专利名称：将金属陶瓷基底与金属体接合的方法
技术领域：
本发明涉及将金属陶瓷基底与金属体接合的方法。所得到的金属陶瓷模块尤其可以在功率半导体模块的领域中用作电路载体。
背景技术：
这些电路载体通常是在其上侧和下侧具有金属化结构(metallization)例如铝或铜的陶瓷，例如氧化物陶瓷，其中至少一个金属化的侧面具有电路结构。连接到陶瓷基底的金属体尤其是用于传导在操作启动或停止的过程中在功率电子元件中发出的热量。将陶瓷基底紧固到用于排除热量的金属体的现有技术，例如就模块基板而言，是将元件粘合在一起，例如通过利用SnPb、SnAg、SnAgCu或相应的适当的钎焊材料软钎焊。这样的方法例如在专利申请US 2010068552A1中的描述。使用的金属体通常具有的厚度是在 3毫米至10毫米的范围内。然而，陶瓷基底和通常由铜(Cu)构成的基板通过软钎焊的粘合，由于电源模块的循环热应力会导致钎焊层中的裂纹和分层，这可能首先减少热传递，也会导致元件故障。直到例如由于使用时的循环热应力而形成裂纹时的机械负荷循环的数量不仅取决于陶瓷基底、基板和钎焊材料的机械性能，例如热膨胀系数和E模量，而且取决于有效温度变化、钎焊厚度和侧面基底的尺寸。用于将陶瓷基底接合到金属体的硬钎焊材料的使用也已经是公知的。例如，专利申请EP O 827 198 Al描述了利用包含活泼金属例如钛、铬或铪的硬钎焊材料将陶瓷基底接合到铜板的方法。单个的部件在真空熔炉中受压并在850°C或1063°C加热以形成粘合。专利申请EP O 788 153 A2公开了利用具有不大于1000°C的熔点和基本上包括镍、铜和/或铁的焊料将陶瓷基底接合到金属层的方法。例如，提到了利用磷化镍(NiP)，其首先在600°C时接合到陶瓷基底，随后在970°C接合到金属层。据称产生的焊料粘合层的厚度从 2 μ m 至Ij 40 μ m。专利申请EP O 969 511 A2也涉及将陶瓷基底粘合到金属层的方法，其中使用的焊料具有不超过1000°c的熔点，并且基本上包括镍、铜和/或铁。例如，提到了利用磷化镍(NiP)，其首先在600°C时接合到陶瓷基底，随后在970°C接合到金属层。然而，该工艺不适合将至少在一侧上具有金属化结构的陶瓷基底紧固到用于排热的金属体，因为电源模块的循环热应力会导致裂纹和分层的形成，这可能首先减少热传递，并且导致元件故障。此外，该工艺尤其是因为相当高的温度，极其复杂和昂贵。除了钎焊方法之外，还已知的是直接粘合方法，例如直接铜粘合(DCB，DirectCopper Bonding),直接招粘合(DAB, Direct Aluminium Bonding)和活泼金属硬钎焊(AMB,Active Metal Brazing),其中金属在高温下熔化,产生的熔融物之后被施加到陶瓷基底，随后固化。这样的方法,例如在专利申请EP O 676 800 A2，EP I 187 198 A2和EP 2 214202 A2中公开，其描述了生产铝金属化陶瓷基底的方法以及将这样的基底接合到由铝或铝合金组成的基板的方法。此外，专利申请EP I 187 198 A2与上述的工艺比较，在试验部分，具有一方法，其中氮化铝陶瓷基底首先利用包括87. 5%重量的铝和12. 5%重量的硅的焊料印刷，之后卷绕的铝片设置在陶瓷基底上，该组件在真空熔炉中加热到575°C，然后通过无电镀方法(参见EP I 187 198 A2 ;比较例I)镀镍。然而，这些文献中的方法在它们所公开的方式中，尤其是因为单部件加工和因为相当高的温度，极其复杂和昂贵。所使用的基板的厚度和屈服应力的限制，如在EP 2 214202 A2中的描述，也导致可能的应用范围的限制。屈服应力的限制的原因是这样的，当受热时，系统中的机械应力增加，其通过提出的低屈服应力值减小到可由陶瓷基底承受的值。最后，近来的文献已经提出烧结或扩散焊接以将陶瓷基底粘合到金属体。然而，低温烧结技术，其在近年来已经成功地使用，尤其是对于芯片粘接(dieattach)方法，其具有有限的适用性，以用于将陶瓷基底结合到金属体，因为在这样的工艺 中，从2MPa到20MPa范围内的压力都必须被采用以用于生产烧结连接。就典型的30 X 40mm2尺寸的基底而言，必须施加2. 4kN的力以产生2MPa的结合压力(例如就纳米银技术而言)。金属陶瓷模块特别是功率电子元件的金属体尤其是基板，经常通过适当的方法例如螺纹或夹持，紧固到需要排热的冷却体。因为在金属体和冷却表面之间，尤其是模块基板和冷却表面之间的热传递，可能因为表面粗糙度和/或表面波纹仅仅在局部有限的小区域中产生，连接介质，即通常所说的热接触面材料(TIM, thermal interface materials),其填补在金属体和冷却表面之间，尤其是在模块基板和冷却表面之间的接触面的不均匀，因此更好地保证用于组件的热传递。然而，需要安装在冷却器上的模块底部的热接触面材料增加了总系统的热阻，因为目前可利用的热接触面材料仅具有在O. 5至最大10K/W*m范围内的导热率。另一可能的实现改善功率电子元件的冷却的方法是将冷却介质与陶瓷基底的下侧直接接触，其中陶瓷基底以适当的形体固定，在通过适当设计的密封件(例如DanfossShower'Power )阻止冷却介质进入元件。然而,通过冷却介质在模块结构中(例如Danfoss Shower Power )的陶瓷基底的直接冷却由于冷却介质的可行的最大压力而受限制，这是因为冷却介质侵入组件的风险随着压力的增加而增大。此外，与冷却介质直接接触的基底下侧以其表面积衡量仅仅可以放大到有限的程度，因此这种情况下，在陶瓷基底和冷却介质之间没有最优化的接触，反过来还对热传递有负面影响。最后，还已知的是高质量金属陶瓷模块可以通过利用与陶瓷基底的热膨胀系数更好地匹配的材料获得，例如AlSiC、MoCu、WCu、CuMoCu或Cu/不胀钢/Cu (Cu/Invar/Cu)。然而，这同样要求一种已知接合技术例如通过钎焊或烧结来接合陶瓷基底和底部，其具有上述的缺点，并且以可靠性衡量仅仅在具有特别高要求的模块中实施，例如航天技术，因为用于基板的材料的成本很高。
发明内容
鉴于这些现有技术，本发明的目的是提供一种将金属陶瓷基底接合到金属体的更好的方法。特别地，寻求更好的方法，将金属体粘合到在其至少一侧上具有金属化结构的陶瓷基底，尤其是用于更牢固和更稳定的将金属冷却体粘合到在其至少一侧上具有金属化结构的陶瓷基底，因此该接合优选的是还能够非常好地经受循环热应力。在这样的循环热应力下的接合中的裂纹和分层的形成应当最大可能程度地避免，以保证金属陶瓷模块的更好的持久性能，尤其是更好的持久的热传递性能，并且最小化在使用时金属陶瓷模块失效的风险。另外的接合装置，尤其是螺钉、夹持器或其它连接介质例如热接触面材料(TIM)的使用也应当在可能的情况下避免。同时，根据本发明的方案应当能够以优选的简便的方法非常经济地和有效地实现。 可以直接从在此论述的内容中导出的这些和另外的目的通过生产具有权利要求I的全部特征的金属陶瓷模块的方法实现。引用权利要求I的从属权利要求描述了本发明的方法的优选的变体方案。此外，根据本发明的金属陶瓷模块和根据本发明的应用金属陶瓷模块的特别有利的领域是受保护的。通过金属合金将金属陶瓷基底接合到金属体的方法，其中金属陶瓷基底在其至少一侧上具有金属化结构，其中的工艺步骤为
a)使用厚度小于I毫米的金属体，b)金属合金，其b-Ι)包含铝，和b-2)具有大于450°C的液相温度，该金属合金设置在金属陶瓷基底和金属体之间，c)将从步骤b)得出的组件加热到大于450°C的温度，意外地，这能够提供具有更好性能特征的金属陶瓷模块。本发明的方法允许金属体粘合到陶瓷基底，尤其是可能实现金属体和陶瓷基底的更牢固更稳定的接合，并且该接合能够很好地经受循环热应力。在这样的循环热应力下的接合中的裂纹和分层的形成应当最大可能程度地避免，从而保证金属陶瓷模块的更好的持久性能，尤其是更好的持久的热传递性能，并且在使用时金属陶瓷模块失效的风险是相当低的。由于根据本发明的限制，金属体的厚度小于I毫米，在金属陶瓷基底和金属体的组合的热应力的情况下，仅产生小的对于金属陶瓷基底不危险的机械应力，因此不需要使用对金属体的屈服应力的限制。另外的接合装置，尤其是螺钉、夹持器或其它连接介质例如热接触面材料(TIM)的使用根据本发明的目的，不是绝对必要的。此外，根据本发明的方案能够以比较简便的方法非常经济地和有效地实现。因此，本发明提供通过金属合金将金属陶瓷基底接合到金属体的方法，其中金属合金首先设置在金属陶瓷基底和金属体之间。根据本发明应用的金属陶瓷基底包括陶瓷基底和在其至少一侧上的金属化结构。陶瓷基底优选的是无机的、非金属的基底，尤其是粘土矿物。优选的陶瓷基底包括氧化物和氮化物，尤其是氧化铝，氮化铝和氮化硅，特别是氧化铝。为了本发明的目的，陶瓷基底包括在其至少一个表面上的金属化结构，优选地由铝或铜组成，尤其是铝。金属化结构的导电性有利地大于102(Ω μπιΓ1，优选的是大于103(Ω优选的是大于IO4(Ω · Cm)—1，尤其是大于IO5(Ω · cm)-1。在本专利申请的语境中，所有的数值涉及25°C的温度，除非另外指明。
金属化结构的厚度优选的是大于50. O μ m，更优选的是大于75. Oym,特别优选的是大于100. O μ m，更特别优选的是大于150. O μ m，尤其是大于200. Oym0进一步地，金属化结构的厚度有利地小于1000. O μ m，优选的是小于750. O μ m，特别优选的是小于500. Oym,尤其是小于400. O μ m。金属化结构优选的是通过直接粘合方法施加到陶瓷基底的表面。这样的方法包括，尤其是直接铜粘合(DCB)、直接铝粘合(DAB)和活泼金属硬钎焊(AMB)，其中金属在高温下熔化，所产生的熔融物被施加到陶瓷基底，然后固化。这样的方法例如在专利申请EP O676 800 A2 和 EP 1187 198 A2 中描述。在本发明的第一特别优选的实施方式中，陶瓷基底在其上侧和下侧具有金属化结构，金属体通过这些侧中的一个接合到陶瓷基底，优选的是下侧。在本发明的第二特别优选的实施方式中，陶瓷基底仅在其上侧具有金属化结构，金属体通过陶瓷基底的下侧与后者连接。
有利的是至少一个金属化侧具有电路结构。根据本发明使用的金属体优选的是金属片。根据本发明，金属体的厚度小于I. O毫米，优选的是小于O. 9毫米，特别优选的是小于O. 8毫米，非常特别优选的是小于O. 7毫米，尤其是小于O. 6毫米。此外，金属体的厚度优选的是大于O. 05毫米，更特别优选的是大于O. I毫米，非常特别优选的是大于O. 2毫米，尤其是大于O. 3毫米。金属体的厚度优选的是垂直于接合确定的。除此之外，接合到金属陶瓷基底的金属体原则上没有任何特别的限制。然而，其优选的是用于传导在运行或停止期间在功率电子元件上发出的热量。因此，朝向金属体的金属陶瓷基底的侧面优选的是小于朝向金属陶瓷基底的金属体的侧面，以保护特别有效的冷却作用。为了本发明的目的，金属体优选地具有下列材料性质I.高导电性，2.高导热率，3.可延展性(可变形性)，和4.金属光泽(镜面光泽)。优选的组成金属体的化学元素，位于元素周期表从硼到砹的分界线左侧和之下。为本发明目的的金属体非常特别有利的是铝和铜，尤其是铝。此外，已经发现包括AlSiC、MoCu, WCu、CuMoCu和/或Cu/Invar/Cu的金属体在大功率的应用方面是有利的。金属合金是由两个或更多合金元素彼此相互冶金作用组成的材料。因此，合金包括铝和另一合金元素，优选的是元素周期表的主族II或IV的元素，有利地是镁(Mg)或硅(Si),尤其是娃。根据本发明，合金的招含量大于O. 0%重量，小于100. O %重量,优选的是大于50. O %重量，特别优选的是大于70. O %重量，有利地大于75. O %重量，更有利的是大于80. O %重量，尤其是大于85. O %重量，所有的情况都基于合金的总重量。在本发明特别优选的变体方案中，合金包含硅作为另一合金元素。合金的含硅量优选的是大于O. I %重量，更优选的是大于4. O %重量，特别优选的是大于5. 0%重量，有利地大于7. 5%重量，更优选的是大于10. 0%重量，尤其是大于11. 5%重量，所有的情况都基于合金的总重量。进一步地，合金的含硅量优选的是小于30. O %重量，更优选的是小于25. 0%重量，特别优选的是小于20. O %重量，有利地小于15. O %重量，更有利地小于13. 5%重量，尤其是小于12. 5%重量，所有的情况都基于合金的总重量。当使用包括88. 0%重量的铝和12. 0%重量的硅的合金时可以获得非常特别有利的结果，所有的情况都基于合金的总重量。另外，利用由下述组成的合金铝，从4. 0%重量到12. 0%重量的硅，除了生产涉及的不超过O. I %重量的杂质，还包括从以下的组中选出的至少两个附加的合金元素a)从O. 5%重量到32. O %重量的铜，b)从O. 5%重量到8. O %重量的锡，c)从O. 2%重量到2. O %重量的镁， d)从O. 2%重量到8. O %重量的银，所有的情况基于合金的总重量，其中所有合金元素总计达到100.0%重量，也是有利的。存在于合金中的杂质元素，例如铁和镁，基于合金的总重量，应当有利地在所有情况下不超过O. 05%重量。在本发明特别优选的实施方式中，附加的合金元素从以下的组中选出a-Ι)从23. 0%重量到32. O %重量的铜，和d-Ι)从O. 1%重量到8. O %重量的银，所有的情况基于合金的总重量，在另一优选的4组分合金中，另外的合金组分从以下的组中选出a-2)从O. 5%重量到8. O %重量的铜,和d-2)从O. 1%重量到8. O %重量的银，所有的情况基于合金的总重量。在另一优选的合金中，另外的合金组分从以下的组中选出a-3)从O. 5%重量到8. O %重量的铜，和b-3)从O. 2%重量到8. O %重量的锡，和c-3)从O. 2%重量到2. O %重量的镁，所有的情况基于合金的总重量。合金，其中另外的合金组分为以下含量的锡和镁b-4)从O. 5%重量到8. O %重量的锡，和c-4)从O. 1%重量到2. O %重量的镁,所有的情况基于合金的总重量,该合金也是特别合适的。铝-硅合金，其由下述组成铝，从4. 0%重量到12. O %重量的硅，和除了生产涉及的不超过O. I %重量的杂质之外，也包括下列的合金组分a-5)从O. 5%重量到8. O %重量的铜,和d-5)从I. 0%重量到8. 0%重量的银，其中在所有的情况下的百分比基于合金的
总重量。这已经被认为是特别合适的，尤其是用于铝的硬钎焊接合。已经发现，增加这些合金中的银含量进一步降低熔点和改善待接合的部件的润湿。另一组非常适合用于铝的硬钎焊接合的铝-硅合金已经发现是这样的铝-硅合金，其由下述组成铝，从4.0%重量到12%重量的硅，和除了生产涉及的不超过O. 1%重量的杂质，也包括下列的合金元件
从2. 0%重量到8. 0%重量的铜，从O. 2%重量到3. O %重量的锡，从O. 2%重量到2. 0%重量的镁，其中在所有情况下的百分比基于合金的总重量。在本发明的另一特别优选的变体方案中，合金包括镁作为另一合金元素。元素的含镁量优选的是大于O. 1%重量，更优选的是大于O. 5%重量，特别优选的是大于1.0%重量，有利地大于I. 5%重量，更有利地大于2. O %重量，尤其是大于2. 5%重量，所有的情况基于合金的总重量。进一步地，合金的含镁量优选的是小于10.0%重量，更优选的是小于9. O %重量，特别优选的是小于8. O %重量，有利地小于7. O %重量，更有利地小于6. 0%重量，尤其是小于5. 5%重量，所有的情况都基于合金的总重量。存在于合金中的杂质元素，例如铁和锰，基于合金的总重量，应当有利地在所有情 况下不超过O. 05%重量。为了本发明的目的，特别有利地是对于陶瓷基底，金属合金并且优选的是金属体也具有很大的化学相似性。因此，陶瓷基底、金属合金并且优选的是金属体也有利地具有至少一种共有的元素，其在各部件中的重量比有利地是大于25.0%重量，优选的是大于50. 0%重量，所有情况基于部件的总重量。共有的元素优选的是铝。根据本发明，金属合金的液相温度大于450°C,优选的是大于500°C,特别优选的是大于550°C,尤其是大于575°C。进一步地,金属合金的液相温度有利地是小于650°C,优选的是小于625°C，特别优选的是小于600°C，非常特别优选的是小于590°C，尤其是小于580。。。为了本发明的目的，液相温度是这样的温度，在此温度之上合金完全液化。金属合金的固相温度优选的是大于450°C,更优选的是大于500°C,特别优选的是大于500°C，特别优选的是大于550°C，尤其是大于575°C。进一步地，固相温度有利地是小于650°C，优选的是小于625°C，特别优选的是小于600°C，非常特别优选的是小于590°C，尤其是小于580°C。为了本发明的目的，固相温度是这样的温度，在此温度之上合金完全固体化。本发明的特别优选的实施方式中，金属合金的厚度是大于50. O μ m,优选的是大于75. O μ m,特别优选的是大于100. O μ m，非常特别优选的是大于150. Oym,尤其是大于200. O μ m。进一步地，金属合金的厚度有利地是小于1000. Oym,优选的是小于750. Oym,特别优选的是小于500. O μ m，尤其是小于250. Oym0陶瓷基底的厚度不受任何特别的限制。然而，已经发现根据本发明的工艺特别适合于陶瓷基底，其具有的厚度小于2000. Oym,优选的是小于1500. Oym,特别优选的是小于750. O μ m，非常特别优选的是小于500. Oym,尤其是小于400. Oym0进一步地，陶瓷基底的厚度优选的是大于50. Oym,更优选的是大于75. Oym,特别优选的是大于100. O μ m，非常特别优选的是大于200. O μ m，尤其是大于300. Oym0上述用于金属合金，陶瓷基底、金属化结构和金属体的厚度的数值有利地是垂直于陶瓷基底/金属合金/金属体的接触面确定的。就金属合金的不均匀厚度而言，附图指出了涉及的最小值(最小厚度)。就曲面而言，在所有情况下在垂直于陶瓷基底/金属合金/金属体的接触面的方向上确定厚度，并且附图再一次指示了涉及的最小值(最小厚度)。
陶瓷基底、金属体和金属合金的导电性原则上可以自由地选择。然而，金属体的导电性有利地是大于102(Ω - Cm)'优选的是大于103(Ω - Cm)'特别优选的是大于IO4 ( Ω · cm) \ 尤其是大于 IO5 ( Ω · cm)、金属合金的导电性有利地小于金属体的导电性。其优选的是小于102(Ω · cm)-1,优选地小于ΙΟΗΩ μπιΓ1，特别优选的是小于10°(Ω ^mr1,有利地是小于KT1 (ω .cm)-1，非常特别优选的是小于10_2(Ω .cmr1,尤其是小于10_3(Ω .cm)-1。进一步地，金属合金的导电性优选的是大于10_8(Ω μπιΓ1，优选的是大于10_7(Ω · cm)—1，特别优选的是大于10_6(Ω · cm)—1，尤其是大于 10_5(Ω · cm)-1·陶瓷基底的导电性有利地是小于金属合金的导电性。其优选的是小于10_6(Ω 011)_1，更优选的是小于10_8^ · Cm)―1，特别优选的是小于10,(Ω · cm)—1，有利地是小于 10_12(Ω · cm)—1，尤其是小于 10_14(Ω · cm)-1·
本发明的方法可能将结构化的或非结构化的金属陶瓷基底例如DAB基底或DCB基底接合到金属体。这些金属体优选的是由铝组成，并且可以具有通常在电子元件中用于排热的冷却体的形状。为了将金属陶瓷接合到金属体,将包括金属陶瓷基底、金属合金和金属体的组件加热到大于4500C的温度，优选的是大于500°C，特别优选的是大于550°C，尤其是大于5750C。在此，组件优选的是加热到小于900°C的温度，更优选的是小于800°C，特别优选的是小于700°C，尤其是小于650°C。在合金液化之后，其优选的是再次固化，有利地是通过将包括金属陶瓷基底、金属合金和金属体的组件冷却到小于450 V,优选的是小于300 V,特别优选的是小于200°C，更优选的是小于100°C，尤其是小于50°C。为了将金属陶瓷基底与金属体接合,将包括金属陶瓷基底、金属合金和金属体的组件有利地引入到熔炉例如隧道窑中，并且优选的是加热到接合层的熔点之上的温度，但是有利地是低于存在的陶瓷基底金属化结构和金属体的任何一个的熔点。陶瓷基底和金属体的接合有利地是在惰性气体气氛中实行。由于接合层熔化，陶瓷基底金属化结构和金属体的任一个有利地是由合金润湿，并且通过产生的扩散过程在冷却之后粘性地粘合。已经发现非常特别有用的工艺是这样一个工序，其中将包括金属陶瓷基底、金属合金和金属体的组件从小于450°C，优选的是小于300°C，特别优选的是小于200°C，更优选的是小于IOO0C，尤其是小于50°C的初始温度连续地加热到大于450°C，优选的是大于500°C，特别优选的是大于550°C，尤其是大于575°C的温度，之后再一次连续地冷却，冷却到小于450°C，优选的是小于300°C，特别优选的是小于200°C，更优选的是小于100°C，尤其是小于50°C的温度。接合陶瓷基底和金属体的可替换的方法包括等离子钎焊、激光钎焊、火焰钎焊和感应钎焊。然而，已经发现熔炉钎焊非常特别有利于本发明的目的。在金属陶瓷基底和金属体之间的粘合的形成通过被引入到这个接触面中的金属合金层实现，该金属合金层优选的是具有比存在的基底金属化结构和金属体中的任一个更低的熔点，其表面在接合工艺过程中是很好地润湿的。该层可以或者是牢固地接合到接合对象(金属陶瓷基底和/或金属体)中的至少一个，或者作为松活板放置在待粘合的金属陶瓷基底的侧面和金属体之间。多个结构化的根据其横向尺寸限制在最优值的金属陶瓷基底在接合型金属体的应用以及在这些金属陶瓷基底之间产生适当的电连接，使得可靠的总体电路成为可能，甚至对于相对高的功率也如此。带有例如半导体芯片、热敏电阻等电子元件的金属陶瓷基底的构造以及电路的生产优选的是，当在金属陶瓷基底和金属体之间的粘合确立之后，通过本领域技术人员已知的适当的方法实行。根据本发明，产生的金属陶瓷模块的表面优选的是至少部分地镀有镍、金、银和/或由这些材料组成的层系统。根据本发明可以获得的金属陶瓷模块尤其特征在于在金属体和陶瓷基底之间非常牢固的粘合。分离陶瓷基底和金属体所需的剥离力优选的是大于3N/mm。可以根据本发明获得的金属陶瓷模块的应用领域优选的是包括在电子应用中作为电路载体，而金属陶瓷模块的金属体优选的是起冷却体的作用。
下文中通过多个实施例图解本发明，其没有对本发明的构思形成限制。图I示出了本发明实施例的示意剖面图；图2示出了本发明实施例的另一示意剖面图；图3示出了本发明实施例的又一示意剖面图。
具体实施例方式实施例I-将在两侧金属化结构的和在一侧结构化的DAB基底接合到铝-硅涂层招片在该实施例中，侧面尺寸为36毫米X 20毫米(Al2O3陶瓷(厚度O. 38毫米)，在两侧铝金属化(厚度O. 3毫米)，其中DAB基底的上侧构造为用于电路)的DAB陶瓷基底，接合到O. 2毫米厚的在一侧上涂覆有铝-硅的铝片。为了接合工艺，待接合的基底利用非结构化的侧面放置在铝片的铝-硅涂层侧上的规定的位置。在图I中显示了通过结构横截面的非原理性的示意图，其中金属化的陶瓷基底包括在两侧的陶瓷⑵和金属化结构(1，3)，接合层(4)牢固地接合到铝片(5)。这些堆叠位于具有多个加热区的隧道窑的传送带上，并且以恒定的传送速度通过熔炉，在工艺中加热到从580°C到650°C范围的温度。在通过加热区之后，组件冷却到室温(25°C)。炉内工艺在氮气气氛下执行。在接合工艺之后，陶瓷基底和铝片粘性地彼此粘合，用于分离陶瓷基底和铝片的剥离力大于3N/mm。实施例2-通过宽松地放置的铝-硅板将结构化的DAB基底接合到铝片在该实施例中，具有侧面尺寸36毫米X 20毫米的DAB陶瓷基底(Al2O3陶瓷(厚度O. 38毫米)，在两侧铝金属化(厚度O. 3毫米))接合到O. 8毫米厚的铝片，DAB基底的上部结构化以用于电路。在接合工艺之前，具有36毫米X20毫米尺寸和O. 075毫米厚度的用于待接合到各个基底的铝-硅板放置在铝片上侧的规定的位置，陶瓷基底的非结构化的下侧放置在其上。
在图2中显示了通过结构横截面的非原理性的示意图，其中金属化的陶瓷基底包括在两侧的陶瓷(20)和金属化结构(10，30)，接合层(40)由板组成并且铝片通过附图标记
(50)指示。该堆叠位于具有多个加热区的隧道窑的传送带上，在恒定的传送速度下加热到从580°C到650°C范围的温度，并且在通过加热区之后又冷却到室温。在此炉内工艺在氮气气氛下执行。在接合工艺之后，陶瓷基底和铝片粘性地彼此粘合。实施例3-将在一侧金属化和结构化的DCB基底接合到铝-硅涂层铝片在该实施例中，具有的侧面尺寸为36毫米X 20毫米(Al2O3陶瓷(厚度O. 63毫米)，和仅施加到其上侧的铜金属化结构(厚度O. 3毫米))的DCB陶瓷基底在其无涂层的下侧接合到O. 5毫米厚的在一侧具有铝-硅涂层的铝片。DCB基底的铜金属化结构被结构 化以用于电路。为了接合工艺，待接合的陶瓷基底利用朝向上的金属化结构放置在铝片的铝-硅涂层侧上。在图3中显示了通过结构横截面的非原理性的示意图，其中金属化的陶瓷基底包括金属化结构(100)和陶瓷(200)和牢固地接合到铝片(400)的接合层(300)。接合产生在基底的陶瓷和铝片(包括中间层)之间。这些堆叠位于具有多个加热区的隧道窑的传送带上，并且以恒定的传送速度通过熔炉，在工艺中加热到从580°C到650°C范围的温度，并且在通过加热区之后又冷却到室温。在此炉内工艺在氮气气氛下执行。在接合工艺之后，陶瓷基底和铝板粘性地彼此粘合，用于分离陶瓷基底和铝板的剥离力大于3N/mm。
权利要求
1.通过金属合金将金属陶瓷基底接合到金属体的方法，其中金属陶瓷基底在其至少一侧上具有金属化结构，其特征在于 a)使用厚度小于I毫米的金属体， b)金属合金，其 b-1)包含铝，和 b-2)具有大于450°C的液相温度， 该金属合金设置在金属陶瓷基底和金属体之间， c)将从步骤b)得出的组件加热到大于450°C的温度。
2.根据权利要求I所述的方法，其特征在于使用还包含硅的合金。
3.根据权利要求I所述的方法，其特征在于使用还包含镁的合金。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于基于合金的总重量，使用包含超过50. O %重量的铝。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于金属陶瓷基底以这样的方式接合到金属体，其中金属陶瓷基底在朝向远离金属体的一侧包括金属化结构。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于使用在其至少一个表面上具有铜金属化的陶瓷基底。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于使用在其至少一个表面上具有铝金属化的陶瓷基底。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于产生的金属陶瓷模块的表面至少部分地镀有镍、金、银和/或由这些材料组成的层系统。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于使用的金属体包括铝。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于使用包括氧化铝、氮化硅和/或氮化铝的陶瓷。
11.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于使用包括AlSiC、MoCu,WCu、CuMoCu和/或Cu/不胀钢/Cu的金属体。
12.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于金属陶瓷基底朝向金属体的侧面小于金属体朝向金属陶瓷基底的侧面。
13.一种模块，包括金属陶瓷基底和金属体，以及将陶瓷基底接合到金属体并包括金属合金的接合部，其中金属陶瓷基底在其至少一侧上具有金属化结构，其特征在于金属体具有小于I毫米的厚度，金属合金包含铝并具有大于450°C的液相温度。
14.根据权利要求13所述的模块，其特征在于分离陶瓷基底和金属体所需的剥离力大于3N/mm。
15.根据权利要求13或14所述的模块在电器中作为电路载体的应用。
全文摘要
通过金属合金将金属陶瓷基底接合到金属体的方法，其中金属陶瓷基底在其至少一侧上具有金属化结构，其中a)使用厚度小于1.0毫米的金属体，b)金属合金，其b-1)包含铝，和b-2)具有大于450℃的液相温度，该金属合金设置在金属陶瓷基底和金属体之间，c)将从步骤b)得出的组件加热到大于450℃的温度。根据本发明可以获得的金属陶瓷模块尤其特征在于在金属体和陶瓷基底之间非常牢固的接合。需要用于分离陶瓷基底和金属体的剥离力优选的是大于3N/mm。可以根据本发明获得的金属陶瓷模块的应用领域优选的是包括在电子应用中作为电路载体，而金属陶瓷模块的金属体优选的是起冷却体的作用。
文档编号H01L23/15GK102810487SQ201210177618
公开日2012年12月5日 申请日期2012年5月31日 优先权日2011年5月31日
发明者海科·诺尔 申请人:Ixys半导体有限公司