(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
各々がセラミック層（２）の片面に設けられる第１と第２金属コーティング（３，４）を備える前記セラミック層（２）、及び前記セラミック層（２）の少なくとも１つの開口部（１１）領域に備えられ、前記第１と第２金属コーティング（３，４）を接続する少なくとも１つのスループレーティング（１０）を有する、電気回路用セラミック・金属基板の製法であって、
−前記第１金属コーティング（３）として前記セラミック層（２）の一方の表面上にＤＣＢプロセスを用いて銅箔を適用し、次に、
−前記第２金属コーティング（４）の少なくとも金属を含む導電ペーストを前記セラミック層（２）のもう一方の表面上に、そしてまた前記少なくとも１つの開口部（１１）へ、そして前記少なくとも１つの開口部（１１）内に又は前記少なくとも１つの開口部の周りに露出する前記第１金属コーティング（３）表面上へ設けた後、適用されたペーストを乾燥し、加熱することにより、前記第２金属コーティング（４）を形成することを特徴とする製法。
【請求項２】
各々がセラミック層（２）の片面に適用される第１と第２金属コーティング（３、４）を備える前記セラミック層（２）、及び前記第１と第２金属コーティング（３、４）を接続しそして前記セラミック層（２）と前記第１金属コーティング（３）内の少なくとも１つの開口部（１１、１２）領域に備えられる少なくとも１つのスループレーティング（１０ａ）からなる、電気回路のためのセラミック・金属基板の製法であって、
−ＤＣＢプロセスにより前記第１金属コーティング（３）として前記セラミック層（２）の一方の表面上に銅箔を適用し；次に、
−前記第２金属コーティング（４）の少なくとも金属を含む導電ペーストを前記セラミック層（２）のもう一方の表面上に、前記少なくとも１つの開口部（１１、１２）へ、そして前記少なくとも１つの開口部（１１、１２）の周りに露出する前記第１金属コーティング（３）の表面上へ適用した後、適用されたペーストを乾燥し、加熱することにより、前記セラミック層（２）のもう一方の表面上に前記第２金属コーティング（４）を形成することを特徴とする製法。
【請求項３】
前記セラミック層（２）の他の表面に第２金属コーティング（４）を厚膜または薄膜技術により該第２金属コーティングの金属を含むペーストを用いて該第２金属コーティングの厚さが第１金属コーティングの厚さより小さくなるように設け、熱的および／または電気的に他の要素と結合されうる中間層を形成する請求項１記載のセラミック・金属基板の製法。
【請求項４】
厚さが約０．２ｍｍ〜約２ｍｍのセラミック層を用いていることを特徴とする請求項１、２または３記載のセラミック・金属基板の製法。
【請求項５】
厚さが約０．１ｍｍ〜約６ｍｍの銅箔を用いていることを特徴とする請求項１、２、３または４記載のセラミック・金属基板の製法。
【請求項６】
前記第１金属コーティングを銅から形成するために、ＤＣＢプロセスを用いて銅箔を設けてなる請求項１、２、３、４または５記載のセラミック・金属基板の製法。
【請求項７】
前記第２金属コーティングを製造したのち、ファインエッチングまたはマイクロエッチングによって、少なくとも表面を洗浄しおよび／または酸化物またはペーストの残留物を除去することによって仕上げてなる請求項１、２、３、４、５または６記載のセラミック・金属基板の製法。
【請求項８】
他の工程において第１および／または第２金属コーティング（３、４）が、前記露出された表面上でニッケルメッキされてなる請求項１、２、３、４、５、６、または７記載のセラミック・金属基板の製法。
【請求項９】
前記第２金属コーティングを形成するために、モリブデン、マンガンまたはタングステンを含むペーストが、厚さが約０．００５ｍｍないし約０．０１ｍｍの薄膜または薄層としてセラミック層に設けられてなる請求項１、２、３、４、５、６、７または８記載のセラミック・金属基板の製法。
【請求項１０】
まずモリブデン、マンガンまたはタングステンを含むペーストを厚膜または薄膜としてセラミック層（２）に設け、ついで乾燥し、約１２００℃ないし約１３００℃のあいだの温度で加熱し、その後の工程においてＤＣＢプロセスを用いて第１金属コーティングを形成する銅箔をセラミック層の他の表面に設け、そののち第１金属コーティングを設け、最後に他の工程において第２金属コーティングにニッケルメッキを施してなる請求項１、２、３、４、５、６、７、８または９記載のセラミック・金属基板の製法。
【請求項１１】
前記第１金属コーティングを形成している銅箔を設けた後、少なくともファインエッチングまたはマイクロエッチングで仕上げを行ってなる請求項１０記載のセラミック・金属基板の製法。
【請求項１２】
前記第２金属コーティング（４）上の基板（１、１ａ、１ｂ）が、はんだづけまたはブレーシングによって金属ベースプレート（６）と連結されてなる請求項１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０または１１記載のセラミック・金属基板の製法。
【請求項１３】
少なくとも１つのスループレーティングの製造において、第１金属コーティング（３）を形成する銅箔またはセラミック層（２）における開口（１１）の領域における第１金属コーティング（３）に少なくとも１つの換気口（１３）が設けられてなる請求項１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１または１２記載のセラミック・金属基板の製法。
【請求項１４】
請求項１ないし１３に記載された方法を用いて製造されることを特徴とする基板。
【請求項１５】
前記第２金属コーティングを形成するために、モリブデン、マンガンまたはタングステンを含むペーストが、厚さが約０．００５ｍｍないし０．０１ｍｍの薄膜または薄層としてセラミック層に設けられてなる請求項１、２、３、４、５、６、７または８記載のセラミック・金属基板の製法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属・セラミック基板に関する。さらに詳しくは、第１および第２金属コーティングがセラミック層の両側に設けられた、電気回路用のセラミック・金属基板の製法に関する。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
セラミックにプリントコンダクタ、ターミナルなどを製造するために必要な金属コーティングを施すのに、ＤＣＢプロセス（direct copper bond technology）を用いることは特に知られているが、この方法においてはその表面が酸化しており、金属コーティングを形成する銅箔が用いられる。これら箔の酸化銅層は、銅の溶融点よりも低い溶融点を有し、共晶を形成するので、これら箔をセラミックに貼りつけてすべての層を加熱することによって、特に実質的には銅の上における酸化層の範囲のみにおいて溶融することによってお互いに結合される。このＤＣＢプロセスは当業者にとって公知である技術であり、たとえば、・銅シートを酸化させ、・均一な酸化銅層を形成する工程と、・銅シートをセラミック層の上に配する工程と、この組み合わせをたとえば約1071℃に加熱する工程と、・室温にまで冷却させる工程とからなる。
【０００３】
本発明の目的は、電力開閉回路（elektrische Leistungsschaltkreise）のための金属・セラミック基板を経済的に、かつ最適な熱特性を有するように製造するための製造方法を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明の請求項１によれば、各々がセラミック層（２）の片面に設けられる第１と第２金属コーティング（３，４）を備える前記セラミック層（２）、及び前記セラミック層（２）の少なくとも１つの開口部（１１）領域に備えられ、前記第１と第２金属コーティング（３，４）を接続する少なくとも１つのスループレーティング（１０）を有する、電気回路用セラミック・金属基板の製法であって、
−前記第１金属コーティング（３）として前記セラミック層（２）の一方の表面上にＤＣＢプロセスを用いて銅箔を適用し、次に、
−前記第２金属コーティング（４）の少なくとも金属を含む導電ペーストを前記セラミック層（２）のもう一方の表面上に、そしてまた前記少なくとも１つの開口部（１１）へ、そして前記少なくとも１つの開口部（１１）内に又は前記少なくとも１つの開口部の周りに露出する前記第１金属コーティング（３）表面上へ設けた後、適用されたペーストを乾燥し、加熱することにより、前記第２金属コーティング（４）を形成することを特徴とする製法を提案している。
【０００５】
また本発明によれば、第１および第２金属コーティング（３、４）をセラミック層（２）の両側に設け、当該第１金属コーティング３をＤＣＢプロセスを用いて銅箔の形で設ける電気回路用のセラミック・金属基板の製法であって、基板（１、１ａ、１ｂ）が熱的および／または電気的に、金属ベースプレートなど他の要素と結合されうる中間層を形成するために、前記セラミック層（２）の他の表面に第２金属コーティング（４）を厚膜または薄膜技術により該第２金属コーティングの金属を含むペーストを用いて該第２金属コーティングの厚さが第１金属コーティングの厚さより小さくなるように設けてなる金属・セラミック基板の製法を提案している。
【０００６】
本発明の方法によって製造された基板において、厚膜または薄膜技術を用いて製造された第２金属コーティングは、その上に基板が配されることになるセラミック層と金属ベースプレートとの間の特に熱伝導性または電気伝導性が改善され、またその一部が冷却体またはヒートシンク（heat sink）に連結されているかあるいはヒートシンクの一部である中間層であることが好ましい。基板とベースプレートの間の連結は、たとえばはんだ付けによっても接続しうる。基本的には、この連結をブレーシング（bracing）によって行うことも可能である。本発明においてＤＣＢプロセスを用いて製造され、構成部分のためのプリントコンダクタ接触面等を形成する第１金属コーティングは織物状に形成されている。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明の金属・セラミック基板およびその製法について、以下に図面を参照しつつ詳細に説明する。
【０００８】
図１は本発明によって製造された本発明の一実施の形態にかかわる基板あるいはそれを用いて製造された電気回路の簡略化された横断面図、図２は多数の単独の基板がスコア線に沿って互いに隣接している複合基板の簡略化された上面図、図３は図２におけるＩ−Ｉ線に沿った断面図、図４は本発明の方法で製造された他の構成部分あるいは基板の図１に類似した図、図５は本発明を用いて製造された他の基板の簡略化された横断面図、図６および７は本発明の基板の他の実施の形態の概略断面図である。
【０００９】
図１〜３において、１はセラミック層２（たとえば窒素アルミニウムセラミック製）、このセラミック層２の表面に表在的に設けられ表在的に結合される上部第１金属コーティング３および同様に表在的にセラミック層２の底部に結合される下部金属コーティング４からなる単独の金属−セラミック基板である。第１金属コーティング３は、プリントコンダクタおよびそのうち少なくとも１が電源部分である電気部分５のための接触表面を形成するために織物状に形成されている。その中に加わって冷却体に連結されたまたは冷却体として用いられる金属ベースプレート６が下部金属コーティング４に隣接している。第１金属コーティング３および第２金属コーティング４は銅製である。同様にベースプレート６も銅製である。金属コーティング４の上で単独の基板１は図示されない機械ばねまたはブレーシング部分によってベースプレート６とブレースされているかあるいはベースプレート６にはんだづけされている。
【００１０】
基板１は複数の処理工程によって製造されるが、具体的にはまず０．２〜２ｍｍの厚さを有するセラミック層の一方の表面側に０．２から６ｍｍの厚さを有する銅箔がＤＣＢプロセスを用いて施される。
【００１１】
次の処理工程において第１金属コーティング３を形成する銅層がプリントコンダクタ、接触面等を製造するのに公知であるマスキングおよびエッチング技術を用いて織物状に形成される。
【００１２】
別の処理工程において下部第２金属コーティング４を形成するペーストが薄い層として施され、下部第２金属コーティング４は約０．０１〜０．１ｍｍの厚さを有することになる。デュポン社製のシリーズ６００３のローファイアコッパー（商品名、Low fire copper）は、ペーストとして最適なものの一例である。ペーストはたとえばスクリーン印刷のような適当な技術を用いて施され、その後乾燥された後ＤＣＢプロセスにおける温度よりもかなり低い温度の窒素ガス雰囲気中にて加熱されることによって下部第２金属コーティング４が形成される。
【００１３】
さらに別の処理工程においてセラミック層２の表部および底部の各表面がマイクロエッチングによって洗浄される。これにより存在する酸化物あるいは第２金属コーティング４を製造するために用いられたペーストの残留物等が除去される。
【００１４】
さらに別の処理工程において第１金属コーティング３のむき出しの表面、また選択には第２金属コーティング４に対してもたとえばニッケルメッキなどの表面エンハンスメントを行ってもよい。
【００１５】
上述の処理において厚膜技術により製造される第２金属コーティング４の厚さが第１金属コーティング３の厚さよりもわざと薄くなるようにされるのは、第２金属コーティング４は単に可能な限り均一である熱および／または電気伝導性を付与するためのものであり、すなわち特に単独の基板１とベースプレート６との間にあるセラミック面のムラ（uneveness）を平らにすることが求められるためである。
【００１６】
マイクロエッチングによって洗浄、また選択的に表面エンハンスメントを行った後に構成部分５との組み立てが行われる。
【００１７】
単独の基板１は、複合基板７、すなわち複数のスコア線（Sollbruchlinie）８が設けられる広範のセラミック層またはプレート２ａを有する複数の基板の形に製造されるのが好ましい。
複合基板７は、完成および搭載後、これらスコア線に沿って分けることにより単独の基板１に分割され得る。
【００１８】
セラミック層２ａの一方の表面側にＤＣＢ方法を用いて第１金属コーティング３を形成する銅箔を施し、またこの銅箔をセラミック層２ａの底部に単独の基板用にそれぞれ独立した個々のレイアウトを形成するために織物状に形成した後、第２金属コーティング４のために広範囲にわたってペーストを施し、このペーストを乾燥（Trocken）・加熱（Brennen）する。
【００１９】
スコア線はたとえば切り込みまたはひっかきによって形成され、本実施例においてはセラミック層２ａの表部および底部において対向するような形になっており、たとえば機械的にあるいはレーザを用いて製造される。
【００２０】
複合基板７を完成した後、すなわち上述の処理工程を完了し、好ましくは個々の基板１を組み立てた後に、これらはスコア線に沿ってセラミック層２ａを分けることにより互いにそれぞれ分割される。第２金属コーティング４は極めて薄く、さらに比較的もろいのでスコア線８が下部第２金属コーティング４によって間隙を埋められているにもかかわらず割れてしまうことがある。
【００２１】
第２金属コーティング４あるいは広範囲に亘ってこのコーティングを形成するペーストを施す処理は、同様にたとえばスクリーン印刷を用いて行われ、それにより単独の基板のサイズまたは形状、また特にスコア線のコースと数に関係なく第２金属コーティング４を製造する際に標準のスクリーンを用いることができるという利点を有する。
【００２２】
図４は、図１と同様の形状にて示される単独の基板１ａを用いた回路の他の可能な実施の形態を示している。この独立した基板１ａは、順番にセラミック層２、２つの金属コーティング３および４、ならびにセラミック層２とは反対側の第２金属コーティング４の側に設けられる薄い中間層９からなる。
【００２３】
単独の基板１ａは次のような工程を有する処理において製造される：先ず第２金属コーティング４は、モリブデン（Ｍｏ）、マンガン（Ｍｎ）あるいはタングステンを含有するペーストが、０．２〜２ｍｍの厚さを有するセラミック層２の表部に、たとえば０．００５〜０．０１ｍｍ（より好ましくは、０．０１〜０．０５ｍｍ）の厚さを有する薄い層あるいは薄膜として設けられる。この層は乾燥され、１２００〜１３００℃の間の温度にて還元性の、すなわち水素含有雰囲気において加熱される。
【００２４】
その後の処理工程において選択的にセラミック層２の洗浄を行った後、０．１〜０．６ｍｍの厚さを有する第１金属コーティング３を形成する銅箔をＤＣＢプロセスによって貼り付ける。
【００２５】
その後の処理工程において銅層３は従来のマスキングおよびエッチング技術を用いて特に構成部分５のレイアウトを形成するために織物状に形成される。製造された第２金属コーティング４はこのように織物状に形成されることによって悪影響を受けない。
【００２６】
別の処理工程において各表面はマイクロエッチングによって洗浄される。
【００２７】
また別の処理工程において少なくとも第２金属コーティング４には中間層９を形成するためにニッケルメッキが施される。基本的には織物状に形成された第１金属コーティング３もニッケルメッキすることが可能である。単独の基板１ａはその後薄い中間層９によってその底部をはんだづけすることができる。
【００２８】
図５は、図１の基板１と同様に製造される、すなわちセラミック層２と２つの第１金属コーティング３および４とからなる単独の基板１ｂの簡略化した図である。基板１ｂにおけるセラミック層２はスループレーティング１０を有し、これは第２金属コーティング４を製造するのに用いられるもののようにセラミック層２における開口部１１にペーストを導入し、このペーストあるいはペーストにより形成される金属コーティングが開口部の縁４’および開口部１１の底部の４”においても連続して開口部に重なり合う第１金属コーティング３との電気的接続を生み出すようにする。
【００２９】
基板１ｂは基本的には基板１の製造に用いられるものと同じ材料を用いて同様の処理工程にて製造される、すなわち第１の処理において０．２〜０．６ｍｍの厚さを有する第１金属コーティング３を形成する銅箔をＤＣＢ方法を用いて約０．２〜２ｍｍの範囲の厚さを有するセラミック層２に設け、この銅箔あるいは第１金属コーティング３もまたセラミック層２の表面側の開口部１１に重なり合うようにする。次に同様に第１金属コーティング３が織物状に形成され、構成部分５のレイアウトを形成する。別の処理工程において銅金属コーティングを形成するペーストが、このペーストによってまた領域４’および広範領域４”が形成されるように第１金属コーティング３に対して下方に向かってセラミック層２に塗布される。ペーストを塗布するために用いられる印刷スクリーンはこの目的のために合うように、たとえばペーストが開口部１１にも所望の様態で押込まれるように塗布される。しかしながら、基本的には開口部１１にペーストを導入するのにディスペンサーを用いることも可能である。
【００３０】
ペーストを乾燥・加熱した後は、驚くべきことにセラミック表面とペーストによって形成される金属コーティングとの間に接続が形成されるのみならず、開口部１１の底部において２つの金属コーティング３および４もが接続される。
【００３１】
その後たとえば図１に関連して上述した処理工程を第２金属コーティング４を形成するペーストを加熱した後に行ってもよい。
【００３２】
たとえばデュポン社製のシリーズ６００３のローファイアコッパー（商品名）がペーストとして同様に適当である。
【００３３】
図６は、基板１ｃの簡略化された横断面図であり、ここではスループレーティング１０ａが第１金属コーティング３によってスループレーティング１０ａのためにセラミック層２に設けられている開口部１１と一致する開口部１２を有するスループレーティング１０ａの領域に製造される。次に、第２金属コーティング４を形成するペーストが開口部１１の縁領域４’のみならず第１金属コーティング３が施されたセラミック層２の側にて開口部１１を囲むセラミック層２の縁を覆い、さらには開口部１２を囲む第１金属コーティング３の領域をも覆うように塗布される。
【００３４】
その後ペーストが順番に乾燥・加熱されると、驚くべきことにセラミック表面とペーストにより形成される第２金属コーティング４との間のみならず、開口部１２を囲む２つの金属コーティング３および４の領域（いずれも開口部１２を囲む第１金属コーティング３の縁）およびセラミック層２とは反対側の表部またはその第１金属コーティング３の縁領域における接続もが形成される。
【００３５】
図７は、基板１ｂと基本的には開口部１１の領域における第１金属コーティング３に少なくとも１つの必ず開口部１１よりもかなり小さい直径を有し、換気の目的のみに利用される換気口１３を有する点においてのみ異なり、これによりペーストに囲まれ得る空気が換気口１３から下方に逃れることができるためスループレーティング１０に対応するスループレーティング１０ｂの製造における金属コーティングを形成するペーストをよりよく開口部に流れ込ませることができる。
【００３６】
図７において示されるように、換気口１３は第２金属コーティング４またはセクション４”を形成するペーストによって覆われている。換気口１３の直径は使用されるペーストの粘性によって選択され、開口部１３から流れ出ないよう、かつ粘性状態における換気口１３をブリッジする（ueberbruecken）ようにする。
【００３７】
本発明について、一例により説明した。これらの変形および変更が可能であることは言うまでもない。
【００３８】
【発明の効果】
本発明によれば、経済的に、かつ最適な熱特性を有する電源回路のための金属・セラミック基板をように製造するための方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によって製造された本発明の一実施の形態にかかわる基板あるいはそれを用いて製造された電気回路の簡略化された横断面図である。
【図２】多数の単独の基板がスコア線に沿って互いに隣接している複合基板の簡略化された上面図である。
【図３】図２におけるＩ−Ｉ線に沿った断面図である。
【図４】本発明の方法で製造された他の構成部分あるいは基板の図１に類似した図である。
【図５】本発明を用いて製造された他の基板の簡略化された横断面図である。
【図６】本発明の基板の他の実施の形態の概略断面図である。
【図７】本発明の基板の他の実施の形態の概略断面図である。
【符号の説明】
１、１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ 基板
２、２ａ セラミック層
３、４ 金属コーティング
６ ベースプレート
８ スコア線
９ 中間層
１０、１０ａ、１０ｂ スループレーティング
１１、１２、１３ 開口
【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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