JP2017501883A - 金属セラミック基板を製造する方法 - Google Patents
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Abstract
本発明は、第１メタライゼーション部（３）および第２メタライゼーション部（４）、および、第１メタライゼーション部（３）と第２メタライゼーション部（４）との間に収容された少なくとも１つのセラミック層（２）を含む金属セラミック基板（１）を製造する方法に関する。好適には第１および第２金属層（５，６）およびセラミック層（２）を重ねて積層し、しかも第１および第２金属層（５，６）の開放縁部部分（５ａ，６ａ）がそれぞれ、縁部側においてセラミック層（２）を突き出て、セラミック容器（２）を収容しかつ容器内部空間（８）を閉じ込める気密に閉鎖された容金属容器（７）を形成するため、第１および第２金属層（５，６）を，突き出した開放縁部部分（５ａ，６ａ）の領域において互いに変形させて、直接互いに接合されるように積層される。引き続いて、複数の金属層（５，６）のうちの少なくとも１つとセラミック層（２）との好適には平坦な接合が形成するため、金属容器（７）を構成する金属層（５，６）は、処理チャンバにおいて、容器内部に収容されたセラミック容器（２）と共に、５００〜２０００barのガス圧および３００℃から金属層（５，６）の融解温度までのプロセス温度において互いに熱間静水圧加圧され、第１および第２メタライゼーション部（３，４）を形成するため、少なくとも、金属層（５，６）の互いに接合されかつ突出した、開放縁部部分（５ａ，６ａ）が最終的に除去される。
Description
本発明は、請求項１および１３の上位概念に記載された金属セラミック基板を製造する方法に関する。
セラミック層と、少なくとも１つのメタライゼーション部とからなるプリント基板の形態の金属セラミック基板であって、メタライゼーション部が、セラミック層の表面側に接合されかつ導体路、コンタクト、コンタクト面または接続面を形成するために構造化される金属セラミック基板は、極めて多くの実施例において公知である。このような金属セラミック基板は、例えばパワー半導体モジュールを構成するために使用され、つまり割合高い動作電圧、具体的には６００Ｖ以上の動作電圧に対して設定されている。このようなパワー半導体モジュールに対する複数の要求のうちの１つは、耐部分放電性が十分に高いことであり、この際には金属セラミック基板もこの要求を満たさなければならない。
メタライゼーションを構成する複数の金属シートまたは金属層を互いに接合するため、または、これらとセラミック基板もしくはセラミック層とを接合するためには、いわゆる「ＤＣＢ（Direct-Copper-Bonding）法」がさらに公知である。ここでは金属層、好適には銅層また銅シートが互いに接合され、および／または、これらがセラミック層と接合され、しかも金属薄板もしくは銅薄板または金属シートもしくは銅シートを使用して接合され、これらは、その表面側に、金属と、好適には酸素である反応性ガスとの化合物からなる１つの層または１つのコーティング（リフロー層）を有する。例えば米国特許第３７４４１２０号明細書または独国特許第２３１９８５４号明細書に記載された上記の方法において、上記の層およびコーティング（リフロー層）は、金属（例えば銅）の融解温度よりも低い融解温度で共晶を構成するため、セラミック層上に金属シートもしくは銅シートを載置して層全体を加熱することにより、これらを互いに接合することができ、しかも金属層もしくは銅層の融解により、実質的にリフロー層もしくは酸化物層の領域だけ接合することができる。この場合にこのようなＤＣＢ法は、例えばつぎのようなステップを有する。すなわち、
・ 均一な酸化銅層が得られるように銅シートを酸化させるステップと、
・ 上記の均一な酸化銅層を備えた銅シートをセラミック層上に載置するステップと、
・ 約１０２５〜１０８３℃の、例えば約１０７１℃のプロセス温度にこの結合体を加熱するステップと、
・ 室温に冷却するステップとを有する。
・ 均一な酸化銅層が得られるように銅シートを酸化させるステップと、
・ 上記の均一な酸化銅層を備えた銅シートをセラミック層上に載置するステップと、
・ 約１０２５〜１０８３℃の、例えば約１０７１℃のプロセス温度にこの結合体を加熱するステップと、
・ 室温に冷却するステップとを有する。
ＤＣＢ法の欠点は、それぞれの銅層とセラミック層との間にプロセスに起因する欠陥箇所が発生し得ることである。この欠陥箇所は確かに、ＤＣＢ法を使用して製造した金属セラミック基板の熱特性をまったく損なうことはないが、これらの欠陥箇所に起因して、この金属セラミック基板から製造されるパワー半導体モジュールの耐部分放電性が劣化してしまう。
さらに刊行物独国特許第２２１３１１５号明細書および欧州特許公開第１５３６１８号明細書からは、メタライゼーションを構成する金属層または金属シート、特に銅層または銅シートの金属層または金属シートと、セラミック材料もしくはセラミック層とを接合するいわゆる活性ろう付け法が公知である。特に金属セラミック基板を製造するためにも使用されるこの方法では、約８００〜１０００℃の温度において、例えば銅シートである金属シートと、例えば窒化アルミニウムセラミックであるセラミック基板との間の接合が硬ろう付けを使用して製造される。この硬ろう付けには、銅、銀および／または金などの主成分に加えて活性金属も含まれている。例えばＨｆ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｃｅからなる群の少なくとも１つの元素であるこの活性金属は、化学反応により、硬ろうとセラミックとの間の接合を形成し、これに対して硬ろうと金属との間の接合は、金属の硬ろう接合である。しかしながら必要な上記の硬ろうには極めてコストがかかり、活性ろう付け法によって被着されるメタライゼーション部の構造化はプロセス技術的に繁雑であるため、不利である。
欧州特許第１７１６６２４号明細書からは、冷却体を構成するために複数の金属プレートから積層体を製造する方法がすでに記載されており、ここでは複数の薄い金属プレートもしくは金属シートが互いに接合されて１つの積層体になり、この積層体が１つの冷却体、特にマイクロ冷却体を形成する。複数の金属プレート間の複数の接合領域にマイクロキャビティが発生することを回避するため、接合温度未満の高い処理温度および２００〜２０００ｂａｒの範囲の高いガス圧における保護ガス雰囲気中でプレート積層体の後処理が行われる。この後処理は、熱間静水圧加圧（ＨＩＰ：Hot Isostatic Press法）とも称される。上記の温度条件において保護ガス雰囲気内でプレート積層体に高いガスを加えることによって特に、複数のプレート間の接合部に十分にマイクロキャビティが存在しなくなる。すなわち、２つの金属プレートの接合領域内に凹部または空所が存在しなくなる。ここでは保護ガスとして窒素、アルゴンまたは別の不活性ガスまたは希ガスが使用される。上記の処理温度は、互いに隣接する、金属プレートの表面間に拡散溶接接合が生じるように設定される。
欧州特許第１７７４８４１号明細書からは、セラミック層の少なくとも１つの表面側にＤＣＢ法を使用して銅層が被着される、金属セラミック基板の製造方法が公知である。ここでは後続のステップにおいて、金属セラミック基板に４００〜２０００ｂａｒの範囲のガス圧が加えられ、４５０〜１０６０℃の範囲の後処理温度において後処理される。ＤＣＢプロセスにしたがって金属セラミック接合箇所の領域における欠陥箇所もしくはマイクロキャビティを回避するためには、閉鎖された圧力チャンバにおいて、保護ガス雰囲気、例えばアルゴン雰囲気中で約１１００ｂａｒの圧力で約５６０℃の温度まで加熱することにより、基板に上記の後処理を行う。これにより、セラミック層への銅メタライゼーション部の結合が強くなり、欠陥箇所の発生が格段に低減される。
不利なことにも欠陥箇所を除去する上記の方法はプロセス技術的なコストが高く、とりわけまず金属層とセラミック層との間の面による直接的な継ぎ接合部を、第１の接合技術を用いて製造し、引き続いてこれに後処理を行って、この接合プロセスの枠内で発生したマイクロキャビティを取り除かなければならない。
米国特許第４，７６３，８２８号明細書からも、セラミック層と金属層との面による直接的な接合を製造する方法がすでに公知であり、ここではアルゴン保護ガス雰囲気における、ＨＩＰ法を使用した拡散溶接接合が記載されている。
国際公開第２０１２／０４８０７１号からは、原子炉用のセラミック層および金属材料を含む多層の外皮材料が公知である。この多層の外皮材料からチューブまたはチャネルが形成される。ここで上記の金属材料は、チューブまたはチャネルの「内側の」層を形成し、それを気密に密閉する。
米国特許第４，３２５，１８３号明細書からは、セラミック基板に接合された金属シートを有する電気抵抗を製造する方法がさらに公知であり、ここでは金属シートと、セラミック基板との間の直接の面による接合がＨＩＰプロセスによって製造される。このために金属シートとセラミック基板とからなる配置構成体が密閉された被覆部に収容され、ここでこの被覆部は密着しており、前もって真空化されている。
上で挙げた従来技術から出発した本発明の根底にある課題は、金属セラミック基板を製造する方法を提示することであり、ここでこの方法は、セラミック層と金属層との間の、キャビティフリーもしくはマイクロキャビティフリーな面による直接的な接合を可能にし、資源を大切にしてかつ少ないステップによって実現可能である。この課題は、請求項１および１３に記載された方法によって解決される。
本発明による方法の実質的な様相は、第１および第２金属層ならびにセラミック層が重なって積層され、しかも第１および第２金属層の開放縁部部分がそれぞれ、縁部側においてセラミック層を越えて突出し、気密に閉鎖されかつ容器内部空間を閉じ込める、セラミック層を収容するための金属容器を形成するため、第１および第２金属層が、突出している開放縁部部分の領域において互いに変形されて互いに直接接合されて、この金属容器を形成するこれらの金属層が、接合を製造するため、容器内部に収容されたセラミック層と共に、処理チャンバにおいて、５００〜２０００barのガス圧、および、３００℃から金属層の融解温度までのプロセス温度において、互いに熱間静水圧加圧され、少なくとも、突出しかつ互いに接合される金属層の開放端部部分は、第１および第２メタライゼーション部を形成するために除去されることにある。特に好適には、後続のＨＩＰプロセスに対してセラミック層を気密にカプセリングするため、縁部側において重なる複数の金属層を使用する。これにより、金属層とセラミック層とを面によって直接接合する、特に効率的かつ資源を大切にする方法であって、しかも障害的なキャビティもしくはマイクロキャビティを生じさせない方法が得られる。さらにＨＩＰ法を使用することにより、ＤＣＢ法に比べて薄い金属層を加工して、セラミック層上に被着することができる。ＤＣＢ法を用いて加工可能な金属層の最小厚さは、約２００マイクロメートルであるのに対し、ＨＩＰ法を使用するだけですでに約５０マイクロメートル以上の層厚で金属層をセラミック層に被着することができる。さらに、ＨＩＰ法ではＤＣＢ法と異なり、粒径も調整することができ有利である。
本発明による方法の有利な発展形態によれば、金属容器を形成するため、金属層の開放縁部部分を、それらの直接の接合の前に、締め付け力を加えることによって変形させ、引き続いてこれらの金属層の開放縁部部分を縁部側において溶接によって、特に抵抗溶接もしくはレーザ溶接によって、または硬ろう付けを含めたろう付けによって互いに接合する。択一的には複数の金属層の縁部側の直接の接合を、機械的な接合法および／または加工法によって製造することができ、しかも開放縁部部分の圧延、圧縮および／または折り返しによって製造することができる。
特に好適には金属層を縁部側で直接接合する前に容器内部空間を真空化し、真空化したこの容器内部空間内には金属層を縁部側で直接接合する前に付加的に酸素を入れることができる。この真空化および酸素を入れることによって、ＨＩＰプロセスに最適な雰囲気が形成され、特にセラミック層および／または金属層上に酸化物層が発生し、この酸化物層により、拡散接合の接着強度がさらに高まる。
好適にはさらに金属層を真空においてまたは不活性ガス雰囲気において、好適には不活性ガスとして窒素またはアルゴンを使用することにより、縁部側で互いに直接接合する。
有利な変形実施形態によれば、セラミック層に加えて容器内部空間に多孔性材料、特にこの容器内部空間内にある残存ガスを吸収するように形成された多孔性補助セラミック層を入れる。これにより、ＨＩＰ法を行う際に残存ガスが存在することによって生じる影響を回避することができる。好適には容器内部空間に入れる前にこの多孔性材料を真空化して気密の密封層でコーティングする。容器内部空間に入れる前にこの多孔性材料に酸素を充填して、気密の密封層でコーティングすることも可能である。
積層の前にこのセラミック層の上面および／または下面に完全に硬ろう層もしくは活性ろう層をコーティングすることも可能であり、これによってろうの量を低減して金属層およびセラミック層の付加的な硬ろう付けを行うことができる。
さらに本発明が対象とするのは、第１および第２メタライゼーション部と、第１メタライゼーションと第２メタライゼーションの間に収容されかつ上面および下面を備えた少なくとも１つのセラミック層を含む金属セラミック基板を製造する択一的な方法であり、ここではセラミック層の上面および下面上の縁部側に、周囲を取り囲むフレーム状の、好適には連続したろう層を被着し、第１および第２金属層と、セラミック層とを重ねて積層し、加熱により、少なくとも、周囲を取り囲むフレーム状のろう層の領域において、縁部側のろう接合部を形成し、しかもセラミック層と各金属層との間に気密に閉鎖された、スリット状の中間空間が発生するようにする。ここでは金属層およびセラミック層を、処理チャンバ内で５００〜２０００barのガス圧、および、３００℃から金属層またはろう層の融解温度までのプロセス温度において互いに熱間静水圧加圧し、第１および第２メタライゼーション部を形成するため、少なくとも、周りを取り囲むフレーム状のろう接合部にわたってセラミック層に接合される金属層の縁部領域を除去する。
好適には少なくとも、第１および第２メタライゼーション部を形成するため、縁部側のろう接合部を介してセラミック層に接合される、金属層の縁部領域を除去する。
２つの方法の一変形実施形態において、複数の金属層のうちの１つは、熱間静水圧加圧法の前に、ＤＣＢ（Direct Copper Bonding）法もしくは活性ろう付け法を使用してセラミック層に接合される。特に好ましくなり得るのは、複数の金属層のうちの１つだけを、５０マイクロメートル以上の層厚で形成することであり、他方では対向する別のメタライゼーション部に対し、公知の接合方法によって製造した、２００マイクロメートル以上の層厚を有するメタライゼーション部が、例えば冷却装置を結合するのに十分になる。
さらに積層の際に、好適には第１金属層とセラミック層との間、および／または第２金属層とセラミック層との間に、好適には銅またはアルミニウムからなる少なくとも１つの別の金属層を挿入することができる。好適にはそれぞれ、銅からなる１つの第１金属層およびアルミニウムからなる別の１つの金属層を設け、これらの層を固定せずに重ねて積層するかまたは互いに直接接合し、例えば互いに溶接するか圧延クラッドする。上記の別の金属層は、セラミック層の寸法とは異なる大きさを設定することができ、例えば、セラミック層の縁部領域内に収容するかまたはこれと面一に延在するかまたはセラミック層の縁部領域を越えて延在することでき、しかしながら最大では、第１および別のセラミック層が、面一で縁部が延在する幅である。
好適にはさらに、複数の金属層を縁部側で接合するため、２つの、好適には対向する半殻を含む補助ツールを用いて、上記の複数の層を互いに締め付ける。
本発明による方法の有利な一変形実施形態によれば、積層の前、複数の金属層のうちの少なくとも１つ、および／またはセラミック層の上面および／または下面に酸化物層を被着する。例えば、金属層の、接合のために設けられた表面を酸化させることができるかまたはセラミック層を前処理して熱酸化させることができる。
本発明における「近似的」、「実質的」または「ほぼ」とはそれぞれ正しい値から±１０％だけ、好適には±５％だけから偏差していること、および／または、機能に重要でない変化の形で偏差していることを意味する。
本発明の複数の発展形態、利点および適用例は、複数の実施例の以下の説明および図面からも得られる。以下で説明するおよび／または図に示すすべての特徴的構成は、それ自体でまたは任意の組み合わせで基本的に本発明の対象となるものであり、このことは特許請求の範囲におけるそれらの関係およびそれらの引用関係には依存しない。特許請求の範囲の内容も、明細書の構成部分をなしている。
以下では複数の図面に基づき、複数の実施例について本発明を詳しく説明する。
図１には、簡略化された概略図で、上面２．１および下面２．２を備えたセラミック層２を含む金属セラミック基板１の一般的な実施形態を通る断面図が示されており、これら上面および下面にはそれぞれメタライゼーション部３，４が取り付けられており、しかも上面２．１は第１メタライゼーション部３を有しており、下面２．２は第２メタライゼーション部４を有している。
メタライゼーション部３，４は、同じ金属または複数の異なる金属から製造することができ、かつ、コンタクト面および／または電子回路を構成するために構造化して形成することが可能である。ここでは第１および第２メタライゼーション部３，４が好適には、上面２．１もしくは下面２．２と直接、面で接合されている。
第１および第２メタライゼーション部３，４は、例えば、銅または銅合金またはアルミニウムまたはアルミニウム合金から製造されている。第１および第２メタライゼーション部３，４の層厚は、少なくとも２０マイクロメートル、好適には２０〜９００マイクロメートルであり、パワーエレクトロニクスの分野では好適には１５０〜６００マイクロメートルの層厚が、ＬＥＤ分野では好適には５０〜１５０マイクロメートルの層厚が使用される。メタライゼーション部３，４を製造するために別の適切な金属も使用できることは明らかである。
セラミック層２は、例えば、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）もしくは窒化アルミニウム（ＡｌＮ）もしくは窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）もしくは炭化ケイ素（ＳｉＣ）のような酸化物セラミック、窒化物セラミックもしくは炭化物セラミックから、または、酸化ジルコニウムを含有する酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３＋ＺｒＯ２）から製造され、例えば５０マイクロメートル〜１０００マイクロメートルの、好適には２００マイクロメートル〜７００マイクロメートルの層厚を有する。
本発明では、上記のような第１および第２メタライゼーション部３，４と、これらの第１および第２メタライゼーション部３，４の間に収容された少なくとも１つのセラミック層２とを含む金属セラミック基板１を製造する効率的な方法が、設定されかつ提案される。各メタライゼーション部３，４と、セラミック層２との間の面による直接の接合は、本発明により、圧力誘起式の接合方法を使用することにより、しかも熱間静水圧加圧法（ＨＩＰ法）を使用することによって製造され、これによって各メタライゼーション部３，４と、セラミック層２との間の接合領域におけるキャビティもしくはマイクロキャビティの発生が効果的に阻止される。この熱間静水圧加圧法により、ＤＣＢ法に比べて格段に薄い金属層５，６を加工することもでき、例えば、約５０マイクロメートルの最小層厚以上の層厚においてすでに加工することができる。
熱間静水圧加圧法もしくはいわゆるＨＩＰ法もしくはＨＩＰプロセスの基本的な動作の仕方は公知である。ここで、接合対象の複数の層に面状に加えられる圧力は、機械的および／または気体または液体によって形成することができる。メタライゼーション部３，４と、セラミック層２との間の好適には面状の接合部を製造するためにＨＩＰ法を使用する際には、別の接合方法に比べて、層厚を低減でき、特に５０マイクロメートル以上の厚さの金属層を加工することができ、有利である。
第１および第２メタライゼーション部３，４と、セラミック層２とを圧力誘起で面状に接合するためにはまず第１および第２金属層５，６を設ける。ここでこれらの金属層は、セラミック層２と一緒に重ねて積層され、しかもセラミック層２が金属層５，６間に収容されるように積層される。これにより、図１に示した金属セラミック基板１の層の並びがすでに得られ、ここではまだ第１および第２金属層５，６は面状の接合部を有しない。
第１および第２金属層５，６はその断面形状が、セラミック層２の断面形状に実質的に適合されている。セラミック層２は好適には矩形または正方形状の断面形状を有する。しかしながら択一的にはセラミック層２は、円形、楕円形またはその他の多角形の断面形状も有し得る。
第１および第２金属層５，６はそれらの開放縁部部分５ａ，６ａが、セラミック層２の開放縁部２’に重なっており、しかもセラミック層２の開放縁部２’の全体延在部分を越えて重なっている。これにより、第１および第２金属層５，６の開放縁部部分５ａ，６ａはそれぞれ、セラミック層２の開放縁部２ａから外側に向かって突出しており、しかも例えば３ｍｍ〜３０ｍｍの長さｌにわたって突出している。ここで長さｌは、第１および第２金属層５，６の層厚に依存して選択される。
この実施例では図２に示したように、第１および第２金属層５，６およびセラミック層２からなる積層体が構成され、第２金属層６の上にセラミック層２が平らに載置され、つぎにこのセラミック層の上に金属層５が続く。すなわちセラミック層２は、第１金属層５と第２金属層６との間でこの積層体内に収容されているのであり、第１および第２金属層５，６の開放縁部部分５ａ，６ａは縁部側が、セラミック層２を越えて突出しているのである。
引き続いて本発明では、第１および第２金属層５，６から、気密に閉鎖されかつ容器内部８を有する金属容器７が形成され、この金属容器内にセラミック層２が完全に収容される。このために、第１および第２金属層５，６は、突出している開放縁部部分５ａ，６ａの領域において互いに変形され、しかも好適には金属層５，６の表面に対して垂直方向に作用する横方向からの締め付け力Ｆ，Ｆ’を加えることによって変形される。ここでこれらの締め付け力は、セラミック層２の上面２．１もしくは下面２．２の方向を向いている。セラミック層２に直接隣接する、第１および第２金属層５，６の平坦部分は好適にはセラミック層２の上面２．１もしくは下面２．２に平行に延在している。これにより金属容器７は、変形された第１および第２の金属層５，６から形成される実質的に半殻状の２つの容器部分７．１，７．２を有する。
この実施例では、第１金属層５の開放縁部部分５ａには垂直方向下向きに、すなわちセラミック層２の方向に作用する締め付け力Ｆが、また第２金属層６の開放縁部部分６ａには垂直方向上向きに、すなわちセラミック層２の方向に作用する締め付け力Ｆ’が加えられ、これによって互いに締め付けられ、これによって金属層５，６の開放縁部部分５ａ，６ａが対応して変形する。対応して変形された開放縁部部分５ａ，６ａは、互いに直接接合され、しかも周囲を取り囲むすなわちリング状の接合領域ＶＢに沿って接合される。好適にはこれらの開放縁部部分５ａ，６ａにより、金属容器７の同一平面内で延在する気密に閉鎖された縁部が得られる。これにより、金属容器７は、半殻状に形成されかつ互いに気密に接合される容器部分７．１，７．２により、セラミック層２のカプセリングを構成する。
リング状の接合領域ＶＢにおける、変形させた開放縁部部分５ａ，６ａの縁部側の直接の接合は好適には、溶接により、特に抵抗溶接またはレーザ溶接またはろうによって行われ、硬ろうによっても行われる。択一的には機械的な接合法および／または加工法を用いて上記の縁部側の直接の接合を製造することもでき、しかも上記の開放縁部部分５ａ，６ａの圧延、圧縮および／または折り返しによって製造することができ、この際にも２つの金属層５，６の間でリング状の接合領域ＶＢに沿って縁部側の気密の機械的な接合部が得られる。レーザ溶接を用いて接合する場合に好適には、開放縁部部分５ａ，６ａを外側エッジにおいて互いに溶接し、それも好適には４５°と９０°との間の角度で溶接する。一変形実施形態では、縁部側の直接の接合は、接合プロセスに有利な雰囲気において、例えば真空、空気雰囲気または不活性ガス雰囲気において、例えば窒素またはアルゴンを不活性ガスとして使用して行われる。
図３には、容器内部８に収容されたセラミック層２を有する金属容器７を通る概略断面図が例示されており、この断面図からは容器部分が半殻状に構成されていることもわかる。図４には、金属容器７と、破線の線によって示した、リング状の接合領域ＶＢの延び具合との平面図が例示されている。
引き続いて金属容器１を構成しかつ容器内部８にセラミック層２を収容した金属層５，６を、図示しない処理チャンバ内で５００〜２０００barのガス圧、および、３００℃から金属層５，６の融解温度までのプロセス温度で互いに熱間静水圧加圧する。これにより、セラミック層２の上面２．１と、これに直接接合される第１金属層５の部分との間、および、セラミック層２との下面２．２と、これに直接接合される第２金属層６の部分との間に、キャビティもしくはマイクロキャビティを有さずかつ大きな接着力を有する拡散接合が形成される。
例えば２つの半殻体９．１，９．２を有する補助ツール９を用い、金属容器１の開放縁部部分５ａ，６ａの領域に、好適にはリング状の接合領域ＶＢに沿って締め付け力Ｆ，Ｆ’を加えてこれらを挟み込む。これにより、開放縁部部分５ａ，６ａ間の縁部側の直接の接合、特にレーザ溶接接合の製造が容易になる。これによってこの容器内部空間がすでに持続的に閉鎖されていることはなくなお酸素などのような作業媒体を容器内部空間８に入れることができる。図６には、補助ツール９内に収容された金属容器１を通る断面図が例示されている。
金属層５，６もしくはセラミック層２を有する容器部分７．１，７．２を少なくとも部分的に熱間静水圧加圧した後、開放縁部部分５ａ，６ａを、好適には機械的な加工法または適切なエッチング法によって除去する。セラミック層２の上面２．１および下面２．２に接合されている残りの第１および第２金属層５，６は、金属セラミック基板１の第１および第２メタライゼーション部３，４を構成する。
一変形実施形態では、金属層５，６への締め付け力Ｆ，Ｆ’の印加およびこれに続く解放法縁部部分の縁部側の接合が周囲環境において行われ、すなわちセラミック層２のカプセリングを構成する金属容器７を閉鎖した後にも、容器内部８に少なくともまだ残余空気もしくは残余ガスが存在する。しかしながらこの残余空気もしくは残余ガスにより、ＨＩＰ法を行う際に、金属層５，６と、セラミック層２との間の接合領域においてさまざまな影響が生じ得る。
一変形実施形態では、金属層５，６およびセラミック層２はまず積層され、空気雰囲気下で、例えば補助ツール９を用いて締め付けられ、引き続いて縁部側において互いに直接接合される。
別の変形実施形態によれば、金属層５，６の開放縁部部分５ａ，６ａを縁部側において直接接合する前のさまざまな影響を回避するため、容器内部空間８を真空化し、これによって容器内部空間８内にある残余空気もしくはそこに存在する残余ガスを好適には完全に除去する。
さらにＨＩＰ法の間に上面２．１もしくは下面２．２上に酸化物層を形成することにより、圧力誘起式の直接接合部の接着力を高めることができる。しかしながら周囲環境における酸素の割合は少なすぎることが多いため、金属層５，６および／またはセラミック層２上には相応の酸化物層しか生じ得ない。このような酸化物層は好適には銅ドーピングを有する。
相応する酸化物層の発生を促進するため、製造プロセスに酸素を供給する、それも積層体を形成する際に金属層５，６にすでに酸素を供給することができる。
択一的または付加的に金属層５，６を縁部側で接合する前に容器内部空間８に酸素を入れるかまたは金属層５，６を酸素によって前処理することが可能である。容器内部空間８へのこのように酸素の注入は、例えば、金属層５，６の縁部側の締め付けの前、または、容器内部空間８の真空化の後に行われる。
酸化物層の発生を、セラミック層２の前処理によって効果的に促進することも可能であり、しかも例えば、機械的化学的の方法を用いて補助層を被着することによって促進することが可能である。この機械的化学的方法では、セラミック層２の、特に補助層を製造するためのＡｌＮ基板の少なくとも１つの面２．１，２．２上に、銅、酸化銅または銅を含有する別の化合物からなる層が被着される。この補助層の被着は、択一的な方法を使用して行うことができる。銅、酸化銅または銅を含有する別の化合物は、例えば、スパッタリングプロセス、市販の槽による銅の無電解メッキ、蒸着、スクリーン印刷、溶液中の液浸しその他を用いて被着することができる。引き続いてセラミック層２，特にＡｌＮ基板に酸化過程を施し、これによって銅、酸化銅もしくは別の銅化合物が酸化される。
特に金属セラミック基板１を製造するために窒化アルミニウムセラミック層２を使用する際には、ＨＩＰ加圧法を行う際に発生する、対向する複数の２，５，６の機械的なはめ合わせはすでに十分に接着力が強固であり、すなわち、中間層を付加的に形成する必要はない。なぜならば、窒化アルミニウムセラミック層２の表面上に、周囲の酸素それ自体により、化合物を生成するのに十分な酸化物層が形成されるからである。
窒化ケイ素セラミック層２を使用する際にも中間層を形成するための前処理は不要である。周囲の酸素もしくは容器内部空間に残存している酸素は、化合プロセスに有利な酸化ケイ素層を発生させるのに十分である。
セラミック層表面上に自然の酸化物層が形成されることを促進するため、セラミック層２に接合される金属層５，６の酸素を富化することが可能である。ＨＩＰ法の間に、富化された金属層５，６からこの酸素を放出することができる。
一変形実施形態では、締め付けの後、容器内部空間８を不活性ガス、例えば窒素またはアルゴンで洗浄することが考えられる。択一的な変形実施形態では、容器内部空間８内にある残余空気もしくは残余ガスを吸収するため、セラミック層２に加えて、多孔性材料１１，例えば金属またはセラミックを容器内部空間８内に収容することができ、これは、ＨＩＰ法を行う際の容器内部空間８内にある残存ガス用の収容容器を形成する。この多孔性材料１１により、ＨＩＰ法を行うのに有利な雰囲気が得られる。
多孔性材料１１は好適には、容器内部空間８内に収容される前に真空化される。一変形実施形態では、多孔性材料１１は、容器内部空間８内に収容する前に、気密の密封層１２が被着される。ただし多孔性材料１１は、気密の密封層１２がなくても使用することができる。ＨＩＰ法を行う際には、気密の密封層１２を穴をあけ、真空化された多孔性の補助セラミック層１１により、容器内部空間８内にある残余ガスを所期のように吸収することができる。
択一的または付加的には、特に気密の密封層１２を被着する前に、酸素雰囲気内で多孔性材料１１に酸素を充填することができる。気密の密封層１２はそれぞれ、多孔性材料１１の気密の被覆を形成する。図５には、セラミック層２の他に、気密の密封層１２を備えた少なくとも１つの補助セラミック層１１が収容されている、図３に示した金属容器７を通る断面図が例示されている。種々異なる形態および配置構成で金属容器７内にこのような多孔性材料１１の複数の層が設けられることも明らかである。
多孔性材料１１には、例えば酸化銅層を被着することも可能である。このようなＣｕＯ層は、ＨＩＰ法の際に酸素およびＣｕ２Ｏに変化する。この際に開放される酸素は、金属層５，６もしくはセラミック層２の酸化に使用される。ＣｕＯの他に、ＨＩＰ法のプロセスパラメタ下で、特に温度および圧力下で酸素を放出し、酸化物層の形成を促進する酸化物、しかも例えばＭｎＯ，ＶＯ，ＴｉＯおよびＭｏ３Ｏを使用することも可能である。
別の変形実施形態では、第１金属層５は、銅または銅合金から製造され、第２金属層６は、アルミニウムまたはアルミニウム合金から製造される。
例えばセラミック層２と、銅からなる第１金属層５との間にアルミニウムからなる別の金属層５’を設けることができ、これらも同様に互いに積層される。これに類似して第２金属層６とセラミック層２との間に別の金属層６’を収容することも可能である。好適には第１もしくは第２金属層５，６およびそれぞれ別の金属層５’，６’は、圧延クラッドによって互いに接合される。
図９には、銅からなる第１金属層５およびアルミニウムからなる別の金属層５’と、銅からなる第２金属層６とアルミニウムからなる別の金属層６’とを有する金属セラミック基板１の種々異なる変形実施形態（ａ）〜（ｄ）が例示されており、これらの層は本発明による方法を用いて互いに接合される。これらの変形実施形態および（ｃ）において金属層５，６，５’，６’は、固定されずに積層されているのに対し、変形実施形態（ｄ）では、上側および下側の２つの金属層５，５’もしくは６，６’との間には接合部が存在する。この接合部は、銅およびアルミニウム層５，５’もしくは６，６’の圧延クラッドまたは縁部側の溶接のいずれかによって製造することができる。変形実施形態（ａ）では、別の金属層５’，６’はそれぞれ、セラミック層の上面２．１もしくは下面２．２上に部分的に延在している。すなわちこれらの金属層は、縁部が内側にずらされて配置されている。変形実施形態（ｂ）には、別の金属層５’，６’およびセラミック層２の縁部が面一に延在する様子が示されており、また変形実施形態（ｃ）では、別の金属層５’，６’は、セラミック層２の開放縁部を越えてはいるが、第１および第２金属層５，６の縁部の内側に延在している。変形実施形態（ｄ）では、第１金属層５および対応する別の金属層５’および／または第２金属層６および別の金属層６’はそれぞれ縁部が面一に延在している。すなわちこれらは形状が互いに同じ形成されている。さらに、セラミック層２の上面２．１および下面２．２に別の層構造体を設けるかもしくは、図９に示した複数の変形実施形態（ａ）〜（ｄ）の組み合わせを設けることが可能である。
さらにセラミック層２もしくはその上面２．１および／または下面２．２を、本発明による方法を実行する前に硬ろう層で完全にコーティングすることが可能である。これによってろう付けプロセスが、ＨＩＰ法にいわば取り込まれる。ここでは硬ろう層の層厚を、公知の活性ろう付け法に比べて低減することができ、有利である。すなわち、少ないろう量しか必要でなく有利である。なぜならば、ＨＩＰ法により、金属層５，６は、上面２．１および／または下面２．２に起伏があっても押圧されるからである。
図７〜８には、金属セラミック基板１を製造するため、金属容器７内にセラミック層２をカプセリングする択一的な方法が示されている。この方法によれば、セラミック層２には、上面２．１および下面２．２においてそれぞれ縁部側に、周りを取り囲むフレーム状のろう層１３が被着されており、引き続いて第１および第２金属層５，６と、セラミック層２とからなる積層体が形成される。
つぎのステップでは、準備された、周りを取り囲むフレーム状のろう層１３が、各金属層５，６と、セラミック層２との間の縁部側のろう接合部１４になるようにこの積層体が加熱される。各金属層５，６と、セラミック層２との間のスリット状の中間空間１５，１５’を加熱して前もって真空化することにより、熱間静水圧加圧法もしくはＨＩＰ法を行うための有利な雰囲気が得られる。
縁部側のろう接合部１４も同様に、好適にはリング状の接合領域ＶＢ’を形成する。最終的に、縁部側のろう接合部１４によって形成される、第１および第２金属層５，６およびセラミック層２からなる積層体はここでも、図示しない処理チャンバに入れられ、５００〜２０００ｂａｒのガス圧において、および、３００℃から金属層５，６またはろう層１３の融解温度までのプロセス温度において、これらの層とセラミック層２とが熱間静水圧加圧によって圧縮される。ここではセラミック層２に平坦に接合されている各金属層５，６の部分は、金属セラミック基板１のメタライゼーション部３，４を形成する。
セラミック層２によって縁部側のろう接合部１４にわたって接合されている、金属層５，６の縁部領域５ｂ，６ｂは、第１および第２メタライゼーション部３，４を画定するために除去され、しかも機械的の加工法により、またはレーザまたは適切なエッチング法を用いて除去される。これによって第１および第２金属層５，６の残りの部分は、金属セラミック基板１の第１および第２メタライゼーション部３，４を形成する。
周りを取り囲むフレーム状のろう層１３は、例えば連続して形成され、しかも好適には閉じたリングの形態で形成される。図８には、セラミック層２の上面２．１に被着され、かつ、周りを取り囲むフレーム状のろう層１３が延在する様子が例示されている。
２つの方法の一変形実施形態において、複数の金属層のうちの１つは、熱間静水圧加圧の前に、ＤＣＢ（Direct-Copper-Bonding）法または硬ろう付け法もしくは活性ろう付け法を使用してセラミック層に接合される。これにより、５０マイクロメートル以上の種々異なる層厚を有するメタライゼーションを製造することができる。
ここまで本発明を複数の実施例について説明してきた。本発明の基礎にある本発明の着想から逸脱することなく数多くの変形および変更が可能であることは明らかである。
１ 金属セラミック基板、 ２ セラミック層、 ２’ 開放縁部、 ２．１ 上面、 ２．２ 下面、 ３ 第１メタライゼーション部、 ４ 第２メタライゼーション部、 ５ 第１金属層、 ５’ 別の金属層、 ５ａ 開放縁部部分、 ５ｂ 縁部領域、 ６ 第２金属層、 ６’ 別の金属層、 ６ａ 開放縁部部分、 ６ｂ 縁部領域、 ７ 金属容器、 ７．１，７．２ 容器部分、 ８ 容器内部、 ９ 補助ツール、 ９．１，９．２ 半殻体、 １１ 多孔性材料、 １２ 気密の密封層、 １３ 周りを取り囲むフレーム状のろう層、 １４ 縁部側のろう接合部、 １５，１５’ スリット状の中間空間、 ＶＢ，ＶＢ’ リング状の接合領域、 Ｆ，Ｆ’ 締め付け力
Claims (19)
- 第１および第２メタライゼーション部（３，４）と、前記第１および前記第２メタライゼーション部（３，４）の間に収容される少なくとも１つのセラミック層（２）とを含む、金属セラミック基板（１）を製造する方法であって、
第１金属層（５）および第２金属層（６）と前記セラミック層（２）とを、具体的には前記第１金属層（５）および前記第２金属層（６）の開放縁部部分（５ａ，６ａ）がそれぞれ、縁部側において前記セラミック層（２）を越えて突出するように、重ねて積層し、
前記セラミック層（２）を収容する、気密に閉鎖されて容器内部空間（８）を閉じ込める金属容器（７）を形成するため、前記第１金属層（５）および前記第２金属層（６）を、突出している前記開放縁部部分（５ａ，６ａ）の領域において互いに変形させて、互いに直接接合し、
前記金属層（５，６）のうちの少なくとも１つと、前記セラミック層（２）との面による接合を作るため、処理チャンバにおいて、前記金属容器（７）を構成する前記金属層（５，６）を、前記容器内部に収容されている前記セラミック層（２）と共に５００〜２０００ｂａｒのガス圧および３００℃から前記金属層（５，６）の融解温度までのプロセス温度で互いに熱間静水圧加圧し、
前記第１および前記第２メタライゼーション部（３，４）を構成するため、少なくとも、前記金属層（５，６）の互いに接合されかつ突出した前記開放縁部部分（５ａ，６ａ）を除去する、
ことを特徴とする方法。 - 前記金属容器（７）を形成するため、前記金属層（５，６）の前記開放縁部部分（５ａ，６ａ）を、その直接の接合の前に、締め付け力（Ｆ，Ｆ’）を加えることによって変形させる、
請求項１に記載の方法。 - 前記金属層（５，６）の前記開放縁部部分（５ａ，６ａ）は、縁部側が溶接により、特に抵抗溶接もしくはレーザ溶接により、または、硬ろう付けを含めたろう付けによって互いに接合され、または、
前記金属層（５，６）の前記縁部側の直接接合が、機械的な接合法および／または加工法によって作られ、具体的には前記開放縁部部分（５ａ，６ａ）の圧延、圧縮および／または折り返しによって作られる、
請求項１または２に記載の方法。 - 前記金属層（５，６）の前記縁部側の直接接合の前に前記容器内部空間（８）を真空化する、
請求項１から３までのいずれか１項に記載の方法。 - 前記金属層（５，６）の前記縁部側の直接接合の前に、真空化した前記容器内部空間（８）に酸素を注入する、
請求項４に記載の方法。 - 前記金属層（５，６）を、真空においてまたは不活性ガス雰囲気において、好適には不活性ガスとして窒素またはアルゴンを使用して縁部側を直接互いに接合する、
請求項４に記載の方法。 - セラミック層（２）に加えて、前記容器内部空間（８）に多孔性材料（１１）、好適には前記容器内部空間（８）内に存在する残存ガスを吸収するように形成された金属またはセラミックを収容する、
請求項１から６までのいずれか１項に記載の方法。 - 前記容器内部空間（８）に収容する前、前記多孔性材料（１１）を真空化して、気密の密封層（１２）でコーティングする、
請求項７に記載の方法。 - 前記容器内部空間（８）に収容する前、前記多孔性材料（１１）に酸素を充填して気密の密封層（１２）によってコーティングする、
請求項７に記載の方法。 - 前記積層の前、前記セラミック層（２）の上面（２．１）および／または下面（２．２）に硬ろう層もしくは活性ろう層を全面にわたってコーティングする、
請求項１から９までのいずれか１項に記載の方法。 - 前記第１メタライゼーション部（３）および／または前記第２メタライゼーション部（４）を、銅もしくは銅合金、および／またはアルミニウムもしくはアルミニウム合金から製造する、
請求項１から１０までのいずれか１項に記載の方法。 - 前記セラミック層（２）を酸化物セラミック、窒化物セラミックもしくは炭化物セラミックから、具体的には酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）もしくは窒化アルミニウム（ＡｌＮ）もしくは窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）もしくは炭化ケイ素（ＳｉＣ）から製造するか、または、酸化ジルコンを含有する酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３＋ＺｒＯ２）から製造する、
請求項１から１１までのいずれか１項に記載の方法。 - 第１および第２メタライゼーション部（３，４）と、前記第１及び前記第２メタライゼーション部（３，４）の間に収容されかつ上面（２，１）および下面（２．２）を備えた少なくとも１つのセラミック層（２）を含む、金属セラミック基板（１）を製造する方法にであって、
前記セラミック層（２）の前記上面（２．１）および／または前記下面（２．２）上の縁部側に、周囲を取り囲むフレーム状の、好適には連続したろう層（１３）を被着し、第１および第２金属層（５，６）と前記セラミック層（２）とを重ねて積層し、加熱により、少なくとも、周囲を取り囲むフレーム状の前記ろう層（１３）の領域において縁部側のろう接続部（１４）を形成し、しかも前記セラミック層（２）と、複数の前記金属層（５，６）のうちの少なくとも１つとの間に、気密に閉鎖されたスリット状の中間空間（１５，１５’）を形成し、複数の前記金属層（５，６）のうちの少なくとも１つと前記セラミック層（２）との平坦な接続部を作るため、前記金属層（５，６）および前記セラミック層（２）を、処理チャンバにおいて、５００〜２０００barのガス圧および３００℃から前記金属層（５，６）または前記ろう層（１３）の融解温度までのプロセス温度において、互いに熱間静水圧加圧し、前記金属層（５，６）が前記メタライゼーション部（３，４）を形成する、
ことを特徴とする方法。 - 前記第１および前記第２メタライゼーション部（３，４）を形成するため、少なくとも、縁部側の前記ろう付け接合部（１４）を介して前記セラミック層（２）に接合されている、前記金属層（５，６）の縁部領域（５ａ，６ａ）を除去する、
請求項１３に記載の方法。 - 前記熱間静水圧加圧の前にＤＣＢ法または硬ろう付け法もしくは活性ろう付け法を使用して、前記金属層（５，６）のうちの１つの金属層を前記セラミック層（２）に接合する、
請求項１から１４までのいずれか１項に記載の方法。 - 前記積層の際に前記第１金属層（５）と前記セラミック層（２）との間および／または前記第２金属層（６）と前記セラミック層（２）との間に、好適には銅またはアルミニウムからなる少なくとも１つの別の金属層（５’，６’）を挿入する、
請求項１から１５までのいずれか１項に記載の方法。 - 前記金属層（５，６）を縁部側で接合するため、２つの半殻部（９．１，９．２）を有する補助ツール（９）を用いて複数の前記層（２，５，６）を互いに締め付ける、
請求項１から１６までのいずれか１項に記載の方法。 - 前記積層の前、複数の前記金属層（５，６）のうちの少なくとも１つ、および／または、前記セラミック層（２）の上面（２．１）および／または下面（２．２）に酸化物層を被着する、
請求項１から１７までのいずれか１項に記載の方法。 - 請求項１から１８までのいずれか１項に記載の方法にしたがって製造された金属セラミック基板（１）。
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