优化的陶瓷基底上的金属材料的导体电路设计的制作方法

本发明涉及一种复合材料，该复合材料包括陶瓷基底S且所述陶瓷基底S在至少一个表面上具有至少一个金属层M，其中所述金属层M在横向方向和/或垂直方向上具有特定的形状。

背景技术：

陶瓷电路板尤其应用在大功率模块中，因为大功率模块必须承受直至250℃或者更高的工作温度，例如在通过风力发电机发电的情况下，在调控铁路列车、大功率机械或者是将来在电子移动工具中应用的情况下。

这些陶瓷电路板通常包括陶瓷基底，其上设置有导电的金属层，例如由铜制成的金属层。一种常见的用于结合两种材料的方法是“直接覆铜法”(DCB-Verfahren)，该方法将薄铜片放置在陶瓷基底上并压紧，并且在氧气气氛中加热至1020℃至1040℃。在上述温度的情况下，铜的表面与氧气反应形成氧化铜，氧化铜再与陶瓷结合。由此形成一种缓慢冷却的稳定的材料结合的复合物。

通常，使用的陶瓷具有的热膨胀系数与使用的金属的热膨胀系数差别很大(例如：Al₂O₃-陶瓷的热膨胀系数为8.5*10^-6 1/K，而铜的热膨胀系数为17.3*10^-6 1/K)。这使得，通过直接覆铜法制得的复合物中产生热机械张力，并且该复合物能够弯曲。同时，在金属导体电路的边缘发生应力增加(被称为应力奇异性)。陶瓷电路板既可以在其上侧设置金属结构，也可以在其下侧设置金属结构，因此上述弯曲是可以接受的问题。然而，应力在边缘的集中对电路板的使用寿命，尤其是热循环周期而言是决定性的。

现有技术中已经有一些通过尽可能减少应力奇异性来增加电路板使用寿命的建议。

在DE 11 2009 000 555 T5中，例如为了避免上述热膨胀指数的差异造成的裂纹，建议导体电路的金属表面设置为具有圆形边缘的多边形的形状。由于金属层的外部形状没有边角，热应力无法在边角上集中，从而延长了电路板的使用寿命。在该文献中还特别提及了金属层的圆形、椭圆形或多边形的形状。

DE 10 2006 014 609 A1中也说明了，当边缘成圆形时，避免了应力限定在金属部的边缘的情况。

另一方面，US 6798060 B2说明了一种方法，其中为了改善陶瓷电路板的应力状态，金属层的边缘被垂直地成型。这种情况下，建议在垂直方向上设置30°至60°的边缘的斜面。

DE 44 06 397 A1提到，通过掩饰和蚀刻基底上的原有的金属部以构造该金属部，在关于基底的垂直方向上形成凹形拱或凹形角。不过上述文献将这点视为是不利的，因为垂直的侧面至少部分的不易于施加在后续的工艺程序中使用的辅助剂(涂层，凃漆)，并且垂直的侧面还是锐边的，使得后续在使用电路时发生电场强度的集中，从而导致耐压强度降低。因此，该文献提出一种改变现有形状的方法。

EP 1 061 783 A2也说明了，例如因为不同的热膨胀系数形成与表面平行的应力梯度，特别是在金属面与非金属面的过渡区域。为了避免基底的断裂，建议在沿着金属面的边缘的下侧设置边缘弱化部。这种情况下，朝金属层的边缘减少金属体积含量，即每个体积单位上的金属量。此处明确地建议设置小于45°的金属面的斜面。该文献还提及了孔状或槽状的凹陷部以及孔隙排列的组合。另外，建议金属层的厚度呈阶梯式的递减。此外，还提及了朝金属层的边缘的方向设置开放的凹陷部，这些凹陷部形成迂回曲折的边缘。然后，所述结构仍然显示出具有边缘走向的边沿的区域，即具有锐角。

DE 4 004 844 C1中建议，将铜导体电路的边角磨圆，并且斜切铜层的边缘，以避免陶瓷的裂口或裂纹。这种情况下，减少了从金属面到非金属面的过渡区域上的应力变化梯度。

现有技术中的这些建议虽然一定程度上减少了应力奇异性，却并非完全消除了这种情况。因此，有必要进一步减少应力的下降。

技术实现要素：

基于现有技术，本发明的任务在于消除现有技术中的至少一个，优选地消除全部缺点。尤其是，本发明的任务在于提供一种复合材料，该复合材料包括具有至少一个导体电路的陶瓷基底，所述导体电路的应力奇异性少于任何现有技术。

通过下文中说明的根据本发明的复合材料，根据本发明的导体电路的布局(Layout)及其应用，根据本发明的用于生产至少一个导体电路的方法，根据本发明的电路板以及根据本发明的冲压工具和/或压印工具，实现上述任务。

特别是，已证明通过根据本发明的导体电路的布局，能够相对现有技术减少作为导体电路应用的陶瓷基底和金属层之间的应力奇异性。特别是，借助有限元计算表明，根据本发明的布局使得金属层和陶瓷基底的接触区域内仅发生弹性变形。优选的，这种情况下不超过铜的屈服点。由此，能够将应力奇异性的出现减少到最小值。根据本发明的复合材料的使用寿命因此明显延长。

复合材料

本发明提供一种复合材料，该复合材料包括陶瓷基底S，并且陶瓷基底S在其至少一个表面上具有至少一个金属层M，其中金属层M基本上具有相对于陶瓷基底S的垂直方向上的层厚度h，并且金属层M在相对于陶瓷基底的横向方向上的形状由金属层M的外缘L的走向限制，其特征在于，金属层M的外缘L的侧翼F在相对陶瓷基底的垂直方向上的走向和/或金属层的外缘L的在相对陶瓷基底的横向方向上的轮廓在其线路距离(Strecke)至少为10μm的任意区域中分别能够通过连续可微函数表示，其中侧翼F在从h＝0处延伸至h＝h处，且该连续可微函数并非直线(f(x)＝mx+b)。

本发明的改进方案，优点及应用方案通过以下对实施例的说明和附图得出。原则上，所有文字说明的和/或图像说明的特征单独或以任意组合的方式作为本发明的基本内容，不依赖权利要求中的总结或其引用关系。权利要求的内容也是说明书的组成部分。

尤其是，根据本发明优选的是金属层M的外缘的侧翼F在相对陶瓷基底的垂直方向上的走向和金属层的外缘L的在相对陶瓷基底的横向方向上的轮廓在线路距离至少为10μm的任意区域中分别能够通过连续可微函数来描述。所有根据本发明的设计方案首先涉及外缘的侧翼的走向和外缘的轮廓的设置及其变型。在所有这些设计方案中，上述设置及其变型是优选的。

在本发明的框架中，“陶瓷基底S”优选的是由陶瓷原料制成的，优选为板状元件，该板状元件在其一个至两个表面上设置有或者能够设置金属层(金属部)。这种情况下，“陶瓷基底S的表面”优选的是板状元件的至少一个侧面，其尺寸比板状元件的至少一个其他侧面更大。

陶瓷基底可以例如是由氧化铝、氮化铝、氮化硅或碳化硅制成的基底。同样适合作为陶瓷基底的是例如含约2％至30％的氧化锆(ZrO₂)的氧化铝陶瓷(Al₂O₃)，或者是例如以氧化钇作为添加剂的氮化铝陶瓷，又或者是氮化硅陶瓷，其中氮化铝陶瓷和/或氮化硅陶瓷例如具有氧化的表面层，例如由氧化铝制成的表面层。陶瓷基底的厚度优选的在0.2mm至1.5mm之间。

本发明中，“金属层M”优选的是一种基本上其横向延伸至少等于其垂直延伸的元素。这里的“横向”和“垂直”都是相对于陶瓷基底S而言的。

这种金属层包括例如由铜、铜合金、或含铜的合金，或者是由铝、铝合金或含铝的合金制成的金属膜或金属片。

根据本发明的复合材料包括陶瓷基底S，该陶瓷基底S在其至少一个表面上具有金属层M。该金属层M基本上具有相对于陶瓷基底的垂直方向上的层厚度h(参见图1)。

本发明中的有关“基本上”的表述优选地意味着各精确值的偏差在+/-10％，优选的在+/-5％和/或是对所述功能而言无关紧要的偏差。特别是，还包括了层厚度h基本上在金属层M的有限范围内，并且朝外缘L的方向减少的情况(例如金属层M在相对于陶瓷基底S的垂直方向上基本呈半球形状，其中h与所述半球的半径相一致)。

优选的，h为10至950μm，更优选的是100至600μm，特别优选的是300至400μm。

此外，金属层M具有外缘L，该外缘L代表金属层M在相对于陶瓷基底的横向方向上的形状(参见图2)。外缘L因此在横向上限制了金属层M的金属的相位以及空气的相位。金属层M的形状基本上指的是金属层M在陶瓷基底S上的形状设计。外缘L在金属层的整个高度上h延伸。然而，本发明在限定的高度h的情况下，在金属层M的外缘L的轮廓上设置金属层M的形状。优选的，高度h设置为使外缘L的轮廓的线路距离最长的高度。由此，金属层在相对于陶瓷基底的横向方向上的形状是二维图像，其例如通过金属层M的照明作为阴影获得，其中光源相对于陶瓷层S垂直地对准(由此光源与金属层垂直，并与h平行)(不过此处不考虑实际的尺寸，例如球形产生圆形的阴影，该阴影具有球形的直径，从而能够测量球形高度与球形半径相一致的情况下的形状)。优选的，外缘L大于层厚度h。同样优选的，金属层M的外缘L在相对于陶瓷基底的垂直方向上的轮廓在h＝0时大于h＝h时的外缘L的轮廓。由此，外缘L的轮廓的线路距离在相对于陶瓷基底S垂直的方向上随着层厚度h的增加而减少。此外，侧翼F的走向优选的是凹形的。同样优选的是，侧翼F的走向是凸形的。

另外，金属层M在相对于陶瓷基底的垂直方向上还具有金属层M的外缘L的侧翼F。侧翼F连接层厚度h＝0时的外缘L与层厚度h＝h时的外缘L。根据本发明，侧翼F的走向也是有形状的。侧翼F在相对于陶瓷基底的垂直方向上的走向是h＝0到h＝h之间的区段，其例如通过金属层M的照明作为阴影获得，其中光源相对于陶瓷层S横向地对准(由此光源与金属层横向对准，并与h成直角)(不过此处不考虑实际的尺寸；例如在外缘L的轮廓当h＝0时大于当h＝h时的轮廓的情况下(参见图1)，能够产生与曲线类似的阴影(例如抛物线)。

根据本发明，金属层M的外缘的侧翼F在相对陶瓷基底的垂直方向上的走向在线路距离至少为10μm的任意区域中能够通过连续可微函数表示，其中该连续可微函数并非直线(f(x)＝mx+b)。同样的，根据本发明，金属层M的外缘L的在相对陶瓷基底的横向方向上的轮廓在线路距离至少为10μm的任意区域中能够通过连续可微函数表示，其中该连续可微函数并非直线(f(x)＝mx+b)。

本发明谈及线路距离至少为10μm的任意区域。这种区域可以是位于外缘L上和/或是侧翼F上的任意区域。这种区域要么相对陶瓷基底S垂直地走向，紧贴侧翼F的走向；要么相对陶瓷基底S横向地走向，紧贴外缘L的轮廓。这种情况下所考虑的线路距离至少为10μm，优选的至少15μm，特别优选的至少20μm，尤其特别优选的至少25μm。该区域明显表明，现有技术的金属层例如由其制造工艺的条件所限，具有在布局中包含的“边角”或边缘的轻微的磨圆，而不具有能够通过连续可微函数表示的外缘的轮廓。这些已知的金属层至少在本发明所说的区域中(并非在任意区域中)还包括边角，边缘和/或直线。因此这些设计方案无法满足本发明的要求，即金属层M的外缘的侧翼F在相对陶瓷基底的垂直方向上的走向和/或金属层的外缘L的在相对陶瓷基底的横向方向上的轮廓在其线路距离至少为10μm的任意区域中能够通过连续可微函数表示，其中该函数并非直线(f(x)＝mx+b)。

特别优选的是通过在光学显微镜中拍摄金相显微图片并对其进行评估来测量所述任意区域。同样优选的是，通过在电子扫描显微镜中观察样品并拍照来测量所述任意区域。所述线路距离至少为10μm的任意区域被以这种方式解体，即10μm相当于至少1cm，优选的至少1.5cm，特别优选的至少2cm。

本领域技术人员已知连续可微函数。连续可微的意思是函数可微，且其导数连续。尤其是，绝对值函数f(x)＝│x│是不连续可微的。同样的，所有具有“弯折部”(即边角和/或边缘)的函数也是不连续可微的。根据本发明，由于它们不能通过连续可微函数表示，因此排除了具有边角的侧翼F的走向和/或外缘L的轮廓。

根据本发明，能够使用不含直线的所有连续可微函数。但优选的是，能够表示侧翼F的走向和/或外缘L的轮廓的函数从抛物线函数、e函数、三角函数、样条函数、贝塞尔曲线、NURBS和高阶数学方程构成的组中选择。尤其优选的是，能够表示侧翼F的走向和/或外缘L的轮廓的函数是高阶抛物线函数。尤其特别优选的是，能够表示侧翼F的走向和外缘L的轮廓的函数是高阶抛物线函数。

令人惊喜的是发现，通过使用在相对陶瓷基底的横向方向或垂直方向上的轮廓，或者是在相对陶瓷基底的横向方向以及垂直方向上的轮廓，能够减少金属层M和陶瓷基底S之间的垂直的和横向的应力奇异性。功能性在这种情况下不受损。根据本发明的复合材料在金属层和陶瓷基底的接触区域内仅发生金属层的弹性变形。优选的，不超过金属(优选为铜)的屈服点。由此能够获得使用寿命长的复合材料，特别是比现有技术中的复合材料在高热循环的情况下具有更长的使用寿命的复合材料。

根据本发明，由于排除了直线走向的情况，侧翼F的走向的线路距离总是比h长。优选的，侧翼F的走向的线路距离比h至少长1.1至20倍，尤其优选的长1.1至15倍，特别优选的长1.1至10倍。

布局(Layout)

本领域技术人员已知在陶瓷基底上的导体电路的设计和方案。本发明提供一种在陶瓷基底S上的导体电路的布局，其中导体电路由至少一个金属层M组成，金属层M基本上在相对陶瓷基底S的垂直方向上具有层厚度h，并且金属层M在相对于陶瓷基底的横向方向上的形状由金属层M的外缘L的走向限制，其中该布局仅包括金属层M的外缘在相对陶瓷基底的垂直方向上的侧翼F的走向和/或金属层的外缘L在相对陶瓷基底的横向方向上的轮廓，所述走向和/或轮廓能够在线路距离至少为10μm的任意区域中通过连续可微函数表示，其中侧翼F从h＝0处延伸至h＝h处，且该连续可微函数并非直线(f(x)＝mx+b)。因此，根据本发明的布局服务于生产本发明的复合材料。所有关于本发明的复合材料的优选条件都同样适用于根据本发明的布局。

例如，图3中示出了与现有技术的的布局相比较的本发明的布局。优选的是，本发明的布局构想为，连续可微函数轻易地包括或排除计划的(如现有技术中，呈直角的)区域。这种情况下，将不同的函数排列为在过渡点处具有相同的斜度。由此在本实施例中确保了，金属层M的外缘的侧翼F在相对陶瓷基底的垂直方向上的走向以及金属层的外缘L的在相对陶瓷基底的横向方向上的轮廓能够在各任意区域中通过连续可微函数表示(不含直线)。

特别优选的是，本发明的布局在横向区域上具有骨状(骨骺状)的形状，而现有技术中横向区域上是有边角的。

本发明的主题还包括对本发明的布局设计的应用，以制造用于控制高电压或电流的功率模块的电路板。根据本发明，“高电压”优选地指的是1000V至30000V的电压，尤其优选的是1250V至25000V的电压，尤其特别优选的是1500V至20000V的电压。本发明技术人员已知功率模块。这种情况下，首先指的是根据耗电器的要求或发电器的供应，将电能的现有状态转变为其他状态的电器，例如将高电压转变为低电压，并且同时将高变频转变为低变频。转变电能的任务优选的由风力发电器(变化的风载荷导致不断变化的电力参数)、太阳能场、房屋用机械控制系统或分配系统中的功率模块来解决。

方法

本发明的主题还涉及一种用于生产至少一种包括陶瓷基底S上的导体电路的复合材料的方法，其中导体电路由至少一个金属层M组成，金属层M基本上具有相对于陶瓷基底S的垂直方向上的层厚度h，并且金属层M在相对于陶瓷基底的横向方向上的形状由金属层M的外缘L的走向限制，所述方法包括以下步骤：

(1)提供陶瓷基底S和金属，所述金属构成金属层M，并且

(2)根据本发明的布局，将所述金属施加到所述陶瓷基底S上，以获得至少一个金属层M。

这里，所有上述提及的优选条件都同样适用于本发明的方法。

在一种实施方式中，通过蚀刻工艺实现方法步骤(2)。这种情况下，尤其使用本领域技术人员已知的方法将光敏的、特别是紫外线敏感的光刻胶喷射在金属层上。首先使用本领域技术人员已知的方法将金属层施加到陶瓷基底S上，优选的使用“直接覆铜法”。借助光掩模，将光刻胶层优选的以如下方式曝光在自动曝光装置中，即保持导体电路的位置没有灯光，而没有导体电路的位置则暴露在紫外光里。这种情况下，光掩模至少在相对于陶瓷基底的横向上具有根据本发明的布局。冲洗时，将曝光位置上的光刻胶去除。在接下来的蚀刻工艺中，仅去除不被光刻胶保护的位置上的金属。通过蚀刻工艺实现了本发明的在相对于陶瓷基底的垂直延伸上的布局。由此，当考虑到金属层M的外缘在相对于陶瓷基底的垂直方向上的侧翼F的走向以及金属层的外缘L在相对于陶瓷基底的横向方向上的轮廓，金属层就成为了本发明的金属层M。否则，金属层仅在上述步骤的其中一步时就成为了根据本发明的金属层M(金属层的垂直方向或横向上的造型设计)。优选的，通过多个蚀刻步骤形成垂直方向上的布局。尤其是，通过比现有技术更早地停止蚀刻工艺，能够实现本发明的侧翼F的走向。特别是，随后还能够采取蚀刻步骤，以形成根据本发明的侧翼F。

在另一实施方式中，通过冲压步骤和/或压印步骤实施方法步骤(2)。这种情况下，首先将金属片暴露给冲压工具和/或压印工具，由此将根据本发明的侧翼F在相对于陶瓷基底的垂直方向上的走向和/或外缘L在相对于陶瓷基底的横向方向上的轮廓转化到金属层上。通过这种方法，金属片成为了本发明的金属层M。

在本实施方式中，接下来将形成的金属层M施加到陶瓷基底S上。这通过使用本领域技术人员已知的方法来完成。优选的，借助“直接覆铜法”将获得的金属层M施加到陶瓷基底S上。

相应的，本发明提供一种用于生产至少一个在陶瓷基底S上的导体电路的冲压工具和/或压印工具，其中导体电路由至少一个金属层M组成，其特征在于，所述冲压工具和/或压印工具设计为，通过所述冲压工具和/或压印工具进行冲压和/或压印将根据本发明的布局设置到金属层M上。由此，该冲压工具和/或压印工具具有与本发明的布局相反的形状。它包括金属层M制成的导体电路各相对于陶瓷基底S的横向延伸的信息以及/或者垂直延伸的信息。本领域技术人员已知一般的冲压工具和/或压印工具的形状或造型设计。接下来，将压制获得的导体电路施加到陶瓷基底S上，以获得本发明的复合材料。

电路板

本发明的主题还包括包括根据本发明的复合材料的电路板。这种情况下，本发明的复合材料能够用于上述所有设计方案中。

参考标记列表

S陶瓷基底

M金属层

h金属层的层厚度

L金属层的外缘(相对于陶瓷基底的横向方向)

F金属层外缘的侧翼(相对于陶瓷基底的垂直方向)

附图说明

图1示意性地示出了包括陶瓷基底S上的金属层M的复合材料，其中所述层与陶瓷基底的横向延伸平行。所述金属层M具有在全部示出区域中均等的层厚度h。侧翼F从h＝0处延伸至h＝h处。这里，侧翼构造为凹形并且能够通过抛物线函数描绘；

图2示意性地示出了包括在陶瓷基底S上的金属层M的复合材料，其中所述层与陶瓷基底的垂直延伸平行(俯视图)。所述金属层M具有外缘L,该外缘L例如通过投影到陶瓷基底S上可见。这里，外缘L的轮廓能够通过多个函数表示(左侧区域呈骨状，右侧区域呈抛物线状)，其中函数在各个点上的过渡调整为各斜度相同；

图3示出了现有技术的导体电路的布局(虚线)以及相应的根据本发明的导体电路的布局(实线)的对比；

图4示出了实施例中计算出的导体电路端部的造型设计(分别以俯视图及截面图示出)：

(a)在横向方向上呈两个直角，且在垂直方向上有垂直的侧翼；

(b)在横向方向上呈2mm的曲线，且在垂直方向上有垂直的侧翼；

(c)在横向方向上呈两个直角，且在垂直方向上有呈45°斜度的倾斜面作为侧翼；

(d)在横向方向上呈抛物线状，且在垂直方向上具有如图1中示意性示出的抛物线状的侧翼。

具体实施方式

在四个不同的实施方式中，根据有限元方法分析在制造工艺的降温400K的冷却步骤后的陶瓷基底上的铜条的塑性延伸和内应力。

所有实施方式都首先在第一步骤中达到最大制造温度Tmax，在无应力标准温度设置为420℃的情况下，铜在温度达到Tmax起(热膨胀系数：17.3*10^-6 1/K；弹性模量125*109Pa；泊松比：0.35；流动应力起算值：50MPa：各向同性切线模量:500MPa)粘附在陶瓷基底(Al2O3；热膨胀系数：8.5*10^-6 1/K；弹性模量390*109Pa；泊松比：0.23)上。接着，所述化合物降温400K，冷却至室温(20℃)，其中各部件因不同的热膨胀系数而相互绷紧。这种情况下，温度分布仍然在任何时刻都是均匀的(无部分冷却)。这时计算导体电路边缘区域的铜材料的塑性流动。为此应用几何非线性的静态有限元分析法。不使用任何固定和外力(部件能够自由成型)。在各边界处具有对称限制。

以下表1中示出所检验的造型设计方式：

表1：所检验的铜条的造型设计方式；以铜条的端部作为观察对象(形状也可参见图4)

为了保障结果的可对照性，选取边缘区域(塑化区域)的恒定的最小元素尺寸。使用15.0版程序以计算。单位系统则使用了公制尺寸t、mm、s；并且借助有限元进行离散化。体积成分与体积元素通过平方位移方法连接。

检验了张应力和推力。图3中总结了相关结果。

图3：结果(接触结果)

这些结果清楚地表明，在造型设计4中，铜的负载最低(超过铜在50MPa情况下的流变极限值越多，截断的可能性越高)。造型设计4甚至示出，负载低于铜的流变极限值，使得仅发生铜的弹性变形。

与此相反，造型设计1和造型设计3示出的值明显比较不利。