制备金属陶瓷基材的方法

制备金属陶瓷基材的方法
【专利摘要】本发明涉及制备金属陶瓷基材(1)的方法，所述金属陶瓷基材(1)包括第一和第二金属敷层(3、4)和至少一个容纳在第一和第二金属敷层(3、4)之间的陶瓷层(2)。有利地，第一和第二金属层(5、6)和陶瓷层(2)彼此上下堆叠，更准确地说使得第一和第二金属层(5、6)的自由边缘部段(5a、6a)分别在边缘侧突出超过陶瓷层(2)，并且第一和第二金属层(5、6)在突出的自由边缘部段(5a、6a)的区域内彼此相对变形并且直接相互接合，从而形成包围容器内腔(8)的气密性封闭的金属容器(7)用于容纳陶瓷层(2)。然后形成金属容器(7)的金属层(5、6)与容纳在容器内部的陶瓷层(2)在处理室中在500和2000bar之间的气压和300℃至金属层(5、6)的熔点之间的工艺温度下以热等静压的方式相互挤压从而产生金属层(5、6)的至少一者和陶瓷层(2)的优选的平面接合，最后至少除去金属层(5、6)的突出的相互接合的自由边缘部段(5a、6a)从而形成第一和第二金属敷层(3、4)。
【专利说明】制备金属陶瓷基材的方法
[0001]本发明涉及根据权利要求1和13的前序部分的制备金属陶瓷基材的方法。
[0002]已知印刷电路板形式的不同类型的金属陶瓷基材，所述金属陶瓷基材由陶瓷层和至少一个金属敷层组成，所述金属敷层与陶瓷层的表面的一侧接合并且结构化从而形成导体电路、触点、接触面或凸缘面。这种金属陶瓷基材例如用于构造功率半导体模块，即用于更高的操作电压，更准确地说600V和更大的操作电压。这种功率半导体模块的一个要求是足够高的局部放电电阻，其中金属陶瓷基材也必须满足该要求。
[0003]为了使形成金属敷层的金属箔或金属层相互接合或与陶瓷基材或陶瓷层接合，还已知所谓的“DCB方法”(“直接铜接合”)。在此，金属层(优选铜层或铜箔)相互接合和/或与陶瓷层接合，更准确地说使用金属片或铜片或金属箔或铜箔，其表面侧上具有由金属和反应性气体(优选氧气)的化学化合物制成的层或涂层(“熔融层”)。在例如US-PS 37 44 120或DE-PS 23 I 9 854中描述的方法中，所述层或涂层(“熔融层”)形成熔点低于金属(例如铜)的熔点的共熔体，使得可以通过在陶瓷层上铺设金属箔或铜箔并且通过加热所有层从而使其相互接合，更准确地说通过基本上仅在熔融层或氧化物层的区域内熔融金属层或铜层。这种DCB方法例如具有如下方法步骤:
[0004]-如此氧化铜箔，使得其形成均匀的氧化铜层；
[0005]-将具有均匀氧化铜层的铜箔铺设在陶瓷层上；
[0006]-将复合物加热至约1025至1083°C之间，例如约1071°C的工艺温度；
[0007]-冷却至室温。
[0008]DCB方法的缺点在于，在各个铜层和陶瓷层之间可能出现由过程决定的缺陷位点。虽然这些缺陷位点几乎不影响通过使用DCB方法制得的金属陶瓷基材的热性能，但是由于缺陷位点使得由此制得的功率半导体模块的局部放电电阻劣化。
[0009]通过文献DE 22 13 115和EP-A-153 618还已知所谓的活性焊料方法，所述活性焊料方法用于使形成金属敷层的金属层或金属箔，特别是铜层或铜箔，与陶瓷材料或陶瓷层接合。在所述方法(其特别还用于制备金属陶瓷基材)中，在约800-1000°C的温度下通过使用硬焊料在金属箔(例如铜箔)和陶瓷基材(例如氮化铝陶瓷)之间形成接合，所述硬焊料除了主要组分(例如铜、银和/或金)之外还包含活性金属。所述活性金属(例如为选自Hf、T1、Zr、Nb、Ce中的至少一种元素)通过化学反应在硬焊料和陶瓷之间建立接合，而硬焊料和金属之间的接合为金属硬焊接接合。然而不利的是，需要的硬焊料非常昂贵，并且通过活性焊料方法施加的金属敷层的结构化在工艺技术上比较复杂。
[00?0] 通过EP I 716 624 BI已知用于制备由多个金属板组成的堆叠从而形成冷却器的方法，其中多个金属薄板或金属箔相互接合形成堆叠，所述堆叠然后形成冷却器，特别是微冷却器。为了避免金属板之间的过渡区域中的微孔的产生，在保护气体气氛中在低于接合温度的高处理温度下并且在200至2000bar的高气压下对板堆叠进行后处理。所述后处理也被称为热等静压(“HIP方法”)。在保护气体气氛中在所述温度条件下对板堆叠施加高气压特别造成板之间的接合尽可能不含微孔，即在两个金属板的接合区域中不存在缺口或空腔。作为保护气体，在此使用氮气、氩气或其它惰性气体或稀有气体。如此调节处理温度，使得在金属板的相邻表面之间产生扩散焊接接合。
[0011]通过EPI 774 841 BI已知用于制备金属陶瓷基材的方法，其中通过使用DCB方法在陶瓷层的至少一个表面侧上施加铜层。在此，在之后的方法步骤中，金属陶瓷基材经受400-2000bar范围内的气压并且在450和1060 °C之间的后处理温度下进行后处理。为了避免在DCB方法之后金属陶瓷过渡区域中的缺陷位点或微孔，将所述基材在封闭压力室中在保护气体气氛(例如氩气气氛)中通过加热至约560°C的温度在约I 10bar的压力下经受所述后处理。由此增强铜金属敷层在陶瓷层上的接合并且明显减少缺陷位点的产生。
[0012]所述用于消除缺陷位点的方法不利地具有高的工艺技术成本，特别是因为首先通过第一接合技术产生金属层和陶瓷层之间的直接平面接合，然后所述平面接合需要经受后处理从而消除接合过程中产生的微孔。
[0013]通过US 4，763，828还已知用于产生陶瓷层与金属层的直接平面接合的方法，其中描述了通过使用HIP方法在氩气保护气体气氛中进行扩散焊接接合。
[0014]通过WO 2012/048 071 Al已知用于核反应器的包括陶瓷层和金属材料的多层护套材料。由所述多层护套材料形成管或通道。在此金属材料形成管或通道的“内”层并且作为管或通道的密封起作用。
[0015]通过US 4，325，183还已知用于制备电阻的方法，所述电阻包括与陶瓷基材接合的金属箔，其中通过HIP方法产生金属箔和陶瓷基材之间的直接平面接合。为此，将由金属箔和陶瓷基材组成的布置容纳在密封罩中，其中所述罩以密封方式紧贴设置并且预先抽真空。
[0016]从上述现有技术出发，本发明所基于的目的是提供用于制备金属陶瓷基材的方法，所述金属陶瓷基材能够实现陶瓷层和金属层之间的无孔或无微孔的平面直接接合，所述方法节约资源并且可以通过更少的方法步骤实现。通过根据权利要求1和13所述的方法实现所述目的。
[0017]根据本发明的方法的本质在于，第一和第二金属层和陶瓷层彼此上下堆叠，更准确地说使得第一和第二金属层的自由边缘部段分别在边缘侧突出超过陶瓷层，第一和第二金属层在突出的自由边缘部段的区域内彼此相对变形并且直接相互接合，从而形成包围容器内腔的气密性封闭的金属容器用于容纳陶瓷层，形成金属容器的金属层与容纳在容器内部的陶瓷层在处理室中在500和2000bar之间的气压和300 °C至金属层的熔点之间的工艺温度下以热等静压的方式相互挤压从而产生接合，其中至少除去金属层的突出的相互接合的自由边缘部段从而形成第一和第二金属敷层。特别有利地，使用边缘侧重叠的金属层用于之后的HIP方法的气密性封装陶瓷层。由此得到用于直接平面接合金属层与陶瓷层(更准确地说不含干扰性孔或微孔)的特别有效和节约资源的方法。还有利地，相比于DCB方法，通过使用HIP方法可以加工和在陶瓷层上施加更薄的金属层。可以通过DCB方法加工的金属层的最小厚度为约200微米，而在使用HIP方法时已经可以在陶瓷层上施加层厚度为约50微米和更大的金属层。还有利地，相比于DCB方法，在HIP方法中同样可以调节粒径。
[0018]根据本发明的方法的一个有利的实施方案，在直接接合之前通过施加夹紧力使金属层的自由边缘部段变形然后在边缘侧通过焊接(特别是接触焊接或激光焊接)或者通过钎焊(甚至是硬钎焊)使金属层的自由边缘部段相互接合从而形成金属容器。替代性地，可以通过机械接合方法和/或加工方法产生金属层的边缘侧直接接合，以及更准确地说通过对自由边缘部段进行乳制、挤压和/或卷边。
[0019]特别有利地，在金属层的边缘侧直接接合之前对容器内腔抽真空，其中在金属层的边缘侧直接接合之前，可以在抽真空的容器内腔中额外引入氧气。通过抽真空和引入氧气形成对于HIP过程最佳的气氛，特别是在陶瓷层和/或金属层上产生氧化物层，通过所述氧化物层额外升高扩散接合的粘合强度。
[0020]还有利地，在真空或惰性气体气氛中，优选通过使用氮气或氩气作为惰性气体，使金属层在边缘侧直接相互接合。
[0021]根据一个有利的实施方案的变体形式，在容器内腔中除了陶瓷层之外还引入多孔材料，特别是多孔陶瓷辅助层，所述多孔材料被形成为用于吸收容器内腔中存在的残余气体。因此可以避免在进行HIP过程时由于存在的残余气体而产生的夹杂物。优选地，在引入容器内腔之前对多孔材料抽真空并且用气密性密封层涂布。还可以在引入容器内腔之前用氧气负载多孔材料并且用气密性密封层涂布。
[0022]还可以在堆叠之前用硬焊料层或活性焊料层全面涂布陶瓷层的上侧和/或下侧，由此能够用减少的焊料量进行金属层和陶瓷层的额外硬钎焊。
[0023]本发明的主题还是用于制备金属陶瓷基材的替代性方法，所述金属陶瓷基材包括第一和第二金属敷层和至少一个容纳在第一和第二金属敷层之间的陶瓷层，所述陶瓷层具有上侧和下侧，其中在陶瓷层的上侧和下侧上在边缘侧施加外周框架状的，优选连续的焊料层，其中第一和第二金属层和陶瓷层彼此上下堆叠并且通过加热至少在外周框架状焊料层的区域内产生边缘侧焊料接合，更准确地说使得在陶瓷层和各个金属层之间产生气密性封闭的间隙状中间腔，其中金属层和陶瓷层在处理室中在500和2000bar之间的气压和300°(:至金属层或焊料层的熔点之间的工艺温度下以热等静压的方式相互挤压，并且其中至少除去金属层的通过外周框架状焊料接合与陶瓷层接合的边缘区域从而形成第一和第二金属敷层。
[0024]优选地，至少除去金属层的通过边缘侧焊料接合与陶瓷层接合的边缘区域从而形成第一和第二金属敷层。
[0025]在两个方法的一个实施方案变体形式中，在热等静压挤压之前通过使用直接铜接合方法或硬焊料方法或活性焊料方法使金属层之一与陶瓷层接合。特别希望的是，仅形成一个层厚度从50微米起的金属敷层，而对于对立的另一个金属敷层来说，根据已知接合方法制得的层厚度从200微米起的金属敷层是足够的，例如用于连接冷却装置。
[0026]还有利地，可以在堆叠时在第一金属层和陶瓷层之间和/或在第二金属层和陶瓷层之间引入至少一个优选由铜或铝构成的另外的金属层。优选地，分别设置由铜构成的第一金属层和由铝构成的另一个金属层，这些层要么松散地彼此上下堆叠要么直接相互接合，例如相互焊接或辊压接合。相比于陶瓷层的尺寸，另一个金属层可以具有不同尺寸，例如容纳在陶瓷层的边缘区域内或者与其齐平地延伸或者延伸超过陶瓷层的边缘区域，然而最大程度是第一和另一个陶瓷层具有齐平的边缘走向。
[0027]还有利地，通过包括两个优选对立半壳的辅助工具彼此夹紧层从而使金属层在边缘侧接合。
[0028]根据本发明的方法的优选的实施方案，在堆叠之前为至少一个金属层和/或陶瓷层的上侧和/或下侧设置氧化物层。例如可以使金属层的待接合的表面氧化或者使陶瓷层经受预处理和热氧化。
[0029]在本发明的范围内，表述“几乎”、“基本上”或“约”意指相比于各个精确值+/-10%，优选+/-5%的偏差和/或对于功能而言不重要的变化的形式的偏差。
[0030]通过实施例的如下描述和通过附图得出本发明的改良方案、优点和应用可能性。在此，所有描述的和/或以附图方式显示的特征单独地或以任意组合构成本发明的基本主题，而不论其在权利要求中的概括或其引用如何。权利要求的内容也被认为说明书的一部分。
[0031]通过实施例的附图详细解释本发明。图显示:
[0032]图1显示了金属陶瓷基材的简化的截面示意图，
[0033]图2显示了由第一和第二金属层和容纳在其之间的陶瓷层组成的堆叠的简化的截面图，
[0034]图3显示了由根据图2的堆叠形成的金属容器的截面示意图，所述金属容器具有容纳在容器内部的陶瓷层，
[0035]图4显示了根据图3的金属容器的示意性俯视图，
[0036]图5显示了金属容器的截面示意图，所述金属容器具有容纳在容器内部的陶瓷层和额外的多孔辅助陶瓷层，
[0037]图6显示了容纳在辅助工具中的根据图3的金属容器的简化的截面示意图，
[0038]图7显示了由第一和第二金属层和容纳在其之间的陶瓷层组成的堆叠的简化的截面示意图，其边缘侧通过外周框架状焊料接合而接合，
[0039]图8显示了根据图6的堆叠的示意性俯视图，和
[0040]图9a_d显示了根据本发明的方法用于制备金属陶瓷基材的包括四个金属层和一个陶瓷层的堆叠的多个实施方案变体形式。
[0041]图1以简化示意图的方式显示了金属陶瓷基材I的通常实施方案的截面，所述金属陶瓷基材I包括具有上侧2.1和下侧2.2的陶瓷层2，所述上侧2.1和下侧2.2各自设置有金属敷层3、4，更准确地说上侧2.1具有第一金属敷层3，而下侧2.2具有第二金属敷层4。
[0042]金属敷层3、4可以由相同或不同的金属(一种或多种)制得并且进行结构化从而形成接触面和/或电子电路。在此，第一和第二金属敷层3、4优选与上侧或下侧2.1、2.2直接平面接合。
[0043]第一和第二金属敷层3、4例如由铜或铜合金或铝或铝合金制得。第一和第二金属敷层3、4的层厚度为至少20微米，优选在20和900微米之间，其中在大功率电子领域内优选使用150和600微米之间的层厚度，并且在LED领域内优选使用50和150微米之间的层厚度。应理解，也可以使用其它合适的金属用于制备金属敷层3、4。
[0044]陶瓷层2例如由氧化物陶瓷、氮化物陶瓷或碳化物陶瓷，例如氧化铝(A1203)或氮化铝(AlN)或氮化硅(Si3N4)或碳化硅(SiC)或具有氧化锆的氧化铝(A1203+Zr02)制得，并且具有例如在50微米和1000微米之间，优选在200微米和700微米之间的层厚度。
[0045]在此，本发明着手于并提出用于制备金属陶瓷基材I的有效方法，所述金属陶瓷基材I包括这种第一和第二金属敷层3、4和至少一个容纳在第一和第二金属敷层3、4之间的陶瓷层2。根据本发明通过使用压力引发的接合方法，更准确地说热等静压挤压方法(HIP方法)制备各个金属敷层3、4和陶瓷层2之间的直接平面接合，从而有效避免各个金属敷层3、4和陶瓷层2之间的接合区域中的孔或微孔的产生。相比于DCB方法，通过热等静压挤压方法也可以加工明显更薄的金属层5、6，例如约50微米的最小层厚度以上的层。
[0046]热等静压挤压方法或所谓的HIP方法或HIP工艺的工作原理是已知的。在此可以以机械方式和/或通过气体或流体产生优选以平面方式施加在待接合的层上的压力。有利地，相比于其它接合方法，在使用HIP方法产生金属敷层3、4和陶瓷层2之间的优选平面的接合时可以减小层厚度，特别地可以加工厚度为50微米和更大的金属层。
[0047]为了以压力引发的方式进行第一和第二金属敷层3、4与陶瓷层2的平面接合，首先设置第一和第二金属层5、6，所述第一和第二金属层5、6与陶瓷层2彼此上下堆叠，更准确地说使得陶瓷层2容纳在金属层5、6之间。因此已经存在图1中显示的金属陶瓷基材I的层顺序，其中第一和第二金属层5、6和陶瓷层2尚不具有平面接合。
[0048]第一和第二金属层5、6的横截面形状基本上适应于陶瓷层2的横截面形状。优选地，陶瓷层2具有矩形或正方形的横截面形状。然而替代性地，陶瓷层2也可以具有圆形、椭圆形或其它方式的多边形的横截面形状。
[0049]第一和第二金属层5、6的自由边缘部段5a、6a重叠陶瓷层2的自由边缘2’，更准确地说在陶瓷层2的自由边缘2’的整个走向上重叠。因此第一和第二金属层5、6的自由边缘部段5a、6a分别向外突出超过陶瓷层2的自由边缘2a，更准确地说例如超过3mm和30mm之间的长度L。在此，取决于第一和第二金属层5、6的层厚度选择长度L。
[0050]在本实施例中，根据图2形成由第一和第二金属层5、6和陶瓷层2组成的堆叠，其中在第二金属层6上以平面方式铺设陶瓷层2，然后在陶瓷层2上铺设第一金属层5，即陶瓷层2以堆叠方式容纳在第一和第二金属层5、6之间，并且第一和第二金属层5、6的自由边缘部段5a、6a在边缘侧突出超过陶瓷层2。
[0051]然后根据本发明由第一和第二金属层5、6形成具有容器内部8的气密性封闭的金属容器7，陶瓷层2完全容纳在所述容器内部8中。为此，第一和第二金属层5、6在突出的自由边缘部段5a、6a的区域内彼此相对变形，更准确地说通过施加优选垂直于金属层5、6的表面作用的侧面夹紧力F、F’，所述夹紧力F、F’分别在陶瓷层2的上侧或下侧2.1、2.2的方向上定向。第一和第二金属层5、6的与陶瓷层2直接相邻的平坦部段在此优选平行于陶瓷层2的上侧或下侧2.1、2.2延伸。金属容器7因此具有基本上两个半壳状容器半体7.1、7.2，所述容器半体7.1,7.2通过变形的第一和第二金属层5、6形成。
[0052]在本实施例中，对第一金属层5的自由边缘部段5a施加竖直向下(即在陶瓷层2的方向上)作用的夹紧力F而对第二金属层6的自由边缘部段6a施加竖直向上(即在陶瓷层2的方向上)作用的夹紧力F’，因此使其彼此夹紧，由此实现金属层5、6的自由边缘部段5a、6a的相应变形。相应变形的自由边缘部段5a、6a直接相互接合，更准确地说沿着外周(即环形)接合区域VB接合。优选地，自由边缘部段5a、6a形成金属容器7的齐平延伸的气密性封闭的壁。金属容器7因此通过半壳状的气密性相互接合的容器半体7.1、7.2形成陶瓷层2的包封。
[0053]优选通过焊接，特别是接触焊接或激光焊接或者通过钎焊甚至是硬钎焊进行变形的自由边缘部段5a、6a在环形接合区域VB中的边缘侧直接接合。替代性地，也可以通过机械接合方法和/或加工方法产生边缘侧直接接合，更准确地说通过对自由边缘部段5a、6a进行乳制、挤压和/或卷边，其中在两个金属层5、6之间沿着环形接合区域VB产生边缘侧气密性机械接合。在通过激光焊接接合时，优选在外边缘处优选以45°和90°之间的角度相互焊接自由边缘部段5a、6a。在一个实施方案变体形式中，在有利于接合过程的气氛中，例如在真空中，在空气气氛中或者在惰性气体气氛中通过例如使用氮气或氩气作为惰性气体进行边缘侧直接接合。
[0054]图3中示例性地显示了具有容纳在容器内部8的陶瓷层2的金属容器7的示意截面，通过该图同样可见容器半体的半壳状构造。图4示例性地显示了金属容器7的俯视图和通过虚线绘制的线表示的环形接合区域VB的走向。
[0055]然后形成金属容器I的金属层5、6与容纳在容器内部8的陶瓷层2在图中未显示的处理室中在500和2000bar之间的气压和300°C至金属层5、6的熔点之间的工艺温度下以热等静压的方式相互挤压。由此产生陶瓷层2的上侧2.1和与上侧2.1直接接合的第一金属层5的部段之间的扩散接合，以及陶瓷层2的下侧2.2和与下侧2.2直接接合的第二金属层6的部段之间的扩散接合，所述扩散接合不具有孔或微孔并且具有高的粘合力。
[0056]通过例如具有两个半壳9.1、9.2的辅助工具9在金属容器I的自由边缘部段5a、6a的区域内优选沿着环形接合区域VB施加夹紧力F、F’并且因此夹紧。这简化了自由边缘部段5a、6a之间的边缘侧直接接合(特别是激光焊接接合)的产生。由此还可以在容器内部8引入工作介质，例如氧气等，而无需永久封闭容器内部8。图6示例性地显示了容纳在辅助工具9中的金属容器I的截面。
[0057]在至少局部地以热等静压的方式挤压金属层5、6或容器半体7.1,7.2与陶瓷层2之后，优选通过机械加工方法或合适的蚀刻方法除去自由边缘部段5a、6a。第一和第二金属层
5、6的剩余的与陶瓷层2的上侧和下侧2.1、2.2接合的部段形成金属陶瓷基材I的第一和第二金属敷层3、4。
[0058]在一个实施方案变体形式中，在环境气氛中对金属层5、6施加夹紧力F、F’然后在边缘侧接合自由边缘部段5a、6a，即即使在封闭形成陶瓷层2的包封的金属容器7之后，容器内部8仍然至少还存在残余空气或残余气体。然而由于残余空气或残余气体，在进行HIP方法时在金属层5、6和陶瓷层2之间的接合区域中可能产生夹杂物。
[0059]在一个实施方案变体形式中，首先堆叠金属层5、6和陶瓷层2，并且在空气气氛中例如通过辅助工具9夹紧，然后在边缘侧直接相互接合。
[0060]根据另一个实施方案变体形式，为了避免夹杂物，在边缘侧直接接合金属层5、6的自由边缘部段5a、6a之前对容器内腔8抽真空，因此优选完全除去容器内腔8中存在的残余空气或其中存在的残余气体。
[0061]还可以在HIP方法的过程中通过在上侧或下侧2.1、2.2上形成氧化物层从而升高压力引发的直接接合的粘合力。然而环境气氛中的氧气含量通常过低，因此不能在金属层
5、6和/或陶瓷层2上形成相应的氧化物层。优选地，这种氧化物层具有铜掺杂。
[0062]为了帮助形成相应的氧化物层，可以在制备过程中引入氧气，更准确地说在形成堆叠时已经向金属层5、6施加氧气。
[0063]替代性地或额外地，在边缘侧接合金属层5、6之前可以在容器内部8引入氧气或者用氧气预处理金属层5、6。例如在边缘侧夹紧金属层5、6之前或者在对容器内腔8抽真空之后用氧气充注容器内腔8。
[0064]也可以通过预处理陶瓷层2有效地帮助氧化物层的形成，更准确地说例如通过机械化学方法施加辅助层。在所述机械化学方法中，在陶瓷层2(特别是AIN基材)的至少一侧2.1、2.2上施加由铜、氧化铜或其它含铜化合物构成的层从而制备辅助层。可以通过使用替代性方法进行所述辅助层的施加。可以例如通过溅射方法、使用市售镀液的无电流铜沉积、气相沉积、丝网印刷、溶液浸渍等施加铜、氧化铜或其它含铜化合物。然后使陶瓷层2(特别是AIN基材)经受氧化过程，通过所述氧化过程使铜、氧化铜或其它铜化合物氧化。
[0065]特别地，在使用氮化铝陶瓷层2用于制备金属陶瓷基材I时，在进行HIP挤压方法时产生的对立的层2、5、6的机械咬合已经具有足够的粘合强度，即无需额外形成中间层，因为由于环境氧气在氮化铝陶瓷层2的表面上本身形成氧化物层，所述氧化物层足以产生接合。
[0066]在使用氮化硅陶瓷层2时同样无需预处理以形成中间层。容器内部的环境氧气或残余氧气足以形成有利于接合过程的氧化硅层。
[0067]为了促进陶瓷表面上的天然氧化物层的形成，可以使与陶瓷层2待接合的金属层
5、6富集氧气。在HIP挤压方法的过程中氧气可以从富集的金属层5、6中释放。
[0068]在一个实施方案变体形式中，可以设想在夹紧之后用惰性气体(例如氮气或氩气)冲刷容器内腔8。在一个替代性实施方案变体形式中，为了吸收容器内腔8中存在的残余空气或残余气体，在容器内腔8中除了陶瓷层2之外还可以容纳多孔材料11，例如金属或陶瓷，在进行HIP方法的过程中所述多孔材料11形成用于容器内腔8中存在的残余气体的吸收储存器。通过多孔材料11实现有利于进行HIP方法的气氛。
[0069]优选在引入容器内腔8之前对多孔材料11抽真空。在一个实施方案变体形式中，在引入容器内腔8之前用气密性密封层12涂布多孔材料11，其中也可以使用不具有气密性密封层12的多孔材料11。在进行HIP方法时气密性密封层12破裂，并且通过抽真空的多孔陶瓷辅助层11针对性地吸收容器内腔8中存在的残余气体。
[0070]替代性地或额外地，特别是在施加气密性密封层12之前，可以在氧气气氛中用氧气负载多孔材料U。气密性密封层12在此分别形成多孔材料11的气密性外罩。图5示例性地显示了根据图3的金属容器7的截面，在所述金属容器7中除了陶瓷层2之外还容纳至少一个具有气密性密封层12的多孔陶瓷辅助层11。应理解，也可以在金属容器7中以不同形式和布置设置多个这种多孔材料11的层。
[0071]多孔材料11还可以例如设置有氧化铜层。这种CuO层在HIP方法中转化成氧气和Cu20。其中释放的氧气有助于金属层5、6或陶瓷层2的氧化。除了CuO之外，还可以使用其它氧化物，所述氧化物在HIP方法的过程参数(特别是温度和压力)下释放氧气并且有利于氧化物层(更准确地说MnO、VO、T1和Mo30)的形成。
[0072]在另一个实施方案变体形式中，第一金属层5由铜或铜合金制得，第二金属层6由招或招合金制得。
[0073]例如在陶瓷层2和由铜制得的第一金属层5之间还设置由铝制得的另一个金属层5’，这些层同样彼此上下堆叠。与此相似地，还可以在第二金属层6和陶瓷层2之间容纳另一个金属层6’。优选地，通过棍压相互接合第一或第二金属层5、6和各个其它金属层5’、6’。
[0074]图9中示例性地显示了金属陶瓷基材I的不同的实施方案变体形式(a)至(d)，所述金属陶瓷基材I具有由铜制得的第一金属层5，由铝制得的另一个金属层5’以及由铜制得的第二金属层6和由铝制得的另一个金属层6’，这些层通过根据本发明的方法相互接合。在实施方案变体形式(c)中金属层5、6、5’、6’松散地彼此上下堆叠，而在实施方案变体形式(d)中上下两个金属层5、5’或6、6’之间存在接合。可以通过辊压接合铜层和铝层5、5’和6、6’或者通过在边缘侧焊接产生接合。在实施方案变体形式(a)中，各个其它金属层5’、6’在陶瓷层的上侧或下侧2.1、2.2上仅局部延伸，即在边缘侧向内偏移设置。实施方案变体形式(b)显示了其它金属层5’、6’与陶瓷层2的齐平的边缘走向，根据实施方案变体形式(c)，其它金属层5’、6’延伸超过陶瓷层2的自由边缘2’，但是在第一和第二金属层5、6的边缘内部。在实施方案变体形式(d)中，第一金属层5和归属的其它金属层5’和/或第二金属层6和其它金属层6 ’各自具有齐平的边缘走向，即这些层的形状彼此相同。此外还可能在陶瓷层2的上侧和下侧2.1、2.2上设置不同的层构造或设置图9中显示的实施方案变体形式(a)至(d)的组合。
[0075]此外在进行根据本发明的方法之前，还可以用硬焊料层全面涂布陶瓷层2或其上侧和/或下侧2.1、2.2。焊接方法因此可以说是并入HIP方法。在此有利地可以相比于已知的活性焊料方法减小硬焊料层的厚度，即有利地需要更少的焊料量，因为由于HIP方法使得金属层5、6也被挤压进入上侧和/或下侧2.1,2.2的不平坦处。
[0076]图7和8中描述了用于制备金属陶瓷基材I的替代性方法的陶瓷层2在金属容器7中的包封。根据所述方法，在陶瓷层2的上侧和下侧2.1、2.2分别在边缘侧设置外周框架状焊料层13，然后形成由第一和第二金属层5、6和陶瓷层2组成的堆叠。
[0077]在最后步骤中加热这种堆叠，使得准备的外周框架状焊料层13造成各个金属层5、6和陶瓷层2之间的边缘侧焊料接合14。由于加热和对各个金属层5、6和陶瓷层2之间的间隙状中间腔15、15’预先抽真空，存在有利于进行热等静压挤压方法或HIP方法的气氛。
[0078]边缘侧焊料接合14同样形成优选的环状接合区域VB’。最后将通过边缘侧焊料接合14形成的由第一和第二金属层5、6和陶瓷层2组成的堆叠再次引入未显示的处理室，并且在500和2000bar之间的气压和300°C至金属层5、6或焊料层13的熔点之间的工艺温度下以热等静压的方式与陶瓷层2挤压。在此，各个金属层5、6的与陶瓷层2平面接合的部段形成金属陶瓷基材I的金属敷层3、4。
[0079]除去金属层5、6的通过陶瓷层2通过边缘侧焊料接合14接合的边缘区域5b、6b从而划界第一和第二金属敷层3、4，更准确地说通过机械处理方法或者通过激光或合适的蚀刻方法。第一和第二金属层5、6的剩余部段因此形成金属陶瓷基材I的第一和第二金属敷层3、4。
[0080]外周框架状焊料层13例如连续形成，更准确地说优选以封闭环的形式形成。图8示例性地显示了施加在陶瓷层2的上侧2.1上的外周框架状焊料层13的走向。
[0081]在两个方法的一个实施方案变体形式中，在热等静压挤压之前通过使用直接铜接合方法或硬焊料方法或活性焊料方法使金属层之一与陶瓷层接合。由此可以制备具有50微米以上的不同层厚度的金属敷层。
[0082]上文基于实施例描述了本发明。应理解，大量修改以及变型是可能的，而不偏离本发明所基于的发明理念。
[0083]附图标记列表
[0084]I金属陶瓷基材
[0085]2陶瓷层
[0086]2’自由边缘
[0087]2.1 上侧
[0088]2.2 下侧
[0089]3第一金属敷层
[0090]4第二金属敷层
[0091]5第一金属层
[0092]5，第二金属层
[0093]5a自由边缘部段
[0094]5b边缘区域
[0095]6第二金属层
[0096]6’其他金属层
[0097]6a自由边缘部段
[0098]6b边缘区域
[0099]7金属容器
[0100]7.1、7.2 容器半体
[0101]8容器内部
[0102]9辅助工具
[0103]9.1,9.2 半壳
[0104]11多孔材料
[0105]12气密性密封层
[0106]13外周框架状焊料层
[0107]14边缘侧焊料接合
[0108]15、15’间隙状中间腔
[0109]VB、VB’环状接合区域
[0110]F、F’ 夹紧力
【主权项】
1.制备金属陶瓷基材(I)的方法，所述金属陶瓷基材(I)包括第一和第二金属敷层(3、4)和至少一个容纳在第一和第二金属敷层(3、4)之间的陶瓷层(2)， 其特征在于， 第一和第二金属层(5、6)和陶瓷层(2)彼此上下堆叠，更准确地说使得第一和第二金属层(5、6)的自由边缘部段(5a、6a)分别在边缘侧突出超过陶瓷层(2)， 第一和第二金属层(5、6)在突出的自由边缘部段(5a、6a)的区域内彼此相对变形并且直接相互接合，从而形成包围容器内腔(8)的气密性封闭的金属容器(7)用于容纳陶瓷层⑵， 形成金属容器(7)的金属层(5、6)与容纳在容器内部的陶瓷层(2)在处理室中在500和2000bar之间的气压和300°C至金属层(5、6)的熔点之间的工艺温度下以热等静压的方式相互挤压从而产生金属层(5、6)的至少一者和陶瓷层(2)的平面接合，其中至少除去金属层(5、6)的突出的相互接合的自由边缘部段(5a、6a)从而形成第一和第二金属敷层(3、4)。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在直接接合之前通过施加夹紧力(F、F’)使金属层(5、6)的自由边缘部段(5a、6a)变形从而形成金属容器(7)。3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，通过焊接，特别是接触焊接或激光焊接或通过钎焊甚至是硬钎焊，使金属层(5、6)的自由边缘部段(5a、6a)在边缘侧相互接合，或者通过机械接合方法和/或加工方法，更准确地说通过对自由边缘部段(5a、6a)进行乳制、挤压和/或卷边产生金属层(5、6)的边缘侧直接接合。4.根据权利要求1至3任一项所述的方法，其特征在于，在金属层(5、6)的边缘侧直接接合之前对容器内腔(8)抽真空。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在金属层(5、6)的边缘侧直接接合之前在抽真空的容器内腔(8)中引入氧气。6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在真空中或在惰性气体气氛中使金属层(5、6)在边缘侧直接相互接合，优选使用氮气或氩气作为惰性气体。7.根据权利要求1至6任一项所述的方法，其特征在于，在容器内腔(8)中除了陶瓷层(2)之外还引入多孔材料(11)，优选金属或陶瓷，所述多孔材料(11)被形成为用于吸收容器内腔(8)中存在的残余气体。8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在引入容器内腔(8)之前对多孔材料(11)抽真空并且用气密性密封层(12)涂布。9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在引入容器内腔(8)之前用氧气负载多孔材料(11)并且用气密性密封层(12)涂布。10.根据权利要求1至9任一项所述的方法，其特征在于，在堆叠之前用硬焊料层或活性焊料层全面涂布陶瓷层(2)的上侧和/或下侧(2.1、2.2)。11.根据权利要求1至10任一项所述的方法，其特征在于，第一和/或第二金属敷层(3、4)由铜或铜合金和/或铝或铝合金制得。12.根据权利要求1至11任一项所述的方法，其特征在于，陶瓷层(2)由氧化物陶瓷、氮化物陶瓷或碳化物陶瓷，更准确地说氧化铝(A1203)、或氮化铝(AlN)、或氮化硅(Si3N4)、或碳化硅(SiC)、或氧化铝与氧化锆(Al203+Zr02)制得。13.制备金属陶瓷基材(I)的方法，所述金属陶瓷基材(I)包括第一和第二金属敷层(3、4)和至少一个容纳在第一和第二金属敷层(3、4)之间的陶瓷层(2)，所述陶瓷层(2)具有上侧和下侧(2.1、2.2)， 其特征在于， 在陶瓷层(2)的上侧和/或下侧(2.1、2.2)上在边缘侧施加外周框架状的优选连续的焊料层(13)， 第一和第二金属层(5、6)和陶瓷层(2)彼此上下堆叠并且通过至少在外周框架状焊料层(13)的区域内加热产生边缘侧焊料接合(14)，更准确地说使得在陶瓷层(2)和金属层(5、6)的至少一者之间产生气密性封闭的间隙状中间腔(15、15’)， 金属层(5、6)和陶瓷层(2)在处理室中在500和2000bar之间的气压和300°C至金属层(5、6)或焊料层(13)的熔点之间的工艺温度下以热等静压的方式相互挤压从而产生金属层(5、6)的至少一者和陶瓷层(2)的平面接合，其中金属层(5、6)形成金属敷层(3、4)。14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，至少除去通过边缘侧焊料接合(14)与陶瓷层(2)接合的金属层(5、6)的边缘区域(5a、6a)从而形成第一和第二金属敷层(3、4)。15.根据前述权利要求任一项所述的方法，其特征在于，在以热等静压的方式挤压之前，通过使用直接铜接合方法或硬焊料方法或活性焊料方法使金属层(5、6)之一与陶瓷层(2)接合。16.根据前述权利要求任一项所述的方法，其特征在于，在堆叠时在第一金属层(5)和陶瓷层(2)之间和/或在第二金属层(6)和陶瓷层(2)之间引入至少一个另外的金属层(5’、6’)，所述金属层(5’、6’)优选由铜或铝制成。17.根据前述权利要求任一项所述的方法，其特征在于，通过包括两个半壳(9.1、9.2)的辅助工具(9)彼此相对地夹紧层(2、5、6)从而在边缘侧接合金属层(5、6)。18.根据前述权利要求任一项所述的方法，其特征在于，在堆叠之前为金属层(5、6)的至少一者和/或陶瓷层(2)的上侧和/或下侧(2.1、2.2)设置氧化物层。19.通过根据前述权利要求任一项所述的方法制得的金属陶瓷基材(I)。
【文档编号】H01L21/48GK105900222SQ201480072922
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2014年11月28日
【发明人】A·迈尔, F·希尔斯泰特尔
【申请人】罗杰斯德国有限公司