(57)【要約】本発明は、金属−銅基板、特に銅−セラミック基板用の金属半製品（２）、特に銅半製品を製造する方法に関し、同方法は、第１の金属層（１１）、特に第１の銅層、および第２の金属層（１２）、特に第２の銅層を提供することと、第１の金属層（１１）と第２の金属層（１２）を接合して金属半製品（２）を形成することと、を含み、時間的に第１の金属層（１１）が第２の金属層（１２）に接合される前に、粒子の成長は、異なる温度処理により第１の金属層（１１）および／または第２の金属層（１２）において開始され、それにより完成した金属半製品（２）、特に完成した金属−銅基板において第１の金属層（１１）の第１の粒子サイズが第２の金属層（１２）の第２の粒子サイズとは異なっている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属−銅基板、特に銅−セラミック基板用の金属半製品（２）、特に銅半製品を製造する方法であって、前記方法は、
−第１の金属層（１１）、特に第１の銅層、および第２の金属層（１２）、特に第２の銅層を提供することと、
−前記第１の金属層（１１）と前記第２の金属層（１２）とを接合して、金属半製品（２）を形成することと、
を含み、
時系列的に前記第１の金属層（１１）を前記第２の金属層（１２）に接合する前に、製造された金属半製品（２）、特に製造された金属−銅基板において、前記第１の金属層（１１）の第１の粒子サイズが前記第２の金属層（１２）の第２の粒子サイズと異なるように、前記第１の金属層（１１）および前記第２の金属層（１２）の少なくとも一方における粒子の成長が異なる温度処理によって開始される、方法。
【請求項２】
前記第１の金属層（１１）および前記第２の金属層（１２）が、同じ金属材料、特に銅から作製される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記温度処理がアニーリングプロセスであり、好ましくは、前記第１の金属層（１１）のアニーリングプロセスが前記第２の金属層（１２）のアニーリングプロセスとは異なる、請求項１または請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記温度処理が、少なくとも一時的に、不活性ガス環境または真空中で行われる、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記第１の金属層（１１）が、ＤＣＢプロセスによって前記第２の金属層（１２）に接合される、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記第１の金属層（１１）および前記第２の金属層（１２）のうちの少なくとも一方が、時系列的に接合の前に酸化される、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記第２の粒子サイズを制限するために、前記第２の金属層（１２）の温度処理中の温度制御が調整されること、および前記第２の金属層（１２）が金属および金属酸化物、特に銅および銅酸化物からなるペーストでコーティングされること、のうちの少なくとも一方が行われる、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
金属−セラミック基板（１）、特に銅−セラミック基板を製造する方法であって、前記方法は、
−第１の金属層（１１）、特に第１の銅層、および第２の金属層（１２）、特に第２の銅層を提供することと、
−前記第１の金属層（１１）および前記第２の金属層（１２）の少なくとも一方をセラミック層（１２）に接合して、金属−セラミック基板（１）を形成することと、を含み、
時系列的に、異なる温度処理によって前記第１の金属層（１）が前記第２の金属層に接合される前に、製造された金属半製品（２）、特に製造された金属−銅基板（１）において前記第１の金属層（１１）の第１の粒子サイズが前記第２の金属層（１２）の第２の粒子サイズと異なるように、前記第１の金属層（１１）および前記第２の金属層（１２）の少なくとも一方における粒子の成長が開始される、方法。
【請求項９】
製造された金属−セラミック基板（１）の第２の金属層（１２）がセラミック層（１０）に接合され、製造された金属−セラミック基板（１）において、前記第１の粒子サイズより大きい第２の粒子サイズが、前記第２の金属層（１２）への前記第１の金属層（１１）の接合前のアニーリングプロセスにより、前記第２の金属層（１２）において実現される、請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
請求項８または請求項９に記載の方法により製造された金属−セラミック基板（１）であって、
−セラミック層（１０）と、
−前記セラミック層（１０）に接合された第１の金属層（１１）および第２の金属層（１２）からなる複合材料と、を含み、前記第２の金属層（１２）の第２の粒子サイズは、前記第１の金属層（１１）の第１の粒子サイズよりも大きい、金属−セラミック基板（１）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属半製品を製造する方法、金属−セラミック基板を製造する方法、および金属−セラミック基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属−セラミック基板は、電気部品または電子部品のキャリアとして十分に知られている。典型的には、そのような金属−セラミック基板は、メタライゼーションを備えたセラミック層を含み、同セラミック層は絶縁のために構造化されており、メタライゼーションは、電気部品または電子部品の導体トラックおよび接続点を形成するためのものである。さらに、銅−セラミック基板は特許文献１から公知であり、同基板において、メタライゼーションである銅層は、第１の平均粒子サイズを備えた第１の層と第２の平均粒子サイズを備えた第２の層を有し、第１の平均粒子サイズは、第２の平均粒子サイズとは異なっている。この設計により、セラミック層に面している銅層を、セラミック層から離間して面している銅層よりも粗い粒子であるメタライゼーションとすることが可能になる。
【０００３】
これは、セラミック層に面するより大きな粒子サイズが結果として降伏強度を低下させ、したがって熱ショック耐性を改善するという点で有利である。その結果、メタライゼーションとセラミック層との間、または特に銅とセラミックとの界面での温度変化中に銅とセラミックの界面に平行なセラミック層内での層間剥離またはクラック形成の確率が減少する。同時に、メタライゼーションの外面を形成するより細かい粒子のセラミック層は、電気または電気光学システムでのさらなる処理、電気部品または電子部品の銅層への接続、および全体的な視覚的印象にとって有利である。
【０００４】
異なる平均粒子サイズの形成について、特許文献１は、特に銅層への接合プロセス中に、粒子の成長が誘発される、温度処理および／または異なる銅材料が提供される方法を提案している。この方法はまた、よりシンプルで費用対効果の高いものとすべきである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】独国特許出願公開第１０２０１５２２４４６４号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
この背景技術から出発して、本発明は、特に、本願について可能な限り最適に設定された第１の粒子サイズまたは第２の粒子サイズに関して、最新技術またはそれらの製造方法から知られている金属−セラミック基板をさらに改善することが課題であると考える。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この課題は、請求項１に記載の金属−セラミック基板の製造方法、請求項９に記載の金属半製品（Ｍｅｔａｌｌｈａｌｂｚｅｕｇｓ）を製造する方法、および請求項１０に記載の金属−セラミック基板によって解決される。本発明のさらなる利点および特徴は、従属請求項、ならびに詳細な説明および添付の図面から得られる。
【０００８】
本発明に従って、金属−銅基板、特に銅−セラミック基板用の金属半製品、特に銅半製品を製造する方法が提供され、同方法は、
−第１の金属層、特に第１の銅層と、第２の金属層、特に第２の銅層とを提供することと、
−第１の金属層と第２の金属層を接合して金属半製品を形成することと、
を含み、
時系列的に、異なる温度処理によって、第１の金属層が第２の金属層に接合される前に、第１の金属層および／または第２の金属層の粒子の成長は、製造された金属半製品において、特に製造された金属−銅基板において第１の金属層の第１の粒子サイズが、第２の金属層の第２の粒子サイズとは異なるように、開始される。
【０００９】
従来技術と比較して、本発明に従う方法は、第１の金属層および第２の金属層が一緒に接合される前に、第１の粒子サイズおよび第２の粒子サイズが後に製造される金属半製品において調整できることを伴って、粒子の成長が誘導されるという点において異なっている。接合への準備段階で誘導される粒子の成長により、第１の金属層および第２の金属層は、同第１の金属層および同第２の金属層を後に互いに接合するために、または金属−銅基板を形成するために金属半製品とセラミック層を後に接合するために、シンプルな方法で、かつそれぞれの場合において個別に制御されて、調製することができる。
【００１０】
特に、接合への準備段階での異なる温度処理により、第１の粒子サイズと同第１の粒子サイズとは異なる第２の粒子サイズの形成条件が実現され、接合状態にある第１の金属層および第２の金属層が接合温度処理を受けることができる。接合前の温度処理による粒子の成長は、所望の最終的な第１の粒子サイズまたは第２の粒子サイズが得られるまで行われないが、第１の金属層が第２の金属層に接合されたときにのみに、或いは、金属半製品がセラミック層に接合されたときのみに、最終的な第１の粒子サイズまたは第２の粒子サイズが実現されることが好ましい。当業者は好ましくは、最終的な第１の粒子サイズまたは第２の粒子サイズによって、製造された金属半製品または製造された金属−銅半製品に存在する粒子サイズを理解する。特に、粒子の成長は第２の金属層でのみ開始され、第１の金属層の温度処理（Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｂｅｈａｎｄｌｕｎｇ）は、第１の金属層を室温で提供することからなることが意図されている。
【００１１】
基本的に、製造された金属半製品の第１の金属層と第２の金属層との間に配置された、さらなる第２の金属層が提供されることが考えられる。特に、第２の金属層に面するさらなる第２の金属層は、準備温度処理（ｖｏｒｂｅｒｅｉｔｅｎｄｅｎ  Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｂｅｈａｎｄｌｕｎｇ）を受ける。好ましくは、第１の金属層および第２の金属層からなる金属半製品は、層の方向に５ｍｍ未満、好ましくは３ｍｍ未満、より好ましくは１ｍｍｃｍ未満の厚さを有する。また、第１の金属層と第２の金属層とを接合する際に、第１の金属層の層方向または積層方向で測定した第１の層の厚さと、第２の金属層の層方向または積層方向で測定した第２の層の厚さとの所望の比を設定することができる。好ましくは、第１の金属層は第２の金属層よりも厚く、好ましくは１．１〜１５倍の厚さ、好ましくは２〜１０倍の厚さ、より好ましくは３〜８倍の厚さであるか、或いは第２の金属層は第１の金属層よりも厚く、好ましくは１．１〜１５倍の厚さ、好ましくは２〜１０倍の厚さ、より好ましくは３〜８倍の厚さ、である。
【００１２】
本発明のさらなる実施形態によれば、第１の金属層および第２の金属層が同じ金属材料から作製されることが提供される。これにより、第１の金属層および第２の金属層を接合して粒子サイズ勾配を形成するときに、第１の金属層または第２の金属層の材料の選択に妥協する必要を回避することが有利に可能になる。特に、第１の金属層および第２の金属層は、それらの酸素含有量または純度の程度に関して互いに対応している。例えば、第１の金属層および第２の金属層は、Ｃｕ−ＯＦＥ（Ｃｕ≧９９．９９重量％）のような高純度の銅から作製されることが考えられる。粒子の成長に影響を与えるために、粒子微細化剤（Ｋｏｒｎｆｅｉｎｕｎｇｓｍｉｔｔｅｌ）または粒子核を第１の金属層および／または第２の金属層に添加して、それぞれの金属層での粒子の成長を制限することが有利である。好ましくは、粒子微細化剤または粒子核は、それらが粒子の成長に影響を与えるが、第１の金属層および第２の金属層の機械的特性および電気的特性には影響を与えないような量で添加される。好ましくは、粒子微細化剤または粒子核の量は同じであるか、または第１の金属層中の粒子微細化剤または粒子核の量は、第２の金属層中の粒子微細化剤または粒子核の量に影響を与えるための薬剤の量の１．５〜１５０００倍、好ましくは２〜２０００倍、より好ましくは４〜１００倍である。さらに、第２の金属層または第２の金属層中の粒子微細化剤または粒子核の量は、１．５重量％未満、好ましくは１．０重量％未満、より好ましくは０．１重量％未満であることが好ましくは提供される。第１の粒子サイズまたは第２の粒子サイズとは、特に、第１の金属層または第２の金属層の金属における平均粒子サイズを意味する。
【００１３】
特に、当業者にとって、微細構造とは、比較的小さな平均粒子サイズを有する金属層、特に拡張（Ａｕｓｄｅｈｎｕｎｇ）または寸法が１００μｍ未満の場合である金属層であり、粗い構造とは、比較的大きな平均粒子サイズを有する金属層、好ましくは１００μｍを超える拡張または寸法を有する金属層である。さらに、好ましくは、第１の金属層において第１の平均粒子サイズが、そして第２の金属層において第２の平均粒子サイズが、特に層方向に平行および／または垂直な方向において、いずれの場合も実質的に一定であることが提供される。これは、粒子サイズに影響を与えるための手段の均一な分布によって有利に達成することができる。しかしながら、第１の金属層または第２の金属層内の所望の粒子サイズ分布が、粒子サイズに影響を与えるための手段のうまく方向付けられた局所分布によって達成され得ることもまた考えられる。
【００１４】
第１の平均粒子サイズは第２の平均粒子サイズよりも小さいことが推奨される。好ましくは、第２の平均粒子サイズは、１６０〜２，０００μｍの間、好ましくは２００〜１，０００μｍの間、より好ましくは２５０〜５００μｍの間であるべきである。さらに、第１の平均粒子サイズは、５０〜２００μｍの間、好ましくは７０〜１５０μｍの間、より好ましくは８０〜１２０μｍの間であることが好ましい。平均粒子サイズは、層の方向に垂直な平面に沿って分布する粒子サイズの平均値として決定される。
【００１５】
本発明のさらなる実施形態では、第２の金属層は第１の金属層よりも厚く、好ましくは１．１〜１５倍の厚さ、好ましくは２〜１０倍の厚さ、より好ましくは３〜８倍の厚さであることが提供される。これにより、より大きな第１の平均粒子サイズを有する第２の金属層には対応する設置スペース（Ｂａｕｒａｕｍ）が確保される一方、第１の金属層の場合、微細構造はより小さな設置スペースしか必要としないことが考慮される。
【００１６】
好ましくは、粒子微細化剤は、酸素に対する親和性が比較的高く、可能な限り低い限界溶解度を有する合金金属である。これにより、必要な粒子微細化剤の量をできるだけ低く保つことができるため、第１の金属層と第２の金属層がパワーエレクトロニクスのメタライゼーションとしての使用に適切ではなくなるように第１の金属層および第２の金属層の金属が汚染されることはない。特に、粒子微細化剤Ｂ、Ｃａ、Ｆｅ、Ｃｒ、およびヒ化ジルコニウムの場合、粒子の成長に決定的な影響を与えるために、千あたり少なくとも数個（ｍｉｎｄｅｓｔｅｎｓ  ｅｉｎｉｇｅ  Ｐｒｏｍｉｌｌｅ）を添加する必要があることがわかった。その結果、それらの添加後、第１および第２の金属層の金属が銅の場合、Ｃｕ  ＯＦＥまたはＣｕ  ＰＨＣはもはや存在しない。対照的に、少量でもチタン、ジルコニウム、ハフニウム、クロム、および／またはニオブなどの合金金属は、所望のサイズの特定の粒子サイズを形成するのに適していることがわかった。好ましくは、第１の金属層または第２の金属層中の粒子微細化剤の重量パーセントは、２．５重量％未満、好ましくは１．５重量％未満、より好ましくは１重量％未満またはさらには０．５重量％未満である。例えば、第１の金属層または第２の金属層における、特にＣｕ−ＯＦＥで作られた第１の金属層および第２の金属層についての粒子微細化剤の濃度は、一緒にまたは別々に、
−チタンの場合、２．１重量％未満、
−ジルコニウムの場合、０．１７重量％未満、
−ハフニウムの場合、１．１重量％未満、
−クロムの場合、０．７３重量％未満、および／または
−ニオブの場合、０．１５重量％未満の場合であり、
しかしながら、好ましくはそれぞれ０．０１重量％未満である。
【００１７】
本発明のさらなる実施形態では、温度処理がアニーリングプロセスであり、好ましくは、第１の金属層のアニーリングプロセスが第２の金属層のアニーリングプロセスとは異なることが提供される。特に、アニーリングプロセスは、第１の金属層および／または第２の金属層の再結晶化温度を超える加熱である。好ましくは、第２の金属層のみがアニーリングプロセスにかけられる。しかしながら、第１の金属層および第２の金属層のアニーリングプロセスが、例えば、持続時間、温度制御および／または温度レベルに関して異なることも考えられ、したがって、第１の金属層および第２の金属層において、異なって顕著な粒子の成長が実現される。
【００１８】
金属層の構造は銅でできていることが特に好ましく、すなわち、第１の金属層は第１の銅層であり、第２の金属層は第２の銅層である。また、第１の金属層の金属組成が第２の金属層の金属組成と異なることも考えられる。
【００１９】
温度処理は、少なくとも一時的に不活性ガス環境下または真空下で行うことが好ましい。これは、温度処理中に規定された粒子の成長を達成するために有利である。これは、製造された（ｇｅｆｅｒｔｉｇｔｅｎ）金属半製品または製造された金属−セラミック基板における第１の粒子サイズまたは第２の粒子サイズの制御された調整を改善する。
【００２０】
本発明のさらなる実施形態では、第１の金属層は、ＤＣＢプロセスによって第２の金属層に接合されることが意図されている。これは、例えば、第１の金属層と第２の金属層を接合するために、別の方法では必要とされる圧延または設備を省くことができるという利点を有する。「ＤＣＢプロセス」（直接銅接合技術（Ｄｉｒｅｃｔ−Ｃｏｐｐｅｒ−Ｂｏｎｄ−Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ））は、例えば、金属もしくは銅シートまたは金属もしくは銅箔であって、それらの表面側に金属と反応性ガス（好ましくは酸素）の化合物からなる層またはコーティング（溶融層）を有するものを用いて、金属層またはシート（たとえば、銅シートまたは箔）を、相互に接合する、および／または、セラミックスまたはセラミック層に接合するのに役立つようなプロセスであると当業者に理解されている。たとえば米国特許第３７４４１２０号明細書または独国特許第２３１９８５４号明細書に記載されているこの方法において、この層またはコーティング（溶融層）は、金属（たとえば銅）の溶融温度より低い溶融温度で共晶を形成し、結果として、箔をセラミック上に配置し、すべての層を加熱することにより、金属または銅を本質的に溶融層または酸化物層の領域のみで溶融することにより、それらを接合することができる。
【００２１】
特に、ＤＣＢ法は、たとえば以下の方法のステップ：
−均一な銅酸化物層が生成されるように銅箔を酸化するステップ；
−セラミック層に銅箔を配置するステップ；
−複合材料を約１０２５〜１０８３℃のプロセス温度、たとえば約１０７１℃のプロセス温度まで加熱するステップ；
−室温まで冷却するステップ、
を含む。
【００２２】
さらに、第１の金属層および／または第２の金属層が、時系列的に接合の前に酸化される、特に化学的および／または熱的に酸化されることが好ましい。好ましくは、酸化は、温度処理と第１の金属層と第２の金属層との接合との間に行われることが意図されている。酸化により、例えば、第１の金属層および第２の金属層の接合、または第２の金属層のセラミック層への接合、を可能にする共融層を提供することが、簡単な方法で有利に可能である。
【００２３】
第２の粒子サイズを制限するには、第２の金属層の温度処理中に温度制御を調整すること、および／または、金属と金属酸化物、特に銅と銅酸化物で構成されるペーストを用いて第２の金属層をコーティングすることを薦める。第２の粒子サイズを制限する利点は、セラミック層に接合するときに、第２の金属層の弱化または第２の金属層のクラック形成に対抗するために、低酸素含有量を設定する必要がまったくないことである。粒子サイズが大きくなると、第２の金属層の粒界の面積が減少し、共晶コーティングから第２の金属層の金属の粒界へ酸素が優先的に付着するので、対応する低い酸素含有量のこの使用が必要になるであろう。したがって、第２の粒子サイズの制限は、対応する酸素含有量の調整に対抗するのに有利であり、そのため、化合物を製造する方法を簡略化することができる。
【００２４】
本発明のさらなる態様は、金属−セラミック基板、特に銅−セラミック基板を製造するための方法であり、同方法は、
−第１の金属層、特に第１の銅層、および第２の金属層、特に第２の銅層を提供することと、
−第１および／または第２の金属層をセラミック層に接合して、金属−セラミック基板を形成することと、
を含み、
時系列的に（ｚｅｉｔｌｉｃｈ）、第１の金属層が異なる温度処理によって第２の金属層に接合される前に、第１の金属層および／または第２の金属層における粒子の成長は、製造された金属半製品、特に製造された金属−銅基板において、第１の金属層の第１の粒子サイズが第２の金属層の第２の粒子サイズとは異なるように開始される。本発明に従う金属半製品を製造する方法について説明したすべての特徴および利点は、本発明に従う金属−セラミック基板を製造する方法に同様に適用することができる。
【００２５】
基本的に、ここでは、第１の金属層および第２の金属層が、特に本発明に従う方法によって製造される金属半製品としてセラミック層に接合されるか、または第１の金属層、第２の金属層およびセラミック層は、共通の接合ステップ、好ましくは共通のＤＣＢプロセスで、互いに接合されることが考えられる。第１の金属層および第２の金属層が金属半製品としてセラミック層に接合される場合、例えば、ＡＭＢプロセスまたはＤＣＢプロセスを使用することができる。例えば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と接合するためのアクティブはんだ付けプロセス（Ａｋｔｉｖｌｏｔ−Ｖｅｒｆａｈｒｅｎ）、即ち、「アクティブ金属ろう付けプロセス（ＡＭＢ）」は、金属−セラミック基板の製造においても特に使用されるプロセスである。このプロセスでは、約６５０〜１０００℃の温度にて、金属箔（例えば、銅箔）と、セラミック基板（例えば、窒化アルミニウムセラミック）との間で、銅、銀および／または金などの主成分に加えて、活性金属も含むろう付け用はんだを使用して接合が行われる。この活性金属は、たとえばＨｆ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｃｅのグループの少なくとも１つの元素であり、化学反応によってはんだとセラミックとの間に接合を形成し、はんだと金属との間の接合は金属ろう付け接合である。
【００２６】
同様に、第２の金属層に比べて第１の平均粒子サイズが小さい第１の金属層の設計により、第１の金属層の構造が粗すぎて、特に細いワイヤーボンディングで電子部品の接続が困難になることを回避する。さらに、比較的微細な構造により、製造後の金属−セラミック基板の検査である自動光学検査（ＡＯＩ）が簡素化される。同時に、金属層構造が接合されるときに、第１の金属層および第２の金属層がキャリア要素上に積層される層方向に沿った粒子サイズの勾配が形成される。このプロセスでは、金属層に存在する内部応力と構造物の粒子サイズを関連付けるＨａｌｌ−Ｐｅｔｃｈの関係：
【００２７】
【数１】
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【００２８】
（式中、Ｒｅは降伏点、σ０は開始応力、κは粒子限界抵抗、およびｄκは粒子サイズである）
により、比較的粗い構造を第２の金属層で実現でき、これにより、第２の金属層がキャリア要素に接合される接合領域における応力レベルは、有利には低減される。
【００２９】
セラミック層が形成されるセラミックは、例えば、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４、ＡｌＮまたはＨＰＳＸセラミック（すなわち、ｘ％の含有量のＺｒＯ２を含むＡｌ２Ｏ３マトリックスを有するセラミック、例えば、９％のＺｒＯ２を有するＡｌ２Ｏ３＝ＨＰＳ９または２５％ＺｒＯ２を含むＡｌ２Ｏ３＝ＨＰＳ２５）であり得る。キャリア要素は、好ましくは、熱伝導材料で満たされた工業用セラミックまたは有機絶縁材料などの、好ましくは５ｋＶ／ｍｍ超、より好ましくは１０、２０超、またはさらに３０ｋＶ／ｍｍ超、の比較的高い電気絶縁強度示す、および／または、好ましくは１０Ｗ／ｍＫ超、より好ましくは２０Ｗ／ｍＫ超、さらには６０Ｗ／ｍＫ超の高い熱伝導率を有する。
【００３０】
本発明のさらなる実施形態によれば、製造された金属−セラミック基板の第２の金属層がセラミック層に接合され、製造された金属−セラミック基板では、第１の粒子サイズより大きい第２の粒子サイズが、第１の金属層を第２の金属層に接合する前のアニーリングプロセスによって、第２の金属層において実現されることが提供される。これは、有利には、より粗い粒子の第２の金属層がセラミック層に接合されることを可能にする一方で、セラミック層から離れて面する第１の金属層は、第２の金属層と比較してより細かい粒子である。
【００３１】
本発明のさらなる目的は、本発明に従う方法により製造された金属−セラミック基板であり、
−セラミック層と；
−セラミック層に接合された第１の金属層および第２の金属層の複合材料と、
を含み、第２の金属層の第２の粒子サイズは、第１の金属層の第１の粒子サイズより大きい。本発明に従う金属−セラミック基板を製造する方法について説明したすべての特徴およびそれらの利点は、本発明に従う金属−セラミック基板にも同様に適用することができる。
【００３２】
さらなる利点および特徴は、添付の図面を参照して、本発明に従う目的の好ましい実施形態の以下の詳細な説明から得られる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の例示的な実施形態に従う金属−セラミック基板を製造する方法の方法ステップを示す。
【図２】本発明の例示的な実施形態に従う金属−セラミック基板を製造する方法の方法ステップを示す。
【図３】本発明の例示的な実施形態に従う金属−セラミック基板を製造する方法の方法ステップを示す。
【図４】本発明の例示的な実施形態に従う金属−セラミック基板を製造する方法の方法ステップを示す。
【図５】本発明の例示的な実施形態に従う金属−セラミック基板を製造する方法の方法ステップを示す。
【図６】本発明の例示的な実施形態に従う金属−セラミック基板の断面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
図１〜図５は、本発明の第１の例示的な実施形態に従う金属−セラミック基板１を製造する方法の方法ステップを示す。このような金属−セラミック基板１は、電気部品または電子部品のキャリアとして機能する。個々の電気部品または電子部品の導電接続のために、特にメタライゼーションが、セラミック表面またはセラミック層１０の上側１５に導体トラックを形成するために提供される。特に、メタライゼーションは、電子部品または電気部品に導体トラックまたは取り付け点を提供するために構造化されている。
【００３５】
ここで、セラミック層に適用されるメタライゼーションが第１の金属層１１および第２の金属層１２を有し、第１の金属層１１における第１の粒子サイズ、即ち、第１の金属層１１における金属の第１の平均粒子サイズが、第２の粒子サイズ、即ち第２の金属層１２における金属の第２の平均粒子サイズと異なる場合、有利であることが証明された。特に、第１の金属層１１および第２の金属層１２が複合材料（Ｖｅｒｂｕｎｄ）２、特にサンドイッチ構造を形成して、セラミック層１０上にメタライゼーションを形成すること、すなわち、完成品において、第１の金属層１１および第２の金属層１２は、セラミック表面１５に対して垂直に走る積層方向Ｓにて互いの上に積層されることが意図される。図６は、第１の金属層１１および第２の金属層１２のそのような複合材料２が下側と上側の両方に配置されている金属−セラミック基板１を示す。いずれの場合も、第２の金属層１２はセラミック層１０に面し、第１の金属層１１はセラミック層１０から離れて面し、特に第１の金属層１１の第１の平均粒子サイズは、第２の金属層１２の第２の平均粒子サイズより小さい。
【００３６】
第２の金属層１２と比較して第１の金属層１１のより細かい粒子の設計に起因して、有利なことに、メタライゼーションへの電子部品または電気部品の接続を実現することがより容易となる。加えて、セラミック層１０上のメタライゼーションのために、視覚的に検出可能かつより均一またはより微細な上層を提供することができる。同時に、第１の金属層１１よりも粗い粒子の第２の金属層１２は、異なる熱膨張係数にもかかわらず、熱ショック抵抗に関して最適化されるように、メタライゼーションとセラミック層との間の接合を設計することを可能にする。これは、異なる熱膨張係数によって引き起こされる機械的応力が可能な限り低く保たれるように、第２の粒子サイズが好ましくは選択されることを意味している。これは、有利には、金属−セラミック基板１の耐用年数を延ばすことになる。また、第２の粒子サイズは、第２の金属層１２の第２の層の厚さＤ２にほぼ対応することも考えられる。さらに、第２の層の厚さＤ２は、第１の金属層１１の第１の層の厚さＤ１よりも大きいものとして提供される。また、例えば、第１の粒子サイズが１００μｍ未満、好ましくは５０μｍの値であってもよいこと、および／または第２の粒子サイズが１００μｍ超、好ましくは２５０〜１０００μｍの間の値であってもよいこと、が考えられる。
【００３７】
第１の粒子サイズまたは第２の粒子サイズ、特に第１の粒子サイズと第２の粒子サイズとの間の比を制御するために、第１の金属層１１および第２の金属層１２は、好ましくは、第１の金属シートと第２の金属シートの形態にて提供されることが意図されている（図１を参照）。第１の金属シートおよび第２の金属シートは、例えばそれらの酸素含有量または純度に関して、同じ金属材料から作られるか、または同じ仕様を有する。例えば、第１の金属層および第２の金属層は、Ｃｕ−ＯＦＥ、Ｃｕ−ＯＦまたはＣｕ−ＥＴＰである。図２は、第２の金属層、特に第２の金属層のみが熱処理（Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｂｅｈａｎｄｌｕｎｇ）を受けることを示している（図２を参照）。温度処理は、好ましくは、第２の金属層が少なくとも一時的に再結晶化温度を超える温度まで加熱されるアニーリングプロセスを含む。このアニーリングプロセスは、第２の金属層において粒子の成長を開始するという利点を有し、温度処理によって決定される程度まで実行される。好ましくは、アニーリングプロセスは、不活性ガス環境または真空中で行われる。このようにして、第１の金属層１１と第２の金属層１２が接合される前であっても、粒子の成長は、少なくとも部分的に、第２の金属層１２で起こる。第１の金属層１１および／または第２の金属層１２において可能な限り均一な粒子構造を達成するために、粒子微細化剤または粒子核が第１の金属層１１および／または第２の金属層１２に添加される。特に、粒子微細化剤または粒子核は、粒子の成長におけるそれらの影響を除いては、第１の金属層および／または第２の金属層の機械的特性および電気的特性に影響を及ぼさないように選択される。例えば、粒子微細化剤は、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂである。
【００３８】
図３に示される方法ステップにおいて、第１の金属層１１および第２の金属層１２はそれぞれ、ＤＣＢプロセスでの接合に必要な、特にＣｕおよびＯの共晶層を形成するために、熱および／または化学酸化を受ける。酸化のために第２の金属層１２に対してさらなる温度処理が提供される場合、粒子の成長を開始するための温度処理および酸化のための温度処理は、所望の第２の粒子サイズを制限するために互いに調整されることが好ましくは提供され、従って、巨大粒の成長を回避する。これは、大きすぎる第２の粒子サイズでは、粒界の面積が減少するため、第２の金属層１２における弱化またはクラック形成に対抗するために第２の金属層１２をセラミック層１０に接合するときに比較的低い酸素含有量が必要になるからである。あるいは、第２の金属層１２の酸化を必要とせずに共晶組成物を達成するために、金属および金属酸化物、特にＣｕおよびＣｕＯのペーストを第２の金属層１２に塗布することも考えられる。
【００３９】
図４は、金属半製品２を形成するための第１の金属層１１と第２の金属層１２との接合を示す。このプロセスでは、第１の金属層１１および第２の金属層１２は、ＤＣＢプロセスで一緒に接合される。図５は、金属−セラミック基板１の概略図を示しており、金属複合材料（Ｍｅｔａｌｌｖｅｒｂｕｎｄ）２がセラミック層の上側および下側に配置されている。ここで、第１の金属層１１、第２の金属層１２およびセラミック層１０が、共通の接合プロセス、特に、一般的なＤＣＢプロセスで互いに接合されることが考えられる。あるいは、第１の金属層１１および第２の金属層２１が図４からの金属半製品２（Ｍｅｔａｌｌｈａｌｂｚｅｕｇｅ）として提供され、金属半製品２が別個のプロセスステップ、たとえば、ＤＣＢプロセスまたはＡＭＢプロセスによって、銅層１０に接合されることも考えられる。
【符号の説明】
【００４０】
１…金属−セラミック基板、２…金属半製品、１０…セラミック層、１１…第１の金属層、１２…第２の金属層、１５…セラミックの上側、Ｓ…積層方向、Ｄ１…第１の層の厚さ、Ｄ２…第２の層の厚さ。
【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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【手続補正書】
【提出日】令和1年11月25日(2019.11.25)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属−セラミック基板を製造する方法であって、前記方法は、
−第１の金属層（１１）、特に第１の銅層、および第２の金属層（１２）、特に第２の銅層を提供することと、
−前記第１の金属層（１１）と前記第２の金属層（１２）とを接合して、金属半製品（２）を形成することと、
を含み、
時系列的に、異なる温度処理によって、前記第１の金属層（１１）を前記第２の金属層（１２）に接合する前に、製造された金属−銅基板において、前記第１の金属層（１１）の第１の粒子サイズが前記第２の金属層（１２）の第２の粒子サイズと異なるように、前記第１の金属層（１１）および前記第２の金属層（１２）の少なくとも一方における粒子の成長が開始され、最終的な第１の粒子サイズおよび最終的な第２の粒子サイズは前記金属半製品が前記セラミック層と接合されたときにのみ実現される、方法。
【請求項２】
前記第１の金属層（１１）および前記第２の金属層（１２）が、同じ金属材料、特に銅から作製される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記温度処理がアニーリングプロセスであり、好ましくは、前記第１の金属層（１１）のアニーリングプロセスが前記第２の金属層（１２）のアニーリングプロセスとは異なる、請求項１または請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記温度処理が、少なくとも一時的に、不活性ガス環境または真空中で行われる、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記第１の金属層（１１）が、ＤＣＢプロセスによって前記第２の金属層（１２）に接合される、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記第１の金属層（１１）および前記第２の金属層（１２）のうちの少なくとも一方が、時系列的に接合の前に酸化される、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記第２の粒子サイズを制限するために、前記第２の金属層（１２）の温度処理中の温度制御が調整されること、および前記第２の金属層（１２）が金属および金属酸化物、特に銅および銅酸化物からなるペーストでコーティングされること、のうちの少なくとも一方が行われる、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
製造された金属−セラミック基板（１）の第２の金属層（１２）がセラミック層（１０）に接合され、製造された金属−セラミック基板（１）において、前記第１の粒子サイズより大きい第２の粒子サイズが、前記第２の金属層（１２）への前記第１の金属層（１１）の接合前のアニーリングプロセスにより、前記第２の金属層（１２）において実現される、請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
【国際調査報告】
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