金屬-陶瓷-基材以及制備金屬-陶瓷-基材的方法
【專利說明】金屬-陶瓷-基材以及制備金屬-陶瓷-基材的方法
[0001]本發明涉及根據權利要求1的前序部分的金屬-陶瓷-基材以及根據權利要求10的前序部分的制備金屬-陶瓷-基材的方法。
[0002]已知以電路板形式的不同類型的金屬-陶瓷-基材，所述金屬-陶瓷-基材由陶瓷絕緣層、至少一個金屬化層組成，所述金屬化層與陶瓷絕緣層的表面側的一者結合并且結構化從而形成導體電路、觸點、接觸區域或固定區域。
[0003]為了減小施加至陶瓷層上的金屬化層的層厚度，希望提高陶瓷層的熱導率。為此，例如由DE 10 2004 012 231 B4已知金屬化的陶瓷基材，其中為了實現高的機械強度和高的熱導率，陶瓷層由具有二氧化鋯成分的陶瓷材料制得。陶瓷材料除了氧化鋁(Al2O3)之外還包含二氧化鋯(ZrO2)以及氧化釔(Y2O3)和/或氧化鈣(CaO)，其中A1203、ZrO2以及Y2O3和/或CaO以層的總重量計的以下比例包含在陶瓷層中:
[0004]-Al2O3，在 91 和 97.96 重量％之間；
[0005]-ZrO2，在2和9重量％之間；和
[0006]-Y2O3和/或CaO，在0.04和I重量％之間
[0007]這種陶瓷層在室溫下的熱導率在20和23W/mK之間。然而希望進一步提高熱導率，更確切地說維持或僅略微降低陶瓷層或金屬化陶瓷基材的彎曲斷裂強度。
[0008]例如還已知所謂的“DCB-法”(“直接銅焊接”)，所述方法通過使用金屬板或銅板或金屬箔或銅箔從而使金屬層或金屬板(優選銅板或銅箔)彼此結合和/或與陶瓷或陶瓷層結合，更確切地說所述金屬板或銅板或金屬箔或銅箔在其表面側上具有由來自金屬和反應性氣體(優選氧氣)的化學化合物組成的層或涂層(“熔融層”)。在例如US-PS 3744120或DE-PS 23 I 9 854中描述的方法中，所述層或涂層(“熔融層”)形成熔點低于金屬(例如銅)熔點的共熔體，因此可以通過在陶瓷上鋪設金屬箔或銅箔并且通過加熱所有層從而使其彼此結合，更確切地說通過基本上僅在熔融層或氧化物層的區域內熔融金屬或銅。這種DCB-法例如具有以下方法步驟:
[0009]-氧化銅箔，從而形成均勻的氧化銅層；
[0010]-將具有均勻氧化銅層的銅箔鋪設在陶瓷層上；
[0011]-將復合物加熱至在約1025至1083°C之間，例如約1071°C的工藝溫度；
[0012]-冷卻至室溫。
[0013]通過文獻DE 22 13 115和EP-A-153 618還已知所謂的活性焊料法，所述活性焊料法用于使形成金屬化層的金屬層或金屬箔，特別是銅層或銅箔，與陶瓷材料或陶瓷層結合。在所述方法(其特別還用于制備金屬-陶瓷-基材)中，在約800-1000°C之間的溫度下，使用硬焊料在金屬箔(例如銅箔)和陶瓷基材(例如氮化鋁-陶瓷)之間形成結合，所述硬焊料除了主要組分(例如銅、銀和/或金)之外還包含活性金屬。所述活性金屬(例如為選自Hf、T1、Zr、Nb、Ce的至少一種元素)通過化學反應在硬焊料和陶瓷之間建立結合，而硬焊料和金屬之間的結合為金屬硬焊料結合。
[0014]從上述現有技術出發，本發明的目的在于，提供金屬-陶瓷-基材及其制備方法，所述金屬-陶瓷-基材包含具有二氧化鋯成分并且具有改進的熱導率的陶瓷材料。通過根據權利要求1或10所述的金屬-陶瓷-基材或其制備方法實現所述目的。
[0015]根據本發明的金屬-陶瓷-基材的主要方面在于，氧化鋁、二氧化鋯以及氧化釔以其總重量計的以下比例包含在陶瓷層中:二氧化鋯在2和15重量％之間；氧化釔在0.01和I重量％之間，氧化鋁在84和97重量％之間，其中所使用的氧化鋁的平均粒徑在2和8微米之間，并且氧化鋁晶粒的晶界長度和所有晶界的總長度的比例大于0.6。由于根據本發明的陶瓷層具有在2和15重量％之間的二氧化鋯比例以及使用平均粒徑在2和8微米之間的氧化鋁，因此可以實現高達10%的熱導率的升高。特別有利地，陶瓷層具有大于25W/mK的熱導率。因此有可能根據應用情況將金屬化層的層厚度減小至0.05_。
[0016]在本發明的一個有利的實施方案的變體中，二氧化鋯的比例在2和10重量％之間，氧化釔的比例在0.01和I重量％之間，并且氧化鋁的比例在89和97重量％之間。通過將二氧化鋯比例降低至低于10重量％并且優選同時升高燒結溫度，可以進一步顯著改進熱導率，其中過高的燒結溫度導致彎曲斷裂強度的降低。
[0017]在本發明的一個改良方案中，陶瓷層具有大于500MPa的彎曲斷裂強度。
[0018]在本發明的一個有利的實施方案中，二氧化鋯在結晶相中具有大部分四角形晶體結構，其中二氧化鋯的所有晶體結構中的四角形晶體結構的比例大于80 %。結晶相的四角形晶體結構的增加和與此相關的從陶瓷中逐出玻璃相同樣引起熱導性的改進。
[0019]在本發明的一個改良方案中，根據本發明的金屬-陶瓷-基材例如這樣形成，
[0020]陶瓷層具有在0.1mm和1.0mm之間，優選在0.2mm和0.5mm之間的層厚度，
[0021]和/或
[0022]金屬化層具有在0.05mm和1.2mm之間，優選在0.1mm和0.5mm之間的層厚度，
[0023]和/ 或
[0024]金屬化層被結構化從而形成接觸面或結合面，
[0025]和/ 或
[0026]金屬化層通過銅或銅合金和/或鋁或鋁合金的箔或層形成，
[0027]其中上述特征可以各自單獨使用或者以任意組合使用。
[0028]同樣地，本發明的主題在于制備金屬-陶瓷-基材的方法，所述金屬-陶瓷-基材包括至少一個具有第一表面側和第二表面側的陶瓷層，其中表面側的至少一者與至少一個金屬化層結合，其中陶瓷層由包含氧化鋁、二氧化鋯以及氧化釔的陶瓷材料制得。根據本發明，為了制備陶瓷層，使用氧化鋁、二氧化鋯以及氧化釔以陶瓷層的總重量計的以下比例:二氧化鋯在2和15重量％之間；氧化釔在0.01和I重量％之間，氧化鋁在84和97重量％之間，其中所使用的氧化鋁的平均粒徑在2和8微米之間，并且選擇氧化鋁晶粒的晶界長度與所有晶界的總長度的比例大于0.6。
[0029]根據本發明的方法例如這樣設計，在以由銅或銅合金組成的箔或層的形式形成至少一個金屬化層時，借助于“直接銅焊接”法或活性焊料法或者通過使用塑料粘合劑或適合作為粘合劑的聚合物，優選通過使用包含碳纖維，特別是碳納米纖維的粘合劑粘合從而使金屬化層與陶瓷層結合
[0030]和/ 或
[0031]在以由鋁或鋁合金組成的箔或層的形式形成至少一個金屬化層時，借助于“直接鋁焊接”法(“DAB-法”)或者通過使用塑料粘合劑或適合作為粘合劑的聚合物，優選通過使用包含碳纖維，特別是碳納米纖維的粘合劑粘合從而使金屬化層與陶瓷層彼此結合，其中上述特征可以各自單獨使用或者以任意組合使用。
[0032]還有利地，使用二氧化鋯從而制備陶瓷層，所述二氧化鋯在結晶相中具有大部分四角形晶體結構，其中二氧化鋯的所有晶體結構中的四角形晶體結構的比例大于80%。
[0033]在本發明的范圍內，表述“幾乎”、“基本上”或“約”意指相比于各個精確值+/-10%，優選+/-5%的偏差和/或對于功能而言不重要的變化的形式的偏差。
[0034]通過實施例的以下描述并且通過附圖得出本發明的改良方案、優點和應用可能性。在此，所有描述的和/或以附圖方式顯示的特征單獨地或以任意組合構成本發明的基本主題，而不論其在權利要求中的概括或其引用如何。權利要求的內容也被認為說明書的一部分。
[0035]通過實施例的附圖詳細解釋本發明。附圖顯示:
[0036]圖1顯示了根據本發明的具有一個金屬化層的金屬-陶瓷-基材的簡化截面圖，和
[0037]圖2顯示了根據本發明的具有兩個金屬化層的金屬-陶瓷-基材的簡化截面圖
[0038]圖3顯示了根據圖2的具有兩個金屬化層的金屬-陶瓷-基材的替代性實施方案的簡化截面圖，和
[0039]圖4顯示了常規陶瓷層和根據本發明的金屬-陶瓷-基材中所使用的具有不同氧化鋯比例的陶瓷層隨溫度變化的熱導率的曲線圖。
[0040]圖1以簡化圖顯示了根據本發明的金屬-陶瓷-基材I的截面，所述金屬-陶瓷-基材I包括至少一個具有兩個相對表面側(即第一表面側和第二表面側2a、2b)的陶瓷層2。
[0041]根據圖1的根據本發明的金屬-陶瓷-基材I設置有至少一個金屬化層3。在本實施例中，第一表面側2a具有第一金屬化層3，與第一表面側2a相對的第二表面側2b不具有金屬化層。
[0042]圖2和圖3顯示了根據本發明的金屬-陶瓷-基材I的兩個替代性實施方案變體，其中第一表面側2a設置有第一金屬化層3，與第一表面側2a相對的第二表面側2b設置有第二金屬化層4。
[0043]第一金屬化層和/或第二金屬化層3、4優選被結構化地形成，即形成多個接觸區域或接觸面用于連接電子構件。圖