WO2000021904A1 - Composite plate and method for producing and using such a composite plate - Google Patents

Composite plate and method for producing and using such a composite plate Download PDF

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WO2000021904A1
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Definitions

  • the present invention relates to the field of so-called "direct bonding". It relates to a composite plate comprising a ceramic plate made of an electrically insulating oxide ceramic, which is connected at least on one side to a sheet metal and integrally via a thin reaction zone, which reaction zone contains a solidified eutectic melt of the metal from which the metal sheet essentially consists.
  • the invention further relates to a method for producing such a composite panel and an application of such a composite panel.
  • Power electronics technology has the task of assembling individual semiconductor components (e.g. diodes, thyristors, GTOs, IGBTs, MOSFETs or the like) to form sub-assemblies, so-called modules.
  • semiconductor components e.g. diodes, thyristors, GTOs, IGBTs, MOSFETs or the like
  • An important quality feature of good assembly technology for such modules is the effective dissipation of the heat loss generated during operation from the semiconductor components.
  • the individual components must be provided with power supplies, but must be electrically insulated both from one another and from the metal cooler. This task is currently solved almost exclusively by soldering the components onto a special, electrically insulating and heat-conducting base plate
  • This base plate is constructed as a composite plate and usually consists of three layers: copper plates are applied to both sides of a ceramic plate made of Al 2 0 3 and are bonded to the ceramic plate by means of the so-called DCB technology (Direct Copper Bonding) via a reaction zone.
  • DCB technology Direct Copper Bonding
  • the lowest thermal resistance is achieved with the DCB technique, because this means that Cu and ceramic are bonded and "directly", ie without any other intermediate layers.
  • the crucial property of the eutectic melt is its good wetting of Al 2 0 3 and other oxide ceramics.
  • the eutectic melt is thus suitable for establishing a material connection between the copper sheets and the Al 2 0 3 ceramic.
  • the well-known DCB process essentially consists of the following steps:
  • the melt solidifies at T ⁇ 1066 ° C and bonds Cu and Al 2 0 3 ceramics to one another.
  • the known DCB technology has several disadvantages: On the one hand, the manufacturing process requires a gas-tight furnace with an atmosphere that can be controlled and adjusted within narrow limits. This significantly increases the costs and the time required for the process. On the other hand, the different coefficients of thermal expansion of metal and ceramic lead to high mechanical stresses when cooling from the process temperature in integral connection technologies. As a result, strong bending moments occur; the composite plate bends or bulges if the metal sheets on both sides of the ceramic plate are not the same thickness. The mechanical forces can become so strong with a large difference in sheet thickness and large temperature differences, that cracks appear in the ceramic or the connection is completely delaminated.
  • thermomechanical behavior is particularly important if very frequent temperature changes occur during the operation of the module; Such temperature changes are found in power electronics e.g. between -40 ° C and + 150 ° C instead. In this temperature range, the constantly repeated stress on the Cu leads to plastic deformation and thus to increasing solidification and embrittlement, in the case of very long operating times, possibly also to fatigue cracks and finally to delamination between Cu and ceramic.
  • the object is achieved by the entirety of the features of claims 1, 9 and 19.
  • the essence of the invention is to use an Ag sheet instead of the previously used Cu sheet and to use a very special eutectic melt for the integral connection between the ceramic plate and the Ag sheet, which wets the ceramics well.
  • a preferred embodiment of the composite panel according to the invention is characterized in that the metal sheet consists of pure silver, the reaction zone consists of Ag and CuO and preferably has a stoichiometric composition of approximately 99 mol% Ag and 1 mol% CuO, and that the ceramic plate consists of an electrically insulating ceramic, preferably an oxide ceramic, in particular from the series Al 2 0 3 , Zr0 2 , ZnO, MgO, MgAI 2 0 4 and BaTi0 3 . This results in a particularly good wetting of the ceramic plate by the eutectic melt.
  • oxide ceramic instead of an oxide ceramic, other technically proven ceramics such as AIN ceramics can also be used without further ado within the scope of the invention. It is also conceivable to use an electrically conductive ceramic such as, for example, LaNiO 3 instead of an electrically insulating ceramic in certain applications.
  • a preferred development of this embodiment which is particularly suitable for the assembly of power semiconductor modules, is characterized in that the ceramic plate is materially connected on both sides by a reaction zone to a metal sheet designed as a silver sheet.
  • a first preferred embodiment of the method according to the invention is characterized in that it is carried out in air under normal pressure, that the heating is carried out to a temperature of 947 ⁇ 2 ° C., and that the stack is cooled for a few minutes, preferably between 5 and 15 minutes , is kept at this temperature.
  • a second preferred embodiment of the method according to the invention is characterized in that the stack is loaded with a pressure perpendicular to the plane of the plate during heating, preferably by placing an Al 2 O 3 ceramic plate on the stack. This significantly improves the quality of the integral connection.
  • a further preferred embodiment of the method according to the invention is characterized in that the metal sheet is applied to produce the auxiliary layer its side facing the ceramic plate is coated with a layer containing CuO, and that for coating with the layer containing CuO a suspension of CuO powder, preferably with an average particle size of dmi tte i ⁇ 1.0 ⁇ m, with ethanol and a binder is used.
  • a suspension of CuO powder preferably with an average particle size of dmi tte i ⁇ 1.0 ⁇ m, with ethanol and a binder is used.
  • Such a coating can be carried out particularly easily with a minimum of aids; the CuO necessary for the formation of the eutectic melt is present directly and does not need to form only when heated.
  • Another preferred embodiment of the method according to the invention is characterized in that, in order to produce the auxiliary layer, the metal sheet is coated on its side facing the ceramic plate with a layer which forms CuO when heated, and that a layer made of a chemical compound of Cu is applied, which converts to CuO when heated in air, and that a chemical compound of Cu is a compound from the series Cu (N0 3 ) 2 , Cu acetate or Cu oxalate. This coating can also be carried out very easily.
  • the composite panel according to the invention is used according to the invention as a mounting panel for electronic modules, in particular power electronics.
  • Fig. 5 is a sectional view of a composite sheet provided on both sides with a metal sheet according to a second preferred embodiment of the invention.
  • FIG. 1 to 4 show in a sectional view different steps in the production of a composite sheet provided on one side with a metal sheet according to a first preferred embodiment of the invention.
  • this eutectic melt in addition to other ceramics, in particular wets an Al 2 0 3 ceramic well and has the property of integrally bonding Ag and Al 2 0 3 analogously to the known DCB technique.
  • melted Ag without the addition of CuO practically does not wet Al 2 0 3 ceramic.
  • a preferred exemplary embodiment of the process according to the invention for producing a composite panel bonded to a material bond, which leads to a ceramic panel provided on one side with a metal sheet consists of the following steps:
  • the loaded stack is heated in the oven to 947 ⁇ 2 ° C in air and held at this temperature for 5-15 minutes; an eutectic melt 13 is formed between the ceramic plate 10 and the metal sheet 11 in the reaction zone 13 and wets the ceramic plate 10 (FIG. 4)
  • the desired eutectic melt forms in a thin reaction zone 13 after reaching the melting temperature (liquidus temperature) as a reaction between Ag and CuO on the coated surface of the metal sheet 11.
  • the amount of melt formed or the thickness of the reaction zone 13 are determined by the Amount of CuO powder applied or the amount per cm 2 of the metal sheet surface (the thickness is exaggerated in FIGS. 1 to 5 for better visibility).
  • the stoichiometric composition of the eutectic is 99 mol% Ag and 1 mol% CuO at the oxygen partial pressure of the air.
  • the process according to the invention runs entirely in air. So there is no need for a complex oven with a controlled atmosphere. Both investment and process costs are therefore significantly lower. This cost advantage is also retained if the additional price of Ag compared to Cu is taken into account.
  • the new technology of the integral connection between Ag and oxide ceramics also generates less mechanical stresses than the conventional DCB technology when the temperature changes, because the plastic deformation of the material in the connection zone begins at low stresses and the hardening progresses very slowly.
  • a direct consequence of this optimal plastic deformation even at low stresses is evident from the observation that even the one-sided covering of the ceramic with silver sheet, as shown in FIGS. 1 to 4, after the connection process only a very slight bending of the composite plate 14 has the consequence.
  • the freedom of design in module technology is therefore much greater than with DCB technology.
  • the heat conduction through the connection surface Ag / Al 2 0 3 ceramic is at least as good as that which is achieved with the Cu / Al 2 0 3 ceramic connections with the DCB technology.
  • a double-sided covering can also be carried out using the same method steps.
  • two metal sheets are used, each of which is coated with an auxiliary layer containing CuO.
  • the composite plate 17 shown in FIG. 5 then results, in which a metal plate (silver plate) 11 on the top side via a reaction zone 13, and also on the underside a metal plate (silver plate) 16 via a reaction zone 15 with the ceramic plate 10 are connected.
  • auxiliary layer which contains another chemical compound of Cu instead of an auxiliary layer 12 containing CuO converts to CuO when heated in air below the melting temperature of the Ag-CuO eutectic.
  • CuO necessary for the eutectic melt is generated in the auxiliary layer 12 when the stack is heated in the furnace.
  • Cu compounds are the Cu (N0 3 ) 2l Cu acetate or the Cu oxalate.
  • auxiliary layer 12 made of metallic Cu by vapor deposition, sputtering or chemical or electrochemical deposition to provide the CuO.
  • the Cu layer converts to CuO, which then forms the eutectic melt with the Ag of the metal sheet.
  • the ceramic plate 10 essentially consists of an oxide ceramic from the series Zr0 2 , ZnO, MgO, MgAI 2 0 4 and BaTi0 3 . These ceramics are also wetted by the Ag / CuO melt and can thus form a composite panel with excellent properties.
  • non-oxide ceramics such as AIN ceramics.
  • electrically conductive ceramics such as, for example, LaNi0 3 ceramic, in the context of the invention.
  • alloys of Ag with a few percent of other metals for the metal sheet 11 or the metal sheets 11 and 16 instead of pure Ag, e.g. Ag (Au), Ag (Pd), Ag (Mg) or Ag (Ni).
  • the additives mostly serve to change electrical and / or mechanical properties in a technically useful manner compared to the use of pure Ag.
  • the invention results in a composite plate with a central ceramic plate which is integrally connected on one or both sides to a metal sheet, which can be produced easily and with little effort, has excellent thermal and mechanical properties, and is excellent as a mounting plate for building power electronics Modules. LIST OF REFERENCE NUMBERS

Abstract

The invention relates to a composite plate (14) which comprises a ceramic plate (10), especially an electrically insulating oxide ceramic plate. Said ceramic plate is linked at least on one side to a metal sheet (11) via a thin reaction zone (13) across its surface and in positive material fit. Said reaction zone (13) contains a solidified eutectic melt of the metal of which the metal sheet (11) substantially consists. The invention provides a means of simplifying the production while improving the properties of use of such a plate by using a silver sheet for the metal sheet (11).

Description

BESCHREIBUNG DESCRIPTION
KOMPOSITPLATTE SOWIE VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG UND ANWENDUNG EINER SOLCHEN KOMPOSITPLATTECOMPOSITE PANEL AND METHOD FOR THE PRODUCTION AND USE OF SUCH A COMPOSITE PANEL
TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL AREA
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet des sog. "direct bonding". Sie betrifft eine Kompositplatte, umfassend eine Keramikplatte aus einer elektrisch isolierenden Oxydkeramik, welche zumindest auf einer Seite mit einem Metallblech flächig und stoffschlüssig über eine dünne Reaktionszone verbunden ist, welche Reaktionszone eine erstarrte eutektischen Schmelze des Metalls enthält, aus welchem das Metallblech im wesentlichen besteht. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Verfahren zur Herstellung einer solchen Kompositplatte sowie eine Anwendung einer solchen Kompositplatte. STAND DER TECHNIKThe present invention relates to the field of so-called "direct bonding". It relates to a composite plate comprising a ceramic plate made of an electrically insulating oxide ceramic, which is connected at least on one side to a sheet metal and integrally via a thin reaction zone, which reaction zone contains a solidified eutectic melt of the metal from which the metal sheet essentially consists. The invention further relates to a method for producing such a composite panel and an application of such a composite panel. STATE OF THE ART
Die Technologie der Leistungselektronik stellt sich die Aufgabe, einzelne Halbleiterbauelemente (z.B. Dioden, Thyristoren, GTOs, IGBTs, MOSFETs oder dgl.) zu Baugruppen, sogenannten Modulen, zusammenzusetzen. Ein wichtiges Qualitätsmerkmal einer guten Montagetechnik für derartige Module ist die wirksame Abführung der im Betrieb entstehenden Verlustwärme aus den Halbleiterbauelementen. Gleichzeitig müssen die einzelnen Bauelemente mit Stromzuführungen versehen, aber sowohl voneinander als auch gegen den metallischen Kühler elektrisch isoliert sein. Diese Aufgabe wird derzeit fast ausschliesslich durch Auflöten der Bauelemente auf eine spezielle, elektrisch isolierende und gut wärmeleitende Bodenplatte gelöstPower electronics technology has the task of assembling individual semiconductor components (e.g. diodes, thyristors, GTOs, IGBTs, MOSFETs or the like) to form sub-assemblies, so-called modules. An important quality feature of good assembly technology for such modules is the effective dissipation of the heat loss generated during operation from the semiconductor components. At the same time, the individual components must be provided with power supplies, but must be electrically insulated both from one another and from the metal cooler. This task is currently solved almost exclusively by soldering the components onto a special, electrically insulating and heat-conducting base plate
Diese Bodenplatte ist als Kompositplatte aufgebaut und besteht üblicherweise aus drei Schichten: Auf eine Keramikplatte aus Al203 sind beidseitig Kupferbleche aufgebracht und mittels der sogenannten DCB-Technik (Direct Copper Bonding) über eine Reaktionszone mit der Keramikplatte stoffschlüssig verbunden. Für die gute Wärmeleitfähigkeit der Kompositplatte ist es nämlich entscheidend, dass der Wärmefluss über die Grenzflächen zwischen Cu und Keramik so wenig wie möglich behindert wird. Von allen bekannten Verbindungstechniken erzielt man mit der DCB-Technik den geringsten Wärmewiderstand, weil dadurch Cu und Keramik stoffschlüssig und "direkt", d.h. ohne andersartige Zwischenschichten, verbunden werden.This base plate is constructed as a composite plate and usually consists of three layers: copper plates are applied to both sides of a ceramic plate made of Al 2 0 3 and are bonded to the ceramic plate by means of the so-called DCB technology (Direct Copper Bonding) via a reaction zone. For the good thermal conductivity of the composite panel, it is crucial that the heat flow across the interfaces between Cu and ceramic is hampered as little as possible. Of all known connection techniques, the lowest thermal resistance is achieved with the DCB technique, because this means that Cu and ceramic are bonded and "directly", ie without any other intermediate layers.
Die DCB-Technik benutzt zur Herstellung der Verbindung die Tatsache, dass es zwischen den Phasen Cu und CuO ein Eutektikum gibt, dessen Schmelzpunkt (T=1066°C) unterhalb des Schmelzpunktes von Cu (T=1084,9°C) liegt. Die hier entscheidende Eigenschaft der eutektischen Schmelze ist ihre gute Benetzung von Al203 und anderen Oxydkeramiken. Damit ist die eutektische Schmelze geeignet, eine stoffschlüssige Verbindung zwischen den Cu-Blechen und der Al203- Keramik herzustellen. Der bekannte DCB-Prozess besteht im wesentlichen aus folgenden Schritten:The DCB technique uses the fact that there is a eutectic between the phases Cu and CuO with a melting point (T = 1066 ° C) below the melting point of Cu (T = 1084.9 ° C). The crucial property of the eutectic melt is its good wetting of Al 2 0 3 and other oxide ceramics. The eutectic melt is thus suitable for establishing a material connection between the copper sheets and the Al 2 0 3 ceramic. The well-known DCB process essentially consists of the following steps:
- Positionieren von Cu-Blech auf einer Al203-Platte. Einbringen in einen gasdichten Ofen, in dessen Atmosphäre ein konstanter Saύerstoffpartialdruck von ca. 0,133 - 0,0133 mbar aufrecht erhalten und ständig kontrolliert wird.- Positioning of copper sheet on an Al 2 0 3 plate. Place in a gas-tight furnace, in the atmosphere of which a constant oxygen partial pressure of approx. 0.133 - 0.0133 mbar is maintained and constantly checked.
. Aufheizen auf 1072°C. Dabei bildet sich durch Reaktion mit Sauerstoff auf der Oberfläche vom Cu-Blech eine dünne Schicht des geschmolzenen Eutekti- kums; diese benetzt Oxydkeramiken gut. Cu-Blech und Al203-Keramik kommen dann über die Schmelzzone miteinander in Kontakt., Heating up to 1072 ° C. By reaction with oxygen, a thin layer of the molten eutectic forms on the surface of the copper sheet; this wets oxide ceramics well. Cu sheet and Al 2 0 3 ceramic then come into contact with one another via the melting zone.
- Abkühlen auf Raumtemperatur. Die Schmelze erstarrt bei T<1066°C und verbindet Cu und Al203-Keramik stoffschlüssig miteinander.- cooling to room temperature. The melt solidifies at T <1066 ° C and bonds Cu and Al 2 0 3 ceramics to one another.
Die DCB-Technik und das Verfahren zur Herstellung von Bodenplatten u.a. Elementen für die Montage von leistungselektronischen Halbleiterbauelementen wurde erstmals angegeben in der Druckschrift "The Direct Bonding of Metals to Ceramics by the Gas-Metal-Eutectic-Method" Burgess, J.F; Neugebauer CA. and Flanagan, G.; J. Electrochem. Soα, 122, 1975, 688, und gehören seitdem zum kommerziellen Standard für Montage von Halbleitern zu hochwertigen Leistungsmodulen.The DCB technology and the process for the production of floor slabs, etc. Elements for the assembly of power electronic semiconductor components were specified for the first time in the publication "The Direct Bonding of Metals to Ceramics by the Gas-Metal-Eutectic-Method" Burgess, J.F; Neugebauer CA. and Flanagan, G .; J. Electrochem. Soα, 122, 1975, 688, and since then have been part of the commercial standard for semiconductor assembly to high-quality power modules.
Die bekannte DCB-Technik hat jedoch verschiedene Nachteile: Zum einen ist für den Herstellprozess ein gasdichter Ofen mit einer in engen Grenzen kontrollier- und einstellbaren Atmosphäre erforderlich. Dies erhöht massgeblich die Kosten und den Zeitaufwand des Prozesses. Zum anderen führen die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Metall und Keramik beim Abkühlen von der Prozesstemperatur in stoffschlüssigen Verbindungstechniken zu hohen mechanischen Spannungen. Als Folge davon treten starke Biegemomente auf; die Kompositplatte verbiegt oder wölbt sich, wenn die Metallbleche auf beiden Seiten der Keramikplatte nicht gleich dick sind. Die mechanischen Kräfte können bei grosser Differenz der Blechdicken und grossen Temperaturdifferenzen so stark werden, dass Risse in der Keramik entstehen oder die Verbindung ganz delaminiert wird. Wenn auch im speziellen Fall der DCB-Technik durch plastische Verformung des sehr duktilen Cu in der Verbindungszone diese Spannungen weitgehend abgebaut werden, so muss doch auch hier der detaillierte Entwurf der Modulgrundplatte die restlichen Zugspannungen in der keramischen Platte berücksichtigen, um unerwünschte Verlegungen zu vermeiden. Die Möglichkeiten der Gestaltung werden dadurch eingeschränkt.However, the known DCB technology has several disadvantages: On the one hand, the manufacturing process requires a gas-tight furnace with an atmosphere that can be controlled and adjusted within narrow limits. This significantly increases the costs and the time required for the process. On the other hand, the different coefficients of thermal expansion of metal and ceramic lead to high mechanical stresses when cooling from the process temperature in integral connection technologies. As a result, strong bending moments occur; the composite plate bends or bulges if the metal sheets on both sides of the ceramic plate are not the same thickness. The mechanical forces can become so strong with a large difference in sheet thickness and large temperature differences, that cracks appear in the ceramic or the connection is completely delaminated. Even if, in the special case of DCB technology, these stresses are largely reduced by plastic deformation of the very ductile Cu in the connection zone, the detailed design of the module base plate must also take into account the remaining tensile stresses in the ceramic plate in order to avoid unwanted laying. This limits the design options.
Besonders wichtig ist das thermomechanische Verhalten, wenn im Betrieb des Moduls sehr häufige Temperaturwechsel auftreten; in der Leistungselektronik finden derartige Temperaturwechsel z.B. zwischen -40°C und +150°C statt. In diesem Temperaturbereich führt die ständig wiederholte Beanspruchung des Cu bis in den Bereich der plastischen Verformung und dadurch zur zunehmenden Verfestigung und Versprödung, bei sehr langen Betriebszeiten eventuell auch zu Ermüdungsrissen und schliesslich zur Delamination zwischen Cu und Keramik.The thermomechanical behavior is particularly important if very frequent temperature changes occur during the operation of the module; Such temperature changes are found in power electronics e.g. between -40 ° C and + 150 ° C instead. In this temperature range, the constantly repeated stress on the Cu leads to plastic deformation and thus to increasing solidification and embrittlement, in the case of very long operating times, possibly also to fatigue cracks and finally to delamination between Cu and ceramic.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNGPRESENTATION OF THE INVENTION
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Kompositplatte zu schaffen, welche die Nachteile der bisherigen DCB-Platten vermeidet und insbesondere mit verringertem apparativen Aufwand herstellbar ist und deutlich weniger durch Temperaturwechsel beansprucht wird, sowie ein Herstellungsverfahren und eine Anwendung für eine solche Kompositplatte anzugeben.It is therefore an object of the invention to provide a composite panel which avoids the disadvantages of the previous DCB panels and which can be produced in particular with reduced outlay on equipment and is significantly less stressed by temperature changes, and to specify a production process and an application for such a composite panel.
Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale der Ansprüche 1 , 9 und 19 gelöst. Der Kern der Erfindung besteht darin, anstelle des bisher eingesetzten Cu- Blechs ein Ag-Blech zu verwenden und für die stoffschlüssige Verbindung zwischen Keramikplatte und Ag-Blech eine ganz spezielle eutektische Schmelze zu benutzen, die Keramiken gut benetzt. Eine bevorzugte Ausführungsform der Kompositplatte nach der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass das Metallblech aus reinem Silber besteht, dass die Reaktionszone aus Ag und CuO besteht und vorzugsweise eine stöchiometrische Zusammensetzung von etwa 99 Mol-% Ag und 1 Mol-% CuO aufweist, und dass die Keramikplatte aus einer elektrisch isolierenden Keramik, vorzugsweise aus einer Oxydkeramik, insbesondere aus der Reihe Al203, Zr02, ZnO, MgO, MgAI204 und BaTi03, besteht. Hierdurch wird eine besonders gute Benetzung der Keramikplatte durch die eutektische Schmelze erreicht. Anstelle einer Oxydkeramik können im Rahmen der Erfindung ohne weiteres auch andere technisch bewährte Keramiken wie z.B. AIN-Keramik verwendet werden. Auch ist es denkbar, anstelle einer elektrisch isolierenden Keramik in bestimmten Anwendungsfällen eine elektrisch leitfähige Keramik wie z.B. LaNi03 einzusetzen.The object is achieved by the entirety of the features of claims 1, 9 and 19. The essence of the invention is to use an Ag sheet instead of the previously used Cu sheet and to use a very special eutectic melt for the integral connection between the ceramic plate and the Ag sheet, which wets the ceramics well. A preferred embodiment of the composite panel according to the invention is characterized in that the metal sheet consists of pure silver, the reaction zone consists of Ag and CuO and preferably has a stoichiometric composition of approximately 99 mol% Ag and 1 mol% CuO, and that the ceramic plate consists of an electrically insulating ceramic, preferably an oxide ceramic, in particular from the series Al 2 0 3 , Zr0 2 , ZnO, MgO, MgAI 2 0 4 and BaTi0 3 . This results in a particularly good wetting of the ceramic plate by the eutectic melt. Instead of an oxide ceramic, other technically proven ceramics such as AIN ceramics can also be used without further ado within the scope of the invention. It is also conceivable to use an electrically conductive ceramic such as, for example, LaNiO 3 instead of an electrically insulating ceramic in certain applications.
Eine bevorzugte Weiterbildung dieser Ausführungsform, die besonders für die Montage von Leistungshalbleitermodulen geeignet ist, ist dadurch gekennzeichnet, dass die Keramikplatte auf beiden Seiten durch eine Reaktionszone mit einem als Silberblech ausgebildeten Metallblech stoffschlüssig verbunden ist.A preferred development of this embodiment, which is particularly suitable for the assembly of power semiconductor modules, is characterized in that the ceramic plate is materially connected on both sides by a reaction zone to a metal sheet designed as a silver sheet.
Eine erste bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass es an Luft unter Normaldruck durchgeführt wird, dass die Erhitzung auf eine Temperatur von 947 ± 2°C erfolgt, und dass der Stapel vor dem Abkühlen einige Minuten, vorzugsweise zwischen 5 und 15 Minuten, auf dieser Temperatur gehalten wird.A first preferred embodiment of the method according to the invention is characterized in that it is carried out in air under normal pressure, that the heating is carried out to a temperature of 947 ± 2 ° C., and that the stack is cooled for a few minutes, preferably between 5 and 15 minutes , is kept at this temperature.
Eine zweite bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass der Stapel während des Erhitzens mit einem Druck senkrecht zur Plattenebene, vorzugsweise durch Auflegen einer Al203-Keramik- platte auf den Stapel, belastet wird. Hierdurch wird die Qualität der stoffschlüssigen Verbindung deutlich verbessert.A second preferred embodiment of the method according to the invention is characterized in that the stack is loaded with a pressure perpendicular to the plane of the plate during heating, preferably by placing an Al 2 O 3 ceramic plate on the stack. This significantly improves the quality of the integral connection.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass zum Erzeugen der Hilfsschicht das Metallblech auf seiner der Keramikplatte zugewandten Seite mit einer CuO enthaltenden Schicht beschichtet wird, und dass zum Beschichten mit der CuO enthaltenden Schicht eine Suspension von CuO-Pulver, vorzugsweise mit einer mittleren Partikelgrösse von dmittei < 1.0 μm, mit Ethanol und einem Bindemittel verwendet wird. Eine derartige Beschichtung lässt sich besonders einfach mit einem Minimum an Hilfsmitteln durchführen, das für die Bildung der eutektischen Schmelze notwendige CuO liegt dabei direkt vor und braucht sich nicht erst beim Erhitzen zu bilden.A further preferred embodiment of the method according to the invention is characterized in that the metal sheet is applied to produce the auxiliary layer its side facing the ceramic plate is coated with a layer containing CuO, and that for coating with the layer containing CuO a suspension of CuO powder, preferably with an average particle size of dmi tte i <1.0 μm, with ethanol and a binder is used. Such a coating can be carried out particularly easily with a minimum of aids; the CuO necessary for the formation of the eutectic melt is present directly and does not need to form only when heated.
Eine andere bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass zum Erzeugen der Hilfsschicht das Metallblech auf seiner der Keramikplatte zugewandten Seite mit einer beim Erhitzen CuO bildenden Schicht beschichtet wird, dass zum Beschichten mit der CuO bildenden Schicht eine Schicht aus einer chemischen Verbindung von Cu aufgebracht wird, welche sich beim Erhitzen unter Luft in CuO umsetzt, und dass als chemische Verbindung von Cu eine Verbindung aus der Reihe Cu(N03)2, Cu-Acetat oder Cu- Oxalat verwendet wird. Auch diese Beschichtung lässt sich sehr einfach durchführen.Another preferred embodiment of the method according to the invention is characterized in that, in order to produce the auxiliary layer, the metal sheet is coated on its side facing the ceramic plate with a layer which forms CuO when heated, and that a layer made of a chemical compound of Cu is applied, which converts to CuO when heated in air, and that a chemical compound of Cu is a compound from the series Cu (N0 3 ) 2 , Cu acetate or Cu oxalate. This coating can also be carried out very easily.
Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.Further embodiments result from the dependent claims.
Die Kompositplatte nach der Erfindung wird erfindungsgemäss als Montageplatte für elektronische Module, insbesondere der Leistungselektronik, verwendet.The composite panel according to the invention is used according to the invention as a mounting panel for electronic modules, in particular power electronics.
KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGURENBRIEF EXPLANATION OF THE FIGURES
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigenThe invention will be explained in more detail below on the basis of exemplary embodiments in connection with the drawing. Show it
Fig. 1-4 in einer Schnittdarstellung verschiedene Schritte bei der Herstellung einer einseitig mit einem Metallblech versehenen Komposit- platte gemass einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung; und1-4 in a sectional view different steps in the manufacture of a composite provided on one side with a metal sheet plate according to a first preferred embodiment of the invention; and
Fig. 5 in einer Schnittdarstellung ein beidseitig mit einem Metallblech versehene Kompositplatte gemass einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung.Fig. 5 is a sectional view of a composite sheet provided on both sides with a metal sheet according to a second preferred embodiment of the invention.
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNGWAYS OF CARRYING OUT THE INVENTION
In den Fig. 1 bis 4 sind in einer Schnittdarstellung verschiedene Schritte bei der Herstellung einer einseitig mit einem Metallblech versehenen Kompositplatte gemass einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wiedergegeben. Die Erfindung geht von der an sich bekannten Tatsache aus (siehe dazu: Nishiura, H., Susuki, R.O. and Ono, K. Experimental Phase Diagram in the Ag- Cu20-CuO-System; J. Amer. Ceram. Doc. 81/1998/2181 ), dass die Phasen Ag und CuO ein Eutektikum mit einem Schmelzpunkt bei T=942 ± 1 °C an Luft bilden, welcher unterhalb des Schmelzpunktes von Ag (Tm=965°C) liegt. Ueberraschend wurde nun gefunden, dass diese eutektische Schmelze neben anderen Keramiken insbesondere eine Al203-Keramik gut benetzt und die Eigenschaft hat, Ag und Al203 analog zur bekannten DCB-Technik stoffschlüssig miteinander zu verbinden. Geschmolzenes Ag ohne Zusatz von CuO benetzt Al203-Keramik dagegen praktisch nicht.1 to 4 show in a sectional view different steps in the production of a composite sheet provided on one side with a metal sheet according to a first preferred embodiment of the invention. The invention is based on the fact known per se (see: Nishiura, H., Susuki, RO and Ono, K. Experimental Phase Diagram in the Ag-Cu 2 O-CuO system; J. Amer. Ceram. Doc. 81/1998/2181) that the phases Ag and CuO form a eutectic with a melting point at T = 942 ± 1 ° C in air, which is below the melting point of Ag (T m = 965 ° C). Surprisingly, it has now been found that this eutectic melt, in addition to other ceramics, in particular wets an Al 2 0 3 ceramic well and has the property of integrally bonding Ag and Al 2 0 3 analogously to the known DCB technique. In contrast, melted Ag without the addition of CuO practically does not wet Al 2 0 3 ceramic.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Prozess zur Herstellung einer stoffschlüssig verbundenen Kompositplatte, das zu einer einseitig mit einem Metallblech versehenen Keramikplatte führt, besteht nun gemass Fig. 1 bis 4 aus den folgenden Schritten:According to FIGS. 1 to 4, a preferred exemplary embodiment of the process according to the invention for producing a composite panel bonded to a material bond, which leads to a ceramic panel provided on one side with a metal sheet, consists of the following steps:
(1 ) es wird ausgegangen von einer flächigen Keramikplatte 10 aus Al203-Kera- mik und einem separaten dünnen Metallblech 11 aus Ag (Fig. 1) (2) es wird eine Suspension von CuO-Pulver mit einer mittleren Partikelgrösse von dmittei < 1 ,0 μm mit Ethanol und einem Bindemittel angesetzt(1) a flat ceramic plate 10 made of Al 2 O 3 ceramic and a separate thin metal sheet 11 made of Ag are assumed (FIG. 1) (2) A suspension of CuO powder with an average particle size of dmit t ei <1.0 μm is prepared with ethanol and a binder
(3) das Metallblech(Silberblech) 11 wird auf seiner der Keramikplatte 10 zugewandten Unterseite mit der CuO-Suspension unter Bildung einer Hilfsschicht 12 beschichtet (Fig. 2)(3) the metal sheet (silver sheet) 11 is coated on its underside facing the ceramic plate 10 with the CuO suspension to form an auxiliary layer 12 (FIG. 2)
(4) das beschichtete Metallblech 11 wird auf der Keramikplatte 10 positioniert (Fig. 3)(4) the coated metal sheet 11 is positioned on the ceramic plate 10 (Fig. 3)
(5) der Stapel wird in einen Ofen eingebracht; er wird dabei mit einer ebenen Al203-Keramikplatte belastet(5) the stack is placed in an oven; he is loaded with a flat Al 2 0 3 ceramic plate
(6) der belastete Stapel wird im Ofen auf 947 ± 2°C an Luft erhitzt und bei dieser Temperatur 5-15 Minuten gehalten; dabei bildet sich zwischen der Keramikplatte 10 und dem Metallblech 11 eine in der Reaktionszone 13 eine eutektische Schmelze 13, welche die Keramikplatte 10 benetzt (Fig. 4)(6) the loaded stack is heated in the oven to 947 ± 2 ° C in air and held at this temperature for 5-15 minutes; an eutectic melt 13 is formed between the ceramic plate 10 and the metal sheet 11 in the reaction zone 13 and wets the ceramic plate 10 (FIG. 4)
(7) der Stapel wird auf Raumtemperatur abgekühlt und ergibt nach Erstarren der eutektischen Schmelze die fertige Kompositplatte 14 (Fig. 4).(7) the stack is cooled to room temperature and, after the eutectic melt has solidified, results in the finished composite plate 14 (FIG. 4).
Die gewünschte eutektische Schmelze bildet sich in einer dünnen Reaktionszone 13 nach Erreichen der Schmelztemperatur (Liquidus-Temperatur) als Reaktion zwischen Ag und CuO auf der beschichteten Oberfläche des Metallbleches 11. Die Menge der gebildeten Schmelze bzw. die Dicke der Reaktionszone 13 werden bestimmt durch die Menge des aufgebrachten CuO-Pulvers bzw. der Menge pro cm2 der Metallblechoberfläche (die Dicke ist in den Fig. 1 bis 5 zur besseren Sichtbarkeit übertrieben dargestellt). Die stöchiometrische Zusammensetzung des Eutektikums liegt bei 99 Mol-% Ag und 1 Mol-% CuO beim Sauerstoffpartialdruck der Luft. Anders als beim herkömmlichen DCB-Verfahren läuft der Prozess nach der Erfindung vollständig an Luft ab. Es ist also kein aufwendiger Ofen mit kontrollierter Atmosphäre notwendig. Sowohl die Investitions- als auch die Prozesskosten sind deshalb wesentlich niedriger. Dieser Kostenvorteil bleibt auch erhalten, wenn der Mehrpreis von Ag gegenüber Cu berücksichtigt wird.The desired eutectic melt forms in a thin reaction zone 13 after reaching the melting temperature (liquidus temperature) as a reaction between Ag and CuO on the coated surface of the metal sheet 11. The amount of melt formed or the thickness of the reaction zone 13 are determined by the Amount of CuO powder applied or the amount per cm 2 of the metal sheet surface (the thickness is exaggerated in FIGS. 1 to 5 for better visibility). The stoichiometric composition of the eutectic is 99 mol% Ag and 1 mol% CuO at the oxygen partial pressure of the air. In contrast to the conventional DCB method, the process according to the invention runs entirely in air. So there is no need for a complex oven with a controlled atmosphere. Both investment and process costs are therefore significantly lower. This cost advantage is also retained if the additional price of Ag compared to Cu is taken into account.
Die neue Technik der stoffschlüssigen Verbindung zwischen Ag und Oxydkeramik erzeugt bei Temperaturwechseln aber auch weniger mechanische Spannungen als die herkömmliche DCB-Technik, weil die plastische Verformung des Materials in der Verbindungszone bereits bei kleinen Spannungen beginnt und die Verfestigung nur sehr langsam fortschreitet. Eine direkte Folge dieser optimalen plastischen Verformung schon bei kleinen Spannungen manifestiert sich in der Beobachtung, dass auch die nur einseitige Belegung der Keramik mit Silberblech, wie sie in Fig. 1 bis 4 gezeigt wird, nach dem Verbindungsprozess nur eine ganz geringfügige Verbiegung der Kompositplatte 14 zur Folge hat. Die Freiheit der Gestaltung in der Modultechnik ist dadurch wesentlich grosser als bei der DCB-Technik. Hingegen ist die Wärmeleitung durch die Verbindungsfläche Ag/ Al203-Kera- mik mindestens ebensogut wie diejenige, die bei den Cu/ Al203-Keramik-Verbin- dungen mit der DCB-Technik erreicht wird.The new technology of the integral connection between Ag and oxide ceramics also generates less mechanical stresses than the conventional DCB technology when the temperature changes, because the plastic deformation of the material in the connection zone begins at low stresses and the hardening progresses very slowly. A direct consequence of this optimal plastic deformation even at low stresses is evident from the observation that even the one-sided covering of the ceramic with silver sheet, as shown in FIGS. 1 to 4, after the connection process only a very slight bending of the composite plate 14 has the consequence. The freedom of design in module technology is therefore much greater than with DCB technology. On the other hand, the heat conduction through the connection surface Ag / Al 2 0 3 ceramic is at least as good as that which is achieved with the Cu / Al 2 0 3 ceramic connections with the DCB technology.
Es versteht sich von selbst, dass anstelle der einseitigen Belegung der Keramikplatte 10 mit Metallblech, wie sie in den Fig. 1 bis 4 gezeigt ist, mit demselben Verfahrensschritten auch eine beidseitige Belegung durchgeführt werden kann. Es werden dazu entsprechend zwei Metallbleche verwendet ,die jeweils mit einer CuO enthaltenden Hilfsschicht beschichtet werden. Es ergibt sich dann die in Fig. 5 wiedergegebene Kompositplatte 17, bei der sowohl auf der Oberseite ein Metallblech (Silberblech) 11 über eine Reaktionszone 13, als auch auf der Unterseite ein Metallblech (Silberblech) 16 über eine Reaktionszone 15 mit der Keramikplatte 10 stoffschlüssig verbunden sind.It goes without saying that instead of one-sided covering of the ceramic plate 10 with metal sheet, as shown in FIGS. 1 to 4, a double-sided covering can also be carried out using the same method steps. Correspondingly, two metal sheets are used, each of which is coated with an auxiliary layer containing CuO. The composite plate 17 shown in FIG. 5 then results, in which a metal plate (silver plate) 11 on the top side via a reaction zone 13, and also on the underside a metal plate (silver plate) 16 via a reaction zone 15 with the ceramic plate 10 are connected.
Weiterhin ist es denkbar, statt einer CuO enthaltenden Hilfsschicht 12 eine Hilfsschicht zu verwenden, die eine andere chemische Verbindung von Cu enthält, die sich beim Erhitzen an Luft unterhalb der Schmelztemperatur des Ag-CuO-Eutekti- kums zu CuO umsetzt. Auf diese Weise wird beim Erhitzen des Stapels im Ofen in der Hilfsschicht 12 das für die eutektische Schmelze notwendige CuO erzeugt. Beispiele für derartige Cu-Verbindungen sind das Cu(N03)2l Cu-Acetat oder das Cu-Oxalat.Furthermore, it is conceivable to use an auxiliary layer which contains another chemical compound of Cu instead of an auxiliary layer 12 containing CuO converts to CuO when heated in air below the melting temperature of the Ag-CuO eutectic. In this way, the CuO necessary for the eutectic melt is generated in the auxiliary layer 12 when the stack is heated in the furnace. Examples of such Cu compounds are the Cu (N0 3 ) 2l Cu acetate or the Cu oxalate.
Weiterhin ist es denkbar, zur Bereitstellung des CuO eine Hilfsschicht 12 aus metallischem Cu durch Aufdampfen, Aufsputtern oder chemische oder elektrochemische Abscheidung auf das Ag-Blech aufzubringen. Die Cu-Schicht setzt sich im Prozessverlauf beim Erhitzen zu CuO um, das dann mit dem Ag des Metallbleches die eutektische Schmelze bildet.Furthermore, it is conceivable to provide an auxiliary layer 12 made of metallic Cu by vapor deposition, sputtering or chemical or electrochemical deposition to provide the CuO. During the course of the process, the Cu layer converts to CuO, which then forms the eutectic melt with the Ag of the metal sheet.
Desweiteren ist es im Rahmen der Erfindung denkbar, dass die Keramikplatte 10 im wesentlichen aus einer Oxydkeramik aus der Reihe Zr02, ZnO, MgO, MgAI204 und BaTi03 besteht. Auch diese Keramiken werden durch die Ag/CuO-Schmelze benetzt und können so eine Kompositplatte mit ausgezeichneten Eigenschaften bilden. Entsprechendes gilt auch für Nicht-Oxyd-Keramiken wie z.B. AIN-Keramik. Denkbar ist aber auch, elektrisch leitende Keramiken wie z.B. LaNi03-Keramik, im Rahmen der Erfindung einzusetzen.Furthermore, it is conceivable within the scope of the invention that the ceramic plate 10 essentially consists of an oxide ceramic from the series Zr0 2 , ZnO, MgO, MgAI 2 0 4 and BaTi0 3 . These ceramics are also wetted by the Ag / CuO melt and can thus form a composite panel with excellent properties. The same applies to non-oxide ceramics such as AIN ceramics. However, it is also conceivable to use electrically conductive ceramics, such as, for example, LaNi0 3 ceramic, in the context of the invention.
Schliesslich ist es auch denkbar, für das Metallblech 11 bzw. die Metallbleche 11 und 16 anstelle von reinem Ag Legierungen von Ag mit einigen Prozenten an anderen Metallen zu verwenden, wie z.B. Ag(Au), Ag(Pd), Ag(Mg) oder Ag(Ni). Die Zusätze dienen meist dazu, elektrische und/oder mechanische Eigenschaften gegenüber dem Einsatz von reinem Ag in technisch nützlicher Weise zu verändern.Finally, it is also conceivable to use alloys of Ag with a few percent of other metals for the metal sheet 11 or the metal sheets 11 and 16 instead of pure Ag, e.g. Ag (Au), Ag (Pd), Ag (Mg) or Ag (Ni). The additives mostly serve to change electrical and / or mechanical properties in a technically useful manner compared to the use of pure Ag.
Insgesamt ergibt sich mit der Erfindung eine Kompositplatte mit einer zentralen Keramikplatte, die ein oder beidseitig stoffschlüssig mit einem Metallblech verbunden ist, die sich leicht und mit geringem Aufwand herstellen lässt, ausgezeichnete thermische und mechanische Eigenschaften aufweist, und sich hervorragend als Montageplatte zum Aufbau von leistungselektronischen Modulen eignet. BEZUGSZEICHENLISTEOverall, the invention results in a composite plate with a central ceramic plate which is integrally connected on one or both sides to a metal sheet, which can be produced easily and with little effort, has excellent thermal and mechanical properties, and is excellent as a mounting plate for building power electronics Modules. LIST OF REFERENCE NUMBERS
10 Keramikplatte10 ceramic plate
11 ,16 Metallblech11, 16 sheet metal
12 Hilfsschicht12 auxiliary layer
13,15 Reaktionszone13.15 reaction zone
14,17 Kompositplatte 14.17 composite panel

Claims

PATENTANSPRÜCHE PATENT CLAIMS
1. Kompositplatte (14, 17), umfassend eine Keramikplatte (10), welche zumindest auf einer Seite mit einem Metallblech (11 , 16) flächig und stoffschlüssig über eine dünne Reaktionszone (13, 15) verbunden ist, welche Reaktionszone (13, 15) eine erstarrte eutektischen Schmelze des Metalls enthält, aus welchem das Metallblech (11 , 16) im wesentlichen besteht, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallblech (11 , 16) ein Silberbiech ist.1. Composite plate (14, 17), comprising a ceramic plate (10), which is connected at least on one side to a metal sheet (11, 16) flat and integrally via a thin reaction zone (13, 15), which reaction zone (13, 15 ) contains a solidified eutectic melt of the metal from which the metal sheet (11, 16) essentially consists, characterized in that the metal sheet (11, 16) is a silver sheet.
2. Kompositplatte nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Metallblech (11 , 16) aus reinem Silber besteht.2. Composite panel according to claim 1, characterized in that the metal sheet (11, 16) consists of pure silver.
3. Kompositplatte nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Metallblech (11 , 16) zu über 90% aus Silber besteht und einige Prozente eines zweiten Metalls enthält.3. Composite panel according to claim 1, characterized in that the metal sheet (11, 16) consists of over 90% silver and contains a few percent of a second metal.
4. Kompositplatte nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als zweites Metall ein Metall aus der Reihe Au, Pd, Mg und Ni verwendet wird.4. Composite panel according to claim 3, characterized in that a metal from the series Au, Pd, Mg and Ni is used as the second metal.
5. Kompositplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionszone (13, 15) aus Ag und CuO besteht und vorzugsweise eine stöchiometrische Zusammensetzung von etwa 99 Mol-% Ag und 1 Mol-% CuO aufweist.5. Composite panel according to one of claims 1 to 4, characterized in that the reaction zone (13, 15) consists of Ag and CuO and preferably has a stoichiometric composition of about 99 mol% Ag and 1 mol% CuO.
6. Kompositplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramikplatte (10) im wesentlichen aus einer elektrisch isolierenden Keramik besteht.6. Composite plate according to one of claims 1 to 5, characterized in that the ceramic plate (10) consists essentially of an electrically insulating ceramic.
7. Kompositplatte nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramikplatte (10) im wesentlichen aus einer Oxydkeramik, insbesondere aus der Reihe Al203, Zr02, ZnO, MgO, MgAI204 und BaTi03, besteht. 7. Composite plate according to claim 6, characterized in that the ceramic plate (10) consists essentially of an oxide ceramic, in particular from the series Al 2 0 3 , Zr0 2 , ZnO, MgO, MgAI 2 0 4 and BaTi0 3 .
8. Kompositplatte nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramikplatte (10) im wesentlichen aus einer AIN-Keramik besteht.8. Composite plate according to claim 6, characterized in that the ceramic plate (10) consists essentially of an AIN ceramic.
9. Kompositplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramikplatte (10) im wesentlichen aus einer elektrisch leitenden Keramik, insbesondere aus einer LaNi03-Keramik, besteht.9. Composite plate according to one of claims 1 to 5, characterized in that the ceramic plate (10) consists essentially of an electrically conductive ceramic, in particular of a LaNi0 3 ceramic.
10. Kompositplatte (17) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramikplatte (10) auf beiden Seiten durch eine Reaktionszone (13 bzw. 15) mit einem als Silberblech ausgebildeten Metallblech (11 bzw. 16) stoffschlüssig verbunden ist.10. Composite plate (17) according to one of claims 1 to 9, characterized in that the ceramic plate (10) on both sides by a reaction zone (13 or 15) with a metal sheet designed as a silver sheet (11 or 16) is integrally connected .
11. Verfahren zum Herstellen einer Kompositplatte nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einer Keramikplatte (10) und einem als Silberblech ausgebildeten Metallblech (11 , 16) eine CuO enthaltende und/oder beim Erhitzen CuO bildende, flächige Hilfsschicht (11 ) angeordnet wird, dass die Keramikplatte (10) und das Metallblech (11 , 16) unter Zwischenliegen der Hilfsschicht (12) flächig aufeinandergelegt werden, dass der Stapel aus Keramikplatte (10), Hilfsschicht (12) und Metallblech (11 , 16) auf eine Temperatur erhitzt wird, bei welcher das CuO der Hilfsschicht (12) und das Ag aus dem Metallblech (11 , 16) eine eutektische Schmelze bildet, und dass nach dem Ausbilden der eutektischen Schmelze der Stapel wieder auf Raumtemperatur abgekühlt wird.11. A method for producing a composite panel according to claim 1, characterized in that a flat auxiliary layer (11) containing CuO and / or CuO forming when heated is arranged between a ceramic plate (10) and a metal sheet (11, 16) that the ceramic plate (10) and the metal sheet (11, 16) are placed flat on top of one another with the auxiliary layer (12) in between, that the stack of ceramic plate (10), auxiliary layer (12) and metal sheet (11, 16) heats up to a temperature in which the CuO of the auxiliary layer (12) and the Ag from the metal sheet (11, 16) forms a eutectic melt, and that after the formation of the eutectic melt, the stack is cooled again to room temperature.
12. Verfahren nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass es an Luft unter Normaldruck durchgeführt wird.12. The method according to claim 11, characterized in that it is carried out in air under normal pressure.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhitzung auf eine Temperatur von 947 ± 2°C erfolgt, und dass der Stapel vor dem Abkühlen einige Minuten, vorzugsweise zwischen 5 und 15 Minuten, auf dieser Temperatur gehalten wird. 13. The method according to claim 12, characterized in that the heating takes place to a temperature of 947 ± 2 ° C, and that the stack is kept at this temperature for a few minutes, preferably between 5 and 15 minutes, before cooling.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Stapel während des Erhitzens mit einem Druck senkrecht zur Plattenebene, vorzugsweise durch Auflegen einer Al203-Keramikplatte auf den Stapel, belastet wird.14. The method according to any one of claims 11 to 13, characterized in that the stack is loaded during heating with a pressure perpendicular to the plate plane, preferably by placing an Al 2 0 3 ceramic plate on the stack.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erzeugen der Hilfsschicht (12) das Metallblech (11 , 16) auf seiner der Keramikplatte (10) zugewandten Seite mit einer CuO enthaltenden Schicht beschichtet wird.15. The method according to any one of claims 11 to 14, characterized in that to produce the auxiliary layer (12) the metal sheet (11, 16) is coated on its side facing the ceramic plate (10) with a layer containing CuO.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass zum Beschichten mit der CuO enthaltenden Schicht eine Suspension von CuO-Pulver, vorzugsweise mit einer mittleren Partikelgrösse von dmittei < 1 ,0 μm, mit Ethanol und einem Bindemittel verwendet wird.16. The method according to claim 15, characterized in that a suspension of CuO powder, preferably with an average particle size of d mitt ei < 1.0 .mu.m, with ethanol and a binder is used for coating with the CuO-containing layer.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erzeugen der Hilfsschicht (12) das Metallblech (11 , 16) auf seiner der Keramikplatte (10) zugewandten Seite mit einer beim Erhitzen CuO bildenden Schicht beschichtet wird.17. The method according to any one of claims 11 to 14, characterized in that to produce the auxiliary layer (12), the metal sheet (11, 16) on its side facing the ceramic plate (10) is coated with a layer forming CuO when heated.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass zum Beschichten mit der CuO bildenden Schicht eine Schicht aus Cu, insbesondere durch Aufdampfen, Aufsputtem oder chemische oder elektrochemische Abscheidung, aufgebracht wird.18. The method according to claim 17, characterized in that a layer of Cu, in particular by vapor deposition, sputtering or chemical or electrochemical deposition, is applied for coating with the CuO-forming layer.
19. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass zum Beschichten mit der CuO bildenden Schicht eine Schicht aus einer chemischen Verbindung von Cu aufgebracht wird, welche sich beim Erhitzen unter Luft in CuO umsetzt. 19. The method according to claim 17, characterized in that a layer of a chemical compound of Cu is applied for coating with the CuO-forming layer, which converts to CuO when heated in air.
20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass als chemische Verbindung von Cu eine Verbindung aus der Reihe Cu(N03)2, Cu-Acetat oder Cu-Oxalat verwendet wird.20. The method according to claim 19, characterized in that a compound from the series Cu (N0 3 ) 2 , Cu acetate or Cu oxalate is used as the chemical compound of Cu.
21. Verwendung einer Kompositplatte (14, 17) nach einem Ansprüche 1 bis 8 als Montageplatte für elektronische Module, insbesondere der Leistungselektronik. 21. Use of a composite panel (14, 17) according to one of claims 1 to 8 as a mounting plate for electronic modules, in particular power electronics.
GEÄNDERTE ANSPRÜCHECHANGED REQUIREMENTS
[beim Internationalen Büro am 14. Februar 2000 (14.02.00) eingegangen; ursprüngliche Ansprüche 1 und 5 geändertjalle weiteren Ansprüche unverändert (4 Seiten)][Received at the International Office on February 14, 2000 (2/14/00); original claims 1 and 5 changed; all other claims unchanged (4 pages)]
1. Kompositplatte (14, 17), umfassend eine Keramikplatte (10), welche zumindest auf einer Seite mit einem Metallblech (11 , 16) flächig und stoffschlüssig über eine dünne Reaktionszone (13, 15) verbunden ist, welche Reaktionszone (13, 15) eine erstarrte eutektischen Schmelze des Metalls enthält, aus welchem das Metallblech (11 , 16) im wesentlichen besteht, wobei das Metallblech (11 , 16) ein Silberblech ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionszone (13, 15) aus Ag und CuO besteht.1. Composite plate (14, 17), comprising a ceramic plate (10), which is connected at least on one side to a metal sheet (11, 16) flat and integrally via a thin reaction zone (13, 15), which reaction zone (13, 15 ) contains a solidified eutectic melt of the metal from which the metal sheet (11, 16) essentially consists, the metal sheet (11, 16) being a silver sheet, characterized in that the reaction zone (13, 15) consists of Ag and CuO .
2. Kompositplatte nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Metallblech (11 , 16) aus reinem Silber besteht.2. Composite panel according to claim 1, characterized in that the metal sheet (11, 16) consists of pure silver.
3. Kompositplatte nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Metallblech (11 , 16) zu über 90% aus Silber besteht und einige Prozente eines zweiten Metalls enthält.3. Composite panel according to claim 1, characterized in that the metal sheet (11, 16) consists of over 90% silver and contains a few percent of a second metal.
4. Kompositplatte nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als zweites Metall ein Metall aus der Reihe Au, Pd, Mg und Ni verwendet wird.4. Composite panel according to claim 3, characterized in that a metal from the series Au, Pd, Mg and Ni is used as the second metal.
5. Kompositplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionszone eine stöchiometrische Zusammensetzung von etwa 99 Mol-% Ag und 1 Mol-% CuO aufweist.5. Composite panel according to one of claims 1 to 4, characterized in that the reaction zone has a stoichiometric composition of about 99 mol% Ag and 1 mol% CuO.
6. Kompositplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramikplatte (10) im wesentlichen aus einer elektrisch isolierenden Keramik besteht.6. Composite plate according to one of claims 1 to 5, characterized in that the ceramic plate (10) consists essentially of an electrically insulating ceramic.
7. Kompositplatte nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramikplatte (10) im wesentlichen aus einer Oxydkeramik, insbesondere aus der Reihe Al203, Zr02, ZnO, MgO, MgAI204 und BaTi03, besteht. 7. Composite plate according to claim 6, characterized in that the ceramic plate (10) consists essentially of an oxide ceramic, in particular from the series Al 2 0 3 , Zr0 2 , ZnO, MgO, MgAI 2 0 4 and BaTi0 3 .
8. Kompositplatte nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramikplatte (10) im wesentlichen aus einer AIN-Keramik besteht.8. Composite plate according to claim 6, characterized in that the ceramic plate (10) consists essentially of an AIN ceramic.
9. Kompositplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramikplatte (10) im wesentlichen aus einer elektrisch leitenden Keramik, insbesondere aus einer LaNi03-Keramik, besteht.9. Composite plate according to one of claims 1 to 5, characterized in that the ceramic plate (10) consists essentially of an electrically conductive ceramic, in particular of a LaNi0 3 ceramic.
10. Kompositplatte (17) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramikplatte (10) auf beiden Seiten durch eine Reaktionszone (13 bzw. 15) mit einem als Silberblech ausgebildeten Metallblech (11 bzw. 16) stoffschlüssig verbunden ist.10. Composite plate (17) according to one of claims 1 to 9, characterized in that the ceramic plate (10) on both sides by a reaction zone (13 or 15) with a metal sheet designed as a silver sheet (11 or 16) is integrally connected .
11. Verfahren zum Herstellen einer Kompositplatte nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einer Keramikplatte (10) und einem als Silberblech ausgebildeten Metallblech (11 , 16) eine CuO enthaltende und/oder beim Erhitzen CuO bildende, flächige Hilfsschicht (11) angeordnet wird, dass die Keramikplatte (10) und das Metallblech (11 , 16) unter Zwischenliegen der Hilfsschicht (12) flächig aufeinandergelegt werden, dass der Stapel aus Keramikplatte (10), Hilfsschicht (12) und Metallblech (11 , 16) auf eine Temperatur erhitzt wird, bei welcher das CuO der Hilfsschicht (12) und das Ag aus dem Metallblech (11 , 16) eine eutektische Schmelze bildet, und dass nach dem Ausbilden der eutektischen Schmelze der Stapel wieder auf Raumtemperatur abgekühlt wird.11. A method for producing a composite panel according to claim 1, characterized in that a flat auxiliary layer (11) containing CuO and / or CuO forming when heated is arranged between a ceramic plate (10) and a metal sheet (11, 16) that the ceramic plate (10) and the metal sheet (11, 16) are placed flat on top of one another with the auxiliary layer (12) in between, that the stack of ceramic plate (10), auxiliary layer (12) and metal sheet (11, 16) heats up to a temperature in which the CuO of the auxiliary layer (12) and the Ag from the metal sheet (11, 16) forms a eutectic melt, and that after the formation of the eutectic melt, the stack is cooled again to room temperature.
12. Verfahren nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass es an Luft unter Normaldruck durchgeführt wird.12. The method according to claim 11, characterized in that it is carried out in air under normal pressure.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhitzung auf eine Temperatur von 947 + 2°C erfolgt, und dass der Stapel vor dem Abkühlen einige Minuten, vorzugsweise zwischen 5 und 15 Minuten, auf dieser Temperatur gehalten wird. 13. The method according to claim 12, characterized in that the heating takes place to a temperature of 947 + 2 ° C, and that the stack is kept at this temperature for a few minutes, preferably between 5 and 15 minutes, before cooling.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Stapel während des Erhitzens mit einem Druck senkrecht zur Plattenebene, vorzugsweise durch Auflegen einer AI2O3-Keramikplatte auf den Stapel, belastet wird.14. The method according to any one of claims 11 to 13, characterized in that the stack is loaded during heating with a pressure perpendicular to the plane of the plate, preferably by placing an Al 2 O 3 ceramic plate on the stack.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erzeugen der Hilfsschicht (12) das Metallblech (11 , 16) auf seiner der Keramikplatte (10) zugewandten Seite mit einer CuO enthaltenden Schicht beschichtet wird.15. The method according to any one of claims 11 to 14, characterized in that to produce the auxiliary layer (12) the metal sheet (11, 16) is coated on its side facing the ceramic plate (10) with a layer containing CuO.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass zum Beschichten mit der CuO enthaltenden Schicht eine Suspension von CuO-Pulver, vorzugsweise mit einer mittleren Partikelgrösse von dmittei < 1.0 μm, mit Ethanol und einem Bindemittel verwendet wird.16. The method according to claim 15, characterized in that a suspension of CuO powder, preferably with an average particle size of dmittei <1.0 μm, with ethanol and a binder is used for coating with the CuO-containing layer.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erzeugen der Hilfsschicht (12) das Metallblech (11 , 16) auf seiner der Keramikplatte (10) zugewandten Seite mit einer beim Erhitzen CuO bildenden Schicht beschichtet wird.17. The method according to any one of claims 11 to 14, characterized in that to produce the auxiliary layer (12), the metal sheet (11, 16) on its side facing the ceramic plate (10) is coated with a layer forming CuO when heated.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass zum Beschichten mit der CuO bildenden Schicht eine Schicht aus Cu, insbesondere durch Aufdampfen, Aufsputtern oder chemische oder elektrochemische Abscheidung, aufgebracht wird.18. The method according to claim 17, characterized in that a layer of Cu, in particular by vapor deposition, sputtering or chemical or electrochemical deposition, is applied for coating with the CuO-forming layer.
19. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass zum Beschichten mit der CuO bildenden Schicht eine Schicht aus einer chemischen Verbindung von Cu aufgebracht wird, welche sich beim Erhitzen unter Luft in CuO umsetzt. 19. The method according to claim 17, characterized in that a layer of a chemical compound of Cu is applied for coating with the CuO-forming layer, which converts to CuO when heated in air.
20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass als chemische Verbindung von Cu eine Verbindung aus der Reihe Cu(N03)2, Cu-Acetat oder Cu-Oxalat verwendet wird.20. The method according to claim 19, characterized in that a compound from the series Cu (N0 3 ) 2 , Cu acetate or Cu oxalate is used as the chemical compound of Cu.
21. Verwendung einer Kompositplatte (14, 17) nach einem Ansprüche 1 bis 8 als Montageplatte für elektronische Module, insbesondere der Leistungselektronik. 21. Use of a composite panel (14, 17) according to one of claims 1 to 8 as a mounting plate for electronic modules, in particular power electronics.
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