JP2012094867A - 金属−セラミック基板及びそのような基板を製造するための方法 - Google Patents

Abstract

【課題】機械的、熱的、及び電気的特性が向上された金属−セラミック基板を提供する。
【解決手段】金属−セラミック基板１の１つの第１の表面側を形成する少なくとも１つの第１の外側金属層４を備え、金属−セラミック基板１の１つの第２の表面側を形成する少なくとも１つの第２の外側金属層５を備え、外側金属層が、２次元的接合により平板様基板本体の表面側とそれぞれ接合されており、更に、機械的、熱的、及び電気的特性を向上するために、少なくとも１つの中間層３とからなり、中間層が内部金属層にて接合されている、特に電気回路又はモジュール用の金属−セラミック基板。
【選択図】図１

Description

本発明は、請求項１のプリアンブルに記載の金属−セラミック基板、及び請求項１７のプリアンブルに記載のそのような基板を製造するための方法に関する。

金属−セラミック基板、特に電気及び電子結合回路又はモジュール用のそのような基板は、つまり特にそのような回路又はモジュール用のプリント回路基板として様々な実施形態において知られている。

以降はＤＣＢ接合（ＣＤＢ ｂｏｎｄｉｎｇ）とも呼ばれる「ＤＣＢプロセス」（ダイレクト銅ボンド技術（Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｏｐｐｅｒ Ｂｏｎｄ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ））も公知であり、この技術は、すなわち金属と反応性ガス、好ましくは酸素との化学結合に起因する層又はコーティング（ホットメルト層）がそれらの表面に設けられている金属若しくは銅シート又は金属若しくは銅ホイルを使用して、金属層又はシート（例えば、銅シート又はホイル）を互いに、及び／又はセラミック若しくはセラミック層と接合するために使用される。例えば、米国特許第３７ ４４ １２０号及びドイツ特許第２３ １９ ８５４号に記述されているこの方法では、この層又はコーティング（ホットメルト層）は、金属（例えば、銅）の融解温度未満の融解温度で共融物を形成し、その結果、ホイルをセラミック上に配置し全層を加熱することにより、すなわち本質的にホットメルト層又は酸化層の区域でのみ金属又は銅を融解することにより、これら層を互いに接合することができる。

その後、このＤＣＢ法は、例えば下記のステップを含む：
・均一な酸化銅層が生成されるように銅ホイルを酸化するステップ、
・セラミック層上に銅ホイルを配置するステップ、
・複合材を加熱して、およそ１０２５〜１０８３℃の、例えばおよそ１０７１℃までのプロセス温度にするステップ、
・室温に冷却するステップ。

金属層又は金属ホイル、また特に銅層又は銅ホイルをセラミック材料と接合するための、いわゆる活性ろう付け法（ドイツ特許第２２ １３ １１５号及び欧州特許出願公開第１５３ ６１８号）も公知である。特に金属−セラミック基板を製造するために使用されるこのプロセスでは、金属ホイル、例えば銅ホイルとセラミック基板との接合、例えば窒化アルミニウムセラミックは、銅、銀、及び／又は金等の主成分に加えて活性金属も含有する硬ろうを使用して、約８００〜１０００℃温度で生成される。この活性金属は、群Ｈｆ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｃｅのうちの少なくとも１つの元素であり、化学反応により、ろうとセラミックとの接合を生成するが、ろうと金属との接合は、金属硬ろう接合である。

本発明で使用される場合、「接合」は、一般的に、接続すること、例えばＤＣＢ接合、活性ろう付け、硬ろう付け、接着接合等を意味する。

本発明で使用される場合、用語「本質的に」は、正確な値から＋／−１０％、好ましくは＋／−５％だけ逸脱していること、及び／又は機能にとって重要ではない変化の形態に逸脱していることを意味する。

米国特許第３７ ４４ １２０号 ドイツ特許第２３ １９ ８５４号 ドイツ特許第２２ １３ １１５号 欧州特許出願公開第１５３ ６１８号

本発明の目的は、機械的、熱的、及び電気的特性が向上された金属−セラミック基板を提供することである。この目的は、請求項１に記載の金属−セラミック基板により達成される。金属−セラミック基板を製造するための方法は、請求項１７の主題である。

本発明による金属−セラミック基板は、好ましい実施形態では、中間層により互いに隔てられている少なくとも２つのセラミック層を備え、それら（セラミック層）は、例えばＡｌ２Ｏ３、Ａ１２Ｏ３−ＺｒＯ２、ＡｌＮ、及び／又はＳｉ３Ｎ４で作られており、中間層により互いに隔てられており、中間層は、両セラミック層に隣接する少なくとも１つの内部金属層、又は１つのセラミック層にそれぞれ隣接する少なくとも２つの内部金属層を備える。それぞれの内部金属層は、高い曲げ強度及び破壊強度を達成するために、内部金属層と隣接セラミック層との接着強度又は剥離強度が１０Ｎ／ｍｍを超える結果となるように、セラミック層と接続されている。また、特に温度変化により歪が生じる場合に、それぞれの隣接セラミック層における損傷又は亀裂を防止するために、内部金属層の金属は、７５未満のブリネル硬度、好ましくは４０未満のブリネル硬度を有する。

その後、このように形成された金属−セラミック基板は、好ましくは、本発明による基板の２つの隔てられているセラミック層の層厚と等しい層厚を有する単一セラミック層の破壊強度より実質的に大きいが、少なくとも１．５倍だけより大きな破壊強度を有する。

更に、本発明による金属−セラミック基板は、その層厚が、本発明による基板の２つの隔てられているセラミックス層の層厚の合計と等しい１つのみのセラミックス層を有する基板の耐電圧又は絶縁耐力より実質的に大きいが、少なくとも１．４倍だけより大きな耐電圧又は絶縁耐力を有する。本発明による基板では、絶縁破壊が生じる前に、少なくとも１８ｋＶ／ｍｍの電界強度が、およそ０．３ｍｍの層厚を有するセラミックス層内で可能である。

本発明の更なる実施形態、利点、及び応用は、例示的な実施形態及び図面に関する以下の説明の中でも開示されている。単独で又は任意の組み合わせで記述及び／又は図示されている特徴は全て、それらが特許請求の範囲において要約又は参照されているかどうかに関わらず、本発明の主題である。特許請求の範囲の内容も、説明の不可分な部分である。

本発明は、例示的な実施形態に基づき、下記において詳細に記述される：
本発明による金属−セラミック基板の単純化された断面図を示す図である。 本発明による金属−セラミック基板の破壊強度を決定するための、又は内部金属層と隣接セラミックス層との接着強度又は剥離強度を決定するための測定用配置を示す図である。 本発明による金属−セラミック基板の破壊強度を決定するための、又は内部金属層と隣接セラミックス層との接着強度又は剥離強度を決定するための測定用配置を示す図である。 本発明の様々な実施形態の金属−セラミック基板の断面図を示す図である。 本発明の様々な実施形態の金属−セラミック基板の断面図を示す図である。 本発明の様々な実施形態の金属−セラミック基板の断面図を示す図である。 本発明の様々な実施形態の金属−セラミック基板の断面図を示す図である。 本発明による更なる金属−セラミック基板の拡大部分断面図を示す図である。 本発明による更なる金属−セラミック基板の拡大部分断面図を示す図である。

図１では一般的に１と指定されている、機械的、熱的、及び電気的特性が向上された金属−セラミック基板は、２つの平坦な板状セラミック層２；これらセラミックス層２間に設けられており、セラミック層の相互に対向する表面側とそれぞれ２次元的に接続されている単一内部金属層３．１の形態の中間層３；及び互いに対向しないセラミック層２の表面側に適用された金属層４及び５の形態の２つの外側金属被膜から本質的になる。金属層３、４、及び５は、好ましくは、銅又は銅合金又はアルミニウムの金属ホイル及び／又は金属層である。

セラミック層２は、金属−セラミック基板に好適なセラミック、例えば、Ａｌ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３−ＺｒＯ２、ＡｌＮ、及び／又はＳｉ３Ｎ４からなる。セラミック層２の表面側に対して平行な、これら層間の中間に伸長する基板中間平面に対して、金属−セラミック基板１を少なくとも熱的に対称的に設計することを達成するために、したがって、金属−セラミック基板１に対して熱負荷がある場合のバイメタル効果を防止するために、セラミック層２は、好ましくは同じ層厚ｄ２を有する同じセラミックである。更に、外側金属層４及び５は、それぞれ隣接するセラミック層２と対向しないそれらの表面側と、金属−セラミック基板１の上部側（金属層４）及び底部側（金属層５）を形成し、好ましくは、同じ厚さｄ４及びｄ５（ｄ４＝ｄ５）を有する。しかしながら、特に基板中間平面に対して金属−セラミック基板１を対称的に設計することが望ましくない及び／又は必要でない場合、原理的に他の実施形態も考えられる。

セラミック層２は、好ましくはいわゆるＤＣＢプロセスを使用して、つまりＤＣＢ接合により及び／又は活性ろう付けにより、金属層３．１、４、及び５と接続される。製造は、好ましくは、２つのセラミック層２、内部金属層３．１、並びに２つの外側金属層４及び５からなる積層が、ＤＣＢ接合により又は活性ろう付けにより金属−セラミック基板１と接続される単一の加工ステップでなされる。原理的には、金属−セラミック基板１は、例えば、第１の加工ステップでは、各セラミック層２に、例えばＤＣＢ接合又は活性ろう付けにより１つの表面側にのみ金属層４及び５が設けられ、その後更なる加工ステップでは、２つのセラミック層２は、それぞれ金属層４及び５と対向しないそれらの表面側を中間金属層３．１と接触させ、例えばＤＣＢ接合又は活性ろう付けによりこの層と接続されるという様式で、幾つかの時間的に連続する加工ステップで製造することもできる。

２つのセラミック層２及び内部金属層３．１は、外側金属層４及び５の厚さｄ４及びｄ５と比較して実質的により厚く、セラミック層２の厚さｄ２の２倍及び中間金属層３．１の厚さｄ３．１の合計と等しい厚さを有する基板本体を形成する。

セラミック層２の層厚ｄ２は、例えば、およそ０．２〜１．３ｍｍである。内部金属層３の層厚ｄ３．１は、およそ０．１〜０．８ｍｍであり、外側金属層３及び４の層厚ｄ４及びｄ５は、例えば同様に、およそ０．１〜０．８ｍｍである。しかしながら、層厚ｄ４及びｄ５は、すなわち金属−セラミック基板１のそれぞれの応用にも依存して、これから逸脱する場合もある。

実際には、少なくとも上部金属層４は、互いに電気的に絶縁された金属層区域を形成するために、つまり電気接点表面及び／又はストリップ導体及び／又は接続を形成するために、例えば機械的加工により及び／又は当業者に公知のマスクキング及びエッチング技術を使用して、当業者に公知の方法で組み立てられる。

図１に示されており、上述されている構築の結果として、金属−セラミック基板１は、驚くべきことに、両側に金属被膜を有する単一セラミック層からなる従来の金属−セラミック基板と比較して、機械的、熱的、及び電気的特性が実質的に向上した。例えば、金属−セラミック基板１は、セラミック層２のうちの１つの破壊強度と比較して、少なくとも１．５倍だけより高い曲げ強度及び向上された破壊強度を有する。

破壊強度ｓは、図２に模式的に示されている３点負荷試験で決定される。この試験では、上から見た場合矩形であり、例えば２つのセラミック層２又は金属−セラミック基板１自体のうちの１つである試験片６は、両端で、つまりその短辺の近位で、それぞれ試験片６の縦辺に対して垂直に伸長し、互いに隔てられている支持体７上に設置される。その後、力Ｆが、更なる支持体７又はくさび状押型により、支持体７間の中央の試験片６の上部側に適用される。その後、比破壊強度ｓが、下記式に基づいて決定される：
ｓ＝１．５×Ｆ×Ｌ／Ｂ×ｄ６
式中、
Ｆは、試験片６の初期弾性変形後に試験片の破壊が生じる際の、ニュートンで表された力であり、
Ｌは、より低い支持体７から試験片６の縦方向の、ミリメートルで表された２つの支持区域の距離であり、
Ｂは、その縦伸長に対して垂直な、ミリメートルで表された試験片６の幅であり、ｄ６は、ミリメートルで表された試験片６の厚さである。

純粋なセラミックの比破壊強度は、４００Ｎ／ｍｍ^２を超えており、これは、両側に適用された金属層が、比破壊強度の増大にわずか最小限にしか寄与しないため、１つのみのセラミック層を有する従来の金属−セラミック基板の破壊強度にも相当する。測定により、金属−セラミック基板１の比破壊強度は、その層厚が層厚ｄ２の合計と等しい１つのみのセラミック層を有する金属−セラミック基板の比破壊強度より実質的に、つまり少なくとも１．５倍だけより高いことが確認された。

比破壊強度の増大を達成するためには、本発明の基本原理によると、少なくとも内部金属層３．１と隣接セラミック層２との接続が、十分に高い接着強度又は剥離強度で実施されることが、必要であるか又は少なくとも好都合である。セラミック層２及びこのセラミック層に接合された金属層３．１からなる試験片８に対する接着強度又は剥離強度は、図３に示されている様式で、すなわち金属層３．１が、セラミック層２の表面側の平面に対して垂直な軸方向の力Ｆで剥離されるという様式で測定される。

金属層３．１は、幅５０ｍｍ及び厚さ０．５ｍｍのストリップ状である。接着強度又は剥離強度は、セラミック層２から金属層３．１を取り外すために必要な最小限の力Ｆ（Ｎでの）及び金属層３の幅（ｍｍでの）から得られる係数である。

上述されている金属−セラミック基板１の破壊強度ｓ１の増大を達成するためには、本発明の基本原理によると、１０Ｎ／ｍｍを超える接着強度又は剥離強度が必要である。

更に、金属−セラミック基板１は、熱特性も向上されている。これら特性は、金属−セラミック基板１が温度変化に対して耐性であるという特徴を持つという事実に、部分的に起因する。金属−セラミック基板は、温度が高頻度で高度に又は極端に変化する場合でも安定しており、つまり金属−セラミック基板１の特性を損ない、特に機械的及び電気的特性（特に耐電圧）を損なわないであろう損傷、例えばセラミック層２における亀裂は、すなわちセラミック及び金属又は銅の熱膨張係数が異なるにもかかわらず、特に生じない。金属−セラミック基板１の高頻度で極端な温度変化は、特に、この基板が、高電力の電気回路又はモジュール用の、例えばスイッチドライブ又は他の高電力消費部品用の基材又は基板として使用される場合に生じる。この高い熱安定性を達成するために、本発明は、ある応用で使用される場合、金属層３．１、４、及び５の金属のブリネル硬度が７５未満であり、好ましくは（特にアルミニウムで使用される場合）４０未満であることを提供する。

金属−セラミック基板１の熱特性の向上は、驚くべきことに、内部金属層３が熱拡散体として機能するという事実によっても達成される。より良好に理解するためには、ある応用で使用される場合に、上部金属層４は、この金属層の金属層区域が、図１に矢印Ｗで示されているように作動中に熱を散逸する電気的又は電子的電力部品用の接点又は取付表面を形成するように組み立てられることが留意される。この散逸される熱Ｗは、上部セラミック層２により内部金属層３．１へと更に移動し、そこでは、散逸される熱の側方分配又は拡散が、図１に矢印Ｗ’で示されているように生じる。したがって、散逸された熱は、金属層３．１の表面全体又はほぼ全体から、大きな断面で下部セラミック層２を介して、下部金属層５又はこの金属層に少なくとも熱的に接続されている冷却器（非表示）へと更に移動する。

更に、金属−セラミック基板１は、電気的特性も向上されている。金属層３、４、及び５の金属硬度をそれに応じて選択することにより、温度が変化する場合のセラミック層２の熱関連欠陥又は亀裂が回避されること、及びそのような欠陥による金属−セラミック基板の耐電圧の低減が回避されることは、既に記述した。

活性ろう付けの場合でもそうであるが、特にＤＣＢ接合の場合、接合後に高いプロセス温度（およそ１０２５℃〜１０８３℃、又は活性ろう付けの場合は、およそ８００℃〜１０００℃）から周囲温度まで金属−セラミック基板を冷却する間に、金属層３、４、及び５の硬度が低減されることにより、金属−セラミック基板の耐電圧に影響を及ぼすセラミック層２における熱関連亀裂が生じないため、金属層３．１、４、及び５の硬度が低いことが主要な利点であることも示された。

更に、驚くべきことに、金属−セラミック基板１の構造に起因して、この基板の耐電圧は、実質的に増加され、すなわち層厚ｄ２の合計と等しい層厚を有するセラミック層により示される耐電圧より実質的に大きい値になり得ることが示された。

この点で、耐電圧は、金属層４及び５に印加される外部電気直流電圧の場合、ちょうど絶縁破壊がまだ起らない、つまり特に部分放電が依然として事前規定の閾値未満でセラミック層２に存在する電界強度を意味する。およそ０．６４ｍｍの層厚を有する単一セラミック層の場合、耐電圧又は絶縁耐力を規定するこの電界強度は、少なくとも１０ｋＶ／ｍｍである。金属−セラミック基板１においてそれぞれ０．３２ｍｍの層厚を有する２つのセラミック層２が使用される場合、耐電圧又は破壊強度を規定する電界強度は、少なくとも１８ｋＶ／ｍｍである。これは、セラミック層２の総厚が等しい場合、金属−セラミック基板１の耐電圧が、セラミック層２の層厚ｄ２の２倍を有する１つのみのセラミック層を有する金属−セラミック基板と比較して、少なくとも１．４倍だけより大きいことを意味する。

しかしながら、厚さｄ２の２倍を有する単一セラミック層のみを有する金属−セラミック基板と比較した金属−セラミック基板１の破壊強度の増大は、２つのセラミック層２を互いに隔てる中央中間層３に起因する。この中間層の層厚は、少なくとも１．５倍だけ増大される金属−セラミック基板１の破壊強度がもたらされるように選択される。

図４は、更なる実施形態として、中間層３に対応する中央中間層３ａが多重層である、すなわち金属層３．１及び更なる金属層３．２からなるという点で、図１の金属−セラミック基板１と本質的に異なる金属−セラミック基板１ａを示す。すなわちＤＣＢ接合又は活性ろう付けにより、金属層３．１が、図４の上部セラミック層２の底部側と接続されており、金属層３．２が、図４の下部セラミック層２の上部側と接続されている２つの金属層３．１及び３．２は、接続層９により互いに２次元的に接続されている。接続層９は、例えば硬ろう、例えば３００℃より高い融点を有する硬ろうで作られている。２つの金属層３．１及び３．２はそれぞれ両方とも、金属−セラミック基板１ａの２つのセラミック層２が、金属−セラミック基板１におけるよりも互いに更により隔てられるように、例えば層厚ｄ３を有する。この結果、金属−セラミック基板１ａは、金属−セラミック基板１と比較して、更により高い曲げ剛性及び破壊強度を有する。多重層中間層３ａの層厚は、中間層３と比較してより大きいため、熱拡散効果も向上される。

金属−セラミック基板１ａの製造は、好ましくは、２つのセラミック層２の両側に、例えばＤＣＢプロセス及び／又は活性ろう付けプロセスを使用して、金属被膜３．１及び４、３．２及び５がそれぞれ設けられ、その後、このように製造されたサブ基板が、接続層９により金属層３．１及び３．２上で互いに接続されるという様式で達成される。

図５は、更なる実施形態として、２つのセラミック層２を互いに隔てる多重層中間層３ｂを形成する２つの金属層３．１及び３．２が、ＤＣＢ結合により互いに接続され、そのため接続層９が除去されるという点でのみ、金属−セラミック基板１ａと本質的に異なる金属−セラミック基板１ｂを示す。

図６は、更なる実施形態として、最初に、２つのセラミック層２を互いに隔てる中間金属層３ｃが３つの層を有し、すなわち金属層３．１、３．２、及び３．３からなり、それらは同様にＤＣＢ接合、活性ろう付け、及び／又は硬ろう付けにより互いに接続されており、すなわちそれぞれＤＣＢ接合又は活性ろう付けにより、金属層３．１が図６の中の上部セラミック層２の底部側に接続されており、金属層３．２が図６の下部セラミック層２の上部側に接続されているという点で、金属−セラミック基板１ｂと異なる金属−セラミック基板１ｃを示す。

図６に示されているように、金属層３．１及び３．２は、チャンバー又はチャネル又は陥凹部１０が、すなわち接続又は接合中に放出されるガス成分及び／又は蒸気成分及び／又は液体成分を受容するために、例えば過剰な接続又は接合材料、例えばろうを受容するために、これらの金属層内に形成されるように組み立てられる。

金属−セラミック基板ｌｃの機械的特性及び熱特性を損なわないために、つまり金属−セラミック基板１ｃの上部側と底部側との間の所望の高破壊強度及び所望の低熱耐性を損なわないために、金属層３．１及び３．２に設けられている陥凹部１０は、互いにずらされており、つまりそれらが重なり合わないように配置されている。

金属層３．３は、連続しているように、つまり陥凹部１０がないものとして示されている。無論、対応する陥凹部は、この層にも設けることもできる。この実施形態では、上部金属層４は、つまり互いに電気的に絶縁されている金属層区域４．１及び４．２を形成するように組み立てられる。

金属−セラミック基板１ｃの製造は、例えば、最初に、セラミック層２の表面側に、金属層３．１及び４並びに３．２及び５が、例えばＤＣＢ接合又は活性ろう付けにより設けられ、その後、それらの金属層３．１及び３．２を有するその結果生じたサブ基板は、例えば好適な接合媒体、例えば硬ろうを使用して金属層３．３により互いに接続されるようにして達成される。金属層３．１及び３．２を金属層３．３と接続するためには、他の接合プロセス、例えばＤＣＢ接合及び／又は活性ろう付けも可能である。

図７は、更なる実施形態として、２つのセラミック層２を互いに隔てる中央中間層３ｄが、同様に、２次元的に互いに接続されている２つの金属層３．１及び３．２により形成される金属−セラミック基板１ｄを示す。セラミック層２の、中間層３ｄと対向していない表面側には、金属層４及び５が設けられている。これまでのところ、金属−セラミック基板１ｄは、金属−セラミック基板１ｂに相当する。しかしながら、金属−セラミック基板１ｄの場合、金属層３．１及び３．２は、同様に陥凹部１０を形成するように組み立てられており、陥凹部１０は、接合中に蓄積する対応するガス成分及び／又は蒸気成分及び／又は液体成分を受容するための、例えば過剰な接合媒体を受容するための役割も果たす。更に、金属−セラミック基板１ｄの上部側の金属層４は、互いに電気的に絶縁されている金属層区域４．１、４．２、及び４．３を形成するように組み立てられており、金属層区域４．１は、電気的又は電子的電力部品又はモジュール１１用の取付表面としての役割を果たし、モジュール１１は、例えばＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ、Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）であり、金属層区域４．１と少なくとも熱的に接続されている。金属層区域４．２及び４．３には、更なる電気的又は電子的部品１２及び１３が設けられ、それらは、同様にこれらの金属層区域と少なくとも熱的に、しかし好ましくは電気的にも接続されている。部品１２及び１３は、例えば、アクチュエーター、又は駆動回路、又はモジュール、ダイオード、抵抗器などである。

図８は、拡大部分的図で示されている金属−セラミック基板１ｅの断面を示し、金属−セラミック基板１ｅは、金属−セラミック基板１ｄと本質的に同一であるが、第１に、基板の上部側の金属層区域４．１が、上部セラミック層２の開口部を介して及びこの開口部を介して形成されたスルーホール接点１４により金属層３．１と、及び後者を介して金属層３．２とも、機械的に、熱的に、及び電気的に接続されているという違いがある。スルーホール接点１４は、金属材料からなり、好ましくは少なくとも金属層３．１及び４の材料からなるが、また好ましくは金属層３．１、３．２、４、及び５全ての材料からなる。

図８に更に示されているように、２つの金属層３．１及び３．２は、後者が金属層３．１と３．２との接続平面まで伸長するものの、それぞれの隣接するセラミック層２に直接的に伸長しないように、つまり各陥凹部１０が、実質的に低減された厚さを有する対応する金属層３．１又は３．２の区域により形成され、したがって隣接するセラミック層２からそれぞれの陥凹部１０の内部空間を隔てる底部１５を有するように陥凹部１０を形成するように設計されている。好ましくは他の金属−セラミック基板も、チャネル又はチャンバー又は陥凹部１０に関して、例えば金属−セラミック基板１ｅ及び１ｄに関しても、このように設計される。

金属−セラミック基板１ｅの製造は、好ましくは、最初に、２つのサブ基板が、それぞれセラミック層２、並びに金属層３．１及び４並びに３．２及び５からなり、すなわち少なくとも１つのスルーホール接点１４を有し、その後、チャネル又はチャンバー１０を形成するための金属層３．１及び３．２の組み立て、並びに金属層区域４．１、４．２、及び４．３などを形成するための少なくとも金属層４の組み立てが、すなわち好適な技術、例えばエッチング及びマスクキングを使用して及び／又は機械的加工によりなされるという形態で同様に達成される。その後、このようにして製造されたサブ基板は、例えば、ＤＣＢ接合、活性ろう付け、又は硬ろう付けにより、又は別の好適な接合手段を使用して、金属層３．１及び３．２上で互いに接続される。陥凹部１０は、これらサブ基板の金属−セラミック基板１ｅへの接続が生じるサブ基板の表面側に開口している。

図９は、更なる実施形態として、２つのセラミック層２を互いに隔てる中央多層中間層３ｆが、２つの金属層３．１及び３．２に加えて、絶縁層１６、図示されている実施形態では、これら金属層間に設けられている薄い絶縁層を備えているという点でのみ、金属−セラミック基板１ｅと異なる金属−セラミック基板を１ｆ示す。絶縁層１６は、例えば同様にセラミック層である。図示されている実施形態では、陥凹部１０は、絶縁層１６に直接的に隣接している。

金属−セラミック基板１ｆの製造は、金属−セラミック基板１ｅの製造に類似した様式で、すなわち同様に、最初に、２つのサブ基板が、スルーホール接点１４を有するセラミック層２、並びに金属層３．１及び４並びに３．２及び５から製造され、その後、すなわち好適な技術、例えばエッチング及びマスキングを使用して、及び／又は機械的加工により、陥凹部１０及び金属層区域４．１、４．２、４．３などを形成するように組み立てられるという形態で達成される。その後、絶縁層１６によるサブ基板とそれらのサブ層３．１及び３．２の接続が、好適な接合プロセス、例えばＤＣＢ接合、活性ろう付けを使用してなされる。陥凹部１０は、同様に、絶縁層１６によるこれらサブ基板の金属−セラミック基板１ｆへの接続がなされるサブ基板の表面側に開口している。

金属−セラミック基板１、１ａ〜１ｄの中間層３、３ａ〜３ｄは、単に２つのセラミック層２を隔てる役割を果たすに過ぎず、中間層３ｅ及び３ｆは、少なくとも１つのスルーホール接点１４に起因する電気的機能も有し、つまり中間層３ｅ及び中間層３ｆの金属層３．１は、例えば接続又は電気的接続として機能する。

金属−セラミック基板１ａ〜１ｆのセラミック層２のセラミックは、同様に好ましくは、Ａｌ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３−ＺｒＯ２、ＡｌＮ、又はＳｉ３Ｎ４であり、例えばおよそ０．２ｍｍ〜１．３ｍｍの層厚ｄ２を有する。金属層３．１、３．２、３．３、４、及び５は、例えば銅又は銅合金のそのような層である。これら金属層については、他の金属素材も、好ましくはアルミニウム又はアルミニウム合金も原理的に可能である。金属層３．１及び３．２の層厚ｄ３．１及びｄ３．２は、例えば０．１ｍｍ〜０．８ｍｍであり、例えば金属層３．３の層厚ｄ３．３並びに／又は外側金属層３及び４の層厚ｄ４及びｄ５も同様である。

金属−セラミック基板１ａ〜１ｆにおいて、２つのセラミック層２を互いに隔てる中間層３ａ〜３ｆの総厚は、それぞれの金属−セラミック基板１ａ〜１ｆが、その層厚が２つのセラミック層２の層厚ｄ２の合計と等しい単一セラミック層の破壊強度より実質的に、すなわち少なくとも１．５倍だけ大きい、必要とされる曲げ強度並びに破壊強度を有するように選択される。更に、少なくとも金属−セラミック基板１ａ〜１ｆにおける、それぞれのセラミック層２と、隣接する金属層３．１又は３．２との接続の接着強度又は剥離強度は、同様に少なくとも１０Ｎ／ｍｍであり、すなわち少なくとも金属層３．１及び３．２の金属硬度、好ましくは金属層３．３、４、及び５の金属硬度も低減されており、つまりブリネル硬度が７５未満、好ましくは４０未満である。

金属−セラミック基板１ａ〜１ｆは、金属−セラミック基板１について記述されているもの、つまり高い曲げ強度及び破壊強度、中間層３ａ〜３ｆにおける高い熱拡散、温度変化に対する高い耐性（金属層の金属硬度の低減によっても増強される）、並びに特に耐電圧及び絶縁耐力に関する電気的特性の向上と同じ機械的、熱的、及び電気的特性の向上を示す。これは、同様に、その層厚がセラミック層２の層厚ｄ２の合計に相当する単一セラミック層を有する金属−セラミック基板と比較して、少なくとも１．４倍だけより良好である。

金属−セラミック基板１ａ−１ｆでは、金属層４及び５は、同様に、それぞれの隣接するセラミック層２と対向しないそれらの表面側で、金属−セラミック基板１の上部側（金属層４）及び底部側（金属層５）を形成する。

また金属−セラミック基板１ａ〜１ｆは、好ましくは、少なくとも熱特性に関して、温度変化の場合には基板を弓形に変形させるバイメタル効果が生じないように、基板上部側と基板底部側との中間に伸長し、これらの側と平行に伸長する基板中間平面に対して対称的であるか又は本質的に対称的である。好ましくは、金属−セラミック基板１ａ〜１ｆは、同様に、層の数及びタイプ、層厚、並びに層に使用される材料に関して、基板中間平面に対して対称的であるか又は本質的に対称的である。

本発明を、例示的な実施形態に基づいて上述した。本発明が基づく根本的な発明観念を放棄せずに、多数の改変及び変異が可能であることは言うまでもない。

上記の説明では、例えば、様々な金属層３．１、３．２、３．３、４、５の互いの、又は隣接するセラミック層２との接続又は接合は、ＤＣＢ接合、活性ろう付け、及び／又は硬ろう付けにより達成されると仮定した。原理的には、合成接着剤を使用した、例えばエポキシ樹脂基剤を有する接着剤を使用した粘着接続又は接着技術を接合に使用することができ、すなわち特に繊維強化接着剤は、その後、例えばそれらが繊維を含有するため、隣接する金属層の熱膨張を低減し、したがって例えば温度変化に対する耐性を更に向上させる。

これに好適な接着剤は、特に、炭素繊維及び／又は炭素ナノ繊維及び／又はカーボンナノチューブを含有する接着剤、並びに／又は良好な熱伝導性の及び／若しくは導電性の接続が可能な接着剤である。

好ましくは、構成部品を基板又はプリント回路基板に接合するために使用されるろう付け温度、例えば３５０℃で少なくとも５分間安定している合成材料（例えば、エポキシ樹脂）が接着剤に使用される。しかしながら、それぞれ
のろう付け温度は、ろう付中に一時的にしか適用されないため、ろう付け温度より低い、例えば３５０℃より低い、接合材料として使用される接着剤の温度耐性が、例えば少なくとも２２０℃の温度耐性が、原理的には十分である。

上述されている金属−セラミック基板１ａ〜１ｆの場合、それぞれの中間層３、３ａ〜３ｆは、連続するように設計されている。これが好ましい実施形態である場合でさえ、セラミック層を隔てる中間層が、幾つかの区域又は区間からなる実施形態も考えられる。

１、１ａ−１ｆ 金属−セラミック基板
２ セラミック層
３、３ａ−３ｆ セラミック層２を隔てる中間層
３．１〜３．３ 金属層
４．５ 金属層
４．１〜４．３ 金属層区域
６ 試験試料
７ 支持体
８ 試験試料
９ 接続層又は接合層
１０ 陥凹部
１１ 電気的又は電子的電力部品又はモジュール
１２、１３ 電気的又は電子的部品
１４ スルーホール接点
１５ 底部
１６ 絶縁層
Ｆ 試験片６又は８に及ぼされる力
Ｗ 金属−セラミック基板にもたらされる熱エネルギー
Ｗ’ 熱拡散
Ｌ 支持体表面間の距離
Ｂ 試験片６の幅
Ｍ 基板中間平面

Claims (18)

1. 特に電気回路又はモジュール用の金属−セラミック基板であって、金属−セラミック（１、１ａ〜１ｆ）の第１の表面側を形成する少なくとも１つの第１の外側金属層（４）を備え、前記金属−セラミック基板（１、１ａ〜１ｆ）の１つの第２の表面側を形成する少なくとも１つの第２の外側金属層（５）を備え、前記外側金属層（４、５）が、２次元的接合により平板様基板本体の表面側にそれぞれ接合されており、前記基板本体が、機械的、熱的、及び電気的特性の向上を達成するために、少なくとも２つのセラミック層（２）と、これら前記セラミック層（２）間に設けられており前記セラミック層を互いに隔てる少なくとも１つの中間層（３、３ａ〜３ｆ）とからなり、前記中間層が、少なくとも１つの内部金属層（３．１、３．３）を備え、接合により前記セラミック層（２）と２次元的に接続されていることを特徴とする金属−セラミック基板。
2. 単一の中間層（３、３ａ〜３ｆ）が、少なくとも２つの前記セラミック層（２）の間にあり、中間層（３、３ａ．３ｆ）が、前記中間層に隣接する前記セラミック層（２）の表面側全体又は本質的に全体にわたって伸長していることを特徴とする、請求項１に記載の金属−セラミック基板。
3. 前記中間層（３、３ａ〜３ｆ）の層厚（ｄ３、ｄ３ａ〜ｄ３ｆ）が、前記外側金属層（４、５）の層厚（ｄ４、ｄ５）と少なくとも等しいが、好ましくは、前記外側金属層（４、５）の層厚（ｄ４、ｄ５）より大きいか、及び／又はセラミック層（２）の少なくとも１つの層厚（ｄ２）より大きいことを特徴とする、請求項１又は２に記載の金属−セラミック基板。
4. 前記中間層（３ａ〜３ｆ）が、少なくとも２つの内部金属層（３．１〜３．３）、及び／又は少なくとも１つの内部金属層（３．１、３．２）、及び１つの内部絶縁層（１６）、例えば１つの内部セラミック層を備える多重層設計を有し、多重層中間層（３ａ〜３ｆ）を形成する前記内部層（３．１〜３．３、１６）が、接合により互いに２次元的に接続されていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の金属−セラミック基板。
5. 前記中間層（３ｆ）が、２つの内部金属層（３．１、３．２）間に設けられている１つの内部絶縁層（１６）を備えることを特徴とする、請求項１又は２に記載の金属−セラミック基板。
6. 前記中間層（３ｃ〜３ｆ）が、少なくとも１つの陥凹部（１０）、好ましくは、接合中に放出されるガス成分及び／又は蒸気成分及び／又は液体成分を受容するための、また特に接合中に使用される過剰な接合剤を受容するためのチャネル又はチャンバーを形成するための少なくとも１つの陥凹部を備え、前記少なくとも１つの陥凹部が、好ましくは前記金属−セラミック基板（１ｃ〜１ｆ）の少なくとも１つの周囲側で開口していることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の金属−セラミック基板。
7. 前記多重層中間層（３ｃ〜３ｆ）が、少なくとも２つの前記内部金属層（３．１、３．２）を備え、少なくとも１つの前記陥凹部（１０）が、これらの前記金属層（３．１、３．２）の少なくとも１つに設けられていることを特徴とする、請求項６に記載の金属−セラミック基板。
8. 少なくとも１つの前記陥凹部（１０）又はその内部空間が、少なくとも１つの前記内部金属層（３．１、３．２）の１つの側で開口しており、そこでは、この前記内部金属層（３．１、３．２）が、１つの更なる層（３．２、３．１、１６）と２次元的に接合されて、前記多重層中間層（３ｃ〜３ｆ）を形成することを特徴とする、請求項７に記載の金属−セラミック基板。
9. 少なくとも１つの前記陥凹部（１０）又はその内部空間が、前記内部金属層（３．１、３．２）により形成された底部（２５）により、隣接する前記セラミック層（２）から隔てられていることを特徴とする、請求項７又は８に記載の金属−セラミック基板。
10. その層厚が、前記中間層（３、３ａ〜３ｆ）により互いに隔てられている２つの前記セラミック層（２）の層厚（ｄ２）の合計と等しい単一セラミック層の破壊強度より大きい破壊強度を有することを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載の金属−セラミック基板。
11. 少なくとも、前記中間層（３、３ａ〜３ｆ）を形成する前記金属層（３．１〜３．３）又はそれらの材料が、７５未満の、好ましくは４０未満のブリネル硬度を有することを特徴とする金属−セラミック基板。
12. 少なくとも、前記中間層（３、３ａ〜３ｆ）を形成する前記内部金属層（３．１、３．２）が、１０Ｎ／ｍｍを超える接着強度又は剥離強度を有するそれぞれの隣接するセラミック層（２）と接合されていることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の金属−セラミック基板。
13. 互いに隔てられている前記セラミック層（２）の少なくとも１つに、この前記セラミック層（２）上に設けられてい前記る外側金属層（４）又はこの前記外側金属層（４）の金属層区域（４．１）を、機械的に、熱的に、及び／又は電気的に１つの内部金属層（３．１）と接続する少なくとも１つのスルーホール接点（１４）が設けられていることを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の金属−セラミック基板。
14. 少なくとも１８ｋＶ／ｍｍの耐電圧及び絶縁耐力を有することを特徴とする、金属−セラミック基板。
15. 前記セラミック層（２、１６）が、Ａｌ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３−ＺｒＯ２、ＡｌＮ、Ｓｉ３Ｎ４、又はこれらセラミックスの組み合わせの層であることを特徴とする、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の金属−セラミック基板。
16. 相互に隣接する前記層（２、３．１〜３．３、４、５、１６）間の接続が、ＤＣＢ接合により、及び／又は活性ろう付け、及び／又は硬ろう付けにより、及び／又は接着剤、例えば合成基剤又はエポキシ樹脂基剤を有する、例えば繊維を有する接着剤を使用して、及び／又は導電性接着剤を使用して製造されることを特徴とする、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の金属−セラミック基板。
17. 機械的、熱的、及び電気的特性が向上された金属−セラミック基板（１、１ａ〜１ｆ）を製造するために、少なくとも２つのセラミック層（２）の両表面側に、例えばＤＣＢ接合又は活性ろう付けにより、金属層（３．１、４、３．２、５）が設けられ、このように製造されたサブ基板が、例えば硬ろう付けにより、活性ろう付けにより、ＤＣＢ接合により、及び／又は接着接合により、金属層（３．１、３．２）上でそれぞれ互いに２次元的に接続されることを特徴とする、平板状基板本体に設けられる外側金属層（４、５）を備える金属−セラミック基板を製造するための方法。
18. 前記サブ基板の前記金属層（３．１、３．２、４）が、例えば、前記金属−セラミック基板（１ｃ〜１ｆ）の外部側の金属層区域（４．１〜４．３）を形成するために、及び／又は前記セラミック層（２）を互いに隔てる前記中間層（３ｃ〜３ｆ）に又はそこに設けられる金属層（３．１、３．２）に陥凹部（１０）を形成するために、これらサブ基板を接合する前に組み立てられることを特徴とする、請求項１７に記載の方法。