dem die Kapseln auf einemthat a tunnel or continuous furnace is used, in which the capsules on a
Transporteur angeordnet sind, Transporter are arranged,
und/oder dass mehrere Kapseln oder Einzelkapseln gestapelt und/oder in mehreren Reihen nebeneinander auf einem Transporteur des Durchlauf- oder Tunnelofens angeordnet werden, and or that several capsules or individual capsules are stacked and / or arranged side by side in a plurality of rows on a conveyor of the continuous or tunnel kiln,
wobei die vorgenannten Merkmale jeweils einzeln oder in beliebiger Kombination verwendet sein können. wherein the aforementioned features can be used individually or in any combination.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen: The invention will be explained in more detail below with reference to the figures of exemplary embodiments. Show it:
Fig. 1 in vereinfachter Darstellung und im Schnitt ein nach dem erfindungsgemäßen Fig. 1 in a simplified representation and in section a according to the invention
Verfahren hergestelltes Metall-Keramik-Verbundmaterial;  Method produced metal-ceramic composite material;
Fig. 2 in vereinfachter Darstellung eine als Tunnelofen ausgebildete Anlage zum Fig. 2 in a simplified representation of a trained as a tunnel furnace system for
Herstellen der Metall-Keramik-Substrate der Figur 1 ;  Producing the metal-ceramic substrates of Figure 1;
Fig. 3 u. 4 in vereinfachter Schnittdarstellung eine der bei der Anlage der Figur 2 Fig. 3 u. 4 is a simplified sectional view of one of the system of Figure 2
verwendeten Kapseln im geöffnetem Zustand sowie im geschlossenen Zustand; Fig. 5 - 9 in Darstellungen ähnlich den Figuren 3 und 4 weitere Ausführungsformen der bei der Erfindung verwendeten Kapseln.  used capsules in the open state and in the closed state; Fig. 5-9 in representations similar to Figures 3 and 4 show further embodiments of the capsules used in the invention.
Das in der Figur 1 allgemein mit 1 bezeichnete Metall-Keramik-Substrat (Kupfer-Keramik- Substrat) besteht in bekannter Weise aus der flachen Keramikschicht 2 sowie aus zwei auf jeweils einer Oberflächenseite durch DCB-Bonden aufgebrachten Metallschichten in Form von Kupferschichten oder -folien 3 und 4. The metal-ceramic substrate (copper-ceramic substrate) generally designated 1 in FIG. 1 consists, in a known manner, of the flat ceramic layer 2 and of two metal layers in the form of copper layers or foils applied on one surface side by DCB bonding 3 and 4.
Die Herstellung der Substrate 1 erfolgt in einer in der Figur 2 schematisch dargestellten Anlage 5 mit einem Tunnelofen 7. Die das jeweilige Substrat bildenden The production of the substrates 1 takes place in a plant 5 shown schematically in Figure 2 with a tunnel oven 7. The forming the respective substrate
Verbindungskomponenten (Keramikschicht 2 und voroxidierte Kupferfolien 3 und 4) werden jeweils in eine beispielsweise flache, rechteckförmige oder quadratische, schachte!- oder schalenartige Kapsel 7 eingebracht, und zwar beispielsweise als Connection components (ceramic layer 2 and pre-oxidized copper foils 3 and 4) are each introduced into a, for example, flat, rectangular or square, shaft-like or shell-like capsule 7, for example as
Schichtfolge 1 .1 mit der Kupferschicht 4 unten liegend auf einer Trennschicht 8, die die Kupferschicht 4 von der Innenfläche des Bodens der Kapsel 7 trennt und ein Anbonden der Kupferschicht 4 an diesem Boden verhindert, mit der Keramikschicht 2 auf der Oberseite der Kupferfolie 4 aufliegend und mit der Kupferfolie 3 auf der der Kupferfolie 4 Layer sequence 1 .1 with the copper layer 4 lying down on a separating layer 8, which separates the copper layer 4 from the inner surface of the bottom of the capsule 7 and an bonding of the Copper layer 4 prevented at this bottom, with the ceramic layer 2 on top of the copper foil 4 resting and with the copper foil 3 on the copper foil. 4
abgewandten Oberseite der Keramikschicht 2 aufliegend. Die Trennschicht 8 ist facing away upper side of the ceramic layer 2 resting. The separation layer 8 is
beispielsweise eine poröse Schicht aus feinen Partikeln oder aus einem Pulver aus einem hochtemperaturfesten Material, beispielsweise aus Mullit, AI2O3, T1O2, ZrÜ2, MgO, CaO, CaCO2 und mit einer Korngröße beispielsweise kleiner als 30 μιη. For example, a porous layer of fine particles or of a powder of a high temperature resistant material, such as mullite, Al2O3, T1O2, ZrÜ2, MgO, CaO, CaCO2 and with a grain size, for example, less than 30 μιη.
Die so mit den Verbindungskomponenten bzw. mit der aus den Kupferfolien 3 und 4 und der Keramikschicht 2 bestehenden Schichtfolge 1 .1 beladene Kapsel 7 wird mit einem Transportsystem oder Transporteur (Transportkette) des Tunnelofens 6 in einer The thus loaded with the connection components or with the consisting of the copper foils 3 and 4 and the ceramic layer 2 layer sequence 1 .1 capsule 7 with a transport system or conveyor (transport chain) of the tunnel kiln 6 in a
Transportrichtung TR durch verschiedene Zonen dieses Ofens bewegt, und zwar zunächst durch eine Aufheizzone A, in der die Temperatur im Inneren des Tunnelofens 6 von Raumtemperatur beispielsweise auf eine Temperatur im Bereich zwischen 120°C und 300°C ansteigt, anschließend durch eine Behandlungs- oder Bondingzone B, in der die Temperatur im Tunnelofen von der Endtemperatur der Aufheizzone A bis auf die Transport direction TR moves through different zones of this furnace, first through a heating zone A, in which the temperature rises inside the tunnel oven 6 from room temperature, for example, to a temperature in the range between 120 ° C and 300 ° C, then by a treatment or Bonding zone B, in which the temperature in the tunnel kiln from the final temperature of the heating zone A to the
Bondtemperatur des DCB-Prozesses, d.h. auf eine Temperatur im Bereich zwischen Bonding temperature of the DCB process, i. at a temperature in the range between
1065°C und 1085°C, beispielsweise auf eine Temperatur von 1083 °C ansteigt, und anschließend durch eine Abkühlzone C, in der die Temperatur im Inneren des Tunnelofens 6 von der Bondtemperatur wieder auf die Umgebungstemperatur abfällt. 1065 ° C and 1085 ° C, for example, to a temperature of 1083 ° C increases, and then through a cooling zone C, in which the temperature inside the tunnel kiln 6 from the bonding temperature drops back to the ambient temperature.
Der Innenraum des Tunnelofens 6 ist mit einer Schutzgasatmosphäre beaufschlagt. Das Schutzgas dieser Atmosphäre, welches insbesondere auch im Bereich der Aufheizzone A und im Bereich der Abkühlzone C in den Innenraum des Tunnelofens 6 eingeleitet wird, ist beispielsweise Stickstoff und/oder Argon. Die Schutzgasatmosphäre enthält weiterhin einen geringen Sauerstoffanteil. Der Sauerstoffgehalt der Schutzgasatmosphäre innerhalb des Tunnelofens 6 beträgt beispielsweise 0,2 ppm - 1000 ppm. The interior of the tunnel kiln 6 is acted upon by a protective gas atmosphere. The protective gas of this atmosphere, which is introduced in particular in the region of the heating zone A and in the region of the cooling zone C into the interior of the tunnel kiln 6, is for example nitrogen and / or argon. The inert gas atmosphere also contains a small proportion of oxygen. The oxygen content of the protective gas atmosphere within the tunnel kiln 6 is, for example, 0.2 ppm - 1000 ppm.
Jede Kapsel 7 besteht beispielsweise aus einem wannenartigen Grundkörper 9, in dessen Innenraum die Schichtfolge 1 .1 aufgenommen ist, sowie aus einem Deckel 10, der den Grundkörper 9 an seiner Oberseite verschließt. Eine Besonderheit besteht darin, dass durch entsprechende Führungs- und/oder Betätigungselemente innerhalb der Aufheizzone der Deckel 10 der jeweiligen Kapsel 7 vom Grundkörper 9 angehoben wird, sodass die jeweilige Kapsel 7 relativ großflächig geöffnet und damit ein intensives Spülen des Each capsule 7 consists for example of a trough-like base body 9, in the interior of which the layer sequence 1 .1 is received, as well as a lid 10 which closes the base body 9 at its upper side. A special feature is that through corresponding guide and / or actuating elements within the heating zone of the cover 10 of the respective capsule 7 is lifted from the base body 9, so that the respective capsule 7 is opened over a relatively large area and thus an intensive rinsing of the
Kapselinnenraums mit dem Gas der Schutzgasatmosphäre oder mit dem Schutzgas erfolgen kann, und zwar durch die zwischen dem angehobenen Deckel 10 und dem oberen Rand des napf- oder schalenartigen Grundkörpers 9 gebildete Spül- oder Behandlungsöffnung 1 1 .  Capsule interior can be done with the gas of the inert gas atmosphere or with the protective gas, by the formed between the raised lid 10 and the upper edge of the cup-shaped or bowl-shaped base body 9 rinse or treatment opening 1 first
Nach dem Verlassen der Aufheizzone A1 wird der Deckel 10 durch die Führungs- oder Betätigungsmittel auf den Grundkörper 10 abgelegt, sodass der Innenraum der jeweiligen Kapsel 7 an der Kapseloberseite geschlossen ist und die im Innenraum bzw. im After leaving the heating zone A1, the cover 10 is deposited by the guiding or actuating means on the base body 10, so that the interior of the respective capsule 7 is closed on the capsule top and in the interior or in
Reaktionsraum der Kapsel eingeschlossene„innere Schutzgasatmosphäre" bei einer 100%igen Kapselung vollständig von der„äußeren Schutzgasatmosphäre" im Inneren des Tunnelofens 6 getrennt ist oder aber bei einer Kapselung kleiner 100%, beispielsweise zwischen 40% und 100% über wenigstens eine Gasaustausch-Öffnung 9.1 bzw. 10.1 , die im Grundkörper 9 und/oder Deckel 10 vorgesehen ist und deren Öffnungsquerschnitt der jeweiligen Kapselung entspricht, mit der äußeren Atmosphäre im Tunnelinnenraum in Verbindung steht.  Reaction space of the capsule enclosed "inner inert gas atmosphere" at 100% encapsulation is completely separated from the "outer inert gas atmosphere" inside the tunnel kiln 6 or at an encapsulation of less than 100%, for example between 40% and 100% via at least one gas exchange opening 9.1 or 10.1, which is provided in the base body 9 and / or cover 10 and whose opening cross section corresponds to the respective encapsulation, is in communication with the outer atmosphere in the tunnel interior.
Der Sauerstoffanteil der äußeren Schutzgasatmosphäre im Tunnelinnenraum ist dabei in Abhängigkeit von der jeweiligen Kapselung gewählt, und zwar beispielsweise The oxygen content of the outer protective gas atmosphere in the tunnel interior is chosen as a function of the respective encapsulation, for example
entsprechend der nachstehenden Tabelle  according to the table below
Figure imgf000016_0001
Der geschlossene Zustand bzw. die Kapselung der jeweiligen Kapsel 7 wird auch innerhalb der Abkühlzone C aufrechterhalten.
Figure imgf000016_0001
The closed state or the encapsulation of the respective capsule 7 is also maintained within the cooling zone C.
Das Öffnen der jeweiligen Kapsel 7 in der Aufheizzone hat u.a. den Vorteil einer intensiven Spülung des Kapselinnenraumes mit Schutzgas bzw. mit der The opening of the respective capsule 7 in the heating zone has u.a. the advantage of intensive flushing of the capsule interior with inert gas or with the
Schutzgasatmosphäre des Tunnelofens 6 in kurzer Zeit bei reduziertem Inert gas atmosphere of the tunnel kiln 6 in a short time at reduced
Schutzgasverbraucht. Das Verschließen der jeweiligen Kapsel 7 und die dabei erzielte Kapselung des Kapselinnenraumes haben den Vorteil, dass sich innerhalb des Schutzgasverbraucht. The closing of the respective capsule 7 and the thereby achieved encapsulation of the capsule interior have the advantage that within the
Kapselinnenraumes während des DCB-Bonden in der oben beschriebenen Weise selbsttätig ein Gleichgewichtssauerstoffgehalt durch Nachoxidation des Kupfers der Kupferschichten 3 und 4 und/oder durch Abgabe von Sauerstoff aus diesen Capsule interior during the DCB bonding in the manner described above, an equilibrium oxygen content by post-oxidation of the copper of the copper layers 3 and 4 and / or by release of oxygen from these
Kupferschichten an die innere bzw. gekapselte Schutzgasatmosphäre ein Sauerstoffanteil einstellt, der kleiner ist 10 ppm, vorzugsweise im Bereich zwischen 2 und 6 ppm liegt und damit ein optimales DCB-Bonden sicherstellt. Copper layers to the inner or encapsulated inert gas atmosphere sets an oxygen content, which is less than 10 ppm, preferably in the range between 2 and 6 ppm and thus ensures optimal DCB bonding.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Kapselung in den Zonen B und C besteht darin, dass eine nachträgliche Oxidation der Kupferschichten 3 und 4 nach dem DCB-Bonden und während des Abkühlens auf Umgebungstemperatur verhindert, zumindest aber stark reduziert wird. Weiterhin ist durch die Kapselung auch eine Beeinträchtigung des DCB- Bondens durch äußere Einflüsse, beispielsweise durch eine Sauerstoffentnahme durch das Transportelement des Tunnelofens 6 vermieden, was insbesondere nach dem Erneuern des Transportelementes von großem Vorteil ist. Another significant advantage of the encapsulation in zones B and C is that subsequent oxidation of the copper layers 3 and 4 after DCB bonding and during cooling to ambient temperature is prevented, or at least greatly reduced. Furthermore, encapsulation also prevents impairment of the DCB bonding due to external influences, for example due to oxygen removal by the transport element of the tunnel kiln 6, which is of great advantage, in particular after renewal of the transport element.
Nach dem Verlassen des Tunnelofens 6 an der Abkühlzone C und nach dem Entnehmen des jeweiligen Substrates 1 steht die betreffende Kapsel 7 für eine erneute Verwendung zur Verfügung. After leaving the tunnel kiln 6 at the cooling zone C and after removing the respective substrate 1, the relevant capsule 7 is available for reuse.
Vorstehend wurde davon ausgegangen, dass das Öffnen der jeweiligen Kapsel 7 für das Spülen durch Anheben des Deckels 10 erfolgt. Selbstverständlich bestehen auch andere Möglichkeiten für das Öffnen und Verschließen der jeweiligen Kapsel, sodass der Kapselinnenraum bzw. die innere Schutzgasatmosphäre in der Bonding- und Abkühlzone B und C nicht oder aber nur noch der jeweils gewünschten Kapselung entsprechend mit der äußeren Schutzgasatmosphäre in Verbindung steht. It has been assumed above that the opening of the respective capsule 7 for rinsing takes place by lifting the lid 10. Of course, there are other possibilities for opening and closing the respective capsule, so that the Capsule interior or the inner protective gas atmosphere in the bonding and cooling zone B and C is not or only in accordance with the respective desired encapsulation with the outer protective gas atmosphere in combination.
In der Figur 5 ist schematisch eine Kapsel 7a dargestellt, deren durch den Deckel 10a an der Oberseite verschließbare Grundkörper 9a am Umfang, vorzugsweise an zwei einander gegenüberliegenden Umfangsseiten großflächige Spülöffnungen 12 aufweist, die jeweils durch einen Deckel 13 verschließbar sind. Die Öffnungen 12 und die zugehörigen Deckel 1 3 befinden sich dabei beispielsweise an den quer zur Transportrichtung TR orientierten Seiten der jeweiligen Kapsel. Die wenigstens eine Gasaustausch-Öffnung ist z.B. im FIG. 5 shows a schematic representation of a capsule 7a whose main body 9a which can be closed by the cover 10a on the circumference, preferably on two opposite peripheral sides, has large flushing openings 12, each of which can be closed by a cover 13. The openings 12 and the associated cover 1 3 are located, for example, on the transverse to the transport direction TR oriented sides of the respective capsule. The at least one gas exchange opening is e.g. in the
Grundköper 9a und/oder im Deckel 10a vorgesehen, wie dies mit 9a.1 bzw. 10a.1 angedeutet ist. Base body 9a and / or provided in the lid 10a, as indicated by 9a.1 or 10a.1.
Die Figur 6 zeigt in einer vereinfachten Schnittdarstellung zwei in Transportrichtung TR aufeinander folgende Kapseln 7b, die an ihren senkrecht zur Transportrichtung orientierten Umfangsseiten mit jeweils einer großformatigen Spülöffnung 14 versehen sind, und zwar beispielsweise an dem schalenartigen Grundkörper 9b, der an seiner Oberseite mittels eines Deckels 10b verschließbar ist. Die Kapseln 7b werden durch den Tunnelofen 6 derart bewegt, dass in Transportrichtung TR aufeinander folgende Kapseln 7b innerhalb der Zone A voneinander beabstandet sind, sodass über die Öffnungen 14 das Spülen des jeweiligen Kapselinnenraums mit Schutzgas (Stickstoff und/oder Argon) möglich ist. Durch FIG. 6 shows, in a simplified sectional view, two capsules 7b following one another in the transport direction TR, which are each provided with a large-sized flushing opening 14 at their circumferential sides oriented perpendicular to the transport direction, namely, for example, at the shell-like base body 9b, which is provided at its upper side by means of a cover 10b is closable. The capsules 7b are moved through the tunnel kiln 6 in such a way that consecutive capsules 7b within the zone A are spaced apart from one another in the transport direction TR so that flushing of the respective capsule interior with protective gas (nitrogen and / or argon) is possible via the openings 14. By
entsprechende Mittel werden die Kapsel 7b zumindest nach Erreichen der corresponding means are the capsule 7b at least after reaching the
Behandlungszone B so abgebremst, dass entsprechend der Figur 7 die in Transportrichtung TR aufeinander folgenden Kapseln 7b an den die Spülöffnungen 14 aufweisenden Braking treatment zone B so that, according to the figure 7 in the transport direction TR consecutive capsules 7b at the scavenging ports 14 having
Stirnseiten dicht aneinander anschließen und dadurch diese Öffnungen zumindest soweit geschlossen sind, dass die innere Schutzgasatmosphäre in dem Innenraum oder Connect end faces close to each other and thus these openings are at least closed so far that the inner inert gas atmosphere in the interior or
Reaktionsraum jeder Kapsel 7b von der äußeren Schutzgasatmosphäre des Tunnelofens 6 zumindest entsprechend der angestrebten Kapselung getrennt ist. Die Figuren 8 und 9 zeigen als weitere Ausführungsform eine Kapsel 7c, die aus mehreren übereinander angeordneten Einzelkapseln 1 5 besteht, die bei der dargestellten Reaction space of each capsule 7b is separated from the outer protective gas atmosphere of the tunnel kiln 6 at least according to the desired encapsulation. Figures 8 and 9 show as another embodiment, a capsule 7c, which consists of a plurality of stacked individual capsules 1 5, which in the illustrated
Ausführungsform jeweils schalenartig mit einem Boden und einer Umfangswand Embodiment each shell-like with a bottom and a peripheral wall
ausgebildet sind und jeweils zur Aufnahme einer Schichtfolge 1 .1 bestehend aus den Kupferfolien 3 und 4 und der dazwischen liegenden Keramikschicht 2 dienen, und zwar in der Weise, wie dies vorstehend im Zusammenhang mit den Figuren 3 und 4 beschrieben wurde. are formed and each for receiving a layer sequence 1 .1 consisting of the copper foils 3 and 4 and the intermediate ceramic layer 2 serve, in the manner as described above in connection with Figures 3 and 4.
In der Aufheizzone A sind die Einzelkapseln 1 5 durch dortige Führungs- und/oder In the heating zone A, the individual capsules 1 5 by there leadership and / or
Betätigungsmittel in der in der Figur 8 dargestellten Form voneinander beabstandet und auch ein Deckel 16 für die oberste Einzelkapsel 1 5 ist von dieser beabstandet, sodass der Innenraum der Einzelkapseln 1 5 über großflächige Spülöffnungen mit Schutzgas (Stickstoff und/oder Argon) gespült werden kann. Spätestens bei Erreichen der Behandlungszone B sind die Einzelkapseln 1 5 stapelartig aufeinander gesetzt, sodass der Innenraum oder Reaktionsraum der unteren Einzelkapseln jeweils durch die darüber liegende Einzelkapsel 1 5 verschlossen ist und der Innenraum bzw. Reaktionsraum der obersten Einzelkapsel 1 5 durch den Deckel 16 verschlossen sind. Durch nicht dargestellte Gasaustausch-Öffnungen beispielsweise in der Umfangswand der Einzelkapseln 1 5 bzw. durch den Actuating means in the form shown in Figure 8 spaced from each other and also a lid 16 for the uppermost single capsule 1 5 is spaced therefrom, so that the interior of the individual capsules 1 5 can be flushed over large flushing openings with inert gas (nitrogen and / or argon). At the latest when reaching the treatment zone B, the individual capsules 1 5 stacked on each other, so that the interior or reaction chamber of the lower individual capsules is closed by the overlying individual capsule 1 5 and the interior or reaction chamber of the uppermost single capsule 1 5 are closed by the lid 16 , By gas exchange openings, not shown, for example, in the peripheral wall of the individual capsules 1 5 or by the
Öffnungsquerschnitt dieser Gasaustausch-Öffnungen ist die jeweils erforderliche Kapselung eingestellt. Opening cross section of these gas exchange openings is set the required encapsulation.
Die Erfindung wurde voranstehend an Ausführungsbeispielen beschreiben. Es versteht sich, dass zahlreiche weitere Änderungen oder Abwandlungen möglich sind, ohne dass dadurch der der Erfindung zugrunde liegende Erfindungsgedanke verlassen wird. The invention has been described above by means of exemplary embodiments. It is understood that numerous other changes or modifications are possible without thereby departing from the inventive concept underlying the invention.
So wurde vorstehend davon ausgegangen, dass die Herstellung der Substrate 1 unter Verwendung des Tunnelofens 6, d.h. kontinuierlich im Durchlaufverfahren erfolgt. Thus, it has heretofore been assumed that the production of the substrates 1 using the tunnel kiln 6, i. continuously in a continuous process.
Grundsätzlich besteht auch die Möglichkeit, das Bonden bei stationär in einem Basically there is also the possibility of bonding at stationary in a
Ofeninnenraum angeordneten, vorzugsweise gestapelten und jeweils mit wenigstens einer Schichtfolge 1 .1 beladenen Kapseln in einer Schutzgasatmosphäre beispielsweise wiederum aus Stickstoff und/oder Argon mit dem geringen Sauerstoffanteil im Bereich zwischen 0,2 ppm - 1000 ppm durchzuführen, wobei in einer Aufheizphase die Kapseln zum Spülen des jeweiligen Kapselinnenraums mit dem Schutzgas großflächig geöffnet und dann während des DCB-Bondens soweit geschlossen sind, dass die erforderliche Kapselung erhalten ist. Furnace interior arranged, preferably stacked and each loaded with at least one layer sequence 1 .1 capsules in a protective gas atmosphere, for example again from nitrogen and / or argon with the low oxygen content in the range between 0.2 ppm - 1000 ppm perform, in a heating phase, the capsules are opened to flush the respective capsule interior with the protective gas over a large area and then closed during the DCB bonding as far that the required encapsulation is obtained.
Weiterhin ist es insbesondere auch unter Verwendung von Trennelementen möglich, in jede Kapsel 7, 7a - 7d mehrere Schichtfolgen 1 .1 übereinander anzuordnen, und zwar zur gleichzeitigen Herstellung mehrerer Substrate 1 . Auch besteht die Möglichkeit, die Furthermore, it is also possible in particular with the use of separating elements to arrange one after another in each capsule 7, 7a-7d a plurality of layer sequences 1 .1, specifically for the simultaneous production of a plurality of substrates 1. There is also the possibility of the
Substrate 1 jeweils in zwei Arbeitsgängen herzustellen, und zwar durch Bonden Produce substrates 1 in two operations, by bonding
beispielsweise zunächst einer Metallschicht an einer Oberflächenseite der Keramikschicht und dann in einem weiteren Arbeitsgang durch Bonden der anderen Metallschicht an der anderen Oberflächenseite der Keramikschicht. For example, first a metal layer on one surface side of the ceramic layer and then in a further operation by bonding the other metal layer on the other surface side of the ceramic layer.
Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS
1 Substrat 1 substrate
2 Keramikschicht  2 ceramic layer
3, 4 Kupferschicht bzw. Kupferfolie  3, 4 copper layer or copper foil
5 Anlage  5 attachment
6 Tunnelofen  6 tunnel kiln
7, 7a, 7b, 7c Kapsel 7, 7a, 7b, 7c capsule
8 Trennschicht 8 separating layer
9, 9a, 9b Grundkörper  9, 9a, 9b basic body
10, 10a, 10b Deckel  10, 10a, 10b cover
1 1 , 12 Öffnung  1 1, 12 opening
1 3 Deckel  1 3 lid
14 Öffnung  14 opening
1 5 Einzel kapsei  1 5 single caps
16 Deckel  16 lids
A Aufheizzone A heating zone
B Behandlungs- oder Bondzone  B treatment or bonding zone
C Abkühlzone  C cooling zone
TR Transportrichtung  TR transport direction

Claims

Patentansprüche claims
1 . Verfahren zum Herstellen von Metall-Keramik-Substraten, bei dem wenigstens ein 1 . A method for producing metal-ceramic substrates, wherein at least one
Keramiksubstrat, beispielsweise wenigstens ein plattenförmiges Keramiksubstrat mit einer oxidierten Metallfolie durch Direct-Bonden verbunden wird, und zwar durch Erhitzen unter Schutzgas auf eine Prozess- oder Bondingtemperatur, die unterhalb des Schmelzpunktes des Metalls der Metallfolie (3, 4) liegt, aber wenigstens gleich der Schmelztemperatur des von der Oxidschicht und dem Metall gebildeten Eutektikums ist, wobei das wenigstens eine Keramik-Substrat und die mit diesem zu verbindende wenigstens eine Metallfolie (3, 4) während des Verfahrens in einem von einem  Ceramic substrate, for example, at least one plate-shaped ceramic substrate is bonded to an oxidized metal foil by direct bonding, by heating under inert gas to a process or bonding temperature, which is below the melting point of the metal of the metal foil (3, 4), but at least equal Melting temperature of the eutectic formed by the oxide layer and the metal, wherein the at least one ceramic substrate and to be connected thereto at least one metal foil (3, 4) during the process in one of a
Innenraum einer Kapsel (7, 7a - 7d) gebildeten Reaktionsraum untergebracht sind, wobei während des Direct-Bondens eine im Inneren des Reaktionsraumes gebildete innere Schutzgasatmosphäre von einer die Kapsel umgebenden äußeren  Inside a capsule (7, 7a - 7d) formed reaction space are housed, wherein during the direct bonding formed in the interior of the reaction chamber inner protective gas atmosphere of an outer surrounding the capsule
Schutzgasatmosphäre getrennt oder über einen ersten Öffnungsquerschnitt mit der äußeren Schutzgasatmosphäre in Verbindung steht, wobei der erste  Protective gas atmosphere is separated or via a first opening cross section with the outer protective gas atmosphere in communication, wherein the first
Öffnungsquerschnitt so gewählt ist, dass eine Kapselung des Reaktionsraumes, die (Kapselung) als prozentualer Anteil des geschlossenen Teils einer den Reaktionsraum umschließenden Gesamtfläche bezogen auf diese Gesamtfläche definiert ist, größer als 60% ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktionsraum der Kapsel (7, 7a -7d) während einer dem Direct-Bonden vorausgehenden Vorbehandlungsphase,  Aperture cross-section is selected so that an encapsulation of the reaction space, the (encapsulation) is defined as a percentage of the closed part of the reaction space enclosing the total area relative to this total area is greater than 60%, characterized in that the reaction space of the capsule (7, 7a-7d) during a pretreatment phase preceding direct bonding,
beispielsweise während einer Aufheizphase (A), mit der äußeren Schutzgasatmosphäre über einen von wenigstens einer Spülöffnung (1 1 , 12, 14) gebildeten zweiten  for example, during a heating phase (A), with the outer protective gas atmosphere via a second of at least one flushing opening (1 1, 12, 14) formed
Öffnungsquerschnitt in Verbindung steht, der größer ist als der die Kapselung  Opening cross-section is connected, which is greater than the encapsulation
bestimmende Öffnungsquerschnitt.  determining opening cross-section.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass in der 2. The method according to claim 1, characterized in that in the
Vorbehandlungsphase über die wenigstens eine Spülöffnung Gas aus der äußeren Schutzgasatmosphäre und/oder Schutzgas zum Spülen in den Reaktionsraum der Kapsel (7, 7a - 7d) eingeleitet wird. Pre-treatment phase over the at least one purge gas from the outer inert gas atmosphere and / or inert gas for purging in the reaction chamber of the capsule (7, 7a - 7d) is initiated.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass am Ende der 3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that at the end of
Vorbehandlungsphase und/oder vor dem Direct-Bonden die wenigstens eine  Pre-treatment phase and / or before direct bonding, the at least one
Spülöffnung (1 1 , 12, 14) verschlossen oder zumindest soweit verschlossen wird, dass nur der für die Kapselung erforderliche erste Öffnungsquerschnitt verbleibt.  Flushing (1 1, 12, 14) is closed or at least closed so far that only the required for the encapsulation first opening cross-section remains.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Öffnen und Verschließen der wenigstens einen Spülöffnung durch Anheben und Absetzen eines Deckels (10, 16) von bzw. auf die Kapsel (7, 7d) oder von bzw. auf einen Grundkörper (9, 9d) der Kapsel und/oder durch Öffnen und Schließen wenigstens eines Deckels oder einer Klappe (1 3)erfolgt. 4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the opening and closing of the at least one flushing opening by raising and lowering a lid (10, 16) of or on the capsule (7, 7d) or of or on a base body (9, 9d) of the capsule and / or by opening and closing at least one lid or flap (1 3) takes place.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Verwendung von Kapseln (7b) mit wenigstens einer an zumindest einer Kapselwand vorgesehenen Spülöffnung das Öffnen und Schließen der Spülöffnungen dadurch erfolgt, dass bei geöffneten Spülöffnungen (14) die Kapseln (7b) so angeordnet sind, dass die Spülöffnungen (14) freiliegen, und dass bei geschlossenen Spülöffnungen (14) die Kapseln (7b) so angeordnet sind , dass sie im Bereich der Spülöffnungen (14) dicht aneinander anschließen. 5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that when using capsules (7b) with at least one provided on at least one capsule wall rinsing opening and closing of the rinsing done by the fact that with open rinsing openings (14) the capsules (7b) are arranged such that the flushing openings (14) are exposed, and in the case of closed flushing openings (14), the capsules (7b) are arranged in such a way that they close close to one another in the region of the flushing openings (14).
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Spülöffnung der Kapseln (7, 7a - 7d) auch während einer an das Direct-Bonden anschließenden Abkühlphase (C) geschlossen ist. 6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the at least one flushing opening of the capsules (7, 7a - 7d) is closed during a subsequent to the direct bonding cooling phase (C).
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 7. The method according to any one of the preceding claims,
dass während des Direct-Bondens der Reaktionsraum gegenüber der äußeren, die Kapsel umgebenden Schutzgasatmosphäre dicht verschlossen oder die Kapselung größer als 60% ist,  during direct bonding, the reaction space is sealed against the outer protective gas atmosphere surrounding the capsule or the encapsulation is greater than 60%,
und/oder  and or
dass der bei dem Verfahren maximal zulässige Sauerstoffanteil in der äußeren Schutzgasatmosphäre mit zunehmender Kapselung zunimmt. that in the process maximum allowable oxygen content in the outer Protective gas atmosphere increases with increasing encapsulation.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Schutzgasatmosphäre bei einer Kapselung zwischen 60 und 80% etwa 50 bis 100 ppm Sauerstoff enthält, 8. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the outer protective gas atmosphere at an encapsulation between 60 and 80% contains about 50 to 100 ppm oxygen,
und/oder  and or
dass die äußere Schutzgasatmosphäre bei einer Kapselung zwischen 60 und 80% etwa that the outer protective gas atmosphere at an encapsulation between 60 and 80% about
2 bis 20 ppm Sauerstoff enthält, Contains 2 to 20 ppm oxygen,
und/oder  and or
dass die äußere Schutzgasatmosphäre bei einer Kapselung von 80 - 95% 50 bis 200 ppm Sauerstoff enthält,  that the outer protective gas atmosphere at an encapsulation of 80-95% contains 50 to 200 ppm oxygen,
und/oder  and or
dass die äußere Schutzgasatmosphäre bei einer Kapselung von 80 - 95% 1 bis 20 ppm that the outer protective gas atmosphere with an encapsulation of 80 - 95% 1 to 20 ppm
Sauerstoff enthält, Contains oxygen,
und/oder  and or
dass die äußere Schutzgasatmosphäre bei einer Kapselung größer 95% Sauerstoff in einem Anteil kleiner 20 ppm oder größer 200,ppm enthält.  that the outer protective gas atmosphere at an encapsulation greater than 95% oxygen in a proportion of less than 20 ppm or greater than 200, ppm contains.
9. Metall-Keramik-Verbundmaterial, insbesondere Metall-Keramik-Substrat (1 ), hergestellt nach dem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche. 9. metal-ceramic composite material, in particular metal-ceramic substrate (1), produced by the method according to one of the preceding claims.
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