专利名称：制造金属/陶瓷连接基片的方法
技术领域：
本发明一般涉及制造金属/陶瓷连接基片的方法。更具体来说，本发明涉及用来制造金属/陶瓷连接基片的方法，在此方法中，通过对注入放置有陶瓷基片的模具内的铝或铝合金的熔融金属进行冷却和固化，将铝或铝合金的金属部件与陶瓷集材连接。
背景技术：
在用来控制电动车辆、有轨电车、机器装置等的强大电流的常规电力组件中，通过焊接将金属/陶瓷绝缘基片固定在被称为基板的金属板或复合材料(compound material)的一面上，并通过焊接将半导体芯片固定在该金属/陶瓷绝缘基片上。使用螺丝，通过热导性油脂将金属的辐射散热片或冷却套安装在极板的另一面(反面)上。
由于所述基板和半导体芯片与金属/陶瓷绝缘基片之间的焊接是通过加热来进行的，所以在焊接过程中，很容易由于连接部件之间的热膨胀系数的差异造成基板弯曲。另外，半导体芯片产生的热量通过金属/陶瓷绝缘基片、焊料和基板，经由辐射散热片耗散，或者经由冷却套散入空气中或水中。因此，如果基板在焊接过程中弯曲，当所述辐射散热片或冷却套安装在基板上时，则它们之间的间隙会增大，使得极板的散热特性极度变差。另外，由于焊料本身的热导率很低，人们需要可流过强大电流的电力组件具有更高的散热特性。为了解决这些问题，人们提出了一种金属/陶瓷电路板，其中铝或铝合金的基板直接与陶瓷基片连接，而不需要在基板和金属/陶瓷绝缘基片之间进行焊接(例如参见日本专利公开公报第2002-76551号)。人们提出了一种模具，作为用来制造这种金属/陶瓷连接基片的模具，该模具中形成了一个用来形成基板的空腔(基板形成部分)，该空腔的底面具有多个凹陷的部分(陶瓷基片容纳部分)，用来将陶瓷基片容纳在其中，每个凹陷部分的底面都有一个凹陷部分(用于电路图案的金属板形成部分)，用来形成金属板，以便形成电路图案(例如参见日本专利公开公报第2005-74434号)。
然而，如果金属/陶瓷连接基片是使用这种模具制造的，在此模具中形成了对应于用来与陶瓷基片相连接的金属板(用于电路图案的基板或金属板)的形状和尺寸的空腔或凹陷部分，当将熔融金属注入模具中之后，通过冷却模具使熔融的金属铝或铝合金固化时，在一些情况下，所提供的熔融金属量不足，固化和收缩时容易在制得的金属/陶瓷连接基片的铝或铝合金金属部件中形成所谓的“收缩空腔”和/或“空穴”，使得金属部件具有不希望出现的形状，这会降低金属/陶瓷连接基片的可靠性。例如，在许多情况下，如果基板与陶瓷基片相连接，基板的边角部分会比所需的形状更圆，或者如果具有散热片的基板与陶瓷基片相连接，散热片的边角部分比所需的形状更圆。另外，如果金属部件由铝合金制成，在一些情况下，在冷却过程中会在金属部件中形成热裂纹，从而降低金属/陶瓷连接基片的可靠性。
发明内容
因此本发明的一个目的是消除上述问题，以及提供用来制造金属/陶瓷连接基片的方法，这可防止形成收缩空腔和空穴之类的缺陷，以便制得可靠的金属/陶瓷连接基片，在所述方法中，首先将陶瓷基片置于模具中，然后通过一个入口将熔融的铝或铝合金金属注入该模具中，使熔融金属与陶瓷基片相接触，然后通过冷却该模具，使熔融金属固化，从而使铝或铝合金的金属部件与陶瓷基片相连接，以制造金属/陶瓷连接基片。
为了完成上述目的和其它的目的，本发明人进行了努力的研究，发现通过以下方法可以防止产生收缩空腔和空穴之类的缺陷，以制备可靠的金属/陶瓷连接基片首先将陶瓷基片置于模具中，然后通过一个入口将铝或铝合金的熔融金属注入该模具内，使熔融金属与陶瓷基片相接触，然后通过冷却模具使熔融金属固化，以使铝或铝合金的金属部件与陶瓷基片连接，从而制造金属/陶瓷连接基片，其中在对模具进行冷却，以使得铝或铝合金固化的同时，对注入该模具内的熔融金属施加压力。从而，本发明人完成了本发明。
根据本发明的一个方面，提供了一种用来制造金属/陶瓷连接基片的方法，该方法包括以下步骤将陶瓷基片置于具有一个入口的模具中；将铝或铝合金的熔融金属从该入口注入该模具中，使得熔融金属与陶瓷基片相接触；通过对注入模具内的熔融金属加压的同时冷却模具使熔融金属固化，将铝或铝合金的金属部件与陶瓷基片相连接。
在此用来制造金属/陶瓷基片的方法中，所述熔融金属优选通过以下方式进行固化通过冷却模具的一部分，在模具中形成高温侧和低温侧，在从高温侧向低温侧对熔融金属施加压力的同时，对模具进行冷却。或者，所述熔融金属优选通过以下方式固化冷却模具，使得模具中的入口侧为高温侧，与入口相对的一侧(远离入口的一侧，例如当入口形成在模具的上侧的时候，相对侧即为模具的底侧)为低温侧，低温侧上的温度低于高温侧上的温度，在从高温侧向低温侧对熔融金属施加压力的同时，对模具进行冷却。在对模具进行冷却的时候，优选对熔融金属施加1.0-100千帕的压力。较佳的是，注入模具的熔融金属的温度比熔融金属的液相线温度高5-200℃。较佳的是，在将所述熔融温度从其液相线温度冷却至450℃的时候，平均冷却速率为5-100℃/分钟。当对模具进行冷却的时候，优选的是在模具中形成1-50℃/分钟的温度梯度。在将熔融金属注入模具中之前，优选对模具进行加热，使得模具和熔融金属之间的温度差不高于250℃。可以从入口或形成于模具中的开口对熔融金属施加压力。所述铝合金优选包含硅。
根据本发明，可以通过以下方法防止产生收缩空腔和空穴之类的缺陷，以制备可靠的金属/陶瓷连接基片首先将陶瓷基片置于模具中，然后通过一个入口将铝或铝合金的熔融金属注入该模具内，使熔融金属与陶瓷基片相接触，然后通过冷却模具使熔融金属固化，以使铝或铝合金的金属部件与陶瓷基片连接，从而制造金属/陶瓷连接基片。
附图简述通过以下对本发明优选实施方式的详述和附图，可以更充分地理解本发明。然而，本发明并不限于这些附图所示的实施方式，这些附图仅是用来帮助解释和理解的。
在附图中
图1是在实施例和比较实施例中制得的金属/陶瓷电路板的平面图；图2是沿图1的直线II-II的截面图；图3是根据本发明制造金属/陶瓷连接基片的方法的优选实施方式中所用的模具的截面图。
优选实施方式在用来制造本发明的金属/陶瓷连接基片的方法的优选实施方式中，首先将陶瓷基片设置于模具中，然后通过一个入口将铝或铝合金的熔融金属注入该模具内，使熔融金属与陶瓷基片相接触，然后通过冷却模具使熔融金属固化，以使铝或铝合金的金属部件与陶瓷基片连接，制造金属/陶瓷连接基片；在该方法中，在对模具进行冷却，以使得铝或铝合金固化的同时，对注入该模具内的熔融金属施加压力。
以此优选实施方式制造金属/陶瓷连接基片的方法中，在冷却模具的过程中对熔融金属加压是通过以下方式进行的通过气体加压喷嘴将氮气等吹入入口内(或冒口(feeder head)的开口内)，或者通过将活塞插入入口内(或冒口的开口内)，从而将熔融金属推入模具内。或者在将熔融金属注入模具的过程中对熔融金属施加的压力可以一直保持，或者在将熔融金属注入模具之后，一度消除该压力，然后当对模具进行冷却，以固化熔融金属的时候，再对熔融金属施加压力。
所述熔融金属优选通过以下方式进行固化通过冷却模具的一部分，形成较高温度侧(高温区域侧)和较低温度侧(低温区域侧)，从高温侧向低温侧对所述熔融金属施加压力的同时，对模具进行冷却。或者，所述熔融金属优选通过以下方式固化通过冷却模具，使得模具中的入口侧为高温侧，与入口相对的一侧为低温侧，在从高温侧向低温侧对所述注入模具的熔融金属施加压力的同时，对模具进行冷却。在对模具进行冷却的时候，如果从高温侧向低温侧对熔融金属加压，即如果沿与固化方向相反的方向对熔融金属施加压力，将高温侧上的熔融金属的未固化部分平稳地输送到在低温侧上固化的熔融金属的收缩部分，最终就可以制得不存在收缩空腔的金属/陶瓷连接基片。如果对模具进行冷却，使得模具中的入口侧为高温侧，模具中与入口侧相对的一侧为低温侧，低温侧上的温度低于入口侧上的温度，则可以简化用来制造金属/陶瓷连接基片的模具和设备的结构。另外，所述熔融金属可以从入口加压，或者除了该入口以外，从形成于模具中的开口加压。
施加在熔融金属上的压力优选为1.0-100千帕，更优选为3-80千帕，最优选为5-30千帕。如果该压力小于1.0千帕，则加压的效果过小，很容易产生收缩空腔和空穴之类的内部缺陷。如果压力超过100千帕，则该压力过高，使其很容易产生收缩空腔和空穴之类的内部缺陷。具体来说，当模具包括多个部件的时候，如果对熔融金属施加的压力超过100千帕，在一些情况下会使得熔融金属从模具之间的间隙或空隙或者从模具与加压装置接触的部分漏出。如果从模具漏出的熔融金属的量很大，则与陶瓷基片连接的金属的量不足，使得很容易产生收缩空腔和空穴之类的内部缺陷。为了增大施加在熔融金属上的压力，以防止熔融金属从模具中漏出，需要增大模具和压力装置的各部件的强度，和/或需要改进模具部件之间的粘着性以及模具和加压装置之间的粘着性。因此，提高了成本，并且有可能由于过高的压力造成陶瓷基片的破坏。另外，上述施加在熔融金属上的压力意味着一个压力加上大气压的数值，而不是绝对压力(绝对真空为0千帕)。
所述注入模具的熔融金属的温度优选比铝或铝合金的液相线温度高5-200℃，更优选比铝或铝合金的液相线温度高20-200℃。当熔融金属的温度低于比液相线温度高5℃的温度时，即使对模具进行加热和/或对熔融金属加压以将熔融金属推入模具，熔融金属的流动仍然很差。具体来说，在金属部件的精细部分(例如用于电路图案的金属板或基板)中容易产生缺陷。另一方面，当熔融金属的温度高于比液相线温度高200℃的温度时，会造成剧烈的氧化，或者会吸收氢气，因此有一定的造成内部缺陷的可能性。另外，有可能铝或铝合金与模具反应，从而与模具连接起来。
当对模具进行冷却的时候，在将熔融金属从其液相线温度冷却至450℃时，平均冷却速率优选为5-100℃/分钟，更优选为10-50℃/分钟，最优选为15-35℃/分钟。如果在将熔融金属从液相线温度冷却至450℃的时候对平均冷却速率进行这样的控制，可以对金属/陶瓷连接基片的翘曲进行控制，还可控制铝或铝合金的金属部件与陶瓷基片之间的热应力。如果平均冷却速率小于5℃/分钟，在一些情况下，铝或铝合金的晶粒尺寸会显著增大。特别是对于铝合金，在一些情况下，铝合金会过量沉积和/或产生热裂纹，使得产率很低。另一方面，如果平均冷却速率大于100℃/分钟，在一些情况下，由于热冲击造成的热应力，在陶瓷基片中会产生裂纹。另外，不存在铝或铝合金蠕变的空间，使得在一些情况下，金属部件会由于无法吸收热膨胀差异造成的形变而产生巨大的翘曲。
当对模具进行冷却的时候，模具中形成的温度梯度优选为1-50℃/厘米，更优选为2-30℃/厘米，最优选为2-15℃/厘米。如果温度梯度小于1℃/厘米，将很难控制固化过程中的成核现象，使得到处产生晶核，造成固化和收缩，熔融金属的输送通道被固化的金属堵塞，很容易形成收缩空腔和空穴。如果温度梯度超过50℃/厘米，则在固化过程中，晶核的生长将优于成核，因此很容易形成沿热流方向延伸的粗糙晶粒，形成具有低热循环抗性的金属陶瓷连接基片。另外，如果温度梯度超过50℃/厘米，则与陶瓷基片连接的铝或铝合金金属部件的高温侧和低温侧之间的特征(例如热收缩和强度)会有很大的差异，因此与金属部件连接的陶瓷基片有可能被破坏。另外，如果如上所述对熔融金属进行加压，有可能减小内部缺陷，例如收缩空腔和空穴，即使在较低温度梯度的区域也是如此。
另外，为了在控制冷却速率和温度梯度的同时对模具进行冷却，所述模具可以在存在温度梯度的气氛中进行冷却，或者可以用冷却气体对模具进行选择性喷射，对冷却气体的流速和温度进行控制。或者可以使模具与冷却套选择性地接触，或者可以使模具在冷却板上滑动。另外，可以使模具的厚度和材料发生局部改变，以部分地改变模具的散热特征，或者可以在注入熔融金属之前、或者在对模具进行冷却之前，先在模具中形成所需的温度梯度，然后对整个模具进行冷却。这些冷却方法可以组合使用。
所述陶瓷基片可以是氧化铝之类的氧化物陶瓷基片，或者是氮化铝或氮化硅之类的非氧化物陶瓷基片。
当使用铝金属部件的时候，可使用纯度为99.7％、99.9％或99.99％的纯铝。当使用铝合金金属部件的时候，可使用铝-硅合金或铝-铜合金。
优选使用包含硼的铝-硅-硼合金(Al-Si-B)作为铝-硅合金。硼具有减小铝-硅合金的晶粒尺寸、分散硅、防止铝-硅合金产生热裂纹的功能。另外，基于所述铝合金金属部件的热导率和电导率、其晶粒尺寸的控制、熔融金属的可流动性、铝合金的硬度、成本等，所述铝-硅-硼合金中的硅含量优选为0.1-1.5重量％，更优选为0.2-1.0重量％，所述铝-硅-硼合金中的硼含量优选为0.01-0.5重量％，更优选为0.02-0.1重量％。
另外，可以向所述铝-硅-硼合金中加入铁。当铝-硅-硼合金固化的时候，铁具有防止铝和硼的化合物沉积的功能。由于铝-硼化合物不会通过常规的蚀刻方法除去，因此铝-硼化合物残留在陶瓷基片上，该铝-硼化合物在随后的镀覆处理中被镀覆，从而使铝合金金属电路之间的绝缘性能变差。另外，向铝-硅-硼合金中加入的铁的量优选为0.005-0.2重量％，更优选为0.005-0.1重量％，以抑制铝-硼化合物的分解，以及相对地减小铝合金金属部件的热导率、电导率和硬度的变化。
例如，可使用图3所示的模具100作为一种方法的优选实施方式中所用模具的一个例子，用于制造根据本发明的金属/陶瓷连接基片。该模具100包括下部模具部件102，还包括用作封闭该下部模具部件102的盖子的基本为板形的上部模具部件102。所述下部模具部件102的底面具有用来形成基板的空腔106(基板形成部分)。所述空腔106的底面具有多个凹陷部分(陶瓷基片容纳部分)108，用来在其中容纳陶瓷基片。各凹陷部分108的底面具有用来形成用于电路图案的金属板的凹陷部分(用于电路图案的金属板形成部分)110。所述上部模具部件104具有用来将熔融金属注入模具100中的入口112，加压装置(未显示)可以与该入口112紧密接触，从而对熔融金属加压。另外，所述下部模具部件102具有熔融金属通道(未显示)，该通道在基板形成部分106和用于电路图案的金属板形成部分110之间延伸，用来在基板形成部分106和用于电路图案的金属板形成部分110之间建立连通，哪怕陶瓷基片被容纳在陶瓷基片容纳部分108中。所述入口112可作为用于冒口的开口，以防产生收缩空腔，或者模具110除了该入口112以外，还可具有用于冒口的开口(未显示)。
该模具优选是碳制模具，这种模具比金属制模头更难与铝或铝合金的熔融金属反应。具体来说，所述模具优选是碳制多孔模具，使得在对熔融金属加压的时候，如果在模具和熔融金属之间残留有气体，则这些残余气体可以通过模具，而熔融金属则不能通过模具，使得模具中的熔融金属可以很容易地到达模具的端部。
在将铝或铝合金的熔融金属注入模具之前，可以通过对模具进行预先加热，使得模具与熔融金属之间的温度差等于或小于250℃，优选等于或小于150℃，更优选等于或小于50℃，以减小注入熔融金属的过程中产生的热冲击。如果该温度差大于250℃，熔融金属的流动性将很差，会很容易产生收缩空腔和空穴。另外，从模具与铝或铝合金反应造成的模具损耗和/或由于冷却模具所耗时间造成的生产率降低等方面来看，所述被加热模具的温度优选等于或低于800℃，更优选等于或低于750℃。
对加热炉中的气氛进行控制，使得加热炉中的氧气浓度优选等于或小于100ppm，更优选等于或小于10ppm。如果加热炉中氧气的浓度过高，在一些情况下熔融金属会被氧化，增大其表面张力，影响熔融金属的流动和湿润性，当使用碳制模具的时候，模具的寿命会由于氧化和损耗而缩短。另外，加热炉中的气氛优选为氮气，可以为氩气气氛、还原性气氛或真空。
由于在水平的板材上形成薄电路的时候，空腔造成的冒口的影响很小，因此，根据本发明用来制造金属/陶瓷连接基片的方法的优选实施方式优选在以下的情况下实施厚度等于或小于1毫米的铝或铝合金电路形成于陶瓷基片之类的水平板材上。
下面将详细描述根据本发明用来制造金属/陶瓷连接基片的方法的实施例。
实施例实施例1首先制备了碳制模具，该模具中形成了用来形成尺寸为100毫米×150毫米×5毫米的基板的空腔(基板形成部分)，该空腔的底面具有三个凹陷部分(陶瓷基片容纳部分)，每个凹陷部分用来在其中容纳尺寸为30毫米×60毫米×0.6毫米的陶瓷基片，每个凹陷部分的底面上具有用来形成尺寸为27毫米×57毫米×0.4毫米的用于电路图案的金属板的凹陷部分(用于电路图案的金属板形成部分)。该模具具有用来将熔融金属注入模具的入口，还具有熔融金属通道，该通道在基板形成部分和用于电路图案的金属板形成部分之间延伸，用来在用于电路图案的金属板形成部分和基板形成部分之间建立连接，哪怕有陶瓷基片容纳在所述陶瓷基片容纳部分中。
然后将三个尺寸为30毫米×60毫米×0.6毫米的氮化铝基片容纳在所述模具的陶瓷基片容纳部分中，将模具放入加热炉中。加热炉中的气氛为氮气气氛，氧气的浓度减小到4ppm，通过控制加热器的温度，将模具加热至730℃。
另外，预先计量出通过将包含0.4重量％的硅、0.04重量％的硼和0.01重量％的铁的铝合金加热至740℃(该温度比铝合金的液相线温度657℃高83℃)制得熔融的铝合金，将其注入被加热的模具中，同时除去氧化膜并使用单体施加10千帕的压力。
然后使所述模具中与入口相对的一侧与水冷套或作为冷却块的铜接触，从气体加压喷嘴向入口吹入氮气，使得模具中的熔融铝合金在受到从高温侧向低温侧的10千帕的压力的同时进行冷却和固化。另外，在从657℃(该铝合金的液相线温度)冷却至450℃的时候，平均冷却速率为22℃/分钟。在冷却过程中，通过在控制加热器温度的同时改变冷却块与模具的接触面积，将温度梯度调节到5℃/厘米。
因此，制得了金属/陶瓷连接制品，其中三个尺寸为30毫米×60毫米×0.6毫米的氮化铝基片与尺寸为100毫米×150毫米×5毫米的铝合金基板相连接，尺寸为27毫米×57毫米×0.4毫米的用于电路图案的铝合金板与各个氮化铝基片相连接。
这样制得的金属/陶瓷连接制品是极佳的连接制品，其表面上和内部没有收缩空腔和空穴，铝合金基板的各边角部分的横截面具有R等于或小于0.1毫米的所需的形状，铝合金基板的翘曲很小，铝合金基板在纵向的最大翘曲为0.3毫米。用于电路图案的铝合金板表面上的平均晶粒尺寸为0.2-0.3毫米。
然后，对这样制得的金属/陶瓷连接制品中与陶瓷基片连接的用于电路图案的铝合金板的表面进行抛光。然后，通过丝网印刷机在用于电路图案的铝合金板上形成具有预定形状的抗蚀剂，使用氯化铁进行蚀刻。从而如图1所示，制得了电路板，其中三个陶瓷基片12与铝合金基板10连接，铝合金电路板14与各陶瓷基片12连接，使得电路图案之间的距离为1.2毫米。通过500倍的光学显微镜对通过蚀刻溶去了铝合金的陶瓷基片12的一部分表面进行观察，证实了粗沉淀物之类的残余材料的量很少。
然后通过无电镀敷，在这样制得的电路板的铝合金电路板14上形成厚度为3微米的镍-磷涂层。通过胶带剥离测试来评价镀敷的部分的粘着性，结果粘着性良好。由于蚀刻之后陶瓷基材12表面上的残余金属量很少，在残余材料上几乎观察不到镀敷沉积的部分，未观察到电路图案之间的耐压降低。假定某交流电压是电路图案之间的耐压，当在电路图案之间逐渐施加交流电压至引起电击穿(漏电流为5毫安)时，则电路图案之间的耐压不低于1.4千伏。
所述电路板的铝合金电路板14的体积电阻率小于3μQ·厘米，因此其电导性良好。在通过1000次重复的热循环进行热循环测试之后，陶瓷基材中没有产生裂纹，绝缘性能之类的电性能良好，在每次热循环中，电路板在125℃的高温中保持30分钟，然后在-40℃的低温中保持30分钟。
实施例2依照与实施例1相同的方法制造了金属/陶瓷连接制品，其不同之处在于，在冷却过程中对熔融铝合金施加的压力为1千帕。对制得的制品进行了与实施例1相同的评价，获得了与实施例1相同的结果，不同之处在于，所述铝合金基板各边角部分横截面的R＝0.2毫米(这在实际中不会造成问题)。
实施例3-5通过与实施例1相同的方法制造了金属/陶瓷连接制品，其不同之处在于，在冷却过程中施加的压力分别为5千帕(实施例3)、30千帕(实施例4)和90千帕(实施例5)。对制得的制品进行了与实施例1相同的评价，获得了与实施例1相同的结果。另外，在实施例5中，熔融的铝合金略微地从气体加压喷嘴和模具之间的间隙漏出，但是这不会造成问题。
实施例6通过与实施例1相同的方法制造了金属/陶瓷连接制品，其不同之处在于，使用了能够形成与铝合金基板的反面结合为一体的梳形散热片的模具，所述梳形散热片的高度为10毫米，宽度为3毫米，长度为120毫米，以6毫米的间隔排列。在此制品中，所述散热片两个端部的各边角部分的横截面的R等于或小于1毫米，具有所需的形状。对制得的制品进行了与实施例1相同的评价(除了制得的制品的形状以外)，获得了与实施例1相同的结果。
实施例7
通过与实施例6相同的方法制造了金属/陶瓷连接制品，其不同之处在于，在冷却过程中对熔融铝合金施加的压力为1千帕。对制得的制品进行了与实施例6相同的评价，获得了与实施例6相同的结果，不同之处在于，所述散热片两端的各边角部分横截面的R＝3毫米(这在实际中不会造成问题)。
实施例8-10通过与实施例6相同的方法制造了金属/陶瓷连接制品，其不同之处在于，在冷却过程中对熔融金属合金施加的压力分别为5千帕(实施例8)、30千帕(实施例9)和90千帕(实施例10)。对制得的制品进行了与实施例6相同的评价，获得了与实施例6相同的结果。另外，在实施例10中，熔融的铝合金略微地从气体加压喷嘴和模具之间的间隙漏出，但是这不会造成问题。
实施例11-13通过与实施例1相同的方法制造了金属/陶瓷连接制品，其不同之处在于，注入模具中的熔融铝合金的温度分别为662℃(比铝合金的液相线温度657℃高5℃)(实施例11)、680℃(比铝合金的液相线温度657℃高23℃)(实施例12)和850℃(比铝合金的液相线温度657℃高193℃)(实施例12)。对制得的制品进行了与实施例1相同的评价，获得了与实施例1相同的结果。
实施例14通过与实施例1相同的方法制造了金属/陶瓷连接制品，其不同之处在于，通过改变作为冷却块的铜水冷套与模具的接触面积，以及改变流过水冷套的水的流量，使得平均冷却速率为5℃/分钟。对制得的制品进行了与实施例1相同的评价，获得了与实施例1相同的结果，其不同之处在于，用于电路图案的铝合金板表面上的平均晶粒尺寸为0.4-0.5毫米，铝合金基板在纵向的翘曲为0.2毫米。
实施例15通过与实施例1相同的方法制造了金属/陶瓷连接制品，其不同之处在于，通过改变作为冷却块的铜水冷套与模具的接触面积，以及改变流过水冷套的水的流量，使得平均冷却速率为95℃/分钟。对制得的制品进行了与实施例1相同的评价，获得了与实施例1相同的结果，其不同之处在于，用于电路图案的铝合金板表面上的平均晶粒尺寸为0.2毫米。
实施例16通过与实施例1相同的方法制造了金属/陶瓷连接制品，其不同之处在于，通过改变加热器的设定温度、铜水冷套与模具的接触面积以及流过水冷套的水的流量，使得熔融铝合金的冷却过程中的温度梯度为1℃/厘米。对制得的制品进行了与实施例1相同的评价，获得了与实施例1相同的结果。
实施例17通过与实施例1相同的方法制造了金属/陶瓷连接制品，其不同之处在于，通过改变加热器的设定温度、铜水冷套与模具的接触面积以及流过水冷套的水的流量，使得熔融铝合金的冷却过程中的温度梯度为48℃/厘米。对制得的制品进行了与实施例1相同的评价，获得了与实施例1相同的结果，不同之处在于，用于电路图案的铝合金板表面上的平均晶粒尺寸为0.2-0.5毫米，在冷却过程中，有一些混合的晶粒(长度5-15毫米)沿热流方向略微延伸。
实施例18和19使用相同的铝合金，通过与实施例1相同的方法制造了金属/陶瓷连接制品，其不同之处在于，铝合金中的硅含量分别为0.1重量％(实施例18)和1.5重量％(实施例19)。对制得的制品进行了与实施例1相同的评价，获得了与实施例1相同的结果。另外，实施例18和19中所用的铝合金的液相线温度分别约为659℃和656℃。
实施例20和21使用相同的铝合金，通过与实施例1相同的方法制造了金属/陶瓷连接制品，其不同之处在于，铝合金中的硼含量分别为0.01重量％(实施例20)和0.5重量％(实施例21)。对制得的制品进行了与实施例1相同的评价，获得了与实施例1相同的结果。另外，实施例18和19中所用的铝合金的液相线温度约为657℃。
实施例22和23使用相同的铝合金，通过与实施例1相同的方法制造了金属/陶瓷连接制品，其不同之处在于，铝合金中的铁含量分别为0.005重量％(实施例22)和0.2重量％(实施例23)。对制得的制品进行了与实施例1相同的评价，获得了与实施例1相同的结果。另外，实施例22和23中所用的铝合金的液相线温度约为657℃。
实施例24
通过与实施例1相同的方法制造了金属/陶瓷连接制品，其不同之处在于，所用的铝合金不含硼和铁(硅含量与实施例1相同)。在此制品中，尽管在模具入口附近的部分观察到硅的聚集，但是在对应于铝合金基板和铝合金电路板的部分未观察到硅的聚集、收缩空腔和空穴，因此没有问题。对制得的制品进行了与实施例1相同的评价，获得了与实施例1相同的结果，其不同之处在于，用于电路图案的铝板表面上的平均晶粒尺寸为3-5毫米。另外，用于实施例24的铝合金的液相线温度约为657℃。
实施例25通过与实施例1相同的方法制造了金属/陶瓷连接制品，其不同之处在于，所用的铝合金不含铁(硅和硼的含量与实施例1相同)。对制得的制品进行了与实施例1相同的评价，获得了与实施例1相同的结果，其不同之处在于，进行蚀刻之后，陶瓷基片表面上残余材料的量大于实施例1。另外，电路图案之间的耐压不小于1.4千伏，因此没有问题。另外，用于实施例25的铝合金的液相线温度约为657℃。
实施例26通过与实施例1相同的方法制造了金属/陶瓷连接制品，其不同之处在于，使用纯铝(3N)代替铝合金，加热至740℃(比铝的液相线温度660℃高80℃)，以使用熔融的纯铝。对制得的制品进行了与实施例1相同的评价，获得了与实施例1相同的结果，其不同之处在于，用于电路图案的铝板表面上的平均晶粒尺寸为3-15毫米。
比较例1依照与实施例1相同的方法制造了金属/陶瓷连接制品，其不同之处在于，在冷却过程中对熔融铝合金施加的压力为0.5千帕。对制得的制品进行了与实施例1相同的评价，获得了与实施例1相同的结果，不同之处在于，所述铝合金基板各边角部分横截面的R＝1.0-1.5毫米。但是，如果铝合金基板边角部分的横截面超过R＝1.0毫米，则安装在铝合金基板上的外壳的对准和密封性能都会变差，这在实际中会造成问题。
比较例2依照与实施例6相同的方法制造了金属/陶瓷连接制品，其不同之处在于，在冷却过程中对熔融铝合金施加的压力为0.5千帕。对制得的制品进行了与实施例6相同的评价，获得了与实施例6相同的结果，不同之处在于，各散热片在其两端部的高度小于3毫米。另外，如果散热片仅有一部分的高度小于5毫米，在将该制品组装成具有冷却散热片的电力组件之后，将难以控制冷却介质的流动，因此这种组装的电力组件不能使用。
比较例3依照与实施例1相同的方法制造了金属/陶瓷连接制品，其不同之处在于，在冷却过程中对熔融铝合金施加的压力为115千帕。在制造该制品的时候，熔融铝合金从气体加压喷嘴和模具之间的间隙以及所述下部模具部件和上部模具部件之间的间隙漏出。因此，铝合金的量将会短缺，使得制品的形状会受到很大破坏。
比较例4依照与实施例1相同的方法制造了金属/陶瓷连接制品，其不同之处在于，注入模具中的熔融铝合金的温度为659℃(比铝合金的液相线温度657℃高2℃)。当制造该制品的时候，熔融铝合金在用于电路图案的铝合金板一侧的流动不足，因此不能使用制得的制品作为绝缘基片。
比较例5依照与实施例1相同的方法制造了金属/陶瓷连接制品，其不同之处在于，注入模具中的熔融铝合金的温度为900℃(比铝合金的液相线温度657℃高243℃)。在此比较例中，熔融的铝合金与模具反应，与模具牢固地结合，因此无法将制品从模具中取出。
比较例6依照与实施例1相同的方法制造了金属/陶瓷连接制品，其不同之处在于，平均冷却速率为3℃/分钟。对制得的制品进行了与实施例1相同的评价，所述铝合金基板沿纵向的翘曲为0.2毫米，用于电路图案的铝合金板表面上的平均晶粒尺寸为0.7-1.0毫米。另外，蚀刻之后陶瓷基片表面上剩余的粗沉积物的量很大，镀敷物沉积在剩余的沉积物上，使得电路图案之间的耐压降至1.2千伏。
比较例7依照与实施例1相同的方法制造了金属/陶瓷连接制品，其不同之处在于，平均冷却速率为110℃/分钟。对制得的制品进行了与实施例1相同的评价，所述铝合金基板沿纵向的翘曲为0.6毫米，抗蚀剂不适合通过丝网印刷机印刷。因此，通过压印形成抗蚀剂，以进行蚀刻，并进行与实施例1相容的热循环测试，使得在600次循环之后，在陶瓷基片中产生细小裂纹。
比较例8依照与实施例1相同的方法制造了金属/陶瓷连接制品，其不同之处在于，在对熔融铝合金进行冷却的过程中，温度梯度为0.3℃/厘米。对制得的制品进行了与实施例1相同的评价，获得了与实施例1相同的结果，不同之处在于，在铝合金基板中产生了多个直径等于或小于2毫米的空穴。如果产生这样的空穴，基板的散热特性会变差，因此该基板的应用受到限制。
比较例9依照与实施例1相同的方法制造了金属/陶瓷连接制品，其不同之处在于，在对熔融铝合金进行冷却的过程中，温度梯度为60℃/厘米。对制得的制品进行了与实施例1相同的评价，所述用于电路图案的铝合金板表面上的平均晶粒尺寸为0.2-1.0毫米，在冷却过程中形成了沿热流方向延伸的粗晶粒(长度为20-40毫米)。对制得的制品进行了与实施例1相同的热循环测试，在1000次循环之后，铝合金电路板的粗晶粒部分中产生了很大的折皱。如果这种金属/陶瓷连接基片用作电路板，这种折皱有可能会由于半导体芯片的焊接等因素造成电路板可靠性降低。
比较例10依照与实施例1相同的方法制造了金属/陶瓷连接制品，其不同之处在于，通过从低温侧向高温侧对熔融铝合金进行加压，同时使模具的入口侧表面与冷却块相接触，使熔融铝合金冷却和固化。对制得的制品进行了与实施例1相同的评价，获得了与实施例1相同的结果，不同之处在于，铝合金基板在高温侧上的各边角部分的横截面的R＝1.0-1.5毫米。如果铝合金基板边角部分的横截面的R超过1.0毫米，则安装在铝合金基板上的外壳的对准和密封性能都会变差，这在实际中会造成问题。
尽管为了更好地理解本发明，在优选的实施方式中已经对其进行了揭示，但是应当理解可以在不背离本发明原则的前提下以各种方法实施本发明。因此，应当理解本发明包括所示实施方式的所有可能实施方式和对其的改良，只要在不背离所附权利要求书所限定的原则的前提下实施即可。
权利要求
1.一种用来制造金属/陶瓷连接基片的方法，该方法包括以下步骤将陶瓷基片放置在具有入口的模具中；从所述入口将铝或铝合金的熔融金属注入该模具中，使得所述熔融金属与陶瓷基片相接触；对注入模具中的熔融金属施加压力的同时，对模具进行冷却，从而使熔融金属固化，使铝或铝合金的金属部件与陶瓷基片相连接。
2.如权利要求1所述的用来制造金属/陶瓷连接基片的方法，其特征在于，通过对所述模具的一部分进行冷却，在模具中形成高温侧和低温侧，在从高温侧向低温侧对注入模具中的熔融金属施加压力的同时，对模具进行冷却，从而使熔融金属固化。
3.如权利要求1所述的用来制造金属/陶瓷连接基片的方法，其特征在于，通过对所述模具进行冷却，使得模具中的入口侧为高温侧，与之相对的一侧为低温侧，低温侧的温度低于高温侧，在从高温侧向低温侧对注入模具中的熔融金属施加压力的同时，对模具进行冷却，从而使熔融金属固化。
4.如权利要求1所述的用来制造金属/陶瓷连接基片的方法，其特征在于，当对模具进行冷却的时候，对熔融金属施加1.0-100千帕的压力。
5.如权利要求1所述的用来制造金属/陶瓷连接基片的方法，其特征在于，所述注入模具中的熔融金属的温度比该熔融金属的液相线温度高5-200℃。
6.如权利要求1所述的用来制造金属/陶瓷连接基片的方法，其特征在于，在将所述熔融金属从其液相线温度冷却至450℃的时候，平均冷却速率为5-100℃/分钟。
7.如权利要求1所述的用来制造金属/陶瓷连接基片的方法，其特征在于，在对模具进行冷却的时候，在模具中形成1-50℃/厘米的温度梯度。
8.如权利要求1所述的用来制造金属/陶瓷连接基片的方法，其特征在于，该方法还包括以下步骤在将所述熔融金属注入模具中之前，对模具进行加热，使得模具温度与熔融金属温度之差不大于250℃。
9.如权利要求1所述的用来制造金属/陶瓷连接基片的方法，其特征在于，从入口对所述熔融金属施加压力。
10.如权利要求1所述的用来制造金属/陶瓷连接基片的方法，其特征在于，从形成于所述模具中的开口对所述熔融金属施加压力。
11.如权利要求1所述的用来制造金属/陶瓷连接基片的方法，其特征在于，所述铝合金包含硅。
全文摘要
本发明提供了一种制造金属/陶瓷连接基片的方法。将温度比铝或铝合金的液相线温度高5－200℃的铝或铝合金的熔融金属注入模具中，在对该模具进行冷却以使得熔融金属固化的时候，从高温侧向低温侧对注入模具中的熔融金属施加1.0－100千帕的压力，在将模具从液相线温度冷却至450℃的过程中，平均冷却速率设定为5－100℃/分钟，模具中的温度梯度设定为1－50℃/厘米。
文档编号C04B37/00GK101074166SQ20071009366
公开日2007年11月21日 申请日期2007年3月30日 优先权日2006年3月31日
发明者菅原章, 高桥贵幸 申请人:同和金属技术有限公司