(57)【要約】本発明は、少なくとも１つのセラミック層（２）を備える金属・セラミック基板およびその製造方法であって、前記セラミック層（２）が、第１の表面側（２ａ）に少なくとも１つの第１のメタライゼーション（３）を、前記第１の表面側（２ａ）に相対する第２の表面側（２ｂ）に第２のメタライゼーション（４）を備えており、前記第１のメタライゼーション（３）が、銅または銅合金からなる箔または層により形成されており、また、「銅直接接合」法を用いて、前記セラミック層（２）の前記第１の表面側（２ａ）と接合されている金属・セラミック基板およびその製造方法に関する。特に有利には、前記第２のメタライゼーション（４）が、アルミニウムまたはアルミニウム合金の層により形成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つのセラミック層（２）を備える金属・セラミック基板であって、前記セラミック層（２）が、第１の表面側（２ａ）に少なくとも１つの第１のメタライゼーション（３）を、前記第１の表面側（２ａ）に相対する第２の表面側（２ｂ）に第２のメタライゼーション（４）を備え、前記第１のメタライゼーション（３）が、銅または銅合金からなる箔または層により形成されており、前記第１のメタライゼーション（３）が、「銅直接接合」法を用いて、前記セラミック層（２）の前記第１の表面側（２ａ）と接合されている金属・セラミック基板において、前記第２のメタライゼーション（４）が、アルミニウムまたはアルミニウム合金の層により形成されていることを特徴とする金属・セラミック基板。
【請求項２】
アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる前記第２のメタライゼーション（４）の表面が、極酸化処理され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。
【請求項３】
前記第１のメタライゼーション（３）が、０．１ｍｍ〜１．０ｍｍ、好ましくは０．２ｍｍ〜０．８ｍｍの層厚を有し、および／または接触面もしくは接合面を形成するために構造化されていることを特徴とする、請求項１または２に記載の金属・セラミック基板。
【請求項４】
アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる前記第２のメタライゼーション（４）が、０．０５ｍｍ〜４．０ｍｍ、好ましくは０．２ｍｍ〜３．０ｍｍの層厚を有することを特徴とする、請求項１〜３のうちいずれか一項に記載の金属・セラミック基板。
【請求項５】
前記第２のメタライゼーション（４）が、板状、板金状および／または半殻状に形成されていることを特徴とする、請求項１〜４のうちいずれか一項に記載の金属・セラミック基板。
【請求項６】
前記セラミック層が、酸化アルミニウムもしくは窒化アルミニウムもしくは窒化ケイ素もしくは炭化ケイ素もしくは酸化ジルコニウムを含む酸化アルミニウムのような酸化物セラミック、窒化物セラミックもしくはケイ素セラミックから製造されており、および／または、０．２ｍｍ〜１．０ｍｍ、好ましくは０．３ｍｍ〜０．４ｍｍの層厚を有することを特徴とする、請求項１〜５のうちいずれか一項に記載の金属・セラミック基板。
【請求項７】
前記第２のメタライゼーション（４）に、さまざまな形状および／もしくは深さの複数の凹部が設けられており、ならびに／または、前記第２のメタライゼーション（４）の表面側に、表面側から外側に突出しているさまざまな形状および／もしくは高さの冷却要素（６）が備えられていることを特徴とする、請求項１〜６のうちいずれか一項に記載の金属・セラミック基板。
【請求項８】
前記凹部（５）が、溝状、スリット状、長円形、長穴形、円形もしくは菱形に形成されており、および／または、少なくとも部分的に、前記第２のメタライゼーション（４）の層厚の少なくとも４分の１に及ぶことを特徴とする、請求項７に記載の金属・セラミック基板。
【請求項９】
前記凹部（５）が、前記第２のメタライゼーション（４）の表面を拡大するために、深さが少なくとも０．０５ｍｍである穴の形で設けられ、この穴が、好ましくはマトリックス状に配置され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。
【請求項１０】
前記穴が、前記セラミック層（２）の表面にまで及び、ならびに／または、直接並んで、および／もしくは少なくとも部分的に重なって、前記セラミック層（２）の表面に設けられていることを特徴とする、請求項９に記載の金属・セラミック基板。
【請求項１１】
前記冷却要素（６）が、リブ状、長穴形、円形もしくは菱形に形成されており、および／または、１ｍｍ〜１０ｍｍの高さがあ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。
【請求項１２】
液状またはガス状の冷却媒体を誘導するための溝状の受入室（８）を形成するために、縁側で前記第２のメタライゼーション（４）と接合している第３のメタライゼーション（７）が設けられていることを特徴とする、請求項１〜１１のうちいずれか一項に記載の金属・セラミック基板。
【請求項１３】
前記第３のメタライゼーション（７）が、アルミニウム、アルミニウム合金、ステンレス鋼、マグネシウム合金から、またはクロムとニッケルで仕上げた鋼から製造されていることを特徴とする、請求項１２に記載の金属・セラミック基板。
【請求項１４】
前記第２のメタライゼーション（２）が、銅または銅合金の層で形成される第４のメタライゼーション（３’）を介して、前記セラミック層（２）の第２の表面側（２ｂ）と接合されていることを特徴とする、請求項１〜１３のうちいずれか一項に記載の金属・セラミック基板。
【請求項１５】
請求項１〜１４のうちいずれか一項に記載の少なくとも２つの金属・セラミック基板（１）を含む構成であって、互いに相対する前記金属・セラミック基板（１）の前記第２のメタライゼーション（４）の少なくとも１つが、半殻状に形成されており、また、相対する前記金属・セラミック基板（１）が、少なくとも１つの桶状の金属ハウジングが生じるように、互いに接合されていることを特徴とする構成。
【請求項１６】
前記第２のメタライゼーション（４）が、それぞれ半殻状に形成されており、また、フランジ状の接合領域（４’）を形成する複数の縁部分（４．１、４．２、４．３）を有することを特徴とする、請求項１５に記載の構成。
【請求項１７】
前記金属・セラミック基板（１）が、好ましくは、フランジ状の接合領域（４’）において、互いに溶接または接着、またはその他の方法で永続的に、かつ好ましくは液密に互いに接合されていることを特徴とする、請求項１５または１６に記載の構成。
【請求項１８】
少なくとも１つのセラミック層（２）を備える金属・セラミック基板（１）を製造する方法であって、前記セラミック層（２）において、第１の表面側（２ａ）が、少なくとも１つの第１のメタライゼーション（３）と、前記第１の表面側（２ａ）に相対する第２の表面側（２ｂ）が、少なくとも１つの第２のメタライゼーション（４）と接合され、前記第１のメタライゼーション（３）が、銅または銅合金からなる箔または層により形成されており、前記第１のメタライゼーション（３）が、「銅直接接合」法を用いて、前記セラミック層（２）の前記第１の表面側（２ａ）と接合される方法において、前記第２のメタライゼーション（４）が、アルミニウムまたはアルミニウム合金から製造されることを特徴とする方法。
【請求項１９】
前記第２のメタライゼーション（４）が、極酸化処理されることを特徴とする、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記第２のメタライゼーション（２）および前記セラミック層（２）が、「アルミニウム直接接合」法（「ＤＡＢ法」）により、または合成樹脂接着剤もしくは接着剤に適したポリマーを使用した接着、好ましくはカーボンファイバー、特にカーボンナノファイバーを含有する接着剤を使用した接着により互いに接合されることを特徴とする、請求項１８または１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記第２のメタライゼーション（２）が、銅または銅合金の層で形成される第４のメタライゼーション（３’）を介して、前記セラミック層（２）の前記第２の表面側（２ｂ）と接合されることを特徴とする、請求項１８または１９に記載の方法。
【請求項２２】
前記セラミック層が、酸化アルミニウムまたは窒化アルミニウムまたは窒化ケイ素または酸化ジルコニウムを含む酸化アルミニウムから製造されることを特徴とする、請求項１８〜２１のうちのうちいずれか一項に記載の方法。
【請求項２３】
前記第２のメタライゼーション（４）に、さまざまな形状および／もしくは深さの複数の凹部が設けられ、ならびに／または、前記第２のメタライゼーション（４）の表面側に、表面側から外側に突出しているさまざまな形状および／もしくは高さの冷却要素（６）が備えられることを特徴とする、請求項１８〜２２のうちいずれか一項に記載の方法。
【請求項２４】
前記凹部（５）が、腐食液、レーザー処理および／または、例えば鋸などの機械加工プロセスを用いて、前記第２のメタライゼーション（４）の、外側に向いた表面側に設けられることを特徴とする、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
表面を拡大するために、前記凹部（５）が、深さが少なくとも０．０５ｍｍである穴の形で前記第２のメタライゼーションの（４）の表面に設けられ、この穴が、好ましくはマトリックス状に配置されることを特徴とする、請求項２３または２４に記載の方法。
【請求項２６】
表面を拡大するために、前記凹部（５）が、前記セラミック層（２）の表面にまで及ぶ穴、および／または、直接並んで配置される穴、および／または少なくとも部分的に重なる穴の形で、前記セラミック層（２）の表面に設けられることを特徴とする、請求項２３または２４に記載の方法。
【請求項２７】
金属・セラミック基板（１）の前記第２のメタライゼーション（４）が、半殻状に形成され、また、相対する金属・セラミック基板（１）の前記第２のメタライゼーション（４）と、少なくとも１つの桶状の金属ハウジング（９）が生じるように、互いに接合されることを特徴とする、請求項１８〜２６のうちのうちいずれか一項に記載の方法。
【請求項２８】
前記２つの金属・セラミック基板（１）が、好ましくは、前記第２のメタライゼーション（４）のフランジ状の接合領域（４’）において、互いに溶接または接着、またはその他の方法で永続的に、かつ好ましくは液密に互いに接合されることを特徴とする、請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
前記金属ハウジング（９）が、液状またはガス状の冷却媒体を誘導する金属ケーシング（１０）に収容されることを特徴とする、請求項２７または２８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の上位概念部に記載の金属・セラミック基板、および請求項１８の上位概念部に記載の金属・セラミック基板の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
セラミックからなる絶縁層、およびセラミックからなる絶縁層の表面側と接合され、回路経路、接点、接触領域または固定領域を形成するために構造化された少なくとも１つのメタライゼーションからなるプリント基板形状の金属・セラミック基板は、さまざまな実施において知られている。
【０００３】
これに関して特別に重要なのが、そのような金属・セラミック基板の冷却であり、これは例えば、構造化されたメタライゼーションに相対するセラミックの表面側を、または、セラミックの表面側と熱伝導接合しているメタライゼーションを、冷却媒体またはヒートシンクに直接接触させることによって実施することができる。特に、液状またはガス状の冷却媒体を使用する場合、例えば、金属・セラミック基板の耐食性や熱伝導率の良さが特に求められる。自動車産業においてそのような基板を使用する場合、例えば、自動車の冷却用の冷却系を基板の冷却にも用いることが望ましい。
【０００４】
例えば、金属層もしくは金属板、好ましくは銅板もしくは銅箔を互いに、および／またはセラミックもしくはセラミック層と接合するためのいわゆる「ＤＣＢ」（「Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｏｐｐｅｒ Ｂｏｎｄｉｎｇ」、銅直接接合）法も知られており、より詳しくは、金属と反応性ガス、好ましくは酸素からなる化合物の層または被覆（「溶融層」）を表面側に備える金属板もしくは銅板または金属箔もしくは銅箔を使用する。この、例えば米国特許第３７４４１２０号明細書（特許文献１）またはドイツ特許第２３１９８５４号明細書（特許文献２）に記載されている方法では、この層またはこの被覆（「溶融層」）が、金属（銅など）の溶融温度より低い溶融温度を持つ共融混合物を形成しているため、金属箔または銅箔をセラミック上に置き、層全体を加熱することによって、より詳しくは、概ね溶融層または酸化層の範囲においてのみ金属または銅が溶融することによって、これを互いに接合することができる。そのようなＤＣＢ法には、例えば以下の工程段階がある：
−  一様な銅酸化層が生じるように銅箔を酸化させる；
−  一様な銅酸化層を有する銅箔をセラミック層の上に置く；
−  およそ１０２５〜１０８３℃の処理温度で、例えば約１０７１℃で接合物を加熱する；
−  室温で冷却する。
【０００５】
さらに、ドイツ特許第２２１３１１５号明細書（特許文献３）および欧州特許公開第１５３６１８号明細書（特許文献４）の印刷物から、メタライゼーションを形成する金属層または金属箔、特に銅層または銅箔を、セラミック材料またはセラミック層と接合するための、いわゆる活性ろう付け法が周知である。特に金属・セラミック基板の製造にも用いられるこの方法では、約８００〜１０００℃の温度で、金属箔、例えば銅箔と、セラミック基板、例えば窒化アルミセラミックとの接合が、銅、銀および／または金などの主成分に加え活性金属も含む硬ろうを用いてなされる。例えば、Ｈｆ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｃｅ族の少なくとも一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を接合させるのに対し、硬ろうと金属の接合は、金属硬ろう接合となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第３７４４１２０号明細書
【特許文献２】ドイツ特許第２３１９８５４号明細書
【特許文献３】ドイツ特許第２２１３１１５号明細書
【特許文献４】欧州特許公開第１５３６１８号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
前述の背景技術を前提とし、本発明の根底には、液状またはガス状の冷却媒体を用いた冷却に適した、金属・セラミック基板およびその製造方法も示すという課題がある。この課題は、請求項１または１８に記載の金属・セラミック基板またはその製造方法によって解決される。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明による金属・セラミック基板の本質的態様は、アルミニウムまたはアルミニウム合金の層により第２のメタライゼーションが形成されていることである。金属・セラミック基板の第２のメタライゼーションを形成するためにアルミニウムまたはアルミニウム合金を用いることにより、特に有利には、冷却するために第２のメタライゼーションを液状またはガス状の冷却媒体と直接接触させることができ、また、これによって、例えば第２のメタライゼーションの腐食により金属・セラミック基板の機能性の長期間の低下が生じることがない。特に有利には、第２のメタライゼーションが、アルミニウムまたはアルミニウム合金で形成されており、アルミニウム層またはアルミニウム合金の表面が、陽極酸化処理されていてもよい。有利には、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる第２のメタライゼーションが、セラミック層と直接的または間接的に接合されていてもよい。
【０００９】
本発明の別の形態では、本発明による金属・セラミック基板は、例えば、
第１のメタライゼーションが、０．１ｍｍ〜１．０ｍｍ、好ましくは０．２ｍｍ〜０．８ｍｍの層厚を有し、および／または、接触面もしくは接合面を形成するために構成されており、ならびに／あるいは、
アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる第２のメタライゼーションが、０．０５ｍｍ〜１．０ｍｍ、好ましくは０．２ｍｍ〜０．６ｍｍの層厚を有し、ならびに／あるいは、
第２のメタライゼーションが、板状、板金状および／または半殻状に形成されており、ならびに／あるいは、
セラミック層が、酸化アルミニウムもしくは窒化アルミニウムもしくは窒化ケイ素もしくは炭化ケイ素もしくは酸化ジルコニウムを含む酸化アルミニウムのような酸化物セラミック、窒化物セラミックもしくはケイ素セラミックから製造されており、および／または、０．２ｍｍ〜１．０ｍｍ、好ましくは０．３ｍｍ〜０．４ｍｍの層厚を有する
ように形成されており、
上記の特徴は、それぞれ個別に、または任意の組み合わせで使用することができる。
【００１０】
別の有利な一実施形態では、本発明による金属・セラミック基板は、
第２のメタライゼーションに、さまざまな形状および／もしくは深さの複数の凹部が設けられており、ならびに／または、第２のメタライゼーションの表面側に、表面側から外側に突出しているさまざまな形状および／もしくは高さの冷却要素が備えられており、ならびに／あるいは、
凹部が、溝状、スリット状、長円形、長穴形、円形もしくは菱形に形成されており、および／または、少なくとも部分的に、第２のメタライゼーションの層厚の少なくとも４分の１に及び、ならびに／あるいは、
凹部が、第２のメタライゼーションの表面を拡大するために、深さが少なくとも０．０５ｍｍである穴の形で実現されており、この穴が、好ましくはマトリックス状に配置され、ならびに／あるいは、
穴が、セラミック層（２）の表面にまで及び、および／もしくは、直接並んで、ならびに／または少なくとも部分的に重なってセラミック層（２）の表面に設けられており、ならびに／あるいは、
冷却要素が、リブ状、長穴形、円形もしくは菱形に形成されており、および／または、１ｍｍ〜１０ｍｍの高さがあり、ならびに／あるいは、
液状またはガス状の冷却媒体を誘導するための溝状の受入室を形成するために、縁側で第２のメタライゼーションと接合されている第３のメタライゼーションが設けられ、ならびに／あるいは、
第３のメタライゼーションが、アルミニウム、アルミニウム合金、ステンレス鋼、マグネシウム合金から、またはクロムとニッケルで仕上げた鋼から製造されている
ように形成されており、
上記の特徴は、この場合も、それぞれ個別に、または任意の組み合わせで使用することができる。
【００１１】
別の有利な一実施形態では、第２のメタライゼーションは、銅または銅合金の層で形成される第４のメタライゼーションを介して、セラミック層の第２の表面側と接合されている。アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる第２のメタライゼーションとセラミック層との、銅または銅合金からなるさらに別の層を介したこの間接接合により、ケーシングの部分として第２のメタライゼーションを形成することができる。好ましくは、銅または銅合金の層からなる第４のメタライゼーションと、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる第２のメタライゼーションとの間の平面接合が、「Ｄｉｒｅｃｔ Ａｌｕｍｉｎｉｕｍ Ｂｏｎｄｉｎｇ（アルミニウム直接接合）」法（「ＤＡＢ法」）により、または合成樹脂接着剤もしくは接着剤に適したポリマーを使用した接着、好ましくはカーボンファイバー、特にカーボンナノファイバーを含有する接着剤を使用した接着により実現される。
【００１２】
さらに、本発明の主題は、少なくとも２つの金属・セラミック基板を含む構成であり、この構成において、互いに相対する金属・セラミック基板の第２のメタライゼーションの少なくとも１つが、半殻状に形成されており、また、相対する金属・セラミック基板が、少なくとも１つの桶状の金属ハウジングが生じるように、互いに接合されている。好ましくは、第２のメタライゼーションは、それぞれ半殻状に形成されており、フランジ状の接合領域を形成する複数の縁部分を有する。金属・セラミック基板は、好ましくは、フランジ状の接合領域において、互いに溶接または接着、またはその他の方法で永続的に、かつ好ましくは液密に互いに接合されている。
【００１３】
同様に、本発明の主題は、少なくとも１つのセラミック層を備える金属・セラミック基板の製造方法であり、このセラミック層において、第１の表面側が、少なくとも１つの第１のメタライゼーションと、また、第１の表面側に相対する第２の表面側が、少なくとも１つの第２のメタライゼーションと接合され、第１のメタライゼーションが、銅または銅合金からなる箔または層によって形成されている。特に有利には、第２のメタライゼーションは、アルミニウムまたはアルミニウム合金から製造され、第２のメタライゼーションの表面が、その前またはその後に、陽極酸化処理することができる。
【００１４】
本発明による方法は、例えば、
第１のメタライゼーションおよびセラミック層が、合成樹脂接着剤または接着剤に適したポリマーを使用した接着、好ましくはカーボンファイバー、特にカーボンナノファイバーを含有する接着剤を使用した接着により接合され、ならびに／あるいは、
第１のメタライゼーションおよびセラミック層が、「銅直接接合」法または活性ろう付け法を用いて互いに接合され、ならびに／あるいは、
第２のメタライゼーションおよびセラミック層が、「アルミニウム直接接合」法（「ＤＡＢ法」）により、または合成樹脂接着剤または接着剤に適したポリマーを使用した接着、好ましくはカーボンファイバー、特にカーボンナノファイバーを含有する接着剤を使用した接着により互いに接合され、ならびに／あるいは、
第２のメタライゼーションが、銅または銅合金の層で形成される第４のメタライゼーションを介して、セラミック層の第２の表面側と接合され、ならびに／あるいは、
セラミック層が、酸化アルミニウムまたは窒化アルミニウムまたは窒化ケイ素または炭化ケイ素または酸化ジルコニウムを含む酸化アルミニウムのような酸化物セラミック、窒化物セラミックまたはケイ素セラミックから製造され、ならびに／あるいは、
第２のメタライゼーションに、さまざまな形状および／もしくは深さの複数の凹部が設けられ、ならびに／または、第２のメタライゼーションの表面側に、表面側から外側に突出しているさまざまな形状および／もしくは高さの冷却要素が備えられ、ならびに／あるいは、
凹部が、腐食液、レーザー処理および／または、例えば鋸などの機械加工プロセスを用いて、第２のメタライゼーションの、外側に向いた表面側に設けられ、ならびに／あるいは、
表面を拡大するために、凹部が、深さが少なくとも０．０５ｍｍである穴の形で第２のメタライゼーションの表面に設けられ、この穴が、好ましくはマトリックス状に配置され、ならびに／あるいは、
表面を拡大するために、凹部が、セラミック層の表面にまで及ぶ、および／または、直接並んで配置される、および／または少なくとも部分的に重なる穴の形で、セラミック層の表面に設けられ、ならびに／あるいは、
金属・セラミック基板の第２のメタライゼーションが、半殻状に形成され、相対する金属・セラミック基板の第２のメタライゼーションと、少なくとも１つの桶状の金属ハウジングが生じるように互いに接合され、ならびに／あるいは、
２つの金属・セラミック基板が、好ましくは、第２のメタライゼーションのフランジ状の接合領域において、互いに溶接または接着、またはその他の方法で永続的に、かつ好ましくは液密に互いに接合され、ならびに／あるいは、
金属ハウジングが、液状またはガス状の冷却媒体を誘導する金属ケーシング内に組み込まれる
ように形成されており、
上記の特徴は、それぞれ個別に、または任意の組み合わせで使用することができる。
【００１５】
「近似的に」、「概ね」、もしくは「およそ」という表現は、本発明の意味において、それぞれ正確な値から＋／−１０％、好ましくは＋／−５％の誤差、および／または機能にとって重要でない変更という形での誤差を意味する。
【００１６】
本発明の別の形態、利点および適用は、以下の実施例の記述や図面からも明らかとなる。これについて、記述される、および／または図面にて説明される特徴はすべて、それ自体として、または任意の組み合わせにおいて、原則的に本発明の主題であり、本願請求項におけるその要約またはその遡及適用に依存しない。また、本願請求項の内容は、記述の構成要素の一部を成してもいる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
以下に、実施例の図面に基づき、本発明の詳細な説明を行う：
【図１】図１は、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる第２のメタライゼーションを備える、本発明による金属・セラミック基板の簡略化した断面図である。
【図２】図２は、外側に突出している縁部分を備える第２のメタライゼーションを備える、本発明による金属・セラミック基板の別の実施形態の簡略化した断面図である。
【図３】図３は、第２のメタライゼーションを越えて張り出しているセラミック層の縁部分を１つ備える、図２に従った本発明による金属・セラミック基板の簡略化した平面図である。
【図４】図４は、第２のメタライゼーションを越えて張り出しているセラミック層の縁部分を２つ備える、図２に従った本発明による金属・セラミック基板の簡略化した平面図である。
【図５】図５は、誘導路を形成するための第３のメタライゼーションを備える本発明による金属・セラミック基板の簡略化した断面図である。
【図６】図６は、相対し、かつその第２のメタライゼーションを越えて互いに接合された、本発明による２つの金属・セラミック基板の構成の簡略化した断面図である。
【図７】図７は、図６に従った構成の簡略化した側面図である。
【図８】図８は、相対し、かつその第２のメタライゼーションを越えて互いに接合された、外向きの冷却要素を備える、本発明による２つの金属・セラミック基板の構成の簡略化した断面図である。
【図９】図９は、冷却媒体を誘導する誘導路内に収容された、相対し、かつその第２のメタライゼーションを越えて互いに接合された、本発明による２つの金属・セラミック基板の構成の簡略化した断面図である。
【図１０】図１０は、表面を拡大するために穴を設けた第２のメタライゼーションの簡略化した平面図である。
【図１１】図１１は、表面を拡大するために穴を設けた、図１０に従った第２のメタライゼーションの、線Ａ−Ａに沿った概略断面図である。
【図１２】図１２は、表面を拡大するために、さらに深さのある穴を設けた、図１０に従った第２のメタライゼーションの、線Ａ−Ａに沿った概略断面図である。
【図１３】図１３は、表面を拡大するために、直接互いに連接した、および／または部分的に重なり合った穴を備える第２のメタライゼーションの概略断面図である。
【図１４】図１４は、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる第２のメタライゼーションが、間接的に、より詳しくは、第４のメタライゼーションを用いてセラミック層と接合されている、本発明による金属・セラミック基板の別の実施形態の簡略化した断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図１は、２つの相対する表面側、より詳しくは、第１表面側２ａおよび第２の表面側２ｂを備える、少なくとも１つのセラミック層２を備える、本発明による金属・セラミック基板１の簡略化した断面図を示す。
【００１９】
第１の表面側２ａは、少なくとも１つの第１のメタライゼーション３を備え、また、第１の表面側２ａに相対する第２の表面側２ｂは、少なくとも１つの第２のメタライゼーション４を備え、第１のメタライゼーション３は、銅または銅合金からなる箔または層により形成または製造されている。
【００２０】
第１のメタライゼーション３は、好ましくは構造化されて形成されている。すなわち、電子的構成要素と接続する複数の接触領域または接触面を形成している。銅または銅合金で製造された第１のメタライゼーション３は、例えば層厚が０．１ｍｍ〜１．０ｍｍ、好ましくは０．２ｍｍ〜０．８ｍｍである。
【００２１】
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）から、または窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）もしくは炭化ケイ素（ＳｉＣ）から、または酸化ジルコニウムを含む酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３＋ＺｒＯ２）からなる酸化物セラミック、窒化物セラミックまたはケイ素セラミックから製造されており、例えば０．２ｍｍ〜１．０ｍｍ、好ましくは０．３ｍｍ〜０．４ｍｍの層厚を有する。
【００２２】
本発明に従って、第２のメタライゼーション４は、アルミニウムまたはアルミニウム合金の層により形成されている。金属・セラミック基板１の第２のメタライゼーション４を形成するためにアルミニウムまたはアルミニウム合金を用いることにより、特に有利には、冷却するために第２のメタライゼーション４を液状またはガス状の冷却媒体とも直接接触させることができ、また、これによって例えば第２のメタライゼーション４の腐食により金属・セラミック基板１の機能性の低下が生じることがない。
【００２３】
さらに、第２のメタライゼーション４は、板金状、板状または半殻状に形成することができ、また、２つの金属・セラミック基板１の構成により、少なくとも部分的に気密に密閉されたアルミニウムまたはアルミニウム合金からなるハウジングを形成することができる。このハウジングは、構造化されたメタライゼーション３を備えるセラミック層２を収容し、また、発生する熱を、少なくとも部分的にハウジングの周囲を流れる液状またはガス状の冷却媒体に伝える。それに伴って、第２のメタライゼーション４は、液状またはガス状の冷却媒体との直接伝熱接合が確立されるよう形成されている。
【００２４】
例えば、自動車分野において金属・セラミック基板１を使用すると、その冷却は、既存の冷却剤循環への収容により実現できる。このために、金属・セラミック基板１の第２のメタライゼーション４は、少なくとも部分的に冷却剤に接触される。
【００２５】
特に好ましくは、アルミニウムが冷却剤中で、特に液状冷却剤中で溶解しないように、第２のメタライゼーション４が、アルミニウムからなる陽極酸化処理された層、またはアルミニウム合金からなる陽極酸化処理された層の形で実現されている。このとき、表面の陽極酸化処理は、セラミック層２との接合の前または後に行うことができる。
【００２６】
第２のメタライゼーション４を形成する、アルミニウムまたはアルミニウム合金の層の厚さは、０．０５ｍｍ〜１．０ｍｍ、好ましくは０．２ｍｍ〜０．６ｍｍである。
【００２７】
好ましくは、第２のメタライゼーション４に、さまざまな形状と深さの複数の凹部５を設けること、または第２のメタライゼーション４の表面側にさまざまな形状と高さの冷却要素６を備えることができ、これらはそれぞれ、冷却媒体と協動する第２のメタライゼーション４の表面を拡大する。
【００２８】
凹部５は、例えば溝状、スリット状、長円形、長穴形、円形または菱形に形成することができ、部分的に少なくとも、第２のメタライゼーション４の層厚の４分の１に及ぶことができる。好ましくは、前記凹部５の深さが、第２のメタライゼーション４の層厚の４分の１から４分の３であり、すなわち、例えば０．０５ｍｍ〜０．９ｍｍであってよい。凹部５は、例えば腐食液、レーザー処理および／または例えば鋸などの機械加工プロセスを用いて、第２のメタライゼーション４の、外側に向いた表面側に設けられる。
【００２９】
凹部５は、例えば第２のメタライゼーション４の表面を拡大するために、その外側に向いた表面側に穴の形で、より詳しくは、好ましくはマトリックス状に設けられていてよい。図１０は、概略部分上面図で、穴の形をした凹部５がマトリックス状に配置された第２のメタライゼーション４の表面を例示している。図１１は、同じく、部分図で、図１０に従った、セラミック層２に隣接する第２のメタライゼーション４の線Ａ−Ａに沿った断面図を示している。穴として形成される凹部５は、図示した実施形態において、最小深さが約０．０５ｍｍであり、図１２に図示するように、セラミック層２の表面にまで及ぶことができる。代案として、穴５は、図１３に図示するように、直接並んで、および／または少なくとも部分的に重なって、セラミック層２の表面に設けることができる。図１２と図１３に図示した穴５は、好ましくはエッチング法を用いて設ける。
【００３０】
冷却要素６は、例えばリブ状、長穴形、円形または菱形に形成することができ、第２のメタライゼーション４の表面側から突出する。この冷却要素６は、例えば１ｍｍ〜１０ｍｍの高さであってよい。このとき、冷却要素６と第２のメタライゼーション４は、好ましくは一体形成され、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。
【００３１】
アルミニウムまたはアルミニウム合金から製造される第２のメタライゼーション４は、例えば板金状、板状または半殻状に形成することができ、好ましくは平らなセラミック層２の縁を越えて少なくとも部分的に外側に突出することができる。
【００３２】
図２は、本発明による金属・セラミック基板１の断面図を例示しており、セラミック層２は、例えば方形に形成されており、２つの相対する縦側２．１、２．２と、２つの相対する横側２．３、２．４を有する。アルミニウムまたはアルミニウム合金から製造される第２のメタライゼーション４は、同様に方形に形成されており、２つの相対する縁部分４．１、４．２が、セラミック層２の相対する側縁２．１、２．２を越えて張り出している。特に有利には、例えば第２のメタライゼーション４の張り出している縁部分４．１、４．２も、液状またはガス状の冷却媒体と接触させることができる。
【００３３】
図３と図４に従った好ましい実施形態において、金属・セラミック基板１のセラミック層２は、少なくとも横側２．３、２．４の１つともに、板状の第２のメタライゼーション４を越えて張り出している。すなわち、第２のメタライゼーション４が、方形のセラミック層２の縦方向に、セラミック層２の一部のみを越えて延びている。特に有利には、方形のセラミック層２の張り出している横側２．３、２．４の少なくとも１つに、金属・セラミック基板１の回路のための電気的接続を配置することができる。
【００３４】
セラミック層２およびメタライゼーション３、４に使用される材料を考慮すると、セラミック層２と第１のメタライゼーション３または第２のメタライゼーション４との平面接合には、さまざまな方法が適している。
【００３５】
第１のメタライゼーション３は、例えば合成樹脂接着剤または接着剤に適したポリマーを使用した接着、好ましくはカーボンファイバー、特にカーボンナノファイバーを含有する接着剤を使用した接着によりセラミック層２と接合される。代案として、セラミック層の平面接合は、ＤＣＢ法または活性ろう付け法を用いて行うことができる。
【００３６】
アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる第２のメタライゼーション２は、例えば「アルミニウム直接接合」法（「ＤＡＢ法」）または合成樹脂接着剤もしくは接着剤に適したポリマーを使用した接着、好ましくはカーボンファイバー、特にカーボンナノファイバーを含有する接着剤を使用した接着によりセラミック層２と接合される。
【００３７】
図５に従った好ましい実施形態では、凹部５を備える第２のメタライゼーション４は、第３のメタライゼーション７と接合され、第３のメタライゼーション７は、例えばアルミニウム、アルミニウム合金、ステンレス鋼、マグネシウム合金から、またはクロムとニッケルで仕上げた鋼から製造することができる。第２のメタライゼーション４と第３のメタライゼーション７は、縁側で、より詳しくは、好ましくは液密またはガス密に互いに接合される。これにより、液状またはガス状の冷却媒体を誘導するための、少なくとも１つの溝状の受入室８が形成される。好ましくは、凹部５が用いられ、凹部５が、第３のメタライゼーション７とともに縦方向の誘導路を形成し、それにより、液状またはガス状の冷却媒体を、例えば基板１の縦軸に沿って方向付けて誘導することがきる。
【００３８】
図６と図７には、本発明の別の実施形態、より詳しくは、本発明による２つの金属・セラミック基板１からなる構成を示す。この構成では、第２のメタライゼーション４の縁部分４．１、４．２、４．３が、それぞれセラミック層３を、少なくとも部分的に側方に越えて延び、それぞれ１つのフランジ状の接合領域４’が形成されるように、セラミック層２の方に曲げられている。２つの相対する金属・セラミック基板１のフランジ状の接合領域４’は、好ましくは、セラミック層２とその上に備えられた第１のメタライゼーション３を少なくとも部分的に収容する桶状の金属ハウジング９が生じるように互いに接合される。それにより、桶状の金属ハウジング９は、正面側に長穴形の開口部を有し、その開口部を通って、それぞれ第１のメタライゼーション３を収容するセラミック層２が外側に導かれることで、接続性が確立される。
【００３９】
２つの金属・セラミック基板１は、好ましくは第２のメタライゼーション４のフランジ状の接合領域４’において互いに溶接または接着、またはその他の方法で永続的に、かつ好ましくは液密に互いに接合されている。
【００４０】
本発明による２つの金属・セラミック基板１からなる、本質的に図６に示した構成に相当する図８に従ったさらなる実施形態では、金属・セラミック基板１の第２のメタライゼーション４の外向きの表面側に、前述の冷却要素６が備えられている。この冷却要素６は例えばリブ状に形成され、好ましくは、第２のメタライゼーション４の、セラミック層２に相対する領域に実現されている。
【００４１】
図９には、本発明のさらなる実施形態の断面図を示す。ここでは、図６および図７に従った本発明による２つの金属・セラミック基板１からなる構成が、冷却媒体を誘導する金属ケーシング１０に収容されることにより、少なくとも２つの誘導路１１、１１’が形成され、これを用いて、冷却媒体が、構成の縦方向に金属・セラミック基板１に沿って誘導され、またそれにより、金属・セラミック基板１の第２のメタライゼーション４がそれぞれ冷却媒体と直接接触する。そのような実施形態は、特に、自動車の冷却剤循環に、本発明による２つの金属・セラミック基板１からなる構成を統合するのに適している。この場合、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる２つの第２のメタライゼーション４により形成される金属ハウジング９は、図７に類似した桶状に、または閉鎖状に形成されており、閉鎖状の実施形態では、第１のメタライゼーション３に収容された電子的構成要素または回路との接続性を確立できるように、第２のメタライゼーション４によって気密にこの接続を行う必要がある。
【００４２】
加えて、図示していない実施形態では、第１のメタライゼーション３は、少なくとも部分的に、金属表面層、例えばニッケル、銀または、ニッケル合金、銀合金からなる表面層を備えることができる。そのような金属表面層は、好ましくは、メタライゼーション３をセラミック層２に施し、その構造化の後に、それにより生じる金属接触面に施される。表面層へは、適切な方法、例えば電気めっきで、および／または化学析出によって、および／または噴射もしくは冷却ガス噴射によって施される。とりわけ、ニッケルを使用する場合は、金属表面層は、例えば０．００２ｍｍ〜０．０１５ｍｍの範囲の層厚となる。表面層が銀の場合は、０．０００１５ｍｍ〜０．０５ｍｍの範囲、好ましくは０．０１μｍ〜３μｍの範囲の層厚で施される。金属の接触表面をそのように表面コーティングすることにより、はんだ層またははんだをその場所に施しやすくなり、また、はんだと電子的構成要素の接合領域との接合が改善する。
【００４３】
図１４には、図１に従った本発明による金属・セラミック基板のさらなる実施形態を示す。第２のメタライゼーション４とセラミック層２との直接平面接合の代わりに、第４のメタライゼーション３’を介した間接接合が設けられている。第４のメタライゼーション３’は、好ましくは銅または銅合金の層により形成されており、その表面側が、例えばＤＣＢ法を用いて、セラミック層２の第２の表面側２ｂと接合されている。第４のメタライゼーション３’の相対する表面側は、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる第２のメタライゼーション２と、例えば「アルミニウム直接接合」法（「ＤＡＢ法」）または合成樹脂接着剤もしくは接着剤に適したポリマーを使用した接着、好ましくはカーボンファイバー、特にカーボンナノファイバーを含有する接着剤を使用した接着によりセラミック層２と接合される。この実施形態は、とりわけ、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる第２のメタライゼーション２が、ケーシングの少なくとも１つの平らな部分により形成されている適用例に適している。
【００４４】
以上、本発明を、実施例に基づき詳述した。本発明の根底にある発明概念から逸脱することなく、さまざまな変更や修正が可能であることが理解されよう。
【符号の説明】
【００４５】
１  金属・セラミック基板
２  セラミック層
２ａ  第１の表面側
２ｂ  第２の表面側
２．１、２．２  縦側
２．３、２．４  横側
３  第１のメタライゼーション
３’  第４のメタライゼーション
４  第２のメタライゼーション
４’  接合領域
４．１  第２のメタライゼーションの縁部分
４．２  第２のメタライゼーションの縁部分
５  凹部
６  冷却要素
７  第３のメタライゼーション
８  受入室
９  金属ハウジング
１０  金属ケーシング
１１、１１’  誘導路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【国際調査報告】
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