JP2008505503A - セラミック−金属基板を製作するための方法 - Google Patents
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Abstract
【選択図】図1
Description
最も高い可能な耐部分放電性に対する必要条件はモジュール全体にあてはまる、すなわち、モジュールの個々の部品が最も高い可能な耐部分放電性に対する必要条件を満たさなければならない。それぞれの金属−セラミック基板がそれぞれのモジュールの最も重要な部品であるので、金属−セラミック基板内だけで起こる部分放電は絶縁効果に何の損傷も生じさせないが、この必要条件は、この基板にもまたあてはまる。各個々の部品が必要な耐部分放電性を持つという必要条件に対する理由は、例えば、モジュールのどの個々の部品がモジュールの部分放電の原因となるかは、完成したモジュールの測定によって判定されることができないからである。
耐部分放電性の測定は、規格IEC 1278において規定されている。この測定原理によれば、それぞれの試験片は、最初に動作電圧よりかなり高い絶縁耐圧に対する第1の測定あるいは試験フェーズにかけられ、そして次に、第2の測定あるいは試験フェーズにおいて、まず減少された予備の測定電圧にかけられ、および最後に実際の測定あるいは試験電圧にかけられ、次いでそこで部分放電が測定される。予備の試験電圧は、その時それぞれのモジュールの最大動作電圧より上であり、および、実際の試験電圧は、モジュールの最大動作電圧より下である。部分放電は、この測定において10ピコクーロン(10pC)の値を超えてはならない。
金属−セラミック基板の製作において、セラミック上、例えばアルミニウム−酸化物セラミック上に、「ダイレクトボンディング」工程あるいは「DCB」(直接銅ボンディング)技術によって銅でできている金属被覆であって、その表面が、金属と反応性ガス、好ましくは酸素との間の化学結合から生じる層あるいは被覆(熱い溶融層)を備える、金属あるいは銅板から形成される金属被覆、によって、ストリップ導体、コネクタ、などに必要とされる金属被覆を製造する方法が公知である。
例えばUS−PS 37 44 120内に、およびDE−PS 23 19 854内に記述されるこの方法において、この層あるいは被覆(熱い溶融層)は、金属(例えば銅)の溶解温度より下の溶解温度で共晶を形成し、そのため、箔をセラミック上に配置しておよび全ての層を加熱することによって、すなわち、基本的に、熱い溶融層あるいは酸化物層の領域内だけで金属あるいは銅を溶解させることによって、これらの層が、互いに結合されることができる。
例えば、DCB工程は、その時以下の処理ステップ、すなわち、
− 一様な酸化銅層を形成するための銅箔の酸化ステップ、
− 銅箔をセラミック層上に配置するステップ、
− 複合物を約1025℃と1083℃との間の工程温度、例えば約1071℃に加熱するステップ、
− 室温に冷却するステップ、
を備える。
DCB技術の1つの欠点は、この工程が、それぞれの金属被覆(銅)とセラミックとの間に欠損箇所を発生させることである。これらの欠損箇所がDCB技術を使用して製作される金属−セラミック基板の熱特性にほとんど影響を及ぼさないとはいえ、金属とセラミックとの間の遷移の総表面に対して、結合、すなわち何の欠損箇所もないセラミックと金属との間の結合の表面積が一般に90%を超えるので、ある種の問題が、耐部分放電性に関して欠損箇所から生じる。
DCB技術の工程に関連した欠点は、例えば能動ハンダ付け工程を用いて除去されることができる。しかしこの工程の欠点は、それが、比較的高価なはんだを必要とし、および隣接した導体ストリップ、コンタクト表面などの間の電気伝導性材料(はんだを含む)の全てを取り除くために、複雑な多段工程がセラミックに設けられる金属層を構造化するために必要とされ、あるいは、それぞれの金属被覆を形成する金属層が、セラミック層あるいはセラミック基板に対するボンディングの前に構造化されなければならない、ことである。
本発明に従う方法において、金属被覆あるいは金属層とセラミックとの間に95%を超える結合が達成される。いずれにしても、50μmより大きな直径を有する欠損箇所は除去される。驚くべきことに、セラミックは後処理によって損傷を受けない。
本発明に従う「セラミック基板」は、セラミック層であると一般に理解される。本発明に従う「金属−セラミック基板」は、一般に少なくとも一つのセラミック層と、このセラミック層の少なくとも一つの表面側に設けられた少なくとも一つの金属被覆とを備える基板あるいは一連の層を指す。本発明に従う「結合」はそれぞれの金属被覆とセラミック層との間の遷移の表層域であり、そこ(表層域)は、欠損箇所を呈さず、したがって、セラミックに対する金属層の直接結合が存在する。
本発明に従う後処理が、不活性ガスを、酸素含量を伴う圧力ガスあるいは後処理温度に基づいて調整される酸素分圧として用いて、酸素分圧が、銅とセラミックの間の結合境界の絶縁破壊、およびしたがって、銅とセラミックの間のそれぞれのDCB結合の剥離が発生する可能性がある分圧より大きいように、行われる。しかし、銅の何の測定可能な酸化も後処理中に発生しないように、酸素分圧は上方に制限される。酸化速度が、低下する後処理温度とともに減少するので、選択された酸素分圧はより低い後処理温度においてそれに応じて幾分高い可能性がある。
図2は、DCB工程の後の1つの金属層3あるいは4とセラミック層との間の遷移を、この場合に欠損箇所5とともに示す。
必要とされる高い耐部分放電性を達成するために、基板1は、金属層3および4の貼付けの後、更なる処理ステップにおいて、DCB工程の工程温度より下の温度まで、例えば450℃と1060℃の間の温度まで加熱され、および同時に、非反応性ガスあるいは不活性ガス、例えばアルゴンあるいは窒素、を使用して400バールと2000バールの間のガス圧力にかけられる。この後処理(HIP後処理)は、セラミック層2は損傷を受けず、DCB工程中にセラミック層とそれぞれの金属層3あるいは4との間の遷移において形成するかもしれない、およびしたがって耐部分放電性を低下させるかもしれない中空の空間あるいは欠損箇所5を、完全にあるいはほぼ完全に除去し、そのため、DCB基板としてのその構成にもかかわらず、基板1は、耐部分放電性に対する必要条件を完全に満たす。
以下において、金属−セラミック基板1を製作するための様々な可能性が、実施例に基づいて説明される。
最初に、後で金属層3を形成する予め酸化された銅箔でできている素材3.1が、セラミック層2上に配置され(位置b)、および、セラミック層2と素材3.1からなるアレイが、次いで加熱され、および適切な炉の中で酸素なしでおよそ10分の間予め焼結される。このセラミック層2と素材3.1からなるアレイは、次いで20ppm未満の酸素含量でおよそ1072℃まで加熱され、そのため、冷却の後、素材3.1はDCB工程を通してセラミック層の1つの表面側に結合される金属層3を形成する(位置c)。
セラミック層2を裏返した後に、予め酸化された銅箔でできている素材4.1が、セラミック層のもう一方の表面側に同様に設けられ(位置d)、および、セラミック層2、金属層3および素材4.1からなるアレイが、酸素なしでおよそ10分の間、再びDCB工程のおよそ1072℃の工程温度をかなり下回る温度で、再び加熱される。
更なる処理ステップにおいて、素材4.1は、次いで20ppm未満の酸素含量のDCB工程温度までの加熱を通して、セラミック層2に結合される(位置e)。DCB工程温度を下回る冷却の後、基板は次いでセラミック層2に結合される金属被覆4を特徴とする。
欠損箇所5を除去するために、基板1は、次いで加熱および加圧を通して、すなわち保護ガス雰囲気中で密閉した圧力チャンバ6の中で、例えばおよそ6ppmの酸素分圧を有するアルゴン雰囲気中で、およそ560℃の温度までのおよびおよそ1100バールの圧力における加熱を通して、更なる処理ステップにおいて後処理を受ける(位置f)。この処理の後、基板1は室温まで冷却され、および金属層3と4がエッチマスクによって構造化され、そのため、この金属構造はセラミック層2上に複数の単一基板を形成する、すなわち複数の単一基板が、共通のセラミック層2上に複数のプリントパネルで形成される(位置g)。適切なレーザー、例えばCO2レーザーを使用するレーザースクライビングによって、分離ラインが、単一基板の構造化された金属表面の間のセラミック層2の1つの表面側上に作成され、そのため、次いで複数の基板が単一基板に分割されることができる。
この工程は、セラミックに対する金属被覆3と4の間の高い結合を有する、すなわち少なくとも95%の結合を有する、およびセラミック層2と金属被覆3および4との間の遷移の平面内に、50μmよりかなり小さい直径を持つ欠損箇所5を有する、基板に結びつく。
この工程は、また例えば処理ステップa−dが組み合わせられる形式に変更されることができる、すなわち、予め酸化された銅箔でできている素材3.1と4.1が、セラミック層2の両面に配置され、および、アレイが酸素のない適切な炉の中で加熱されおよび予め焼結され、そしてその後、2つの素材3.1と4.1が、次いでDCB工程を使用して、酸素含量20ppm未満およびおよそ1072℃の温度で、セラミック層2に結合される。
さらに、素材3.1と4.1の事前焼結を見合わせることは可能である。
セラミック層2は、Al2O3でできている薄膜層2.1を、すなわち、窒素(N2)および酸素(O2)を含み、酸素に対する窒素の比率が80/20の雰囲気中で1220℃の温度で30分の期間の間の酸化あるいは処理によって、設けられる(位置a1)。
本実施例における熱/圧力後処理はおよそ950℃の温度およびおよそ900バールの圧力で行われるとはいえ、これはその後実施例1と関連して上記した処理ステップb−gが続く。
この工程の結果は、再び95%より大きな金属層3および4の結合を有し、および50μmより大きな直径を持つ欠損箇所のない基板1である。
およそ800℃の温度および1000バールの圧力で引き続いて起こる後処理では(位置f)、欠損箇所5が除去されるだけでなく、また金属層3および4が穴7の中に形成され、したがって、金属層は穴7の中で結合され、そのため複数のスルーホール接点8が保持される。後処理は、次いでさらにまたその後に金属被覆3および4の構造化、レーザーを用いたセラミックのスクライビングおよび分離ラインに沿って分割することによる単一基板の分離が続く。
結果はそれで、基板1aであり、それは銅層3および4の高い結合だけでなく、また、スルーホール接点8をも特徴とする(位置g)。
これは、次いでさらにまたその後に、素材4.1のボンディング(位置e)、およびおよそ850バールの圧力およびおよそ1030℃の温度での密閉したチャンバ6内の後処理(位置f)が続く。
金属層3および4の構造化の後、およびレーザースクライビングによって分離ラインを作った後に、複数の基板が、(複数の)単一基板に同様に分離される。
基板1bの製造出発原料は、寸法60×80mmおよび0.38mmの厚さを有する2つのセラミック層あるいは基板2および銅あるいは銅合金でできている箔からの3つの予め酸化された素材3.1、4.1および10.1(図8の位置a)である。これらの要素は、それらが順に重ねて位置し、および、素材10.1が2つのセラミック層2の間に位置し、および、素材3.1および4.1が各々のセラミック層2に隣接して位置するように、接近して積み重ねられる。これは、その後にDCB工程を用いたボンディング、すなわち、20ppm未満の酸素含量を有する保護ガス雰囲気中でおよそ1072℃のDCB工程温度までのスタックの加熱が続く。DCB工程の完了の後、および冷却の後、金属−セラミック基板1bに対応する層の形成は、すでに得られている(位置b)。
後処理は、次いで750バールの圧力および1030℃の温度で行われる(位置c)。
結果は、95%より大きなセラミック層2の表面に対する金属あるいは銅層3、4および10の結合を有する、および50μm未満の欠損箇所直径を有するサンドイッチ構造の基板1である。
図9は金属−セラミック基板1cを示し、それは基板1bから異なり、金属層10と底部セラミック層2との間に基板1cの片側の上に少なくとも一つの部分12を突出する更なる構造化された金属層11が設けられ、したがって、金属−セラミック基板1cを搭載されるモジュールのための接続を形成する。
基板1cは、例えば、下記の実施例6に記述される処理ステップで、製作される。
最初の下位基板の製造出発原料として、寸法130×180mmおよび0.63mmの厚さのAl2O3基板が使われ、その中に穴7が金属−セラミック基板1cのスルーホール接点8のために作られる。金属層3および10に対して、寸法129×179mmおよび0.3mmの厚さの銅板でできている予め酸化された素材3.1および10.1が用いられる。素材3.1と10.1とセラミック層の積重ねおよび各々の穴7へのディスク9の挿入の後、金属層3および10は、およそ1072℃の工程温度まで、および酸素含量20ppm未満を有する保護ガス雰囲気中で加熱することによって、セラミック層2に結合され、および、スルーホール接点8が、ディスク9を通して製作される。それぞれの穴7は、およそ0.9mmの直径および0.6mmの軸長さあるいは高さを持つ。
ボンディングの後、金属層3および10が、例えば単一下位基板1c.1の金属被覆のエッチマスクによって構造化され、その後にレーザースクライビングおよび複数の基板のこれらの単一下位基板への切り離しが続く。
セラミック層2および金属層4からなる第2の下位基板1c.2は、同様の方法で、すなわち再び、寸法130×180mmおよび0.63mmの厚さの大型Al2O3基板を使用し、および金属層4を形成する寸法129×179mmおよび0.63mmの厚さの銅箔から作られる素材4.1を使用して多面取りプリントパネルとして、製作される。
金属−セラミック基板1cに対する2つの下位基板1c.1および1c.2のボンディングに対して、平らに穴をあけられた要素11.1が、底部下位基板1c.2のセラミック層2の露出表面側に配置され、そして次に、金属層10の露出した側面を有する上部下位基板が、次いでこの穴をあけられた要素の上に配置される。
穴をあけられた要素11.1は、同様に銅箔から作られておよび予め酸化されている。更なるDCB工程において、穴をあけられた要素11.1による2つの下位基板1c.1および1c.2のボンディングが、1072℃のDCB温度でおよび20ppm未満の酸素含量を有する保護ガス雰囲気中で行われる。これは、その後に後処理、すなわち、およそ10ppmの酸素含量を有する保護ガス雰囲気中で750バールの圧力および1030℃の温度における後処理が続く。
結果は、前記金属層によって形成される金属層3あるいはストリップ導体、コンタクト表面などを外部接続12にボンディングするための少なくとも一つのスルーホール接点8を有する、サンドイッチ構造の金属−セラミック基板1cである。全ての平面内の金属あるいは銅層の結合は95%より大である。いかなる既存の欠損箇所も、50μmよりかなり小さい直径を持つ。
本発明は、例示的な実施態様に基づいて記述された。言うまでもなく数多くの修正および変更は、本発明が基づいている基本的な発明の考えを放棄せずに可能である。例えば、上記した個々の工程あるいは処理ステップを組み合わせることもまた可能である。
1c.1、1c.2 下位基板
2 セラミック層あるいはセラミック基板
2.1 Al2O3でできている層
3,4 金属層
3.1,4.1 素材
5 欠損箇所
6 後処理用の密閉したチャンバ
7 スルーホール接点のための孔あるいは穴
8 スルーホール接点
9 部分あるいは銅ディスク
10 金属層
10.1 素材
11 金属層
11.1 素材あるいは穴をあけられた要素
12 接続
Claims (21)
- 金属−セラミック基板を製作するための方法であって、その工程において金属層(3、4、10、11)が、ダイレクトボンディング工程を使用して、セラミック基板あるいはセラミック層(2)の少なくとも一つの側面に設けられ、前記金属−セラミック基板あるいは下位基板は、およそ400バールと2000バールの間のガス圧力(後処理圧力)で、およびおよそ450℃と1060℃の間の後処理温度で、その後の処理ステップにおいて後処理される、ことを特徴とする方法。
- 前記最大後処理温度は、前記ダイレクトボンディング工程の前記ボンディング温度あるいは工程温度のおよそ95%ないし99%である、ことを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記後処理温度は、前記ボンディング温度の少なくとも50%である、ことを特徴とする請求項1あるいは2に記載の方法。
- 前記後処理温度に基づく前記後処理の前記ガス雰囲気は、銅とセラミックの間の結合境界表面の絶縁破壊が発生する分圧より大きいが、前記銅の何の測定可能な酸化も行われないように上方へ制限される、酸素含量あるいは酸素分圧を持つ、ことを特徴とする先行する請求項のいずれかに記載の方法。
- 900℃と1060℃の間の後処理温度における前記酸素分圧は2x10−7バールと1×10−3バールの間であり、
および、450℃と900℃の間の後処理温度では3x10−16バールと1×10−2バールの間である、ことを特徴とする請求項4に記載の方法。 - 前記後処理のための圧力ガスとしての不活性ガス、例えばアルゴンあるいは窒素、の使用、を特徴とする先行する請求項のいずれかに記載の方法。
- 前記少なくとも一つのセラミック層の前記厚さは、およそ0.2mmと4mmの間である、ことを特徴とする先行する請求項のいずれかに記載の方法。
- 前記少なくとも一つの金属層の前記厚さは、およそ0.07mmと1.0mmの間である、ことを特徴とする先行する請求項のいずれかに記載の方法。
- 少なくとも一つの穴(7)が、少なくとも一つのスルーホール接点(8)を形成するために少なくとも一つのセラミック層(2)内に作られ、かつ、前記穴(7)の付近において、前記セラミック層(2)の前記2つの表面側上に設けられた金属層(3、4)が、前記穴の中に形成され、かつ前記後処理中に互いに接続される、ことを特徴とする先行する請求項のいずれかに記載の方法。
- 少なくとも一つの穴(7)が、少なくとも一つのスルーホール接点を形成するために少なくとも一つのセラミック層(2)内に作られ、電気伝導性材料、例えば銅から、できている要素(9)が、この穴に挿入され、かつ、前記後処理中に、前記セラミック層(2)の前記2つの表面側上の前記少なくとも一つの穴(7)の付近に設けられた前記金属層が、前記金属要素(9)に対する恒久的な変形によって圧縮され、かつ後者に接続される、ことを特徴とする先行する請求項のいずれかに記載の方法。
- 前記金属要素(9)の直径は、前記穴(7)の直径と等しい、あるいはほぼ等しい、ことを特徴とする請求項8に記載の方法。
- 前記金属要素は、前記セラミック層の厚さ以下である前記セラミック層(2)の表面側と直角をなす長さを持つ、ことを特徴とする請求項10あるいは11に記載の方法。
- サンドイッチ構造で金属−セラミック基板を製作するために、少なくとも2つのセラミック層(2)が、その間に位置する少なくとも一つの金属層(10、11)経由で前記DCB工程によって互いに結合される、ことを特徴とする先行する請求項のいずれかに記載の方法。
- 少なくとも一つの金属層(3、4)が、前記DCB工程を使用して前記各々のセラミック層(2)の外側に設けられる、ことを特徴とする先行する請求項のいずれかに記載の方法。
- 金属−セラミック基板をサンドイッチ構造で製作するために、少なくとも一つの第1のセラミック層(2)を有し、および前記2つの表面側上の2つの金属被覆(3、10)を有する1つの第1の下位基板(1c.1)と、少なくとも一つのセラミック層(2)および前記セラミック層の1つの表面側上の少なくとも一つの金属被覆(4)を有する一つの第2の下位基板(1c.2)とが、前記DCB工程を使用して製作され、前記2つの下位基板(1c.1、1c.2)が、更なるDCB工程において少なくとも一つの金属層(10、11)経由で、互いに結合され、かつ、前記後処理は、前記後処理圧力および前記後処理温度で更なる処理ステップで実施される、ことを特徴とする先行する請求項のいずれかに記載の方法。
- 前記少なくとも一つの金属被覆は、前記後処理の後で構造化される、ことを特徴とする先行する請求項のいずれかに記載の方法。
- 前記金属−セラミック基板は、前記少なくとも一つの金属被覆の構造化の後、例えば分離ラインに沿って分割することによって、個々の基板に分離される、ことを特徴とする請求項16に記載の方法。
- 前記後処理は、およそ560℃の後処理温度および1900バールの後処理圧力で行われる、ことを特徴とする先行する請求項のいずれかに記載の方法。
- 前記後処理は、およそ950℃の後処理温度およびおよそ900バールの後処理圧力で行われる、ことを特徴とする先行する請求項のいずれかに記載の方法。
- 前記後処理は、およそ1030℃の後処理温度およびおよそ850バールの後処理圧力で行われる、ことを特徴とする先行する請求項のいずれかに記載の方法。
- 前記後処理は、およそ1030℃の後処理温度およびおよそ750バールの後処理圧力で行われる、ことを特徴とする先行する請求項のいずれかに記載の方法。
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